JP2015172161A - porous carbon sheet - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a porous carbon sheet capable of improving corrosion resistance and improving heat resistance.SOLUTION: The porous carbon sheet comprises: a porous carbon powder which has mesopores and in which the mesopores are irregularly arranged in a carbonaceous wall, and adjacent mesopores communicate with each other; and a binder. It is preferable that the ratio of the binder to the porous carbon powder is 5 to 50 wt.% inclusive. It is also preferable that the porous carbon sheet has a film thickness of 250 to 1,000 μm inclusive.

Description

本発明は多孔質炭素シートに関するものである。   The present invention relates to a porous carbon sheet.

ガスフィルター、ガス拡散層、スペーサー、触媒担体、電極、又は、凝縮器等に用いられるシートには金属、セラミック等の各種材料のものが用いられている。このような用途に用いられる際には、使用場所等により、耐熱性が必要とされたり、耐蝕性(耐酸化性)が必要とされたりする場合がある。   Sheets used for gas filters, gas diffusion layers, spacers, catalyst carriers, electrodes, condensers, and the like are made of various materials such as metals and ceramics. When used in such applications, heat resistance may be required or corrosion resistance (oxidation resistance) may be required depending on the place of use.

上記シートが用いられる例としては、複数枚の金属シートを積層させて、凝縮器とするような提案がなされている(下記特許文献1)。   As an example in which the sheet is used, a proposal has been made to stack a plurality of metal sheets to form a condenser (Patent Document 1 below).

特開2013−86060号公報JP2013-86060A

しかしながら、上記特許文献1に示したシートは金属製であるため、高温高湿等の過酷な条件下で用いた場合には、腐食することがあるという課題があった。   However, since the sheet shown in Patent Document 1 is made of metal, there is a problem that it may corrode when used under severe conditions such as high temperature and high humidity.

そこで本発明は、耐蝕性を向上させると共に耐熱性を向上させることができる多孔質炭素シートを提供することを目的としている。   Then, this invention aims at providing the porous carbon sheet which can improve heat resistance while improving corrosion resistance.

上記目的を達成するために本発明は、メソ孔を有し、隣接するメソ孔同士が連通している多孔質炭素粉末と、バインダーとから成ることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention is characterized by comprising a porous carbon powder having mesopores, in which adjacent mesopores communicate with each other, and a binder.

本発明によれば、耐蝕性を向上させると共に耐熱性を向上させることができるといった優れた効果を奏する。   According to the present invention, there is an excellent effect that the corrosion resistance can be improved and the heat resistance can be improved.

本発明に用いる多孔質炭素の製造工程を示す図であって、同図(a)はポリアミック酸樹脂と酸化マグネシウムとを混合した状態を示す説明図、同図(b)は混合物を熱処理した状態を示す説明図、同図(c)は多孔質炭素を示す説明図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous carbon used for this invention, Comprising: The figure (a) is explanatory drawing which shows the state which mixed the polyamic acid resin and magnesium oxide, The figure (b) is the state which heat-processed the mixture FIG. 3C is an explanatory view showing porous carbon. シートA1、A2、Z及び多孔質炭素における、空気雰囲気下での熱重量分析の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the thermogravimetric analysis in air atmosphere in sheet | seat A1, A2, Z and porous carbon. シートA1、A2、Zにおいて、ドライNとウエットNとを交互に流通させ、各シートの重量変化を測定するための装置の説明図である。In sheet A1, A2, Z, is circulated alternately and dry N 2 and a wet N 2, is an illustration of an apparatus for measuring the weight change of each sheet. シートA1における、雰囲気湿度への応答性を示すグラフである。It is a graph which shows the responsiveness to atmospheric humidity in sheet | seat A1. シートZにおける、雰囲気湿度への応答性を示すグラフである。5 is a graph showing the response to atmospheric humidity in a sheet Z. シートA1に水滴を滴下した直後の水滴の状態を示す写真である。It is a photograph which shows the state of the water droplet immediately after dripping a water droplet to sheet | seat A1. シートA1に水滴を滴下したときから10秒経過後の水滴の状態を示す写真である。It is a photograph which shows the state of the water droplet after 10 second passage from the time of dropping a water droplet on the sheet A1. シートZに水滴を滴下した直後の水滴の状態を示す写真である。4 is a photograph showing a state of water droplets immediately after dropping water droplets on a sheet Z. シートZに水滴を滴下したときから10秒経過後の水滴の状態を示す写真である。3 is a photograph showing a state of water droplets after 10 seconds from the time when water droplets were dropped on a sheet Z. FIG. シートA1に用いられている多孔質炭素のSEM画像である。It is a SEM image of porous carbon used for sheet A1. シートA1に曲げ方向に外力を加えたときの写真である。It is a photograph when an external force is applied to the sheet A1 in the bending direction. シートA1、Zの細孔分布曲線を示すグラフである。3 is a graph showing pore distribution curves of sheets A1 and Z.

本発明は、メソ孔を有し、隣接するメソ孔同士が連通している多孔質炭素粉末と、バインダーとから成ることを特徴とする。
このような構造のシートでは、耐蝕性を向上させると共に耐熱性を向上させることができるので、ある程度温度が高く(約300〜500℃)、酸化性雰囲気下で用いられるフィルター、スペーサー等に最適に用いられる。具体的に、ガスフィルターとして用いる場合を例に、本発明の優位性について説明する。
The present invention is characterized by comprising a porous carbon powder having mesopores, in which adjacent mesopores communicate with each other, and a binder.
Since the sheet having such a structure can improve the corrosion resistance and the heat resistance, the temperature is high to some extent (about 300 to 500 ° C.) and is optimal for a filter, a spacer, etc. used in an oxidizing atmosphere. Used. Specifically, the advantage of the present invention will be described by taking the case of using as a gas filter as an example.

金属製のフィルターでは耐蝕性に劣るので、腐食することがあり、しかも、高温(約300℃以上)では変形し、形状を維持できなくなるため、フィルターとしての機能を十分に発揮できない。また、セラミック製のフィルターでは耐アルカリ性が低く、アンモニア等の蒸気が存在する雰囲気下では溶解する可能性があり、しかも、シリカゲル等の酸化物系の多孔質材料は、高温(約300℃前後)で構造が破壊するため、やはりフィルターとしての機能を十分に発揮できない。更に、活性炭シートを用いたフィルターでは、300℃程度になると活性炭が燃えるため、高温の場合には用いることができない。これに対して、本発明のシートを用いたフィルターでは、耐蝕性と耐熱性とに優れ、しかも、メソ孔を有している。したがって、過酷な条件下(例えば、300℃以上で、高湿の雰囲気下)で用いられた場合であっても、酸化したり燃焼したりすることなく、且つ、フィルターとしての機能を十分に発揮することができる。   Since the metal filter is inferior in corrosion resistance, it may be corroded, and it deforms at a high temperature (about 300 ° C. or higher) and cannot maintain its shape. In addition, ceramic filters have low alkali resistance and may be dissolved in an atmosphere where ammonia or the like is present, and oxide-based porous materials such as silica gel are hot (around 300 ° C). Since the structure is destroyed, the filter function cannot be fully demonstrated. Furthermore, in a filter using an activated carbon sheet, activated carbon burns at about 300 ° C., and therefore cannot be used at high temperatures. On the other hand, the filter using the sheet of the present invention is excellent in corrosion resistance and heat resistance and has mesopores. Therefore, even when used under harsh conditions (for example, at 300 ° C. or higher and in a high humidity atmosphere), it does not oxidize or burn, and sufficiently functions as a filter. can do.

また、300℃程度まで温度上昇することがある燃料電池の触媒担体やガス拡散層にも本発明のシートは最適に用いることができる。例えば、燃料電池の触媒担体として用いる場合には、本発明のシートは活性炭シートに比べて、濡れ性に優れることから、以下の作用効果が発揮される。活性炭シートを上記燃料電池の触媒担体として用いた場合には、活性炭シートは濡れ性に劣るということから、シート表面に水の膜が形成される。したがって、触媒である白金とOガスとが接触し難くなるため、触媒能力が十分に発揮されない。これに対して、本発明シートを燃料電池の触媒担体に用いた場合には、本発明のシートは濡れ性に優れるということから、シート表面に水の膜が形成されるのを抑制できる。したがって、触媒である白金とOガスとが容易に接触できるので、触媒能力が十分に発揮される。 In addition, the sheet of the present invention can be optimally used for a catalyst carrier and a gas diffusion layer of a fuel cell that can rise to about 300 ° C. For example, when used as a catalyst carrier for a fuel cell, the sheet of the present invention is superior in wettability as compared with an activated carbon sheet, and therefore exhibits the following effects. When an activated carbon sheet is used as the catalyst carrier of the fuel cell, the activated carbon sheet is inferior in wettability, so that a water film is formed on the sheet surface. Accordingly, since the platinum and O 2 gas is a catalyst hardly contacts, catalytic activity is not sufficiently exhibited. On the other hand, when the sheet of the present invention is used as a catalyst carrier for a fuel cell, the sheet of the present invention is excellent in wettability, so that it is possible to suppress the formation of a water film on the sheet surface. Therefore, since the catalyst platinum and O 2 gas can be easily contacted, the catalytic ability is sufficiently exhibited.

更に、本発明はシート状であって発塵等が抑制されるので、取り扱いが容易となる。また、本発明シートは可撓性を有しているので、部品への組み込み、部品からの回収等を行う場合に、作業性に優れる。
尚、本明細書において、メソ孔とは孔径が2nm以上50nm以下の孔をいい、ミクロ孔とは2nm未満の孔をいう。
Furthermore, since the present invention is sheet-like and dust generation and the like are suppressed, handling becomes easy. Moreover, since the sheet of the present invention has flexibility, it is excellent in workability when it is incorporated into a part, collected from a part, and the like.
In the present specification, a mesopore means a pore having a pore diameter of 2 nm or more and 50 nm or less, and a micropore means a pore less than 2 nm.

上記多孔質炭素粉末に対する上記バインダーの割合が5重量%以上50重量%以下であることが望ましい。
上記割合が5重量%未満になると、発塵したり、形状が崩れる場合がある。一方、上記割合が50重量%を超えると、バインダーが主材料となるため、可撓性が低下する場合がある。
The ratio of the binder to the porous carbon powder is desirably 5% by weight or more and 50% by weight or less.
When the ratio is less than 5% by weight, dust may be generated or the shape may be lost. On the other hand, when the ratio exceeds 50% by weight, the binder may be a main material, and thus flexibility may be reduced.

膜厚が250μm以上1000μm以下であることが望ましい。
膜厚が250μm未満になると、自立シートとして形状を維持することができない場合がある。一方、膜厚が1000μmを超えると、可撓性が低下する場合がある。
The film thickness is desirably 250 μm or more and 1000 μm or less.
If the film thickness is less than 250 μm, the shape may not be maintained as a self-supporting sheet. On the other hand, when the film thickness exceeds 1000 μm, the flexibility may decrease.

バインダーは窒素及び/またはフッ素を1原子以上含有するバインダーであることが望ましく、特にポリテトラフルオロエチレンであることが望ましい。
バインダーが窒素及び/またはフッ素を1原子以上含有するバインダーであれば、約420℃まで、バインダーがポリテトラフルオロエチレンであれば、約500℃まで本発明のシートを用いることができる。
The binder is preferably a binder containing at least one atom of nitrogen and / or fluorine, and particularly preferably polytetrafluoroethylene.
If the binder contains 1 atom or more of nitrogen and / or fluorine, the sheet of the present invention can be used up to about 420 ° C. If the binder is polytetrafluoroethylene, the sheet of the present invention can be used up to about 500 ° C.

以下、具体的な実施形態を以下に説明する。
本発明に用いる多孔質炭素は、例えば、以下のようにして作製できる。先ず、有機質樹脂を含む流動性材料と酸化物(鋳型粒子)とを、溶液または粉末状態において湿式もしくは乾式混合して混合物を作製する。次に、この混合物を非酸化雰囲気或いは減圧雰囲気の下、例えば500℃以上の温度で炭化させる。最後に、洗浄処理することで鋳型粒子を取り除き、これによって、多孔質炭素を作製できる。このようにして作製した多孔質炭素は、多数の細孔(メソ孔とミクロ孔)を有している。細孔の配列は規則的ではなく、ランダムに配列される構造となっている(メソ孔は、不規則に配列されている)。
Specific embodiments will be described below.
The porous carbon used in the present invention can be produced, for example, as follows. First, a fluid material containing an organic resin and an oxide (template particle) are wet or dry mixed in a solution or powder state to produce a mixture. Next, this mixture is carbonized at a temperature of, for example, 500 ° C. or higher in a non-oxidizing atmosphere or a reduced pressure atmosphere. Finally, the template particles are removed by washing, and thereby porous carbon can be produced. The porous carbon thus produced has a large number of pores (mesopores and micropores). The arrangement of the pores is not regular but has a structure in which they are randomly arranged (the mesopores are irregularly arranged).

ここで、鋳型粒子の径や有機質樹脂の種類を変えることによって、細孔径、多孔質炭素の細孔分布、及び、炭素質壁の厚みを調整することができる。したがって、鋳型粒子の径と有機質樹脂の種類とを適宜選択することによって、細孔径や比表面積等が異なる多孔質炭素を容易に作製することが可能となる。   Here, the pore diameter, the pore distribution of the porous carbon, and the thickness of the carbonaceous wall can be adjusted by changing the diameter of the template particles and the type of the organic resin. Accordingly, it is possible to easily produce porous carbon having different pore diameters, specific surface areas, and the like by appropriately selecting the diameter of the template particles and the type of the organic resin.

具体的に、上記有機質樹脂としては、単位構造中に少なくとも一つ以上の窒素もしくはフッ素原子を含むポリイミドが好ましく用いられる。当該ポリイミドは、酸成分とジアミン成分との重縮合により得ることができる。但し、この場合、酸成分及びジアミン成分のいずれか一方又は両方に、一つ以上の窒素原子もしくはフッ素原子を含む必要がある。
具体的には、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸を成膜し、溶媒を加熱除去することによりポリアミド酸膜を得る。次に、得られたポリアミド酸膜を200℃以上で熱イミド化することによりポリイミドを製造することができる。
Specifically, as the organic resin, a polyimide containing at least one nitrogen or fluorine atom in the unit structure is preferably used. The polyimide can be obtained by polycondensation of an acid component and a diamine component. However, in this case, it is necessary that one or both of the acid component and the diamine component contain one or more nitrogen atoms or fluorine atoms.
Specifically, a polyamic acid film which is a polyimide precursor is formed, and the solvent is removed by heating to obtain a polyamic acid film. Next, a polyimide can be manufactured by thermally imidating the obtained polyamic acid film at 200 ° C. or higher.

前記ジアミンとしては、2,2−ビス(4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン〔2,2−Bis(4−aminophenyl)hexafluoropropane〕、2,2−ビス(トリフルオロメチル)−ベンジジン〔2,2’−Bis(trifluoromethyl)−benzidine〕、4,4’−ジアミノオクタフルオロビフェニルや、3,3’−ジフルオロ−4,4’−ジアミノジフェニルメタン,3,3’−ジフルオロ−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジ(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジフルオロ−4,4’−ジアミノジフェニルプロパン、3,3’−ジフルオロ−4,4’−ジアミノジフェニルヘキサフルオロプロパン、3,3’−ジフルオロ−4,4’−ジアミノベンゾフェノン、3,3’,5,5’−テトラフルオロ−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラ(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラフルオロ−4,4’−ジアミノジフェニルプロパン、3,3’,5,5’−テトラ(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノジフェニルプロパン、3,3’,5,5’−テトラフルオロ−4,4−ジアミノジフェニルヘキサフルオロプロパン、1,3−ジアミノ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−メチル−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−メトキシ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−2,4,6−トリフロオロー5−(パ−フルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−クロロ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−プブロモ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−メチル−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−メトキシ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−3,4,6−トリフルオロ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−クロロ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,2一ジアミノ−4−ブロモ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−3−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−メチル−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−メトキシ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2,3,6−トリフルオロ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−クロロ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,4一ジアミノ−2−プブロモ−5−(パーフルオロノネニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−メチル−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−メトキシ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−2,4,6−トリフルオロ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−クロロ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−ブロモ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−メチル−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−メトキシ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−3,4,6−トリフルオロ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−クロロ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,2−ジアミノ−4−ブロモ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−3−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−メチル−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−メトキシ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2,3,6−トリフルオロ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−クロロ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼン、1,4−ジアミノ−2−プロモ−5−(パーフルオロヘキセニルオキシ)ベンゼンやフッ素原子を含まないp−フェニレンジアミン(PPD)、ジオキシジアニリン等の芳香族ジアミンが例示できる。また、上記ジアミン成分は上記各芳香族ジアミンを2種以上組み合わせて使用してもよい。   Examples of the diamine include 2,2-bis (4-aminophenyl) hexafluoropropane [2,2-Bis (4-aminophenyl) hexafluoropropane], 2,2-bis (trifluoromethyl) -benzidine [2,2 ′. -Bis (trifluoromethyl) -benzidine], 4,4'-diaminooctafluorobiphenyl, 3,3'-difluoro-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-difluoro-4,4'-diaminodiphenyl ether, 3,3′-di (trifluoromethyl) -4,4′-diaminodiphenyl ether, 3,3′-difluoro-4,4′-diaminodiphenylpropane, 3,3′-difluoro-4,4′-diaminodiphenyl Hexafluoropropane, 3,3'- Fluoro-4,4′-diaminobenzophenone, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5′-tetra (trifluoromethyl) -4, 4'-diaminodiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetrafluoro-4,4'-diaminodiphenylpropane, 3,3', 5,5'-tetra (trifluoromethyl) -4,4'- Diaminodiphenylpropane, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4-diaminodiphenylhexafluoropropane, 1,3-diamino-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,3-diamino- 4-methyl-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,3-diamino-4-methoxy-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1 3-diamino-2,4,6-trifluoro-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,3-diamino-4-chloro-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,3-diamino- 4-Pubromo-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4-methyl-5- (perfluorononenyloxy) ) Benzene, 1,2-diamino-4-methoxy-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,2-diamino-3,4,6-trifluoro-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4-chloro-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4-bromo-5- (perfluorononenyloxy) Xyl) benzene, 1,4-diamino-3- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2-methyl-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2- Methoxy-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2,3,6-trifluoro-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2-chloro-5 -(Perfluorononenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2-pbromo-5- (perfluorononenyloxy) benzene, 1,3-diamino-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,3 -Diamino-4-methyl-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,3-diamino-4-methoxy-5- (perfluorohexenyl) Xyl) benzene, 1,3-diamino-2,4,6-trifluoro-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,3-diamino-4-chloro-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1 , 3-Diamino-4-bromo-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4-methyl-5- (perfluoro Hexenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4-methoxy-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,2-diamino-3,4,6-trifluoro-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4-chloro-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,2-diamino-4- Lomo-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,4-diamino-3- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2-methyl-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1, 4-diamino-2-methoxy-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2,3,6-trifluoro-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2 -Chloro-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, 1,4-diamino-2-promo-5- (perfluorohexenyloxy) benzene, p-phenylenediamine (PPD) containing no fluorine atom, dioxydianiline An aromatic diamine such as The diamine component may be used in combination of two or more of the above aromatic diamines.

また、上記流動性材料として、200℃以下の温度で流動性を生じる樹脂、又は、ワニス状の高分子樹脂を用いることが望ましい。流動性材料として、200℃以下の温度で流動性を生じる樹脂、又は、ワニス状の高分子樹脂を用いれば、上述した多孔質炭素炭をより円滑に作製することができる。   Further, as the fluid material, it is desirable to use a resin that generates fluidity at a temperature of 200 ° C. or lower, or a varnish-like polymer resin. If a resin that generates fluidity at a temperature of 200 ° C. or less or a varnish-like polymer resin is used as the fluid material, the above-described porous carbon charcoal can be produced more smoothly.

但し、流動性材料としては、200℃以下の温度で流動性を生じる樹脂等に限定するものではなく、200℃以下の温度で流動性が生じなくても、水或いは有機溶媒に可溶な高分子材料であれば本発明に使用できる。このような材料としては、PVA(ポリビニルアルコール)、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂、イミド系樹脂、フェノール系樹脂等が例示される。   However, the flowable material is not limited to a resin or the like that generates fluidity at a temperature of 200 ° C. or less. Even if fluidity does not occur at a temperature of 200 ° C. or less, it is highly soluble in water or organic solvent. Any molecular material can be used in the present invention. Examples of such a material include PVA (polyvinyl alcohol), PET (polyethylene terephthalate) resin, imide resin, phenol resin, and the like.

さらに、流動性材料としては、炭素収率が40%以上85%以下のものを用いるのがより好ましい。流動性材料の炭素収率が余り小さかったり大きかったりすると(具体的には、流動性材料の炭素収率が40%未満であったり、85%を超えていると)三次元網目構造が保持されない炭素粉末となることがあるが、炭素収率が40%以上85%以下の流動性材料を用いれば、鋳型粒子を除去した後には、鋳型粒子が存在した場所が連続孔となる三次元網目構造を有する多孔質炭素を確実に得ることができるからである。また、鋳型粒子として粒径が略同一のものを用いれば、同一サイズの連続孔が形成されるので、スポンジ状且つ略籠伏の多孔質炭素を作製することができる。
また、流動性材料の炭素収率が上記範囲であれば、ミクロ孔が非常に発達するので、比表面積が大きくなる。但し、流動性材料の炭素収率が上記範囲であっても、鋳型粒子を用いない場合にはミクロ孔は発達しない。
Furthermore, it is more preferable to use a fluid material having a carbon yield of 40% to 85%. If the carbon yield of the fluid material is too small or large (specifically, if the carbon yield of the fluid material is less than 40% or exceeds 85%), the three-dimensional network structure is not retained. If a flowable material with a carbon yield of 40% or more and 85% or less is used, a three-dimensional network structure in which, after removing the template particles, the location where the template particles exist becomes continuous pores. This is because it is possible to reliably obtain porous carbon having the following. Further, if the same particle size is used as the template particle, continuous pores of the same size are formed, so that sponge-like and substantially yielding porous carbon can be produced.
Further, if the carbon yield of the fluid material is in the above range, the micropores are very developed, and the specific surface area is increased. However, even if the carbon yield of the flowable material is in the above range, micropores do not develop when template particles are not used.

一方、酸成分としては、フッ素原子を含む4,4−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸無水物(6FDA)、及びフッ素原子を含まない3,4,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)、ピロメリット酸二無水物(PMDA)等が挙げられる。
また、ポリイミド前駆体の溶媒として用いる有機溶媒は、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
On the other hand, as acid components, 4,4-hexafluoroisopropylidenediphthalic anhydride (6FDA) containing a fluorine atom and 3,4,3 ′, 4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride containing no fluorine atom Product (BPDA), pyromellitic dianhydride (PMDA) and the like.
Examples of the organic solvent used as a solvent for the polyimide precursor include N-methyl-2-pyrrolidone and dimethylformamide.

イミド化の手法としては公知の方法〔例えば高分子学会編「新高分子実験学」共立出版、1996年3月28日、第3巻高分子の合成・反応(2)158頁参照〕に示されるように、加熱あるいは化学イミド化のどちらの方法に従ってもよく、本発明はこのイミド化の方法には左右されない。
更に、ポリイミド以外の樹脂としては、石油系タールピッチ、アクリル樹脂などが使用できる。
The imidization method is shown in a known method (for example, see “New Polymer Experimental Science” edited by the Society of Polymer Science, Kyoritsu Shuppan, March 28, 1996, Volume 3, Synthesis and Reaction of Polymers (2), page 158). Thus, either heating or chemical imidization may be followed, and the present invention is not affected by this imidization method.
Furthermore, as the resin other than polyimide, petroleum-based tar pitch, acrylic resin, or the like can be used.

一方、上記酸化物として用いる原料はアルカリ土類金属酸化物(酸化マグネシウム、酸化カルシウム等)の他に、熱処理により熱分解過程で酸化マグネシウムへと状態が変化する、金属有機酸(クエン酸マグネシウム、シュウ酸マグネシウム、クエン酸カルシウム、シュウ酸カルシウム等)、塩化物、硝酸塩、硫酸塩を使用することもできる。
また、酸化物を取り除く洗浄液としては、塩酸、硫酸、硝酸、クエン酸、酢酸、ギ酸など一般的な無機酸を使用し、2mol/l以下の希酸として用いるのが好ましい。また、80℃以上の熱水を使用することも可能である。
On the other hand, in addition to alkaline earth metal oxides (magnesium oxide, calcium oxide, etc.), the raw material used as the oxide is a metal organic acid (magnesium citrate, Magnesium oxalate, calcium citrate, calcium oxalate, etc.), chlorides, nitrates, sulfates can also be used.
Further, as the cleaning liquid for removing oxides, a general inorganic acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, citric acid, acetic acid, formic acid is used, and it is preferably used as a dilute acid of 2 mol / l or less. It is also possible to use hot water of 80 ° C. or higher.

更に、前記混合物の炭化は、非酸化雰囲気或いは減圧雰囲気で、500℃以上、1500℃以下の温度で行うことが好ましい。高炭素収率の樹脂は高分子であるため、500℃未満では炭素化が不十分で細孔の発達が十分でない場合がある一方、1500℃以上では収縮が大きく、酸化物が焼結し粗大化するため、細孔のサイズが小さくなって比表面積が小さくなるからである。非酸化性雰囲気とは、アルゴン雰囲気或いは窒素雰囲気等であり、減圧雰囲気とは133Pa(1torr)以下の雰囲気である。   Further, the carbonization of the mixture is preferably performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower in a non-oxidizing atmosphere or a reduced pressure atmosphere. Since the resin with a high carbon yield is a polymer, the carbonization may be insufficient at less than 500 ° C. and the pores may not be sufficiently developed. On the other hand, the shrinkage is large at 1500 ° C. or more, and the oxide is sintered and coarse. This is because the pore size is reduced and the specific surface area is reduced. The non-oxidizing atmosphere is an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere, and the reduced pressure atmosphere is an atmosphere of 133 Pa (1 torr) or less.

尚、上記多孔質炭素の嵩密度は0.07g/cc以上1.0g/cc以下であることが望ましい。嵩密度が0.07g/cc未満であると、比表面積を確保することが困難であり、炭素質壁の形状が保てなくなることがある一方、嵩密度が1.0g/cc以下を超えると、三次元網目構造を形成し難く、細孔の形成が不十分となることがある。   The bulk density of the porous carbon is preferably 0.07 g / cc or more and 1.0 g / cc or less. When the bulk density is less than 0.07 g / cc, it is difficult to secure a specific surface area, and the shape of the carbonaceous wall may not be maintained. On the other hand, when the bulk density exceeds 1.0 g / cc or less. It is difficult to form a three-dimensional network structure, and pore formation may be insufficient.

また、上記のようにして作製した多孔質炭素と、バインダーとを混合した後、乾燥処理し、更に、プレスすることにより多孔質炭素シートを作製することができる。この場合、バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ブタジエンストラバー、アクリルエラストマー等を用いることができるが、その中でも、ポリテトラフルオロエチレンを用いることが特に好ましい。   Moreover, after mixing the porous carbon produced as described above and a binder, a porous carbon sheet can be produced by drying treatment and further pressing. In this case, polytetrafluoroethylene, polyimide, butadiene strubber, acrylic elastomer, or the like can be used as the binder. Among them, it is particularly preferable to use polytetrafluoroethylene.

(実施例1)
先ず、図1(a)に示すように、鋳型粒子としての酸化マグネシウム粉末(MgO、平均粒径は5nm)2と、炭素前駆体としての有機物樹脂(ポリビニルアルコール)1とを、3:2の重量比で混合した。次に、図1(b)に示すように、この混合物を不活性雰囲気下900℃で2時間熱処理して、ポリビニルアルコールを熱分解させることにより、炭素質壁3を備えた焼成物を得た。次いで、得られた焼成物を1mol/lの割合で添加された硫酸溶液で洗浄して、MgOを完全に溶出させた。これにより図1(c)に示すように、多数の細孔4を有する非晶質の多孔質炭素粉末5を得た。
Example 1
First, as shown in FIG. 1 (a), a magnesium oxide powder (MgO, average particle diameter is 5 nm) 2 as a template particle and an organic resin (polyvinyl alcohol) 1 as a carbon precursor are in a 3: 2 ratio. Mixed by weight. Next, as shown in FIG.1 (b), this mixture was heat-processed at 900 degreeC by inert atmosphere for 2 hours, and polyvinyl alcohol was thermally decomposed, and the baked product provided with the carbonaceous wall 3 was obtained. . Next, the obtained fired product was washed with a sulfuric acid solution added at a rate of 1 mol / l to completely elute MgO. As a result, an amorphous porous carbon powder 5 having a large number of pores 4 was obtained as shown in FIG.

尚、当該多孔質炭素粉末は、平均粒子径は50μm(粒子径は2〜70μm)であった。また、多孔質炭素粉末は、図10に示すように、メソ孔が炭素質壁中で不規則に配列され、且つ、隣接するメソ孔同士が連通しており、更に、炭素質壁が三次元網目構造を成していた。   The porous carbon powder had an average particle size of 50 μm (particle size was 2 to 70 μm). Further, as shown in FIG. 10, in the porous carbon powder, mesopores are irregularly arranged in the carbonaceous wall, adjacent mesopores communicate with each other, and the carbonaceous wall has a three-dimensional structure. A network structure was formed.

しかる後、上記多孔質炭素粉末と、バインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(デュポン社製PTFE−6J)とを、重量比で8:2の割合で混合し、常温で攪拌した後、乾燥機を用いて、120℃で5時間乾燥処理することにより、多孔質炭素粉末とテフロン(登録商標)との混合物を得た。最後に、圧延ロールプレス機(ロール間隔:500μm)を用いて上記混合物を圧延することにより、比表面積が1200m/gで、厚さ500μmのシートを作製した。 Thereafter, the porous carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE-6J manufactured by DuPont) as a binder are mixed at a weight ratio of 8: 2, stirred at room temperature, and then dried using a dryer. The mixture was dried at 120 ° C. for 5 hours to obtain a mixture of porous carbon powder and Teflon (registered trademark). Finally, the mixture was rolled using a rolling roll press (roll interval: 500 μm) to prepare a sheet having a specific surface area of 1200 m 2 / g and a thickness of 500 μm.

このようにして作製したシートを、以下、シートA1と称する。
ここで、シートA1に曲げ方向に外力を加えたところ、図11に示すように湾曲し、外力を加えるのを中止すると元の状態に戻った。このことから、シートA1は可撓性を有することが認められた。
The sheet thus produced is hereinafter referred to as sheet A1.
Here, when an external force was applied to the sheet A1 in the bending direction, the sheet A1 was bent as shown in FIG. 11 and returned to its original state when the application of the external force was stopped. From this, it was recognized that the sheet A1 has flexibility.

(実施例2)
上記バインダーとして、ポリテトラフルオロエチレンの代わりにポリイミドを用いた以外は、上記実施例1と同様にしてシートを作製した。尚、比表面積と厚さとは、上記実施例1と同様である。
このようにして作製したシートを、以下、シートA2と称する。
尚、シートA2も上記シートA1と同様に、可撓性を有することが認められた。
(Example 2)
A sheet was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyimide was used instead of polytetrafluoroethylene as the binder. The specific surface area and thickness are the same as those in Example 1.
The sheet thus produced is hereinafter referred to as sheet A2.
In addition, it was recognized that the sheet A2 also has flexibility similar to the sheet A1.

(比較例)
炭素粉末として、上記多孔質炭素粉末の代わりに市販の活性炭(和光純薬工業株式会社製 (製品番号037−02115))を用いた以外は、上記実施例2と同様にしてシートを作製した。尚、比表面積と厚さとは、上記実施例1と同様である。
このようなシートを、以下、シートZと称する。
(Comparative example)
A sheet was prepared in the same manner as in Example 2 except that commercially available activated carbon (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (product number 037-02115)) was used as the carbon powder instead of the porous carbon powder. The specific surface area and thickness are the same as those in Example 1.
Hereinafter, such a sheet is referred to as a sheet Z.

(実験1)
上記、シートA1、A2、Zの空気雰囲気下での熱重量分析測定を行ったので、その結果を図2に示す。尚、参考として、実施例1、2で用いた多孔質炭素のみの場合についても測定したので、その結果についても併せて示す。
(Experiment 1)
Since the thermogravimetric analysis measurement was performed in the air atmosphere of the sheets A1, A2, and Z, the results are shown in FIG. For reference, the measurement was also made for the case of only porous carbon used in Examples 1 and 2, and the results are also shown.

図2から明らかなように、シートZでは加熱当初から重量減少が生じ、約200℃以上になると著しい重量減少が生じる。これに対して、シートA1、A2では、約420℃以上にならないと、重量減少が生じなかった。特に、シートA1では、約500℃まで重量減少が生じなく、多孔質炭素のみの場合よりも耐熱性に優れていることがわかった。   As apparent from FIG. 2, the sheet Z has a weight reduction from the beginning of heating, and a significant weight reduction occurs at about 200 ° C. or more. In contrast, the sheets A1 and A2 did not lose weight unless the temperature was about 420 ° C. or higher. In particular, it was found that the sheet A1 did not lose weight up to about 500 ° C. and had better heat resistance than the case of only porous carbon.

(実験2)
シートA1、ZをドライN雰囲気とウエットN雰囲気とに交互に曝し、ドライN雰囲気に曝して重量減少が生じた後、どの程度の時間ウエットN雰囲気に曝すと元の状態(実験開始前の状態)に戻るかについて、図3に示す装置を用いて調べたので、その結果を図4及び図5に示す。
(Experiment 2)
The sheets A1 and Z are alternately exposed to a dry N 2 atmosphere and a wet N 2 atmosphere, and after exposure to the dry N 2 atmosphere causes a weight loss, how long the sheet A1 and Z are exposed to the wet N 2 atmosphere is the original state (experiment Since it was investigated using the apparatus shown in FIG. 3 whether it returns to the state before a start), the result is shown in FIG.4 and FIG.5.

尚、図4はシートA1における実験結果を表すグラフであり、図5はシートZにおける実験結果を表すグラフである。また、図3の装置は本実験に用いる装置であり、以下のような構造となっている。筒体11の両端は封口体12、12により封止されており、これら封口体12、12のうち一方の封口体12にはNガス導入管13が挿通され、一方の封口体12にはNガス排出管16が挿通されている。上記筒体1の内部には、シートを載置してシートの重量を連続的に測定できる重量測定台14が配置される一方、上記筒体11の外部には、シートを加熱するためのヒーター15が配置されている。更に、ドライN雰囲気とは温度25℃で湿度約1%以下であり、ウエットN雰囲気とは温度25℃で湿度約85%である。 4 is a graph showing an experimental result in the sheet A1, and FIG. 5 is a graph showing an experimental result in the sheet Z. Moreover, the apparatus of FIG. 3 is an apparatus used for this experiment, and has the following structure. Both ends of the cylindrical body 11 are sealed with sealing bodies 12, 12. An N 2 gas introduction pipe 13 is inserted into one sealing body 12 of these sealing bodies 12, 12, and one sealing body 12 has An N 2 gas discharge pipe 16 is inserted. Inside the cylindrical body 1 is disposed a weight measuring table 14 on which a sheet can be placed and the weight of the sheet can be continuously measured. On the outside of the cylindrical body 11 is a heater for heating the sheet. 15 is arranged. Furthermore, the dry N 2 atmosphere has a temperature of 25 ° C. and a humidity of about 1% or less, and the wet N 2 atmosphere has a temperature of 25 ° C. and a humidity of about 85%.

図5から明らかなように、シートZではウエットNを導入して約9時間経過しても元の状態に復帰しないのに対して、図4から明らかなように、シートA1ではウエットNを導入してから極めて短時間で元の状態に復帰していることが認められた。このような実験結果となった理由を調べるために、下記実験3を行った。 As is clear from FIG. 5, the sheet Z does not return to its original state even after about 9 hours have passed since the introduction of the wet N 2 , whereas the sheet A1 has a wet N 2 as apparent from FIG. It was confirmed that the product returned to its original state in a very short time after introduction. In order to investigate the reason for such an experimental result, the following Experiment 3 was performed.

(実験3)
シートA1とシートZとに同量の水滴を滴下し、滴下直後の水滴の状態と、滴下したときから10秒経過後の水滴の状態とを調べたので、その結果を図6〜図9に示す。尚、図6はシートA1に水滴を滴下した直後の水滴の状態を示す写真、図7はシートA1に水滴を滴下したときから10秒経過後の水滴の状態を示す写真、図8はシートZに水滴を滴下した直後の水滴の状態を示す写真、図9はシートZに水滴を滴下したときから10秒経過後の水滴の状態を示す写真である。また、図6〜図9において、21はシート、22は水滴である。
(Experiment 3)
The same amount of water droplets were dropped on the sheet A1 and the sheet Z, and the state of the water droplet immediately after dropping and the state of the water droplet after 10 seconds from the time of dropping were examined, and the results are shown in FIGS. Show. 6 is a photograph showing the state of the water drop immediately after dropping the water droplet on the sheet A1, FIG. 7 is a photograph showing the state of the water drop after 10 seconds from the time when the water drop is dropped on the sheet A1, and FIG. FIG. 9 is a photograph showing the state of the water drop after 10 seconds from the time when the water drop was dropped on the sheet Z. FIG. Moreover, in FIGS. 6-9, 21 is a sheet | seat and 22 is a water drop.

図8及び図9から明らかなように、シートZでは、水滴を滴下した直後及び水滴を滴下したときから10秒経過後の水滴の状態は余り変わらず、水分がシートに浸透していないことが認められる。これに対して、図6及び図7から明らかなように、シートA1では、水滴を滴下した直後から水分がシートに浸透しており、水滴を滴下したときから10秒経過後には大部分水分がシートに浸透していることが認められる。これらのことから、シートA1はシートZに比べて、濡れ性が著しく向上していることがわかる。   As is apparent from FIGS. 8 and 9, in the sheet Z, the state of the water droplets does not change much immediately after the water droplets are dropped and 10 seconds after the water droplets are dropped, and moisture does not penetrate into the sheet. Is recognized. On the other hand, as is apparent from FIGS. 6 and 7, in the sheet A1, the moisture penetrates into the sheet immediately after the water droplet is dropped, and most of the moisture is 10 seconds after the water droplet is dropped. It is observed that the sheet penetrates. From these, it can be seen that the wettability of the sheet A1 is significantly improved as compared with the sheet Z.

このように、シートA1は濡れ性に優れるので、上記実験2で示したように、ウエットNを導入してから短時間で元の状態に復帰する。これに対して、シートZは濡れ性に劣るので、上記実験2で示したように、ウエットNを導入してから長時間かけても元の状態に復帰しないものと考えられる。尚、シートA2についても、シートA1の場合と同様の理由によって、ウエットNを導入してから短時間で元の状態に復帰するものと考えられる。 Thus, the sheet A1 is excellent in wettability, as shown in Experiment 2 above, to return to the original state in a short time after introduction of wet N 2. On the other hand, since the sheet Z is inferior in wettability, it is considered that the sheet Z does not return to the original state over a long period of time after the introduction of the wet N 2 as shown in Experiment 2 above. Note that it is considered that the sheet A2 also returns to the original state in a short time after the introduction of the wet N 2 for the same reason as in the case of the sheet A1.

(実験4)
シートA1、Zの細孔分布を調べたので、その結果を図12に示す。実験は、窒素を吸着ガスとして用い、温度77Kで測定した窒素吸着等温泉からBJH法を用いて細孔分布を解析した。
図12から明らかなように、シートA1では細孔直径約5nmをピークとした細孔直径分布を有しており、メソ孔が存在していることが判る。これに対して、シートZではピークの無い平坦な細孔直径分布を有しており、メソ孔が存在していないことが判る。
(Experiment 4)
Since the pore distribution of the sheets A1 and Z was examined, the result is shown in FIG. In the experiment, nitrogen was used as an adsorption gas, and the pore distribution was analyzed using a BJH method from a hot spring such as nitrogen adsorption measured at a temperature of 77K.
As is apparent from FIG. 12, the sheet A1 has a pore diameter distribution having a peak at a pore diameter of about 5 nm, and it can be seen that mesopores are present. In contrast, the sheet Z has a flat pore diameter distribution with no peak, and it can be seen that no mesopores are present.

本発明は、ガスフィルター、ガス拡散層、スペーサー、触媒担体、又は、電極等として用いることができる。   The present invention can be used as a gas filter, a gas diffusion layer, a spacer, a catalyst carrier, an electrode, or the like.

1:ポリアミック酸樹脂
2:酸化マグネシウム
3:炭素質壁
4:細孔
5:多孔質炭素
11:筒体
12:封口体
13:Nガス導入管
14:重量測定台
15:ヒーター
16:Nガス排出管
21:シート
22:水滴
1: Polyamic acid resin 2: Magnesium oxide 3: Carbonaceous wall 4: Pore 5: Porous carbon 11: Cylindrical body 12: Sealing body 13: N 2 gas introduction pipe 14: Weight measuring table 15: Heater 16: N 2 Gas discharge pipe 21: Sheet 22: Water droplet

Claims (5)

メソ孔を有し、隣接するメソ孔同士が連通している多孔質炭素粉末と、バインダーとから成ることを特徴とする多孔質炭素シート。   A porous carbon sheet comprising mesopores and porous carbon powder in which adjacent mesopores communicate with each other and a binder. 上記多孔質炭素粉末に対する上記バインダーの割合が5重量%以上50重量%以下である、請求項1に記載の多孔質炭素シート。   The porous carbon sheet according to claim 1, wherein a ratio of the binder to the porous carbon powder is 5 wt% or more and 50 wt% or less. 膜厚が250μm以上1000μm以下である、請求項1又は2に記載の多孔質炭素シート。   The porous carbon sheet of Claim 1 or 2 whose film thickness is 250 micrometers or more and 1000 micrometers or less. 上記バインダーは、窒素及び/またはフッ素を1原子以上含有するバインダーである、請求項1〜3の何れか1項に記載の多孔質炭素シート。   The porous carbon sheet according to any one of claims 1 to 3, wherein the binder is a binder containing one atom or more of nitrogen and / or fluorine. 上記窒素及び/またはフッ素を1原子以上含有するバインダーが、ポリテトラフルオロエチレンである、請求項4項に記載の多孔質炭素シート。   The porous carbon sheet according to claim 4, wherein the binder containing at least one atom of nitrogen and / or fluorine is polytetrafluoroethylene.
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