JPH03183672A - ポーラスカーボン材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、良好な気孔性状と高強度特性を備えるガラス
状炭素質のポーラスカーボン材を製造する方法に関する
。

〔従来の技術〕

軽量、導電性、耐熱性および耐食性などに優れた特性を
示すポーラスカーボン材は、工業用のフィルター、電池
用電極、吸着材等の用途分野に極めて有用である。

従来、ポーラスカーボン材の製造技術としては、粒度を
揃えたコークス粉をタールピンチのような炭化性バイン
ダーとともに捏合したのち粉砕、成形および焼成炭化処
理する手段が典型的方法とされているが、均質かつ安定
な気孔構造を付与するための条件設定が難しい関係で、
量産性に乏しいうえに材質強度が低い欠点がある。

この点、炭素繊維をパルプおよびバインダーと共に抄紙
して得られる炭素繊維准合シートに熱硬化性樹脂液を含
浸させたのち焼成炭化処理する方法（特開昭５０−２５
８０８号公報）は、炭素繊維が補強骨格を形成するうえ
熱硬化性樹脂がガラス状炭素に転化するため、効果的に
材料強度が向上する。

ところが、この方法においては嵩密度、気孔径、気孔率
などの制御に難点があり、また高価な炭弄繊維を原料と
する関係で製造原価が高騰化するｍ照点がある。

このため、炭素繊維に代えて炭素繊維製造用Ｃ有機繊維
を用い、これにパルプ、炭素質粉末なとを配合して抄紙
したシートに有機高分子物質あるいは炭素質粉末を懸濁
した有機高分子物質を含滓したのち焼成処理する方法（
特開昭６１−２３６６６４　Ｍ公報、同６１−２３６６
６５号会報）が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の炭素繊維製造用有機繊細を原料成
分とする方法では、組織内に局部的に芹塞された空隙部
分が多く形成され、均質かつ制御された気孔構造を得る
ことに困難性がある。

本発明は、これら従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、良好な気孔性状と高強膣特性を兼備する
ガラス状炭素質のポーラスカーボン材を収率よく得る製
造方法の提供を目的としている。

〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するための本発明によるポーラスカー
ボン材の製造方法は、α−セルロースを主成分とする熱
揮散性物質を抄紙してシート化する工程（シート化工程
）と、シートに残炭率４０重量％以上の熱硬化性樹脂溶
液を含浸する工程（含浸工程）と、含浸処理後のシート
を５０〜１５０℃の温度で半硬化する工程（半硬化工程
）と、半硬化シートを積層して全面を均一に加熱しなが
らシート厚さが７０〜２０％になるように圧縮する工程
（圧縮工程）と、圧縮シートを非酸化性雰囲気下で８０
０℃以上の温度により焼成炭化する工程（炭化工程）か
らなることを構成上の特徴とするものである。

各工程の詳細について以下に説明する。

（１）シート化工程 α−セルロースを主成分とする熱揮散性物質はシート化
工程における成形原料になるもので、通常、α−セルロ
ース９９０％以上を含むレーヨンパルプ、あるいはこれ
に適宜なバインダー成分を混合した材料が好適に使用さ
れる。この際、α−セルロースは抄紙成形性に点から太
さ３〜１０デニル、長さ５〜ｌＯＩ！ｌｆｉの性状を選
択することが望ましい。バインダー成分としては、例え
ばアカマツ、ニジマツ、トドマツ、モ壽、ツガ、カラマ
ツ等の針葉樹系パルプを用いることが好ましい。

このようなα−セルロースを主成分とする熱揮散性物質
は、水に均一分散させたのち抄紙手段によってシートに
形成する。形成するシートは、抄紙条件を制御して介在
する平均気孔径が５０〜１５０μｍになる組織性状に調
製することが最終気孔分布の均質化に望ましい条件とな
る。

（２）含浸工程 抄造成形したシートは、十分に乾燥したのち残炭率４０
重量％以上の熱硬化性樹脂溶液で含浸処理する。

熱硬化性樹脂の残炭率とは、樹脂を非酸化性雰囲気中で
８００“Ｃの温度に焼成したときに残留する炭素分の重
量を指し、この残炭率が４０重量％を下廻る場合には、
得られるポーラスカーボン材の強度を実用水準まで向上
させることが極めて困難となる。４０重量％以上の残炭
率を有する熱硬化性樹脂の例としては、フェノール系樹
脂、フラン系樹脂、ジビニルベンゼン等が挙げられ、い
ずれも本発明の目的に有効に使用される。これら熱硬化
性樹脂は好ましくは初期縮合物の状態で適宜な有機溶媒
に溶解して溶液化するが、この溶液化には例えばアセト
ン、エタノールのような低粘度で浸透性が高く、容易に
熱揮散する性質の有ｍ溶媒を選定使用することが良好で
ある。溶液の樹脂濃度は、５重量％未満であると強度特
性が減退し、他方、４０重量％を越すと粘度が増大して
含浸性を損ねるうえ気孔の閉塞を生じて気孔径および気
孔率の調整が困難となる。したがって、５〜４０重量％
範囲の樹脂濃度に設定することが好適である。

含浸処理は、シートを熱硬化性樹脂溶液に浸漬するか、
熱硬化性樹脂溶液をシートに塗布またはスプレーする方
法によっておこなわれる。

（３）半硬化工程 含浸処理を施したシートは、ついで５０〜１５０°「の
温度範囲で半硬化する。この工程は、シート中の揮発成
分を円滑に除去すると共に含浸樹脂を熱揮散性物質に強
固に保持させて、圧縮硬化時における樹脂の洩出に伴う
気孔の閉塞を阻止し、さらに積層圧縮過程の接着性を確
保するといった作用をもたせるための工程である。半硬
化処理の温度を５０〜１５０℃に設定した理由は、これ
がｓｏ’ｃ未満であると揮発成分の除去が不十分となっ
て樹脂が半硬化状態にならず、１５０℃を上廻ると気孔
の閉塞、接着性の減退等の結果を招くからである。

（４）圧縮工程 圧縮工程は、半硬化シートを所要枚数に積層して全面を
加熱しながらシート厚さが７０〜２０％の範囲内まで薄
くなる比率に圧縮化するプロセスである。積層シートの
全面を加熱しながら圧縮するには、積層シートを均熱平
面加熱盤に敷いて上部から平面盤で圧縮処理する方法が
採られる。この場合の圧縮率を７０〜２０％にする理由
は、２０％を下廻るような高圧縮率になると組織が緻密
化して気孔率が大幅に低下し、また７０％を上廻る程度
の低圧縮率では実用的な強度性能が得られ難いためであ
る。

この処理工程によってシート平面内の硬化状態が均一と
なり、硬化ムラに伴う焼成時の収縮変動による破損、反
り等の欠陥は効果的に消去される。

（５）炭化工程 圧縮処理で一体に積層賦化成形された圧縮シートは、非
酸化性雰囲気中で８００℃以上の温度により焼威し、熱
揮散性の成分を揮散させると共に熱硬化性樹脂成分を炭
化してガラス状炭素に転化させる。この炭化工程は、圧
縮シートを平滑表面を有する黒鉛板で挟み込んだ形態で
おこなうと反りなどの変形を防止する効果がある。

〔作　用〕

本発明によれば、シート化工程での熱揮散性物質による
均質気孔組織シートの形成、含浸工程におけるガラス状
炭素質に転化する熱硬化性樹脂の組織浸透、半硬化工程
の揮発分の円滑除去、含浸樹脂の固定化ならびに接着性
の確保、圧縮工程における均一なシート面の硬化、そし
て炭化工程による熱揮散性物質の揮散と熱硬化性樹脂の
ガラス状炭素への転化、からなる一連の作用が相互に機
能し合って、常に材質欠陥のない高品質のポーラスカー
ボン材を収率よく得ることを可能にする。

特にα−セルロースを主成分とする熱揮散性物質は、炭
化工程で大部分が円滑に揮散して均一な気孔形成に寄与
するが、同時にその一部は炭化残留して＆ｌｌ織骨格を
形成する。熱硬化性樹脂の炭化により生成するガラス状
炭素は、前記の組織骨格に固着する状態で分布して均一
微細な通気性気孔と強度特性に優れるポーラスカーボン
構造を形成する。

なお、気孔径、気孔率、気孔分布等の組織構造は、熱揮
散性物質の繊維性状と抄造条件、熱硬化性樹脂溶液の濃
度などを調整することによって適宜に制御することがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。

実施例１〜３、比較例１〜４ （１）　　シート化工程 太さ５デニール、長さ２５ｍｍのレーヨンパルプ〔大和
紡績■製〕８０重量部と晒し針葉樹バルブ（ＮＢＫＰ）
　２０重量部を水に撹拌混合して均質に分散させたのち
、長網式抄紙機を用いて抄造、乾燥し、厚さ０．２３ｍ
ｍ、平均気孔径１１０μ気のシートに形成した。

（２）含浸工程 乾燥シートを、残炭率４５％のフェノール樹脂〔住友デ
ュレズ■製、“′スミライトレジンＰＲ９４０”〕を２
２０重量の濃度でアセトンに溶解して溶液中に浸漬して
シー）＆ＩＩ織内部に樹脂溶液を十分に含浸させた。

（３）半硬化工程 含浸処理後のシートを、大気中で８０゛Ｃの温度域に保
持して、含浸樹脂を半硬化した。

（４）圧縮工程 半硬化シートを一辺８００ｍ−の正方形に裁断し、１４
枚積層して１２０℃に調整された均熱平面加熱盤の上に
敷き、平面盤で上部から圧縮して樹脂成分を完全に硬化
した。この圧縮処理により圧縮率５〜７５％範囲の４水
準の試片を作製した。

（５）炭化工程 圧縮シートを平滑表面を有する黒鉛板に挟み付けた状態
で電気焼成炉に移し、周囲をコークスバッキング材で被
包し１０００’Ｃの温度で焼成炭化処理を施した。

（６）品質および収率評価 このようにして製造された各ポーラスカーボン材につい
て各種特性を測定し、結果を製造条件と対比させて表１
に示した。

表１の結果から、本発明の実施例においては良好な多孔
性状と強度特性を備えるポーラスカーボン材を１００％
の収率で製造されることが認められる。これム二対し、
半硬化工程を経ないで製造した比較例１では気孔性状、
強度特性ともに低下し、均一加熱をしないで圧縮処理し
た比較例２においては材質に破損、反り等が多発し、製
品収率が激減した。また、圧縮率が本発明の要件をは外
れる比較例３．４では、良好な気孔性状と強度特性を両
立させることはできなかった。

（発明の効果） 以上のとおり、本発明によれば良好な多孔性状と高強度
特性を兼備するポーラスカーボン材を収率よく製造する
ことができる。したがって、燃料電池、二次電池等の部
材、耐熱耐食性が要求される断熱材、フィルターなどの
用途に極めて有用である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、α−セルロースを主成分とする熱揮散性物質を抄紙
   してシート化する工程と、シートに残炭率４０重量％以
   上の熱硬化性樹脂溶液を含浸する工程と、含浸処理後の
   シートを５０〜１５０℃の温度で半硬化する工程と、半
   硬化シートを積層して全面を均一加熱しながらシート厚
   さが７０〜２０％になるように圧縮する工程と、圧縮シ
   ートを非酸化性雰囲気下で８００℃以上の温度により焼
   成炭化する工程からなることを特徴とするポーラスカー
   ボン材の製造方法。