JPS6350366A - 低ガス透過性緻密炭素材及びその製造方法 - 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】 ［発明の分野］ 本発明は低ガス透過性の緻密炭素材及びその製造方法に
係る。

［発明の背景］ 近年、炭素質材料充填材と炭化可能な結合材を組み合わ
せて成形し、焼成して全体として炭素化した炭素材が種
々開発されており、特にその素材としての耐熱性、１ｌ
ｉ１食性、導電性１強１哀等の物性に汀目してその用途
は拡大されつつある。

炭素材は上記のような物性の他に、炭素繊維を基材どし
たり、炭化可能な細孔調節剤を配合して成形したつづる
こと、あるいは結合材自体の焼成時のガス化等により、
容易に多孔性を保有させられるのでその性質を利用した
用途が多い。

一方、前記のような物性に加えて、上記のような多孔性
ではなく緻密質であって即ち低ガス透過性である炭素材
が要求されることも産業上多いが、上記の通り炭素材は
本来多孔性を保有し易いものであることから現在までに
知られている緻密炭素材の種類は限られてＪ５す、従っ
て低ガス透過性を保有すると同時に良好な加工性や良好
な収率で製造し得ること等、産業上好ましい性質を合わ
せ持つ緻）ぞ炭素材に対する要求は依然として高いもの
があるのが現状である。

［従来の技術］ 従来、ガス透過性の低い緻密炭素材を得るためには、１
ｍ密質の炭素材にざらに樹脂を含浸していた。しかしな
がらこのような炭素材では樹脂がそのまま残存している
ので耐熱性及び耐薬品性の点で問題があった。

また上記の緻密質の炭素材に樹脂を含浸したものをさら
に焼成したものは、上記のような問題は解決し得るもの
の、低いガス透過性を得るためには含浸焼成を何回ら繰
り返す必要があり、製造コストが極めて高くなってしま
う。

一方、グラッシーカーボン充填材と結合材を混合して成
形、焼成した緻密炭素材も知られているが、この炭素材
は非常に硬く、極めて加工性の悪いものである。またこ
の炭素材は焼成時に発生するガスによる割れ、歪みの発
注率が高く、特に肉厚のものは収率よく生産し得ないと
いう欠点も有していた。

［発明の目的］ 本発明の第１の目的は、加工性が良くガス透過係数がＩ
Ｘ　１Ｏ−６ｄ　／　ｃｉ　・ｈｒ　Ｉ　ｍ　Ａ　Ｑ以
下と殆んどガスを透さず、曲げ強度が３００Ｋｇ／　ｄ
以上、熱伝導率が３　Ｋｃａｌ／ｍ　−ｈｒ−’Ｃ以上
及び電気抵抗が１０■Ω・口以下という良好な物性を有
し、しかも製造時に割れやクラックの発生のない緻密炭
素材を提供することである。

本発明の第２の目的は、上述のような優れた特性を有す
る緻密炭素材を、樹脂の含浸、焼成等を繰り返すような
複雑な工程を必要としない、材料の混練、加圧成形及び
−回の焼成によって製造し得る、工業的にも好ましい緻
密炭素材の製造方法を提供することである。

本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意検討し
た結果、 ■　加工性の良い緻密炭素質を得るためには、炭素質充
填材として天然又は人造黒鉛粒子を使用すればよいこと
、 ■　低いガス透過度を得ることを目的として充填材粒子
間の空隙部を小さくするためには、充填材の平均粒子径
を一定値以下にすればよいこと、■　更に低いガス透過
度を得るためには、充填材粒子間の空隙部番にフェノー
ル樹脂のような結合材を充満さゼればよいこと、 を見い出し、本発明を完成した。

し発明の構成］ 本発明は、平均粒径３０尾以下の人造黒鉛又は天然黒鉛
充填材と結合材由来炭素質から成るｍ密炭素材であって
、緊密に集合した黒鉛充填材粒子の間隙に結合材由来炭
素質が存在する構造を有し、高密度が１．６ｇ／ｃｃ以
上、ガス透過率がｌＸ１Ｏ−６ｉ／Ｃｉ・ｈｒ−Ｉｔｌ
ＩｔＡｑ以下、曲げ強度が３００８Ｉ／ｃｍ以上、熱電
導率が３　Ｋｃａｌ／７１’Ｌ　−ｈｒ・℃以上及び電
気抵抗が１０　ｌΩ・α以下の物性を有することを特徴
とする緻害炭素材である。

また本発明は、上記の緻密炭素材の￥ｉ造方法であって
、平均粒径３０．ｃｉａ以ドの人造黒鉛又は天然黒鉛充
＊材５０〜７０重量％と結合材３０〜５０重φ％を混練
し、５０〜３００Ｋｇ／ｃｉＧの圧力、１１０〜１７０
℃の温度で加圧成形し、その後８００℃以上で焼成する
ことからなる緻密炭素材の製造方法も提供りる。

［詳細な説明］ 本発明の緻密炭素材は、平均粒径３０−以下の黒鉛充填
材と結合材由来炭素質から成り、緊密に集合した黒鉛充
填材粒子の間隙に結合材由来炭素質が存在する構造を有
している。

本発明の緻蕃炭素材の断面を偏光顕微鏡下に観察すると
光学的に異方性を示す黒鉛粒子部分及び該黒鉛粒子間に
存在する光学的に等方性を示す部分と若干の気孔部分が
見られる。黒鉛粒子はいわゆる六方網面の積層構造から
なっており、光学的異方性を示Ｊが、結合材由来炭素質
部分はそのような結晶構造は発達しておらず、従って光
学的には等方性を示す。

本発明の緻密炭素材断面において、上記光学的異方性部
分の面積は全炭素質断面積に対して４０〜８０％、光学
的等方性部分の面積は同じり２０〜６０％である。尚、
気孔部分面積は炭素打所面積の１２％以下である。

以下、本発明の緻密炭素材の製造方法及び材料について
記載する。

本発明に使用する黒鉛充填材粒子は人造、天然いずれの
ものであってもよく、３０−以下の平均粒径を有するも
のである。この平均粒径は黒鉛を任意の方法で粉砕して
得ることができる。

上記の平均粒径の黒鉛粒子を使用すると粒子間の間隙が
十分に小さくなり、該黒鉛粒子と混合されて加圧成形さ
れた時に該間隙に含まれる結合材が焼成時に炭化して該
間隙を実質的にクローズドボア化し得るものとなる。

本発明の炭素材の断面を想定し、便宜的に粒子を円で表
わした平面モデルで考えると、黒鉛粒子に相当する直径
Ｒの互いに接する３つの円で囲まれる部分の中で前記３
つの円に接する円の直径はＲ（２−５）／Ωで計算され
、即ち黒鉛粒子径Ｒの約１７６である。従って充填材粒
子の粒度分布において直径Ｒにピークを右づるものに、
さらに約１／６Ｒの粒径の粒子が多数存在すれば直径Ｒ
の粒子の間に形成される間隙が充頃すれ易くなる。言い
換えれば、粒度分布において３０ＪＪＩＲ以下の１つの
粒径と該粒径の約１７６の粒径の２つの粒径にピークを
有する充填材粒子を使用すると粒子間の間隙を少なくし
得るのに好都合であり、クローズドボア化を促進し得る
ものである。

結合材は８００℃で焼成して実質的に炭素化し１が、充
填材と混練して加圧成形した際に緊密に集合した黒鉛充
填材粒子間の間隙に密に存在し得る形状を取り得るもの
であれば任意のものを使用しｇＩるが、上述のクローズ
ドボア化の観点からは８００℃以上で焼成したときの炭
化率が５０％以上であるものが好ましい。

本発明の緻密炭素材を含め、炭素材は一般に材料を混練
した後加圧成形して焼成される。加圧成形は押し出し、
ロール成形、金型ブレス等により行なわれるが、いずれ
も加圧成形後圧力を解放づると、原料混合物中に含まれ
る随伴ガスの膨張等、して弾性回復が起って成形材が変
形し、結末として充填材粒子間の間隙が大きくなる。本
発明においてはこのような弾性回復は前記のり［１−ズ
ドボア化を防げる。

上記の理由から、本発明に使用する結合材は加圧成形時
に硬化して上記のような弾性回復を防止し得るものが好
ましく、例えばフェノール樹脂。

エポキシ樹脂、フラン樹脂のような熱硬化性樹脂が好ま
しく、特にフェノール樹脂が好ましい。

以下に本発明の炭素材の製造方法を記載する。

前記の、本発明の炭素材の原料となる黒鉛充填材と結合
材の混合物の組成は、黒鉛充填材が５０〜７０重量％、
好ましくは５５〜６５重遣％、結合材が３０〜５０重量
％、好ましくは３５〜４５重堵％である。

上記の原料混合物を通常のブレンダーで混練した後、加
圧成形する。加圧成形は混練した原料混合物を所望形状
の金型に供給してプレスする等、任意の方法で行い得る
が、製品の均質性の点からは、原料混合物を押出機で混
練した後、Ｔダイを経てシート状に押し出し、所望であ
ればロールにより延伸した復、加圧成形するのが好ま（
〕い。

加加圧形の条件は圧力５０〜３００にＱ／ｃｉＧ、好ま
しくは１３０〜１７０　Ｋ９　／　ｃｉ　Ｇ　、温度１
１０〜１７０℃、好ましくは１４０〜１５０℃、圧力保
持時間１〜６０分である。

加圧成形を終えたものを８００℃以上で焼成し本発明の
緻密炭素材を得る。

焼成時に急激に温度を上昇させると、結合材の炭化に伴
うガスの発生が急激に起り、前記の充填材間隙のクロー
ズドボア化を阻害するので昇温は徐々に行なうことが好
ましく、特に８００℃に達するまでの温度範囲において
そのようにすることが好ましい。具体的には８００℃ま
では昇温速度を５”Ｃ／　ｈｒｌ＆度、それ以上の温度
では１０〜ｂ程度とすることが好ましい。

［発明の効果１ 以上のようにして得られる本発明の緻密炭素材はガス透
過係数がＩＸ　１０’ａｅ　／　ｃｉ・ｈｒ　ｅ　ｍ　
Ａ　Ｑ以下と殆んどガスを透さず、曲げ強度が３ＱＯＫ
ｇ／ｉ以上、熱伝導率が３にＣａｌ／ＴｒＬ−ｈｒ・℃
以上及び電気抵抗が１０ＩＩｌΩ・ｃｒａ以五という優
れた特性を示し、更には充填材として平均粒径３０−以
下の黒鉛粒子を使用したので極めて加工性が良い。

また本発明の緻密炭素材は、樹脂の含浸及び焼成を繰り
返づような繁雑であり、且つ製造コストが高くなる工程
ではなく、原料の混練と加ｈ−成形、及び１回の焼成に
より製造し得る。

従って本発明は、上記のような優れた特性を有する炭素
材を工業的に好ましい製造方法により提供し１４Ｊ　、
得られた炭素材は、燃料電池用炭素材、二次電池用炭素
材原子炉用黒鉛材等としての用途に特に有用である。

［実施例］ 以下、本発明を実施例により詳述づるが、本発明は下記
の実施例に限定されるものではない。

人造黒鉛（オリエンタル産業（株）製、Ａ−３０Ｇ　）
　６５ｖｔ％とフェノール樹脂（胆石機材（株）製。

ＲＭ　−２１０）３５ｗｔ％とを羽根角ブレンダーで涙
金した原料を１７０ｍｍｘ　１７０Ｉｆ１ｍの金型に供
給し、１４０°ＣＣ１１５Ｂ／　ｃｉ　Ｇ　、圧力保持
時間３０分でプレス成形した。その後５℃／ｈｒで８０
０℃まで焼成し、更に１００℃／ｈｒで２０００℃まで
焼成した。

得られた緻密炭素Ｈの物性を、従来のグラッシーカーボ
ン系の緻密炭素材の物性と共に下記表１に示す。

表　　　　１ 本発明の緻密炭素材は従来のグラッシーカーボン系の緻
密炭素材と同等のガス透過性及びその他の物性を示す。

また、上記と同じ本発明の緻密炭素材と従来の緻密炭素
材の試料を、２５０φ、１．２「ダイＡ７モンドブレー
ドを１５００ｒｐｍで回転させて切断し、試料の送り速
度と、切断面性状を比較することにより各試料の加工性
を比較した。

結果を下記表２に示す。尚、表中切断面不良とは切断面
にはじけるような割れが表層に生じた状態をいうもので
あり、数値は試料の送り速度＜ｍｍ／１ｎ）である。

表　　　　２ 上記の結果は、本発明の緻密炭素材の加工性が極めて優
れていることを示している。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均粒径３０μｍ以下の黒鉛充填材と結合材由来
   炭素質から成る緻密炭素材であって、緊密に集合した黒
   鉛充填材粒子の間隙に結合材由来炭素質が存在する構造
   を有し、高密度が１．６ｇ／ｃｃ以上、ガス透過率が１
   ×１０＾−＾６ｍｌ／ｃｍ＾２・ｈｒ・ｍｍＡｑ以下、
   曲げ強度が３００ｋｇ／ｃｍ＾２以上、熱伝導率が３Ｋ
   ｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以上及び電気抵抗が１０ｍΩ・ｃ
   ｍ以下の物性を有することを特徴とする緻密炭素材。
2. （２）平均粒径３０μｍ以下の黒鉛充填材５０〜７０重
   量％と結合材３０〜５０重量％を混練し、５０〜３００
   Ｋｇ／ｃｍ＾２Ｇの圧力、１１０〜１７０℃の温度で加
   圧成形し、その後８００℃以上で焼成することを特徴と
   する緻密炭素材の製造方法。
3. （３）結合材が、８００℃で焼成した時の炭化率が５０
   ％以上であるフェノール樹脂であることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）黒鉛充填材の粒度分布が、３０μｍ以下の粒径の
   一つのピークと該粒径の約１／６の粒径のもう一つのピ
   ークを有することを特徴とする特許請求の範囲第２項〜
   第３項のいずれかに記載の方法。
5. （５）黒鉛充填材と結合材を混練機により混練した後、
   押し出し及びロール成形によりシート状に成形し、その
   後加圧成形することを特徴とする特許請求の範囲第２項
   〜第４項のいずれかに記載の方法。