JP2002511899A - 低密度オープンセル有機発泡体、低密度オープンセル炭素発泡体およびこれらの調製方法 - Google Patents
低密度オープンセル有機発泡体、低密度オープンセル炭素発泡体およびこれらの調製方法Info
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Abstract
(57)【要約】
これは、ゲル、発泡体、およびエアロゾルの一般的分野に、特に、低密度オープンセル有機発泡体および低密度オープンセル炭素発泡体に関し、またそれらを調製する方法に関する。これらの低密度オープンセル有機発泡体は、有機ゲルから誘導され、これらは、ヒドロキシル化ベンゼン(例えば、フェノール、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノンおよびフロログルシノール)およびアルデヒド(例えば、ホルムアルデヒドおよびフルフラール)から従来より低い触媒濃度(例えば、約2000より大きなR/C値(典型的には初期の室温での約6.0より低いpHを生じる))を用いて、調製され得る。これらの有機発泡体は比較的大きな粒子および細孔サイズ、高い空隙率および高い表面積により特徴付けられる。このような有機発泡体から誘導される低密度オープンセル炭素発泡体もまた示され、またこれを調製する方法も示される。これらの炭素発泡体はまた、比較的大きな粒子および細孔サイズ、高い空隙率、高い表面積および高い静電容量により特徴付けられる。低密度オープンセル炭素発泡体/炭素基質複合体およびそれらを調製する方法もまた示される。
Description
【発明の詳細な説明】
低密度オープンセル有機発泡体、低密度オープンセル炭素発泡体
およびこれらの調製方法
技術分野
本発明は、ゲル、発泡体およびエーロゲルの一般的な分野に関する。より詳細
には、本発明は、低密度オープンセル（open cell）有機発泡体および低密度オ
ープンセル炭素発泡体ならびにこれらの調製方法に関する。より詳細には、本発
明は、従来の触媒濃度（例えば、約2000よりも大きいR/C値であって、これは、
典型的に、約6.0よりも低い開始室温pHを生じる）よりも低い触媒濃度を使用し
て、ヒドロキシル化ベンゼン（例えば、フェノール、カテコール、レゾルシノー
ル、ヒドロキノンおよびフロログルシノール）ならびにアルデヒド（例えば、ホ
ルムアルデヒド、フルフラール、グルタルアルデドおよびグリオキサール）から
調製される有機ゲルから誘導される低密度オープンセル有機発泡体、ならびにこ
れらの調製方法に関する。これらの有機発泡体は、比較的大きい粒子および細孔
サイズ、高い空隙率、ならびに大きい表面積によって特徴付けられる。本発明は
また、このような有機発泡体から誘導される低密度オープンセル炭素発泡体、な
らびにこれらの調製方法に関する。これらの炭素発泡体はまた、比較的大きいセ
ルサイズ、高い空隙率、大きい表面積、および高い静電容量によって特徴付けら
れる。本発明はまた、低密度オープンセル炭素発泡体/炭素基質複合体、および
それらの調製方法に関する。
背景
本出願を通して、種々の刊行物、特許および発行された特許出願が、引用を同
定することによって参照される；これらの文書についての十分な引用は、請求の
範囲のすぐ前の本明細書の最後に見出され得る。本出願において参照される刊行
物、特許および発行された特許明細書の開示は、本開示に参考としてここに援用
され、本発明が属する分野の状況をより十分に記載する。
ゲルは、液体に及ぶ連続的な３次元網目構造（framework）から生じる固体様
の挙動を示す独特なクラスの物質である。この網目構造は多機能性連結を介して
相互接続された分子からなる。これらの連結は、例えば、共有架橋、結晶化、イ
オン相互作用、水素結合、または鎖のもつれ合いから形成され得る。いくつかの
場合において、連結形成は可逆性であり、そしてゲルは温度変化の際に液体様の
挙動に復帰する。
ゲルは種々の用途のために合成されてきた。例えば、ゲルはタンパク質混合物
の電気泳動において、クロマトグラフィーパッキング材料として、およびコンタ
タトレンズ材料として使用されてきた。ゲルはまた、他の生成物を生成するため
に、中間体として使用されてきた。例えば、ゲルは高モジュール繊維、メンブレ
ン、金属酸化物セラミックおよび低密度物質の製造において使用されてきた（こ
れらはしばしば、発泡体、エーロゲルおよびキセロゲルと称される）。
発泡体、エーロゲルおよびキセロゲルの命名法は、しばしば、任意で、わかり
にくく、および一貫していない。これらの用語は、一般に、多孔性、低重量、相
対的に低密度の物質に関する。
一般的に、用語「発泡体」は、しばしば、物質（この物質とは、液体または固
体であり得る）中の気泡の分散体として慣用的におよび単純に特徴付けられ得る
低密度多孔性物質をいうために称される。発泡体は、種々の用途において広範な
利用性を見出す。例えば、有機ポリマーから形成される発泡体は、断熱材、建設
、濾過および関連産業における使用を見出す。
発泡体はしばしば、閉鎖型セル発泡体またはオープンセル発泡体として慣用的
に分類される。閉鎖型セル発泡体は、主に、そこに取り込まれた気体が容易には
抜け出せ得ない密閉された細孔容量を有することにより特徴付けられる。閉鎖型
セル発泡体の一般例はポリスチレンである。対照的に、オープンセル発泡体は、
主に、密閉されていない、そしてしばしば、相互接続している、そしてそこから
取り込まれた気体が抜け出し得、また、再び進入し得る、細孔容量を有すること
により特徴付けられる。
種々のクラスのオープンセル発泡体が、いくらか、任意に同定されてきた。用
語「エーロゲル」は、相互接続したコロイド様の粒子または繊維状鎖から成る透
明な、低密度の、大きい表面積の多孔性固体により特徴付けられる１つのクラス
のオープンセル発泡体を同定するために、しばしば使用される。これらの物質は
、約100nm未満の寸法を有する形態学的な構造（例えば、粒子サイズおよび間隔
、孔サイズおよび間隔）によって特徴付けられる。結果として、これらの物質は
視覚的に透明である。
エーロゲルはまた、その多孔性の性質により特徴付けられる（例えば、細孔サ
イズ分布）：典型的には、これらは、ミクロ孔、中間細孔およびマクロ孔を有す
る。ミクロ孔は、一般的に、約2nm未満の寸法を有する細孔を含む；これらは、
しばしば、個々の粒子内または粒子間に孔である。一般に、中間細孔は約２〜約
50nmの寸法を有する孔である；しばしば、これらは粒子または粒子の鎖の間の間
隔に関連する。エーロゲルにおいて、一般に、マクロ孔は約50nm〜約100nmの寸
法を有する孔である。エーロゲルの大きい表面積（例えば、300〜1000m2/g）は
多孔性ナノ構造のためである。
用語「キセロゲル」は、多くの点でエーロゲルに類似する（例えば、低重量、
多孔性、大きい表面積および透明）が、特に、エーロゲルよりも著しく高密度で
ある、別のクラスのオープンセル発泡体を同定するために、しばしば、使用され
る。この方法において、しばしば、キセロゲルは緻密化したバージョンのエーロ
ゲルとして記載される；すなわち、ここでこの物質は収縮して、粒子および粒子
の鎖が互いにより近接するようになる。それゆえ、キセロゲルは、しばしば、粒
子の圧密ならびに粒子および粒子の鎖の間の間隙の除去によるマクロおよび中間
細孔の数の減少により特徴付けられる。キセロゲルについて観察される表面積（
しばしば、500m2/gほどの大きさである）は、主に、個々の粒子内および粒子間
の多数のミクロ孔の結果である。
別のクラスのオープンセル発泡体（しばしば、単に「発泡体」として称される
）は、不透明であること、および低密度および比較的大きい表面積を有すること
により特徴付けられる多孔性固体である。これらの物質は、一般にl00nmより大
きい寸法を有する、いくつかの形態学的な構造（例えば、粒子サイズおよび間隔
、孔サイズおよび間隔）により特徴付けられる。結果として、これらの物質は視
覚的に不透明である。
重要なクラスの有機発泡体は、アルデヒドを用いる、置換（例えば、ヒドロキ
シル化、しばしば、ポリヒドロキシル化）芳香族化合物の重縮合により形成され
るゲルから誘導され得る。他の化学的に結合したゲルのように、得られた有機ゲ
ルの小さいセル/孔サイズ（典型的には約50nm未満）は、有機エーロゲルを生じ
るために、複雑で、集約的で、そして高価な乾燥方法を必要とする。簡単なエバ
ポレーションによって溶媒が除去される場合、液−気界面での大きな毛細管力が
、ゲルを収縮または亀裂を生じさせて、実質的に緻密化かつ所望でない生成物を
生じる。
この制限を克服するために、乾燥を行うための新規の方法が開発されてきた。
細孔液体の超臨界抽出法（例えば、エバポレーションによる）を使用することに
よって、明らかにセル/細孔に及ぶ表面張力はなくなり、そして乾燥したエーロ
ゲルは出発ゲルの元々の形態の大部分を保つ。例えば、Pekala,1989aを参照のこ
と。このようにして、水含有ゲルの細孔中の水はアセトンと交換されてアセトン
含有ゲルを形成する；次いで、アセトン含有ゲル中のアセトンは液状二酸化炭素
と交換され、これは次いで、超臨界条件下（例えば、CO2臨界温度＝31℃、臨界
圧＝7.4mPa）で除去されて乾燥有機エーロゲルを生成する。あるいは、特定の有
機ゲルは、しばしば、例えば、溶媒交換によって乾燥され得る。例えば、Mayer
ら、1995aを参照のこと。この方法において、水含有ゲルの細孔中の水はアセト
ンと交換されてアセトン含有ゲルを形成する；次いで、アセトン含有ゲル中のア
セトンはシクロヘキサンと交換される；次いで、シクロヘキサン含有ゲルの孔中
のシクロヘキサンは簡単なエバポレーションによって除去されて乾燥有機エーロ
ゲルを生成する。
重要なクラスの有機ゲル（これはエーロゲルおよびキセロゲルを生成すること
に努力の焦点があった）は、ヒドロキシル化ベンゼン−アルデヒドゲルである；
すなわち、アルデヒド（例えば、ホルムアルデヒド、グリオキサール、グルタル
アルデヒドおよびフルフラール）を用いる、フェノール、レゾルシノール、カテ
コール、ヒドロキノンおよびフロログルシノールのようなヒドロキシル化ベンゼ
ン化合物の重縮合により得られるゲル。特に、一般例はレゾルシノール−ホルム
アルデヒド（すなわち、RF）ゲルである。例えば、Pekala、1989a、1989b、1991
および1992を参照のこと。
レゾルシノール（これは1,3-ジヒドロキシベンゼン（すなわち、C6H4(OH)2）
としてもまた、称される）は、フェノール（すなわち、C6H5OH）の典型的な反応
のほとんどを、しかし、2-,4-,および6-環位での増強された電子密度のためにか
なり速い速度で受ける。フェノールに類似するレゾルシノールは、アルカリ条件
下でホルムアルデヒド（すなわち、CH2O)と反応して付加型および縮重型生成物
の混合物を形成することが公知である。原則的な反応は以下を含む：(1)レゾル
シノールのヒドロキシメチル（-CH2OH）誘導体の形成、および(2)化合物と架橋
したメチレン（-CH2-）およびメチレンエーテル（-CH2OCH2-）を形成するための
、ヒドロキシルメチル誘導体の縮合。
レゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマー（いわゆるRFポリマー）は、レゾ
ルシノールモノマーがメチレンおよびメチレンエーテル架橋によって結合されて
化学的に架橋したネットワークを形成する場合に形成され得る。
簡単な例を以下に図示する。
レゾルシノール−ホルムアルデヒド反応（しばしば、RF反応として称される）
は、通常、水溶液中で行われる。レゾルシノール（白色固体）は、通常、ホルム
アルデヒド水溶液（37.6重量％の水性ホルムアルデヒドが広く市販されている）
に溶解されて、そして適切な触媒（例えば、炭酸ナトリウム（Na2CO3））が、し
ばしば、希釈水溶液として添加される。いくつかの場合、酸触媒（例えば、ト
リフルオロ酢酸）が使用される。この溶液は穏やかに加温されてゲル化反応を開
始し、そして化学的に架橋したRFゲルを形成する。ゲルが適切に処方される場合
、しばしば、ゲルを乾燥させてRFエーロゲルを得ることが可能であるが、超臨界
抽出、臨界未満のエバポレーションおよび溶媒交換法のような、複雑で、集約的
で、そして高価な方法を使用することによってのみ可能である。
炭素発泡体、およびより詳細には約100mg/cm3未満の密度および約25ミクロン
未満のセルサイズを有する炭素発泡体は、不活性雰囲気（例えば、Ｎ2またはア
ルゴン）下での有機ポリマーエーロゲルの熱分解を含む、種々の方法を使用して
調製されてきた。例えば、Kong、1991a、1991bおよび1993を参照のこと。主に、
高い電気伝導度のために、炭素発泡体はエネルギー保存デバイス（例えば、コン
デンサーおよびバッテリー）、燃料電池および静電容量脱イオンデバイスのよう
な電極適用に広範な用途を見出されている。例えば、Pekalaら、1995a；Mayerら
、1994、1995b、1995c、1996、1997；Kashmitterら、1993,1996；およびBockら,
1996を参照のこと。炭素発泡体はまた、濾過媒体、触媒支持体および構造的媒体
を含む種々の他の適用において用途を見出されている。
同様に、いったん得られた乾燥RFエーロゲルは、しばしば、不活性雰囲気（例
えば、Ｎ2またはアルゴン）下での熱分解によって炭素エーロゲルへと変換され
得る。このような炭素エーロゲルは、電気的に伝導性であり、そして特に、エネ
ルギー保存のための、または容量性脱イオンのため（例えば、Pekalaら、1995b
を参照のこと）の２層コンデンサー中の電極として有用である。静電容量適用に
おいて有用である炭素エーロゲルは、典型的には相互接続した炭素粒子からなる
多孔性炭素マトリクスを有し、そして粒子内および粒子間に見出される多数のミ
クロ細孔および中間細孔によって主に特徴付けられる。
炭素エーロゲルはRF有機エーロゲル（熱分解を介して）から誘導されるので、
RFエーロゲルの構造が炭素エーロゲルの特性に影響を与えることが予想される。
原則的に、炭素エーロゲルの粒子サイズおよび細孔構造は、RFエーロゲルの微細
構造を模倣する。
RFエーロゲルの形態に影響を与える重要なパラメーターは、反応パラメーター
「R/C」の値であり（これは以下により詳細に議論される）、この値は［レゾル
シノールまたはその機能的等価物］のモル濃度を［触媒］のモル濃度で割ったも
のである。高い触媒濃度（例えば、R/C約50）で、非常に小さいRF粒子（例えば
、約9nm）が形成される一方、低い触媒濃度（例えば、R/C約900）で、大きいRF
粒子が（例えば、約65nm）が形成される。また、高い触媒濃度（例えば、R/C約5
0）で、大きい表面積（例えば、約900m2/g）が見出される一方、低い触媒濃度（
例えば、R/C約300）で、より小さい表面積（例えば、約390m2/g）が見出される
。高い触媒濃度で見出される大きい表面積は、多数の非常に小さい粒子の形成に
より説明され得る。より高い触媒濃度（例えば、R/C＜300〜400）で、RFゲルは
透明かつ均一であり、そして色が暗赤色であるが、可視光に対してなお透明であ
る乾燥RFエーロゲルを生じる。より低い触媒濃度（例えば、R/C＞300〜400）で
、有機ゲルは、典型的には不透明であり、そして可視光に対して透明ではない乾
燥有機エーロゲルを生じる（これは可視光を散乱する大きな粒子および細孔空間
の形成に起因する）。これらは透明ではないので、後者の物質は約100nmより大
きな粒子および/または細孔部位を有さねばならず、そして、しばしば結果とし
て、もはやエーロゲルであるとみなされない。
低触媒濃度（高R/C）で調製されたRFエーロゲルについて、炭素エーロゲルの
表面積は、得られたRFエーロゲルの表面積よりも大きいことが観察されている（
例えば、Pekalaら、1982を参照のこと）。この表面積における増加は粒子サイズ
における減少および熱分解の間に揮発性副産物が放出される場合のさらなる細孔
の形成に起因することが示唆されている。この傾向は、高触媒濃度（低R/C）で
調製されたRFエーロゲルについては逆転される。なぜならば、すでに粒子は非常
に小さいので代わりに乾留の間に縮合（これは表面積の損失を導く）される傾向
があるからである。
中間細孔領域（２〜50nm）における粒子の表面のみが、炭素エーロゲルのエネ
ルギー保存特性の増加を与える電気的二重層の形成の原因であることが示唆され
ている（例えば、Mayerら、1993を参照のこと）。この方法において、ほとんど
または全く中間細孔を有さない物質（例えばキセロゲル）は非常に低い静電容量
を有するが、一方で多数の数の中間細孔を有する物質は、しばしば、大きな静電
容量を有する。約40％w/v以上の固体含量を有するRFエーロゲルから誘導（熱分
解を介して）された炭素エーロゲルは、７nm以下の中間細孔分布を有する（Tran
ら、1996）。RF誘導炭素エーロゲルの静電容量は500mg/cm3以上の密度でピーク
に達することが観察されている。
ヒドロキシル化ベンゼン（例えば、レゾルシノール）およびアルデヒド（例え
ば、ホルムアルデヒド）からエーロゲルを形成するための公知の方法において、
有用な生成物（例えば、乾燥エーロゲル）がゲルから得られ得るように、pHおよ
び固体含量のような反応パラメーターは、注意深く制御される。すなわち、反応
パラメーターは、得られるゲルが首尾良く乾燥されて本来のゲルの形態の多くを
保持するエーロゲルを形成し得るように、注意深く制御される。
例えば、低触媒濃度（高R/C、開始室温pH6.0未満）を使用して形成されたRFゲ
ルは、乾燥した場合に、大きい粒子および大きい細孔/セルサイズにより特徴付
けられ、そして一般にエーロゲルであるとみなされていない不透明の物質を形成
する物質を生じることが報告されている。従って、従来と異なった反応パラメー
ターを使用して形成されたRFゲルはRFエーロゲルおよびそれらの関連する炭素発
泡体の形成において有用ではないと一般的に考えられている。これは主に、この
ようなゲルが所望でない形態を有するか、または乾燥した場合にその形態を保持
し得ないと考えられるかのいずれかのためである。低密度オープンセル発泡体の
分野における努力の多くが、透明なゲルから常に誘導されるエーロゲルおよびキ
セロゲルに向けられてきた。結果として、典型的に不透明なゲルを導く反応条件
下で形成されたゲルの調製および/または乾燥にはほとんど興味が向けられてお
らず、そしてエーロゲルの特性の多くを有する発泡体を生じるこのような不透明
なゲルにはほとんど期待が向けられなかった。
従来的な方法において、反応混合物のpHの範囲（これは主に触媒の濃度によっ
て決定される）は、注意深く制御されて反応混合物pH（これは6.5〜7.4の狭い範
囲にある）を生じる。典型的に、反応パラメーター（R/C）（これはヒドロキシ
ル化ベンゼン化合物のモル数の、触媒のモル数に対する比であり、それゆえ反応
混合物のpHを決定するのを助ける）は、約50〜約400であるように選択される。
また、従来的な方法において、固体含量は注意深く制御される。典型的には、反
応パラメーター（Ｒ、これは反応混合物中における、総容量に対するヒドロキシ
ル化ベンゼン化合物およびアルデヒドの重量％である）は、約５％〜40％w/vに
なるように選択される。
これらの従来的な方法および反応パラメーターを使用して、（たとえ、複雑で
、集約的で、そして高価な方法を使用したとしても）首尾良く乾燥されて有機エ
ーロゲル、および熱分解した場合には炭素エーロゲル（この両方は、透明（炭素
エーロゲルを除く）、大きい表面積、超微細粒子サイズおよび多孔性のような典
型的なエーロゲル特性を有する）を生じ得るゲルが得られる。しかし、これら従
来のゲルは水細孔流体のような高表面張力溶媒の単純なエバポレート乾燥に耐え
ることができない。単純なエバポレート乾燥の際に、このゲルは収縮または亀裂
がはいる。得られた生成物は本来のゲルの形態を保持しない。
本発明者らは、とりわけ、従来のパラメーターの外側に動かすことによって、
より詳細には、より低い触媒濃度（すなわち、約2000よりも大きいR/C値（これ
は約6.0よりも低い開始室温pHを生じる））へと動かすことによって、硬化した
場合に強力な有機ゲルを生じる新規の有機ゲルが得られることを見出した。これ
らの新規な有機ゲルは、従来的な反応パラメーターを使用して生成されたゲルと
は異なり、超臨界エバポレーション、臨界未満エバポレーションまたは溶媒交換
法のような、複雑で、集約的で、そして高価な乾燥方法を必要とすること無く、
細孔中に含有される溶媒水の単純な（および安上がりな）エバポレート乾燥に充
分耐えることができるほど頑丈である（これはおそらく、大きなサイズのセルお
よび細孔空間に起因する）。得られる独特の低密度オープンセル有機発泡体は、
エーロゲルに関連した多くの有用な特性を有する。このようにして、新規の低密
度オープンセル有機発泡体が得られ、これは比較的大きな粒子および細孔サイズ
、高い空隙率ならびに大きい表面積によって特徴付けられる。これらの有機エー
ロゲルは熱分解されて新規の低密度オープンセル炭素発泡体を形成し得、これら
はまた、比較的大きな粒子および細孔サイズ、高い空隙率、大きい表面積によっ
ても特徴付けられ、そして高い静電容量によってさらに特徴付けられる。
発明の簡単な説明
本発明はゲル、発泡体およびエーロゲルの一般的分野に関する。より詳細には
、
本発明は、低密度オープンセル有機発泡体および低密度オープンセル炭素発泡体
ならびにそれらの調製方法に関する。より詳細には、本発明は、従来よりも低い
触媒濃度（例えば、約2000よりも大きいR/C値、これは典型的に約6.0よりも低い
開始室温pHを生じる）を使用して、ヒドロキシル化ベンゼン（例えば、フェノー
ル、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノンおよびフロログルシノール）な
らびにアルデヒド（例えば、ホルムアルデヒド、フルフラール、グルタルアルデ
ドおよびグリオキサール）から調製される有機ゲルから誘導される低密度オープ
ンセル有機発泡体に関する。低密度オープンセル有機発泡体を調製する方法もま
た、議論される。これらの有機発泡体は、比較的大きな粒子および細孔サイズ、
高い空隙率ならびに大きい表面積によって特徴付けられる。本発明の重要な局面
は、新規ではない溶媒除去工程（例えば、雰囲気エバポレート水分除去(atmosph
eric evaporative water removal））を包含する。
本発明はまた、このような有機発泡体から誘導される低密度オープンセル炭素
発泡体、ならびにこれらの低密度オープンセル炭素発泡体の調製方法に関する。
炭素発泡体もまた、比較的大きいセルサイズ、高い空隙率、大きい表面積、およ
び高い静電容量によって特徴付けられる。本発明はまた、低密度オープンセル炭
素発泡体/炭素基質複合体、およびそれらの複合体の生成方法に関する。
明らかとなるように、本発明の１つの局面の好ましい特徴および特性が本発明
の任意の他の局面に適用可能である。
発明の詳細な説明
Ａ．有機ゲルの調製のための方法
本発明の有機ゲルは、触媒の存在下、所定の反応パラメーター(例えば、R/Cお
よびR)の値によって決定される特定の反応条件下で、１つまたはそれ以上のヒド
ロキシル化ベンゼン化合物と１つまたはそれ以上のアルデヒドとの重縮合によっ
て、調製される。この方法において、有機ゲルが得られ、これは、相対的に大き
い粒子および細孔のサイズによって特徴付けられ、そしてこれは、溶媒の水(sol
vent water)の単純な蒸発乾燥を切り抜けて残存し、低密度オープンセル(open c
ell)有機発泡体を得る。大きい粒子および細孔のサイズは、乾燥の間、毛細管力
を最小にすることを補助し、これによって、単純な蒸発乾燥方法を使用すること
によって、特に水のような高表面張力溶媒から有機ゲルが乾燥され得ることが想
定される。
従って、１実施態様において、本発明は、以下の工程を含む、化学的に架橋し
た有機ゲルの調製のための方法に関する：
(a) １つまたはそれ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つまたはそれ
以上のアルデヒド、１つまたはそれ以上の触媒、および水を含有する反応混合物
を形成する工程；(ここで、上記の反応混合物において、上記ヒドロキシル化ベ
ンゼン化合物対上記アルデヒドのモル比、すなわちR/Cは、約2000より大きい)；
および
(b) 上記反応混合物を加熱し、上記有機ゲルを形成する工程。
本明細書中で使用される、用語「ヒドロキシル化ベンゼン化合物」は、少なく
とも１つのベンゼン環を含む化合物に関し、このベンゼン環は、少なくとも１つ
のヒドロキシル基(すなわち、-OH)を所有する。適切なヒドロキシル化ベンゼン
化合物の例には、フェノール、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノンおよ
びフロログルシノールが挙げられる。
代表的には、ヒドロキシル化ベンゼン化合物は、固体として提供される。多く
の例示されたヒドロキシル化ベンゼン化合物(フェノール、カテコール、レゾル
シノール、ヒドロキノンおよびフロログルシノールが挙げられる)は、高純度で
広く市販される。また、多くのヒドロキシル化ベンゼン化合物は、少量のアルデ
ヒド(例えば、ホルムアルデヒド)と組み合わせて、部分的に縮合した形態で、す
なわち、低分子量ポリマーとして、市販される。これらの物質はまた、有用であ
るヒドロキシル化ベンゼン化合物であり得る。
用語「アルデヒド」は、本明細書中で従来の意味で使用され、そして、アルデ
ヒド基(すなわち、-CHO)を含む有機化合物に関する。多くのアルデヒドは、式R-
CHO(ここで、Rはアルデヒド置換基である)によって表され得る。適切なアルデヒ
ドの例には、ホルムアルデヒド、グリオキサール、フルフラール、およびグルタ
ルアルデヒドが挙げられる。
代表的には、アルデヒドは、液体として、純粋なアルデヒドまたは水溶液のい
ずれかとして提供される。例えば、ホルムアルデヒドは、37.6重量％の水溶液と
して、広く市販される。
用語「触媒」は、本明細書中で使用されるように、ヒドロキシル化ベンゼン化
合物とアルデヒドとの間の反応のための触媒として作用する化合物に関する。１
実施態様において、触媒は、塩基触媒(すなわち、Bronsted塩基として作用し得
る)である。適切な塩基触媒の例は、炭酸ナトリウム(すなわち、Na2CO3)および
炭酸カリウム(すなわち、K2CO3)のような炭酸塩を含む。１実施態様において、
触媒は、酸触媒(すなわち、Bronsted酸として作用し得る)である。適切な酸触媒
の例は、エージング研究において使用され得るように、トリフルオロ酢酸(すな
わち、CF3COOH)である。
代表的には、触媒は、固体として、または水溶液として、提供される。例えば
、高純度炭酸ナトリウムは、広く市販される。適切な水溶液は、例えば、蒸留脱
イオン水に適切な量の炭酸ナトリウムを溶解することによって調製され得、所望
の濃度(例えば、0.1M炭酸ナトリウム)を有する溶液を得る。または、トリフルオ
ロ酢酸は、広く市販される。
反応パラメーターR/Cは、反応混合物におけるヒドロキシル化ベンゼン化合物
のモル数対触媒のモル数の比である(通常、有機ゲルの形成の前に測定される)。
例えば、反応混合物が、１モルのレゾルシノールおよび0.5ミリモルの炭酸ナト
リウムを使用して調製される場合、得られるR/C値は、1/0.0005または2000であ
る。
本発明の有機ゲル、およびそれらから得られる低密度オープンセル有機発泡体
は、約2000より大きいR/C値(通常、2000〜約20000の範囲内にある)によって決定
されるように、低触媒濃度を有する反応混合物から生成されることによって特徴
付けられる。１実施態様において、R/C値は、2100より大きい(通常、2100〜約20
000の範囲内にある)。１実施態様において、R/C値は、2200より大きい(通常、22
00〜約20000の範囲内にある)。１実施態様において、R/C値は、2300より大きい(
通常、2300〜約20000の範囲内にある)。１実施態様において、R/C値は、2400よ
り大きい(通常、2400〜約20000の範囲内にある)。１実施態様において、R/C値は
、2500より大きい(通常、2500〜約20000の範囲内にある)。１実施態様において
、R/C値は、2600より大きい(通常、2600〜約20000の範囲内にある)。１実施態様
において、R/C値は、2700より大きい(通常、2700〜約20000の範囲内にある)。１
実施熊様において、R/C値は、2800より大きい(通常、2800〜約20000の範囲内に
ある)。１実施態様において、R/C値は、2900より大きい(通常、2900〜約20000の
範囲内にある)。別の実施態様において、R/C値は、3000より大きい(通常、3000
〜約20000の範囲内にある)。別の実施態様において、R/C値は、3500より大きい(
通常、3500〜約20000の範囲内にある)。得られた反応混合物の初期室温における
pHは、主に、触媒およびR/C値の性質によって決定される。塩基触媒において、R
/Cの増加(例えば、塩基触媒濃度の減少)は、一般に、初期室温pHにおいて減少を
引き起こす。
別の反応パラメーター、すなわちＲは、反応混合物の全容量に対する反応混合
物中のヒドロキシル化ベンゼン化合物およびアルデヒドの％固体w/v(重量対容量
比)である(通常、有機ゲルの形成の前に測定される)。次いで、例えば、レゾル
シノール／ホルムアルデヒド／炭酸ナトリウム／水反応混合物が、12.35gのレゾ
ルシノールおよび6.73gのホルムアルデヒド(例えば、17.91gの37.6％水性ホルム
アルデヒドから提供されるように)を使用して調製され、そして、得られる反応
混合物が、31.8mlの容量を有する場合、Ｒ値は、(12350+6730)/31.8×100または
60％w/vである。
１実施態様において、本発明の有機ゲルおよびそれらから得られる低密度オー
プンセル有機発泡体はまた、約20％より大きいＲ値(通常、20％〜約80％の範囲
内にある)を有する反応混合物から生成されることによって特徴付けされる。別
の実施態様において、Ｒ値は、25％より大きい(通常、25％〜約80％の範囲内に
ある)。別の実施態様において、Ｒ値は、30％より大きい(通常、30％〜約80％の
範囲内にある)。別の実施態様において、Ｒ値は、40％より大きい(通常、40％〜
約80％の範囲内にある)。別の実施態様において、Ｒ値は、45％より大きい(通常
、45％〜約80％の範囲内にある)。別の実施態様において、Ｒ値は、50％より大
きい(通常、50％〜約80％の範囲内にある)。別の実施態様において、Ｒ値は、60
％より大きい(通常、60％〜約80％の範囲内にある)。別の実施態様において、Ｒ
値は、70％より大きい(通常、70％〜約80％の範囲内にある)。
代表的には、反応混合物は容器内にて調製される。あるいは、成分を混合した
後、得られる反応混合物は、耐熱容器に移され得る。耐熱容器の例には、ポリプ
ロピレンおよびガラスから形成される容器が挙げられる。反応混合物の成分は、
例えば、攪拌および振盪のような従来の方法を用いて混合され得る。
反応混合物を形成する場合において、室温(すなわち、25℃)で放置時間、放置
することが必要に応じて許容され得る。代表的には、放置時間は、約0.1時間〜
約５日間である。１実施態様において、放置時間は、約0.1時間〜約24時間であ
る。１実施態様において、放置時間は、約0.1時間〜約２時間である。
次いで、反応混合物は、ゲル化温度まで加熱されゲル化反応を開始し、そして
、代表的には、ゲル化時間にわたってその温度で保持され、所望の有機ゲルを形
成する。ゲル化温度は、ゲル化時間、反応混合物の組成、および反応混合物の量
に依存して、変化し得る。ゲル化温度は、代表的には、約20〜約70℃である。１
実施態様において、ゲル化温度は、約40〜約60℃である。１実施態様において、
ゲル化温度は、約50℃である。ゲル化時間は、ゲル化温度、反応混合物の組成、
および反応混合物の量に依存して、変化し得る。ゲル化時間は、代表的には、約
0.1時間〜約５日間である。１実施態様において、ゲル化時間は、約0.1時間〜約
24時間である。１実施態様において、ゲル化時間は、約0.1時間〜約３時間であ
る。反応混合物は、例えば、従来の方法を用いて加熱され得る。代表的には、反
応混合物は、耐熱容器内に密閉され、そして、サーモスタット制御オーブン内に
配置される。または、連続フロー装置が使用され得る。代表的には、試薬または
反応混合物の処理の間、あるいはゲル化反応の間、特別の環境は必要とされない
。
幾つかの実施態様において、得られる有機ゲルは、硬化時間にわたって、硬化
温度にて、有機ゲルを加熱することによって、さらに硬化される。従って、１実
施態様において、本発明は、以下の工程を含む硬化されたゲルを調製するための
方法に関する：
(a)１つまたはそれ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つまたはそれ以
上のアルデヒド、１つまたはそれ以上の触媒、および水を含有する反応混合物を
形成する工程；(ここで、上記の反応混合物において、上記ヒドロキシル化ベン
ゼン化合物対上記アルデヒドのモル比、すなわちR/Cは、約2000より大きい)；お
よび
(b)上記反応混合物をゲル化温度にて、ゲル化時間にわたって加熱し、有機ゲ
ルを形成する工程；および
(c)上記有機ゲルを硬化温度にて、硬化時間にて加熱し、上記の硬化された有
機ゲルを形成する工程。
硬化温度は、通常、使用されるゲル化温度より高い。硬化温度は、硬化時間、
有機ゲルの組成および有機ゲルの量に依存して変化し得る。硬化温度は、代表的
には、約50〜約95℃である。１実施態様において、硬化温度は、約60〜約90℃で
ある。１実施態様において、硬化温度は、約85℃である。硬化時間は、硬化温度
、有機ゲルの組成および有機ゲルの量に依存して変化し得る。硬化時間は、代表
的には、約１時間〜約５日間である。１実施態様において、硬化時間は、約３〜
約72時間である。１実施態様において、硬化時間は、約６〜約48時間である。有
機ゲルは、例えば、従来の方法を用いて加熱され得る。または、連続フロー装置
が使用され得る。代表的には、有機ゲルを含む耐熱容器は、サーモスタット制御
オーブン内に配置される。再び、硬化の間、特別の環境は代表的には必要とされ
ない。
B．低密度オープンセル有機発泡体の調製のための方法
本発明の低密度オープンセル有機発泡体は、特定の調合の有機ゲルの乾燥によ
って、調製される。本明細書中において使用されるように、用語「乾燥」は、少
なくとも一部の水の除去を意味する。すなわち、有機ゲルの乾燥は、有機ゲルか
らの少なくとも一部の水の除去を意味する。従って、１実施態様において、本発
明は、以下の工程を包含する低密度オープンセル有機発泡体を調製するための方
法に関する：
(a) １つまたはそれ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つまたはそれ以
上のアルデヒド、１つまたはそれ以上の触媒、および水を含有する反応混合物を
形成する工程；(ここで、上記の反応混合物において、上記ヒドロキシル化ベン
ゼン化合物対上記アルデヒドのモル比、すなわちR/Cは、約2000より大きい)；お
よび
(b) 上記反応混合物を加熱して有機ゲルを形成する工程；および
(c) 上記有機ゲルから上記水の少なくとも一部を除去し、上記低密度オープン
セル有機発泡体を形成する工程。
別の１実施態様において、本発明は、以下の工程を包含する低密度オープンセ
ル有機発泡体を調製するための方法に関する：
(a)１つまたはそれ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つまたはそれ以
上のアルデヒド、１つまたはそれ以上の触媒、および水を含有する反応混合物を
形成する工程；(ここで、上記の反応混合物において、上記アルデヒドに対する
上記ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比、すなわちR/Cは、約2000より大き
い)；および
(b)上記反応混合物をゲル化温度にて、ゲル化時間にわたって加熱し、有機ゲ
ルを形成する工程；および
(c)上記有機ゲルを硬化温度にて、硬化時間にわたって加熱し、硬化した有機
ゲルを形成する工程；および、
(d)上記硬化した有機ゲルから上記水の少なくとも一部を除去し、上記低密度
オープンセル有機発泡体を形成する工程。
任意の従来の方法(例えば、超臨界蒸発、臨界未満蒸発および溶媒交換乾燥法
を含む)は、細孔からの溶媒(代表的には、水)の除去に使用され得るが、本発明
の方法は、水細孔流体(water pore fluid)の従来の空気乾燥のより安価でかつよ
り単純な方法の使用を許容する。従って、１実施態様において、乾燥は、高表面
張力流体(例えば、有機ゲル細孔内に見いだされ得るような水)の単純蒸発乾燥に
よって達成される。１実施態様において、上記水の少なくとも一部を除去する上
記工程は、加熱工程を包含する。１実施態様において、上記水の少なくとも一部
を除去する上記工程は、水蒸発工程を包含する。
本発明の有機ゲルが単純な蒸発乾燥によって首尾よく乾燥され得ることは、有
機ゲル、およびこうして得られる低密度オープンセル有機発泡体が特別であるこ
とを示す。いかなる特定の理論にも束縛されることを望まないが、ゲルが代表的
な中間細孔寸法(高いR/C反応パラメーターを使用して得られる)より大きく、こ
れらのより大きな寸法が単純蒸発乾燥を許容することが想定される。高いR/Cに
おいて代表的な粒子より大きい粒子の形成が、粒子と粒子鎖との間だけではなく
、粒子自身において、中間細孔の形成を許容することが可能である。高い固体含
有量(高いR値)のさらなる組み合わせが、有機ゲルの強度を増大し得、そして単
純な蒸発乾燥をさらに容易にし得ることがさらに想定される。得られる低密度オ
ープンセル有機発泡体は、それらが誘導されたゲルの形態を大きく反映し、従っ
て、また、代表的な中間細孔寸法より大きい寸法を有する。この方法において、
有機発泡体から誘導される低密度オープンセル炭素発泡体(以下を参照のこと)は
また、代表的な中間細孔寸法より大きい。
代表的には、有機ゲル、または代替的には硬化した有機ゲルは、オーブン内に
配置され、そして湿潤空気雰囲気下において、乾燥温度にて、乾燥時間にわたっ
て、乾燥される。乾燥温度は、乾燥時間、有機ゲル／硬化した有機ゲルの組成お
よび有機ゲル／硬化した有機ゲルの量に依存して、変化し得る。乾燥温度は、代
表的に、約20〜約150℃である。１実施態様において、乾燥温度は、約50〜約150
℃である。１実施態様において、乾燥温度は、約60〜約100℃である。１実施態
様において、乾燥温度は、約75℃である。代表的な乾燥圧は、約１millitorr(約
0.1Pa)〜約５atm(0.5MPa)である。１実施態様において、乾燥圧は、約１millito
rr(約0.1Pa)〜約５atm(約0.5MPa)である。１実施態様において、乾燥圧は、約0.
5〜2.5atm(約50kPa〜約0.25MPa)である。乾燥時間は、乾燥温度、有機ゲル／硬
化した有機ゲルの組成および有機ゲル／硬化した有機ゲルの量に依存して、変化
し得る。乾燥時間は、代表的には、約１時間〜約10日間である。１実施態様にお
いて、乾燥時間は、約１〜約96時間である。１実施態様において、乾燥時間は、
約６〜約48時間である。別の実施態様において、「非臨界乾燥条件」は、超臨界
蒸発(例えば、CO2)または臨界未満蒸発(例えば、アセトン／CO2、アセトン／シ
クロヘキサン)において使用される条件ではないことが定義される。
本発明の低密度オープンセル有機発泡体は、相対的に大きい粒子および細孔サ
イズ、高い空隙率、および高表面積によって、特徴付けられる。代表的には、本
発明の低密度オープンセル有機発泡体は、約200〜約900mg/cm3の密度を有する。
１実施態様において、低密度オープンセル有機発泡体は、約300〜約900mg/cm3の
密度を有する。代表的には、本発明の低密度オープンセル有機発泡体は、約200
〜約1000m2/gの表面積を有する。
本発明の低密度オープンセル有機発泡体はまた、約５nmより大きい(例えば、
約５〜約50nm)中間細孔サイズ分布によって特徴付けられる。１実施態様におい
、低密度オープンセル有機発泡体は、約７nmより大きい(例えば、約７〜約50nm)
中間細孔サイズ分布によって特徴付けられる。１実施態様において、低密度オー
プンセル有機発泡体は、約10nmより大きい(例えば、約10〜約50nm)中間細孔サイ
ズ分布によって特徴付けられる。１実施態様において、低密度オープンセル有機
発泡体は、約10〜約25nmの中間細孔サイズ分布によって特徴付けられる。
本発明の低密度オープンセル有機発泡体は、代表的には、オレンジから深赤色
まで色が変化し得、そして視覚的に不透明であり得る。約50w/v%およびそれより
低い固体含有量Ｒで調製されるゲルにおいて、不透明ゲルは、反応混合物のゲル
化によって得られる。これらの不透明ゲルの引き続く硬化および乾燥(前述した
通り)は、本発明の低密度オープンセル発泡体を生じる。50w/v%より大きい固体
含有量Ｒで調製されるゲルにおいて、７日間までの延長された放置時間(代表的
には、室温にて)は、不透明な反応混合物を形成するために必要とされ得る。不
透明ゲルは、前述のように、ゲル化が起こるまで放置時間を継続すること、また
は、ゲル化が起こるまで不透明反応混合物を加熱することのいずれかによって、
この不透明反応混合物から形成される。これらの不透明ゲルの引き続く硬化およ
び乾燥(前述した通り)は、本発明の低密度オープンセル有機発泡体を生じる。こ
れらの低密度オープンセル有機ゲルの強度ならびにより大きな粒子および細孔サ
イズは、水細孔流体の単純な蒸発乾燥を容易にする。
あるいは、50w/v%より大きい固体含有量Ｒで調製されるこれらのゲルにおいて
、透明なゲルは、反応混合物が不透明になるポイントより前に、透明な反応混合
物
を加熱することによって得られる。それらの透明ゲルの引き続く硬化および乾燥
(前述の通り)は、透明な低密度オープンセル有機発泡体を生じる。粒子および細
孔のサイズは約100nmを越えないが、これらの低密度オープンセル有機ゲルのゲ
ル強度、ならびに幾分大きい粒子および細孔のサイズ(高いＲ/Ｃ値に起因する)
が、水細孔流体の単純な蒸発乾燥を可能にすることが想定される。
結論として、１実施態様において、低密度オープンセル有機発泡体は不透明で
ある。１実施態様において、低密度オープンセル有機発泡体は透明である。入射
可視光の実質的な部分が、発泡体を介して伝達され、そして容易に検出され得る
(例えば、半透明のおよび半透明の有機発泡体においてのように)場合、本発明の
低密度オープンセル有機発泡体は、透明であると考慮される。上で議論されるよ
うに、低密度オープンセル有機発泡体の透明度または不透明度は、発泡体の形態
的構造の寸法(例えば、粒子のサイズおよび間隔、細孔のサイズおよび間隔)から
生じる。
C．低密度オープンセル炭素発泡体の調製方法
本発明はまた、低密度オープンセル炭素発泡体に関係し、これは非反応性また
は不活性雰囲気下、上記で記載されるような低密度オープンセル有機発泡体の熱
分解により調製される。従って、１つの実施態様において、本発明は以下の工程
を含む低密度オープンセル炭素発泡体の調製方法に関する：
(a) １種以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１種以上のアルデヒド、１種
以上の触媒、および水を含む反応混合物を形成する工程；ここで上述の反応混合
物中の、上述のヒドロキシル化ベンゼン化合物対上述のアルデヒドのモル比、R/
Cは、約2000より大きい；および
(b) 上述の反応混合物を加熱して有機ゲルを形成する工程；
(c) 上述の有機ゲルから上述の水の少なくとも１部を除去して、低密度オープ
ンセル有機発泡体を形成する工程；および
(d) 上述の低密度オープンセル有機発泡体を高温で熱分解して、上述の低密度
オープンセル炭素発泡体を形成する工程。
別の１つの実施態様において、本発明は以下の工程を含む低密度オープンセル
炭素発泡体の調製方法に関する：
(a) １種以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１種以上のアルデヒド、１種
以上の触媒、および水を含む反応混合物を形成する工程；ここで上述の反応混合
物中の、上述のヒドロキシル化ベンゼン化合物対上述のアルデヒドのモル比、R/
Cは、約2000より大きい；および
(b) 上述の反応混合物をゲル化する温度でゲル化する時間の間加熱して、有機
ゲルを形成する工程；
(c) 上述の有機ゲルを硬化(curing)する温度で硬化(curing)する時間の間加熱
して、硬化した有機ゲルを形成する工程；
(d) 上述の硬化した有機ゲルから上述の水の少なくとも１部を除去して、低密
度オープンセル有機発泡体を形成する工程；および
(e) 上述の低密度オープンセル有機発泡体を熱分解する温度で熱分解して、上
述の低密度オープンセル炭素発泡体を形成する工程。
低密度オープンセル炭素発泡体を形成するための低密度オープンセル有機発泡
体の熱分解は、従来の手段を使用して行われ得る。代表的には、低密度オープン
セル有機発泡体はサーモスタットを付けられたオーブンに置かれ、そして適合し
た雰囲気下熱分解する時間の間熱分解する温度に加熱される。代表的には、オー
ブンの温度は熱分解する温度まで段階的に傾斜が付けられ、そして熱分解する時
間の間そこに保持される。熱分解する温度は、熱分解する時間、低密度オープン
セル有機発泡体の組成、および低密度オープンセル有機発泡体の量に従って変化
し得る。熱分解する温度は代表的に、約600〜3000℃である。１つの実施態様に
おいて、熱分解する温度は約800〜約1150℃である。１つの実施態様において、
熱分解する温度は約1050℃である。熱分解する時間は、熱分解する温度、低密度
オープンセル有機発泡体の組成、および低密度オープンセル有機発泡体の量に従
って変化し得る。熱分解する時間は代表的に、約１〜約６時間である。１つの実
施態様において、熱分解する時間は約２〜約５時間である。１つの実施態様にお
いて、熱分解する時間は約４時間である。
本明細書中で使用されるように、用語「適合した雰囲気」は、低密度オープン
セル炭素発泡体を形成するための、低密度オープンセル有機発泡体の高温での熱
分解を可能にする任意の雰囲気に関する。通常、適合した雰囲気は非酸化的であ
る。適合した雰囲気は、比較的不活性であり、例えば乾燥窒素であり得る(高純
度超乾燥窒素をしばしば必要としないこと、および標準グレードの乾燥窒素で通
常十分であることが注記される)。あるいは、適合した雰囲気は還元的雰囲気、
例えば水素であり得る。オープンセル有機発泡体の熱分解と同時に、またはそれ
に続いて、付加または置換ガスまたは蒸気が、オープンセル炭素発泡体を誘導す
るかまたは「活性化」するために導入され得る。そのような材料の例は、蒸気、
空気、および二酸化炭素を含む。熱分解に続いて、オープンセル発泡体は、例え
ば硝酸のような酸化酸を使用して化学的成分により誘導または「活性化」され得
る。
本発明の低密度オープンセル炭素発泡体は、相対的に大きい粒子および細孔サ
イズ、高い空隙率、高表面積、および高静電容量により特徴づけられる。代表的
には、本発明の低密度オープンセル炭素発泡体は、約200〜約1200mg/cm3の密度
を有する。１つの実施態様において、低密度オープンセル炭素発泡体は約300〜
約900mg/cm3の密度を有する。代表的には、本発明の低密度オープンセル炭素発
泡体は、約200〜約800m2/ｇの表面積を有する。代表的には、本発明の低密度オ
ープンセル炭素発泡体は、約10〜約80F/ｇの静電容量を有する。
本発明の低密度オープンセル炭素発泡体はまた、約５nmよりも大きい中間細孔
サイズ分布により特徴づけられる(すなわち、約５〜約50nm)。１つの実施態様に
おいて、低密度オープンセル炭素発泡体は、約７nmよりも大きい中間細孔サイズ
分布により特徴づけられる(すなわち、約７〜約50nm)。１つの実施態様において
、低密度オープンセル炭素発泡体は、約10nmよりも大きい中間細孔サイズ分布に
より特徴づけられる(すなわち、約10〜約50nm)。１つの実施態様において、低密
度オープンセル炭素発泡体は、約10〜約25nmの中間細孔サイズ分布により特徴づ
けられる。
どのような特定の理論に結びつけられることも望まないが、本発明の低密度オ
ープンセル炭素発泡体について観測される実質的な静電容量は、代表的な中間細
孔サイズ分布をより大きく反映し、そして改変された中間細孔サイズ分布はエネ
ルギー貯蔵特性のもとである電気的二重層の形成を向上することが、仮定される
。
再び、より大きい代表的粒子の形成(高R/Cにおいて)が粒子自身内での中間細孔
の形成を可能にし得、従って中間細孔分布を増加することが仮定される。
D．低密度オープンセル炭素発泡体／炭素基質複合体の調製方法
本発明はまた、低密度オープンセル炭素発泡体／炭素基質複合体に関し、これ
らは低密度オープンセル有機発泡体複合体の高温熱分解により調製され、これは
上記で記載されるように適した基質および有機ゲルから調製される。従って、１
つの実施態様において、本発明は以下の工程を含む低密度オープンセル炭素発泡
体／炭素基質複合体の調製方法に関する：
(a) １種以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１種以上のアルデヒド、１種
以上の触媒、および水を含む反応混合物を形成する工程；ここで上述の反応混合
物中の、上述のヒドロキシル化ベンゼン化合物対上述のアルデヒドのモル比、R/
Cは、約2000より大きい；および
(b) 多孔性炭素基質または多孔性有機基質を上述の反応混合物に含浸して、含
浸炭素または多孔性有機基質を形成する工程；
(c) 上述の含浸多孔性基質を、ゲル化する温度でゲル化する時間の間加熱して
、有機ゲル／多孔性基質複合体を形成する工程；
(d) 上述の有機ゲル／多孔性基質複合体を、硬化する温度で硬化する時間の間
加熱して、硬化した有機ゲル／多孔性基質複合体を形成する工程；
(e) 上述の硬化した有機ゲル／多孔性基質複合体から少なくとも１部の上述の
水を除去して、低密度オープンセル有機発泡体／多孔性基質複合体を形成する工
程；および
(f) 上述の低密度オープンセル有機発泡体／多孔性基質複合体を、熱分解する
温度で熱分解して、上述の低密度オープンセル炭素発泡体／炭素基質複合体を形
成する工程。
本明細書中で使用されるように、用語「多孔性炭素基質」および「多孔性有機
基質」は、それぞれ炭素および有機材料を含む多孔性材料に関し、そしてそれら
は、含浸されるか、浸漬されるか、濡らされるか、またはそれ以外で反応混合物
と合わせられ得る。炭素および有機基質は、任意の形状または構成にあるもので
あり得、例えば、ブロック、シート、スレッドまたはフィラメント、あるいは管
からなる群より選択される形態を含み、例えば、紙、メンブレン、フェルト、網
状発泡体、および織物からなる、またはそれらを含む群からなる群より選択され
る形態を含み、それらはさらに、金属繊維、金属粉末などのような他の成分を含
dall Technical Papers、Rochester、NYから市販されている)のような炭素繊維
紙である。本発明のゲル、乾燥発泡体、および熱分解生成物は、選択された基質
の形態をとり得る。
生成する低密度オープンセル炭素発泡体／炭素基質複合体は、特にエネルギー
貯蔵のためのまたは容量性脱イオン化のための二重層コンデンサーにおける電極
として有用である(例えば、Pekalaら、1995bを参照のこと)。
E．実施例
いくつかの本発明の実施態様が以下の実施例において記載される。これらは例
示のために提供され、そして制限のためではない。
材料
レゾルシノール(純度98％)は、Aldrich Chemical Companyから入手し、そして
受け取ったままに使用した。ホルムアルデヒドは、J．T．Baker Chemical Compa
nyから、水性溶液(37.6％、メタノール安定化)として入手した。炭酸水素ナトリ
ウムは、Mallinckrodt，Inc.から入手し、そして0.1Mの水性溶液を調製した。水
は使用前に脱イオン化した。
特徴付けの方法
密度．密度は、測定された多孔性固体の重量および幾何学的に測定された体積
から計算された。
表面積および細孔分布．表面積および細孔サイズ分布は、BET多点N2ガス吸着
時間室温で脱気され、一方炭素サンプルは測定前に約12時間200℃で脱気された
。
表面積は、代表的にm2/ｇの単位で報告される。細孔サイズ分布は、代表的に脱
着ブランチから測定され、そして代表的にナノメートルの単位で報告される。中
間細孔サイズ分布は中間細孔、すなわち、約２〜約50nmの寸法を持つ細孔の分布
を反映する。
スフィルター紙(934-AH)により分離した。ニッケル箔を集電体として使用し、そ
での３回の連続した排気(２psi；約14kPa)および加圧(24.5psi；170kPa)段階に
よりなし遂げられた。組立および試験は周囲条件下で行われた。静電容量は、１
Vの操作電圧に対して一定の電流で完全に充電されたセルの放電容量(C=Q/V)から
測定した。２本の炭素電極の乾燥重量の合計を、静電容量密度の計算に使用した
。
実施例１
モノリシック空気乾燥レゾルシノール-ホルムアルデヒド
低密度オープンセル有機発泡体R 40％w/v、R/C 2000
12.35ｇのレゾルシノール(0.112mol)、17.91ｇの37％水性ホルムアルデヒド(6
.63ｇ、0.220mol)、および20.32ｇの脱イオン水を、レゾルシノールが溶解する
まで一緒に撹拌した。次いで、0.56ｇの0.1Ｍ炭酸ナトリウム溶液(比重を１ｇ/c
m3と仮定して、約0.056mmolのNa2CO3)を、撹拌しながら加えた(開始pH=5.6)。最
終的な容積は47.0mLであると測定された。得られる溶液を、ポリプロピレン容器
中に注ぎ、そしてしっかりと密閉した。容器を、ゲル化のために直接50℃のオー
ブン中に置いた。反応混合物は、50℃で１〜２時間のうちにゲル化し、そして不
透明になった。50℃で12時間後、次いで温度を85℃に上げ、そして72時間保持し
てゲルを硬化した。室温まで冷却した後、ゲルを加湿大気中６時間85℃でエバポ
レートすることにより乾燥し、続いて周囲大気下12時間50℃で乾燥した。得られ
る低密度オープンセル発泡体の密度は、0.43ｇ/cm3であると測定された。
実施例２
モノリシック空気乾燥レゾルシノール-ホルムアルデヒド
低密度オープンセル有機発泡体R 50％w/v、R/C 2000
12.35ｇのレゾルシノール(0.112mol)、17.91ｇの37％水性ホルムアルデヒド(6
.63ｇ、0.220mol)、および10.76ｇの脱イオン水を、レゾルシノールが溶解する
まで一緒に撹拌した。次いで、0.56ｇの0.1Ｍ炭酸ナトリウム溶液(比重を１ｇ/c
m3と仮定して、約0.056mmolのNa2CO3)を、撹拌しながら加えた(開始pH=5.6)。最
終的な容積は38.0mLであると測定された。得られる溶液を、２個のポリプロピレ
ン容器中に等しく注ぎ、そしてしっかりと密閉した(ゲルAおよびB)。次いで、ゲ
ルAを室温に12時間放置し、次いで50℃のオーブン中に12時間置いてゲル化した
。ゲルBは直接50℃のオーブン中に12時間置いてゲル化した。両方の場合におい
て、RFゲルは50℃でゲル化しながら不透明になった。次いで温度を85度に上げ、
そして24時間維持してゲルを硬化した。室温まで冷却した後、両方のゲルを空気
中室温で数日間ゆっくりとエバポレートすることにより乾燥した。乾燥ゲルAの
密度は0.65ｇ/cm3であると測定され、そして乾燥ゲルBの密度は0.64ｇ/cm3であ
ると測定された。ゲルAのBET表面積は584m2/ｇであると測定された。平均中間細
孔直径は13nmであると測定された。
実施例３
空気乾燥レゾルシノール-ホルムアルデヒド低密度オープンセル炭素発泡体/
炭素基質複合体-R 50％w/v、R/C 2000
24.7ｇのレゾルシノール(0.224mol)、35.82ｇの37％水性ホルムアルデヒド(13
，25ｇ、0.441mol)、および22.64ｇの脱イオン水を、レゾルシノールが溶解する
まで一緒に撹拌した。次いで、1.12ｇの0.1Ｍ炭酸ナトリウム溶液(比重を１ｇ/c
m3と仮定して、約0.112mmolのNa2CO3)を、撹拌しながら加えた。最終的な容積は
75.9mLであると測定された。溶液を50℃で30分間加温した。次いで、軽量炭素繊
維
液に含浸した。含浸した紙を２枚のガラス板の間に置き、プラスチックのうわ包
装で密閉し、そして室温で15時間放置してゲル化した。次いで、RF含浸紙を85℃
のオーブン中に24時間にわたり置いて硬化した。冷却後、次いでプラスチックの
うわ包装およびガラス板を取り外した。RF複合体を、加湿水平フローオーブン中
に置き、そして約75℃で12時間乾燥した。RF複合体は、斑入りの明るい茶色の外
観と滑らかで光沢のある表面を持つ、薄い不透明なシートであった(約10mil、約
0.25mmの厚さ)。それは、約0.6mg/cm3の密度および408m2/ｇの表面積を有した。
不活性雰囲気(N2)下1050℃でのRF複合体の熱分解は、RF複合体に匹敵する寸法
を持つ黒色の炭化シートを生じた。この材料は、0.413mg/cm3の密度および497m2
/ｇの表面積を有した。この材料は、17nmの中間細孔についての細孔サイズ分布
を有した。この材料が水性塩基(5ＭのKOH)のスーパーコンデンサー(supercapaci
tor)中電極として使用された場合、約17.8F/ｇの比静電容量が測定された。
実施例４
空気乾燥レゾルシノール-ホルムアルデヒド低密度オープンセル炭素発泡体/
炭素基質複合体-R 60％w/v、R/C 2000
24.7ｇのレゾルシノール(0.224mol)、38.0ｇの34.8％水性ホルムアルデヒド(1
3.22ｇ、0.440mol)、および7.86ｇの脱イオン水を、レゾルシノールが溶解する
まで一緒に撹拌した。次いで、1.12ｇの0.1Ｍ炭酸ナトリウム溶液(比重を１ｇ/c
m3と仮定して、約0.112mmolのNa2CO3)を、撹拌しながら加えた。最終的な容積は
6dall Technical Papers、Rochester、NY)をこの溶液に含浸した。含浸した紙を
２枚のガラス板の間に置き、プラスチックのうわ包装で密閉し、そして50℃のオ
ーブン中に２日間置いてゲル化した。次いで、RF含浸紙を85℃のオーブン中に18
時間にわたり置いて硬化した。冷却後、次いでプラスチックのうわ包装およびガ
ラス板を取り外した。RF複合体を、加湿水平フローオーブン中に置き、そして約
75℃で12時間乾燥した。RF複合体は、非常に暗い赤茶色の外観と平坦な表面の仕
上がりを持つ、薄いシートであった(約10mil、約0.25mmの厚さ)。それは、約0.8
mg/cm3の密度および506m2/ｇの表面積を有した。
不活性雰囲気(N2)下1050℃でのRF複合体の熱分解は、RF複合体に匹敵する寸法
を持つ黒色の炭化シートを生じた。この材料は、約0.471mg/cm3の密度および408
m2/ｇの表面積を有した。この材料は、５nmの中間細孔についての細孔サイズ分
布を有した。この材料が水性塩基(5ＭのKOH)のスーパーコンデンサー(supercapa
citor)中電極として使用された場合、約19.1F/ｇの比静電容量が測定された。
実施例３および４で得られた低密度オープンセル炭素発泡体についてのデータ
を以下の表１に要約する。観測された静電容量(約15〜20F/ｇ)は、従来のRFゲル
の超臨界または溶媒交換乾燥により得られる従来のRFエーロゲルから誘導される
従来の炭素エーロゲルについて観測される値に匹敵する。観測された密度(約400
〜500mg/cm3)は、従来の炭素エーロゲルに匹敵する密度を示する。本発明の低密
度オープンセル炭素発泡体についての中間細孔サイズ分布(約５〜20nm)は、従来
の炭素エーロゲルについて観測された値(高固体含有(例えば、50％w/v以上)エー
ロゲルから調製されて、≦５nm)よりも著しく高い(例えば、Tranら、1996を参照
のこと)。
本発明の低密度オープンセル炭素発泡体は、従来の炭素エーロゲルと比較して
、より大きい細孔へ移行した中間細孔サイズ分布を持つ。このより大きな細孔サ
イズへの移行は、電気化学的二重層を確立するために重要であり得る。移行はま
た、有機電解質システム(これはより良い静電容量特性を有する)を使用する場合
に、従来の炭素エーロゲルに勝る重要な利点を提供する。有機電解質システムは
代表的に、比較的大きい電解質カチオンおよび／またはアニオンを有し、これは
従来の炭素エーロゲルのより小さな細孔中にはまり得ず、それらの最終的な性能
を減少させる。本発明の低密度オープンセル炭素発泡体におけるように、細孔サ
イズを増加させることは、より多くの電気化学的二重層を形成させ、従って有機
電解質システムの性能を改善する。
F．参考
以下に参考として上げられる出版物、特許、および公開特許の明細書の開示は
、本発明が関係する分野の状態をより完全に記載するために、本明細書により本
開示中に参考として援用される。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｃ０８Ｊ 9/28 ＣＦＢ Ｃ０８Ｌ 61:04
// Ｃ０８Ｌ 61:04 Ｃ０４Ｂ 35/52 Ｅ
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，
ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ
Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ
，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ
，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，
ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ
Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ
，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，
ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ
Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ
，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，
ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １．有機ゲルを調製するための方法であって、該方法は以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンセン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)該反応混合物を加熱して、該有機ゲルを形成する工程、 を含む、方法。 ２．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合物 中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、20 ％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項１に記載の方法。 ３．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合物 中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、30 ％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項１に記載の方法。 ４．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し、 そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項１から ３のいずれか１項に記載の方法。 ５．請求項１から４のいずれか１項に記載の方法により形成される有機ゲル。 ６．硬化した有機ゲルを調製するための方法であって、該方法は以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)ゲル化時間の間ゲル化温度で該反応混合物を加熱して、有機ゲルを形成す る工程；および (c)硬化時間の間硬化温度で該有機ゲルを加熱して、該硬化した有機ゲルを形 成する工程、 を含む、方法。 ７．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合物 中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、20 ％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項６に記載の方法。 ８．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合物 中の前記ヒドロキシル化ベンセン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、30 ％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項６に記載の方法。 ９．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し、 そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項６から ８のいずれか１項に記載の方法。 １０．請求項６から９のいずれか１項に記載の方法により形成される硬化された 有機ゲル。 １１．低密度オープンセル有機発泡体を調製するための方法であって、該方法は 以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンセン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)該反応混合物を加熱して、有機ゲルを形成する工程；および (c)該有機ゲルから少なくとも該水の１部分を除去して、該低密度オープンセ ル有機発泡体を形成する工程、 を含む、方法。 １２．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、2 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項１１に記載の方法。 １３．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、3 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項１１に記載の方法。 １４．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し 、そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項１１ から１３のいずれか１項に記載の方法。 １５．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が加熱する工程を包含する 、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の方法。 １６．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が水をエバポレーションす る工程を包含する、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の方法。 １７．請求項１１から１６のいずれか１項に記載の方法により形成される低密度 オープンセル有機発泡体。 １８．200から900mg/cm3の密度、200から1000m2/gの表面積および5から50nmの中 間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項１７に記載の低密度オー プンセル有機発泡体。 １９．300から900mg/cm3の密度、200から1000m2/gの表面積および5から50nmの中 間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項１７に記載の低密度オー プンセル有機発泡体。 ２０．約10から約50nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求 項１７から１９のいずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ２１．約10から約25nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求 項１７から２０のいずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ２２．前記発泡体がオレンジから深い赤に着色される、請求項１７から２１のい ずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ２３．低密度オープンセル有機発泡体を調製するための方法であって、該方法は 以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)ゲル化時間の間ゲル化温度で該反応混合物を加熱して、有機ゲルを形成す る工程； (c)硬化時間の間硬化温度で該有機ゲルを加熱して、硬化した有機ゲルを形成 する工程；および (d)該硬化した有機ゲルから少なくとも該水の１部分を除去して、該低密度オ ープンセル有機発泡体を形成する工程、 を含む、方法。 ２４．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、2 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項２３に記載の方法。 ２５．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、3 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項２３に記載の方法。 ２６．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し 、そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項２３ から２５のいずれか１項に記載の方法。 ２７．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が加熱する工程を包含する 、請求項２３から２６のいずれか１項に記載の方法。 ２８．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が水をエバポレーションす る工程を包含する、請求項２３から２７のいずれか１項に記載の方法。 ２９．請求項２３から２８のいずれか１項に記載の方法により形成される低密度 オープンセル有機発泡体。 ３０．200から900mg/cm3の密度、200から1000m2/gの表面積および5から50nmの中 間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項２９に記載の低密度オー プンセル有機発泡体。 ３１．300から900mg/cm3の密度、200から1000m2/gの表面積および5から50nmの中 間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項２９に記載の低密度オー プンセル有機発泡体。 ３２．約10から約50nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求 項２９から３１のいずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ３３．約10から約25nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求 項２９から３２のいずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ３４．前記発泡体がオレンジから深い赤に着色される、請求項２９から３３のい ずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ３５．低密度オープンセル炭素発泡体を調製するための方法であって、該方法は 以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)該反応混合物を加熱して、有機ゲルを形成する工程； (c)該有機ゲルから少なくとも該水の１部分を除去して、低密度オープンセル 有機発泡体を形成する工程；および (d)高温で該低密度オープンセル有機発泡体を熱分解して、該低密度オープン セル炭素発泡体を形成する工程、 を含む、方法。 ３６．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、2 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項３５に記載の方法。 ３７．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、3 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項３５に記載の方法。 ３８．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し 、そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項３５ か ら３７のいずれか１項に記載の方法。 ３９．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が加熱する工程を包含する 、請求項３５から３８のいずれか１項に記載の方法。 ４０．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が水をエバポレーションす る工程包含する、請求項３５から３９のいずれか１項に記載の方法。 ４１．請求項３５から４０のいずれか１項に記載の方法により形成される低密度 オープンセル炭素発泡体。 ４２．200から1200mg/cm3の密度、200から800m2/gの表面積、5から50nmの中間細 孔サイズ分布および10から80F/gの静電容量によりさらに特徴付けられる、請求 項４１に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ４３．300から900mg/cm3の密度、200から800m2/gの表面積、5から50nmの中間細 孔サイズ分布および10から80F/gの静電容量によりさらに特徴付けられる、請求 項４１に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ４４．10から20nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項４ １から４３のいずれか１項に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ４５．低密度オープンセル炭素発泡体を調製するための方法であって、該方法は 以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)ゲル化時間の間ゲル化温度で該反応混合物を加熱して、有機ゲルを形成す る工程； (c)硬化時間の間硬化温度で該有機ゲルを加熱して、硬化した有機ゲルを形成 する工程； (d)該硬化した有機ゲルから少なくとも該水の１部分を除去して、低密度オー プンセル有機発泡体を形成する工程；および (e)熱分解温度で該低密度オープンセル有機発泡体を熱分解して、該低密度オ ープンセル炭素発泡体を形成する工程、 を含む、方法。 ４６．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、2 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項４５に記載の方法。 ４７．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、3 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項４５に記載の方法。 ４８．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し 、そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項４５ から４７のいずれか１項に記載の方法。 ４９．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が加熱する工程を包含する 、請求項４５から４８のいずれか１項に記載の方法。 ５０．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が水をエバポレーションす る工程を包含する、請求項４５から４９のいずれか１項に記載の方法。 ５１．請求項４５から５０のいずれか１項に記載の方法により形成される低密度 オープンセル炭素発泡体。 ５２．200から1200mg/cm3の密度、200から800m2/gの表面積、5から50nmの中間細 孔サイズ分布および10から80F/gの静電容量によりさらに特徴付けられる、請求 項５１に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ５３．300から900mg/cm3の密度、200から800m2/gの表面積、5から50nmの中間細 孔サイズ分布および10から80F/gの静電容量によりさらに特徴付けられる、請求 項５１に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ５４．10から20nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項５ １から５３のいずれか１項に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ５５．低密度オープンセル炭素発泡体/炭素基質複合体を調製するための方法で あって、該方法は以下の工程： (a)１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物、１つ以上のアルデヒド、１つ 以上の触媒および水を含有する反応混合物を形成する工程；ここで該反応混合物 中の該触媒に対する該ヒドロキシル化ベンゼン化合物のモル比(R/C)が約2000よ り大きい；および (b)多孔性炭素基質または多孔性有機基質を該反応混合物とともに含浸して、 含浸した多孔性基質を形成する工程； (c)ゲル化時間の間ゲル化温度まで該含浸した多孔性基質を加熱して、有機ゲ ル/多孔性基質複合体を形成する工程； (d)硬化時間の間硬化温度まで該有機ゲル/多孔性基質複合体を加熱して、該硬 化した有機ゲル/多孔性基質複合体を形成する工程； (e)該硬化した有機ゲル/多孔性基質複合体から(form)少なくとも該水の１部分 を除去して、低密度オープンセル有機発泡体/多孔性基質複合体を形成する工程 ；および (f)熱分解温度で該低密度オープンセル有機発泡体/多孔性基質複合体を熱分解 して、該低密度オープンセル炭素発泡体/炭素基質複合体を形成する工程、 を含む、方法。 ５６．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、2 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項５５に記載の方法。 ５７．前記形成する工程において、前記反応混合物の全容量に対する該反応混合 物中の前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物および前記アルデヒドの重量(R)が、3 0％から80％w/v(容量に対する重量)の範囲にある、請求項５５に記載の方法。 ５８．前記１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールを包含し 、そして前記１つ以上のアルデヒドがホルムアルデヒドを包含する、請求項５５ から５７のいずれか１項に記載の方法。 ５９．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が加熱する工程を包含する 、請求項５５から５８のいずれか１項に記載の方法。 ６０．前記少なくとも前記水の１部分を除去する工程が水をエバポレーションす る工程を包含する、請求項５５から５９のいずれか１項に記載の方法。 ６１．前記基質が、ブロック、シート、スレッド、フィラメント、チューブ、紙 、メンブレン、フェルト、網状発泡体および織物からなる群から選択される形状 を有する、請求項５５から６０のいずれか１項に記載の方法。 ６２．請求項５５から６１のいずれか１項に記載の方法により形成される低密度 オープンセル炭素発泡体/炭素基質複合体。 ６３．200から900mg/cm3の密度、200から1000m2/gの表面積および5から50nmの中 間細孔サイズ分布により特徴付けられる低密度オープンセル有機発泡体。 ６４．300から900mg/cm3の密度、200から1000m2/gの表面積および5から50nmの中 間細孔サイズ分布により特徴付けられる低密度オープンセル有機発泡体。 ６５．前記発泡体が有機ゲルからの少なくとも水の部分的エバポレート除去によ り形成され、該有機ゲルが１つ以上の触媒および水の存在下での１つ以上のヒド ロキシル化ベンゼン化合物および１つ以上のアルデヒドの反応により形成される 、請求項６３または請求項６４に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ６６．前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールであり、そして前記 アルデヒドがホルムアルデヒドである、請求項６３から６５のいずれか１項に記 載の低密度オープンセル有機発泡体。 ６７．約10から約50nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求 項６３から６６のいずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ６８．約10から約25nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求 項６３から６７のいずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ６９．前記発泡体がオレンジから深い赤に着色される、請求項６３から６８のい ずれか１項に記載の低密度オープンセル有機発泡体。 ７０．200から1200mg/cm3の密度、200から800m2/gの表面積、5から50nmの中間細 孔サイズ分布および10から80F/gの静電容量により特徴付けられる低密度オープ ンセル炭素発泡体。 ７１．300から900mg/cm3の密度、200から800m2/gの表面積、5から50nmの中間細 孔サイズ分布および10から80F/gの静電容量により特徴付けられる低密度オープ ンセル炭素発泡体。 ７２．前記低密度オープンセル炭素発泡体が低密度オープンセル有機発泡体の熱 分解により形成され、該低密度オープンセル有機発泡体が有機ゲルの少なくとも 水の一部のエバポレート除去により形成され、該有機ゲルが１つ以上の触媒およ び水の存在下での１つ以上のヒドロキシル化ベンゼン化合物および１つ以上のア ルデヒドの反応により形成される、請求項７０または請求項７１に記載の低密度 オープンセル炭素発泡体。 ７３．前記ヒドロキシル化ベンゼン化合物がレゾルシノールであり、そして前記 アルデヒドがホルムアルデヒドである、請求項７０から７２のいずれか１項に記 載の低密度オープンセル炭素発泡体。 ７４．10から20nmの中間細孔サイズ分布によりさらに特徴付けられる、請求項７ ０から７３のいずれか１項に記載の低密度オープンセル炭素発泡体。
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