JP7069524B2 - A carbon material precursor composition, a method for producing the same, and a method for producing a carbon material using the same. - Google Patents

A carbon material precursor composition, a method for producing the same, and a method for producing a carbon material using the same. Download PDF

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Description

本発明は、炭素材料前駆体組成物、その製造方法、及びそれを用いた炭素材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon material precursor composition, a method for producing the same, and a method for producing a carbon material using the same.

従来から、炭素繊維等の炭素材料の製造方法として、ポリアクリロニトリルからなる炭素材料前駆体に不活性雰囲気下、加熱処理を施す方法が知られている(例えば、特開2016-113276号公報(特許文献1))。この方法に用いられるポリアクリロニトリルは安価な汎用溶媒に溶解しにくいため、重合や紡糸の際に、ジメチルスルホキシドやN,N-ジメチルアセトアミド等の高価な有機溶媒を使用する必要があり、環境負荷の問題や炭素材料の製造コストが高くなるという問題があった。 Conventionally, as a method for producing a carbon material such as carbon fiber, a method of heat-treating a carbon material precursor made of polyacrylonitrile under an inert atmosphere has been known (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-11276 (Patent). Document 1)). Since polyacrylonitrile used in this method is difficult to dissolve in an inexpensive general-purpose solvent, it is necessary to use an expensive organic solvent such as dimethyl sulfoxide or N, N-dimethylacetamide during polymerization or spinning, which is environmentally burdensome. There was a problem that the manufacturing cost of carbon material was high.

一方、ポリアクリルアミドは水溶性のポリマーであり、重合や紡糸の際に、安価で環境負荷の小さい水を溶媒として使用することができるため、炭素材料の製造コストの削減が期待される。 On the other hand, polyacrylamide is a water-soluble polymer, and since water, which is inexpensive and has a small environmental load, can be used as a solvent during polymerization and spinning, it is expected to reduce the production cost of carbon materials.

特開2016-113276号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-11276

炭素材料は成形加工が困難であることから、所望の形状(例えば、繊維、フィルム)の炭素材料を得るためには、炭素材料前駆体を所望の形状に成形した後、炭化処理を施す必要があった。しかしながら、所望の形状に成形したポリアクリルアミドからなる炭素材料前駆体に炭化処理を施すと、得られる炭素材料において、炭化処理前の所望の形状が必ずしも保持されていないという問題があった。 Since carbon materials are difficult to mold, in order to obtain carbon materials of a desired shape (for example, fibers, films), it is necessary to mold the carbon material precursor into a desired shape and then carbonize it. there were. However, when a carbon material precursor made of polyacrylamide formed into a desired shape is carbonized, there is a problem that the obtained carbon material does not always retain the desired shape before the carbonization treatment.

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体を含有し、炭化処理を施した場合でも炭化処理前の所望の形状を保持することが可能な炭素材料前駆体組成物、その製造方法、及びそれを用いた炭素材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and contains a carbon material precursor made of an acrylamide-based polymer, and retains a desired shape before carbonization even when carbonized. It is an object of the present invention to provide a carbon material precursor composition capable of producing, a method for producing the same, and a method for producing a carbon material using the same.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体に、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分及び多官能性アルデヒド基を有する化合物を添加することによって、炭化処理を施した場合でも炭化処理前の所望の形状を保持することが可能な炭素材料前駆体組成物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventors have added at least one additive component selected from the group consisting of an acid and a salt thereof to a carbon material precursor composed of an acrylamide-based polymer and polyfunctionality. We have found that by adding a compound having a sex aldehyde group, a carbon material precursor composition capable of retaining a desired shape before the carbonization treatment can be obtained even when the carbonization treatment is performed, and the present invention has been completed. I came to do.

すなわち、本発明の炭素材料前駆体組成物は、アクリルアミド系モノマー単位を50mol%以上含有するアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と、リン酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分と、グルタルアルデヒド、グリオキサール、マロンジアルデヒド、コハク酸ジアルデヒド、マレイン酸ジアルデヒド、フマル酸ジアルデヒド、酒石酸ジアルデヒド、アジピンジアルデヒド、アジポアルデヒド、ナフタレンジアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、デキストランジアルデヒド、過ヨウ素酸により酸化された糖類、及びフタルジアルデヒドからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アルデヒド基を有する化合物とを含有し、前記添加成分の含有量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~30質量部であり、前記多官能性アルデヒド基を有する化合物の含有量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~70質量部であることを特徴とするものである。 That is, the carbon material precursor composition of the present invention is at least one selected from the group consisting of a carbon material precursor composed of an acrylamide-based polymer containing 50 mol% or more of an acrylamide-based monomer unit, and a phosphoric acid and a salt thereof . Additives and glutaaldehyde, glyoxal, malondialdehyde, succinate dialdehyde, maleate dialdehyde, fumaric acid dialdehyde, tartrate dialdehyde, adipin dialdehyde, adipaldehyde, naphthalenedialdehyde, terephthalaldehyde, isophthalaldehyde, It contains a compound having at least one polyfunctional aldehyde group selected from the group consisting of dextrandialdehyde, saccharides oxidized by periodic acid, and phthaldialdehyde, and the content of the additive component is a carbon material. It is 0.1 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the precursor, and the content of the compound having a polyfunctional aldehyde group is 0.1 to 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. It is characterized by that.

本発明の炭素材料前駆体組成物においては、前記アクリルアミド系ポリマー中のアミド基と前記多官能性アルデヒド基とが共有結合を形成していることが好ましIn the carbon material precursor composition of the present invention, it is preferable that the amide group in the acrylamide-based polymer and the polyfunctional aldehyde group form a covalent bond.

本発明の炭素材料前駆体組成物の製造方法は、リン酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分の存在下、アクリルアミド系モノマー単位を50mol%以上含有するアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と、グルタルアルデヒド、グリオキサール、マロンジアルデヒド、コハク酸ジアルデヒド、マレイン酸ジアルデヒド、フマル酸ジアルデヒド、酒石酸ジアルデヒド、アジピンジアルデヒド、アジポアルデヒド、ナフタレンジアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、デキストランジアルデヒド、過ヨウ素酸により酸化された糖類、及びフタルジアルデヒドからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アルデヒド基を有する化合物とを、前記添加成分の量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~30質量部であり、前記多官能性アルデヒド基を有する化合物の量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~70質量部である条件下、250℃以下の温度で加熱して反応させることによって前記共有結合が形成された炭素材料前駆体組成物を得ることを特徴とするものである。 The method for producing a carbon material precursor composition of the present invention is from an acrylamide-based polymer containing 50 mol% or more of an acrylamide-based monomer unit in the presence of at least one additive component selected from the group consisting of phosphoric acid and a salt thereof . Carbon material precursors and glutaraldehyde, glyoxal, malondialdehyde, succinate dialdehyde, maleate dialdehyde, fumaric acid dialdehyde, tartrate dialdehyde, adipin dialdehyde, adipaldehyde, naphthalenedialdehyde, terephthalaldehyde, A compound having at least one polyfunctional aldehyde group selected from the group consisting of isophthalaldehyde, dextrandialdehyde, saccharides oxidized by periodic acid, and phthaldialdehyde, and the amount of the additive component is a carbon material. The condition is 0.1 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the precursor, and the amount of the compound having a polyfunctional aldehyde group is 0.1 to 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. Below, it is characterized in that the carbon material precursor composition in which the covalent bond is formed is obtained by heating and reacting at a temperature of 250 ° C. or lower.

また、本発明の炭素材料の製造方法は、前記本発明の炭素材料前駆体組成物に不活性雰囲気下、500~3000℃の温度で加熱処理を施して炭化処理を行うことを特徴とするものである。 Further, the method for producing a carbon material of the present invention is characterized in that the carbon material precursor composition of the present invention is heat-treated at a temperature of 500 to 3000 ° C. under an inert atmosphere to carry out carbonization treatment. Is.

なお、本発明の炭素材料前駆体組成物が炭化処理を施した場合でも炭化処理前の所望の形状を保持することが可能となる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体に炭化処理を施した場合、昇温過程(特に、200~250℃の温度域)においてアクリルアミド系ポリマーが軟化するため、炭化処理前の形状を保持した炭素材料を得ることは困難である。 Although it is not always clear why the carbon material precursor composition of the present invention can retain the desired shape before carbonization even when carbonized, the present inventors have described as follows. I guess. That is, when the carbon material precursor composed of the acrylamide polymer is carbonized, the acrylamide polymer softens in the temperature raising process (particularly, in the temperature range of 200 to 250 ° C.), so that the shape before the carbonization treatment is maintained. It is difficult to obtain carbon material.

一方、本発明の炭素材料前駆体組成物は、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分と、多官能性アルデヒド基を有する化合物とを含有するものである。この炭素材料前駆体組成物においては、前記添加成分の触媒作用により、アクリルアミド系ポリマーのアミド基と多官能性アルデヒド基を有する化合物の多官能性アルデヒド基が脱水反応して共有結合が形成され、アクリルアミド系ポリマーに架橋構造が導入される。例えば、アクリルアミド系ポリマーとグルタルアルデヒドは、酸触媒の存在下で下記反応式: On the other hand, the carbon material precursor composition of the present invention has a carbon material precursor composed of an acrylamide-based polymer, at least one additive component selected from the group consisting of an acid and a salt thereof, and a polyfunctional aldehyde group. It contains a compound. In this carbon material precursor composition, the catalytic action of the additive component causes the dehydration reaction of the amide group of the acrylamide polymer and the polyfunctional aldehyde group of the compound having a polyfunctional aldehyde group to form a covalent bond. A crosslinked structure is introduced into the acrylamide polymer. For example, acrylamide-based polymers and glutaraldehyde have the following reaction formulas in the presence of an acid catalyst:

Figure 0007069524000001
Figure 0007069524000001

のように脱水反応して共有結合を形成し、アクリルアミド系ポリマーに架橋構造が導入される。このような架橋構造を備えるアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体に炭化処理を施した場合、アクリルアミド系ポリマーが昇温過程で軟化しにくいため、炭化処理前の所望の形状が保持された炭素材料を得ることが可能となると推察される。 A covalent bond is formed by a dehydration reaction as in the above, and a crosslinked structure is introduced into the acrylamide-based polymer. When a carbon material precursor made of an acrylamide-based polymer having such a crosslinked structure is carbonized, the acrylamide-based polymer does not easily soften during the temperature rise process, so that the carbon material retains the desired shape before the carbonization treatment. It is presumed that it will be possible to obtain.

本発明によれば、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体を含有し、炭化処理を施した場合でも炭化処理前の所望の形状を保持することが可能な炭素材料前駆体組成物を得ることができる。また、このような本発明の炭素材料前駆体組成物に炭化処理を施すことによって、炭化処理前の所望の形状が保持された炭素材料を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain a carbon material precursor composition containing a carbon material precursor made of an acrylamide-based polymer and capable of retaining a desired shape before carbonization even when carbonized. can. Further, by carbonizing the carbon material precursor composition of the present invention, it is possible to obtain a carbon material having a desired shape before the carbonization treatment.

実施例1で得られた炭素材料前駆体組成物からなるフィルム、比較例1で得られた炭素材料前駆体からなるフィルム、及び比較例3で得られた比較用炭素材料前駆体組成物からなるフィルムの貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフである。It consists of a film made of the carbon material precursor composition obtained in Example 1, a film made of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 1, and a comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 3. It is a graph which shows the temperature dependence of the storage elastic modulus of a film. 実施例1で得られた炭素材料前駆体組成物からなるフィルム、比較例1で得られた炭素材料前駆体からなるフィルム、及び比較例3で得られた比較用炭素材料前駆体組成物からなるフィルムの伸びの温度依存性を示すグラフである。It consists of a film made of the carbon material precursor composition obtained in Example 1, a film made of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 1, and a comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 3. It is a graph which shows the temperature dependence of the elongation of a film.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail according to the preferred embodiment thereof.

先ず、本発明の炭素材料前駆体組成物について説明する。本発明の炭素材料前駆体組成物は、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分と、多官能性アルデヒド基を有する化合物(以下、「多官能性アルデヒド基含有化合物」という)とを含有するものである。このような本発明の炭素材料前駆体組成物に炭化処理を施すことによって、炭化処理前の所望の形状が保持された炭素材料を得ることができる。 First, the carbon material precursor composition of the present invention will be described. The carbon material precursor composition of the present invention is a compound having a carbon material precursor composed of an acrylamide polymer, at least one additive component selected from the group consisting of an acid and a salt thereof, and a polyfunctional aldehyde group (a compound having a polyfunctional aldehyde group. Hereinafter, it is referred to as "polyfunctional aldehyde group-containing compound"). By carbonizing the carbon material precursor composition of the present invention, a carbon material having a desired shape before the carbonization treatment can be obtained.

(炭素材料前駆体)
本発明に用いられる炭素材料前駆体はアクリルアミド系ポリマーからなるものである。このようなアクリルアミド系ポリマーとしては、アクリルアミド系モノマーの単独重合体であってもアクリルアミド系モノマーと他の重合性モノマーとの共重合体であってもよいが、アクリルアミド系ポリマーに架橋構造が十分に導入され、炭化処理前の所望の形状が十分に保持された炭素材料が得られるという観点から、アクリルアミド系モノマー単位を50mol%以上含有するものが好ましく、アクリルアミド系モノマー単位を70mol%以上含有するものがより好ましく、アクリルアミド系モノマー単位を90mol%以上含有するものが更に好ましく、アクリルアミド系モノマーの単独重合体が特に好ましい。
(Carbon material precursor)
The carbon material precursor used in the present invention is made of an acrylamide polymer. The acrylamide-based polymer may be a homopolymer of the acrylamide-based monomer or a copolymer of the acrylamide-based monomer and another polymerizable monomer, but the acrylamide-based polymer has a sufficiently crosslinked structure. From the viewpoint of obtaining a carbon material that has been introduced and sufficiently retains the desired shape before the carbonization treatment, those containing 50 mol% or more of acrylamide-based monomer units are preferable, and those containing 70 mol% or more of acrylamide-based monomer units. Is more preferable, those containing 90 mol% or more of acrylamide-based monomer units are further preferable, and homopolymers of acrylamide-based monomers are particularly preferable.

前記アクリルアミド系モノマーとしては、例えば、アクリルアミド;N-メチルアクリルアミド等のアルキルアクリルアミド;N,N-ジメチルアクリルアミド等のジアルキルアクリルアミド;ジメチルアミノエチルアクリルアミド、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等のジアルキルアミノアルキルアクリルアミド;N-(ヒドロキシメチル)アクリルアミド、N-(2-ヒドロキシエチル)アクリルアミド等のヒドロキシアルキルアクリルアミド;ジアセトンアクリルアミド;メタクリルアミド;N-メチルメタクリルアミド等のアルキルメタクリルアミド;N,N-ジメチルメタクリルアミド等のジアルキルメタクリルアミド;ジメチルアミノエチルメタクリルアミド、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド等のジアルキルアミノアルキルメタクリルアミド;N-(ヒドロキシメチル)メタクリルアミド、N-(2-ヒドロキシエチル)メタクリルアミド等のヒドロキシアルキルメタクリルアミド;ジアセトンメタクリルアミドが挙げられる。このようなアクリルアミド系モノマーは1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、これらのアクリルアミド系モノマーの中でも、水溶性に優れているという観点から、アクリルアミドが好ましい。 Examples of the acrylamide-based monomer include acrylamide; alkyl acrylamide such as N-methyl acrylamide; dialkyl acrylamide such as N, N-dimethyl acrylamide; dialkyl aminoalkyl acrylamide such as dimethyl aminoethyl acrylamide and dimethyl amino propyl acrylamide; N- ( Hydroxyalkyl acrylamide such as hydroxymethyl) acrylamide, N- (2-hydroxyethyl) acrylamide; Diacetone acrylamide; Methacrylate; Alkyl methacrylic amide such as N-methyl methacrylamide; Dialkyl methacrylic amide such as N, N-dimethyl methacrylic amide. Dialkylaminoalkylmethacrylates such as dimethylaminoethylmethacrylate, dimethylaminopropylmethacrylate; hydroxyalkylmethacrylates such as N- (hydroxymethyl) methacrylicamide, N- (2-hydroxyethyl) methacrylicamide; diacetonemethacrylate; Can be mentioned. Such an acrylamide-based monomer may be used alone or in combination of two or more. Among these acrylamide-based monomers, acrylamide is preferable from the viewpoint of excellent water solubility.

前記他の重合性モノマーとしては、例えば、シアン化ビニル系モノマー、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸無水物、不飽和カルボン酸エステル、ビニル系モノマー、オレフィン系モノマーが挙げられる。前記シアン化ビニル系モノマーとしては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、2-ヒドロキシエチルアクリロニトリル、クロロアクリロニトリル、クロロメタクリロニトリル、メトキシアクリロニトリル、メトキシメタクリロニトリル等が挙げられる。前記不飽和カルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等が挙げられ、前記不飽和カルボン酸無水物としては、無水マレイン酸、イタコン酸無水物等が挙げられ、前記不飽和カルボン酸エステルとしては、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル等が挙げられ、前記ビニル系モノマーとしては、スチレン、α-メチルスチレン、塩化ビニル、ビニルアルコール等が挙げられ、前記オレフィン系モノマーとしては、エチレン、プロピレン等が挙げられる。これらの他の重合性モノマーは1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、これらの他の重合性モノマーの中でも、炭素材料前駆体組成物の炭化収率が高くなるという観点から、アクリロニトリルが好ましい。 Examples of the other polymerizable monomer include vinyl cyanide-based monomers, unsaturated carboxylic acids and salts thereof, unsaturated carboxylic acid anhydrides, unsaturated carboxylic acid esters, vinyl-based monomers, and olefin-based monomers. Examples of the vinyl cyanide-based monomer include acrylonitrile, methacrylonitrile, 2-hydroxyethylacrylonitrile, chloroacrylonitrile, chloromethacrylonitrile, methoxyacrylonitrile, and methoxymethacrylonitrile. Examples of the unsaturated carboxylic acid include acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid, and examples of the unsaturated carboxylic acid anhydride include maleic anhydride, itaconic acid anhydride, and the like, and the unsaturated carboxylic acid ester. Examples thereof include methyl acrylate, methyl methacrylate and the like, examples of the vinyl-based monomer include styrene, α-methylstyrene, vinyl chloride and vinyl alcohol, and examples of the olefin-based monomer include ethylene and propylene. Can be mentioned. These other polymerizable monomers may be used alone or in combination of two or more. Among these other polymerizable monomers, acrylonitrile is preferable from the viewpoint of increasing the carbonization yield of the carbon material precursor composition.

また、前記アクリルアミド系ポリマーは、水性溶媒(水、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルアセトアミド(DMAC)等、及びこれらの混合溶媒)及び水系混合溶媒(前記水性溶媒と有機溶媒(テトラヒドロフラン、アルコール、アセトニトリル等)との混合溶媒)のうちの少なくとも一方に可溶なものであることが好ましい。これにより、炭素材料前駆体組成物を製造する際に、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた湿式混合が可能となり、アクリルアミド系ポリマーと前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを均一かつ低コストで安全に混合することが可能となる。また、得られた炭素材料前駆体組成物を成形する際には、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた乾式成形(乾式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、湿式成形(湿式紡糸)、又はエレクトロスピニングが可能となり、低コストで安全に炭素材料を製造することが可能となる。なお、前記水系混合溶媒中の有機溶媒の含有量としては、前記水性溶媒に不溶又は難溶なアクリルアミド系ポリマーが有機溶媒を混合することによって溶解する量であれば特に制限はない。また、このようなアクリルアミド系ポリマーの中でも、より低コストで安全に炭素材料前駆体組成物や炭素材料を製造することが可能となるという観点から、前記水性溶媒に可溶なアクリルアミド系ポリマーが好ましく、水に可溶な(水溶性の)アクリルアミド系ポリマーがより好ましい。 The acrylamide-based polymer includes an aqueous solvent (water, N, N-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC), etc., and a mixed solvent thereof) and an aqueous mixed solvent (the aqueous solvent). It is preferable that it is soluble in at least one of (a mixed solvent of) and an organic solvent (tetrahexyl, alcohol, acetonitrile, etc.). This enables wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent when producing the carbon material precursor composition, and the acrylamide polymer, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound are mixed. It is possible to mix uniformly, at low cost and safely. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry wet molding (dry wet spinning), and wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent are used. ) Or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to safely manufacture carbon materials at low cost. The content of the organic solvent in the aqueous mixed solvent is not particularly limited as long as the amount of the acrylamide polymer insoluble or sparingly soluble in the aqueous solvent is dissolved by mixing the organic solvent. Further, among such acrylamide-based polymers, the acrylamide-based polymer soluble in the aqueous solvent is preferable from the viewpoint of being able to safely produce a carbon material precursor composition and a carbon material at a lower cost. , Water-soluble (water-soluble) acrylamide-based polymers are more preferred.

このようなアクリルアミド系ポリマーを製造する方法としては、溶液重合、懸濁重合、沈殿重合、分散重合、乳化重合(例えば、逆相乳化重合)等の公知の重合方法を採用することができる。溶液重合を採用する場合、溶媒としては、原料のモノマー及び得られるアクリルアミド系ポリマーが溶解するものであれば特に制限はないが、低コストで安全に製造できるという観点から、前記水性溶媒(水、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルアセトアミド(DMAC)等、及びこれらの混合溶媒等)又は前記水系混合溶媒(前記水性溶媒と有機溶媒(テトラヒドロフラン、アルコール、アセトニトリル等)との混合溶媒)を使用することが好ましく、前記水性溶媒を使用することがより好ましく、水を使用することが特に好ましい。また、重合開始剤としては、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム等の前記水性溶媒及び前記水系混合溶媒のうちの少なくとも一方(好ましくは前記水性溶媒、より好ましくは水)に可溶なラジカル重合開始剤が挙げられる。 As a method for producing such an acrylamide-based polymer, known polymerization methods such as solution polymerization, suspension polymerization, precipitation polymerization, dispersion polymerization, and emulsion polymerization (for example, reverse phase emulsion polymerization) can be adopted. When solution polymerization is adopted, the solvent is not particularly limited as long as it dissolves the raw material monomer and the obtained acrylamide-based polymer, but from the viewpoint of low cost and safe production, the aqueous solvent (water, N, N-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC), etc., and a mixed solvent thereof, etc.) or the aqueous mixed solvent (the aqueous solvent and the organic solvent (tetratetra, alcohol, acetonitrile, etc.)). It is preferable to use (a mixed solvent with), it is more preferable to use the aqueous solvent, and it is particularly preferable to use water. Further, as the polymerization initiator, at least one of the aqueous solvent such as 4,4'-azobis (4-cyanovaleric acid), ammonium persulfate, potassium persulfate and the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, More preferably, a radical polymerization initiator soluble in water) can be mentioned.

(添加成分)
本発明に用いられる添加成分は、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種であり、アクリルアミド系ポリマーのアミド基と前記多官能性アルデヒド基含有化合物の多官能性アルデヒド基との脱水反応において触媒として作用するものである。前記酸としては、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、硝酸、炭酸等の無機酸、シュウ酸、クエン酸、スルホン酸等の有機酸が挙げられる。また、このような酸の塩としては、金属塩(例えば、ナトリウム塩、カリウム塩)、アンモニウム塩、アミン塩等が挙げられ、アンモニウム塩、アミン塩が好ましく、アンモニウム塩がより好ましい。特に、これらの添加成分のうち、アクリルアミド系ポリマーのアミド基と多官能性アルデヒド基含有化合物の多官能性アルデヒド基との反応において高い触媒活性が得られるという観点から、リン酸及びその塩が好ましく、リン酸、リン酸のアンモニウム塩がより好ましい。また、得られる炭素材料前駆体の炭化収率が更に向上するという観点から、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、及びこれらのアンモニウム塩が好ましく、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、及びこれらのアンモニウム塩がより好ましく、リン酸、ポリリン酸、リン酸のアンモニウム塩、ポリリン酸のアンモニウム塩が特に好ましい。
(Additional ingredients)
The additive component used in the present invention is at least one selected from the group consisting of an acid and a salt thereof, and dehydration of the amide group of the acrylamide-based polymer and the polyfunctional aldehyde group of the polyfunctional aldehyde group-containing compound. It acts as a catalyst in the reaction. Examples of the acid include inorganic acids such as phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, nitric acid and carbonic acid, and organic acids such as oxalic acid, citric acid and sulfonic acid. Examples of such acid salts include metal salts (for example, sodium salts and potassium salts), ammonium salts, amine salts and the like, and ammonium salts and amine salts are preferable, and ammonium salts are more preferable. In particular, among these additive components, phosphoric acid and a salt thereof are preferable from the viewpoint of obtaining high catalytic activity in the reaction between the amide group of the acrylamide-based polymer and the polyfunctional aldehyde group of the polyfunctional aldehyde group-containing compound. , Phosphorus, ammonium salts of phosphoric acid are more preferred. Further, phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, and ammonium salts thereof are preferable from the viewpoint of further improving the carbonization yield of the obtained carbon material precursor, and phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, and ammonium thereof. Salts are more preferred, and phosphoric acid, polyphosphoric acid, ammonium salts of phosphoric acid, ammonium salts of polyphosphoric acid are particularly preferred.

前記添加成分は、前記水性溶媒及び前記水系混合溶媒のうちの少なくとも一方(好ましくは前記水性溶媒、より好ましくは水)に可溶な成分であることが好ましい。これにより、炭素材料前駆体組成物を製造する際に、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた湿式混合が可能となり、アクリルアミド系ポリマーと前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを均一かつ低コストで安全に混合することが可能となる。また、得られた炭素材料前駆体組成物を成形する際には、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた乾式成形(乾式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、湿式成形(湿式紡糸)、又はエレクトロスピニングが可能となり、低コストで安全に炭素材料を製造することが可能となる。 The additive component is preferably a component that is soluble in at least one of the aqueous solvent and the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, more preferably water). This enables wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent when producing the carbon material precursor composition, and the acrylamide polymer, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound are mixed. It is possible to mix uniformly, at low cost and safely. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry wet molding (dry wet spinning), and wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent are used. ) Or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to safely manufacture carbon materials at low cost.

(多官能性アルデヒド基含有化合物)
本発明に用いられる多官能性アルデヒド基含有化合物は、アクリルアミド系ポリマーと脱水反応して共有結合し、架橋構造を形成するものである。前記多官能性アルデヒド基含有化合物としては、グルタルアルデヒド、グリオキサール、マロンジアルデヒド、コハク酸ジアルデヒド、マレイン酸ジアルデヒド、フマル酸ジアルデヒド、酒石酸ジアルデヒド、アジピンジアルデヒド、アジポアルデヒド、ナフタレンジアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、デキストランジアルデヒド、過ヨウ素酸により酸化された糖類、フタルジアルデヒド等が挙げられる。このような多官能性アルデヒド基含有化合物は1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、これらの多官能性アルデヒド基含有化合物の中でも、アクリルアミド系ポリマーとの反応性の観点から、グルタルアルデヒドが好ましい。
(Polyfunctional aldehyde group-containing compound)
The polyfunctional aldehyde group-containing compound used in the present invention undergoes a dehydration reaction with an acrylamide-based polymer to covalently bond to form a crosslinked structure. Examples of the polyfunctional aldehyde group-containing compound include glutaraldehyde, glyoxal, malondialdehyde, succinic acid dialdehyde, maleic acid dialdehyde, fumaric acid dialdehyde, tartrate acid dialdehyde, adipin dialdehyde, adipaldehyde, and naphthalenedialdehyde. , Telephthalaldehyde, isophthalaldehyde, dextrandialdehyde, saccharides oxidized by periodic acid, phthaldialdehyde and the like. Such a polyfunctional aldehyde group-containing compound may be used alone or in combination of two or more. Among these polyfunctional aldehyde group-containing compounds, glutaraldehyde is preferable from the viewpoint of reactivity with an acrylamide-based polymer.

前記多官能性アルデヒド基含有化合物は、前記水性溶媒及び前記水系混合溶媒のうちの少なくとも一方(好ましくは前記水性溶媒、より好ましくは水)に可溶な成分であることが好ましい。これにより、炭素材料前駆体組成物を製造する際に、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた湿式混合が可能となり、アクリルアミド系ポリマーと前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを均一かつ低コストで安全に混合することが可能となる。また、得られた炭素材料前駆体組成物を成形する際には、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた乾式成形(乾式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、湿式成形(湿式紡糸)、又はエレクトロスピニングが可能となり、低コストで安全に炭素材料を製造することが可能となる。 The polyfunctional aldehyde group-containing compound is preferably a component that is soluble in at least one of the aqueous solvent and the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, more preferably water). This enables wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent when producing the carbon material precursor composition, and the acrylamide polymer, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound are mixed. It is possible to mix uniformly, at low cost and safely. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry wet molding (dry wet spinning), and wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent are used. ) Or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to safely manufacture carbon materials at low cost.

〔炭素材料前駆体組成物〕
本発明の炭素材料前駆体組成物は、前記アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを含有するものである。また、このような本発明の炭素材料前駆体組成物においては、前記アクリルアミド系ポリマーのアミド基と前記多官能性アルデヒド基含有化合物の多官能性アルデヒド基とが共有結合を形成していることが好ましい。これにより、アクリルアミド系ポリマー中に架橋構造が導入されるため、アクリルアミド系ポリマーの軟化が抑制され、炭化処理前の所望の形状が保持された炭素材料を得ることができる。
[Carbon material precursor composition]
The carbon material precursor composition of the present invention contains the carbon material precursor made of the acrylamide-based polymer, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound. Further, in such a carbon material precursor composition of the present invention, the amide group of the acrylamide-based polymer and the polyfunctional aldehyde group of the polyfunctional aldehyde group-containing compound form a covalent bond. preferable. As a result, since the crosslinked structure is introduced into the acrylamide-based polymer, the softening of the acrylamide-based polymer is suppressed, and a carbon material having a desired shape before the carbonization treatment can be obtained.

このような本発明の炭素材料前駆体組成物において、前記多官能性アルデヒド基含有化合物の含有量としては、アクリルアミド系ポリマー中の架橋構造の含有量が増加し、アクリルアミド系ポリマーの軟化がより十分に抑制され、炭化処理前の所望の形状が十分に保持された炭素材料が得られるという観点から、前記炭素材料前駆体100質量部に対して、0.1~70質量部が好ましく、0.2~30質量部がより好ましく、1~20質量部が更に好ましく、1~10質量部が特に好ましい。また、前記添加成分の含有量としては、アクリルアミド系ポリマーのアミド基と前記多官能性アルデヒド基含有化合物の多官能性アルデヒド基との脱水反応において十分な触媒活性が得られ、また、炭素材料前駆体組成物の炭化収率が向上するという観点から、前記炭素材料前駆体100質量部に対して、0.1~30質量部が好ましく、0.1~20質量部がより好ましく、1~10質量部が更に好ましい。 In such a carbon material precursor composition of the present invention, as the content of the polyfunctional aldehyde group-containing compound, the content of the crosslinked structure in the acrylamide-based polymer increases, and the softening of the acrylamide-based polymer is more sufficient. From the viewpoint of obtaining a carbon material that is sufficiently suppressed and sufficiently retained the desired shape before the carbonization treatment, 0.1 to 70 parts by mass is preferable with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor, and 0. 2 to 30 parts by mass is more preferable, 1 to 20 parts by mass is further preferable, and 1 to 10 parts by mass is particularly preferable. As for the content of the additive component, sufficient catalytic activity is obtained in the dehydration reaction between the amide group of the acrylamide polymer and the polyfunctional aldehyde group of the polyfunctional aldehyde group-containing compound, and the carbon material precursor is also obtained. From the viewpoint of improving the carbonization yield of the body composition, 0.1 to 30 parts by mass is preferable, 0.1 to 20 parts by mass is more preferable, and 1 to 10 parts by mass is preferable with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. The mass portion is more preferable.

また、このような本発明の炭素材料前駆体組成物を含有する水性溶液又は水系混合溶液は、前記炭素材料前駆体の濃度が高濃度(例えば、20質量%以上)であっても粘度が低く、成形加工性に優れている。具体的には、前記炭素材料前駆体の濃度が30質量%である前記水性溶液又は前記水系混合溶液の粘度が、室温、10s-1のせん断速度下において、20Pa・s以下であることが好ましい。これにより、例えば、前記水性溶液又は前記水系混合溶液を用いて溶液キャスト法によりフィルムを形成した場合に、厚みムラが少なく(10%以下)、表面外観に優れたフィルムを得ることができる。一方、前記水性溶液又は前記水系混合溶液の粘度が20Pa・sを超えると、得られるフィルムの表面外観が悪化する傾向にあり、100Pa・sを超えると、得られるフィルムの厚みムラが大きくなる(10%超)傾向にあり、200Pa・sを超えると、キャスト時のハンドリング性が低く、フィルムが得られなかったり、フィルムが得られた場合でも、フィルムに気泡が含まれたり、厚みムラが更に大きく(20%超)なったりする傾向にある。 Further, the aqueous solution or the aqueous mixture solution containing the carbon material precursor composition of the present invention has a low viscosity even when the concentration of the carbon material precursor is high (for example, 20% by mass or more). , Excellent molding processability. Specifically, the viscosity of the aqueous solution or the aqueous mixture solution in which the concentration of the carbon material precursor is 30% by mass is preferably 20 Pa · s or less at room temperature and a shear rate of 10 s -1 . .. Thereby, for example, when a film is formed by a solution casting method using the aqueous solution or the aqueous mixed solution, a film having less thickness unevenness (10% or less) and an excellent surface appearance can be obtained. On the other hand, when the viscosity of the aqueous solution or the aqueous mixed solution exceeds 20 Pa · s, the surface appearance of the obtained film tends to deteriorate, and when it exceeds 100 Pa · s, the thickness unevenness of the obtained film becomes large ( It tends to be more than 10%), and if it exceeds 200 Pa · s, the handleability at the time of casting is low, and even if a film cannot be obtained or a film is obtained, bubbles are contained in the film and the thickness unevenness is further increased. It tends to be large (more than 20%).

本発明の炭素材料前駆体組成物の製造方法としては、溶融状態の前記炭素材料前駆体に前記添加成分及び前記多官能性アルデヒド基含有化合物を直接混合(溶融混合)し、得られた炭素材料前駆体組成物を所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状、塊状)に成形する方法、前記炭素材料前駆体と前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とをドライブレンド(乾式混合)し、得られた炭素材料前駆体組成物を所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状、塊状)に成形する方法、前記添加成分及び前記多官能性アルデヒド基含有化合物を含有する水性溶液又は水系混合溶液に所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状、塊状)に成形した前記炭素材料前駆体を浸漬したり、通過させたりして所望の形状の炭素材料前駆体組成物を得る方法、前記炭素材料前駆体が不溶な溶媒(例えば、アルコール、アセトン、塩素系溶媒、エーテル系溶媒、エステル系溶媒、芳香族系溶媒)と前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを含有する溶液に所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状、塊状)に成形した前記炭素材料前駆体を浸漬したり、通過させたりして所望の形状の炭素材料前駆体組成物を得る方法等を採用することも可能であるが、使用する前記炭素材料前駆体、前記添加成分及び前記多官能性アルデヒド基含有化合物が前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に可溶である場合には、前記炭素材料前駆体と前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを均一に混合することができるという観点から、前記炭素材料前駆体と前記添加成分と前記多官能性アルデヒド基含有化合物とを前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒中で混合(湿式混合)し、得られた溶液を用いて炭素材料前駆体組成物を所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状、塊状)に成形した後、前記溶媒を除去する方法が好ましい。また、前記湿式混合においては、より低コストで安全に炭素材料前駆体組成物を製造できるという観点から、溶媒として前記水性溶媒を使用することが好ましく、水を使用することがより好ましい。さらに、前記溶媒を除去する方法としては特に制限はなく、熱風乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の公知の乾燥方法を採用することができるが、設備が簡便であるという観点から、熱風乾燥が好ましい。 As a method for producing the carbon material precursor composition of the present invention, the carbon material obtained by directly mixing (melting and mixing) the additive component and the polyfunctional aldehyde group-containing compound with the carbon material precursor in a molten state. A method for forming a precursor composition into a desired shape (for example, a film, a sheet, a fibrous, or a lump), a dry blend of the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound (for example). Dry mixing) to form the obtained carbon material precursor composition into a desired shape (eg, film, sheet, fibrous, lump), the additive components and the polyfunctional aldehyde group-containing compound. The carbon material precursor having the desired shape (for example, film-like, sheet-like, fibrous, lump-like) is immersed in or passed through the contained aqueous solution or aqueous mixed solution to form a carbon material having the desired shape. A method for obtaining a precursor composition, a solvent in which the carbon material precursor is insoluble (for example, alcohol, acetone, chlorine-based solvent, ether-based solvent, ester-based solvent, aromatic solvent), the additive component, and the polyfunctionality. The carbon material precursor formed into a desired shape (for example, film-like, sheet-like, fibrous, or lump-like) is immersed in or passed through a solution containing an aldehyde group-containing compound to obtain a desired shape of carbon. It is also possible to adopt a method for obtaining a material precursor composition, but the carbon material precursor, the additive component and the polyfunctional aldehyde group-containing compound to be used can be used as the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. When it is a solvent, the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound can be uniformly mixed from the viewpoint that the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional aldehyde group-containing compound can be uniformly mixed. The functional aldehyde group-containing compound is mixed (wet mixed) in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, and the obtained solution is used to form a carbon material precursor composition in a desired shape (for example, film-like or sheet-like). , Fibrous, lumpy), and then the solvent is removed. Further, in the wet mixing, it is preferable to use the aqueous solvent as the solvent, and it is more preferable to use water, from the viewpoint that the carbon material precursor composition can be safely produced at a lower cost. Further, the method for removing the solvent is not particularly limited, and known drying methods such as hot air drying, vacuum drying, and freeze drying can be adopted, but hot air drying is preferable from the viewpoint of simple equipment. ..

また、本発明の炭素材料前駆体組成物の製造方法においては、所望の形状の炭素材料前駆体組成物に250℃以下(好ましくは200℃以下)の温度で加熱処理を施し、前記添加成分の存在下、前記炭素材料前駆体と前記多官能性アルデヒド基を有する化合物とを脱水反応させることが好ましい。これにより、前記アクリルアミド系ポリマーのアミド基と前記多官能性アルデヒド基含有化合物の多官能性アルデヒド基との間の共有結合形成が促進され、アクリルアミド系ポリマーに架橋構造が十分に導入される。その結果、アクリルアミド系ポリマーの軟化がより十分に抑制され、炭化処理前の所望の形状が十分に保持された炭素材料を得ることができる。なお、前記加熱温度の下限としては、加熱による効果が十分に得られるという観点から、室温(25℃)以上が好ましく、50℃以上がより好ましい。また、加熱時間としては1分間~50時間が好ましく、1分間~5時間がより好ましい。 Further, in the method for producing a carbon material precursor composition of the present invention, a carbon material precursor composition having a desired shape is heat-treated at a temperature of 250 ° C. or lower (preferably 200 ° C. or lower) to obtain the additive component. In the presence of the carbon material precursor, it is preferable to cause a dehydration reaction between the carbon material precursor and the compound having a polyfunctional aldehyde group. This promotes the formation of a covalent bond between the amide group of the acrylamide-based polymer and the polyfunctional aldehyde group of the polyfunctional aldehyde group-containing compound, and the crosslinked structure is sufficiently introduced into the acrylamide-based polymer. As a result, it is possible to obtain a carbon material in which the softening of the acrylamide-based polymer is more sufficiently suppressed and the desired shape before the carbonization treatment is sufficiently retained. The lower limit of the heating temperature is preferably room temperature (25 ° C.) or higher, and more preferably 50 ° C. or higher, from the viewpoint that the effect of heating can be sufficiently obtained. The heating time is preferably 1 minute to 50 hours, more preferably 1 minute to 5 hours.

〔炭素材料の製造方法〕
次に、本発明の炭素材料の製造方法について説明する。本発明の炭素材料の製造方法においては、前記本発明の炭素材料前駆体組成物に不活性雰囲気下(窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス中)、500~3000℃(好ましくは500~2500℃、より好ましくは1000~2000℃)の温度で加熱処理を施して炭化処理を行う。これにより、炭化処理前の所望の形状が十分に保持された炭素材料を得ることができる。また、炭化処理における加熱時間としては1分間~50時間時間が好ましい。
[Manufacturing method of carbon material]
Next, the method for producing the carbon material of the present invention will be described. In the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor composition of the present invention is subjected to an inert atmosphere (in an inert gas such as nitrogen, argon or helium) at 500 to 3000 ° C. (preferably 500 to 2500). The carbonization treatment is carried out by performing the heat treatment at a temperature of ° C., more preferably 1000 to 2000 ° C.). This makes it possible to obtain a carbon material that sufficiently retains the desired shape before the carbonization treatment. The heating time in the carbonization treatment is preferably 1 minute to 50 hours.

また、本発明の炭素材料の製造方法においては、炭化処理の前に、前記本発明の炭素材料前駆体組成物に酸化性雰囲気下(例えば、空気中)で加熱処理(耐炎化処理)を施してもよい。これにより、炭素材料前駆体組成物中の前記添加成分が作用してアクリルアミド系ポリマーの構造が耐熱性の高い構造に変換されるため、炭素材料前駆体の炭化収率が向上する。また、この耐炎化処理によってアクリルアミド系ポリマーに架橋構造を導入することもできる。このような耐炎化処理における加熱温度としては500℃以下が好ましく、150~400℃がより好ましく、200~350℃が更に好ましい。また、耐炎化処理における加熱時間としては特に制限はなく、例えば、1時間を超える加熱も可能であるが、製造コストの低減という観点から、1~60分間が好ましい。 Further, in the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor composition of the present invention is heat-treated (flame-resistant treatment) in an oxidizing atmosphere (for example, in air) before the carbonization treatment. You may. As a result, the additive component in the carbon material precursor composition acts to convert the structure of the acrylamide-based polymer into a structure having high heat resistance, so that the carbonization yield of the carbon material precursor is improved. In addition, a crosslinked structure can be introduced into the acrylamide-based polymer by this flameproofing treatment. The heating temperature in such a flame resistant treatment is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 150 to 400 ° C., and even more preferably 200 to 350 ° C. Further, the heating time in the flame resistance treatment is not particularly limited, and for example, heating for more than 1 hour is possible, but from the viewpoint of reducing the manufacturing cost, 1 to 60 minutes is preferable.

さらに、本発明の炭素材料の製造方法においては、炭化処理の前(耐炎化処理を行う場合にはその前)に、使用する炭素材料前駆体組成物を予め所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状、塊状)に成形加工することが好ましい。このとき、炭素材料前駆体組成物をそのまま加圧成形したり、溶融状態の炭素材料前駆体組成物を用いて溶融成形(例えば、溶融キャスト成形、溶融押出成形、射出成形、溶融紡糸)してもよいが、本発明の炭素材料前駆体組成物が前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に可溶である場合には、成形加工性が向上するという観点から、炭素材料前駆体組成物を前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に溶解し、得られた水性溶液又は水系混合溶液を用いて成形することが好ましい。このような成形方法としては、溶液キャスト成形、湿式成形(湿式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、乾式成形(乾式紡糸)、エレクトロスピニングを行うことが好ましい。これにより、所望の形状の炭素材料前駆体組成物を低コストで安全に製造することができる。また、より低コストで安全に炭素材料を製造することができるという観点から、溶媒として前記水性溶媒を使用することがより好ましく、水を使用することが特に好ましい。 Further, in the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor composition to be used is previously formed into a desired shape (for example, in the form of a film, before the carbonization treatment (in the case of performing the flame resistance treatment)). It is preferable to mold it into a sheet shape, a fibrous shape, or a lump shape). At this time, the carbon material precursor composition is pressure-molded as it is, or melt-molded (for example, melt cast molding, melt extrusion molding, injection molding, melt spinning) using the molten carbon material precursor composition. However, when the carbon material precursor composition of the present invention is soluble in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, the carbon material precursor composition may be used as the aqueous solution from the viewpoint of improving molding processability. It is preferable to dissolve in a solvent or the aqueous mixed solvent and use the obtained aqueous solution or aqueous mixed solution for molding. As such a molding method, solution cast molding, wet molding (wet spinning), dry wet molding (dry wet spinning), dry molding (dry spinning), and electrospinning are preferable. Thereby, the carbon material precursor composition having a desired shape can be safely produced at low cost. Further, from the viewpoint that the carbon material can be safely produced at a lower cost, it is more preferable to use the aqueous solvent as the solvent, and it is particularly preferable to use water.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、実施例及び比較例で使用したアクリルアミド単独重合体は以下の方法により合成した。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples. The acrylamide homopolymer used in Examples and Comparative Examples was synthesized by the following method.

(合成例1)
アクリルアミド(AAm)10g(140mmol)を水90gに溶解した後、真空ポンプを用いて減圧と窒素ガス導入とを繰り返して窒素置換を行なった。次いで、窒素気流下で過硫酸カリウム水溶液(過硫酸カリウム50mgを水1.1mlに溶解したもの)及びテトラメチルエチレンジアミン50μlを添加し、さらに窒素置換を行なった後、窒素気流下でマグネチックスターラーを用いて攪拌した。攪拌開始から30分経過後、粘度上昇により攪拌子が回転しなくなったが、そのまま12時間反応を継続した。その後、水350mlを添加し、メカニカルスターラーを用いて均一に攪拌して、アクリルアミド単独重合体(PAAm)の水溶液(PAAm濃度:22g/L)を得た。
(Synthesis Example 1)
After dissolving 10 g (140 mmol) of acrylamide (AAm) in 90 g of water, nitrogen substitution was performed by repeating depressurization and introduction of nitrogen gas using a vacuum pump. Next, an aqueous potassium persulfate solution (50 mg of potassium persulfate dissolved in 1.1 ml of water) and 50 μl of tetramethylethylenediamine were added under a nitrogen stream, and after further nitrogen substitution, a magnetic stirrer was placed under a nitrogen stream. Used to stir. After 30 minutes had passed from the start of stirring, the stirrer stopped rotating due to the increase in viscosity, but the reaction was continued for 12 hours. Then, 350 ml of water was added, and the mixture was uniformly stirred using a mechanical stirrer to obtain an aqueous solution of an acrylamide homopolymer (PAAm) (PAAm concentration: 22 g / L).

(比較例1)
合成例1で得られたPAAm水溶液1.1gを直径40mmのテフロン(登録商標)製のシャーレに入れ、70℃の恒温槽中で1時間乾燥させて、厚さ20~30μm、質量34mgのPAAm(炭素材料前駆体)からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 1)
1.1 g of the PAAm aqueous solution obtained in Synthesis Example 1 was placed in a petri dish made of Teflon (registered trademark) having a diameter of 40 mm, dried in a constant temperature bath at 70 ° C. for 1 hour, and PAAm having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of 34 mg. A film made of (carbon material precursor) was obtained.

(比較例2)
比較例1と同様にして作製したPAAmフィルムを、25%グルタルアルデヒド水溶液2mlとエタノール8mlとの混合液に3日間浸漬した。その後、フィルムを取り出して120℃で1時間加熱乾燥させて、PAAm(炭素材料前駆体)とグルタルアルデヒドとを含有する比較用炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 2)
The PAAm film prepared in the same manner as in Comparative Example 1 was immersed in a mixed solution of 2 ml of a 25% glutaraldehyde aqueous solution and 8 ml of ethanol for 3 days. Then, the film was taken out and dried by heating at 120 ° C. for 1 hour to obtain a film composed of a comparative carbon material precursor composition containing PAAm (carbon material precursor) and glutaraldehyde.

(比較例3)
比較例1と同様にして作製したPAAmフィルムを、リン酸(85%)0.2mlとエタノール8mlとの混合液に3日間浸漬した。その後、フィルムを取り出して120℃で1時間加熱乾燥させて、PAAm(炭素材料前駆体)とリン酸とを含有する比較用炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 3)
The PAAm film prepared in the same manner as in Comparative Example 1 was immersed in a mixed solution of 0.2 ml of phosphoric acid (85%) and 8 ml of ethanol for 3 days. Then, the film was taken out and dried by heating at 120 ° C. for 1 hour to obtain a film composed of a comparative carbon material precursor composition containing PAAm (carbon material precursor) and phosphoric acid.

(実施例1)
比較例1と同様にして作製したPAAmフィルムを、25%グルタルアルデヒド水溶液2mlとリン酸(85%)0.2mlとエタノール8mlとの混合液に3日間浸漬した。その後、フィルムを取り出して120℃で1時間加熱乾燥させて、PAAm(炭素材料前駆体)とグルタルアルデヒドとリン酸とを含有する炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを得た。
(Example 1)
The PAAm film prepared in the same manner as in Comparative Example 1 was immersed in a mixed solution of 2 ml of a 25% glutaraldehyde aqueous solution, 0.2 ml of phosphoric acid (85%) and 8 ml of ethanol for 3 days. Then, the film was taken out and dried by heating at 120 ° C. for 1 hour to obtain a film composed of a carbon material precursor composition containing PAAm (carbon material precursor), glutaraldehyde and phosphoric acid.

<炭化処理>
実施例1及び比較例1~3で得られたフィルムを1.5cm×1.25cmの長方形に切断して直径2.5cmのルツボに入れ、直径5cmの石英製管状炉中、500ml/分の窒素気流下で室温から900℃まで4時間かけて昇温した後、900℃で1時間加熱して炭化処理を行なった。
<Carbonization>
The films obtained in Examples 1 and Comparative Examples 1 to 3 were cut into 1.5 cm × 1.25 cm rectangles, placed in a 2.5 cm diameter tube furnace, and placed in a 5 cm diameter quartz tube furnace at 500 ml / min. The temperature was raised from room temperature to 900 ° C. over 4 hours under a nitrogen stream, and then heated at 900 ° C. for 1 hour for carbonation treatment.

得られた炭素材料の外観を目視により観察した。また、この炭素材料のうち、溶融したり、ルツボに張り付いたりすることなく、自立したフィルムとして生成した部分の面積の割合(フィルム形状保持率)を求めた。さらに、前記炭素材料の質量を測定し、初期質量(炭素材料前駆体の質量)に対する割合(炭化収率)を求めた。その結果を表1に示す。 The appearance of the obtained carbon material was visually observed. Further, the ratio of the area of the portion of the carbon material produced as a self-supporting film without melting or sticking to the crucible (film shape retention rate) was determined. Further, the mass of the carbon material was measured, and the ratio (carbonization yield) to the initial mass (mass of the carbon material precursor) was determined. The results are shown in Table 1.

Figure 0007069524000002
Figure 0007069524000002

表1に示したように、PAAmからなる炭素材料前駆体(比較例1)やPAAmとグルタルアルデヒドとからなる比較用炭素材料前駆体組成物(比較例2)に900℃での加熱処理(炭化処理)を施すと、PAAmが溶融し、炭化処理前のフィルム形状を保持できなかった。また、PAAmにリン酸を添加した場合(比較例3)には、900℃での加熱処理(炭化処理)によりPAAmが部分的に溶融するものの、得られた炭素材料は、炭化処理前のフィルム形状の40%が保持されていた。 As shown in Table 1, a carbon material precursor composed of PAAm (Comparative Example 1) and a comparative carbon material precursor composition composed of PAAm and glutaraldehyde (Comparative Example 2) are heat-treated (carbonized) at 900 ° C. After the treatment), the PAAm melted and the film shape before the carbonization treatment could not be maintained. Further, when phosphoric acid was added to PAAm (Comparative Example 3), PAAm was partially melted by heat treatment (carbonization treatment) at 900 ° C., but the obtained carbon material was a film before carbonization treatment. 40% of the shape was retained.

一方、PAAmにグルタルアルデヒドとリン酸とを添加した場合(実施例1)には、900℃での加熱処理(炭化処理)を施しても、炭化処理前のフィルム形状が保持されていた。これは、炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを作製する際の加熱乾燥において、PAAmのアミド基とグルタルアルデヒドのアルデヒド基とがリン酸の触媒作用により脱水反応して共有結合が形成され、PAAmに架橋構造が導入されたためと考えられる。 On the other hand, when glutaraldehyde and phosphoric acid were added to PAAm (Example 1), the film shape before the carbonization treatment was maintained even after the heat treatment (carbonization treatment) at 900 ° C. This is because the amide group of PAAm and the aldehyde group of glutaraldehyde undergo a dehydration reaction by the catalytic action of phosphoric acid to form a covalent bond in the heat drying when a film made of a carbon material precursor composition is produced. It is probable that the cross-linked structure was introduced in.

また、PAAmにリン酸を添加した場合(比較例3)には、PAAmのみの場合(比較例1)やグルタルアルデヒドを添加した場合(比較例2)比べて、炭化収率が高くなったが、PAAmにグルタルアルデヒドとリン酸とを添加した場合(実施例1)には、炭化収率が更に高くなることがわかった。 Further, when phosphoric acid was added to PAAm (Comparative Example 3), the carbonization yield was higher than when only PAAm was added (Comparative Example 1) or when glutaraldehyde was added (Comparative Example 2). It was found that when glutaraldehyde and phosphoric acid were added to PAAm (Example 1), the carbonization yield was further increased.

以上の結果から、PAAmからなる炭素材料前駆体にグルタルアルデヒドとリン酸とを添加することによって、高温での加熱処理(炭化処理)を施しても、炭化処理前の形状(炭素材料前駆体の形状)を保持しながら、高い炭化収率で炭素材料が得られることが確認された。 From the above results, even if glutaraldehyde and phosphoric acid are added to the carbon material precursor made of PAAm and heat treatment (carbonization treatment) is performed at a high temperature, the shape before the carbonization treatment (carbon material precursor). It was confirmed that a carbon material can be obtained with a high carbonization yield while maintaining the shape).

<粘弾性試験>
実施例1及び比較例1、3で得られたフィルムを2cm×0.5cmの長方形に切断し、粘弾性スペクトロメーターを用い、大気雰囲気下、ひずみ0.5%、周波数10Hzの条件で室温から370℃まで5℃/分で昇温しながら粘弾性測定を行なった。図1は、貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフであり、図2は、伸びの温度依存性を示すグラフである。
<Viscoelasticity test>
The films obtained in Examples 1 and Comparative Examples 1 and 3 were cut into 2 cm × 0.5 cm rectangles, and used at room temperature under the conditions of an atmospheric atmosphere, a strain of 0.5%, and a frequency of 10 Hz using a viscoelastic spectrometer. The viscoelasticity was measured while raising the temperature to 370 ° C. at 5 ° C./min. FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus, and FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of elongation.

比較例1、3で得られたフィルムにおいては、図1に示したように、200℃付近から貯蔵弾性率が低下し始め、軟化することがわかった。また、図2に示したように、250℃以上の温度域で軟化により伸びが増大した。一方、実施例1で得られたフィルムにおいては、図1に示したように、200℃以上の温度域での貯蔵弾性率の低下が比較例1、3で得られたフィルムに比べて小さく、また、250℃以上の温度域での伸びが抑制された。これは、PAAmとグルタルアルデヒドとリン酸とを含有する本発明の炭素材料前駆体組成物(実施例1)においては、PAAmのアミド基とグルタルアルデヒドのアルデヒド基とがリン酸の触媒作用により脱水反応して共有結合が形成され、PAAmに架橋構造が導入されたためと考えられる。一方、PAAmのみからなる炭素材料前駆体(比較例1)やPAAmとリン酸とを含有する比較用炭素材料前駆体組成物(比較例3)においては、グルタルアルデヒドが存在せず、架橋構造が形成されなかったため、軟化や伸びが発生したと考えられる。 In the films obtained in Comparative Examples 1 and 3, as shown in FIG. 1, it was found that the storage elastic modulus began to decrease from around 200 ° C. and softened. Further, as shown in FIG. 2, the elongation increased due to softening in the temperature range of 250 ° C. or higher. On the other hand, in the film obtained in Example 1, as shown in FIG. 1, the decrease in the storage elastic modulus in the temperature range of 200 ° C. or higher was smaller than that in the films obtained in Comparative Examples 1 and 3. In addition, elongation in the temperature range of 250 ° C. or higher was suppressed. This is because in the carbon material precursor composition of the present invention (Example 1) containing PAAm, glutaraldehyde and phosphoric acid, the amide group of PAAm and the aldehyde group of glutaraldehyde are dehydrated by the catalytic action of phosphoric acid. It is considered that the covalent bond was formed by the reaction and the crosslinked structure was introduced into PAAm. On the other hand, in the carbon material precursor consisting only of PAAm (Comparative Example 1) and the comparative carbon material precursor composition containing PAAm and phosphoric acid (Comparative Example 3), glutaraldehyde does not exist and the crosslinked structure is formed. Since it was not formed, it is considered that softening and elongation occurred.

以上の結果から、PAAmからなる炭素材料前駆体にグルタルアルデヒドとリン酸とを添加することによって、200℃以上の温度域におけるPAAmの軟化が抑制され、250℃以上の温度域における伸びも抑制されることがわかった。 From the above results, by adding glutaraldehyde and phosphoric acid to the carbon material precursor composed of PAAm, the softening of PAAm in the temperature range of 200 ° C. or higher is suppressed, and the elongation in the temperature range of 250 ° C. or higher is also suppressed. It turned out that.

以上説明したように、本発明によれば、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体を含有し、炭化処理を施した場合でも炭化処理前の所望の形状を保持することが可能な炭素材料前駆体組成物を得ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, a carbon material precursor containing a carbon material precursor made of an acrylamide-based polymer and capable of retaining a desired shape before carbonization treatment even when carbonized. It becomes possible to obtain the composition.

したがって、本発明の炭素材料の製造方法は、このような炭素材料前駆体組成物を使用する方法であることから、炭化処理前の所望の形状が保持された炭素材料を製造することが可能な方法として有用である。 Therefore, since the method for producing a carbon material of the present invention is a method using such a carbon material precursor composition, it is possible to produce a carbon material having a desired shape before carbonization treatment. It is useful as a method.

Claims (4)

アクリルアミド系モノマー単位を50mol%以上含有するアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と、リン酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分と、グルタルアルデヒド、グリオキサール、マロンジアルデヒド、コハク酸ジアルデヒド、マレイン酸ジアルデヒド、フマル酸ジアルデヒド、酒石酸ジアルデヒド、アジピンジアルデヒド、アジポアルデヒド、ナフタレンジアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、デキストランジアルデヒド、過ヨウ素酸により酸化された糖類、及びフタルジアルデヒドからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アルデヒド基を有する化合物とを含有し、
前記添加成分の含有量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~30質量部であり、
前記多官能性アルデヒド基を有する化合物の含有量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~70質量部である
ことを特徴とする炭素材料前駆体組成物。
A carbon material precursor made of an acrylamide polymer containing 50 mol% or more of an acrylamide monomer unit, at least one additive component selected from the group consisting of phosphoric acid and a salt thereof , and glutaaldehyde, glyoxal, malondialdehyde, Dialdehyde succinate, dialdehyde maleate, dialdehyde fumarate, dialdehyde tartrate, adipine dialdehyde, adipaldehyde, naphthalenedialdehyde, terephthalaldehyde, isophthalaldehyde, dextrandialdehyde, saccharides oxidized by periodic acid, And a compound having at least one polyfunctional aldehyde group selected from the group consisting of phthaldialdehyde .
The content of the additive component is 0.1 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor.
The content of the compound having a polyfunctional aldehyde group is 0.1 to 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor.
A carbon material precursor composition characterized by that.
前記アクリルアミド系ポリマー中のアミド基と前記多官能性アルデヒド基とが共有結合を形成していることを特徴とする請求項1に記載の炭素材料前駆体組成物。 The carbon material precursor composition according to claim 1, wherein the amide group in the acrylamide-based polymer and the polyfunctional aldehyde group form a covalent bond. リン酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分の存在下、アクリルアミド系モノマー単位を50mol%以上含有するアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体と、グルタルアルデヒド、グリオキサール、マロンジアルデヒド、コハク酸ジアルデヒド、マレイン酸ジアルデヒド、フマル酸ジアルデヒド、酒石酸ジアルデヒド、アジピンジアルデヒド、アジポアルデヒド、ナフタレンジアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、デキストランジアルデヒド、過ヨウ素酸により酸化された糖類、及びフタルジアルデヒドからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アルデヒド基を有する化合物とを、前記添加成分の量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~30質量部であり、前記多官能性アルデヒド基を有する化合物の量が炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~70質量部である条件下、250℃以下の温度で加熱して反応させることによって請求項2に記載の炭素材料前駆体組成物を得ることを特徴とする炭素材料前駆体組成物の製造方法。 In the presence of at least one additive component selected from the group consisting of phosphoric acid and salts thereof , a carbon material precursor consisting of an acrylamide-based polymer containing 50 mol% or more of an acrylamide-based monomer unit, and glutaaldehyde, glyoxal, and malondi. Aldehyde, succinic acid dialdehyde, maleate dialdehyde, fumaric acid dialdehyde, tartrate dialdehyde, adipin dialdehyde, adipaldehyde, naphthalenedialdehyde, terephthalaldehyde, isophthalaldehyde, dextrandialdehyde, periodic acid A compound having at least one polyfunctional aldehyde group selected from the group consisting of saccharides and phthaldialdehyde, the amount of the additive component is 0.1 to 30 mass by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. The reaction is carried out by heating at a temperature of 250 ° C. or lower under the condition that the amount of the compound having a polyfunctional aldehyde group is 0.1 to 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. 2. A method for producing a carbon material precursor composition, which comprises obtaining the carbon material precursor composition according to claim 2. 請求項1又は2に記載の炭素材料前駆体組成物に不活性雰囲気下、500~3000℃の温度で加熱処理を施して炭化処理を行うことを特徴とする炭素材料の製造方法。 A method for producing a carbon material, which comprises subjecting the carbon material precursor composition according to claim 1 or 2 to a heat treatment at a temperature of 500 to 3000 ° C. in an inert atmosphere to carry out a carbonization treatment.
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