JP2016179923A - Manufacturing method of carbon material, and carbon material - Google Patents

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祥平 和田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a carbon material, with which the inexpensive carbon material having excellent flexure strength can be obtained.SOLUTION: A manufacturing method of a carbon material includes: a process for mixing an aggregate with a binder therefor; a process for heating and molding the mixture; and a process for carbonizing the molded body. In the manufacturing method of the carbon material, the binder contains ashless coal obtained by a solvent extraction treatment of coal, and polyimide, and the content of polyimide in the mixture is 1 mass% to 15 mass%. A heating temperature of the mixture in the carbonization process is preferably 500°C to 3,000°C. The aggregate is preferably ashless coal coke obtained by dry distillation of the ashless coal. The carbonization process preferably includes a process for carbonizing the molded body and a process of graphitizing the molded body.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、炭素材料の製造方法及び炭素材料に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon material and a carbon material.

炭素材料は、コークス(骨材)とピッチ(バインダー)との混合物を成形し、これを炭素化して製造される(特開平8−26709号公報及び特開2005−298231号公報参照)。このような炭素材料の製造において、一度の炭素化処理では成形体中に空隙が残りやすいため、混合物の炭素化後、ピッチに含浸し再び炭素化することが一般に行われる。さらにこの炭素化の工程が繰り返し行われることも多い。   The carbon material is produced by forming a mixture of coke (aggregate) and pitch (binder) and carbonizing the mixture (see Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-26709 and 2005-298231). In the production of such a carbon material, voids are likely to remain in the molded body in a single carbonization treatment. Therefore, after carbonization of the mixture, it is generally performed to impregnate the pitch and carbonize again. Furthermore, this carbonization process is often repeated.

ところで、石油由来のピッチは硫黄分や金属分等の不純物の含有量が多いといった不都合がある。そこで、バインダーとして比較的安価で不純物の少ない、つまり低硫黄分かつ低灰分である無灰炭を用いる炭素材料の製造方法が提案されている(特開2011−1240号公報参照)。しかし、バインダーとして無灰炭を用いる場合、炭素材料の曲げ強さがある程度向上するが、嵩密度が増加し難いため曲げ強さの向上には限界がある。   By the way, the pitch derived from petroleum has a disadvantage that the content of impurities such as sulfur and metal is high. In view of this, a carbon material production method using ashless coal that is relatively inexpensive and has few impurities, that is, low sulfur content and low ash content, has been proposed (see JP 2011-1240 A). However, when ashless coal is used as the binder, the bending strength of the carbon material is improved to some extent. However, since the bulk density is difficult to increase, there is a limit to the improvement of the bending strength.

一方で、曲げ強さの高い炭素材料を得る目的で、バインダーとしてポリイミドを用いることが行われている。しかし、ポリイミドは高価であるため、炭素材料の製造コストが高くなるという不都合がある。   On the other hand, polyimide is used as a binder for the purpose of obtaining a carbon material having high bending strength. However, since polyimide is expensive, there is a disadvantage that the manufacturing cost of the carbon material is increased.

特開平8−26709号公報JP-A-8-26709 特開2005−298231号公報JP 2005-298231 A 特開2011−1240号公報JP 2011-1240 A

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、低コストで曲げ強さに優れる炭素材料及びその製造方法の提供を目的とする。   This invention is made | formed based on the above situations, and aims at provision of the carbon material which is excellent in bending strength at low cost, and its manufacturing method.

上記課題を解決するためになされた発明は、骨材及びそのバインダーを混合する工程と、上記混合物を加熱成形する工程と、上記成形体を炭化する工程とを備える炭素材料の製造方法であって、上記バインダーが石炭の溶剤抽出処理により得られる無灰炭とポリイミドとを含有し、上記混合物中のポリイミドの含有量が1質量%以上15質量%以下であることを特徴とする炭素材料の製造方法である。   The invention made to solve the above problems is a method for producing a carbon material comprising a step of mixing an aggregate and a binder thereof, a step of thermoforming the mixture, and a step of carbonizing the molded body. And the binder contains ashless coal obtained by solvent extraction treatment of coal and polyimide, and the content of the polyimide in the mixture is from 1% by mass to 15% by mass. Is the method.

当該炭素材料の製造方法では、バインダーが無灰炭とポリイミドとを含有し、ポリイミドの上記混合物における含有量を特定範囲内とすることで、無灰炭分子がポリイミド分子と絡み合い、炭素材料内におけるバインダー由来の構造の曲げ強さが向上する。また、バインダーが骨材同士の空間に効率良く充填されるため嵩密度を向上でき、高い曲げ強さを発揮する炭素材料が得られる。さらに、安価な無灰炭と高価なポリイミドとを混合して用いることで、炭素材料の製造にかかるコストを低減できる。   In the manufacturing method of the carbon material, the binder contains ashless coal and polyimide, and the content of the polyimide in the above mixture is within a specific range, so that the ashless coal molecule is entangled with the polyimide molecule, and in the carbon material. The bending strength of the structure derived from the binder is improved. Moreover, since the binder is efficiently filled into the space between the aggregates, the carbon density can be improved and the carbon material exhibiting high bending strength can be obtained. Furthermore, the cost concerning manufacture of a carbon material can be reduced by mixing and using an inexpensive ashless coal and an expensive polyimide.

上記炭化工程における上記混合物の加熱温度としては、500℃以上3000℃以下が好ましい。上記化合物の加熱温度を上記範囲とすることで、骨材及びバインダーを効率良く炭化でき、得られる炭素材料の曲げ強さを容易かつ確実に高めることができる。   As heating temperature of the said mixture in the said carbonization process, 500 degreeC or more and 3000 degrees C or less are preferable. By making the heating temperature of the said compound into the said range, an aggregate and a binder can be carbonized efficiently and the bending strength of the carbon material obtained can be raised easily and reliably.

上記骨材が、無灰炭を乾留した無灰炭コークスであるとよい。このように、骨材として無灰炭コークスを用いることで、骨材とバインダー中の無灰炭との炭素構造の類似性により、骨材とバインダーとの接着力が向上する。その結果、得られる炭素材料の曲げ強さがより向上する。   The aggregate may be ashless coal coke obtained by dry distillation of ashless coal. Thus, by using ashless coal coke as an aggregate, the adhesive force between the aggregate and the binder is improved due to the similarity in carbon structure between the aggregate and the ashless coal in the binder. As a result, the bending strength of the obtained carbon material is further improved.

上記混合工程が、無灰炭を含有する溶液とポリアミド酸重合体を含有する溶液とを混合する工程、上記混合溶液中の溶媒を揮発させ粉末を得る工程、上記混合溶液を加熱し上記ポリアミド酸重合体をイミド化する工程、及び上記粉末と骨材とを混合する工程を備えるとよい。当該製造方法が上記工程を備えることで、簡便な手順で曲げ強さに優れる炭素材料を安価に得ることができる。   The mixing step includes a step of mixing a solution containing ashless coal and a solution containing a polyamic acid polymer, a step of volatilizing a solvent in the mixed solution to obtain a powder, and heating the mixed solution to form the polyamic acid. It is good to provide the process of imidating a polymer, and the process of mixing the said powder and aggregate. When the manufacturing method includes the above steps, a carbon material having excellent bending strength can be obtained at a low cost by a simple procedure.

上記炭化工程が、上記成形体を炭素化する工程と、炭素化した成形体を黒鉛化する工程とを備えるとよい。このように、炭素化及び黒鉛化を行うことで、炭素材料の曲げ強さをより確実に高められる。   The carbonization step may include a step of carbonizing the molded body and a step of graphitizing the carbonized molded body. Thus, by performing carbonization and graphitization, the bending strength of the carbon material can be more reliably increased.

上記課題を解決するためになされた別の発明は、骨材及びそのバインダーを含む混合物の成形及び炭素化により形成される炭素材料であって、上記骨材として、無灰炭を乾留した無灰炭コークスが用いられ、上記バインダーとして、石炭の溶剤抽出処理により得られる無灰炭及びポリイミドが用いられており、上記混合物中のポリイミドの含有量が1質量%以上15質量%以下であることを特徴とする炭素材料である。   Another invention made to solve the above-mentioned problems is a carbon material formed by molding and carbonization of a mixture containing an aggregate and its binder, and the ashless coal is obtained by dry distillation of ashless coal as the aggregate. Charcoal coke is used, ashless coal and polyimide obtained by solvent extraction treatment of coal are used as the binder, and the polyimide content in the mixture is 1% by mass or more and 15% by mass or less. It is a characteristic carbon material.

当該炭素材料は、骨材として無灰炭コークスを用い、バインダーとして無灰炭及びポリイミドを用い、さらにポリイミドの上記混合物における含有量を特定範囲とすることで曲げ強さに優れ、さらに製造コストも安価である。   The carbon material uses ashless coal coke as an aggregate, uses ashless coal and polyimide as a binder, and has an excellent bending strength by setting the content of the polyimide in the above-mentioned mixture within a specific range. Inexpensive.

以上説明したように、本発明の炭素材料の製造方法は低コストで曲げ強さに優れる炭素材料を得ることができる。また、本発明の炭素材料は、低コストで曲げ強さに優れるため、構造用部材、電気電子部品、金属還元剤等として好適に用いることができる。   As described above, the carbon material manufacturing method of the present invention can provide a carbon material that is low in cost and excellent in bending strength. Moreover, since the carbon material of the present invention is low in cost and excellent in bending strength, it can be suitably used as a structural member, an electric / electronic component, a metal reducing agent, or the like.

以下、本発明に係る炭素材料の製造方法の実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a method for producing a carbon material according to the present invention will be described.

[炭素材料の製造方法]
当該炭素材料の製造方法は、骨材及びそのバインダーを混合する工程(混合工程)と、上記混合物を加熱成形する工程(加熱成形工程)と、上記成形体を炭化する工程(炭化工程)とを備える。炭化工程は、さらに上記成形体を炭素化する工程(炭素化工程)と、炭素化した成形体を黒鉛化する工程(黒鉛化工程)とを備える。
[Method for producing carbon material]
The method for producing the carbon material includes a step of mixing an aggregate and its binder (mixing step), a step of thermoforming the mixture (heat forming step), and a step of carbonizing the molded body (carbonization step). Prepare. The carbonization step further includes a step of carbonizing the molded body (carbonization step) and a step of graphitizing the carbonized molded body (graphitization step).

[混合工程]
混合工程では、骨材及びそのバインダーを混合する。また、混合工程は、無灰炭を含有する溶液とポリアミド酸重合体を含有する溶液とを混合する工程(溶液混合工程)、上記混合溶液中の溶媒を揮発させ粉末を得る工程(粉末取得工程)、上記混合溶液を加熱し上記ポリアミド酸重合体をイミド化する工程(イミド化工程)、及び上記粉末と骨材とを混合する工程(骨材混合工程)を備えるとよい。上記溶液混合工程、粉末取得工程及びイミド化工程により、無灰炭及びポリイミドを含有する粉末状のバインダーが得られる。
[Mixing process]
In the mixing step, the aggregate and its binder are mixed. The mixing step includes a step of mixing a solution containing ashless coal and a solution containing a polyamic acid polymer (solution mixing step), and a step of volatilizing the solvent in the mixed solution to obtain a powder (powder acquisition step). ), Heating the mixed solution to imidize the polyamic acid polymer (imidation process), and mixing the powder and aggregate (aggregate mixing process). A powdery binder containing ashless coal and polyimide is obtained by the solution mixing step, the powder acquisition step, and the imidization step.

<無灰炭>
無灰炭(ハイパーコール、HPC)は、石炭を改質した改質炭の一種であり、溶剤を用いて石炭から灰分と非溶解性成分とを可能な限り除去した改質炭である。
<Ashless charcoal>
Ashless coal (Hypercoal, HPC) is a type of modified coal obtained by modifying coal, and is a modified coal obtained by removing as much ash and insoluble components as possible from coal using a solvent.

無灰炭の灰分の上限は、一般に5質量%、好ましくは2質量%である。また、無灰炭の灰分の上限としては、5000ppm(質量基準)がより好ましく、2000ppmがさらに好ましい。ここで「灰分」とは、JIS−M8812(2004)に準拠して測定される値を意味する。   The upper limit of the ash content of ashless coal is generally 5% by mass, preferably 2% by mass. Moreover, as an upper limit of the ash content of ashless coal, 5000 ppm (mass basis) is more preferable, and 2000 ppm is further more preferable. Here, “ash” means a value measured in accordance with JIS-M8812 (2004).

無灰炭の軟化開始温度の下限としては、150℃が好ましく、160℃がより好ましい。一方、上記軟化開始温度の上限としては、220℃が好ましく、210℃がより好ましい。上記軟化開始温度が上記下限より小さいと、骨材とバインダーとの混合物を加熱成形する際、混合物が過度に軟化し、成形し難くなるおそれがある。逆に、上記軟化開始温度が上記上限を超えると、上記混合物が軟化し難くなり、得られる炭素材料の密度及び曲げ強さが不十分となるおそれがある。ここで「軟化開始温度」とは、JIS−M8801(2004)のギーセラープラストメータ法に準拠して測定される値である。   As a minimum of softening start temperature of ashless coal, 150 ° C is preferred and 160 ° C is more preferred. On the other hand, the upper limit of the softening start temperature is preferably 220 ° C, more preferably 210 ° C. If the softening start temperature is smaller than the lower limit, the mixture may be excessively softened and difficult to be molded when the mixture of aggregate and binder is thermoformed. On the contrary, when the softening start temperature exceeds the upper limit, the mixture is difficult to soften, and the density and bending strength of the obtained carbon material may be insufficient. Here, “softening start temperature” is a value measured in accordance with the JIS-M8801 (2004) Gisela plastometer method.

(無灰炭の製造方法)
当該炭素材料の製造方法で用いる無灰炭の原料石炭としては、815℃で加熱して灰化したときの残留無機物(ケイ酸、アルミナ、酸化鉄、石灰、マグネシア、アルカリ金属等)の濃度が極めて少ないものが好ましい。また無灰炭は、水分含有量が概ね0.5質量%以下と微小であり、原料石炭よりも高い熱流動性を示す。
(Method for producing ashless coal)
As raw material coal of ashless coal used in the method for producing the carbon material, the concentration of residual inorganic substances (silicic acid, alumina, iron oxide, lime, magnesia, alkali metal, etc.) when heated and incinerated at 815 ° C. Very few are preferred. In addition, ashless coal has a moisture content of approximately 0.5% by mass or less, and exhibits higher thermal fluidity than raw coal.

上記無灰炭は、各種公知の製造方法で得ることができ、例えば石炭の溶剤抽出物から溶剤を除去することによって得ることができる。無灰炭は、例えばスラリー調製工程、スラリー加熱工程、分離工程、及び無灰炭回収工程を備える製造方法で得ることができる。   The ashless coal can be obtained by various known production methods, for example, by removing the solvent from the solvent extract of coal. Ashless coal can be obtained, for example, by a production method including a slurry preparation step, a slurry heating step, a separation step, and an ashless coal recovery step.

(スラリー調製工程)
スラリー調製工程では、無灰炭の原料となる石炭と芳香族溶剤とを混合してスラリーを調製する。
(Slurry preparation process)
In the slurry preparation step, coal as an ashless coal raw material and an aromatic solvent are mixed to prepare a slurry.

上記石炭の種類は特に限定されず、例えば瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭等の各種公知の石炭を使用できる。これらの中でも、炭素材料の曲げ強さの観点から、瀝青炭が好ましい。   The kind of said coal is not specifically limited, For example, various well-known coals, such as bituminous coal, subbituminous coal, lignite, lignite, can be used. Among these, bituminous coal is preferable from the viewpoint of the bending strength of the carbon material.

上記芳香族溶剤としては、石炭を溶解する性質を有するものであれば特に限定されず、例えばベンゼン、トルエン、キシレン等の単環芳香族化合物や、ナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン等の2環芳香族化合物等を用いることができる。なお、上記2環芳香族化合物には、脂肪族鎖を有するナフタレン類や長鎖脂肪族鎖を有するビフェニル類が含まれる。   The aromatic solvent is not particularly limited as long as it has a property of dissolving coal, and examples thereof include monocyclic aromatic compounds such as benzene, toluene, and xylene, naphthalene, methylnaphthalene, dimethylnaphthalene, trimethylnaphthalene, and the like. A bicyclic aromatic compound or the like can be used. The bicyclic aromatic compound includes naphthalene having an aliphatic chain and biphenyl having a long aliphatic chain.

上記芳香族溶剤の中でも、石炭乾留生成物から精製した石炭誘導体である2環芳香族化合物が好ましい。石炭誘導体の2環芳香族化合物は、加熱状態でも安定しており、石炭との親和性に優れている。そのため、芳香族溶剤としてこのような2環芳香族化合物を用いることで、溶剤に抽出される石炭成分の割合(以下、「抽出率」ともいう)を高めることができると共に、蒸留等の方法で容易に溶剤を回収し循環使用することができる。   Among the aromatic solvents, a bicyclic aromatic compound which is a coal derivative purified from a coal dry distillation product is preferable. The bicyclic aromatic compound of the coal derivative is stable even in a heated state and has an excellent affinity with coal. Therefore, by using such a bicyclic aromatic compound as an aromatic solvent, the ratio of coal components extracted into the solvent (hereinafter also referred to as “extraction rate”) can be increased, and by a method such as distillation. The solvent can be easily recovered and recycled.

芳香族溶剤の沸点としては、180℃以上330℃以下が好ましい。芳香族溶剤の沸点が上記下限より小さいと、加熱抽出の際に抽出率が低下すると共に、必要圧力が高くなるおそれがある。また、後述の分離工程でも必要圧力が高くなるほか、芳香族溶剤を回収する工程で揮発による損失が増大し、芳香族溶剤の回収率が低下するおそれがある。逆に、芳香族溶剤の沸点が上記上限を超えると、分離工程での液体成分又は固体成分からの芳香族溶剤の分離が困難となり、溶剤の回収率が低下する。   The boiling point of the aromatic solvent is preferably 180 ° C. or higher and 330 ° C. or lower. When the boiling point of the aromatic solvent is smaller than the above lower limit, the extraction rate may decrease during the heat extraction and the required pressure may increase. In addition, the required pressure increases even in the separation step described later, and loss due to volatilization increases in the step of recovering the aromatic solvent, which may reduce the recovery rate of the aromatic solvent. Conversely, if the boiling point of the aromatic solvent exceeds the above upper limit, it becomes difficult to separate the aromatic solvent from the liquid component or solid component in the separation step, and the solvent recovery rate is reduced.

スラリー中の芳香族溶剤に対する石炭の混合割合の下限としては、乾燥炭基準で、10質量%が好ましく、20質量%がより好ましい。一方、上記混合割合の上限としては、50質量%が好ましく、35質量%がより好ましい。上記混合割合が上記下限より小さいと、芳香族溶剤の量に対し抽出される石炭成分が少なくなるため経済的ではない。逆に、上記混合割合が上記上限を超えると、スラリーの粘度が高くなり、スラリーの移動や分離工程での液体成分と固体成分との分離が困難となるおそれがある。   The lower limit of the mixing ratio of coal with respect to the aromatic solvent in the slurry is preferably 10% by mass and more preferably 20% by mass based on dry coal. On the other hand, the upper limit of the mixing ratio is preferably 50% by mass, and more preferably 35% by mass. If the mixing ratio is less than the lower limit, the amount of coal components extracted with respect to the amount of the aromatic solvent decreases, which is not economical. On the other hand, when the mixing ratio exceeds the upper limit, the viscosity of the slurry is increased, and it may be difficult to separate the liquid component and the solid component in the slurry movement or separation process.

(スラリー加熱工程)
スラリー加熱工程では、上記スラリーを加熱処理して石炭の可溶成分を芳香族溶剤に抽出する。
(Slurry heating process)
In the slurry heating step, the slurry is heat-treated to extract coal-soluble components into an aromatic solvent.

スラリーの加熱温度(抽出温度)の下限としては、350℃が好ましく、380℃がより好ましい。一方、スラリーの加熱温度の上限としては、470℃が好ましく、450℃がより好ましい。スラリーの加熱温度が上記下限より小さいと、石炭を構成する分子間の結合を十分に弱めることができないため、例えば原料石炭として低品位炭を使用した場合に、後述の無灰炭回収工程で回収される無灰炭の再固化温度を高めることができないおそれがある。逆に、スラリーの加熱温度が上記上限を超えると、石炭の熱分解反応が非常に活発になり生成した熱分解ラジカルの再結合が起こるため、抽出率が低下するおそれがある。   As a minimum of heating temperature (extraction temperature) of a slurry, 350 ° C is preferred and 380 ° C is more preferred. On the other hand, the upper limit of the heating temperature of the slurry is preferably 470 ° C, more preferably 450 ° C. If the heating temperature of the slurry is lower than the above lower limit, the bonds between the molecules constituting the coal cannot be sufficiently weakened. For example, when low grade coal is used as the raw coal, it is recovered in the ashless coal recovery step described later. There is a possibility that the resolidification temperature of the ashless coal to be produced cannot be increased. On the other hand, when the heating temperature of the slurry exceeds the above upper limit, the thermal decomposition reaction of coal becomes very active and recombination of generated thermal decomposition radicals occurs, which may reduce the extraction rate.

スラリーの加熱時間(抽出時間)の下限としては、10分が好ましい。一方、スラリーの加熱時間(抽出時間)の上限としては、120分が好ましく、60分がより好ましく、30分がさらに好ましい。スラリーの加熱時間が上記下限より小さいと、石炭の可溶性分の抽出が不十分となるおそれがある。逆に、スラリーの加熱時間が上記上限を超えると、石炭の熱分解反応が進行しすぎてラジカル重合反応が進むことで抽出率が低下するおそれがある。   The lower limit of the heating time (extraction time) of the slurry is preferably 10 minutes. On the other hand, the upper limit of the heating time (extraction time) of the slurry is preferably 120 minutes, more preferably 60 minutes, and even more preferably 30 minutes. If the heating time of the slurry is smaller than the above lower limit, extraction of the soluble component of coal may be insufficient. On the other hand, if the heating time of the slurry exceeds the above upper limit, the thermal decomposition reaction of coal proceeds too much and the radical polymerization reaction proceeds, which may reduce the extraction rate.

スラリーを加熱した後、熱分解反応を抑制するためにスラリーを冷却することが好ましい。スラリーの冷却温度としては、300℃以上370℃以下が好ましい。スラリーの冷却温度が上記下限より小さいと、芳香族溶剤の溶解力が低下して、一旦抽出された石炭成分の再析出が起き、無灰炭の回収率が低下するおそれがある。逆に、スラリーの冷却温度が上記上限を超えると、熱分解反応を十分に抑制できないおそれがある。   After heating the slurry, it is preferable to cool the slurry in order to suppress the thermal decomposition reaction. The cooling temperature of the slurry is preferably 300 ° C. or higher and 370 ° C. or lower. If the cooling temperature of the slurry is lower than the above lower limit, the dissolving power of the aromatic solvent is lowered, and the coal component once extracted may be reprecipitated, and the recovery rate of ashless coal may be lowered. On the contrary, if the cooling temperature of the slurry exceeds the above upper limit, the thermal decomposition reaction may not be sufficiently suppressed.

なお、スラリーの加熱抽出は非酸化性雰囲気で行うことが好ましい。具体的には、スラリーの加熱抽出を窒素等の不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。窒素等の不活性ガスを用いることで、加熱抽出の際にスラリーが酸素に接触して発火することを低コストで防止できる。   The slurry is preferably extracted by heating in a non-oxidizing atmosphere. Specifically, it is preferable to perform heat extraction of the slurry in the presence of an inert gas such as nitrogen. By using an inert gas such as nitrogen, it is possible to prevent the slurry from coming into contact with oxygen and igniting at low cost during the heat extraction.

スラリーの加熱抽出時の圧力は、加熱温度や用いる芳香族溶剤の蒸気圧にもよるが、例えば1MPa以上2MPa以下とすることができる。加熱抽出時の圧力が芳香族溶剤の蒸気圧より低い場合には、芳香族溶剤が揮発して石炭の可溶性分を液相に閉じ込められず、可溶性分を抽出できない。一方、加熱抽出時の圧力が高すぎると、機器のコスト、運転コスト等が上昇する。   Although the pressure at the time of heat extraction of a slurry is based also on heating temperature and the vapor pressure of the aromatic solvent to be used, it can be 1 MPa or more and 2 MPa or less, for example. When the pressure at the time of heat extraction is lower than the vapor pressure of the aromatic solvent, the aromatic solvent volatilizes and the soluble component of coal cannot be confined in the liquid phase, and the soluble component cannot be extracted. On the other hand, if the pressure at the time of heating extraction is too high, the cost of the equipment, the operating cost, etc. increase.

(分離工程)
分離工程では、上記スラリー加熱工程で加熱処理されたスラリーを液体成分と固体成分とに分離する。スラリーの液体成分とは、芳香族溶剤に抽出された石炭成分を含む溶液部分である。スラリーの固体成分とは、芳香族溶剤に不溶な灰分と石炭成分とを含む部分である。
(Separation process)
In the separation step, the slurry heated in the slurry heating step is separated into a liquid component and a solid component. The liquid component of the slurry is a solution portion containing a coal component extracted into an aromatic solvent. The solid component of the slurry is a portion containing ash and coal components that are insoluble in the aromatic solvent.

スラリーを液体成分と固体成分とに分離する方法としては、特に限定されず、濾過法、遠心分離法、重力沈降法等の公知の分離方法を採用できる。これらの中でも、流体の連続操作が可能であり、低コストで大量の処理にも適している重力沈降法が好ましい。重力沈降法では、重力沈降槽の上部に芳香族溶剤に抽出された石炭成分を含む液体成分である上澄み液が分離され、重力沈降槽の下部に固体成分として溶剤に不溶な灰分と石炭成分とを含む固形分濃縮液が分離される。   A method for separating the slurry into a liquid component and a solid component is not particularly limited, and a known separation method such as a filtration method, a centrifugal separation method, or a gravity sedimentation method can be employed. Among these, the gravity sedimentation method which can continuously operate the fluid and is suitable for a large amount of processing at a low cost is preferable. In the gravity sedimentation method, a supernatant liquid, which is a liquid component containing coal components extracted into an aromatic solvent, is separated at the top of the gravity sedimentation tank, and ash and coal components insoluble in the solvent as solid components are separated at the bottom of the gravity sedimentation tank. The solid concentrate containing is separated.

(無灰炭回収工程)
無灰炭回収工程では、上記分離工程で得たスラリーの液体成分から芳香族溶剤を分離して灰分の極めて低い無灰炭を回収する。
(Ashless coal recovery process)
In the ashless coal recovery step, the aromatic solvent is separated from the liquid component of the slurry obtained in the separation step to recover ashless coal with a very low ash content.

スラリーの液体成分から芳香族溶剤を分離する方法は特に限定されず、一般的な蒸留法や蒸発法(例えばスプレードライ法)等を用いることができる。また、分離回収された芳香族溶剤は上述のように循環使用することができる。芳香族溶剤の分離により、上記液体成分から無灰炭が得られる。   The method for separating the aromatic solvent from the liquid component of the slurry is not particularly limited, and a general distillation method, evaporation method (for example, spray drying method), or the like can be used. The aromatic solvent separated and recovered can be recycled as described above. Ash liquid is obtained from the liquid component by separating the aromatic solvent.

なお、無灰炭の製造方法では、必要に応じて各種処理工程を付加してもよい。具体的には、前記各工程に悪影響を与えない範囲において、前記各工程間又は前後に、例えば原料石炭を粉砕する工程、異物等を除去する工程、得られた無灰炭を乾燥させる工程等の工程を含めてもよい。   In addition, in the manufacturing method of ashless coal, you may add various process steps as needed. Specifically, within a range that does not adversely affect the respective steps, for example, a step of pulverizing raw coal, a step of removing foreign matter, etc., a step of drying the obtained ashless coal, etc. These steps may be included.

また、必要に応じて、スラリーの固体成分から芳香族溶剤を分離して灰分が濃縮された副生炭を製造してもよい。固体成分から芳香族溶剤を分離する方法は、上述した液体成分から無灰炭を取得する方法と同様、一般的な蒸留法や蒸発法を用いることができる。   Moreover, you may manufacture the byproduct charcoal by which the aromatic solvent was isolate | separated from the solid component of the slurry and the ash content was concentrated as needed. As a method for separating the aromatic solvent from the solid component, a general distillation method or evaporation method can be used as in the method for obtaining ashless coal from the liquid component.

本工程で用いる無灰炭の粒径は特に限定されないが、無灰炭のメディアン径の下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、上記メディアン径の上限としては、100μmが好ましく、50μmがより好ましい。無灰炭のメディアン径が上記下限より小さいと、取扱い性や生産効率が低下するおそれがある。無灰炭のメディアン径が上記上限を超えると、無灰炭コークスとの混合状態が不均一となり混合物の成形不良や炭素材料の曲げ強さ不足等が発生するおそれがある。ここで「メディアン径」とは、レーザー回折散乱法によって求めた粒度分布において体積積算値50%となる粒径を意味する。   Although the particle size of the ashless coal used at this process is not specifically limited, As a minimum of the median diameter of ashless coal, 1 micrometer is preferable and 10 micrometers is more preferable. On the other hand, the upper limit of the median diameter is preferably 100 μm, and more preferably 50 μm. If the median diameter of ashless coal is smaller than the lower limit, the handleability and production efficiency may be reduced. If the median diameter of the ashless coal exceeds the above upper limit, the mixed state with the ashless coal coke becomes non-uniform, and there is a possibility that the molding failure of the mixture or the bending strength of the carbon material is insufficient. Here, the “median diameter” means a particle diameter at which the volume integrated value is 50% in the particle size distribution obtained by the laser diffraction scattering method.

<溶液混合工程>
溶液混合工程では、無灰炭を含有する溶液とポリアミド酸重合体を含有する溶液とを混合し混合溶液を得る。また、本発明の効果を損なわない範囲で、その他の任意成分をさらに混合してもよい。
<Solution mixing process>
In the solution mixing step, a solution containing ashless coal and a solution containing a polyamic acid polymer are mixed to obtain a mixed solution. Moreover, you may further mix other arbitrary components in the range which does not impair the effect of this invention.

無灰炭を含有する溶液の調製方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば無灰炭を溶媒に分散させ、加熱し攪拌後、高温を保持した状態でろ過する方法が挙げられる。この方法を用いる場合の加熱温度の下限としては、80℃が好ましく、90℃がより好ましい。一方、上記加熱温度の上限としては、150℃が好ましく、130℃がより好ましい。上記加熱温度が上記下限より小さいと、無灰炭中の溶媒に可溶な成分が十分に溶媒に溶解しないおそれがある。逆に、上記加熱温度が上記上限を超えると、溶媒が揮発し、十分な量の溶液を得られないおそれがある。   As a method for preparing a solution containing ashless charcoal, a known method can be used. For example, a method in which ashless charcoal is dispersed in a solvent, heated and stirred, and then filtered while maintaining a high temperature. The lower limit of the heating temperature when using this method is preferably 80 ° C, more preferably 90 ° C. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 150 ° C, more preferably 130 ° C. When the heating temperature is lower than the lower limit, components soluble in the solvent in the ashless coal may not be sufficiently dissolved in the solvent. Conversely, if the heating temperature exceeds the upper limit, the solvent volatilizes and a sufficient amount of solution may not be obtained.

無灰炭を含有する溶液における無灰炭の含有割合の下限としては、5質量%が好ましく、10質量%がより好ましい。一方、上記含有割合の上限としては、40質量%が好ましく、30質量%がより好ましい。上記含有割合が上記下限より小さいと、後述する粉末取得工程において溶媒を除去する際のコストが増加するおそれがある。逆に、上記含有割合が上記上限を超えると、ポリアミド酸重合体を含有する溶液と無灰炭を含有する溶液とが十分に混合し難くなるおそれがある。   As a minimum of the content rate of ashless coal in the solution containing ashless coal, 5 mass% is preferred and 10 mass% is more preferred. On the other hand, as an upper limit of the said content rate, 40 mass% is preferable and 30 mass% is more preferable. When the said content rate is smaller than the said minimum, there exists a possibility that the cost at the time of removing a solvent may increase in the powder acquisition process mentioned later. On the other hand, when the content ratio exceeds the upper limit, the solution containing the polyamic acid polymer and the solution containing ashless coal may not be sufficiently mixed.

(ポリアミド酸重合体)
上記ポリアミド酸重合体とは、分子内にイミド結合を有する樹脂であるポリイミドの前駆物質である。ポリアミド酸重合体は、例えば酸成分としてのテトラカルボン酸又はその無水物と、アミン成分としてのジアミン化合物とを重縮合させることにより得ることができる。
(Polyamide acid polymer)
The polyamic acid polymer is a polyimide precursor that is a resin having an imide bond in the molecule. The polyamic acid polymer can be obtained, for example, by polycondensing a tetracarboxylic acid or an anhydride thereof as an acid component and a diamine compound as an amine component.

上記テトラカルボン酸又はその無水物としては、公知の化合物を用いることができるが、芳香族テトラカルボン酸又はその無水物が好ましい。   As the tetracarboxylic acid or an anhydride thereof, a known compound can be used, but an aromatic tetracarboxylic acid or an anhydride thereof is preferable.

上記芳香族テトラカルボン酸又はその無水物としては、例えば4,4’−オキシジフタル酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ピロメリット酸二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−パラターフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−メタターフェニルテトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。   Examples of the aromatic tetracarboxylic acid or anhydride thereof include 4,4′-oxydiphthalic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride, pyromellitic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-diphenylsulfonetetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride Anhydride, 1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-paraterphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-meta Examples include terphenyl tetracarboxylic dianhydride.

テトラカルボン酸又はその無水物としては、これらの中で、4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、及びピロメリット酸二無水物がより好ましく、ピロメリット酸二無水物がさらに好ましい。   Among these tetracarboxylic acids or anhydrides thereof, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic dianhydride, and pyromellitic dianhydride are more preferable. Preferably, pyromellitic dianhydride is more preferable.

上記ジアミン化合物としては、公知の化合物を用いることができるが、芳香族ジアミン化合物が好ましい。   A known compound can be used as the diamine compound, but an aromatic diamine compound is preferable.

上記芳香族系ジアミン化合物としては、例えばパラフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、3,3’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、3,3’−ジアミノジフェニルサルファイド、4,4’−ジアミノジフェニルサルファイド、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、2,2−ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン4,4’−ジアミノジフェニルアミン、3,4’−ジアミノジフェニルアミン、3,3’−ジアミノジフェニルアミン、2,4’−ジアミノジフェニルアミン、4,4’−ジアミノジベンジルアミン、2,2’−ジアミノジベンジルアミン、3,4’−ジアミノジベンジルアミン、3,3’−ジアミノジベンジルアミン、N,N’−ビス−(4−アミノ−3−メチルフェニル)エチレンジアミン、4,4’−ジアミノベンズアニリド、3,4’−ジアミノベンズアニリド、3,3’−ジアミノベンズアニリド、4,3’−ジアミノベンズアニリド、2,4’−ジアミノベンズアニリド、N,N’−p−フェニレンビス−p−アミノベンズアミド、N,N’−p−フェニレンビス−m−アミノベンズアミド、N,N’−m−フェニレンビス−p−アミノベンズアミド、N,N’−m−フェニレンビス−m−アミノベンズアミド、N,N’−ジメチル−N,N’−p−フェニレンビス−p−アミノベンズアミド、N,N’−ジメチル−N,N’−p−フェニレンビス−m−アミノベンズアミド、N,N’−ジフェニル−N,N’−p−フェニレンビス−p−アミノベンズアミド、N,N’−ジフェニル−N,N’−p−フェニレンビス−m−アミノベンズアミド等が挙げられる。   Examples of the aromatic diamine compound include paraphenylene diamine, metaphenylene diamine, 3,3′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenyl ether, 3,4′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3′-diaminodiphenylsulfone, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 3,3′-diaminodiphenylsulfide, 4,4′-diaminodiphenylsulfide, 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene, 1 , 4-bis (4-aminophenoxy) benzene, 2,2-bis (trifluoromethyl) benzidine, 9,9'-bis (4-aminophenyl) fluorene 4,4'-diaminodiphenylamine, 3,4'- Diaminodiphenylamine, 3,3′- Aminodiphenylamine, 2,4'-diaminodiphenylamine, 4,4'-diaminodibenzylamine, 2,2'-diaminodibenzylamine, 3,4'-diaminodibenzylamine, 3,3'-diaminodibenzylamine N, N′-bis- (4-amino-3-methylphenyl) ethylenediamine, 4,4′-diaminobenzanilide, 3,4′-diaminobenzanilide, 3,3′-diaminobenzanilide, 4,3 '-Diaminobenzanilide, 2,4'-diaminobenzanilide, N, N'-p-phenylenebis-p-aminobenzamide, N, N'-p-phenylenebis-m-aminobenzamide, N, N'- m-phenylenebis-p-aminobenzamide, N, N′-m-phenylenebis-m-aminobenzamide, N, N -Dimethyl-N, N'-p-phenylenebis-p-aminobenzamide, N, N'-dimethyl-N, N'-p-phenylenebis-m-aminobenzamide, N, N'-diphenyl-N, N Examples include '-p-phenylenebis-p-aminobenzamide, N, N'-diphenyl-N, N'-p-phenylenebis-m-aminobenzamide, and the like.

ジアミン化合物としては、これらの中で、パラフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、3,3’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、及び4,4’−ジアミノベンズアニリドがより好ましく、4,4’−ジアミノジフェニルエーテルがさらに好ましい。   Among these, diamine compounds include paraphenylene diamine, metaphenylene diamine, 3,3′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenyl ether, 3,4′-diaminodiphenyl ether, and 3,3′-diaminodiphenyl sulfone. 4,4′-diaminodiphenyl sulfone, 9,9′-bis (4-aminophenyl) fluorene, and 4,4′-diaminobenzanilide are more preferable, and 4,4′-diaminodiphenyl ether is more preferable.

ポリアミド酸重合体を含有する溶液におけるポリアミド酸の含有割合の下限としては、5質量%が好ましく、10質量%がより好ましい。一方、上記含有割合の上限としては、40質量%が好ましく、30質量%がより好ましい。上記含有割合が上記下限より小さいと、後述する粉末取得工程において溶媒を除去する際のコストが増加するおそれがある。逆に、上記含有割合が上記上限を超えると、ポリアミド酸重合体を含有する溶液と無灰炭を含有する溶液とが十分に混合し難くなるおそれがある。   As a minimum of the content rate of the polyamic acid in the solution containing a polyamic acid polymer, 5 mass% is preferable and 10 mass% is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the said content rate, 40 mass% is preferable and 30 mass% is more preferable. When the said content rate is smaller than the said minimum, there exists a possibility that the cost at the time of removing a solvent may increase in the powder acquisition process mentioned later. On the other hand, when the content ratio exceeds the upper limit, the solution containing the polyamic acid polymer and the solution containing ashless coal may not be sufficiently mixed.

また、上記ポリアミド酸重合体としては、市販品を用いてもよい。   Moreover, you may use a commercial item as said polyamic-acid polymer.

(溶媒)
上記溶媒としては、無灰炭を分散させることができるもの、又はポリアミド酸重合体を溶解させることができるものであれば特に限定されないが、有機溶媒が好ましく、極性有機溶媒がより好ましく、N−メチル−2−ピロリドンがさらに好ましい。
(solvent)
The solvent is not particularly limited as long as it can disperse ashless charcoal or can dissolve the polyamic acid polymer, but is preferably an organic solvent, more preferably a polar organic solvent, N- More preferred is methyl-2-pyrrolidone.

また、無灰炭を含有する溶液における溶媒と、ポリアミド酸重合体を含有する溶液における溶媒とは同じであってもよく、異なっていてもよいが、溶媒を除去する際の条件調整が容易となる点から、同じであることが好ましい。   In addition, the solvent in the solution containing ashless coal and the solvent in the solution containing the polyamic acid polymer may be the same or different, but it is easy to adjust the conditions when removing the solvent. From this point, the same is preferable.

無灰炭を含有する溶液及びポリアミド酸重合体を含有する溶液の混合溶液における無灰炭及びポリアミド酸重合体の合計含有割合の下限としては、5質量%が好ましく、10質量%がより好ましい。一方、上記合計含有割合の上限としては、40質量%が好ましく、30質量%がより好ましい。上記含有割合が上記下限より小さいと、後述する粉末取得工程において溶媒を除去する際のコストが増加するおそれがある。逆に、上記含有割合が上記上限を超えると、混合溶液中の無灰炭とポリアミド酸重合体とが均等に混合し難くなるおそれがある。   The lower limit of the total content of the ashless charcoal and the polyamic acid polymer in the mixed solution of the solution containing the ashless charcoal and the solution containing the polyamic acid polymer is preferably 5% by mass, and more preferably 10% by mass. On the other hand, as an upper limit of the said total content rate, 40 mass% is preferable and 30 mass% is more preferable. When the said content rate is smaller than the said minimum, there exists a possibility that the cost at the time of removing a solvent may increase in the powder acquisition process mentioned later. On the contrary, when the said content rate exceeds the said upper limit, there exists a possibility that it may become difficult to mix ashless coal and a polyamic-acid polymer in a mixed solution equally.

<粉末取得工程>
粉末取得工程では、加熱により上記混合溶液中の溶媒を除去する。これによりポリアミド酸重合体と無灰炭との混合粉末が得られる。
<Powder acquisition process>
In the powder acquisition step, the solvent in the mixed solution is removed by heating. Thereby, a mixed powder of the polyamic acid polymer and ashless coal is obtained.

本工程における加熱温度は、加熱時の圧力、混合溶液中の固形分濃度等により適宜調節可能であるが、例えば固形分濃度が20質量%の場合、加熱温度の下限としては、90℃が好ましく、100℃がより好ましい。一方、上記加熱温度の上限としては、200℃が好ましく、180℃がより好ましい。上記加熱温度が上記下限より小さいと、混合溶液中の溶媒が十分に除去されないおそれがある。逆に、上記加熱温度が上記上限を超えると、ポリアミド酸や無灰炭の炭化が生じ、これらの混合物がバインダーとして機能しなくなるおそれがある。   The heating temperature in this step can be appropriately adjusted depending on the pressure during heating, the solid content concentration in the mixed solution, etc. For example, when the solid content concentration is 20% by mass, the lower limit of the heating temperature is preferably 90 ° C. 100 ° C. is more preferable. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 200 ° C and more preferably 180 ° C. If the heating temperature is lower than the lower limit, the solvent in the mixed solution may not be sufficiently removed. On the other hand, when the heating temperature exceeds the upper limit, polyamic acid or ashless carbonization occurs, and the mixture may not function as a binder.

本工程における加熱時間は、混合溶液中の固形分濃度等により適宜調節可能であるが、例えば固形分濃度が20質量%の場合、加熱時間の下限としては、30分が好ましく、45分がより好ましい。一方、上記加熱時間の上限としては、2時間が好ましく、90分がより好ましい。上記加熱時間が上記下限より小さいと、混合溶液中の溶媒が十分に除去されないおそれがある。逆に、上記加熱時間が上記上限を超えると、溶媒除去後も不必要な加熱が継続し、バインダーの製造コストが増加するおそれがある。   The heating time in this step can be adjusted as appropriate depending on the solid content concentration in the mixed solution. For example, when the solid content concentration is 20% by mass, the lower limit of the heating time is preferably 30 minutes, more preferably 45 minutes. preferable. On the other hand, the upper limit of the heating time is preferably 2 hours, more preferably 90 minutes. If the heating time is smaller than the lower limit, the solvent in the mixed solution may not be sufficiently removed. Conversely, when the heating time exceeds the upper limit, unnecessary heating continues even after the solvent is removed, which may increase the production cost of the binder.

本工程は、真空条件下で行うことが好ましい。具体的には、本工程における圧力の下限としては、−90KPaG(ゲージ圧)が好ましく、−80kPaGがより好ましい。一方、上記圧力の上限としては、−30kPaGが好ましく、−40kPaGがより好ましい。上記圧力が上記下限より小さいと、圧力を低下させるためのコスト及び時間が不必要に増大し、バインダーの製造効率が低下すると共に製造コストが増加するおそれがある。逆に、上記圧力が上記上限を超えると、溶媒の除去に必要な温度が不必要に高くなり、バインダーの製造コストが増加するおそれがある。   This step is preferably performed under vacuum conditions. Specifically, the lower limit of the pressure in this step is preferably -90 kPaG (gauge pressure), more preferably -80 kPaG. On the other hand, the upper limit of the pressure is preferably −30 kPaG, and more preferably −40 kPaG. When the pressure is smaller than the lower limit, the cost and time for reducing the pressure are unnecessarily increased, and the production efficiency of the binder may be lowered and the production cost may be increased. Conversely, when the pressure exceeds the upper limit, the temperature necessary for removing the solvent becomes unnecessarily high, which may increase the production cost of the binder.

上記混合粉末の最大粒径の下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、上記最大粒径の上限としては、100μmが好ましく、80μmがより好ましい。上記最大粒径が上記下限より小さいと、混合粉末の取扱い性や炭素材料の生産効率が低下するおそれがある。逆に、上記最大粒径が上記上限を超えると、バインダーを骨材と混合する際の混合状態が不均一となり混合物の成形不良や炭素材料の曲げ強さ不足等が発生するおそれがある。ここで「最大粒径」とは、レーザー回折散乱法によって求めた粒度分布における最大粒径を意味する。   The lower limit of the maximum particle size of the mixed powder is preferably 1 μm and more preferably 10 μm. On the other hand, the upper limit of the maximum particle size is preferably 100 μm, and more preferably 80 μm. If the maximum particle size is smaller than the lower limit, the handleability of the mixed powder and the production efficiency of the carbon material may be reduced. On the other hand, when the maximum particle size exceeds the upper limit, the mixing state when the binder is mixed with the aggregate becomes non-uniform, and there is a possibility that the molding failure of the mixture, the bending strength of the carbon material, or the like may occur. Here, the “maximum particle size” means the maximum particle size in the particle size distribution obtained by the laser diffraction scattering method.

<イミド化工程>
イミド化工程では、上記混合粉末を加熱し、ポリアミド酸重合体を脱水閉環させポリイミドを合成する。これにより、粉末状の無灰炭とポリイミドとを含有するバインダーが調製される。
<Imidization process>
In the imidization step, the mixed powder is heated, and the polyamic acid polymer is dehydrated and closed to synthesize polyimide. Thereby, the binder containing a powdery ashless coal and a polyimide is prepared.

本工程における加熱温度は適宜調節可能であるが、加熱温度の下限としては、100℃が好ましく、180℃がより好ましい。一方、上記加熱温度の上限としては、300℃が好ましく、280℃がより好ましい。上記加熱温度が上記下限より小さいと、ポリアミド酸重合体のイミド化が不十分となるおそれがある。逆に、上記加熱温度が上記上限を超えると、ポリアミド酸や無灰炭の炭化が生じ、これらの混合物がバインダーとして機能しなくなるおそれがある。   Although the heating temperature in this process can be adjusted suitably, as a minimum of heating temperature, 100 degreeC is preferable and 180 degreeC is more preferable. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 300 ° C, and more preferably 280 ° C. If the heating temperature is lower than the lower limit, imidation of the polyamic acid polymer may be insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds the upper limit, polyamic acid or ashless carbonization occurs, and the mixture may not function as a binder.

本工程における加熱時間は適宜調節可能であるが、加熱時間の下限としては、45分が好ましく、1時間がより好ましい。一方、上記加熱時間の上限としては、5時間が好ましく、3時間がより好ましい。上記加熱時間が上記下限より小さいと、ポリアミド酸のイミド化が不十分となるおそれがある。逆に、上記加熱時間が上記上限を超えると、イミド化完了後も不必要な加熱が継続し、バインダーの製造コストが増加するおそれがある。   The heating time in this step can be adjusted as appropriate, but the lower limit of the heating time is preferably 45 minutes and more preferably 1 hour. On the other hand, the upper limit of the heating time is preferably 5 hours, and more preferably 3 hours. If the heating time is shorter than the lower limit, imidation of the polyamic acid may be insufficient. On the other hand, if the heating time exceeds the upper limit, unnecessary heating continues even after the imidization is completed, which may increase the production cost of the binder.

また、本工程は、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましく、窒素雰囲気下で行うことがより好ましい。   In addition, this step is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere, and more preferably in a nitrogen atmosphere.

<バインダー>
上記バインダーは、骨材同士を接合するものであり、骨材と混合した後に加熱することで炭素化できる。また、バインダーは上述のように無灰炭及びポリイミドを含有する。さらに、バインダーは本発明の効果を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよいが、無灰炭及びポリイミドのみからなることが好ましい。
<Binder>
The said binder joins aggregates and can be carbonized by heating, after mixing with an aggregate. The binder contains ashless charcoal and polyimide as described above. Furthermore, the binder may contain other components as long as the effects of the present invention are not impaired, but it is preferably composed of ashless coal and polyimide alone.

バインダーにおけるポリイミドの含有割合の下限としては、5質量%が好ましく、10質量%がより好ましく、15質量%がさらに好ましく、18質量%が特に好ましい。一方、上記含有割合の上限としては、45質量%が好ましく、42質量%がより好ましく、40質量%がさらに好ましく、38質量%が特に好ましい。上記含有割合が上記下限より小さいと、得られる炭素材料の曲げ強さが向上し難くなるおそれがある。逆に、上記含有割合が上記上限を超えると、バインダーを骨材と混合する際のバインダーの流動性が不十分となり、混合物の成形が困難となるおそれがある。   As a minimum of the content rate of polyimide in a binder, 5 mass% is preferred, 10 mass% is more preferred, 15 mass% is still more preferred, and 18 mass% is especially preferred. On the other hand, as an upper limit of the said content rate, 45 mass% is preferable, 42 mass% is more preferable, 40 mass% is further more preferable, 38 mass% is especially preferable. When the said content rate is smaller than the said minimum, there exists a possibility that the bending strength of the carbon material obtained may become difficult to improve. On the other hand, when the content ratio exceeds the upper limit, the fluidity of the binder when the binder is mixed with the aggregate becomes insufficient, and it may be difficult to form the mixture.

バインダーにおける無灰炭の含有割合の下限としては、55質量%が好ましく、58質量%がより好ましく、60質量%がさらに好ましく、62質量%が特に好ましい。一方、上記含有割合の上限としては、95質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、85質量%がさらに好ましく、72質量%が特に好ましい。上記含有割合が上記下限より小さいと、得られる炭素材料のコストが増加するおそれがある。逆に、上記含有割合が上記上限を超えると、得られる炭素材料の曲げ強さが向上し難くなるおそれがある。   As a minimum of the content rate of ashless coal in a binder, 55 mass% is preferred, 58 mass% is more preferred, 60 mass% is still more preferred, and 62 mass% is especially preferred. On the other hand, as an upper limit of the said content rate, 95 mass% is preferable, 90 mass% is more preferable, 85 mass% is further more preferable, 72 mass% is especially preferable. When the said content rate is smaller than the said minimum, there exists a possibility that the cost of the carbon material obtained may increase. On the contrary, when the said content rate exceeds the said upper limit, there exists a possibility that the bending strength of the carbon material obtained may become difficult to improve.

バインダーの形状としては、粉末状等の固体、粉末を溶媒に溶解させた液体などが挙げられるが、後述する成形工程における取り扱いが容易である点から粉末状が好ましい。   Examples of the shape of the binder include solids such as powders, liquids obtained by dissolving powders in a solvent, and the like, but powders are preferable because they are easy to handle in the molding process described below.

バインダーが粉末状である場合、バインダーの最大粒径の下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、上記最大粒径の上限としては、100μmが好ましく、80μmがより好ましい。上記最大粒径が上記下限より小さいと、取扱い性や生産効率が低下するおそれがある。逆に、上記最大粒径が上記上限を超えると、骨材と混合する際の混合状態が不均一となり混合物の成形不良や炭素材料の曲げ強さ不足等が発生するおそれがある。   When the binder is powdery, the lower limit of the maximum particle size of the binder is preferably 1 μm and more preferably 10 μm. On the other hand, the upper limit of the maximum particle size is preferably 100 μm, and more preferably 80 μm. If the maximum particle size is smaller than the lower limit, the handleability and production efficiency may be reduced. On the other hand, when the maximum particle size exceeds the upper limit, the mixed state at the time of mixing with the aggregate becomes non-uniform, and there is a possibility that the molding failure of the mixture or the bending strength of the carbon material is insufficient.

[骨材混合工程]
骨材混合工程では、上記粉末状のバインダーと骨材とを混合し、混合物を得る。この混合物は、固体であっても液体であってもよいが、固体が好ましく、粉末がより好ましい。
[Aggregate mixing process]
In the aggregate mixing step, the powdered binder and the aggregate are mixed to obtain a mixture. This mixture may be solid or liquid, but is preferably a solid and more preferably a powder.

<骨材>
骨材は、当該炭素材料の主骨格を形成するものである。この骨材としては、炭素を含み、後述する加熱工程により炭化するものであれば特に限定されず、一般に炭素材料の骨材として用いられるものを適用できるが、無灰炭コークス(HPCC)が好ましい。
<Aggregate>
The aggregate forms the main skeleton of the carbon material. The aggregate is not particularly limited as long as it contains carbon and is carbonized by a heating process described later, and generally used as an aggregate of a carbon material can be applied, but ashless coke (HPCC) is preferable. .

無灰炭コークスは、無灰炭を炭素化したものであり、具体的には、無灰炭を窒素等の不活性雰囲気中で600℃以上1200℃以下の温度で加熱処理したものである。なお、無灰炭の膨張性は500℃付近で消失するため、加熱温度を上記範囲としている。また、当該炭素材料の製造方法では、無灰炭コークスの原料としては、上記バインダーに用いる無灰炭と同様のものが好ましいが、異なる無灰炭を用いてもよい。   Ashless coal coke is carbonized ashless coal. Specifically, ashless coal is heat-treated at a temperature of 600 ° C. or more and 1200 ° C. or less in an inert atmosphere such as nitrogen. In addition, since the expansibility of ashless coal lose | disappears at 500 degreeC vicinity, heating temperature is made the said range. Moreover, in the manufacturing method of the said carbon material, although the same thing as the ashless coal used for the said binder is preferable as a raw material of ashless coal coke, you may use different ashless coal.

無灰炭コークスの製造方法は、特に限定されず、公知の炭素化技術を用いて行うことができる。加熱時の昇温速度は、例えば0.1℃/分以上5℃/分以下とすることができる。また、無灰炭の炭素化は熱間静水圧プレス装置等を用いて、加圧下で行ってもよい。さらに、無灰炭に必要によりアスファルトピッチやタール等を添加してもよいが、本発明の効果を高めるためにはこれらの成分は添加しないことが好ましい。また、無灰炭を適当に成形してから炭素化に供してもよい。炭素化に用いる熱処理炉は、特に限定されず公知のものを用いることができる。このような熱処理炉としては、例えばポット炉、リードハンマー炉、キルン、ロータリーキルン、シャフト炉、室炉等を挙げることができる。   The method for producing ashless coal coke is not particularly limited, and can be performed using a known carbonization technique. The rate of temperature increase during heating can be, for example, 0.1 ° C./min or more and 5 ° C./min or less. Further, carbonization of ashless coal may be performed under pressure using a hot isostatic press or the like. Further, asphalt pitch, tar, and the like may be added to the ashless coal as necessary, but it is preferable not to add these components in order to enhance the effect of the present invention. Further, ashless coal may be appropriately formed and then subjected to carbonization. The heat treatment furnace used for carbonization is not particularly limited, and a known furnace can be used. Examples of such a heat treatment furnace include a pot furnace, a lead hammer furnace, a kiln, a rotary kiln, a shaft furnace, and a chamber furnace.

上記無灰炭コークスのメディアン径は特に限定されないが、無灰炭コークスのメディアン径の上限としては、80μmが好ましく、40μmがより好ましい。一方、上記メディアン径の下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。無灰炭コークスのメディアン径が上記上限を超える場合、無灰炭コークス内部が十分に炭素化されず炭素材料の曲げ強さが不十分となるおそれがある。逆に、無灰炭コークスのメディアン径が上記下限未満の場合、骨材の取扱い性や生産効率が低下するおそれがある。   The median diameter of the ashless coal coke is not particularly limited, but the upper limit of the median diameter of the ashless coal coke is preferably 80 μm, and more preferably 40 μm. On the other hand, the lower limit of the median diameter is preferably 1 μm and more preferably 10 μm. When the median diameter of the ashless coal coke exceeds the above upper limit, the inside of the ashless coal coke is not sufficiently carbonized and the bending strength of the carbon material may be insufficient. Conversely, when the median diameter of ashless coal coke is less than the above lower limit, the handleability and production efficiency of the aggregate may be reduced.

無灰炭コークスの最大粒径の下限としては、1μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、上記最大粒径の上限としては、100μmが好ましく、80μmがより好ましい。上記最大粒径が上記下限より小さいと、取扱い性や生産効率が低下するおそれがある。逆に、上記最大粒径が上記上限を超えると、バインダーと混合する際の混合状態が不均一となり混合物の成形不良や炭素材料の曲げ強さ不足等が発生するおそれがある。   As a minimum of the maximum particle size of ashless coal coke, 1 micrometer is preferred and 10 micrometers is more preferred. On the other hand, the upper limit of the maximum particle size is preferably 100 μm, and more preferably 80 μm. If the maximum particle size is smaller than the lower limit, the handleability and production efficiency may be reduced. On the other hand, when the maximum particle size exceeds the upper limit, the mixed state at the time of mixing with the binder becomes non-uniform, and there is a possibility that molding failure of the mixture or insufficient bending strength of the carbon material may occur.

また、無灰炭コークスのメディアン径よりもバインダーの無灰炭のメディアン径を小さくするとよい。これにより、無灰炭を含有するバインダーの効果をより高めることができる。   Moreover, it is good to make the median diameter of the ashless coal of a binder smaller than the median diameter of ashless coal coke. Thereby, the effect of the binder containing ashless coal can be improved more.

具体的には、バインダーの無灰炭のメディアン径に対する無灰炭コークスのメディアン径の比の下限としては、1.2倍が好ましく、2倍がより好ましい。一方、上記比の上限としては、5倍が好ましく、4倍がより好ましい。上記比が上記下限より小さいと、バインダーの効果である炭素材料の曲げ強さの向上の度合いが減少するおそれがある。逆に、上記比が上記上限を超えるとバインダーと骨材とを均等に混合し難くなるおそれがある。   Specifically, the lower limit of the ratio of the median diameter of the ashless coal coke to the median diameter of the ashless coal as the binder is preferably 1.2 times and more preferably 2 times. On the other hand, the upper limit of the ratio is preferably 5 times, and more preferably 4 times. When the ratio is smaller than the lower limit, the degree of improvement in the bending strength of the carbon material, which is an effect of the binder, may be reduced. Conversely, if the ratio exceeds the upper limit, it may be difficult to uniformly mix the binder and the aggregate.

骨材とバインダーとの質量混合比の下限としては、50:50が好ましく、55:45がより好ましく、60:40がさらに好ましい。一方、上記質量混合比の上限としては、85:15が好ましく、80:20がより好ましく、75:25がさらに好ましい。上記質量混合比が上記下限より小さいと、炭素材料の原料中におけるポリイミドの含有割合が高くなり、骨材とバインダーとの混合物の成形が困難になるおそれや、炭素材料の製造コストが増加するおそれがある。逆に、上記質量混合比が上記上限を超えると、得られる炭素材料の曲げ強さが向上し難くなるおそれがある。   As a minimum of mass mixing ratio of an aggregate and a binder, 50:50 is preferred, 55:45 is more preferred, and 60:40 is still more preferred. On the other hand, the upper limit of the mass mixing ratio is preferably 85:15, more preferably 80:20, and even more preferably 75:25. If the mass mixing ratio is smaller than the lower limit, the content ratio of polyimide in the raw material of the carbon material is increased, which may make it difficult to form a mixture of the aggregate and the binder, and may increase the manufacturing cost of the carbon material. There is. Conversely, if the mass mixing ratio exceeds the upper limit, the bending strength of the resulting carbon material may be difficult to improve.

骨材及びバインダーの混合物におけるポリイミドの含有量の下限としては、1質量%であり、5質量%が好ましく、7質量%がより好ましい。一方、上記含有量の上限としては、15質量%であり、14質量%が好ましく、13質量%がより好ましい。上記含有量が上記下限より小さいと、得られる炭素材料の曲げ強さが向上し難くなるおそれがある。逆に、上記含有量が上記上限を超えると、上記混合物におけるバインダーの流動性が低下し、骨材とバインダーとの混合物が成形し難くなるおそれや、得られる炭素材料の製造コストが増加するおそれがある。   The lower limit of the content of polyimide in the aggregate and binder mixture is 1% by mass, preferably 5% by mass, and more preferably 7% by mass. On the other hand, the upper limit of the content is 15% by mass, preferably 14% by mass, and more preferably 13% by mass. When the content is less than the lower limit, the bending strength of the obtained carbon material may be difficult to improve. On the other hand, if the content exceeds the upper limit, the fluidity of the binder in the mixture is lowered, the mixture of aggregate and binder may be difficult to mold, and the production cost of the resulting carbon material may be increased. There is.

骨材及びバインダーの混合物における無灰炭の含有量の下限としては、20質量%が好ましく、21質量%がより好ましい。一方、上記含有量の上限としては、35質量%が好ましく、33質量%がより好ましく、30質量%がさらに好ましく、28質量%が特に好ましい。上記含有量が上記下限より小さいと、得られる炭素材料の製造コストが増加するおそれがある。逆に、上記含有量が上記上限を超えると、得られる炭素材料の曲げ強さが向上し難くなるおそれがある。   As a minimum of content of ashless charcoal in a mixture of an aggregate and a binder, 20 mass% is preferred and 21 mass% is more preferred. On the other hand, the upper limit of the content is preferably 35% by mass, more preferably 33% by mass, further preferably 30% by mass, and particularly preferably 28% by mass. If the content is less than the lower limit, the production cost of the resulting carbon material may increase. Conversely, if the content exceeds the upper limit, the bending strength of the resulting carbon material may be difficult to improve.

骨材とバインダーとの混合方法は特に限定されず、例えば公知のミキサーに骨材及びバインダーを投入して常法で粉砕しながら攪拌する方法を用いることができる。この方法を用いることで、骨材又はバインダーが凝集した二次粒子を粉砕すると共に、これらを粒状に粉砕することができる。なお、予め粉砕した骨材及びバインダーを混合してもよい。   The method for mixing the aggregate and the binder is not particularly limited, and for example, a method in which the aggregate and the binder are put into a known mixer and stirred while being pulverized by a conventional method can be used. By using this method, secondary particles in which aggregates or binders are aggregated can be pulverized, and these can be pulverized into granules. In addition, you may mix the aggregate and binder which were grind | pulverized previously.

骨材とバインダーとの混合物には、必要に応じて無灰炭及びポリイミド以外のバインダーや無灰炭コークス以外の骨材を混合してもよい。上記無灰炭及びポリイミド以外のバインダーとしては、例えば石炭ピッチが挙げられる。この石炭ピッチを加えることでバインダーの融点を低下することができる。また、無灰炭及びポリイミド以外のバインダーの無灰炭に対する混合割合の上限としては、10質量%が好ましく、5質量%がより好ましい。無灰炭及びポリイミド以外のバインダーの混合割合が上記上限を超えると、得られる炭素材料の曲げ強さが不十分となるおそれがある。   In the mixture of aggregate and binder, if necessary, a binder other than ashless coal and polyimide and an aggregate other than ashless coal coke may be mixed. Examples of binders other than the ashless coal and polyimide include coal pitch. By adding this coal pitch, the melting point of the binder can be lowered. Moreover, as an upper limit of the mixing ratio with respect to ashless coal of binders other than ashless coal and a polyimide, 10 mass% is preferable and 5 mass% is more preferable. If the mixing ratio of binders other than ashless charcoal and polyimide exceeds the above upper limit, the bending strength of the resulting carbon material may be insufficient.

[加熱成形工程]
加熱成形工程では、骨材とバインダーとの混合物を加熱により所望の形状に成形する。上記混合物を成形することで、無灰炭及びポリイミドによるバインダー効果によって各炭素材料間の結合をより強固にし、炭素材料の曲げ強さを向上できる。また、炭素材料の粉化や嵩密度の低下を抑制できる。
[Heat forming process]
In the heat forming step, the mixture of the aggregate and the binder is formed into a desired shape by heating. By molding the mixture, the bond between the carbon materials can be further strengthened by the binder effect of ashless coal and polyimide, and the bending strength of the carbon material can be improved. Moreover, the powdering of a carbon material and the fall of a bulk density can be suppressed.

混合物の成形方法は特に限定されるものではなく、例えば平ロールを有するダブルロール(双ロール)型成形機、アーモンド型ポケットを有するダブルロール型成形機、プレス成形機、押出成形機等による成形方法を用いることができる。これらのなかでもダブルロール型成形機を用いて混合物をブリケット形状やシート状の成形体に成形することが好ましい。   The molding method of the mixture is not particularly limited. For example, a molding method using a double roll (double roll) molding machine having a flat roll, a double roll molding machine having an almond pocket, a press molding machine, an extrusion molding machine, or the like. Can be used. Among these, it is preferable to form the mixture into a briquette-shaped or sheet-shaped molded body using a double roll type molding machine.

また、本工程では混合物を加熱しながら成形する熱間成形を行う。このように混合物を高温下で加圧成形することで、無灰炭及びポリイミドが軟化後に塑性変形して無灰炭コークス間の空隙を充填し、より一層緻密化した成形体を得ることができる。   In this step, hot forming is performed in which the mixture is formed while being heated. Thus, by pressing the mixture under high temperature, the ashless coal and polyimide are plastically deformed after being softened to fill the gaps between the ashless coal coke, and a further compacted compact can be obtained. .

本工程における加熱温度の下限としては、200℃が好ましく、230℃がより好ましい。一方、上記加熱温度の上限としては、380℃が好ましく、350℃がより好ましい。上記加熱温度が上記下限より小さいと、混合物が十分に成形されないおそれがある。逆に、上記加熱温度が上記上限を超えると、無灰炭等の熱分解が生じるおそれがある。   As a minimum of heating temperature in this process, 200 ° C is preferred and 230 ° C is more preferred. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 380 ° C, more preferably 350 ° C. If the heating temperature is lower than the lower limit, the mixture may not be sufficiently molded. Conversely, if the heating temperature exceeds the upper limit, thermal decomposition of ashless coal or the like may occur.

また、無灰炭の軟化開始温度をT1(℃)としたとき、本加熱成形工程における混合物の加熱温度の下限としては、T1+20℃が好ましく、T1+30℃がより好ましい。混合物の加熱温度が上記下限未満の場合、無灰炭の変形性が不十分となり、炭素材料の密度が不十分となるおそれがある。   Moreover, when the softening start temperature of ashless coal is set to T1 (degreeC), as a minimum of the heating temperature of the mixture in this thermoforming process, T1 + 20 degreeC is preferable and T1 + 30 degreeC is more preferable. When the heating temperature of the mixture is less than the above lower limit, the deformability of ashless coal becomes insufficient, and the density of the carbon material may be insufficient.

上記成形時の成形圧力は特に限定されないが、成形圧力の下限としては、0.5ton/cmが好ましく、1ton/cmがより好ましい。一方、上記成形圧力の上限としては、5ton/cmが好ましく、4ton/cmがより好ましい。上記成形圧力が上記下限より小さいと、成形体の密度が不十分となり、得られる炭素材料の嵩密度が低下するおそれがある。逆に、上記成形圧力が上記上限を超えると、成形体にひび割れ等が生じるおそれがある。 Molding pressure during the molding is not particularly limited, the lower limit of the molding pressure is preferably 0.5ton / cm 2, 1ton / cm 2 is more preferable. On the other hand, the upper limit of the molding pressure is preferably 5ton / cm 2, 4ton / cm 2 is more preferable. If the molding pressure is less than the lower limit, the density of the molded body becomes insufficient, and the bulk density of the resulting carbon material may be reduced. On the other hand, if the molding pressure exceeds the upper limit, there is a risk that cracks or the like occur in the molded body.

[炭化工程]
炭化工程では、上記混合物の成形体を加熱し炭素材料を得る。本工程は、混合物中の炭素化を行う炭素化工程、及び炭素化の混合物をさらに加熱し黒鉛化する黒鉛化工程を備える。
[Carbonization process]
In the carbonization step, a carbon material is obtained by heating the shaped body of the mixture. This step includes a carbonization step of performing carbonization in the mixture, and a graphitization step of further heating and graphitizing the carbonization mixture.

<炭素化工程>
炭素化工程では、上記成形工程で得られた成形体を炭素化する。成形体の炭素化は、非酸化性雰囲気下で加熱することによって行なう。具体的には、成形体を電気炉等の任意の加熱装置へ装入し、内部を非酸化性ガスで置換した後、この加熱装置内へ非酸化性ガスを吹き込みながら加熱する。加熱によって無灰炭及びポリイミドは軟化及び溶融を経て再固化され、無灰炭コークスの空隙は無灰炭及びポリイミドにより充填される。
<Carbonization process>
In the carbonization step, the molded body obtained in the molding step is carbonized. Carbonization of the molded body is performed by heating in a non-oxidizing atmosphere. Specifically, the molded body is charged into an arbitrary heating device such as an electric furnace, the inside is replaced with a non-oxidizing gas, and then heated while blowing the non-oxidizing gas into the heating device. The ashless coal and polyimide are softened and melted by heating to be re-solidified, and the ashless coal coke voids are filled with ashless coal and polyimide.

本工程における加熱温度は炭素材料に求める特性により適宜設定すればよく、特に制限されないが、加熱温度の下限としては、500℃が好ましく、700℃がより好ましい。一方、加熱温度の上限としては、3000℃が好ましく、2800℃がより好ましい。加熱温度が上記下限未満の場合、炭素化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱温度が上記上限を超える場合、設備の耐熱性向上や燃料消費量の観点から製造コストが上昇するおそれがある。   The heating temperature in this step may be appropriately set depending on the characteristics required for the carbon material, and is not particularly limited, but the lower limit of the heating temperature is preferably 500 ° C, more preferably 700 ° C. On the other hand, as an upper limit of heating temperature, 3000 degreeC is preferable and 2800 degreeC is more preferable. When the heating temperature is less than the above lower limit, carbonization may be insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds the above upper limit, the production cost may increase from the viewpoint of improving the heat resistance of the equipment and fuel consumption.

また、本工程における昇温速度の下限としては、0.01℃/分が好ましく、0.1℃/分がより好ましい。一方、上記昇温速度の上限としては、1℃/分が好ましく、0.8℃/分がより好ましい。上記昇温速度が上記下限より小さいと、炭素化にかかる時間が増加し、炭素材料の製造効率が低下するおそれがある。逆に、上記昇温速度が上記上限を超えると、急激な温度変化により成形体にひび割れ等が生じるおそれがある。   Moreover, as a minimum of the temperature increase rate in this process, 0.01 degree-C / min is preferable and 0.1 degree-C / min is more preferable. On the other hand, the upper limit of the heating rate is preferably 1 ° C./min, and more preferably 0.8 ° C./min. When the rate of temperature increase is smaller than the lower limit, the time required for carbonization increases and the production efficiency of the carbon material may be reduced. On the other hand, if the rate of temperature rise exceeds the upper limit, there is a risk that cracks or the like may occur in the molded body due to a rapid temperature change.

本工程において、昇温後の温度保持時間も炭素材料に求める特性により適宜設定すればよく、昇温後すぐに黒鉛化工程に移行してもよい。本工程において、昇温後に温度を保持する場合、保持時間の上記加熱時間の上限としては、10時間が好ましく、8時間がより好ましい。上記保持時間が上記上限を超える場合、炭素材料の生産効率が低下するおそれがある。   In this step, the temperature holding time after the temperature rise may be appropriately set depending on the characteristics required of the carbon material, and the process may be shifted to the graphitization step immediately after the temperature rise. In this step, when the temperature is held after the temperature rise, the upper limit of the heating time of the holding time is preferably 10 hours, and more preferably 8 hours. When the said holding time exceeds the said upper limit, there exists a possibility that the production efficiency of a carbon material may fall.

上記非酸化性ガスとしては、炭素材料の酸化を抑えられるものであれば特に限定されないが、不活性ガスが好ましく、不活性ガスの中でも経済的観点から窒素ガスがより好ましい。   The non-oxidizing gas is not particularly limited as long as the oxidation of the carbon material can be suppressed, but an inert gas is preferable, and nitrogen gas is more preferable from the economical viewpoint among the inert gases.

<黒鉛化工程>
黒鉛化工程では、上記炭素化工程で炭素化した成形体をさらに黒鉛化する。成形体の黒鉛化は、上記炭素化工程と同様の非酸化性雰囲気下で、炭素化工程よりも高温で加熱することによって行う。黒鉛化工程では、上記炭素化工程と同様の加熱装置を用いることができる。
<Graphitization process>
In the graphitization step, the molded body carbonized in the carbonization step is further graphitized. Graphitization of the molded body is performed by heating at a higher temperature than the carbonization step in a non-oxidizing atmosphere similar to the carbonization step. In the graphitization step, the same heating device as that in the carbonization step can be used.

本工程における加熱温度は炭素材料に求める特性により適宜設定すればよく、特に制限されないが、加熱温度の下限としては、2000℃が好ましく、2200℃がより好ましい。一方、加熱温度の上限としては、3000℃が好ましく、2800℃がより好ましい。加熱温度が上記下限未満の場合、黒鉛化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱温度が上記上限を超える場合、設備の耐熱性向上や燃料消費量の観点から製造コストが上昇するおそれがある。   The heating temperature in this step may be appropriately set depending on the characteristics required for the carbon material, and is not particularly limited. However, the lower limit of the heating temperature is preferably 2000 ° C and more preferably 2200 ° C. On the other hand, as an upper limit of heating temperature, 3000 degreeC is preferable and 2800 degreeC is more preferable. When the heating temperature is less than the lower limit, graphitization may be insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds the above upper limit, the production cost may increase from the viewpoint of improving the heat resistance of the equipment and fuel consumption.

また、本工程における昇温速度の下限としては、0.01℃/分が好ましく、0.1
℃/分がより好ましい。一方、上記昇温速度の上限としては、3℃/分が好ましく、2℃/分がより好ましい。上記昇温速度が上記下限より小さいと、黒鉛化にかかる時間が長くなり、炭素材料の製造効率が低下するおそれがある。逆に、上記昇温速度が上記上限を超えると、黒鉛組織が成長し難くなるおそれがある。
Moreover, as a minimum of the temperature increase rate in this process, 0.01 degree-C / min is preferable, 0.1 degree
C / min is more preferable. On the other hand, the upper limit of the heating rate is preferably 3 ° C./min, and more preferably 2 ° C./min. When the rate of temperature increase is smaller than the lower limit, the time required for graphitization becomes long, and the production efficiency of the carbon material may be reduced. On the other hand, if the rate of temperature rise exceeds the upper limit, the graphite structure may be difficult to grow.

本工程における昇温後の温度保持時間も炭素材料に求める特性により適宜設定すればよく、特に制限されないが、保持時間の下限としては、30分が好ましく、45分がより好ましい。一方、上記保持時間の上限としては、10時間が好ましく、5時間がより好ましい。保持時間が上記下限より小さいと、黒鉛化が不十分となるおそれがある。逆に、保持時間が上記上限を超えると、炭素材料の生産効率が低下するおそれがある。   The temperature holding time after the temperature increase in this step may be appropriately set depending on the characteristics required of the carbon material and is not particularly limited, but the lower limit of the holding time is preferably 30 minutes and more preferably 45 minutes. On the other hand, the upper limit of the holding time is preferably 10 hours, and more preferably 5 hours. If the holding time is smaller than the above lower limit, graphitization may be insufficient. Conversely, if the holding time exceeds the above upper limit, the production efficiency of the carbon material may be reduced.

<炭素材料>
このようにして得られた炭素材料は曲げ強さに優れる。当該炭素材料の灰分の上限としては、5000ppmが好ましく、3000ppmがより好ましい。また、当該炭素材料の嵩密度の下限としては、1.5g/cmが好ましく、1.6g/cmがより好ましく、1.63g/cmがさらに好ましく、1.66g/cmが特に好ましい。当該炭素材料の灰分が上記下限以下、かつ嵩密度が上記下限以上であることで、当該炭素材料はひびや割れの発生が防止されると共に、膨張、変形、粉化等することなく炭素化する前の成形体の形状を保持できる。
<Carbon material>
The carbon material thus obtained is excellent in bending strength. The upper limit of the ash content of the carbon material is preferably 5000 ppm and more preferably 3000 ppm. The lower limit of the bulk density of the carbon material is preferably 1.5 g / cm 3, more preferably 1.6 g / cm 3, more preferably 1.63 g / cm 3, especially 1.66 g / cm 3 preferable. Since the ash content of the carbon material is not more than the above lower limit and the bulk density is not less than the above lower limit, the carbon material is prevented from cracking and cracking and carbonized without being expanded, deformed, powdered, or the like. The shape of the previous molded body can be maintained.

<利点>
当該炭素材料の製造方法では、バインダーが無灰炭とポリイミドとを含有し、ポリイミドの上記混合物における含有量を特定範囲内とすることで、無灰炭分子がポリイミド分子と絡み合い、炭素材料内におけるバインダー由来の構造の曲げ強さが向上する。また、バインダーが骨材同士の空間に効率良く充填されるため嵩密度を向上でき、高い曲げ強さを発揮する炭素材料が得られる。さらに、安価な無灰炭と高価なポリイミドとを混合して用いることで、炭素材料の製造にかかるコストを低減できる。
<Advantages>
In the manufacturing method of the carbon material, the binder contains ashless coal and polyimide, and the content of the polyimide in the above mixture is within a specific range, so that the ashless coal molecule is entangled with the polyimide molecule, and in the carbon material. The bending strength of the structure derived from the binder is improved. Moreover, since the binder is efficiently filled into the space between the aggregates, the carbon density can be improved and the carbon material exhibiting high bending strength can be obtained. Furthermore, the cost concerning manufacture of a carbon material can be reduced by mixing and using an inexpensive ashless coal and an expensive polyimide.

[その他の実施形態]
当該炭素材料の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、無灰炭を含有する溶液とポリアミド酸重合体を含有する溶液とを混合した後に加熱して無灰炭とポリイミドとを含有するバインダーを得ているが、ポリイミドを任意の方法で合成した後、このポリイミドと無灰炭とを混合してバインダーを得てもよい。
[Other Embodiments]
The method for producing the carbon material is not limited to the above embodiment. In the above embodiment, a solution containing ashless charcoal and polyimide is obtained by mixing a solution containing ashless charcoal and a solution containing a polyamic acid polymer. After the synthesis, the polyimide and ashless coal may be mixed to obtain a binder.

また、無灰炭を含有する溶液及びポリアミド酸重合体を含有する溶液と、骨材としての無灰炭コークスを混合し、その後加熱することでポリアミド酸重合体をイミド化し、骨材とバインダーとの混合物を得てもよい。   Further, a solution containing ashless coal and a solution containing a polyamic acid polymer and an ashless coal coke as an aggregate are mixed and then heated to imidize the polyamic acid polymer, and the aggregate and binder A mixture of

さらに、骨材と無灰炭とを先に混合し、その後ポリアミド酸重合体又はポリイミドを加えてもよい。逆に、骨材とポリアミド酸重重合体又はポリイミドとを先に混合し、その後無灰炭を加えてもよい。   Further, the aggregate and ashless coal may be mixed first, and then the polyamic acid polymer or polyimide may be added. Conversely, the aggregate and the polyamic acid polymer or polyimide may be mixed first, and then ashless charcoal may be added.

また、バインダーの調製において、溶媒除去工程とイミド化工程を同時に行ってもよい。この場合、加熱時の圧力及び温度は適宜調節できる。   In preparing the binder, the solvent removal step and the imidization step may be performed simultaneously. In this case, the pressure and temperature during heating can be adjusted as appropriate.

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

[実施例1]
<無灰炭の製造>
オーストラリア産瀝青炭を無灰炭の原料石炭とし、この原料石炭1kg(乾燥炭換算質量)と、溶剤としての4倍量(4kg)の1−メチルナフタレンとを混合して、スラリーを調製した。このスラリーを内容積10Lのバッチ式オートクレーブ中に入れ窒素を導入して0.2MPaに加圧し、410℃で1時間加熱した。このスラリーを上述の温度及び圧力を維持した重力沈降槽内で上澄液と固形分濃縮液とに分離し、上澄液から蒸留法で溶剤を分離及び回収して、0.4kgの無灰炭を得た。この無灰炭のJIS−M8801(2004)のギーセラープラストメータ法に準拠して測定した軟化開始温度は190℃であった。
[Example 1]
<Manufacture of ashless coal>
An Australian bituminous coal was used as a raw coal of ashless coal, and 1 kg (dry coal equivalent mass) of this raw coal and 4 times amount (4 kg) of 1-methylnaphthalene as a solvent were mixed to prepare a slurry. This slurry was put into a batch type autoclave having an internal volume of 10 L, nitrogen was introduced, the pressure was increased to 0.2 MPa, and the mixture was heated at 410 ° C. for 1 hour. This slurry is separated into a supernatant and a solid concentrate in the gravity settling tank maintained at the above temperature and pressure, and the solvent is separated and recovered from the supernatant by distillation. 0.4 kg of ashless I got charcoal. The softening start temperature of this ashless coal measured according to the JIS-M8801 (2004) Gisela plastometer method was 190 ° C.

<バインダーの調製>
(ポリアミド酸重合体を含有する溶液)
4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(和光純薬工業社)40.0gを溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(和光純薬工業社)316.4gに添加し、ピロメリット酸二無水物(和光純薬工業社)43.6gを攪拌しながら少しずつ加えることでポリアミド酸重合体を含有する溶液を得た。得られた溶液におけるポリアミド酸重合体の濃度は20質量%であった。
<Preparation of binder>
(Solution containing polyamic acid polymer)
40.0 g of 4,4′-diaminodiphenyl ether (Wako Pure Chemical Industries) was added to 316.4 g of N-methyl-2-pyrrolidone (Wako Pure Chemical Industries) as a solvent, and pyromellitic dianhydride (Japanese) A solution containing a polyamic acid polymer was obtained by gradually adding 43.6 g of Kojunkaku Kogyo Co., Ltd. with stirring. The concentration of the polyamic acid polymer in the obtained solution was 20% by mass.

(無灰炭を含有する溶液の調製)
上記無灰炭と溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドンとを25:75(質量比)となるように混合し、100℃に加熱して30分攪拌した。その後、100℃に保持した状態でろ過を行い、ろ液と残渣とを分別して無灰炭を含有する溶液(ろ液)を得た。このろ液における無灰炭の濃度は19.9質量%であった。
(Preparation of solution containing ashless coal)
The ashless coal and N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent were mixed so as to be 25:75 (mass ratio), heated to 100 ° C., and stirred for 30 minutes. Then, it filtered in the state hold | maintained at 100 degreeC, the filtrate and the residue were fractionated, and the solution (filtrate) containing ashless coal was obtained. The concentration of ashless coal in this filtrate was 19.9% by mass.

(溶液の混合、溶媒の除去及びイミド化)
上記ポリアミド酸重合体を含有する溶液及び無灰炭を含有する溶液を混合し、30分攪拌した。次いで、真空(−76kPaG)中で120℃に加熱し、1時間保持することで混合溶液中の溶媒を除去し粉末を得た。その後、この粉末を窒素雰囲気下で250℃に加熱し、2時間保持することでポリアミド酸重合体をイミド化した。この加熱後の粉末を最大径が75μm以下となるように粉砕して粉末状のバインダーを得た。このバインダーにおける無灰炭及びポリイミドの含有量は、それぞれ91.4質量%及び8.6質量%であった。
(Solution mixing, solvent removal and imidization)
The solution containing the polyamic acid polymer and the solution containing ashless coal were mixed and stirred for 30 minutes. Subsequently, it heated at 120 degreeC in vacuum (-76kPaG), and was hold | maintained for 1 hour, the solvent in a mixed solution was removed, and powder was obtained. Thereafter, this powder was heated to 250 ° C. in a nitrogen atmosphere and held for 2 hours to imidize the polyamic acid polymer. The heated powder was pulverized so that the maximum diameter was 75 μm or less to obtain a powdery binder. The contents of ashless charcoal and polyimide in this binder were 91.4% by mass and 8.6% by mass, respectively.

<骨材(無灰炭コークス)の調製>
上記無灰炭を窒素雰囲気下で0.5℃/分の割合で加熱し、1000℃まで昇温することで炭素化した。その後、最大径が75μm以下となるように粉砕して骨材としての無灰炭コークスを得た。
<Preparation of aggregate (ashless coal coke)>
The ashless charcoal was heated at a rate of 0.5 ° C./min in a nitrogen atmosphere and heated to 1000 ° C. for carbonization. Then, it grind | pulverized so that a maximum diameter might be set to 75 micrometers or less, and the ashless coal coke as an aggregate was obtained.

<成形、炭素化及び黒鉛化>
無灰炭コークス65質量%とバインダー粉末35質量%とを混合し、この混合物を金型に入れ、280℃に加熱し、圧力3ton/cmで3分加圧し成形した。この成形物を加熱炉に入れ、窒素雰囲気下で0.5℃/分の割合で加熱し、1000℃まで昇温して炭素化させた。その後、さらに1℃/分の割合で2500℃まで昇温し、2500℃で1時間保持することで黒鉛化させ、実施例1の炭素材料を得た。
<Molding, carbonization and graphitization>
65% by mass of ashless coal coke and 35% by mass of binder powder were mixed, this mixture was put in a mold, heated to 280 ° C., and pressed at a pressure of 3 ton / cm 2 for 3 minutes to be molded. This molded product was put into a heating furnace, heated at a rate of 0.5 ° C./min in a nitrogen atmosphere, and heated to 1000 ° C. to be carbonized. Thereafter, the temperature was further increased to 2500 ° C. at a rate of 1 ° C./min and graphitized by holding at 2500 ° C. for 1 hour to obtain the carbon material of Example 1.

[実施例2〜4及び比較例1、2]
用いた無灰炭、ポリイミド及び無灰炭コークスの配合量を表1の通りとした以外は実施例1と同様にして、実施例2〜4及び比較例1、2の炭素材料を得た。
[Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2]
Carbon materials of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the blending amounts of ashless coal, polyimide and ashless coal coke used were as shown in Table 1.

Figure 2016179923
Figure 2016179923

(評価)
上記実施例1〜4及び比較例1、2の炭素材料について、嵩密度をJIS−K2151(2004)に準拠して測定した。また、得られた炭素材料の曲げ強さをJIS−R7222(1997)に準拠して測定し、以下の基準で評価を行った。これらの結果を表2に示す。なお、表2中、「−」は骨材とバインダーとの混合物が成形できず、測定不可であったことを示す。
A:曲げ強さが55MPa以上である。
B:曲げ強さが50MPa以上55MPa未満である。
C:曲げ強さが50MPa未満である。
(Evaluation)
About the carbon material of the said Examples 1-4 and the comparative examples 1 and 2, the bulk density was measured based on JIS-K2151 (2004). Moreover, the bending strength of the obtained carbon material was measured based on JIS-R7222 (1997), and the following criteria evaluated. These results are shown in Table 2. In Table 2, “-” indicates that the mixture of aggregate and binder could not be molded and measurement was impossible.
A: The bending strength is 55 MPa or more.
B: Bending strength is 50 MPa or more and less than 55 MPa.
C: The bending strength is less than 50 MPa.

Figure 2016179923
Figure 2016179923

表2に示されるように、バインダーとして無灰炭及びポリイミドを用い、かつポリイミドの含有量が15質量%以下である実施例1〜4では、曲げ強さに優れ、かつ比較例1の炭素材料より嵩密度が向上していた。特に、ポリイミドの含有量が7質量%以上13質量%以下である実施例3及び4では、曲げ強さにより優れていた。   As shown in Table 2, in Examples 1 to 4, in which ashless coal and polyimide are used as the binder, and the polyimide content is 15% by mass or less, the carbon material of Comparative Example 1 is excellent in bending strength. The bulk density was further improved. In particular, in Examples 3 and 4 in which the polyimide content was 7% by mass or more and 13% by mass or less, the bending strength was superior.

一方、バインダーとして無灰炭のみを用いた比較例1では、実施例の炭素材料と比べ曲げ強さが劣っていた。また、ポリイミドの含有量が15質量%を超える比較例2では、バインダーと骨材との混合物が成形できなかった。   On the other hand, in Comparative Example 1 using only ashless coal as the binder, the bending strength was inferior to the carbon material of the example. Moreover, in the comparative example 2 in which content of a polyimide exceeds 15 mass%, the mixture of a binder and an aggregate could not be shape | molded.

以上説明したように、本発明の炭素材料の製造方法は、低コストで曲げ強さに優れる炭素材料を得ることができる。このような炭素材料は、構造用部材、電気電子部品、金属還元材等として好適に用いることができる。   As described above, the carbon material manufacturing method of the present invention can obtain a carbon material having excellent bending strength at low cost. Such a carbon material can be suitably used as a structural member, an electric / electronic component, a metal reducing material, or the like.

Claims (6)

骨材及びそのバインダーを混合する工程と、
上記混合物を加熱成形する工程と、
上記成形体を炭化する工程と
を備える炭素材料の製造方法であって、
上記バインダーが石炭の溶剤抽出処理により得られる無灰炭とポリイミドとを含有し、
上記混合物中のポリイミドの含有量が1質量%以上15質量%以下であることを特徴とする炭素材料の製造方法。
Mixing the aggregate and its binder;
A step of thermoforming the mixture;
A carbon material production method comprising: carbonizing the molded body,
The binder contains ashless coal and polyimide obtained by solvent extraction treatment of coal,
Content of the polyimide in the said mixture is 1 mass% or more and 15 mass% or less, The manufacturing method of the carbon material characterized by the above-mentioned.
上記炭化工程において、上記混合物を500℃以上3000℃以下で加熱する請求項1に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein in the carbonization step, the mixture is heated at 500 ° C. or more and 3000 ° C. or less. 上記骨材が、無灰炭を乾留した無灰炭コークスである請求項1又は請求項2に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1 or 2, wherein the aggregate is ashless coal coke obtained by carbonizing ashless coal. 上記混合工程が、無灰炭を含有する溶液とポリアミド酸重合体を含有する溶液とを混合する工程、上記混合溶液中の溶媒を揮発させ粉末を得る工程、上記混合溶液を加熱し上記ポリアミド酸重合体をイミド化する工程、及び上記粉末と骨材とを混合する工程を備える請求項1、請求項2又は請求項3に記載の炭素材料の製造方法。   The mixing step includes a step of mixing a solution containing ashless coal and a solution containing a polyamic acid polymer, a step of volatilizing a solvent in the mixed solution to obtain a powder, and heating the mixed solution to form the polyamic acid. The method for producing a carbon material according to claim 1, 2 or 3, comprising a step of imidizing a polymer and a step of mixing the powder and the aggregate. 上記炭化工程が、上記成形体を炭素化する工程と、炭素化した成形体を黒鉛化する工程とを備える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbonizing step includes a step of carbonizing the formed body and a step of graphitizing the carbonized formed body. 骨材及びそのバインダーを含む混合物の成形及び炭素化により形成される炭素材料であって、
上記骨材として、無灰炭を乾留した無灰炭コークスが用いられ、
上記バインダーとして、石炭の溶剤抽出処理により得られる無灰炭及びポリイミドが用いられており、
上記混合物中のポリイミドの含有量が1質量%以上15質量%以下であることを特徴とする炭素材料。
A carbon material formed by molding and carbonization of a mixture containing an aggregate and its binder,
As the above aggregate, ashless coal coke obtained by carbonizing ashless coal is used,
As the binder, ashless coal and polyimide obtained by solvent extraction treatment of coal are used,
A carbon material, wherein the content of the polyimide in the mixture is 1% by mass or more and 15% by mass or less.
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