JPH04349113A - Production of carbon material - Google Patents

Production of carbon material

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JPH04349113A
JPH04349113A JP3120423A JP12042391A JPH04349113A JP H04349113 A JPH04349113 A JP H04349113A JP 3120423 A JP3120423 A JP 3120423A JP 12042391 A JP12042391 A JP 12042391A JP H04349113 A JPH04349113 A JP H04349113A
Authority
JP
Japan
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pitch
oxidizing gas
nozzle
carbon material
heat
Prior art date
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Pending
Application number
JP3120423A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomei Takegawa
東明 竹川
Ichiro Ueno
一郎 上野
Tetsuo Shiode
哲夫 塩出
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by NKK Corp, Nippon Kokan Ltd filed Critical NKK Corp
Priority to JP3120423A priority Critical patent/JPH04349113A/en
Publication of JPH04349113A publication Critical patent/JPH04349113A/en
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  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Abstract

PURPOSE:To efficiently produce a self-sintering granular carbon material and a carbon fiber. CONSTITUTION:A nozzle to be used has a passage 14 for the nonoxidizing gas and pitch and the passages 15a and 15b for the nonoxidizing gas arranged around the passage 14. When a granular carbon material is produced, the heat- treating pitch is heated 100-150 deg.C higher than its softening point, and the nonoxidizing gas is supplied at the flow rate of 3.0-3.5Nm<3> per kg pitch. When a fibrous carbon material is produced, the heat-treating pitch is heated 20-90 deg.C higher than its softening point, and the nonoxidizing gas is supplied from the rear end of the nozzle at the flow rate of 3.0-5.5Nm<3> per kg pitch. The nonoxidizing gas and pitch passed through the passage 14 and the nonoxidizing gas passed through the passages 15a and 15b are joined at the nozzle tip and mixed to form granular or fibrous pitch. The pitches are oxidized.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、各種補強材として有用
な繊維状炭素材料と、高密度等方性炭素材料の原料とな
る自己焼結性粒子状炭素材料とを同一の装置を用いて製
造するための方法に関する。 【0002】 【従来の技術】高密度等方性炭素材料は、放電加工用電
極材、アルミニウム蒸着用ルツボ材、核融合炉用壁材等
として使用されている。この高密度等方性炭素材料は、
一般に、石油系コークスまたは石炭系コークスを微粉砕
して骨材とし、これにバインダーを添加して成形するこ
とを経て製造されている。成形には、性状の均質化を図
るため、通常、冷間静水圧プレス(CIP)法が用いら
れる。得られた成形体は、1〜10℃/時という非常に
遅い昇温速度で加熱炭化され、その後2000〜300
0℃で黒鉛化処理される。 【0003】上記骨材とバインダーピッチを用いる2元
系の原料に対し、最近、フィラーの機能とバインダーの
機能とをそれ自体で兼ねる自己焼結性原料が開発され、
それにより、より均質な高密度等方性炭素材料が製造で
きるようになっている。そのような自己焼結性炭素材料
として、バルクメソフェーズが知られている。このバル
クメソフェーズは、石油系または石炭系ピッチを350
℃ないし500℃の範囲で熱処理することによって得ら
れ、光学的異方性組織(液晶)が全体に渡って展開して
いる。高密度等方性炭素材料の原料としては、微粉砕し
て用いられる。このバルクメソフェーズは、自己焼結性
を保持し、成形時それ自体が相互に融着するので、バイ
ンダーなどの結着剤を添加する必要はない。 【0004】また、自己焼結性炭素原料としてメソカー
ボンマイクロビーズ(MCB)も知られている(例えば
、特開昭49−2379号公報参照)。MCBは、各種
ピッチを熱処理する過程で生成する10μm程度の直径
を有する光学的に異方性の微小球体である。ピッチを熱
処理すると、光学的に等方性のピッチマトリックスの中
にMCBが、析出する。このMCBは、そのまま加熱を
続けると、それ同志が合体してバルクメソフェーズとな
るので、微小MCBが析出した段階で熱処理を停止し、
これに多量の溶媒を加えてMCBを取り出す。なお、こ
のMCBの自己焼結性をさらに向上させるために、溶媒
でマトリックスピッチからMCBを取り出す際に、マト
リックスピッチのキノリン可溶分からなるβ成分を主体
とする部分をMCBの表面に付着させることも提案され
ている(特開昭62−41707号公報参照)。いずれ
にしろ、MCBは、粉砕することなく高密度等方性炭素
材料の原料として使用できる。 【0005】他方、炭素繊維は、他の繊維に比べ、比強
度、比弾性率が高く、耐熱性、電気伝導性、耐薬品性、
潤滑・摺動性に優れ、航空宇宙分野、車両分野、スポー
ツ分野、一般産業分野で広く使用されている。炭素繊維
は、構造材料用に大半が利用され、その他強化材料、機
能性材料、断熱材料、炭素材料として使用されている。 炭素繊維の製造方法は、ポリアクリロニトリル(PAN
)、レーヨン、セルロース、フェノールホルムアルデヒ
ド、リグニンなどの有機繊維を原料とする方法と、石油
系や石炭系の重質油またはピッチを原料とする方法とに
大別される。 【0006】有機繊維を用いる方法では、湿式紡糸また
は溶融紡糸して得たPAN繊維が専ら使用されている。 このPAN繊維をまず200〜300℃で不融化する。 不融化されたPAN繊維を約1000℃までの温度で炭
化焼成し、必要に応じてさらに3000℃までの温度で
黒鉛化処理することによって炭素繊維を得る。 【0007】重質油またはピッチを原料とする方法では
、まず原料を熱処理して所定の軟化点を有するピッチを
得、このピッチを紡糸してピッチ繊維とする。得られた
ピッチ繊維を酸化処理して不融化した後、約1000℃
までの温度で焼成し、さらに3000℃までの温度で黒
鉛化することによって炭素繊維を得る。こうして得られ
るピッチ系炭素繊維は、PAN系炭素繊維に比べ、一般
に弾性率が高い。ピッチ系炭素繊維は、原料が安価であ
ることから、高性能の高弾性率を示す長繊維の他に、初
めから長さの短い繊維として製造されることもある。 短繊維は、長繊維に比べて性能は劣るが、安価に製造で
きるため、建築・土木関係などの汎用的分野での用途に
利用される。 【0008】ピッチ系炭素短繊維の製造は、その紡糸方
法の点で、2つの方法に大別できる。その1つは、回転
する円板やロール上に熱処理したピッチを供給し、最大
で約30cmの長さの繊維を作るという遠心紡糸法であ
る。他の方法は、ノズルからピッチを吹き出し、これと
同時に、吹き出されたピッチをガスと接触させることに
より剪断を与えて繊維化するという溶融ブロー法である
。溶融ブロー法は、経済的な方法として商業的に採用さ
れてもいる。この方法について、例えば、特開昭58−
57374号公報は、ガラス繊維の製造に関するもので
はあるが、オリフィスから流下させた溶融ガラスに、周
囲のガスノズルから高温ガスを吹き付け、ガラスの流れ
をその中心軸の回りに回転させながら渦巻き流を形成さ
せることにより、繊維径を細く引き伸ばすことを開示し
ている。この方法を炭素短繊維の紡糸に適用することが
、特開昭62−263359号に開示されている。また
、特開昭63−210042号公報には、より直状化し
た炭素短繊維を得るため、開口径0.1〜1.0mmの
流出ノズルからピッチを流出させ、これに300〜40
0℃の高温ガスを開口径0.2〜1mmのノズルから吹
き付けることが開示されている。ガスの吹き出し角度は
、流出ノズルの中心軸に対して10〜20度であり、そ
の流速は、480〜520m/秒である。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】上に述べたように、高
密度等方性炭素材料の原料として、MCBを用いること
が提案されているが、MCBは、その製造に際し、相互
に合体してバルクメソフェーズとなる前に、熱処理を停
止する必要がある。そのため、せいぜい40%の収率し
か達成できず、自己焼結性原料の生産方法としては、効
率的なものとはいえない。また、得られたMCBを含む
ピッチを多量の溶媒で希釈してマトリックスピッチから
MCBを分別する必要もある。このような複雑で収率の
低い方法によって自己焼結性原料を製造することは、製
造が高価となる。 【0010】そこで、炭素繊維の経済的な製造方法とし
て商業化されてもいる溶融ブロー法が、MCB相当の微
小球ピッチの製造に適用できれば、効率的に微小球ピッ
チを製造することができると期待できる。しかしながら
、従来の炭素短繊維を製造する溶融ブロー法では、微小
粒子を得るための充分な剪断力をピッチに与えることが
できないことが見いだされた。 【0011】したがって、本発明の課題は、高密度等方
性炭素材料用原料である自己焼結性微粒子炭素材料と炭
素繊維とをピッチから効率的に製造する方法を提供する
ことにある。 【0012】 【課題を解決するための手段および作用】本発明者らは
、高密度等方性炭素材料の原料となる自己焼結性粒子状
炭素材料を効率的に製造し、併せて繊維状炭素材料を製
造するための方法を鋭意研究した。その結果、特定の2
流体ノズルを用い、これに熱処理ピッチおよび非酸化性
ガスを供給し、供給する熱処理ピッチの供給温度と、熱
処理ピッチに対する非酸化性ガスの供給割合をそれぞれ
所定の範囲に設定することにより、粒子状ピッチと繊維
状ピッチを得ることができることを見いだした。得られ
た粒子状ピッチおよび繊維状ピッチを酸化処理すること
により、自己焼結性粒子状炭素材料および繊維状炭素材
料が得られる。 【0013】すなわち、本発明によれば、非酸化性ガス
およびピッチが流通する第1の流路と、該第1の流路の
周囲に配置された、非酸化性ガスが流通する複数の第2
の流路とを有するノズルを使用して、自己焼結性粒子状
炭素材料を製造するに当っては、熱処理ピッチをその軟
化点よりも100℃ないし150℃高い温度で該第1の
流路に供給し、非酸化性ガスを該ピッチ1kg当り6.
0〜12.0Nm3 の流量で該ノズル後端部から供給
し、繊維状炭素材料を製造するに当っては、熱処理ピッ
チをその軟化点よりも20℃ないし90℃高い温度で該
第1の流路に供給し、非酸化性ガスを該ピッチ1kg当
り0.5〜5.0Nm3 の流量で該ノズル後端部から
供給し、該供給された非酸化性ガスを該第2の流路内と
ともに該第1の流路内にも分配させ、該ノズルの先端部
で、該第1の流路を通った非酸化性ガスおよびピッチと
、該ガス流路を通った非酸化性ガスとを合流・混合させ
、該ノズル先端から取り出された粒子状または繊維状炭
素ピッチを酸化処理することを特徴とする炭素材料の製
造方法が提供される。以下、本発明をさらに詳しく説明
する。 【0014】本発明に用いる原料ピッチは、石炭系残油
、石油系残油のいずれを原料とするものでもよい。原料
ピッチのメトラー軟化点は、通常、40℃以上、250
℃以下であるが、より好ましくは、80℃ないし150
℃である。軟化点が、上記範囲を下回ると、後に熱処理
した場合、熱処理ピッチの歩留が低下する。また、軟化
点が、上記範囲を上回ると、当該ピッチは、溶解にかな
りの高温を要することとなるので、反応槽等での取扱い
が困難となる傾向を示す。原料ピッチは、熱処理して軟
化点を調整するが、その熱処理前に、水素化処理に供し
てもよい。 【0015】ピッチの水素化は、それ自体知られている
ように、水素ガス加圧下、350〜450℃の温度で、
3時間までピッチを処理することにより行うことができ
る。触媒として、Ni、CoまたはMo系触媒、あるい
は赤泥、硫黄等を用いることができる。あるいは、水素
供与性溶媒とピッチとを混合し、350〜450℃の温
度で3時間まで処理することによっても水素化が行える
。この後者の水素化は、大気圧下でも加圧下でも行うこ
とができ、それぞれに応じた効果がある。なお、いずれ
の水素化方法であっても、上記温度範囲より低い温度を
用いると、充分な水素添加が達成できず、また上記温度
範囲より高い温度を用いると、添加した水素が再度離脱
してしまい目的とする水素化を達成できない。 【0016】原料ピッチは、水素化したものも、水素化
しないものも、軟化点が250℃以上、400℃以下と
なるように熱処理する。特に、本発明において微粒子を
得ようとする場合は、この熱処理は、ピッチの軟化点が
270〜350℃となるように行うことが好ましい。こ
のような軟化点を有することにより、炭化焼成時の残炭
歩留がより向上し、また得られた粒子状ピッチは、適切
なバインダー特性を一層保持するようになる。 【0017】上記熱処理したピッチを本発明のノズルに
供給して微粒子化または短繊維化する。ここで使用する
ノズルの一例を図1および図2に示す。図1は、ノズル
の縦断面図であり、図2は、図1の線II−IIに沿っ
た断面図である。図示のノズル10は、内部領域を規定
する円筒状ケーシング12を有し、その内部に円柱体1
3が密に配置されている。 【0018】円柱体13の中央部を軸方向に貫通して、
非酸化性ガスと熱処理ピッチが流通する断面円形の第1
の流路14が設けられ、その周囲には、非酸化性ガスと
熱処理ピッチが流通する2つの第2の流路15aおよび
15bを有する。第1の流路14は、0.5〜6mmの
開口径を有することができ、この例では、1.0mmの
開口径を有する。また、第2の流路15aおよび15b
の総開口面積は、第1の流路の開口面積の1ないし10
倍であり得る。本例では、流路15aおよび15bは、
それぞれ2mmの開口径を有する。また、第1の流路と
第2の流路の一方との間の最短間隔(隔壁13a,13
b)は、例えば1.5mm以下である。そして、隔壁1
3a,13bは、円柱体13からケーシング12の先端
壁近傍まで延びている。流路14の途中には、流路14
に熱処理ピッチを供給するためのピッチ供給路16が連
通して設けられている。 【0019】ケーシング12の後端と円柱体13との間
には、ケーシング12の後端に設けられたガス導入ポー
ト17から供給される非酸化性ガスが流入するチャンバ
ー18が規定され、非酸化性ガスは、ガス流入チャンバ
ー18から、第1および第2の流路に分配される。ケー
シング12の後端と円柱体13との間隔は、例えば、1
0mm〜20mmであり、本例の場合、15mmである
。 【0020】また、ケーシング12の先端と円柱体13
との間には、第1の流路14を通った非酸化性ガスおよ
びピッチと、第2の流路15a,15bを通った非酸化
性ガスとが合流・混合するチャンバー19が規定されて
いる。ケーシング12の先端と円柱体13との間隔は、
例えば、0.5mm〜20mmであり、本例の場合、1
2mmである。 【0021】合流・混合チャンバーで混合された熱処理
ピッチは、以後詳述する条件に従って粒子状または繊維
状となって、ケーシング12の先端に設けられた導出口
20から噴出される。導出口20の直径は、例えば、1
mm〜10mmであり、本例の場合は、6mmである。 【0022】さて、本発明により炭素材料を製造するに
は、熱処理ピッチをピッチ供給路16から流路14へ、
およびガス導入ポート17から非酸化性ガスをガス流入
チャンバー18へ供給する。このとき、粒子状炭素材料
を製造する場合は、熱処理ピッチをその軟化点よりも1
00℃ないし150℃高い温度で供給し、非酸化性ガス
を熱処理ピッチ1kg当り6.0〜12.0Nm3 の
流量で供給する。また繊維状炭素材料を製造する場合に
は、熱処理ピッチをその軟化点よりも20℃ないし90
℃高い温度で供給し、非酸化性ガスを熱処理ピッチ1k
g当り0.5〜5.0Nm3 の流量で供給する。 【0023】いずれの場合でも、供給された非酸化性ガ
スは、オリフィス効果により、第1の流路14および第
2の流路15a,15bに分配される。そして、第1の
流路14を通った非酸化性ガスおよびピッチと、ガス流
路15a,15bを通った非酸化性ガスとが合流・混合
チャンバー19内で合流し、両者の混合が行われ、上記
供給条件にしたがって、粒子を得るに充分な剪断力が与
えられ、あるいは繊維を得るに充分な紡糸力が与えれ、
その結果、粒子状または繊維状となったピッチが導出口
20から噴出する。 【0024】図3は、本発明に使用するノズルの他の例
を示すものである。このノズルは、流路14と流路15
a,15bとの間の隔壁13aおよび13bは、開口部
20と間隙をもって開口20内に至り、その先端は、開
口20を規定するケーシング外壁と同一平面内にあるこ
と以外は、図1および図2に関して述べたノズルと同様
の構成を有する。このノズルを使用した場合、第1の流
路14を通った非酸化性ガスおよびピッチと、ガス流路
15a,15bを通った非酸化性ガスとは、ノズル先端
部(出口近傍)で合流・混合し、両者の混合が行われ、
それぞれの上記製造条件に従って粒子状または繊維状ピ
ッチが得られる。 【0025】上記非酸化性ガスは、窒素のような不活性
ガスであっても、炭酸ガスのような燃焼排ガスであって
もよく、あるいは加熱スチームであってもよい。供給す
る非酸化性のガスの温度は、室温から800℃までであ
ることが好ましい。800℃を越えると、通常の配管材
料が使用できないからである。非酸化性ガスの好ましい
供給温度は、400〜650℃である。 【0026】こうして得られた微粒子状ピッチと繊維状
ピッチは、同じ酸化処理装置において、酸化性雰囲気中
で、同時に酸化処理することが好都合である。そのよう
な装置としては、粉体である微粒子ピッチと繊維状ピッ
チの両方を処理できるトンネル式乾燥機を用いることが
できる。装置内の酸化性雰囲気は、空気または酸素で構
成することができる。酸化処理温度は、180〜350
℃が好ましい。微粒子ピッチの場合、この温度範囲未満
では、充分な酸化が達成できず、他方この温度範囲を越
えると、酸化が進み過ぎ、粒子の充分な接着性能が確保
できない傾向にある。また、ピッチ繊維の場合、この温
度範囲未満では、表面が充分に酸化されないため、後の
炭化処理時に溶融し、他方この温度範囲を越えると、表
面の酸化が進み過ぎ、後の炭化処理によっても繊維強度
が低下する傾向にある。なお、炭化および黒鉛化処理は
、常法によって行える。 【0027】以上述べた本発明の炭素材料の製造方法に
よれば、熱処理ピッチの供給温度と、熱処理ピッチに対
する非酸化性ガスの供給割合を適宜変更することにより
、粒子状炭素材料および繊維状炭素材料を随時効率よく
製造することができる。本発明によって、平均粒径10
μm程度の微粒子炭素材料、および平均直径10μm程
度で、平均長5cm程度の繊維状炭素材料を製造するこ
とができる。また、いずれの炭素材料でも、ピッチの揮
発分を除き、ほぼ供給ピッチの全量が各炭素材料となっ
て得られるので、収率も極めて良好である。 【0028】 【実施例】 実施例  1 【0029】メトラー法による軟化点120℃のピッチ
を熱処理して軟化点を335℃に調節した。この熱処理
ピッチを380℃で時間当たり2Kgの供給量で図1お
よび図2に示す構造のノズルに供給した。また非酸化性
ガスとして、窒素ガスを600℃に加熱し、時間当たり
3.6Nm3 の流量でノズルに供給した。こうして、
所望の繊維状ピッチを得た。この繊維状ピッチを320
℃で酸化処理した後、1000℃で炭化処理して炭素繊
維を得た。得られた炭素繊維の引張り強度と引張り弾性
率を測定したところ、下記表1に示す結果を得た。なお
、同表には、市販の炭素短繊維についての測定値も比較
例1として併せて示した。                       表  
1  炭素短繊維の性状比較            
      評価本数  繊維径      引張り強
度    引張り弾性率              
              (平均)    (平均
)        (平均)        実施例1
  28本    15.2μm    87.3 k
g/mm2     8.1 T/mm2      
   比較例1  27本    15.8μm   
 60.7 kg/mm2     2.4 T/mm
2    実施例  2 【0030】メトラー法による軟化点120℃のピッチ
を熱処理して軟化点を303℃に調節した。この熱処理
ピッチを420℃で時間当たり2Kgの供給量で図1お
よび図2に示す構造のノズルに供給した。また非酸化性
ガスとして、窒素ガスを600℃に加熱し、時間当たり
9.1Nm3 の流量でノズルに供給した。こうして所
望の微粒子化ピッチを得た(平均粒径10μm)。この
微粒子ピッチを250℃で酸化処理した後、ゴム型に充
填し、CIP成形した。さらに常法により炭化処理およ
び黒煙化処理を行って、高密度等方性炭素材料を製造し
た。得られた炭素材料の嵩密度と曲げ強度を測定したと
ころ、下記表2に示す結果を得た。                   表2  高密度
等方性炭素材料の物理性状             
                 嵩密度     
 曲げ強度              実施例2  
     1.95 g/cm3    950 kg
/cm2  【0031】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、粒
子状炭素材料と繊維状炭素材料が、同じノズルを用いて
、製造条件を変えることにより、効率的にかつ高収率で
得られる。
Detailed Description of the Invention [0001] [Industrial Application Field] The present invention relates to a fibrous carbon material useful as various reinforcing materials and a self-sintering particulate material which is a raw material for high-density isotropic carbon material. The present invention relates to a method for manufacturing carbon materials using the same equipment. [0002] High-density isotropic carbon materials are used as electrode materials for electrical discharge machining, crucible materials for aluminum deposition, wall materials for nuclear fusion reactors, and the like. This high-density isotropic carbon material is
Generally, it is manufactured by finely pulverizing petroleum-based coke or coal-based coke into aggregate, adding a binder to the aggregate, and molding the aggregate. Cold isostatic pressing (CIP) is usually used for molding in order to homogenize the properties. The obtained molded body was heated and carbonized at a very slow temperature increase rate of 1 to 10°C/hour, and then heated to a temperature of 2000 to 300°C/hour.
Graphitized at 0°C. [0003] In contrast to the above-mentioned binary raw materials using aggregate and binder pitch, self-sintering raw materials have recently been developed that have both filler and binder functions.
This makes it possible to produce a more homogeneous high-density isotropic carbon material. Bulk mesophase is known as such a self-sintering carbon material. This bulk mesophase contains 350% petroleum-based or coal-based pitch.
It is obtained by heat treatment in the range of .degree. C. to 500.degree. C., and an optically anisotropic structure (liquid crystal) is developed throughout. Finely pulverized material is used as a raw material for high-density isotropic carbon material. This bulk mesophase maintains self-sintering properties and fuses itself together during molding, so there is no need to add a binding agent such as a binder. [0004] Mesocarbon microbeads (MCB) are also known as self-sintering carbon raw materials (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 49-2379). MCBs are optically anisotropic microspheres with a diameter of about 10 μm that are produced in the process of heat treating various pitches. When the pitch is heat treated, MCB is precipitated into an optically isotropic pitch matrix. If this MCB continues to be heated, it will coalesce into a bulk mesophase, so the heat treatment is stopped at the stage where minute MCBs have precipitated.
Add a large amount of solvent to this and take out the MCB. In addition, in order to further improve the self-sintering property of this MCB, when taking out the MCB from the matrix pitch with a solvent, a part mainly consisting of the β component consisting of the quinoline-soluble part of the matrix pitch is attached to the surface of the MCB. has also been proposed (see Japanese Patent Laid-Open No. 62-41707). In any case, MCB can be used as a raw material for high-density isotropic carbon material without being pulverized. On the other hand, carbon fiber has higher specific strength and specific modulus than other fibers, and has good heat resistance, electrical conductivity, chemical resistance,
It has excellent lubrication and sliding properties, and is widely used in the aerospace field, vehicle field, sports field, and general industrial field. Carbon fiber is mostly used as a structural material, and is also used as a reinforcing material, a functional material, a heat insulating material, and a carbon material. The manufacturing method of carbon fiber is polyacrylonitrile (PAN
), methods that use organic fibers such as rayon, cellulose, phenol formaldehyde, and lignin as raw materials, and methods that use petroleum-based or coal-based heavy oil or pitch as raw materials. [0006] In methods using organic fibers, PAN fibers obtained by wet spinning or melt spinning are used exclusively. This PAN fiber is first infusible at 200 to 300°C. Carbon fibers are obtained by carbonizing and firing the infusible PAN fibers at a temperature of up to about 1000°C and, if necessary, further graphitizing them at a temperature of up to 3000°C. In the method using heavy oil or pitch as a raw material, the raw material is first heat-treated to obtain pitch having a predetermined softening point, and this pitch is spun into pitch fibers. The obtained pitch fibers are oxidized to make them infusible, and then heated to about 1000°C.
Carbon fibers are obtained by firing at a temperature of up to 3,000° C. and graphitizing at a temperature of up to 3,000° C. The pitch-based carbon fiber obtained in this way generally has a higher elastic modulus than that of the PAN-based carbon fiber. Since pitch-based carbon fibers are inexpensive raw materials, they are sometimes produced as short fibers in addition to long fibers that exhibit high performance and high elastic modulus. Short fibers have inferior performance compared to long fibers, but because they can be manufactured at low cost, they are used in general-purpose fields such as architecture and civil engineering. [0008] The production of pitch-based short carbon fibers can be roughly divided into two methods in terms of the spinning method. One method is centrifugal spinning, in which heat-treated pitch is fed onto rotating disks or rolls to produce fibers up to about 30 cm long. Another method is a melt-blowing method in which pitch is blown out from a nozzle and, at the same time, the blown pitch is brought into contact with a gas to apply shear to form fibers. Melt blowing has also been adopted commercially as an economical method. Regarding this method, for example, JP-A-58-
Publication No. 57374 is related to the production of glass fibers, but involves blowing high-temperature gas from surrounding gas nozzles onto molten glass flowing down from an orifice, causing the flow of glass to rotate around its central axis to form a swirling flow. It is disclosed that the fiber diameter can be stretched thinly by stretching the fibers. Application of this method to the spinning of short carbon fibers is disclosed in JP-A-62-263359. Furthermore, in JP-A-63-210042, in order to obtain straighter carbon short fibers, pitch is flowed out from an outlet nozzle with an opening diameter of 0.1 to 1.0 mm, and 300 to 40
It is disclosed that high-temperature gas at 0° C. is sprayed from a nozzle with an opening diameter of 0.2 to 1 mm. The gas blowing angle is 10 to 20 degrees with respect to the central axis of the outflow nozzle, and the flow rate is 480 to 520 m/sec. [0009] As mentioned above, it has been proposed to use MCB as a raw material for high-density isotropic carbon materials, but MCB is The heat treatment must be stopped before coalescing into bulk mesophase. Therefore, a yield of only 40% can be achieved at most, and it cannot be said to be an efficient method for producing a self-sintering raw material. It is also necessary to dilute the obtained MCB-containing pitch with a large amount of solvent to separate the MCB from the matrix pitch. Producing self-sintering raw materials by such complex and low-yield methods is expensive to produce. [0010] Therefore, if the melt-blowing method, which has been commercialized as an economical method for producing carbon fibers, can be applied to the production of microsphere pitch equivalent to MCB, microsphere pitch can be produced efficiently. You can expect it. However, it has been found that the conventional melt-blowing method for producing short carbon fibers is unable to apply sufficient shearing force to the pitch to obtain fine particles. [0011] Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for efficiently producing a self-sintering particulate carbon material and carbon fibers, which are raw materials for a high-density isotropic carbon material, from pitch. Means and Effects for Solving the Problems The present inventors efficiently produce a self-sintering particulate carbon material that is a raw material for a high-density isotropic carbon material, and also produce a fibrous particulate carbon material. We have intensively researched methods for producing carbon materials. As a result, certain 2
By using a fluid nozzle to supply heat-treated pitch and non-oxidizing gas, and setting the supply temperature of the heat-treated pitch and the supply ratio of non-oxidizing gas to the heat-treated pitch within predetermined ranges, particle-like It has been found that pitch and fibrous pitch can be obtained. A self-sintering particulate carbon material and a fibrous carbon material are obtained by subjecting the obtained particulate pitch and fibrous pitch to oxidation treatment. That is, according to the present invention, there is provided a first channel through which non-oxidizing gas and pitch flow, and a plurality of channels arranged around the first channel through which non-oxidizing gas flows. 2
When manufacturing a self-sintering particulate carbon material using a nozzle having a flow path, the heat-treated pitch is heated to a temperature of 100° C. to 150° C. higher than its softening point in the first flow path. and non-oxidizing gas at a rate of 6.5 kg per 1 kg of the pitch.
When producing a fibrous carbon material, the first stream is supplied at a flow rate of 0 to 12.0 Nm3 from the rear end of the nozzle at a temperature of 20 to 90 degrees Celsius higher than its softening point. A non-oxidizing gas is supplied from the rear end of the nozzle at a flow rate of 0.5 to 5.0 Nm3 per 1 kg of the pitch, and the supplied non-oxidizing gas is fed into the second flow path. The non-oxidizing gas and pitch that have passed through the first flow path and the non-oxidizing gas that has passed through the gas flow path are merged at the tip of the nozzle. - A method for producing a carbon material is provided, which comprises mixing and oxidizing particulate or fibrous carbon pitch taken out from the tip of the nozzle. The present invention will be explained in more detail below. The raw material pitch used in the present invention may be made from either coal-based residual oil or petroleum-based residual oil. The Mettler softening point of raw material pitch is usually 40°C or higher, 250°C.
℃ or less, more preferably 80℃ to 150℃
It is ℃. If the softening point is below the above range, the yield of heat-treated pitch will decrease when heat-treated later. Furthermore, if the softening point exceeds the above range, the pitch will require a considerably high temperature for melting, and therefore will tend to be difficult to handle in a reaction tank or the like. Although the raw material pitch is heat-treated to adjust its softening point, it may be subjected to hydrogenation treatment before the heat treatment. As is known per se, pitch hydrogenation is carried out under pressure of hydrogen gas at a temperature of 350 to 450°C.
This can be done by processing the pitch for up to 3 hours. As a catalyst, a Ni, Co or Mo based catalyst, red mud, sulfur or the like can be used. Alternatively, hydrogenation can also be carried out by mixing a hydrogen-donating solvent and pitch and treating at a temperature of 350 to 450°C for up to 3 hours. This latter hydrogenation can be carried out either under atmospheric pressure or under increased pressure, each with its own effects. Regardless of the hydrogenation method, if a temperature lower than the above temperature range is used, sufficient hydrogenation cannot be achieved, and if a temperature higher than the above temperature range is used, the added hydrogen may be separated again. As a result, the desired hydrogenation cannot be achieved. [0016] The raw material pitch, both hydrogenated and non-hydrogenated, is heat-treated so that its softening point is 250°C or higher and 400°C or lower. In particular, when obtaining fine particles in the present invention, this heat treatment is preferably performed so that the softening point of the pitch is 270 to 350°C. By having such a softening point, the residual carbon yield during carbonization firing is further improved, and the obtained granular pitch further retains appropriate binder properties. The heat-treated pitch is supplied to the nozzle of the present invention to form fine particles or short fibers. An example of the nozzle used here is shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the nozzle, and FIG. 2 is a sectional view along line II-II in FIG. The illustrated nozzle 10 has a cylindrical casing 12 defining an interior area, and a cylindrical body 1 inside the casing 12.
3 are closely spaced. Penetrating the central part of the cylindrical body 13 in the axial direction,
A first pipe with a circular cross section through which non-oxidizing gas and heat-treated pitch flow.
A flow path 14 is provided, and around it are two second flow paths 15a and 15b through which non-oxidizing gas and heat treated pitch flow. The first channel 14 can have an opening diameter of 0.5 to 6 mm, and in this example has an opening diameter of 1.0 mm. Moreover, the second flow paths 15a and 15b
The total opening area of is 1 to 10 of the opening area of the first flow path.
It can be double. In this example, the channels 15a and 15b are
Each has an opening diameter of 2 mm. In addition, the shortest distance between the first flow path and one of the second flow paths (partition walls 13a, 13
b) is, for example, 1.5 mm or less. And bulkhead 1
3a and 13b extend from the cylindrical body 13 to the vicinity of the tip wall of the casing 12. In the middle of the flow path 14, the flow path 14
A pitch supply path 16 for supplying heat-treated pitch is provided in communication with the pitch. A chamber 18 is defined between the rear end of the casing 12 and the cylindrical body 13, into which a non-oxidizing gas flows, which is supplied from a gas introduction port 17 provided at the rear end of the casing 12. From the gas inlet chamber 18, the gas is distributed into the first and second flow paths. The distance between the rear end of the casing 12 and the cylindrical body 13 is, for example, 1
It is 0 mm to 20 mm, and in the case of this example, it is 15 mm. Furthermore, the tip of the casing 12 and the cylindrical body 13
A chamber 19 is defined between them, where the non-oxidizing gas and pitch that have passed through the first flow path 14 and the non-oxidizing gas that has passed through the second flow paths 15a and 15b meet and mix. There is. The distance between the tip of the casing 12 and the cylindrical body 13 is
For example, it is 0.5 mm to 20 mm, and in this example, 1
It is 2mm. The heat-treated pitch mixed in the merging/mixing chamber becomes particulate or fibrous according to the conditions described in detail below, and is ejected from the outlet 20 provided at the tip of the casing 12. The diameter of the outlet 20 is, for example, 1
mm to 10 mm, and in this example, it is 6 mm. Now, in order to produce a carbon material according to the present invention, the heat-treated pitch is transferred from the pitch supply path 16 to the flow path 14,
A non-oxidizing gas is supplied from the gas introduction port 17 to the gas inflow chamber 18 . At this time, when producing particulate carbon material, the heat-treated pitch should be lowered by 1 point below its softening point.
The temperature is 00°C to 150°C higher, and the non-oxidizing gas is supplied at a flow rate of 6.0 to 12.0 Nm3 per 1 kg of heat-treated pitch. In addition, when manufacturing fibrous carbon materials, the heat-treated pitch should be heated to 20°C to 90°C above its softening point.
Heat treatment pitch of 1k by supplying non-oxidizing gas at high temperature
Supplied at a flow rate of 0.5 to 5.0 Nm3/g. In either case, the supplied non-oxidizing gas is distributed into the first flow path 14 and the second flow paths 15a, 15b due to the orifice effect. Then, the non-oxidizing gas and pitch that have passed through the first channel 14 and the non-oxidizing gas that has passed through the gas channels 15a and 15b are combined in the merging/mixing chamber 19, and the two are mixed. , according to the above supply conditions, sufficient shearing force is applied to obtain particles, or sufficient spinning force is applied to obtain fibers,
As a result, particulate or fibrous pitch is ejected from the outlet 20. FIG. 3 shows another example of the nozzle used in the present invention. This nozzle has a flow path 14 and a flow path 15.
The partition walls 13a and 13b between the partition walls 13a and 15b extend into the opening 20 with a gap from the opening 20, and their tips are in the same plane as the outer wall of the casing defining the opening 20, as shown in FIGS. It has the same configuration as the nozzle described in connection with No. 2. When this nozzle is used, the non-oxidizing gas and pitch that passed through the first channel 14 and the non-oxidizing gas that passed through the gas channels 15a and 15b merge at the nozzle tip (near the outlet). and a mixture of the two takes place;
Particulate or fibrous pitch is obtained according to the respective production conditions described above. The non-oxidizing gas may be an inert gas such as nitrogen, a combustion exhaust gas such as carbon dioxide, or heated steam. The temperature of the non-oxidizing gas to be supplied is preferably from room temperature to 800°C. This is because when the temperature exceeds 800°C, normal piping materials cannot be used. A preferable supply temperature of the non-oxidizing gas is 400 to 650°C. [0026] It is convenient to oxidize the fine particulate pitch and fibrous pitch thus obtained at the same time in the same oxidation treatment apparatus in an oxidizing atmosphere. As such an apparatus, a tunnel dryer that can process both fine particle pitch and fibrous pitch, which are powders, can be used. The oxidizing atmosphere within the device can consist of air or oxygen. Oxidation treatment temperature is 180-350
°C is preferred. In the case of fine particle pitch, below this temperature range, sufficient oxidation cannot be achieved; on the other hand, above this temperature range, oxidation tends to proceed too much and sufficient adhesion performance of the particles cannot be ensured. In addition, in the case of pitch fibers, if the temperature is below this range, the surface will not be sufficiently oxidized and will melt during the subsequent carbonization process.On the other hand, if this temperature range is exceeded, the surface oxidation will progress too much and the subsequent carbonization process will not work. Fiber strength tends to decrease. Note that the carbonization and graphitization treatments can be performed by conventional methods. According to the above-described method for producing a carbon material of the present invention, by appropriately changing the supply temperature of heat-treated pitch and the supply ratio of non-oxidizing gas to the heat-treated pitch, particulate carbon material and fibrous carbon can be produced. Materials can be efficiently manufactured at any time. According to the present invention, an average particle size of 10
It is possible to produce a fine particle carbon material of about μm size and a fibrous carbon material with an average diameter of about 10 μm and an average length of about 5 cm. In addition, for any carbon material, since almost the entire amount of the supplied pitch is obtained as each carbon material except for the volatile content of the pitch, the yield is also extremely good. [0028] Example 1 [0029] Pitch having a softening point of 120°C by the Mettler method was heat treated to adjust the softening point to 335°C. This heat-treated pitch was supplied to a nozzle having the structure shown in FIGS. 1 and 2 at a rate of 2 kg per hour at 380°C. Further, as a non-oxidizing gas, nitrogen gas was heated to 600° C. and supplied to the nozzle at a flow rate of 3.6 Nm 3 per hour. thus,
The desired fibrous pitch was obtained. This fibrous pitch is 320
After oxidation treatment at 1000°C, carbonization treatment was performed at 1000°C to obtain carbon fibers. When the tensile strength and tensile modulus of the obtained carbon fibers were measured, the results shown in Table 1 below were obtained. In addition, the same table also shows measured values for commercially available short carbon fibers as Comparative Example 1. table
1 Comparison of properties of short carbon fibers
Evaluation number Fiber diameter Tensile strength Tensile modulus
(Average) (Average) (Average) Example 1
28 pieces 15.2μm 87.3k
g/mm2 8.1 T/mm2
Comparative example 1 27 pieces 15.8 μm
60.7 kg/mm2 2.4 T/mm
2 Example 2 Pitch having a softening point of 120°C determined by the Mettler method was heat treated to adjust its softening point to 303°C. This heat-treated pitch was supplied to a nozzle having the structure shown in FIGS. 1 and 2 at a rate of 2 kg per hour at 420°C. Further, as a non-oxidizing gas, nitrogen gas was heated to 600° C. and supplied to the nozzle at a flow rate of 9.1 Nm 3 per hour. In this way, desired finely divided pitch was obtained (average particle size 10 μm). This fine particle pitch was oxidized at 250° C., then filled into a rubber mold and subjected to CIP molding. Furthermore, carbonization treatment and black smoke treatment were performed by conventional methods to produce a high-density isotropic carbon material. When the bulk density and bending strength of the obtained carbon material were measured, the results shown in Table 2 below were obtained. Table 2 Physical properties of high-density isotropic carbon material
The bulk density
Bending strength Example 2
1.95 g/cm3 950 kg
[Effect of the Invention] As described above, according to the present invention, particulate carbon material and fibrous carbon material can be produced efficiently and efficiently by using the same nozzle and changing manufacturing conditions. Obtained in high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明において使用するノズルの一例を示す断
面図。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a nozzle used in the present invention.

【図2】図1の線II−IIに沿った断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view along line II-II in FIG. 1;

【図3】本発明において使用するノズルの他の例を示す
断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing another example of the nozzle used in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

14…熱処理ピッチおよび非酸化性ガス用流路、15b
,15b…非酸化性ガス用流路、16…熱処理ピッチ供
給路、17…非酸化性ガス供給ポート、19…合流・混
合チャンバー。
14...Heat-treated pitch and non-oxidizing gas channel, 15b
, 15b... Non-oxidizing gas flow path, 16... Heat treatment pitch supply path, 17... Non-oxidizing gas supply port, 19... Merging/mixing chamber.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  非酸化性ガスおよびピッチが流通する
第1の流路と、該第1の流路の周囲に配置された、非酸
化性ガスが流通する複数の第2の流路とを有するノズル
を使用して、自己焼結性粒子状炭素材料を製造するに当
っては、熱処理ピッチをその軟化点よりも100℃ない
し150℃高い温度で該第1の流路に供給し、非酸化性
ガスを該ピッチ1kg当り6.0〜12.0Nm3 の
流量で該ノズル後端部から供給し、繊維状炭素材料を製
造するに当っては、熱処理ピッチをその軟化点よりも2
0℃ないし90℃高い温度で該第1の流路に供給し、非
酸化性ガスを該ピッチ1kg当り0.5〜5.0Nm3
 の流量で該ノズル後端部から供給し、該供給された非
酸化性ガスを該第2の流路内とともに該第1の流路内に
も分配させ、該ノズルの先端部で、該第1の流路を通っ
た非酸化性ガスおよびピッチと、該ガス流路を通った非
酸化性ガスとを合流・混合させ、該ノズル先端から取り
出された粒子状または繊維状炭素ピッチを酸化処理する
ことを特徴とする炭素材料の製造方法。
1. A first flow path through which non-oxidizing gas and pitch flow, and a plurality of second flow paths arranged around the first flow path through which non-oxidizing gas flows. In producing a self-sintering particulate carbon material using a nozzle having a heat-treated pitch, the heat-treated pitch is supplied to the first channel at a temperature of 100 to 150 °C higher than its softening point, and the non-sintering pitch is When producing a fibrous carbon material by supplying oxidizing gas from the rear end of the nozzle at a flow rate of 6.0 to 12.0 Nm3 per 1 kg of the pitch, the heat-treated pitch is heated to a temperature 2 below its softening point.
A non-oxidizing gas is supplied to the first flow path at a temperature higher than 0°C to 90°C, and 0.5 to 5.0 Nm3 per kg of the pitch.
The non-oxidizing gas is supplied from the rear end of the nozzle at a flow rate of The non-oxidizing gas and pitch that passed through the flow path of No. 1 and the non-oxidizing gas that passed through the gas flow path are combined and mixed, and the particulate or fibrous carbon pitch taken out from the tip of the nozzle is oxidized. A method for producing a carbon material, characterized by:
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