JP2788513B2 - ガラス状カーボン粉末及びその製造方法 - Google Patents

ガラス状カーボン粉末及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、耐食性、耐薬品性等に優れた比表面積の大
きなガラス状カーボン粉末に関する。
[従来の技術] カーボン粉は耐熱性、電気伝導性、耐薬品性等に優れ
ているため、多くの用途に使用されている。通常は、コ
ークスとピッチを原料とする成形体を作成し、これを焼
成し、黒鉛化の上粉砕して、カーボン(黒鉛)粉末とす
ることが行なわれているが、比較的耐食性に劣るカーボ
ン粉末となる。
一方、同じくカーボン粉末ではあるが、通常のカーボ
ンとは異質のガラス状カーボンが知られている。
このガラス状カーボンの粉末は、フェノール樹脂、フ
ラン樹脂等の合成樹脂あるいはピッチ等を原料として特
殊な方法により製造された球状の粉末で商品化されてい
る。
[発明が解決しようとする課題] 現在市販されているガラス状カーボン粉末は、球状で
かつその特異な性質(硬質ガラス状、気密性)から比表
面積が極めて小さいため、比表面積の大きなことを求め
られる用途(各種電池用極材、触媒担持用、etc)には
不向きであった。
またガラス状カーボンの成形体としてはフェノール樹
脂、フラン樹脂、塩素化塩ビ等の樹脂を賦形した後、比
酸化性雰囲気下で発泡、割れ等を回避しながら長時間を
かけて焼成することにより得られていた。この方法で得
られるガラス状カーボンは硬質炭素であり、気密性、耐
食性、耐薬品性に優れる等の特徴を有していた。これを
粉砕すればガラス状カーボン粉となるが表面積は極めて
小さいものである。
比表面積を大きくする方法としては、粉の粒度を細か
くする方法、活性化処理を行なう方法が考えられる。
しかしながら、粉砕法で粒度を1μm以下のように細
かくすることはコストが大きくなるばかりでなく、球状
物や緻密なガラス状カーボンの粉砕品ではたとえ粉砕し
ても200m2/gのような表面積の粉末を得ることは困難で
ある。
本発明者らは、粉末製造のために低いコストで済み、
取扱い易い粒度であって、且つそれでも大なる比表面積
を有するガラス状カーボン粉末を得るための検討を行な
った。
[課題を解決するための手段] 本発明者らは、研究の結果、平均粒径:1μm以上であ
って、比表面積:200m2/g以上の非球状ガラス状カーボン
粉末を開発することに成功し、本発明を完成にするに至
った。
また、上記のごときガラス状カーボン粉末は熱硬化性
樹脂、揮発性発泡剤を混合、硬化剤で発泡硬化した発泡
体を非酸化性雰囲気で焼成し粉砕するか、または発泡体
を粉砕した後非酸化性雰囲気で焼成することにより比表
面積が200m2/g以上の非球状ガラス状カーボン粉末を容
易に得ることができる製造法を開発した。
ガラス状カーボンとはグラッシーカーボンとも呼ば
れ、通常緻密なガス不透過性の硬質の炭素であって、耐
食性、耐薬品性に優れているものであり、これを粉砕し
ても通常はさほど表面積を大きくすることは出来ない。
本発明者らはガラス状カーボンを多孔質とし、これを
粉砕して平均粒径1μm以上の粉末であって、且つ比表
面積が200m2/g以上であり、且つ耐食性、耐薬品性を損
なわずに極めて比表面積の大きなガラス状カーボン粉末
を開発することに成功した。
この比表面積の大きなガラス状カーボンを製造するに
は、ガラス状カーボン製造原料として用いられている熱
硬化性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性
樹脂に揮発性発泡剤を混合し、硬化剤で硬化する。フェ
ノール樹脂としてはレゾールタイプ、ノボラックタイプ
の両方とも使用可能であるが、発泡成形体の製造の容易
性ではレゾールタイプが好ましい。
揮発性発泡剤としては発泡フェノール樹脂の製造の場
合に使用されているものであれば有機、無機いずれの発
泡剤であっても使用できるが、取扱いの容易性、発泡効
率の面から沸点が5〜60℃の範囲にある有機質揮発性発
泡剤が好ましい。例えば、トリクロロモノフルオロメタ
ン、ジクロロモノフルオロメタン、メチレンクロリド、
トリクロロトリフルオロエタン、アセトン、エーテル、
石油エーテル、ペンタン等をあげることが出来る。
有機質揮発性発泡剤の使用量は、熱硬化性樹脂100重
量部に対し、5〜50重量部が適当である。
この範囲より少ないときは充分な比表面積を得ること
が困難となり、またこれ以上を使用するときは嵩高にな
り、ハンドリングが困難になったり収率が低くなる等の
問題はあるが、この範囲外でも操作の困難は増すが、不
可能ではない。
また硬化剤としては、熱硬化性樹脂を出来るだけ早く
硬化できるものがよく、通常は有機酸または無機酸の強
酸が便利である。例えば、フェノールスルホン酸、ベン
ゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、リン酸、硫
酸、ホウ酸等が使用できる。
使用量は硬化剤の種類により異なるが、一般に熱硬化
性樹脂100重量部に対して1〜30重量部程度である。
なお、発泡作用を円滑に勧め、適度な大きさの気孔の
分散と通気性気泡(連続気泡)の生成率を高めるため、
界面活性剤、例えばポリジメチルシロキサン−ポリアル
キレンオキサイド−ブロックコポリマー、ビニルシラン
−ポリアルキレンポリオール共重合体等のシリコン系界
面活性剤を混合物に少量添加して、硬化反応させること
が望ましい。
なお、硬化に際して熱硬化性樹脂に炭素質フィラーを
添加してから硬化させてもよい。この炭素質フィラーと
しては、炭素粉末、黒鉛微粉、カーボンブラック、炭素
繊維等があるが、粒度が小さい方がよく、またその添加
量は熱硬化性樹脂100重量部に対し、臨界的でないが最
大30重量部位に止めるべきである。
この炭素質フィラーの添加は電気比抵抗の低減等、本
発明で得られるガラス状カーボン粉末の物性の調整する
ものでしかなく、本質的なものではない。
次に本発明の製造方法について説明する。代表的な方
法としては、前記熱硬化性樹脂、揮発性発泡剤、硬化剤
の反応混合物に、更に必要に応じ界面活性剤、炭素質フ
ィラーをミキサー等を用いて均一に混合、分散させ、パ
ネルプレス等に注入し、あとで粉砕が容易になるように
所望のサイズ、形状になるように成形し、60〜90℃程度
に加熱しながら樹脂を発泡、硬化させる。この際、気泡
は均一に分散し、且つ通気性気泡であることが望まし
く、これを得るためには従来の発泡プラスチックの発泡
法の技術を応用することがよい。
得られた硬化した発泡樹脂は、密度が0.05〜0.2程度
であり、そのまま真空又は窒素等の非酸化性雰囲気下に
おいて800℃以上の温度で炭素化し、ガラス状カーボン
の発泡体を得る。
この焼成後の発泡体の密度は焼成のとき体積が1/2程
度に収縮するので、発泡樹脂と同じく0.05〜0.2g/cm3
度である。
このようにして得られたカーボン発泡体は、通常の機
械的粉砕、例えば衝撃粉砕で粉砕し、ガラス状のカーボ
ン粉末とする。
あるいは熱硬化した発泡樹脂を、あらかじめ粉砕した
後、上記と同様の条件でガラス状カーボン粉末としても
よい。
このような方法で製造されたガラス状カーボン粉末は
ガラス状カーボンの特徴を備えておりながら、平均粒径
に比してその比表面積は極めて大であって、各種電池用
部材、触媒担体、キャパシター、吸蔵材等に高性能なカ
ーボン粉末として有用である。
なお、ここで得られたガラス状カーボン粉末は更に必
要であれば、通常の黒鉛化と同様の高温焼成条件で処理
してもよい。
以下、実施例を示す。
[実施例] (実施例1) 液状レゾールフェノール樹脂100gにシリコン系界面活
性剤((株)信越化学社製、F−305,ジメチルポリシロ
キサンとポリエーテルのブロックコポリマー)2g、発泡
剤としてフレオン−113(1,1,2−トルフルオル−1,2,2
−トリクロルエタン)10gを加えてミキサーで充分撹拌
した後、硬化剤として63%フェノールスルホン酸20gを
加え、更に30秒撹拌して、あらかじめ80℃に加熱したパ
ネルプレス(600×600×50mm)内に注入し発泡せしめ、
10分硬化反応を行ない脱型した。
この発泡体を非酸化性雰囲気下で各温度に20℃/hrの
昇温速度で焼成した後、奈良式粉砕機で粉砕し、所定粒
度のガラス状カーボン粉とした。
これらガラス状カーボン粉の比表面積を常法に従い、
BET法(N2ガス)により測定した。
また、ガラス状カーボン粉末の電気比抵抗は、第1図
に示すように絶縁板上に銅板を敷き、その上に内径10mm
φのプラスチック製円筒を置き、内部にサンプルを入
れ、プラスチック円筒に内挿するように銅製円柱を入
れ、その上に絶縁板をおいて荷重が5g/cm2になるように
圧縮し、上部銅製円柱と下部の銅板の間に1アンペアの
定電流を通じ、電気比抵抗を測定した。結果を表1に示
す。
本実験より明らかなように本発明で得られるガラス状
カーボン粉はミクロポアーが多く、極めて大きな比表面
積を有していた。
(実施例2) 実施例1と同様にし、炭素フィラーを添加した場合の
効果について調べた。各々の配合を表2に示した。この
ようにして得られたガラス状カーボン粉の比表面積の測
定結果及び粉体電気比抵抗測定結果を表2に示した。実
施例1と同様に極めて大きな比表面積を有するガラス状
カーボン粉末であり、炭素フィラーの添加は粉体電気比
抵抗の低減作用があることがわかった。
(実施例3) 実施例1と同様にして作成した発泡硬化成形体を焼成
段階の前に機械的粉砕処理を施した後、焼成を行ない、
ガラス状カーボン紛を得た。これらのカーボン粉につい
て実施例1,2と同様に比表面積、粉体の電気比抵抗を測
定した。得られた結果を表3に示した。これらの結果に
より、粉砕工程を焼成前に行なっても、実施例1,2と同
様の比表面積の大きなガラス状カーボン粉を得られるこ
とが分かった。
[発明の効果] 以上の説明で明らかなように、本発明により得られる
ガラス状カーボン粉は賦活処理を施すことなく、且つ取
扱いの容易な粒度の大きな状態で大きな比表面積を有す
るカーボン粉である。
また、ガラス状カーボンは耐薬品性、耐食性等に優れ
た材料であることは周知のことであり、本発明で得られ
るガラス状カーボン粉は各種電池用、触媒担体用、電気
二重層を利用したキャパシター用、各種気体の吸蔵材用
等のカーボン材料として好適な材料である。
また、本発明で得られるガラス状カーボン粉は水蒸
気、ハロゲンガス等による賦活処理等を必要としないた
めに安価に製造が可能であり、産業界に寄与する度合い
が極めて大きい。もちろん賦活処理を施せば従来品以上
の比表面積を有するカーボン粉末を容易に得ることが出
来る。
なお、本発明の上記の説明は熱硬化性樹脂、有機質発
泡剤またはこれに炭素フィラーを混合し、酸硬化剤で加
熱硬化成形する系についてのみ述べているが、炭素フィ
ラーの代替物、例えば焼成で炭化するデンプン、セルロ
ース樹脂、PANファイバーなどの各種有機物、あるいは
焼成中にほとんど揮散消失するポリエチレン粉末や無機
物などの各種添加物等を用いても同じ結果が得られるこ
とは容易に推論可能であり、これら炭素フィラーの代替
物の添加は本質的には本発明に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はガラス状カーボン粉の電気比抵抗を測定するた
めの概念図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C01B 31/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒径:1μm以上であって、比表面積:2
    00m2/g以上の非球状ガラス状カーボン粉末。
  2. 【請求項2】熱硬化性樹脂、揮発性発泡剤を混合、硬化
    剤で発泡硬化した発泡体を非酸化性雰囲気で焼成し粉砕
    するか、または該発泡体を粉砕した後非酸化性雰囲気で
    焼成することを特徴とする比表面積が200m2/g以上の非
    球状ガラス状カーボン粉末の製造方法。
  3. 【請求項3】炭素フィラーを熱硬化性樹脂、揮発性発泡
    剤と共に混合し、硬化発泡体とし、非酸化性雰囲気で焼
    成することを特徴とする特許請求の範囲第2項の非球状
    ガラス状カーボン粉末の製造方法。
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