JP2016059856A - Adsorption material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an adsorption material using a porous carbon material excellent in adsorptivity and improved in internal fluidity of liquid and gas because of a co-continuous porous structure composed of carbon skeletons and cavities, and a large surface area.SOLUTION: The adsorption material comprises a porous carbon material having co-continuous structure parts in which carbon skeletons and cavities make respectively continuous structures and which has a structural pitch of 0.002-20 μm, and having pores with an average diameter of 0.01-10 nm on a surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、液体中や気体中に含まれる特定の物質を吸着するための吸着材料に関するものである。   The present invention relates to an adsorbing material for adsorbing a specific substance contained in a liquid or gas.

吸着材料の用途例としては、家庭用浄水器におけるトリハロメタン等の吸着除去が挙げられる。浄水場において水道水の消毒に用いられる塩素は、水中の溶存有機物と反応してトリハロメタン等の有害物質を生成するため、それらを家庭用の小型浄水器内の活性炭によって除去することが行われている。   As an application example of the adsorbing material, adsorption removal of trihalomethane or the like in a domestic water purifier can be mentioned. Chlorine used for disinfection of tap water at water purification plants reacts with dissolved organic substances in water to produce harmful substances such as trihalomethane, and these are removed by activated carbon in small household water purifiers. Yes.

吸着剤はそれ以外にも、冷蔵庫内の種々の食品のにおいを吸着するための脱臭剤として利用されるほか、タバコ、ペットのにおいや建材から出る有害物質の吸着を目的として、家庭用空気清浄機のフィルター等にも用いられる。また、吸着剤はこれら家庭用機器のみならず、上下水処理、医薬品の精製、清涼飲料水やビール等の原料水処理、工場排ガス処理、溶剤回収等、活性炭は産業用途においても幅広く利用されている。   In addition to the above, the adsorbent is used as a deodorant to adsorb the odors of various foods in the refrigerator, as well as household air purifiers for the purpose of adsorbing the odors of tobacco and pets and building materials. Also used for machine filters. Adsorbents are widely used not only for household equipment, but also for water and sewage treatment, pharmaceutical purification, raw water treatment for soft drinks and beer, factory exhaust gas treatment, solvent recovery, etc. Yes.

このようなガスまたは液体の吸着材料としては、炭素を主成分とする多孔質構造を有しており、表面細孔に物質を吸着させる性質がある活性炭が現状広く利用されている。一般に、活性炭はセルロースや樹脂等を炭化して得た炭素材料を、賦活することにより細孔を形成して得られる。しかし、近年の環境衛生への意識の高まりにより、有害物質や環境汚染物質を高効率に除去できる吸着材料の研究開発が広く行われている。   As such a gas or liquid adsorbing material, an activated carbon having a porous structure mainly composed of carbon and having a property of adsorbing a substance on the surface pores is widely used at present. Generally, activated carbon is obtained by forming pores by activating a carbon material obtained by carbonizing cellulose or resin. However, due to the recent increase in awareness of environmental sanitation, research and development of adsorbent materials that can remove harmful substances and environmental pollutants with high efficiency are widely performed.

例えば、特許文献1においては、フラーレン等から得た炭素質物質を賦活して得られる多孔質炭素を用いた吸着材が開示されている。特許文献1に記載の吸着剤は、細孔径20〜100オングストロームの細孔を有することにより、従来の活性炭より動的吸着力は向上すると考えられる。   For example, Patent Document 1 discloses an adsorbent using porous carbon obtained by activating a carbonaceous material obtained from fullerene or the like. The adsorbent described in Patent Document 1 has a pore diameter of 20 to 100 angstroms, so that the dynamic adsorptive power is considered to be improved over conventional activated carbon.

2006−247527号公報2006-247527

しかしながら賦活過程では、細孔が炭素材料の表面から内部へと一方向へ形成される。したがって、賦活を進行させて高比表面積材料が得られた場合でも、被吸着材料の細孔内流動性が低く、表面に吸着物質等が到達するのに時間がかかる等の課題がある。特許文献1に記載の吸着材料も賦活処理を用いたものであり、このような課題を解決するものではなかった。   However, in the activation process, pores are formed in one direction from the surface to the inside of the carbon material. Therefore, even when activation is advanced and a high specific surface area material is obtained, there is a problem that the fluidity in the pores of the material to be adsorbed is low and it takes time for the adsorbed substance or the like to reach the surface. The adsorbing material described in Patent Document 1 also uses activation treatment, and does not solve such a problem.

本発明は、内部における被吸着材料の流動性が高く、物質吸着性に優れた吸着材料を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide an adsorbing material having high fluidity of an adsorbed material inside and excellent in substance adsorbing property.

本発明は、炭素骨格と空隙とがそれぞれ連続構造をなす構造周期0.002μm〜20μmの共連続構造部分を有するとともに、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有する多孔質炭素からなる吸着材料である。   The present invention comprises porous carbon having a co-continuous structure portion having a structure period of 0.002 μm to 20 μm in which a carbon skeleton and voids each have a continuous structure, and having pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm on the surface. Adsorption material.

本発明の吸着材料は、共連続構造部分が大きな表面積を有することによって、吸着物質が作用できる面積が大きくなり、水処理や医療等に用いられる吸着材料として高い性能を発揮することが可能となる。また、炭素骨格以外の部分が空隙として連続していることにより、内部流動性が向上し、吸着物質の炭素表面への吸着効率が向上できる。さらに、炭素骨格が連続することによって、炭素骨格がお互いに構造体を支えあう効果により、引張、圧縮などの変形に対しても、ある程度耐性を有する。   Since the adsorbing material of the present invention has a large surface area in the co-continuous structure portion, the area on which the adsorbing substance can act increases, and it is possible to exhibit high performance as an adsorbing material used in water treatment, medical treatment, and the like. . Moreover, when the parts other than the carbon skeleton are continuous as voids, the internal fluidity is improved, and the adsorption efficiency of the adsorbed material on the carbon surface can be improved. Furthermore, since the carbon skeletons are continuous, the carbon skeletons support each other and thus have some resistance to deformation such as tension and compression.

実施例1の多孔質炭素材料の走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of the porous carbon material of Example 1. FIG.

<多孔質炭素材料>
〔共連続構造部分〕
本発明の吸着材料に用いられる多孔質炭素材料(以下、便宜上「本発明の多孔質炭素材料」ということがある。)は、炭素骨格と空隙とがそれぞれ連続構造をなす共連続構造部分を有する。具体的には、例えば液体窒素中で充分に冷却した試料をピンセット等により割断した断面や、乳鉢等で粉砕して得た粉末の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)等によって表面観察した際に、図1の実施例1の多孔質炭素材料の走査型電子顕微鏡写真に例示されるように、炭素骨格と空隙とがそれぞれ連続しつつ絡み合った構造として観察される部分を有する。
<Porous carbon material>
[Co-continuous structure part]
The porous carbon material used for the adsorbing material of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “the porous carbon material of the present invention” for convenience) has a co-continuous structure portion in which the carbon skeleton and the voids each form a continuous structure. . Specifically, for example, when the surface of the powder obtained by crushing a sample sufficiently cooled in liquid nitrogen with tweezers or the like or pulverized with a mortar or the like is observed with a scanning electron microscope (SEM) or the like. As illustrated in the scanning electron micrograph of the porous carbon material of Example 1 in FIG. 1, the carbon skeleton and the voids have a portion observed as a continuous and intertwined structure.

本発明の多孔質炭素材料においては、共連続構造部分の空隙に流体を充填及び/または流すことで、物質の吸着、脱離等の特性を発揮させることが可能となる。また再利用等のために加熱・煮沸した場合等において、炭素骨格が連続する特徴を生かして高い温度均一性を発揮することも可能となる。加えて炭素部分がお互いに構造体を支えあう効果により、引張、圧縮などの変形に対しても、大きな耐性を有する材料とできる。   In the porous carbon material of the present invention, it is possible to exhibit characteristics such as adsorption and desorption of substances by filling and / or flowing a fluid in the voids of the co-continuous structure portion. In addition, when heated or boiled for reuse or the like, it is possible to exhibit high temperature uniformity by taking advantage of the continuous carbon skeleton. In addition, due to the effect that the carbon parts support each other in the structure, a material having great resistance against deformation such as tension and compression can be obtained.

これらの共連続構造としては、格子状やモノリス状が挙げられ、特に限定するものではないが、上記効果を発揮できる点ではモノリス状であることが好ましい。モノリス状とは、共連続構造において炭素骨格が三次元網目構造をなす形態をいい、個別の粒子が凝集・連結した構造や、あるいは逆に、凝集・連結した鋳型粒子を除去することにより生じた空隙とその周囲の骨格により形成された構造、のような不規則な構造とは区別される。   These co-continuous structures include a lattice shape and a monolith shape, and are not particularly limited. However, a monolith shape is preferable in that the above effect can be exhibited. Monolithic form refers to a form in which the carbon skeleton forms a three-dimensional network structure in a co-continuous structure, and is formed by removing aggregated and connected template particles, or a structure in which individual particles are aggregated and connected. A distinction is made between irregular structures such as those formed by voids and surrounding skeletons.

また、本発明の多孔質炭素材料における共連続構造部分は周期構造を有する。本発明において、周期構造を有することは、多孔質炭素材料に対してX線を入射し、散乱強度がピーク値を持つことにより確認できる。   Moreover, the co-continuous structure part in the porous carbon material of the present invention has a periodic structure. In the present invention, having a periodic structure can be confirmed by making X-rays incident on the porous carbon material and having a peak value of the scattering intensity.

また、本発明の多孔質炭素材料における共連続構造部分の構造周期は0.002μm〜20μmである。本発明において、構造周期とは、本発明の多孔質炭素材料試料に対して、X線を入射し、散乱強度がピーク値を持つ位置の散乱角度2θより、下記の式で算出されるものである。   Moreover, the structural period of the co-continuous structure portion in the porous carbon material of the present invention is 0.002 μm to 20 μm. In the present invention, the structural period is calculated by the following formula from the scattering angle 2θ at the position where the X-ray is incident and the scattering intensity has a peak value with respect to the porous carbon material sample of the present invention. is there.

構造周期:L、λ:入射X線の波長
ただし構造周期が大きくて小角での散乱が観測できない場合がある。その場合はX線コンピュータ断層撮影(X線CT)によって構造周期を得る。具体的には、X線CTによって撮影した三次元画像をフーリエ変換した後に、その二次元スペクトルの円環平均を取り、一次元スペクトルを得る。その一次元スペクトルにおけるピークトップの位置に対応する特性波長を求め、その逆数より構造周期を算出する。
Structure period: L, λ: wavelength of incident X-rays However, there are cases where the structure period is large and scattering at small angles cannot be observed. In that case, the structural period is obtained by X-ray computed tomography (X-ray CT). Specifically, after performing a Fourier transform on a three-dimensional image photographed by X-ray CT, the two-dimensional spectrum is averaged to obtain a one-dimensional spectrum. The characteristic wavelength corresponding to the position of the peak top in the one-dimensional spectrum is obtained, and the structural period is calculated from the reciprocal thereof.

共連続構造部分の構造周期が0.002μm以上であると、空隙部に流体を高効率に充填及び/または流すことができるほか、炭素骨格を通じて熱伝導性を向上することが可能となる。構造周期は0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。また、構造周期が20μm以下であると、高い表面積や物性を得ることができる。構造周期は10μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。   When the structural period of the co-continuous structure portion is 0.002 μm or more, it is possible to efficiently fill and / or flow a fluid in the void portion, and to improve thermal conductivity through the carbon skeleton. The structural period is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more. Moreover, a high surface area and physical property can be acquired as a structural period is 20 micrometers or less. The structural period is preferably 10 μm or less, and more preferably 1 μm or less.

さらに、均一な連続構造を有することで、ガスや液体が内部で流動する際の抵抗を低減できるほか、多孔質炭素材料の製造工程、カラム充填工程等、製造に関わるあらゆる工程において、引張、圧縮等の変形に対する大きな耐性を有する材料とできる。本発明の多孔質炭素材料の連続構造の均一性は、本発明の多孔質炭素材料に対してX線を入射した際の散乱強度のピークの半値幅により決定できる。本発明の多孔質炭素材料のX線散乱ピークの半値幅は5°以下であることが好ましく、3°以下であることがさらに好ましく、1°以下であることが特に好ましい。なお、本発明におけるピークの半値幅とは、ピークの頂点を点Aとし、点Aからグラフ縦軸に平行な直線を引き、該直線とスペクトルのベースラインとの交点を点Bとしたとき、点Aと点Bを結ぶ線分の中点(点C)におけるピークの幅である。なお、ここで言うピークの幅とは、ベースラインに平行で、かつ点Cを通る直線上の幅のことである。   Furthermore, by having a uniform continuous structure, it is possible to reduce resistance when gas and liquid flow inside, and in all processes related to production, such as the production process of porous carbon materials and the column packing process, tension and compression are performed. It is possible to use a material having a great resistance to deformation. The uniformity of the continuous structure of the porous carbon material of the present invention can be determined by the half width of the peak of the scattering intensity when X-rays are incident on the porous carbon material of the present invention. The full width at half maximum of the X-ray scattering peak of the porous carbon material of the present invention is preferably 5 ° or less, more preferably 3 ° or less, and particularly preferably 1 ° or less. The half width of the peak in the present invention is the peak A at the point A, a straight line parallel to the vertical axis of the graph is drawn from the point A, and the intersection of the straight line and the spectrum baseline is the point B. This is the width of the peak at the midpoint (point C) of the line segment connecting points A and B. In addition, the width | variety of the peak said here is a width | variety on the straight line which is parallel to a base line and passes along the point C. FIG.

なお、X線による構造周期の解析に際して、後述する共連続構造を有しない部分については、構造周期が上記範囲外となるため解析には影響なく、上記方法で算出される構造周期を以って、共連続構造部分の構造周期とするものとする。   In the analysis of the structural period by X-rays, the part having no co-continuous structure described later has no influence on the analysis because the structural period is outside the above range, and the structural period calculated by the above method is used. , And the structural period of the co-continuous structure portion.

構造周期は小さいほど構造が細かく、単位体積あるいは単位重量当りの表面積が大きく、流体と多孔質炭素材料との接触効率が高まる。また、構造周期は大きいほど圧力損失を低減し、流体を多く充填及び/または流すことが可能となる。これらのことから、共連続構造部分の構造周期は、使用する用途や条件に応じて適宜調整することができる。   The smaller the structure period, the finer the structure, the larger the surface area per unit volume or unit weight, and the higher the contact efficiency between the fluid and the porous carbon material. In addition, the larger the structural period, the more the pressure loss is reduced, and a larger amount of fluid can be filled and / or flowed. From these things, the structure period of a co-continuous structure part can be suitably adjusted according to the use and conditions to be used.

また、共連続構造部分は、平均空隙率が10〜80%であることが好ましい。平均空隙率とは、包埋した試料をクロスセクションポリッシャー法(CP法)により精密に形成させた断面を、1±0.1(nm/画素)となるよう調整された拡大率で、70万画素以上の解像度で観察した画像から、計算に必要な着目領域を512画素四方で設定し、着目領域の面積をA、孔部分の面積をBとして、以下の式で算出されたものを言う。   The co-continuous structure portion preferably has an average porosity of 10 to 80%. The average porosity is an enlargement ratio adjusted to be 1 ± 0.1 (nm / pixel) of a cross section in which an embedded sample is precisely formed by a cross section polisher method (CP method). The image is calculated by the following expression from an image observed at a resolution of at least a pixel, where the area of interest required for calculation is set in 512 pixels square, the area of the area of interest is A, and the area of the hole is B.

平均空隙率(%)=B/A×100
平均空隙率は、高いほどガスや液体の流路として圧力損失が小さく、流速を高めることができる一方、低いほど圧縮や曲げに強くなるため、取り扱い性や加圧条件での使用に際して有利となる。これらのことを考慮し、共連続構造部分の平均空隙率は15〜75%の範囲であることが好ましく、18〜70%の範囲がさらに好ましい。
Average porosity (%) = B / A × 100
The higher the average porosity, the smaller the pressure loss as a gas or liquid flow path, and the higher the flow rate, while the lower the porosity, the stronger the compression and bending, the more advantageous for handling and use under pressurized conditions. . Considering these, the average porosity of the co-continuous structure portion is preferably in the range of 15 to 75%, more preferably in the range of 18 to 70%.

〔細孔〕
さらに、本発明の多孔質炭素材料は、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有する。表面とは、炭素材料の共連続構造部分における炭素骨格の表面も含め、多孔質炭素材料のあらゆる外部との接触面を指す。細孔は、共連続構造部分における炭素骨格の表面および/または後述する共連続構造を実質的に有しない部分に形成することができるが、少なくとも共連続構造を有する部分における炭素骨格の表面に形成することが好ましい。
〔pore〕
Furthermore, the porous carbon material of the present invention has pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm on the surface. The surface refers to a contact surface with any outside of the porous carbon material including the surface of the carbon skeleton in the co-continuous structure portion of the carbon material. The pores can be formed on the surface of the carbon skeleton in the co-continuous structure portion and / or in the portion substantially not having the co-continuous structure described later, but at least formed on the surface of the carbon skeleton in the portion having the co-continuous structure. It is preferable to do.

細孔の平均直径が0.01nm以上であることにより、物質に対して吸着作用を発揮することができる。また、10nm以下であることにより、効率的に吸着機能を発現できる。このような細孔の平均直径は0.1nm以上であることが好ましく、0.5nm以上であることがさらに好ましい。また、5nm以下であることが好ましく、2nm以下であることがさらに好ましい。細孔直径は、吸着効率の観点から、目的とする吸着物質の直径に対して1.1〜2.0倍程度に適宜調整することが好ましい。   When the average diameter of the pores is 0.01 nm or more, an adsorption action can be exerted on the substance. Moreover, an adsorption function can be efficiently expressed by being 10 nm or less. The average diameter of such pores is preferably 0.1 nm or more, and more preferably 0.5 nm or more. Moreover, it is preferable that it is 5 nm or less, and it is more preferable that it is 2 nm or less. From the viewpoint of adsorption efficiency, the pore diameter is preferably appropriately adjusted to about 1.1 to 2.0 times the diameter of the target adsorbent.

また、細孔容積は0.1cm/g以上であることが好ましく、1.0cm/g以上であることがより好ましく、1.5cm/g以上であることがさらに好ましい。細孔容積が0.1cm/g以上であることにより、吸着性能がより向上する。上限は特に限定されないが、10cm/gを超えると、多孔質炭素材料の強度が低下したり、かさ密度が著しく低くなったりするため、取り扱い性が悪くなる傾向がある。 The pore volume is preferably 0.1 cm 3 / g or more, more preferably 1.0 cm 3 / g or more, and further preferably 1.5 cm 3 / g or more. When the pore volume is 0.1 cm 3 / g or more, the adsorption performance is further improved. The upper limit is not particularly limited, but if it exceeds 10 cm 3 / g, the strength of the porous carbon material is lowered or the bulk density is remarkably lowered, so that the handleability tends to be deteriorated.

なお、本明細書において、細孔の平均直径とは、BJH法またはMP法のいずれかの方法による測定値を意味する。すなわち、BJH法またはMP法による測定値のどちらか一方でも0.01〜10nmの範囲に入っていれば、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有するものと判断する。細孔直径の好ましい範囲についても同様である。BJH法やMP法は、細孔径分布解析法として広く用いられている方法であり、多孔質炭素材料に窒素を吸脱着させることにより求めた脱着等温線に基づいて求めることができる。BJH法はBarrett−Joyner−Halendaの標準モデルに従って円筒状と仮定した細孔の直径に対する細孔容積の分布を解析する方法であり、主として2〜200nmの直径を有する細孔に適用することができる(詳細はJ.Amer.Chem.Soc.,73,373,1951等を参照)。また、MP法は吸着等温線の各点での接線の傾きの変化から求められる各区間の外部表面積と吸着層厚み(細孔形状を円筒形とするため細孔半径に相当)を基に細孔容積を求め、吸着層厚みに対してプロットすることにより、細孔径分布を得る方法であり(詳細はJounalof Colloid and Interface Science,26,45,1968等を参照)、主として0.4〜2nmの直径を有する細孔に適用できる。本発明では、いずれも小数第二位を四捨五入して、小数第一位まで求めた値を用いる。   In addition, in this specification, the average diameter of a pore means the measured value by any method of BJH method or MP method. That is, if either one of the measured values by the BJH method or the MP method falls within the range of 0.01 to 10 nm, it is determined that the surface has pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm. The same applies to the preferable range of the pore diameter. The BJH method and the MP method are widely used as a pore size distribution analysis method, and can be obtained based on a desorption isotherm obtained by adsorbing and desorbing nitrogen on a porous carbon material. The BJH method is a method of analyzing the pore volume distribution with respect to the pore diameter assumed to be cylindrical according to the Barrett-Joyner-Halenda standard model, and can be applied mainly to pores having a diameter of 2 to 200 nm. (For details, see J. Amer. Chem. Soc., 73, 373, 1951 etc.). The MP method is based on the external surface area and adsorption layer thickness (corresponding to the pore radius because the pore shape is cylindrical) obtained from the change in the tangential slope at each point of the adsorption isotherm. This is a method for obtaining the pore volume and plotting it against the thickness of the adsorption layer to obtain a pore size distribution (for details, refer to Junealod Colloid and Interface Science, 26, 45, 1968, etc.). Applicable to pores having a diameter. In the present invention, all values obtained by rounding off the second decimal place to the first decimal place are used.

なお、本発明の多孔質炭素材料においては、共連続構造部分の空隙がBJH法あるいはMP法により測定される細孔径分布や細孔容積に影響を及ぼす可能性がある。すなわち、純粋に細孔のみではなく、空隙の存在をも反映した値としてこれらの測定値が得られる可能性があるが、その場合であってもこれらの方法により求めた測定値を本発明における細孔の平均直径および細孔容積と判断するものとする。また、BJH法あるいはMP法により測定される細孔容積が0.05cm/g未満であれば、材料表面に細孔は形成されていないものと判断する。 In the porous carbon material of the present invention, the voids in the co-continuous structure portion may affect the pore size distribution and pore volume measured by the BJH method or the MP method. That is, there is a possibility that these measured values may be obtained as values that reflect not only the pores but also the presence of voids. Even in this case, the measured values obtained by these methods are used in the present invention. Assume that the average diameter and the pore volume of the pores. Moreover, if the pore volume measured by BJH method or MP method is less than 0.05 cm < 3 > / g, it will be judged that the pore is not formed in the material surface.

また、本発明の多孔質炭素材料は、BET比表面積が50m/g以上であることが好ましい。BET比表面積は200m/g以上であることがより好ましく、500m/g以上であることがさらに好ましく、1000m/g以上であることが一層好ましい。BET比表面積が50m/g以上であることにより、吸着物質に作用できる面積が大きくなり、性能が向上する。上限は特に限定されないが、4500m/gを超えると、多孔質炭素材料の強度が低下したり、かさ密度が著しく低くなり、取り扱い性が悪くなる傾向がある。なお、本発明におけるBET比表面積は、JISR 1626(1996)に準じ、多孔質炭素材料に窒素を吸脱着させることにより吸着等温線を測定し、測定したデータをBET式に基づいて算出することができる。 In addition, the porous carbon material of the present invention preferably has a BET specific surface area of 50 m 2 / g or more. The BET specific surface area is more preferably 200 m 2 / g or more, further preferably 500 m 2 / g or more, and further preferably 1000 m 2 / g or more. When the BET specific surface area is 50 m 2 / g or more, the area that can act on the adsorbed material is increased, and the performance is improved. Although an upper limit is not specifically limited, When it exceeds 4500 m < 2 > / g, there exists a tendency for the intensity | strength of a porous carbon material to fall or for a bulk density to become remarkably low, and for handleability to worsen. The BET specific surface area in the present invention can be calculated based on the BET equation by measuring the adsorption isotherm by adsorbing and desorbing nitrogen to and from the porous carbon material according to JISR 1626 (1996). it can.

〔共連続構造を実質的に有しない部分〕
本発明の多孔質炭素材料は、共連続構造を実質的に有しない部分(以下、単に「共連続構造を有しない部分」という場合がある。)を含んでいることも、好ましい態様である。共連続構造を実質的に有しない部分とは、クロスセクションポリッシャー法(CP法)により形成させた断面を、1±0.1(nm/画素)の拡大率で観察した際に、解像度以下であることにより明確な空隙が観察されない部分が、一辺が後述のX線から算出される構造周期Lの3倍に対応する正方形の領域以上の面積で存在することを意味する。
[Parts having substantially no co-continuous structure]
It is also a preferred embodiment that the porous carbon material of the present invention includes a portion that does not substantially have a co-continuous structure (hereinafter, simply referred to as “portion that does not have a co-continuous structure”). The portion having substantially no co-continuous structure is a portion below the resolution when a cross section formed by the cross section polisher method (CP method) is observed at an enlargement ratio of 1 ± 0.1 (nm / pixel). This means that a part where no clear air gap is observed exists in an area equal to or larger than a square region corresponding to three times the structural period L calculated from the X-ray described later.

共連続構造を有しない部分には炭素が緻密に充填されているため、熱伝導性を一定レベル以上に保つことができる。また、共連続構造を有しない部分が存在することで、特に圧縮破壊に対する耐性を高めることが可能である。   Since the portion having no co-continuous structure is densely filled with carbon, the thermal conductivity can be maintained at a certain level or higher. In addition, since there is a portion that does not have a co-continuous structure, it is possible to increase resistance to compression fracture.

共連続構造を有しない部分の割合は、適宜調整することができ、例えば共連続構造を有しない部分をガスや液体の流路の外壁として使用する場合は、5体積%以上が共連続構造を有しない部分とすることで、流体が共連続構造部分から漏出することを防止したり、熱伝導性を高いレベルで維持したりすることが可能であるため好ましい。   The proportion of the portion not having the co-continuous structure can be adjusted as appropriate. For example, when the portion not having the co-continuous structure is used as the outer wall of the gas or liquid flow path, 5% by volume or more is the co-continuous structure. It is preferable to use a portion that does not have a fluid because it is possible to prevent the fluid from leaking from the co-continuous structure portion or to maintain the thermal conductivity at a high level.

共連続構造を有しない部分が共連続構造部分を覆う形態である場合には、より効率的に共連続構造を構成する空隙部へ流体を充填及び/または流すことが可能となる。以降、この形態の多孔質炭素材料において、共連続構造部分をコア層、コア層を覆うように形成された共連続構造を実質的に有しない部分をスキン層と呼ぶ。スキン層とコア層からなる非対称構造を有することで、スキン層をガスや液体の流路の外壁として、またコア層を流体の流路かつ吸着機能部分として、効率的な吸着が可能になる。   When the portion that does not have the co-continuous structure is configured to cover the portion of the co-continuous structure, it is possible to more efficiently fill and / or flow fluid into the voids that form the co-continuous structure. Hereinafter, in the porous carbon material of this form, the co-continuous structure portion is referred to as a core layer, and the portion that does not substantially have the co-continuous structure formed so as to cover the core layer is referred to as a skin layer. By having an asymmetric structure composed of a skin layer and a core layer, efficient adsorption is possible with the skin layer as an outer wall of a gas or liquid flow channel and the core layer as a fluid flow channel and an adsorption function part.

コア層の連続構造は、中心部における構造周期が0.002μm〜20μmとなるように形成されていることが好ましい。また、同様に中心部における平均空隙率が10〜80%であることが好ましい。ここで中心部とは、多孔質炭素材料中において、材料の断面における質量分布が均一であると仮定した際の重心を指し、例えば粉体の場合は、そのまま重心であり、材料の形態が丸断面を持つ繊維の場合は、繊維軸と直交する断面において繊維表面からの距離が同一となる点を指す。ただし明確に重心を定義することが困難なフィルム形状の場合は、TD又はMD方向と直交する断面においてフィルム表面から垂線を引き、その垂線上におけるフィルム厚みの二分の一の寸法である点の集合を中心部とする。また同様に重心が材料中に存在しない中空繊維の場合には、中空繊維外表面の接線から垂線を引き、垂線上において材料厚みの二分の一の寸法にある点の集合を中心部とする。構造周期は、上述したX線により測定することができる。   The continuous structure of the core layer is preferably formed such that the structural period in the center is 0.002 μm to 20 μm. Similarly, it is preferable that the average porosity in the central portion is 10 to 80%. Here, the central portion refers to the center of gravity when the mass distribution in the cross-section of the material is assumed to be uniform in the porous carbon material. For example, in the case of powder, the center is the center of gravity, and the form of the material is round. In the case of a fiber having a cross section, it refers to a point where the distance from the fiber surface is the same in a cross section perpendicular to the fiber axis. However, in the case of a film shape in which it is difficult to clearly define the center of gravity, a perpendicular line is drawn from the film surface in a cross section orthogonal to the TD or MD direction, and the set of points that are one-half the film thickness on the perpendicular line Is the center. Similarly, in the case of a hollow fiber in which the center of gravity does not exist in the material, a perpendicular line is drawn from the tangent line of the outer surface of the hollow fiber, and a set of points on the perpendicular line that is one-half the thickness of the material is used as the central part. The structural period can be measured by the X-ray described above.

スキン層は、コア層の周囲にコア層を覆うように形成された共連続構造を実質的に有しない部分である。スキン層の厚みは特に限定されるものではなく、材料の用途に応じて適宜選択することができるが、厚すぎると多孔質炭素材料として空隙率が低下する傾向が見られることから、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが最も好ましい。ここで下限についても特に限定されるものではないが、材料の形態を保ち、コア層と区別された機能を発揮させる観点から1nm以上であることが好ましい。   The skin layer is a portion substantially not having a co-continuous structure formed so as to cover the core layer around the core layer. The thickness of the skin layer is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the use of the material. However, if the thickness is too thick, the porosity tends to decrease as a porous carbon material, so that the thickness is 100 μm or less. Preferably, it is 50 μm or less, and most preferably 20 μm or less. Although it does not specifically limit about a lower limit here, It is preferable that it is 1 nm or more from a viewpoint of maintaining the form of material and exhibiting the function distinguished from the core layer.

〔多孔質炭素材料の形状〕
本発明の多孔質炭素材料の形状は特に限定されず、例えば塊状、中空糸形状、棒状、平板状、円盤状、球状などが挙げられるが、中でも粒子状または繊維状形態であることが好ましい。
[Shape of porous carbon material]
The shape of the porous carbon material of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a lump shape, a hollow fiber shape, a rod shape, a flat plate shape, a disc shape, and a spherical shape. Among these, a particulate shape or a fibrous shape is preferable.

粒子状の形態は、例えばカラムやカートリッジ内に充填する方法にて、好適に用いられる。共連続構造を有しない部分が、粒子1個のうちの一部を占めることにより、粒子内における熱伝導性を高めることが可能になるほか、粒子自体の圧縮強度を高め高圧下での性能劣化が少なくなる等の効果が期待できるため、好ましい。   The particulate form is preferably used, for example, in a method of filling a column or cartridge. The part that does not have a co-continuous structure occupies a part of one particle, so that it is possible to increase the thermal conductivity in the particle, and also increase the compressive strength of the particle itself and degrade the performance under high pressure. This is preferable because an effect such as a reduction in the number of particles can be expected.

また、粒子の直径は特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜選択することが可能であるが、10nm〜10mmの範囲であると、取り扱うことが容易になるため好ましい。特に10μm以下であると、カラムやモジュール内に充填した際に粒子の充填率が向上するため好ましい。一方0.1μm以上であると、充填時に粒子間の隙間が大きくなり、ガスや液体を流した際に圧力損失が抑制できるため、さらには、メッシュ状の袋や容器内に充填した際に、メッシュからの粒子の流出を抑制できるため、好ましい。   The diameter of the particles is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the application. However, the range of 10 nm to 10 mm is preferable because it is easy to handle. In particular, the particle size is preferably 10 μm or less because the packing rate of particles is improved when packed in a column or module. On the other hand, when it is 0.1 μm or more, the gap between particles becomes large at the time of filling, and pressure loss can be suppressed when flowing gas or liquid, and further, when filling into a mesh bag or container, Since the outflow of the particle | grains from a mesh can be suppressed, it is preferable.

繊維状の形態とは、平均直径に対して平均長さが100倍以上のものを指し、フィラメント、長繊維であっても、ステープル、短繊維、チョップドファイバーであっても良い。また断面の形状は、何ら制限されるものではなく、丸断面、三角断面等の多葉断面、扁平断面や中空断面など任意の形状とすることが可能である。   The fibrous form refers to those having an average length of 100 times or more with respect to the average diameter, and may be a filament, a long fiber, a staple, a short fiber, or a chopped fiber. Further, the shape of the cross section is not limited at all, and can be an arbitrary shape such as a multi-leaf cross section such as a round cross section or a triangular cross section, a flat cross section or a hollow cross section.

特に、共連続構造を有するコア層を芯とし、その周囲に共連続構造を実質的に有しないスキン層が形成された繊維である場合には、コア層に流体を充填及び/または流すことができ、特に高圧でガスまたは液体を充填及び/または流す際には、共連続構造部分の炭素骨格がお互いに支えあう構造を持つため、高い圧縮耐性を示し、効率的に流体を充填及び/または流すことが可能になる。   In particular, in the case of a fiber having a core layer having a co-continuous structure as a core and a skin layer substantially free of the co-continuous structure formed around the core layer, the core layer may be filled with fluid and / or flowed. In particular, when filling and / or flowing gas or liquid at high pressure, the carbon skeletons of the co-continuous structure parts have a structure that supports each other, so that they exhibit high compression resistance and efficiently fill and / or fluid. It becomes possible to flow.

繊維の平均直径は特に限定されるものではなく、任意に決定することができるが、取り扱い性や多孔質を維持する観点から10nm以上であることが好ましい。また曲げ剛性を確保して、取り扱い性を向上させる観点から、5000μm以下であることが好ましい。   The average diameter of the fiber is not particularly limited and can be arbitrarily determined, but is preferably 10 nm or more from the viewpoint of maintaining handleability and porosity. Moreover, it is preferable that it is 5000 micrometers or less from a viewpoint of ensuring bending rigidity and improving a handleability.

<吸着材料の使用形態>
本発明の多孔質炭素材料の使用形態は何ら限定されるものではないが、繊維形状から不織布、織物に加工したり、フィルム形状そのもので、シート状吸着材料として使用できる。このほか、粒子、繊維、フィルム形状でカラム、カートリッジや、液体やガスが透過できる袋に充填された状態での使用も可能である。共連続構造を有するコア層及び/または中空部分を芯とて有し、その周囲に共連続構造を実質的に有しないスキン層が形成された繊維形状や中空糸形状である場合には、モジュール化を行うことも可能であり、膜分離プロセス等に容易に組み込むことが可能となるため、好ましい態様である。
<Use form of adsorbent material>
Although the usage form of the porous carbon material of this invention is not limited at all, it can be processed into a nonwoven fabric or a woven fabric from a fiber shape, or can be used as a sheet-like adsorbing material in a film shape itself. In addition, it can be used in the form of particles, fibers, and films filled in columns, cartridges, and bags that can pass liquids and gases. If the fiber layer or hollow fiber shape has a core layer and / or a hollow part having a co-continuous structure as a core and a skin layer substantially free of the co-continuous structure is formed around the core layer, a module This is a preferred embodiment because it can be easily incorporated into a membrane separation process or the like.

いずれの使用形態においても、本発明の多孔質炭素材料は所望の形状に賦形した状態での使用も可能であり、賦形方法としては、バインダーを用いる方法や加圧する方法等が挙げられる。いずれの使用形態においても、親水処理又は疎水処理等を行ってから使用してもよい。   In any use form, the porous carbon material of the present invention can be used in a state of being shaped into a desired shape. Examples of the shaping method include a method using a binder and a method of pressurizing. In any form of use, it may be used after a hydrophilic treatment or a hydrophobic treatment.

<吸着材料の用途>
本発明の吸着材料は周知の浄化装置、例えば、浄水器に組み込んで使用することが可能であり、浄水器の種類としては、連続式浄水器、回分式浄水器、逆浸透膜浄水器等を挙げることができる。また、浄水器の型式としては、水道の蛇口の先端部に浄水器本体を直接取り付ける蛇口直結型、卓上型、水栓に浄水器が組み込まれた水栓一体化型、キッチンのシンク内に設置するアンダーシンク型、ポット等の容器内に浄水器を組み込んだポット型、水道メーター以降の水道配管に直接取り付けるセントラル型、携帯型、ストロー型等を挙げることができ、浄水器の構成、構造は、周知の構成、構造とすることができる。
<Application of adsorption material>
The adsorbing material of the present invention can be used by being incorporated in a known purification device, for example, a water purifier, and as a type of water purifier, a continuous water purifier, a batch water purifier, a reverse osmosis membrane water purifier, etc. Can be mentioned. In addition, the water purifier model is a faucet direct connection type that attaches the water purifier body directly to the tip of a water faucet, a desktop type, a faucet integrated type that has a water purifier built into the faucet, and is installed in the kitchen sink Undersink type, pot type with a water purifier installed in a container such as a pot, central type directly attached to the water pipe after the water meter, portable type, straw type, etc. A well-known configuration and structure can be adopted.

また、本発明の多孔質炭素材料を用いた吸着材料はガスに対しても優れた吸着機能を有し、様々な分野において利用できる。ガス回収目的としては、自動車のキャニスターや給油時の蒸散防止用途、またはメチルエチルケトン、シクロヘキサノン、二硫化炭素、フロン、トリクロロエチレンの溶剤回収用途等に利用される。脱臭目的としては空気清浄機、冷蔵庫用脱臭剤、靴の中敷、病院の麻酔ガス除去、複写機、プリンターにおけるオゾンの分解除去等に利用される。ガス濃縮分離目的では、窒素、希ガス等の分離用途等に用いられる。また、水処理目的では、工場排水、下水の浄化、トリハロメタン、フミン酸、塩素除去用途等に利用され、精製目的では、砂糖、薬品、酒の脱色精製用途等に利用できる。   Further, the adsorbing material using the porous carbon material of the present invention has an excellent adsorption function for gas and can be used in various fields. As a gas recovery purpose, it is used for an automotive canister, a transpiration prevention application during refueling, or a solvent recovery application of methyl ethyl ketone, cyclohexanone, carbon disulfide, chlorofluorocarbon, trichloroethylene, or the like. Deodorizing purposes include air purifiers, refrigerator deodorants, shoe insoles, anesthetic gas removal in hospitals, photocopiers, and ozone decomposition in printers. For the purpose of gas concentration separation, it is used for separation of nitrogen, rare gas, and the like. Further, for water treatment purposes, it is used for industrial wastewater, sewage purification, trihalomethane, humic acid, chlorine removal applications, etc., and for purification purposes, it can be used for sugar, chemicals, liquor decolorization purification applications, etc.

<多孔質炭素材料の製造方法>
本発明の多孔質炭素材料は、一例として、炭化可能樹脂10〜90重量%と消失樹脂90〜10重量%とを相溶させて樹脂混合物とする工程(工程1)と、相溶した状態の樹脂混合物を相分離させ、固定化する工程(工程2)、加熱焼成により炭化する工程(工程3)、炭化物を賦活する工程(工程4)とを有する製造方法により製造することができる。
<Method for producing porous carbon material>
As an example, the porous carbon material of the present invention includes a step (Step 1) in which 10% to 90% by weight of carbonizable resin and 90% to 10% by weight of the disappearing resin are mixed to form a resin mixture, It can be produced by a production method having a step of phase separation and immobilization of the resin mixture (step 2), a step of carbonization by heating and baking (step 3), and a step of activating the carbide (step 4).

〔工程1〕
工程1は、炭化可能樹脂10〜90重量%と、消失樹脂90〜10重量%と相溶させ、樹脂混合物とする工程である。
[Step 1]
Step 1 is a step in which 10 to 90% by weight of the carbonizable resin and 90 to 10% by weight of the disappearing resin are compatible to form a resin mixture.

ここで炭化可能樹脂とは、焼成により炭化し、炭素材料として残存する樹脂であり、炭化収率が40%以上のものが好ましい。例えば、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の双方を用いることができ、熱可塑性樹脂の例としては、ポリフェニレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、全芳香族ポリエステルが挙げられ、熱硬化性樹脂の例としては、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、リグニン樹脂、ウレタン樹脂などを列挙することができる。コスト、生産性の点でポリアクリロニトリル、フェノール樹脂が好ましく、ポリアクリロニトリルがより好ましい。特に本発明では、ポリアクリロニトリルでも高比表面積が得られることから、好ましい態様である。これらは単独で用いても、混合された状態で用いても構わない。ここでいう炭化収率は、熱重量測定(TG)法で、窒素雰囲気下、10℃/分で昇温したときの重量変化を測定し、室温での重量と800℃での重量との差を、室温での重量で除したものをいう。   Here, the carbonizable resin is a resin that is carbonized by firing and remains as a carbon material, and preferably has a carbonization yield of 40% or more. For example, both a thermoplastic resin and a thermosetting resin can be used, and examples of the thermoplastic resin include polyphenylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, phenol resin, wholly aromatic polyester, and thermosetting resin. Examples of these include unsaturated polyester resins, alkyd resins, melamine resins, urea resins, polyimide resins, diallyl phthalate resins, lignin resins, urethane resins, and the like. In view of cost and productivity, polyacrylonitrile and phenol resin are preferable, and polyacrylonitrile is more preferable. Particularly in the present invention, polyacrylonitrile is a preferred embodiment because a high specific surface area can be obtained. These may be used alone or in a mixed state. The carbonization yield here is the difference between the weight at room temperature and the weight at 800 ° C. by measuring the change in weight when the temperature is raised at 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere by the thermogravimetry (TG) method. Is divided by the weight at room temperature.

また消失樹脂とは、後述する工程2の後に除去できる樹脂であり、好ましくは不融化処理と同時もしくは不融化処理後または焼成と同時、の少なくともいずれかの段階で除去することのできる樹脂である。除去率は、最終的に多孔質炭素材料となった際に80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることがより好ましい。消失樹脂を除去する方法については特に限定されるものではなく、薬品を用いて解重合するなどして化学的に除去する方法、消失樹脂を溶解する溶媒により除去する方法、加熱して熱分解によって消失樹脂を低分子量化して除去する方法などが好適に用いられる。これらの手法は単独で、もしくは組み合わせて使用することができ、組み合わせて実施する場合にはそれぞれを同時に実施しても別々に実施しても良い。   Further, the disappearing resin is a resin that can be removed after Step 2 described later, and is preferably a resin that can be removed at least in any stage of the infusibilization treatment, the infusibilization treatment, or the firing. . The removal rate is preferably 80% by weight or more, and more preferably 90% by weight or more when finally becoming a porous carbon material. The method for removing the disappearing resin is not particularly limited, and is a method of chemically removing the polymer by depolymerizing it with a chemical, a method of removing the disappearing resin with a solvent that dissolves, or by thermal decomposition by heating. A method of removing the lost resin by reducing the molecular weight is preferably used. These methods can be used singly or in combination, and when implemented in combination, each may be performed simultaneously or separately.

化学的に除去する方法としては、酸またはアルカリを用いて加水分解する方法が経済性や取り扱い性の観点から好ましい。酸またはアルカリによる加水分解を受けやすい樹脂としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミドなどが挙げられる。   As a method of chemically removing, a method of hydrolyzing with an acid or an alkali is preferable from the viewpoints of economy and handleability. Examples of the resin that is susceptible to hydrolysis by acid or alkali include polyester, polycarbonate, and polyamide.

消失樹脂を溶解する溶媒により除去する方法としては、混合された炭化可能樹脂と消失樹脂に対して、連続して溶媒を供給して消失樹脂を溶解、除去する方法や、バッチ式で混合して消失樹脂を溶解、除去する方法などが好適な例として挙げられる。   As a method of removing the disappearing resin with a solvent that dissolves, the mixed carbonizable resin and the disappearing resin are continuously supplied with a solvent to dissolve and remove the disappearing resin, or mixed in a batch system. A suitable example is a method of dissolving and removing the disappearing resin.

溶媒により除去する方法に適した消失樹脂の具体的な例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどのポリオレフィン、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリビニルピロリドン、脂肪族ポリエステル、ポリカーボネートなどが挙げられる。中でも溶媒への溶解性から非晶性の樹脂であることがより好ましく、その例としてはポリスチレン、メタクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリビニルピロリドンが挙げられる。   Specific examples of the disappearing resin suitable for the method of removing with a solvent include polyolefins such as polyethylene, polypropylene and polystyrene, acrylic resins, methacrylic resins, polyvinylpyrrolidone, aliphatic polyesters, polycarbonates and the like. Among these, an amorphous resin is more preferable because of its solubility in a solvent, and examples thereof include polystyrene, methacrylic resin, polycarbonate, and polyvinylpyrrolidone.

熱分解によって消失樹脂を低分子量化して除去する方法としては、混合された炭化可能樹脂と消失樹脂をバッチ式で加熱して熱分解する方法や、連続して混合された炭化可能樹脂と消失樹脂を加熱源中へ連続的に供給しつつ加熱して熱分解する方法が挙げられる。   As a method of removing the lost resin by reducing the molecular weight by thermal decomposition, a method in which the mixed carbonizable resin and the lost resin are heated in a batch manner to thermally decompose, or a continuously mixed carbonized resin and the lost resin are removed. A method of heating and thermally decomposing while continuously supplying to a heat source.

消失樹脂は、これらのなかでも、後述する工程3において、炭化可能樹脂を焼成により炭化する際に熱分解により消失する樹脂であることが好ましく、後述する炭化可能樹脂の不融化処理の際に大きな化学変化を起こさず、かつ焼成後の炭化収率が10%未満となる樹脂であることが好ましい。このような消失樹脂の具体的な例としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどのポリオレフィン、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリアセタール、ポリビニルピロリドン、脂肪族ポリエステル、芳香族ポリエステル、脂肪族ポリアミド、ポリカーボネートなどを列挙することができ、これらは、単独で用いても、混合された状態で用いても構わない。   Among these, the disappearing resin is preferably a resin that disappears by thermal decomposition when carbonizing the carbonizable resin by firing in Step 3 described later, and is large during the infusibilization treatment of the carbonizable resin described later. A resin that does not cause a chemical change and has a carbonization yield after firing of less than 10% is preferable. Specific examples of such disappearing resins include polyolefins such as polyethylene, polypropylene and polystyrene, acrylic resins, methacrylic resins, polyacetals, polyvinylpyrrolidones, aliphatic polyesters, aromatic polyesters, aliphatic polyamides, polycarbonates and the like. These may be used alone or in a mixed state.

工程1においては、炭化可能樹脂と消失樹脂を相溶させ、樹脂混合物(ポリマーアロイ)とする。ここでいう「相溶させ」とは、温度および/または溶媒の条件を適切に選択することにより、光学顕微鏡で炭化可能樹脂と消失樹脂の相分離構造が観察されない状態を作り出すことをいう。   In step 1, the carbonizable resin and the disappearing resin are mixed to form a resin mixture (polymer alloy). “Compatibilized” as used herein refers to creating a state in which the phase separation structure of the carbonizable resin and the disappearing resin is not observed with an optical microscope by appropriately selecting the temperature and / or solvent conditions.

炭化可能樹脂と消失樹脂は、樹脂同士のみの混合により相溶させてもよいし、溶媒等を加えることにより相溶させてもよい。   The carbonizable resin and the disappearing resin may be compatible by mixing only the resins, or may be compatible by adding a solvent or the like.

複数の樹脂が相溶する系としては、低温では相分離状態にあるが高温では1相となる上限臨界共溶温度(UCST)型の相図を示す系や、逆に、高温では相分離状態にあるが低温では1相となる下限臨界共溶温度(LCST)型の相図を示す系などが挙げられる。また特に炭化可能樹脂と消失樹脂の少なくとも一方が溶媒に溶解した系である場合には、非溶媒の浸透によって後述する相分離が誘発されるものも好適な例として挙げられる。   A system in which a plurality of resins are compatible includes a phase diagram of an upper critical eutectic temperature (UCST) type that is in a phase separation state at a low temperature but has one phase at a high temperature, and conversely, a phase separation state at a high temperature. However, there is a system showing a lower critical solution temperature (LCST) phase diagram that becomes one phase at a low temperature. In particular, when a system in which at least one of the carbonizable resin and the disappearing resin is dissolved in a solvent, those in which phase separation to be described later is induced by permeation of the non-solvent are also preferable examples.

加えられる溶媒については特に限定されるものではないが、溶解性の指標となる炭化可能樹脂と消失樹脂の溶解度パラメーター(SP値)の平均値からの差の絶対値が、5.0以内であることが好ましい。SP値の平均値からの差の絶対値は、小さいほど溶解性が高いことが知られているため、差がないことが好ましい。またSP値の平均値からの差の絶対値は、大きいほど溶解性が低くなり、炭化可能樹脂と消失樹脂との相溶状態を取ることが難しくなる。このことからSP値の平均値からの差の絶対値は、3.0以下であることが好ましく、2.0以下が最も好ましい。   The solvent to be added is not particularly limited, but the absolute value of the difference from the average value of the solubility parameter (SP value) of the carbonizable resin and the disappearing resin, which is a solubility index, is within 5.0. It is preferable. Since it is known that the smaller the absolute value of the difference from the average value of SP values, the higher the solubility, it is preferable that there is no difference. Further, the larger the absolute value of the difference from the average SP value, the lower the solubility, and it becomes difficult to take a compatible state between the carbonizable resin and the disappearing resin. Therefore, the absolute value of the difference from the average value of SP values is preferably 3.0 or less, and most preferably 2.0 or less.

相溶する系の具体的な炭化可能樹脂と消失樹脂の組み合わせ例としては、溶媒を含まない系であれば、ポリフェニレンオキシド/ポリスチレン、ポリフェニレンオキシド/スチレン−アクリロニトリル共重合体、全芳香族ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート、全芳香族ポリエステル/ポリエチレンナフタレート、全芳香族ポリエステル/ポリカーボネートなどが挙げられる。溶媒を含む系の具体的な組合せ例としては、ポリアクリロニトリル/ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル/ポリビニルフェノール、ポリアクリロニトリル/ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル/ポリ乳酸、ポリビニルアルコール/酢酸ビニル−ビニルアルコール共重合体、ポリビニルアルコール/ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール/ポリプロピレングリコール、ポリビニルアルコール/デンプンなどを挙げることができる。   Specific examples of combinations of carbonizable resins and disappearance resins that are compatible are polyphenylene oxide / polystyrene, polyphenylene oxide / styrene-acrylonitrile copolymer, wholly aromatic polyester / polyethylene as long as they do not contain solvents. Examples include terephthalate, wholly aromatic polyester / polyethylene naphthalate, wholly aromatic polyester / polycarbonate. Specific examples of combinations of systems containing solvents include polyacrylonitrile / polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile / polyvinylphenol, polyacrylonitrile / polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile / polylactic acid, polyvinyl alcohol / vinyl acetate-vinyl alcohol copolymer, polyvinyl Examples include alcohol / polyethylene glycol, polyvinyl alcohol / polypropylene glycol, and polyvinyl alcohol / starch.

炭化可能樹脂と消失樹脂を混合する方法については限定されるものではなく、均一に混合できる限りにおいて公知の種々の混合方式を採用できる。具体例としては、攪拌翼を持つロータリー式のミキサーや、スクリューによる混練押出機などが挙げられる。   The method for mixing the carbonizable resin and the disappearing resin is not limited, and various known mixing methods can be adopted as long as they can be mixed uniformly. Specific examples include a rotary mixer having a stirring blade and a kneading extruder using a screw.

また炭化可能樹脂と消失樹脂を混合する際の温度(混合温度)を、炭化可能樹脂と消失樹脂が共に軟化する温度以上とすることも好ましい態様である。ここで軟化する温度とは、炭化可能樹脂または消失樹脂が結晶性高分子であれば融点、非晶性樹脂であればガラス転移点温度を適宜選択すればよい。混合温度を炭化可能樹脂と消失樹脂が共に軟化する温度以上とすることで、両者の粘性を下げられるため、より効率の良い攪拌、混合が可能になる。混合温度の上限についても特に限定されるものではないが、熱分解による樹脂の劣化を防止し、品質に優れた多孔質炭素材料の前駆体を得る観点から、400℃以下であることが好ましい。   It is also a preferred aspect that the temperature (mixing temperature) when mixing the carbonizable resin and the disappearing resin is equal to or higher than the temperature at which the carbonizable resin and the disappearing resin are both softened. Here, the softening temperature may be appropriately selected as the melting point if the carbonizable resin or disappearing resin is a crystalline polymer, and the glass transition temperature if it is an amorphous resin. By setting the mixing temperature to be equal to or higher than the temperature at which both the carbonizable resin and the disappearing resin are softened, the viscosity of the both can be lowered, so that more efficient stirring and mixing are possible. Although the upper limit of the mixing temperature is not particularly limited, it is preferably 400 ° C. or lower from the viewpoint of preventing deterioration of the resin due to thermal decomposition and obtaining a precursor of a porous carbon material having excellent quality.

また、工程1においては、炭化可能樹脂10〜90重量%に対し消失樹脂90〜10重量%を混合する。炭化可能樹脂と消失樹脂が前記範囲内であると、最適な空隙サイズや空隙率を任意に設計できるため好ましい。炭化可能樹脂が10重量%以上であれば、炭化後の材料における力学的な強度を保つことが可能になるほか、収率が向上するため好ましい。また炭化可能な材料が90重量%以下であれば、消失樹脂が効率よく空隙を形成できるため好ましい。   Further, in step 1, 90 to 10% by weight of the disappearing resin is mixed with 10 to 90% by weight of the carbonizable resin. It is preferable that the carbonizable resin and the disappearing resin are within the above-mentioned range since an optimum void size and void ratio can be arbitrarily designed. If the carbonizable resin is 10% by weight or more, it is possible to maintain the mechanical strength of the carbonized material and improve the yield. Further, if the carbonizable material is 90% by weight or less, it is preferable because the lost resin can efficiently form voids.

炭化可能樹脂と消失樹脂の混合比については、それぞれの材料の相溶性を考慮して、上記の範囲内で任意に選択することができる。具体的には、一般に樹脂同士の相溶性はその組成比が1対1に近づくにつれて悪化するため、相溶性のあまり高くない系を原料に選択した場合には、炭化可能樹脂の量を増やす、減らすなどして、いわゆる偏組成に近づけることで相溶性を改善することも好ましい態様として挙げられる。   The mixing ratio of the carbonizable resin and the disappearing resin can be arbitrarily selected within the above range in consideration of the compatibility of the respective materials. Specifically, in general, the compatibility between resins deteriorates as the composition ratio approaches 1: 1, so when a system that is not very compatible is selected as a raw material, the amount of carbonizable resin is increased. It is also preferable to improve the compatibility by reducing it so that it approaches a so-called uneven composition.

また炭化可能樹脂と消失樹脂を混合する際に、溶媒を添加することも好ましい態様である。溶媒を添加することで炭化可能樹脂と消失樹脂の粘性を下げ、成形を容易にするほか、炭化可能樹脂と消失樹脂を相溶化させやすくなる。ここでいう溶媒も特に限定されるものではなく、炭化可能樹脂、消失樹脂のうち少なくともいずれか一方を溶解、膨潤させることが可能な常温で液体であるものであれば良く、炭化可能樹脂及び消失樹脂をいずれも溶解するものであれば、両者の相溶性を向上させることが可能となるためより好ましい態様である。   It is also a preferred embodiment to add a solvent when mixing the carbonizable resin and the disappearing resin. Addition of a solvent lowers the viscosity of the carbonizable resin and the disappearing resin to facilitate molding, and facilitates compatibilization of the carbonizable resin and the disappearing resin. The solvent here is not particularly limited as long as it is a liquid at room temperature that can dissolve and swell at least one of carbonizable resin and disappearing resin. Any resin that dissolves the resin is more preferable because the compatibility between the two can be improved.

溶媒の添加量は、炭化可能樹脂と消失樹脂の相溶性を向上させ、粘性を下げて流動性を改善する観点から炭化可能樹脂と消失樹脂の合計重量に対して20重量%以上であることが好ましい。また一方で溶媒の回収、再利用に伴うコストの観点から、炭化可能樹脂と消失樹脂の合計重量に対して90重量%以下であることが好ましい。   The addition amount of the solvent should be 20% by weight or more based on the total weight of the carbonizable resin and the disappearing resin from the viewpoint of improving the compatibility between the carbonizable resin and the disappearing resin and reducing the viscosity to improve the fluidity. preferable. On the other hand, from the viewpoint of costs associated with recovery and reuse of the solvent, it is preferably 90% by weight or less based on the total weight of the carbonizable resin and the disappearing resin.

〔工程2〕
工程2は、工程1において相溶させた状態の樹脂混合物を相分離させて微細構造を形成し、固定化する工程である。
[Step 2]
Step 2 is a step of phase-separating the resin mixture dissolved in Step 1 to form a fine structure and immobilize it.

混合された炭化可能樹脂と消失樹脂の相分離は、種々の物理・化学的手法により誘発することができ、例えば温度変化によって相分離を誘発する熱誘起相分離法、非溶媒を添加することによって相分離を誘発する非溶媒誘起相分離法、化学反応を用いて相分離を誘発する反応誘起相分離法、流動誘起相分離法、配向誘起相分離法、等種々挙げられる。これらの中では、熱誘起相分離法や非溶媒誘起相分離法等、相分離の際に化学反応を伴わない方法が、本発明の多孔質炭素材料を容易に製造できる点で好ましい。   Phase separation of mixed carbonizable resin and disappearing resin can be induced by various physical and chemical methods, for example, by thermally induced phase separation method that induces phase separation by temperature change, by adding non-solvent Examples include a non-solvent induced phase separation method that induces phase separation, a reaction induced phase separation method that induces phase separation using a chemical reaction, a flow induced phase separation method, and an orientation induced phase separation method. Among these, a method that does not involve a chemical reaction during phase separation, such as a thermally induced phase separation method or a non-solvent induced phase separation method, is preferable in that the porous carbon material of the present invention can be easily produced.

これら相分離法は、単独で、もしくは組み合わせて使用することができる。組み合わせて使用する場合の具体的な方法は、例えば凝固浴を通して非溶媒誘起相分離を起こした後、加熱して熱誘起相分離を起こす方法や、凝固浴の温度を制御して非溶媒誘起相分離と熱誘起相分離を同時に起こす方法、口金から吐出された材料を冷却して熱誘起相分離を起こした後に非溶媒と接触させる方法などが挙げられる。   These phase separation methods can be used alone or in combination. Specific methods for use in combination include, for example, a method in which non-solvent induced phase separation is caused through a coagulation bath and then heated to cause heat-induced phase separation, or a temperature in the coagulation bath is controlled to control a non-solvent induced phase. Examples thereof include a method of causing separation and thermally induced phase separation at the same time, a method of bringing the material discharged from the die into cooling and causing thermally induced phase separation, and then contacting with a non-solvent.

上記相分離の際に化学反応を伴わない、とは、混合された炭化可能樹脂もしくは消失樹脂が、混合前後においてその一次構造を変化させないことを言う。一次構造とは、炭化可能樹脂もしくは消失樹脂を構成する化学構造のことを示す。相分離の際に重合などの化学反応を伴わないことで、大幅な弾性率向上等の特性変化を抑制し、繊維やフィルム等の任意の構造体に容易に成形できる。なお、本発明の製造方法としては、より低コストで安定に生産できるという観点から、化学反応を伴う相分離は除かれるが、本発明の多孔質炭素材料が本発明の製造方法に限定されるものではないのは、上述したとおりである。   “No chemical reaction during the phase separation” means that the mixed carbonizable resin or disappearing resin does not change its primary structure before and after mixing. The primary structure refers to a chemical structure that constitutes a carbonizable resin or a disappearing resin. By not involving a chemical reaction such as polymerization during phase separation, it is possible to suppress a change in characteristics such as a significant improvement in elastic modulus and easily form an arbitrary structure such as a fiber or a film. The production method of the present invention excludes phase separation accompanied by a chemical reaction from the viewpoint of stable production at a lower cost, but the porous carbon material of the present invention is limited to the production method of the present invention. What has not been described is as described above.

〔消失樹脂の除去〕
工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物は、炭化工程(工程3)に供される前または炭化工程と同時、あるいはその両方で消失樹脂の除去処理を行うことが好ましい。除去処理の方法は特に限定されるものではなく、消失樹脂を除去することが可能であれば良い。具体的には、酸、アルカリや酵素を用いて消失樹脂を化学的に分解、低分子量化して除去する方法や、消失樹脂を溶解する溶媒により溶解除去する方法、電子線、ガンマ線や紫外線、赤外線などの放射線や熱を用いて消失樹脂を分解除去する方法などが好適である。
[Removal of disappearing resin]
It is preferable that the resin mixture in which the microstructure after phase separation is fixed in Step 2 is subjected to the removal treatment of the lost resin before being subjected to the carbonization step (Step 3), simultaneously with the carbonization step, or both. The method for the removal treatment is not particularly limited as long as the disappearing resin can be removed. Specifically, the method of removing the lost resin by chemically decomposing and reducing the molecular weight using acid, alkali or enzyme, the method of removing by dissolving with a solvent that dissolves the lost resin, electron beam, gamma ray, ultraviolet ray, infrared ray A method of decomposing and removing the disappearing resin using radiation or heat such as is suitable.

特に、熱分解によって消失樹脂を除去処理することができる場合には、予め消失樹脂の80重量%以上が消失する温度で熱処理を行うこともできるし、炭化工程(工程3)もしくは後述の不融化処理において消失樹脂を熱分解、ガス化して除去することもできる。工程数を減じて生産性を高める観点から、炭化工程(工程3)もしくは後述の不融化処理において熱処理と同時に消失樹脂を熱分解、ガス化して除去する方法を選択することが、より好適な態様である。   In particular, when the disappearance resin can be removed by thermal decomposition, a heat treatment can be performed at a temperature at which 80% by weight or more of the disappearance resin disappears in advance, and a carbonization step (step 3) or infusibilization described later. In the treatment, the lost resin can be removed by pyrolysis and gasification. From the viewpoint of increasing the productivity by reducing the number of steps, it is more preferable to select a method in which the lost resin is thermally decomposed and gasified and removed simultaneously with the heat treatment in the carbonization step (step 3) or infusibilization treatment described later. It is.

〔不融化処理〕
工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物である前駆体材料は、炭化工程(工程3)に供される前に不融化処理を行うことが好ましい。不融化処理の方法は特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。具体的な方法としては、酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法、電子線、ガンマ線などの高エネルギー線を照射して架橋構造を形成する方法、反応性基を持つ物質を含浸、混合して架橋構造を形成する方法などが挙げられ、中でも酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法が、プロセスが簡便であり製造コストを低く抑えることが可能である点から好ましい。これらの手法は単独もしくは組み合わせて使用しても、それぞれを同時に使用しても別々に使用しても良い。
[Infusibilization]
The precursor material, which is a resin mixture in which the microstructure after phase separation is fixed in step 2, is preferably subjected to an infusibilization treatment before being subjected to the carbonization step (step 3). The infusible treatment method is not particularly limited, and a known method can be used. Specific methods include a method of causing oxidative crosslinking by heating in the presence of oxygen, a method of forming a crosslinked structure by irradiating high energy rays such as electron beams and gamma rays, and impregnating a substance having a reactive group, Examples thereof include a method of forming a crosslinked structure by mixing, and a method of causing oxidative crosslinking by heating in the presence of oxygen is preferable because the process is simple and the production cost can be kept low. These methods may be used singly or in combination, and each may be used simultaneously or separately.

酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法における加熱温度は、架橋反応を効率よく進める観点から150℃以上であることが好ましく、炭化可能樹脂の熱分解、燃焼等による重量ロスからの収率悪化を防ぐ観点から、350℃以下であることが好ましい。   The heating temperature in the method of causing oxidative crosslinking by heating in the presence of oxygen is preferably 150 ° C. or higher from the viewpoint of efficiently proceeding with the crosslinking reaction, and it can be recovered from weight loss due to thermal decomposition, combustion, etc. of carbonizable resin. From the viewpoint of preventing rate deterioration, the temperature is preferably 350 ° C. or lower.

また処理中の酸素濃度については特に限定されないが、18%以上の酸素濃度を持つ気体を、特に空気をそのまま供給することが製造コストを低く抑えることが可能となるため好ましい。気体の供給方法については特に限定されないが、空気をそのまま加熱装置内に供給する方法や、ボンベ等を用いて純酸素を加熱装置内に供給する方法などが挙げられる。   Further, the oxygen concentration during the treatment is not particularly limited, but it is preferable to supply a gas having an oxygen concentration of 18% or more, in particular, air as it is because manufacturing costs can be kept low. The method for supplying the gas is not particularly limited, and examples thereof include a method for supplying air directly into the heating device and a method for supplying pure oxygen into the heating device using a cylinder or the like.

電子線、ガンマ線などの高エネルギー線を照射して架橋構造を形成する方法としては、市販の電子線発生装置やガンマ線発生装置などを用いて、炭化可能樹脂へ電子線やガンマ線などを照射することで、架橋を誘発する方法が挙げられる。照射による架橋構造の効率的な導入から照射強度の下限は1kGy以上であると好ましく、主鎖の切断による分子量低下から材料強度が低下するのを防止する観点から1000kGy以下であることが好ましい。   As a method of forming a crosslinked structure by irradiating a high energy beam such as an electron beam or gamma ray, the carbonizable resin is irradiated with an electron beam or gamma ray using a commercially available electron beam generator or gamma ray generator. And a method of inducing cross-linking. The lower limit of the irradiation intensity is preferably 1 kGy or more from the efficient introduction of a crosslinked structure by irradiation, and is preferably 1000 kGy or less from the viewpoint of preventing the material strength from being lowered due to the decrease in molecular weight due to cleavage of the main chain.

反応性基を持つ物質を含浸、混合して架橋構造を形成する方法は、反応性基を持つ低分子量化合物を樹脂混合物に含浸して、加熱または高エネルギー線を照射して架橋反応を進める方法、予め反応性基を持つ低分子量化合物を混合しておき、加熱または高エネルギー線を照射して架橋反応を進める方法などが挙げられる。   A method of forming a crosslinked structure by impregnating and mixing a substance having a reactive group is a method in which a low molecular weight compound having a reactive group is impregnated in a resin mixture, and a crosslinking reaction is advanced by irradiation with heat or high energy rays. And a method in which a low molecular weight compound having a reactive group is mixed in advance and the crosslinking reaction is advanced by heating or irradiation with high energy rays.

また不融化処理の際に、消失樹脂の除去を同時に行うことも工程数減少による低コスト化の恩恵が期待できるため好適である。   In addition, it is also preferable to remove the lost resin at the same time during the infusibilization treatment because a cost reduction due to a reduction in the number of steps can be expected.

〔工程3〕
工程3は、工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物、あるいは、消失樹脂を既に除去している場合には炭化可能樹脂からなる残存部分を焼成し、炭化して炭化物を得る工程である。
[Step 3]
In step 3, the resin mixture in which the microstructure after phase separation is fixed in step 2 or, if the disappearing resin has already been removed, the remaining portion made of carbonizable resin is fired and carbonized to form the carbide. It is a process to obtain.

焼成は不活性ガス雰囲気において600℃以上に加熱することにより行うことが好ましい。ここで不活性ガスとは、加熱時に化学的に不活性であるものを言い、具体的な例としては、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、二酸化炭素などである。中でも窒素、アルゴンを用いることが、経済的な観点から好ましい。炭化温度を1500℃以上とする場合には、窒化物形成を抑制する観点からアルゴンを用いることが好ましい。   Firing is preferably performed by heating to 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere. Here, the inert gas refers to one that is chemically inert during heating, and specific examples include helium, neon, nitrogen, argon, krypton, xenon, carbon dioxide, and the like. Of these, nitrogen and argon are preferably used from the economical viewpoint. When the carbonization temperature is 1500 ° C. or higher, argon is preferably used from the viewpoint of suppressing nitride formation.

また不活性ガスの流量は、加熱装置内の酸素濃度を充分に低下させられる量であれば良く、加熱装置の大きさ、原料の供給量、加熱温度などによって適宜最適な値を選択することが好ましい。流量の上限についても特に限定されるものではないが、経済性や加熱装置内の温度変化を少なくする観点から、温度分布や加熱装置の設計に合わせて適宜設定することが好ましい。また炭化時に発生するガスを系外へ充分に排出できると、品質に優れた多孔質炭素材料を得ることができるため、より好ましい態様であり、このことから系内の発生ガス濃度が3,000ppm以下となるように不活性ガスの流量を決定することが好ましい。   The flow rate of the inert gas may be an amount that can sufficiently reduce the oxygen concentration in the heating device, and an optimal value can be selected as appropriate depending on the size of the heating device, the amount of raw material supplied, the heating temperature, and the like. preferable. The upper limit of the flow rate is not particularly limited, but is preferably set appropriately in accordance with the temperature distribution and the design of the heating device, from the viewpoint of economy and the temperature change in the heating device being reduced. Further, if the gas generated during carbonization can be sufficiently discharged out of the system, a porous carbon material excellent in quality can be obtained, which is a more preferable embodiment. From this, the generated gas concentration in the system is 3,000 ppm. It is preferable to determine the flow rate of the inert gas so as to be as follows.

加熱する温度の上限は限定されないが、3000℃以下であれば設備に特殊な加工が必要ないため経済的な観点からは好ましい。また、BET比表面積を高めるためには1500℃以下であることが好ましく、1000℃以下であることがより好ましい。   Although the upper limit of the temperature to heat is not limited, if it is 3000 degrees C or less, since a special process is not required for an installation, it is preferable from an economical viewpoint. Moreover, in order to raise a BET specific surface area, it is preferable that it is 1500 degrees C or less, and it is more preferable that it is 1000 degrees C or less.

連続的に炭化処理を行う場合の加熱方法については、一定温度に保たれた加熱装置内に、材料をローラーやコンベヤ等を用いて連続的に供給しつつ取り出す方法であることが、生産性を高くすることが可能であるため好ましい。   About the heating method in the case of continuously performing carbonization treatment, it is a method to take out the material while continuously supplying the material using a roller, a conveyor, or the like in a heating device maintained at a constant temperature. It is preferable because it can be increased.

一方加熱装置内にてバッチ式処理を行う場合の昇温速度、降温速度の下限は特に限定されないが、昇温、降温にかかる時間を短縮することで生産性を高めることができるため、1℃/分以上の速度であると好ましい。また昇温速度、降温速度の上限は特に限定されないが、加熱装置を構成する材料の耐熱衝撃特性よりも遅くすることが好ましい。   On the other hand, the lower limit of the rate of temperature rise and the rate of temperature drop when performing batch processing in the heating device is not particularly limited, but productivity can be increased by shortening the time required for temperature rise and temperature drop, and 1 ° C. It is preferable that the speed is at least 1 minute. Moreover, although the upper limit of the temperature increase rate and the temperature decrease rate is not particularly limited, it is preferable to make it slower than the thermal shock resistance of the material constituting the heating device.

〔工程4〕
工程4は、工程3において得た炭化物に、更に賦活処理を行うことで、表面に細孔を形成させる工程である。賦活の方法としては、ガス賦活法、薬品賦活法等、特に限定するものではない。ガス賦活法とは、賦活剤として酸素や水蒸気、炭酸ガス、空気等を用い、400〜1500℃、好ましくは500〜900℃にて、数分から数時間、加熱することにより細孔を形成させる方法である。また、薬品賦活法とは、賦活剤として塩化亜鉛、塩化鉄、リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、硫酸、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム等を1種または2種以上用いて数分から数時間、加熱処理する方法であり、必要に応じて水や塩酸等による洗浄を行った後、pHを調整して乾燥する。
[Step 4]
Step 4 is a step of forming pores on the surface by further activating the carbide obtained in Step 3. The activation method is not particularly limited, such as a gas activation method or a chemical activation method. The gas activation method is a method of forming pores by heating at 400 to 1500 ° C., preferably 500 to 900 ° C. for several minutes to several hours, using oxygen, water vapor, carbon dioxide gas, air or the like as an activator. It is. Also, the chemical activation method is one or two kinds of activator such as zinc chloride, iron chloride, calcium phosphate, calcium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, sulfuric acid, sodium sulfate, potassium sulfate, etc. This is a method of heat treatment for several minutes to several hours using the above, and after washing with water or hydrochloric acid as necessary, the pH is adjusted and dried.

賦活をより進行させたり、賦活剤の混合量を増加させたりすることにより、一般にBET比表面積が増加し、細孔径は拡大する傾向にある。また賦活剤の混合量は、対象とする炭素原料に対し、好ましくは0.5重量部以上、より好ましくは1.0重量部以上、さらに好ましくは4重量部以上とする。上限は特に限定されないが、10重量部以下が一般的である。また、ガス賦活法より薬品賦活法の方が、細孔径は拡大する傾向にある。   Generally, the BET specific surface area increases and the pore diameter tends to increase by further promoting the activation or increasing the mixing amount of the activator. The mixing amount of the activator is preferably 0.5 parts by weight or more, more preferably 1.0 parts by weight or more, and further preferably 4 parts by weight or more with respect to the target carbon raw material. Although an upper limit is not specifically limited, 10 weight part or less is common. In addition, the pore diameter tends to be larger in the chemical activation method than in the gas activation method.

本発明では、細孔径を大きくしたり、BET比表面積を増加させたりできることから、薬品賦活法が好ましく採用される。中でも、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム等のアルカリ性薬剤で賦活する方法が好ましく採用される。   In the present invention, the chemical activation method is preferably employed because the pore diameter can be increased or the BET specific surface area can be increased. Among them, a method of activating with an alkaline agent such as calcium hydroxide, potassium hydroxide, potassium carbonate is preferably employed.

アルカリ性薬剤で賦活した場合、酸性官能基量が増大する傾向にあり、用途によっては好ましくない場合がある。この際には、窒素雰囲気下での加熱処理を行うことにより、低減させることも好適である。   When activated with an alkaline agent, the amount of acidic functional groups tends to increase, which may be undesirable depending on the application. At this time, it is also preferable to reduce by performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere.

〔粉砕処理〕
工程4を経て賦活処理を行った多孔質炭素材料を粉砕処理して粒子状とした多孔質炭素材料、あるいは、工程2の後工程4の前までのいずれかの段階で粉砕処理により粒子状とし、その後工程4の賦活処理に供された多孔質炭素材料も、本発明の多孔質炭素材料の一態様である。粉砕処理方法の例としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルなどを例示することができる。粉砕処理は、連続式でもバッチ式でも良いが、生産効率の観点から連続式であることが好ましい。ボールミルに充填する充填材は適宜選択されるが、金属材料の混入が好ましくない吸着材料用途に対しては、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどの金属酸化物によるもの、もしくはステンレス、鉄などを芯としてナイロン、ポリオレフィン、フッ化ポリオレフィンなどをコーティングしたものを用いることが好ましく、それ以外の用途であればステンレス、ニッケル、鉄などの金属が好適に用いられる。
[Crushing treatment]
The porous carbon material that has been activated through the step 4 is pulverized into a particulate porous carbon material, or is pulverized at any stage before the post-process 4 in the step 2 The porous carbon material subjected to the activation treatment in the subsequent step 4 is also an embodiment of the porous carbon material of the present invention. Examples of the pulverization method include a ball mill, a bead mill, and a jet mill. The pulverization may be continuous or batch, but is preferably continuous from the viewpoint of production efficiency. The filler to be filled in the ball mill is selected as appropriate, but for adsorbent materials where mixing of metal materials is not preferred, it is made of metal oxides such as alumina, zirconia, titania, or nylon with stainless steel, iron, etc. as the core. It is preferable to use a material coated with polyolefin, fluorinated polyolefin or the like. For other uses, metals such as stainless steel, nickel and iron are preferably used.

また粉砕の際に、粉砕効率を高める点で、粉砕助剤を用いることも好ましい態様である。粉砕助剤は、水、アルコールまたはグリコール、ケトンなどから任意に選ばれる。アルコールは、エタノール、メタノールが入手の容易さやコストの観点から好ましく、グリコールである場合には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコールなどが好ましい。ケトンである場合には、アセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトンなどが好ましい。   In addition, it is also a preferable aspect to use a grinding aid in terms of increasing grinding efficiency during grinding. The grinding aid is arbitrarily selected from water, alcohol or glycol, ketone and the like. As the alcohol, ethanol and methanol are preferable from the viewpoint of availability and cost, and in the case of glycol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol and the like are preferable. In the case of a ketone, acetone, ethyl methyl ketone, diethyl ketone and the like are preferable.

粉砕処理を施された炭化物は、分級することによって粒度が揃い、充填効率向上させることができる。粒径については、吸着材料の用途に応じて適宜選択することが好ましい。   Carbide that has been pulverized has a uniform particle size and can be improved in packing efficiency by classification. About a particle size, it is preferable to select suitably according to the use of adsorption material.

以下に本発明の好ましい実施の例を記載するが、これら記載は何ら本発明を制限するものではない。   Examples of preferred embodiments of the present invention will be described below, but these descriptions do not limit the present invention.

<評価手法>
〔共連続構造の有無〕
乳鉢で粉砕して得た粉末の表面を走査型電子顕微鏡によって表面観察した。その際、炭素骨格と空隙とがそれぞれ連続しつつ絡み合った構造として観察される部分を有するか否かで、共連続構造の有無を判断した。
<Evaluation method>
[With or without co-continuous structure]
The surface of the powder obtained by grinding with a mortar was observed with a scanning electron microscope. At that time, the presence or absence of the co-continuous structure was determined based on whether or not the carbon skeleton and the voids had a portion observed as a continuous and intertwined structure.

〔連続構造部分の構造周期〕
多孔質炭素材料を試料プレートに挟み込み、CuKα線光源から得られたX線源から散乱角度10度未満の情報が得られるように、光源、試料及び二次元検出器の位置を調整した。二次元検出器から得られた画像データ(輝度情報)から、ビームストッパーの影響を受けている中心部分を除外して、ビーム中心から動径を設け、角度1°毎に360°の輝度値を合算して散乱強度分布曲線を得た。得られた曲線においてピークを持つ位置の散乱角度2θより、連続構造部分の構造周期を下記の式によって得た。
[Structure period of continuous structure part]
A porous carbon material was sandwiched between sample plates, and the positions of the light source, sample, and two-dimensional detector were adjusted so that information with a scattering angle of less than 10 degrees was obtained from an X-ray source obtained from a CuKα ray light source. From the image data (luminance information) obtained from the two-dimensional detector, the central portion affected by the beam stopper is excluded, a moving radius is provided from the beam center, and a luminance value of 360 ° is obtained for each angle of 1 °. The scattering intensity distribution curve was obtained by summing up. From the scattering angle 2θ at a position having a peak in the obtained curve, the structural period of the continuous structure portion was obtained by the following equation.

構造周期:L、λ:入射X線の波長
〔平均空隙率〕
多孔質炭素材料を樹脂中に包埋し、その後カミソリ等で多孔質炭素材料の断面を露出させ、日本電子製SM−09010を用いて加速電圧5.5kVにて試料表面にアルゴンイオンビームを照射、エッチングを施す。得られた多孔質炭素材料の断面を走査型二次電子顕微鏡にて材料中心部を1±0.1(nm/画素)となるよう調整された拡大率で、70万画素以上の解像度で観察した画像から、計算に必要な着目領域を512画素四方で設定し、着目領域の面積A、孔部分または消失樹脂部分の面積をBとして、以下の式で算出されたものを言う。
Structure period: L, λ: wavelength of incident X-ray [average porosity]
The porous carbon material is embedded in a resin, and then the cross section of the porous carbon material is exposed with a razor or the like, and the sample surface is irradiated with an argon ion beam at an acceleration voltage of 5.5 kV using JEOL SM-09010. Etching is performed. The cross section of the obtained porous carbon material is observed with a scanning secondary electron microscope at a magnification of 700,000 pixels or more at an enlargement ratio adjusted so that the central portion of the material becomes 1 ± 0.1 (nm / pixel). From the obtained image, the area of interest required for the calculation is set by 512 pixels square, and the area of the area of interest, the area of the hole portion or the disappearing resin portion is B, and is calculated by the following formula.

平均空隙率(%)=B/A×100
〔BET比表面積、細孔直径〕
300℃で約5時間、減圧脱気した後、日本ベル社製の「BELSORP−18PLUS−HT」を使用し、液体窒素を用いて77Kの温度での窒素吸脱着を多点法で測定した。表面積はBET法、細孔分布解析(細孔直径、細孔容積)はMP法により行った。
Average porosity (%) = B / A × 100
[BET specific surface area, pore diameter]
After degassing under reduced pressure at 300 ° C. for about 5 hours, nitrogen adsorption / desorption at a temperature of 77 K was measured by a multi-point method using “BELSORP-18PLUS-HT” manufactured by Bell Japan Co., Ltd. using liquid nitrogen. The surface area was measured by the BET method, and the pore distribution analysis (pore diameter, pore volume) was performed by the MP method.

〔クロロホルム吸着量測定〕
多孔質炭素材料試料を秤量し、バイアル瓶内に封入して密閉した後、クロロホルム標準ガスをバイアル瓶内に注入して、軽く振った。30分後に試料を取り出し、下記条件にてTPD−MS(Temperature Programmed Desorption−Mass Spectrometry)法による加熱発生ガス測定を行い、クロロホルム発生量を調べた。この発生量を試料へのクロロホルム吸着量とした。結果は有効数字2桁とした。
[Chloroform adsorption measurement]
A porous carbon material sample was weighed, sealed in a vial, sealed, and then chloroform standard gas was injected into the vial and shaken lightly. A sample was taken out after 30 minutes, and a gas generated by heating was measured by a TPD-MS (Temperature Programmed Desorption-Mass Spectrometry) method under the following conditions to examine the amount of chloroform generated. This generated amount was defined as the amount of chloroform adsorbed on the sample. The result was 2 significant figures.

TPD−MS法とは、温度コントローラつき加熱装置にMS(MassSpectrometry)装置を直結して、加熱時に試料から発生する気体の質量数ごとの濃度変化を温度、時間の関数として追跡する手法である。実験条件は下記のとおりである。   The TPD-MS method is a method in which an MS (mass spectrometry) device is directly connected to a heating device with a temperature controller, and the concentration change for each mass number of gas generated from a sample during heating is tracked as a function of temperature and time. The experimental conditions are as follows.

装置 : 島津製作所製GC/MS QP2010Ultra
加熱条件 : 室温〜300℃(昇温速度10℃/min)
MS感度 : Gain1.50kV
質量数範囲 : m/z=10〜300
雰囲気 : He流(50ml/min)
[実施例1]
70gのポリサイエンス社製ポリアクリロニトリル(MW15万、炭素収率58%)と70gのシグマ・アルドリッチ社製ポリビニルピロリドン(MW4万)、及び、溶媒として400gの和研薬製ジメチルスルホキシド(DMSO)をセパラブルフラスコに投入し、3時間攪拌および還流を行いながら150℃で均一かつ透明な溶液を調整した。このときポリアクリロニトリルの濃度、ポリビニルピロリドンの濃度はそれぞれ13重量%であった。
Device: Shimadzu GC / MS QP2010Ultra
Heating conditions: Room temperature to 300 ° C. (Temperature increase rate: 10 ° C./min)
MS sensitivity: Gain 1.50kV
Mass number range: m / z = 10-300
Atmosphere: He flow (50 ml / min)
[Example 1]
70 g of polyacrylonitrile (MW 150,000, carbon yield 58%), 70 g of polyvinyl pyrrolidone (MW 40,000) manufactured by Sigma-Aldrich, and 400 g of dimethyl sulfoxide (DMSO) manufactured by Waken Pharmaceutical as a solvent are separated. A uniform and transparent solution was prepared at 150 ° C. while stirring and refluxing for 3 hours. At this time, the concentration of polyacrylonitrile and the concentration of polyvinylpyrrolidone were 13% by weight, respectively.

得られたDMSO溶液を25℃まで冷却した後、0.6mmφの1穴口金から3ml/分で溶液を吐出して、25℃に保たれた純水の凝固浴へ導き、その後5m/分の速度で引き取り、バット上に堆積させることで原糸を得た。このときエアギャップは18mmとし、また凝固浴中の浸漬長は15cmとした。得られた原糸は半透明であり、相分離を起こしていた。   After cooling the obtained DMSO solution to 25 ° C., the solution is discharged at a rate of 3 ml / min from a 0.6 mmφ 1-hole cap and led to a pure water coagulation bath maintained at 25 ° C., and then 5 m / min. The yarn was taken up at a speed and deposited on the bat to obtain a raw yarn. At this time, the air gap was 18 mm, and the immersion length in the coagulation bath was 15 cm. The obtained raw yarn was translucent and caused phase separation.

得られた原糸を25℃に保った循環式乾燥機にて1時間乾燥して原糸表面の水分を乾燥させた後、25℃にて5時間の真空乾燥を行い、乾燥後の前駆体材料である原糸を得た。   The obtained yarn is dried for 1 hour in a circulation drier kept at 25 ° C. to dry the moisture on the surface of the yarn, followed by vacuum drying at 25 ° C. for 5 hours. Raw material yarn was obtained.

その後250℃に保った電気炉中へ前駆体材料である原糸を投入し、酸素雰囲気化で1時間加熱することで不融化処理を行った。不融化処理を行った原糸は、黒色に変化した。   Thereafter, the raw yarn as a precursor material was put into an electric furnace maintained at 250 ° C., and infusible treatment was performed by heating in an oxygen atmosphere for 1 hour. The raw yarn that had been infusibilized changed to black.

得られた不融化原糸を窒素流量1リットル/分、昇温速度10℃/分、到達温度850℃、保持時間1分の条件で炭化処理を行うことで、共連続構造を有する炭素繊維とした。その断面を解析すると、繊維直径は150μmであり、共連続構造を有しない部分であるスキン層の厚みは5μmであった。また繊維中心部には均一な共連続構造が形成されていた。   Carbon fiber having a co-continuous structure is obtained by carbonizing the obtained infusible raw material under the conditions of a nitrogen flow rate of 1 liter / min, a heating rate of 10 ° C./min, an ultimate temperature of 850 ° C., and a holding time of 1 min. did. When the cross section was analyzed, the fiber diameter was 150 μm, and the thickness of the skin layer, which is a portion having no co-continuous structure, was 5 μm. In addition, a uniform co-continuous structure was formed at the center of the fiber.

ついでボールミルを用いて粉砕した後、水酸化カリウムを炭化物対比4倍量混ぜ合わせ、ロータリーキルン内に投入して窒素流通下で800℃まで昇温した。1時間30分賦活処理した後、降温してから水と希塩酸とを用い、洗浄液がpH7付近になるまで洗浄した。得られた粒子状の多孔質炭素材料は図1に示すような均一な共連続構造を有しおり、共連続構造部分の平均空隙率は43%、構造周期は75nmであった。また、共連続構造を有しない部分を粒子の一部に含む構造をしていた。BET比表面積は2480m/g、MP法による細孔の平均直径は0.6nm、細孔容積は2.0cm/gであり、クロロホルム吸着量は490wtppmであった。結果を表1にまとめて示す。 Subsequently, after pulverizing using a ball mill, potassium hydroxide was mixed with an amount 4 times that of carbide, charged into a rotary kiln, and heated to 800 ° C. under a nitrogen flow. After the activation treatment for 1 hour and 30 minutes, the temperature was lowered, and then washing was performed using water and dilute hydrochloric acid until the washing solution reached pH7. The obtained particulate porous carbon material had a uniform co-continuous structure as shown in FIG. 1, and the average porosity of the co-continuous structure portion was 43% and the structure period was 75 nm. Moreover, it had the structure which included the part which does not have a co-continuous structure in some particle | grains. The BET specific surface area was 2480 m 2 / g, the average pore diameter by the MP method was 0.6 nm, the pore volume was 2.0 cm 3 / g, and the chloroform adsorption amount was 490 wtppm. The results are summarized in Table 1.

[実施例2]
賦活処理において、水酸化カリウムに代えて水酸化ナトリウムを用いた以外は、実施例1と同様に行った。得られた粒子状の多孔質炭素材料は、共連続構造部分の平均空隙率は43%であり、構造周期は74nmであった。また、共連続構造を有しない部分を粒子の一部に含む構造をしていた。BET比表面積は2530m/g、MP法による細孔の平均直径は1.3nm、細孔容積は1.8cm/gであり、クロロホルム吸着量は500wtppmであった。結果を表1にまとめて示す。
[Example 2]
The activation treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that sodium hydroxide was used instead of potassium hydroxide. In the obtained particulate porous carbon material, the average porosity of the co-continuous structure portion was 43%, and the structural period was 74 nm. Moreover, it had the structure which included the part which does not have a co-continuous structure in some particle | grains. The BET specific surface area was 2530 m 2 / g, the average pore diameter by the MP method was 1.3 nm, the pore volume was 1.8 cm 3 / g, and the chloroform adsorption amount was 500 wtppm. The results are summarized in Table 1.

[実施例3]
実施例1において、アルカリ賦活に変えて水蒸気賦活を行った。すなわち、実施例1と同様にして得られた炭素繊維をボールミルで粉砕した後、ロータリーキルン内に投入して窒素流通下で850℃まで昇温した。850℃に達してからロータリーキルン内に水蒸気を窒素とともに供給し、2時間水蒸気賦活を行った。賦活処理後、実施例1と同様に洗浄した。得られた粒子状の多孔質炭素材料は、共連続構造部分の平均空隙率は44%であり、構造周期は74nmであった。また、共連続構造を有しない部分を粒子の一部に含む構造をしていた。BET比表面積は420m/g、MP法による細孔の平均直径は0.3nm、細孔容積は0.2cm/gであり、クロロホルム吸着量は55wtppmであった。結果を表1にまとめて示す。
[Example 3]
In Example 1, water vapor activation was performed instead of alkali activation. That is, the carbon fiber obtained in the same manner as in Example 1 was pulverized with a ball mill, then charged into a rotary kiln and heated to 850 ° C. under a nitrogen flow. After reaching 850 ° C., steam was supplied into the rotary kiln together with nitrogen, and steam activation was performed for 2 hours. After the activation treatment, washing was performed in the same manner as in Example 1. In the obtained particulate porous carbon material, the average porosity of the co-continuous structure portion was 44%, and the structural period was 74 nm. Moreover, it had the structure which included the part which does not have a co-continuous structure in some particle | grains. The BET specific surface area was 420 m 2 / g, the average pore diameter by the MP method was 0.3 nm, the pore volume was 0.2 cm 3 / g, and the chloroform adsorption amount was 55 wtppm. The results are summarized in Table 1.

[比較例1]
賦活処理を行わない以外は、実施例1と同様に行った。得られた粒子状の多孔質炭素材料は、共連続構造部分の平均空隙率は41%であり、構造周期は75nmであった。また、共連続構造を有しない部分を粒子の一部に含む構造をしていた。BET比表面積は37m/gであり、MP法による細孔は確認できなかった。クロロホルム吸着量は4.1wtppmであった。結果を表1にまとめて示す。
[Comparative Example 1]
It carried out similarly to Example 1 except not performing an activation process. In the obtained particulate porous carbon material, the average porosity of the co-continuous structure portion was 41%, and the structural period was 75 nm. Moreover, it had the structure which included the part which does not have a co-continuous structure in some particle | grains. The BET specific surface area was 37 m 2 / g, and pores by the MP method could not be confirmed. The amount of chloroform adsorbed was 4.1 wtppm. The results are summarized in Table 1.

[比較例2]
ヤシガラを110℃にて24時間の真空乾燥を行い、窒素流量1リットル/分、昇温速度10℃/分、到達温度550℃、保持時間3時間の条件で炭化処理を行い、自然放冷した。次いで、窒素流量1リットル/分、昇温速度10℃/分、到達温度850℃まで昇温し、賦活処理として水蒸気を含んだ窒素を40分通過させた後自然放冷した。得られた粒子状の多孔質炭素材料は、断面内の孔形状、サイズが均一ではなく、構造周期の算出を試みたが、得られたスペクトルにはピークが存在せず、構造の均一性に劣るものであった。BET比表面積は950m/g、MP法による細孔の平均直径は1.1nm、細孔容積は1.8cm/gであった。クロロホルム吸着量は21wtppmであった。結果を表1にまとめて示す。
[Comparative Example 2]
The coconut husk was vacuum dried at 110 ° C. for 24 hours, carbonized under the conditions of a nitrogen flow rate of 1 liter / minute, a heating rate of 10 ° C./minute, an ultimate temperature of 550 ° C., and a holding time of 3 hours, and allowed to cool naturally. . Next, the temperature was raised to a nitrogen flow rate of 1 liter / min, a temperature increase rate of 10 ° C./min, and an ultimate temperature of 850 ° C., and nitrogen containing water vapor was passed for 40 minutes as an activation treatment, followed by natural cooling. The obtained porous carbon material was not uniform in pore shape and size in the cross section, and we tried to calculate the structural period, but there was no peak in the obtained spectrum, and the structure was uniform. It was inferior. The BET specific surface area was 950 m 2 / g, the average pore diameter by the MP method was 1.1 nm, and the pore volume was 1.8 cm 3 / g. The amount of chloroform adsorbed was 21 wtppm. The results are summarized in Table 1.

Claims (6)

炭素骨格と空隙とがそれぞれ連続構造をなす構造周期0.002μm〜20μmの共連続構造部分を有するとともに、表面に平均直径0.01〜10nmの細孔を有する多孔質炭素材料からなる吸着材料。 An adsorbing material comprising a porous carbon material having a co-continuous structure portion having a structure period of 0.002 μm to 20 μm in which a carbon skeleton and a void each form a continuous structure, and having pores having an average diameter of 0.01 to 10 nm on the surface. BET比表面積が50m/g以上である、請求項1に記載の吸着材料。 The adsorbent material according to claim 1, wherein the BET specific surface area is 50 m 2 / g or more. 前記細孔が少なくとも前記共連続構造部分の炭素骨格に形成されている、請求項1または2に記載の吸着材料。 The adsorbent material according to claim 1, wherein the pores are formed at least in the carbon skeleton of the co-continuous structure portion. X線を入射して得られる散乱強度のピークの半値幅が5°以下である、請求項1〜3のいずれかに記載の吸着材料。 The adsorbent material according to any one of claims 1 to 3, wherein a half-value width of a peak of scattering intensity obtained by incidence of X-rays is 5 ° or less. BJH法またはMP法で計測される前記多孔質炭素材料の細孔容積が0.1cm/g以上である、請求項1〜4のいずれかに記載の吸着材料。 Pore volume of the porous carbon material measured by the BJH method or MP method is 0.1 cm 3 / g or more, the adsorption material according to any one of claims 1 to 4. 前記多孔質炭素材料がさらに共連続構造を実質的に有しない部分を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の吸着材料。
The adsorbent material according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous carbon material further has a portion substantially not having a co-continuous structure.
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