JPS6351467A - 高純度カ−ボンブラツクの製造方法 - 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、高純度金属（半金属を含む）製造用還元剤や
高純度金属（半金属を含む）炭化物製造用炭素原料等に
使用される高純度カーボンブラックの製造方法に関する
。

〈従来の技術〉 高純度カーボンブラックは、天然ガス（主成分はメタン
）およびアセチレン等の炭化水素ガスを原料として、そ
の熱分解または部分酸化（不完全燃焼）により製造され
る。市販の高純度カーボンブラックに不純物として含ま
れる灰分は１００〜６００　ｐｐｍ程度であり、高純度
のシリコン、クロムまたはベリリウム−銅合金などの製
造用還元剤や高純度のタングステン、タンタル、チタン
またはバナジウムなどの金属炭化物製造用炭素原料とし
て使用されている。このほか、導電性を利用して乾電池
基材、導電性ゴム、プラスチック用材料としても使用さ
れている。

ところで、例えば日本化学会編化学便覧応用編（１９８
０年）丸首、Ｐ、１２７〜１２９に開示されているよう
に、従来の高純度カーボンブラック製造工程においては
、炭化水素ガスの熱分解または部分酸化反応を８００〜
１５００℃で行わせるための耐火性反応室、カーボンブ
ラック使用時のハンドリング性改善のための湿式造粒装
置、および耐食性構造材料としてのステンレス鋼材料等
を必要としている。そのため、従来の方法で製造された
高純度カーボンブラックは、冷却水または装置材料に起
因するＡ　１１　、　Ｃａ、　Ｃｒ、　Ｆｅ、　Ｍｎ、
　Ｎａ、　Ｎｉ、　Ｔｉ、などの不純物元素のため、灰
分を数百ｐｐｍ程度含有していた。また、反応室から排
出されるカーボンブラックが極めて微粒であるため、そ
の捕集に、サイクロン、バックフィルター等を多段に組
合せる必要があり、これらの装置材料からの不純物混入
の機会が多く、灰分の含有率を押し上げる結果となって
いた。

しかるに、高純度金属または金属炭化物製造用原料（こ
こで、金属とは半金属も含む）として使用されるカーボ
ンブラックの灰分の含有率は数百１）ｐ［０より低い値
を要求される場合が多い。

−例として、シリカの熱炭素還元により太陽電池縁シリ
コンを製造するためには、還元剤として灰分が数計ｐｐ
ｍ以下の高純度カーボンブラックを使用する必要がある
。

このため、従来の高純度カーボンブラックを高純度金属
または金属炭化物製造用原料として使用する場合、酸浸
出法などの前処理によりカーボンブラックを精製しなけ
ればならず、原料コストがかさむという欠点があった。

また、前述のように、カーボンブラック使用時のハンド
リング性を改善するのに造粒過程が必要であるため、こ
の造粒過程における装置材料により汚染されるという欠
点もあった。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、かかる従来の高純度カーボンブラック
製造方法の問題点である純度の不足およびハンドリング
性改善時の汚染を解消し、より高純度でハンドリング性
の良いカーボンブラックを安価に製造できる技術を提供
することにある。

〈発明の構成〉 本発明者らは高温流動層に着目し、高純度カーボンブラ
ック粒子を熱媒体に選び、当該粒子の高温流動層にメタ
ン、プロパン、アセチレン等の炭化水素ガスを吹き込む
と、炭化水素ガスの熱分解または部分酸化により、成長
したより高純度のカーボンブラック粒子が連続的に得ら
れることを見いだし、本発明に至ったものである。

すなわち、本発明は炭素水素ガスの熱分解または部分酸
化により高純度カーボンブラックを製造する方法におい
て、カーボンブラック粒子の流動層に炭化水素ガスを吹
き込むことにより該カーボンブラック粒子の表面に生成
炭素を析着させることを特徴とする高純度カーボンブラ
ックの製造方法を提供するものである。

従って、本発明の要件は、高純度カーボンブラック粒子
か流動化している流動層を炭化水素の熱分解または部分
酸化反応に必要な実用的温度に維持すること、および前
記高温流動層に流動化条件を維持しつつ炭化水素の熱分
解または部分酸化反応を進行させるのに必要な流量およ
び組成の炭化水素ガス等を供給することである。

次に、本発明に係る高純度カーボンブラックの製造方法
を実施するのに用いられる装置を添付の図面に示す好適
実施例につき詳細に説明する。

第１し１は、本発明を実施して高純度カーボンブラック
を製造するのに使用される高温流動層型装置の一例を示
す概略図である。

高温流動層型装置１は装置本体１０、ガス供給装置２０
、加熱装置３０等から構成されている。

装置本体１０は反応管１１を有しており、この反応管１
１内にはカーボンブラック粒子を成長させるためのカー
ボンブラック流動層１２が形成されている。反応管１１
の下部には流動化ガス２１を供給する流動化ガス供給管
１３が配設され、カーボンブラック流動層１２の下底部
を構成する分散板１４を通してカーボンブラック流動層
１２に連通ずるよう構成される。

反応管１１の下方側部には、原料ガス２２を供給するた
めの原料ガス供給管１５と、成長したカーボンブラック
粒子を取り出すための粒子排出口１６とがカーボンブラ
ック流動層１２と連通ずるよう配設される。ここで原料
ガス供給管１５の先端の原料ガス供給口１５ａは反応管
１１の中心に上向に配設するのが良い。

粒子排出口１６は分散板１４より上部に、かつ原料ガス
供給口１５ａより下部に配設するのが良い。反応管１１
の上方にはカーボンブラック流動層１２を形成させるた
めに、予め、反応管１１にカーボンブラック粒子を装入
するための粒子供給口１７と排ガスを導出するための排
ガス排出口１８が配設される。

ここで反応管１１の材質としては、一般的には高純度黒
鉛が用いられるが、目的に応じて他の材料も用いること
ができる。例えば、高純度シリコン製造用退元剤を製造
する場合には、高純度黒鉛のほか高純度石英または炭化
珪素製反応管も使用することができる。

ガス供給装置２０は流動化ガス２１および原料ガス２２
の流量を調節するためのガス流量調整器２３．２４を有
しており、ガス流量調整器２３および２４はそれぞれ流
動化ガス供給管１３および原料ガス供給管１５に連通し
ている。

流動化ガス２１の主成分としては不活性ガスを用い、特
にアルゴン、窒素等が好適である。また炭素生成を部分
酸化により行う場合には、不活性ガスに酸素台をガスを
混合したものを流動化ガスとして供給してもよい。

原料ガスとしては炭化水素カスを用いる。炭化水素ガス
とは炭化水素自身のガスあるいは炭化水素含有ガスをも
広く意味する。また、原料ガス２２の主成分はプロパン
、ブタン、アセチレン、メタン、天然ガス等の炭化水素
である。炭化水素ガスがプロパンの場合、熱分解および
部分酸化反応はそれぞれ（１）および（２）式で表され
る。

Ｃ３Ｈ８−一→３Ｃ＋４Ｈ２（１） Ｃ３Ｈａ　＋２０□→３Ｃ＋４Ｈ２０（２）（１）式の
熱分解反応速度は比較的大きく析出炭素が反応管に付着
しやすいため、原料ガス２２として炭化水素に水素や希
釈用の不活性カスを混合したものを用いてもよい。

加熱装置３０は加熱用電源３１と発熱体３２とを有して
おり、発熱体３２は反応管１１内のカーボンブラック流
動層１２を効率よく加熱できるよう反応管１１の外側に
配設される。発熱体３２は原料ガス２２中の炭化水素の
熱分解または部分酸化に必要な８００〜１５００℃程度
の温度までカーボンブラック流動層１２を加熱できるも
のであれば何でもよい。

以上、本発明の方法を実施するのに用いられる高温流動
層型装置について詳細に説明したが、本発明の方法を実
施するのに用いられる装置はこれに限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改
善並びに設計の変更が可能なことは勿論である。

〈発明の作用〉 本発明に係る高純度カーボンブラックの製造方法を実施
するのに用いられる高温流動層型装置は基本的には以上
のように構成されるものであり、その作用について説明
する。

装置本体１０の反応管１１内には高純度カーボンブラッ
ク粒子が装入されており、これに流動化ガス２１をガス
流量調整器２３によって流量を調整しつつ、流動化ガス
供給管１３、分散板１４を経由して吹き込むことにより
カーボンブラ・ンク流動層１２が形成される。この時カ
ーボンブラック流動層１２は、加熱用電源３１および発
熱体３２により、原料ガス２２中の炭化水素の熱分解ま
たは部分酸化に必要な８００〜１５００℃程度の温度ま
で加熱される。この加熱されたカーボンブラック流動層
１２に原料ガス２２をガス流量調整器２４、原料ガス供
給管１５を経由して原料ガス供給口１５ａから供給する
。このカーボンブラック流動層１２に供給された炭化水
素ガスは熱分解または部分酸化反応により炭素となって
析出する。

この析出炭素は流動層を形成しているカーボンブラック
粒子の表面に付着堆積するので、最初に粒子供給口１７
より装入されたカーホンブラック粒子は次第に成長して
粒径およびｌＪｊ　Ｑを増していく。この成長した粒子
はカーホンブラック流動層１２の下部に移動し、最後に
は粒子排出口１６を経て装置本体１０より取り出される
。

この時５本発明法では流動化ガス量を調節して適当な流
動化条件に維持することにより、所望の粒子径に成長し
た粒子を得ることかできるので従未決におけるような、
複雑な捕集装置や、造粒工程を要しない。

また、本発明法では熱媒体たる高純度カーボンブラック
粒子は上記流動層の運転の初期には、予め、層内に添加
しておくが、炭化水素ガスの吹き込みを行い、流動層内
部で析出するカーボンブラック粒子が前記の熱媒体の役
割を果たすと、熱媒体用のカーボンブラックの補給が少
ないか、あるいは全くない状態でも、連続してカーボン
ブラックの製造が可能である。

〈実施例〉 本発明を実施例について具体的に説明する。

粒径範囲が２９７〜５００−１平均粒径が４０８−の市
販の高純度カーボンブラック粒子１２１０ｇを内径９８
■の石英製反応管に充填し、１０００℃に昇温して、流
動化ガスのアルゴンａ　ｆａ　７．５　Ｉｌ／ｗｉｎ、
原料ガスのプロパン流量１、（ＩＱ　／ｍｉｎにて１０
時間、熱分解による高純度カーボンブラックの生成を実
施した。

その結果、高純度カーボンブラック粒子の総重量は１９
５０ｇ、平均粒径は４７８−となった。

これより、炭素収率は８２．２％であった。

得られた高純度カーボンブラック粒子の分析を行ったと
ころ、第１表に示すように、主要な８元素の分析値は充
填に用いた元のカーボンブラック粒子の分析値に比べて
１／２〜２／３に減少していた。計算により、析着炭素
は市販のカーボンブラックより純度が高く、灰分か１０
ｐｐｍより低いレベルにあることが確認された。

第　　１　　表 〈発明の効果〉 以上詳細に説明したとおり、本発明の高純度カーボンブ
ラック製造方法は、カーボンブラック粒子を熱媒体とす
る流動層に炭化水素ガスを吹き込むことによりカーボン
ブラック粒子の表面に生成炭素を析着させるため、 ■冷却水が不要で装置材料による汚染の可能性が少ない
、 ■汚染を伴うことなく顆粒化したものと同程度の粒径の
粒子が得られる、 という特徴を有する。

また、本発明によれば、運転の初期には熱媒体として流
動層内に予め高純度カーボンブラック粒子を添加する必
要があるが、炭化水素ガスの吹き込みによって流動層内
に析出する高純度カーボンブラック粒子が前記熱媒体の
役割を果たすようになるので、カーボンブラックの補給
が少ないかあるいは全くなくても連続して高純度カーボ
ンブラックの製造が可能である。

すなわち、本発明の方法により得られる高純度カーボン
ブラックは、従来法によるものより純度が高く、特製な
どの面処理を必要としない。

また、本発明によれば、前記流動層内の流動化条件を容
易に調整できるため、所望の粒子径に成長した高純度カ
ーボンブラックを得ることができる。このため、従来法
におけるような、複雑な捕集装置や造粒工程を要せず、
使用時のハンドリング性のよい高純度カーボンブラック
を得ることができる。

したがって、本発明法による高純度カーボンブラックは
、特に高純度が必要とされる高純度金属または金属炭化
物製造用原料として好適である。

さらに、本発明によれば製造工程が簡単であり、原料の
炭化水素ガスの種類を適当に選ぶことにより、安価に高
純度カーボンブラックを製造できる。

以上に述べたとおり、本発明によれば高純度金属または
金属炭化物その他原材料の製造において高性能化および
低コスト化を図ることができるばかりでなく、条件を適
当にコントロールすることにより、導電性材料等の用途
にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法により、高純度カーボンブラッ
クを製造するのに使用される高温流動層型装置の一例を
示す線図である。 符号の説明 １・・・・高温流動層型装置、 １０・・・・装置本体、　　１１・・・・反応管、１２
・・・・カーボンブラック流動層、１３・・・・流動化
ガス供給管、 １４・・・・分散板、 １５・・・・原料ガス供給管、 １５ａ・・・・原料ガス供給口、 １６・・・・粒子排出口、 １７・・・・粒子供給口、１８・・・・排ガス排出口、
２０・・・・ガス供給装置、 ２１・・・・流動化ガス、２２・・・・原料ガス、２３
．２４・・・・ガス流量調整器、 ３０・・・・加熱装置、　３１・・・・加熱用電源、３
２・・・・発熱体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素水素ガスの熱分解または部分酸化により高純
   度カーボンブラックを製造する方法において、カーボン
   ブラック粒子の流動層に炭化水素ガスを吹き込むことに
   より該カーボンブラック粒子の表面に生成炭素を析着さ
   せることを特徴とする高純度カーボンブラックの製造方
   法。