(57)【要約】【課題】  任意の三次元方向のいずれにおいても３０ｍｍ以上の厚さを有する炭素材であっても、その中心部における純度が表面近傍と同等レベルである炭素材を製造する方法およびその純化方法を提供する。【解決手段】  炭素原料粉末およびバインダの混練物の成形工程と、焼成工程と、焼成体に、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液を、該有機溶媒の沸点以下の温度で含浸させる工程と、乾燥工程と、黒鉛化処理工程とを経る製造方法、または、焼成または焼成・黒鉛化した炭素材について、含浸工程と、乾燥工程と、ハロゲンを含むガス雰囲気下での熱処理工程とを経る純化方法により、炭素材を得る。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素原料粉末およびバインダの混練物を成形する工程と、
前記成形工程により得られた成形体を焼成する工程と、
前記焼成工程により得られた焼成体に、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液を、該有機溶媒の沸点以下の温度で含浸させる工程と、
前記含浸工程により得られた含浸体を乾燥させ、前記有機溶媒を除去する工程と、
前記乾燥工程により得られた含浸体を黒鉛化処理する工程とを備えていることを特徴とする炭素材の製造方法。
【請求項２】
前記ハロゲンを含む有機物として、炭素、水素およびハロゲンのみを組成元素とするモノマーまたはポリマーを用いることを特徴とする請求項１記載の炭素材の製造方法。
【請求項３】
焼成または焼成・黒鉛化した炭素材に、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液を、該有機溶媒の沸点以下の温度で含浸させる工程と、
前記含浸工程により得られた含浸体を乾燥させ、前記有機溶媒を除去する工程と、
前記乾燥工程により得られた含浸体を、ハロゲンを含むガス雰囲気下で熱処理する工程とを備えていることを特徴とする炭素材の純化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材、特に、黒鉛化処理が施される炭素材の製造方法および焼成または焼成・黒鉛化された炭素材の純化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素材は、高温下での機械的強度、耐熱性、耐久性、電気伝導性、耐食性、電気伝導性、熱伝導性等の多くの優れた特性を有していることから、半導体製造、ガラス製造、原子炉、冶金、電極等の様々な用途において利用されている。
これらのうち、特に、半導体製造、高純度ガラス製造、原子炉等の用途においては、上記特性に加えて、高純度であることも要求される。
【０００３】
従来の炭素材の純化処理は、ハロゲンガス雰囲気下で加熱し、ハロゲンガスを炭素材内部に浸透させて、該炭素材中の不純物と反応して生成した化合物を高温処理により揮散させることにより行われていた。
このような純化処理は、約２０００℃以上の高温処理により行われるため、エネルギー消費量が多く、コスト、効率等の観点から、様々な工夫、改良がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、純化処理用ガスの洩れを防止し、また、純化効率を向上させるため、処理室の周囲に特定空間を設けるとともに、純化処理用ガスの圧力変動を繰り返す方法が開示されている。
また、特許文献２には、ＣＦ4ガスを用いることにより、炭素材のかさ密度に依存することなく、かつ、従来よりも短時間で、より高純度化を図ることができることが開示されている。
【特許文献１】特公平７−２９７６２号公報
【特許文献２】特開２０００−７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような従来のガスを用いた純化方法においては、任意の三次元方向のいずれにおいても３０ｍｍ以上の厚さを有する炭素材の場合、該炭素材の表面近傍よりも中心部での純化レベルが低くなる傾向にあり、特に、炭素材の密度が高いほど、この傾向が強くなる。
また、炭素材製品は、使用により汚染され、不純物濃度が高くなると、純化処理を施した後、再利用されるのが一般的であるが、この場合も、上記と同様の純化レベルのばらつきが課題となっていた。
これは、炭素材が大きいほど、表面近傍に比べて内部への純化ガスが導入され難くなり、不純物と純化ガスとの反応頻度が減少することに起因すると考えられる。
【０００６】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、任意の三次元方向のいずれにおいても３０ｍｍ以上の厚さを有する炭素材であっても、その中心部における純度が表面近傍と同等レベルである炭素材を製造する方法およびその純化方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る炭素材の製造方法は、炭素原料粉末およびバインダの混練物を成形する工程と、前記成形工程により得られた成形体を焼成する工程と、前記焼成工程により得られた焼成体に、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液を、該有機溶媒の沸点以下の温度で含浸させる工程と、前記含浸工程により得られた含浸体を乾燥させ、前記有機溶媒を除去する工程と、前記乾燥工程により得られた含浸体を黒鉛化処理する工程とを備えていることを特徴とする。
このように、黒鉛化処理前の焼成体にハロゲンを含む溶液を含浸させておくことにより、高温下での黒鉛化処理工程において前記ハロゲン成分が熱分解され、含浸体に含まれる不純物と反応して塩を生成し、含浸体の中心部まで純化することができる。
【０００８】
上記製造方法においては、ハロゲンを含む有機物として、炭素、水素およびハロゲンのみを組成元素とするモノマーまたはポリマーを用いることが好ましい。
炭素材の酸化および不純物の混入を防止する観点から、酸素および上記以外の元素を含まない有機物であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る炭素材の純化方法は、焼成または焼成・黒鉛化した炭素材に、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液を、該有機溶媒の沸点以下の温度で含浸させる工程と、前記含浸工程により得られた含浸体を乾燥させ、前記有機溶媒を除去する工程と、前記乾燥工程により得られた含浸体を、ハロゲンを含むガス雰囲気下で熱処理する工程とを備えていることを特徴とする。
このような純化方法によれば、通常の方法により焼成または焼成・黒鉛化して得られた炭素材を後から純化処理する場合においても、ハロゲンを含む溶液を含浸させて熱処理する方法と、従来のハロゲンを含むガスを用いて熱処理する方法とを併用して、上記本発明に係る製造方法と同様の優れた純化効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る炭素材の製造方法によれば、任意の三次元方向のいずれにおいても３０ｍｍ以上の厚さを有する炭素材であっても、含浸体の中心部まで効率的に純化することができ、その中心部における純度が表面近傍と同等レベルである炭素材を得ることができる。
また、本発明に係る炭素材の純化方法によれば、通常の方法により焼成または焼成・黒鉛化して得られた炭素材を、後工程において純化処理する場合においても、上記製造方法と同様に、炭素材の純化効果の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る炭素材の製造方法においては、炭素原料粉末およびバインダの混練物の成形工程、焼成工程、ハロゲンを含む有機物の溶液の含浸工程、乾燥工程、黒鉛化処理工程とを経る。
すなわち、本発明は、ハロゲンガスを用いて、黒鉛化と同時に純化処理を行っていた従来法とは異なり、黒鉛化処理前の焼成体にハロゲンを含む溶液を含浸させておくことを特徴とするものである。
【００１２】
このような製造方法によれば、焼成体に含浸させたハロゲン成分が、黒鉛化処理工程において熱分解され、含浸体に含まれる不純物と反応して塩を生成し、高温処理によって、含浸体の中心部まで純化することができる。
したがって、任意の三次元方向のいずれにおいても３０ｍｍ以上の厚さを有する炭素材であっても、その中心部の純度を、表面からの深さ１０ｍｍ程度までの表面近傍と同等レベルにすることができる。
【００１３】
以下、本発明に係る炭素材の製造方法を工程順に説明する。
まず、成形工程においては、炭素原料粉末およびバインダを混合した混練物を所定の形状に成形する。
前記炭素原料としては、均質な炭素材を得る観点から、コークス、カーボンブラック、メソフェーズのような一元系材料を用いることが好ましい。
また、前記バインダは、ピッチ、タール、熱可塑性樹脂等の一般に用いられるものでよい。
【００１４】
前記混練物の成形方法としては、押出プレス、一軸プレス、あるいはまた、それらによる成形体を再粉砕後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）する方法等が用いられる。
【００１５】
次に、上記のようにして得られた成形体を焼成する。
この焼成は、真空中または不活性ガス雰囲気下、８００〜１２００℃で熱処理することにより行われる。
焼成温度が８００℃未満の場合、バインダ成分の炭素化が不十分となるため、高温で熱処理することが好ましいが、後の工程において、２５００℃以上で黒鉛化処理が施されることを考慮すると、１２００℃以下での熱処理で十分である。
前記焼成温度は、８００〜１１００℃であることがより好ましい。
【００１６】
次に、前記焼成工程により得られた焼成体に、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液を、該有機溶媒の沸点以下の温度で含浸させる。
前記ハロゲンを含む有機物としては、炭素、水素およびハロゲンのみを組成元素とするモノマーまたはポリマーを用いることが好ましい。酸素を含むものは、炭素材の酸化を招くため好ましくなく、また、その他の元素等も、炭素材の不純物となり得ることから、含有されていないものが好ましい。
例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素系樹脂、ポリ四フッ化エチレン、ポリ六フッ化プロピレン、四フッ化プロピレン−六フッ化プロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル等のフッ素系樹脂等を用いることができる。
【００１７】
また、前記ハロゲンを含む有機物を溶解するための有機溶媒としては、溶質である前記有機物を溶解することができるものであればいずれでもよいが、前記有機物の溶解度が高いものほど効率であり好ましい。
例えば、イソプロピルアルコール、シクロヘキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エーテル等が好適に用いることができる。
【００１８】
上記のようにして、ハロゲンを含む有機物を加熱した有機溶媒に溶解させた溶液中の溶質（ハロゲンを含む有機物）の濃度は、４０〜９０ｗｔ％であることが好ましく、より好ましくは５０〜８０ｗｔ％である。
溶液中の溶質の濃度が４０ｗｔ％未満である場合、焼成体内部に含浸される溶質が少なすぎて、中心部における十分な純化を行うことが困難である。
一方、前記濃度が９０ｗｔ％を超える場合、溶液の粘性が高くなる等により、焼成体に含浸しにくくなり、中心部にまで浸透しないおそれがある。また、焼成体の強度や形状等にもよるが、熱分解した際に発生するガスにより焼成体内部の圧力が上昇し、破損するおそれがある。
【００１９】
前記溶液の焼成体への含浸は、効率化のため、加熱しながらバッチ式の加圧方法により行うことが好ましい。この場合の加熱温度は、有機溶媒の揮発を抑制するため、該有機溶媒の沸点以下とする。
本発明においては、減圧法は、有機溶媒が揮発するため好ましくない。
【００２０】
前記含浸工程により得られた含浸体は、バッチ式の真空炉等を用いて乾燥させ、含浸体に含まれる有機溶媒を除去した後、黒鉛化処理を施す。
前記黒鉛化処理は、通常の方法を用いることができ、例えば、アチソン炉による直接通電炉等を用いて、２５００〜３２００℃の高温で熱処理することにより行われる。
前記熱処理温度が、２５００℃未満である場合、十分に黒鉛化することができず、特性不良となる。
一方、前記熱処理温度が３２００℃を超える場合、局所的な異常加熱により、炭素材自体が劣化するおそれがある。
黒鉛化処理における熱処理温度は、２８００〜３１００℃であることがより好ましい。
【００２１】
上記のような高温熱処理である黒鉛化処理工程において、前記含浸体に含まれるハロゲン成分が熱分解され、含浸体に含まれる不純物と反応して塩を生成することにより、含浸体の中心部での純化を促進することができる。
なお、熱分解時に発生する水素（Ｈ）は、硫黄（Ｓ）等の非金属元素の捕捉効果を有しており、また、含浸させた溶液中の炭素（Ｃ）は、炭化して炭素材中に残留するが、炭素材の粒子結合力の強化や緻密化を図る役割を果たす。
また、得られた炭素材中に遊離炭素として残留するＣは、パーティクルとなり得るが、微量であり、影響はほとんどない。炭素材の使用時におけるパーティクルの影響が懸念される場合は、真空脱ガス処理、熱分解炭素や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等によるコーティング等の後処理を施してもよい。
【００２２】
また、本発明に係る炭素材の純化方法は、焼成または焼成・黒鉛化した炭素材について、上記本発明に係る製造方法と同様に、含浸工程と、乾燥工程とを経た後、ハロゲンを含むガス雰囲気下で熱処理するものである。
このように、通常の方法により焼成または焼成・黒鉛化して得られた炭素材を、後から純化処理する場合においては、ハロゲンを含む溶液を含浸させて熱処理する方法と、従来のハロゲンを含むガスを用いて熱処理する方法とを併用することにより、より効率的に、上記本発明に係る製造方法と同様に、炭素材の純化効果の向上を図ることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
コークスを粉砕した粒径５０μｍ以下の炭素原料粉末およびピッチの混練物を、ＣＩＰプレスにより成形し、得られた成形体を１０００℃で焼成し、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍ、厚さ１００ｍｍの板状の焼成体を得た。
一方、ポリ塩化ビニルを７５℃のシクロヘキンに溶解させて、ポリ塩化ビニル濃度６０ｗｔ％の溶液を調製した。
この溶液を前記焼成体に２気圧で含浸させ、徐々に加圧しながら、室温まで自然冷却させて、含浸体を得た。
この含浸体を減圧乾燥させた後、２５００℃で熱処理して黒鉛化させ、かさ密度１．７８ｇ／ｃｍ3の炭素材を得た。
【００２４】
［比較例１］
実施例１において得られた焼成体を、塩素ガス雰囲気下、２５００℃で熱処理して、黒鉛化させた炭素材を得た。
【００２５】
［実施例２］
ＣＩＰプレスの圧力を１．５倍とし、それ以外については、実施例１と同様にして、含浸体を得た。
この含浸体を減圧乾燥させた後、２５００℃で熱処理して黒鉛化させ、かさ密度１．８８ｇ／ｃｍ3の炭素材を得た。
【００２６】
［比較例２］
実施例２において得られた焼成体を、塩素ガス雰囲気下、２５００℃で熱処理して、黒鉛化させた炭素材を得た。
【００２７】
［比較例３］
実施例１において得られた焼成体を、２５００℃で熱処理し、黒鉛化させた炭素材を得た。
【００２８】
［実施例３］
比較例３において得られた炭素材について、実施例１と同様にして、ポリ塩化ビニル溶液を含浸および乾燥させた。
得られた含浸体を、塩素ガス雰囲気下、２４５０℃で熱処理することにより純化し、かさ密度１．８９ｇ／ｃｍ3の炭素材を得た。
【００２９】
上記実施例および比較例において得られた各炭素材について、純度評価のため、原子吸光分析により、表面近傍（表面から深さ１０ｍｍ）および中心部（表面から深さ５０ｍｍ）における灰分量の測定を行った。
これらの結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2006232565.tif 000002
【００３１】
表１に示したように、従来の黒鉛化・純化方法による炭化材（比較例１〜３）は、炭素材の中心部における灰分が、表面近傍の約２倍以上と多く、中心部における純度が低いもであった。
これに対して、本発明に係る炭素材の製造方法（実施例１，２）または純化方法（実施例３）によれば、厚さ１００ｍｍの炭素材であっても、表面近傍における灰分は、従来法によるもの（比較例１〜３）と同等であり、しかも、炭素材の中心部における灰分を表面近傍と同等レベルに低減させることができ、中心部においても高純度である炭素材が得られることが認められた。