JPS61270205A - カ−ボンフオ−ムの製造方法 - 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 この発明は、高温での断熱材、耐食性流体の濾過材、軽
量構造材等に用いられるカーボンフオームに係り、特に
粘結炭やピッチ類を原料とするカーボンフオームの製造
方法に関する。

従来技術とその問題点 従来のカーボンフオームの製造方法としては、■フェノ
ールフオームあるいはウレタンフオームを焼成する方法
（米国特許第３１２１０５０．第３３４２５５５゜第３
３０２９９９等）、■炭素微小中空球全バインダーで固
めた後焼成する方法（特開昭４９−１０６４９１等）、
■炭素質物質を気孔形成材と混合処理した後焼成する方
法（特開昭４８−１８１８５．特開昭５７−５１１０９
等）、■合成樹脂等の有機材料を発泡させ不融化処理後
に焼成する方法（特開昭５７−３４００４等）、■ピッ
チまたは石炭の溶剤抽出成分ｔ−２段階で焼成する方法
（特開昭５６−３２３１４等）が知られている。

しかし、いずれの方法も発泡性原料が特殊で高価である
こと、製造工程が複雑であること等が原因してコストが
高くつく欠点がある。例えば、石炭やピッチ類を原料と
する前記■の方法の場合、出発原料である石炭やピッチ
類はそれ自体安価であるも、石炭やピッチ類から得られ
る溶剤抽出成分を発泡性原料として用いる九め、工程的
に複雑な溶剤抽出プロセスを必要とし、得られる抽出成
分は高価につくのみならず、成分範囲に制約があるため
その単独発泡体で気孔率や気孔分布を制御することは困
難である。そのため、特開昭５６−３２３１４にみられ
るように、第１段で得られる発泡体に溶剤抽出成分中の
液体分を含浸させて気孔構造を制御する第２段の処理全
必要とする工程上の複雑さが要求され、最終製品として
のカーボンフオームが高価とならざるを得なかった。

このように、カーボンフオームは高温での断熱材、耐食
性流体の濾過材、軽量構造材等の用途に広く用いること
のできる素材であっても、従来の製造技術では、発泡性
原料の特殊性、製造工程の複雑化のため、コストが高く
つき、その用途も限られていた。

発　　明　　の　　目　　的 この発明は、従来の前記実情にかんがみなされたもので
あり、カーボンフオームを安価に製造し得る方法全提案
することを目的とするものである。

発　　明　　の　　構　成 この発明に係るカーボンフオームの製造方法は、粘結炭
および揮発分１５〜３０％のピッチ類の１種または２種
以上からなる原料を型枠に充填し、３８０〜５００℃の
温度で焼成し念後、さらに７５０℃以上の高温にて再焼
成することを特徴とする感のである。

石炭やピッチ類を原料としてカーボンフオームを製造す
る方法は、前記■の方法が知られているが、従来の方法
は石炭やピッチ類から得られる溶剤抽出成分を用いるた
め、前記したように発泡性原料が高価につく上、工程上
の複雑さが要求され、カーボンフオームが高価とならざ
るを得なかつ念。

この発明は、石炭の中で一般に粘結炭と称される発泡性
を有する石炭やピッチ類の単独もしくはそれらの混合物
からカーボンフオームを得る方法であり、原料に制約が
なく、簡単な手段でカーボンフオームの製造を可能とし
たものである。

この発明において、カーボンフオームの製造原料として
粘結炭およびピッチ類を用いるのは、以下に示す理由に
よる。

粘結炭は加熱過程で軟化溶融しながら熱分解ガスの発生
により発泡膨張する性質を有する九め、発泡性原料とし
て考えることができる。粘結炭は石炭化度の差、石炭組
織成分の差、酸化の程度によって発泡の程度が大きく異
なるため、カーボンフオーム製造原料としての選択範囲
は非常に広い。

従って、粘結炭の種類を適当に選ぶことにより、任意の
気孔構造をもったカーボンフす一ムの製造が原理的には
可能である。一方、ピッチ類についても粘結炭と同様に
加熱によって軟化溶融しながら熱分解ガスの発生により
発泡膨張する性質を有し、また石炭系と石油系の原料差
、蒸留条件や熱分解条件の差等により、その発泡の程度
が異なることから、カーボンフオーム製造原料としての
選択範囲は粘結炭と同様に広い。

さらに、粘結炭やピッチ類は周知のとおり大量かつ安価
に得ることができる。

従って、粘結炭やピッチ類の単独もしくはそれらの混合
物を発泡性原料として用いることは、コヌト面および工
程上極めて有利である。

この発明では、前記発泡性原料を型枠内に充填し、３８
０〜５００℃の温度で焼成して塊成化するが、ここで重
要なことは、■焼成温度を原料の塊成化に必要な温度に
とどめること、■型枠内の原料、持ニζピッチ類を加熱
過程で液体状態としないことである。そのなめ、この発
明では、原料の塊成化に必要な温度として３８０〜５０
０℃に限定し、また液体状態を回避すべくピッチ類を限
定した。

すなわち、原料の種類によっては塊成化に必要な発泡膨
張の温度が若干異なるものの、少なくとも３８０℃以上
の温度であれば塊成化が可能であり、また塊成化後の急
激な収縮により型枠て拘束されて焼成物に亀裂が生じな
い５００℃以下の適当な温度範囲を選ぶ必要がある。か
かる知見より、この発明では焼成温度を３８０〜５００
℃に限定した。ま九、液体状態となるのを回避する理由
は、型枠内の充填原料が発泡以前にいったん液体状態全
経由する場合、カーボンフオームの気孔構造の調整が困
難となるばかりでなく、型枠内で・局部的に品質偏差を
生ずることになり製品価＠Ｉを落すためである。このよ
うな液体状態を回避するにはｗ、＠の選　　□択が重要
で、粘結炭の場合は特に問題はないが、一般に大部分の
ピッチ類は液体状態になる。しかし、揮発分が３０％以
下のピッチ類は液体状態を経由することなく、また揮発
分が１５％以上のビフチ類は発泡性も失なわれないこと
から、揮発分１５〜３０％の範囲のピッチ類を選べば液
体状ａｔ−経由することなく十分な焼成物を得ることが
できる。従って、この発明では原料として用いるピッチ
類を揮発分１５〜３０％の範囲のものに限定した。

なお、原料の粒度および充填密度については、製品とな
るカーボンフオームの品質目標（気孔率、気孔分布等）
に応じて調製する。

このようにして型枠内で焼成した塊成物（以下「グリー
ンフオーム」と称する）は、さらに７５０℃以上の高温
にて再焼成する。その理由は、３８０〜５００℃の温度
で焼成して得られたグリーンフオームは、強度も低く収
縮も不十分であり、カーボンフオームとして実用できな
いためである。ここで、再焼成温度ラフ５０℃以上に限
定したのは、グリーンフオームの大きな収縮が７５０℃
以下の温度で起こり、その間にグリーンフオームを構成
する炭素の原子配列が強固な３次元架橋となり、強度も
大幅に向上する九めである。なお、再焼成温度の上限に
ついては、高ければ高い程フオームの炭素結合が＠固と
なる念め好ましいが、熱経済性と製品用途によって決め
るべきものであるため特に限定されるものではない。

グリーンフオームの再焼成は、型枠に入れたまま行なう
か、または型枠から取出して行なう。ただ、再焼成時に
はグリーンフオームが極めて大きな収縮を起こすため、
型枠に入れたまま再焼成する場合は、収縮時に型枠の形
状が障害となってフオームに亀裂が生じるおそれがある
。ま之、再焼成温度が高いと耐熱性型枠が変形するおそ
れがある。従って、型枠からグリーンフオームを取出し
て焼成するか、そのまま焼成するかは、型枠の形状およ
び再焼成温度等の処理条件を考慮して決定すればよい。

第１図はこの発明方法で使用する型枠の一例を示すもの
で、（１）は両端開口の円盤状型枠、（２）は型枠上蓋
、（３）は型枠下蓋、（４）は型枠締付はポルト、（５
）は発泡性原料である。型枠の構成部材はすべて耐熱性
であることはいうまでもない。型枠の形状としては円盤
状以外に、円筒形や箱形状のものもある。盤状のような
型枠の場合はグリーンフオームの収縮時に前記のような
障害は起こらないが、円筒状や箱形状の場合は収縮時の
障害となるため、このような場合は型枠からグリーンフ
オームを取出して再焼成することにより製品となるカー
ボンフオームの品質欠陥を防ぐことができる。

実施例１ 第１表に示す３種の粘結炭について、それぞれ６０メツ
シユ（０，２５ｆｉ）以下で１００メツシユ（０，１４
９ｍ１１１）以上に粉砕調製後、第１図に示す内径ＩＱ
Ｏｗ。

厚さ７鱈の鋼製型枠に充填密度０．６ｙ／ｄで充填し、
１５ＫＶＡの電気炉で常温より２℃／分の加熱速度で昇
温し、それぞれ３７０℃、４３０℃、４７０℃、５１０
℃まで焼成後１０分間保持して得たグリーンフオームの
性状金第２表に示す。

第　　　２　　　表 第２表の結果より、粘結炭Ａ、　Ｂ、　Ｃとも焼成温度
が３７０℃では塊成化が不十分で円板の形状を成さない
か、形状は保持しても脆くて全く強度のないものであり
、３８０℃以上の焼成温度が必要と判断される。また、
５１０℃の焼成では体積収縮が大きく、グリーンフオー
ムに亀裂を生じるため、５００℃以上の焼成温度は塊成
化温度としては不適当と判断される。一方、グリーンフ
オームの性状として重要な見掛密度については、揮発分
の高い粘結炭Ａが小さい見掛密度となってシリ、適当に
炭種を選ぶことで気孔構造を調整できることが確認され
九。なお、粘結炭Ｃは粘結炭Ｂのビトリニットを主成分
とする活性成分を比重分離により濃縮したもので、石炭
化度は変わらないものの、不活性成分が除去されている
ため灰分が少なく、不純物の少ないグリーンフオームが
得られている。

これらの結果より、粘結脚管型枠内で焼成し、体積収縮
を抑え、かつ安定した塊成化を達成するには３８０〜５
００℃の温度範囲が適当であるとぎえる。

次に、粘結炭Ａ、　Ｂ、　Ｃの中で温度４３０℃と４７
０℃の各焼成物を４５０℃に保持された１５ＫＶＡの電
気炉に装入し、窒素雰囲気下で２℃／分の加熱速度で昇
温し、それぞれ６５０℃、７５０℃、８５０℃。

１０００℃まで再焼成後、１０分間保持してｗ４九カー
ボンフす−ムの性状を第３表に示す。

第３表より、いずれのグリーンフオーム％１ｌａｔ。

温度の上昇にともない収縮し、強度の向上が認められる
ものの、６５０℃焼成では収縮が不十分で強度は低い。

しかし、７５０℃以上の焼成温度では大きな収縮は完了
し、強度も６５０℃焼成のものに比べて大きく向上して
いる。従って、グリーンフオームの高温焼成温度として
は少なくとも７５０℃以上が必要と言える。また、カー
ポンプオームの性状としては見掛密度が低く、気孔率が
高いにもかかわらず高い強度を示し、良好なフオームで
あることがわかる。また、特に注目すべきことは、グリ
ーンフオームを製造する時の焼成温度の差、すなわち４
３０℃焼成と４７０℃焼成のカーボンフオームに与える
影響は顕著ではないことである。すなわち、グリーンブ
す−ムの段階で十分な粒子結合が達成され塊成化されて
いれば、カーボンフオームの品質は十分確保されること
が理解される。ま危、例えば粘結炭ＡとＢとから得られ
る１０００℃焼成のカーボンフオームの比較では、粘結
炭人由来のカーポンプす−ムが粘結炭Ｂ由来のカーボン
フオームより曲げ強度は低いものの見掛密度が低く、気
孔率が高いことである。これは、第１表に見られるとお
り、原料である粘結炭ＡとＢの揮発分の差にもとづくカ
ーボン歩留りの差に起因して１八ると推察できる。すな
わち、粘結炭の種類を適当に選択することにより、得ら
れるカーボンフオームの気孔構造を任意に調整できるこ
とを意味する。さらに注目すべき点は、粘結炭Ｃ由来の
カーポンプす−ムは不純物としての灰分量が粘結炭Ａ。

Ｂ由来のものよりはるかに少ないということである。こ
れは、前記し念ように粘結炭Ｃが粘結炭Ｂを比重分離に
よりビトリニット成分を主成分とする活性成分を濃縮し
て得られたものであることから、同じ粘結炭といえども
事前処理によりカーボンフオームの品質をより高めるこ
とが可能であることを示している。

（以下余白） 第　　　　３　　　表 実施例２ コールタ−々ピッチを減圧下で加熱処理条件を変えて得
られた第４表に示す４種のピッチについて、実施例１と
同様の操作を行なって得たグリーンフす−ムの性状を第
５表に示す。

第５表の結果より、ピッチＤ、　Ｅは焼成温度３７０℃
で塊成化し、円板形状を保持しているものの、ピッチＦ
、　Ｇは塊成化が不十分であつ九。特にピッチＧはいず
れの焼成温度でも塊成化せずグリーンフオームを作製で
きなかった。これは、ピッチＧは揮発分が低すぎ、発泡
膨張性が悪く、粒子の融着が不十分になつ九ためと推察
される。一方、ピッチＤはいずれの温度でも塊成化し、
グリーン７す−ムを得ることはできるものの、フす−ム
の気孔構造が不均質で欠陥も多く、強度は低い。これは
、ピッチＤは揮発分が高いため軟化温度が低くなりすぎ
、発泡膨張する以前に溶融し、液体状態となる丸め型枠
内の上部に空間を生じ、発泡膨張時には上部と下部で気
孔構造に差が生じるためと推察される。しかしながら、
３７０℃、４３０℃。

４７０℃焼成のピッチＥおよび４３０℃、４７０℃焼成
のピッチＦは、均質で強度の高いフオームが得られた。

しかし、両ピッチとも５１０℃焼成で大きな収縮を示し
、焼成温度は高すぎると判断された。

これらの・結果より、ピッチ類の場合も型枠内で体積収
縮を抑え、かつ安定した塊成化を達成するには、３８０
〜５００℃の温度範囲が適当で、また揮発分は１５〜３
０％の範囲のものが良好なグリーンフオームを得るに適
することがわかる。なお、ピッチ類から得られるグリー
ンフオームは第４表から明らかなように、原料ピッチ中
の灰分量が少ないので、当然のことながらグリーンフオ
ームの灰分量も少なく高品質である。

第　　　４　　　表 第　　　５　　　表 次に、ピッチＥ、Ｆの温度４３０℃と４７０℃の各焼成
物を実施例１と同様の操作を行なって得たカーボンフオ
ームの性状を第６表に示す。

第６表より、いずれのグリーンフオームも焼成温度の上
昇にともない収縮し、強度の向上が認められるものの、
６５０℃焼成では収縮が不十分で強度は低い。しかし、
７５０℃以上の温度での再焼成では、大きな収縮は完了
し、強度も大きく向上している。従って、実施例１の粘
結炭の場合と同様、グリーンフオームの高温焼成温度と
しては少なくとも７５０℃以上が必要と言える。また、
カーボンフオームの性状としても高い強度を示し、良好
なフオームであることがわかる。ま九、ピッチ由来のカ
ーボンフオームの場合は粘結炭由来のカーボンフオーム
に比べて不純物としての灰分量が低く良好であることが
わかる。

（以下余白） 第６表 発　　明　　の　　効　　果 上記の実施例からも明らかなごとく、この発明によれば
、安価で大量に入手できる粘結炭やピッチ類を原料とし
、製造工程も簡単にして品質良好なカーボンフオームを
製造することが可能であり、さらに原料の選択や粘結炭
の比重分離等の若干の事前処理によりカーボンフオーム
の品質全任意に調整することができ、カーボンフオーム
の汎用化に大きく貢献し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施するための型枠の一例を示
す縦断面図である。 １・・・円盤状型枠、２・・・型枠上蓋、３・・・型枠
下蓋、４・・・締付はボルト、５・・・発泡性原料。 出願人　　住友金属工業株式会社 い

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 粘結炭および揮発分１５〜３０％のピッチ類の１種また
   は２種以上からなる原料を型枠に充填し、３８０〜５０
   ０℃の温度で焼成し塊成化した後、さらに７５０℃以上
   の高温にて再焼成することを特徴とするカーボンフォー
   ムの製造方法。