(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ピッチからメソフェーズピッチを生成する溶媒分別プロセスにおいて、
５００ｐｐｍ未満のメソフェーズ不溶不純物を有する原料を浸熱して、メソゲンを含む等方性の浸熱済ピッチを生成する工程と、
前記浸熱工程に続いて、中間の溶解工程またはろ過工程なしに、前記浸熱済ピッチを溶媒とともに、前記溶媒と前記メソゲンを液体状態に保持するのに十分でかつ前記溶媒の超臨界温度および圧力よりも低い温度および圧力のもとで、抽出して前記メソゲンを単離する工程と、
前記メソゲンを回収する工程と、
前記メソゲンから溶媒を除去してメソフェーズピッチを生成させ、浸熱工程中に生成されたいかなるメソゲンも含めて、原料にもともと含まれていたほぼすべてのメソゲンがメソフェーズピッチ中に存在する工程と
を備える溶媒分別プロセス。
【請求項２】
前記原料は、コールタールの芳香族蒸留物、エチレンタールの芳香族蒸留物、傾瀉油の芳香族蒸留物、熱タールの芳香族蒸留物、コールタールの芳香族残留物、エチレンタールの芳香族残留物、傾瀉油の芳香族残留物からなる群から選ばれていることを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項３】
前記原料は、５０ｐｐｍ未満の灰分を有することを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項４】
前記抽出工程は、液体／液体抽出工程であり、かつ可溶分相とメソゲンを含む不溶分相の両方とも液体にするのに十分な温度および圧力のもとで前記浸熱済ピッチを溶媒と接触させることを含み、その結果、前記回収工程の間、連続的に、可溶分と不溶分とが液体として分離されていることを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項５】
抽出混合物は冷却され、可溶分は液体として回収され、メソゲンを含む不溶分は固体ピッチとして単離されることを特徴とする請求項４記載の溶媒分別プロセス。
【請求項６】
前記浸熱工程の間もしくは前記浸熱工程の後に、ピッチ油分の含有量を調整することによりメソフェーズピッチの硬度を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項７】
前記ピッチ油分の含有量は、重量で前記浸熱済ピッチの約０％から約７０％の間からなることを特徴とする請求項６記載の溶媒分別プロセス。
【請求項８】
前記メソフェーズピッチは、５００ｐｐｍ未満の不溶分を含み、前記メソフェーズピッチは、溶解したときに、２ミクロンのスクリーンを通過することを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項９】
前記メソゲンは溶解状態のときに、公称２ミクロン、絶対値として７ミクロンのフィルターを通過し、かつ５０ｐｐｍ未満の灰分を含むことを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１０】
前記亜超臨界液体／液体抽出工程は、前記溶媒の臨界温度および圧力よりも低い温度および圧力において実施されることを特徴とする請求項１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１１】
原料ピッチからメソフェーズピッチを生成する溶媒分別プロセスにおいて、
５０ｐｐｍ未満の灰分を有する原料を浸熱して、メソゲンを含む等方性の浸熱済ピッチを生成する工程と、
前記浸熱工程に続いて、中間の溶解工程またはろ過工程なしに、前記浸熱済ピッチを溶媒とともに、前記溶媒と前記メソゲンを液体状態に保持するのに十分でかつ前記溶媒の超臨界温度および圧力よりも低い温度および圧力のもとで抽出して前記原料にもともと存在しているかもしくは前記浸熱工程中に生成された、ほとんどすべての重溶解不溶分を含む前記メソゲンを単離する工程と、
前記メソゲンを回収する工程と、
前記メソゲンから溶媒を除去してメソフェーズピッチを生成させ、浸熱工程中に生成されたいかなるメソゲンも含めて、原料にもともと含まれていたほぼすべてのメソゲンがメソフェーズピッチ中に存在する工程と
を備える溶媒分別プロセス。
【請求項１２】
前記原料は、コールタールの芳香族蒸留物、エチレンタールの芳香族蒸留物、傾瀉油の芳香族蒸留物、熱タールの芳香族蒸留物、コールタールの芳香族残留物、エチレンタールの芳香族残留物、傾瀉油の芳香族残留物からなる群から選ばれていることを特徴とする請求項１１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１３】
前記抽出工程は、前記溶媒および前記メソゲンを液体状態に保持するのに十分な温度および圧力のもとで実施される液体／液体抽出工程であることを特徴とする請求項１１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１４】
前記抽出工程は、液体／液体抽出工程であり、かつ可溶分相とメソゲンを含む不溶分相の両方とも液体にするのに十分な温度および圧力のもとで前記浸熱済ピッチを溶媒と接触させることを含み、その結果、前記回収工程の間、連続的に、可溶分と不溶分とが液体として分離されていることを特徴とする請求項１１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１５】
抽出混合物は冷却され、可溶分は液体として回収され、メソゲンを含む不溶分は固体ピッチとして単離されることを特徴とする請求項１１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１６】
前記浸熱工程の間もしくは前記浸熱工程の後に、ピッチ油分の含有量を調整することにより前記メソフェーズピッチの硬度を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１７】
前記ピッチ油分の含有量は、重量で前記浸熱済ピッチの約０％から約７０％の間からなることを特徴とする請求項１６記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１８】
前記メソゲンは溶解状態のときに、公称２ミクロン、絶対値として７ミクロンのフィルターを通過し、かつ５０ｐｐｍ未満の灰分を含むことを特徴とする請求項１１記載の溶媒分別プロセス。
【請求項１９】
原料ピッチからメソフェーズピッチを生成する溶媒分別プロセスにおいて、
原料を浸熱して、メソゲンを含む等方性の浸熱済ピッチを生成する工程と、
前記浸熱済ピッチのピッチ油分の含有量を調整することにより、前記メソフェーズピッチの硬度を制御する工程と、
前記浸熱済ピッチを溶媒とともに抽出して前記メソゲンを単離する工程と、
前記メソゲンを回収する工程と、
前記メソゲンから溶媒を除去してメソフェーズピッチを生成する工程と
を備える溶媒分別プロセス。
【請求項２０】
前記原料は、コールタールの芳香族蒸留物、エチレンタールの芳香族蒸留物、傾瀉油の芳香族蒸留物、熱タールの芳香族蒸留物、コールタールの芳香族残留物、エチレンタールの芳香族残留物、傾瀉油の芳香族残留物からなる群から選ばれていることを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【請求項２１】
前記原料は、５０ｐｐｍ未満の灰分を有することを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【請求項２２】
前記抽出工程は、前記溶媒および前記メソゲンが液体状態にあるように、十分な温度および圧力を保持することを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【請求項２３】
前記抽出工程は、可溶分相とメソゲンを含む不溶分相の両方とも液体にするのに十分な温度および圧力のもとで前記浸熱済ピッチを溶媒と接触させることを含み、その結果、前記回収工程の間、連続的に、可溶分と不溶分とが液体として分離されていることを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【請求項２４】
抽出混合物は冷却され、可溶分は液体として回収され、メソゲンを含む不溶分は固体ピッチとして単離されることを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【請求項２５】
浸熱工程中に生成されたいかなるメソゲンも含めて、原料にもともと含まれていたほぼすべてのメソゲンがメソフェーズピッチ中に存在し、
前記メソフェーズピッチは、５００ｐｐｍ未満の不溶分を含み、
前記メソフェーズピッチは、溶解したときに、２ミクロンのスクリーンを通過することを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【請求項２６】
前記ピッチ油分の含有量は、重量で前記原料の約０％から約７０％の間からなることを特徴とする請求項１９記載の溶媒分別プロセス。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
商業的な用途向けとして有用なカーボンファイバーが、メソフェーズピッチから製造できることは良く知られている。メソフェーズピッチから得られるカーボンファイバーは、高い分子配向度を有し、軽く、強く、堅く、熱的および電気的に伝導性があり、さらに、化学的にかつ熱的に不活性である。メソフェーズから得られるカーボンファイバーは、これまで複合材料の補強材料として使用され、航空宇宙産業へ応用されるとともに、高級スポーツ用品においても有用である。一方、等方性ピッチから生成されたカーボンファイバーは、分子配向を殆ど示さない。そのため、等方性ピッチから生成されたカーボンファイバーは、機械的特性に比較的劣る。
メソフェーズピッチは、精製フラクションのような既存の炭化水素フラクション、または、コールタールのような石炭フラクションの中には、通常では存在しない。しかし、炭化水素フラクションを処理してメソフェーズピッチを得る方法はいくつか知られている。良く知られている方法の一つは、メソゲンを含む等方性ピッチからメソフェーズピッチを得る方法である。メソゲンを含む等方性ピッチは、通常、芳香族原料を処理することで生成される。このような処理方法は、当該技術分野においては良く知られており、一つもしくはそれ以上の浸熱（ｈｅａｔ  ｓｏａｋｉｎｇ）工程を含み、攪拌を伴うもの、伴わないもの、そして、ガスの吹込み（ｓｐａｒｇｉｎｇ）もしくはパージングを伴うもの、伴わないものがある。ガスの吹込みは、不活性ガスもしくは酸化性ガス、または両方のガスを用いて行われる。芳香族を含む原料から等方性ピッチを生成する方法については、数多くの特許の中で述べられている。これらの特許の代表的なものは、溶剤に溶かした（ｆｌｕｘｅｄ）ピッチの浸熱に関する米国特許第4,283,269号、酸化性ガスの存在下での加熱に関する日本の特許第65090/85号、触媒浸熱に関する米国特許第4,464,248号、酸化性の反応性物質の使用に関する米国特許第3,595,946号および4,066,737、酸化性ガスの使用に関する米国特許第4,474,617号であるが、これに限らず、その他、多くがある。さらに、米国特許第4,184,942号、4,219,404、4,363,715、4,892,642においては、等方性ピッチを生成、抽出してメソフェーズピッチを得ることについて議論されている。
これまで、メソフェーズピッチは、通常、ピッチ原料を浸熱してメソゲンを含む等方性ピッチを生成した後、溶媒を分別してメソゲンを単離することにより得られてきた。一般的に、現在の溶媒分別プロセスは、以下の工程からなる。
（１）高温溶媒中での等方性ピッチの溶解、
（２）ろ過、遠心分離、その他の適切な方法による、溶解液不溶分の分離、
（３）きれいな溶解液ろ過物への逆溶媒の添加（複合（ｃｏｍｉｘ）溶媒）による所望のメソゲンの沈殿、
（４）洗浄および乾燥によるメソゲンの単離、および、
（５）メソゲンの融合によるメソフェーズピッチの生成。
この溶媒分別の方法は、当該技術分野においては良く知られており、数多くの特許の中で詳しく述べられている。例えば、米国特許第4,208,267号においては、等方性ピッチは、融点に加熱される（「焼結される」）と数分のうちにメソフェーズに変化する溶媒不溶フラクションを生成できることが、最初に開示されている。この特許においては、複合（ｃｏｍｉｘ  ｔｙｐｅ）溶媒を使用した抽出プロセスが開示され、メソゲンは不溶残留物として回収されている。
本明細書において引用により取り入れられている米国特許第4,277,324号においては、前述の溶媒分別プロセスについて述べられており、溶媒分別において使用される条件、手順、および溶媒／逆溶媒について述べられている。さらに、この米国特許第4,277,324号においては、等方性ピッチの溶媒溶解およびその後の溶解混合液のろ過について述べられている。さらに、この特許においては、逆溶媒を添加することにより、溶媒ろ過物から所望の不溶メソゲンを沈殿させることについても、述べられている。最後に、本明細書において参考として取り入れられている米国特許第5,032,250号においては、等方性ピッチを超臨界液体／液体（ｓｕｐｅｒ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｌｉｑｕｉｄ／ｌｉｑｕｉｄ）抽出して、メソフェーズピッチを直接生成することについて述べられている。この米国特許第5,032,250号において述べられている溶媒分別は昇温昇圧状態で起きるため、可溶分、不溶分とも液体状態となっている。
等方性ピッチからメソフェーズピッチを得るプロセスであって、非常にきれいなメソフェーズを生成することができる。従来に代わるプロセスが望まれる。さらに、等方性ピッチの溶解およびろ過に伴う収率の低下および廃棄物の発生という工程を含まない、溶媒分別プロセスが望まれる。さらには、固体物を扱わず、超臨界流体抽出の高温高圧状態を必要としない、液体／液体抽出プロセスが望まれる。最後に、超臨界流体抽出の高温高圧状態を必要とせずに、メソフェーズ生成物の硬度を制御できる液体／液体抽出プロセスが望まれる。
定義
本明細書および請求項の目的のために、以下の用語および定義が適用される。
ピッチ：ここで用いられるピッチとは、天然アスファルトのような様々な工業生産プロセスにおいて副産物として生産されるピッチ、ナフサ分解工業において副産物として得られる石油ピッチおよび重油、そして石炭から得られるピッチの性質を有する物質を意味する。
石油ピッチ：石油留分もしくはその残留物を触媒分解および熱分解した際に得られる、残存炭素質物質を意味する。
石油コーク：石油ピッチを高温熱処理した際に得られる、不融固体残留物を意味する。
等方性ピッチ：光学的に配向した液晶には配列していない分子から構成されるピッチを意味する。
異方性ピッチまたはメソフェーズピッチ：相互作用を通じて互いに会合して光学的に配向した液晶を形成する芳香族の構造を有する分子から構成されるピッチを意味する。これらの分子は、温度によって、液体にも固体にもなる。
メソゲン：融解または融合した際に、メソフェーズピッチを形成する分子を意味する。これらの分子は、加熱により配列して液晶を形成する大きな芳香族分子の広範な混合物から構成される。メソゲンは異方性ピッチの中に含まれることがあり、これらのメソゲンは適切な溶媒を添加することにより単離することができる。
繊維：実用的な品物を形成するのに適した長さを有する、フィラメントを意味する。
配向分子構造：炭素を含む人造材料中におけるメソフェーズドメインの配列を意味する。配列は人造材料の軸に対応し、かつ人造材料に構造的な特性を与える。
酸化／安定化：これは、ピッチ人造材料を酸素もしくは酸化剤と反応させることにより、不融化もしくは不溶化するプロセスである。
軟化点および融点：これは、不活性雰囲気中において、高温ステージ顕微鏡上の試料を、５℃／分の割合で加熱することにより求められる。乾燥されたピッチの軟化点は、ピッチ粒子の角特性が丸くなる点である。乾燥されたピッチの融点は、軟化したピッチの観測可能な流れが最初に見られる温度である。
きれいな等方性原料ピッチ：これは、メソフェーズ不溶性成分が５００ｐｐｍ未満であるピッチのことである。ピッチのメソフェーズ不溶性成分は、２５０ｐｐｍ未満であることが好ましい。
メソフェーズ不溶性成分：これは、メソフェーズピッチ中において溶解しない化合物を包含する。メソフェーズ不溶性成分としては、一般的には、無機質の灰分、コーク、その他の化合物が含まれる。
ピッチ油分：これは、ピッチに含まれる、大気圧下において５２５℃またはそれ未満において沸騰する部分である。
本発明の簡単な開示
本発明においては、メソフェーズピッチを生成するための、改良された溶媒分別プロセスが提供される。この改良されたプロセスにおいては、浸熱されたピッチの溶媒中の溶解およびろ過工程が除かれることにより、廃棄副産物が低減されている。さらに、本発明に係るプロセスにおいては、亜超臨界（ｓｕｂ−ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ）流体／流体抽出プロセスが提供されることにより、固体物の扱いが回避されている。さらに、開示されるプロセスにおいては、メソフェーズピッチ生成物の硬度を制御する手段が提供される。最後に、本発明においては、従来法では浸熱済ピッチを溶媒に溶解しおよびろ過する工程中に除去されていた高分子量化合物を含むメソフェーズピッチが提供される。
この新しいプロセスにおいては、メソゲンを含む等方性ピッチを生成するために、きれいな原料が浸熱される。浸熱工程に続いて、適度な温度および圧力下での１回の工程で、浸熱済ピッチが液体／液体抽出されることにより、メソゲンが単離される。メソゲンを含むフェーズは液体もしくは固体として回収され、そしてこのフェーズの残存するすべての溶媒が取り除かれることによって、メソフェーズピッチが生成される。
本発明に係る溶媒分別プロセスにおいては、生成されたメソフェーズピッチの硬度を制御する手段が提供される。具体的には、浸熱された等方性ピッチのピッチ油分が、浸熱工程の最中または浸熱工程の後で調整されることにより、メソフェーズピッチ生成物の硬度が制御される。ピッチの硬度が制御されることにより、生成されたピッチの融点、およびピッチから精製される人造材料を安定化する速度を制御する手段が提供される。
本発明は、さらに、廃棄副産物が低減し、メソフェーズ生成物の収率が向上する利点を有する。浸熱された等方性ピッチを溶解する工程が除かれているため、本発明においては溶解不溶分がなんら生成されない。その結果、本発明におけるメソフェーズピッチは、等方性原料ピッチ中にもともと含まれていたか、もしくは浸熱工程中に生成された重有機物溶解不溶分を、すべて含むことになる。以前の抽出プロセスにおいては、これらの成分を溶解不溶分とともに廃棄していたが、本発明においては、これらの成分をメソフェーズピッチに取り込むという利点を有する。
発明の詳細な説明
Ａ．溶媒分別
本発明は、溶媒分別プロセスの手順を簡略化して、メソフェーズピッチをきれいにしている。この新しい溶媒分別プロセスは、きれいな等方性ピッチを使用することに依拠している。一般的に、適切な等方性ピッチはきれいな芳香族原料から生成される。原料は、コールタールの芳香族蒸留物、エチレンタール、傾瀉オイル、石油ガスオイルおよびコールタールのきれいな芳香族残留物、エチレンタールおよび傾瀉オイルを含んでいることが好ましい。傾瀉オイル蒸留物が、好ましい原料である。この蒸留物が沸騰する範囲は重要ではないが、約３７０℃〜５１０℃の範囲で沸騰する蒸留物が、これまで問題なく使用されてきた。
この明細書および後述する請求項で用いられているように、”きれいな”という用語は、好ましい原料は灰分の含有量が５０ｐｐｍ未満であり、炭素を含む不溶不純物を含まないことを意味する。蒸留原料は、一般的に、きれいな琥珀色の流体であることが好ましい。黒い「蒸留物」は、通常、同伴された炭素不純物および／または懸濁した炭素不純物を含んでいるため、適切ではない。好ましい原料を使用することで、メソフェーズ不溶分が５００ｐｐｍ未満しか含まれないメソフェーズ生成物が得られる。メソフェーズピッチ生成物は、メソフェーズ不溶不純物を５０ｐｐｍ未満しか含まないことが好ましい。
メソフェーズ生成物の灰分不純物のレベルは、重さの測定された試料を４５０℃〜８５０℃の温度範囲で燃焼させ、残った灰分の重さと試料の最初の重さとを比較することで求められる。メソフェーズ生成物の炭素を含む不溶不純物は、公称２μｍ、絶対値として７μｍの空孔を有する金属メッシュまたはワイヤースクリーンを通過する、メソフェーズピッチまたは液体状の抽出不溶分の流れを観測することで求められる。融点を約５０℃超える温度に加熱した際、好ましい生成物は、空孔に詰まることがほとんどなく２μｍの空孔を通過することができるようになる。
適切な原料を求めた後、本発明のプロセスにおいては、浸熱工程へと移行する。良く知られているように、原料を浸熱することにより、メソゲンとして知られるメソフェーズ前駆体を含む等方性ピッチが得られる。本発明に係るプロセスにおいては、浸熱は約３６０℃〜約５５０℃の温度範囲で行われる。さらに、本発明においては、コークが発生しないように、熱流密度を低くしている（熱流密度とは、与えられた表面での単位面積を通過する、単位時間当たりの熱エネルギーの流れもしくは移行の量をいう。）。熱流密度は、１２Ｗ／ｉｎｃｈ2未満であることが好ましい。加えて、ピッチが無機化合物によって汚染されないように、きれいな機器を使用し、かつ機械的な磨耗が発生しないように注意しなければならない。
本発明は、連続処理モードによっても、バッチ処理モードによっても実施することができる。連続処理モードにて実施する場合には、生成物ピッチが完全に等方性になる条件において浸熱を停止する。しかしながら、本発明における抽出工程にとっては、メソフェーズを含んだ、実質的に等方性である浸熱済ピッチ生成物であることが好ましい。
浸熱工程の後に、従来の溶媒分別方法においては、不純物を除去するために浸熱されたピッチを溶解およびろ過する工程が必要であった。しかし、本発明においては、粒状物を含まないきれいな浸熱済ピッチを使用するため、これらの工程が除かれている。その結果、本発明に係るプロセスにおいては、原料ピッチの浸熱から、直接、メソゲンもしくはメソフェーズを含む浸熱済ピッチの溶媒抽出へと、移行することができる。
本発明に係る溶媒抽出プロセスは、液体／液体抽出か、もしくは液体／固体抽出によって実施することができる。液体／液体抽出の方が、好ましい。その理由は、液体／液体抽出は平衡状態に早く到達し、連続処理モードとの適合性が良いからである。さらに、液体／液体抽出プロセスは、液体／固体抽出方法に関係した分解、ろ過、洗浄、乾燥、再溶解という、固体物を取扱う工程を回避できるという利点を有する。液体／液体抽出は、浸熱済ピッチ、溶媒、および沈殿したメソゲンを、それぞれ液体状態として保持するのに十分な温度および圧力下において、実施される。適切な温度としては、典型的には、約１００℃〜約４００℃の範囲である。好ましくは、約１８０℃〜約３４０℃の温度範囲である。溶媒抽出プロセスの間、系としての圧力は、溶媒を液体状態として保持するのに十分な値でなくてはならない。必要な圧力としては、典型的には、プロセス温度における溶媒の自己発生（ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ）圧力である。一般的には、液体／液体抽出は亜超臨界溶媒条件において実施される。つまり、抽出時の温度および圧力は、溶媒の臨界温度および臨界圧力よりも低い。
抽出プロセスは、非メソフェーズ成分が完全に溶解し、また抽出されることを確実にするために、十分な時間、続けられる。抽出プロセスは、典型的には、約２分〜約６０分で完了する。抽出が完了した後、系は２つの相に分離される。引き続いて、溶媒相は除去され、そして不溶メソフェーズを形成する相は液体として回収されるか、または冷却されて固体として回収される。残存するいかなる溶媒も、瞬間蒸発、もしくは他の適切な処理によってメソフェーズ生成物から除去されることにより、溶媒を含まないメソフェーズピッチが生成される。
液体／固体抽出プロセスにおいては、ピッチおよび抽出溶媒は、メソゲンを固体粒子として沈殿させるのに十分な温度において、混合される。ピッチおよび溶媒は、可溶ピッチ成分が溶媒によってすべて抽出されるまで、混合される。この工程には、典型的には、１５分から５時間の時間が必要である。
Ｂ．ピッチ硬度の制御
本発明においては、さらに、メソフェーズピッチ生成物の硬度を変えることが可能である。抽出された不溶分の硬度は、抽出された系における芳香族油分の濃度に、直接関係している。具体的には、浸熱済ピッチ中でのピッチ油分の含有量が増加すると、より硬く、より融点の高いメソフェーズピッチが、わずかに低下した回収率にて抽出される。
芳香族油分含有量の調節は、浸熱済ピッチ中でのピッチ油分含有量を調節することにより、行うことができる。この調節は、原料を常圧蒸留（ｔｏｐｐｉｎｇ）して余分な油分を取り除くか、またはピッチ油分を加えることにより、行うことができる。本発明においては、その代わりに、溶媒分別プロセス中に油分を加えても良い。ピッチ油分の含有量が０〜７０％である時は、原料中の油分の含有量は、重量で約０〜約４０％であることが好ましい。一般的に、原料中の油分含有量の下限は、蒸留またはガスの吹込みによる油分の除去能力によって決められ、また、油分含有量の上限は、メソフェーズピッチの所望する収率によって決められる。
等方性原料ピッチに加えられるピッチ油分は、天然ピッチ油分および、石油、石炭もしくは合成プロセスから得られた広範な芳香族オイル、の両方を含んでいることが好ましい。一般的に、天然ピッチ油分の方が好ましい。ピッチ油分は、沸騰する温度が４５０℃〜５２５℃の範囲にある実質的なフラクションを含んでいることが好ましい。使用される油分が何であれ、メソフェーズピッチの収率は影響を受ける。その理由は、油分が溶媒と相互作用する結果、ピッチ油分のどんな変化も、抽出プロセスに影響するためである。
Ｃ．メソフェーズピッチの向上した収率
前述したように、本発明においては、メソフェーズピッチを生成する前の、浸熱済ピッチを溶解およびろ過する工程が除かれている。一般的に、これらのプロセスは非メソゲン不溶分を除去するために用いられてきた。しかし、これらのプロセスにより、等方性原料ピッチに含まれているかなりの量の高分子量分子の部分も除去されていた。これらのプロセス工程が除かれることにより、これまで除去されていた化合物を含むメソフェーズピッチが生成される。その結果、より大きな分子量の化合物を驚くほど多く保有できるため、メソフェーズ生成物の収率が高くなる。溶解不溶分を生成物の中に取り込むことで、メソフェーズピッチ収率が向上するだけでなく、本発明においては、炭素を含む廃棄物が生成されるのが回避され、さらに溶解および溶解物をろ過するための、プロセス工程ならびに必要な機器が除かれている。
実施例
以下に述べる実施例により、本発明を例証する。割合ならびにパーセンテージは、別段の指示がない限り、すべて重量で示されている。なお、出願人は、実施例で示される理論に限定されることを希望するものではない。むしろ、本発明の正確な範囲は、添付の請求の範囲に基づいて決められるべきである。
実施例１ならびに２は、本発明に係る溶媒分別プロセスについて実証している。これらの実施例により、浸熱済ピッチを溶解およびろ過する工程なしに、メソフェーズピッチが問題なく生成されることが実証されている。
実施例１
製油所傾瀉オイルを真空中で蒸留することにより、メソフェーズ不溶灰分の含有量が１０ｐｐｍ未満の、公称４２７℃〜４９３℃の蒸留物を単離した。この蒸留物を、攪拌される圧力容器の中で、４４１℃、１２０ｐｓｉｇのもとで３時間４０分間浸熱した。浸熱したピッチを、重量で６４．８％の収率にて回収した。ピッチは、完全に等方性であるとともに、１１％のテトラヒドロフラン不溶分ならびに１０ｐｐｍ未満のメソフェーズ不溶灰分を含んでいた。
窒素ガスパージした圧力容器内で、重量でピッチ１に対して溶媒５を混ぜ合わせることにより、抽出を行った。溶媒は、重量比で７０：３０のキシレンとヘプタンの混合からなる。容器は密封してあり、溶媒とピッチを７６ｐｓｉｇの自己発生圧力のもとで、２００℃に加熱した。ピッチおよび溶媒の混合物を、この温度のもとで３０分間混合した後、１５分間沈殿させ、その後、徐冷した。固体ピッチのケークを、反応容器の底から回収した。抽出残留物を、まず１５０℃で、続いて３６０℃のもとで真空乾燥することにより、浸熱済ピッチからのメソフェーズピッチ生成物を、重量で２２．０％の収率にて得た。このメソフェーズピッチは、テストの結果、１００％異方性で、そして、３３０℃で軟化し、３４４℃で融解することが判明した。
実施例２
実施例１で使用した同じ蒸留物原料を、同じ条件にて浸熱することにより、浸熱済ピッチを重量で６８．４％の収率にて回収した。浸熱済ピッチは、１１％のテトラヒドロフラン不溶分を含んでいた。重量比で５０：５０のキシレン：ヘプタンからなる溶媒を用いて、溶媒５に対してピッチ１の割合で混合してピッチを抽出した。実施例１の条件を使用して、自己発生圧力は抽出中に９０ｐｓｉｇに達した。３６０℃で真空乾燥したメソフェーズピッチの、浸熱済ピッチからの回収率は重量で２３．０％であった。生成物は１００％異方性であり、そして、３１２℃で軟化し、３２５℃で融解した。メソフェーズピッチ生成物中のメソフェーズ不溶灰分の含有率は、１０ｐｐｍ未満であることが判明した。
実施例３から８により、本発明がメソフェーズピッチ生成物の硬度を制御できることが実証されている。前述したように。ピッチ硬度の増加は、融点の上昇に対応する。
実施例３から６
中央大陸（ｍｉｄ−ｃｏｎｔｉｎｅｎｔ）製油所傾瀉オイルの４５５℃＋残留物から、重芳香族からなる浸熱済ピッチを生成した。この傾瀉オイル残留物は、９２％炭素、および６．５％の水素からなり、また、炭素１３のＮＭＲ測定より、芳香族炭素を８２％含むことが判明した。傾瀉オイル残留物は、３９８℃のもとで６．９時間、浸熱された。その結果得られた重芳香族からなる浸熱済ピッチは、２３℃のもとで２０ｍｌのテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に１グラムのピッチを混ぜることで、ＴＨＦの中に重量で２０％の不溶分を含んでいた。実施例３においては、抽出に用いるピッチ原料は、浸熱された傾瀉オイル中のピッチ油分の含有量を調節することで形成した。実施例３においては、５２４℃の等価大気中カットポイント（ｃｕｔ  ｐｏｉｎｔ）で真空蒸留することにより、浸熱済ピッチを脱油した。これらの実施例の目的として、このことは０％油分浸熱済ピッチとして説明される。実施例４においては、浸熱済ピッチを、３５７℃の等価大気中カットポイントのもとで真空中にて常圧蒸留することにより、９％油分のピッチを生成した。１９％の油分を含む常圧蒸留されなかった浸熱済ピッチを、実施例５において使用した。実施例６における２８％油分を含むピッチは、４５４℃から５２４℃のピッチ油分と、常圧蒸留されなかったピッチとを混ぜることにより、生成した。
粉砕したピッチと溶媒とを、密封され真空引きされた加圧釜の中で混合し、攪拌しながら２３０℃から２３５℃へと加熱することによって、浸熱された各ピッチを抽出した。各抽出混合物は、１グラムの０％油分ピッチに対して８ｍｌの溶媒の割合で、調整した。この例において、溶媒はトルエンと５２４℃−ピッチ油分（沸点が５２４℃よりも低いピッチ油分）から構成されていた。抽出温度において、圧力は１６０から１８５ｐｓｉに達した。混合物を１時間攪拌した後、１５分間沈殿させ、その後、徐冷した。溶媒相および徐冷したスラッジを除去した後、不溶ピッチ生成物を反応容器の底から高濃度ケークとして回収した。
各不溶ピッチ生成物を、粉砕、乾燥した後、真空中、３６０℃で融合することにより、ほぼすべての溶媒を除去した。融合したピッチはすべて、完全な異方性であった。融合した各ピッチの融点は、熱機械分析法（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ：ＴＭＡ）により、窒素ガスを流しながら１０℃／分の割合で昇温することにより求めた。融点は、２次主導関数のピークとして求めた。実施例において、抽出物中の油分量の増加に伴って、融合ピッチの融点がおおむね増加することが示された。前述したように、ピッチの融点の増加はピッチの硬度の増加を反映する。
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実施例７と８においては、抽出中のピッチ油分の量を制御することにより、ピッチ生成物の融点、収率および異方性率が制御できることが示されている。
実施例７および８
アエロカーブ（Ａｅｒｏｃａｒｂ）４００の重芳香族ピッチの試料を、アシュランソドケミカル社（Ａｓｈｌａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．）より入手した。このピッチは、９４％の炭素からなり、７２％のコーク価を有していた。このピッチのキノリン不溶分は１％未満であり、トルエン不溶分は１７．５％未満であった。ピッチは、２１０℃付近で軟化した。アエロカーブ４００は、ピッチ油分（大気圧下、５２４℃未満の温度にて沸騰する材料）を著しくは含んでいない。
表２に示す条件下のもとで４５４℃から５２４℃の芳香族ピッチ油分を加えた後に、アエロカーブ４００を抽出した。実施例３で示したように、真空蒸留した浸熱済ピッチから得た油分を、トルエンに加えた。抽出は、これまでの実施例と同じ条件にて行った。反応容器の底から回収した不溶分を、粉砕、融合することにより、表２に示した融合生成物を生成した。
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実施例９−１０および表３において、本発明が最終的なメソフェーズピッチ生成物において、高分子量化合物を選択的に保有できることが示されている。このことにより、最終的なメソフェーズ生成物の収率を向上できる。
実施例９
実施例５で述べた同じ浸熱済ピッチを、ピッチ１グラム当たり８ｍｌの溶媒の割合で、混合キシレン（４２．９重量％のｍ−キシレン、２４．６重量％のエチルベンゼン、２１．６重量％のｐ−キシレン、１０．８重量％のｏ−キシレン）と混合することにより、抽出した。抽出は、密封され真空排気された加圧釜の中で行った。混合物を、１時間２０分間の間、攪拌しながら３２０℃まで昇温した。圧力は、１００ｐｓｉｇにまで達した。混合物は、１時間攪拌した後、２３１℃のもとで１５分間、沈殿させた。徐冷した後、加熱釜を開けて、反応容器の底から不溶ピッチ生成物の高濃度ケークを回収した。ピッチ生成物を粉砕した後、真空中で３６０℃にまで昇温することにより、２１．５%の揮発性物を除去した。溶媒を除去したメソゲンは２５．３％の収率で回収でき、また、このメソゲンは３８６℃で融解した。
実施例１０
比較例として、実施例９で述べた浸熱済ピッチを、同量のトルエンと混合した後に１１０℃にまで加熱することによって、溶解混合物を生成した。この混合物を少量のセライト（Ｃｅｌｉｔｅ）フィルターを用いてろ過することにより、溶解不溶物を除去した。溶解不溶物は、ピッチの９．４％の量を示した。溶解不溶物は不溶解性であり、かなり高い分子量のピッチ成分を示した。きれいな溶解ろ過ピッチを、トルエンを除去後、窒素雰囲気の中で保管した。
粉砕した溶解ろ過ピッチをきれいな加熱釜に加えることにより、抽出を行った。加熱釜を密封して真空排気した後、重量で１．１の割合のキシレンを加えた。ろ過した溶解物を、１/２時間の間、攪拌しながら９０℃にまで昇温することにより、再形成した。再形成した溶解混合物にさらにキシレンを加えて希釈することにより、最終的な混合物が、溶解ろ過されていないもともとの浸熱済ピッチ１グラムに対して、８ｍｌの溶媒を含むようにした。抽出は、１００ｐｓｉｇの圧力下で２３１℃のもとで、３０分間行った。混合物は、２３１℃の温度で１５分間沈殿させた後、徐冷した。不溶ピッチの固体ケークを、反応容器の底から回収した。真空中で３６０℃に加熱することにより、揮発物を除去した。溶媒を除去したメソゲンは１８．５％の収率で回収でき、またこのメソゲンは部分的に３６３℃で融解した。
実施例９および比較例である実施例１０によって、溶解抽出メソフェーズ中の高い分子量の含有率を増やすことで回収率が増加する利点が確かめられた。この利点は、溶媒除去後のメソゲンの融点をわずかに増加させるだけで、得られる。
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当該技術分野に精通した者にとっては、次のことは自明のことである。つまり、実施例１および２で示した、きれいな浸熱済ピッチを液体/液体抽出することによりきれいなメソフェーズピッチを形成すること、実施例３から８までで示した、油分を調整することによりメソフェーズピッチの硬度を制御すること、および、実施例９で示した、メソフェーズピッチ中に有機物の溶解不溶物を含ませることにより収率が増加することを、それぞれ組み合わせることにより、メソフェーズピッチを生成する特別に有益なプロセスを提供できるということである。
さらに、この明細書を考察することにより、もしくはここで開示された発明の実施例より、当該技術分野に精通した者にとっては、本発明の態様は明らかである。明細書および実施例は単に典型例であるとみなし、本発明の正確な範囲および趣旨は、後述の請求の範囲によって示されることを意図している。