JP7137124B2 - Carbon material precursor, carbon material precursor composition containing same, and method for producing carbon material using same - Google Patents

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Description

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

炭素材料の1種である炭素繊維の製造方法としては、従来から、ポリアクリロニトリルを紡糸して得られる炭素繊維前駆体に耐炎化処理を施した後、炭化処理を施す方法が主として採用されている(例えば、特公昭37-4405号公報(特許文献1)、特開2015-74844号公報(特許文献2)、特開2016-40419号公報(特許文献3)、特開2016-113726号公報(特許文献4))。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溶媒を使用する必要があり、炭素繊維の製造コストが高くなるという問題があった。 As a method for producing carbon fiber, which is one type of carbon material, a method of applying a flameproofing treatment to a carbon fiber precursor obtained by spinning polyacrylonitrile and then carbonizing the precursor has been mainly adopted. (For example, JP-B-37-4405 (Patent Document 1), JP-A-2015-74844 (Patent Document 2), JP-A-2016-40419 (Patent Document 3), JP-A-2016-113726 ( Patent document 4)). Since the polyacrylonitrile used in this method is difficult to dissolve in inexpensive general-purpose solvents, it is necessary to use expensive solvents such as dimethylsulfoxide and N,N-dimethylacetamide during polymerization and spinning. There was a problem of high cost.

一方、ポリアクリルアミドは水溶性のポリマーであり、重合や成形加工(フィルム化、シート化、紡糸等)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 water can be used as a solvent at the time of polymerization and molding (filming, sheeting, spinning, etc.), which is inexpensive and has a low environmental impact. A reduction in manufacturing costs is expected.

特公昭37-4405号公報Japanese Patent Publication No. 37-4405 特開2015-74844号公報JP 2015-74844 A 特開2016-40419号公報JP 2016-40419 A 特開2016-113726号公報JP 2016-113726 A

しかしながら、従来のポリアクリルアミドを含有する水溶液は、粘度が極めて高いため、成形加工性が極めて低いという問題があった。 However, conventional aqueous solutions containing polyacrylamide have a problem of extremely low moldability due to their extremely high viscosity.

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り、高い炭化収率を有し、成形加工性に優れた炭素材料前駆体、それを含有する炭素材料前駆体組成物、及びそれら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-described problems of the prior art, and includes a carbon material precursor made of an acrylamide polymer, having a high carbonization yield and excellent moldability, and a carbon material containing the same. An object of the present invention is to provide a precursor composition and a method for producing a carbon material using them.

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おいて、アクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量を特定の範囲に低分子量化することによって、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を含有する水性溶液又は水系混合溶液は、粘度が低くなるため、成形加工性が向上すること、さらに、前記炭素材料前駆体は炭化収率が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above object, and as a result, in a carbon material precursor composed of an acrylamide-based polymer, by reducing the weight average molecular weight of the acrylamide-based polymer to a specific range, the above-mentioned An aqueous solution or an aqueous mixed solution containing a carbon material precursor made of an acrylamide polymer has a low viscosity, so that molding processability is improved, and the carbon material precursor has an improved carbonization yield. The discovery led to the completion of the present invention.

すなわち、本発明の炭素材料前駆体は、重量平均分子量が1万~16万のアクリルアミド系ポリマーからなることを特徴とするものである。このような炭素材料前駆体において、前記アクリルアミド系ポリマーはシアン化ビニル系モノマー単位を含有するものであることが好ましい。 That is, the carbon material precursor of the present invention is characterized by comprising an acrylamide polymer having a weight average molecular weight of 10,000 to 160,000 . In such a carbon material precursor, the acrylamide-based polymer preferably contains vinyl cyanide-based monomer units.

また、本発明の炭素材料前駆体組成物は、前記本発明の炭素材料前駆体と、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分とを含有することを特徴とするものである。このような炭素材料前駆体組成物において、前記添加成分の含有量は前記炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~40質量部であることが好ましい。 Further, the carbon material precursor composition of the present invention is characterized by containing the carbon material precursor of the present invention and at least one additive component selected from the group consisting of acids and salts thereof. is. In such a carbon material precursor composition, the content of the additive component is preferably 0.1 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor.

さらに、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又は前記本発明の炭素材料前駆体組成物に炭化処理を施すことを特徴とする。また、本発明の炭素材料の製造方法においては、前記炭化処理の前に、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物に耐炎化処理を施すことが好ましい。 Furthermore, the method for producing a carbon material of the present invention is characterized by subjecting the carbon material precursor of the present invention or the carbon material precursor composition of the present invention to a carbonization treatment. Moreover, in the method for producing a carbon material of the present invention, it is preferable that the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is subjected to a flameproofing treatment before the carbonization treatment.

なお、本発明において、水性溶液とは、溶媒として水性溶媒(水、アルコール等、及びこれらの混合溶媒)を含有する溶液であり、水系混合溶液とは、溶媒として水系混合溶媒(前記水性溶媒と有機溶媒(テトラヒドロフラン等)との混合溶媒)を含有する溶液である。また、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。 In the present invention, the aqueous solution is a solution containing an aqueous solvent (water, alcohol, etc., and a mixed solvent thereof) as a solvent, and the aqueous mixed solution is an aqueous mixed solvent (the aqueous solvent and It is a solution containing an organic solvent (mixed solvent with tetrahydrofuran, etc.). Moreover, the content of the organic solvent in the aqueous mixed solvent is not particularly limited as long as the acrylamide polymer, which is insoluble or sparingly soluble in the aqueous solvent, dissolves when mixed with the organic solvent.

また、本発明の炭素材料前駆体を含有する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低く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、高分子量のアクリルアミド系ポリマーにおいては、ポリマー鎖同士の絡み合いやポリマー鎖間の水素結合により擬似的な架橋構造が生成するため、その水性溶液又は水系混合溶液の粘度が高くなると推察される。一方、アクリルアミド系ポリマーを低分子量化すると、ポリマー鎖同士の絡み合いやポリマー鎖間の水素結合が少なくなるため、擬似的な架橋構造が生成しにくく、その水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低くなると推察される。また、アクリルアミド系ポリマーがシアン化ビニル系モノマー単位を含有するものである場合には、アクリルアミド系ポリマー中のアクリルアミド系モノマー単位の割合が減少するため、ポリマー鎖間の水素結合が更に少なくなり、水性溶液又は水系混合溶液の粘度も更に低くなると推察される。 Further, the reason why the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution containing the carbon material precursor of the present invention is low is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows. That is, in high-molecular-weight acrylamide-based polymers, entanglement between polymer chains and hydrogen bonding between polymer chains generate a pseudo-crosslinked structure, which is presumed to increase the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution. On the other hand, when the acrylamide-based polymer is made to have a low molecular weight, the entanglement between polymer chains and the hydrogen bonding between polymer chains are reduced, so it is difficult to generate a pseudo-crosslinked structure, and the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution is lowered. guessed. Further, when the acrylamide-based polymer contains vinyl cyanide-based monomer units, the ratio of acrylamide-based monomer units in the acrylamide-based polymer decreases. It is presumed that the viscosity of the solution or aqueous mixed solution will also be lower.

さらに、本発明の炭素材料前駆体が高い炭化収率を示す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、本発明の炭素材料前駆体においては、重量平均分子量が特定の範囲に低分子量化されているため、アクリルアミド系ポリマーのポリマー鎖同士の絡み合いやポリマー鎖間の水素結合が少なく、擬似的な架橋構造が少ないことから、加熱処理によって、ポリマー分子が環化しやすく、耐熱性の高い環状構造が形成され、炭化収率が高くなると推察される。また、アクリルアミド系ポリマーがシアン化ビニル系モノマー単位を含有するものである場合には、加熱処理において、アクリルアミド系モノマー単位同士による環化反応よりも、アクリルアミド系モノマー単位とシアン化ビニル系モノマー単位による環化反応や、シアン化ビニル系モノマー単位同士による環化反応が優先的に進行することにより、ポリマー鎖に剛直な環状構造が導入されて耐熱性が向上し、また、このような環状構造によって、ポリマー鎖の末端からの連鎖的な熱分解が抑制されることにより、熱安定性が向上するため、炭化収率が更に向上すると推察される。さらに、本発明の炭素材料前駆体組成物においては、添加成分である酸やその塩がアクリルアミド系ポリマーの脱水反応を触媒することにより環状構造が形成され、アクリルアミド系ポリマー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更に高くなると推察される。 Furthermore, the reason why the carbon material precursor of the present invention exhibits a high carbonization yield is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows. That is, in the carbon material precursor of the present invention, since the weight average molecular weight is reduced to a specific range, the entanglement between the polymer chains of the acrylamide-based polymer and the hydrogen bonding between the polymer chains are reduced. Since the number of crosslinked structures is small, it is assumed that the heat treatment facilitates cyclization of the polymer molecules, forms a highly heat-resistant cyclic structure, and increases the carbonization yield. Further, when the acrylamide-based polymer contains vinyl cyanide-based monomer units, in the heat treatment, rather than the cyclization reaction between acrylamide-based monomer units, the acrylamide-based monomer unit and the vinyl cyanide-based monomer unit By preferentially proceeding the cyclization reaction and the cyclization reaction between vinyl cyanide-based monomer units, a rigid cyclic structure is introduced into the polymer chain to improve heat resistance. It is presumed that the thermal stability is improved by suppressing chain thermal decomposition from the end of the polymer chain, so that the carbonization yield is further improved. Furthermore, in the carbon material precursor composition of the present invention, the acid or its salt, which is an additive component, catalyzes the dehydration reaction of the acrylamide-based polymer to form a cyclic structure, and the acrylamide-based polymer has a structure with high heat resistance. It is presumed that the carbonization yield of the carbon material precursor is further increased due to the conversion.

本発明によれば、アクリルアミド系ポリマーからなり、高い炭化収率を有し、成形加工性に優れた炭素材料前駆体を得ることが可能となる。また、このような本発明の炭素材料前駆体を用いることによって、低コストで効率よく安定して炭素材料を製造することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain a carbon material precursor that is composed of an acrylamide polymer, has a high carbonization yield, and is excellent in moldability. Moreover, by using such a carbon material precursor of the present invention, it becomes possible to produce a carbon material efficiently and stably at low cost.

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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will now be described in detail with reference to its preferred embodiments.

〔炭素材料前駆体〕
先ず、本発明の炭素材料前駆体について説明する。本発明の炭素材料前駆体は、重量平均分子量が1万~20万の範囲内にあるアクリルアミド系ポリマーからなるものである。
[Carbon material precursor]
First, the carbon material precursor of the present invention will be described. The carbon material precursor of the present invention comprises an acrylamide polymer having a weight average molecular weight within the range of 10,000 to 200,000.

(アクリルアミド系ポリマー)
本発明に用いられるアクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量は1万~20万である。アクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量が前記上限を超えると、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する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が高くなり、成形加工性が低下し、また、炭素材料前駆体の炭化収率が十分に向上しない。他方、アクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量が前記下限未満になると、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体の強度が低下する。さらに、前記アクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量の上限としては、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する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低下して成形加工性が向上し、また、炭素材料前駆体の炭化収率が向上するという観点から、15万以下が好ましく、10万以下がより好ましく、9万以下が更に好ましく、8万以下がまた更に好ましく、7万以下が一層好ましく、6万以下がより一層好ましく、5万以下が特に好ましく、4.7万以下が最も好ましい。また、アクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量の下限としては、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体の強度が向上するという観点から、1万以上が好ましく、2万以上がより好ましい。
(acrylamide polymer)
The weight average molecular weight of the acrylamide polymer used in the present invention is 10,000 to 200,000. If the weight-average molecular weight of the acrylamide-based polymer exceeds the upper limit, the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution containing the carbon material precursor composed of the acrylamide-based polymer increases, resulting in a decrease in molding processability and the carbon material precursor. The carbonization yield of the body is not sufficiently improved. On the other hand, if the weight-average molecular weight of the acrylamide-based polymer is less than the lower limit, the strength of the carbon material precursor composed of the acrylamide-based polymer decreases. Furthermore, the upper limit of the weight-average molecular weight of the acrylamide-based polymer is such that the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution containing the carbon material precursor made of the acrylamide-based polymer is lowered to improve moldability, and the carbon material From the viewpoint of improving the carbonization yield of the precursor, it is preferably 150,000 or less, more preferably 100,000 or less, even more preferably 90,000 or less, even more preferably 80,000 or less, even more preferably 70,000 or less, and 60,000. The following is more preferable, 50,000 or less is particularly preferable, and 47,000 or less is most preferable. The lower limit of the weight-average molecular weight of the acrylamide-based polymer is preferably 10,000 or more, more preferably 20,000 or more, from the viewpoint of improving the strength of the carbon material precursor composed of the acrylamide-based polymer.

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からなる炭素材料前駆体を含有する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低下して成形加工性が向上し、また、炭素材料前駆体の炭化収率が向上するという観点から、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が好ましい。 Such an acrylamide-based polymer may be a homopolymer of an acrylamide-based monomer or a copolymer of an acrylamide-based monomer and another polymerizable monomer. From the viewpoint that the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution containing the polymer is lowered to improve the molding processability and the carbonization yield of the carbon material precursor is improved, the acrylamide-based monomer and other polymerizable monomers are used together. is preferred.

前記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におけるアクリルアミド系モノマー単位の含有量の下限としては、前記共重合体の水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性の観点から、50モル%以上が好ましく、60モル%以上がより好ましく、70モル%以上が特に好ましい。また、アクリルアミド系モノマー単位の含有量の上限としては、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する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低下して成形加工性が向上し、また、炭素材料前駆体の炭化収率が向上するという観点から、99.9モル%以下が好ましく、99モル%以下がより好ましく、95モル%以下が更に好ましく、90モル%以下が特に好ましく、85モル%以下が最も好ましい。 The lower limit of the content of the acrylamide-based monomer unit in the copolymer of the acrylamide-based monomer and other polymerizable monomer is 50 mol% or more from the viewpoint of the solubility of the copolymer in an aqueous solvent or an aqueous mixed solvent. Preferably, 60 mol % or more is more preferable, and 70 mol % or more is particularly preferable. Further, the upper limit of the content of acrylamide-based monomer units is such that the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution containing the carbon material precursor made of the acrylamide-based polymer is lowered to improve moldability. From the viewpoint of improving the carbonization yield of the body, it is preferably 99.9 mol% or less, more preferably 99 mol% or less, still more preferably 95 mol% or less, particularly preferably 90 mol% or less, and 85 mol% or less. Most preferred.

前記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における他の重合性モノマー単位の含有量の下限としては、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する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低下して成形加工性が向上し、また、炭素材料前駆体の炭化収率が向上するという観点から、0.1モル%以上が好ましく、1モル%以上がより好ましく、5モル%以上が更に好ましく、10モル%以上が特に好ましく、15モル%以上が最も好ましい。また、他の重合性モノマー単位の含有量の上限としては、前記共重合体の水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性の観点から、50モル%以下が好ましく、40モル%以下がより好ましく、30モル%以下が特に好ましい。 The lower limit of the content of the other polymerizable monomer unit in the copolymer of the acrylamide-based monomer and the other polymerizable monomer is the viscosity of the aqueous solution or aqueous mixed solution containing the carbon material precursor composed of the acrylamide-based polymer. 0.1 mol % or more is preferable, 1 mol % or more is more preferable, and 5 mol % or more is preferable from the viewpoint of improving the molding processability by decreasing the carbon material precursor and improving the carbonization yield of the carbon material precursor. More preferably, 10 mol % or more is particularly preferable, and 15 mol % or more is most preferable. Further, the upper limit of the content of the other polymerizable monomer unit is preferably 50 mol% or less, more preferably 40 mol% or less, more preferably 30 mol, from the viewpoint of solubility of the copolymer in an aqueous solvent or an aqueous mixed solvent. % or less is particularly preferred.

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、N-エチルアクリルアミド、N-n-プロピルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、N-n-ブチルアクリルアミド、N-tert-ブチルアクリルアミド等のN-アルキルアクリルアミド;N-シクロヘキシルアクリルアミド等のN-シクロ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-(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;N-フェニルアクリルアミド等のN-アリールアクリルアミド;ジアセトンアクリルアミド;N,N’-メチレンビスアクリルアミド等のN,N’-アルキレンビスアクリルアミド;メタクリルアミド;N-メチルメタクリルアミド、N-エチルメタクリルアミド、N-n-プロピルメタクリルアミド、N-イソプロピルメタクリルアミド、N-n-ブチルメタクリルアミド、N-tert-ブチルメタクリルアミド等のN-アルキルメタクリルアミド;N-シクロヘキシルメタクリルアミド等のN-シクロ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-(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;N-フェニルメタクリルアミド等のN-アリールメタクリルアミド;ジアセトンメタクリルアミド;N,N’-メチレンビスメタクリルアミド等のN,N’-アルキレンビスメタクリルアミドが挙げられる。これらの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、水性溶媒又は水系混合溶媒への溶解性が高いという観点から、アクリルアミド;ジアルキルアクリルアミド、メタクリルアミド、ジアルキルメタクリルアミドが好ましく、アクリルアミドが特に好ましい。 Examples of the acrylamide-based monomers include acrylamide; N- alkylacrylamide; N-cycloalkylacrylamide such as N-cyclohexylacrylamide; dialkylacrylamide such as N,N-dimethylacrylamide; dialkylaminoalkylacrylamide such as dimethylaminoethylacrylamide and dimethylaminopropylacrylamide; N-(hydroxymethyl)acrylamide, Hydroxyalkylacrylamides such as N-(hydroxyethyl)acrylamide; N-arylacrylamides such as N-phenylacrylamide; diacetone acrylamide; N,N'-alkylenebisacrylamides such as N,N'-methylenebisacrylamide; methacrylamide; N-alkylmethacrylamides such as N-methylmethacrylamide, N-ethylmethacrylamide, Nn-propylmethacrylamide, N-isopropylmethacrylamide, Nn-butylmethacrylamide, N-tert-butylmethacrylamide; N - N-cycloalkyl methacrylamides such as cyclohexyl methacrylamide; dialkyl methacrylamides such as N,N-dimethyl methacrylamide; dialkylaminoalkyl methacrylamides such as dimethylaminoethyl methacrylamide and dimethylaminopropyl methacrylamide; N-(hydroxymethyl ) hydroxyalkyl methacrylamides such as methacrylamide and N-(hydroxyethyl) methacrylamide; N-aryl methacrylamides such as N-phenylmethacrylamide; diacetone methacrylamide; N, such as N,N'-methylenebismethacrylamide; N'-alkylene bis methacrylamides can be mentioned. These acrylamide-based monomers may be used alone or in combination of two or more. Among these acrylamide-based monomers, acrylamide; dialkylacrylamide, methacrylamide, and dialkylmethacrylamide are preferred, and acrylamide is particularly preferred, from the viewpoint of high solubility in aqueous solvents or aqueous mixed solvents.

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、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する水性溶液又は水系混合溶液の粘度が低下して成形加工性が向上し、また、炭素材料前駆体の炭化収率が向上するという観点から、シアン化ビニル系モノマーが好ましく、アクリロニトリルが特に好ましい。 Examples of other polymerizable monomers include vinyl cyanide-based monomers, unsaturated carboxylic acids and salts thereof, unsaturated carboxylic anhydrides, unsaturated carboxylic acid esters, vinyl-based monomers, and olefin-based monomers. Examples of the vinyl cyanide monomer include acrylonitrile, methacrylonitrile, 2-hydroxyethyl acrylonitrile, chloroacrylonitrile, chloromethacrylonitrile, methoxyacrylonitrile, methoxymethacrylonitrile and the like. Examples of the unsaturated carboxylic acid include acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid. Examples of the unsaturated carboxylic anhydride include maleic anhydride and itaconic anhydride. Examples thereof include methyl acrylate, methyl methacrylate, etc. Examples of the vinyl-based monomers include styrene, α-methylstyrene, vinyl chloride, vinyl alcohol, etc. Examples of the olefin-based monomers include ethylene, propylene, etc. is mentioned. These other polymerizable monomers may be used alone or in combination of two or more. In addition, among these other polymerizable monomers, the viscosity of an aqueous solution or aqueous mixed solution containing a carbon material precursor made of an acrylamide-based polymer is lowered to improve moldability. Vinyl cyanide-based monomers are preferred, and acrylonitrile is particularly preferred, from the viewpoint of improving the carbonization yield.

このようなアクリルアミド系ポリマーからなる本発明の炭素材料前駆体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について、直径25mm、角度0.04radのコーンプレートを備えた回転式レオメーター(例えば、ティー・エイ・インスツルメント社製「ARES-G2」)を用いて、室温、せん断速度10s-1の条件で測定した粘度が、200Pa・s以下であることが好ましく、100Pa・s以下であることがより好ましく、20Pa・s以下であることが更に好ましく、2Pa・s以下であることが特に好ましい。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、表面外観に優れたフィルムを得ることができる。また、高濃度化により製造効率(生産性)の向上を図ることができる。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。 An aqueous solution or aqueous mixed solution containing the carbon material precursor of the present invention made of such an acrylamide polymer has a viscosity even when the concentration of the carbon material precursor is high (for example, 20% by mass or more). It is low and has excellent moldability. Specifically, for the aqueous solution or the aqueous mixed solution in which the concentration of the carbon material precursor is 30% by mass, a rotary rheometer (for example, a tee plate) equipped with a cone plate having a diameter of 25 mm and an angle of 0.04 rad is used. "ARES-G2" manufactured by A Instruments Co., Ltd.), the viscosity measured at room temperature and a shear rate of 10 s -1 is preferably 200 Pa s or less, and is preferably 100 Pa s or less. It is more preferably 20 Pa·s or less, and particularly preferably 2 Pa·s or less. As a result, for example, when a film is formed by a solution casting method using the aqueous solution or the aqueous mixed solution, it is possible to obtain a film with little unevenness in thickness and excellent surface appearance. In addition, the production efficiency (productivity) can be improved by increasing the concentration. 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 increases (10% If it exceeds 200 Pa s, the handling property at the time of casting is low, and a film cannot be obtained, or even if a film is obtained, the film contains air bubbles, and the thickness unevenness is further increased ( 20%).

このような本発明の炭素材料前駆体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、アルコール等、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従来公知の重合開始剤を使用することができるが、溶媒として前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を使用する場合には、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又は前記水系混合溶媒(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好ましい。 As a method for producing such a carbon material precursor of the present invention, a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, precipitation polymerization, dispersion polymerization, emulsion polymerization (e.g., inverse emulsion polymerization) may be employed. can be done. When solution polymerization is employed, the solvent is not particularly limited as long as it dissolves the raw material monomer and the obtained acrylamide polymer. Alcohols, etc., and mixed solvents thereof, etc.) or the above-mentioned aqueous mixed solvents (mixed solvents of the above-mentioned aqueous solvents and organic solvents (tetrahydrofuran, etc.)) are preferably used, and it is more preferable to use the above-mentioned aqueous solvents. is particularly preferred. Further, as the polymerization initiator, a conventionally known polymerization initiator can be used. ), ammonium persulfate, potassium persulfate, or the like, or a radical polymerization initiator soluble in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, more preferably water).

重合反応の温度としては特に制限はないが、得られるアクリルアミド系ポリマーの重量平均分子量が小さくなり、成形加工性が向上するという観点から、40℃以上が好ましく、50℃以上がより好ましく、60℃以上が更に好ましく、65℃以上がまた更に好ましく、70℃以上が特に好ましく、75℃以上が最も好ましい。 The temperature of the polymerization reaction is not particularly limited, but is preferably 40°C or higher, more preferably 50°C or higher, and 60°C, from the viewpoint that the weight average molecular weight of the obtained acrylamide polymer is reduced and the moldability is improved. 65° C. or higher is even more preferred, 70° C. or higher is particularly preferred, and 75° C. or higher is most preferred.

〔炭素材料前駆体組成物〕
次に、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、前記本発明の炭素材料前駆体と、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分とを含有するものである。本発明の炭素材料前駆体に、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分を添加することによって、炭化収率が更に向上する。
[Carbon material precursor composition]
Next, the carbon material precursor composition of the present invention will be described. The carbon material precursor composition of the present invention contains the carbon material precursor of the present invention and at least one additive component selected from the group consisting of acids and salts thereof. By adding at least one additional component selected from the group consisting of acids and salts thereof to the carbon material precursor of the present invention, the carbonization yield is further improved.

本発明の炭素材料前駆体組成物において、このような添加成分の含有量としては、炭化収率がより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0.1~40質量部が好ましく、0.1~30質量部がより好ましく、0.2~25質量部が更に好ましい。 In the carbon material precursor composition of the present invention, the content of such additive components is 0.1 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor from the viewpoint of further improving the carbonization yield. parts, more preferably 0.1 to 30 parts by mass, even more preferably 0.2 to 25 parts by mass.

前記酸としては、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、ポリホウ酸、硫酸、硝酸、炭酸、塩酸等の無機酸、シュウ酸、クエン酸、スルホン酸、酢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、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、ポリホウ酸、硫酸、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、及びこれらのアンモニウム塩が特に好ましい。 Examples of the acid include inorganic acids such as phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, polyboric acid, sulfuric acid, nitric acid, carbonic acid and hydrochloric acid, and organic acids such as oxalic acid, citric acid, sulfonic acid and acetic acid. Examples of such acid salts include metal salts (eg, sodium salts, potassium salts), ammonium salts, amine salts and the like, with ammonium salts and amine salts being preferred, and ammonium salts being more preferred. Among these additive components, phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, polyboric acid, sulfuric acid, and ammonium salts thereof are particularly preferable from the viewpoint of further improving the carbonization yield of the obtained carbon material precursor. Acids, polyphosphoric acids and their ammonium salts are particularly preferred.

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について、直径25mm、角度0.04radのコーンプレートを備えた回転式レオメーター(例えば、ティー・エイ・インスツルメント社製「ARES-G2」)を用いて、室温、せん断速度10s-1の条件で測定した粘度が、200Pa・s以下であることが好ましく、100Pa・s以下であることがより好ましく、20Pa・s以下であることが更に好ましく、2Pa・s以下であることが特に好ましい。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、表面外観に優れたフィルムを得ることができる。また、高濃度化により製造効率(生産性)の向上を図ることができる。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。 Such an aqueous solution or aqueous mixed 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 (e.g., 20% by mass or more), and is suitable for molding. Excellent workability. Specifically, for the aqueous solution or the aqueous mixed solution in which the concentration of the carbon material precursor is 30% by mass, a rotary rheometer (for example, a tee plate) equipped with a cone plate having a diameter of 25 mm and an angle of 0.04 rad is used. "ARES-G2" manufactured by A Instruments Co., Ltd.), the viscosity measured at room temperature and a shear rate of 10 s -1 is preferably 200 Pa s or less, and is preferably 100 Pa s or less. It is more preferably 20 Pa·s or less, and particularly preferably 2 Pa·s or less. As a result, for example, when a film is formed by a solution casting method using the aqueous solution or the aqueous mixed solution, it is possible to obtain a film with little unevenness in thickness and excellent surface appearance. In addition, the production efficiency (productivity) can be improved by increasing the concentration. 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 increases (10% If it exceeds 200 Pa s, the handleability at the time of casting is low, and a film cannot be obtained, or even if a film is obtained, the film contains air bubbles or the thickness unevenness is further increased ( 20%).

このような本発明の炭素材料前駆体組成物を製造する方法としては、溶融状態の前記炭素材料前駆体に前記添加成分を直接混合する方法(溶融混合)、前記炭素材料前駆体と前記添加成分とをドライブレンドする方法(乾式混合)、前記添加成分を含有する水性溶液又は水系混合溶液、或いは前記炭素材料前駆体は完全溶解していないが前記添加成分は溶解している溶液に所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状)に成形した前記炭素材料前駆体を浸漬したり、通過させたりす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及び前記添加成分が前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に可溶であり、前記炭素材料前駆体と前記添加成分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を前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒中で混合する方法(湿式混合)が好ましい。また、湿式混合としては、前記炭素材料前駆体の製造に際し、前述の重合を前記水性溶媒中又は前記水系混合溶媒中で行なった場合に、重合後等に前記添加成分を混合する方法も採用することができる。さらに、得られる溶液から前記溶媒を除去することによって本発明の炭素材料前駆体組成物を回収し、これを後述する炭素材料の製造に用いることができるほか、前記溶媒を除去することなく、得られる溶液をそのまま後述する炭素材料の製造に用いることもできる。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、減圧留去、再沈殿、熱風乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の公知の方法のうちの少なくとも1つの方法を採用することができる。 Methods for producing such a carbon material precursor composition of the present invention include a method of directly mixing the additive component with the carbon material precursor in a molten state (melt mixing), and a method of mixing the carbon material precursor and the additive component. A method of dry blending (dry mixing), an aqueous solution or aqueous mixed solution containing the additive component, or a solution in which the carbon material precursor is not completely dissolved but the additive component is dissolved into a desired shape. It is also possible to adopt a method of immersing or passing the carbon material precursor formed into a (for example, film, sheet, or fibrous) shape. From the viewpoint that the additive component is soluble in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, and the carbon material precursor and the additive component can be uniformly mixed, the carbon material precursor and the additive component are A method of mixing in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent (wet mixing) is preferred. Further, as wet mixing, when the above-described polymerization is carried out in the above-mentioned aqueous solvent or the above-mentioned aqueous mixed solvent in the production of the above-mentioned carbon material precursor, a method of mixing the above-mentioned additive components after the polymerization is also adopted. be able to. Furthermore, by removing the solvent from the resulting solution, the carbon material precursor composition of the present invention can be recovered and used for the production of the carbon material described later. The resulting solution can be used as it is for the production of the carbon material described later. In the wet mixing, the aqueous solvent is preferably used as the solvent, and water is more preferably used, from the viewpoint that the carbon material precursor composition can be produced safely at a lower cost. Furthermore, the method for removing the solvent is not particularly limited, and at least one of known methods such as distillation under reduced pressure, reprecipitation, hot air drying, vacuum drying, and freeze drying can be employed.

〔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としては、前記本発明の炭素材料前駆体又は前記本発明の炭素材料前駆体組成物に、直接炭化処理を施すことも可能であるが、耐炎化処理を施し、次いで、炭化処理を施すことが好ましい。
[Method for producing carbon material]
Next, the method for producing the carbon material of the present invention will be described. As a method for producing the carbon material of the present invention, the carbon material precursor of the present invention or the carbon material precursor composition of the present invention may be directly carbonized. Then, it is preferable to perform a carbonization treatment.

本発明の炭素材料の好ましい製造方法においては、先ず、本発明の炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物に酸化性雰囲気下(例えば、空気中)で加熱処理を施す(耐炎化処理)。これにより、炭素材料前駆体を構成する前記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。特に、前記炭素材料前駆体組成物においては、添加成分である酸やその塩の触媒作用により、前記アクリルアミド系ポリマーの脱水反応が促進されるため、環状構造が形成されやすく、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やすいため、炭素材料前駆体の炭化収率が更に高くなる。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、150~450℃がより好ましく、200~400℃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、長時間(例えば1時間超)の加熱も可能であるが、コスト低減の観点から1~60分間が好ましい。 In a preferred method for producing the carbon material of the present invention, first, the carbon material precursor or carbon material precursor composition of the present invention is subjected to heat treatment in an oxidizing atmosphere (for example, in air) (flameproof treatment). As a result, the structure of the acrylamide-based polymer constituting the carbon material precursor is converted into a structure with high heat resistance, so that the carbonization yield of the carbon material precursor is improved. In particular, in the carbon material precursor composition, the dehydration reaction of the acrylamide-based polymer is facilitated by the catalytic action of the acid or its salt, which is an additive component. is easily converted into a structure with high heat resistance, the carbonization yield of the carbon material precursor is further increased. The heating temperature in such a flameproofing treatment is preferably 500°C or less, more preferably 150 to 450°C, and even more preferably 200 to 400°C. Moreover, the heating time in the flameproofing treatment is not particularly limited, and heating for a long time (for example, more than 1 hour) is possible, but from the viewpoint of cost reduction, 1 to 60 minutes is preferable.

次に、このようにして耐炎化処理が施された炭素材料前駆体(耐炎化炭素材料前駆体)又は炭素材料前駆体組成物(耐炎化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)、前記耐炎化処理における加熱温度よりも高い温度で加熱処理を施す(炭化処理)。これにより、耐炎化炭素材料前駆体が炭化し、所望の炭素材料が得られる。このような炭化処理における加熱温度としては500℃以上が好ましく、1000℃以上がより好ましい。また、加熱温度の上限としては3000℃以下が好ましく、2000℃以下がより好ましい。さらに、炭化処理における加熱時間としては特に制限はないが、1~60分間が好ましく、1~30分間がより好ましい。また、前記炭化処理においては、例えば、先に1000℃未満の温度で加熱処理を行なった後、1000℃以上の温度で加熱処理を行うといったように、複数回の加熱処理を行うこともできる。なお、本発明の炭素材料の製造方法においては、前記耐炎化処理を施さずに、このような炭化処理を、本発明の炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物に直接施すことも可能である。 Next, the carbon material precursor (flame-resistant carbon material precursor) or the carbon material precursor composition (flame-resistant carbon material precursor composition) that has been subjected to the flameproofing treatment in this way is placed in an inert atmosphere ( In an inert gas such as nitrogen, argon, or helium), heat treatment is performed at a temperature higher than the heating temperature in the flameproofing treatment (carbonization treatment). As a result, the flame resistant carbon material precursor is carbonized to obtain the desired carbon material. The heating temperature in such carbonization treatment is preferably 500° C. or higher, more preferably 1000° C. or higher. Moreover, the upper limit of the heating temperature is preferably 3000° C. or less, more preferably 2000° C. or less. Furthermore, the heating time in the carbonization treatment is not particularly limited, but is preferably 1 to 60 minutes, more preferably 1 to 30 minutes. Further, in the carbonization treatment, the heat treatment may be performed multiple times, for example, the heat treatment is first performed at a temperature of less than 1000° C. and then the heat treatment is performed at a temperature of 1000° C. or higher. In the method for producing a carbon material of the present invention, it is also possible to directly apply such a carbonization treatment to the carbon material precursor or the carbon material precursor composition of the present invention without applying the flameproofing treatment. be.

また、本発明の炭素材料の製造方法においては、耐炎化処理の前に(耐炎化処理を施さなかった場合には炭化処理の前に)、使用する炭素材料前駆体又は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)に成形加工することが好ましい。このとき、炭素材料前駆体又は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又は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、スパンボンド、メルトブローン、遠心紡糸)してもよいが、本発明の炭素材料前駆体又は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り、成形加工性が高まるという観点から、前記炭素材料前駆体又は前記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、或いは、前述の重合後の炭素材料前駆体の溶液又は前述の湿式混合で得られる炭素材料前駆体組成物の溶液をそのまま若しくは所望の濃度に調整した後、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、乾式紡糸、湿式紡糸、乾湿式紡糸、ゲル紡糸、フラッシュ紡糸、又は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又は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。このように予め所望の形状に成形加工した炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物を用いることによって、所望の形状の炭素材料(例えば、炭素フィルム、炭素シート、炭素繊維)を製造することができる。 Further, in the method for producing a carbon material of the present invention, before the flameproofing treatment (before the carbonization treatment when the flameproofing treatment is not performed), the carbon material precursor or the carbon material precursor composition to be used is is preferably molded into a desired shape (for example, film, sheet, fiber) in advance. At this time, the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is pressure-molded as it is, or the carbon material precursor or the carbon material precursor composition in a molten state is melt-molded (for example, melt cast molding, melt extrusion). molding, injection molding, melt spinning, spunbonding, meltblowing, centrifugal spinning), provided that the carbon material precursor or carbon material precursor composition of the present invention is soluble in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. , from the viewpoint of enhancing moldability, the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is dissolved in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, and the resulting aqueous solution or aqueous mixed solution is used for molding. Alternatively, it is preferable to mold the solution of the carbon material precursor after polymerization or the solution of the carbon material precursor composition obtained by the wet mixing as it is or after adjusting it to a desired concentration. As such a molding method, solution cast molding, wet molding, dry spinning, wet spinning, dry-wet spinning, gel spinning, flash spinning, or electrospinning is preferably performed. Thereby, a carbon material precursor or a carbon material precursor composition having a desired shape can be produced safely at low cost. Moreover, from the viewpoint that the carbon material can be produced safely at a lower cost, it is more preferable to use the aqueous solvent as the solvent, and it is particularly preferable to use water. By using a carbon material precursor or a carbon material precursor composition that has been molded into a desired shape in advance, a carbon material (for example, a carbon film, a carbon sheet, or a carbon fiber) having a desired shape can be produced. can.

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、実施例で使用した各アクリルアミド系ポリマーは以下の方法により合成した。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples. Each acrylamide polymer used in the examples was synthesized by the following method.

(合成例1)
アクリルアミド(AAm、和光純薬工業株式会社製)12.8g(0.18mol)をイオン交換水180mlに溶解し、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム0.252g(0.0011mol)及びテトラメチルエチレンジアミン1.35mlを添加して、窒素雰囲気下、60℃で3時間重合反応を行なった。得られた水溶液をメタノール中に投入して重合物を析出させ、これを回収して真空乾燥させることにより、水溶性のポリアクリルアミド(PAAm)を得た。このPAAmの重量平均分子量Mwを、ゲル浸透クロマトグラフィー(東ソー株式会社製「HLC-8220GPC」、カラム:TSKgel GMPWXL×2本+TSKgel G2500PWXL×1本、溶離液:100mM硝酸ナトリウム水溶液/アセトニトリル=80/20、カラム温度:40℃、分子量標準物質:標準ポリエチレンオキシド/標準ポリエチレングリコール)を用いて測定したところ、Mw=130000であった。
(Synthesis example 1)
12.8 g (0.18 mol) of acrylamide (AAm, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in 180 ml of deionized water, and 0.252 g (0.0011 mol) of ammonium persulfate and tetramethylethylenediamine were added to the resulting aqueous solution. 35 ml was added, and the polymerization reaction was carried out at 60° C. for 3 hours under nitrogen atmosphere. The resulting aqueous solution was poured into methanol to precipitate a polymer, which was collected and vacuum-dried to obtain water-soluble polyacrylamide (PAAm). The weight average molecular weight Mw of this PAAm was measured by gel permeation chromatography (manufactured by Tosoh Corporation "HLC-8220GPC", column: TSKgel GMPW XL × 2 + TSKgel G2500PW XL × 1, eluent: 100 mM sodium nitrate aqueous solution / acetonitrile = 80 /20, column temperature: 40°C, molecular weight standards: standard polyethylene oxide/standard polyethylene glycol), Mw = 130,000.

(合成例2)
アクリルアミド(AAm、和光純薬工業株式会社製)12.8g(0.18mol)をイオン交換水180mlに溶解し、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム0.252g(0.0011mol)及びテトラメチルエチレンジアミン1.35mlを添加して、窒素雰囲気下、80℃で3時間重合反応を行なった。得られた水溶液をメタノール中に投入して重合物を析出させ、これを回収して真空乾燥させることにより、水溶性のポリアクリルアミド(PAAm)を得た。このPAAmの重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=95000であった。
(Synthesis example 2)
12.8 g (0.18 mol) of acrylamide (AAm, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in 180 ml of deionized water, and 0.252 g (0.0011 mol) of ammonium persulfate and tetramethylethylenediamine were added to the resulting aqueous solution. 35 ml was added, and the polymerization reaction was carried out at 80° C. for 3 hours under nitrogen atmosphere. The resulting aqueous solution was poured into methanol to precipitate a polymer, which was collected and vacuum-dried to obtain water-soluble polyacrylamide (PAAm). When the weight average molecular weight Mw of this PAAm was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=95,000.

(合成例3)
アクリルアミド(AAm、和光純薬工業株式会社製)96.0g(1.35mol)及びアクリロニトリル(AN)23.9g(0.45mol)をイオン交換水480mlに溶解し、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム1.03g(0.0045mol)及びテトラメチルエチレンジアミン6.75mlを添加して、窒素雰囲気下、50℃で3時間重合反応を行なった。得られた水溶液をメタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して真空乾燥させることにより、水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=160000であった。
(Synthesis Example 3)
96.0 g (1.35 mol) of acrylamide (AAm, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 23.9 g (0.45 mol) of acrylonitrile (AN) are dissolved in 480 ml of ion-exchanged water, and 1 part of ammonium persulfate is added to the resulting aqueous solution. 0.03 g (0.0045 mol) and 6.75 ml of tetramethylethylenediamine were added, and a polymerization reaction was carried out at 50° C. for 3 hours under a nitrogen atmosphere. The resulting aqueous solution was poured into methanol to precipitate a copolymer, which was collected and vacuum-dried to yield a water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %). Obtained. When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=160,000.

(合成例4)
過硫酸アンモニウムの量を1.52g(0.0067mol)に変更した以外は合成例3と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=130000であった。
(Synthesis Example 4)
A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3, except that the amount of ammonium persulfate was changed to 1.52 g (0.0067 mol). When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=130,000.

(合成例5)
過硫酸アンモニウムの量を2.52g(0.011mol)に変更した以外は合成例3と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=95000であった。
(Synthesis Example 5)
A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3, except that the amount of ammonium persulfate was changed to 2.52 g (0.011 mol). When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=95,000.

(合成例6)
過硫酸アンモニウムの量を4.11g(0.018mol)に変更した以外は合成例3と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=78000であった。
(Synthesis Example 6)
A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3, except that the amount of ammonium persulfate was changed to 4.11 g (0.018 mol). When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=78,000.

(合成例7)
過硫酸アンモニウムの量を6.17g(0.027mol)に変更し、重合温度を60℃に変更した以外は合成例3と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=54000であった。
(Synthesis Example 7)
A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN = 75 mol% /25 mol%) was obtained. When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=54,000.

(合成例8)
アクリルアミド(AAm)の量を108.8g(1.53mol)に、アクリロニトリル(AN)の量を14.3g(0.27mol)に、過硫酸アンモニウムの量を4.11g(0.018mol)に変更し、重合温度を70℃に変更した以外は合成例3と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=85mol%/15mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=60000であった。
(Synthesis Example 8)
The amount of acrylamide (AAm) was changed to 108.8 g (1.53 mol), the amount of acrylonitrile (AN) was changed to 14.3 g (0.27 mol), and the amount of ammonium persulfate was changed to 4.11 g (0.018 mol). A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=85 mol %/15 mol %) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3, except that the polymerization temperature was changed to 70.degree. When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=60,000.

(合成例9)
アクリルアミド(AAm)の量を89.6g(1.26mol)に、アクリロニトリル(AN)の量を28.7g(0.54mol)に、過硫酸アンモニウムの量を4.11g(0.018mol)に変更し、重合温度を70℃に変更した以外は合成例3と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=70mol%/30mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=60000であった。
(Synthesis Example 9)
The amount of acrylamide (AAm) was changed to 89.6 g (1.26 mol), the amount of acrylonitrile (AN) was changed to 28.7 g (0.54 mol), and the amount of ammonium persulfate was changed to 4.11 g (0.018 mol). A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=70 mol %/30 mol %) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3, except that the polymerization temperature was changed to 70.degree. When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=60,000.

(合成例10)
重合温度を78℃に変更した以外は合成例6と同様にして水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%)を得た。このAAm/AN共重合体の重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=44000であった。
(Synthesis Example 10)
A water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 6, except that the polymerization temperature was changed to 78.degree. When the weight average molecular weight Mw of this AAm/AN copolymer was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=44,000.

(実施例1)
炭素材料前駆体として合成例1で得られたPAAm(Mw=130000)をそのまま使用した。
(Example 1)
PAAm (Mw=130000) obtained in Synthesis Example 1 was used as the carbon material precursor.

(実施例2)
炭素材料前駆体として合成例1で得られたPAAm(Mw=130000)を、炭素材料前駆体濃度が20質量%となるようにイオン交換水に溶解した。得られた水溶液に、前記炭素材料前駆体100質量部に対して2質量部のリン酸水素二アンモニウムを添加し、完全に溶解させた。得られた水溶液から水を減圧留去した後、得られた固体成分を真空乾燥して、PAAm及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 2)
As a carbon material precursor, PAAm (Mw=130000) obtained in Synthesis Example 1 was dissolved in ion-exchanged water so that the carbon material precursor concentration was 20% by mass. To the obtained aqueous solution, 2 parts by mass of diammonium hydrogen phosphate was added with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor, and completely dissolved. After water was distilled off from the obtained aqueous solution under reduced pressure, the obtained solid component was vacuum-dried to obtain a carbon material precursor composition containing PAAm and diammonium hydrogen phosphate.

(実施例3)
炭素材料前駆体として合成例2で得られたPAAm(Mw=95000)をそのまま使用した。
(Example 3)
PAAm (Mw=95000) obtained in Synthesis Example 2 was used as a carbon material precursor.

(実施例4)
炭素材料前駆体として合成例2で得られたPAAm(Mw=95000)を用いた以外は実施例2と同様にして、PAAm及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 4)
A carbon material precursor composition containing PAAm and diammonium hydrogen phosphate was obtained in the same manner as in Example 2, except that PAAm (Mw = 95000) obtained in Synthesis Example 2 was used as the carbon material precursor. .

(実施例5)
リン酸水素二アンモニウムの代わりにリン酸を、前記炭素材料前駆体100質量部に対して2質量部添加した以外は実施例4と同様にして、PAAm及びリン酸を含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 5)
Carbon material precursor composition containing PAAm and phosphoric acid in the same manner as in Example 4 except that 2 parts by mass of phosphoric acid was added to 100 parts by mass of the carbon material precursor instead of diammonium hydrogen phosphate. got stuff

(実施例6)
炭素材料前駆体として合成例3で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=160000)をそのまま使用した。
(Example 6)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %, Mw=160000) obtained in Synthesis Example 3 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例7)
炭素材料前駆体として合成例3で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=160000)を用いた以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 7)
AAm/AN copolymer was prepared in the same manner as in Example 2 except that the AAm/AN copolymer obtained in Synthesis Example 3 (AAm/AN=75 mol%/25 mol%, Mw=160000) was used as the carbon material precursor. A carbon material precursor composition containing a polymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained.

(実施例8)
炭素材料前駆体として合成例4で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=130000)をそのまま使用した。
(Example 8)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %, Mw=130000) obtained in Synthesis Example 4 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例9)
炭素材料前駆体として合成例4で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=130000)を用い、リン酸水素二アンモニウムの添加量を前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部に変更した以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 9)
The AAm/AN copolymer obtained in Synthesis Example 4 (AAm/AN=75 mol%/25 mol%, Mw=130000) was used as the carbon material precursor, and the amount of diammonium hydrogen phosphate added was A carbon material precursor composition containing an AAm/AN copolymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained in the same manner as in Example 2, except that the amount was changed to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass.

(実施例10)
炭素材料前駆体として合成例5で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=95000)をそのまま使用した。
(Example 10)
As the carbon material precursor, the AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %, Mw=95000) obtained in Synthesis Example 5 was used as it was.

(実施例11)
炭素材料前駆体として合成例5で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=95000)を用いた以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 11)
AAm/AN copolymer was prepared in the same manner as in Example 2 except that the AAm/AN copolymer obtained in Synthesis Example 5 (AAm/AN=75 mol%/25 mol%, Mw=95000) was used as the carbon material precursor. A carbon material precursor composition containing a polymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained.

(実施例12)
リン酸水素二アンモニウムの添加量を前記炭素材料前駆体100質量部に対して20質量部に変更した以外は実施例11と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 12)
AAm/AN copolymer and diammonium hydrogen phosphate were added in the same manner as in Example 11 except that the amount of diammonium hydrogen phosphate added was changed to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. A carbon material precursor composition was obtained.

(実施例13)
炭素材料前駆体として合成例6で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=78000)をそのまま使用した。
(Example 13)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %, Mw=78000) obtained in Synthesis Example 6 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例14)
炭素材料前駆体として合成例6で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=78000)を用いた以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 14)
AAm/AN copolymer was prepared in the same manner as in Example 2 except that the AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol%/25 mol%, Mw=78000) obtained in Synthesis Example 6 was used as the carbon material precursor. A carbon material precursor composition containing a polymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained.

(実施例15)
リン酸水素二アンモニウムの代わりにリン酸を、前記炭素材料前駆体100質量部に対して2質量部添加した以外は実施例14と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸を含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 15)
AAm/AN copolymer and phosphoric acid are contained in the same manner as in Example 14 except that 2 parts by mass of phosphoric acid is added to 100 parts by mass of the carbon material precursor instead of diammonium hydrogen phosphate. A carbon material precursor composition was obtained.

(実施例16)
リン酸水素二アンモニウムの代わりにホウ酸を、前記炭素材料前駆体100質量部に対して2質量部添加した以外は実施例14と同様にして、AAm/AN共重合体及びホウ酸を含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 16)
AAm/AN copolymer and boric acid were added in the same manner as in Example 14 except that 2 parts by mass of boric acid was added to 100 parts by mass of the carbon material precursor instead of diammonium hydrogen phosphate. A carbon material precursor composition was obtained.

(実施例17)
炭素材料前駆体として合成例7で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=54000)をそのまま使用した。
(Example 17)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %, Mw=54000) obtained in Synthesis Example 7 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例18)
炭素材料前駆体として合成例7で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=54000)を用い、リン酸水素二アンモニウムの添加量を前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部に変更した以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 18)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol%/25 mol%, Mw=54000) obtained in Synthesis Example 7 was used as the carbon material precursor, and the amount of diammonium hydrogen phosphate added was A carbon material precursor composition containing an AAm/AN copolymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained in the same manner as in Example 2, except that the amount was changed to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass.

(実施例19)
リン酸水素二アンモニウムの代わりにリン酸を、前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部添加した以外は実施例18と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸を含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 19)
AAm/AN copolymer and phosphoric acid are added in the same manner as in Example 18 except that 3 parts by mass of phosphoric acid is added to 100 parts by mass of the carbon material precursor instead of diammonium hydrogen phosphate. A carbon material precursor composition was obtained.

(実施例20)
炭素材料前駆体として合成例8で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=85mol%/15mol%、Mw=60000)をそのまま使用した。
(Example 20)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=85 mol %/15 mol %, Mw=60000) obtained in Synthesis Example 8 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例21)
炭素材料前駆体として合成例8で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=85mol%/15mol%、Mw=60000)を用い、リン酸水素二アンモニウムの添加量を前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部に変更した以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 21)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=85 mol%/15 mol%, Mw=60000) obtained in Synthesis Example 8 was used as the carbon material precursor, and the amount of diammonium hydrogen phosphate added was A carbon material precursor composition containing an AAm/AN copolymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained in the same manner as in Example 2, except that the amount was changed to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass.

(実施例22)
炭素材料前駆体として合成例9で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=70mol%/30mol%、Mw=60000)をそのまま使用した。
(Example 22)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=70 mol %/30 mol %, Mw=60000) obtained in Synthesis Example 9 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例23)
炭素材料前駆体として合成例9で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=70mol%/30mol%、Mw=60000)を用い、リン酸水素二アンモニウムの添加量を前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部に変更した以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 23)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=70 mol %/30 mol %, Mw=60000) obtained in Synthesis Example 9 was used as the carbon material precursor, and the amount of diammonium hydrogen phosphate added was A carbon material precursor composition containing an AAm/AN copolymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained in the same manner as in Example 2, except that the amount was changed to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass.

(実施例24)
炭素材料前駆体として合成例10で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=44000)をそのまま使用した。
(Example 24)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol %/25 mol %, Mw=44000) obtained in Synthesis Example 10 was used as the carbon material precursor as it was.

(実施例25)
炭素材料前駆体として合成例10で得られたAAm/AN共重合体(AAm/AN=75mol%/25mol%、Mw=44000)を用い、リン酸水素二アンモニウムの添加量を前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部に変更した以外は実施例2と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸水素二アンモニウムを含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 25)
The AAm/AN copolymer (AAm/AN=75 mol%/25 mol%, Mw=44000) obtained in Synthesis Example 10 was used as the carbon material precursor, and the amount of diammonium hydrogen phosphate added was A carbon material precursor composition containing an AAm/AN copolymer and diammonium hydrogen phosphate was obtained in the same manner as in Example 2, except that the amount was changed to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass.

(実施例26)
リン酸水素二アンモニウムの代わりにリン酸を、前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部添加した以外は実施例25と同様にして、AAm/AN共重合体及びリン酸を含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 26)
AAm/AN copolymer and phosphoric acid are added in the same manner as in Example 25 except that 3 parts by mass of phosphoric acid is added to 100 parts by mass of the carbon material precursor instead of diammonium hydrogen phosphate. A carbon material precursor composition was obtained.

(実施例27)
リン酸水素二アンモニウムの代わりにホウ酸を、前記炭素材料前駆体100質量部に対して3質量部添加した以外は実施例25と同様にして、AAm/AN共重合体及びホウ酸を含有する炭素材料前駆体組成物を得た。
(Example 27)
AAm/AN copolymer and boric acid were added in the same manner as in Example 25 except that 3 parts by mass of boric acid was added to 100 parts by mass of the carbon material precursor instead of diammonium hydrogen phosphate. A carbon material precursor composition was obtained.

(比較例1)
ポリアクリルアミドの10%水溶液(東京化成工業株式会社製、製品コード:A0140)を真空乾燥して水を除去し、ポリアクリルアミド(PAAm)を回収した。このPAAmの重量平均分子量Mwを合成例1と同様にして測定したところ、Mw=580000であった。このPAAm(Mw=580000)をそのまま、炭素材料前駆体として使用した。
(Comparative example 1)
A 10% aqueous solution of polyacrylamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product code: A0140) was dried under vacuum to remove water and recover polyacrylamide (PAAm). When the weight average molecular weight Mw of this PAAm was measured in the same manner as in Synthesis Example 1, it was found to be Mw=580,000. This PAAm (Mw=580000) was used as it was as a carbon material precursor.

<炭化収率の測定>
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体(実施例1、3、6、8、10、13、17、20、22、24、比較例1)又は炭素材料前駆体組成物(実施例2、4~5、7、9、11~12、14~16、18~19、21、23、25~27)3mgを80℃で12時間真空乾燥した後、示差熱天秤(株式会社リガク製「TG8120」)を用いて、流量500ml/minの窒素気流中、昇温速度20℃/minで室温から1000℃まで加熱した。500℃及び1000℃における炭素材料前駆体の炭化収率を、前記真空乾燥後に炭素材料前駆体に吸着した水の影響を考慮し、150℃における炭素材料前駆体の質量を基準として、下記式:
炭化収率[%]=M/M150×100
〔M:温度T(500℃又は1000℃)における炭素材料前駆体の質量、M150:150℃における炭素材料前駆体の質量〕
により求めた。その結果を表1に示す。
<Measurement of carbonization yield>
Carbon material precursors obtained in Examples and Comparative Examples (Examples 1, 3, 6, 8, 10, 13, 17, 20, 22, 24, Comparative Example 1) or carbon material precursor compositions (Example 2, 4-5, 7, 9, 11-12, 14-16, 18-19, 21, 23, 25-27) 3 mg was vacuum-dried at 80 ° C. for 12 hours, and then subjected to a differential thermal balance (manufactured by Rigaku Co., Ltd. "TG8120") was used to heat from room temperature to 1000° C. at a temperature elevation rate of 20° C./min in a nitrogen stream at a flow rate of 500 ml/min. The carbonization yield of the carbon material precursor at 500 ° C. and 1000 ° C. is calculated by the following formula, based on the mass of the carbon material precursor at 150 ° C., considering the influence of water adsorbed on the carbon material precursor after the vacuum drying.
Carbonization yield [%] = M T /M 150 × 100
[M T : mass of carbon material precursor at temperature T (500° C. or 1000° C.), M 150 : mass of carbon material precursor at 150° C.]
obtained by Table 1 shows the results.

<成形加工性の評価>
炭素材料前駆体(実施例1、3、6、8、10、13、17、20、22、24、比較例1)又は炭素材料前駆体組成物(実施例2、4~5、7、9、11~12、14~16、18~19、21、23、25~27)を、炭素材料前駆体濃度が30質量%となるようにイオン交換水に溶解した。得られた水溶液の粘度を、直径25mm、角度0.04radのコーンプレートを備えた回転式レオメーター(ティー・エイ・インスツルメント社製「ARES-G2」)を用いて、室温、せん断速度10s-1の条件で測定し、下記基準で評価した。その結果を表1に示す。
5:粘度が2Pa・s以下の場合。
4:粘度が2Pa・sを超え、20Pa・s以下の場合。
3:粘度が20Pa・sを超え、100Pa・s以下の場合。
2:粘度が100Pa・sを超え、200Pa・s以下の場合。
1:粘度が200Pa・sを超えた場合。
<Evaluation of moldability>
Carbon material precursors (Examples 1, 3, 6, 8, 10, 13, 17, 20, 22, 24, Comparative Example 1) or carbon material precursor compositions (Examples 2, 4 to 5, 7, 9 , 11-12, 14-16, 18-19, 21, 23, 25-27) were dissolved in ion-exchanged water so that the carbon material precursor concentration was 30 mass %. The viscosity of the resulting aqueous solution was measured using a rotary rheometer (“ARES-G2” manufactured by TA Instruments) equipped with a cone plate with a diameter of 25 mm and an angle of 0.04 rad at room temperature and a shear rate of 10 s. It was measured under the condition of -1 and evaluated according to the following criteria. Table 1 shows the results.
5: When the viscosity is 2 Pa·s or less.
4: When the viscosity exceeds 2 Pa·s and is 20 Pa·s or less.
3: When the viscosity exceeds 20 Pa·s and is 100 Pa·s or less.
2: When the viscosity exceeds 100 Pa·s and is 200 Pa·s or less.
1: When the viscosity exceeds 200 Pa·s.

Figure 0007137124000001
Figure 0007137124000001

表1に示したように、所定の重量平均分子量を有するアクリルアミド系ポリマーからなる本発明の炭素材料前駆体(実施例1、3)は、重量平均分子量が所定の範囲を超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(比較例1)に比べて、加熱温度500℃及び1000℃のいずれにおいても炭化収率が高いこと、並びに、水溶液の粘度が低く、成形加工性にも優れていることが確認された。これは、アクリルアミド系ポリマーの低分子量化によって、ポリマー分子鎖同士の絡み合いが減少したこと、並びに、加熱時の流動性が向上して分子内環化反応が促進され、耐熱性の高い環状構造が素早く、効率的に形成されたことによるものと推察される。 As shown in Table 1, the carbon material precursors (Examples 1 and 3) of the present invention composed of acrylamide-based polymers having a predetermined weight-average molecular weight consist of acrylamide-based polymers with weight-average molecular weights exceeding a predetermined range. Compared to the carbon material precursor (Comparative Example 1), it was confirmed that the carbonization yield was high at both heating temperatures of 500°C and 1000°C, the viscosity of the aqueous solution was low, and the moldability was excellent. was done. This is because the entanglement between polymer molecular chains is reduced by reducing the molecular weight of the acrylamide-based polymer, and the fluidity at the time of heating is improved, promoting the intramolecular cyclization reaction and forming a highly heat-resistant cyclic structure. It is presumed that it was formed quickly and efficiently.

また、実施例8と実施例1、実施例10と実施例3とを対比すると明らかなように、アクリルアミドに所定量のアクリルニトリルを共重合させたアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体からなる炭素材料前駆体(実施例8、10)は、同じ重量平均分子量を有するアクリルアミドの単独重合体からなる炭素材料前駆体(実施例1、3)に比べて、水溶液の粘度が低く、成形加工性が向上することがわかった。 Further, as is clear from comparing Example 8 with Example 1, and Example 10 with Example 3, a carbon material precursor made of an acrylamide/acrylonitrile copolymer obtained by copolymerizing acrylamide with a predetermined amount of acrylonitrile. In (Examples 8 and 10), compared with carbon material precursors (Examples 1 and 3) composed of acrylamide homopolymers having the same weight-average molecular weight, the viscosity of the aqueous solution is low, and the moldability is improved. I found out.

さらに、実施例2と実施例1、実施例4~5と実施例3、実施例7と実施例6、実施例9と実施例8、実施例11~12と実施例10、実施例14~16と実施例13、実施例18~19と実施例17、実施例21と実施例20、実施例23と実施例22、実施例25~27と実施例24とを対比すると明らかなように、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体にリン酸、リン酸塩及びホウ酸のうちのいずれかの添加成分を所定量添加した炭素材料前駆体組成物(実施例2、4~5、7、9、11~12、14~16、18~19、21、23、25~27)は、前記添加成分を添加しなかった場合(実施例1、3、6、8、10、13、17、20、22、24)に比べて、炭化収率が大きく増加することがわかった。 Furthermore, Example 2 and Example 1, Example 4-5 and Example 3, Example 7 and Example 6, Example 9 and Example 8, Example 11-12 and Example 10, Example 14- 16 and Example 13, Examples 18-19 and Example 17, Example 21 and Example 20, Example 23 and Example 22, and Examples 25-27 and Example 24. Carbon material precursor compositions (Examples 2, 4 to 5, 7, 9 , 11 to 12, 14 to 16, 18 to 19, 21, 23, 25 to 27) when the additive component was not added (Examples 1, 3, 6, 8, 10, 13, 17, 20 , 22, 24), the carbonization yield is greatly increased.

(製造例1)
実施例13で得られた炭素材料前駆体を、濃度が30質量%となるようにイオン交換水に溶解した。得られた水溶液をシャーレ上にキャストした後、水を蒸発させ、炭素材料前駆体からなるフィルムを形成した。このフィルムは、厚みにムラがなく、表面外観に優れたものであった。
(Production example 1)
The carbon material precursor obtained in Example 13 was dissolved in ion-exchanged water to a concentration of 30% by mass. After casting the obtained aqueous solution on a petri dish, the water was evaporated to form a film composed of the carbon material precursor. This film had a uniform thickness and an excellent surface appearance.

得られた炭素材料前駆体からなるフィルムに、空気雰囲気下、350℃で10分間の加熱処理(耐炎化処理)を施して耐炎化炭素材料前駆体からなるフィルムを得た。この耐炎化炭素材料前駆体からなるフィルムに、窒素ガス雰囲気下、1000℃で10分間の加熱処理(炭化処理)を施して炭素材料からなるフィルムを得た。 The obtained film made of the carbon material precursor was subjected to a heat treatment (flameproof treatment) at 350° C. for 10 minutes in an air atmosphere to obtain a film made of the flameproof carbon material precursor. The film made of this flame-resistant carbon material precursor was subjected to a heat treatment (carbonization treatment) at 1000° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere to obtain a film made of a carbon material.

(製造例2)
実施例14で得られた炭素材料前駆体組成物を、炭素材料前駆体濃度が30質量%となるようにイオン交換水に溶解し、水溶液を調製した。この水溶液を用いた以外は製造例1と同様にして、炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを得た。このフィルムは、厚みにムラがなく、表面外観に優れたものであった。得られた炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを用いた以外は製造例1と同様にして耐炎化処理及び炭化処理を行い、炭素材料からなるフィルムを得た。
(Production example 2)
The carbon material precursor composition obtained in Example 14 was dissolved in ion-exchanged water so that the carbon material precursor concentration was 30 mass % to prepare an aqueous solution. A film of the carbon material precursor composition was obtained in the same manner as in Production Example 1, except that this aqueous solution was used. This film had a uniform thickness and an excellent surface appearance. A film made of the carbon material was obtained by carrying out the flameproofing treatment and the carbonization treatment in the same manner as in Production Example 1, except that the film made of the obtained carbon material precursor composition was used.

(製造例3)
実施例24で得られた炭素材料前駆体を、炭素材料前駆体濃度が40質量%となるようにイオン交換水に溶解し、水溶液を調製した。この水溶液を用いた以外は製造例1と同様にして、炭素材料前駆体からなるフィルムを得た。このフィルムは、製造例1に比べて製造効率(生産性)の更なる向上の観点から炭素材料前駆体濃度を増加させたにも関わらず、製造例1で得られた炭素材料前駆体からなるフィルムと同様に、厚みにムラがなく、表面外観に優れたものであった。得られた炭素材料前駆体からなるフィルムを用いた以外は製造例1と同様にして耐炎化処理及び炭化処理を行い、炭素材料からなるフィルムを得た。
(Production example 3)
The carbon material precursor obtained in Example 24 was dissolved in ion-exchanged water so that the concentration of the carbon material precursor was 40% by mass to prepare an aqueous solution. A film composed of a carbon material precursor was obtained in the same manner as in Production Example 1, except that this aqueous solution was used. This film is made of the carbon material precursor obtained in Production Example 1, although the concentration of the carbon material precursor is increased from the viewpoint of further improving production efficiency (productivity) compared to Production Example 1. Like the film, it had a uniform thickness and an excellent surface appearance. A film made of a carbon material was obtained by carrying out the flameproofing treatment and the carbonization treatment in the same manner as in Production Example 1, except that the obtained film made of the carbon material precursor was used.

(製造例4)
実施例25で得られた炭素材料前駆体組成物を、炭素材料前駆体濃度が40質量%となるようにイオン交換水に溶解し、水溶液を調製した。この水溶液を用いた以外は製造例1と同様にして、炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを得た。このフィルムは、製造例2に比べて製造効率(生産性)の更なる向上の観点から炭素材料前駆体濃度を増加させたにも関わらず、製造例2で得られた炭素材料前駆体組成物からなるフィルムと同様に、厚みにムラがなく、表面外観に優れたものであった。得られた炭素材料前駆体組成物からなるフィルムを用いた以外は製造例1と同様にして耐炎化処理及び炭化処理を行い、炭素材料からなるフィルムを得た。
(Production example 4)
The carbon material precursor composition obtained in Example 25 was dissolved in ion-exchanged water so that the carbon material precursor concentration was 40% by mass to prepare an aqueous solution. A film of the carbon material precursor composition was obtained in the same manner as in Production Example 1, except that this aqueous solution was used. This film is the carbon material precursor composition obtained in Production Example 2, although the carbon material precursor concentration is increased from the viewpoint of further improving production efficiency (productivity) compared to Production Example 2. The film had a uniform thickness and an excellent surface appearance. A film made of the carbon material was obtained by carrying out the flameproofing treatment and the carbonization treatment in the same manner as in Production Example 1, except that the film made of the obtained carbon material precursor composition was used.

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り、高い炭化収率を有し、成形加工性に優れた炭素材料前駆体を得ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a carbon material precursor that is composed of an acrylamide polymer, has a high carbonization yield, and is excellent in moldability.

したがって、本発明の炭素材料の製造方法は、使用する炭素材料前駆体が高い炭化収率を有し、成形加工性に優れるため、低コストで効率よく安定して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, in the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor used has a high carbonization yield and is excellent in moldability, so that the carbon material can be produced efficiently and stably at low cost. It is useful as a method.

Claims (6)

重量平均分子量が1万~16万のアクリルアミド系ポリマーからなることを特徴とする炭素材料前駆体。 A carbon material precursor comprising an acrylamide polymer having a weight average molecular weight of 10,000 to 160,000 . 前記アクリルアミド系ポリマーがシアン化ビニル系モノマー単位を含有するものであることを特徴とする請求項1に記載の炭素材料前駆体。 2. The carbon material precursor according to claim 1, wherein the acrylamide-based polymer contains a vinyl cyanide-based monomer unit. 請求項1又は2に記載の炭素材料前駆体と、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分とを含有することを特徴とする炭素材料前駆体組成物。 3. A carbon material precursor composition comprising the carbon material precursor according to claim 1 and at least one additive component selected from the group consisting of acids and salts thereof. 前記添加成分の含有量が前記炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~40質量部であることを特徴とする請求項3に記載の炭素材料前駆体組成物。 4. The carbon material precursor composition according to claim 3, wherein the content of said additive component is 0.1 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of said carbon material precursor. 請求項1若しくは2に記載の炭素材料前駆体又は請求項3若しくは4に記載の炭素材料前駆体組成物に炭化処理を施すことを特徴とする炭素材料の製造方法。 5. A method for producing a carbon material, wherein the carbon material precursor according to claim 1 or 2 or the carbon material precursor composition according to claim 3 or 4 is carbonized. 前記炭化処理の前に、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物に耐炎化処理を施すことを特徴とする請求項5に記載の炭素材料の製造方法。 6. The method for producing a carbon material according to claim 5, wherein the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is subjected to a flameproofing treatment before the carbonization treatment.
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