JPH0717449B2 - Method for producing impermeable carbon material - Google Patents

Method for producing impermeable carbon material

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JPH0717449B2
JPH0717449B2 JP61113034A JP11303486A JPH0717449B2 JP H0717449 B2 JPH0717449 B2 JP H0717449B2 JP 61113034 A JP61113034 A JP 61113034A JP 11303486 A JP11303486 A JP 11303486A JP H0717449 B2 JPH0717449 B2 JP H0717449B2
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carbon material
thermosetting
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heating
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杉郎 大谷
宏弥 掛川
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、各種シール材、しゅう動材、熱交換器用素
材、燃料電池用素材、化学反応装置用素材等に適した不
浸透性炭素材料(黒鉛化したものを含む)の製造方法に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an impermeable carbon material suitable for various sealing materials, sliding materials, heat exchanger materials, fuel cell materials, chemical reactor materials, and the like. The present invention relates to a method for producing (including graphitized).

(従来の技術) 従来、不浸透性炭素材料としては以下のものが知られて
いる。
(Prior Art) The following are conventionally known as impermeable carbon materials.

(1)炭素、黒鉛もしくはこれらの前駆体を骨材とし、
不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹
脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ユリア樹
脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポ
リウレタン樹脂、ポリジビニルベンゼン樹脂、シリコン
樹脂等の熱硬化性樹脂をバインダーやマトリックスとし
た樹脂成形硬化物を炭素化したもの、もしくは黒鉛化し
たもの。
(1) Carbon, graphite or their precursors as an aggregate,
Thermosetting resins such as unsaturated polyester resin, epoxy resin, phenol resin, furan resin, diallyl phthalate resin, urea resin, melamine resin, xylene resin, polyimide resin, polyurethane resin, polydivinylbenzene resin, and silicone resin are used as a binder or matrix. The carbonized or graphitized cured resin molded product.

(2)炭素材料、黒鉛材料もしくはこれらの加工品に
(1)と同様の熱硬化性樹脂を含浸後、硬化させた硬化
物を焼成して炭素化したもの、あるいはさらに前記炭素
化物に(1)と同様の熱硬化性樹脂を含浸して炭素化し
たもの、さらには黒鉛化したもの。
(2) A carbon material, a graphite material, or a processed product thereof is impregnated with the same thermosetting resin as in (1), and then the cured product is fired to be carbonized, or further the carbonized product is (1). ) Carbonized by impregnating a thermosetting resin similar to the above), and further graphitized.

これらの内、黒鉛微粉末を骨材とし、フェノール樹脂、
フラン樹脂をバインダーとして、ホットプレス成形の
後、炭素化する方法が、特開昭59−232906号公報及び特
開昭60−42212号公報にそれぞれ開示されている。
Of these, graphite fine powder as an aggregate, phenolic resin,
Japanese Patent Laid-Open Nos. 59-232906 and 60-42212 disclose methods for carbonizing a furan resin as a binder after hot press molding.

(発明が解決しようとする問題点) 近時、各種シール材、シュウ動材、熱交換器用素材、燃
料電池用素材、化学反応装置用素材として使用される不
浸透性炭素材料には、不浸透性と同時に優れた耐熱性や
耐薬品性、さらに寸法安定性、強度、靱性、耐磨耗性等
の性質を兼ね備えることが望まれている。
(Problems to be solved by the invention) Recently, impermeable carbon materials used as various sealing materials, Shu moving materials, heat exchanger materials, fuel cell materials, and chemical reactor materials are impervious. At the same time, it is desired to combine excellent properties such as heat resistance and chemical resistance with dimensional stability, strength, toughness, and abrasion resistance.

しかしながら、従来の不浸透性炭素材料ではバインダー
としてあるいは含浸材として使われる熱硬化性樹脂が炭
素化により、不浸透性の所謂ガラス状炭素を形成する
が、基本的に熱硬化性樹脂の炭素化収率(残炭率)が低
いため、炭素化に伴い大きな体積収縮を起こし、骨材
(被含浸材)とバインダー(含浸剤)との剥離が起こっ
たり、クラックを生じたりして、不浸透性、寸法安定
性、強度、靱性、耐摩耗性等の性質が低下するという欠
点を有していた。
However, in conventional impermeable carbon materials, thermosetting resin used as a binder or as an impregnating material forms so-called impermeable so-called glassy carbon by carbonization, but basically carbonization of thermosetting resin Since the yield (remaining coal rate) is low, a large volume contraction occurs due to carbonization, and the aggregate (impregnated material) and the binder (impregnating agent) are peeled off or cracked, resulting in impermeability. However, it has a drawback that properties such as property, dimensional stability, strength, toughness and abrasion resistance are deteriorated.

また、従来の含浸による不浸透性炭素材料の製造におい
ては、含浸剤の炭素化収率が低いため、何度も含浸−焼
成をくり返さなければならないという欠点を有してい
た。
Further, in the conventional production of the impervious carbon material by impregnation, the carbonization yield of the impregnating agent is low, so that the impregnation-calcination must be repeated many times.

さらに、従来の不浸透性炭素材料においては、骨材(被
含浸材)とバインダー(含浸剤)との結合が物理的接着
(アンカー効果)に依存しており、このため、とくに強
度、靱性、耐摩耗性に優れた不浸透性炭素材料を得るこ
とができなかった。
Further, in the conventional impermeable carbon material, the bond between the aggregate (impregnated material) and the binder (impregnating agent) depends on the physical adhesion (anchor effect), and therefore, particularly strength, toughness, It was not possible to obtain an impermeable carbon material having excellent wear resistance.

前記特開昭59−232906号公報及び特開昭60−42212号公
報には、骨材を酸化することにより骨材とバインダーと
の間に化学的結合を導入することが記載されているが、
骨材とバインダーを化学的に結合させる具体的な架橋剤
等についての記載は見られず、バインダーは炭素化収率
の低いフェノール樹脂、フラン樹脂を使用しており、こ
れらは炭素化に伴い大きな体積収縮を示す。このため製
造方法はホットプレス成形(熱圧モールド成形)に限定
されており、サイズ(特に厚み方向)の大きなものがで
きないという欠点を有していた。
In JP-A-59-232906 and JP-A-60-42212, it is described that a chemical bond is introduced between the aggregate and the binder by oxidizing the aggregate,
There is no description of a specific cross-linking agent that chemically bonds the aggregate and the binder, and the binder uses a phenol resin or furan resin with a low carbonization yield. Indicates volume contraction. For this reason, the manufacturing method is limited to hot press molding (hot pressure molding), and there is a drawback that a large size (particularly in the thickness direction) cannot be performed.

(問題点を解決するための手段及び作用) 本発明は炭素化収率が高く炭素化時の収縮の小さい熱硬
化性組成物と、表面官能基を有する骨材とが、芳香族架
橋剤によって強固に結合していることを特徴とする、各
種シール材、しゅう動材、熱交換器用素材、燃料電池用
素材、化学反応装置用素材等に適した不浸透性炭素材料
の製造方法を提供することを目的とするものであり、特
許請求の範囲記載の不浸透性炭素材料の製造方法を提供
することによって前記目的を達成することができる。
(Means and Actions for Solving Problems) In the present invention, a thermosetting composition having a high carbonization yield and a small shrinkage at the time of carbonization and an aggregate having a surface functional group are combined by an aromatic crosslinking agent. Provided is a method for producing an impermeable carbon material suitable for various sealing materials, sliding materials, materials for heat exchangers, materials for fuel cells, materials for chemical reaction devices, etc. characterized by being firmly bonded. The object is to achieve the above object, and the object can be achieved by providing a method for producing an impermeable carbon material described in claims.

次に本発明を詳細に説明する。Next, the present invention will be described in detail.

即ち、本発明は、 (イ)分子内に酸素もしくは硫黄もしくはハロゲンのい
ずれか少なくとも一種の元素を有する二環以上の縮合多
環芳香族化合物 (ロ)ヒドロキシメチル基あるいはハロメチル基のいず
れか少なくとも一種の基を二個以上有する一環または二
環以上の芳香環から成る芳香族架橋剤。
That is, the present invention includes: (a) a condensed polycyclic aromatic compound of two or more rings having at least one element selected from oxygen, sulfur and halogen in the molecule; (b) at least one of a hydroxymethyl group and a halomethyl group An aromatic cross-linking agent comprising one or two or more aromatic rings having two or more groups of the above.

(ハ)酸触媒。(C) Acid catalyst.

前記(イ)(ロ)(ハ)の混合物、もしくは前記(イ)
(ロ)(ハ)の混合物を加熱反応させてなる実質的に熱
可塑性を有する熱硬化性中間反応生成物の中から選ばれ
る少なくとも一種の熱硬化性組成物(変性COPNA樹脂組
成物と以下略記)と、表面官能基を有する骨材とが、前
記変性COPNA樹脂組成物と前記骨材との界面において、
前記(ロ)の芳香族架橋剤を主体とする表面処理剤もし
くは添加剤を介する結合を有して成る熱硬化物が炭素化
又は黒鉛化されて成る不浸透性炭素材料の製造方法に関
するものである。
A mixture of the above (a), (b) and (c), or the above (a)
(B) At least one thermosetting composition selected from among thermosetting intermediate reaction products having substantially thermoplasticity obtained by reacting a mixture of (c) and (c) with a modified COPNA resin composition ), And an aggregate having a surface functional group, at the interface between the modified COPNA resin composition and the aggregate,
The present invention relates to a method for producing an impermeable carbon material obtained by carbonizing or graphitizing a thermosetting material having a bond through a surface treatment agent or an additive mainly composed of the aromatic cross-linking agent (b). is there.

本発明では、前記変性COPNA樹脂組成物の分子内の酸素
もしくは硫黄もしくはハロゲンが架橋密度を上げ、炭素
化により得られる炭素材料は所謂ガラス状炭素と称する
不浸透性の優れたものとなる。また、特に重質油系ある
いはピッチ系の縮合多環芳香族化合物を用いる場合、飛
躍的に炭素化率が向上し、例えば80%をこえる炭素化収
率が得られる。このため、炭素化時の収縮は小さい。
In the present invention, oxygen, sulfur, or halogen in the molecule of the modified COPNA resin composition increases the crosslink density, and the carbon material obtained by carbonization becomes a so-called glassy carbon having excellent impermeability. Further, particularly when a heavy oil type or pitch type condensed polycyclic aromatic compound is used, the carbonization rate is dramatically improved, and for example, a carbonization yield exceeding 80% can be obtained. Therefore, the shrinkage during carbonization is small.

また変性COPNA樹脂組成物と表面官能基を有する骨材と
が芳香族架橋剤によって強固に結合しているため炭素化
時にこれらは一体化して炭素化する。これらの作用によ
り耐熱性、耐薬品性、寸法安定性、強度、靱性、耐摩耗
性を有し、また特に特殊な成形方法に限定されることな
く、サイズ、形状を自由に制御し得る不浸透性炭素材料
を得ることができる。
Further, since the modified COPNA resin composition and the aggregate having a surface functional group are firmly bonded by the aromatic cross-linking agent, they are integrated and carbonized during carbonization. Due to these effects, it has heat resistance, chemical resistance, dimensional stability, strength, toughness, and wear resistance, and is impervious to size and shape that can be freely controlled without being limited to any particular molding method. A carbonaceous material can be obtained.

以下、この本発明の変性COPNA樹脂組成物を構成する縮
合多環芳香族化合物、芳香族架橋剤及び酸触媒について
説明する。
Hereinafter, the condensed polycyclic aromatic compound, the aromatic cross-linking agent and the acid catalyst constituting the modified COPNA resin composition of the present invention will be described.

本発明の分子内に酸素もしくは硫黄もしくはハロゲンの
いずれか少なくとも一種の元素を有する二環以上の縮合
多環芳香族化合物は、下記(あ)〜(お)に示した少な
くとも一種の物質の酸化物、硫黄物あるいはハロゲン化
物を使用できる。
The fused polycyclic aromatic compound of two or more rings having at least one element of oxygen, sulfur or halogen in the molecule of the present invention is an oxide of at least one substance shown in (a) to (e) below. , Sulfur compounds or halides can be used.

(あ)ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピ
レン、クリセン、ナフタセン、アセナフテン、アセナフ
チレン、ペリレン、コロネンの中から選ばれる少なくと
も一種を主骨格とする誘導体、 (い)石炭系の重質油、 (う)石油系の重質油、 (え)タール、 (お)ピッチ。
(A) Naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene, chrysene, naphthacene, acenaphthene, acenaphthylene, perylene, derivatives having at least one main skeleton selected from coronene, (I) heavy coal-based oil, (U) petroleum Heavy oil of type, (E) tar, (O) pitch.

とくに高い炭素化収率を得るには石炭系もしくは石油系
の重質油、タール、ピッチを使用することが好ましい。
In order to obtain a particularly high carbonization yield, it is preferable to use a coal-based or petroleum-based heavy oil, tar, or pitch.

また、分子内に含まれる酸素もしくは硫黄もしくはハロ
ゲンは官能基として存在しても、あるいは環内に存在し
ても良く、その数も限定されるものではない。
Further, oxygen, sulfur or halogen contained in the molecule may exist as a functional group or may exist in the ring, and the number thereof is not limited.

次に本発明の芳香族架橋剤には、ヒドロキシメチル基あ
るいはハロメチル基のいずれか少なくとも一種の基を二
個以上有する一環または二環以上の芳香環から成る芳香
族化合物、例えばp−キシリレンジクロライド、1,4−
ベンゼンジメタノール(p−キシリレングリコール)、
9,10−アントラセンジメタノール、及びこれらの誘導体
等を使用できる。
Next, the aromatic cross-linking agent of the present invention includes an aromatic compound consisting of one or more aromatic rings having at least two groups of at least one of hydroxymethyl group and halomethyl group, such as p-xylylene dichloride. , 1,4-
Benzenedimethanol (p-xylylene glycol),
9,10-anthracene dimethanol and derivatives thereof can be used.

また、本発明の酸触媒には塩化アルミニウム、弗化ホウ
素等のルイス酸、あるいは、硫酸、リン酸、有機スルホ
ン酸、カルボン酸等のプロトン酸、及びこれらの誘導体
の中から選ばれる一種又は二種以上の混合物を使用でき
る。
Further, the acid catalyst of the present invention is one or two selected from Lewis acids such as aluminum chloride and boron fluoride, or protic acids such as sulfuric acid, phosphoric acid, organic sulfonic acid and carboxylic acid, and derivatives thereof. Mixtures of more than one can be used.

前記縮合多環芳香族化合物、芳香族架橋剤、酸触媒を変
性COPNA樹脂組成物とするための混合比率については、
芳香族架橋剤/縮合多環芳香族化合物=0.5〜4.0(モル
比)の範囲;酸触媒添加量については、芳香族架橋剤/
縮合多環芳香族化合物の混合物に対して0.5〜10wt%が
好適な範囲である。
Regarding the mixing ratio for the condensed polycyclic aromatic compound, the aromatic crosslinking agent, and the acid catalyst to be the modified COPNA resin composition,
Aromatic cross-linking agent / condensed polycyclic aromatic compound = 0.5 to 4.0 (molar ratio);
A suitable range is 0.5 to 10 wt% with respect to the mixture of condensed polycyclic aromatic compounds.

また、前記縮合多環芳香族化合物、芳香族架橋剤、酸触
媒の混合物を加熱反応させてなる実質的に熱可塑性を有
する熱硬化性中間反応生成物(Bステージ樹脂)を得る
ための反応温度範囲については、60〜300℃が好適な範
囲である。
Further, a reaction temperature for obtaining a thermosetting intermediate reaction product (B-stage resin) having substantially thermoplasticity, which is obtained by heating and reacting a mixture of the condensed polycyclic aromatic compound, the aromatic crosslinking agent, and the acid catalyst. About a range, 60-300 degreeC is a suitable range.

次に、本発明における表面処理剤及び添加剤について
は、ヒドロキシメチル基あるいはハロメチル基のいずれ
か少なくとも一種の基を二個以上有する一環または二環
以上の芳香環から成る芳香族架橋剤、あるいは前記芳香
族架橋剤と前記酸触媒との混合物等が使用され、これら
は前記物質の融点以上の温度に加熱溶融させた液状とし
て、もしくは溶剤に溶解させた溶液として使用すること
ができる。また、表面処理剤あるいは添加剤の骨材に対
する添加量は、特に規定されるものではないが、0.01〜
5wt%の範囲が好適である。
Next, regarding the surface treatment agent and the additive in the present invention, an aromatic cross-linking agent consisting of one or more aromatic rings having at least two groups of at least one of a hydroxymethyl group or a halomethyl group, or the above A mixture of an aromatic cross-linking agent and the above-mentioned acid catalyst is used, and these can be used as a liquid obtained by heating and melting at a temperature above the melting point of the above substance, or as a solution dissolved in a solvent. Further, the amount of the surface treatment agent or the additive added to the aggregate is not particularly specified, but 0.01 to
A range of 5 wt% is preferred.

次に、本発明における骨材としては、水素、ハロゲン、
ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボキシル基、アル
デヒド基、エポキシ構造、ラクトン構造、エーテル構
造、酸無水物構造の中から選ばれる少なくとも一種又は
二種以上を表面に有する、炭素、黒鉛、膨張黒鉛、もし
くはこれらの前駆体や、熱硬化性樹脂硬化物等の高分子
材料を使用することができる。骨材の表面官能基等につ
いては、予めこれらが存在しているのものはそのまま、
その他の存在していても少量である場合には、酸化剤に
よる湿式酸化又は酸素等による乾式酸化、あるいは水素
等による還元処理、あるいは酸素ガス、水素ガス等を用
いたプラズマ処理による導入が有効である。
Next, as the aggregate in the present invention, hydrogen, halogen,
Carbon, graphite, expanded graphite, or those having on the surface at least one kind or two or more kinds selected from a hydroxyl group, a carbonyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an epoxy structure, a lactone structure, an ether structure and an acid anhydride structure. A polymer material such as a precursor of or a thermosetting resin cured product can be used. Regarding the surface functional groups etc. of the aggregate, those existing in advance as they are,
If there is a small amount of other substances, it is effective to use wet oxidation with an oxidant, dry oxidation with oxygen, or reduction treatment with hydrogen, or introduction with plasma treatment using oxygen gas, hydrogen gas, or the like. is there.

次に本発明の製造方法としては、予め骨材表面を表面処
理剤によって処理しておく方法、及び表面処理剤を添加
剤として変性COPNA樹脂組成物に添加しておく方法を使
用することができ、表面処理剤もしくは添加剤をそれら
の融点以上の温度に加熱溶融させ液状とし、もしくは溶
剤に溶解させ溶液として使用することができるが、これ
らの内、表面処理剤を溶剤に溶解させ溶液として骨材表
面を予め処理しておく骨材を用いることが好適である。
Next, as the production method of the present invention, a method of previously treating the aggregate surface with a surface treatment agent, and a method of adding the surface treatment agent as an additive to the modified COPNA resin composition can be used. It can be used as a solution by heating and melting a surface treatment agent or an additive at a temperature above their melting point, or by dissolving it in a solvent. Among these, the surface treatment agent is dissolved in a solvent and used as a solution. It is preferable to use an aggregate whose surface has been treated in advance.

本発明によれば、変性COPNA樹脂組成物を;(1)未反
応の粉末混合物として、(2)前記粉末混合物を加熱溶
融させ液状として、(3)所謂Bステージ樹脂の粉末と
して、(4)所謂Bステージ樹脂を加熱溶融させ液状と
して、あるいは(5)所謂Bステージ樹脂を溶剤に溶解
させ液状として;バインダー、マトリックス、含浸剤、
コーティング剤等として使用することができるが、その
際に骨材の形態が;連続繊維状、織布状、不織布状、あ
るいは多孔体状等の場合には(2)、(4)または
(5)の方法により、含浸法、フィラメントワインディ
ング法、プレプリッグ法等を採用して;単繊維状、粒
状、平板状、塊状等の場合には(1)または(3)の方
法により、混練法、造粒法、コーティング法等を採用し
て;ブロック状、平板状、加工品等の場合には(2)、
(4)または(5)の方法により、コーティング法、含
浸法等を採用して;それぞれ複合することが好適であ
る。
According to the present invention, the modified COPNA resin composition is: (1) as an unreacted powder mixture, (2) the powder mixture is heated and melted into a liquid state, (3) a so-called B-stage resin powder, (4) The so-called B-stage resin is heated and melted into a liquid state, or (5) the so-called B-stage resin is dissolved into a solvent to be a liquid state; binder, matrix, impregnating agent,
It can be used as a coating agent or the like, and in that case, when the form of the aggregate is continuous fiber, woven fabric, non-woven fabric, or porous body, (2), (4) or (5) ), An impregnation method, a filament winding method, a prepreg method, etc. are adopted; in the case of single fiber, granular, flat plate, lump, etc., the kneading method, the production method, or the like by the method of (1) or (3). Grain method, coating method, etc. are adopted; (2) in case of block shape, flat plate shape, processed product, etc.
According to the method (4) or (5), a coating method, an impregnation method or the like is adopted;

また、成形が必要な場合には、ホットプレス、型込、静
水圧、振動、押し出し、射出、トランスファー、真空、
吹きつけ、巻きつけ、張り合わせ等の内から目的に合う
成形方法を選択し、所定の形状に熱硬化成形する。この
際、成形温度範囲は100〜400℃が好適で、複合物が軟化
後に熱硬化するように成形温度及び時間を設定すること
が望ましい。
Also, when molding is required, hot pressing, molding, hydrostatic pressure, vibration, extrusion, injection, transfer, vacuum,
A molding method suitable for the purpose is selected from among spraying, winding, and laminating, and thermosetting molding is performed into a predetermined shape. At this time, the molding temperature range is preferably 100 to 400 ° C., and it is desirable to set the molding temperature and time so that the composite is thermoset after softening.

本発明の製造方法においては、成形硬化後にさらに後硬
化処理を施してもよい。この場合後硬化温度は100〜400
℃が好適な範囲であり、後硬化時間は10〜30時間の範囲
が好適である。
In the manufacturing method of the present invention, post-curing treatment may be further performed after molding and curing. In this case the post-cure temperature is 100-400
C is a suitable range, and the post-curing time is preferably in the range of 10 to 30 hours.

次いで本発明の製造方法においては、前記成形硬化物、
あるいは成形硬化物に後硬化処理したものを、焼成によ
り炭素化したり、さらに黒鉛化して不浸透性炭素材料を
得る。また予め所定の形状に加工した炭素材料に本発明
の変性COPNA樹脂組成物を含浸もしくはコーティング
し、これを硬化させた後、焼成により炭素化したり、さ
らには黒鉛化して不浸透性炭素材料を得ることもでき
る。前記炭素化、黒鉛化は、常法に従って非酸化性雰囲
気中でこれを行う。特に重質油系あるいはピッチ系変性
COPNA樹脂組成物では従来の熱硬化性樹脂と比較して遥
かに高い炭素化率を有するため、体積収縮が小さく従来
より速い昇温速度で焼成でき、サイズも大きなものが得
られる。さらに含浸の場合には、従来のように含浸−焼
成をくり返す必要がない。
Then, in the production method of the present invention, the molded cured product,
Alternatively, the molded and hardened material is post-cured to be carbonized by firing or further graphitized to obtain an impermeable carbon material. Further, the modified COPNA resin composition of the present invention is impregnated or coated on a carbon material which has been processed into a predetermined shape in advance, and after curing, it is carbonized by firing or further graphitized to obtain an impermeable carbon material. You can also The carbonization and graphitization are performed in a non-oxidizing atmosphere according to a conventional method. Especially heavy oil type or pitch type modification
Since the COPNA resin composition has a much higher carbonization rate than the conventional thermosetting resin, it has a small volume shrinkage and can be fired at a faster heating rate than the conventional one, and a large size can be obtained. Further, in the case of impregnation, it is not necessary to repeat impregnation-firing as in the conventional case.

以上の様にして耐熱性、耐薬品性、寸法安定性、強度、
靱性、体摩耗性等に富んだ不浸透性炭素材料を得ること
ができる。
As described above, heat resistance, chemical resistance, dimensional stability, strength,
An impermeable carbon material rich in toughness, body wearability, etc. can be obtained.

(実施例) 次に、本発明を実施例について更に詳細に説明する。(Examples) Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

実施例1. 市販の150メッシュ以下に粉砕したカルサインピッチコ
ークスを空気中、400℃で3時間加熱し、表面に酸素を
含む官能基を導入した後、これを骨材とした。変性COPN
A樹脂組成物としては、軟化点59℃のエアブローした石
炭系ピッチ(平均分子量約400)とp−キシリレンジク
ロライドをモル比で1:2の割合で混合し、ここに酸触媒
として無水塩化アルミニウムを5.0wt%添加した混合物
を用いた。この混合物と骨材を容量比1:1で配合し、添
加剤としてp−キシリレンジクロライドを骨材に対して
1.0wt%加えた後140℃30分間ニーダーで混練した。混練
物は金型温度200℃で、10×100×100mmのサイズにイン
ジェクション成形した後、200℃で20時間後硬化した。
この成形硬化物を高周波誘導炉で非酸化性雰囲気中10℃
/hrの昇温速度で2000℃まで加熱し、黒鉛化した。この
ようにして得られた炭素材料は窒素ガスに対して10-5cm
2/sec.cmHg以下の気体透過率を示した。また、この炭素
材料の曲げ強度は1800kg/cm2であった。
Example 1. Commercially available calcine pitch coke pulverized to 150 mesh or less was heated in air at 400 ° C. for 3 hours to introduce a functional group containing oxygen on the surface, and then this was used as an aggregate. Modified COPN
As the A resin composition, air-blown coal-based pitch (average molecular weight of about 400) having a softening point of 59 ° C. and p-xylylene dichloride were mixed at a molar ratio of 1: 2, and anhydrous aluminum chloride was used as an acid catalyst. Was used in an amount of 5.0 wt%. This mixture and the aggregate were mixed in a volume ratio of 1: 1 and p-xylylene dichloride was added to the aggregate as an additive.
After adding 1.0 wt%, the mixture was kneaded with a kneader at 140 ° C. for 30 minutes. The kneaded product was injection molded into a size of 10 × 100 × 100 mm at a mold temperature of 200 ° C., and then post-cured at 200 ° C. for 20 hours.
This molded cured product is heated in a high frequency induction furnace at 10 ° C in a non-oxidizing atmosphere
Graphitized by heating to 2000 ° C at a heating rate of / hr. The carbon material thus obtained is 10 -5 cm 2 against nitrogen gas.
The gas permeability was less than 2 /sec.cmHg. The bending strength of this carbon material was 1800 kg / cm 2 .

実施例2. 石油系生コークスを超微粉砕機により空気中で10μm以
下に粉砕し、粉砕と同時に酸素を含む表面官能基を導入
し、これを骨材とした。バインダーとしては軟化点115
℃石炭系エアブローピッチ(平均分子量約600)とp−
キシリレングリコールをモル比で1:2の割合で混合し、
ここにp−トルエンスルホン酸を3.0wt%添加した混合
物を120℃で15分間反応させたBステージ樹脂を用い
た。このBステージ樹脂を40μm以下に粉砕し、これと
骨材とを重量比で2:1の割合で配合し、添加剤として骨
材に対してp−キシリレングリコールを1.0wt%,p−ト
ルエンスルホン酸を1.0wt%加えた後180℃で100mmφ×1
0mmtの大きさにインジェクション成形した後、200℃で1
5時間、後硬化した。これを非酸化性雰囲気中5℃/hrの
昇温速度で1000℃まで加熱し、炭素化した。この炭素材
料は3800kg/cm2の曲げ強度を示し、ヘリウムに対して10
-8cm2/sec.cmHg以下の気体透過率を示した。
Example 2 A petroleum-based raw coke was pulverized to 10 μm or less in air by an ultrafine pulverizer, and a surface functional group containing oxygen was introduced at the same time as pulverization, and this was used as an aggregate. Softening point of 115 for binder
℃ coal-based air blow pitch (average molecular weight about 600) and p-
Mixing xylylene glycol in a molar ratio of 1: 2,
A B-stage resin obtained by reacting a mixture prepared by adding 3.0 wt% of p-toluenesulfonic acid thereto at 120 ° C. for 15 minutes was used. This B-stage resin was crushed to 40 μm or less, and this was mixed with the aggregate in a weight ratio of 2: 1. As an additive, p-xylylene glycol was added to the aggregate in an amount of 1.0 wt% and p-toluene. 100mmφ × 1 at 180 ℃ after adding 1.0wt% of sulfonic acid
After injection molding to a size of 0 mmt, 1 at 200 ℃
Post-cured for 5 hours. This was heated to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere at a heating rate of 5 ° C./hr to carbonize it. This carbon material exhibits a bending strength of 3800 kg / cm 2 and is 10 against helium.
It showed a gas permeability of -8 cm 2 /sec.cmHg or less.

実施例3. 実施例1で得られた炭素材料を20mm角の大きさに切断
し、200℃の98%リン酸中に浸した。1400時間後、寸法
変化は認められず、重量変化は±0.01%以内であった。
Example 3. The carbon material obtained in Example 1 was cut into a piece of 20 mm square and immersed in 98% phosphoric acid at 200 ° C. After 1400 hours, no dimensional change was observed and the weight change was within ± 0.01%.

(発明の効果) 以上説明した如く本発明の製造方法により得られる不浸
透性炭素材料は、変性COPNA樹脂組成物を構成する縮合
多環芳香族化合物の分子内の酸素もしくは硫黄もしくは
ハロゲンによって架橋密度が高められ、炭素化によって
所謂ガラス状炭素と称する不浸透性の優れたものとな
り、さらに耐熱性、耐薬品性を有し、また変性COPNA樹
脂組成物の炭素化収率が高く炭素化時の収縮の小さいの
で寸法安定性にも優れ、さらに前記変性COPNA樹脂組成
物と、表面官能基を有する骨材とが、芳香族架橋剤によ
って強固に結合して成り、強度、靱性、耐摩耗性にも優
れている。
(Effect of the invention) As described above, the impermeable carbon material obtained by the production method of the present invention has a crosslink density due to oxygen, sulfur or halogen in the molecule of the condensed polycyclic aromatic compound constituting the modified COPNA resin composition. Is enhanced, and due to carbonization, it becomes so-called glassy carbon with excellent impermeability, further has heat resistance and chemical resistance, and the carbonization yield of the modified COPNA resin composition is high, Since the shrinkage is small, it is also excellent in dimensional stability, and further, the modified COPNA resin composition and the aggregate having a surface functional group are firmly bonded by an aromatic cross-linking agent, resulting in strength, toughness, and wear resistance. Is also excellent.

また、本発明にあっては成形方法もホットプレス、型
込、静圧、振動、押し出し、射出、トランスファー、真
空、吹きつけ、巻きつけ、張り合わせ等の内から目的に
合う方法を自由に選択でき、各種シール材、しゅう動
材、熱交換器用素材、燃料電池用素材、化学反応装置用
素材等に適している。
Further, in the present invention, the molding method can be freely selected from among hot pressing, molding, static pressure, vibration, extrusion, injection, transfer, vacuum, blowing, winding, laminating and the like, depending on the purpose. Suitable for various sealing materials, sliding materials, heat exchanger materials, fuel cell materials, chemical reactor materials, etc.

また、本発明では石炭系もしくは石油系の重質油、ター
ル、ピッチ等の縮合多環芳香族化合物を用いることによ
り、とくに炭素化収率の高い不浸透性炭素材料を得るこ
とができる。このため、従来よりサイズの大きなもの
が、より速い昇温速度で焼成でき、従来のように不浸透
性を得るために何度も含浸−焼成をくり返す必要がなく
なった。これらの利点により大幅なコスト削減が予想さ
れ、産業上に大きく寄与する効果が考えられる。
Further, in the present invention, an impermeable carbon material having a particularly high carbonization yield can be obtained by using a condensed polycyclic aromatic compound such as coal-based or petroleum-based heavy oil, tar and pitch. For this reason, the one having a larger size than the conventional one can be fired at a higher heating rate, and it is not necessary to repeat the impregnation-firing many times in order to obtain the impermeability unlike the conventional one. Due to these advantages, a significant cost reduction is expected, and it is considered that it will have a great effect on the industry.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】下記(a)〜(d)のシーケンスを含むこ
とを特徴とする不浸透性炭素材料の製造方法。 (a)表面に水素、ハロゲン、ヒドロキシル基、カルボ
ニル基、カルボキシル基、アルデヒド基、エポキシ構
造、ラクトン構造、エーテル構造、酸無水物構造の中か
ら選ばれる少なくとも一種を有する骨材の該表面を、ヒ
ドロキシメチル基あるいはハロメチル基のいずれか少な
くとも一種の基を二個以上有する一環または二環以上の
芳香環から成る芳香族架橋剤を主体とする表面処理剤に
よって処理せしめた後、熱処理を行なう工程; (b)(イ)分子内に酸素もしくは硫黄もしくはハロゲ
ンのいずれか少なくとも一種の元素を有する二環以上の
縮合多環芳香族化合物: (ロ)ヒドロキシメチル基あるいはハロメチル基のいず
れか少なくとも一種の基を二個以上有する一環または二
環以上の芳香環から成る芳香族架橋剤: (ハ)酸触媒: 前記(イ)(ロ)(ハ)の混合物、もしくは前記(イ)
(ロ)(ハ)の混合物を加熱反応させてなる実質的に熱
可塑性を有する熱硬化性中間反応生成物の中から選ばれ
る少なくとも一種の熱硬化性組成物と、前記(a)工程
により得られた骨材とを複合化させる工程; (c)前記(b)工程により得られた複合物を酸化性ま
たは非酸化性雰囲気中100〜400℃の温度範囲に加熱し、
可塑化した後、所定の形状に熱硬化成形する成形硬化工
程; (d)前記成形硬化物を炭素化又は黒鉛化する工程。
1. A method for producing an impermeable carbon material, which comprises the following sequences (a) to (d): (A) the surface of an aggregate having at least one selected from hydrogen, halogen, hydroxyl group, carbonyl group, carboxyl group, aldehyde group, epoxy structure, lactone structure, ether structure, and acid anhydride structure on the surface, A step of performing a heat treatment after treating with a surface-treating agent mainly containing an aromatic cross-linking agent having one or more aromatic rings having at least one group of at least one of hydroxymethyl group or halomethyl group; (B) (a) Bicyclic or more condensed polycyclic aromatic compound having at least one element of oxygen, sulfur or halogen in the molecule: (b) at least one group of hydroxymethyl group or halomethyl group Aromatic cross-linking agent consisting of one or two or more aromatic rings having two or more: (c) Acid catalyst: Previous A mixture of (a), (b) and (c), or the above (a)
(B) At least one thermosetting composition selected from the thermosetting intermediate reaction products having substantially thermoplasticity obtained by reacting the mixture of (c) with heating, and obtained by the step (a). (C) heating the composite obtained by the step (b) in an oxidizing or non-oxidizing atmosphere to a temperature range of 100 to 400 ° C.,
Molding and hardening step of plasticizing and then thermosetting molding into a predetermined shape; (d) step of carbonizing or graphitizing the molding and hardening product.
【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の製造方法にお
いて、前記表面処理剤はこれを加熱溶融させた液状で、
もしくは溶剤に溶解させた溶液で使用されることを特徴
とする不浸透性炭素材料の製造方法。
2. The manufacturing method according to claim 1, wherein the surface treatment agent is a liquid obtained by heating and melting the surface treatment agent,
Alternatively, it is used as a solution dissolved in a solvent, which is a method for producing an impermeable carbon material.
【請求項3】特許請求の範囲第1項記載の製造方法にお
いて、前記熱硬化性中間反応生成物は、前記熱硬化性組
成物の混合物を酸化性または非酸化性雰囲気中60〜300
℃の温度範囲に加熱反応させてなる実質的に熱可塑性を
有する反応生成物であることを特徴とする不浸透性炭素
材料の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the thermosetting intermediate reaction product is obtained by mixing the mixture of the thermosetting composition in an oxidizing or non-oxidizing atmosphere in an amount of 60 to 300.
A method for producing an impermeable carbon material, which is a reaction product having substantially thermoplasticity obtained by heating and reacting in a temperature range of ° C.
【請求項4】特許請求の範囲第1項記載の製造方法にお
いて、前記熱硬化性組成物は未反応の混合物であり、こ
れが粉末で、もしくは前記粉末を加熱溶融させた液状
で、バインダー、マトリックス、含浸剤、コーティング
剤として使用されることを特徴とする不浸透性炭素材料
の製造方法。
4. The production method according to claim 1, wherein the thermosetting composition is an unreacted mixture, which is a powder or a liquid obtained by heating and melting the powder, a binder and a matrix. A method for producing an impermeable carbon material, which is used as an impregnating agent or a coating agent.
【請求項5】特許請求の範囲第1項記載の製造方法にお
いて、前記熱硬化性組成物は熱硬化性中間反応生成物で
あり、これが粉末で、もしくは前記粉末を加熱溶融させ
た液状で、もしくは溶剤に溶解させた溶液で、バインダ
ー、マトリックス、含浸剤、コーティング剤として使用
されることを特徴とする不浸透性炭素材料の製造方法。
5. The manufacturing method according to claim 1, wherein the thermosetting composition is a thermosetting intermediate reaction product, which is a powder or a liquid obtained by heating and melting the powder, Alternatively, a method of producing an impermeable carbon material, which is used as a binder, a matrix, an impregnating agent, or a coating agent in a solution dissolved in a solvent.
【請求項6】下記(a)〜(c)のシーケンスを含むこ
とを特徴とする不浸透性炭素材料の製造方法。 (a)(イ)分子内に酸素もしくは硫黄もしくはハロゲ
ンのいずれか少なくとも一種の元素を有する二環以上の
縮合多環芳香族化合物: (ロ)ヒドロキシメチル基あるいはハロメチル基のいず
れか少なくとも一種の基を二個以上有する一環または二
環以上の芳香環から成る芳香族架橋剤: (ハ)酸触媒: 前記(イ)(ロ)(ハ)の混合物、もしくは前記(イ)
(ロ)(ハ)の混合物を加熱反応させてなる実質的に熱
可塑性を有する熱硬化性中間反応生成物の中から選ばれ
る少なくとも一種の熱硬化性組成物に、前記(ロ)の芳
香族架橋剤、もしくは前記(ロ)の芳香族架橋剤と前記
(ハ)の酸触媒との混合物、から成る添加剤を加え、こ
れと、表面に水素、ハロゲン、ヒドロキシル基、カルボ
ニル基、カルボキシル基、アルデヒド基、エポキシ構
造、ラクトン構造、エーテル構造、酸無水物構造の中か
ら選ばれる少なくとも一種を有する骨材とを複合化させ
る工程; (b)前記(a)工程により得られた複合物を酸化性ま
たは非酸化性雰囲気中100〜400℃の温度範囲に加熱し、
可塑化した後、所定の形状に熱硬化成形する成形硬化工
程; (c)前記成形硬化物を炭素化又は黒鉛化する工程。
6. A method for producing an impermeable carbon material, which comprises the following sequences (a) to (c): (A) (a) Bicyclic or more condensed polycyclic aromatic compound having at least one element of oxygen, sulfur or halogen in the molecule: (b) at least one group of hydroxymethyl group or halomethyl group Aromatic cross-linking agent consisting of one or more aromatic rings having two or more: (c) acid catalyst: a mixture of the above (a), (b) and (c), or the above (a)
(B) At least one thermosetting composition selected from the thermosetting intermediate reaction products having substantially thermoplasticity obtained by heating and reacting the mixture of (c) with the aromatic compound of (b) above. An additive comprising a cross-linking agent or a mixture of the above (b) aromatic cross-linking agent and the above (c) acid catalyst is added, and hydrogen, halogen, hydroxyl group, carbonyl group, carboxyl group, and A step of complexing with an aggregate having at least one selected from an aldehyde group, an epoxy structure, a lactone structure, an ether structure and an acid anhydride structure; (b) oxidizing the composite obtained by the step (a) In an oxidizing or non-oxidizing atmosphere to a temperature range of 100-400 ° C,
A molding and hardening step of thermosetting and molding into a predetermined shape after plasticizing; (c) a step of carbonizing or graphitizing the molding and hardening product.
【請求項7】特許請求の範囲第6項記載の製造方法にお
いて、前記添加剤は、これを加熱溶融させた液状で、も
しくは溶剤に溶解させた溶液で使用されることを特徴と
する不浸透性炭素材料の製造方法。
7. The impermeating method according to claim 6, wherein the additive is used in a liquid state in which the additive is heated and melted, or in a solution in which it is dissolved in a solvent. Of producing a porous carbon material.
【請求項8】特許請求の範囲第6項記載の製造方法にお
いて、前記熱硬化性中間反応生成物は、前記熱硬化性組
成物の混合物を酸化性または非酸化性雰囲気中60〜300
℃の温度範囲に加熱反応させてなる実質的に熱可塑性を
有する反応生成物であることを特徴とする不浸透性炭素
材料の製造方法。
8. The manufacturing method according to claim 6, wherein the thermosetting intermediate reaction product comprises a mixture of the thermosetting compositions in an oxidizing or non-oxidizing atmosphere in an amount of 60 to 300.
A method for producing an impermeable carbon material, which is a reaction product having substantially thermoplasticity obtained by heating and reacting in a temperature range of ° C.
【請求項9】特許請求の範囲第6項記載の製造方法にお
いて、前記熱硬化性組成物は未反応の混合物であり、こ
れが粉末で、もしくは前記粉末を加熱溶融させた液状
で、バインダー、マトリックス、含浸剤、コーティング
剤として使用されることを特徴とする不浸透性炭素材料
の製造方法。
9. The manufacturing method according to claim 6, wherein the thermosetting composition is an unreacted mixture, which is a powder or a liquid obtained by heating and melting the powder, a binder and a matrix. A method for producing an impermeable carbon material, which is used as an impregnating agent or a coating agent.
【請求項10】特許請求の範囲第6項に記載の製造方法
において、前記熱硬化性組成物は熱硬化性中間反応生成
物であり、これが粉末で、もしくは前記粉末を加熱溶融
させた液状で、もしくは溶剤に溶解させた溶液で、バイ
ンダー、マトリックス、含浸剤、コーティング剤として
使用されることを特徴とする不浸透性炭素材料の製造方
法。
10. The manufacturing method according to claim 6, wherein the thermosetting composition is a thermosetting intermediate reaction product, which is a powder or a liquid obtained by heating and melting the powder. Or a solution dissolved in a solvent, which is used as a binder, a matrix, an impregnating agent, or a coating agent, which is a method for producing an impermeable carbon material.
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