JP5190955B2 - POLYMER, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME AND CARBON FILM OBTAINED FROM THE POLYMER - Google Patents
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Description
本発明は、重合体、その製造方法及び前記重合体から得られる炭素フィルムに関する。 The present invention relates to a polymer, a production method thereof, and a carbon film obtained from the polymer.
ポリオキサジアゾール(POD)やカプトンに代表されるポリイミド(PI)フィルムは、炭素化が固相で進行するにもかかわらず、きわめて結晶性の高い炭素フィルムを与えることが知られている(例えば、非特許文献1)。近年、PIフィルムから得られる高結晶性炭素フィルムは、フィルム面内の熱拡散率が大きいことを活かして、小型電子機器の放熱材に利用されるようになっている。これらの高分子フィルムが特異な炭素化挙動を示す要因として、分子が高い平坦性と選択配向性をもつことや、炭素化過程における炭素以外の元素の脱離が容易なことが挙げられている(非特許文献2)。ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマー(BBLポリマー)は、ナフタレンテトラカルボン酸(NTCA)とベンゼンテトラアミン(BTA)を重縮合して得られるはしご状の高分子である。BBLポリマーはPODやPIに比べて分子の平坦性が高く、また耐熱性も高いため、より高収率で高結晶性炭素フィルムを与える(非特許文献3)。PODおよびPIフィルムの炭素化収率(高分子フィルムの質量に対する、得られた高結晶性炭素フィルムの質量の比)が、およそ50%程度であるのに対して、BBLポリマーのそれは64%である。 Polyimide (PI) films represented by polyoxadiazole (POD) and Kapton are known to give carbon films with extremely high crystallinity even though carbonization proceeds in a solid phase (for example, Non-Patent Document 1). In recent years, highly crystalline carbon films obtained from PI films have been used as heat dissipation materials for small electronic devices, taking advantage of the high thermal diffusivity in the film plane. Factors that cause these polymer films to exhibit unique carbonization behavior include the high flatness and selective orientation of molecules and the ease of desorption of elements other than carbon during the carbonization process. (Non-patent document 2). Benzimidazobenzophenanthroline ladder polymer (BBL polymer) is a ladder-like polymer obtained by polycondensation of naphthalenetetracarboxylic acid (NTCA) and benzenetetraamine (BTA). Since BBL polymer has higher molecular flatness and higher heat resistance than POD and PI, it gives a higher crystalline carbon film with higher yield (Non-patent Document 3). The carbonization yield of POD and PI films (ratio of the mass of the resulting highly crystalline carbon film to the mass of the polymer film) is about 50%, whereas that of BBL polymer is 64% is there.
そこで、さらなる高収率化が達成できる高結晶性炭素フィルムを製造する技術の開発が求められている。 Therefore, development of a technique for producing a highly crystalline carbon film that can achieve a higher yield is demanded.
上記技術の流れに鑑み、本発明の課題は、有機ポリマーから高結晶性炭素フィルムをさらなる高収率にて製造する技術を提供することにある。 In view of the above technical flow, an object of the present invention is to provide a technique for producing a highly crystalline carbon film from an organic polymer at a higher yield.
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、下記重合体から炭素フィルムを製造すると、驚くべきことには、炭素化収率が64%を大きく超えるという知見を得た。本発明者らは、この知見に基づきさらに研究を重ね、ついに本発明を完成させた。
なお、重合体から炭素化収率が64%を大きく超える炭素フィルムを製造できる理由は解明されているわけではないが、ほぼ次のように考えられる。例えば、前記BBLポリマーは完全に平坦な分子であるため、重縮合して分子が成長する際の立体障害が大きく、分子量を大きくすることが難しい。そのため、分子鎖末端の割合が大きくなり、この部分が炭素化時に容易に分解・脱離するため、高分子中の炭素含有率に匹敵する高い炭素化収率が達成できない。ところが、重合体は分子鎖に単結合が導入されているので、分子鎖の回転が可能となり、その結果、重縮合時の立体障害を小さくすることができ、分子量を大きくすることを可能にした。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have surprisingly obtained the knowledge that the carbonization yield greatly exceeds 64% when a carbon film is produced from the following polymer. Based on this finding, the present inventors have made further studies and finally completed the present invention.
The reason why a carbon film having a carbonization yield greatly exceeding 64% can be produced from the polymer has not been elucidated, but is considered as follows. For example, since the BBL polymer is a completely flat molecule, the steric hindrance when the molecule grows by polycondensation is large, and it is difficult to increase the molecular weight. Therefore, the proportion of molecular chain ends is increased, and this portion is easily decomposed / desorbed during carbonization, so that a high carbonization yield comparable to the carbon content in the polymer cannot be achieved. However, since a single bond is introduced into the molecular chain of the polymer, the molecular chain can be rotated. As a result, the steric hindrance during polycondensation can be reduced, and the molecular weight can be increased. .
即ち、本発明は以下の発明からなる。
(1)下記一般式(1)又は(2)で表される繰り返し単位からなり、固有粘度が0.5〜3.5dlg-1であることを特徴とする重合体。
(1)
(2)
That is, this invention consists of the following invention.
(1) A polymer comprising a repeating unit represented by the following general formula (1) or (2) and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 .
(1)
(2)
(2)ビナフチルテトラカルボン酸とビフェニルテトラアミンとを反応させることを特徴とする上記(1)記載の一般式(1)で表される繰り返し単位からなる重合体の製造方法。
(3)ビナフチルテトラカルボン酸とベンゼンテトラアミンとを反応させることを特徴とする上記(1)記載の一般式(2)で表される繰り返し単位からなる重合体の製造方法。
(4)上記(1)記載の一般式(1)又は(2)で表される繰り返し単位からなり、固有粘度が0.5〜3.5dlg-1であることを特徴とする炭素フィルム製造用重合体。
(5)上記(1)記載の一般式(1)又は(2)で表される繰り返し単位からなり、固有粘度が0.5〜3.5dlg-1である重合体を焼成して得ることを特徴とする炭素フィルム。
(2) A method for producing a polymer comprising a repeating unit represented by the general formula (1) described in the above (1), wherein binaphthyltetracarboxylic acid and biphenyltetraamine are reacted.
(3) A method for producing a polymer comprising a repeating unit represented by the general formula (2) described in the above (1), wherein binaphthyltetracarboxylic acid and benzenetetraamine are reacted.
(4) For carbon film production, comprising a repeating unit represented by the general formula (1) or (2) described in (1) above, and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 Polymer.
(5) It is obtained by firing a polymer comprising a repeating unit represented by the general formula (1) or (2) described in (1) above and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1. Characteristic carbon film.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の重合体には、下記一般式(1)で表される繰り返し単位からなり、固有粘度が0.5〜3.5 dlg-1であることを特徴とする重合体が含まれる。
上記重合体としては、固有粘度が1.0〜3.5 dlg-1である重合体がより好ましい。高分子の固有粘度(η)は分子量の指標となる物性値であり、分子量が大きくなるにつれてηは大きくなる。固有粘度の測定法はすでに知られており、本発明では重合体をメタンスルホン酸に溶解し、濃度0.15gdl−1と調整し、30℃雰囲気において測定した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The polymer of the present invention includes a polymer comprising a repeating unit represented by the following general formula (1) and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 .
As the polymer, a polymer having an intrinsic viscosity of 1.0 to 3.5 dlg −1 is more preferable. The intrinsic viscosity (η) of a polymer is a physical property value that serves as an index of molecular weight, and η increases as the molecular weight increases. A method for measuring the intrinsic viscosity is already known. In the present invention, the polymer was dissolved in methanesulfonic acid, adjusted to a concentration of 0.15 gdl −1, and measured in an atmosphere at 30 ° C.
本発明の重合体には、下記一般式(2)で表される繰り返し単位からなり、固有粘度が0.5〜3.5dlg-1であることを特徴とする重合体が含まれる。
(2)
上記重合体としては、固有粘度が1.0〜2.7dlg-1である重合体がより好ましい。
The polymer of the present invention includes a polymer comprising a repeating unit represented by the following general formula (2) and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 .
(2)
As the polymer, a polymer having an intrinsic viscosity of 1.0 to 2.7 dlg −1 is more preferable.
以下、本発明の重合体の製造方法について説明する。
本発明の上記一般式1で表される繰り返し単位からなる重合体は、ビナフチルテトラカルボン酸またはその酸塩化物,酸無水物,エステルまたはアミド等のビナフチルテトラカルボン酸誘導体とビフェニルテトラアミンまたはその塩とを反応させて得ることができる。ビナフチルテトラカルボン酸としては、4,4‘−ビナフチル−1,l‘,8,8‘−テトラカルボン酸を例示でき、ビフェニルテトラアミンとしては3,3‘,4,4 ‘−ビフェニルテトラアミンを例示できる。ビフェニルテトラアミンの塩としては3,3‘,4,4 ‘−ビフェニルテトラアミンの四塩酸塩を例示できる。
前記ビナフチルテトラカルボン酸またはそのカルボン酸誘導体とビフェニルテトラアミンまたはその塩とを、溶媒を収めた反応容器内に添加し、100〜250℃で3〜 48時間、攪拌させて、上記一般式1で表される繰り返し単位からなる重合体を得ることができる。前記溶媒としては、前記出発材料及び生成する重合体を溶解し、重合を促進する触媒としての作用を有するものであれば特に制限されない。具体的には、ポリリン酸、
ポリリン酸エステル、リン酸ジフェニルクレシル等や五酸化二リン等を溶解したメタンスルホン酸等を挙げることができる。
Hereafter, the manufacturing method of the polymer of this invention is demonstrated.
The polymer consisting of the repeating unit represented by the above general formula 1 of the present invention includes a binaphthyltetracarboxylic acid or a binaphthyltetracarboxylic acid derivative such as acid chloride, acid anhydride, ester or amide thereof and biphenyltetraamine or a salt thereof. Can be obtained by reaction. Examples of the binaphthyltetracarboxylic acid include 4,4′-binaphthyl-1, l ′, 8,8′-tetracarboxylic acid, and examples of the biphenyltetraamine include 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetraamine. It can be illustrated. Examples of the salt of biphenyltetraamine include tetrahydrochloride of 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetraamine.
The binaphthyltetracarboxylic acid or a carboxylic acid derivative thereof and biphenyltetraamine or a salt thereof are added to a reaction vessel containing a solvent, and stirred at 100 to 250 ° C. for 3 to 48 hours. A polymer composed of the repeating units represented can be obtained. The solvent is not particularly limited as long as it has an action as a catalyst that dissolves the starting material and the polymer to be produced and promotes polymerization. Specifically, polyphosphoric acid,
Examples thereof include methanesulfonic acid in which polyphosphate ester, diphenylcresyl phosphate and the like, diphosphorus pentoxide and the like are dissolved.
本発明の上記一般式2で表される繰り返し単位からなる重合体は、ビナフチルテトラカルボン酸またはその酸塩化物,酸無水物,エステルまたはアミド等のビナフチルテトラカルボン酸誘導体とベンゼンテトラアミンまたはその塩とを反応させて得ることができる。ベンゼンテトラアミンとしては1,2,4,5−ベンゼンテトラアミンを例示できる。ベンゼンテトラアミンの塩としては1,2,4,5−ベンゼンテトラアミンの四塩酸塩を例示できる。ビナフチルテトラカルボン酸またはそのカルボン酸誘導体の具体例は上記のとおりである。
前記ビナフチルテトラカルボン酸またはそのカルボン酸誘導体とベンゼンテトラアミンまたはその塩とから、上記一般式2で表される繰り返し単位からなる重合体を得る反応条件は、上記一般式1で表される繰り返し単位からなる重合体を得る条件と重複する。
The polymer comprising the repeating unit represented by the above general formula 2 of the present invention includes a binaphthyltetracarboxylic acid or binaphthyltetracarboxylic acid derivative such as acid chloride, acid anhydride, ester or amide thereof and benzenetetraamine or salt thereof. Can be obtained by reaction. Examples of benzenetetraamine include 1,2,4,5-benzenetetraamine. Examples of the salt of benzenetetraamine include tetrahydrochloride of 1,2,4,5-benzenetetraamine. Specific examples of the binaphthyltetracarboxylic acid or its carboxylic acid derivative are as described above.
The reaction conditions for obtaining a polymer comprising a repeating unit represented by the above general formula 2 from the binaphthyltetracarboxylic acid or a carboxylic acid derivative thereof and benzenetetraamine or a salt thereof are the repeating units represented by the above general formula 1. This overlaps with the conditions for obtaining a polymer comprising:
本発明の上記一般式3で表される繰り返し単位からなる重合体は、ナフタレンテトラカルボン酸またはその酸塩化物,酸無水物,エステルまたはアミド等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体とビフェニルテトラアミンまたはその塩とを反応させて得ることができる。ナフタレンテトラカルボン酸としては、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸を例示でき、ビフェニルテトラアミンまたはその塩の具体例は上記のとおりである。
前記ナフタレンテトラカルボン酸またはそのカルボン酸誘導体とビフェニルテトラアミンまたはその塩とから、上記一般式3で表される繰り返し単位からなる重合体を得る反応条件は、上記上記一般式1で表される繰り返し単位からなる重合体を得る条件と重複する。
The polymer comprising the repeating unit represented by the above general formula 3 of the present invention includes naphthalene tetracarboxylic acid or a naphthalene tetracarboxylic acid derivative such as acid chloride, acid anhydride, ester or amide thereof and biphenyltetraamine or a salt thereof. Can be obtained by reaction. Examples of naphthalenetetracarboxylic acid include 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid, and specific examples of biphenyltetraamine or a salt thereof are as described above.
The reaction conditions for obtaining a polymer comprising the repeating unit represented by the above general formula 3 from the naphthalenetetracarboxylic acid or its carboxylic acid derivative and biphenyltetraamine or a salt thereof are the repeating represented by the above general formula 1. This overlaps with the conditions for obtaining a polymer comprising units.
4,4‘−ビナフチル−1,l‘,8,8‘−テトラカルボン酸は、4−クロロ−1,8−ナフタル酸無水物から,エステル化,カップリングおよび加水分解の3ステップによって合成することができる。あるいは、市販品を購入しても良い。
1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸は、ピレンから過マンガン酸カリウムによる酸化、次亜塩素酸ナトリウム溶液による酸化の2ステップによって合成することができる。あるいは、市販品を購入しても良い。
4,4'-binaphthyl-1, l ', 8,8'-tetracarboxylic acid is synthesized from 4-chloro-1,8-naphthalic anhydride by three steps of esterification, coupling and hydrolysis be able to. Or you may purchase a commercial item.
1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid can be synthesized from pyrene by two steps of oxidation with potassium permanganate and oxidation with sodium hypochlorite solution. Or you may purchase a commercial item.
1,2,4,5−ベンゼンテトラアミンはm一クロロベンゼンから、ニトロ化、アミノ化およびニトロ基の還元の3ステップによって合成し、四塩酸塩として単離して使用することができる。あるいは、市販品を購入しても良い。
3,3‘,4,4 ‘−フェニルテトラアミンは、o(オルト)-ニトロアニリンからヨウ素化,クロスカップリング,アミノ基の還元の3ステップによって合成することができる。あるいは、市販品を購入しても良い。
1,2,4,5-Benzenetetraamine can be synthesized from m-chlorobenzene by three steps of nitration, amination and reduction of the nitro group, and can be isolated and used as the tetrahydrochloride. Or you may purchase a commercial item.
3,3 ′, 4,4′-phenyltetraamine can be synthesized from o (ortho) -nitroaniline by three steps of iodination, cross-coupling, and reduction of amino group. Or you may purchase a commercial item.
かくして得られた上記一般式(1)又は(2)の重合体を原料として、炭素フィルムを得ることができる。すなわち、本発明は、上記一般式(1)又は(2)で表されることを特徴とする炭素フィルム製造用重合体の発明でもある。 A carbon film can be obtained using the polymer of the general formula (1) or (2) thus obtained as a raw material. That is, this invention is invention of the polymer for carbon film manufacture characterized by being represented by the said General formula (1) or (2).
炭素フィルムを製造する際には、上記一般式(1)又は(2)の重合体、あるいは前記重合体の複数を混合し、次いで焼成し、炭素フィルムとすることができる。 When producing a carbon film, the polymer of the above general formula (1) or (2) or a plurality of the above polymers can be mixed and then baked to obtain a carbon film.
本発明では、前記重合体あるいは重合体混合物を予めフィルム状に成形することが望ましく、当該フィルムを焼成することが望ましい。当該重合体あるいは重合体混合物をフィルム状に成形する手段は特に制限されない。 In the present invention, it is desirable to form the polymer or polymer mixture into a film in advance, and it is desirable to fire the film. The means for forming the polymer or polymer mixture into a film is not particularly limited.
前記重合体フィルムを焼成する手段をより詳しく説明する。前記重合体フィルムを不活性雰囲気に焼成することが好ましい。ここで不活性雰囲気とは、酸素など酸化活性の気体がない雰囲気を意味し、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素などの雰囲気が好ましい。特にアルゴン雰囲気が好ましい。
焼成温度は、1200〜2800℃が好ましく、焼成時間は約1〜8時間とすることが好ましい。
The means for firing the polymer film will be described in more detail. The polymer film is preferably baked in an inert atmosphere. Here, the inert atmosphere means an atmosphere in which there is no oxidizing active gas such as oxygen, and for example, an atmosphere of argon, helium, nitrogen, or the like is preferable. An argon atmosphere is particularly preferable.
The firing temperature is preferably 1200 to 2800 ° C., and the firing time is preferably about 1 to 8 hours.
前記重合体フィルムを焼成する際、張力を与えながら、あるいはフィルム面に垂直に圧力を加えながら炭化処理することが好ましく、それによって、炭化の際に起こる収縮を押さえ、炭化中の前駆体が配向しやすいために、強度の強い炭化物ができる。
前記重合体フィルムを焼成する際、フィルムの成型過程において重合体分子が自発的に高度な配向構造を形成するため,応力を付加しなくても高結晶性炭素フィルムを製造することができる。
When baking the polymer film, it is preferable to perform carbonization treatment while applying tension or applying pressure perpendicular to the film surface, thereby suppressing shrinkage that occurs during carbonization and orienting the precursor during carbonization. Because it is easy to do, a strong carbide is made.
When the polymer film is baked, the polymer molecules spontaneously form a highly oriented structure in the film molding process, so that a highly crystalline carbon film can be produced without applying stress.
かくして製造された炭素フィルムは密度が高く、高結晶性の炭素フィルムである。完全な炭素結晶の密度は結晶構造から求めることが可能であり、その値は2.26 g cm-3であると知られている。この値に近いほど結晶性が高いことになる。既存のBBLポリマー(比較例1)から得られた炭素フィルムの密度が2.19 g cm-3である。前記一般式(2)で表される繰り返し単位からなる重合体からはこれに匹敵する密度の炭素フィルムを得ることができた。結晶性を評価する手段としては,広角X線回折が一般的であるが、今回得られたような非常に結晶性の高い炭素フィルムに適用すると、結晶サイズや面間隔の決定に非常に大きな誤差を生じる可能性がある。これに対して、密度測定は非常に精度良く測定可能であり、その点でも有利である。 また、本発明の炭素フィルムは炭素結晶のc軸がフィルムの法線方向に,高度に配向していることも一つの特徴である。本発明により得られた炭素フィルムは配向の程度が従来のものに比べて高いという特徴を持つ。 The carbon film thus produced has a high density and is a highly crystalline carbon film. The density of the complete carbon crystal can be determined from the crystal structure, and the value is known to be 2.26 g cm −3 . The closer to this value, the higher the crystallinity. The density of the carbon film obtained from the existing BBL polymer (Comparative Example 1) is 2.19 g cm −3 . A carbon film having a density comparable to that of the polymer composed of the repeating unit represented by the general formula (2) could be obtained. Wide-angle X-ray diffraction is generally used as a means of evaluating crystallinity, but when applied to a carbon film with very high crystallinity such as the one obtained this time, a very large error in determining the crystal size and interplanar spacing. May occur. On the other hand, density measurement can be performed with very high accuracy, and this is also advantageous. Another feature of the carbon film of the present invention is that the c-axis of the carbon crystal is highly oriented in the normal direction of the film. The carbon film obtained by the present invention has a feature that the degree of orientation is higher than the conventional one.
本発明の炭素フィルムは、例えば小型電子機器の放熱材料、リチウム二次電池の負極材料、電池材料の導電助剤、X線のモノクロメータ、モータのブラシ材など公知の用途に適用できる。 The carbon film of the present invention can be applied to known applications such as heat dissipation materials for small electronic devices, negative electrode materials for lithium secondary batteries, conductive assistants for battery materials, X-ray monochromators, and brush materials for motors.
本発明により、有機ポリマーから高結晶性炭素フィルムをさらなる高収率にて製造することが可能となった。特に、BBLポリマー由来の炭素フィルムと同程度の高い結晶性をもった炭素フィルムを、より重合の容易な高分子から、より高い収率で製造することができた。上記炭素フィルムは、高密度で、変形のない緻密で平滑な炭素フィルムであり、多くの用途に適用できる。
また、本発明により、より固有粘度が高い重合体、すなわち、より高分子量の重合体を提供することが可能となった。
According to the present invention, a highly crystalline carbon film can be produced from an organic polymer at a higher yield. In particular, a carbon film having a crystallinity as high as that of a BBL polymer-derived carbon film could be produced with a higher yield from a polymer that was easier to polymerize. The carbon film is a dense and smooth carbon film having a high density and no deformation, and can be applied to many applications.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a polymer having a higher intrinsic viscosity, that is, a polymer having a higher molecular weight.
以下、本発明を実施例等により説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されない。
実施例1〜3 重合体の調製
メカニカルスターラ,アルゴンガス導入管,排気管および温度計を装着した,200 ml四つ首フラスコ中にポリリン酸(PPA)(オルトリン酸換算濃度115%)100gを収め、アルゴンガスをバブリングして溶存酸素を除去し、下記表1記載のテトラアミン12mmolを加え溶解させた。次に、下記表1記載のテトラカルボン酸12mmolを加え、200℃において24時間攪拌して、重合体のPPA溶液を得た。
当該重合体のPPA溶液を大量の水に投入して重合体を凝固させ、ロ別し、得られた重合体を水およびメタノール(MeOH)で順次洗浄した後、室温で減圧乾燥し、粗高分子を得た。 粗高分子に残留するPPAを除去するために、粗高分子をメタンスルホン酸(MSA)に溶解し、この溶液を大量の水に投入して重合体を凝固させ、水、ジメチルアセトアミド(DMAc)およびMeOHで順次洗浄した後、240℃において24時間減圧乾燥し、重合体精製物を得た。
重合体の固有粘度(η)は濃度0.15gdl−1のMSA溶液について、30℃においてオストワルト粘度計(柴田科学株式会社製)を用いて測定した。
その結果を表1に記載した。
また、重合体の元素分析値を測定した。測定にて使用した機器はCE Instruments社製 EA1110である.
その結果を表2に記載した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example etc. demonstrate this invention, this invention is not limited to these Examples at all.
Examples 1-3 Preparation of Polymer 100 g of polyphosphoric acid (PPA) (concentration of orthophosphoric acid 115%) was placed in a 200 ml four-necked flask equipped with a mechanical stirrer, argon gas inlet tube, exhaust tube and thermometer. Then, argon gas was bubbled to remove dissolved oxygen, and 12 mmol of tetraamine shown in Table 1 below was added and dissolved. Next, 12 mmol of tetracarboxylic acid described in Table 1 below was added, and the mixture was stirred at 200 ° C. for 24 hours to obtain a PPA solution of a polymer.
The PPA solution of the polymer is poured into a large amount of water to solidify the polymer, and then separated. The obtained polymer is washed successively with water and methanol (MeOH), and then dried under reduced pressure at room temperature. I got a molecule. In order to remove PPA remaining in the crude polymer, the crude polymer is dissolved in methanesulfonic acid (MSA), and this solution is poured into a large amount of water to coagulate the polymer, and water, dimethylacetamide (DMAc) Then, the mixture was washed successively with MeOH and dried under reduced pressure at 240 ° C. for 24 hours to obtain a purified polymer.
The intrinsic viscosity (η) of the polymer was measured for an MSA solution having a concentration of 0.15 gdl −1 at 30 ° C. using an Ostwald viscometer (manufactured by Shibata Kagaku Co., Ltd.).
The results are shown in Table 1.
Moreover, the elemental analysis value of the polymer was measured. The instrument used for the measurement was EA1110 manufactured by CE Instruments.
The results are shown in Table 2.
比較例1
出発物質としてのテトラアミン及びテトラカルボン酸として、表1記載の化合物を用い、それ以外は実施例1〜3と同様に操作して、重合体精製物を得た。
当該重合体の固有粘度(η)を実施例1〜3と同様にして測定した。
その結果を表1に記載した。
Comparative Example 1
Using the compounds shown in Table 1 as the tetraamine and tetracarboxylic acid as starting materials, the other procedures were carried out in the same manner as in Examples 1 to 3 to obtain purified polymers.
The intrinsic viscosity (η) of the polymer was measured in the same manner as in Examples 1 to 3.
The results are shown in Table 1.
表1
表2
Table 1
Table 2
重合体の重合挙動を表1にまとめた。いずれの高分子についても、重合収率はほぼ定量的であった。また、実施例1〜3の重合体の固有粘度(η)は大きく、特に実施例1及び2のηは比較例1の重合体のηに比べて著しく大きくなり、本発明で用いた出発物質は高分子量化に有効であることがわかった。 The polymerization behavior of the polymer is summarized in Table 1. For all the polymers, the polymerization yield was almost quantitative. Further, the intrinsic viscosity (η) of the polymers of Examples 1 to 3 is large, and in particular, η of Examples 1 and 2 is significantly larger than that of the polymer of Comparative Example 1, and the starting material used in the present invention is used. Is effective for increasing the molecular weight.
実施例 4〜6
(重合体フィルムの作製)
実施例1〜3で調製した重合体0.3gをMSA7 mlに溶解させて得られた粘稠な溶液を,内径70mmのガラス製フラットシャーレに展開した.このシャーレをマントルヒータ内に置いた500ml平底セパラブルフラスコ内に水平を保って静置した.セパラブルフラスコ内をロータリーポンプで減圧した後,段階的に200℃まで加熱して脱溶媒させ,重合体フィルムを作製した.
前記重合体フィルムは容易にガラスシャーレから剥離することができた。フィルム中に残留するメタンスルホン酸を除去するために,トリエチルアミンのメタノール溶液に室温で12時間浸漬し,ついでメタノールで洗浄した後,減圧乾燥した。得られたフィルムの厚さはおよそ50ミクロンであった。フィルムはいずれも柔軟で,所望の形状に切断することが可能であった。
(炭素フィルムの作製)
前記重合体フィルムは以下に示す2段階の熱処理によって炭素化した。
所定の形状に切断した重合体フィルムを、黒鉛板にはさみシリコンカーバイドをヒータとする電気炉内(自作)に置いた。電気炉内に窒素ガスを250mlmin-1の流量で流通させながら、2℃min-1の速度で加熱し、1500℃で1時間保持して熱処理し、炭素フィルムを得た。
前記炭素フィルムを黒鉛板にはさみ黒鉛をヒータとする電気炉内(進成電炉製作所製)に置いた。電気炉内にアルゴンガスを2000mlmin-1の流量で流通させながら、5℃ min-1の速度で加熱し,2800℃で1時間保持して熱処理し、炭素フィルムを得た。
前記重合体フィルムおよび炭素フィルムの密度は、浮沈法を用いて25℃において測定した。密度液には、n−へブタン、四塩化炭素、1,2一二臭化エチレンおよび1,1,2,2一四臭化エタンの混合液を用いた。測定には10 mlゲーリュサック型比重ビン(三商製)を用いた.
その結果を表3に記載した。
Examples 4-6
(Production of polymer film)
A viscous solution obtained by dissolving 0.3 g of the polymer prepared in Examples 1 to 3 in 7 ml of MSA was developed on a glass flat dish having an inner diameter of 70 mm. This petri dish was kept horizontal in a 500 ml flat bottom separable flask placed in a mantle heater. After the pressure inside the separable flask was reduced with a rotary pump, the solvent was removed stepwise to 200 ° C. to prepare a polymer film.
The polymer film could be easily peeled from the glass petri dish. In order to remove methanesulfonic acid remaining in the film, it was immersed in a methanol solution of triethylamine for 12 hours at room temperature, then washed with methanol, and then dried under reduced pressure. The resulting film thickness was approximately 50 microns. All the films were flexible and could be cut into a desired shape.
(Production of carbon film)
The polymer film was carbonized by the following two-stage heat treatment.
The polymer film cut into a predetermined shape was sandwiched between graphite plates and placed in an electric furnace (self-made) using silicon carbide as a heater. While nitrogen gas into the electric furnace was circulated at a flow rate of 250mlmin -1, heated at a rate of 2 ° C. min -1, and a heat treatment and held 1 hour at 1500 ° C., to obtain a carbon film.
The carbon film was sandwiched between graphite plates and placed in an electric furnace (manufactured by Shinsei Electric Furnace) using graphite as a heater. While argon gas in an electric furnace was circulated at a flow rate of 2000mlmin -1, heated at a rate of 5 ° C. min -1, and a heat treatment and held 1 hour at 2800 ° C., to obtain a carbon film.
The density of the polymer film and the carbon film was measured at 25 ° C. using a flotation method. As the density solution, a mixed solution of n-heptane, carbon tetrachloride, 1,2 ethylene dibromide and 1,1,2,2 tetratetrabromide ethane was used. For the measurement, a 10 ml Geryac type specific gravity bottle (manufactured by Sansho) was used.
The results are shown in Table 3.
比較例2
比較例1で得た重合体を用い、実施例4〜6と同様に操作し、炭素フィルムを得た。
前記重合体フィルムおよび炭素フィルムの密度を、実施例4〜6と同様に操作し、密度を測定した。
その結果を表3に記載した。
Comparative Example 2
Using the polymer obtained in Comparative Example 1, the same operation as in Examples 4 to 6 was performed to obtain a carbon film.
The density of the said polymer film and the carbon film was operated like Example 4-6, and the density was measured.
The results are shown in Table 3.
本発明が規定する高分子フィルムを炭素化すると、いずれのフィルムについても、変形のない緻密で平滑な炭素フィルムが得られた。これらの点は、巨視的形状(肉眼で見た形状)の変化が小さいことに加えて、電子顕微鏡による観察結果からの結論であり、また、炭素フィルムの密度の測定結果等からの結論である。
炭素化温度2800℃における比較例1での重合体(BBLポリマー)の炭素化収率は63.9%であり、これは高分子中の炭素原子の88.9%が残存したことに相当する。これに対して、実施例1での重合体の炭素化収率および炭素原子の残存率は、それぞれ76.7および95.2%であった。実施例2での重合体の炭素化収率および炭素原子の残存率は、それぞれ69.2および93.7%であり、実施例3での重合体の炭素化収率および炭素原子の残存率は、それぞれ76.7および91.0%であった。本発明が規定する今回合成した高分子に関しては、分子鎖への単結合の導入は熱安定性の低下をもたらさず、むしろ炭素含有率の増加によって、炭素化収率および炭素原子の残存率を増加させることがわかる。
炭素フィルムの密度は、結晶性の違いによって敏感に変化する物性値の一つであり、測定も容易なことから、結晶性を表す指標として用いることができる。高い結晶性と結晶の高い選択配向性をもつ比較例1の重合体由来の炭素フィルムの密度は2.19gcm−3であった。これに対して、実施例2の重合体由来の炭素フィルムの密度は、比較例1の重合体由来の炭素フィルムの密度に匹敵する密度2.18gcm−3の炭素フィルムを得ることができた。
以上のように、BBLポリマー由来の炭素フィルムと同程度の高い結晶性をもった炭素フィルムを、より重合の容易な高分子から、より高い収率で製造することができた。
When the polymer film defined by the present invention was carbonized, a dense and smooth carbon film without deformation was obtained for any film. These points are conclusions based on observation results by an electron microscope in addition to small changes in the macroscopic shape (shapes seen with the naked eye), and conclusions from the measurement results of the density of the carbon film. .
The carbonization yield of the polymer (BBL polymer) in Comparative Example 1 at a carbonization temperature of 2800 ° C. was 63.9%, which corresponds to the remaining 88.9% of the carbon atoms in the polymer. . On the other hand, the carbonization yield and the carbon atom residual ratio of the polymer in Example 1 were 76.7 and 95.2%, respectively. The carbonization yield and carbon atom survival rate of the polymer in Example 2 are 69.2 and 93.7%, respectively, and the carbonization yield and carbon atom survival rate of the polymer in Example 3 are as follows. Were 76.7 and 91.0%, respectively. For the polymer synthesized this time as defined by the present invention, the introduction of a single bond into the molecular chain does not lead to a decrease in thermal stability, but rather increases the carbon content, thereby increasing the carbonization yield and the residual ratio of carbon atoms. You can see that it increases.
The density of the carbon film is one of the physical property values that change sensitively depending on the difference in crystallinity, and is easy to measure, so that it can be used as an index representing the crystallinity. The density of the carbon film derived from the polymer of Comparative Example 1 having high crystallinity and high selective orientation of crystals was 2.19 gcm −3 . On the other hand, the density of the carbon film derived from the polymer of Example 2 was able to obtain a carbon film having a density of 2.18 gcm −3 comparable to the density of the carbon film derived from the polymer of Comparative Example 1.
As described above, a carbon film having high crystallinity comparable to that of a BBL polymer-derived carbon film could be produced from a polymer that can be easily polymerized with a higher yield.
表3
上記表中、炭素化収率及び炭素原子残存率は下式に基づき算出した。
炭素化収率=((炭素フィルムの質量)/(高分子フィルムの質量))x100
炭素原子残存率=((炭素化収率)/(高分子の炭素含有率))x100
Table 3
In the above table, the carbonization yield and carbon atom residual ratio were calculated based on the following formulas.
Carbonization yield = ((mass of carbon film) / (mass of polymer film)) × 100
Carbon atom residual rate = ((carbonization yield) / (carbon content of polymer)) × 100
本発明を次のように記載することもできる。
(1)下記一般式で表され、固有粘度が0.5〜3.5 dlg-1であることを特徴とする重合体。
(一般式)
(官能基1)
(官能基2)
(官能基3)
(官能基4)
(式中、Ar1は官能基1又は官能基2を示し、Ar2は官能基3又は官能基4を示し、nは重合度を示す自然数である。ただし、Ar1が官能基2のときはAr2は官能基4ではない。)
(2)上記一般式で表される重合体からなることを特徴とする炭素フィルム製造用重合体。
The present invention can also be described as follows.
(1) A polymer represented by the following general formula and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 .
(General formula)
(Functional group 1)
(Functional group 2)
(Functional group 3)
(Functional group 4)
(In the formula, Ar 1 represents functional group 1 or 2, Ar 2 represents functional group 3 or 4, and n is a natural number indicating the degree of polymerization. Provided that Ar 1 is functional group 2. Ar 2 is not functional group 4.)
(2) A polymer for producing a carbon film, comprising a polymer represented by the above general formula.
(3)下記一般式(4)、(5)及び(6)で表されるいずれかの重合体からなり、固有粘度が0.5〜3.5 dlg-1であることを特徴とする重合体。但し、式中、nは自然数である。
(4)上記(3)記載の重合体からなることを特徴とする炭素フィルム製造用重合体。
(5)上記(1)又は(3)記載の重合体を不活性ガス雰囲気下にて焼成することを特徴とする炭素フィルムの製造方法。
(3) It is made of any polymer represented by the following general formulas (4), (5) and (6), and has an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1. Coalescence. However, in the formula, n is a natural number.
(4) A polymer for producing a carbon film, comprising the polymer described in (3) above.
(5) A method for producing a carbon film, comprising firing the polymer described in (1) or (3) in an inert gas atmosphere.
Claims (5)
(1)
(2)
A polymer comprising a repeating unit represented by the following general formula (1) or (2) and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 .
(1)
(2)
(1)
(2)
A polymer for producing a carbon film, comprising a repeating unit represented by the following general formula (1) or (2) and having an intrinsic viscosity of 0.5 to 3.5 dlg −1 .
(1)
(2)
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