JP2018150197A - Hollow carbon particle containing nitrogen element, and method for producing hollow carbon particle - Google Patents

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崇 荻
Takashi Ogi
崇 荻
奥山 喜久夫
Kikuo Okuyama
喜久夫 奥山
隆文 伊澤
Takafumi Izawa
隆文 伊澤
岩崎 秀治
Hideji Iwasaki
秀治 岩崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hollow carbon particle having a high content of nitrogen elements, and a method for efficiently and safely producing the hollow carbon particle.SOLUTION: A hollow carbon particle has one cavity inside, where a content of nitrogen elements is more than 30 mass% and is 40 mass% or less relative to a mass of the hollow carbon particle.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、窒素元素を含んでなる中空炭素粒子、および中空炭素粒子の製造方法に関する。   The present invention relates to a hollow carbon particle containing nitrogen element and a method for producing the hollow carbon particle.

炭素材料は、熱的および化学的に安定であり、導電性を有することから、様々な用途に広く用いられている。さらに、炭素材料は、窒素または二酸化炭素などの気体を分離するための吸着材としても広く使用されている。また、近年は、様々な粒子材料において、粒子径を小さくしつつも表面積を大きくし、密度を小さくするため、さらには表面積を有効に増加させるために、粒子材料を中空化することが試みられている。   Carbon materials are widely used in various applications because they are thermally and chemically stable and have electrical conductivity. Furthermore, carbon materials are widely used as adsorbents for separating gases such as nitrogen or carbon dioxide. In recent years, in various particle materials, attempts have been made to hollow out the particle material in order to increase the surface area while reducing the particle diameter, to reduce the density, and to increase the surface area effectively. ing.

フェノール樹脂を用いて中空粒子を製造する方法としては、ポリスチレンラテックス粒子をフェノール樹脂水溶液に分散させ、この分散液を噴霧熱分解して中空粒子を製造する方法(例えば、非特許文献1参照)、およびシリカをテンプレート(核剤)として用いる方法(例えば、非特許文献2参照)が知られている。   As a method for producing hollow particles using a phenol resin, polystyrene latex particles are dispersed in a phenol resin aqueous solution, and the dispersion is spray-pyrolyzed to produce hollow particles (for example, see Non-Patent Document 1). And a method using silica as a template (nucleating agent) (for example, see Non-Patent Document 2) is known.

Ratna Balgisら、"Morphology control of hierarchical porous carbon particles from phenolic resin and polystyrene latex template via aerosol process", Carbon, 2015, 第84巻、第281-289頁Ratna Balgis et al., "Morphology control of hierarchical porous carbon particles from phenolic resin and polystyrene latex template via aerosol process", Carbon, 2015, 84, 281-289. Xianglin Yuら、"Aerosol assisted synthesis of silica/phenolic resin composite mesoporous hollow spheres", Colloid Polymer Science, 2008, 第286巻、第1361-1368頁Xianglin Yu et al., “Aerosol assisted synthesis of silica / phenolic resin composite mesoporous hollow spheres”, Colloid Polymer Science, 2008, 286, 1361-1368.

しかし、非特許文献1に記載されている方法では、噴霧熱分解により製造するため、噴霧量および熱伝導に制限され、生産性が著しく低い。また、非特許文献2に記載されている方法では、テンプレートであるシリカを除去するために有毒なフッ化水素を用いることが必要であり、特殊な容器を使用しなければならない上に、安全性に大きな問題がある。さらに、高含有量の窒素元素を含む中空炭素粒子は、従来技術では知られていない。   However, since the method described in Non-Patent Document 1 is produced by spray pyrolysis, the amount of spray and heat conduction are limited, and the productivity is extremely low. Further, in the method described in Non-Patent Document 2, it is necessary to use toxic hydrogen fluoride to remove silica as a template, and a special container must be used. There is a big problem. Furthermore, hollow carbon particles containing a high content of nitrogen element are not known in the prior art.

本発明の課題は、高含有量の窒素元素を含んでなる中空炭素粒子、および効率的かつ安全な中空炭素粒子の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide hollow carbon particles containing a high content of nitrogen element and an efficient and safe method for producing hollow carbon particles.

本発明者らは、上記課題を解決するために、高含有量の窒素元素を含んでなる中空炭素粒子、および中空炭素粒子の製造方法について詳細に検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted detailed studies on hollow carbon particles containing a high content of nitrogen element and a method for producing the hollow carbon particles. As a result, the present invention has been completed. It came.

すなわち、本発明は、以下の好適な態様を包含する。
[1]内部に1つの空隙を有する中空炭素粒子であって、窒素元素の含有量が中空炭素粒子の質量に対して30質量%より大きく40質量%以下である、中空炭素粒子。
[2]上記空隙の平均直径は50nm以上200nm以下であり、中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みは1nm以上200nm以下である、上記[1]に記載の中空炭素粒子。
[3]樹脂組成物からなるコアの表面をメラミン樹脂で被覆し、被覆コアを得る被覆工程、
被覆コアを加熱してメラミン樹脂を硬化し、硬化された被覆コアを得る硬化工程、
硬化された被覆コアを熱処理してコアを熱分解し、中空炭素粒子前駆体を得る熱処理工程、および
中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施す炭化工程
を含む、上記[1]または[2]に記載の中空炭素粒子の製造方法。
[4]上記樹脂組成物はポリスチレンを含んでなる、上記[3]に記載の製造方法。
[5]上記硬化工程を液相で行う、上記[3]または[4]に記載の製造方法。
[6]上記熱処理工程と上記炭化工程とを同時に行う、上記[3]〜[5]のいずれかに記載の製造方法。
[7]上記熱処理工程および/または上記炭化処理を、300℃以上1000℃以下の温度で不活性ガス雰囲気下に行う、上記[3]〜[6]のいずれかに記載の製造方法。
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] Hollow carbon particles having one void inside, wherein the content of nitrogen element is greater than 30% by mass and equal to or less than 40% by mass with respect to the mass of the hollow carbon particles.
[2] The hollow carbon particles according to [1], wherein an average diameter of the voids is 50 nm or more and 200 nm or less, and an average thickness of a carbon wall forming the hollow carbon particles is 1 nm or more and 200 nm or less.
[3] A coating step of coating the surface of the core made of the resin composition with melamine resin to obtain a coated core,
A curing step of heating the coated core to cure the melamine resin to obtain a cured coated core;
In the above [1] or [2], including a heat treatment step of heat-treating the cured coated core to thermally decompose the core to obtain a hollow carbon particle precursor, and a carbonization step of carbonizing the hollow carbon particle precursor The manufacturing method of the hollow carbon particle of description.
[4] The production method according to [3], wherein the resin composition comprises polystyrene.
[5] The production method according to [3] or [4], wherein the curing step is performed in a liquid phase.
[6] The production method according to any one of [3] to [5], wherein the heat treatment step and the carbonization step are performed simultaneously.
[7] The manufacturing method according to any one of [3] to [6], wherein the heat treatment step and / or the carbonization treatment is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

本発明により、高比表面積および低密度といった利点を有し、高含有量の窒素元素を含んでなる中空炭素粒子、および効率的かつ安全な中空炭素粒子の製造方法が提供される。   According to the present invention, there are provided hollow carbon particles having advantages such as a high specific surface area and a low density and containing a high content of nitrogen element, and an efficient and safe method for producing hollow carbon particles.

実施例1に従って製造したコアの電子顕微鏡観察図である。1 is an electron microscopic observation view of a core manufactured according to Example 1. FIG. 実施例1に従って製造した中空炭素粒子の電子顕微鏡観察図である。1 is an electron microscopic observation view of hollow carbon particles produced according to Example 1. FIG. 実施例1に従って製造した中空炭素粒子の透過顕微鏡観察図である。1 is a transmission microscope observation view of hollow carbon particles produced according to Example 1. FIG. 比較例1に従って製造した生成物の電子顕微鏡観察図である。2 is an electron microscopic observation view of a product manufactured according to Comparative Example 1. FIG.

本発明の中空炭素粒子は、内部に1つの空隙を有し、高含有量の窒素元素を含んでなる。   The hollow carbon particles of the present invention have one void inside and contain a high content of nitrogen element.

<窒素元素の含有量>
本発明の中空炭素粒子に含有される窒素元素の量は、中空炭素粒子の質量に対して、30質量%より大きく40質量%以下である。中空炭素粒子において、前記窒素元素の量が30質量%未満であると、炭素に由来する物性が支配し、窒素を導入した効果を得ることができず、前記窒素元素の量が40質量%より大きいと、熱安定性が低く形状を維持することができない。前記窒素元素の量は、中空炭素粒子の質量に対して、好ましくは31質量%以上40質量%以下である。中空炭素粒子の出発材料としてメラミン樹脂を使用し、後に記載する熱処理温度および炭化温度を調整することにより、中空炭素粒子に含まれる窒素元素の量が上記範囲内になりやすくなる。中空炭素粒子に含まれる窒素元素の量が上記範囲内であると、窒素元素が存在することによりもたらされる効果(例えば炭酸ガスやホルムアルデヒドなどの酸性物質を選択的に吸着するなどの塩基的な効果)が好適に得られやすい。本発明において窒素元素の含有量は、酸素・窒素・水素分析装置(例えば、堀場製作所製EMGA-930)を用いて測定される。
<Content of nitrogen element>
The amount of nitrogen element contained in the hollow carbon particles of the present invention is greater than 30% by mass and equal to or less than 40% by mass with respect to the mass of the hollow carbon particles. In the hollow carbon particles, if the amount of the nitrogen element is less than 30% by mass, the physical properties derived from carbon dominate, and the effect of introducing nitrogen cannot be obtained, and the amount of the nitrogen element is more than 40% by mass. If it is large, the thermal stability is low and the shape cannot be maintained. The amount of the nitrogen element is preferably 31% by mass or more and 40% by mass or less with respect to the mass of the hollow carbon particles. By using a melamine resin as a starting material for the hollow carbon particles and adjusting a heat treatment temperature and a carbonization temperature described later, the amount of nitrogen element contained in the hollow carbon particles easily falls within the above range. When the amount of elemental nitrogen contained in the hollow carbon particles is within the above range, the effect brought about by the presence of elemental nitrogen (for example, basic effects such as selective adsorption of acidic substances such as carbon dioxide and formaldehyde) ) Is preferably easily obtained. In the present invention, the content of nitrogen element is measured using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer (for example, EMGA-930 manufactured by Horiba, Ltd.).

<空隙>
本発明の中空炭素粒子の空隙の平均直径は、後に記載する樹脂組成物からなるコアの平均直径、および中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みにより調整することができ、好ましくは50nm以上200nm以下、より好ましくは60nm以上180nm以下である。中空炭素粒子の空隙の平均直径が上記範囲内であると、中空炭素粒子内部の空隙(以下、中空域と記載することがある)が好適に利用されて良好な表面積増大がもたらされやすい。本発明において空隙の平均直径は、透過電子顕微鏡(例えば、日本電子株式会社製JEM3200-FS)により中空炭素粒子の観察図を得、中空炭素粒子10個の空隙の直径を計測し、その平均値を算出することにより求められる。
<Gap>
The average diameter of the voids of the hollow carbon particles of the present invention can be adjusted by the average diameter of the core made of the resin composition described later, and the average thickness of the carbon walls forming the hollow carbon particles, preferably 50 nm or more and 200 nm. Hereinafter, it is more preferably 60 nm or more and 180 nm or less. When the average diameter of the voids of the hollow carbon particles is within the above range, voids inside the hollow carbon particles (hereinafter, sometimes referred to as hollow regions) are preferably used and a good surface area increase is likely to be brought about. In the present invention, the average diameter of the voids is obtained by observing the hollow carbon particles with a transmission electron microscope (for example, JEM3200-FS manufactured by JEOL Ltd.), measuring the diameter of the voids of 10 hollow carbon particles, and calculating the average value. It is calculated | required by calculating.

本発明の中空炭素粒子の空隙率は、中空炭素粒子の体積に対して、好ましくは1%以上90%以下、より好ましくは5%以上90%以下、さらに好ましくは10%以上85%以下である。中空炭素粒子の空隙率が上記範囲内であると、中空域の好適な利用がもたらされやすく、良好な機械強度が得られやすい。   The porosity of the hollow carbon particles of the present invention is preferably 1% or more and 90% or less, more preferably 5% or more and 90% or less, and further preferably 10% or more and 85% or less with respect to the volume of the hollow carbon particles. . When the porosity of the hollow carbon particles is within the above range, it is easy to provide a suitable utilization of the hollow region, and it is easy to obtain good mechanical strength.

空隙の形状は特に限定されない。空隙の形状が球形であると、機械強度が維持されやすく、中空域に第三成分を注入する際に偏在が起こりにくいなどの観点から好ましい。   The shape of the void is not particularly limited. It is preferable from the viewpoint that the mechanical strength is easily maintained and the uneven distribution is less likely to occur when the third component is injected into the hollow region, when the shape of the void is spherical.

<炭素壁の平均厚み>
中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みは、コアに対するメラミン樹脂の量で制御することができ、好ましくは1nm以上200nm以下、より好ましくは10nm以上100nm以下である。炭素壁の平均厚みが上記範囲内であると、中空炭素粒子の好ましい機械強度が得られて中空を維持しやすく、メラミンを過剰に使用しないことから粒子同士の癒着が防止されやすい。本発明において炭素壁の平均厚みは、透過電子顕微鏡(例えば、日本電子株式会社製JEM3200-FS)により中空炭素粒子の観察図を得、中空炭素粒子10個の炭素壁の厚みを計測し、その平均値を算出することにより求められる。
<Average thickness of carbon wall>
The average thickness of the carbon wall forming the hollow carbon particles can be controlled by the amount of the melamine resin relative to the core, and is preferably 1 nm to 200 nm, more preferably 10 nm to 100 nm. When the average thickness of the carbon wall is within the above range, the preferred mechanical strength of the hollow carbon particles can be obtained, the hollowness can be easily maintained, and melamine is not used excessively, so that adhesion between the particles is easily prevented. In the present invention, the average thickness of the carbon wall is obtained by observing a hollow carbon particle with a transmission electron microscope (for example, JEM3200-FS manufactured by JEOL Ltd.), measuring the thickness of the carbon wall of ten hollow carbon particles, It is obtained by calculating an average value.

<平均粒子径>
本発明の中空炭素粒子の平均粒子径は、好ましくは52nm以上500nm以下であり、より好ましくは60nm以上400nm以下である。中空炭素粒子の平均粒子径が上記範囲内であると、中空炭素粒子が良好な機械強度を有しやすく、中空を維持しやすく、中空域が好適に利用されて良好な表面積増大がもたらされやすい。本発明において平均粒子径は、例えば、透過電子顕微鏡(例えば、日本電子株式会社製JEM3200-FS)により中空炭素粒子の観察図を得、中空炭素粒子10個の粒子径を計測し、その平均値を算出することにより求められる。
<Average particle size>
The average particle size of the hollow carbon particles of the present invention is preferably 52 nm or more and 500 nm or less, more preferably 60 nm or more and 400 nm or less. If the average particle diameter of the hollow carbon particles is within the above range, the hollow carbon particles are likely to have good mechanical strength, easily maintain the hollow, and the hollow region is suitably used to provide a good surface area increase. Cheap. In the present invention, the average particle diameter is, for example, an observation figure of hollow carbon particles obtained by a transmission electron microscope (for example, JEM3200-FS manufactured by JEOL Ltd.), the particle diameter of 10 hollow carbon particles is measured, and the average value is obtained. It is calculated | required by calculating.

<中空炭素粒子の製造方法>
本発明の中空炭素粒子は、例えば、
樹脂組成物からなるコアの表面をメラミン樹脂で被覆し、被覆コアを得る被覆工程、
被覆コアを加熱してメラミン樹脂を硬化し、硬化された被覆コアを得る硬化工程、
硬化された被覆コアを熱処理してコアを熱分解し、中空炭素粒子前駆体を得る熱処理工程、および
中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施す炭化工程
を含む製造方法により、製造することができる。
<Method for producing hollow carbon particles>
The hollow carbon particles of the present invention are, for example,
A coating step of coating the surface of the core made of the resin composition with a melamine resin to obtain a coated core;
A curing step of heating the coated core to cure the melamine resin to obtain a cured coated core;
The hardened coated core can be manufactured by a manufacturing method including a heat treatment step of thermally decomposing the core to obtain a hollow carbon particle precursor, and a carbonization step of carbonizing the hollow carbon particle precursor.

<コア>
本発明において、コアは樹脂組成物からなる。樹脂組成物は、好ましくは、スチレンのような芳香族ビニルモノマー、酢酸ビニルのようなビニル系モノマー、メタクリル酸メチルのような(メタ)アクリル酸系モノマーの重合により生成することができる樹脂を含んでなる。熱的に容易に分解でき、分解時に水または炭酸ガスなどの賦活性ガスを発生しないなどの観点から、樹脂組成物が、スチレンを用いて生成された樹脂を含んでなること、すなわち、樹脂組成物がポリスチレンを含んでなることがより好ましい。ポリスチレンの含有量は、樹脂組成物に基づいて、好ましくは10質量%以上100質量%、より好ましくは40質量%以上98質量%以下、さらに好ましくは60質量%以上95質量%以下である。樹脂組成物はさらに、コアとしての性能を損なわない範囲でドデシルベンゼンスルホン酸などの乳化剤のような添加剤を含んでもよい。添加剤の含有量は、樹脂組成物に基づいて、好ましくは5質量%以下、より好ましくは1質量%以下である。
<Core>
In the present invention, the core is made of a resin composition. The resin composition preferably includes a resin that can be produced by polymerization of an aromatic vinyl monomer such as styrene, a vinyl monomer such as vinyl acetate, and a (meth) acrylic acid monomer such as methyl methacrylate. It becomes. From the standpoint that it can be easily decomposed thermally and does not generate an activation gas such as water or carbon dioxide during decomposition, the resin composition comprises a resin produced using styrene, that is, a resin composition More preferably, the article comprises polystyrene. The content of polystyrene is preferably 10% by mass or more and 100% by mass, more preferably 40% by mass or more and 98% by mass or less, and still more preferably 60% by mass or more and 95% by mass or less based on the resin composition. The resin composition may further contain an additive such as an emulsifier such as dodecylbenzenesulfonic acid as long as the performance as a core is not impaired. The content of the additive is preferably 5% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, based on the resin composition.

コアが正のゼータ電位を有することが好ましい。「ゼータ電位」とは、コア表面の電位とそこから十分に離れた溶液の電位との差のことであり、「コアが正のゼータ電位を有する」とは、コアが正に帯電しているということである。コアのゼータ電位は、正であれば特に限定されない。コアのゼータ電位は、好ましくは30mV以上70mV以下、より好ましくは40mV以上60mV以下である。   It is preferred that the core has a positive zeta potential. “Zeta potential” is the difference between the potential of the core surface and the potential of a solution sufficiently away from it, and “the core has a positive zeta potential” means that the core is positively charged. That's what it means. The zeta potential of the core is not particularly limited as long as it is positive. The zeta potential of the core is preferably 30 mV to 70 mV, more preferably 40 mV to 60 mV.

コアの表面電位によって、コアの表面をメラミン樹脂で被覆した際に、メラミン樹脂のコアへの定着の様子が変わる。具体的には、定着が均質化したり、被覆コア同士が癒着してしまったりする。被覆コア同士が癒着すると、硬化工程後にメラミン樹脂被覆層が局所的に薄くなるため、後に記載する熱分解処理および炭化処理に耐えることが困難になり、中空炭素粒子が形成されにくい。   Depending on the surface potential of the core, the state of fixing of the melamine resin to the core changes when the surface of the core is coated with the melamine resin. Specifically, the fixing is homogenized or the coated cores are fused together. When the coated cores adhere to each other, the melamine resin coating layer is locally thinned after the curing step, so that it is difficult to withstand the thermal decomposition treatment and carbonization treatment described later, and the hollow carbon particles are not easily formed.

本発明で使用するコアの平均直径は、所望する中空炭素粒子の空隙の平均直径に依存するため、特に限定されるものではない。コアの平均直径は、好ましくは50nm以上200nm以下、より好ましくは60nm以上180nm以下である。コアの平均直径が上記範囲内であると、好適な中空域が得られやすく、良好な表面積増大がもたらされやすく、後に記載する炭化処理によって中空域は閉塞されずに維持されやすくなる。   The average diameter of the core used in the present invention is not particularly limited because it depends on the desired average diameter of the voids of the hollow carbon particles. The average diameter of the core is preferably 50 nm to 200 nm, more preferably 60 nm to 180 nm. When the average diameter of the core is within the above range, a suitable hollow region is likely to be obtained, a favorable increase in surface area is likely to be obtained, and the hollow region is easily maintained without being blocked by the carbonization treatment described later.

本発明におけるコアの製造方法は、特に限定されない。コアは、例えば、溶媒としての蒸留水、精製水またはイオン交換水にモノマーを加えて十分に撹拌して懸濁させ、重合開始剤を加えて撹拌しながら加熱することによって、または前記溶媒に重合開始剤を加えて十分に撹拌し、モノマーを加えて撹拌しながら加熱することによって、製造することができる。   The manufacturing method of the core in this invention is not specifically limited. The core can be polymerized by adding a monomer to distilled water, purified water or ion-exchanged water as a solvent and suspending it with sufficient stirring, adding a polymerization initiator and heating it with stirring, or polymerizing into the solvent. It can be produced by adding an initiator and stirring well, adding a monomer and heating with stirring.

モノマーは、コアを製造することができれば特に限定されない。スチレンのような芳香族ビニルモノマー、酢酸ビニルのようなビニル系モノマー、メタクリル酸メチルのような(メタ)アクリル酸系モノマーのようなモノマーの1種以上を使用することができる。熱的に容易に分解でき、分解時に水または炭酸ガスなどの賦活性ガスを発生しないなどの観点から、スチレン系モノマーを使用することが好ましい。スチレン、アルキル(メタ)アクリレートなどの疎水性モノマーに由来する構成単位を有するスチレン、およびその他の共重合可能なモノマー構成単位を有するスチレンを使用することがより好ましく、例えば、炭素数3〜22のアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートスチレン、および2−メチルスチレンを使用することができる。   A monomer will not be specifically limited if a core can be manufactured. One or more monomers such as aromatic vinyl monomers such as styrene, vinyl monomers such as vinyl acetate, and (meth) acrylic acid monomers such as methyl methacrylate can be used. It is preferable to use a styrenic monomer from the viewpoint that it can be thermally decomposed easily and does not generate an activating gas such as water or carbon dioxide during decomposition. It is more preferable to use styrene having a structural unit derived from a hydrophobic monomer such as styrene or alkyl (meth) acrylate, and styrene having another copolymerizable monomer structural unit, for example, having 3 to 22 carbon atoms. Alkyl (meth) acrylate styrene having an alkyl group, and 2-methylstyrene can be used.

溶媒中のモノマーの濃度は、特に限定されない。溶媒1リットルあたり、0.01モル以上1モル以下であることが好ましく、0.02モル以上0.8モル以下であることがより好ましい。溶媒中のモノマーの濃度が上記範囲内であると、凝集によるコア粗大化が回避されやすく、エマルションの安定性が確保されやすい。   The concentration of the monomer in the solvent is not particularly limited. The amount is preferably 0.01 mol or more and 1 mol or less, and more preferably 0.02 mol or more and 0.8 mol or less per liter of the solvent. When the concentration of the monomer in the solvent is within the above range, the coarsening of the core due to aggregation is easily avoided, and the stability of the emulsion is easily secured.

コアのゼータ電位は、重合開始剤によって調整することができる。スチレン系モノマーを用いてコアを製造する場合、コアのゼータ電位を正にするために、重合開始剤として、アゾ化合物を使用することができる。アゾ化合物であれば特に限定されず、例えば、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(アゾビスイソブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2’−アゾビスイソブチレート、および2,2’−アゾビス(N−ブチル−2−メチルプロピオアミド)などを使用することができる。価格および使用上の安定性などの観点から、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(アゾビスイソブチロニトリル)、および2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリルの使用が好ましい。   The zeta potential of the core can be adjusted by the polymerization initiator. When a core is produced using a styrene monomer, an azo compound can be used as a polymerization initiator in order to make the zeta potential of the core positive. The azo compound is not particularly limited. For example, 2,2′-azobisisobutyronitrile (azobisisobutyronitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2 2,2′-azobisisobutyrate, 2,2′-azobis (N-butyl-2-methylpropioamide), and the like can be used. From the viewpoint of price and stability in use, the use of 2,2′-azobisisobutyronitrile (azobisisobutyronitrile) and 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) preferable.

重合開始剤の濃度は、重合が進行すれば特に限定されない。溶媒1リットルあたり、0.1×10−4モル以上2×10−4モル以下であることが好ましく、0.2×10−4モル以上1×10−4モル以下であることがより好ましい。重合開始剤の濃度が上記範囲内であると、好適なポリマーの分子量を得ることができるためコアの形状が維持されやすく、重合が十分に進行しやすい。 The concentration of the polymerization initiator is not particularly limited as long as the polymerization proceeds. It is preferably 0.1 × 10 −4 mol or more and 2 × 10 −4 mol or less, and more preferably 0.2 × 10 −4 mol or more and 1 × 10 −4 mol or less per liter of the solvent. When the concentration of the polymerization initiator is within the above range, a suitable molecular weight of the polymer can be obtained, so that the shape of the core is easily maintained, and the polymerization easily proceeds sufficiently.

モノマーの重合を実施する温度に関しても特に制限はない。重合が進行する温度であればよく、通常は40℃以上90℃以下、好ましくは50℃以上80℃以下である。モノマーの重合を実施する温度が上記範囲内であると、重合が十分に進行しやすいためにモノマーの残留が回避されやすく、重合速度が速すぎないためにコアの平均直径が制御されやすい。   There is no particular limitation on the temperature at which the polymerization of the monomer is carried out. The temperature may be any temperature at which polymerization proceeds, and is usually from 40 ° C. to 90 ° C., preferably from 50 ° C. to 80 ° C. If the temperature at which the polymerization of the monomer is within the above range, the polymerization is likely to proceed sufficiently so that the residual monomer is easily avoided, and the average diameter of the core is easily controlled because the polymerization rate is not too high.

モノマーの重合の反応時間は、重合温度に依存するため、特に特定することはできない。通常は1時間以上100時間以下、好ましくは2時間以上80時間以下である。   The reaction time of the polymerization of the monomer depends on the polymerization temperature and cannot be particularly specified. Usually, it is 1 hour or more and 100 hours or less, preferably 2 hours or more and 80 hours or less.

上記した製造方法により、所望の平均直径とゼータ電位を有するコアを製造することができる。   A core having a desired average diameter and zeta potential can be manufactured by the manufacturing method described above.

<被覆工程>
被覆工程では、樹脂組成物からなるコアの表面にメラミン樹脂が被覆され、被覆コアが得られる。
<Coating process>
In the coating step, the surface of the core made of the resin composition is coated with a melamine resin to obtain a coated core.

メラミン樹脂は、メラミンとホルムアルデヒドとの縮合(重合)反応によって生成される。   The melamine resin is produced by a condensation (polymerization) reaction between melamine and formaldehyde.

メラミンとホルムアルデヒドとの混合比は、メラミン分を完全に反応消費するためにホルムアルデヒドを多く混合すれば特に限定されるものではない。メラミン1モルに対し、通常は1.0〜10モル倍、好ましくは1.0〜8モル倍の混合比でホルムアルデヒドを使用する。混合比が上記範囲内であると、反応によりメラミン分が完全に消費され、多すぎるホルムアルデヒドの自己縮合により不溶性のパラホルムアルデヒドが生成することが回避されやすい。   The mixing ratio of melamine and formaldehyde is not particularly limited as long as a large amount of formaldehyde is mixed to completely react and consume the melamine content. Formaldehyde is usually used in a mixing ratio of 1.0 to 10 mol times, preferably 1.0 to 8 mol times with respect to 1 mol of melamine. When the mixing ratio is within the above range, the melamine content is completely consumed by the reaction, and it is easy to avoid the formation of insoluble paraformaldehyde by the self-condensation of too much formaldehyde.

本発明において、メラミンとコアとの組成比は特に限定されない。コア1gに対し、通常は0.01g以上50g以下、好ましくは0.05g以上20g以下の量でメラミンを使用する。メラミンとコアとの組成比が上記範囲内であると、コアが良好に被覆されやすく、被覆以前にメラミン樹脂のみからなる生成物が生じることが回避されやすい。   In the present invention, the composition ratio of melamine and core is not particularly limited. Melamine is usually used in an amount of 0.01 g to 50 g, preferably 0.05 g to 20 g, relative to 1 g of the core. When the composition ratio between the melamine and the core is within the above range, the core is likely to be satisfactorily coated, and it is easy to avoid the formation of a product consisting only of the melamine resin before the coating.

メラミンとホルムアルデヒドとの重合反応を実施する温度は、特に限定されない。通常は40℃以上200℃以下、好ましくは60℃以上180℃以下の温度で実施される。メラミンとホルムアルデヒドとの重合反応を実施する温度が上記範囲内であると、適当な時間内に重合反応が進行するために経済的優位が確保されやすく、コア表面で重合反応が進行する前にメラミンとホルムアルデヒドとが重合することが回避されやすい。   The temperature at which the polymerization reaction between melamine and formaldehyde is performed is not particularly limited. Usually, it is carried out at a temperature of 40 to 200 ° C., preferably 60 to 180 ° C. If the temperature at which the polymerization reaction between melamine and formaldehyde is performed is within the above range, the polymerization reaction proceeds within an appropriate time, so that an economic advantage is easily secured, and the melamine before the polymerization reaction proceeds on the core surface. It is easy to avoid polymerization of aldehyde with formaldehyde.

加熱の方法も特に限定されない。加圧および加熱するためにオートクレーブを使用することもできるし、重合反応を促進させるためにマイクロウェーブを照射して加熱することもできる。   The heating method is not particularly limited. An autoclave can be used for pressurization and heating, and heating can be performed by irradiating microwaves to accelerate the polymerization reaction.

本発明の被覆工程では、メラミンおよびホルムアルデヒドに代えて、メラミンとホルムアルデヒドとを予め縮合して、メラミンをホルマール化させたもの(メチロール体)を使用してよい。ホルマール化とは、メラミンの芳香環に含まれないN原子をヒドロキシメチル化することである。ホルマール化の程度は、特に制限されるものではなく、通常は1〜6の範囲、好ましくは3〜6の範囲である。トリヒドロキシメチルメラミン、テトラヒドロキシメチルメラミン、ペンタヒドロキシメチルメラミン、ヘキサヒドロキシメチルメラミンを使用することができる。これらは単独で、または複数を混合して使用してよい。化合物の安定性の観点からは、ヘキサヒドロキシメチルメラミンの使用が好ましい。   In the coating step of the present invention, instead of melamine and formaldehyde, melamine and formaldehyde may be previously condensed to form a melamine (formylol). Formalization is the hydroxymethylation of N atoms not contained in the aromatic ring of melamine. The degree of formalization is not particularly limited, and is usually in the range of 1-6, preferably in the range of 3-6. Trihydroxymethyl melamine, tetrahydroxymethyl melamine, pentahydroxymethyl melamine, hexahydroxymethyl melamine can be used. These may be used alone or in combination. From the viewpoint of the stability of the compound, it is preferable to use hexahydroxymethylmelamine.

上記メチロール体と、アルコール、例えばメタノール、エタノール、またはメタノールおよび例えばブタノールの混合物とを反応させたものを、メチロール体に代えて使用してもよい。そのような反応生成物の例としては、ヘキサメトキシメチルメラミン、ヘキサエトキシメチルメラミン、およびヘキサブトキシメチルメラミンなどが挙げられる。これらは単独で、または複数を混合して使用してよい。化合物の安定性の観点からは、ヘキサメトキシメチルメラミンの使用が好ましい。   A product obtained by reacting the methylol body with an alcohol such as methanol, ethanol, or a mixture of methanol and butanol, for example, may be used instead of the methylol body. Examples of such reaction products include hexamethoxymethyl melamine, hexaethoxymethyl melamine, and hexabutoxymethyl melamine. These may be used alone or in combination. From the viewpoint of the stability of the compound, it is preferable to use hexamethoxymethylmelamine.

本発明の、メラミンとホルムアルデヒドとの重合反応、メラミンのメチロール体の重合反応、または前記メチロール体とアルコールとの反応生成物の重合反応において、ラジカル開始剤が使用される。ラジカル開始剤の添加により、重合体はコアに均質に被覆される。   In the present invention, a radical initiator is used in the polymerization reaction of melamine and formaldehyde, the polymerization reaction of the melamine methylol body, or the reaction product of the reaction product of the methylol body and alcohol. With the addition of the radical initiator, the polymer is uniformly coated on the core.

上記ラジカル開始剤は、特に限定されるものではないが、例えば、有機過酸化物、無機過酸化物およびアゾ化合物などが使用される。
有機過酸化物としては、例えば、t−ブチルハイドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、クメンヒドロパーオキサイド、過ギ酸、過酢酸および過安息香酸などが挙げられる。
無機過酸化物としては、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウムおよび過硫酸ナトリウムなどが挙げられる。
アゾ化合物(R-N=N-R)は、熱または光により2個の炭素ラジカルと窒素分子に分解する。アゾ化合物としては、例えば、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、1,1’−アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)(ABCN)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕2塩酸塩、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオナミジン)2塩酸塩(AIBA)、2,2’−アゾビス〔2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオナミジン〕および4,4’−アゾビス(4−シアノ吉草酸)などが挙げられる。
ラジカル開始剤の開始効率および水への溶解性の観点から、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕2塩酸塩、または2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオナミジン)2塩酸塩(AIBA)を使用することが好ましい。
The radical initiator is not particularly limited, and for example, organic peroxides, inorganic peroxides, azo compounds, and the like are used.
Examples of the organic peroxide include t-butyl hydroperoxide, di-t-butyl peroxide, cumene hydroperoxide, performic acid, peracetic acid and perbenzoic acid.
Examples of inorganic peroxides include potassium persulfate, ammonium persulfate, and sodium persulfate.
An azo compound (RN = NR) is decomposed into two carbon radicals and a nitrogen molecule by heat or light. Examples of the azo compound include azobisisobutyronitrile (AIBN), 1,1′-azobis (cyclohexanecarbonitrile) (ABCN), and 2,2′-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile). ), 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane], 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride, 2,2 '-Azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride (AIBA), 2,2'-azobis [2-methyl-N- (2-hydroxyethyl) propionamidine] and 4,4'-azobis (4-cyano Valeric acid).
From the viewpoint of initiation efficiency of the radical initiator and solubility in water, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride, or 2,2′-azobis (2- Preference is given to using methylpropionamidine) dihydrochloride (AIBA).

本発明において、ラジカル開始剤の使用量は、重合が進行すれば特に限定されない。使用するメラミンに対して、通常は0.01〜50質量%、好ましくは0.02〜30質量%の範囲で、ラジカル開始剤を使用する。   In the present invention, the amount of radical initiator used is not particularly limited as long as the polymerization proceeds. The radical initiator is usually used in the range of 0.01 to 50% by mass, preferably 0.02 to 30% by mass, based on the melamine used.

被覆の方法は、コアの表面にメラミン樹脂が被覆される限り、特に限定されない。
コアを、先に記載したように溶媒中で製造する場合、コアは溶媒に分散した状態で得られる。この場合、この分散液に、メラミンおよびホルムアルデヒド、メラミンのメチロール体、または前記メチロール体とアルコールとの反応生成物を加えて撹拌し、ラジカル開始剤を加えて撹拌しながら加熱することにより、或いはこの分散液に、ラジカル開始剤を加えて撹拌し、メラミンおよびホルムアルデヒド、メラミンのメチロール体、または前記メチロール体とアルコールとの反応生成物を加えて撹拌しながら加熱することにより、メラミン樹脂で被覆されたコア(被覆コア)を得ることができる。溶媒に分散した被覆コアは、例えばろ過または遠心分離によって、分離することができる。
The coating method is not particularly limited as long as the melamine resin is coated on the surface of the core.
When the core is produced in a solvent as described above, the core is obtained in a state dispersed in the solvent. In this case, melamine and formaldehyde, a methylol body of melamine, or a reaction product of the methylol body and alcohol is added to the dispersion and stirred, and a radical initiator is added and heated while stirring, or this The dispersion was coated with a melamine resin by adding a radical initiator and stirring, adding melamine and formaldehyde, a melamine methylol body, or a reaction product of the methylol body and alcohol and heating with stirring. A core (coated core) can be obtained. The coated core dispersed in the solvent can be separated, for example, by filtration or centrifugation.

<硬化工程>
硬化工程では、被覆コアを加熱することによりメラミン樹脂が硬化され、硬化された被覆コアが得られる。
<Curing process>
In the curing step, the melamine resin is cured by heating the coated core, and a cured coated core is obtained.

硬化反応を実施する温度は、使用するメラミン、メラミンのメチロール体、および前記メチロール体とアルコールとの反応生成物の種類による。通常は40℃以上200℃以下、好ましくは60℃以上180℃以下、より好ましくは120℃以上180℃以下の温度で、硬化反応を実施することができる。   The temperature at which the curing reaction is carried out depends on the type of melamine used, the methylol body of melamine, and the reaction product of the methylol body and alcohol. Usually, the curing reaction can be carried out at a temperature of 40 to 200 ° C., preferably 60 to 180 ° C., more preferably 120 to 180 ° C.

被覆工程と硬化工程とを同時に実施することもできる。同時に実施することにより、被覆コア同士および硬化された被覆コア同士の癒着がさらに抑制されやすくなる。被覆工程と硬化工程とを同時に行う温度は、好ましくは100℃以上200℃以下、より好ましくは120℃以上180℃以下である。被覆工程と硬化工程とを同時に行う温度が上記範囲内であると、メラミンとホルムアルデヒド、メラミンのメチロール体、または前記メチロール体とアルコールとの反応生成物がコア表面で重合しやすく、メラミン樹脂の硬化が十分に進行しやすい。   The coating process and the curing process can be performed simultaneously. By carrying out at the same time, the adhesion between the coated cores and the cured coated cores can be further suppressed. The temperature at which the coating step and the curing step are performed simultaneously is preferably 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 120 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. When the temperature at which the coating step and the curing step are simultaneously performed is within the above range, the reaction product of melamine and formaldehyde, a melamine methylol body, or the methylol body and alcohol easily polymerizes on the core surface, and the melamine resin is cured. Is easy to progress sufficiently.

硬化工程における加熱の方法は特に限定されない。加圧・加熱の方法としてオートクレーブを用いることもできるし、反応を促進させるために、マイクロウェーブを照射して加熱することもできる。   The heating method in the curing step is not particularly limited. An autoclave can be used as a method of pressurization and heating, and in order to promote the reaction, it can be heated by irradiation with microwaves.

先に記載したように、コアを溶媒中で製造する場合、コアは溶媒に分散した状態で得られ、被覆コアも溶媒に分散した状態で得られる。このような場合、被覆工程に次いでまたは被覆工程と同時に行われる硬化工程は、液相(溶媒中)で行われ、これは、被覆コア同士および硬化された被覆コア同士の癒着を回避する観点から好ましい。硬化された被覆コアは、例えば濾過または遠心分離によって、分離することができる。   As described above, when the core is produced in a solvent, the core is obtained in a state dispersed in the solvent, and the coated core is obtained in a state dispersed in the solvent. In such a case, the curing step performed after or simultaneously with the coating step is performed in a liquid phase (in a solvent) from the viewpoint of avoiding adhesion between the coated cores and the cured coated cores. preferable. The cured coated core can be separated, for example, by filtration or centrifugation.

分離された硬化被覆コアは乾燥してもよく、その方法は特に限定されない。大気圧下または減圧下で乾燥することができる。乾燥の際に加熱することもでき、通常は40℃以上200℃以下、好ましくは60℃以上180℃以下で加熱することができる。硬化された被覆コアを乾燥する際の加熱温度が上記範囲内であると、コアの溶融を伴わずに適当な時間内に硬化された被覆コアを乾燥させやすい。   The separated cured coated core may be dried, and the method is not particularly limited. It can be dried under atmospheric pressure or reduced pressure. It can also heat at the time of drying, Usually, it can heat at 40 to 200 degreeC, Preferably it can heat at 60 to 180 degreeC. When the heating temperature at the time of drying the cured coated core is within the above range, the cured coated core is easily dried within an appropriate time without melting the core.

<熱処理工程>
熱処理工程では、硬化された被覆コアを熱処理することによりコアが熱分解され、中空炭素粒子前駆体が得られる。
<Heat treatment process>
In the heat treatment step, the core is thermally decomposed by heat-treating the cured coated core to obtain a hollow carbon particle precursor.

熱処理温度は、メラミン樹脂の熱分解を抑制しつつ、コアが分解揮発する温度であれば特に限定されない。通常は300℃以上1000℃以下、好ましくは350℃以上900℃以下、より好ましくは400℃以上800℃以下である。熱処理温度が上記範囲内であると、残留を伴わずにコアが分解揮発されやすく、中空域がもたらされやすい。   The heat treatment temperature is not particularly limited as long as the core is decomposed and volatilized while suppressing thermal decomposition of the melamine resin. Usually, it is 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. When the heat treatment temperature is within the above range, the core is easily decomposed and volatilized without remaining, and a hollow region is likely to be produced.

熱処理時間は特に限定されない。通常は1分以上300分以下、好ましくは5分以上270分以下、より好ましくは10分以上240分以下である。熱処理時間が上記範囲内であると、コアが良好に分解揮発されやすく、中空域がもたらされやすい。   The heat treatment time is not particularly limited. Usually, it is 1 minute to 300 minutes, preferably 5 minutes to 270 minutes, more preferably 10 minutes to 240 minutes. When the heat treatment time is within the above range, the core is easily decomposed and volatilized easily, and a hollow region is easily provided.

硬化された被覆コアを熱処理する際の昇温速度は特に限定されない。通常は毎分0.1℃以上200℃以下、好ましくは毎分0.5℃以上180℃以下である。硬化された被覆コアを熱処理する際の昇温速度が上記範囲内であると、コアの熱分解速度が速すぎないために中空炭素粒子前駆体の構造が維持されやすく、コアの溶融および炭化が起こり難いことから炭素純度の低下が回避されやすい。   The rate of temperature increase when heat-treating the cured coated core is not particularly limited. Usually, it is 0.1 ° C. or more and 200 ° C. or less per minute, preferably 0.5 ° C. or more and 180 ° C. or less per minute. If the temperature rising rate when heat-treating the cured coated core is within the above range, the thermal decomposition rate of the core is not too high, so that the structure of the hollow carbon particle precursor is easily maintained, and the core is melted and carbonized. Since it is difficult to occur, a decrease in carbon purity is easily avoided.

熱処理工程の条件、並びに使用するメラミン、メラミンのメチロール体、および前記メチロール体とアルコールとの反応生成物の種類によっては、後に記載する炭化工程の一部が熱処理工程において進行する場合もある。   Depending on the conditions of the heat treatment step and the types of melamine, melamine methylol body, and reaction product of the methylol body and alcohol, a part of the carbonization step described later may proceed in the heat treatment step.

<炭化工程>
炭化工程では、熱処理工程で得られた中空炭素粒子前駆体に炭化処理が施され、中空炭素粒子が得られる。
<Carbonization process>
In the carbonization step, the hollow carbon particle precursor obtained in the heat treatment step is carbonized to obtain hollow carbon particles.

炭化温度は、メラミン樹脂の熱分解を抑制しつつ、中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施すことができる温度であれば特に限定されない。通常は300℃以上1000℃以下、好ましくは350℃以上900℃以下、より好ましくは400℃以上800℃以下である。炭化温度が上記範囲内であると、炭化処理が十分に施されやすく、メラミン樹脂由来窒素分の低下が回避されやすい。   The carbonization temperature is not particularly limited as long as the carbonization temperature can be applied to the hollow carbon particle precursor while suppressing thermal decomposition of the melamine resin. Usually, it is 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. When the carbonization temperature is within the above range, the carbonization treatment is sufficiently performed, and a decrease in the melamine resin-derived nitrogen content is easily avoided.

炭化時間は特に限定されない。通常は1分以上300分以下、好ましくは5分以上270分以下、より好ましくは10分以上240分以下である。炭化時間が上記範囲内であると、炭化処理が十分に施されやすく、メラミン樹脂由来窒素分の過度な低下が回避されやすい。   The carbonization time is not particularly limited. Usually, it is 1 minute to 300 minutes, preferably 5 minutes to 270 minutes, more preferably 10 minutes to 240 minutes. When the carbonization time is within the above range, the carbonization treatment is sufficiently performed, and an excessive decrease in the melamine resin-derived nitrogen content is easily avoided.

炭化処理する際の昇温速度は特に限定されない。通常は毎分0.1℃以上200℃以下、好ましくは毎分0.5℃以上180℃以下である。炭化処理する際の昇温速度が上記範囲内であると、速すぎない炭化速度の故に中空炭素粒子の構造が維持されやすいことから炭化収率の低下が回避されやすい。   The rate of temperature increase during the carbonization treatment is not particularly limited. Usually, it is 0.1 ° C. or more and 200 ° C. or less per minute, preferably 0.5 ° C. or more and 180 ° C. or less per minute. If the rate of temperature increase during the carbonization treatment is within the above range, the structure of the hollow carbon particles is easily maintained because of the carbonization rate that is not too fast, so that a decrease in carbonization yield is easily avoided.

炭化処理は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとして、窒素およびアルゴンなどを使用することができる。経済性および入手性を考慮すると、窒素下で実施することが好ましい。不活性ガス雰囲気下で中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施すことにより、メラミン樹脂の燃焼、酸化および熱分解促進に起因する収率の低下が抑制されやすい。   The carbonization treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere. Nitrogen and argon can be used as the inert gas. In consideration of economy and availability, it is preferable to carry out under nitrogen. By subjecting the hollow carbon particle precursor to carbonization treatment under an inert gas atmosphere, a decrease in yield due to the combustion, oxidation, and thermal decomposition of the melamine resin is easily suppressed.

工程短縮および熱エネルギーの省力化の観点から、熱処理工程と炭化工程とを同時に行うことが好ましい。熱処理工程と炭化工程とを同時に行う温度は、好ましくは300℃以上1000℃以下、より好ましくは350℃以上900℃以下である。熱処理工程と炭化工程とを同時に行う温度が上記範囲内であると、窒素分の熱分解脱離が抑制されて所望の中空炭素粒子が得られやすい。また、先に記載した理由から、熱処理工程と炭化工程とを同時に行う場合は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。   From the viewpoint of shortening the process and saving the heat energy, it is preferable to simultaneously perform the heat treatment process and the carbonization process. The temperature at which the heat treatment step and the carbonization step are simultaneously performed is preferably 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. When the temperature at which the heat treatment step and the carbonization step are simultaneously performed is within the above range, the thermal decomposition and desorption of nitrogen content is suppressed, and desired hollow carbon particles are easily obtained. For the reasons described above, when the heat treatment step and the carbonization step are performed simultaneously, it is preferably performed in an inert gas atmosphere.

中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施すことにより得られた中空炭素粒子は、冷却後に回収することができる。回収された中空炭素粒子は、必要に応じて窒素下で保存することにより、炭素分の酸化を抑制することができ、炭化処理直後の物性を維持することができる。   The hollow carbon particles obtained by subjecting the hollow carbon particle precursor to carbonization can be recovered after cooling. The recovered hollow carbon particles can be stored under nitrogen as necessary, thereby suppressing the oxidation of the carbon content and maintaining the physical properties immediately after the carbonization treatment.

<窒素元素の含有量>
本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子が含有する窒素元素の量は、中空炭素粒子の質量に対して、30質量%より大きく40質量%以下である。中空炭素粒子において、前記窒素元素の量が30質量%未満であると、炭素に由来する物性が支配し、窒素を導入した効果を得ることができず、前記窒素元素の量が40質量%より大きいと、熱安定性が低く形状を維持することができない。前記窒素元素の量は、中空炭素粒子の質量に対して、好ましくは31質量%以上40質量%以下である。中空炭素粒子の出発材料としてメラミン樹脂を使用し、熱処理温度および炭化温度を調整することにより、中空炭素粒子に含まれる窒素元素の量が上記範囲内になりやすくなる。窒素元素の含有量は、使用するメラミン、メラミンのメチロール体、および前記メチロール体とアルコールとの反応生成物の種類、並びに熱処理温度および炭化温度に依存する。中空炭素粒子に含有される窒素元素の量が上記範囲内であると、窒素元素が存在することによりもたらされる効果(例えば炭酸ガスやホルムアルデヒドなどの酸性物質を選択的に吸着するなどの塩基的な効果)が好適に得られやすい。窒素元素の含有量は、先に記載した手順で測定される。
<Content of nitrogen element>
The amount of nitrogen element contained in the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention is greater than 30% by mass and 40% by mass or less with respect to the mass of the hollow carbon particles. In the hollow carbon particles, if the amount of the nitrogen element is less than 30% by mass, the physical properties derived from carbon dominate, and the effect of introducing nitrogen cannot be obtained, and the amount of the nitrogen element is more than 40% by mass. If it is large, the thermal stability is low and the shape cannot be maintained. The amount of the nitrogen element is preferably 31% by mass or more and 40% by mass or less with respect to the mass of the hollow carbon particles. By using a melamine resin as a starting material for the hollow carbon particles and adjusting the heat treatment temperature and the carbonization temperature, the amount of nitrogen element contained in the hollow carbon particles easily falls within the above range. The content of the nitrogen element depends on the melamine used, the methylol body of melamine, the kind of reaction product of the methylol body and alcohol, the heat treatment temperature and the carbonization temperature. When the amount of elemental nitrogen contained in the hollow carbon particles is within the above range, the effect produced by the presence of elemental nitrogen (for example, basic adsorption such as selective adsorption of acidic substances such as carbon dioxide and formaldehyde) Effect) is easily obtained. The content of elemental nitrogen is measured by the procedure described above.

<空隙>
本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子は、内部に1つの空隙を有する。
本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子の空隙の平均直径は、コアの平均直径、および中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みにより調整することができ、好ましくは50nm以上200nm以下、より好ましくは60nm以上180nm以下である。中空炭素粒子の空隙の平均直径が上記範囲内であると、中空炭素粒子内部の空隙が好適に利用されて良好な表面積増大がもたらされやすい。空隙の平均直径は、先に記載した手順で測定される。
<Gap>
The hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention have one void inside.
The average diameter of the voids of the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention can be adjusted by the average diameter of the core and the average thickness of the carbon wall forming the hollow carbon particles, preferably 50 nm or more and 200 nm or less, more Preferably they are 60 nm or more and 180 nm or less. When the average diameter of the voids of the hollow carbon particles is within the above range, the voids inside the hollow carbon particles are preferably used and a good increase in surface area is likely to occur. The average diameter of the voids is measured by the procedure described above.

本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子の空隙率は、中空炭素粒子の体積に対して、好ましくは1%以上90%以下、より好ましくは5%以上90%以下、さらに好ましくは10%以上85%以下である。中空炭素粒子の空隙率が上記範囲内であると、中空域の好適な利用がもたらされやすく、良好な機械強度が得られやすい。   The porosity of the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention is preferably 1% or more and 90% or less, more preferably 5% or more and 90% or less, and still more preferably 10% or more with respect to the volume of the hollow carbon particles. 85% or less. When the porosity of the hollow carbon particles is within the above range, it is easy to provide a suitable utilization of the hollow region, and it is easy to obtain good mechanical strength.

本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子の空隙の形状は特に限定されない。空隙の形状が球形であると、機械強度が維持されやすく、中空域に第三成分を注入する際に偏在が起こりにくいなどの観点から好ましい。   The shape of the voids of the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention is not particularly limited. It is preferable from the viewpoint that the mechanical strength is easily maintained and the uneven distribution is less likely to occur when the third component is injected into the hollow region, when the shape of the void is spherical.

<炭素壁の平均厚み>
本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みは、コアに対するメラミン樹脂の量で制御することができ、好ましくは1nm以上200nm以下、より好ましくは10nm以上100nm以下である。炭素壁の平均厚みが上記範囲内であると、中空炭素粒子の好ましい機械強度が得られて中空を維持しやすく、メラミンを過剰に使用しないことから粒子同士の癒着が防止されやすい。炭素壁の平均厚みは、先に記載した手順で測定される。
<Average thickness of carbon wall>
The average thickness of the carbon wall forming the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention can be controlled by the amount of the melamine resin relative to the core, and is preferably 1 nm to 200 nm, more preferably 10 nm to 100 nm. . When the average thickness of the carbon wall is within the above range, the preferred mechanical strength of the hollow carbon particles can be obtained, the hollowness can be easily maintained, and melamine is not used excessively, so that adhesion between the particles is easily prevented. The average thickness of the carbon wall is measured by the procedure described above.

<平均粒子径>
本発明の製造方法により得られる中空炭素粒子の平均粒子径は、好ましくは52nm以上500nm以下であり、より好ましくは60nm以上400nm以下である。中空炭素粒子の平均粒子径が上記範囲内であると、中空炭素粒子が良好な機械強度を有しやすく、中空を維持しやすく、中空域が好適に利用されて良好な表面積増大がもたらされやすい。平均粒子径は、例えば、先に記載した手順で測定される。
<Average particle size>
The average particle diameter of the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention is preferably 52 nm or more and 500 nm or less, and more preferably 60 nm or more and 400 nm or less. If the average particle diameter of the hollow carbon particles is within the above range, the hollow carbon particles are likely to have good mechanical strength, easily maintain the hollow, and the hollow region is suitably used to provide a good surface area increase. Cheap. The average particle size is measured by, for example, the procedure described above.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はかかる実施例により何ら限定されるものではない。なお、それぞれの実施例および比較例で得られた中空炭素粒子の特性は、以下のようにして評価した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by this Example. The characteristics of the hollow carbon particles obtained in the respective examples and comparative examples were evaluated as follows.

コアの平均直径:
電子顕微鏡(キーエンス社製)により得たコアの観察図を用いて、コア10個の直径を計測し、その平均値を、コアの平均直径とした。
Average diameter of the core:
Using the observation drawing of the core obtained with an electron microscope (manufactured by Keyence Corporation), the diameter of 10 cores was measured, and the average value was taken as the average diameter of the core.

窒素元素の含有量:
酸素・窒素・水素分析装置(堀場製作所製EMGA-930)を用いて測定した。
Elemental nitrogen content:
Measurement was performed using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer (EMGA-930 manufactured by Horiba, Ltd.).

空隙の平均直径:
透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM3200-FS)により中空炭素粒子の観察図を得、中空炭素粒子10個の空隙の直径を計測し、その平均値を算出することにより求めた。
Average diameter of voids:
The observation figure of the hollow carbon particles was obtained with a transmission electron microscope (JEM3200-FS, manufactured by JEOL Ltd.), the diameter of 10 voids of the hollow carbon particles was measured, and the average value was calculated.

炭素壁の平均厚み:
透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM3200-FS)により中空炭素粒子の観察図を得、中空炭素粒子10個の炭素壁の厚みを計測し、その平均値を算出することにより求めた。
Average thickness of carbon wall:
The observation figure of the hollow carbon particles was obtained with a transmission electron microscope (JEM3200-FS manufactured by JEOL Ltd.), the thickness of the carbon wall of 10 hollow carbon particles was measured, and the average value was calculated.

中空炭素粒子の平均粒子径:
透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM3200-FS)により得た中空炭素粒子の観察図を用いて、中空炭素粒子10個の粒子径を計測し、その平均値を中空炭素粒子の平均粒子径とした。
Average particle size of hollow carbon particles:
Using the observation drawing of hollow carbon particles obtained by a transmission electron microscope (JEM3200-FS manufactured by JEOL Ltd.), the particle diameter of 10 hollow carbon particles was measured, and the average value was calculated as the average particle diameter of the hollow carbon particles. did.

空隙率:
空隙率は、下記式:

Figure 2018150197
から算出した。 Porosity:
The porosity is given by the following formula:
Figure 2018150197
Calculated from

実施例1
1L容の3ツ口フラスコに、撹拌機、還流管および温度計を接続し、イオン交換水600mLを導入した。イオン交換水にスチレン2gおよびアゾビスイソブチロニトリル0.01gを添加し、窒素を流通しながら、得られた系を70℃に加熱した。400rpmの回転数を維持しながら、70℃で24時間、系を撹拌した。反応液を室温に冷却し、得られた分散液をカバーガラスに滴下し、乾燥した後、電子顕微鏡を用いて観察した。電子顕微鏡観察図を図1に示す。この観察図において、10個のコアの直径を計測し、その平均値を求めたところ81.6nmであった。得られたコア分散液のゼータ電位を、ゼータサイザーナノZSP(Malvern社製)を用いて測定したところ、46.0mVであった。
このコア分散液に、ヘキサメトキシメチルメラミン1.0gを添加し、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオナミジン)2塩酸塩0.225gを添加した。得られた混合液を撹拌しつつ、マイクロウェーブを照射しながら、60℃で30分間反応を行った。
反応液を冷却した後、遠心分離機を用いて、硬化された被覆コアを分取した。この硬化された被覆コアを、100℃および13Paで4時間乾燥した後、高速炉(モトヤマ製)において窒素下550℃で2時間、熱処理および炭化処理した。室温まで冷却し、0.46gの中空炭素粒子を得た。得られた中空炭素粒子の電子顕微鏡観察図を図2に、透過顕微鏡観察図を図3に示す。また、元素分析の結果を表1に示す。
Example 1
A stirrer, a reflux tube and a thermometer were connected to a 1 L three-necked flask, and 600 mL of ion-exchanged water was introduced. 2 g of styrene and 0.01 g of azobisisobutyronitrile were added to ion-exchanged water, and the resulting system was heated to 70 ° C. while flowing nitrogen. The system was agitated at 70 ° C. for 24 hours while maintaining a rotation speed of 400 rpm. The reaction solution was cooled to room temperature, and the obtained dispersion was dropped onto a cover glass, dried, and then observed using an electron microscope. An electron microscope observation diagram is shown in FIG. In this observation figure, the diameter of 10 cores was measured, and the average value thereof was 81.6 nm. The zeta potential of the obtained core dispersion was measured using Zeta Sizer Nano ZSP (manufactured by Malvern) and found to be 46.0 mV.
To this core dispersion, 1.0 g of hexamethoxymethylmelamine was added, and 0.225 g of 2,2′-azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride was added. The resulting mixture was stirred and reacted at 60 ° C. for 30 minutes while being irradiated with microwaves.
After cooling the reaction solution, the hardened coated core was separated using a centrifuge. The cured coated core was dried at 100 ° C. and 13 Pa for 4 hours, and then heat-treated and carbonized in a fast reactor (manufactured by Motoyama) at 550 ° C. for 2 hours under nitrogen. The mixture was cooled to room temperature to obtain 0.46 g of hollow carbon particles. The electron microscope observation figure of the obtained hollow carbon particle is shown in FIG. 2, and the transmission microscope observation figure is shown in FIG. Table 1 shows the results of elemental analysis.

実施例2
実施例1で得られたコア分散液に、ヘキサメトキシメチルメラミン2.0gを添加し、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオナミジン)2塩酸塩0.225gを添加した。得られた混合液を撹拌しつつ、マイクロウェーブを照射しながら、60℃で30分間反応を行った。
反応液を冷却した後、遠心分離機を用いて、硬化された被覆コアを分取した。この硬化された被覆コアを、100℃および13Paで4時間乾燥した後、高速炉(モトヤマ製)において窒素下550℃で2時間、熱処理および炭化処理した。室温まで冷却し、0.90gの中空炭素粒子を得た。また、元素分析の結果を表1に示す。
Example 2
To the core dispersion obtained in Example 1, 2.0 g of hexamethoxymethylmelamine was added, and 0.225 g of 2,2′-azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride was added. The resulting mixture was stirred and reacted at 60 ° C. for 30 minutes while being irradiated with microwaves.
After cooling the reaction solution, the hardened coated core was separated using a centrifuge. The cured coated core was dried at 100 ° C. and 13 Pa for 4 hours, and then heat-treated and carbonized in a fast reactor (manufactured by Motoyama) at 550 ° C. for 2 hours under nitrogen. After cooling to room temperature, 0.90 g of hollow carbon particles were obtained. Table 1 shows the results of elemental analysis.

比較例1
実施例1で得られたコア分散液に、ヘキサメトキシメチルメラミン1.0gを添加し、マイクロウェーブを照射しながら、60℃で30分間反応を行った。
反応液を冷却した後、遠心分離機を用いて、生成物を分取した。この生成物を、100℃および13Paで4時間乾燥した後、高速炉(モトヤマ製)において窒素下550℃で2時間、熱処理および炭化処理し、室温まで冷却した。生成物の電子顕微鏡観察図を図4に示す。粒子同士が癒着し、単独粒子として存在していないことがわかる。また、明確な中空域を観察することもできなかった。
Comparative Example 1
To the core dispersion obtained in Example 1, 1.0 g of hexamethoxymethylmelamine was added, and the reaction was performed at 60 ° C. for 30 minutes while irradiating with microwaves.
After cooling the reaction solution, the product was collected using a centrifuge. The product was dried at 100 ° C. and 13 Pa for 4 hours, then heat-treated and carbonized at 550 ° C. for 2 hours in a fast reactor (manufactured by Motoyama) and cooled to room temperature. The electron microscope observation figure of a product is shown in FIG. It can be seen that the particles adhere to each other and do not exist as single particles. In addition, a clear hollow region could not be observed.

比較例2
1L容の3ツ口フラスコに、撹拌機、還流管および温度計を接続し、イオン交換水600mLを導入した。イオン交換水にスチレン2gおよび過硫酸カリウム0.03gを添加し、窒素を流通しながら、得られた系を70℃に加熱した。400rpmの回転数を維持しながら、70℃で24時間、系を撹拌した。反応液を室温に冷却し、得られた分散液をカバーガラスに滴下し、乾燥した後、電子顕微鏡を用いて観察した。得られた観察図において、10個のコアの直径を計測し、その平均値を求めたところ81.6nmであった。得られたコア分散液のゼータ電位を、ゼータサイザーナノZSP(Malvern社製)を用いて測定したところ、−50.4mVであった。
このコア分散液に、3−アミノフェノール2gを添加し、17%アンモニア水溶液2mLおよびエタノール100gを添加した。得られた混合液を撹拌しながらホルムアルデヒド30%溶液1.88g(3−アミノフェノール等モル量)を添加し、マイクロウェーブを照射しながら、150℃で30分間反応を行った。
反応液を冷却した後、遠心分離機を用いて、硬化された被覆コアを分取した。この硬化された被覆コアを、100℃および13Paで4時間乾燥した後、高速炉(モトヤマ製)において窒素下550℃で2時間、熱処理および炭化処理した。室温まで冷却し、1.22gの中空炭素粒子を得た。得られた中空炭素粒子の窒素元素の含有量は、15.97質量%であった。
Comparative Example 2
A stirrer, a reflux tube and a thermometer were connected to a 1 L three-necked flask, and 600 mL of ion-exchanged water was introduced. 2 g of styrene and 0.03 g of potassium persulfate were added to ion-exchanged water, and the resulting system was heated to 70 ° C. while flowing nitrogen. The system was agitated at 70 ° C. for 24 hours while maintaining a rotation speed of 400 rpm. The reaction solution was cooled to room temperature, and the obtained dispersion was dropped onto a cover glass, dried, and then observed using an electron microscope. In the obtained observation drawing, the diameter of 10 cores was measured, and the average value thereof was 81.6 nm. When the zeta potential of the obtained core dispersion was measured using Zeta Sizer Nano ZSP (manufactured by Malvern), it was -50.4 mV.
To this core dispersion, 2 g of 3-aminophenol was added, and 2 mL of a 17% aqueous ammonia solution and 100 g of ethanol were added. While stirring the resulting mixed solution, 1.88 g of a 30% formaldehyde solution (an equimolar amount of 3-aminophenol) was added, and the mixture was reacted at 150 ° C. for 30 minutes while being irradiated with microwaves.
After cooling the reaction solution, the hardened coated core was separated using a centrifuge. The cured coated core was dried at 100 ° C. and 13 Pa for 4 hours, and then heat-treated and carbonized in a fast reactor (manufactured by Motoyama) at 550 ° C. for 2 hours under nitrogen. The mixture was cooled to room temperature to obtain 1.22 g of hollow carbon particles. The content of nitrogen element in the obtained hollow carbon particles was 15.97% by mass.

Figure 2018150197
Figure 2018150197

本発明により、高比表面積および低密度といった利点を有し、窒素元素を含んでなる中空炭素粒子、および効率的かつ安全な中空炭素粒子の製造方法を提供することができる。本発明の中空炭素粒子は、電池材料、触媒担持体、および窒素または二酸化炭素などの気体を分離するための吸着材などに極めて有用に使用することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a hollow carbon particle containing nitrogen element and an efficient and safe method for producing a hollow carbon particle, which have advantages such as a high specific surface area and a low density. The hollow carbon particles of the present invention can be extremely usefully used for battery materials, catalyst carriers, and adsorbents for separating gases such as nitrogen or carbon dioxide.

Claims (7)

内部に1つの空隙を有する中空炭素粒子であって、窒素元素の含有量が中空炭素粒子の質量に対して30質量%より大きく40質量%以下である、中空炭素粒子。   Hollow carbon particles having one void inside, wherein the content of nitrogen element is greater than 30% by mass and equal to or less than 40% by mass with respect to the mass of the hollow carbon particles. 上記空隙の平均直径は50nm以上200nm以下であり、中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みは1nm以上200nm以下である、請求項1に記載の中空炭素粒子。   The hollow carbon particles according to claim 1, wherein an average diameter of the voids is 50 nm or more and 200 nm or less, and an average thickness of carbon walls forming the hollow carbon particles is 1 nm or more and 200 nm or less. 樹脂組成物からなるコアの表面をメラミン樹脂で被覆し、被覆コアを得る被覆工程、
被覆コアを加熱してメラミン樹脂を硬化し、硬化された被覆コアを得る硬化工程、
硬化された被覆コアを熱処理してコアを熱分解し、中空炭素粒子前駆体を得る熱処理工程、および
中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施す炭化工程
を含む、請求項1または2に記載の中空炭素粒子の製造方法。
A coating step of coating the surface of the core made of the resin composition with a melamine resin to obtain a coated core;
A curing step of heating the coated core to cure the melamine resin to obtain a cured coated core;
The hollow according to claim 1, comprising a heat treatment step of heat-treating the cured coated core to thermally decompose the core to obtain a hollow carbon particle precursor, and a carbonization step of subjecting the hollow carbon particle precursor to carbonization. A method for producing carbon particles.
上記樹脂組成物はポリスチレンを含んでなる、請求項3に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein the resin composition comprises polystyrene. 上記硬化工程を液相で行う、請求項3または4に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 3 or 4 which performs the said hardening process by a liquid phase. 上記熱処理工程と上記炭化工程とを同時に行う、請求項3〜5のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 3-5 which performs the said heat processing process and the said carbonization process simultaneously. 上記熱処理工程および/または上記炭化処理を、300℃以上1000℃以下の温度で不活性ガス雰囲気下に行う、請求項3〜6のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein the heat treatment step and / or the carbonization treatment is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
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