JP2006521999A - 膨張黒鉛製品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
膨張黒鉛製品の製造方法が開示される。この方法は、ａ）膨張黒鉛を圧縮して黒鉛薄膜を形成するステップ、ｂ）前記黒鉛薄膜を砕いて黒鉛フレークを形成するステップ、およびｃ）前記黒鉛フレークを金型内に配置し、該黒鉛フレークを圧縮して所定の形状を形成するステップ、を含んでおり、前記ステップａ）、ｂ）およびｃ）の少なくとも任意の１つにおいて、前記膨張黒鉛に結合剤が混合される。膨張黒鉛製品の密度がそれぞれの製造ステップを通じて大きくなっていくため、設備を最小限にして初期の設備コストを低減できるだけでなく、密度が一様で、しかも高密度に圧縮された構造を有する膨張黒鉛製品が得られるという、有益な効果が提供される。さらに、膨張黒鉛製品が最終的に金型内で圧縮されるため、膨張黒鉛製品が方向性を有さず、さまざまな形状へと形成することができる。
Description
本発明は、膨張黒鉛製品の製造方法に関し、さらに詳しくは、膨張黒鉛粉末をフレークへと圧縮したのち、このフレークを金型内で圧縮して膨張黒鉛製品を作り出す膨張黒鉛製品の製造方法に関する。
一般に、黒鉛は、炭素原子で構成される六角形のリングが互いに無限につながってシートを形成してなる平面状の巨大分子の層が重なり合って形成された原材料である。黒鉛は、良好な導電性のほか、巨大分子（ポリセン：ｐｏｌｙｃｅｎｅ）の薄膜構造ゆえに、潤滑性および柔軟性を備えている。さらに、黒鉛は容易に砕くことができるが、巨大分子であるために反応性が低い。
ポリセン構造を有する黒鉛からなるカーボン・シートは、ファン・デル・ワールス力によって相互につながっているため、カーボン・シート間の１４．２ｎｍの間隔は、炭素原子間の３５．５ｎｍの間隔よりも大きい。したがって、他の原子をカーボン・シート間のすき間に挿入することによって、層間化合物を形成することができる。具体的には、黒鉛結晶からなる網状平面を維持しつつ、大量の原子、分子、またはイオンをシート間のすき間に挿入し、層間化合物を形成することができる。
すなわち、硫酸などの酸を黒鉛のシート間に適用してなる層間化合物または残留化合物（ｒｅｍｎａｎｔ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）が約１０００℃の温度まで急速に加熱されたとき、シート間の酸が気化してガスを生成し、ガスの膨張圧力ゆえに黒鉛の中間層が数十倍または数百倍に膨張して、「膨張黒鉛」と称される層間化合物が形成される。
次に、膨張黒鉛製品の従来の製造方法について、図１を参照しつつ説明する。
まず、膨張黒鉛は密度が一般的な黒鉛の１／５０〜１／２００と小さいため、膨張黒鉛で形成しようとする膨張黒鉛シートの厚さおよび密度を考慮しつつ、膨張黒鉛を所定の高さまで積層する（Ｓ２）。例えば、密度が一般的な黒鉛の１／２００である膨張黒鉛を使用して厚さ５ｍｍの膨張黒鉛シートを形成する場合には、膨張黒鉛を５ｍｍの２００倍以上の高さまで積層する。
次いで、所定の高さまで積層した膨張黒鉛を、大型プレス機で圧縮し（Ｓ４）、さらにローラで圧延して、高密度の膨張黒鉛シートを形成する（Ｓ６）。この膨張黒鉛シートが、切断や成形などといったさらなる機械的な処理にて所望の形状に形成され（Ｓ８）、膨張黒鉛製品の製造プロセスが完了する（Ｓ１０）。
しかしながら、従来技術による膨張黒鉛製品の製造方法は、膨張黒鉛製品の厚さが大きくなるとともに、当該膨張黒鉛製品の製造時に膨張黒鉛をより高く積層しなければならず、このため、プレス機の容量が大きくなるばかりか、積層に続く圧延機器の要件ゆえに設備が巨大化するという問題を抱えている。さらに、密度のきわめて低い膨張黒鉛を大量に圧縮し、圧延し、成形するため、密度を高めることが難しく、密度を一様にすることも困難である。
さらに、従来からの方法によれば、密度のきわめて低い膨張黒鉛を大量に圧縮し、圧延し、成形するため、膨張黒鉛内の空間が完全には取り除かれない。このため、膨張黒鉛が密でない構造を有することによって引っ張り強度や圧縮強度、硬さなどといった機械的特性の面で劣るばかりか、圧縮プロセスゆえに膨張黒鉛が方向性を有し、シート状にのみ形成可能であるため、最終形状が制限されてしまう。
本発明は、以上の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、必要とされるプレス機の容量を小さくすることができ、機械的特性を向上させることができ、さまざまな形状に形成することができる膨張黒鉛製品の製造方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、前記の目的およびその他の目的は、膨張黒鉛製品の製造方法であって、ａ）膨張黒鉛を圧縮して黒鉛薄膜を形成するステップ、ｂ）前記黒鉛薄膜を砕いて黒鉛フレークを形成するステップ、およびｃ）前記黒鉛フレークを金型内に配置し、該黒鉛フレークを圧縮して所定の形状を形成するステップ、を含んでおり、前記ステップａ）、ｂ）およびｃ）の少なくとも１つにおいて、前記膨張黒鉛に結合剤が混合される方法を提供することによって達成される。
結合剤は、ポリマーを主体とする結合剤、セラミックを主体とする結合剤、およびリン酸塩を主体とする結合剤のうちの少なくとも１つであってよい。
ポリマーを主体とする結合剤が、さらに導電性材料を含んでいてもよい。
さらに、ステップｃ）においてカーボン繊維やケブラーなどの繊維材料を、金型内の黒鉛フレークに加えてもよい。
さらに、ステップｃ）において少なくとも１枚以上の金属シートを、金型内の黒鉛フレークに圧縮の方向に挿入してもよい。
金属シートは、少なくとも１つ以上の穴または非一様部を備えて形成することができる。
本発明の膨張黒鉛製品の製造方法によれば、膨張黒鉛がまずフレークへと加工され、このフレークが製品に形成されるため、比較的小さい設備で高い密度の膨張黒鉛製品を製造することができる。この結果、初期の設備コストを低減できるだけでなく、密度が一様で、しかも高密度に圧縮された構造を有する膨張黒鉛製品が得られるという、有益な効果が提供される。さらに、膨張黒鉛製品が最終的に金型内で圧縮されるため、膨張黒鉛製品が方向性を有さず、さまざまな形状へと形成することができる。
さらに、本発明において、ポリマーを主体とする結合剤、セラミックを主体とする結合剤、およびリン酸塩を主体とする結合剤を使用することができ、形成後も膨張黒鉛製品の形状を維持することができる。とくにポリマーを主体とする結合剤の場合には、ポリマー主体の結合剤が優れた耐水性を有するだけでなく、極微小な導電性粉末を混ぜることによって導電性を必要とする製品にも使用できるという、有益な効果が存在する。
さらに、金型内の黒鉛フレークにカーボン繊維やケブラーなどの繊維状の材料を混ぜることによって、膨張黒鉛製品の機械的特性を向上させることができる。
さらに、補強用の金属シートが黒鉛フレーク中に挿入された状態で黒鉛フレークを圧縮することによって、膨張黒鉛製品の機械的特性を向上させることができる。
以上の目的、特徴および利点、ならびに他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と関連させつつ読み取ることによって、よりはっきりと理解されるであろう。
次に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面を参照しつつ詳しく説明する。これにより、当業者であれば、本発明を容易に理解して再現することができるであろう。
図２〜６は、本発明による膨張黒鉛製品の製造方法の各ステップを示した図である。
次に、本発明による膨張黒鉛製品の製造方法を説明する。
図２および３を参照すると、最初のステップにおいて、粉末化され薄く広げられた膨張黒鉛２が、適切な容量を有する一次プレス機１０またはローラによって一次圧縮され、高密度の黒鉛薄膜４が形成される。
膨張黒鉛２は、膨張前の黒鉛の密度の１／５０〜１／２００といったかなり低い密度を有しており、この最初のステップは、膨張黒鉛製品の厚さにかかわらずきわめて薄く広げられた状態で実行されるため、高密度の黒鉛薄膜４を形成するときに大きな圧力は必要とされない。したがって、比較的容量の小さい一次プレス機１０またはローラを使用することができ、得られる黒鉛薄膜４は、高い密度を有しかつ一様である。
ところで、この最初のステップにおいては、黒鉛薄膜４に付着力を持たせることができるよう、薄く広げられた膨張黒鉛２に、結合剤２０を混合させることができる。
結合剤２０は、ポリマーを主体とする結合剤、セラミックを主体とする結合剤、およびリン酸塩を主体とする結合剤の少なくとも１つであってよい。
特に、ポリマーを主体とする結合剤は、優れた耐水性を有している。したがって、極微小導電性粉末を含有するポリマー主体の結合剤を黒鉛に混合させ、電磁波を遮蔽するためのシール材など、導電性を有する膨張黒鉛製品を提供することができる。このように、ポリマーを主体とする結合剤は、この業界において広く適用可能である。
図３および４を参照すると、第２のステップにおいて、比較的面積の大きいシート状の黒鉛薄膜４が、砕かれて黒鉛フレーク６となる。
黒鉛フレーク６は、黒鉛薄膜４をカッタを使用して帯状または矩形に切断することによって、あるいは黒鉛薄膜４を機械的な破砕方法を使用して不規則な形状に砕くことによって形成される。
図５および６を参照すると、第３のステップにおいて、例えばリング状などの所定の形状を有する金型１２を黒鉛フレーク６で満たしたのち、黒鉛フレーク６が二次プレス機１２によって再び圧縮され、所定の形状を有する膨張黒鉛製品８が形成される。
ここで、黒鉛フレーク６に結合剤が含有されているため、二次プレス機１４によって黒鉛フレークが圧縮されたとき、膨張黒鉛６が互いに付着して堅固に結合し、圧縮後も膨張黒鉛製品の形状を維持することができる。当然ながら、このステップにおいて、金型１２内の黒鉛フレーク６に結合剤（図示されていない）を加えてもよい。
ところで、金型１２を黒鉛フレーク６で満たすとき、黒鉛に類似する熱膨張係数を持つカーボン繊維やケブラーなどの繊維状材料２２を、混ぜ合わせることができる。この結果、黒鉛フレーク６が二次プレス機１４によって再圧縮されたとき、カーボン繊維やケブラーなどの繊維状材料２２が黒鉛フレーク６内で互いに密に結合し、膨張黒鉛製品８により優れた機械的特性を持たせることができる。
さらに、少なくとも１枚以上の金属シート２４を、矢印Ｐで示されている二次プレス機１４の圧縮の方向において、金型１２の黒鉛フレーク６に挿入することができる。このようにして、膨張黒鉛製品８は、金属シート２４によって補強される。
２枚以上の金属シート２４を、二次プレス機１４の圧縮の方向（矢印Ｐで示されている）において所定の高さで互いに離間させて黒鉛フレーク６内で重ね合わせてもよい。あるいは、１枚の金属シート２４を、黒鉛フレーク６に挿入してもよい。さらに、金属シート２４を、所定の高さまで積層した黒鉛フレーク６の両側に、それぞれ配置してもよい。
金属シート２４は、膨張黒鉛製品８の機械的特性を向上させるため、ステンレス、鋼、または非鉄金属などの材料から製作される。
さらに、金属シート２４は、結合剤によって黒鉛フレーク６に堅固に結合され、結合力を高めるべく金属シート２４と黒鉛フレーク６との接触面積を可能な限り広くできるよう、金属シート２４に少なくとも１つの穴または不規則部２４ａが形成されてもよい。
最後のステップとして、以上の手順によって形成された膨張黒鉛製品が、市場性を高めるべく圧延や旋削などのさらなる機械的処理によって、より精密に加工される。
図７は、本発明の他の実施の形態による膨張黒鉛製品の製造方法のフロー図である。
本発明の他の実施の形態による膨張黒鉛製品の製造方法を、簡潔に説明する。まず、膨張黒鉛２を薄く広げ（Ｓ２０）、次いでプレス機またはローラを使用して一次圧縮して、高密度の黒鉛薄膜を形成する（Ｓ２２）。次に、この膨張黒鉛を砕いて黒鉛フレークとする（Ｓ２４）。この黒鉛フレークを所定の形状を有する金型内に満たし、さらに黒鉛フレークに結合剤を適用したのち、この黒鉛フレークをプレス機によって圧縮し（Ｓ２６）、膨張黒鉛製品を完成する（Ｓ２８）。
以上述べたように、本発明の膨張黒鉛製品の製造方法によれば、薄く広げられた膨張黒鉛が、高密度の黒鉛薄膜へと一次圧縮され、粉砕される。次いで、粉砕された高密度の黒鉛薄膜が、所定の形状を有する金型へと入れられて二次圧縮され、膨張黒鉛製品が形成される。結果として、膨張黒鉛製品の密度が各製造ステップを通じて大きくなっていくため、設備を最小限にして初期の設備コストを低減できるだけでなく、密度が一様で、しかも高密度に圧縮された構造を有する膨張黒鉛製品が得られるという、有益な効果が提供される。さらに、膨張黒鉛製品が、最終的に金型内で圧縮されるため、膨張黒鉛製品が方向性を有さず、さまざまな形状へと形成することができる。
さらに、本発明において、ポリマーを主体とする結合剤、セラミックを主体とする結合剤、およびリン酸塩を主体とする結合剤を使用することができ、形成後の膨張黒鉛製品の形状を維持することができる。とくにポリマーを主体とする結合剤の場合には、ポリマー主体の結合剤が優れた耐水性を有するだけでなく、極微小な導電性粉末を混ぜることによって導電性を必要とする製品にも使用できるという、有益な効果が存在する。
さらに、金型内の黒鉛フレークに繊維状の材料を混ぜることによって、膨張黒鉛製品の機械的特性を向上させることができる。
さらに、補強用の金属シートが黒鉛フレーク中に挿入された状態で黒鉛フレークを圧縮することによって、膨張黒鉛製品の機械的特性を向上させることができる。
以上説明した実施の形態および添付の図面が、単に例示を目的としてなされたものであること、および本発明が以下の特許請求の範囲によって定められることを理解すべきである。さらに、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に示される本発明の技術的範囲および技術的思想から離れることなくさまざまな変更、追加、および置き換えが可能であることを、理解できるであろう。
Claims (8)
- 膨張黒鉛製品の製造方法であって、
ａ）膨張黒鉛を圧縮して黒鉛薄膜を形成するステップ、
ｂ）前記黒鉛薄膜を砕いて黒鉛フレークを形成するステップ、および
ｃ）前記黒鉛フレークを金型内に配置し、該黒鉛フレークを圧縮して所定の形状を形成するステップ
を含んでおり、
前記ステップａ）、ｂ）およびｃ）の少なくとも１つにおいて、前記膨張黒鉛に結合剤が混合される方法。 - 前記結合剤が、前記ステップａ）および前記ステップｃ）において混合される請求項１に記載の方法。
- 前記結合剤が、ポリマーを主体とする結合剤、セラミックを主体とする結合剤、またはリン酸塩を主体とする結合剤のうちの少なくとも１つである請求項２に記載の方法。
- 前記ポリマーを主体とする結合剤が、さらに導電性材料を含んでいる請求項３に記載の方法。
- 前記ステップｃ）において、少なくとも１枚以上の金属シートが、圧縮の方向において前記金型内の前記黒鉛フレークに挿入される請求項１に記載の方法。
- 前記金属シートが、少なくとも１つ以上の非一様部を備えて形成されている請求項５に記載の方法。
- 前記金属シートが、少なくとも１つ以上の穴を備えて形成されている請求項５に記載の方法。
- 前記ステップｃ）において、金型内の黒鉛フレークに繊維状の材料が添加される請求項５に記載の方法。
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