DE112004002724T5 - Amorphe Kohlenstoffteilchen und sie enthaltendes Verbundmaterial - Google Patents

Amorphe Kohlenstoffteilchen und sie enthaltendes Verbundmaterial Download PDF

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Abstract

Amorphe Kohlenstoffteilchen, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks extrahiert worden sind, wobei jedes der Teilchen einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat und die eine Gewichtsverlustrate der Teilchen nach 60-minütigem Halten bei einer Temperatur von 500°C in Gegenwart von Luft in dem Bereich von weniger als 30% aufweisen und deren mittlere Durchschnittsteilchengröße in dem Bereich von 50 bis 1 μm liegt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf amorphe Kohlenstoffteilchen und Verbundmaterialien, in denen diese verwendet werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf amorphe Kohlenstoffteilchen, die überragende verschiedene Eigenschaften aufweisen, wie z.B. eine überragende Materialfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Dimensionsbeständigkeit und dgl. sowie Wirtschaftlichkeit, und auf Verbundmaterialien, in denen diese verwendet werden.
  • Stand der Technik
  • Amorpher Kohlenstoff ist ein neuartiges Kohlenstoffmaterial, das eine homogene glasartige Struktur aufweist und in den letzten Jahren auf verschiedenen Gebieten eingesetzt wird wegen seiner ausgezeichneten Eigenschaften, wie z.B. seiner ausgezeichneten mechanischen Festigkeit, Alkalibeständigkeit, Säurebeständigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und dgl. Als Verfahren zur Herstellung eines solchen amorphen Kohlenstoffs sind bekannt ein Verfahren zum Verbrennen und Carbonisieren (Verkoken) eines Formkörpers aus einem wärmehärtbaren Harz, wie z.B. einem Phenolharz oder einem Furfurylalkoholharz, wie in den weiter unten angegebenen Patentschriften 1 bis 3 beschrieben. Der amorphe Kohlenstoff, der nach dem Verfah ren durch Verbrennen und Carbonisieren des wärmehärtbaren Harzes hergestellt wird, ist jedoch kostspielig und er hat die Neigung, einen unzureichenden Gehalt an restlichem Kohlenstoff und damit eine geringere Materialfestigkeit aufzuweisen als erwünscht.
  • Petrolkoks (Erdölkoks) ist ein billiger kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit einem hohen Heizwert, der höher ist als derjenige von Kohle, und er wird heutzutage in großem Umfang als Brennstoff beispielsweise in industriellen Boilern verwendet. Beim Verbrennen entsteht Asche in einem Verbrennungsofen, in dem ein solcher Petrolkoks verwendet worden ist, ein nicht verbrannter kohlenstoffhaltiger Bestandteil, der darin in einem Mengenanteil von nicht weniger als 70% enthalten ist und der im Hinblick auf seinen Trocken-Heizwert gleichwertig zu Koks ist. Er wird daher wiederum als Brennstoff für Zement-Hochöfen oder als kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel für einen Schmelzofen einer Raffinerie verwendet. Da jedoch die Aktivität oder Reaktivität des unverbrannten kohlenstoffhaltigen Bestandteils extrem niedrig ist und die Verbrennungsasche einen großen Volumenanteil an Verunreinigungen, die von dem Kohlenstoffgehalt verschieden sind, enthält, ist die Bewertung der Verbrennungsasche als Brennstoff oder kohlenstoffhaltiges Material niedrig. Es besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass in naher Zukunft die Verbrennungsasche als wiederaufarbeitbarer Industrieabfall gehandelt wird.
  • Obgleich in verschiedenen Technologien die wirksame Ausnutzung des unverbrannten, Kohlenstoff enthaltenden Bestandteils der Verbrennungsasche vorgeschlagen wird, ist der Großteil dieser Technologien nicht anwendbar auf den unverbrannten, Kohlenstoff enthaltenden Bestandteil in der Verbrennungsasche von Petrolkoks. So ist beispielsweise bei der in der Patentschrift 4 beschriebenen Technologie angegeben, dass staubförmige Kohlenboilerasche mit einem organischen Lösungsmittel gemischt wird, dessen spezifisches Gewicht kleiner als 1 ist und das mit Wasser nicht mischbar ist, dass dann die resultierende Mischung zu Wasser zugegeben wird, wobei der kohlenstoffhaltige Bestandteil zusammen mit dem organischen Lösungsmittel auf der Oberfläche des Wassers schwimmt, und die dabei erhaltene schwimmende Substanz, die den kohlenstoffhaltigen Bestandteil begleitet, als Brennstoff verwendet wird. Der unverbrannte kohlenstoffhaltige Bestandteil in der Verbrennungsasche des Petrolkokses trennt sich jedoch von dem organischen Lösungsmittel und sinkt nach unten auf den Boden und schwimmt nicht auf.
  • Darüber hinaus ist in der Patentschrift 5 eine Technologie zur Herstellung von Flugasche mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt und einer hohen Vitrifizierungsrate (Verglasungsrate) beschrieben, bei der die Flugasche, die Kohlenstoff enthält und die von einem Oxidationsmittel begleitet ist, aus einer Düse in ein Verbrennungsgas injiziert wird, das formuliert worden ist durch Injizieren von Brennstoff (Treibstoff) und Oxidationsmittel aus einer Düse in einen Verbrennungsofen, um den Kohlenstoff in der Flugasche zu verbrennen und die Flugasche zu sintern, und dann wird die gesinterte Flugasche in einem Kühlofen abgeschreckt. Da der Siliciumdioxid-Gehalt in der Verbrennungsasche des Petrolkokses extrem niedrig ist, ist es unmöglich, aus der Verbrennungsasche des Petrolkokses Flugasche herzustellen.
  • Bei den vorstehend beschriebenen Technologien handelt es sich um diejenigen, die der Verbrennungsasche aus industriellen Boilern entsprechen, in denen hauptsächlich rohes Erdöl und Kohle als Brennstoff verwendet werden, und sie sind daher nicht anwendbar auf die Verbrennungsasche aus davon verschiedenen industriellen Boilern, in denen Petrolkoks als Brennstoff verwendet wird. Darüber hinaus handelt es sich bei diesen Technologien um solche, bei denen der kohlenstoffhaltige Bestandteil, der in der Verbrennungsasche enthalten ist, als Brennstoff verwendet wird, oder bei denen die Qualität von Flugasche verbessert wird durch Verringerung des kohlenstoffhaltigen Bestandteils. Es handelt sich somit nicht um eine Technologie, welche die Aufmerksamkeit auf den spezifischen kohlenstoffhaltigen Bestandteil der Verbrennungsasche aus industriellen Boilern richtet, in denen Petrolkoks als Brennstoff verwendet wird und die sich auf die Ausnutzung des kohlenstoffhaltigen Bestandteils als ein höherwertiges Produkt handelt.
    • [Patentschrift 1] geprüfte japanische Patentpublikation SHO 39-20061 ( JP-SHO 39 (1964)-20061 B )
    • [Patentschrift 2] geprüfte japanische Patentpublikation SHO 63-59963 ( JP-SHO 63 (1988)-59963 B )
    • [Patentschrift 3] ungeprüfte japanische Patentpublikation HEI 3-164416 ( JP-HEI 3 (1991)-164416 A )
    • [Patentschrift 4] ungeprüfte japanische Patentpublikation HEI 7-213949 ( JP-HEI 7(1995)-213949 A )
    • [Patentschrift 5] ungeprüfte japanische Patentpublikation HEI 10-281438 ( JP-HEI 10 (1998)-281438 A )
  • Beschreibung der Erfindung
  • Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, amorphe Kohlenstoffteilchen bereitzustellen, die eine überragende Steifheit und Materialfestigkeit aufweisen, eine besonders kleine spezifische Oberflächengröße und ein besonders kleines wirtschaftliches Porenvolumen besitzen. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es außerdem, ein Verbundmaterial anzugeben, dessen Eigenschaften durch Zumischen dieser amorphen Kohlenstoffteilchen verbessert werden.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • Die vorliegende Erfindung, mit der die oben genannten Probleme gelöst werden, besteht aus amorphen Kohlenstoffteilchen, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks (Petroleumkoks) extrahiert werden, von denen jedes einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat und deren Gewichtsverlustrate nach 60-minütigem Halten bei einer Temperatur von 500°C in Gegenwart von Luft in dem Bereich von weniger als 30% liegt und die auch eine mittlere Durchschnittsteilchengröße von 50 bis 1 μm aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem amorphe Kohlenstoffteilchen, deren spezifische Oberflächengröße, bestimmt nach dem BET-Verfahren, in dem Bereich von 20 bis 1 m2/g liegt, und deren Porenvolumen, bestimmt nach dem Stickstoff-Adsorptionsverfahren, in dem Bereich von 0,020 bis 0,001 ml/g liegt.
  • Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung amorphe Kohlenstoffteilchen, deren Gitterabstand, gemessen durch Röntgenbeugung, nicht weniger als 3,43 Å (0,343 nm) beträgt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung, mit der die oben genannten Probleme gelöst werden, ist außerdem ein Verbundmaterial (Verbundwerkstoff), in dem amorphe Kohlenstoffteilchen, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks extrahiert worden sind, einer Matrix zugemischt sind, die umfasst ein organisches Material oder ein anorganisches Material, wobei jedes der Teilchen einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat und die Teilchen eine Gewichtsverlustrate nach 60-minütigem Halten bei einer Temperatur von 500°C in Gegenwart von Luft in dem Bereich von weniger als 30% liegt und die außerdem eine mittlere Durchschnittsteilchengröße von 50 bis 1 μm besitzen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verbundmaterial (einen Verbundwerkstoff), in dem die amorphen Kohlenstoffteilchen in einer Rate von 10 bis 70 Gew.-% dem Verbundmaterial (Verbundwerkstoff) zugemischt sind.
  • Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung, mit der die oben genannten Probleme gelöst werden, ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial(-Verbundwerkstoff), in dem amorphe Kohlenstoffteilchen, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks extrahiert worden sind, mit anderen Kohlenstoffteilchen vermischt sind, wobei jedes der amorphen Kohlenstoffteilchen einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweist und die amorphen Kohlenstoffteilchen eine Gewichtsverminderungsrate nach 60-minütigem Halten bei einer Temperatur von 500°C in Gegenwart von Luft in dem Bereich von weniger als 30% liegt und die außerdem eine mittlere Durchschnittsteilchengröße von 50 bis 1 μm aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial(-Verbundwerkstoff), dem die amorphen Kohlenstoffteilchen in einer Rate von 10 bis 70 Vol.-% dem Verbundmaterial (Verbundwerkstoff) zugemischt sind.
  • Die vorliegende Erfindung, mit der die oben genannten Probleme gelöst werden, betrifft ferner eine Zement-Zusammensetzung, in der die oben genannten amorphen Kohlenstoffteilchen mit einem anorganischen Bindemittel gemischt sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Zement-Zusammensetzung, in der die amorphen Kohlenstoffteilchen in einer Rate von 10 bis 70 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, der Zement-Zusammensetzung zugemischt sind.
  • Effekte der Erfindung
  • Da die amorphen Kohlenstoffteilchen, die eine überragende Steifheit und Materialfestigkeit aufweisen und eine besonders kleine spezifische Oberflächengröße und ein besonders kleines Porenvolumen besitzen, erfindungsgemäß hergestellt werden können aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks (Petroleumkoks), ist dies ein wirtschaftlicher Weg.
  • Darüber hinaus ist es möglich, durch Zumischen dieser amorphen Kohlenstoffteilchen zu einem organischen Material, wie z.B. einem Harz oder Kautschuk, zu einem anorganischen Material, wie z.B. zu Metall, Glas oder Keramik, zu einer Zement-Zusammensetzung oder einem anderen Kohlenstoffmaterial möglich, ein Verbundmaterial (einen Verbundwerkstoff) bereitzustellen, dessen Eigenschaften, wie z.B. der elektrische Widerstand, die Elektrifizierungseigenschaften, die Wärmebeständigkeit und die mechanische Festigkeit und dgl., verbessert sind. Daher können die amorphen Kohlenstoffteilchen auf verschiedenen Gebieten für Formkörper und Struktur-Gegenstände, Halbleiter, für die Wärmeübertragung und dgl. verwendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt eine Elektronenmikrofotografie bei 1000-facher Vergrößerung dar, welche die Form (Gestalt) der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen zeigt;
  • 2 stellt eine Elektronenmikrofotografie bei 2000-facher Vergrößerung dar, welche die Formen (Gestalten) der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen zeigt;
  • 3 stellt eine Elektronenmikrofotografie bei 2000-facher Vergrößerung dar, die den Zustand zeigt, wenn die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen einem Harz zugemischt sind.
  • Beste Art der Durchführung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen näher beschrieben.
  • Bei den erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen handelt es sich um solche, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks (Petroleumkoks) extrahiert worden sind. Obgleich es bekannt war, dass ein großer Volumenanteil an unverbranntern Kohlenstoff in den Teilchen der Verbrennungsasche von Petrolkoks enthalten ist, war bisher nur eine solche Verwendung der Verbrennungsasche bekannt, bei der diese einer erneuten Verbrennung unterworfen wird, um den unverbrannten Kohlenstoff daraus zu entfernen.
  • Bei den Untersuchungen zur wirksamen Ausnutzung einer solchen Verbrennungsasche wurde gefunden, dass der Kohlenstoff, der aus der Verbrennungsasche gewonnen wird, durch Auswaschen des Aschegehaltes (Metalloxide) mit Säure, durch Abtrennen des Kohlenstoffgehaltes durch eine Flüssig-Fest-Trennung, durch anschließendes Trocknen, Pulverisieren und Granulieren der dabei erhaltene Kohlenstoff nicht-kristallin, nämlich amorph ist und eine überragende Steifheit, Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist und eine besonders kleine spezifische Oberflächengröße und ein besonders kleines Porenvolumen besitzt, und dass die Teilchen, aus denen der Kohlenstoffgehalt besteht, nicht-kreisförmige Querschnitte mit spitzwinkligen Ecken (Kanten) aufweisen und komplizierte Formen (Gestalten) haben, die jeweils spitzwinklige Vorsprünge und/oder flache gekrümmte Oberflächen auf der Teilchenoberfläche aufweisen, die jedoch keine flocken- oder kugelförmige Gestalt besitzen und die somit ausgezeichnete Eigenschaften verleihen können, wenn sie einzeln oder im Gemisch mit einer Matrix, wie z.B. einem Harz, einem Kautschuk und dgl., verwendet werden. Darauf beruht die vorliegende Erfindung.
  • Petrolkoks (Petroleumkoks) als das Ausgangsmaterial der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen ist ein Kohlenstoff-haltiges Produkt, das, wie allgemein bekannt, erhältlich ist als festes Nebenprodukt nach der Abtrennung von flüchtigen Fraktionen, wie z.B. Benzin, Kerosin, Gasöl und dgl., wobei die Abtrennung der flüchtigen Fraktionen in einem Rohöl-Raffinierungsverfahren erfolgt durch Erhitzen eines schweren Rückstandes (Asphalt-Gehalt), der hauptsächlich aus einem Vakuum-Destillationssystem bei bis zu 500 bis 600°C ausgetragen wird, um eine Verkokungsreaktion, eine thermische Crackung und eine Verflüchtigung der oben genannten Fraktionen zu induzieren
  • Die Eigenschaften des Petrolkokses (Petroleumkokses) unterliegen keiner speziellen Beschränkung, da sie in Abhängigkeit von der Koksbildung des Rohöls und dem Herstellungsverfahren variieren. Als Eigenschaften von Petroleum kann jedoch beispielhaft angegeben werden, dass der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt 4 bis 8% beträgt, der Aschegehalt 0,3 bis 0,6% beträgt, der Gehalt an flüchtigen Komponenten 10 bis 14% beträgt, der Heizwert 8000 bis 9000 kcal/kg beträgt, der Schwefelgehalt 0,5 bis 6% beträgt und der Vanadin-Gehalt 300 bis 2500 ppm beträgt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoff handelt es sich um einen solchen, der aus der Verbrennungsasche extrahiert wird, die in einem Verbrennungsofen bei Verwendung eines Petrolkokses als Brennstoff, beispielsweise in einem Boiler für pulverisierten Brennstoff, in einem Vergasungsofen und dgl. gebildet wird. Als Verbrennungs-Bedingungen können in einem solchen Verbrennungsofen beispielsweise angegeben werden 1 bis 24 h bei einer Temperatur von 800 bis 1300°C in einer oxidierenden Atmosphäre, obgleich die Bedingungen keineswegs darauf beschränkt sind.
  • Die Zusammensetzung der Verbrennungsasche, die das Ausgangsmaterial darstellt, kann beispielsweise umfassen 0,1 bis 1 Gew.-% H2O, 72 bis 90 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% H, 1 bis 10 Gew.-% O, 0,01 bis 0,1 Gew.-% Cl, 1 bis 3 Gew.-% NH3, 3 bis 20 Gew.-% SO4, 0,50 bis 2,50 Gew.-% V, 0,10 bis 1,00 Gew.-% Fe, 0,02 bis 0,10 Gew.-% Mg, 0,01 bis 0,10 Gew.-% P, 0,05 bis 0,25 Gew.-% Ca, 0,05 bis 0,25 Gew.-% Na, 0,01 bis 0,05 Gew.-% K, 0,05 bis 0,30 Gew.-% Al, 0,02 bis 0,80% Si, 3500 bis 6500 mg/kg Ni und 50 bis 100 mg/kg Mo, obgleich die Zusammensetzung darauf nicht beschränkt ist. Eine typische Zusammensetzung kann beispielsweise sein eine solche mit 0,5 Gew.-% H2O, 78,9 Gew.-% C, 0,8 Gew.-% H, 7,14 Gew.-% O, 0,04 Gew.-% Cl, 2,45 Gew.-% NH3, 16,10 Gew.-% SO4, 1,00 Gew.-% V, 0,23 Gew.-% Fe, 0,07 Gew.-% Mg, 0,04 Gew.-% P, 0,21 Gew.-% Ca, 0,10 Gew.-% Na, 0,03 Gew.-% K, 0,24 Gew.-% Al, 0,78 Gew.-% Si, 4600 mg/kg Ni und 90 mg/kg Mo.
  • Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen kann durchgeführt werden durch Sammeln der Verbrennungsasche, die in einem Staubextraktor eingesammelt wird, der auf dem Boiler angebracht wird, in dem als Brennstoff Petrolkoks verwendet wird, durch Zugabe von saurem Wasser (Säurewasser) und, falls erforderlich, eines Reduktionsmittels, durch Erhitzen und Rühren der Mischung aus der Verbrennungsasche und dem Säurewasser, um den in der Säure unlöslichen Kohlenstoffgehalt von den in der Asche löslichen Metalloxiden durch Fest-Flüssig-Trennung zu trennen, durch Spülen (Waschen) des abgetrennten Kohlenstoffgehalts und anschließendes Trocknen und Pulverisieren des gespülten (gewaschenen) Kohlenstoffgehaltes.
  • Vor der Zugabe des sauren Wassers zu der Verbrennungsasche kann die Verbrennungsasche erforderlichenfalls einer Anfeuchtungsbehandlung unterzogen werden. Durch die Anfeuchtungsbehandlung wird die Verbrennungsasche in einen Zustand gebracht, der leicht handhabbar ist, und dadurch wird auch die Flution des Metallgehaltes bei der Metallextraktion verbessert.
  • Als saures Wasser (Säurewasser), das in dem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen verwendet wird, können Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Mischungen davon verwendet werden. Unter ihnen sind Schwefelsäure und Chlorwasserstoffsäure bevorzugt wegen ihres Lösungsvermögens für die Metalle, das besser ist als dasjenige der anderen Säuren und Schwefelsäure ist am meisten bevorzugt. Wenn die Zugabe der wässrigen Säure (des Säurewassers) weggelassen wird, wird die Extraktionsrate an Metall bei der Metallextraktionsstufe niedrig und dies ist daher unerwünscht.
  • Der pH-Wert des sauren Wassers bzw. des Säurewassers beträgt beispielsweise 0,1 bis 3,0, insbesondere 0,5 bis 1,0, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Wenn der pH-Wert unter 0,1 liegt, muss eine große Menge Säure für das Behandlungsverfahren verwendet werden. Wenn der pH-Wert 3,0 übersteigt, wird der Extraktionswirkungsgrad für Vanadin niedrig.
  • Die Menge, in der das Säurewasser zugegeben wird, kann beispielsweise in dem Bereich liegen, der dem 2- bis 10-fachen der Menge (Trockengewicht) der zu behandelnden Verbrennungsasche entspricht, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Wenn die Zugabemenge des Säurewassers weniger als das 2-fache beträgt, schreitet die Auflösungs-Behandlung der löslichen Gehalte möglicherweise unzureichend fort. Wenn andererseits die Zugabemenge des Säurewassers mehr als das 10-fache beträgt, ist es nicht wirtschaftlich und es ist wahrscheinlich, dass die Arbeit, die im Zusammenhang steht mit der Behandlung der Abfallflüssigkeit nach der Fest-Flüssig-Trennung, hart und umfangreich wird.
  • Als Reduktionsmittel, das in Kombination mit dem Säurewasser, falls erforderlich, verwendet werden kann, kann beispielsweise Schweflige Säure, Hydrazin und Hydroxylamin verwendet werden, obgleich das Reduktionsmittel darauf nicht beschränkt ist. Unter ihnen sind Schweflige Säure und Hydrazin bevorzugt wegen ihres außergewöhnlichen Reduktionsvermögens. Schweflige Säure ist am meisten bevorzugt.
  • Ein solches Reduktionsmittel wird der Verbrennungsasche nahezu gleichzeitig mit der Zugabe des Säurewassers vor dem Erhitzen zugesetzt. Als Zugabemenge für das Reduktionsmittel ist es bevorzugt, 0,02 bis 1,0 Gew.-Teile, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,6 Gew.-Teile Reduktionsmittel auf 100 Gew.-Teile (Trockengewicht) Verbrennungsasche zuzugeben, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Wenn die Zugabemenge für das Reduktionsmittel weniger als 0,02 Gew.-Teile beträgt, besteht die Gefahr, dass die Reduktionsreaktion unzureichend fortschreitet. Wenn die Zugabemenge des Reduktionsmittels 1,0 Gew.-Teile übersteigt, besteht die Gefahr, dass eine zusätzliche Behandlungsstufe für das verbleibende Reduktionsmittel erforderlich ist und dass dadurch die Komplexität des Verfahrens zunimmt.
  • Nach der Zugabe des Säurewassers und gegebenenfalls nach der Zugabe des Reduktionsmittels zu der Verbrennungsasche wird die resultierende Mischung auf eine Temperatur von nicht weniger als 40°C, vorzugsweise auf eine Temperatur in dem Bereich von 50 bis 80°C erhitzt und gerührt mit einer vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit, um die Metallgehalte, die in der Verbrennungsasche enthalten sind und die in der Säure löslich sind, ausreichend schnell aufzulösen. Da die Extraktionsrate langsam wird, wenn die Temperatur unter 40°C liegt, wird eine Erhitzungstemperatur von nicht weniger als 40°C angewendet.
  • Obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist, können als Rührmethode beispielsweise einige der generellen Methoden angewendet werden, beispielsweise ein Verfahren, das unter Verwendung eines Rührers mit vier schrägen Rührschaufeln durchgeführt wird. Die Rührbedingungen können in geeigneter Weise variiert werden in Abhängigkeit von der Dichte, der Temperatur und dgl., des Säurewassers in dem Extraktionsmittel. Wenn man annimmt, dass eine wässrige Schwefelsäure-Lösung von pH 0,6 in einer Menge zugegeben wird, die dem doppelten Gewicht der Verbrennungsasche, die behandelt werden soll, entspricht, und wenn die Temperatur der Lösung auf 60°C eingestellt wird, kann beispielsweise eine Rührbehandlung von etwa 90 min zweckmäßig sein.
  • Bei der oben genannten Metallextraktionsbehandlung, bei der Säurewasser und ein Reduktionsmittel verwendet werden, werden die Metall-Bestandteile, die in der Verbrennungsasche enthalten sind, wie z.B. V, Al, Fe, Mg, Mo, Ni und dgl., in Wasser aufgelöst und der Kohlenstoff-haltige Bestandteil bleibt als unlöslicher Feststoff zurück.
  • Ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, kann als Fest-Flüssig-Trennverfahren beispielsweise eine Trennung angewendet werden, die durchgeführt werden kann unter Verwendung eines Druckfilters, eines Zentrifugenabscheiders, einer Dekantier-Vorrichtung, eines Bandfilters, eines Tray-Filters, eines Vorbeschichtungsfilters, eines Keramikfilters, eines Kricket-Filters, eines Druckwalzen-Filters und dgl.
  • Der bei der Fest-Flüssig-Trennung erhaltene feuchte (nasse) Kohlenstoffhaltige Bestandteil wird gegebenenfalls gründlich gespült mit Wasser, das beispielsweise auf 20 bis 80°C, vorzugsweise auf etwa 6°C erhitzt worden ist. Sofern das anhaftende Säurewasser in ausreichendem Maße entfernt werden kann, unterliegt das Spülverfahren keiner speziellen Beschränkung und es können zum Spülen verschiedene Systeme verwendet werden.
  • Obgleich die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, kann als Trocknungsverfahren beispielsweise eine Lufttrocknung bei einer Temperatur von 100 bis 200°C, eine Ofentrocknung und eine natürliche Trocknung oder dgl. angewendet werden. Aufgrund des Umstandes, dass die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen elektrisch leitfähig sind, kann auch ein Trocknungsverfahren, bei dem Elektrizität angewendet wird, angewendet werden. In jedem Fall ist es möglich, den amorphen Kohlenstoff mit hohem Wirkungsgrad zu trocknen, weil die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen eine extrem kleine spezifische Oberflächengröße und ein extrem kleines Porenvolumen aufweisen und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzen.
  • Das Pulverisierungsverfahren kann durchgeführt werden unter Verwendung einer physikalischen Pulverisiervorrichtung, beispielsweise einer Turbomühle, einer Kugelmühle, einer Strahlmühle, einer Walzenmühle, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Da der Kohlenstoff-haltige Bestandteil, der pulverisiert werden soll, eine hohe Härte aufweist und bereits in Form von sehr kleinen Teilchen vorliegt, ist es zweckmäßig, die Strahlmühle als Pulverisator zu verwenden. Nach dem Pulverisierungsverfahren kann gegebenenfalls ein Klassierungsverfahren angewendet werden.
  • Die so erhaltenen erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen weisen nicht-kreisförmige Querschnitte mit spitzwinkligen Rändern (Kanten) auf und sie haben komplizierte Formen (Gestalten), die jeweils spitzwinklige Vorsprünge und/oder ebene Krümmungsoberflächen auf der Teilchenoberfläche aufweisen, wie in 1 dargestellt, sie haben jedoch keine flockenförmige Gestalt wie Graphit oder keine kugelförmige Gestalt wie Ruß. Ihre mittlere Teilchengröße liegt in dem Bereich von 1 bis 50 μm und besonders bevorzugt in dem Bereich von 1 bis 10 μm. Diese Formen bzw. Gestalten mit nicht-kreisförmigen Querschnitten, die spitzwinklige Kanten aufweisen, lassen einen guten Verankerungseffekt erwarten, wenn die amorphen Kohlenstoffteilchen mit einem Matrix-Material, beispielsweise mit einem Harz, Kautschuk, Zement, Metall und dgl. kombiniert werden, und sie lassen einen Spike-Effekt auf der Oberfläche des Verbundmaterials erwarten.
  • Außerdem weisen die amorphen Kohlenstoffteilchen eine Gewichtsabnahmerate von weniger als 30%, vorzugsweise von weniger als 20% auf, nachdem sie 60 min lang bei einer Temperatur von 500°C an der Luft stehen gelassen worden sind. Sie stellen somit Kohlenstoffe mit einer sehr niedrigen Reaktivität und mit einer hohen Stabilität dar.
  • Darüber hinaus ist klar, dass die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen eine amorphe Struktur haben, da der durch Röntgenbeugung gemessene Gitterabstand der Teilchen beispielsweise nicht weniger als 3,43 Å (0,343 nm) beträgt.
  • Da die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen eine spezifische Oberflächengröße, bestimmt nach dem BET-Verfahren, von etwa 20 bis 1 m2/g und ein Porenvolumen, bestimmt nach dem Stickstoff-Adsorptionsverfahren, von etwa 0,020 bis 0,001 ml/g aufweisen, besitzen sie verhältnismäßig dichte Oberflächenprofile.
  • Als weitere (andere) typische Eigenschaften der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen können genannt werden ein spezifisches Gewicht, bestimmt nach dem manuellen Füll-Verfahren, von 0,5 bis 0,7 g/ml und ein wahres spezifisches Gewicht, gemessen nach JIS K21515-3, von 1,9 bis 2,1, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist.
  • Die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen können als solche beispielsweise für verschiedene Katalysator-Träger und Strömungsschicht-Medien verwendet werden.
  • Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen mit einem Matrix-Material gemischt sein, das umfasst organische Materialien, wie z.B. verschiedene Harze und Kautschuke, und anorganische Materialien, wie z.B. Zemente und Metalle, um diesem eine elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, um dessen Steifheit und mechanische Festigkeit, Dimensionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und dgl. zu verbessern, weil die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen Affinitäten aufweisen können sowohl gegenüber ölhaltigen Substraten als auch gegenüber wässrigen Substraten. Im einzelnen können sie beispielsweise bevorzugt verwendet werden als Färbemittel für Harz- oder Kautschuk-Formgebungsmaterialien oder Shading-Fasern und dgl.; als Modifizierungsmittel oder Füllstoff für ein Harz oder einen Kautschuk; als Agens zur Regulierung des elektrischen Widerstandes in einem antistatischen Material, als Widerstandsmaterial in einer Kopier-Vorrichtung, als Folienheizmaterial unter Ausnutzung des charakteristischen PTC (positiven Temperatur-Koeffizienten), für künstlichen Marmor oder dgl.
  • Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen auch zu verschiedenen flüssigen Zusammensetzungen, beispielsweise zu Schmiermitteln, Fahrzeug-Antriebsfluids, Elektro-Viskose-Fluids; nicht-linearen optischen Materialien oder zu Färbezusammensetzungen, beispielsweise zu verschiedenen Tinten und Anstrichfarben, zugegeben werden.
  • Außerdem ist es möglich, sie mit einem Matrixmaterial zu vermischen, das umfasst anorganische Substanzen, wie z.B. eine Zement-Zusammensetzung, ein Metall, und Glas, vorzugsweise für verschiedene Verwendungszwecke, beispielsweise als Färbemittel, Füllstoff-Materialien, Aggregate (Zuschläge) und dgl.
  • Ferner kann das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial, das eine neue Eigenschaft aufweist, hergestellt werden durch Kombinieren der erfindungsgemäßen Kohlenstoffteilchen mit anderen Kohlenstoff-Materialien, die eine andere Charakteristik aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße Verbundmaterial (Verbundwerkstoff) besteht aus den oben genannten erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen und einer Matrix, in welche die amorphen Kohlenstoffteilchen eingemischt werden und die umfasst organische Materialien, wie z.B. verschiedene Harze und Kautschuke, und anorganische Materialien, wie z.B. Zemente und Metalle und Gläser.
  • Obgleich die Zugabemenge der amorphen Kohlenstoffteilchen variiert in Abhängigkeit von dem Zugabezweck, der Art des organischen Materials, wie z.B. dem Harz oder Kautschuk, oder des anorganischen Materials, wie z.B. der Zement-Zusammensetzung, des Metalls oder Glases als Matrix, können die amorphen Kohlenstoffteilchen in einer Menge von 10 bis 70 Gew.-% zugegeben werden, bezogen auf das Gewicht des Verbundmaterials (Verbundwerkstoffs). Selbst wenn die Zugabemenge der amorphen Kohlenstoffteilchen bis zu 70 Gew.-% beträgt, können die amorphen Kohlenstoffteilchen in einem gleichförmigen Verteilungszustand der Matrix zugemischt sein. Es wird angenommen, dass der gleichförmige Verteilungszustand deswegen erreicht wird, weil die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen Affinitäten sowohl gegenüber ölhaltigen Substraten als auch gegenüber wässrigen Substraten aufweisen, und dass die amorphen Kohlenstoffteilchen, welche die oben genannten Teilchenformen bzw. -gestalten mit nicht-kreisförmigen Querschnitten aufweisen und somit einen guten Verankerungseffekt an der Matrix ergeben, der ebenso hoch ist wie der gut verteilte Zustand aufrechterhalten werden kann. Das erfindungsgemäße Verbundmaterial umfasst nicht nur solche Materialien, die eine vorgegebene Menge eines Endprodukts aus den amorphen Kohlenstoffteilchen enthalten, sondern auch solche, die im so genannten "Master Batch"-Zustand vorliegen und zur Herstellung von Endprodukten mit einem verhältnismäßig niedrigen Gehalt mit einer verbesserten Dispergierbarkeit verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann hergestellt werden durch Zumischen der oben genannten amorphen Kohlenstoffteilchen zu einer Harz- oder Kautschuk-Zusammensetzung, die in einem fließfähigen Zustand (am Liquidus-Punkt) vorliegt, und anschließendes Vermischen oder Verkneten derselben unter Anwendung konventioneller Verfahren. Im Falle einer Zement-Zusammensetzung können die oben genannten amorphen Kohlenstoffteilchen der Zement-Zusammensetzung, die in Form eines Pulvers vorliegt, zugemischt werden oder sie können in Form einer Paste zugemischt werden, die hergestellt worden ist durch Zugabe von Wasser zu dem Pulver. In entsprechender Weise können im Falle eines Metalls, eines Glases oder dgl., die oben genannten amorphen Kohlenstoffteilchen dem Matrixmaterial zugemischt werden, das im Zustand eines Pulvers oder in einem fließfähigen Zustand (am Liquidus-Punkt) vorliegt.
  • Erforderlichenfalls ist es auch möglich, die amorphen Kohlenstoffteilchen einer konventionellen Oberflächenbehandlung, beispielsweise einer Plasma-Behandlung, einer Elektronenbestrahlung, einer Polymeraufpfropfungs-Behandlung, einer Polymer-Beschichtungsbehandlung und dgl. zu unterziehen, bevor die amorphen Kohlenstoffteilchen in die Matrix, z.B. in ein Harz, einen Kautschuk oder dgl., eingemischt werden.
  • Das Harz oder der Kautschuk, das (der) die Matrix bildet, der die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen zugemischt werden, unterliegt keiner speziellen Beschränkung.
  • Als thermoplastische Harze können beispielsweise verwendet werden Harze vom Olefin-Typ und Copolymere davon, wie z.B. Polyethylen, chloriertes Polyethylen, Ethylen/Vinylacetat-Copolymer, Ethylen/Ethylacrylat-Copolymer, Polypropylen, Ethylen/Propylen-Copolymer, Polybutylen, Poly-4-methylpenten-1 und dgl.;
    Harze vom Vinylchlorid-Typ und Copolymere davon und Harze vom Vinylidenchlorid-Typ und Copolymere davon, wie z.B. Polyvinylchlorid, Vinylchlorid/Vinylidenchlorid-Copolymer, Vinylchlorid/Vinylacetat-Copolymer, Vinylchlorid/(Meth)Acrylsäureester-Copolymer, Vinylchlorid/Acrylnitril-Copolymer, Ethylen/Vinylchlorid-Copolymer, Propylen/Vinylchlorid-Copolymer, Polyvinylchlorid-bepfropftes Ethylen/Vinylacetat-Copolymer und dgl.;
    Harze vom Styrol-Typ und Copolymere davon, wie z.B. Polystyrol, Styrol/(Meth)Acrylsäureester-Copolymer, Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer (ABS-Harz), Acrylnitril/Styrol-Copolymer (AS-Harz), Acrylnitril/chloriertes Polyethylen/Styrol-Copolymer (ACS-Harz) und dgl.;
    Harze vom (Meth)Acrylsäure-Typ und Copolymere davon, wie z.B. Polymethylmethacrylat oder andere Mono- oder Copolymere von Monomeren vom Acrylsäure- oder Methacrylsäure-Typ, wie z.B. Acrylsäure; Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat, n-Butylacrylat, Isobutylacrylat, Dodecylacrylat, Stearylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Methacrylsäure, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, Isobutylmethacrylat, n-Octylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat und dgl.;
    Harze vom Polyamid-Typ, wie z.B. Nylon 6, Nylon 66, Nylon 610, Nylon 11, Nylon 8, Poly-p-phenylenenterephthalamid und dgl. und Harze vom Polyimid-Typ und Harze vom Polyamid/Imid-Typ;
    Harze vom Fluor enthaltenden Typ, wie z.B. Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylen-propylenfluorid, Tetrafluorethylen/Perfluoralkoxyethylen-Copolymer, Ethylen/Tetrafluorethylen-Copolymer, Polychlorotrifluorethylen und dgl.;
    Harze vom Cellulose-Typ, wie z.B. Celluloseacetat, Celluloseacetatbutyrat, Celluloseester, Celluloseethylat und dgl.;
    Harze vom thermoplastischen Polyester-Typ, wie z.B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und dgl.; und
    andere Harze, wie z.B. Polycarbonat, Polyacetal, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyaminobismaleimid, Polyethersulfon, Polyphenylensulfon, Polyarylsulfon, Polyarylat, bepfropfter Polyphenylenether, Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Ionomer, verschiedene Silicon-Harze und dgl.
  • Als thermoplastisches Harz können verwendete werden Phenol-Harze, Harnstoff-Harze, Melamin-Harze, Xylol-Harze, Furan-Harze, Diallylphthalat-Harze, ungesättigte Polyester-Harze, Alkyd-Harze, Epoxy-Harze, Polyurethan-Harze, Alkylbenzol-Harze, Benzoguanamin-Harze und andere verschiedene modifizierte Harze davon, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist.
  • Darüber hinaus können außerdem verwendet werden als Kautschuk beispielsweise Naturkautschuke und Derivate davon, wie z.B. Naturkautschuk, chlorierter Kautschuk, hydrochlorierter Kautschuk, cyclisierter Kautschuk und dgl.; synthetische Kautschuke vom Butadien-Typ, wie z.B. Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Nitrit-Kautschuk (Butadien-Acrylnitril-Copolymer, NBR), Chloropren-Kautschuk und dgl.; synthetische Kautschuke vom Olefin-Typ, wie z.B. Polyisopren, Butyl-Kautschuk und dgl., Epichlorhydrin-Kautschuke; synthetische Kautschuke vom Polysulfid-Typ, wie z.B. bromierter Butyl-Kautschuk Thiokol A, Thiokol B und dgl.; Acryl-Kautschuke; chlorsulfoniertes Polyethylen; und thermoplastische Elastomere, die ebenfalls unter die oben genannten thermoplastischen Harze einkopiert werden können, wie z.B. ein Vinylchloridharz-Elastomer, Ethylen-Propylen-Elastomer, Ethylen-Vinylacetat-Elastomer, chloriertes Polyethylenelastomer, Styrol-Butadien-Elastomer, thermoplastisches Polyurethan-Elastomer und dgl.; und andere, wie z.B. Silicon-Kautschuke, fluorierte Kautschuke, Urethan-Kautschuke und dgl.
  • Dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial (Verbundwerkstoff) können verschiedene konventionelle Zusätze oder Compoundier-Ingredientien gegebenenfalls in die Matrix eingemischt werden, die umfasst eines der oben genannten Harz oder Kautschuke zusätzlich zu den oben genannten amorphen Kohlenstoffteilchen.
  • Zu diesen verschiedenen Additiven oder Compoundier-Ingredientien gehören beispielsweise thermische Stabilisierungsmittel, Antioxidationsmittel, ultraviolette Strahlung absorbierende Agentien, Weichmacher, Färbemittel, flammwidrig machende Agentien, Verschäumungsmittel, Füllstoffe, die von dem oben genannten amorphen Kohlenstoff verschieden sind, Form-Gleitmittel, Oberflächenbehandlungsmittel, Schmiermittel, Antiblockierungsmittel und dgl., obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Als thermisches Stabilisierungsmittel können beispielsweise verschiedene Fettsäuremetallsalze oder -ester, wie z.B. Bleistearat, Dibutylzinnlaurat, Tribenzylzinnlaurat, Cadmiumstearat, Zinkstearat, Bariumstearat, Strontiumstearat, Magnesiumstearat, Calciumstearat, Cadmiumlaurat, Zinklaurat, Bariumlaurat, Strontiumlaurat, Magnesiumlaurat, Calciumlaurat und dgl. genannt werden, obgleich die oben genannten Verbindungen nur einige wenige Beispiele darstellen. Als Antioxidationsmittel können beispielsweise Alkylphenole, Amine, Chinone und dgl. genannt werden, obgleich diese nur einige wenige Beispiele darstellen. Als ultraviolette Strahlung absorbierende Agentien können beispielsweise Salicylsäureester, Benzoesäureester und dgl. genannt werden, obgleich dies nur einige wenige Beispiele sind. Als Weichmacher können beispielsweise Phthalsäureester, Sebacinsäureester, Adipinsäreester, Phosphorsäureester, aliphatische dibasische Säureester, Polyester-Verbindungen, Epoxy-Verbindungen, Chlor enthaltende Verbindungen, Ricinolsäureester, Diethylenglycole, Butadienacrylnitrile und Sulfonamide und dgl. genannt werden, obgleich die Weichmacher variieren in Abhängigkeit von der Art des zugegebenen Harzes und obgleich die oben genannten nur einige wenige Beispiele sind.
  • Als Färbemittel können verschiedene Pigmente (z.B. inaktive bzw. Füllstoff-Pigmente) und Farbstoffe verwendet werden. Als flammwidrig machende Agentien können z.B. chloriertes Paraffin, Trikresylphosphat, chloriertes Öl, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Tetrabromphthalsäureanhydrid, Tetrabrombisphenol A, Antimonoxid, Aluminumhydroxid und Bariumborat und dgl. genannt werden, obgleich dies nur einige wenige Beispiele sind. Als Schaumbildner können beispielsweise niedrig siedende Lösungsmittel, wie z.B. Propan, Butan und dgl., für die physikalische Schaumbildung; und Azonitril-Verbindungen, Benzolsulfohydrazin-Verbindungen, Diazoamid-Verbindungen und dgl. für die chemische Schaumbildung verwendet werden, obgleich die oben genannten Verbindungen nur einige wenige Beispiele sind. Als Füllstoffe, die von dem oben genannten amorphen Kohlenstoff verschieden sind, können beispielsweise genannt werden Glasfasern, Glasperlen, Calciumcarbonat, Calciumsilicat, Titan-Weiß, Lignin, Asbest, Glimmer, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Bornitrid, Siliciumoxid, natürliche oder synthetische Fasern, Ruß, weißer Kohlenstoff und dgl., obgleich die oben genannten Verbindungen nur einige wenige Beispiele darstellen. Als Form-Gleitmittel und als Oberflächenbehandlungsmittel können beispielsweise natürliche und synthetische Wachse, wie Carnaubawachs, Paraffinwachs und dgl.; Polyethylenwachse; Siliconöl und dgl. genannt werden, obgleich dies nur einige wenige Beispiele sind. Als Schmiermittel können beispielsweise Stearinsäuremetallsalze und Isobutylstearat und dgl. genannt werden, obgleich dies nur einige wenige Beispiele sind. Als Antiblockierungsmittel können beispielsweise winzige anorganische Teilchen, wie z.B. Talk-Pulver, Rosin-Pulver, kolloidales Siliciumdioxid, hydrophobes Siliciumdioxid, hydrophobes Titandioxid, hydrophobes Zirkoniumdioxid und dgl., verwendet werden und zusätzlich können winzige organische Teilchen, wie z.B. Polystyrol-Perlen (Meth)Acrylharz-Perlen und dgl. genannt werden, obgleich dies nur einige wenige Beispiele sind. Außerdem können als Antistatikmittel beispielsweise verschiedene oberflächenaktive Verbindungen (Tenside), wie z.B. aliphatische Sulfonsäuresalze und höhere Alkoholsulfate und dgl., genannt werden, obgleich dies nur einige wenige Beispiele sind.
  • Darüber hinaus ist es zum Zwecke der Verbesserung der Dispergierbarkeit des amorphen Kohlenstoff-Pulvers in der Matrix auch möglich, ein Material zuzuge ben, das eine Affinität gegenüber der Matrix aufweist, die umfasst ein oben genanntes Harz oder einen oben genannten Kautschuk, und das eine Affinität gegenüber dem amorphen Kohlenstoff-Pulver aufweist, wie z.B. ein Block- oder Pfropfpolymer, das eine Pfropf- oder Block-Kette aufweist, die eine Affinität gegenüber der Matrix hat, und eine andere Pfropf- oder Block-Kette aufweist, die eine Affinität gegenüber dem amorphen Kohlenstoff-Pulver aufweist, verschiedene Tenside oder amphipathische Verbindungen und dgl. Als das oben genannten Block- oder Pfropf-Copolymer können auch solche mit einem niedrigen Molekulargewicht von nicht mehr als 3000, d.h. so genannte "Oligomere", verwendet werden.
  • Außerdem es ist für den Fall, dass die Matrix ein thermoplastisches Harz umfasst, auch möglich, erforderlichenfalls ein Vernetzungsmittel zuzugeben. Als derartige Vernetzungsmittel können beispielsweise verwendet werden aromatische Divinyl-Verbindungen, wie z.B. Divinylbenzol, Divinylnaphthalin und ihre Derivate und dgl.; diethylenisch ungesättigte Carbonsäureester, wie z.B. Ethylenglycoldimethacrylat, Diethylenglycoldimethacrylat, Triethylenglycoldimethacrylat, Trimethylpropantriacrylat, Allylmethacrylat, t-Butylaminoethylmethacrylat, Tetraethyleneglycoldimethacrylat, 1,3-Butandioldimethacrylat und dgl.; alle Divinyl-Verbindungen von N,N-Divinylanilin, Divinylether und Divinylsulfonsäure, und Verbindungen, die drei oder mehr Vinylgruppen aufweisen. Außerdem sind auch Polybutadien, Polyisopren, ungesättigte Polyester und chlorsulfonierte Polyolefine wirksam. Im Hinblick auf das Vernetzungsmittel oder Härtungsmittel, das verwendet werden soll, wenn die Matrix aus einem wärmehärtbaren Harz oder Kautschuk besteht, kann eine nähere Erläuterung hier weggelassen werden, da alle von ihnen allgemein bekannt sind und üblicherweise in dem Stand der Technik verwendet werden.
  • Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials (Verbundwerkstoffs), das umfasst das Einmischen der amorphen Kohlenstoffteilchen in die Matrix, die ein solches Harz oder einen solchen Kautschuk umfasst, besteht keine spezielle Beschränkung. Je nach Art des Harzes oder Kautschuks kann das Verfahren beispielsweise durchgeführt werden durch Aufschmelzen und Verkneten, durch Einmischen und Dispergieren der amorphen Kohlenstoff teilchen in die unvernetzte Prepolymer-Zusammensetzung und Vorvulkanisieren, Verkneten und dgl. Außerdem kann ein solches Verfahren durchgeführt werden unter Verwendung konventioneller Vorrichtungen, wie sie zum Verkneten eingesetzt werden, wie z.B. Kugelmühlen, Mischer, Kneter und dgl., und unter Verwendung konventioneller Rührkessel, wie sie zum Rühren verwendet werden. Alternativ kann dann, wenn das Verbundmaterial einer primären Formgebung zur Herstellung von Produkten, wie z.B. durch Extrusionsformen, oder durch Injektionsformen (Spritzgießen) und dgl. unterworfen wird, das Verfahren in einer Vorrichtung für eine solche Formgebung nahezu gleichzeitig mit der Formgebung durchgeführt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, weist selbst dann, wenn die Zumischungsrate der amorphen Kohlenstoffteilchen beispielsweise bis zu 70 Gew.-% beträgt, das auf diese Weise erhaltene Verbundmaterial ausgezeichnete Eigenschaften auf, wie z.B. einen ausgezeichneten elektrischen Widerstand, ausgezeichnete elektrostatische Aufladungs-Eigenschaften, eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, mechanische Festigkeit und dgl., weil die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen eine gute Dispergierbarkeit in verschiedenen Harz- und Kautschuk-Matrices aufweisen. Da die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen verschiedene ausgezeichnete physikalische Eigenschaften, wie oben angegeben, aufweisen, ist zu erwarten, dass Verbesserungen in Bezug auf die Eigenschaften, wie z.B. in Bezug auf den elektrischen Widerstand, die elektrostatischen Ladungseigenschaften, die Wärmebeständigkeit, die mechanische Festigkeit und dgl. des erhalten Verbundmaterials wirksam erzielt werden können, selbst wenn die Zugabemenge der amorphen Kohlenstoffteilchen nicht sehr hoch ist.
  • Als anorganisches Material, das die Matrix bildet, können beispielsweise verschiedene Metalle oder Metalllegierungen, verschiedene Gläser, verschiedene hydraulische Zusammensetzungen, wie z.B. Zemente, verschiedene an der Luft abbindende Zusammensetzungen und verschiedene Keramiken verwendet werden.
  • Zusätzlich zu dem anderen Kohlenstoff-Material, das verwendet wird, wenn ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komplex gebildet wird, können verschiedene derartige Materialien, wie z.B. natürliche oder künstliche Graphite, Ruße, amorphe Kohlenstoffe, die von den erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen verschieden sind, Fullerene, Nanoröhrchen, Nanokörner, Nanofasern und dgl. verwendet werden, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Außerdem können als Formen (Gestalten) des anderen Kohlenstoff-Materials verschiedene Formen bzw. Gestalten, wie z.B. Kohlenstoff-haltige Materialien als Pulver, Faser, zerkleinerte Faser, Matte, Filz, papierartig und als Film und kugelförmige Kohlenstoff-haltige Materialien, wie z.B. Mesokohlenstoff-Mikroperlen verwendet werden. Außerdem gehören dazu pulverisierte Pulver aus bei niedriger Temperatur calcinierten Koksen, pulverisierte Pulver aus seltenen Koksen, graphitierte Koksgruse, Aggregate aus zerkleinerten Kohlenstofffasern, graphitierte Kohlenstofffasern, kondensierte polycyclische Kohlenwasserstoff-Verbindungen, wie z.B. Naphthalin und Phenanthren, unkondensierte heterocyclische Verbindungen, wie z.B. Petrolpech und Kohlepech. Als Aggregate von gemahlenen Kohlenstofffasern können auch solche verwendet werden, die einen niedrigen graphitierten Zustand aufweisen und solche, die in einem so genannten "carbonisierten Zustand" vorliegen, zusätzlich zu den graphitierten Fasern, d.h. Aggregate aus gemahlenen graphitierten Kohlenstofffasern.
  • Außerdem sind je nach Umständen der Herstellung Vorläufer für Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffquellen verwendbar. Die Vorläufer für Kohlenstofffasern können aus beliebigen Fasern hergestellt werden, sofern die Fasern durch Erhitzen in Kohlenstoff- oder Graphit umgewandelt werden können. Die Fasern umfassen PAN (Polyacrylnitril)-Fasern, vorher oxidierte Acrylnitril-Harzfasern, Pech-Fasern, CVD-Kohlenstofffasern, pyrolytische Naturfasern, wie z.B. pyrolytische Baumwollfasern und Mischungen davon. Außerdem können im Allgemeinen als Kohlenstoffquellen für das Matrix-Material beliebige Quellen verwendet werden, sofern die Quellen durch Erhitzen in Graphit umgewandelt werden können und geeignet sind beispielsweise CVI (chemisches Gasphasen-Infiltrations-Verfahren)-Kohlenstoffquellen; Kohlenstoffquellen, die pyrolytisch zersetzt werden können, wie z.B. Phenolharze, Peche und Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Ethan und Propane; und Mischungen davon.
  • Obgleich das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komplexes keiner speziellen Beschränkung unterliegt, können beispielsweise angewendet werden ein Verfahren, bei dem die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen und andere Kohlenstoff-Materialien miteinander gemischt oder miteinander in Kontakt gebracht werden und dann die resultierende Mischung einer Kompressions-Formgebung (Druckverformung) unterworfen wird; ein Verfahren, bei dem die erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen in Kombination mit einer selbst-sinternden Kohlenstoffquelle oder einem selbst-sinternden Kohlenstoff-Vorläufer geformt werden und dann der resultierende Formling erhitzt wird, um ihn zu carbonisieren (zu verkoken); und ein Verfahren, bei dem ein Bindemittel verwendet wird, und verschiedene andere konventionelle Verfahren.
  • Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komplexes unterliegt die Zumischungsrate der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen keiner speziellen Beschränkung. Im Hinblick darauf, dass die Eigenschaften des erhaltenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komplexes, wie z.B. die Wärmebeständigkeit, die Wärmeschockbeständigkeit und die niedrige Wärmedehnung in Abhängigkeit von der von einer hohen Wärmeleitung, und die Zähigkeit, die Festigkeit und die Steifheit bei der Verwendung bei hoher Temperatur ausreichend verbessert sind, liegt die Zumischungsrate vorzugsweise in dem Bereich von 10 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Komplexes.
  • Für die Verwendung des erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komplexes können beispielsweise genannt werden verschiedene Elektroden-Materialien; Nippel; Überzüge für Scheibenbremsen-Pads, z.B. für Fahrzeuge und Flugzeuge, Rotoren für Radlager-Einheiten und Reibteile, wie z.B. Reibplatten für eine nasse Mehrfach-Scheiben-Kupplung; Filterträger; Targets für Röntgenröhren-Vorrichtungen und andere verschiedene Struktur-Formkörper und spezielle Kohlenstoff-Produkte und dgl., die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt.
  • Die erfindungsgemäße Zement-Zusammensetzung ist dadurch charakterisiert, dass sie mindestens ein anorganisches Bindemittel und die oben genannten erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen umfasst.
  • Als anorganisches Bindemittel können verschiedene Zemente und gegebenenfalls andere sehr kleine Teilchen und Füllstoff-Mischungen verwendet werden, obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Als Zemente können verwendet werden verschiedene Portlandzemente; wie z.B. normaler Portlandzement, ein Portlandzement mit einer hohen Frühfestigkeit, mit einer mittleren Reaktionswärme und mit einer niedrigen Reaktionswärme; verschiedene Mischzemente, wie z.B. Portland-Hochofen-Zement – Portland-Flugasche-Zement und dgl.; Zemente (Öko-Zemente), in denen als Ausgangsmaterialien Abfälle, wie z.B. Haushaltsabfälle – gebrannte Asche, Kläranlagenschlamm – gebrannte Asche und dgl. verwendet werden. Als andere kleine Teilchen können abgerauchtes Siliciumdioxid, Siliciumdioxid-Staub, Siliciumdioxid-Pulver und Kalkstein-Pulver und dgl. genannt werden. Als Füllstoff-Mischungen können Füllstoffe bzw. Streckmittel vom Calciumsulfoaluminat-Typ und vom Kalk-Typ und dgl. genannt werden.
  • Darüber hinaus ist es möglich, der Zement-Zusammensetzung gegebenenfalls feine Zuschlagstoffe (Aggregate), wie z.B. Flusssand, Bodensand, Meeressand, gemahlener Sand oder Mischungen davon und dgl., sowie grobe Zuschläge (Aggregate), wie z.B. Flusskiesel, Gruben-Kiesel, Meeres-Kiesel, Makadam oder Mischungen davon und dgl., zuzugeben. Außerdem ist es auch möglich, gegebenenfalls Wasser bindende bzw. reduzierende Agentien, wie z.B. solche vom Lignin-Typ, vom Naphthalinsulfonsäure-Typ, vom Melamin-Typ und vom Polycarbonsäure-Typ und AE-Wasser bindende bzw. reduzierende Agentien und dgl. zuzugeben.
  • Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Zement-Zusammensetzung unterliegt die Zumischungsrate der erfindungsgemäßen amorphen Kohlenstoffteilchen keiner speziellen Beschränkung. Es ist jedoch bevorzugt, dass sie in dem Bereich von 10 bis 70 Gew.-% liegt, bezogen auf das Gewicht der Gesamtfeststoffe, im Hinblick auf den Umstand, dass die Eigenschaften, wie z.B. die Festigkeit, nach der Zementhärtung in ausreichender Weise verbessert sind.
  • Erfindungsgemäß unterliegt das Verfahren zur Herstellung der Zement-Zusammensetzung (das Verknetungsverfahren) keiner speziellen Beschränkung. Die Herstellung kann erfolgen, indem man zuerst Zement, kleine Teilchen und eine Füllstoff- bzw. Streckmittel-Mischung miteinander mischt und dann die resultierende Mischung, den amorphen Kohlenstoff, feinen Zuschlag, groben Zuschlag, Wasser bindende bzw. reduzierende Agentien und Wasser einem Mischer zusetzt und das Ganze in dem Mischer verknetet. Alternativ kann die Herstellung erfolgen durch nahezu gleichzeitige Zugabe aller Bestandteile aus Zement, kleinen Teilchen und Füllstoff- bzw. Streckmittel-Mischung, amorphem Kohlenstoff, feinem Zuschlag, grobem Zuschlag, Wasser bindendem bzw. reduzierendem Agens und Wasser zu einem Mischer und Verkneten des Ganzen in dem Mischer. Als Mischer können konventionelle Mischer verwendet werden. Darüber hinaus besteht bezüglich des Härtungs- bzw. Vernetzungsverfahrens keine spezielle Beschränkung. Jede Luft-Härtung, Unterwasser-Härtung und Wasserdampf-Härtung und dgl. ist anwendbar.
  • Beispiele
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben
  • Beispiel 1: Herstellung von amorphen Kohlenstoffteilchen
  • Nachdem Petrolkoks unter Verwendung eines Boilers mit einem pulverförmigen Brennstoff verbrannt worden war (Verbrennungsbedingungen: Verbrennung bei 800 bis 1300°C in einer oxidierenden Atmosphäre) wurde die Verbrennungsasche, die mit einem Staubextraktor eingefangen worden war, gesammelt.
  • Wenn die Zusammensetzung dieser Verbrennungsasche analysiert wurde, wurde für die Komponenten das folgende Ergebnis erhalten: 0,4 Gew.-% Feuchtigkeit, 86,3 Gew.-% Kohlenstoff, 0,21 Gew.-% Wasserstoff, 1,23 Gew.-% Sauerstoff, 1,63 Gew.-% NH3, 4,10 Gew.-% SO4, 1,25 Gew.-% V, 0,58 Gew.-% Ni, 0,56 Gew.-% Fe, 0,06 Gew.-% Mg, 0,25 Gew.-% Ca, 0,16 Gew.-% Na, 0,24 Gew.-% Al und 0,69% Si.
  • Auf die so erhaltene Verbrennungsasche wurde eine Anfeuchtungsbehandlung angewendet. Nach Durchführung der Anfeuchtungsbehandlung wurde Säurewasser (eine 5%ige wässrige Schwefelsäure-Lösung) in einer Menge von 200 Gew.-Teilen zu 100 Gew.-Teilen der Verbrennungsasche in einem Rührkessel zugegeben und dann wurde ein Reduktionsmittel (eine wässrige Schwefligsäure-Lösung) in einer Menge von 0,6 Gew.-Teilen zugegeben. Der pH-Wert der Mischung wurde bei 0,6 gehalten und die Mischung wurde 1 h lang gerührt, während sie auf 60°C erhitzt wurde. Danach wurde der Kohlenstoff-haltige Bestandteil, der in der Säure unlöslich war, von dem Metalloxid-Bestandteil, der in der Säure löslich war, durch Fest-Flüssig-Trennung unter Verwendung eines Bandfilters abgetrennt und mit Wasser gespült. Dann wurde der Kohlenstoff-haltige Bestandteil in einem Ofen bei 150°C getrocknet. Schließlich wurde der getrocknete Kohlenstoff-haltige Bestandteil unter Verwendung einer Strahlmühle pulverisiert und klassiert zur Herstellung von Kohlenstoffteilchen.
  • Als Ergebnis der Untersuchung der Teilchengröße der dabei erhaltenen Kohlenstoffteilchen unter Anwendung der Laserbeugungsmethode wurde gefunden, dass die mittlere Teilchengröße der Teilchen 4,2 μm betrug und dass die Standard-Abweichung 0,183 betrug und dass sowohl Teilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 0,75 μm als auch solche mit einer Teilchengröße von mehr als 20,0 μm nicht nachgewiesen wurden.
  • Darüber hinaus wurde dann, wenn verschiedene physikalische Eigenschaften der dabei erhaltenen Kohlenstoffteilchen geprüft wurden, gefunden, dass die spezifische Oberflächengröße, bestimmt nach dem BET-Verfahren, 10,8 m2/g betrug, dass das Porenvolumen, bestimmt nach dem Stickstoff-Adsorptionsverfahren, 0,013 ml/g betrug, dass das spezifische Gewicht, bestimmt nach dem manuellen Füllungsverfahren, 0,559 g/ml betrug und dass das wahre spezifische Gewicht, bestimmt nach JIS K21515.3, 2,05 betrug.
  • Danach wurde als Ergebnis der Untersuchung der Kristallstruktur der dabei erhaltenen Kohlenstoffteilchen unter Anwendung der Röntgenbeugungsmethode gefunden, dass der Gitterabstand d (d.h. der Abstand zwischen zwei benachbarten Gitterebenen) 3,4587 Å betrug und dass die Kristallgröße 3,12 Å betrug, und auf diese Weise wurde gezeigt, dass die Kohlenstoffteilchen eine amorphe Struktur aufwiesen (Turboschichten-Struktur).
  • Ferner wurde zur Bestimmung der Reaktionsfähigkeit der Kohlenstoffteilchen mit der Luft die Gewichtsabnahmerate nach dem Halten bei einer Temperatur von 500°C für 60 min in Gegenwart von Luft gemessen unter Verwendung eines Differential-Wärmeanalysators (TGD3000, hergestellt von der Firma SINKUU-RIKO, Inc.) (Mess-Bedingungen: Menge der Probe 20 mg, Luft-Strömungsrate 20 ml/min, Temperaturerhöhungsrate 20°C/min). Als Ergebnis wurde gefunden, dass die Gewichtsabnahmerate 13,9% betrug und somit die Reaktionsfähigkeit der Kohlenstoff-Teilchen sehr niedrig war. Außerdem wurde gefunden, dass dann, wenn die in den Kohlenstoffteilchen enthaltenen Mengen von Verunreinigungen unter Verwendung eines Plasmaionenquellen-Analysators (ICP-Analysators) bestimmt wurden, die Vanadin-Menge (V) 0,19 Gew.-% betrug und die Nickel-Menge (Ni) 0,04 Gew.-% betrug und somit Kohlenstoffteilchen mit geringen Verunreinigungen erhaltenen wurden durch einen erhöhten Extraktionseffekt. Die Elektronenmikrofotografien der dabei erhaltenen Kohlenstoffteilchen sind in den 1 und 2 dargestellt.
  • Kontrolle 1
  • Zum Vergleich wurde bei einem Kohlenkoks die Gewichtsabnahmerate nach 60-minütigem Stehen lassen bei 500°C unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 bestimmt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die Gewichtsabnahmerate des Kohlenkokses 60% betrug, was eine offensichtlich andere Charakteristik darstellt.
  • Beispiele 2 bis 4: Herstellung von Polypropylen-Verbundmaterialien
  • Amorphe Kohlenstoffteilchen, wie sie in Beispiel 1 erhalten worden waren, wurden in Polypropylen (SunAllomer PM900A, hergestellt von der Firma SunAllomer, Ltd.) in den in der Tabelle 1 angegebenen jeweiligen Mengen in einem biaxialen Extruder (hergestellt von der Firma Berstorff GmbH, Schneckendurchmesser = 43 mm, LID = 37) eingemischt und das Ganze wurde gesintert und darin verknetet unter den Bedingungen: Rotationsgeschwindigkeit 100 UpM, Zuführungsrate 10 kg/min, Pelletisierungsrate 15 m/min und Harztemperatur 225 bis 226°C, zur Herstellung eines Verbundmaterials. Das erhaltene Verbundmaterial wurde zu Hantel-Proben (ASTM D628, Typ I) und zu Scheiben-Proben (Durchmesser 50 mm × Dicke 3 mm und Durchmesser 100 mm × Dicke 1,6 mm) unter Verwendung einer Spritzgieß-Vorrichtung (Klöeckner F40) geformt.
  • Bei den auf diese Weise erhaltenen Verbundmaterialien wurden das spezifische Gewicht (JIS K7112), die Zugfestigkeit (ASTM D638), die Zugdehnung (ASTM D638), der Zug-Elastizitätsmodul (ASTM D638), die Biegefestigkeit (JIS K7171), der Biege-Elastizitätsmodul (JIS K7171), die Druckfestigkeit (JIS K7181), die Izod-Schlagfestigkeit (JIS K7110 (Kerbschlagzähigkeit)), die Rockwelt-Härte (JIS K7202), die Wärmeverformungstemperatur (JIS K7207), die Wärmeleitfähigkeit (ASTM E1530) und der spezifische Volumen-Widerstand (ASTM D257) bestimmt und mit den physikalischen Eigenschaften von Polypropylen verglichen, dem die Kohlenstoffteilchen nicht zugesetzt worden waren.
  • Die Tabelle 1 zeigt die dabei erhaltenen Ergebnisse. In der Tabelle 1 steht PP für Polypropylen und AC steht für amorphen Kohlenstoff. Table 1
    Kontrolle (PP 100 Gew.-%) Beispiel 2 (PP 70 Gew.-% + AC 30 Gew.-%) Beispiel 3 (PP45 Gew.-% + AC 55 Gew.-%) Beispiel 3 (PP35 Gew.-% + AC 65 Gew.-%)
    Item gemessener Wert gemessener Wert geänderte Rate gemessener Wert geänderte Rate gemessener Wert geänderte Rate
    spezifisches Gewicht 0,911 1,038 +14% 1,282 +41% 1,386 +52%
    Zugfestigkeit (MPa) 35,8 29,2 –18% 32,0 –11% 32,2 –10%
    Zugdehnung (%) 7,88 3,35 –57% 1,84 –77% 1,50 –81%
    Zugmodul (Gpa) 1,63 2,69 +65% 5,84 +258% 7,38 +53%
    Biegefestigkeit (MPa) 48,8 51,7 +6% 59,2 +21% 59,9 +23%
    Biegemodul (GPa) 1,70 2,45 +44% 6,03 +255% 7,94 +367%
    Druckfestigkeit (Mpa) 57,2 60,8 +6% 81,3 +42% 89,1 +56%
    Izod-Schlagfestigkeit (KJ/m2) 1,6 1,8 +13% 1,3 –19% 1,2 –25%
    Rockwelt-Härte (M-Skala) 58,7 52,5 –11,0% 70,6 +20% 76,2 +30%
    Wärmeverformungstemperatur (°C) 59 80 +36% 117 +98% 129 +119%
    Wärmeleitfähigkeit (W/mk) 0,19 – – 0,54 +184% 0,72 +279%
    spezifischer Volumen-Widerstand (Ω·cm) 2,5 × 1016 – – 4,0 × 103 5,5 × 103
  • Beispiel 5: Herstellung eines Polyamid-Verbundmaterials
  • 30 Gew.-% der in Beispiel 1 erhaltenen amorphen Kohlenstoffteilchen wurden in 70 Gew.-% Polyamid vom Nylon 6-Typ (NOVAMID 1013C5, hergestellt von der Firma Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation) eingemischt und dann wurde die Mischung gesintert und verknetet unter Verwendung eines Kneters (TEX-30 biaxialer Kneter, hergestellt von der Firma Japan Steel Works, LTD.) unter den folgenden Bedingungen: Rotationsgeschwindigkeit 300 UpM, Harztemperatur 270 bis 280°C, zur Herstellung eines Verbundmaterials. Das erhaltene Verbundmaterial wurde zu Han tel-Proben (JIS Nr. 1-Hantel) und ebenen Platten-Proben (Länge 80 mm × Breite 120 mm × Dicke 2 mm) durch Injizieren in Düsen (JIS-Düsen) unter Verwendung einer Formgebungs-Vorrichtung (120T Spritzgieß-Vorrichtung, hergestellt von der Firma Japan Steel Works, LTD.) geformt.
  • Bei den dabei erhaltenen Verbundmaterialien wurden bestimmt die Dichte (JIS K7112), die Zugbruchfestigkeit (JIS K7113), die Zugbruchdehnung (JIS K7113), die Biegefestigkeit (JIS K7203), der Biegeelastizitätsmodul (JIS K7203), die Izod-Schlagfestigkeit (JIS K7110), die Wärmeverformungstemperatur (JIS K7207), die Wärmeleitfähigkeit (bei 23°C, Laserimpuls-Erhitzungsverfahren) und der spezifische Volumenwiderstand (vier Sonden-Methode für weniger als 108 Ω·cm und das Elektrodenverfahren für eine Elektrode mit einem Durchmesser von 50 mm für 108 Ω·cm).
  • In der folgenden Tabelle 2 sind die erhaltenen Ergebnisse angegeben. In der Tabelle 2 steht PA für Polyamid und AC steht für amorphen Kohlenstoff. Außerdem zeigt die 3 eine Elektronenmikrofotografie bei 2000-facher Vergrößerung eines Querschnitts des auf diese Weise erhaltenen Verbundmaterials. Wie in der 3 dargestellt, sind die amorphen Kohlenstoffteilchen, die nicht kreisförmige Querschnitte aufweisen, in der Harz-Matrix gleichförmig verteilt.
  • Beispiel 6: Herstellung eines Polyamid-Verbundmaterials
  • Es wurde das gleiche Verfahren wie in Beispiel 5 wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, dass die Zumischungsrate der amorphen Kohlenstoffteilchen, die in Beispiel 1 erhalten worden waren, zu dem Polyamid in 45 Gew.-% geändert wurde, um ein anderes Verbundmaterial herzustellen. Dann wurde das Verbundmaterial zu Hantel-Proben (JIS Nr. 1-Hantel) und flachen Plattenproben (Länge 80 mm × Breite 120 mm × Dicke 2 mm) geformt.
  • Bei dem dabei erhaltenen Verbundmaterial wurden die verschiedenen physikalischen Eigenschaften wie im Falle des Beispiels 5 bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der 2 dargestellt. Tabelle 2
    Kontrolle (100 Gew.-% PA) Beispiel 5 (70 Gew.-% PA + 30 Gew.-% AC) Ausführungsbeispiel 5 (70 Gew.% PA + 30 Gew.-% AC)
    Item gemessener Wert gemessener Wert geänderte Rate gemessener Wert geänderte Rate
    spezifisches Gewicht 1,14 1,29 +13% 1,40 +23%
    Zugbruchfestigkeit (MPa) – 81,9 – 92 –
    Zugbruchdehnung (%) 18 4,6 –74% 2,6 –86%
    Biegefestigkeit (MPa) 119 133 +12% 150 +26%
    Biegemodul (GPa) 3000 4960 +65% 6940 +131%
    Izod-Schlagfestigkeit (KJ/m2) 4 4,7 +18% 3,2 –20%
    Wärmeverformungstemperatur (°C) 58 94 +52% 159 +174%
    Wärmeleitfähigkeit (W/mk) – 0,51 – 0,69 –
    spezifischer Volumen-Widerstand (Ω·cm) 2,0 × 1014 3,0 × 109 1,5 × 103 –
  • Zusammenfassung
  • Beschrieben werden amorphe Kohlenstoffteilchen, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks extrahiert worden sind, von denen jedes einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat und die eine Gewichtsverlustrate nach 60-minütigem Halten bei einer Temperatur von 500°C in Gegenwart von Luft in dem Bereich von weniger als 30% aufweisen und die außerdem eine mittlere Durchschnittsteilchengröße von 50 bis 1 μm aufweisen, sowie ein Verbundmaterial, bei dem die amorphen Kohlenstoffteilchen in eine Matrix aus einem organischen Material oder einem anorganischen Material eingemischt sind. Auf diese Weise ist es möglich, auf wirtschaftliche Weise amorphe Kohlenstoffteilchen mit herausragenden Eigenschaften in Bezug auf Steifheit, Festigkeit und mit einer besonders kleinen spezifischen Oberflächengröße und einem besonders kleinen Porenvolumen zu erhalten sowie ein Verbundmaterial herzustellen, dessen Eigenschaften verbessert sind durch Zumischen der amorphen Kohlenstoffteilchen.

Claims (9)

  1. Amorphe Kohlenstoffteilchen, die aus der Verbrennungsasche von Petrolkoks extrahiert worden sind, wobei jedes der Teilchen einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat und die eine Gewichtsverlustrate der Teilchen nach 60-minütigem Halten bei einer Temperatur von 500°C in Gegenwart von Luft in dem Bereich von weniger als 30% aufweisen und deren mittlere Durchschnittsteilchengröße in dem Bereich von 50 bis 1 μm liegt.
  2. Amorphe Kohlenstoffteilchen nach Anspruch 1, bei denen die spezifische Oberflächengröße der Teilchen, bestimmt nach dem BET-Verfahren, in dem Bereich von 20 bis 1 m2/g liegt und das Porenvolumen in den Teilchen, bestimmt nach dem Stickstoff-Adsorptionsverfahren, in dem Bereich von 0,020 bis 0,001 ml/g liegt.
  3. Amorphe Kohlenstoffteilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei denen der Gitterabstand in den Teilchen, bestimmt durch Röntgenbeugung, nicht weniger als 3,43 Å (0,343 nm) beträgt.
  4. Verbundmaterial, das umfasst amorphe Kohlenstoffteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eingemischt sind in eine Matrix, die ein organisches Material oder ein anorganisches Material umfasst.
  5. Verbundmaterial nach Anspruch 3, in das die amorphen Kohlenstoffteilchen in einer Rate von 10 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Verbundmaterials, eingemischt sind.
  6. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial, das umfasst die amorphen Kohlenstoffteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die mit einem anderen Kohlenstoffmaterial gemischt sind.
  7. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial nach Anspruch 6, bei dem die amorphen Kohlenstoffteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Rate von 10 bis 70 Gew.-% in das Verbundmaterial eingemischt sind.
  8. Zement-Zusammensetzung, die umfasst mindestens ein anorganisches Bindemittel und die amorphen Kohlenstoffteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  9. Zement-Zusammensetzung nach Anspruch 6, in der die amorphen Kohlenstoffteilchen in einer Rate von 10 bis 70 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtfeststoffe, in die Zement-Zusammensetzung eingemischt sind.
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