JP4350995B2 - 炭素多孔体の製造方法 - Google Patents
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Description
(i) ポリイミド樹脂はその原料を選ぶことによって、結晶性を制御することができ、異なる結晶性のポリイミドからは、それぞれ、アモルファスカーボン多孔体も、グラファイト多孔体も作り得る。従って、本発明によれば、導電性、熱伝導性の高い炭素多孔体を容易に得ることができる。
(ii) 樹脂フォームとして用いる「連続気泡性で熱硬化性樹脂発泡体」のセルサイズや通気性(樹脂フォーム中の連続気泡と独立気泡の存在割合に依存)を可変することにより、得られる炭素多孔体のセルサイズや通気性を制御することができる。このように製造する炭素多孔体の気孔制御ができることにより、フィルタ、触媒担持体、放熱材などの用途に用いた場合に、その用途に最適化した気孔を持った製品を容易に提供できることになる。
(iii) また、炭素源として用いるポリイミドは、焼成による収縮が小さいため、焼成前後の3次元網目構造の形状保持性に優れる。したがって、例えば、樹脂フォームを予めモールド成形するか、切断加工成形した後、ポリイミド前駆体を含浸させて炭素多孔体を得ることで、設計通りの形状の炭素製品を容易に提供することができる。加工性の悪い炭素材料を切削などで加工しないで、炭素成形品が得られることの実際の利益は、当該製品の提供において、品質の向上、製造コストの低減、多品種少量生産の実現など実に広範囲な影響がもたらし得る。
(iv) 本発明において樹脂フォームとしてメラミン樹脂フォームやポリエステル系のウレタンフォームを用いることにより、ポリイミド前駆体の含浸工程も容易であり、焼成後の炭化物が極めて少ないため、ポリイミドからの良質な炭素材料をほぼ純粋に得ることができる。
本発明で用いるポリイミド前駆体樹脂としては、芳香族酸無水物と芳香族ジアミンの反応により得られたポリアミック酸やそのエステルが好適である。このような芳香族酸二無水物と芳香族ジアミンからなるポリイミドは、焼成すると、極めて炭素収率が高く、かつ性能の良い炭素材を与えることができる。前記酸二無水物としては、ピロメリット酸二無水物(PMDA)、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)などが例示できる。ジアミンとしては、オキシジアニリン(ODA)、パラフェニレンジアミン(PPD)、ジアミノベンゾフェノン(DAB)などが例示できる。これらの酸二無水物とジアミンはジメチルアセトアミド(DMAC)、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルフォルムアミド(DMF)、ジメチルスルフォキシド(DMSO)など溶媒を用いて合成される。このような炭素化するに好ましいポリイミド前駆体の種類や調整条件については、Chemistry and Physics Carbon Vol. 26 Marcel Dekker, Inc. 1999 P. 245 に詳述されている。
再結晶により精製されたピロメリット酸無水物と4,4−ジアミノジフェニルエーテルの当モルとを、N,N’−ジメチルアセトアミドに溶解し、この溶液に20℃環境下で3時間乾燥窒素を通過させながら、前記2成分の反応を継続し、ポリアミック酸の10%溶液(A液)を得た。
(i) ウレタンフォームES1
アジピン酸とジエチレングリコールと少量のトリメチロールプロパンより得られたアジピン酸系ポリエステルポリオールと、ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)と、発泡剤としての水と、少量の触媒と、整泡剤とを用いて、発泡して得られたウレタンフォームである。このウレタンフォームの密度は0.13g/cm3であり、通気度は0.1ml/cm2/secであった。
(ii) ウレタンフォームES2
前記ウレタンフォームES1と同様のアジピン酸系ポリエステルポリオールとトリレンジイソシアナート(TDI)と、発泡剤としての水と、少量の触媒と、整泡剤とを用いて合成し、発泡して得られたウレタンフォームを、水素ガスを用いた爆発法にてセル膜を除去し、密度0.06g/cm3で、通気度100ml/cm2/secの高通気性フォームを得た。
(iii) メラミンフォームMF
メラミンとホルムアルデヒドから得られたメチロールメラミンと、フッ素系発泡剤と、酸触媒と、整泡剤とを用いて合成し、より高温にて発泡したメラミンフォームである。このメラミンフォームの密度は0.008g/cm3であり、通気度は100ml/cm2/secであった。
なお、前記通気度の測定は、JISK6400 A法に従い、試験片厚み10mmに対して行ったものである。
前述の含浸用樹脂フォームES1、ES2、およびMFを、前記ポリアミック酸溶液(A液)中に浸漬し、1時間放置した。その後、前記3種類の含浸フォームを取出し、それぞれ、60℃で10時間乾燥し、その後、200℃で20時間かけて脱水イミド化し、3次元多孔性樹脂フォームの内外全空間をポリイミドで充填した構造のフォーム・ポリイミド・コンポジットを得た。
アジピン酸系ポリエステルとして2官能のポリエステルポリオールと、イソシアナートとしてMDIと、発泡剤として水と、その他触媒と、整泡剤とから、ポリウレタンフォームを得た。このポリウレタンフォームの密度は0.12g/cm3であり、通気度は0.1ml/cm2/secであった。
グリセリンにプロピレンオキサイドを付加して得られた分子量3000のポリエーテルポリオールと、トルエンジイソシアナートと、発泡剤として水と、その他触媒と、整泡剤とから、エーテル系ポリウレタンフォームを得た。このフォームの密度は0.03g/cm 3 であり、通気度は30ml/cm 2 /secであった。この樹脂フォームに、実施例1と全く同様に、A液を含浸させ、得られた含浸フォームを乾燥し、200℃でポリイミド化後、1000℃で焼成して、炭素フォームを作製した。得られた炭素フォームは、形状は全く崩れ、ぼろぼろとなっており、取扱うことができなかった。
実施例1の炭素フォームを、空気下、400℃で、1時間処理し、その気孔を成長させた。この気孔成長処理後の炭素フォームの水分吸収・脱水状況を、図3のグラフに示すように、窒素雰囲気で200℃と空気雰囲気下の室温との間を変動させた時の重量変化を測定することにより、評価したところ、水分の吸脱応答が極めて早く、かつ可逆性のあることが見出された。すなわち、本発明の炭素フォーム(炭素多孔体)が高い吸着性を有することが確認された。
実施例1の炭素フォームをアルゴン雰囲気下、3000℃で20分処理を行った。この熱処理後の炭素フォーム(炭素多孔体)を構成している結晶粒の粒径は30nmであり、各結晶粒には(002)格子面が存在し、その面間隔d002が0.336nmであることが、測定により判明した。すなわち、各結晶粒はグラファイト構造をもっていることが確認された。したがって、この実施例の炭素多孔体は、導電性を要する用途や、耐熱性を要する用途に好適に適用することができる。
前述の含浸用樹脂フォームES1と同一組成のウレタンフォームであるが、通気度の極めて低い樹脂フォームに、A液を含浸させ、実施例1と同様な方法で焼成し、水に浮く炭素多孔体を得た。この炭素多孔体は、その型材である樹脂フォームの通気度が極めて低いために、A液が表面および表面から浅い部分までにしか浸透せず、その結果、中空の炭素多孔体となったものと推測された。この炭素多孔体の寸法は、10×10×2mmであった。
この炭素多孔体をオキシ硫酸チタネート(TiOSO4)の水溶液(0.1モル/L)に浸し、ステンレス容器中で、180℃、5時間、水熱処理することで、アナターゼ(anatase:鋭錐石)微結晶を3.2%担持させた。図4に、この「酸化チタンを担持させた炭素多孔体」の走査型電子顕微鏡による組織写真を示す。アナターゼ担持多孔体をメチレンブルーの水溶液(2.94×10-5モル/L)中に入れ、紫外線(10Wパワー)照射下での分解挙動を追跡した。メチレンブルー濃度の変化は、650nmの吸光度(Absorbance)変化で追跡した。その結果を図5に示す。図に見るように、メチレンブルー濃度は暗所ではほとんど変化がなく、吸着は微少量であることが分かる。そして、紫外線を照射することによって、メチレンブルーの吸光度が急激に低下しており、光分解が進んだことが見て取れる。このように、本実施例の炭素多孔体は水中の有害物の吸着および分解に適用できることが理解される。
Claims (3)
- 連続気泡性のメラミン樹脂フォームまたはポリエステル系ポリウレタンフォームのいずれかの熱硬化性樹脂フォームに、芳香族酸無水物と芳香族ジアミンの反応により得られたポリアミック酸を含浸させ、前記熱硬化性樹脂の熱分解が促進される温度以下で前記含浸樹脂を脱水イミド化して、前記熱硬化性樹脂フォームの内外空間に連続的にポリイミド樹脂を存在させ、その後、前記ポリイミド樹脂を炭化することにより炭素多孔体を得ることを特徴とする炭素多孔体の製造方法。
- 前記脱水イミド化を100℃〜200℃の温度範囲にて行うことを特徴とする請求項1に記載の炭素多孔体の製造方法。
- 前記ポリイミド樹脂の炭化を500℃以上で行うことを特徴とする請求項1または2に記載の炭素多孔体の製造方法。
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