JP7232399B2 - Carbon material precursor composition, method for producing 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。 TECHNICAL FIELD 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 subjecting a carbon material precursor made of polyacrylonitrile to a heat treatment in an inert atmosphere has been known (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-113276 (Patent Reference 1)). Since the polyacrylonitrile used in this method is difficult to dissolve in inexpensive general-purpose solvents, it is necessary to use expensive organic solvents such as dimethylsulfoxide and N,N-dimethylacetamide during polymerization and spinning. However, there is a problem that the manufacturing cost of the carbon material is 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 water, which is inexpensive and has a low environmental impact, can be used as a solvent during polymerization and spinning, so it is expected to reduce the production cost of carbon materials.

特開2016-113276号公報JP 2016-113276 A

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 the carbon material is difficult to mold, in order to obtain a carbon material having a desired shape (for example, fiber or film), it is necessary to carbonize the carbon material precursor after molding it into a desired shape. there were. However, when a carbon material precursor made of polyacrylamide molded into a desired shape is carbonized, there is a problem that the carbon material obtained does not necessarily retain the desired shape before carbonization.

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、アクリルアミド系共重合体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 problems of the prior art, and contains a carbon material precursor made of an acrylamide-based copolymer, 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, 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、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を含有するアクリルアミド系共重合体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ミノ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。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above object, and as a result, have found that a carbon material precursor comprising an acrylamide-based copolymer containing a vinyl-based monomer unit having a carboxyl group as a copolymerization component is added with an acid and its acid. By adding at least one additive component selected from the group consisting of salts and a compound having a polyfunctional amino group, it is possible to retain the desired shape before carbonization even when carbonization is performed. The inventors have found that a carbon material precursor composition can be obtained, and have completed the present invention.

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50モル%以上含有し、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を0.5モル%以上含有するアクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体と、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、硫酸、スルホン酸、及びそれら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、芳香族ジアミン、脂肪族ジアミン、及び脂環式ジアミンからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アミノ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0.1~50質量部であり、前記多官能性アミノ基を有する化合物の含有量が炭素材料前駆体の含有量に対して0.01~40当量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 contains acrylamide-based monomer units in an amount of 50 mol% or more, and contains 0.5 mol% or more of vinyl-based monomer units having a carboxyl group as a copolymer component. A carbon material precursor composed of a coalescence, at least one additive component selected from the group consisting of phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, and salts thereof, aromatic diamines, aliphatic diamines, and at least one compound having a polyfunctional amino group selected from the group consisting of alicyclic diamines, and the content of the additive component is 0.1 to 0.1 with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor 50 parts by mass, and the content of the compound having a polyfunctional amino group is 0.01 to 40 equivalents with respect to the content of the carbon material precursor.

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共重合体中のカルボキシル基と前記多官能性アミノ基とが共有結合を形成していることが好ましく、また、前記添加成分がリン酸、ホウ酸、硫酸、及びそれらの塩からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。 In the carbon material precursor composition of the present invention, it is preferable that the carboxyl group in the acrylamide-based copolymer and the polyfunctional amino group form a covalent bond, and the additive component is phosphoric acid. , boric acid, sulfuric acid, and salts thereof.

本発明の炭素材料前駆体組成物の製造方法は、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、硫酸、スルホン酸、及びそれら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50モル%以上含有し、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を0.5モル%以上含有するアクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体と、芳香族ジアミン、脂肪族ジアミン、及び脂環式ジアミンからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アミノ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0.1~50質量部であり、前記多官能性アミノ基を有する化合物の量が炭素材料前駆体の量に対して0.01~40当量である条件下、300℃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。
In the method for producing a carbon material precursor composition of the present invention, acrylamide is added in the presence of at least one additive component selected from the group consisting of phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, and salts thereof. a carbon material precursor comprising an acrylamide-based copolymer containing 50 mol% or more of a vinyl monomer unit having a carboxyl group as a copolymerization component, an aromatic diamine, an aliphatic and a compound having at least one polyfunctional amino group selected from the group consisting of group diamines and alicyclic diamines, and the amount of the additive component is 0.1 to 0.1 parts per 100 parts by mass of the carbon material precursor. 50 parts by mass, and the amount of the compound having a polyfunctional amino group is 0.01 to 40 equivalents with respect to the amount of the carbon material precursor, and heating and reacting at a temperature of 300° C. or less. to obtain a carbon material precursor composition in which the covalent bond is formed.

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 subjected to a heat treatment at a temperature of 500 to 3000° C. in an inert atmosphere to carry out a 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、アクリルアミド系共重合体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共重合体が軟化するため、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 entirely 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 made the following observations. to guess. That is, when a carbon material precursor made of an acrylamide copolymer is subjected to a carbonization treatment, the acrylamide copolymer softens in the temperature rising process (especially in the temperature range of 200 to 250° C.). It is difficult to obtain a carbon material that retains its shape.

一方、本発明の炭素材料前駆体組成物は、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を含有するアクリルアミド系共重合体(以下、「カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体」という)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、多官能性アミノ基を有する化合物(以下、「多官能性アミノ基含有化合物」という)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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体のカルボキシル基と多官能性アミノ基含有化合物の多官能性アミノ基がイオン結合を形成し、更に脱水反応して共有結合が形成され、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体に架橋構造が導入される。例えば、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体とエチレンジアミンは、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 comprises an acrylamide copolymer containing vinyl monomer units having a carboxyl group (hereinafter referred to as "carboxyl group-containing acrylamide copolymer") as a copolymerization component. Containing a carbon material precursor, at least one additive component selected from the group consisting of acids and salts thereof, and a compound having a polyfunctional amino group (hereinafter referred to as a "polyfunctional amino group-containing compound") It is something to do. In this carbon material precursor composition, the carboxyl group of the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer and the polyfunctional amino group of the polyfunctional amino group-containing compound form an ionic bond due to the catalytic action of the additive component, Furthermore, a dehydration reaction forms a covalent bond, and a crosslinked structure is introduced into the carboxyl group-containing acrylamide copolymer. For example, a carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer and ethylenediamine react in the presence of an acid catalyst by the following reaction formula:

Figure 0007232399000001
Figure 0007232399000001

のように脱水反応して共有結合を形成し、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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共重合体からなる炭素材料前駆体に炭化処理を施した場合、このアクリルアミド系共重合体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。 dehydration reaction to form a covalent bond, and a crosslinked structure is introduced into the carboxyl group-containing acrylamide copolymer. When a carbon material precursor made of an acrylamide copolymer having such a crosslinked structure is subjected to a carbonization treatment, the acrylamide copolymer is less likely to soften in the process of increasing the temperature. It is presumed that it becomes possible to obtain a retained carbon material.

本発明によれば、アクリルアミド系共重合体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, a carbon material precursor composition containing a carbon material precursor comprising an acrylamide-based copolymer and capable of retaining a desired shape before carbonization treatment even when subjected to carbonization treatment is obtained. be able to. Further, by subjecting the carbon material precursor composition of the present invention to a carbonization treatment, it is possible to obtain a carbon material that retains the 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、比較例2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、及び比較例3で得られた炭素材料前駆体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。A film composed of the carbon material precursor composition obtained in Example 1, a film composed of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 1, and a film composed of the comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 2. , and a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus of the film made of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 3. FIG. 実施例1~3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3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4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。A film composed of the carbon material precursor compositions obtained in Examples 1 to 3, a film composed of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 3, and a comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 4. It is a graph which shows the temperature dependence of the storage elastic modulus of the film which consists of. 実施例4~5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3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4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。A film made of the carbon material precursor composition obtained in Examples 4 and 5, a film made of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 3, and a comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 4. It is a graph which shows the temperature dependence of the storage elastic modulus of the film which consists of. 実施例6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5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6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。A film composed of the carbon material precursor composition obtained in Example 6, a film composed of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 5, and a comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 6. 4 is a graph showing the temperature dependence of the storage modulus of a film. 実施例1、7、8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3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7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。Films made of the carbon material precursor compositions obtained in Examples 1, 7, and 8, films made of the carbon material precursors obtained in Comparative Example 3, and comparative carbon material precursors obtained in Comparative Example 7 4 is a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus of a film made of the composition. 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3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4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熱重量分析結果を示すグラフである。A film composed of the carbon material precursor composition obtained in Example 1, a film composed of the carbon material precursor obtained in Comparative Example 3, and a comparative carbon material precursor composition obtained in Comparative Example 4. It is a graph which shows the thermogravimetric analysis result of a film. 炭化試験で使用した治具を示す概略図である。It is the schematic which shows the jig|tool used by the carbonization test. 実施例1の炭素材料前駆体組成物から得られた炭素材料のX線回折パターンを示すグラフである。1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a carbon material obtained from the carbon material precursor composition of Example 1. FIG. 実施例1の炭素材料前駆体組成物から得られた炭素材料のFT-IRスペクトルを示すグラフである。4 is a graph showing the FT-IR spectrum of the carbon material obtained from the carbon material precursor composition of Example 1. FIG.

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.

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、アクリルアミド系モノマー単位を50モル%以上含有し、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を0.5モル%以上含有するアクリルアミド系共重合体(カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体)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、多官能性アミノ基を有する化合物(多官能性アミノ基含有化合物)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 an acrylamide copolymer ( A carbon material precursor consisting of a carboxyl group-containing acrylamide copolymer), at least one additional component selected from the group consisting of acids and salts thereof, and a compound having a polyfunctional amino group (polyfunctional amino group containing compound). By subjecting the carbon material precursor composition of the present invention to a carbonization treatment, it is possible to obtain a carbon material that retains the desired shape before the carbonization treatment.

(炭素材料前駆体)
本発明に用いられる炭素材料前駆体は、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を含有するアクリルアミド系共重合体からなるものである。このカルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体は、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モル%以上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、カルボキシル基含有アクリルアミド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、このようなカルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体の水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性が向上し、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%以上がより好ましく、80モル%以上が特に好ましい。一方、アクリルアミド系モノマー単位の含有量の上限は、全モノマー単位100モル%に対して99.5モル%以下である。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、相対的にカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位の含有量が少なくなるため、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体に架橋構造に導入されず、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困難となる。また、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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、さらには、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。
(carbon material precursor)
The carbon material precursor used in the present invention is composed of an acrylamide copolymer containing a vinyl monomer unit having a carboxyl group as a copolymerization component. This carboxyl group-containing acrylamide copolymer contains 50 mol % or more of acrylamide monomer units with respect to 100 mol % of all monomer units. When the content of the acrylamide-based monomer units is less than the above lower limit, the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer becomes difficult to dissolve in the aqueous solvent or aqueous mixed solvent described below. In addition, from the viewpoint of improving the solubility of such a carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer in an aqueous solvent or an aqueous mixed solvent and improving the carbonization yield of the carbon material precursor, the content of the acrylamide-based monomer unit is is preferably 60 mol % or more, more preferably 70 mol % or more, and particularly preferably 80 mol % or more. On the other hand, the upper limit of the content of acrylamide-based monomer units is 99.5 mol % or less with respect to 100 mol % of all monomer units. If the content of acrylamide-based monomer units exceeds the above upper limit, the content of vinyl-based monomer units having a carboxyl group is relatively small, so that the carboxyl-containing acrylamide-based copolymer is not introduced into a crosslinked structure and carbonized. It becomes difficult to obtain a carbon material that retains the desired shape before treatment. In addition, a crosslinked structure is sufficiently introduced into the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer, and a carbon material sufficiently retaining the desired shape before carbonization treatment is obtained. From the viewpoint of improvement, the upper limit of the acrylamide-based monomer unit content is preferably 99 mol% or less, more preferably 97 mol% or less, even more preferably 95 mol% or less, and particularly preferably 90 mol% or less.

また、前記カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体は、全モノマー単位100モル%に対して、カルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を0.5モル%以上の割合で含有するものである。カルボキシル基を有する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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体に架橋構造に導入されず、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困難となる。また、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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、カルボキシル基を有する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。一方、カルボキシル基を有するビニル系モノマー単位の含有量の上限は、全モノマー単位100モル%に対して50モル%以下である。カルボキシル基を有するビニル系モノマー単位の含有量が前記上限を超えると、相対的にアクリルアミド系モノマー単位の含有量少なくなるため、カルボキシル基含有アクリルアミド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、このようなカルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体の水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性が向上するという観点から、カルボキシル基を有する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%以下がより好ましく、20モル%以下が特に好ましい。 The carboxyl group-containing acrylamide copolymer contains 0.5 mol % or more of vinyl monomer units having a carboxyl group with respect to 100 mol % of all monomer units. When the content of vinyl-based monomer units having a carboxyl group is less than the lower limit, the carbon material is not introduced into the crosslinked structure of the carboxyl-containing acrylamide-based copolymer and retains the desired shape before carbonization. becomes difficult. In addition, from the viewpoint that a crosslinked structure is sufficiently introduced into the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer to obtain a carbon material sufficiently retaining the desired shape before the carbonization treatment, vinyl-based monomer units having a carboxyl group are added. The lower limit of the content is preferably 1 mol % or more, more preferably 3 mol % or more, still more preferably 5 mol % or more, and particularly preferably 10 mol % or more. On the other hand, the upper limit of the content of vinyl-based monomer units having a carboxyl group is 50 mol % or less with respect to 100 mol % of all monomer units. If the content of the vinyl-based monomer unit having a carboxyl group exceeds the above upper limit, the content of the acrylamide-based monomer unit becomes relatively small, so that the carboxyl-group-containing acrylamide-based copolymer is added to the aqueous solvent or aqueous mixed solvent described later. less soluble. In addition, from the viewpoint of improving the solubility of such a carboxyl group-containing acrylamide copolymer in an aqueous solvent or an aqueous mixed solvent, the upper limit of the content of vinyl monomer units having a carboxyl group is 40 mol% or less. It is preferably 30 mol % or less, more preferably 20 mol % or less.

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; alkylacrylamide such as N-methylacrylamide; dialkylacrylamide such as N,N-dimethylacrylamide; dialkylaminoalkylacrylamide such as dimethylaminoethylacrylamide and dimethylaminopropylacrylamide; Hydroxyalkylacrylamides such as hydroxymethyl)acrylamide and N-(2-hydroxyethyl)acrylamide; diacetoneacrylamide; methacrylamide; alkylmethacrylamides such as N-methylmethacrylamide; dialkylmethacrylamides such as N,N-dimethylmethacrylamide ; dialkylaminoalkyl methacrylamides such as dimethylaminoethyl methacrylamide and dimethylaminopropyl methacrylamide; hydroxyalkyl methacrylamides such as N-(hydroxymethyl) methacrylamide and N-(2-hydroxyethyl) methacrylamide; diacetone methacrylamide are mentioned. Such acrylamide-based monomers 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.

前記カルボキシル基を有するビニル系モノマーとしては、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;カルボキシスチレン等のビニル基を有する芳香族カルボン酸;カルボキシメチルアクリレート、カルボキシエチルアクリレート等のカルボキシアルキルアクリレート;カルボキシメチルメタクリレート、カルボキシエチルメタクリレート等のカルボキシアルキルメタクリレート;アクリロイルアミノ酢酸等のアクリロイルアミノカルボン酸;メタクリロイルアミノ酢酸等のメタクリロイルアミノカルボン酸;アクリルアミドプロピオン酸等のアクリルアミドカルボン酸が挙げられる。これらのカルボキシル基を有する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、これらのカルボキシル基を有するビニル系モノマーの中でも、コスト、水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性、共重合性の観点から、アクリル酸、メタクリル酸が好ましい。 Examples of vinyl-based monomers having a carboxyl group include unsaturated carboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid and salts thereof; aromatic carboxylic acids having a vinyl group such as carboxystyrene; carboxymethyl acrylate and carboxyethyl carboxyalkyl acrylates such as acrylate; carboxyalkyl methacrylates such as carboxymethyl methacrylate and carboxyethyl methacrylate; acryloylaminocarboxylic acids such as acryloylaminoacetic acid; methacryloylaminocarboxylic acids such as methacryloylaminoacetic acid; be done. These vinyl-based monomers having a carboxyl group may be used singly or in combination of two or more. Among these vinyl-based monomers having a carboxyl group, acrylic acid and methacrylic acid are preferred from the viewpoints of cost, solubility in aqueous solvents or aqueous mixed solvents, and copolymerizability.

また、本発明に用いられるカルボキシル基含有アクリルアミド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カルボキシル基を有するビニル系モノマー単位のほかに、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、全モノマー単位100モル%に対して、49.5モル%以下が好ましく、40モル%以下がより好ましく、30モル%以下が更に好ましく、20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、シアン化ビニル系モノマー、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。 Further, in the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer used in the present invention, other polymerizable monomers may be used in addition to acrylamide-based monomer units and vinyl-based monomer units having a carboxyl group within a range that does not impair the effects of the present invention. Units may be included. The content of such other polymerizable monomer units is preferably 49.5 mol% or less, more preferably 40 mol% or less, and even more preferably 30 mol% or less, relative to 100 mol% of the total monomer units. 20 mol % or less is particularly preferred. Examples of other polymerizable monomers include vinyl cyanide-based monomers, 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 anhydride include maleic anhydride and itaconic anhydride. Examples of the unsaturated carboxylic acid ester include methyl acrylate and methyl methacrylate. Examples of the vinyl-based monomer include , styrene, α-methylstyrene, vinyl chloride, vinyl alcohol, etc. Examples of the olefinic monomer include ethylene, propylene, and the like. These other polymerizable monomers may be used singly or in combination of two or more.

また、前記カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体は、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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体と前記添加成分と前記多官能性アミノ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カルボキシル基含有アクリルアミド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、このようなカルボキシル基含有アクリルアミド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カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体が好ましく、水に可溶な(水溶性の)カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体がより好ましい。 In addition, the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer is an aqueous solvent (water, N,N-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC), etc., and a mixed solvent thereof) and an aqueous mixture. It is preferably soluble in at least one of solvents (a mixed solvent of the aqueous solvent and an organic solvent (tetrahydrofuran, alcohol, acetonitrile, etc.)). As a result, when the carbon material precursor composition is produced, wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent becomes possible, and the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, the additive component, and the polyfunctional amino Group-containing compounds can be mixed uniformly and safely at low cost. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry-wet molding (dry-wet spinning), wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. ), or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to manufacture carbon materials safely at low cost. The content of the organic solvent in the aqueous mixed solvent is not particularly limited as long as the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, which is insoluble or sparingly soluble in the aqueous solvent, dissolves when mixed with the organic solvent. do not have. In addition, among such carboxyl group-containing acrylamide-based copolymers, from the viewpoint that it is possible to produce a carbon material precursor composition and a carbon material safely at a lower cost, A carboxyl group-containing acrylamide copolymer is preferable, and a water-soluble (water-soluble) carboxyl group-containing acrylamide copolymer is more preferable.

このようなカルボキシル基含有アクリルアミド系共重合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カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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 a carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer, a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, precipitation polymerization, dispersion polymerization, emulsion polymerization (e.g., inverse emulsion polymerization) is employed. be able to. When solution polymerization is employed, the solvent is not particularly limited as long as it dissolves the raw material monomer and the resulting carboxyl group-containing acrylamide copolymer. Aqueous solvents (water, N,N-dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC), etc., and mixed solvents thereof) or the aqueous mixed solvents (the aqueous solvent and an organic solvent (tetrahydrofuran, It is preferable to use a mixed solvent with alcohol, acetonitrile, etc.), 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 and the aqueous mixed solvent such as 4,4′-azobis(4-cyanovaleric acid), ammonium persulfate and potassium persulfate (preferably the aqueous solvent, Water-soluble radical polymerization initiators are more preferred.

(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、前記カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体のカルボキシル基と前記多官能性アミノ基含有化合物の多官能性アミノ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、硫酸、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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体のカルボキシル基と多官能性アミノ基含有化合物の多官能性アミノ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、ホウ酸、硫酸及びそれらの塩が好ましく、リン酸、ホウ酸、硫酸、及びそれら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、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、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 component)
The additive component used in the present invention is at least one selected from the group consisting of acids and salts thereof. It acts as a catalyst in the dehydration reaction with the functional amino group. Examples of the acid include inorganic acids such as phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, sulfuric 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 (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. In particular, among these additive components, phosphoric acid is used from the viewpoint of obtaining high catalytic activity in the reaction between the carboxyl group of the carboxyl group-containing acrylamide copolymer and the polyfunctional amino group of the polyfunctional amino group-containing compound. , boric acid, sulfuric acid and their salts are preferred, and phosphoric acid, boric acid, sulfuric acid and their ammonium salts are more preferred. Further, from the viewpoint of further improving the carbonization yield of the obtained carbon material precursor, phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, sulfuric acid, and ammonium salts thereof are preferable. Phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, and is more preferred, and phosphoric acid, polyphosphoric acid, ammonium salts of phosphoric acid, and 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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体と前記添加成分と前記多官能性アミノ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 soluble in at least one of the aqueous solvent and the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, more preferably water). As a result, when the carbon material precursor composition is produced, wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent becomes possible, and the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, the additive component, and the polyfunctional amino Group-containing compounds can be mixed uniformly and safely at low cost. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry-wet molding (dry-wet spinning), wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. ), or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to manufacture carbon materials safely at low cost.

(多官能性アミノ基含有化合物)
本発明に用いられる多官能性アミノ基含有化合物は、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体とイオン結合を形成し、更に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。このような多官能性アミノ基含有化合物としては、例えば、フェニレンジアミン、ジアミノナフタレン等の芳香族ジアミン;ジアミノヘキサン、ジアミノオクタン等の脂肪族ジアミン;ジアミノシクロヘキサン等の脂環式ジアミンが挙げられる。このような多官能性アミノ基含有化合物は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ミノ基含有化合物の中でも、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体との反応性の観点から、フェニレンジアミン、ジアミノヘキサン、ジアミノオクタンが好ましい。
(Polyfunctional amino group-containing compound)
The polyfunctional amino group-containing compound used in the present invention forms an ionic bond with the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, and further undergoes a dehydration reaction to form a covalent bond to form a crosslinked structure. Examples of such polyfunctional amino group-containing compounds include aromatic diamines such as phenylenediamine and diaminonaphthalene; aliphatic diamines such as diaminohexane and diaminooctane; and alicyclic diamines such as diaminocyclohexane. Such polyfunctional amino group-containing compounds may be used alone or in combination of two or more. Among these polyfunctional amino group-containing compounds, phenylenediamine, diaminohexane, and diaminooctane are preferred from the viewpoint of reactivity with the carboxyl group-containing acrylamide copolymer.

前記多官能性アミノ基含有化合物は、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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体と前記添加成分と前記多官能性アミノ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 amino group-containing compound is preferably a component soluble in at least one of the aqueous solvent and the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, more preferably water). As a result, when the carbon material precursor composition is produced, wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent becomes possible, and the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, the additive component, and the polyfunctional amino Group-containing compounds can be mixed uniformly and safely at low cost. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry-wet molding (dry-wet spinning), wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. ), or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to manufacture carbon materials safely 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、前記カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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ミノ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、前記カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体のカルボキシル基と前記多官能性アミノ基含有化合物の多官能性アミノ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、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体中に架橋構造が導入されるため、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体の軟化が抑制され、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 comprising the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, the additive component, and the polyfunctional amino group-containing compound. In the carbon material precursor composition of the present invention, the carboxyl group of the carboxyl group-containing acrylamide copolymer and the polyfunctional amino group of the polyfunctional amino group-containing compound form a covalent bond. preferably. As a result, a crosslinked structure is introduced into the carboxyl group-containing acrylamide copolymer, so softening of the carboxyl group-containing acrylamide copolymer is suppressed, and a carbon material that retains the desired shape before carbonization is obtained. be able to.

このような本発明の炭素材料前駆体組成物において、前記多官能性アミノ基含有化合物の含有量としては、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体中の架橋構造の含有量が増加し、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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の含有量に対して、0.01~40当量が好ましく、0.1~20当量がより好ましく、0.1~10当量が更に好ましく、0.2~5当量が特に好ましく、0.5~2当量が最も好ましい。また、前記添加成分の含有量としては、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体のカルボキシル基と前記多官能性アミノ基含有化合物の多官能性アミノ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、0.1~50質量部が好ましく、0.1~30質量部がより好ましく、0.1~20質量部が更に好ましく、1~10質量部が特に好ましい。 In such a carbon material precursor composition of the present invention, the content of the polyfunctional amino group-containing compound is such that the content of the crosslinked structure in the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer increases and the carboxyl group content increases. From the viewpoint that softening of the acrylamide-based copolymer is more sufficiently suppressed and a carbon material sufficiently retained in a desired shape before carbonization treatment is obtained, the content of the carbon material precursor is 0.5. 01 to 40 equivalents are preferred, 0.1 to 20 equivalents are more preferred, 0.1 to 10 equivalents are even more preferred, 0.2 to 5 equivalents are particularly preferred, and 0.5 to 2 equivalents are most preferred. Further, the content of the additive component is such that sufficient catalytic activity is obtained in the dehydration reaction between the carboxyl group of the carboxyl group-containing acrylamide copolymer and the multifunctional amino group of the polyfunctional amino group-containing compound, In addition, from the viewpoint of improving the carbonization yield of the carbon material precursor composition, it is preferably 0.1 to 50 parts by mass, more preferably 0.1 to 30 parts by mass, with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor. It is preferably 0.1 to 20 parts by mass, particularly preferably 1 to 10 parts by mass.

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, an aqueous solution or an aqueous mixed solution containing such a 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). , and has excellent moldability. Specifically, the viscosity of the aqueous solution or the aqueous mixed solution in which the concentration of the carbon material precursor is 30% by mass is preferably 20 Pa s or less at room temperature under a shear rate of 10 s −1 . . As a result, for example, when a film is formed by a solution casting method using the aqueous solution or the aqueous mixed solution, a film with little thickness unevenness (10% or less) and 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 increases ( 10%), and if it exceeds 200 Pa s, the handling property during 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. 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ミノ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ミノ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ミノ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ミノ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ミノ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ミノ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ミノ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 (melt-mixing) the additive component and the polyfunctional amino group-containing compound with the carbon material precursor in a molten state. A method of forming a precursor composition into a desired shape (e.g., film, sheet, fibrous, or block), and dry blending the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional amino group-containing compound ( dry mixing) and molding the resulting carbon material precursor composition into a desired shape (e.g., film, sheet, fiber, block); The carbon material precursor having a desired shape (e.g., film, sheet, fibrous, block) is immersed in or passed through the aqueous solution or aqueous mixed solution to obtain the desired shape of the carbon material. A method for obtaining a precursor composition, a solvent in which the carbon material precursor is insoluble (e.g., 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, sheet, fiber, block) is immersed in or passed through a solution containing an amino group-containing compound to form carbon in a desired shape. Although it is possible to adopt a method of obtaining a material precursor composition, the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional amino group-containing compound to be used are compatible with the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. When the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional amino group-containing compound can be uniformly mixed, the carbon material precursor, the additive component, and the polyfunctional amino group-containing compound can be uniformly mixed. and a functional amino group-containing compound in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent (wet mixing), and the obtained solution is used to form the carbon material precursor composition into a desired shape (e.g., film, sheet, etc.). , fibrous, lumpy), and then removing the solvent. 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 known drying methods such as hot air drying, vacuum drying, and freeze drying can be employed, 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300℃以下(好ましくは250℃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ミノ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、前記カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体のカルボキシル基と前記多官能性アミノ基含有化合物の多官能性アミノ基との間のイオン結合形成及び/又は共有結合形成が促進され、カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体に架橋構造が十分に導入される。その結果、このアクリルアミド系共重合体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~5時間が好ましく、1分間~2時間がより好ましい。 Further, in the method for producing a carbon material precursor composition of the present invention, the carbon material precursor composition in a desired shape is subjected to a heat treatment at a temperature of 300° C. or less (preferably 250° C. or less) to remove the additive component. It is preferable to cause a dehydration reaction between the carbon material precursor and the compound having a polyfunctional amino group in the presence. This promotes the formation of ionic bonds and/or covalent bonds between the carboxyl groups of the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer and the polyfunctional amino groups of the polyfunctional amino group-containing compound. A crosslinked structure is sufficiently introduced into the acrylamide copolymer. As a result, softening of the acrylamide-based copolymer is more sufficiently suppressed, and a carbon material sufficiently retaining the desired shape before the carbonization treatment can be obtained. The lower limit of the heating temperature is preferably room temperature (25° C.) or higher, 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 5 hours, more preferably 1 minute to 2 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~10時間が好ましい。
[Method for producing carbon material]
Next, the method for producing the carbon material of the present invention will be described. In the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor composition of the present invention is heated to 500 to 3000° C. (preferably 500 to 2500° C.) under an inert atmosphere (in an inert gas such as nitrogen, argon or helium). C., more preferably 1000 to 2000.degree. C.) for carbonization. This makes it possible to obtain a carbon material that sufficiently retains the desired shape before carbonization. Moreover, the heating time in the carbonization treatment is preferably 1 minute to 10 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カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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カルボキシル基含有アクリルアミド系共重合体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 subjected to heat treatment (flameproof treatment) in an oxidizing atmosphere (for example, in air) before the carbonization treatment. may As a result, the additive component in the carbon material precursor composition acts to convert the structure of the carboxyl group-containing acrylamide-based copolymer into a structure with high heat resistance, thereby improving the carbonization yield of the carbon material precursor. do. A crosslinked structure can also be introduced into the carboxyl group-containing acrylamide copolymer by this flameproofing treatment. The heating temperature in such a flameproofing treatment is preferably 500°C or less, more preferably 150 to 400°C, and even more preferably 200 to 350°C. Moreover, the heating time in the flameproofing treatment is not particularly limited. For example, heating for more than 1 hour is possible, but 1 to 60 minutes is preferable from the viewpoint of reducing the production cost.

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。 Furthermore, in the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor composition to be used is preliminarily formed into a desired shape (for example, film-like, It is preferable to mold into a sheet, fibrous, bulk). At this time, the carbon material precursor composition is pressure-molded as it is, or the carbon material precursor composition in a molten state is melt-molded (for example, melt casting, melt extrusion molding, injection molding, melt spinning). However, in the case where 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 is mixed with the aqueous solvent from the viewpoint of improving moldability. It is preferable to mold using an aqueous solution or aqueous mixed solution obtained by dissolving in a solvent or the aqueous mixed solvent. 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 preferably performed. Thereby, 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.

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系共重合体及び比較例で使用したアクリルアミド系単独重合体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. The acrylamide-based copolymers used in Examples and Comparative Examples and the acrylamide-based homopolymers used in Comparative Examples were synthesized by the following method.

(合成例1)
アクリルアミド(AAm)5g(70mmol)とアクリル酸(AA)0.62g(8.6mmol)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75mg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75μl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、粘度上昇により撹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/アクリル酸共重合体(PAAm/AA(90mol%:10mol%))の水溶液を得た
(Synthesis example 1)
After dissolving 5 g (70 mmol) of acrylamide (AAm) and 0.62 g (8.6 mmol) of acrylic acid (AA) in 90 g of water, the solution was replaced with nitrogen by repeatedly reducing the pressure and introducing nitrogen gas using a vacuum pump. Next, an aqueous solution of potassium persulfate (75 mg of potassium persulfate dissolved in 1.1 ml of water) and 75 μl of tetramethylethylenediamine were added under a nitrogen stream, followed by nitrogen substitution, and then a magnetic stirrer was added under a nitrogen stream. and stirred. Thirty minutes after the start of stirring, the stirrer stopped rotating due to an increase in viscosity, but the reaction was continued for 12 hours. After that, water was added and uniformly stirred using a mechanical stirrer to obtain an aqueous solution of an acrylamide/acrylic acid copolymer (PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %)).

(合成例2)
アクリル酸(AA)の量を0.26g(3.6mmol)に変更した以外は合成例1と同様にして、アクリルアミド/アクリル酸共重合体(PAAm/AA(95mol%:5mol%))の水溶液を得た。なお、この合成においては、反応時の粘度上昇は見られず、マグネチックスターラーによる攪拌を12時間継続した。
(Synthesis example 2)
An aqueous solution of an acrylamide/acrylic acid copolymer (PAAm/AA (95 mol%: 5 mol%)) was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the amount of acrylic acid (AA) was changed to 0.26 g (3.6 mmol). got In this synthesis, no increase in viscosity was observed during the reaction, and stirring with a magnetic stirrer was continued for 12 hours.

(比較合成例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、粘度上昇により撹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。
(Comparative Synthesis Example 1)
After 10 g (140 mmol) of acrylamide (AAm) was dissolved in 90 g of water, pressure reduction and introduction of nitrogen gas were repeated using a vacuum pump to perform nitrogen replacement. Next, an aqueous solution of potassium persulfate (50 mg of potassium persulfate dissolved in 1.1 ml of water) and 50 μl of tetramethylethylenediamine were added under a nitrogen stream, followed by nitrogen substitution, and then a magnetic stirrer was added under a nitrogen stream. and stirred. Thirty minutes after the start of stirring, the stirrer stopped rotating due to an increase in viscosity, but the reaction was continued for 12 hours. Then, 350 ml of water was added and stirred uniformly using a mechanical stirrer to obtain an aqueous solution of acrylamide homopolymer (PAAm) (PAAm concentration: 22 g/L).

(実施例1)
合成例1で得られたPAAm/AA(90mol%:10mol%)水溶液1.1gにリン酸0.9mg及びp-フェニレンジアミン(p-PDA)4.9mgを添加して溶解した。なお、一部のp-フェニレンジアミンは一部のリン酸によって中和され、中和されたp-フェニレンジアミンはPAAm/AAとの架橋反応に関与しないため、この中和反応によって消費されたp-フェニレンジアミンの量(リン酸を3価の酸として計算)を考慮すると、前述した量のp-フェニレンジアミンを添加することによって、PAAm/AAとの架橋反応に関与するp-フェニレンジアミンの量は1当量となる。また、前記中和反応において消費されたリン酸も、PAAm/AAとp-フェニレンジアミンとの架橋反応における触媒として作用しないため、前記中和反応によって消費されたリン酸の量を考慮すると、前述した量のリン酸を添加することによって、PAAm/AAとp-フェニレンジアミンとの架橋反応における触媒として作用するリン酸の量は、PAAm/AA(90mol%:10mol%)100質量部に対して2質量部となる。このようにして得られた水溶液を直径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、さらに真空乾燥を施して、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とリン酸とp-フェニレンジアミン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)
To 1.1 g of the PAAm/AA (90 mol %:10 mol %) aqueous solution obtained in Synthesis Example 1, 0.9 mg of phosphoric acid and 4.9 mg of p-phenylenediamine (p-PDA) were added and dissolved. A portion of p-phenylenediamine is partially neutralized by phosphoric acid, and the neutralized p-phenylenediamine does not participate in the cross-linking reaction with PAAm/AA. - Considering the amount of phenylenediamine (phosphoric acid is calculated as a trivalent acid), the amount of p-phenylenediamine involved in the cross-linking reaction with PAAm/AA by adding the amount of p-phenylenediamine mentioned above. becomes 1 equivalent . In addition, since the phosphoric acid consumed in the neutralization reaction does not act as a catalyst in the cross-linking reaction between PAAm/AA and p-phenylenediamine, considering the amount of phosphoric acid consumed in the neutralization reaction, the above-mentioned By adding an amount of phosphoric acid, the amount of phosphoric acid that acts as a catalyst in the cross-linking reaction between PAAm/AA and p-phenylenediamine is reduced to 100 parts by mass of PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%). 2 parts by mass. The aqueous solution thus obtained is placed in a Teflon (registered trademark) petri dish with a diameter of 40 mm, dried in a constant temperature bath at 70° C. for 1 hour, and further vacuum-dried to obtain a sample having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about approx. A film made of a carbon material precursor composition containing 30 mg of PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %) (carbon material precursor), phosphoric acid and p-phenylenediamine was obtained.

(実施例2)
p-フェニレンジアミンの量を3.25mgに変更した以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とリン酸とp-フェニレンジアミン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費されたp-フェニレンジアミンの量を考慮すると、前述した量のp-フェニレンジアミンを添加することによって、PAAm/AAとの架橋反応に関与するp-フェニレンジアミンの量は0.5当量となる。
(Example 2)
PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of p-phenylenediamine was changed to 3.25 mg. A film made of a carbon material precursor composition containing phosphoric acid and p-phenylenediamine was obtained. As in Example 1, considering the amount of p-phenylenediamine consumed by the neutralization reaction, adding the above-mentioned amount of p-phenylenediamine contributes to the cross-linking reaction with PAAm/AA. The amount of p-phenylenediamine is 0.5 equivalents .

(実施例3)
p-フェニレンジアミンの量を6.75mgに変更した以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とリン酸とp-フェニレンジアミン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費されたp-フェニレンジアミンの量を考慮すると、前述した量のp-フェニレンジアミンを添加することによって、PAAm/AAとの架橋反応に関与するp-フェニレンジアミンの量は1.5当量となる。
(Example 3)
PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of p-phenylenediamine was changed to 6.75 mg. A film made of a carbon material precursor composition containing phosphoric acid and p-phenylenediamine was obtained. As in Example 1, considering the amount of p-phenylenediamine consumed by the neutralization reaction, adding the above-mentioned amount of p-phenylenediamine contributes to the cross-linking reaction with PAAm/AA. The amount of p-phenylenediamine is 1.5 equivalents .

(実施例4)
p-フェニレンジアミンの代わりにジアミノヘキサン(DAH)5.2mgを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とリン酸とジアミノヘキサン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費されたジアミノヘキサンの量を考慮すると、前述した量のジアミノヘキサンを添加することによって、PAAm/AAとの架橋反応に関与するジアミノヘキサンの量は1当量となる。
(Example 4)
PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) (carbon A film composed of a carbon material precursor composition containing (precursor material), phosphoric acid, and diaminohexane was obtained. As in Example 1, considering the amount of diaminohexane consumed by the neutralization reaction, the amount of diaminohexane involved in the cross-linking reaction with PAAm/AA can be reduced by adding the above-described amount of diaminohexane. becomes 1 equivalent .

(実施例5)
ジアミノヘキサンの量を9mgに変更した以外は実施例4と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とリン酸とジアミノヘキサン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費されたジアミノヘキサンの量を考慮すると、前述した量のジアミノヘキサンを添加することによって、PAAm/AAとの架橋反応に関与するジアミノヘキサンの量は2当量となる。
(Example 5)
In the same manner as in Example 4, except that the amount of diaminohexane was changed to 9 mg, PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg, phosphoric acid and diamino A film made of a carbon material precursor composition containing hexane was obtained. As in Example 1, considering the amount of diaminohexane consumed by the neutralization reaction, the amount of diaminohexane involved in the cross-linking reaction with PAAm/AA can be reduced by adding the above-described amount of diaminohexane. is 2 equivalents .

(比較例1)
比較合成例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、さらに真空乾燥を施して、厚さ20~30μm、質量約30mg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 Comparative Synthesis Example 1 was placed in a Teflon (registered trademark) petri dish with a diameter of 40 mm, dried in a constant temperature bath at 70 ° C. for 1 hour, and further vacuum dried to obtain a thickness of 20 mm. A film of PAAm (carbon material precursor) having a thickness of ~30 μm and a mass of about 30 mg was obtained.

(比較例2)
合成例1で得られたPAAm/AA(90mol%:10mol%)水溶液の代わりに比較合成例1で得られたPAAm水溶液1.4gを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm(炭素材料前駆体)とリン酸とp-フェニレンジアミン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)
In the same manner as in Example 1 except that 1.4 g of the PAAm aqueous solution obtained in Comparative Synthesis Example 1 was used instead of the PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) aqueous solution obtained in Synthesis Example 1, a thickness of 20 A film of a comparative carbon material precursor composition containing PAAm (carbon material precursor), phosphoric acid and p-phenylenediamine having a thickness of ~30 μm and a mass of about 30 mg was obtained.

(比較例3)
比較合成例1で得られたPAAm水溶液の代わりに合成例1で得られたPAAm/AA(90mol%:10mol%)水溶液1.1gを用いた以外は比較例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 3)
In the same manner as in Comparative Example 1 except that 1.1 g of the PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) aqueous solution obtained in Synthesis Example 1 was used instead of the PAAm aqueous solution obtained in Comparative Synthesis Example 1, a thickness of 20 A film of PAAm/AA (90 mol %:10 mol %) (carbon material precursor) having a thickness of ˜30 μm and a mass of about 30 mg was obtained.

(比較例4)
p-フェニレンジアミンを使用しなかった以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(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からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 4)
PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg and phosphoric acid were prepared in the same manner as in Example 1 except that p-phenylenediamine was not used. A film consisting of the containing comparative carbon material precursor composition was obtained.

(実施例6)
合成例1で得られたPAAm/AA(90mol%:10mol%)水溶液の代わりに合成例2で得られたPAAm/AA(95mol%:5mol%)水溶液1.1gを用い、p-フェニレンジアミンの量を4.1mgに変更した以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(95mol%:5mol%)(炭素材料前駆体)とリン酸とp-フェニレンジアミン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費されたp-フェニレンジアミンの量を考慮すると、前述した量のp-フェニレンジアミンを添加することによって、PAAm/AAとの架橋反応に関与するp-フェニレンジアミンの量は1.5当量となる。
(Example 6)
Using 1.1 g of the PAAm/AA (95 mol%: 5 mol%) aqueous solution obtained in Synthesis Example 2 instead of the PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) aqueous solution obtained in Synthesis Example 1, p-phenylenediamine In the same manner as in Example 1 except that the amount was changed to 4.1 mg, PAAm/AA (95 mol%: 5 mol%) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg, phosphoric acid and p- A film made of a carbon material precursor composition containing phenylenediamine was obtained. As in Example 1, considering the amount of p-phenylenediamine consumed by the neutralization reaction, adding the above-mentioned amount of p-phenylenediamine contributes to the cross-linking reaction with PAAm/AA. The amount of p-phenylenediamine is 1.5 equivalents .

(比較例5)
比較合成例1で得られたPAAm水溶液の代わりに合成例2で得られたPAAm/AA(95mol%:5mol%)水溶液1.1gを用いた以外は比較例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(95mol%:5mol%)(炭素材料前駆体)からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 5)
In the same manner as in Comparative Example 1 except that 1.1 g of the PAAm/AA (95 mol%: 5 mol%) aqueous solution obtained in Synthesis Example 2 was used instead of the PAAm aqueous solution obtained in Comparative Synthesis Example 1, a thickness of 20 A film of PAAm/AA (95 mol %:5 mol %) (carbon material precursor) having a thickness of ~30 μm and a mass of about 30 mg was obtained.

(比較例6)
p-フェニレンジアミンを使用しなかった以外は実施例6と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(95mol%:5mol%)(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からなるフィルムを得た。
(Comparative Example 6)
PAAm/AA (95 mol %: 5 mol %) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg and phosphoric acid were prepared in the same manner as in Example 6 except that p-phenylenediamine was not used. A film consisting of the containing comparative carbon material precursor composition was obtained.

(実施例7)
リン酸の代わりに硫酸9μlを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)と硫酸とp-フェニレンジアミン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費された硫酸の量を考慮すると、前述した量の硫酸を添加することによって、PAAm/AAとp-フェニレンジアミンとの架橋反応における触媒として作用する硫酸の量は、PAAm/AA(90mol%:10mol%)100質量部に対して2質量部となる。
(Example 7)
In the same manner as in Example 1 except that 9 μl of sulfuric acid was used instead of phosphoric acid, PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg, sulfuric acid and p - A film made of a carbon material precursor composition containing phenylenediamine was obtained. As in Example 1, considering the amount of sulfuric acid consumed by the neutralization reaction, the addition of the aforementioned amount of sulfuric acid acts as a catalyst in the cross-linking reaction between PAAm/AA and p-phenylenediamine. The amount of sulfuric acid used is 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %).

(実施例8)
リン酸の代わりにホウ酸0.9mgを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とホウ酸とp-フェニレンジアミン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。なお、実施例1と同様に、中和反応によって消費されたホウ酸の量を考慮すると、前述した量のホウ酸を添加することによって、PAAm/AAとp-フェニレンジアミンとの架橋反応における触媒として作用するホウ酸の量は、PAAm/AA(90mol%:10mol%)100質量部に対して2質量部となる。
(Example 8)
PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg in the same manner as in Example 1 except that 0.9 mg of boric acid was used instead of phosphoric acid. A film composed of a carbon material precursor composition containing boric acid and p-phenylenediamine was obtained. As in Example 1, considering the amount of boric acid consumed by the neutralization reaction, the addition of the boric acid in the amount described above can be used as a catalyst in the cross-linking reaction between PAAm/AA and p-phenylenediamine. The amount of boric acid that acts as is 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %).

(比較例7)
リン酸を使用しなかった以外は実施例1と同様にして、厚さ20~30μm、質量約30mgのPAAm/AA(90mol%:10mol%)(炭素材料前駆体)とp-フェニレンジアミンとを含有する比較用炭素材料前駆体組成物からなるからなるフィルムを得た。
(Comparative Example 7)
PAAm/AA (90 mol %: 10 mol %) (carbon material precursor) having a thickness of 20 to 30 μm and a mass of about 30 mg and p-phenylenediamine were prepared in the same manner as in Example 1 except that phosphoric acid was not used. A film consisting of the containing comparative carbon material precursor composition was obtained.

<炭化処理>
実施例1~8及び比較例1~7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 treatment>
The films obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7 were cut into rectangles of 1.5 cm x 1.25 cm, placed in a crucible with a diameter of 2.5 cm, and placed in a quartz tubular furnace with a diameter of 5 cm at 500 ml/ After raising the temperature from room temperature to 900° C. over 4 hours under a nitrogen stream of 10 minutes, the carbonization treatment was performed by heating at 900° C. for 1 hour.

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~表3に示す。 The appearance of the obtained carbon material was visually observed. In addition, the ratio of the area of the portion of the carbon material that was formed as a self-supporting film without melting or sticking to the crucible (film shape retention ratio) was determined. Furthermore, 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 Tables 1-3.

Figure 0007232399000002
Figure 0007232399000002

Figure 0007232399000003
Figure 0007232399000003

Figure 0007232399000004
Figure 0007232399000004

表1~3に示したように、PAAm又はPAAm/AAからなる炭素材料前駆体(比較例1、3、5)やPAAm/AAとp-フェニレンジアミンとからなる比較用炭素材料前駆体組成物(比較例7)に900℃での加熱処理(炭化処理)を施すと、PAAmやPAAm/AA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にリン酸とp-フェニレンジアミンとを添加した場合(比較例2)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17%が保持されていた。さらに、PAAm/AAにリン酸を添加した場合(比較例4、6)にも、900℃での加熱処理(炭化処理)によりPAAm/AA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29~35%が保持されていた。 As shown in Tables 1 to 3, carbon material precursors composed of PAAm or PAAm/AA (Comparative Examples 1, 3, and 5) and comparative carbon material precursor compositions composed of PAAm/AA and p-phenylenediamine When (Comparative Example 7) was subjected to a heat treatment (carbonization treatment) at 900°C, PAAm and PAAm/AA were melted and the film shape before carbonization could not be maintained. Further, when phosphoric acid and p-phenylenediamine were added to PAAm (Comparative Example 2), although PAAm partially melted by heat treatment (carbonization treatment) at 900 ° C., the resulting carbon material was , 17% of the film shape before carbonization was retained. Furthermore, when phosphoric acid was added to PAAm/AA (Comparative Examples 4 and 6), although PAAm/AA was partially melted by heat treatment (carbonization treatment) at 900 ° C., the obtained carbon material was , 29-35% of the film shape before carbonization was retained.

一方、表1~3に示したように、PAAm/AAに、リン酸、硫酸及びホウ酸のうちのいずれかの酸とp-フェニレンジアミン及びジアミノヘキサンのうちのいずれかの多官能アミノ基含有化合物とを添加した場合(実施例1~8)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/AAのカルボキシル基とp-フェニレンジアミン又はジアミノヘキサンのアミノ基とが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/AAに架橋構造が導入されたためと考えられる。 On the other hand, as shown in Tables 1 to 3, PAAm / AA contains any acid of phosphoric acid, sulfuric acid and boric acid and any polyfunctional amino group of p-phenylenediamine and diaminohexane When the compound was added (Examples 1 to 8), the film shape before carbonization was maintained even after heat treatment (carbonization) at 900°C. This is because the carboxyl group of PAAm/AA and the amino group of p-phenylenediamine or diaminohexane undergo a dehydration reaction by the catalytic action of an acid during heat drying when a film made of a carbon material precursor composition is produced, resulting in a shared It is considered that a bond was formed and a crosslinked structure was introduced to PAAm/AA.

また、表1~表3に示したように、PAAm/AAにリン酸とp-フェニレンジアミン又はジアミノヘキサンとを添加した場合(実施例1~8)には、PAAm又はPAAm/AAのみの場合(比較例1、3、5)に比べて、炭化収率が高くなった。さらに、表3に示したように、PAAm/AAに、リン酸、硫酸及びホウ酸のうちのいずれかの酸とp-フェニレンジアミンとを添加した場合(実施例1、7~8)には、p-フェニレンジアミンのみを添加した場合(比較例7)に比べて、炭化収率が高くなった。 Further, as shown in Tables 1 to 3, when phosphoric acid and p-phenylenediamine or diaminohexane were added to PAAm/AA (Examples 1 to 8), PAAm or PAAm/AA alone Compared with (Comparative Examples 1, 3 and 5), the carbonization yield was higher. Furthermore, as shown in Table 3, when any of phosphoric acid, sulfuric acid and boric acid and p-phenylenediamine were added to PAAm/AA (Examples 1, 7-8) , and p-phenylenediamine alone (Comparative Example 7), the carbonization yield was higher.

以上の結果から、PAAm/AAからなる炭素材料前駆体に、リン酸、硫酸及びホウ酸のうちのいずれかの酸とp-フェニレンジアミン及びジアミノヘキサンのうちのいずれかの多官能アミノ基含有化合物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, the carbon material precursor composed of PAAm/AA was combined with any acid of phosphoric acid, sulfuric acid and boric acid and any polyfunctional amino group-containing compound of p-phenylenediamine and diaminohexane. By adding and, even if heat treatment (carbonization treatment) is performed at a high temperature, a carbon material can be obtained with a high carbonization yield while maintaining the shape (shape of the carbon material precursor) before carbonization treatment. was confirmed.

<粘弾性試験>
実施例1~8及び比較例1~7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、実施例1及び比較例1~3で得られたフィルムの貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフであり、図2は、実施例1~3及び比較例3~4で得られたフィルムの貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフであり、図3は、実施例4~5及び比較例3~4で得られたフィルムの貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフであり、図4は、実施例6及び比較例5~6で得られたフィルムの貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフであり、図5は、実施例1、7、8及び比較例3、7で得られた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。
<Viscoelasticity test>
The films obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7 were cut into rectangles of 2 cm x 0.5 cm, and were measured using a viscoelastic spectrometer under the conditions of a strain of 0.5% and a frequency of 10 Hz in an air atmosphere. The viscoelasticity measurement was performed while the temperature was raised from room temperature to 370°C at a rate of 5°C/min. FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus of the films obtained in Example 1 and Comparative Examples 1-3, and FIG. FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus of the films obtained in Examples 4-5 and Comparative Examples 3-4. FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus of the films obtained in Example 6 and Comparative Examples 5 to 6, and FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the storage elastic modulus of the obtained film.

図1~図2に示したように、比較例1~4で得られたフィルムは、200~250℃の温度域で、貯蔵弾性率が低下し、軟化することがわかった。一方、実施例1~3で得られたフィルムは、200~250℃の温度域での貯蔵弾性率が比較例1~4で得られたフィルムに比べて高くなった。これは、PAAm/AAとリン酸とp-フェニレンジアミンとを含有する本発明の炭素材料前駆体組成物(実施例1~3)においては、PAAm/AAのカルボキシル基とp-フェニレンジアミンのアミノ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/AAに架橋構造(ジアミン架橋)が導入されたためと考えられる。また、本発明の炭素材料前駆体組成物(実施例1~3)においては、PAAm/AAに架橋構造が導入されたため、表1に示したように、炭化処理を施しても、炭化処理前の形状が保持されたと考えられる。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p-フェニレンジアミンとを含有する比較用炭素材料前駆体組成物(比較例2)においては、炭素材料前駆体であるPAAmにカルボキシル基が含まれておらず、また、PAAm/AAのみからなる炭素材料前駆体(比較例3)やPAAm/AA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4)においては、p-フェニレンジアミンが存在しないため、架橋構造が形成されず、貯蔵弾性率が低下し、軟化したと考えられる。 As shown in FIGS. 1 to 2, the films obtained in Comparative Examples 1 to 4 were found to soften in the temperature range of 200 to 250° C. with a decrease in storage modulus. On the other hand, the films obtained in Examples 1-3 had higher storage elastic moduli in the temperature range of 200-250° C. than the films obtained in Comparative Examples 1-4. This is because in the carbon material precursor composition of the present invention containing PAAm/AA, phosphoric acid and p-phenylenediamine (Examples 1 to 3), the carboxyl group of PAAm/AA and the amino group of p-phenylenediamine This is probably because the groups and groups undergo a dehydration reaction by the catalytic action of phosphoric acid to form covalent bonds and introduce a crosslinked structure (diamine crosslink) to PAAm/AA. In addition, in the carbon material precursor compositions of the present invention (Examples 1 to 3), a crosslinked structure was introduced into PAAm/AA. It is thought that the shape of 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, phosphoric acid and p-phenylenediamine (Comparative Example 2), the carbon material precursor A carbon material precursor (Comparative Example 3) containing only PAAm/AA and a carbon material precursor composition containing PAAm/AA and phosphoric acid (Comparison In Example 4), since no p-phenylenediamine was present, a crosslinked structure was not formed, and the storage elastic modulus decreased, resulting in softening.

また、p-フェニレンジアミンの代わりにジアミノヘキサンを用いた場合も同様に、PAAm/AAとリン酸とジアミノヘキサンとを含有する本発明の炭素材料前駆体組成物からなるフィルム(実施例4~5)は、PAAm/AAのカルボキシル基とジアミノヘキサンのアミノ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/AAに架橋構造(ジアミン架橋)が導入されたため、図3に示したように、200~250℃の温度域での貯蔵弾性率が、多官能性アミノ基含有化合物が含まれていないフィルム(比較例3~4)に比べて高くなり、また、表1に示したように、炭化処理を施しても、炭化処理前の形状が保持されたと考えられる。 Similarly, when diaminohexane was used instead of p-phenylenediamine, films made of the carbon material precursor composition of the present invention containing PAAm/AA, phosphoric acid and diaminohexane (Examples 4 and 5 ), the carboxyl group of PAAm/AA and the amino group of diaminohexane undergo a dehydration reaction by the catalytic action of phosphoric acid to form a covalent bond, and a crosslinked structure (diamine crosslink) is introduced to PAAm/AA. , the storage elastic modulus in the temperature range of 200 to 250 ° C. is higher than that of the film containing no polyfunctional amino group-containing compound (Comparative Examples 3 to 4), and Table 1 , it is thought that the shape before carbonization was maintained even after carbonization.

さらに、PAAm/AA(90mol%:10mol%)の代わりにPAAm/AA(95mol%:5mol%)を用いた場合も同様に、PAAm/AAとリン酸とp-フェニレンジアミンとを含有する本発明の炭素材料前駆体組成物からなるフィルム(実施例6)は、図4に示したように、200~250℃の温度域での貯蔵弾性率が、多官能性アミノ基含有化合物が含まれていないフィルム(比較例5~6)に比べて高くなり、また、表2に示したように、炭化処理を施しても、炭化処理前の形状が保持されたと考えられる。 Furthermore, when PAAm/AA (95 mol%: 5 mol%) is used instead of PAAm/AA (90 mol%: 10 mol%), the present invention containing PAAm/AA, phosphoric acid and p-phenylenediamine As shown in FIG. 4, the film (Example 6) made of the carbon material precursor composition of No. 1 has a storage elastic modulus in the temperature range of 200 to 250° C. As shown in Table 2, it is considered that the shape before carbonization was maintained even after carbonization.

また、リン酸の代わりに硫酸やホウ酸を用いた場合も同様に、PAAm/AAと硫酸又はホウ酸とp-フェニレンジアミンとを含有する本発明の炭素材料前駆体組成物からなるフィルム(実施例7~8)は、図5に示したように、200~250℃の温度域での貯蔵弾性率が、酸が含まれていないフィルム(比較例3、7)に比べて高くなり、また、表3に示したように、炭化処理を施しても、炭化処理前の形状が保持された。これは、PAAm/AAと硫酸又はホウ酸とp-フェニレンジアミンとを含有する本発明の炭素材料前駆体組成物(実施例7~8)においては、PAAm/AAのカルボキシル基とp-フェニレンジアミンのアミノ基とが硫酸又はホウ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/AAに架橋構造(ジアミン架橋)が導入されたのに対して、PAAm/AAのみからなる炭素材料前駆体(比較例3)やPAAm/AAとp-フェニレンジアミンとを含有する比較用炭素材料前駆体組成物(比較例7)においては、触媒である酸が含まれていないため、PAAm/AAのカルボキシル基とp-フェニレンジアミンのアミノ基との脱水反応が進行せず、架橋構造が形成されなかったためと考えられる。 Similarly, when sulfuric acid or boric acid is used instead of phosphoric acid, a film (implementation Examples 7 to 8), as shown in FIG. 5, have a higher storage modulus in the temperature range of 200 to 250° C. than films containing no acid (Comparative Examples 3 and 7). , as shown in Table 3, the shape before carbonization was maintained even after carbonization. In the carbon material precursor composition of the present invention containing PAAm/AA, sulfuric acid or boric acid, and p-phenylenediamine (Examples 7 and 8), the carboxyl group of PAAm/AA and p-phenylenediamine and the amino group of PAAm/AA form a covalent bond through a dehydration reaction by the catalytic action of sulfuric acid or boric acid, and a crosslinked structure (diamine crosslink) is introduced to PAAm/AA, whereas a carbon material composed only of PAAm/AA In the precursor (Comparative Example 3) and the comparative carbon material precursor composition containing PAAm/AA and p-phenylenediamine (Comparative Example 7), since the catalyst acid is not included, PAAm/AA This is probably because the dehydration reaction between the carboxyl group of p-phenylenediamine and the amino group of p-phenylenediamine did not proceed and no crosslinked structure was formed.

以上の結果から、PAAm/AAからなる炭素材料前駆体に酸と多官能性アミノ基含有化合物とを添加することによって、200℃~250℃の温度域におけるPAAm/AAの軟化が抑制され、炭化処理を施しても、炭化処理前の形状が保持されることがわかった。 From the above results, by adding an acid and a polyfunctional amino group-containing compound to a carbon material precursor composed of PAAm/AA, softening of PAAm/AA in the temperature range of 200 ° C. to 250 ° C. is suppressed, and carbonization It was found that the shape before the carbonization treatment was retained even after the treatment.

<熱重量分析>
実施例1及び比較例3~4で得られたフィルムについて、500ml/分の窒素気流下、室温から1000℃まで10℃/分で昇温しながら熱重量分析を行なった。その結果を図6に示す。図6に示したように、実施例1及び比較例4で得られたフィルムは比較例3で得られたフィルムに比べて、400℃以上の温度域での重量減少が少なかった。この結果から、PAAm/AAにリン酸を添加した場合(比較例4)にはPAAm/AAのみの場合(比較例3)に比べて炭化収率が高くなるが、PAAm/AAにリン酸とp-フェニレンジアミンとを添加した場合(実施例1)にはPAAm/AAにリン酸を添加した場合(比較例4)と同等の炭化収率となり、炭化収率の向上はリン酸の添加によるものであり、p-フェニレンジアミンの添加によって炭化収率が減少することもないことがわかった。
<Thermogravimetric analysis>
The films obtained in Example 1 and Comparative Examples 3 and 4 were subjected to thermogravimetric analysis while the temperature was raised from room temperature to 1000° C. at a rate of 10° C./min under a nitrogen stream of 500 ml/min. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 6, the films obtained in Example 1 and Comparative Example 4 had less weight loss than the film obtained in Comparative Example 3 in the temperature range of 400° C. or higher. From this result, when phosphoric acid is added to PAAm/AA (Comparative Example 4), the carbonization yield is higher than when only PAAm/AA is added (Comparative Example 3). When p-phenylenediamine is added (Example 1), the carbonization yield is equivalent to that when phosphoric acid is added to PAAm/AA (Comparative Example 4), and the improvement in carbonization yield is due to the addition of phosphoric acid. It was found that the addition of p-phenylenediamine did not reduce the carbonization yield.

<炭化試験>
実施例1及び比較例4で得られたフィルムを5mm×20mmの長方形に切断して、図7に示すようにアルミナ板1とアルミナブロック2(1cm角、0.7g)とによって挟持し、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 test>
The films obtained in Example 1 and Comparative Example 4 were cut into rectangles of 5 mm × 20 mm, and sandwiched between an alumina plate 1 and an alumina block 2 (1 cm square, 0.7 g) as shown in FIG. After raising the temperature from room temperature to 900° C. over 4 hours in a 5 cm quartz tubular furnace under a nitrogen stream of 500 ml/min, the material was carbonized by heating at 900° C. for 1 hour.

得られた炭素材料の外観を目視により観察したところ、実施例1で得られたフィルムは、僅かに収縮したものの、フィルム形状を保持したまま、炭化したことがわかった。一方、比較例4のフィルムは、一部溶融した状態で炭化したことがわかった。 When the appearance of the obtained carbon material was visually observed, it was found that the film obtained in Example 1 was carbonized while maintaining the film shape, although the film was slightly shrunk. On the other hand, it was found that the film of Comparative Example 4 was carbonized in a partially molten state.

また、実施例1のフィルムから得られた炭素材料について、X線回折パターン及びフーリエ変換赤外分光スペクトル(FI-IRスペクトル)を測定した。それらの結果を図8及び図9に示す。なお、図8及び図9には、ポリアクリルニトリル(PAN)に炭化処理(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)を施すことによって得られた炭化物のX線回折パターン及びFI-IRスペクトルも示した。 Further, the carbon material obtained from the film of Example 1 was measured for X-ray diffraction pattern and Fourier transform infrared spectrum (FI-IR spectrum). Those results are shown in FIGS. 8 and 9. FIG. In FIGS. 8 and 9, polyacrylonitrile (PAN) is carbonized (heated from room temperature to 900° C. over 4 hours under a nitrogen stream of 500 ml/min, and then heated at 900° C. for 1 hour). The X-ray diffraction pattern and FI-IR spectrum of the carbide obtained by application are also shown.

図8及び図9に示したように、実施例1のフィルムから得られた炭素材料は、PANの炭化物に類似するX線回折パターン及びFI-IRスペクトルを有しており、PANの炭化物に類似の炭素材料であることが確認された。 As shown in FIGS. 8 and 9, the carbon material obtained from the film of Example 1 has an X-ray diffraction pattern and FI-IR spectrum similar to PAN carbide, and is similar to PAN carbide. was confirmed to be a carbon material.

以上説明したように、本発明によれば、アクリルアミド系共重合体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 that contains a carbon material precursor made of an acrylamide-based copolymer and is capable of retaining a desired shape before carbonization even when carbonized. It becomes possible to obtain a precursor 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 uses such a carbon material precursor composition, it is possible to produce a carbon material that retains the desired shape before carbonization. It is useful as a method.

1:アルミナ板
2:アルミナブロック
3:フィルム
1: Alumina plate 2: Alumina block 3: Film

Claims (5)

アクリルアミド系モノマー単位を50モル%以上含有し、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を0.5モル%以上含有するアクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体と、
リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、硫酸、スルホン酸、及びそれら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、
芳香族ジアミン、脂肪族ジアミン、及び脂環式ジアミンからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アミノ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0.1~50質量部であり、
前記多官能性アミノ基を有する化合物の含有量が炭素材料前駆体の含有量に対して0.01~40当量である
ことを特徴とする炭素材料前駆体組成物。
a carbon material precursor composed of an acrylamide-based copolymer containing 50 mol% or more of acrylamide-based monomer units and containing 0.5 mol% or more of vinyl-based monomer units having a carboxyl group as a copolymerization component;
at least one additive component selected from the group consisting of phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, and salts thereof;
a compound having at least one polyfunctional amino group selected from the group consisting of aromatic diamines, aliphatic diamines, and alicyclic diamines;
contains
The content of the additive component is 0.1 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor,
A carbon material precursor composition, wherein the content of the compound having a polyfunctional amino group is 0.01 to 40 equivalents relative to the content of the carbon material precursor.
前記アクリルアミド系共重合体中のカルボキシル基と前記多官能性アミノ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。 2. The carbon material precursor composition according to claim 1, wherein the carboxyl group in the acrylamide copolymer and the polyfunctional amino group form a covalent bond. 前記添加成分がリン酸、ホウ酸、硫酸、及びそれらの塩からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭素材料前駆体組成物。 3. The carbon material precursor composition according to claim 1, wherein the additive component is at least one selected from the group consisting of phosphoric acid, boric acid, sulfuric acid, and salts thereof. リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、硫酸、スルホン酸、及びそれら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50モル%以上含有し、共重合成分としてカルボキシル基を有するビニル系モノマー単位を0.5モル%以上含有するアクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体と、芳香族ジアミン、脂肪族ジアミン、及び脂環式ジアミンからなる群から選択される少なくとも1種の多官能性アミノ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0.1~50質量部であり、前記多官能性アミノ基を有する化合物の量が炭素材料前駆体の量に対して0.01~40当量である条件下、300℃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, polyphosphoric acid, boric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, and salts thereof, a copolymer component containing 50 mol% or more of acrylamide-based monomer units, is selected from the group consisting of a carbon material precursor composed of an acrylamide copolymer containing 0.5 mol% or more of a vinyl monomer unit having a carboxyl group, and an aromatic diamine, an aliphatic diamine, and an alicyclic diamine. and a compound having at least one polyfunctional amino group, wherein the amount of the additive component is 0.1 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon material precursor, and has the polyfunctional amino group. The carbon material precursor composition according to claim 2 is prepared by heating and reacting at a temperature of 300° C. or less under the condition that the amount of the compound is 0.01 to 40 equivalents with respect to the amount of the carbon material precursor. A method for producing a carbon material precursor composition, characterized by obtaining 請求項1~3のうちのいずれか一項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 carbon material characterized in that the carbon material precursor composition according to any one of claims 1 to 3 is subjected to a heat treatment at a temperature of 500 to 3000 ° C. in an inert atmosphere to perform a carbonization treatment. manufacturing method.
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