JP7168908B2 - 炭素材料前駆体及びそれを用いた炭素材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素材料前駆体及びそれを用いた炭素材料の製造方法に関し、より詳しくは、アクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体及びそれを用いた炭素材料の製造方法に関する。

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。

また、特開２０１３－１０３９９２号公報（特許文献５）には、アクリロニトリル単位９６～９７．５質量部と、アクリルアミド単位２．５～４質量部と、カルボン酸含有ビニルモノマー０．０１～０．５質量部とからなるポリアクリロニトリル系共重合体からなる炭素材料前駆体繊維が記載されている。このポリアクリロニトリル系共重合体は、ポリマーの水溶性に寄与するアクリルアミド単位やカルボン酸含有ビニルモノマー単位を含有するものの、これらの含有量が少ないため、水には不溶であり、重合や成形加工の際に、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。

さらに、ポリアクリロニトリルやその共重合体に加熱処理を施すと、急激な発熱が起こり、ポリアクリロニトリルやその共重合体の熱分解が加速されるため、炭素材料（炭素繊維）の収率が低くなるという問題があった。このため、ポリアクリロニトリルやその共重合体を用いて炭素材料（炭素繊維）を製造する場合には、耐炎化処理や炭化処理の昇温過程において、急激な発熱が発生しないように、長時間をかけて徐々に昇温する必要があった。

一方、アクリルアミド単位を多く含有するアクリルアミド系ポリマー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。特開２０１８－９０７９１号公報（特許文献６）には、アクリルアミド系ポリマーと、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炭素材料前駆体が記載されている。

特公昭３７－４４０５号公報 特開２０１５－７４８４４号公報 特開２０１６－４０４１９号公報 特開２０１６－１１３７２６号公報 特開２０１３－１０３９９２号公報 特開２０１８－９０７９１号公報

しかしながら、アクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体は、耐炎化処理や炭化処理等の加熱時に、脱離成分による発泡が生じる場合あり、炭素材料の外観品質が低下する場合があった。

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、耐炎化処理や炭化処理等の加熱時に発泡が起こりにくく、良好な外観品質を有する炭素材料を得ることが可能な炭素材料前駆体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。

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、アクリルアミド系モノマー単位とシアン化ビニル系モノマー単位とを特定の割合で含有し、特定の数平均分子量、重量平均分子量及び分子量分布を有するアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体を用いることによって、耐炎化処理や炭化処理等の加熱時に発泡が起こりにくい炭素材料前駆体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の炭素材料前駆体は、アクリルアミド系モノマー単位５０～９９．９モル％とシアン化ビニル系モノマー単位０．１～５０モル％とを含有し、数平均分子量Ｍｎが３．５万～７万であり、重量平均分子量Ｍｗが４万～２５万であり、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎが１．１以上であるアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなることを特徴とするものである。

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に炭化処理を施すことを特徴とする方法である。このような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に耐炎化処理を施すことが好ましい。

本発明によれば、耐炎化処理や炭化処理等の加熱時に発泡が起こりにくく、良好な外観品質を有する炭素材料を得ることが可能な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、良好な外観品質を有する炭素材料を効率よく製造することが可能となる。

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。

〔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、アクリルアミド系モノマー単位５０～９９．９モル％とシアン化ビニル系モノマー単位０．１～５０モル％とを含有し、数平均分子量Ｍｎが３．５万～７万であり、重量平均分子量Ｍｗが４万～４７万であり、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎが１．１以上であるアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなり、炭素材料の製造に用いられる前駆体材料である。

（アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体）
本発明に用いられるアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体は、全モノマー単位１００モル％に対して、アクリルアミド系モノマー単位を５０～９９．９モル％の割合で含有するものである。アクリルアミド系モノマー単位の含有量が前記下限未満になると、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体が後述する水性溶媒又は水系混合溶媒に溶解しにくくなる。他方、アクリルアミド系モノマー単位の含有量が前記上限を超えると、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する炭素材料前駆体が得られない。また、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、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、６０モル％以上が好ましく、７０モル％以上がより好ましい。さらに、炭素材料前駆体の耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総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単位の含有量の上限としては、９９モル％以下が好ましく、９７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％以下が特に好ましい。

また、前記アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体は、全モノマー単位１００モル％に対して、シアン化ビニル系モノマー単位を０．１～５０モル％の割合で含有するものである。シアン化ビニル系モノマー単位の含有量が前記下限未満になると、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が低下する。他方、シアン化ビニル系モノマー単位の含有量が前記上限を超えると、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体が後述する水性溶媒又は水系混合溶媒に溶解しにくくなる。また、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上するという観点から、シアン化ビニル系モノマー単位の含有量の下限としては、１モル％以上が好ましく、３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％以上が特に好ましい。さらに、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、シアン化ビニル系モノマー単位の含有量の上限としては、４０モル％以下が好ましく、３０モル％以下がより好ましい。

さらに、前記アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量Ｍｎは３．５万～７万である。アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量が前記下限未満になると、炭素材料前駆体を成形加工（フィルム化、シート化、紡糸等）する際の加熱時に発泡が起こりやすく、得られる炭素材料の外観品質が低下する。他方、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量が前記上限を超えると、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が低下する。また、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量の上限としては、炭素材料前駆体を良好な外観品質で成形加工（フィルム化、シート化、紡糸等）できるという観点から、６．５万以下が好ましく、６．０万以下がより好ましく、５．０万以下が更に好ましい。さらに、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量の下限としては、炭素材料前駆体を成形加工（フィルム化、シート化、紡糸等）する際の加熱時の発泡が抑制され、良好な外観品質を有する炭素材料が得られるという観点から、３．６万以上が好ましく、３．７万以上がより好ましく、３．８万以上が更に好ましい。

また、前記アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量Ｍｗは４万～４７万である。アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量が前記下限未満になると、炭素材料前駆体の強度が低下する。他方、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量が前記上限を超えると、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が低下する。また、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量の上限としては、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上するという観点から、４０万以下が好ましく、３５万以下がより好ましく、３０万以下が更に好ましく、２５万以下が特に好ましい。さらに、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量の下限としては、炭素材料前駆体の強度が向上するという観点から、５万以上が好ましく、７万以上がより好ましく、８万以上が更に好ましく、９万以上が特に好ましい。

さらに、前記アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の分子量分布Ｍｗ／Ｍｎは１．１以上である。アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の分子量分布が前記下限未満になると、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が低下する。また、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の分子量分布の下限としては、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上するという観点から、１．５以上が好ましく、１．８以上がより好ましく、２．０以上が更に好ましい。さらに、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の分子量分布の上限としては、耐炎化収率及び炭化収率が向上するという観点から、１５．０以下が好ましく、１３．０以下がより好ましく、１２．０以下が更に好ましい。

なお、前記アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量Ｍｎ、重量平均分子量Ｍｗ及び分子量分布Ｍｗ／Ｍｎはゲルパーミエーションクロマトグラフィーを用いて測定されるものである。

また、本発明に用いられるアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体は、水性溶媒（水、アルコール等、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。また、後述する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／シアン化ビニル系共重合体と後述する添加成分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。さらに、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／シアン化ビニル系共重合体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／シアン化ビニル系共重合体の中でも、より低コストで安全に、炭素材料前駆体を成形したり、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／シアン化ビニル系共重合体が好ましく、水に可溶な（水溶性の）アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体がより好ましい。

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、Ｎ－アルキルアクリルアミド、ジアルキルアクリルアミド、メタクリルアミド、Ｎ－アルキルメタクリルアミド、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。

前記シアン化ビニル系モノマーとしては、例えば、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が挙げられる。これらのシアン化ビニル系モノマーは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、これらのシアン化ビニル系モノマーの中でも、炭素材料前駆体の耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上するという観点から、アクリロニトリルが好ましい。

また、本発明に用いられるアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体においては、本発明の効果を損なわない範囲において、アクリルアミド系モノマー単位及びシアン化ビニル系モノマー単位以外の他の重合性モノマー単位が含まれていてもよい。このような他の重合性モノマー単位の含有量としては、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の全モノマー単位１００モル％に対して、４９．９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。前記他の重合性モノマーとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸及びその塩；マレイン酸無水物、イタコン酸無水物等の不飽和カルボン酸無水物；アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、アクリル酸２－ヒドロキシエチル、メタクリル酸２－ヒドロキシエチル等の不飽和カルボン酸エステル；スチレン、α－メチルスチレン等の芳香族ビニル系モノマー；塩化ビニル、ビニルアルコール等のシアン化ビニル系モノマー以外のビニル系モノマー；エチレン、プロピレン等のオレフィン系モノマーが挙げられる。

このようなアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなる本発明の炭素材料前駆体を製造する方法としては、ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合、リビングラジカル重合等の公知の重合反応を、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）等の重合方法によって行う方法を採用することができる。前記重合反応の中でも、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量Ｍｗを小さくでき、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上し、さらに、炭素材料前駆体を低コストで製造できるという観点から、ラジカル重合が好ましい。また、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／シアン化ビニル系共重合体が溶解するものを使用することが好ましく、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）を使用することがより好ましく、前記水性溶媒を使用することが特に好ましく、水を使用することが最も好ましい。

前記ラジカル重合においては、重合開始剤として、アゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル、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従来公知のラジカル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。また、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量Ｍｗを小さくでき、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上するという観点から、前記重合開始剤に代えて又は加えて、テトラメチルエチレンジアミン等の従来公知の重合促進剤やｎ－ドデシルメルカプタン等のアルキルメルカプタン等の分子量調節剤を用いることが好ましく、前記前記重合開始剤と前記重合促進剤とを併用することが好ましく、過硫酸アンモニウムとテトラメチルエチレンジアミンとを併用することが特に好ましい。

また、重合開始剤の添加量は、重合開始剤を添加する際の温度に応じて適宜設定することができるが、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量Ｍｎを大きくでき、発泡が抑制され、良好な外観品質を有する炭素材料が得られるという観点から、重合開始時のモノマーのモル数に対して１モル％以下であることが好ましく、０．９モル％以下であることがより好ましく、０．８モル％以下であることが更に好ましい。

重合開始剤を添加する際の温度としては特に制限はないが、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量Ｍｗを小さくでき、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上するという観点から、３０℃以上が好ましく、４０℃以上がより好ましく、５０℃以上が更に好ましく、６０℃以上が特に好ましい。また、前記重合反応の温度としては特に制限はないが、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の重量平均分子量Ｍｗを小さくでき、炭素材料前駆体の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が向上するという観点から、５０℃以上が好ましく、６０℃以上がより好ましく、７０℃以上が特に好ましく、７５℃以上が最も好ましい。

また、重合開始時のモノマー濃度〔＝モノマーの質量／（モノマーの質量＋溶媒の質量）〕としては、アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体の数平均分子量Ｍｎを大きくでき、炭素材料前駆体を成形加工（フィルム化、シート化、紡糸等）する際の加熱時の発泡が抑制され、良好な外観品質を有する炭素材料が得られるという観点から、４質量％以上が好ましく、６質量％以上がより好ましく、９質量％以上が更に好ましく、１２質量％以上が特に好ましく、１５質量％以上が最も好ましい。

〔炭素材料前駆体組成物〕
本発明の炭素材料前駆体は、酸等の添加成分を配合せずに、そのまま炭素材料の製造に使用することが可能であるが、耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上するという観点から、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種の添加成分を配合して炭素材料前駆体組成物を調製し、この炭素材料前駆体組成物を炭素材料の製造に使用することが好ましい。

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としては、耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総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０．１～１００質量部が好ましく、０．２～５０質量部がより好ましく、０．５～３０質量部が更に好ましく、１～２０質量部が特に好ましい。

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耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総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。

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（より好ましくは前記水性溶媒、特に好ましくは水）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、前記アクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体と前記添加成分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。

このような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な場合には、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。

〔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は、前記炭素材料前駆体又は前記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）で加熱処理（炭化処理）を施す方法である。これにより、炭素材料前駆体が炭化し、所望の炭素材料が得られる。また、前記本発明の炭素材料前駆体が比較的大きい数平均分子量を有するアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなるものであるため、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物に加熱処理を施しても発泡が起こりにくく、良好な外観品質を有する炭素材料を得ることができる。なお、本発明にかかる「炭化処理」には、一般的に、不活性ガス雰囲気下、２０００～３０００℃で加熱することによって行われる「黒鉛化」を含んでいてもよい。

前記炭化処理温度としては、５００℃以上が好ましく、１０００℃以上がより好ましい。また、炭化処理温度の上限としては、３０００℃以下が好ましく、２５００℃以下がより好ましい。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。さらに、炭化処理における加熱時間（炭化処理時間）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、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、必要に応じて、前記炭素材料前駆体又は前記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、前記炭素材料前駆体を構成する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、高い耐炎化収率を示す。さらに、耐炎化処理が施された炭素材料前駆体（耐炎化物）は、耐熱性の高い構造を有しているため、高い炭化収率を示し、最終的な炭素材料の収率が向上する。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、アクリルアミド系ポリマーの脱アンモニア反応や脱水反応が促進されるため、分子内に環状構造（イミド環構造）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、炭素材料前駆体の耐炎化収率や耐炎化物の炭化収率が更に高くなり、最終的な炭素材料の収率も更に向上する。また、前記本発明の炭素材料前駆体が比較的大きい数平均分子量を有するアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなるものであるため、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しても発泡が起こりにくく、良好な外観品質を有する炭素材料を得ることができる。

前記耐炎化処理温度としては、１５０～５００℃が好ましく、２００～４５０℃がより好ましく、２４０～４２０℃が更に好ましく、２８０～４１０℃がまた更に好ましく、３１０～４００℃が特に好ましく、３２０～３９０℃が最も好ましい。また、耐炎化処理における加熱時間（耐炎化処理時間）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。

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、前記本発明の炭素材料前駆体が比較的小さい重量平均分子量を有するアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなるものであり、成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）に優れているため、前記炭素材料前駆体又は前記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、前記炭素材料前駆体又は前記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な場合には、成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が更に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。

また、前記水性溶液又は前記水系混合溶液における前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物の濃度としては特に制限はないが、前記本発明の炭素材料前駆体が高濃度溶液を用いた場合の成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）に優れており、生産性向上とコスト低減の観点から、２０質量％以上の高濃度が好ましい。なお、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物の濃度が高くなりすぎると、前記水性溶液又は前記水系混合溶液の粘度が高くなり、成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）が低下するため、前記水性溶液又は前記水系混合溶液の濃度を、粘度を指標として、成形加工（フィルム化、シート化、紡糸等）が可能な濃度に調整することが好ましい。

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。

（比較例１）
アクリルアミド（ＡＡｍ）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（モノマー濃度：２０．０質量％）にテトラメチルエチレンジアミン３．７５ｍｌ（０．０２５ｍｏｌ）を添加して、窒素雰囲気下、攪拌しながら室温（２３℃）から３５℃まで昇温した。次いで、過硫酸アンモニウム１．０３ｇ（０．００４５ｍｏｌ）を添加して重合反応を開始させ、６０℃に保って３時間重合反応を行った。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共重合体）からなる炭素材料前駆体を得た。

（実施例１）
アクリルアミド（ＡＡｍ）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（モノマー濃度：２０．０質量％）にテトラメチルエチレンジアミン６．７５ｍｌ（０．０４５ｍｏｌ）を添加して、窒素雰囲気下、攪拌しながら室温（２３℃）から５０℃まで昇温した。次いで、過硫酸アンモニウム１．５２ｇ（０．００６７ｍｏｌ）を添加して重合反応を開始させ、５０℃に保って３時間重合反応を行った。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共重合体）からなる炭素材料前駆体を得た。

（実施例２）
過硫酸アンモニウムの量を２．５２ｇ（０．０１１ｍｏｌ）に変更した以外は実施例１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共重合体）からなる炭素材料前駆体を得た。

（比較例２）
過硫酸アンモニウムの量を４．１１ｇ（０．０１８ｍｏｌ）に変更した以外は実施例１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共重合体）からなる炭素材料前駆体を得た。

（比較例３）
アクリルアミド（ＡＡｍ）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（モノマー濃度：２０．０質量％）にテトラメチルエチレンジアミン６．７５ｍｌ（０．０４５ｍｏｌ）及び過硫酸アンモニウム４．１１ｇ（０．０１８ｍｏｌ）を添加して重合反応を開始させ、窒素雰囲気下、攪拌しながら室温（２３℃）から６０℃まで昇温した後、６０℃に保って３時間重合反応を行った。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共重合体）からなる炭素材料前駆体を得た。

（比較例４）
アクリルアミド（ＡＡｍ）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（モノマー濃度：２０．０質量％）にテトラメチルエチレンジアミン６．７５ｍｌ（０．０４５ｍｏｌ）を添加して、窒素雰囲気下、攪拌しながら室温（２３℃）から５０℃まで昇温した。次いで、過硫酸アンモニウム６．１７ｇ（０．０２７ｍｏｌ）を添加して重合反応を開始させ、６０℃に保って３時間重合反応を行った。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共重合体）からなる炭素材料前駆体を得た。

（比較例５）
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、製品品番：Ａ０１４０）を真空乾燥させることにより前記水溶液から水を除去して、水溶性のポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）からなる炭素材料前駆体を得た。

（比較例６）
アクリルアミド（ＡＡｍ）８．５２ｇ（１２０ｍｍｏｌ）をイオン交換水１９０ｍｌに溶解し、得られた水溶液（モノマー濃度：４．２９質量％）に重合開始剤として４，４’－アゾビス（４－シアノ吉草酸）３３６ｍｇ（１．２０ｍｍｏｌ）を添加し、７０℃で３時間ラジカル重合を行った。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）からなる炭素材料前駆体を得た。

（比較例７）
アクリルアミド（ＡＡｍ）１２．８ｇ（０．１８ｍｏｌ）をイオン交換水１８０ｍｌに溶解し、得られた水溶液（モノマー濃度：６．６４質量％）にテトラメチルエチレンジアミン１．３５ｍｌ（０．００９ｍｏｌ）及び過硫酸アンモニウム０．２５２ｇ（０．００１１ｍｏｌ）を添加して重合反応を開始させ、窒素雰囲気下、攪拌しながら室温（２３℃）から６０℃まで昇温した後、６０℃に保って３時間重合反応を行った。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、水溶性のポリアクリルアミド（ＰＡＡｍ）からなる炭素材料前駆体を得た。

＜共重合体の組成比の測定＞
実施例１～２及び比較例１～４で得られた炭素材料前駆体を構成するＡＡｍ／ＡＮ共重合体をそれぞれ重水に溶解（重水に不溶な場合には重水素化ジメチルスルホキシドに溶解）し、得られた各溶液について、室温、周波数１００ＭＨｚの条件で^１３Ｃ－ＮＭＲ測定を行った。得られた^１３Ｃ－ＮＭＲスペクトルにおいて、約１２１ｐｐｍ～約１２２ｐｐｍに現れる、アクリロニトリルのシアノ基の炭素に由来するピークと、約１７７ｐｐｍ～約１８２ｐｐｍに現れる、アクリルアミドのカルボニル基の炭素に由来するピークとの積分強度比に基づいて、ＡＡｍ／ＡＮ共重合体中のアクリルアミド（ＡＡｍ）単位とアクリロニトリル（ＡＮ）単位とのモル比（ＡＡｍ／ＡＮ）を算出した。その結果を表１に示す。

＜重量平均分子量Ｍｗ及び数平均分子量Ｍｎの測定＞
得られた炭素材料前駆体を構成するＡＡｍ／ＡＮ共重合体（実施例１～２、比較例１～４）及びＰＡＡｍ（比較例５～７）の重量平均分子量Ｍｗ及び数平均分子量Ｍｎを、ゲル浸透クロマトグラフィー（東ソー株式会社製「ＨＬＣ－８２２０ＧＰＣ」）を用いて下記の条件で測定し、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎを算出した。それらの結果を表１に示す。
〔測定条件〕
カラム：ＴＳＫｇｅｌ ＧＭＰＷ_ＸＬ×２本＋ＴＳＫｇｅｌ Ｇ２５００ＰＷ_ＸＬ×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。
溶離液流量：１．０ｍｌ／ｍｉｎ。
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。
検出器：示差屈折率検出器。

＜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をそれぞれ１～２ｍｇ秤量し、示差熱天秤（株式会社リガク製「ＴＧ８１２０」）を用いて、窒素流量５００ｍｌ／ｍｉｎの窒素雰囲気下、昇温速度２０℃／ｍｉｎで室温から１０００℃まで加熱（炭化処理）して炭素材料を得た。この炭化処理前後の炭素材料前駆体の質量保持率（１０００℃における炭素材料前駆体の炭化収率）を、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：
炭素材料前駆体の炭化収率［％］＝Ｍ_１０００／Ｍ_１５０×１００
〔Ｍ_１０００：窒素雰囲気下、１０００℃まで加熱した後の炭素材料前駆体（炭素材料）の質量、Ｍ_１５０：１５０℃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。

＜５％質量減少温度及び質量減少率の測定＞
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体をそれぞれ１～２ｍｇ秤量し、示差熱天秤（株式会社リガク製「ＴＧ８１２０」）を用いて、空気流量５００ｍｌ／ｍｉｎの空気雰囲気下、昇温速度１０℃／ｍｉｎで室温から３５０℃まで加熱して熱重量分析を行った。得られた熱重量分析結果に基づいて、１５０℃における炭素材料前駆体の質量に対して５質量％の質量減少が観察された時点の温度（５％質量減少温度）を求めた。また、２００℃における炭素材料前駆体の質量に対する２５０℃における炭素材料前駆体の質量の割合（２００～２５０℃における質量減少率）を下記式：
２００～２５０℃における質量減少率［％］＝｛（Ｍ_２００－Ｍ_２５０）／Ｍ_２００｝×１００
〔Ｍ_２５０：２５０℃における炭素材料前駆体の質量、Ｍ_２００：２００℃における炭素材料前駆体の質量〕
により求めた。それらの結果を表１に示す。

＜成膜性（希薄溶液）の評価＞
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体をそれぞれ、炭素材料前駆体濃度が５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０．０５ｍｌをスライドガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ）上にキャストした後、６０℃で２時間乾燥させて炭素材料前駆体フィルムを得た。得られた炭素材料前駆体フィルムを目視により観察して下記基準で評価した。その結果を表１に示す。

〔評価基準〕
Ａ：フィルム内に気泡が確認されなかったもの。
Ｂ：フィルム内に気泡は確認されなかったが、表面の一部に微細な凹凸が確認されたもの。
Ｃ：フィルム内に気泡が確認されたもの。

＜成膜性（濃厚溶液）の評価＞
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体をそれぞれ、炭素材料前駆体濃度が１０質量％となるようにイオン交換水に溶解した。得られた水溶液をテフロン（登録商標）製シート上にキャストした後、室温で１８時間放置した。その後、真空乾燥を行い、炭素材料前駆体フィルム（約２０ｍｍ×約２０ｍｍ、厚さ：約１５０μｍ）を得た。得られた炭素材料前駆体フィルムを目視により観察して下記基準で評価した。その結果を表１に示す。

〔評価基準〕
Ａ：フィルム内に気泡が確認されなかったもの。
Ｂ：フィルム内に気泡は確認されなかったが、表面の一部に微細な凹凸が確認されたもの。
Ｃ：フィルム内に気泡が確認されたもの。

＜発泡の有無＞
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体をそれぞれ、炭素材料前駆体濃度が５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０．０５ｍｌをスライドガラス（１８ｍｍ×１８ｍｍ）上にキャストした後、空気雰囲気下、１５０℃に加熱した。その後、１５０℃から３５０℃まで１０分間かけて昇温させてフィルムを得た。得られたフィルムの外観を目視により観察して下記基準で評価した。その結果を表１に示す。

〔評価基準〕
Ａ：フィルム表面に発泡の形跡は確認されず、透明性が維持されたもの。
Ｂ：フィルム表面に僅かに発泡の形跡が確認されたが、透明性は保持されたもの。
Ｃ：フィルム表面に発泡の形跡が確認され、不透明になったもの。

表１に示した結果から明らかなように、実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体はいずれも炭化収率が１９％以上であり、特に、実施例１～２及び比較例１～４で得られたアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなる炭素材料前駆体は炭化収率が２１％以上であった。

また、実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体はいずれも、希薄溶液を用いた場合の成膜性が良好であった。さらに、重量平均分子量が４５万以下のアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体（実施例１～２、比較例１～４及び７）は濃厚溶液を用いた場合の成膜性が良好であり、特に、重量平均分子量が１３万以下のアクリルアミド系ポリマーからなる炭素材料前駆体（実施例１～２、比較例２～４及び７）は濃厚溶液を用いた場合の成膜性に優れていた。一方、重量平均分子量が４９万以上の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５～６）は濃厚溶液を用いた場合の成膜性に劣っていた。

また、数平均分子量が３．８万以上のアクリルアミド／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１～２及び比較例１）又は数平均分子量が７．８万以上のアクリルアミドの単独重合体からなる炭素材料前駆体（比較例５～６）を用いた場合には良好な透明性を有するフィルムを得ることができ、特に、数平均分子量が３．８万以上４．１万以下のアクリルアミド／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２及び比較例１）又は数平均分子量が８．４万のアクリルアミドの単独重合体からなる炭素材料前駆体（比較例５）を用いた場合には透明性に優れたフィルムを得ることができた。一方、数平均分子量が２．８万以下のアクリルアミド／アクリロニトリル共重合体からなる炭素材料前駆体（比較例２～４）又は数平均分子量が４．３万のアクリルアミドの単独重合体からなる炭素材料前駆体（比較例７）を用いた場合には成膜時の加熱によって発泡が起こり、透明なフィルムを得ることができなかった。

以上説明したように、本発明によれば、耐炎化処理や炭化処理等の加熱時に発泡が起こりにくく、良好な外観品質を有する炭素材料を得ることが可能な炭素材料前駆体を得ることが可能となる。

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成形加工性（フィルム加工性、シート加工性、紡糸性等）に優れており、また、加熱時に発泡が起こりにくいものであるため、良好な外観品質を有する炭素材料を効率よく製造する方法として有用である。

Claims (3)

1. アクリルアミド系モノマー単位５０～９９．９モル％とシアン化ビニル系モノマー単位０．１～５０モル％とを含有し、数平均分子量Ｍｎが３．５万～７万であり、重量平均分子量Ｍｗが４万～２５万であり、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎが１．１以上であるアクリルアミド／シアン化ビニル系共重合体からなることを特徴とする炭素材料前駆体。
2. 請求項１に記載の炭素材料前駆体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。
3. 前記炭化処理の前に、前記炭素材料前駆体に耐炎化処理を施すことを特徴とする請求項２に記載の炭素材料の製造方法。