JPS63334A - 樹脂ボンド炭素成形品の製造方法 - 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〕 本発明は導電性の良好な樹脂ボンド炭素成形品の製造方
法に係わり、特に耐摩耗性に優れ、整流特性の安定した
樹脂ボンドブラシとして用いられる樹脂ボンド炭素成形
品の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、炭素質或は黒鉛質の繊維又は粉末を合成樹脂で結
合させた複合材料、いわゆる樹脂ボンド炭素材が、耐熱
構造材、電磁波遮蔽材、導電材、更に摺動部材として注
目されている、とりわけ、天然黒鉛粉末を合成樹脂で結
合した樹脂ボンドブラシは、人造黒鉛系ブラシに比べて
整流火花が３号高く、広い無火花帯を有し、摩耗量が１
７２〜Ｉ１５と低く、寿命が長いという長所もあるため
、脈流高圧補助電動機、例えば鉄道車両の補助電動機用
に実用化されている。その樹脂ボンドブラシ用の黒鉛と
して鱗片状天然黒鉛が用いられていることは周知である
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、灰分が高い天然黒鉛は硬質の灰分が軟質な黒
鉛中に包埋されているため、これをに１脂ボンドブラシ
として用いた場合：よ摺動面に切削状の溝が生成し、ｉ
’′ｉｔ摩耗性が低下するばかりでなく動的な特性が低
下する。また、粒径分布が１ヨエして広く、特に小径粒
子の多い黒鉛粉を用いると、表面積の増大に伴う樹脂の
バインダ不足に起因し、動的特性が一層低下する。そこ
で、耐摩耗性に優れ、動的特性の安定した樹脂ボンドブ
ラシには低灰分で粒径分布の狭い天然黒鉛が要求される
。

しかしながら、天然黒鉛は、自然に産出されたものは通
常灰分を２０〜９５％含むので脱灰処理が必要で、物理
化学的脱灰処理、天分蒸発のための黒鉛化処理等が行な
われているが、高純度品を得ることが困難である。しか
も、天然黒鉛は、大きく広がった炭素の六角網面が垂直
方向に積層した層状構造を持つ完全結晶に近い構造であ
るので結晶層面間で滑り易い性質がある。このような性
質があるため、粉砕に困難をきわめ、特に微径となると
、長時間をかけて複雑な粉砕工程を経て行うものである
から、粒径分布が広がり、粒径分布の狭い黒鉛粉末を得
るには、更に分級等の粒度調整を必要とする。このため
、天然黒鉛から製造した高純度で粒径分布の狭い黒鉛粉
は高価であるに加えて、高純度品が得難い状況にある。

他方、液晶ピンチ、いわゆるメソフェーズや気相成長熱
分解炭素から高純度で結晶性の高い黒鉛が製造されてい
るが、製造工程の複雑さに加えて、設備費の面からも高
価である。

ところで、分野を異にするのであるが、石炭を乾留した
コークスを製造する際、コークス炉の炭化室炉壁にカー
ボンが付着する。この付着カーボンはコークス押し出し
時の押しづまりや炉壁１員傷を惹き起こすので、従来は
、空窩時に定期的に播き出し、若しくは、焼落しされて
いた。このような訳であるから１、炉壁付着カーボンは
コークスの製造コストアップや炉命短縮の主因となる物
質としてコークス工業界では険悪されており、廃却せら
れていた。しかしながら、本発明者らは、炉壁付着カー
ボンが若干の天分を含有するものの、熱分解炭素を主成
分としているので易黒鉛化性の高純度炭素材であること
に着眼し、炉壁付着カーボンから高純度炭素材料を安価
に製造する方法を開発し、特開昭５９−１４１４０９号
に提案した。また、本発明者らは、同時に、石炭の乾留
時に副生ずる乾留ガスをコークス炉に４入し、炉壁に付
着カーボンを積極的に生成させ、付着カーボンから高純
度炭素材料を安価に製造する方法の提案も行っている。

本発明者らは、更に考究を重ねた結果、上記付着カーボ
ンを回収して黒鉛化処理した黒鉛が天然黒鉛に比べて容
易に粉砕できること、従って粒径分布の狭い黒鉛粉が容
易に製造できること、及びその黒鉛粉を樹脂で結着させ
た樹脂ボンド炭素成形品が良好な導電性、摺動性を有す
ることを見い出した。

そこで、本発明は上記利点を生かすべき研究開発された
もので、その目的とするところは、導電性、摺動特性に
優れた樹脂ボンド炭素成形品、特に耐摩耗性に優れ、整
流特性の安定した、安価な樹脂ボンドブラシの材料とな
る樹脂ボンド炭素成形品の製造方法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の要旨は次の２点にあ
る。その第１は、コークス炉の炭化室炉壁に生成する付
着カーボンを回収し、黒鉛化処理後粉砕した黒鉛粉末を
樹脂で結着させた樹脂ボンド炭素成形品の製造方法であ
り、その第２は、コークス製造過程で生成する乾留ガス
をコークス炉の炭化室に導入して、炭化室炉壁にカーボ
ンを付着生成させ、そのカーボンを回収し黒鉛化処理し
た後粉砕した黒鉛粉末を樹脂で結着させた樹脂ボンド炭
素成形品の製造方法である。

〔発明の具体例〕

本発明をさらに詳しく説明する。

コークス炉の炭化室炉壁への付着カーボンは、付着位置
により若干の品質偏析を有するが、熱分解炭素を９０％
以上含有し、真比重は２．０〜２．２ｇ　／　ｃＩｌｌ
、灰分は０．５〜１．５％で天然黒鉛や無煙炭のような
炭素材料に比較して不純物が少く、かつ石油コークスや
ギルツナイトに比較しても硫黄分や重金属を含まず、高
純度の炭素材料になり得ることが判明した。

また、付着カーボンの結晶子の大きさＬｃは３０〜４５
人であり、媒や、石炭質炭素、灰分等の不純物の混入量
によっても異なるが、１５００°Ｃ以上に熱処理を施す
ことにより、結晶子の大きさは大巾に成長する。また、
灰分ち１４００°Ｃ以上の熱処理を施すことにより蒸発
し、更に高純度の炭素材料になる。以上のようにコーク
ス製造過程で生成する炉壁の付着カーボンは、高純度の
炭素材料となるものの、若干の天分および熱分解炭素以
外の炭素質を含有する。これは、付着カーボン中にコー
クス製造原料となる石炭が混入するためである。

そこで、本発明者らは、さらに高品位炭素材料を得るた
めには、コークス炉での乾留ガスを利用することが有効
であることを見い出した。コークス製造過程で副生ずる
乾留ガスを、空窩保温中のコークス炉の炭化室に導入し
て炉壁にカーボンを積極的に付着せしめて得られる付着
カーボンは、はぼ完全な熱分解炭素で占められ、不純物
をほとんど含有しない極めて高純度の炭素材料で、結晶
子の大きさＬｃも５０人前後であり、特にこれを１４０
０℃以上、望ましくは１５００℃以上に加熱することに
より結晶子の大きさも大幅に成長することが明らかにな
った。乾留ガスの導入量は炭化室容量で変わり一概には
云えないが、少なすぎるとカーボン生成速度が遅く、多
すぎると導入ガスの加熱容量が多く不経済となる。以上
のように、コークス炉を利用することによって高品位炭
素材料が得られるのは、コークス炉が加熱炉としては、
極めて良好な均熱炉であり、加熱温度としては熱分解炭
素製造に適した１０００〜１２００°Ｃに保持され、か
つ大きく平坦な加熱面を有しているとともに、コークス
製造過程で生成する乾留ガスが、熱分解炭素製造用原料
ガスとして理想的なガス組成を有しているためであると
考えられる。

ここで、コークス炉の炉温としては、付着カーボンの回
収の際において温度低下によりレンガを傷めないために
は、最低炉温を９５０〜１０００℃とすることがよく、
またレンガの容積の点からは最高炉温を１３５０〜１４
００°Ｃとするのが望ましく、通常はカーボンを付着し
易くするために１１００〜１３５０°Ｃの範囲内に維持
するのが好ましい。

以上２種類の高純度炭素材料の製造法について説明した
が、次に、これらの高純度炭素材料を原料とした樹脂ボ
ンド炭素成形品、特に樹脂ボンドブラシを例にとり述べ
る。

コークス炉から回収された炉壁付着カーボンを１５００
°Ｃ以上、望ましくは２０００℃以上の温度で不活性雰
囲気下において再熱処理する。この再熱処理によって付
着カーボンは天分０．２％以下、ＬＣ６０Å以上の滑性
に富む高純度黒鉛となることが判明した。

次いで上記高純度黒鉛を通常は粗砕、中砕、微砕の順に
粉砕する。粉砕機としては、粗砕領域ではショークラッ
シャー、レイモンドミル、乾式ロールミルなどが用いら
れ、中砕領域ではボールミル、コニカルミル、ハンマー
ミルなどカ用いラレ、さらに微砕領域では湿式ロールミ
ル、コロイドミル、振動ミル、アトライターなど一般的
に天然黒鉛の粉砕に用いられている粉砕機が使用される
が、目標製品の品質によっては粗砕、中砕工程を省略し
てもよい。また、粉砕時間も天然黒鉛の場合の１７２〜
’１　／　１０に短縮できる。この理由は本発明に係る
高純度黒鉛の結晶性が天然黒鉛より若干劣るためである
と考えられる。さらに、本発明の高純度黒鉛粉は粉砕工
程が少なく、か９、粉砕時間が短いため、粒度分布が狭
く特別の分級を行なう必要がない。粉砕機の種類と組合
せ、さらに粉砕時間によっても異なるが通常は分級なし
で８０％以上が目標平均粒径±２０μｍ、例えば２０〜
６０μｍ（平均粒径４０μｍ）の範囲内に入る。

このようにして粉砕した黒鉛粉末を合成樹脂と混合し、
冷間成形した後加熱硬化処理を行なうか、加熱下で成形
硬化させた後、後硬化処理を行なうか、いずれかの方法
により樹脂ボンドブラシとなし得る。黒鉛粉末の混合比
率は７０〜９０％であり、望ましくは７５〜８５れ％で
ある。黒鉛粉末が７０ｗｔ％以下の場合には、最終製品
の電気抵抗が高くなるととも整流特性が不安定になり、
黒鉛粉末が９０ｗｔ％以上の場合にはバインダー星の不
足による強度低下が生じ好ましくないからである。

結着材用の合成樹脂としては通常耐熱性の観点から、耐
熱性に優れた樹脂、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂
、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、ビスマレイミドトリ
アジン樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂の外、ナイロ
ン６、ポリフェニレンスルファイド、芳香族スルホン、
芳香族ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテルエーテ
ルケトン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。

次いで冷間成形法の一例を述べる。上記黒鉛粉末とフェ
ノール樹脂、さらに必要に応じて座乗性（摺動接触安定
性）および電圧−電流特性の改善のために微量の半導体
油を配合する他、滑剤としてステアリン酸、あるいはス
テアリン酸のカルシウム、亜鉛、マグネシウム塩などや
カルナバワックスなどを０．１〜２ｗｔ％添加した後、
Ｚ型ニーグーを用いて６０〜１００℃で１〜２時間混和
する。

この時、フェノール樹脂を、予め溶媒、例えばエタノー
ル、メタノール、アセトン、クロロホルムで希釈したも
のを用いることもできる。次いで、上記混和物を２軸形
ローラーを用いて更に混和した後、約５０℃の温風を１
０〜２０時間通気させて乾燥する。乾燥した混和物を約
４０〜８０μｍの粒度になるまで粉砕した後、成形金型
に仕込み、続いて成型圧１〜３ｔ／ｃｎ！で成形する。

次に成形体を金型から取出し、１０〜２０時間かけて１
５０〜２００℃まで昇温し、１５０〜２００°Ｃで１０
〜２０時間保持して硬化処理した後、室温まで放冷し、
望む形状に整形加工して樹脂ポンドブラシを得る。

以上は冷間成形であるが熱間成形法においては、黒鉛粉
末とフェノール樹脂、更に必要に応じて滑剤を加え、乾
式混合した後、混合物を成形金型に仕込み、１５０〜２
００℃の温度で５０〜１２０ｋｇ／−の加圧下のもとに
おいて１０〜６０分間加熱した後、冷間成形法と同様な
条件で後硬化、更に整形加工して樹脂ボンドブラシを製
造する。

〔実施例〕

以上具体例について説明したので、次いで実施例につい
て説明する。

（実施例１） 水分８．３％、揮発分２９．７％の装入炭を炉温１２６
０℃、負荷率１２０％で操業中のコークス炉において、
３ケ月に１度の空窩焼落し時に、炭化室炉壁に付着した
カーボンを窯口より突棒で回収し、それらの一部を２８
００℃の温度で再加熱処理して黒鉛を製造した。

この黒鉛の性状は下記の通りである。

真比重：　２．１５　ｇ／ｃｄ、　　Ｌｃ　　：　１０
００人天　分：０．２％、硫黄分：０．０２％この黒鉛
を振動ミルで２分間粉砕したところ、平均粒径４０μｍ
で、８０％以上が２０μｍ〜６０μｍの範囲にある黒鉛
粉末が得られた。この黒鉛粉末８０重量部とノボラック
型フェノール樹脂粉末２０重量部およびステアリン酸カ
ルシウム０、１重量部の混合物を乾式混合した後、成形
金型に仕込み、５°Ｃ／分の昇温速度で加熱し、８２℃
から１８０℃までの加熱過程においては８０ｋｇ／ｃｄ
で加圧し、さらに８０ｋｇ／ｃｆｆｌの加圧下で１８０
℃を維持して６０分間加圧加熱した後、室温まで放冷し
、金型から成形品を取り出した。この成形品を乾燥機に
入れ、１５時間かけて室温から１８０℃まで昇温し、１
８０℃で１０時間の後硬化処理を施した後、室温まで放
冷して樹脂ボンド炭素成形品を得た。この樹脂ボンド炭
素成形品の物性は下記の通りである。

曲げ強度　　　　　４５０　ｋｇ／ｃｒＡ嵩比重　　　
　　　１．８１ 電気比抵抗　　　　７７００μΩａｍ 摩擦係数　　　　　０．２３ この樹脂ボンド炭素成形品を整形加工して電動機に取付
け、１ケ月間運転したところ、整流特性は安定して良好
で、１ケ月後の摩耗景はＱ、３１ｍで、摩擦面は平滑で
あった。

（実施例２） 炉温１２１０℃の空窩保温中のコークス炉の炭化室に、
コークス製造過程で生成する乾留ガスをコークサイドの
炉蓋下部より、流量３０　ＯＮｍ’／Ｈｒの吹込み量で
炭化室内に導入した。そのときの乾留ガスの組成は第１
表に示す通りである。

第　　　１　　　表 そして、上記ガスをマシンサイドに設置されている上昇
管より排出しながら、炭化室炉壁にカーボンを付着させ
た。この状態で１ケ月間カーボン付着テストを′ｍ続し
て行ない、次いで乾留ガスに替えて少量のＮ２ガスを吹
込みなから炉壁を１０００℃まで低下させた。その結果
、付着カーボンは炭化室の炉壁レンガとの熱膨張率差に
より剥離し、炉底に脱落した。これらの剥離カーボンを
回収し、２５００℃の温度で再熱処理したところ、黒鉛
の性状は以下の通りであった。

真比重：　２．１４　ｇ／ｃｒｌ、　Ｌｅ　　：　６４
０人灰　分：０．０％、　硫黄分：０．００％これらの
黒鉛を実施例１と同様に粉砕したところ、平均粒径３４
μｍで、そのうち８０％以上が１４μｍ〜５４μｍの範
囲にある黒鉛粉末が得られた。この黒鉛粉末７５重量部
とノボラック型フェノール樹脂２５重量部、半導体油０
．１重量部、ステアリン酸０．１重量部、メタノール１
００重量部を加えた混合物をＺ型ニーダにて、８５℃、
１時間混和した後、２軸型ローラーを用いてギャップ２
ｍｍで２回掛は混和した。この混和物を乾燥機に入れ、
５０℃の温風を５ｍ／ｓｅｃの風速で１５時間流通して
乾燥させた後、粒度分布が４０〜８０μｍになるように
粉砕して成形金型に仕込み、室温、かつ２ｔ／ｃ＋＋！
の加圧下で成形した。次いで金型から取出した成形品を
乾燥機に入れ、１５時間かけて１８０℃まで昇温し、さ
らに１８０°Ｃで２０時間加熱して硬化処理した後、室
温まで放冷した。この樹脂ボンド炭素成形品の物性は下
記の通りである。

曲げ強度　　　　　４６０ｋｇ／ｃｎｌ嵩比重　　　　
　　１．８０ 電気比抵抗　　　　７６００μΩｃｍ 摩擦係数　　　　　０．２２ この樹脂ボンド炭素成形品を整形加工して実施例１と同
一の電動機に取り付け、１ケ月間運転したところ、整流
特性は安定して良好で、１ケ月後の摩耗量は０．７　ｍ
ｍ、摩擦面は平滑であった。

（比較例） 粒径分布１〜５０μｍ、平均粒径３０μｍで灰分２％、
揮発分１％の市販鱗片状天然黒鉛粉を２５００℃で脱灰
処理したところ、灰分０．２、揮発分０．０％の黒鉛粉
が得られた。この脱灰処理した天然黒鉛粉を実施例２の
黒鉛粉末の替りに用いて実施例２と同一条件で樹脂ボン
ド炭素成形品を製作した。この樹脂ボンド炭素成形品の
物性は下記の通りである。

曲げ強度　　　　　４２０　ｋｇ／ｃｏ！嵩比重　　　
　　　１．８２ 電気比抵抗　　　　７８００μΩロ 摩擦係数　　　　　０．２５ この樹脂ボンド炭素成形品を整形加工して、実施例１と
同一の電動機に取り付け、１ケ月間運転したところ、整
流特性は安定して良好であったが、１ケ月後の摩耗量は
１．９龍で、摩擦面には切削状の溝が観察された。

〔発明の効果〕

以上のことから明らかなように、本発明による樹脂ボン
ド炭素成形品は、耐摩耗性に優れ、整流特性の安定した
品質の高いものであり、しかも安価に製造できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）コークス炉の炭化室炉壁に生成する付着カーボン
   を回収し、黒鉛化処理して得られる炭素材を樹脂で結着
   させることを特徴とする樹脂ボンド炭素成形品の製造方
   法。
2. （２）コークス製造過程で生成する乾留ガスをコークス
   炉の炭化室に導入して炭化室壁にカーボンを付着生成さ
   せ、該カーボンを回収し、黒鉛化処理して得られる炭素
   材を樹脂で結着させることを特徴とする樹脂ボンド炭素
   成形品の製造方法。