JPS6232126B2 - - Google Patents
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- JPS6232126B2 JPS6232126B2 JP54128057A JP12805779A JPS6232126B2 JP S6232126 B2 JPS6232126 B2 JP S6232126B2 JP 54128057 A JP54128057 A JP 54128057A JP 12805779 A JP12805779 A JP 12805779A JP S6232126 B2 JPS6232126 B2 JP S6232126B2
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
- C04B35/524—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from polymer precursors, e.g. glass-like carbon material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は固体状態で熱分解することにより天然
および合成の有機重合物質を炭素物体に転化する
方法、特に、反応容器内において非酸化性雰囲気
中で熱分解すべき出発重合物質を所定の温度およ
び時間において処理してガラス質炭素を製造する
方法、およびこれに使用する炉型装置に関するも
のである。
および合成の有機重合物質を炭素物体に転化する
方法、特に、反応容器内において非酸化性雰囲気
中で熱分解すべき出発重合物質を所定の温度およ
び時間において処理してガラス質炭素を製造する
方法、およびこれに使用する炉型装置に関するも
のである。
ここに固体状態の熱分解と称するのは、熱分解
すべき出発物質、すなわち、有機重合物質を固体
状態で使用することを意味するものとする。天然
および合成の有機重合物質、例えば、セルロース
および若干のその誘導体、フエノプラスト、フエ
ノール―ホルムアルデヒド樹脂、ポリフルフリル
アルコールおよび塩化ポリビニリデンは、所定の
温度および時間における処理、すなわち、温度を
緩徐に上昇する加熱処理により炭素に転化する。
固体状態の分解と称されるかかる転化方法のう
ち、出発物質の本質的特徴、すなわち、構造上の
特徴および外観が全熱分解処理の間維持されてお
り、「幾何学的類似変換」という意味で炭化とも
称される方法が、特に技術的に意味あるものであ
る。後者の現象を技術的に関連する2つの代表例
について説明する。
すべき出発物質、すなわち、有機重合物質を固体
状態で使用することを意味するものとする。天然
および合成の有機重合物質、例えば、セルロース
および若干のその誘導体、フエノプラスト、フエ
ノール―ホルムアルデヒド樹脂、ポリフルフリル
アルコールおよび塩化ポリビニリデンは、所定の
温度および時間における処理、すなわち、温度を
緩徐に上昇する加熱処理により炭素に転化する。
固体状態の分解と称されるかかる転化方法のう
ち、出発物質の本質的特徴、すなわち、構造上の
特徴および外観が全熱分解処理の間維持されてお
り、「幾何学的類似変換」という意味で炭化とも
称される方法が、特に技術的に意味あるものであ
る。後者の現象を技術的に関連する2つの代表例
について説明する。
再生セルロースまたはポリアクリルニトリルの
糸を、化学的および物理的に製造した後に、例え
ば、空気中で200〜250℃において20時間熱処理し
た後に、不活性雰囲気または真空中で、少くとも
750℃の温度、好ましくは1000℃またはそれ以上
までの高温において熱処理する場合には、重合物
質からなるもとの糸は主として炭素のみから構成
されている幾何学的に類似な糸に転化する。この
炭素糸はなお出発物質のフイブリルおよび管束構
造を高度に有する。測定により、繊維の線寸法の
みが30%以上短かくなり、その程度は出発物質お
よび製造方法によつて変ることが分る。出発物質
の揮発性成分(分解生成物)が放出されるため
に、熱分解の間にかかる形状変動または容積減少
と同時に、重量損失が起る。かかる重量損失は、
出発重合体物質の種類および熱分解処理の実施条
件、例えば、時間と関連する温度上昇および最終
温度の値とその持続時間によつて変動する。従つ
て、出発重量の30〜80%の重量損失が起ることが
ある。
糸を、化学的および物理的に製造した後に、例え
ば、空気中で200〜250℃において20時間熱処理し
た後に、不活性雰囲気または真空中で、少くとも
750℃の温度、好ましくは1000℃またはそれ以上
までの高温において熱処理する場合には、重合物
質からなるもとの糸は主として炭素のみから構成
されている幾何学的に類似な糸に転化する。この
炭素糸はなお出発物質のフイブリルおよび管束構
造を高度に有する。測定により、繊維の線寸法の
みが30%以上短かくなり、その程度は出発物質お
よび製造方法によつて変ることが分る。出発物質
の揮発性成分(分解生成物)が放出されるため
に、熱分解の間にかかる形状変動または容積減少
と同時に、重量損失が起る。かかる重量損失は、
出発重合体物質の種類および熱分解処理の実施条
件、例えば、時間と関連する温度上昇および最終
温度の値とその持続時間によつて変動する。従つ
て、出発重量の30〜80%の重量損失が起ることが
ある。
硬化ジユロプラスチツク(duro―plastic)合
成物質、例えば、幾何学的に規則正しく形成した
硬化フエノール樹脂片を上述のように熱処理し、
ガラス質炭素として知られている最終炭素生成物
を形成する(「Chem.Ing.Techn.」42(1970)
659669;「Philips Technical Review」36,
1976,93―103)。出発物質が再度幾何学的に類似
したガラス質炭素物体に転化するのに伴つて、線
形で普通等方性の収縮が起る。
成物質、例えば、幾何学的に規則正しく形成した
硬化フエノール樹脂片を上述のように熱処理し、
ガラス質炭素として知られている最終炭素生成物
を形成する(「Chem.Ing.Techn.」42(1970)
659669;「Philips Technical Review」36,
1976,93―103)。出発物質が再度幾何学的に類似
したガラス質炭素物体に転化するのに伴つて、線
形で普通等方性の収縮が起る。
炭化が適当に行われる雰囲気、すなわち、所望
の結果を得ることができる雰囲気は、例えば、上
述の文献に披瀝されている。しかし、使用装置に
関する詳細なデーターは上述の文献にはほとんど
記載されていない。例えば、ドイツ連邦共和国公
開特許公報第1471364号に、炭化を炉内で行うこ
とが記載されているのみである。
の結果を得ることができる雰囲気は、例えば、上
述の文献に披瀝されている。しかし、使用装置に
関する詳細なデーターは上述の文献にはほとんど
記載されていない。例えば、ドイツ連邦共和国公
開特許公報第1471364号に、炭化を炉内で行うこ
とが記載されているのみである。
本発明者は研究の結果本発明に到達したのであ
つて、かかる研究により、熱分解による有機重合
物質の炭素への転化には、特に、比較的多量を例
えば大規模に製造する場合、または形状の複雑な
炭素物体を製造する場合には、問題があることが
明らかになつた。複雑な形状の物体とは、ほぼ軸
線対称な形状の物体、例えば、フランジのような
構造またはリブの付いた特許輪郭の物体である。
つて、かかる研究により、熱分解による有機重合
物質の炭素への転化には、特に、比較的多量を例
えば大規模に製造する場合、または形状の複雑な
炭素物体を製造する場合には、問題があることが
明らかになつた。複雑な形状の物体とは、ほぼ軸
線対称な形状の物体、例えば、フランジのような
構造またはリブの付いた特許輪郭の物体である。
かかる問題は次の2つの主要原因による:
1 長時間(t)にわたり比較的大きい容積にお
いて均一で準等温的な温度(T)が必要である
ので、dT/dt〓0.1〜10゜/h;反応容器内では温 度T〓O、反応容器は研究に使用した炉の場合に
は約10lの容積であつた。
いて均一で準等温的な温度(T)が必要である
ので、dT/dt〓0.1〜10゜/h;反応容器内では温 度T〓O、反応容器は研究に使用した炉の場合に
は約10lの容積であつた。
ここに、準等温的と称するのは反応容器内では
温度の空間的な不均一性が全くまたはほとんど起
らないように温度上昇を緩徐にする必要があるこ
とを意味するものとする。
温度の空間的な不均一性が全くまたはほとんど起
らないように温度上昇を緩徐にする必要があるこ
とを意味するものとする。
2 出発重合物質の炭素への転化と同時に、可成
り多量(出発物質の80%以下)の揮発性分解生
成物が放出され、この分解生成物は大部分凝縮
することができる。
り多量(出発物質の80%以下)の揮発性分解生
成物が放出され、この分解生成物は大部分凝縮
することができる。
第1項に述べた条件が満足されない場合には、
生成する物体に変形または亀裂が生じ、使用不能
になることが多い。
生成する物体に変形または亀裂が生じ、使用不能
になることが多い。
第2項に述べた凝縮可能な分解生成物は熱分解
すべき物体上に堆積し易く、その表面をよごすか
またはそれ以外に損なうことがある。凝縮可能な
分解生成物(普通油様およびタール様生成物)は
炉の汚染に対し特に悪い影響を及ぼし、費用の著
しくかかる清浄処理を数多く行う必要があるほ
か、熱分解の際に妨害となることが多い(例え
ば、電気的接続の汚染、管、弁等の閉塞によ
り)。
すべき物体上に堆積し易く、その表面をよごすか
またはそれ以外に損なうことがある。凝縮可能な
分解生成物(普通油様およびタール様生成物)は
炉の汚染に対し特に悪い影響を及ぼし、費用の著
しくかかる清浄処理を数多く行う必要があるほ
か、熱分解の際に妨害となることが多い(例え
ば、電気的接続の汚染、管、弁等の閉塞によ
り)。
本発明の目的は、特に、複雑な物体を可成り多
量製造する場合に亀裂の存在しない炭素物体を得
ること、凝縮した分解生成物の炭素物体上および
炉内または反応容器内における堆積を防止するこ
と、および特に出発生成物の最適最終生成物への
高い転化効率を確保することである。
量製造する場合に亀裂の存在しない炭素物体を得
ること、凝縮した分解生成物の炭素物体上および
炉内または反応容器内における堆積を防止するこ
と、および特に出発生成物の最適最終生成物への
高い転化効率を確保することである。
かかる本発明の目的は、熱分解すべき重合物質
を取巻く雰囲気を、そこに準等温的状態が生起す
るように、反応容器の一部分において加熱し、反
応容器の他の部分における上記雰囲気の上方に存
在する雰囲気を、そこの温度が上向き方向に低下
するように加熱し、上部雰囲気内で凝縮する揮発
性分解生成物の落下を、熱分解すべき重合物質の
上方で妨害しかつ再度蒸発させることを特徴とす
る、上述の有機重合物質を炭素物体に転化する方
法により達成される。
を取巻く雰囲気を、そこに準等温的状態が生起す
るように、反応容器の一部分において加熱し、反
応容器の他の部分における上記雰囲気の上方に存
在する雰囲気を、そこの温度が上向き方向に低下
するように加熱し、上部雰囲気内で凝縮する揮発
性分解生成物の落下を、熱分解すべき重合物質の
上方で妨害しかつ再度蒸発させることを特徴とす
る、上述の有機重合物質を炭素物体に転化する方
法により達成される。
本発明を実施するには、垂直軸線を有する円筒
形またはプリズム形の構造を有し、真空密または
気密に閉止することができ、かつ揮発性分解生成
物用のパージガス供給管および排気管を設けた加
熱可能な反応容器を具えた炉を使用し、加熱装置
を、上記反応容器の上部が、全く加熱できない
か、あるいは温度が上向き方向に段階的に低下す
るように加熱できるか、あるいは熱分解すべき重
合物質を収容する反応容器の下部より低い温度ま
で加熱できるような配置および/または構造と
し、凝縮可能な揮発生分解生成物用の少くとも1
個の頂部開放型捕集容器または捕集用円板を反応
容器内側の熱分解すべき重合物質の上方に配置
し、上記捕集容器または捕集用円板を反応容器の
上部と下部との間にガス通路が残留するような構
造とするのが有利である。
形またはプリズム形の構造を有し、真空密または
気密に閉止することができ、かつ揮発性分解生成
物用のパージガス供給管および排気管を設けた加
熱可能な反応容器を具えた炉を使用し、加熱装置
を、上記反応容器の上部が、全く加熱できない
か、あるいは温度が上向き方向に段階的に低下す
るように加熱できるか、あるいは熱分解すべき重
合物質を収容する反応容器の下部より低い温度ま
で加熱できるような配置および/または構造と
し、凝縮可能な揮発生分解生成物用の少くとも1
個の頂部開放型捕集容器または捕集用円板を反応
容器内側の熱分解すべき重合物質の上方に配置
し、上記捕集容器または捕集用円板を反応容器の
上部と下部との間にガス通路が残留するような構
造とするのが有利である。
従つて、熱分解により有機重合体物質からなる
物体を炭素に転化する本発明の装置は本質的に次
の構成部品から構成される: ― 反応容器または熱分解容器、すなわち、真空
密または気密に封鎖することができ、その下部
で出発物質を熱分解することができる分割され
た室(熱分解または反応容器)。
物体を炭素に転化する本発明の装置は本質的に次
の構成部品から構成される: ― 反応容器または熱分解容器、すなわち、真空
密または気密に封鎖することができ、その下部
で出発物質を熱分解することができる分割され
た室(熱分解または反応容器)。
― 加熱装置、すなわち、反応容器の下部の温度
を最終温度(例えば、1000℃)まで1000時間以
下の短時間または長時間にわたつてできる限り
等温状態で上昇させる加熱容器または加熱装
置。
を最終温度(例えば、1000℃)まで1000時間以
下の短時間または長時間にわたつてできる限り
等温状態で上昇させる加熱容器または加熱装
置。
― 真空ポンプ装置またはパージガス供給装置。
すなわち、ガスおよび熱分解すべき物質から放
出される揮発性成分を排気するかあるいは洗い流
し(対流するパージガス流)、これと同時に不活
性、すなわち、非酸化性雰囲気の維持を保証する
装置。
出される揮発性成分を排気するかあるいは洗い流
し(対流するパージガス流)、これと同時に不活
性、すなわち、非酸化性雰囲気の維持を保証する
装置。
また、本発明の装置は、所定の温度上昇曲線お
び冷却曲線を調整することができる電気的制御装
置を具える。
び冷却曲線を調整することができる電気的制御装
置を具える。
しかし、極めて重要なのは、反応容器の内側に
おいて凝集可能な揮発性分解生成物用の少くとも
1個の頂部開放型捕集容器または捕集用円板、例
えば、捕集用金属板を熱分解すべき重合物質の上
方に配置することである。この捕集容器または捕
集用円板は、反応容器の上部と下部との間にガス
通路が残留するような構造および配置とする。
おいて凝集可能な揮発性分解生成物用の少くとも
1個の頂部開放型捕集容器または捕集用円板、例
えば、捕集用金属板を熱分解すべき重合物質の上
方に配置することである。この捕集容器または捕
集用円板は、反応容器の上部と下部との間にガス
通路が残留するような構造および配置とする。
炉の装入および排出、所要に応じて炉の修繕お
よび清浄を容易にするには、本発明の好適例にお
いては、加熱容器と、反応容器、すなわち、炭化
すべき重合物質用の室とを互に同心に配置して、
これらの容器を容易に分離できるようにする。従
つて反応容器を加熱容器から取出すことができ
る。
よび清浄を容易にするには、本発明の好適例にお
いては、加熱容器と、反応容器、すなわち、炭化
すべき重合物質用の室とを互に同心に配置して、
これらの容器を容易に分離できるようにする。従
つて反応容器を加熱容器から取出すことができ
る。
本発明の他の例では、加熱容器を電気的に加熱
することができる。一層正確に云えば、外側から
適当に熱的に絶縁した炉に、例えば、円筒形に取
り囲む側部加熱系および底部加熱系を設ける。
することができる。一層正確に云えば、外側から
適当に熱的に絶縁した炉に、例えば、円筒形に取
り囲む側部加熱系および底部加熱系を設ける。
反応容器は、例えば、耐熱・耐食鋼板から作
る。本発明の好適例では、反応容器の上部を加熱
装置から外方に突出させる。このことは、例え
ば、反応容器が例えばその全長の2/3にわたつて
加熱容器の内側に位置し、かつ反応容器上部1/3
が加熱容器の上方に自由な状態で突出しているこ
とを意味する。
る。本発明の好適例では、反応容器の上部を加熱
装置から外方に突出させる。このことは、例え
ば、反応容器が例えばその全長の2/3にわたつて
加熱容器の内側に位置し、かつ反応容器上部1/3
が加熱容器の上方に自由な状態で突出しているこ
とを意味する。
加熱容器は蓋を具え、これにより、例えば、ク
ランプおよび封鎖リングを使用して加熱容器を気
密に閉止することができる。
ランプおよび封鎖リングを使用して加熱容器を気
密に閉止することができる。
本発明の他の好適例では、反応容器の上部に冷
却装置、例えば、蓋内冷却通路の形態の水冷系、
または蓋の上側および下側に溶着した冷却水管
(冷却コイル)を設ける。
却装置、例えば、蓋内冷却通路の形態の水冷系、
または蓋の上側および下側に溶着した冷却水管
(冷却コイル)を設ける。
次に本発明を図面を参照して例につき説明す
る。第1図に反応容器1を示す。反応容器1は垂
直壁、水平底および上部開口を具える。この反応
容器の開口を蓋2により閉止する。封鎖リング3
を反応容器の端縁と蓋との間に設ける。下記の管
を蓋に通し反応容器の内部まで延在させる:パー
ジおよび移送ガス、例えば、窒素用供給管4、揮
発性分解生成物を同伴する移送ガス用排気管5お
よび熱電対7用保護管6。反応容器の外側では、
排気管5を加熱装置8で取囲み、次いでコンデン
サー・ポツト9に開口させる。反応容器の内側で
は、円板10を供給管4および熱電対用保護管7
に水平に連結する。この円板には所要に応じて端
縁11を設けて、なべ形状の頂部開放型容器の構
造とすることができ、また所要に応じて加熱でき
るようにする。この円板により反応容器の内部を
下部12と上部13とに分割する。この円板の幅
は、この円板の右側および/または左側に下部と
上部との間の通路が残留するように決める。供給
管および熱電対用保護管は反応容器の下部内に延
在させる。排気管は反応容器の上部内で終端さ
せ、所要に応じてその側壁に孔を開ける。反応容
器の外側にこれを取り囲む加熱装置14、例え
ば、円筒形加熱容器および底部加熱装置15、例
えば、電熱板を設ける。他の例では、反応容器1
の壁および底については、例えば、傾斜した構
造、例えば、円錐形の構造にし、底を外方に彎曲
した構造にする。
る。第1図に反応容器1を示す。反応容器1は垂
直壁、水平底および上部開口を具える。この反応
容器の開口を蓋2により閉止する。封鎖リング3
を反応容器の端縁と蓋との間に設ける。下記の管
を蓋に通し反応容器の内部まで延在させる:パー
ジおよび移送ガス、例えば、窒素用供給管4、揮
発性分解生成物を同伴する移送ガス用排気管5お
よび熱電対7用保護管6。反応容器の外側では、
排気管5を加熱装置8で取囲み、次いでコンデン
サー・ポツト9に開口させる。反応容器の内側で
は、円板10を供給管4および熱電対用保護管7
に水平に連結する。この円板には所要に応じて端
縁11を設けて、なべ形状の頂部開放型容器の構
造とすることができ、また所要に応じて加熱でき
るようにする。この円板により反応容器の内部を
下部12と上部13とに分割する。この円板の幅
は、この円板の右側および/または左側に下部と
上部との間の通路が残留するように決める。供給
管および熱電対用保護管は反応容器の下部内に延
在させる。排気管は反応容器の上部内で終端さ
せ、所要に応じてその側壁に孔を開ける。反応容
器の外側にこれを取り囲む加熱装置14、例え
ば、円筒形加熱容器および底部加熱装置15、例
えば、電熱板を設ける。他の例では、反応容器1
の壁および底については、例えば、傾斜した構
造、例えば、円錐形の構造にし、底を外方に彎曲
した構造にする。
固体状態で熱分解を行うには、熱分解すべき出
発重合物質を、反応容器1に、その下部12が多
少なりとも充填されるように装入する。熱分解す
べき重合物質を反応容器内に直接装入することが
できるが、好ましくはフレーム(図示せず)上の
反応容器内に装入するか、孔を設けた特殊容器、
例えば耐熱性金属容器(図示せず)に装入するこ
とができる。
発重合物質を、反応容器1に、その下部12が多
少なりとも充填されるように装入する。熱分解す
べき重合物質を反応容器内に直接装入することが
できるが、好ましくはフレーム(図示せず)上の
反応容器内に装入するか、孔を設けた特殊容器、
例えば耐熱性金属容器(図示せず)に装入するこ
とができる。
熱分解すべき重合物質を装入した後に、底部加
熱装置15および壁加熱装置14により反応容器
内の温度を上昇させることができる。放出される
凝縮可能な分解生成物は、熱分解の間に蓋2の比
較的冷温の下側および壁加熱装置14の上方の反
応容器の比較的冷温の壁で凝縮する。凝縮可能な
分解生成物は、出発重合物質が例えば末だ定量的
には硬化していない場合には、約150℃の温度か
ら放出される。先ず水が放出される。実際の熱分
解すなわち、分子構造の熱活性化解離は約250℃
で始まり、約800℃で終る。これから有機重合物
質の熱分解に必要な最低温度が与えられる。
熱装置15および壁加熱装置14により反応容器
内の温度を上昇させることができる。放出される
凝縮可能な分解生成物は、熱分解の間に蓋2の比
較的冷温の下側および壁加熱装置14の上方の反
応容器の比較的冷温の壁で凝縮する。凝縮可能な
分解生成物は、出発重合物質が例えば末だ定量的
には硬化していない場合には、約150℃の温度か
ら放出される。先ず水が放出される。実際の熱分
解すなわち、分子構造の熱活性化解離は約250℃
で始まり、約800℃で終る。これから有機重合物
質の熱分解に必要な最低温度が与えられる。
凝縮可能な分解生成物の重質揮発性成分は一部
分が反応容器の壁に沿つて戻るか、あるいは円板
10、すなわち、捕集用円板上または捕集容器内
に滴下する。このようにして、凝縮可能な分解生
成物の重質揮発性成分は再度反応容器の比較的に
高温に加熱された圏内に到達し、再度蒸発する。
この結果、ほぼ300〜700℃の範囲のある熱分解段
階において蒸発と凝縮とが脈動するように生起す
る。
分が反応容器の壁に沿つて戻るか、あるいは円板
10、すなわち、捕集用円板上または捕集容器内
に滴下する。このようにして、凝縮可能な分解生
成物の重質揮発性成分は再度反応容器の比較的に
高温に加熱された圏内に到達し、再度蒸発する。
この結果、ほぼ300〜700℃の範囲のある熱分解段
階において蒸発と凝縮とが脈動するように生起す
る。
操作の間には、パージガス供給管4からパージ
ガス(例えば、窒素ガス)を供給し、これにより
一方では不活性の非酸化性雰囲気を確保し、他方
では熱分解の間に排気管5から放出される揮発性
分解生成物を排出する。排気管5において凝縮物
の分離が起らないように電熱装置8の温度を調整
する。揮発性分解生成物の凝縮はコンデンサー・
ポツト9内でのみ生起する。コンデンサー・ポツ
ト9を排出フランジを介して吸上げポンプに連結
するか、あるいは周囲圧力で操作する場合には周
囲圧力に連結する。反応容器には全熱分解プロセ
スの間パージガスを連続的に流すことにより、温
度上昇に伴つて連続的に形成する揮発性分解生成
物をすべて反応容器から取出す。
ガス(例えば、窒素ガス)を供給し、これにより
一方では不活性の非酸化性雰囲気を確保し、他方
では熱分解の間に排気管5から放出される揮発性
分解生成物を排出する。排気管5において凝縮物
の分離が起らないように電熱装置8の温度を調整
する。揮発性分解生成物の凝縮はコンデンサー・
ポツト9内でのみ生起する。コンデンサー・ポツ
ト9を排出フランジを介して吸上げポンプに連結
するか、あるいは周囲圧力で操作する場合には周
囲圧力に連結する。反応容器には全熱分解プロセ
スの間パージガスを連続的に流すことにより、温
度上昇に伴つて連続的に形成する揮発性分解生成
物をすべて反応容器から取出す。
熱電対7は特に反応容器下部12の温度測定お
よび温度制御に使用される。
よび温度制御に使用される。
第2図には、第1図の装置の一部分を示し、そ
の右側に温度Tの空間的分布のグラフを示す。こ
の温度分布は反応容器の底と蓋2との間の内側高
さH上の反応容器1内の鎖線zに沿つて、約800
℃の熱分解温度、つまり熱分解プロセスの所定の
時点まで測定した。この温度分布と高さHとの関
係、すなわち、底、円板10、加熱装置14の上
側および蓋2の下側の各位置との関係を破線で示
す。第2図から、下部12の温度は均一かつ一定
であるが、円板10の上方の上部13の温度は反
応容器1の高さHと共に、すなわち、上向き方向
に低下することが分る。
の右側に温度Tの空間的分布のグラフを示す。こ
の温度分布は反応容器の底と蓋2との間の内側高
さH上の反応容器1内の鎖線zに沿つて、約800
℃の熱分解温度、つまり熱分解プロセスの所定の
時点まで測定した。この温度分布と高さHとの関
係、すなわち、底、円板10、加熱装置14の上
側および蓋2の下側の各位置との関係を破線で示
す。第2図から、下部12の温度は均一かつ一定
であるが、円板10の上方の上部13の温度は反
応容器1の高さHと共に、すなわち、上向き方向
に低下することが分る。
また、反応容器は、鎖線z(第2図)に沿つ
て、好ましくは、中央軸線に沿つて測定した場合
に、熱分解すべき重合物質の上方において温度変
動に不連続が生ずるように加熱する。かかる温度
変動が本発明の特徴である。この温度変動は、熱
分解が行われる下部12を円板10、すなわち、
捕集容器または捕集用円板により、揮発性分解生
成物の凝縮と蒸発とが上述のように脈動するよう
に生起する上部13から分離することによつて達
成される。円板10は反応容器の加熱部内に、比
較的冷温の円板10において凝縮する揮発性生成
物の蒸発が保証されるような深さに設ける必要が
ある。特に、反応容器の直径が、例えば、100〜
120mmより大きい場合には、反応容器の下部12
と上部13との間に位置するこの円板または捕集
容器をも加熱するのが有利である。この理由は、
これにより下部12の所要の準等温的加熱が一層
良好に達成されるからである。
て、好ましくは、中央軸線に沿つて測定した場合
に、熱分解すべき重合物質の上方において温度変
動に不連続が生ずるように加熱する。かかる温度
変動が本発明の特徴である。この温度変動は、熱
分解が行われる下部12を円板10、すなわち、
捕集容器または捕集用円板により、揮発性分解生
成物の凝縮と蒸発とが上述のように脈動するよう
に生起する上部13から分離することによつて達
成される。円板10は反応容器の加熱部内に、比
較的冷温の円板10において凝縮する揮発性生成
物の蒸発が保証されるような深さに設ける必要が
ある。特に、反応容器の直径が、例えば、100〜
120mmより大きい場合には、反応容器の下部12
と上部13との間に位置するこの円板または捕集
容器をも加熱するのが有利である。この理由は、
これにより下部12の所要の準等温的加熱が一層
良好に達成されるからである。
本発明の特徴である温度分布は、所定の加熱工
程により、また所定の幾何学的形状の関係、例え
ば、捕集用円板と蓋との間の距離または全反応容
器の全長と加熱圏の全長との比を調整することに
より、既知方法で達成することができる。
程により、また所定の幾何学的形状の関係、例え
ば、捕集用円板と蓋との間の距離または全反応容
器の全長と加熱圏の全長との比を調整することに
より、既知方法で達成することができる。
本発明の装置の好適例では、捕集容器または捕
集用円板10を滑動自在に配置する。
集用円板10を滑動自在に配置する。
反応容器を加熱するために、単に加熱用ベルト
を反応容器の周りに巻き付けることができる。加
熱方式が第二の重要な点である。しかし、電熱に
よる場合には、揮発性分解生成物が装置の構成素
子、例えば、熱伝導体、接点、入力端子部等に堆
積しないように、装置の構成素子と反応容器とを
接触させないことが重要である。本発明において
は、かかる堆積は反応容器内部の著しい汚染を惹
起するほか、時間の経過につれて1種の二次熱分
解の結果として炭素橋を惹起する。炭素橋は多か
れ少なかれ危険な短絡形成の原因となることがあ
る。
を反応容器の周りに巻き付けることができる。加
熱方式が第二の重要な点である。しかし、電熱に
よる場合には、揮発性分解生成物が装置の構成素
子、例えば、熱伝導体、接点、入力端子部等に堆
積しないように、装置の構成素子と反応容器とを
接触させないことが重要である。本発明において
は、かかる堆積は反応容器内部の著しい汚染を惹
起するほか、時間の経過につれて1種の二次熱分
解の結果として炭素橋を惹起する。炭素橋は多か
れ少なかれ危険な短絡形成の原因となることがあ
る。
反応容器の下部12内の温度分布の均一性は、
円板10に付加的加熱装置を設けることにより更
に改善することができる。しかし、反応容器の直
径が小さい場合(約10cm以下の場合)には、全体
の厚さが20〜30mmのいくつかの断熱材層、例え
ば、いくかのグラフアイト・フエルト層を設ける
ことにより、満足すべき熱分解を達成することが
できる。
円板10に付加的加熱装置を設けることにより更
に改善することができる。しかし、反応容器の直
径が小さい場合(約10cm以下の場合)には、全体
の厚さが20〜30mmのいくつかの断熱材層、例え
ば、いくかのグラフアイト・フエルト層を設ける
ことにより、満足すべき熱分解を達成することが
できる。
ガラス質炭素を製造する本発明の装置の利点を
要約すれば、次の通りである。
要約すれば、次の通りである。
1 本発明の方法により操作される熱分解炉を使
用する場合には、他の炉系を使用する場合より
も、有用物質の収率は約10%から90%以上、大
部分の場合には100%までも増大する。
用する場合には、他の炉系を使用する場合より
も、有用物質の収率は約10%から90%以上、大
部分の場合には100%までも増大する。
2 炉は保全をほとんど必要としない。このこと
は、凝縮物は、非常に長い時間にわたつてさ
え、凝縮器内または凝縮器の後方、つまり反応
容器の外側においてはじめて分離することを意
味する。
は、凝縮物は、非常に長い時間にわたつてさ
え、凝縮器内または凝縮器の後方、つまり反応
容器の外側においてはじめて分離することを意
味する。
3 本発明を導いた実験では、加熱装置または制
御装置をごくまれに修繕する必要があるにすぎ
ず、反応容器およびそのなかに収容されている
部品については修繕の必要は全くなかつた。特
に清浄処理はほとんど必要なかつた。
御装置をごくまれに修繕する必要があるにすぎ
ず、反応容器およびそのなかに収容されている
部品については修繕の必要は全くなかつた。特
に清浄処理はほとんど必要なかつた。
4 反応容器と加熱装置とが構造的に完全に分離
されているため、部品の変更、修繕等を簡単に
行うことができ、例えば、このような種類のい
くつかの同様な装置がある場合には、構成部
品、すなわち、反応容器および加熱装置を、何
の問題もなしに、また時間のかかる組立て操作
を必要とせずに、互に交換することができる。
されているため、部品の変更、修繕等を簡単に
行うことができ、例えば、このような種類のい
くつかの同様な装置がある場合には、構成部
品、すなわち、反応容器および加熱装置を、何
の問題もなしに、また時間のかかる組立て操作
を必要とせずに、互に交換することができる。
次に本発明を実施例について説明する。
実施例 1
ドイツ連邦共和国公開特許公報第2324605号記
載の方法により、当初の粘度3000〜5000cp、比
重1.22g/cm3および樹脂分74%の液体フエノール
樹脂から、長さ400mm、外径22mmおよび内径17mm
の円筒形管を成形し、140℃で硬化させた。次い
で、この硬化フエノール樹脂管を上述のような熱
分解炉で熱処理した。すなわち、温度300℃以下
(反応容器内で測定)では温度上速度を4℃/h
とし、300〜700℃の範囲では温度上昇速度を1
℃/hとし、700〜1000℃の範囲では温度上昇速
度を10℃/hとし、1〜10l/hの窒素流中で熱
処理し、かくして硬化フエノール樹脂管をガラス
質炭素に転化した。周囲温度への冷却は24時間か
けて行つた。次いで、真空炉における特別な後処
理の間に、48時間以内に管を1800℃に加熱しかつ
再度冷却した。かくして得たガラス質管には約27
%の線収縮が生じ、外径は16mmになり、長さは
292mmになつた。重量損失は当初の重量の約43%
であつた。この管の表面は極めて平滑で、管の壁
には亀裂は全く存在しなかつた。
載の方法により、当初の粘度3000〜5000cp、比
重1.22g/cm3および樹脂分74%の液体フエノール
樹脂から、長さ400mm、外径22mmおよび内径17mm
の円筒形管を成形し、140℃で硬化させた。次い
で、この硬化フエノール樹脂管を上述のような熱
分解炉で熱処理した。すなわち、温度300℃以下
(反応容器内で測定)では温度上速度を4℃/h
とし、300〜700℃の範囲では温度上昇速度を1
℃/hとし、700〜1000℃の範囲では温度上昇速
度を10℃/hとし、1〜10l/hの窒素流中で熱
処理し、かくして硬化フエノール樹脂管をガラス
質炭素に転化した。周囲温度への冷却は24時間か
けて行つた。次いで、真空炉における特別な後処
理の間に、48時間以内に管を1800℃に加熱しかつ
再度冷却した。かくして得たガラス質管には約27
%の線収縮が生じ、外径は16mmになり、長さは
292mmになつた。重量損失は当初の重量の約43%
であつた。この管の表面は極めて平滑で、管の壁
には亀裂は全く存在しなかつた。
実施例 2
出発寸法4mm×4mm×100mmの市販の非充填フ
エノール樹脂〔デコリツト(Dekorit商品名)
V300a、ラシヒ(Raschig)社〕からなる約100個
の四角な棒(試験棒)を実施例1と同様に処理し
た。ガラス質炭素からなる棒の収率はほぼ約100
%であつた。炭化による線収縮(断面寸法および
縦寸法の変動)は18.75%〜20.0%であつた。重
量損失は当初の重量の42.6%であつた。
エノール樹脂〔デコリツト(Dekorit商品名)
V300a、ラシヒ(Raschig)社〕からなる約100個
の四角な棒(試験棒)を実施例1と同様に処理し
た。ガラス質炭素からなる棒の収率はほぼ約100
%であつた。炭化による線収縮(断面寸法および
縦寸法の変動)は18.75%〜20.0%であつた。重
量損失は当初の重量の42.6%であつた。
実施例 3
旋盤を使用して実施例2のフエノール樹脂から
なる80個の特殊輪郭の物体を製造した。かかる特
殊輪郭の物体の断面を第3図に示す。外径daは
45mmで、高さhは12mmであつた。この特殊輪郭の
物体を上述の熱分解炉内で850℃以下における温
度上昇速度を0.8℃/hとして処理した。収率
(導入物体の数と炭化物体の数との比)はほぼ100
%であつた。この物体を真空炉内で1800℃以下の
温度で48時間後処理した。外径daは19%短縮し
て36mmになり、高さhは20%短縮して9.6mmにな
つた。このような形状の物体を所定のガラス形成
プロセス、特に受像管の製造に使用した。
なる80個の特殊輪郭の物体を製造した。かかる特
殊輪郭の物体の断面を第3図に示す。外径daは
45mmで、高さhは12mmであつた。この特殊輪郭の
物体を上述の熱分解炉内で850℃以下における温
度上昇速度を0.8℃/hとして処理した。収率
(導入物体の数と炭化物体の数との比)はほぼ100
%であつた。この物体を真空炉内で1800℃以下の
温度で48時間後処理した。外径daは19%短縮し
て36mmになり、高さhは20%短縮して9.6mmにな
つた。このような形状の物体を所定のガラス形成
プロセス、特に受像管の製造に使用した。
実施例 4
実施例3と同様にして、フエノール樹脂製るつ
ぼをガラス質炭素からなる対応するるつぼに転化
した(このるつぼは化学、半導体技術および冶金
の分野における製造操作の際に使用される)。第
4a図にフライス削りより製造した硬化フエノー
ル樹脂製のるつぼを示し、第4b図に炭化処理後
の同様なるつぼを示す。第4a図と第4b図とか
ら収縮程度が分る。
ぼをガラス質炭素からなる対応するるつぼに転化
した(このるつぼは化学、半導体技術および冶金
の分野における製造操作の際に使用される)。第
4a図にフライス削りより製造した硬化フエノー
ル樹脂製のるつぼを示し、第4b図に炭化処理後
の同様なるつぼを示す。第4a図と第4b図とか
ら収縮程度が分る。
実施例 5
実施例3および4と同様にして、獣医学実験用
挿入管(implant)を製造した。先ず、固体の非
充填フエノール樹脂からなる物体を機械的に、す
なわち、フライス削りにより製造した。第5図に
かかる物体を示す。この物体は円筒部16をリン
グ17で取巻き、このリング17に孔18を開け
たものである。
挿入管(implant)を製造した。先ず、固体の非
充填フエノール樹脂からなる物体を機械的に、す
なわち、フライス削りにより製造した。第5図に
かかる物体を示す。この物体は円筒部16をリン
グ17で取巻き、このリング17に孔18を開け
たものである。
この物体を乾燥室で200℃までの温度で硬化さ
せ、次いで本発明の装置内で850℃以下における
温度上昇速度0.8℃/hにおいて炭化し、しかる
後に真空中で1600〜1800℃の温度で48時間以内の
時間後処理した。
せ、次いで本発明の装置内で850℃以下における
温度上昇速度0.8℃/hにおいて炭化し、しかる
後に真空中で1600〜1800℃の温度で48時間以内の
時間後処理した。
このようなガラス質炭素製挿入管は完全炭化の
観点からは極めて複雑な形状であると考えられ
る。
観点からは極めて複雑な形状であると考えられ
る。
第1図は本発明の装置の1例の断面図、第2図
は操作中の第1図の装置内の空間における温度変
動の1例を示すグラフ、第3図は本発明の方法に
使用した重合物質製物体の1例の断面図、第4a
図および第4b図はそれぞれ本発明の方法に使用
した重合物質製物体の他の例およびこれ本発明の
方法により熱分解して得たガラス質炭素物体の斜
視図、第5図は本発明の方法に使用した重合物質
製物体の他の例の斜視図である。 1……反応容器、2……蓋、3……封鎖リン
グ、4……供給管、5……排気管、6……保護管
(温度測定装置)、7……熱電対、8……加熱装置
(電熱装置)、9……コンデンサー・ポツト、10
……円板(捕集容器)、11……端縁、12……
下部、13……上部、14,15……加熱装置、
16……円筒部、17……リング、18……孔、
da……外径、H……反応容器の内側高さ、h…
…フエノール樹脂製物体の高さ、z……鎖線。
は操作中の第1図の装置内の空間における温度変
動の1例を示すグラフ、第3図は本発明の方法に
使用した重合物質製物体の1例の断面図、第4a
図および第4b図はそれぞれ本発明の方法に使用
した重合物質製物体の他の例およびこれ本発明の
方法により熱分解して得たガラス質炭素物体の斜
視図、第5図は本発明の方法に使用した重合物質
製物体の他の例の斜視図である。 1……反応容器、2……蓋、3……封鎖リン
グ、4……供給管、5……排気管、6……保護管
(温度測定装置)、7……熱電対、8……加熱装置
(電熱装置)、9……コンデンサー・ポツト、10
……円板(捕集容器)、11……端縁、12……
下部、13……上部、14,15……加熱装置、
16……円筒部、17……リング、18……孔、
da……外径、H……反応容器の内側高さ、h…
…フエノール樹脂製物体の高さ、z……鎖線。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 固体状態で熱分解することにより天然および
合成の有機重合物質を炭素物体に転化するに当
り、特に、反応容器内において非酸化性雰囲気中
で熱分解すべき出発重合物質を所定の温度および
時間において処理してガラス質炭素を製造するに
当り、熱分解すべき重合物質を取巻く雰囲気を、
そこに準等温的状態が生起するように、反応容器
の一部分において加熱し、反応容器の他の部分に
おける上記雰囲気の上方に存在する雰囲気を、そ
この温度が上向き方向に低下するように加熱し、
上部雰囲気内で凝縮する揮発性分解生成物の落下
を、熱分解すべき重合物質の上方で妨害しかつ再
度蒸発させることを特徴とする有機重合物質を炭
素物体に転化する方法。 2 固体状態で熱分解することにより天然および
合成の有機重合物質を炭素物体に転化する炉の形
態の装置において、炉が垂直軸線を有する円筒形
またはプリズム形の構造を有し、真空密または気
密に閉止することができ、かつ揮発性分解生成物
用のパージガス供給管4および排気管5を設けた
加熱可能な反応容器1を具え、加熱装置14,1
5を、上記反応容器の上部13が、全く加熱でき
ないか、あるいは温度が上向き方向に段階的に低
下するように加熱できるか、あるいは熱分解すべ
き重合物質を収容する反応容器の下部12より低
い温度まで加熱できるような配置および/または
構造とし、凝縮可能な揮発性分解生成物用の少く
とも1個の頂部開放型捕集容器または捕集用円板
10を反応容器内側において熱分解すべき重合物
質の上方に配置し、上記捕集容器または捕集用円
板を、反応容器の上部と下部との間にガス通路が
残留するような構造としたことを特徴とする有機
重合物質を炭素物体に転化する装置。 3 加熱装置14,15を加熱容器の構造とし、
反応容器1を加熱容器から取出せるようにした特
許請求の範囲2記載の装置。 4 加熱装置14,15を電熱式とした特許請求
の範囲2または3記載の装置。 5 反応容器1の上部を加熱容器14,15から
突出させた特許請求の範囲2,3または4記載の
装置。 6 反応容器1の上部および/またはその蓋2に
冷却装置を設けた特許請求の範囲2,3,4また
は5記載の装置。 7 捕集容器または捕集用円板10を加熱できる
ようにしかつ/または断熱層を設けた特許請求の
範囲2,3,4,5または6記載の装置。 8 捕集容器または捕集用円板10を滑動できる
ように配置した特許請求の範囲2,3,4,5,
6または7記載の装置。 9 パージガス供給管4を捕集容器または捕集用
円板10の下方で反応容器内に開口させた特許請
求の範囲2,3,4,5,6,7または8記載の
装置。 10 排気管5を捕集容器または捕集用円板10
の上方で開口させかつ/またはその側壁に孔を開
けた特許請求の範囲1,2,3,4,5,6,
7,8または9記載の装置。 11 反応容器1の外側で排気管5に加熱装置8
を設けた特許請求の範囲2,3,4,5,6,
7,8,9または10記載の装置。 12 少くとも1個の温度測定装置6を反応容器
1の内側に配置した特許請求の範囲2,3,4,
5,6,7,8,9,10または11記載の装
置。
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