JP2995567B2 - 高密度ガラス状炭素材及びその製造方法 - Google Patents
高密度ガラス状炭素材及びその製造方法Info
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Classifications
-
- 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
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、様々な工業において使用される耐熱性、耐
薬品性及び液・気体不透過性の高密度ガラス状炭素材及
びその製造方法に関し、更に詳しくは、十分な肉厚と高
い密度を有する高密度ガラス状炭素材及びその製造方法
に関するものである。
薬品性及び液・気体不透過性の高密度ガラス状炭素材及
びその製造方法に関し、更に詳しくは、十分な肉厚と高
い密度を有する高密度ガラス状炭素材及びその製造方法
に関するものである。
（従来の技術及び発明が解決しようとする問題点） ガラス状（アモルファス）炭素材とは、熱硬化性樹脂
を不活性気体中で焼成して得られる不透過性炭素であ
る。
を不活性気体中で焼成して得られる不透過性炭素であ
る。
従来、このガラス状炭素としては、肉厚で高密度のも
のは得られないとされていた。それは、従来は、前記熱
硬化性樹脂として一般にフェノール樹脂やフラン樹脂が
使用されていたため、これを焼成すると、その際に発生
するガスにより細泡ができ、得られるガラス状炭素が低
密度化したり、著しい場合には、樹脂の破壊、変形が発
生してしまうからである。
のは得られないとされていた。それは、従来は、前記熱
硬化性樹脂として一般にフェノール樹脂やフラン樹脂が
使用されていたため、これを焼成すると、その際に発生
するガスにより細泡ができ、得られるガラス状炭素が低
密度化したり、著しい場合には、樹脂の破壊、変形が発
生してしまうからである。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、上述した従来技術の難点を解消し、肉厚で
且つ高密度のガラス状炭素材及びその製造方法を提供す
ることを目的としてなされたもので、本発明の高密度ガ
ラス状炭素材の製造方法は、式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体であるポリカルボジイミド樹脂を
加圧加熱処理し、ついで非酸化性雰囲気中で焼成炭化す
るに際し、加圧加熱処理を温度150〜400℃で行うと共
に、焼成炭化の最終的な温度に達するまでの昇温中の温
度が800℃以下の場合は、１℃／分以下で昇温すること
を特徴とするものであり、又、本発明の高密度ガラス状
炭素材は、式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体であるポリカルボジイミド樹脂を
加圧加熱処理し、ついで非酸化性雰囲気中で焼成炭化す
るに際し、加圧加熱処理を温度150〜400℃で行うと共
に、焼成炭化の最終的な温度に達するまでの昇温中の温
度が800℃以下の場合は、１℃／分以下で昇温して得ら
れることを特徴とするものである。
且つ高密度のガラス状炭素材及びその製造方法を提供す
ることを目的としてなされたもので、本発明の高密度ガ
ラス状炭素材の製造方法は、式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体であるポリカルボジイミド樹脂を
加圧加熱処理し、ついで非酸化性雰囲気中で焼成炭化す
るに際し、加圧加熱処理を温度150〜400℃で行うと共
に、焼成炭化の最終的な温度に達するまでの昇温中の温
度が800℃以下の場合は、１℃／分以下で昇温すること
を特徴とするものであり、又、本発明の高密度ガラス状
炭素材は、式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体であるポリカルボジイミド樹脂を
加圧加熱処理し、ついで非酸化性雰囲気中で焼成炭化す
るに際し、加圧加熱処理を温度150〜400℃で行うと共
に、焼成炭化の最終的な温度に達するまでの昇温中の温
度が800℃以下の場合は、１℃／分以下で昇温して得ら
れることを特徴とするものである。
即ち、本発明の発明者らは、前記従来技術の問題点を
解決するため、検討を続けた中で、焼成炭化後の炭素含
有量が高く、且つ、収率も高いポリカルボジイミド樹脂
に着目し、更に鋭意研究の結果、約1mm以上と十分な肉
厚を有し、しかも1.5g/cm3以上と高い密度を有する高密
度ガラス状炭素材を製造し得ることを見いだし、本発明
の完成に至った。
解決するため、検討を続けた中で、焼成炭化後の炭素含
有量が高く、且つ、収率も高いポリカルボジイミド樹脂
に着目し、更に鋭意研究の結果、約1mm以上と十分な肉
厚を有し、しかも1.5g/cm3以上と高い密度を有する高密
度ガラス状炭素材を製造し得ることを見いだし、本発明
の完成に至った。
因みに、従来の高密度ガラス状炭素材の密度は、1.5g
/cm3以下であったことが知られている。
/cm3以下であったことが知られている。
次に本発明を詳細に説明する。
本発明において使用されるポリカルボジイミド樹脂
は、それ自体周知のものか、或いは、周知のものと同様
にして製造することができるものであって｛米国特許第
2,941,956号明細書；特公昭47−33279号公報;J.Org.Che
m.,28,2069〜2075（1963）Chemical Review 1981,vo
l.81,No.4,619〜621等参照｝、例えば有機ジイソシアネ
ートの脱二酸化炭素を伴う縮合反応により容易に製造す
ることができる。ポリカルボジイミド樹脂の製造に使用
される有機ジイソシアネートは、脂肪族系、脂環式系、
芳香族系、芳香−脂肪族系等のいずれのタイプのもので
あってもよく、これらは単独で用いても、或いは、２種
以上を組み合わせて共重合体として用いてもよい。
は、それ自体周知のものか、或いは、周知のものと同様
にして製造することができるものであって｛米国特許第
2,941,956号明細書；特公昭47−33279号公報;J.Org.Che
m.,28,2069〜2075（1963）Chemical Review 1981,vo
l.81,No.4,619〜621等参照｝、例えば有機ジイソシアネ
ートの脱二酸化炭素を伴う縮合反応により容易に製造す
ることができる。ポリカルボジイミド樹脂の製造に使用
される有機ジイソシアネートは、脂肪族系、脂環式系、
芳香族系、芳香−脂肪族系等のいずれのタイプのもので
あってもよく、これらは単独で用いても、或いは、２種
以上を組み合わせて共重合体として用いてもよい。
而して、本発明において使用されるポリカルボジイミ
ド樹脂には、下記式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体が包含される。
ド樹脂には、下記式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体が包含される。
上記式における有機ジイソシアネート残基Ｒとして
は、中でも芳香族有機ジイソシアネート残基が好適であ
る（ここで、有機ジイソシアネート残基とは、有機ジイ
ソシアネート分子から２つのイソシアネート基（NCO）
を除いた残りの部分である）。そのようなポリカルボジ
イミド樹脂の具体例としては、以下のものを挙げること
ができる。
は、中でも芳香族有機ジイソシアネート残基が好適であ
る（ここで、有機ジイソシアネート残基とは、有機ジイ
ソシアネート分子から２つのイソシアネート基（NCO）
を除いた残りの部分である）。そのようなポリカルボジ
イミド樹脂の具体例としては、以下のものを挙げること
ができる。
上記各式中において、ｎは10〜10,000の範囲内、好ま
しくは50〜5,000の範囲内である。
しくは50〜5,000の範囲内である。
ここで、ポリカルボジイミド樹脂の末端はモノイソシ
アネート等を用いて封止されていてもよい。
アネート等を用いて封止されていてもよい。
次に加圧加熱処理して成形する。このときの圧力は50
〜3,000Kg/cm2、好ましくは80〜2,700Kg/cm2であり、
又、加熱温度は150〜400℃、好ましくは200〜350℃であ
り、時間は、１分〜２時間である。
〜3,000Kg/cm2、好ましくは80〜2,700Kg/cm2であり、
又、加熱温度は150〜400℃、好ましくは200〜350℃であ
り、時間は、１分〜２時間である。
尚、上記の加圧加熱処理に先立ち、予備加圧すること
により、溶存ガス等を抜いて成形性をよくすることがで
きるが、本発明において、この予備加圧は必須のもので
はない。
により、溶存ガス等を抜いて成形性をよくすることがで
きるが、本発明において、この予備加圧は必須のもので
はない。
そして、この成形体を焼成炭化するのであるが、焼成
は真空中または不活性気体中の非酸化性雰囲気下で、室
温付近から800〜3,000℃の温度まで昇温し、焼成炭化を
行なう。昇温は徐々に行なうのが脱ガスによる膨れを防
止する意味で好ましく、800℃までは１℃／分以下、3,0
00℃までは30℃／分以下の昇温速度が好ましい。
は真空中または不活性気体中の非酸化性雰囲気下で、室
温付近から800〜3,000℃の温度まで昇温し、焼成炭化を
行なう。昇温は徐々に行なうのが脱ガスによる膨れを防
止する意味で好ましく、800℃までは１℃／分以下、3,0
00℃までは30℃／分以下の昇温速度が好ましい。
このようにして得られた炭素材は、亀裂や膨れもな
く、外観の良好なものであり、十分な肉厚と高い密度を
有するものであった。
く、外観の良好なものであり、十分な肉厚と高い密度を
有するものであった。
（実施例） 実施例１ パラフェニレンジイソシアネート50gを、テトラヒド
ロフラン880ml中で、カルボジイミド化触媒（１−フェ
ニル−３−メチルホスフォレンオキサイド）0.13gと共
に、68℃で５時間反応させた。この溶液を室温まで冷却
することにより、ポリカルボジイミドが沈殿した。この
沈殿物を取し、100℃で２時間乾燥し、ポリカルボジ
イミド粉末を得た。
ロフラン880ml中で、カルボジイミド化触媒（１−フェ
ニル−３−メチルホスフォレンオキサイド）0.13gと共
に、68℃で５時間反応させた。この溶液を室温まで冷却
することにより、ポリカルボジイミドが沈殿した。この
沈殿物を取し、100℃で２時間乾燥し、ポリカルボジ
イミド粉末を得た。
この粉末を、プレス温度250℃、プレス圧150Kg/cm2で
１時間加圧加熱処理をし、厚さ4mm、6mm及び8mmのポリ
カルボジイミド樹脂板を得た。この板を、窒素中で、80
0℃までは0.8℃／分、1,600℃までは２℃／分で昇温
し、焼成炭化を行なった。得られた炭素材の厚さは、 炭素材１−１・・・3.5mm 炭素材１−２・・・5.0mm 炭素材１−３・・・6.5mm であり、亀裂や膨れのない外観の良好な板であった。
１時間加圧加熱処理をし、厚さ4mm、6mm及び8mmのポリ
カルボジイミド樹脂板を得た。この板を、窒素中で、80
0℃までは0.8℃／分、1,600℃までは２℃／分で昇温
し、焼成炭化を行なった。得られた炭素材の厚さは、 炭素材１−１・・・3.5mm 炭素材１−２・・・5.0mm 炭素材１−３・・・6.5mm であり、亀裂や膨れのない外観の良好な板であった。
これらの物性値を示す。
実施例２ メチレンジフェニルジイソシアネート（MDI）50gを、
テトラクロロエチレン820ml中で、カルボジイミド化触
媒（１−フェニル−３−メチルホスフォレンオキサイ
ド）0.13gと共に、120℃で６時間反応させ、実施例１と
同様の方法でポリカルボジイミド粉末を得た。
テトラクロロエチレン820ml中で、カルボジイミド化触
媒（１−フェニル−３−メチルホスフォレンオキサイ
ド）0.13gと共に、120℃で６時間反応させ、実施例１と
同様の方法でポリカルボジイミド粉末を得た。
この粉末を、プレス温度200℃、プレス圧150Kg/cm2で
30分間予備加圧加熱処理を行ない、その後、プレス温度
300℃、プレス圧150Kg/cm2で10分間加圧加熱処理をし
て、厚さ2mm、4mm及び6mmのポリカルボジイミド樹脂板
を得た。この板を、窒素中で、800℃までは0.5℃／分、
2,000℃までは５℃／分で昇温し、焼成炭化を行なっ
た。得られた炭素材の厚さは、 炭素材２−１・・・1.7mm 炭素材２−２・・・3.5mm 炭素材２−３・・・6.4mm であり、亀裂や膨れのない外観の良好な板であった。
30分間予備加圧加熱処理を行ない、その後、プレス温度
300℃、プレス圧150Kg/cm2で10分間加圧加熱処理をし
て、厚さ2mm、4mm及び6mmのポリカルボジイミド樹脂板
を得た。この板を、窒素中で、800℃までは0.5℃／分、
2,000℃までは５℃／分で昇温し、焼成炭化を行なっ
た。得られた炭素材の厚さは、 炭素材２−１・・・1.7mm 炭素材２−２・・・3.5mm 炭素材２−３・・・6.4mm であり、亀裂や膨れのない外観の良好な板であった。
これらの物性値を表に示す。
実施例３ 実施例１で得られたポリカルボジイミド粉末を、プレ
ス温度250℃、プレス圧150Kg/cm2で30分間予備加圧加熱
処理を行ない、その後、プレス温度350℃、プレス圧200
Kg/cm2で10分間加圧加熱処理をして、厚さ5mmのポリカ
ルボジイミド樹脂板を得た。この板を、窒素中で、800
℃までは0.3℃／分、2,000℃までは５℃／分で昇温し、
焼成炭化を行なった。得られた炭素材（３）の厚さは4.
1mmであり、亀裂や膨れのない外観の良好な板であっ
た。
ス温度250℃、プレス圧150Kg/cm2で30分間予備加圧加熱
処理を行ない、その後、プレス温度350℃、プレス圧200
Kg/cm2で10分間加圧加熱処理をして、厚さ5mmのポリカ
ルボジイミド樹脂板を得た。この板を、窒素中で、800
℃までは0.3℃／分、2,000℃までは５℃／分で昇温し、
焼成炭化を行なった。得られた炭素材（３）の厚さは4.
1mmであり、亀裂や膨れのない外観の良好な板であっ
た。
この物性値を表に示す。
実施例４ 実施例１で得られたポリカルボジイミド粉末を、プレ
ス温度250℃、プレス圧2,500Kg/cm2で１分間加圧加熱処
理を行ない、厚さ4mmのポリカルボジイミド樹脂板を得
た。この板を、窒素中で、室温より、800℃までは0.5℃
／分、3,000℃までは10℃／分で昇温し、焼成炭化を行
なった。得られた炭素材（４）の厚さは3.0mmであり、
亀裂や膨れのない外観の良好な板であった。
ス温度250℃、プレス圧2,500Kg/cm2で１分間加圧加熱処
理を行ない、厚さ4mmのポリカルボジイミド樹脂板を得
た。この板を、窒素中で、室温より、800℃までは0.5℃
／分、3,000℃までは10℃／分で昇温し、焼成炭化を行
なった。得られた炭素材（４）の厚さは3.0mmであり、
亀裂や膨れのない外観の良好な板であった。
この物性値を表に示す。
比較例１ 実施例１で得られたポリカルボジイミド粉末を、プレ
ス温度120℃、プレス圧40Kg/cm2で加圧加熱処理を行な
い、厚さ3mmのポリカルボジイミド樹脂板を得た。この
板を、800℃までは0.8℃／分、1,600℃までは２℃／分
で昇温し、焼成炭化を行なった。得られた炭素材は、亀
裂が入り、ハンドリングすることができず、物性値を測
定することができなかった。
ス温度120℃、プレス圧40Kg/cm2で加圧加熱処理を行な
い、厚さ3mmのポリカルボジイミド樹脂板を得た。この
板を、800℃までは0.8℃／分、1,600℃までは２℃／分
で昇温し、焼成炭化を行なった。得られた炭素材は、亀
裂が入り、ハンドリングすることができず、物性値を測
定することができなかった。
比較例２ 実施例１で得られたポリカルボジイミド粉末を、プレ
ス温度410℃、プレス圧300Kg/cm2で加圧加熱処理を行な
った。
ス温度410℃、プレス圧300Kg/cm2で加圧加熱処理を行な
った。
しかし、樹脂粉末が熱分解してしまい、成形品を得る
ことができなかった。
ことができなかった。
比較例３ フェノール樹脂粉末を、プレス温度160℃、プレス圧8
0Kg/cm2で加圧加熱処理を行ない、厚さ3mmのフェノール
樹脂板を得た。この板を、800℃までは0.8℃／分、1,60
0℃までは２℃／分で昇温し、焼成炭化を行なった。得
られた炭素材は、膨れが入り、物性値を測定することが
できなかった。
0Kg/cm2で加圧加熱処理を行ない、厚さ3mmのフェノール
樹脂板を得た。この板を、800℃までは0.8℃／分、1,60
0℃までは２℃／分で昇温し、焼成炭化を行なった。得
られた炭素材は、膨れが入り、物性値を測定することが
できなかった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 敏夫 東京都足立区西新井栄町１―18―１ 日 清紡績株式会社東京研究センター内 (72)発明者 高橋 泰 東京都足立区西新井栄町１―18―１ 日 清紡績株式会社東京研究センター内 (72)発明者 斉藤 一夫 東京都足立区西新井栄町１―18―１ 日 清紡績株式会社東京研究センター内 (56)参考文献 特開 平３−53799（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−51491（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−94842（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−54109（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 35/52 C01B 31/02 101
Claims (7)
- 【請求項１】式 −Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ− （但し、式中のＲは有機ジイソシアネート残基を表す） で示される少なくとも１種の繰り返し単位からなる単独
重合体または共重合体であるポリカルボジイミド樹脂を
加圧加熱処理し、ついで非酸化性雰囲気中で焼成炭化す
るに際し、加圧加熱処理を温度150〜400℃で行うと共
に、焼成炭化の最終的な温度に達するまでの昇温中の温
度が800℃以下の場合は、１℃／分以下で昇温すること
を特徴とする高密度ガラス状炭素材の製造方法。 - 【請求項２】加圧加熱処理は、圧力50〜3,000Kg/cm2、
時間１分〜２時間の範囲で行なうことを特徴とする請求
項１に記載の高密度ガラス状炭素材の製造方法。 - 【請求項３】加圧加熱処理に先立ち、予備加圧処理を行
なうことを特徴とする請求項１または２に記載の高密度
ガラス状炭素材の製造方法。 - 【請求項４】焼成炭化は、800〜3,000℃の温度で行なう
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高
密度ガラス状炭素材の製造方法。 - 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方
法により得られることを特徴とする高密度ガラス状炭素
材。 - 【請求項６】密度が1.5g/cm3以上であることを特徴とす
る請求項５に記載の高密度ガラス状炭素材。 - 【請求項７】厚さが1mm以上であることを特徴とする請
求項６に記載の高密度ガラス状炭素材。
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