(57)【要約】【課題】本発明は、炭化時の寸法安定性が高い炭素材料の製造方法及び寸法精度が高い炭素材料を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の炭素材料の製造方法は、石炭から得られた無灰炭を溶剤抽出処理により可溶成分及び不溶成分に分離する工程と、この可溶成分又は不溶成分の少なくとも一部を配合する工程と、この配合物を成形する工程と、成形した配合物を炭化する工程とを備える。上記配合工程で、上記可溶成分及び不溶成分を配合するとよい。上記分離工程での溶剤抽出処理温度としては２００℃以下が好ましい。本発明の炭素材料は、骨材及びバインダーを炭化して形成される炭素材料であって、上記骨材として無灰炭の溶剤抽出処理により得られる不溶成分を用い、上記バインダーとして無灰炭の溶剤抽出処理により得られる可溶成分を用いることを特徴とする。【選択図】図１
2016108195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭から得られた無灰炭を溶剤抽出処理により可溶成分及び不溶成分に分離する工程と、
この可溶成分又は不溶成分の少なくとも一部を配合する工程と、
この配合物を成形する工程と、
成形した配合物を炭化する工程と
を備える炭素材料の製造方法。
【請求項２】
上記配合工程で、上記可溶成分及び不溶成分を配合する請求項１に記載の炭素材料の製造方法。
【請求項３】
上記分離工程での溶剤抽出処理温度が２００℃以下である請求項１又は請求項２に記載の炭素材料の製造方法。
【請求項４】
上記分離工程と配合工程との間に、上記不溶成分を４００℃以上１０００℃以下の温度で熱処理する工程をさらに備える請求項１、請求項２又は請求項３に記載の炭素材料の製造方法。
【請求項５】
骨材及びバインダーを炭化して形成される炭素材料であって、
上記骨材として無灰炭の溶剤抽出処理により得られる不溶成分を用い、上記バインダーとして無灰炭の溶剤抽出処理により得られる可溶成分を用いることを特徴とする炭素材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料の製造方法及び炭素材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
主に炭素によって形成される炭素材料は、導電性、耐熱性、化学的安定性等を有し、機械的強度にも優れるため、例えば構造材料、導電材料、機械部品材料等として広く利用されている。一般に、炭素材料は、有機質原料（炭素材料原料）を塊状に成形し、この成形体を高温で加熱して炭化することにより製造される。
【０００３】
具体的には、有機質原料の成形体の骨材としては石炭ピッチコークス、つまり石炭ピッチから作られたコークスが用いられ、成形用バインダーとしてはタールやピッチが用いられている。この骨材として利用される石炭ピッチコークスは、例えば製鉄用コークス等を製造する際の未利用成分が主に使用される。また、タールやピッチ類も石炭を乾留する際の副生成物である。このため、炭素材料製造用の有機質原料の製造量は、製鉄用コークス製造等の主たるプロセスの製造量により制約される。つまり、炭素材料製造用の有機質原料とされる石炭ピッチコークスやピッチだけを自由に製造することはできない。
【０００４】
また、他の製造プロセスの副生成物である石炭ピッチコークス、タール及びピッチは、その成分中に灰分を含む。従って、これらの材料を使って製造される炭素材料には灰分が残留するが、灰分は炭素材料の特性を劣化させるという不都合を招来する。
【０００５】
そこで、石炭を熱分解及び溶剤抽出して形成される無灰炭を有機質原料とすることが検討されている。しかしながら、無灰炭は軟化点が高く、成形が容易ではない。また、無灰炭を用いる場合でも、石炭を有機質原料とする場合と同様に加熱により炭化する際に成形体が膨張するという問題が残される。このため、無灰炭を熱処理することによって低分子量成分を除去することで、有機質原料の成形体の炭化時の膨張を抑制することが提案されている（特開２０１１−１２４０号公報参照）。
【０００６】
しかしながら、上記公報に記載の無灰炭を改質する方法でも、有機質原料の成形体の炭化時の変形を完全に防止することはできず、有機質原料の成形体の炭化時の寸法安定性をさらに向上させることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１２４０号公報参照
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記不都合に鑑みて、本発明は、炭化時の寸法安定性が高い炭素材料の製造方法及び寸法精度が高い炭素材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた発明は、石炭から得られた無灰炭を溶剤抽出処理により可溶成分及び不溶成分に分離する工程と、この可溶成分又は不溶成分の少なくとも一部を配合する工程と、この配合物を成形する工程と、成形した配合物を炭化する工程とを備える炭素材料の製造方法である。
【００１０】
当該炭素材料の製造方法によれば、石炭から得られた無灰炭を溶剤抽出処理により可溶成分及び不溶成分に分離し、これらの少なくとも一部を配合したものを炭化するので、上記可溶成分を含み得るバインダー成分の量と上記不溶成分を含み得る骨材の量との比率を最適化できる。また、溶剤抽出処理により得られる可溶成分は、高分子量成分の含有率が小さいことにより、炭化によって炭素材料を得るための有機質原料の成形体を形成するためのバインダーとして好ましい軟化温度を有する。一方、上記不溶成分は、溶剤抽出処理により分子量が小さい可溶成分が除去されているので、炭化時に溶融したり、低分子量成分の揮発によって膨張したりし難い。従って、当該炭素材料の製造方法によって、比較的寸法精度の高い炭素材料を製造できる。
【００１１】
上記配合工程で、上記可溶成分及び不溶成分を配合するとよい。このように、上記可溶成分及び不溶成分の両方を配合して使用することにより、バインダーの物性を最適化すると共に骨材の変形をより効果的に抑制できる。特に、炭化する前に無灰炭を可溶成分と不溶成分とに分離したものを配合することによって、炭化時に可溶成分が不溶成分を変形させ難くなるため、炭化時の寸法安定性をより向上できる。
【００１２】
上記分離工程での溶剤抽出処理温度としては、２００℃以下が好ましい。このように、分離工程での溶剤抽出処理温度を上記上限以下とすることによって、上記可溶成分の軟化温度が高くなり過ぎることを防止できる。つまり、可溶成分をバインダーとしてより好ましいものとすることができる。
【００１３】
上記分離工程と配合工程との間に、上記不溶成分を４００℃以上１０００℃以下の温度で熱処理する工程をさらに備えるとよい。このように、不溶成分を熱処理することによって炭化時の膨張をさらに抑制することができる。従って、不溶成分を熱処理してから配合することにより、炭化時の寸法安定性をさらに向上して、より寸法精度の高い炭素材料を製造できる。
【００１４】
また、上記課題を解決するためになされた別の発明は、骨材及びバインダーを炭化して形成される炭素材料であって、上記骨材として無灰炭の溶剤抽出処理により得られる不溶成分を用い、上記バインダーとして無灰炭の溶剤抽出処理により得られる可溶成分を用いることを特徴とする炭素材料である。
【００１５】
ここで、「無灰炭」とは、石炭を改質した改質炭であり、灰分含有量が５質量％以下のものをいうが、本発明においては、特に、灰分含有量が１質量％以下のものが好ましく、灰分含有両が０．５質量％以下のものがさらに好ましい。なお、「灰分含有量」とは、ＪＩＳ−Ｍ８８１２（２００４）に準拠して測定される値を意味する。
【００１６】
当該炭素材料において、無灰炭の溶剤抽出処理により得られる可溶成分は、バインダーとして適切な軟化温度を有し、無灰炭の溶剤抽出処理により得られる不溶成分は、骨材として好ましい寸法安定性を有する。従って、当該炭素材料は、炭化時の変形が小さく寸法精度が高い。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明の炭素材料の製造方法は、炭化時の寸法安定性が高く、寸法精度が高い炭素材料を製造できる。また、本発明の炭素材料は、寸法精度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の炭素材料の製造方法の手順を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
【００２０】
［炭素材料の製造方法］
本発明の一実施形態に係る炭素材料の製造方法は、図１に示すように、石炭の熱分解及び溶剤抽出処理により無灰炭を形成する工程（無灰炭形成工程：ステップＳ１）と、石炭から得られた無灰炭を低温溶剤抽出処理により可溶成分及び不溶成分に分離する工程（分離工程：ステップＳ２）と、得られた不溶成分を熱処理する工程（熱処理工程：ステップＳ３）と、可溶成分又は不溶成分の少なくとも一部を配合する工程（配合工程：ステップＳ４）と、この配合物を成形する工程（成形工程：ステップＳ５）と、成形した配合物を炭化する工程（炭化工程：ステップＳ６）とを備える。
【００２１】
＜無灰炭形成工程＞
ステップＳ１の無灰炭形成工程では、石炭と溶剤とを混合したスラリーを石炭の熱分解温度以上に加熱して、熱分解した石炭の可溶成分を溶剤に抽出することによって無灰炭を得る。無灰炭の原料石炭の種類は特に限定されず、例えば瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭、亜炭等の各種公知の石炭を使用できる。これらの中でも、経済性の観点から、亜瀝青炭、褐炭、亜炭等の低品位炭が好ましい。
【００２２】
上記溶剤としては、石炭を溶解する性質を有するものであれば特に限定されず、例えばベンゼン、トルエン、キシレン等の単環芳香族化合物や、ナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン等の２環芳香族化合物等を用いることができる。なお、上記２環芳香族化合物には、脂肪族鎖を有するナフタレン類や長鎖脂肪族鎖を有するビフェニル類が含まれる。
【００２３】
上記溶剤の中でも、石炭乾留生成物から精製した石炭誘導体である２環芳香族化合物が好ましい。石炭誘導体の２環芳香族化合物は、加熱状態でも安定しており、石炭との親和性に優れている。そのため、溶剤としてこのような２環芳香族化合物を用いることで、溶剤に抽出される石炭成分の割合を高めることができると共に、蒸留等の方法で容易に溶剤を回収し循環使用することができる。
【００２４】
スラリーの加熱温度（熱分解抽出温度）の下限としては、３００℃が好ましく、３５０℃がより好ましく、３８０℃がさらに好ましい。一方、スラリーの加熱温度の上限としては、４７０℃が好ましく、４５０℃がより好ましい。スラリーの加熱温度が上記下限に満たない場合、石炭を構成する分子間の結合を十分に弱めることができないため、例えば原料石炭として低品位炭を使用した場合に、抽出される無灰炭の再固化温度を高めることができないおそれや、収率が低く不経済となるおそれがある。逆に、スラリーの加熱温度が上記上限を超える場合、石炭の熱分解反応が非常に活発になり生成した熱分解ラジカルの再結合が起こるため、抽出率が低下するおそれがある。
【００２５】
無灰炭形成工程での石炭からの抽出率（無灰炭の収率）としては、原料となる石炭の品質にもよるが、例えば４０質量％以上６０質量％以下とされる。
【００２６】
＜分離工程＞
ステップＳ２の分離工程では、上記ステップＳ１の無灰炭形成工程において得られた無灰炭を低温溶剤抽出処理に供することにより、溶剤抽出される比較的低分子量の可溶成分と溶剤抽出されない比較的高分子量の不溶成分とに分離する。これにより、炭素材料の有機質原料にバインダーとして配合することにより成形性を付与するのに適した可溶成分と、小さい寸法変化で炭化でき、有機質原料の骨材として使用するのに適した不溶成分とが得られる。
【００２７】
より詳しくは、無灰炭を溶剤中に分散したスラリーを調製し、このスラリーを所定温度範囲内で一定時間保持してから、スラリー中の固形分つまり不溶成分と、液体分つまり可溶成分が溶出した溶液とを分離する。
【００２８】
溶媒に分散する無灰炭の平均粒径の下限としては、５０μｍが好ましく、１００μｍがより好ましい。一方、無灰炭の平均粒径の上限としては、５ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。無灰炭の平均粒径が上記下限に満たない場合、ステップＳ２の分離工程で可溶成分の溶液と不溶成分とを分離することが難しくなるおそれや、無灰炭の取り扱い性や生産効率が不十分となるおそれがある。逆に、無灰炭の平均粒径が上記上限を超える場合、ステップＳ２の分離工程での可溶成分の抽出率が低くなるおそれや、分離工程で得られる不溶成分の粒径が大きくなり、不溶成分をさらに粉砕する必要が生じるおそれがある。なお、「平均粒径」とは、レーザー回折散乱法によって測定される粒度分布において体積積算値５０％となる粒径を意味する。
【００２９】
上記スラリーの溶剤に対する無灰炭の混合率の下限としては、５質量％が好ましく、１０質量％がより好ましい。一方、溶剤に対する無灰炭の混合率の上限としては、４０質量％が好ましく、３０質量％がより好ましい。溶剤に対する無灰炭の混合率が上記下限に満たない場合、製造効率が低く、不経済となるおそれがある。逆に、溶剤に対する無灰炭の混合率が上記上限を超える場合、スラリーの取り扱いや不溶成分の分離が困難となるおそれがある。
【００３０】
可溶成分が溶出した溶剤と不溶成分との分離方法としては、特に限定されず、濾過法、遠心分離法、重力沈降法等の公知の分離方法を採用できる。これらの中でも、流体の連続操作が可能であり、低コストで大量の処理にも適している重力沈降法が好ましい。重力沈降法では、重力沈降槽の上部に溶剤中に可溶成分が溶存する液体が上澄み液として分離され、重力沈降槽の下部に不溶成分が沈降した固形分濃縮液が分離される。
【００３１】
そして、上記不溶成分を分離した液体（上澄み液）から溶剤を除去することで、無灰炭の可溶成分が分離回収され、固形分濃縮液から溶剤を除去することで、無灰炭の不溶成分が分離回収される。上記上澄み液及び固形分濃縮液から溶剤を除去する方法としては、特に限定されず、一般的な蒸留法や蒸発法等を用いることができる。特に不溶成分からの溶剤の除去は、溶剤を回収して再利用するために蒸留によることが好ましい。
【００３２】
上記分離工程で用いる溶剤としては、無灰炭の低分子量成分を溶出できるものであればよく、上記無灰炭形成工程に使用する溶剤と同様のものを使用することができる。分離工程用の溶剤としては、中でも低い温度で十分な抽出率が得られる低分子量の溶剤が好ましく、そのような好ましい溶剤としては、例えばアセトン、ピリジン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。
【００３３】
分離工程での溶剤抽出処理温度は、溶剤の種類により最適な温度が異なる。しかしながら、一般的に、溶剤抽出処理温度の上限としては、２００℃が好ましく、１５０℃がより好ましく、１００℃がさらに好ましい。一方、溶剤抽出処理温度の下限としては、特に限定されないが、常温、例えば２０℃が好ましい。溶剤抽出処理温度が上記上限を超える場合、抽出される可溶成分の分子量が大きくなることにより軟化温度が高くなり過ぎ、可溶成分の配合や配合物の成形が容易ではなくなるおそれがある。逆に、溶剤抽出処理温度が上記下限に満たない場合、冷却が必要となり、不必要にコストが上昇するおそれがある。
【００３４】
分離工程での抽出時間、つまり上記溶剤抽出処理温度で保持される時間の下限としては、１０分が好ましく、１５分がより好ましい。一方、抽出時間の上限としては、１２０分が好ましく、９０分がより好ましい。抽出時間が上記下限に満たない場合、無灰炭の低分子量成分を十分に溶出させられないおそれがある。逆に、抽出時間が上記上限を超える場合、製造コストが不必要に増大するおそれがある。
【００３５】
分離工程での無灰炭からの可溶成分の抽出率の下限としては、７質量％が好ましく、１０質量％がより好ましい。一方、無灰炭からの可溶成分の抽出率の上限としては、６０質量％が好ましく、５０質量％がより好ましい。分離工程での無灰炭からの可溶成分の抽出率が上記下限に満たない場合、可溶成分の回収量が不足するおそれや、不溶成分に低分子量の成分が残留し、炭化時の寸法安定性が不十分となるおそれがある。逆に、分離工程での無灰炭からの可溶成分の抽出率が上記上限を超える場合、可溶成分の軟化温度が高くなり、有機質原料の配合及び成形が容易でなくなるおそれがある。
【００３６】
分離工程で得られる可溶成分の軟化温度は、溶剤抽出処理の条件、例えば溶剤の種類、溶剤抽出処理温度等によって定められる。この可溶成分の軟化温度の下限としては、４５℃が好ましく、６０℃がより好ましい。一方、可溶成分の軟化温度の上限としては、２００℃が好ましく、１２０℃がより好ましい。可溶成分の軟化温度が上記下限に満たない場合、ステップＳ４の配合工程で有機質原料に配合する前に意図せず軟化して、取り扱いが困難となるおそれがある。逆に、可溶成分の軟化温度が上記上限を超える場合、有機質原料の配合及び形成のために比較的高温に加熱する必要が生じるので、有機質原料の配合及び形成が困難となるおそれや、有機質原料の配合及び形成のコストが大きくなるおそれがある。なお、「軟化温度」とは、ＡＳＴＭ−Ｄ３６に準拠したリングアンドボール法によって測定される値である。
【００３７】
不溶成分を炭化したときの体積膨張率の上限としては、３倍が好ましく、２倍がより好ましい。不溶成分を炭化したときの体積膨張率が上記上限を超える場合、この不溶成分を骨材の少なくとも一部として含む有機質原料を炭化した場合に、炭化時の寸法変化が大きくなるおそれがある。
【００３８】
＜熱処理工程＞
ステップＳ３の熱処理工程では、ステップＳ２の分離工程で得られた不溶成分を加熱することで低分子量成分を揮発させる。好ましくは、不活性ガス雰囲気中で加熱して不溶成分を炭化させる。これによって、後述するステップＳ６の炭化工程における不溶成分の膨張を抑制できる。
【００３９】
熱処理方法としては、公知の熱処理炉を用いた方法が適用できる。使用される熱処理炉としては、特に限定されないが、例えばポット炉、リードハンマー炉、キルン、ロータリーキルン、シャフト炉、室炉等を挙げることができる。
【００４０】
上記熱処理工程での熱処理温度の下限としては、４００℃が好ましく、５００℃がより好ましい。一方、上記熱処理温度の上限としては、１０００℃が好ましく、８００℃がより好ましい。上記熱処理温度が上記下限に満たない場合、不溶成分中の低分子量成分を十分に除去することができず、不溶成分が炭化時に膨張するおそれがある。逆に、上記熱処理温度が上記上限を超える場合、不必要にエネルギーコストが増大するおそれがある。
【００４１】
上記熱処理工程での熱処理時間（上記熱処理温度に保持される時間）の下限としては、１０分が好ましく、１５分がより好ましい。一方、上記熱処理工程での熱処理時間の上限としては、９０分が好ましく、６０分がより好ましい。上記熱処理工程での熱処理時間が上記下限に満たない場合、低分子量成分を十分に除去できないおそれがある。逆に、上記熱処理工程での熱処理時間が上記上限を超える場合、不必要に処理コストが増大するおそれがある。
【００４２】
この熱処理工程では、上記不溶成分の粒子が溶融し得るので、粒子同士が結着又は融合して粗大化することがある。この場合、上述の平均粒径となるように粗大化した粒子を粉砕することが好ましい。
【００４３】
＜配合工程＞
ステップＳ４の配合工程では、骨材とバインダーとを配合して有機質原料となる配合物を形成する。具体的には、ステップＳ２の分離工程で得られた不溶成分の上記骨材の少なくとも一部分としての配合、又はステップＳ２の分離工程で得られた可溶成分の上記バインダーの少なくとも一部分としての配合を行う。この配合物は、骨材に上記不溶成分を含み、かつバインダーに上記可溶成分を含むことが好ましい。
【００４４】
有機質原料に配合する骨材としては、ステップＳ２の分離工程で得られた不溶成分の他に、例えば石炭、石炭ピッチコークス（石炭ピッチ乾留物）、無灰炭等を用いることができる。
【００４５】
有機質原料に配合するバインダーとしては、ステップＳ２の分離工程で得られた可用成分の他、例えばピッチ、タール、無灰炭等を用いることができる。
【００４６】
骨材とバインダーとの配合は、バインダーの軟化温度以上の温度で行われ、骨材とバインダーとを混練する。この配合温度とバインダーの軟化温度の差の下限としては、２０℃が好ましく、３０℃がより好ましい。具体的な配合温度としては、例えば７０℃以上２００℃以下とされる。
【００４７】
配合物全体に対するバインダーの配合率の下限としては、５質量％が好ましく、１０質量％がより好ましい。一方、配合物全体に対するバインダーの配合率の上限としては、４０質量％が好ましく、３０質量％がより好ましい。配合物全体に対するバインダーの配合率が上記下限に満たない場合、配合物の粘結性が得られず、ステップＳ５の成形工程で成形することが困難となるおそれや、ステップＳ６の炭化工程で成形体が崩壊するおそれがある。逆に、配合物全体に対するバインダーの配合率が上記上限を超える場合、ステップＳ６の炭化工程で配合物が流動化して成形体が変形するおそれや、ステップＳ６の炭化工程でバインダーの一部が成形体の内部で蒸発することにより成形体が膨張するおそれがある。
【００４８】
上記配合物の骨材中の上記不溶成分の含有率の下限としては、５０質量％が好ましく、９０質量％がより好ましい。一方、骨材中の上記不溶成分の含有率の上限としては、特に限定されず、１００質量％とすることができる。骨材中の上記不溶成分の含有率が上記下限に満たない場合、寸法安定性に乏しい骨材の比率が大きくなる結果、ステップＳ６の炭化工程での寸法変化の防止効果が不十分となるおそれがある。
【００４９】
上記配合物のバインダー中の上記可溶成分の含有率の下限としては、５０質量％が好ましく、９０質量％がより好ましい。一方、バインダー中の上記可溶成分の含有率の上限としては、特に限定されず、１００質量％とすることができる。バインダー中の上記可溶成分の含有率が上記下限に満たない場合、バインダーの粘結力が不足してステップＳ５の成形工程での成形性が不十分となるおそれや、配合物中のバインダーの比率が大きくなることによりステップＳ６の炭化工程での寸法変化が大きくなるおそれがある。
【００５０】
＜成形工程＞
ステップＳ５の成形工程では、ステップＳ４の配合工程で形成した配合物を最終的に得ようとする所望の炭素材料の形状に成形する。
【００５１】
上記配合物の成形方法としては、特に限定されず、例えば、圧縮成形、押し出し成形、ダブルロール式タブレット成形等の公知の方法を用いることができる。
【００５２】
＜炭化工程＞
ステップＳ６の炭化工程では、ステップＳ５の成形工程で形成した成形体を加熱して炭化することによって、所望の形状の炭素材料を得る。
【００５３】
具体的には、成形体を電気炉等の任意の加熱装置へ装入し、内部を非酸化性ガスで置換した後、この加熱装置内へ非酸化性ガスを吹き込みながら加熱する。
【００５４】
炭化工程における熱処理温度は、製造しようとする炭素材料に求める特性により最適な温度が異なるが、熱処理温度の下限としては、５００℃が好ましく、７００℃がより好ましい。一方、熱処理温度の上限としては、３０００℃が好ましく、２８００℃がより好ましい。熱処理温度が上記下限に満たない場合、炭化が不十分となるおそれがある。逆に、熱処理温度が上記上限を超える場合、設備の耐熱性向上や燃料消費量の観点から製造コストが上昇するおそれがある。また、昇温速度としては、例えば０．０１℃／分以上５℃／分以下とすることができる。
【００５５】
炭化工程における加熱時間も炭素材料に求める特性により適宜設定すればよく、特に制限されないが、加熱時間としては、０．５時間以上１０時間以下が好ましい。加熱時間が上記下限に満たない場合、炭化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱時間が上記上限を超える場合、炭素材料の生産効率が低下するおそれがある。
【００５６】
上記非酸化性ガスとしては、炭素材料の酸化を抑えられるものであれば特に限定されないが、経済的観点から窒素ガスが好ましい。
【００５７】
［炭素材料］
図１の炭素材料の製造方法によれば、骨材及びバインダーを炭化して形成される炭素材料であって、骨材として無灰炭の溶剤抽出処理により得られる不溶成分を用い、バインダーとして無灰炭の溶剤抽出処理により得られる可溶成分を用いた炭素材料が製造される。
【００５８】
［利点］
当該炭素材料の製造方法では、無灰炭を溶剤抽出処理により分離して得られる不溶成分を骨材として使用する場合、骨材中の不純物鉱物成分（灰分）と低分子量成分とが少ない。また、無灰炭を不溶成分と可溶成分とに一度分離してから配合する場合、炭化時に有機質原料の成形体から可溶成分が脱離し易く、骨材を膨張させ難い。これにより、寸法精度が高い所望の形状の炭素材料を製造することができる。
【００５９】
また、当該炭素材料の製造方法では、無灰炭を溶剤抽出処理により分離して得られる可溶成分をバインダーとして使用する場合、バインダー中の高分子量成分が少ない。これにより、比較的低温で有機質原料の成形体を形成することができ、炭素材料の製造コストを削減できる。また、高分子量成分の含有率が低く粘結力の高いバインダーを用いることによって、比較的少量のバインダーで骨材を粘結して有機質原料の成形体を形成できるので、炭化時の成形体の変形をさらに抑制し、得られる炭素材料の寸法精度をさらに向上できる。
【００６０】
また、当該炭素材料の製造方法では、無灰炭を可溶成分と不溶成分とに分離するので、これらの割合を調節することにより、製造しようとする炭素材料の形状や大きさに合わせて有機質原料の粘結性を自在に調整できる。
【００６１】
［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
【００６２】
本発明の炭素材料の製造方法は、石炭から無灰炭を自ら製造することを要件とはしていない。つまり、本発明の炭素材料の製造方法では、第三者が製造した無灰炭を出発原料としてもよい。
【００６３】
また、当該炭素材料の製造方法において、熱処理工程は省略できる。
【００６４】
当該炭素材料の製造方法は、炭化工程の後に、非酸化性雰囲気中で炭化工程よりも高温に加熱することによって炭素材料をさらに黒鉛化する工程を備えてもよい。
【実施例】
【００６５】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００６６】
以下に説明する無灰炭形成工程、分離工程、熱処理工程、配合工程、成形工程及び炭化工程により、炭素材料の実施例１〜４を試作した。また、分離工程、熱処理工程及び配合工程を省略し、無灰炭形成工程、成形工程及び炭化工程により、炭素材料の比較例１を試作した。
【００６７】
実施例１〜４及び比較例１の製造条件の違い並びに製造過程における種々の測定値を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2016108195.tif 000003
【００６９】
（無灰炭形成工程）
実施例１〜４及び比較例の原料として使用する無灰炭は、ボイラーの燃料として一般に使用される瀝青炭を用いて製造した。無灰炭の原料石炭に対する収率は、４８質量％であった。
【００７０】
（分離工程）
上記無灰炭を平均粒径０．２５μｍ以下に粉砕したもの１００ｇから１Ｌの溶剤を用いて可溶成分を抽出した。実施例１では、溶剤としてアセトンを使用し、抽出温度を２５℃、抽出時間を６０分とした。実施例２では、溶剤としてピリジンを使用し、抽出温度を２５℃、抽出時間を６０分とした。実施例３では、溶剤としてメチルナフタレンを使用し、抽出温度を２５０℃、抽出時間を６０分とした。実施例４では、溶剤としてメチルナフタレンを使用し、抽出温度を２５℃、抽出時間を６０分とした。具体的な分離方法としては、減圧濾過によって不溶成分を分離し、溶剤を減圧蒸留することにより可溶成分を取り出した。
【００７１】
この分離工程で得られた可溶成分及び不溶成分の比を、それぞれ無灰炭からの収率（質量％）として測定した。
【００７２】
測定の結果、可溶成分の抽出率（収率）は、実施例１で１２質量％、実施例２で１８質量％、実施例３で６５質量％、実施例４で１１質量％であった。
【００７３】
また、この分離工程で得られた各可溶成分の軟化温度を測定した。また、比較のため、無灰炭についても軟化温度を測定した。軟化温度の測定は、ＡＳＴＭ−Ｄ３６に準拠したリングアンドボール法によって行った。
【００７４】
測定の結果、可溶成分の軟化温度は、実施例１で７５℃、実施例２で１２５℃、実施例３で１８６℃、実施例４で７２℃であった。また、無灰炭の軟化温度は、２４５℃であった。また、参考までに、同様に測定した実施例１の不溶成分の軟化温度は３９５℃であった。
【００７５】
これらの測定結果から、可溶成分の抽出率（収率）が高いほど、軟化温度が高くなることが分かる。一般に、炭素材料製造用の有機質原料に配合するバインダーとしては、常温で軟化せず、できるだけ少ない加熱によって軟化するものが好ましい。実施例１〜４の可溶成分は、いずれも常温では軟化せず、従来の有機質原料として使用される無灰炭よりも低い温度で軟化するため、有機質原料のバインダーとして好適な特性を有することが分かる。
【００７６】
（熱処理工程）
上記分離工程で得られた不溶成分をそれぞれ窒素雰囲気中で熱処理した。熱処理の条件としては、熱処理温度を５００℃、常温から熱処理温度の昇温速度を１℃／分、熱処理時間を３０分とした。
【００７７】
この熱処理工程における各不溶成分及び無灰炭の膨張率を測定した。また、比較のため、無灰炭についても同様に熱処理して膨張率を測定した。膨張率は、内径１５ｍｍの石英試験管に、粒径２ｍｍ以下に粉砕した試料２．０ｇを詰め、３℃／ｍｉｎで５００℃まで加熱処理し、加熱前の試料の高さに対する加熱後の試料の高さの比として測定した。
【００７８】
測定の結果、不溶成分の膨張率は、実施例１で１．４倍、実施例２で１．２倍、実施例３で１倍、実施例４で２．２倍であった。また、無灰炭の膨張率は、１２倍であった。
【００７９】
この測定結果から、実施例１〜４の不溶成分は、従来の有機質原料として使用される無灰炭と比べて大幅に膨張率が低下しており、有機質原料の骨材として好適な特性を有することが分かる。
【００８０】
（配合工程）
それぞれのサンプルについて、可溶成分を平均粒径５ｍｍ以下に粉砕したもの２０質量部と不溶成分８０質量部とを混合し、温度１５０℃で混練した。つまり、実施例１〜４は、骨材全量が上記不溶成分であり、バインダー全量が上記可溶成分である。
【００８１】
（成形工程）
上記配合工程で形成した配合物を、押し出し成形し、直径２５ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒状に成形した。
【００８２】
（炭化工程）
上記成形工程で形成した成形体及び無灰炭を窒素雰囲気中で炭化した。炭化処理の条件としては、炭化処理温度を１０００℃、常温から炭化温度までの昇温速度を１℃／分とした。
【００８３】
実施例１〜４の炭素材料は、比較例の炭素材料と比較して、上記成形工程において成形した形状からの変形及び寸法変化が小さく、高い寸法精度が得られることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の炭素材料の製造方法は、特に寸法精度が要求される炭素材料の製造に好適に適用される。また、本発明の炭素材料は、寸法精度が要求される例えば電気部品、構造部品等として好適に使用される。
【符号の説明】
【００８５】
Ｓ１  無灰炭形成工程
Ｓ２  分離工程
Ｓ３  熱処理工程
Ｓ４  配合工程
Ｓ５  成形工程
Ｓ６  炭化工程
【図１】
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