カーボン入門の身近なカーボン製品、黒鉛製品、グラファイト製品のページ

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カーボン入門の身近なカーボン製品、黒鉛製品、グラファイト製品

身近なカーボン製品、黒鉛製品、グラファイト製品

黒鉛の製造方法」のページでは、黒鉛グラファイトの製造方法を紹介いたしました。
カーボンは身の回りの生活用品などの原料や装置部品として色々なところで使われています。
ここでは、身近なカーボン製品、黒鉛製品、グラファイト製品を紹介致します。

炭の種類

木炭(charcoal)

木を炭化させることで作る事が出来る木炭。 炭化させる素材や、炭化温度や焼成時間などで、性質も価格も用途も様々です。 高級な木炭と言えば「備長炭」 バーベキューで使う炭は輸入された「マングローブの木の木炭」が多いです。
木炭が燃えるのは、炭の中に含まれる「炭酸カリウム」が燃焼して燃えています。 炭酸カリウムは水によく溶けるので、一度水を掛けた炭が燃えにくいのは、炭酸カリウムが抜けてしまっているからです。

木炭(charcoal)
木炭(charcoal)のイメージ
竹炭(Bamboo Charcoal)

竹炭は竹が原料となっている炭です。 木材から作られる炭と違い、竹炭には超微細孔が多数存在します。 超微細孔の半径は15–27nmで、木炭などに比べて小く、炭化温度によって表面積も大きくなります。 竹炭1g中の孔の表面積は、竹を炭化させたときの炭化温度が200°Cで1.7m2、800°Cで724.8m2という測定結果も発表されています。

竹炭(Bamboo Charcoal)
竹炭(Bamboo Charcoal)のイメージ
オガ炭(Oga_charcoal)

木材を製材しているときに発生するオガクズ(ノコで切った木のクズ)を圧縮加熱成形して作られた物を「オガライト」といいます。 オガライトを炭化させると「オガ炭」になります。別名、成型木炭とも言われます。
オガ炭は、材木のリサイクル品として作られている為、エコ製品です。 3〜5時間燃焼する事や、爆跳(ばくちょう)して炭が飛散することも少ないので、バーベキューにおすすめの燃料です。

オガ炭(Oga_charcoal)
オガ炭(Oga_charcoal)のイメージ
活性炭(Activated carbon)

木・竹・椰子殻・胡桃殻などの植物を中心に作られています。 特に、椰子殻・胡桃殻は、食品や洗剤成分を取り除いた後のガラ(廃棄物)が有効利用されているエコ製品です。 サトウキビや、稲のもみ殻から活性炭を作る方法も検討されています。
活性化(賦活処理)には化学法と、物理法があります。 物理法は、原料を800 ℃~950 ℃で加熱し、水蒸気や空気などの気体中で炭化させる方法です。 化学法は、塩素化合物などの化学薬品を使って燃焼させることで多孔質化する方法があります。

活性炭(Activated carbon)
活性炭(Activated carbon)のイメージ
石炭(coal)

石炭は、数千万年前~数億年前の植物が湖底や海底に層状に堆積し、地殻変動や造山活動等による地圧や地熱の影響により石炭化したものをいいます。 石炭化の発達度合いから、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭、泥炭に分けられ、日本では無煙炭から褐炭までを、石炭と呼ばれています。 石炭は燃料(一般炭)や原料(原料炭)に使われており、黒鉛グラファイトの原料にも使われています。

石炭(coal)
石炭(coal)のイメージ
練炭(Briquettes)

石炭やコークス、木炭などの粉を、消石灰やピッチ、ベントナイトなどの結着剤と共に、蓮根状の穴のある形に成型したものです。 大体6~8時間、条件が良ければ種火の状態で50~60時間も燃焼します。 明治時代に、石炭をより効率の高い船舶燃料として活用することを目的として開発されました。
耐火材の石膏ボードが焦げる事があるほど発熱量が高いので、練炭専用の練炭コンロを使いつつ、 一酸化炭素の発生量が多いので、取り扱いは注意が必要です。

練炭(Briquettes)
練炭(Briquettes)のイメージ
豆炭(mame_Charcoal)

原料は練炭と同じ石炭で、日本で家庭用燃料として扱い易く改良開発されて生まれたものが豆炭です。 通常は十数種類の石炭をブレンドして製造されますが、原料の一部に木炭が使われることもあります。
木炭より長時間安定して燃焼し、七輪の場合は3時間ほど、練炭コンロの場合は4〜5時間ほど、火鉢の中に入れた場合は約8時間燃え続けます。 豆炭あんかや、豆炭こたつの場合はほぼ1日もつと言われており、暖を取る方法の需要が高いです。一酸化炭素の発生量が多いので、取り扱いは注意が必要です。

豆炭(mame Charcoal)
豆炭(mame_Charcoal)のイメージ

身近なカーボン製品

鉛筆(pencil)

鉛筆の芯は、黒鉛と粘土の粉末を練り合わせた原料が使われています。 鉛筆の芯の硬さにより、配合率を分けます。 HBの場合で大よそ7:3程度といわれています。
水で溶かれた原料を乾かして、その後焼成が行われます。その後、油に漬ける事で滑らかさが付加されています。

鉛筆(pencil)
鉛筆(pencil)のイメージ
パンタグラフ(pantograph)

パンタグラフ用の擦り板の材料開発は、繰り返し行われてきました。
元々は純銅が使われていました。金属材料との擦り合わせによる架線の摩耗や材料確保が困難な時期に、純カーボンに切り替わりました。 純カーボンでは摩耗が激しいことと、銅に比べ導電性が低いことから、銅にカーボンが配合された材料が使われるようになりました。 しかし、新幹線のような高速移動が出来る電車の登場により、ベースが金属材料だったことから、また架線への負担が問題となり、さらに研究が進められることになりました。
今では多孔質グラファイトに銅を含浸した「銅含浸カーボン材料」や、銅とカーボンを配合して焼結された「結合質カーボン材料」が 開発されて使用されています。

パンタグラフ(pantograph)
パンタグラフ(pantograph)のイメージ
焼き杉板の外壁(Grilled cedar board)

杉板を焼いて表面を炭化させた板を外壁材として利用をするのが、今、見直されています。 日本国内で育った杉の木を、少しでも消費して、林業の支えや、新しい職人さんが生活できる基盤にする働きも行われています。
木の炭化した層が被膜となり、木の腐食を抑える効果があり、風水に強い外壁材となります。 木材自体が、自然由来の天然素材なので、環境に優しい材料です。
現場の足場材で使われている「杉足場板」が利用がしやすくて、強くてお勧めです。 端面に30mm程度の波鉄板で補強されているので、使用される際はご注意と自己責任で。

焼き杉板の外壁(Grilled cedar board)
焼き杉板の外壁(Grilled cedar board)のイメージ
カーボンブラシ(Carbon brush)

19世紀中頃に発明された初期のモーターや発電機。 モーターの通電部品は、銅の線を束ねた「銅編みのブラシ」で編み物のブラシの様なものが使用されていました。 その後、カーボンを使った固形物に置き変わりました。 ブラシの名残が残り、通電部品を「カーボンブラシ」と言われています。
カーボンブラシは、モーターや発電機の回転する部分に接触して、摺動しながら通電する部品です。 今では、ブラシレスモーターも開発されています。 しかし、小さくても高出量を発揮できる従来型のモーターも健在です。
直流モーター等に用いられるブラシは「整流用カーボンブラシ」とスリップリングに用いられる「集電用カーボンブラシ」に分けることができます。

カーボンブラシ(Carbon brush)
カーボンブラシ(Carbon brush)のイメージ
カーボンマイク(Microphone)

カーボンは電気が流れます。そして電気抵抗もあります。 カーボンマイクは、カーボンの粉を伝わる電気抵抗に、振動の変化を利用して作られたマイクです。 昭和の中頃まで使われていたマイクで、家庭用の電話機の黒電話(600型電話機)や公衆電話、無線機にも使われていた構造になります。
「カーボンの粉」が入った容器に人の声を当てると、振動が容器に伝わります。 この粉の容器に、カーボンの電極を取り付けます。 一方のカーボン電極を固定し、反対側を稼動するように取り付けると、 音の振動を、稼動側のカーボン電極が受けとります。 カーボンマイクは、2本の電極間の抵抗値の変化を電気信号に変え、振動はアンプで変換されてスピーカーから音が出るようになります。
この構造のマイクを「カーボンマイク」と言います。

カーボンマイク(Microphone)
カーボンマイク(Microphone)のイメージ
使い捨てカイロ(Disposable body warmer)

使い捨てカイロには、鉄粉と、食塩と活性炭が主に使われています。 他にも鉄の反応を促進する水、水を保水するためのバーミキュライトが使われています。
カイロは鉄が食塩と科学反応をして、塩化鉄になるするときに発生する熱を利用する構造になっています。
活性炭には、細かい無数の穴や溝が空いています。 おおよそスプーン一杯分で、テニスコート1面程の平面積があると言われています。
その無数の穴は酸素を沢山取り込んでいる為、適度に酸化を進める効果と、異常発熱を防ぐ断熱材の効果と、鉄と塩の反応を制御する役割を果たしています。

使い捨てカイロ(Disposable body warmer)
使い捨てカイロ(Disposable body warmer)のイメージ
カーボン製の家庭用調理器(Home cooker)

家庭用の調理器に、カーボンが使われています。
有名なのは「三菱電機さんが販売されている本炭釜」です。 それ以外にも、発熱用に土鍋の底に貼り付ける用途に使われたりしています。
弊社では、家庭用調理器用途のみならず、色んな試作品も製作をさせて頂いております。

カーボン製の家庭用調理器(Home cooker)
カーボン製の家庭用調理器(Home cooker)のイメージ
携帯型通信機器(Mobile appliances)

携帯電話やスマートフォン、ノートパソコン他、色々な携帯型の通信機器や、電動工具、ハイブリッド車、 電気自動車などに内蔵されているリチウムイオン電池には、カーボンの粉が使われています。 カーボン業界では「リチウムイオン電池用負極材」と呼ばれています。
炭素原子(C6)にe-のイオンが吸着しているLiC6状態が充電状態。 放電をするとLi+のイオンが正極側に移動し、 e-のイオンが負極側に移動して電気が流れる仕組みになっています。
カーボンの負極材の分子配列が良い程、蓄電能力が高い電池になります。

携帯型通信機器(Mobile appliances)
携帯型通信機器(Mobile appliances)のイメージ
現金自動預け払い機(Automatic teller machine)

現金自動預け払い機など、モーターが組み込まれている機械には、モーターの軸を支える「軸受け」という部品があります。 カーボンには「自己潤滑性」があり無給油の状態でも、軸受けとして使えます。 紙幣など、油やグリスで汚れてはいけない場所に使える材料です。

現金自動預け払い機(Automatic teller machine)
現金自動預け払い機(Automatic teller machine)のイメージ

身近な物でカーボン冶具が使われて、製造されているいる製品

ガラス瓶(Glass bottle)

ガラス瓶は、瓶を加工する冶具や、硝子を吊って持ち上げる部品や、鋳型などにもカーボン(黒鉛)が使われています。 ガラス瓶を量産されている工場のラインは、物凄い熱気です。 ガラスの軟化温度は、おおよそ730℃前後になります。 ガラスの全成分を完全に溶融させる温度は約1200℃~1400℃前後にもなります。 カーボンは耐熱性が高く、ガラスに濡れない特性があり、ガラス加工には持ってこいの材料になっています。
弊社でも、まだ熱せられて熱いガラス瓶を持ち上げ、運搬する際に使う「カーボン製の口元チャック」などを製作しています。

ガラス瓶(Glass bottle)
ガラス瓶(Glass bottle)のイメージ
発光ダイオード(Light Emitting Diode)

発光ダイオード(Light Emitting Diode)略して「LED」です。 家庭用の照明にも使われているLEDは、カーボンの冶具を使って作られています。 LEDをリード線に封着する時の冶具や、原料の製造ラインでも使われています。
今ではあまり見かけなくなった蛍光灯も、硝子管と金属の部分を繋ぐ「封着冶具」も カーボンの型を使って作られていました。

発光ダイオード(Light Emitting Diode)
発光ダイオード(Light Emitting Diode)のイメージ
ビールジョッキ(beer mug)

日本の居酒屋さんでよく見かけるビールグラスは、持ちてのところに、1本筋が入っています。
ビールジョッキは「2分割のカーボン鋳型」を使って作られています。 丁度真ん中で左右対称に作られている型の溝の筋が、ビールの持ち手のところから、反対側に向かって一直線に残ります。 ビールを注ぐ器には、丸いカーボンの押し棒を当てて作られるので、容器の中には筋が入らないようになっています。

ビールジョッキ(beer mug)
ビールジョッキ(beer mug)のイメージ
硝子加工冶具(Glass processing jig)

硝子加工の際に使う道具(冶具)はカーボンで出来ています。 カーボンは、ガラスに濡れずに、滑りやすく、耐熱性が高い材料のため、硝子加工には打って付けの素材です。
弊社でも、職人さんにあわせた、丸棒や角棒、異形状の道具など、作りたい製品に合わせたカーボン冶具を 色々と製作しています。

硝子加工冶具(Glass processing jig)
硝子加工冶具(Glass processing jig)のイメージ
車のホイール(Car wheel

自動車のホイールでも、特にアルミのホイールは、放電加工によって作られています。 放電加工用の電極には銅や黒鉛が使われております。 複雑な三次元加工の放電加工用の電極などもカーボンで作られています。
銅材質に比べて、放電加工のスピードアップしたり、電極の消耗度が少なく耐久性が伸びる事で、 電極の交換サイクルが伸び、生産性がアップします。

車のホイール(Car wheel)
車のホイール(Car wheel)のイメージ
金属の鋳型・坩堝(template & crucible)

金属を溶かす坩堝や、溶けた金属から製品を作るときの型(鋳型)もカーボンで作られています。 カーボン(黒鉛)は、製造時に2,000℃以上の温度で焼成されて作られている素材になる為、 2,000℃以上の高温度域でも耐えられる素材です。
金属が湯(液体)になる温度域でも、カーボンは個体として形を保つ事が出来る素材なので、 鋳造用途では、色んなところでカーボンが使われています。

金属の鋳型・坩堝(template & crucible)
金属の鋳型・坩堝(template & crucible)のイメージ
銀歯・金歯(Silver tooth)

銀歯や金歯を作るとき、小さな坩堝を使って「金」や「銀」を溶かします。 その時の坩堝もカーボンで出来ています。
カーボンは99.999%純粋な炭の塊(CIP成形品は灰分100~200ppm程度)の素材です。 金属に不純物が混ざり難い為、純度が必要な用途になればなるほど、カーボンが使われています。

銀歯・金歯(Silver tooth)
銀歯・金歯(Silver tooth)のイメージ
ソーラーパネル(solar panel)

ソーラーパネルの板のうち、主にウェハーベースの結晶シリコンを使ったソーラーパネルの製造装置に、 カーボンの冶具が使われています。 シリコンを溶かす容器(坩堝)や、熱を掛ける熱源(ヒーター)ウエハーを溶かす工業炉の土台(炉床)断熱材(炭素繊維断熱材)などなど、 大部分がカーボン素材で出来ています。
シリコンの結晶化ので「単結晶」と「多結晶」に分けられ、単結晶の方が高価ですが、電気変換効率が高くなります。
結晶シリコンは、半導体の基板にもなっている材料です。 シリコンを切断するときに使う当て板(共切り材)もカーボンを利用されていることがあります。

ソーラーパネル(solar panel)
ソーラーパネル(solar panel)のイメージ
オイル(oil)

自動車やバイクなどのエンジンオイルにカーボンが配合されている製品があります。 カーボンには潤滑性があります。また耐熱性も高い為、エンジンオイルに加えることでオイルの性能がアップします。
エンジンの汚れはカーボンでは?と思われた方。その通りです。 ただし、添加されているカーボン(グラファイト)は、フィルターなどを透過する粒子径に調整されております。 更に純度が高い(グラフェン構造)なので、潤滑剤として働きます。

オイル(oil)
オイル(oil)のイメージ

身近な炭素繊維系製品

赤外線ヒーター(Infrared heater)

赤外線ヒーターには、カーボン製の製品も一部あります。
昔は、カーボンの丸棒が使われていましたが、今は、炭素繊維がガラス管に封入されており、電気が流れることで発熱する作りになっています。
カーボンは、遠赤外線効果が高い材料です。 赤外線とは、人の目で見ることが出来ない電磁波の事です。 「可視光線の赤色の外側にある光」という意味で 赤外線と言われています。
遠赤外線は波長がおよそ4~1000µmの電磁波で、電波に近い性質です。

赤外線ヒーター(Infrared heater)
赤外線ヒーター(Infrared heater)のイメージ
ゴルフシャフト(Golf shaft)

カーボンシャフトと言われている、ゴルフクラブのシャフトはCFRPで作られています。
同じカーボンという言葉でも、黒鉛(高温耐熱セラミック)と、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)と 使われる環境で全く違う材料のカーボン材料があります。
従来の金属製のゴルフクラブに比べて軽くて丈夫なCFRP。 ヘッドの重さを感じながらゴルフクラブが触れるようになり、飛距離が伸びたり、打球が良くなったり… という点には直結せず、やはり練習あるのみ!のようです。
昔ながらのスチール製のゴルフクラブに比べて、道具が軽くて持ち運びやすくなりました。

ゴルフシャフト(Golf shaft)
ゴルフシャフト(Golf shaft)のイメージ
カメラスタンド(Camera stand)

三脚, 雲台・ヘッド, 一脚, 卓上三脚・ミニ三脚, 脚パーツなどなど、色んな部品がCFRPで作られるようになりました。 カメラのレンズが重たい分、周辺機器を軽くしてフットワークをしたいと思うのは、カメラマン皆んなの思いでした。
CFRPは金属に比べて、1/4の重量で同じ体積になり、比強度で10倍以上にもなります。
弊社は、板成形品のCFRPの試作品には特に強く、色々とお手伝いをさせて頂いております。

カメラスタンド(Camera stand)
カメラスタンド(Camera stand)のイメージ
自転車(Bicycle)

主にロードレース用の自転車は、フレームを中心にCFRP化が進んでいます。
大体10万円程の自転車からフロントフォークがCFRPになっています。 フロントフォークをCFRP化するだけでも、ハンドル操作がかなり楽になります。 フレーム全体をCFRP化すると、路面の凸凹をCFRPのフレームが吸収してくれることで、タイヤの接地力が上がり タイヤのグリップ力が上がる事が知られています。

自転車(Bicycle)
自転車(Bicycle)のイメージ
空気清浄機のフィルター(Air cleaner)

空気清浄機は大体2種類以上のフィルターが使われています。 一つはガラス繊維が使われることが多い「高機能フィルター」と 臭いを除去する活性炭や活性化炭素繊維が使われた「脱臭フィルター」です。
炭素繊維の不織布を、活性化(賦活)して活性炭にします。 方法としては、原材料を800~950度で加熱し、水蒸気や空気などの気体中で炭化させる「物理法」と、 塩化亜鉛などの化学薬品を使って加熱することで多孔質化する「化学法」があります。

空気清浄機のフィルター(Air cleaner)
空気清浄機のフィルター(Air cleaner)のイメージ
レントゲン(Roentgen)

身体の骨や内蔵を撮影するレントゲン(X線撮影装置)にCFRPが使われています。 主に、寝台(テーブル)やカメラの保護板、支柱などにCFRPが使われています。
CFRPはX線の透過率が良くなります。X線の透過率が良くなると、撮影時に必要となるX線の放射量も少なくなり、身体への負担が軽くなります。 また、従来のアルミに比べて軽量になるので、撮影機の重量を軽くする事ができます。 設備が軽くなると、機械を置く場所の地盤補強に必要となるコストも削減できるため、材質の置き換えが進んでいます。 アクリル板と比較して、重量、X線の透過率、破壊強度とも約1/5に(5倍)になります。

レントゲン(Roentgen)
レントゲン(Roentgen)のイメージ

身近なカーボンブラック製品

プリンターのトナー(toner)

プリンターのトナー・インクには、カーボンブラックが使用されています。
カーボンブラックは、人工的に作り出されるススです。 カーボンブラックも、着色、耐熱、潤滑などの性能を持ち、 色々な用途に使われています。

プリンターのトナー(toner)
プリンターのトナー(toner)のイメージ
テレビのリモコン(Tv remote control)

家電製品のリモコンや、スイッチにはカーボンブラックが使われています。 プリント基板のボタンの接触部分と、ボタンのゴムの背面の電気接点にカーボンの粉が塗布されていたり、 ゴム材料にカーボンが配合されて作られています。
ボタンのゴムと、基盤に電気が流れることで、スイッチのオンオフを認識するように作られています。

テレビのリモコン(Tv remote control)
テレビのリモコン(Tv remote control)のイメージ
タイヤ(tire)

タイヤってゴムで作られています。
普通のゴムは、樹液から作られているので、輪ゴムのように透明や茶色掛かっているはず。 何故、車などのタイヤが茶色いかというと、カーボンブラックが添加されている為、黒色になっています。
カーボンブラックをゴムに添加することで、ゴムの耐熱性をアップさせています。

タイヤ(tire)
タイヤ(tire)のイメージ
マスカラ(mascara)

まつ毛を長くみせたり、ボリュームを出したりするのに欠かせないマスカラ。 マスカラやアイライナーには、カーボンブラックが使われています。 化粧品に色を付けるのが主な理由ですが、カーボンは油分に強く水をはじきやすい性質があり、 化粧品にはとても便利な素材になっています。

マスカラ(mascara)
マスカラ(mascara)のイメージ
コンパクトカセット(Compact cassette)

オランダの電機メーカーであるフィリップスが1962年にオーディオ用に開発した磁気記録テープ。 「カセットテープ」「アナログカセット」「フィリップスカセット」と呼ばれるテープの規格の事をコンパクトカセットと言います。 磁器テープにカーボンやカーボンブラックを配合することで、帯電防止におよるノイズ低減や、滑り効果による耐摩耗性が図られています。

コンパクトカセット(Compact cassette)
コンパクトカセット(Compact cassette)のイメージ

身近なその他のカーボン製品

スポーツカー(sports car)

カーボンが使われている場所の参考例として「関西カーボン加工のセミナー」で使わせて頂いた、スポーツカーの写真です。 カーボン製品や、原料にカーボンが配合されていたり、カーボンの冶具を使って作られているものばかりです。
ボンネットとホイールはCFRP。ディスクブレーキはCCコンポジット。ブレーキやタイヤの原料にカーボンが配合され、 硝子の製造の型や滑り板に黒鉛のプレートが使われています。
もっと突き詰めると、車のエンブレムの放電加工用の電極もカーボンですし、 LEDの製造にもカーボンの冶具が使われています。
最先端の技術が導入されている個所ほど、カーボンと関りが多くなります。

スポーツカー(sports car)
スポーツカー(sports car)のイメージ
浄水器(Water purifier)

浄水器には、活性炭が使われています。
日本の水道水には水道法の定めにより、必ず次亜塩素酸が給水栓(蛇口)の時点で残留するように添加されています。 この次亜塩素酸によってできる化合物(主にトリハロメタン)や、古い鉄管などの腐食劣化物、クリプトスポリジウムなどの病原体、 オゾン処理などの高度浄水処理装置が導入される前にはあった、水のカビ臭などを除去する事が出来ます。 炭素繊維やヤシ殻などの活性炭層を通ることで、活性炭の穴に吸着されたり、分解されています。

浄水器(Water purifier)
浄水器(Water purifier)のイメージ

「身近な黒鉛製品」では日常生活にも関わりやすいカーボン製品、グラファイト製品を紹介しました。 次の「隠れた黒鉛製品」では、直接目で見る機会の少ないカーボン製品や グラファイト製品の紹介を致します。

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