(57)【要約】高密度炭素フォームおよび該フォームを製造する方法が記述される。高密度炭素フォームを調製するために用いられる方法は、石炭微粒子が共に軟化および融解し、全体的に均質な連続的な連続気泡炭素材料を形成する結果となるように十分に上昇した温度に粉砕された集塊の瀝青炭を加熱することを伴い得る。均質な連続気泡炭素材料は、次いで、瀝青炭の塑性特性を実質的に減少させるかまたは本質的に除去するのに十分な時間、上昇した温度で維持される。所望であれば、結果として生じた高密度炭素フォームは、本質的に周囲温度まで冷却されるか、または、直ちにもしくはその後、約３２００℃の上昇した温度に加熱され、その後冷却され得る。
2008535755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互連結され連続した炭素リガメントから構成される連続気泡体を備えている高密度炭素フォームであって、該高密度炭素フォームは、約０．８ｇ／ｃｃよりも大きい密度および約１％よりも大きい灰含有量を有する、高密度炭素フォーム。
【請求項２】
前記灰含有量は、約２％よりも大きく、約２０％よりも小さい、請求項１に記載の高密度炭素フォーム。
【請求項３】
前記密度は、約１．２ｇ／ｃｃよりも大きく、約１．８ｇ／ｃｃよりも小さい、請求項１に記載の高密度炭素フォーム。
【請求項４】
前記高密度炭素フォームは、約５，０００  ｌｂ／ｉｎ２〜約２５，０００  ｌｂ／ｉｎ２の範囲の破砕強度を有する、請求項１に記載の高密度炭素フォーム。
【請求項５】
前記灰含有量は、約２％よりも大きく、約２０％よりも小さく、前記密度は、約１．２ｇ／ｃｃよりも大きく、約１．８ｇ／ｃｃよりも小さく、前記高密度炭素フォームは、約５，０００  ｌｂ／ｉｎ２〜約２５，０００  ｌｂ／ｉｎ２の範囲の破砕強度を有する、請求項１に記載の高密度炭素フォーム。
【請求項６】
高密度炭素フォームを製造する方法であって、
粉砕された、集塊の炭素原材料を第１の上昇した温度に加熱するステップであって、該第１の上昇した温度は、実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料を形成するのに十分である、ステップと、
該全体的に均質な連続気泡炭素材料を該実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料の軟化溶融性を本質的に除去するのに十分な時間、上昇した温度で維持し、高密度炭素フォームを形成するステップと
を包含する、方法。
【請求項７】
前記固体の炭素原材料は、石炭抽出物、水素化石炭抽出物、および中間相材料から成るグループから選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記炭素原材料は、集塊の瀝青炭である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記高密度炭素フォームを約７００℃よりも高い第２の上昇した温度で加熱するステップをさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の上昇した温度は約９５０℃よりも高い、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記加熱は、本質的に不活性で酸化しない雰囲気の下で行なわれる、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
高密度炭素フォームを製造する方法であって、該方法は、
容器に粉砕された石炭を投入し、コールベッドを形成するステップであって、該粉砕された石炭は瀝青炭である、ステップと、
圧縮力を該コールベッドに与えるステップと、
該容器を蓋で覆うステップと、
該コールベッドを第１の上昇した温度に加熱するステップであって、該第１の上昇した温度は、実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料を形成するのに十分である、ステップと、
該実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料を該実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料の軟化溶融性を本質的に除去するのに十分な時間、上昇した温度で継続的に加熱し、高密度炭素フォームを提供するステップと
を包含する、方法。
【請求項１３】
前記高密度炭素フォームを約７００℃よりも高い第２の上昇した温度に加熱するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の上昇した温度は約９５０℃よりも高い、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記加熱は、本質的に不活性で酸化しない雰囲気の下で行なわれる、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度多孔性炭素材料、特に高密度炭素フォームに関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
（本発明の概要）
本発明は、高密度炭素フォーム材料および該材料を製造する方法を含む。一部の実施形態において、高密度炭素フォームを調製するために用いられる方法は、石炭微粒子が共に軟化および融解し、全体的に均質な連続的な連続気泡炭素材料を形成する結果となるように十分に上昇した温度に粉砕された集塊の瀝青炭を加熱することを伴う。均質な連続気泡炭素材料は、次いで、瀝青炭の軟化溶融性の特性を実質的に減少させるかまたは本質的に除去し、高密度炭素フォームという結果となるように十分な時間、上昇した温度で維持される。所望であれば、結果として生じる高密度炭素フォームは、本質的に周囲温度まで冷却されるか、または、直ちにもしくはその後、約３２００℃の上昇した温度に加熱され、その後冷却され得る。
【０００３】
特定の実施形態において、本発明は、高密度炭素フォームを製造し、固体、微粒子、集塊、炭素の原料を第１の上昇した温度に加熱するステップを包含する方法を含み得、第１の上昇した温度は、集塊の炭素原材料微粒子が軟化し、少なくとも部分的に融解し、混合して、実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料を形成する結果となり、上昇した温度で炭素材料を、炭素材料がもはや可塑性を有さず、または可塑性となる能力がなくなり、高密度炭素フォームという結果になるほど十分な時間、継続して加熱する。所望であれば、結果として生じる高密度炭素フォームは、本質的に周囲温度まで冷却されるか、または、直ちにもしくはその後、約３２００℃の上昇した温度に加熱され、その後冷却され得る。
【０００４】
一部の実施形態において、本発明は、高密度炭素フォームを製造する方法も含み得、方法は、容器に粉砕された石炭を投入しコールベッドを形成するステップを包含し、該方法において、粉砕された石炭は、集塊の瀝青炭であり、容器の底面を底面カバーで覆い、底面カバーは、コールベッドと容器の底面との間に位置する。方法は、コールベッドをコールベッドカバーで覆い、硬質シート材料をコールベッドカバーの上に置き、容器を蓋で覆い、コールベッドを第１の上昇した温度に加熱することも含み得、第１の上昇した温度は、石炭微粒子が軟化し、少なくとも部分的に融解し、混合して、実質的に均質な非焼結の連続気泡炭素材料を形成し、上昇した温度で炭素材料を、炭素材料がもはや可塑性を有さず、または可塑性となる能力がなくなり、高密度炭素フォームという結果になるほど十分な時間、継続して加熱する。所望であれば、結果として生じる高密度炭素フォームは、本質的に周囲温度まで冷却されるか、または、直ちにもしくはその後、約３２００℃の上昇した温度に加熱され、その後冷却され得る。
【０００５】
なおもさらに、本発明は、空隙を規定する相互連結されたリガメントを備えている連続フォーム素地部分を備えている高密度炭素フォームを含み得、非焼結連続フォーム素地は、約０．８ｇ／ｃｃを超える密度を有する。
【０００６】
さらに、本発明は、素地全体に空隙を規定する相互連結されたリガメントを備えている連続フォーム素地部分を備え、約１％を超える灰含有量をさらに備えている高密度炭素フォームを含み得、非焼結連続フォーム体は、約０．８ｇ／ｃｃを超える密度を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（本発明の実施形態の詳細な説明）
高密度炭素フォームは、約７００℃よりも高い、より典型的に約９５０℃よりも高い温度に加熱され、その後実質的に周囲温度に冷却された場合、約０．８ｇ／ｃｃよりも大きい、より典型的には約１．０ｇ／ｃｃよりも大きい密度を示す炭素フォームである。特定の実施形態において、密度は、約０．８ｇ／ｃｃ〜約２．０ｇ／ｃｃの範囲に及び得る。他の実施形態において、密度は、約１．２ｇ／ｃｃ〜約１．８ｇ／ｃｃの範囲に及び得る。さらに他の実施形態において、密度は、約１．３ｇ／ｃｃ〜約１．６ｇ／ｃｃの範囲に及び得る。肉眼にとって、そのような炭素は、無孔性固体のように見え得る。しかしながら、顕微鏡の検査では、そのような高密度炭素フォームがある程度の多孔性を有することが示される。典型的には、この多孔性は、フォームにおいて均等に分布されている。高密度炭素フォームの多孔性は、フォーム内に空隙容量を提供し、空隙容量は、主に、互いにおよびフォームの外部に伝導し、「連続気泡性」または「多孔性」と呼ばれ得る構造を提供する。あるいは、内部空隙容量を有しないかまたは材料の外部に伝導しない空隙容量のみを有する材料は、「独立気泡」または「無孔性」材料と呼ばれ得る。
【０００８】
一部の実施形態において、約９０倍の倍率での顕微鏡の検査では、本発明の炭素フォームが焼結された粉体から単に構成されているわけではないことが示される。すなわち、フォームが調製される石炭微粒子の大部分は、焼結された材料の場合のように、互いに接触する部分でだけ接着された個別の微粒子としては、主としてもはや認識され得ない。外見上高密度炭素フォームの顕微鏡での構造は、低密度石炭ベースの炭素フォームと網状ガラス質炭素の両方の構造に類似し得るが、同等ではない。すなわち、高密度炭素フォームは、厚い多少曲がった相互接続された炭素リガメントによって範囲を定められた、はっきりした規則的な空隙から構成され得、空隙は、連続的、連続気泡性フォーム様の高密炭素体という結果になる。典型的には、高密度炭素フォームの空隙は、低密度石炭ベースの炭素フォームのはっきりした球状ボイドに通常存在する多数の広い曲がった壁を有しない。
【０００９】
別の実施形態において、約９０倍の顕微鏡での検査の下で、高密度炭素フォームの構造は、ランダムなサイズおよび向きのランダムに相互接続され、からみ合わされた多数の小さい炭素リガメントから構成されるように見え得る。そのような相互接続されたリガメントは、高密度炭素フォームを通して連続的である。これらのリガメントの表面は、曲げられ、比較的滑らか、不均一、不規則であり、または、高度な軟化溶融性を達成しなかった石炭微粒子の残りであり得るものによって時折埋まっていることさえあり得る。そのような実施形態において、リガメントによって規定される空隙は、あるとすれば、ランダムなサイズおよび限られた球状の特性を有する形状であり得る。
【００１０】
高密度炭素フォームは、約７００℃より高い、より典型的に約９５０℃より高い温度に加熱され、その後実質的に周囲温度に冷却された場合、約５０００  ｌｂ／ｉｎ２、一部の実施形態において約１０，０００  ｌｂ／ｉｎ２、他の実施形態において約２０，０００  ｌｂ／ｉｎ２より大きい破砕強度を有する。これらの高密度フォームの素地は、大部分等方性であり得る。
【００１１】
一般的に、高密度炭素フォームを調製するために用いられる方法は、石炭微粒子が同時に軟化および融解し、一般的に均質な連続的な連続気泡炭素材料を形成する結果となるように十分に上昇した温度に粉砕された集塊の瀝青炭を加熱することを伴う。均質な連続気泡炭素材料は、次いで、炭素材料の軟化溶融性を実質的に減少させるかまたは本質的に除去し、高密度炭素フォームという結果となるように十分な時間、上昇した温度で維持される。所望であれば、結果として生じた高密度炭素フォームは、本質的に周囲温度まで冷却されるか、または、直ちにもしくはその後、約３２００℃の上昇した温度に加熱され、その後冷却され得る。
【００１２】
高密度炭素フォームは、集塊の瀝青炭から直接に調製され得る。適切な瀝青炭は、加熱されると、可塑性になる（すなわち、軟化する）瀝青炭である。そのような石炭は、約１よりも大きい、一部の実施形態においては、約２よりも大きい自由膨張度指数（Ｆｒｅｅ  Ｓｗｅｌｌ  Ｉｎｄｅｘ）（ＡＳＴＭ規格Ｄ７２０−６７、「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｔｅｓｔ  ｆｏｒ  Ｆｒｅｅ−Ｓｗｅｌｌｉｎｇ  Ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  Ｃｏａｌ」）を有する石炭であり得る。瀝青炭は、低揮発性、中揮発性、高揮発性Ａ、高揮発性Ｂ、および高揮発性Ｃの瀝青炭を含む任意の瀝青炭ランクのものであり得る。瀝青炭の混合物で、結果として生じる混合物が、集塊であり、上で検討された自由膨張度番号に対応する場合は、瀝青炭の混合物が利用され得る。
【００１３】
本発明の高密度炭素フォームを作製するために用いられる集塊の瀝青炭は、まず粉砕される。一部の実施形態において、石炭は、実質的にすべて、すなわち約９８％より多い石炭が８０メッシュスクリーン（米国Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｉｅｖｅ  Ｓｅｒｉｅｓ）を通過するようなサイズに粉砕される。そのような８０メッシュスクリーンは、約０．１８ｍｍの開口を有する。他の実施形態において、石炭は、実質的にすべて、すなわち約９８％より多い石炭が１４０メッシュスクリーン（米国Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｉｅｖｅ  Ｓｅｒｉｅｓ）を通過するようなサイズに粉砕される。そのような８０メッシュスクリーンは、約０．１０５ｍｍの開口を有する。さらに他の実施形態において、他のメッシュサイズに粉砕された適切な石炭も利用され得る。種々の実施形態において、石炭は、約０．４２ｍｍより小さいサイズに粉砕され得、他の実施形態において、約０．１８ｍｍより小さい、さらに他の実施形態においては、約０．１０５ｍｍより小さいサイズに粉砕され得る。
【００１４】
ここで図１を参照すると、一般的に容器１２を含む装置１０を形成する高密度炭素フォームの実施形態が示される。サイズ合わせ後、粉砕された石炭１４は、容器１２の中に入れられる。容器１２は、任意の形状またはデザインを有し得る。特定の実施形態において、平底パンが利用される。容器１２は、オプションで蓋２４を含み得る。容器１２に投入された粉砕された石炭１４の量は、特に限定されない。典型的には、コールベッドが生成されるように十分な量の石炭が利用され、コールベッドを構成する石炭微粒子は、隣接する石炭微粒子と互いに接触する。特定の実施形態において、容器に入れられた石炭の質量は、平均、容器底面積の平方インチ当たり約１３グラムである。容器内の結果として生じるコールベッドを提供するように、他の石炭投入が用いられ得る。容器１２は、温度および圧力の選択された処理条件によって実質的に影響されない任意の材料から製作され得る。さらに、構成する容器材料は、塑性石炭によって著しくぬらされたり、選択された処理条件において、石炭または石炭製品にさらされることによって著しく劣化されるべきではない。さらに、構成する容器材料は、所望の処理条件全体における構成材料の熱移動特性および／または寸法安定性に関して選択され得る。容器を構成する一部の適切な材料は、限定するものではないが、セラミック材料およびアルミニウム、ステンレス鋼、およびその他の類似の材料を含む金属であり得る。
【００１５】
一般的に容器内部底面は清潔で滑らかであり得る。所定の容器の複数の使用により、容器内部底面は、例えば、以前のフォーム製造から形成される残留物ならびに関連する処理条件および気体への露出により、劣化され得る。そのような劣化は、高密度炭素フォーム製品の底面の概観、滑らかさおよび／または完全性に良くない影響を与え得る。容器底面は、これに限定されるわけではないが、洗浄、研磨剤の使用などの従来の方法によって、清潔にされ得る。あるいは、石炭の導入の前に、薄い金属フォイルまたはプレート２２は容器底部全体に置かれ得る。底面カバー２２と呼ばれ得る容器底部の場合のように、そのような金属フォイルまたはプレートは、必要に応じ、清潔にされ、石炭に対して接触する清潔で滑らかな表面を提供する。しかしながら、好ましくは、アルミニウムフォイルは、底面カバー金属フォイルとして用いられる。アルミニウムフォイルを用いることは、各使用後経済的に廃棄可能で、従って、容器または底面カバーの洗浄の必要性をなくするかまたは減少させる底面カバーを提供し得る。さらに、アルミニウムフォイルなどの底面カバーを用いることは、結果として生じる高密度炭素フォームを容器から、より容易に取り出すことを可能にし得る。
【００１６】
他の材料が、底面カバー２２として用いられる金属フォイルまたはプレートの代わりに用いられる。金属フォイル、金属プレートおよびその他の材料は、少なくとも１つの滑らかな硬い表面を有するシート材料であり得る。これらの金属フォイル、金属プレート、およびその他の材料は、高密度炭素フォームの生産に用いられる処理温度および圧力に耐える能力があるべきである。さらに、底面カバー２２は、原材料石炭または原材料石炭の任意の製品に対して本質的に無反応であるべきである。さらに、底面カバー２２は、プラスチックの場合フィードバックコールによって著しく湿らされないことが望ましい。好ましくは、底面カバー２２は、フォーミング原材料コールを著しく吸収または吸着すべきでない。底面カバー材料が、容器底部と原材料コールおよび結果として生じる高密度炭素フォームとの間の良好な熱移動を提供することは、一般的に好ましい。適切な底部カバー材料２２は、金属フォイルおよびシート、無孔性または光沢セラミックプレート、紙、またはシートなどを含み得る。底面カバーは、典型的には小さい径の１つ以上の穴でミシン目を入れられ得る。他の実施形態は、底面カバーとして上記の基準を満足する黒鉛または炭素のフォイルまたはシートを含み得る。原材料コールに接触する底面カバー２２の滑らかな表面は、使用する前に、ごみ、ほこり、破片、石炭残留物およびその他の汚染物質が実質的にないことが、一般的に好ましい。
【００１７】
粉砕された石炭１４は、一旦容器の中に入れられると、典型的には容器底部に均一に分布される。一部の実施形態において、結果として生ずるコールベッドは、固められ得る。締固めは、粉砕されたコールベッドの高密度化という結果となる。そのような高密度化は、高密度炭素フォーム密度の増加を提供し得る。締固めはまた、ひび割れ、き裂、または高密度炭素フォームにおけるまたはそのフォーム内のその他の大きい空隙容量の形成を抑制する。締固めは、タンピング、振動、または加力（締固め力）によって達成され、粉砕された石炭微粒子を固める。典型的には、締固め力は、コールベッドが自立密着体（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｍａｓｓ）にさせるほど十分ではない。しかしながら、他の実施形態において、締固め力は、コールベッドを自立密着体にさせるほど十分であり得る。実施形態において、コールベッドを自立密着体にさせるほど十分であり得る締固め力が利用される場合、石炭が容器１２に導入される前に、石炭は固められ得る。
【００１８】
コールベッドの上面１８は、容器１２に置かれた後で、オプションで硬質シート材料１６で覆われ得る。硬質シート材料１６は、金属シート、金属プレート、または滑らかな硬い表面を少なくとも１つを有するその他の材料であり得る。滑らかな硬い表面は、好ましくはコールフィードストックベッドの上部に対して置かれる。適切な硬い金属シート、金属プレート、およびその他の材料は、高密度炭素フォームの生産に用いられる処理温度および圧力に耐える能力があるべきである。さらに、硬質シート材料１６は、原材料コールまたは原材料コールの任意の製品に対して本質的に無反応である。さらに、硬質シート材料１６は、塑性の原材料コールによって著しく湿らされるべきではない。好ましくは、硬質シート材料１６は、塑性の原材料コールを実質的に吸収または吸着しない。特定の実施形態において、硬質シート材料１６は、硬質シート材料の上にある雰囲気と硬質シート材料の下にある原材料コールまたは結果として生じる高密度炭素フォームとの間の良好な熱移動を提供し得る。適切な硬質シート材料１６は、金属シートおよびプレート、無孔性または光沢セラミックプレート、またはシートなどを含み得る。他の実施形態は、硬質シート材料として上記に検討された基準を満足する黒鉛または炭素のフォイルまたはシートを含み得る。原材料コールに接触する硬質シート材料の滑らかな表面は、使用する前に、ごみ、ほこり、破片、石炭残留物およびその他の汚染物質が実質的にないことが、一般的に好ましい。適切な硬質シート材料１６の実施例は、限定するものではないが、１／１６”厚アルミニウムプレート、１／８”厚アルミニウムプレート、および０．０７０”厚３１６ステンレス鋼シートを含む。
【００１９】
所望であれば、コールベッドカバー２０は、コールベッド１８の上部と硬質シート材料１６の底面との間に用いられ得る。底面カバーに用いられるのと同じタイプの材料が、コールベッドカバー２０として用いられ得る。例えば、アルミニウムフォイルは、コールベッド１４と硬質シート材料１６との間に置かれ得る。そのように置かれた場合、そのような材料は、底面カバーが果たすのと極めて同じタイプの機能を果たす。従って、これらの材料の使用可能なタイプおよび所望の特性は、底面カバーに関するものと本質的に同じである。
【００２０】
硬質シート材料が利用された場合、硬質シート材料によってコールベッドに対してかけられる圧縮力は最適化されることが一般的に望ましい。一般的に、所定のセットの処理条件に対し、結果として生じる高密度炭素フォームの密度は、硬質シート材料によって働く圧縮力が増加すると、増加し得る。しかしながら、圧縮力は、軟化した石炭が無孔性体を形成するという結果になるほど大きくなるべきではない。そのような無孔性体が形成された場合、軟化した石炭は加熱ステップ時にふくらみ、低密度炭素フォームを形成する。圧縮力の最大を制限する他の要因は、例えば、特に、容器サイズおよび熱伝達の制限を含み得る。有効圧縮力は大きい必要はない。例えば、コールベッド上面領域の平方インチ当たり約０．０２ポンドもの低い力は、一部の石炭および処理条件に関して高密度の炭素フォームの形成に積極的に影響を及ぼすことが知られている。他の石炭および処理条件に関して、平方インチ当たり０．２ポンドの力は、非常に高品質の炭素フォームをもたらした。圧縮力は、硬質シート材料の質量を増加することによって増加され得る。硬質シート材料の質量を増加することは、しばしばその厚さを増加させる結果となり、このことは、今度は、熱伝達力の低下という望ましくない結果となる。
【００２１】
硬質シート材料の質量およびコールベッドにおける圧縮力を増加させるために硬質シート材料の厚さ増加させるよりはむしろ、圧縮力はまた、１つ以上のおもりを用いることによって増加され得る。おもりは、硬質シート材料の上面に置かれるかまたは硬質シート材料に接続され、圧縮力をさらに増加させ得る。所望であれば、おもりは脚などの突起部を有し、その結果、おもりの質量は硬質シート材料による石炭に対して働く圧縮力に寄与するが、硬質シート材料にあまり接触しない。この方法および同様な方法によって、おもりの使用は、硬質シート材料の上にある雰囲気と硬質シート材料の下にある原材料コールまたは硬質シート材料の下にある結果として生じる高密度炭素フォームとの間の熱伝達に対する影響を最小限にし得る。
【００２２】
容器１２の蓋２４は、容器の上に置かれ得、コールベッド１４を覆う。石炭から放出される揮発性材料は、石炭を囲む気体容量にできるだけ多く保持されることが一般的に望ましい。容器１２に蓋２４を装着することは、その保持を促進する。理論にこだわることなく、そのような保持は、上昇した温度で石炭の軟化を促進すると信じられている。蓋を包含しない特定の容器設計は、少なくとも一定時間、石炭を囲む気体容量（すなわち、雰囲気）に放出される揮発性材料を保持するための対策を有することが好ましい。
【００２３】
粉砕された石炭１４および容器１２は、次いで、第１の上昇した温度に加熱され得る。加熱は、上昇した温度で石炭によって放出された気体または蒸気を除いて、本質的に不活性、酸化しない、または、無反応である雰囲気の下で行なわれるのが好ましい。そのような雰囲気は、部分的または全面的に、例えば、窒素、ネオン、アルゴン、キセノン、二酸化炭素などから構成され得る。この雰囲気圧は、局所環境圧力（約０ｐｓｉｇ）〜５００ｐｓｉｇ以上の範囲内の任意の圧力であり得る。第１の上昇した温度は、石炭微粒子が、軟化し(すなわち、可塑性となり）、少なくとも部分的に溶解し（すなわち、少なくとも部分的に流体となり）、一体となり混合するに十分な高さであり、個々の石炭微粒子は、それらの個々の特性を実質的に失い、互いに実質的に均質となり、従って、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料を形成する。石炭微粒子が溶解および混合によって個々の特性または個性を失い、連続的な連続気泡構造を形成する程度は、一般的に、少なくとも第１の上昇温度までの温度上昇と共に増加する。典型的には、石炭微粒子が溶解し一体に混合する程度が大きければ大きいほど高密度炭素フォームの強度は大きくなる。従って、処理の制御限度内で、できるだけ高い第１の上昇した温度を用いることが通常好ましい。石炭を高すぎる温度、すなわち、第１の上昇した温度より高い温度に加熱することは、石炭微粒子が一体となり混合し、全体的に均質な独立気泡炭素材料を形成する結果となり得る。この独立気泡炭素材料は、継続して加熱すると、低密度炭素フォームすなわちコークスに発達し得る。従って、第１の上昇した温度は、独立気泡炭素材料が発達する温度より低い温度であり得る。特定の実施形態において、第１の上昇した温度は、独立気泡炭素材料が発達する温度より少し低い温度である。処理条件または他の理由で、上昇した温度で独立気泡炭素材料を形成するのに必要な流動性を示さない石炭に関して、第１の上昇した温度は、石炭の軟化を最大にする温度であり得る。特定の実施形態において、この上昇した温度は、結果として生じる高密度炭素フォームの密度を最大にする結果となる。
【００２４】
コールベッドは、石炭がほんのわずかに軟化するようになるのに十分な温度をコールベッドの一部が達成するまで、比較的高い（すなわち速い）速度で加熱され得る。その温度から第１の上昇した温度まで、著しい温度勾配がコールベッドを備えている石炭体において生成されないような速度で加熱が実施され得る。コールベッドを備えている石炭体におけるそのような勾配の発達は、そのような勾配が結果として生じる高密度炭素フォームのひび、および／またはフォーム内のその他の不均一な特性の発達に導き得るので、通常避けられる。コールベッドを第１の上昇した温度に加熱する処理中、コールベッドを備えている石炭体は、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料に変体する。
【００２５】
炭素材料が一旦、第１の上昇した温度を達成すると、結果として生じる全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料がもはや可塑性でなくなるかまたは可塑になる能力がなくなるまで、加熱はその温度以下で継続され得る。すなわち、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料がもはや可塑性材料でなくなるかまたは実質的に軟化する能力がなくなるまで、加熱はその温度以下で継続され得る。あるいは、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料の第１の上昇した温度より高い温度への加熱が、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料の熱可塑性の性質が第１の上昇した温度を超える増加する温度と共に減少するような速度で行なわれる場合には、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料は、第１の上昇した温度より高い温度に加熱され得る。すなわち、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料が、第１の上昇した温度における炭素材料より、それらの上昇した温度において、軟化や可塑化しなくなった場合、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料は、第１の上昇した温度よりも高い温度に加熱され得る。そのような上昇した温度での炭素材料の加熱は、全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料の塑性特性を本質的に除去するのに十分な時間であり得る。
【００２６】
全体的に均質な非焼結、連続気泡の炭素材料が一旦、本質的にもはや可塑性でなくなると、結果として生じる材料は現在、高密度炭素フォームである。所望であれば、結果として生じる高密度炭素フォームは、本質的に周囲温度まで冷却されるか、または、直ちにもしくはその後、約３２００℃の第２の上昇した温度に加熱され、その後冷却され得る。結果として生じる高密度炭素フォームの種々の特性は、調整に続いて上昇した温度への加熱とその後の冷却によって、大幅に改良され得る。そのような特性は、限定するものではないが、破砕強度を含む機械的強度および導電率を含み得る。一部の実施形態において、そのような第２の上昇した温度は、約７００℃よりも高く、より典型的には、約９５０℃より高い。加熱と冷却の両方は、フォームの望まれないひびまたはその他の劣化が、例えば、フォーム内で生成される著しい熱勾配の結果、生じないような速度で実施されるべきである。特定の実施形態において、そのような加熱または冷却は、本質的に不活性で、酸化をせず、またはそうでない場合は無反応の雰囲気において行われ得る。
【００２７】
所定の石炭に対して、第１の上昇した温度の値は、多数の処理変数によって影響される。一般的に、より高い処理雰囲気圧は、本発明の高密度炭素フォームを形成するのに適した温度の範囲を広げ、温度の範囲の値を下げ得る。すなわち、増加する処理雰囲気圧と共に、第１の上昇した温度の値は減少し得、より広い範囲の温度が、第１の上昇した温度として用いられ得る。
【００２８】
さらに、第１の上昇した温度より低いかまたは等しい上昇温度であっても、上昇した温度でのより長い加熱時間は、第１の上昇した温度がより高い値の温度にシフトされるように石炭の塑性特性を減少させ得る。一部の実施形態において、上昇した温度でのより長い加熱時間の結果、石炭は、そうでなければ生成され得るのと同じ密度の高密度炭素フォームを生成するほど十分な可塑性があるようにはなり得ない。第１の上昇した温度より著しく低い上昇した温度での加熱が過度に長い場合、炭素フォームではなく焼結物が生成され得る。そのような焼結物は、高密度炭素フォームと比較して低い強度を示し得る。
【００２９】
すべての石炭の塑性特性は、十分高い上昇した温度に曝されることによって影響され得ると考えられる。従って、一部の実施形態において、加熱された場合高度の流動性を示す石炭の第１の上昇した温度として使用可能な温度は、非常に狭い温度範囲に限定され得る。逆に、他の実施形態において、加熱された場合低度の流動性を示す石炭の第１の上昇した温度として使用可能な温度は、より広い温度範囲から選択され得る。
【００３０】
一部の瀝青炭に関して、第１の上昇した温度は、おおよそ、Ａｒｎｕ／Ｒｕｈｒ膨張計を用いて決定されるような、「初期膨張温度（Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｄｉｌａｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」であり得る（ＡＳＴＭ  Ｄ５５１５“Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｗｅｌｌｉｎｇ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｂｉｔｕｍｉｎｏｕｓ  Ｃｏａｌ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ”）。「初期膨張温度」の値は、試験される各石炭試料に固有である。上記のように、高密度炭素フォームを形成する際に石炭が受ける処理条件は、最適な第１の上昇した温度が明白である温度に影響を与え得る。第１の上昇した温度への緩慢な加熱は、この温度の値を「初期膨張温度」より高い値に増加させ得る。高処理雰囲気圧の下で石炭体を加熱することは、最適な第１の上昇した温度の値を「初期膨張温度」より大幅に低い値に減少させ得る。従って、「初期膨張温度」などの値は、最適な第１の上昇した温度の選択または予測のためのある指針を提供し得る一方、処理変数が、最適な第１の上昇した温度の値に対して非常に影響を与える。そのように、特定の原材料コールおよび処理条件範囲を用いての実験的調査は、最適な第１の上昇した温度およびその他の処理条件の確立のために推奨される。
【００３１】
さらに石炭または結果として生じる連続気泡炭素材料が処理時に酸素に曝露されることは一般的に望ましくない。そのような露出は、石炭によって発達され得る流動性に良くない影響を与え得、低級な高密度炭素フォーム製品という結果となり得る。
【００３２】
粉砕された石炭微粒子から直接に生成される高密度炭素フォームは、主要な構成物質として炭素を有し得る。しかしながら、他の不揮発性石炭の構成物質も、高密度炭素フォーム材料に存在する。高密度炭素フォームは、灰含有量および高密度炭素フォームが調製された原材料の構成物質を反映する灰構成物質を示し得る。一般に、石炭原材料に関して、そのような灰含有量は重量で約１％を超え得る。一般的に、一部の実施形態において、石炭から作られる高密度炭素フォームの灰含有量は、約１％〜約２０％の灰の範囲内の値を有し得る。他の実施形態において、石炭から調製される高密度炭素フォームの灰含有量は、約２％〜約２０％の灰の範囲内の値を有し得る。さらに他の実施形態において、石炭から調製される高密度炭素フォームの灰含有量は、約５％〜約２０％の灰の範囲内の値を有し得る。さらに、高密度炭素フォームが約７００℃より高い温度、より典型的には約９５０℃より高い温度に加熱され、その後、本質的に周囲温度に冷却された場合、高密度炭素フォームは、約５，０００  ｌｂｓ／ｉｎ２、時には約１０，０００  ｌｂｓ／ｉｎ２、および一部の実施形態においては約２０，０００  ｌｂ／ｉｎ２より大きい破砕強度（すなわち、圧縮強度）を有し得る。特定の実施形態において、高密度炭素フォームは、約５，０００  ｌｂ／ｉｎ２〜約２５，０００  ｌｂ／ｉｎ２の範囲の破砕強度を示し得る。これらの高密度炭素フォームの素地は、大部分等方性であり得る。
【００３３】
本発明は、原材料として集塊石炭を用いることに関して上記されたが、他の固体の集塊炭素ベースの材料が、高密度炭素フォームの生産のための原材料として用いられ得ることは予期される。粉砕され、集隗され、加熱されたとき一時的に可塑性となり得る個体の炭素材料は、原材料として潜在的に用いられ得る。例えば、他の原材料は、限定するものではないが、石炭抽出物、水素化石炭抽出物、および加熱されたとき少なくとも一時的に可塑性および集隗になる固体である中間相材料を含み得る。石炭ピッチ、合成ピッチ、石油ピッチ、中間相ピッチ、フェノール樹脂を含む樹脂、などは、上記の１つ以上の固体の集塊材料原材料と組み合せて用いられ、高密度炭素フォームを形成し得る。
【００３４】
高密度炭素フォームは、アブレーションシールド、熱バリア、焼成がまファーニチュア、ロケットノズル、衝撃シールド、熱交換器、断熱材、および、高密度炭素フォームによって示される範囲内の高圧縮強度、耐高温、および／または熱伝導率を必要とする他の用途における材料として有用であり得る。さらに、高密度炭素フォームは、以前は黒鉛が用いられていた多くの用途において用いられ得る。
【００３５】
次の実施例は、本発明の特定の実施形態の例示的目的のために提供され、本発明を限定する意図はない。
【実施例１】
【００３６】
低揮発性（Ｌｏｗ  Ｖｏｌａｔｉｌｅ）瀝青炭として典型的に分類される集塊の瀝青炭を、約１４０メッシュ（米国Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｅｒｉｅｓふるい）より小さい微粒子サイズに粉砕した。この粉砕炭の部分を、平らな底の容器に置き、底面積の約１３ｇ／ｉｎ２の本質的に均質な投入を提供した。容器を、石炭の導入の前に、アルミフォイル底面カバーに備え付けた。結果として生じたコールベッドを次いで、数インチの高さから何回も容器を落とすことによって容器内で圧縮した。次に、結果として生じた圧縮されたコールベッドを、アルミニウムフォイルのシートで覆い、コールベッドカバーを提供した。１／８インチ厚のアルミニウムプレートを次いで、コールベッドカバーの上全体に置いた。約０．１１  ｌｂ／ｉｎ２の圧縮力がコールベッドの上部に付加されるように、おもりをアルミニウムプレートに加えた。容器蓋を次いで、容器の上に置いた。
【００３７】
容器を次いで、周囲気圧における本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の下で、周囲温度から約４１０℃に約５℃／分の速度で加熱した。次に容器を、約４１０℃から約４９０℃に約０．２５℃／分の速度で加熱した。容器を次いで、約８時間、約４９０℃に保持した。この加熱に続いて、容器を、約０．２５℃／分の速度を超えない速度で周囲温度に冷却した。
【００３８】
結果として生じた高密度炭素フォームを次いで、本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の下で、約１１００℃より高い温度に加熱した。結果として生じた炭素フォームの部分は、約１．３３ｇ／ｃｃの密度および約７，９００  ｌｂｓ／ｉｎ２の破砕強度を示した。
【実施例２】
【００３９】
実施例１において用いられたものと同じタイプの瀝青炭を、約１４０メッシュ（米国Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｅｒｉｅｓふるい）より小さい微粒子サイズに粉砕した。この粉砕炭の一部を、平らな底の容器に置き、底面積の約１３ｇ／ｉｎ２の本質的に均質な投入を提供した。容器には、石炭の導入の前に、アルミフォイル底面カバーを備え付けた。次に、コールベッドを、アルミニウムフォイルのシートで覆い、コールベッドカバーを提供した。１／８インチ厚のアルミニウムプレートを次いで、コールベッドカバーの上全体に置いた。約０．０２５  ｌｂ／ｉｎ２の圧縮力がコールベッドの上部に付加されるように、おもりをアルミニウムプレートに追加した。容器蓋を次いで、容器の上に置いた。
【００４０】
容器を次いで、約４００ｐｓｉｇ〜約４３０ｐｓｉｇの間の圧力において本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の下で、図２に示される温度グラフを用いて加熱した。この加熱に続いて、容器を、ゆっくりと周囲温度に冷却した。冷却中、容器温度が約１００℃のとき、本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の圧力を、ほぼ周囲気圧に減少させた。
【００４１】
結果として生じた高密度炭素フォームは次いで、本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の下で、約１１００℃より高い温度に加熱した。結果として生じた炭素フォームの部分は、約１．３９ｇ／ｃｃの密度および約１０，２００  ｌｂｓ／ｉｎ２の破砕強度を示した。
【実施例３】
【００４２】
実施例１において用いられたものと同じタイプの瀝青炭を、約１４０メッシュ（米国Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｅｒｉｅｓふるい）より小さい微粒子サイズに粉砕した。この粉砕炭の一部を、平らな底の容器に置き、底面積の約１３ｇ／ｉｎ２の本質的に均質な投入を提供した。容器には、石炭の導入の前に、アルミフォイル底面カバーを備え付けた。次に、コールベッドを、アルミニウムフォイルのシートで覆い、コールベッドカバーを提供した。１／８インチ厚のアルミニウムプレートを次いで、コールベッドカバーの上全体に置いた。約０．１２  ｌｂ／ｉｎ２の圧縮力がコールベッドの上部に付加されるように、おもりをアルミニウムプレートに追加した。容器蓋を次いで、容器の上に置いた。
【００４３】
容器を次いで、約４００ｐｓｉｇ〜約４６０ｐｓｉｇの間の圧力における本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の下で、図３に示される温度グラフを用いて加熱した。この加熱に続いて、容器を、ゆっくりと周囲温度に冷却した。冷却中、容器温度が約１００℃のとき、本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の圧力を、ほぼ周囲気圧に減少させた。
【００４４】
結果として生じた高密度炭素フォームを次いで、本質的に不活性で、酸化しない雰囲気の下で、約１０５０℃に加熱した。結果として生じた炭素フォームの部分は、約１．４８ｇ／ｃｃの密度および約１７，３００  ｌｂｓ／ｉｎ２の破砕強度を示した。
【００４５】
本発明は、特定の実施形態に関して詳細に上に記述されているが、本発明は次の添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明の実施形態による粉砕された石炭が投入された容器の断面図である。
【図２】図２は、実施例２の高密度炭素フォームを生成するために石炭を加熱するのに使われる時間に関する温度プロフィルを例示する。
【図３】図３は、実施例３の高密度炭素フォームを生成するために石炭を加熱するのに使われる時間に関する温度プロフィルを例示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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