JPS62158107A - 硬質炭素材料の製造方法 - 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、るつぼ、メカニカルシールや軸受などの機械
用カーボン、半導体用治具あるいはカーボンブラシ材等
の分野で使用される硬質炭素材料の製造方法に関し、と
くにバインダーを使用することなく製造する点に特色を
有する改良技術に関しての提案である。

（従来の技術） 通常、炭素材料は骨材コークスにバインダーを添加して
混ねつ、成形、焼成さらには黒鉛化処理の工程を経るこ
とによって製造される。しかし、この方法によれば骨材
コークスにバインダーを添加して混ねつする工程が複雑
で製造コストの増加をもたらす他、線混ねつ工程で発生
する骨材コークス及びバインダーからのガス、粉塵等に
より、作業環境が劣悪になり衛生上問題があった。

またかかる方法によって製造された炭素材料は骨材コー
クスの多孔質性とバインダーの存在に起因して、焼成過
程で発生する揮発分のため多孔質となり、ち密で高強度
になり難いという欠点をもっていた。

従来、上述した慣用的な製造方法が持つ欠点を解消する
ため、バインダーを使用することなく炭素材料を製造す
る方法の幾つかが提案されている。

例えば、特開昭４９−２３７９１号公報や特開昭５４−
１５７７９１号公報では、コールタール及びコールター
ルピッチを原料とし、これを４００〜５００℃という高
温で熱処理し、この段階で生成する数μ〜数十μの大き
さのメソフェーズ小球体を利用する方法を提案している
。

（発明が解決しようとする問題点） 上記従来技術は、バインダーを使用することなく、高密
度・高強度な炭素材料を製造する方法を開示している。

しかしながら、これら従来方法では骨格となるメソフェ
ーズ小球体自身が六方網目構造が積層した結晶質の黒鉛
の前駆体であるだめ、かなりの電気伝導度のゆえに高い
電気比抵抗を必要とする整流用のブラシ材としては必ず
しも適当でないこと、及びメソフェーズ小球体の粒径が
通常数μへ・数十μの大きさを有する球体であって、従
来から使用されてきた骨材コークスに比較すると微細な
組織の炭素材料を与えるものの、更にち密さを要求され
る機械用カーボンあるいは半導体用炭素材料の分野では
まだまだ不充分な面があった。

本発明の目的は、これらの欠点に鑑み、粒径が１μ以下
の非常にち密な組織を有しかつ高い電気比抵抗を持つ炭
素材料を、バインダーを使用することなく製造すること
ができる方法を開発することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上述した従来技術の抱える問題点を克服し、
目指す効果を実現するために、第１に、フリーガーボン
等キノリン不溶解分を含むコールタールあるいはタール
ピッチからなる原料を、熱処理することなくそのままβ
成分の全量又は一部を残存させる条件下で溶剤抽出し、
得られた溶剤抽出残留物をバインダーを使用することな
くそのまま成形、焼成さらには黒鉛化することにより、 第２に上記の過程で得られた同じ溶剤抽出残留物を、不
活性雰囲気下の２００〜４５０℃の温度でか焼処理し、
引続きバインダーを使用することなくそのまま成形、焼
成さらには黒鉛化することにより硬質炭素材料を製造す
る方法を提案する。

（作　用） コールタール及びこれを蒸留して得られるタールピッチ
中には、フリーカーボンと呼ばれる微細な（≦１μ）炭
素粒子が含有されている。該フリーカーボン（遊離炭素
）は非晶質な無定形の炭素である。これは上述したメソ
フェーズ小球体が六方綱目状の黒鉛類似構造を有するこ
ととは対象的なものである。

しかしながら、フリーカーボンとメソフェーズ小球体は
、一般的には共に有機溶剤に不溶であって、通常キノリ
ン不溶解分（ＱＩβ成分として把握される。

本発明者らは、従来炭素材料の製造に利用されていたメ
ソフェーズ小球体に代わり、上記フリーカーボンに着目
し、これをちととして炭素材料を製造する方法について
鋭意研究を重ねてきた。その結果、フリーカーボン自身
はメソフェーズ小球体とは異なり、それ自身は焼結性を
持っていないが、これをコールタールあるいはコールタ
ールピッチから溶剤で分離する際にβ成分（キノリン可
溶でベンゼン不溶な成分）を残存させてやれば、成形時
にバインダーを使用することなく炭素材料の製造が可能
であり、フリーカーボンは粒径が１μ以下で無定形の炭
素であるところから、ち密な組織を持ち、電気化抵抗が
高くかつ高強度の炭素材料となることを見い出し本発明
を完成するにいたったものである。

すなわち本発明で製造する炭素材料は、黒鉛化処理後の
ものが、嵩密度は１．５〜１．８ｇ／ｃｍ３程度である
が、曲げ強度は７００〜ＬＱＯＯｋｇ／ｃｍ”を示し、
ショアー硬度が８５〜１２０を示す高強度・硬質であり
、電気比抵抗も３０００〜５００（ｌμΩ・ｃｍと高い
ものである。

以下本発明製造方法を具体的に説明する。

原料としては、コールタール及びこれを蒸留して得られ
るタールピッチを使用する。歩留りの向上のためにはで
きるだけ多くのフリーカーボン（Ｑｌ）を含有している
ことが望ましい。このタール及びタールピッチから溶剤
分別によりフリーカーボンをβ成分とともに分離する。

使用する溶剤としてはβ成分を残存させるために、キノ
リンよりも若干抽出力の低いベンゼン、トルエン、ピリ
ジンあるいはタール中油等を用いる。分離方法としては
、減圧濾過、加圧）濾過、遠心分離、重力沈降法等が実
施可能である。

こうして得られた抽出残留物は、真空乾燥等を経て溶剤
を揮発除去し、引続きバインダーを使用せずそのまま加
圧、焼成し、必要に応じて黒鉛化処理する。

溶剤分別により得られた抽出残留物について、β成分が
フリーカーボン１００重量部に対して１０重量部以上残
存している場合には、２００〜４５０℃の温度で不活性
雰囲気下でか焼処理して溶剤成分を揮発除去するととも
にβ成分の一部を重縮合反応によりＱＩ化せしめること
が望ましい。何故ならβ成分は成形体の焼成時にバイン
ダーとしての役割をなし、フリーカーボンに焼結性を付
与する一方で、成形体焼成時に多量のガスを発生するた
め、多量のβ成分を残存させた場合には焼成時に成形体
に割れやクランクが発生し、工業的に有用な大型の炭素
材料の製造が困難となるからである。

か焼処理は、こうしたβ成分の反応性を事前に制御でき
るので、大型の炭素材料を工業的に安定して製造するた
めには好ましい処理である。なお、β成分の残存量がフ
リーカーボン１００重量部に対して５重量部未満であれ
ば特にか焼処理の必要はないが、通常β成分の残存量が
多い程炭素材料の高強度化が実現される傾向にある。か
焼温度が２００℃未満ではβ成分の旧化反応（重縮合反
応）は進行し難＜、一方４５０℃を超えるとβ成分及び
そのＱＩ化した成分のバインダー能力が失われるため、
か焼温度は２００〜４５０℃の温度範囲で実施しなくて
はならない。

乾燥あるいはか焼処理された抽出残留物は、その後常法
に従ってバインダーを使用せず成形、焼成、さらには必
要に応じ黒鉛化処理することにより、ち密で硬質な炭素
材料の製造が可能となる。

（実施例） 大施斑二上 フリーカーボンを１０％含有するコールタールをタール
中油を使用して抽出濾過した。タール中油の使用量はコ
ールタール１００重量部に対し５００重量部とし抽出温
度７０℃、抽出時間は３０分間であった。この抽出残留
物をタール軽油で洗浄後、真空下（１０ｍｍＡｑ）　１
５０℃で２時間乾燥し炭素材料製造用原料とした。該原
料の工業分析値はＢＩ　（ヘンゼン不）８分）：９３．
５重量％、旧：　８２．０重量％であった。

なおこの原料は第１図として示す電子顕微鏡写真に示さ
れるように粒径１μ以下の超微粉であった。

上記原料をラバープレスを使用して８０　Ｘ　３０１１
ｍｍサイズに成形を行った。成形圧力は６００ｋｇ／ｃ
ｍ”とし、成形体はコークスプリーズ中で１０００℃焼
成後、さらに２５００℃で黒鉛化処理をした。得られた
炭素材料の物理特性値を表−１に示した。また第２図に
は製造した炭素材料の組織についての偏光顕微鏡写真を
示した。

実施例−１における乾燥品を、３５０℃で窒素雰囲気下
でか焼処理した。このか焼晶の工業分析値は、Ｂｌ　　
９８．８重量％、Ｑｌ　　９５．７重量％であった。

該か焼品について実施例−１と同様の方法で黒鉛化した
炭素材料を得た。但し成形圧力は８００ｋｇ／ｃｍ２と
した。

表−２に黒鉛化した炭素材料の物理特性値を示した。

去ｊ」に１ フリーカーボンを７％含存するコールタールを実施例−
１と同様の方法により抽出濾過、乾燥して抽出残留物を
得た。この時数抽出残留物の工業分析値は、Ｂｌ　　９
５重量％、ＱＩ　　８０重量％であった。

該抽出残留物はさらに３５０℃でか焼し、炭素材料の原
料とした。該原料の工業分析値は旧：　９７．５重量％
、ＱＩ　：　９２．０重量％であり、得られた黒鉛化炭
素材料の物理特性値を示すと表−３の通りであった。但
し成形圧ノｊは８００ｋｇ／ｃｍ２　とした。

表〜３　　　　　　　　（２５００℃黒鉛化品）（発明
の効果） 以上説明したように本発明によれば、粒径が１μ以下の
ち密な組織を有しかつ高い電気比抵抗をもつ炭素材料を
、熱処理やバインダーを使うことなく容易に製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例で用いた炭素材料製造用原料の
電子顕微鏡組織写真、 第２図は、本発明で得られた黒鉛化した炭素材料の偏光
顕微鏡組織写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、フリーカーボン等キノリン不溶解分を含むコールタ
   ールあるいはタールピッチからなる原料を、熱処理工程
   を経ることなくそのままβ成分の全量又は一部を残存さ
   せる条件下で溶解抽出し、得られた溶剤抽出残留物をバ
   インダーを使用することなくそのまま成形、焼成さらに
   は黒鉛化することを特徴とする硬質炭素材料の製造方法
   。 ２、フリーカーボン等キノリン不溶解分を含むコールタ
   ールあるいはタールピッチからなる原料を、熱処理する
   ことなくそのままβ成分の全量又は一部を残存させる条
   件下で溶剤抽出し、得られた溶剤抽出残留物を不活性雰
   囲気下の２００〜４５０℃の温度でか焼処理し、引続き
   バインダーを使用することなくそのまま成形、焼成さら
   には黒鉛化することを特徴とする硬質炭素材料の製造方
   法。