JP5245570B2 - Carbon porous body and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、高強度で且つ寸法安定性の高い軽量な炭素多孔体、及び当該炭素多孔体を極めて容易に製造することができる方法に関する。   The present invention relates to a lightweight carbon porous body having high strength and high dimensional stability, and a method capable of producing the carbon porous body very easily.

特許文献1〜3には、耐熱性発泡体としてのポリイミド発泡体、及びその製造方法が記載されている。また、特許文献4には、予め発泡されたポリイミド樹脂塊を粉砕し、これを耐熱性バインダーと混合し、この混合物を所定の型枠に投入後、所定の密度まで加圧、焼成してなる発泡ポリイミド成形体について開示されている。ここで具体的に用いられたバインダーは、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸の溶液であった。
ポリイミド発泡体の製造方法として、このような耐熱性バインダーと混合する方法では、発泡体チップとバインダー溶液とを均一に混合することが容易ではなく、またバインダー溶液の溶媒を除去する必要があるため加工成形性において改良の余地があった。
Patent Documents 1 to 3 describe a polyimide foam as a heat-resistant foam and a method for producing the same. In Patent Document 4, a previously foamed polyimide resin mass is pulverized, mixed with a heat-resistant binder, and the mixture is put into a predetermined mold, and then pressed and fired to a predetermined density. A foamed polyimide molded body is disclosed. The binder specifically used here was a solution of polyamic acid which is a polyimide precursor.
As a method for producing a polyimide foam, such a method of mixing with a heat-resistant binder is not easy to uniformly mix the foam chip and the binder solution, and the solvent of the binder solution needs to be removed. There was room for improvement in workability.

一方、炭素多孔体を製造する方法として、メラミン、ウレタン、フェノールなどの樹脂発泡体を焼成する方法が知られていたが、これらの方法では、一般に樹脂発泡体においてはそれを焼成した際の炭化収率が低いために、焼成することにより、出発物質である樹脂発泡体が極めて大きな容積収縮を起こしてしまい、強度を出すことができないという欠点があった。
このため、樹脂発泡体をそのまま焼成する上記従来方法の欠点を改良することを目的とし、ウレタンフォームなどの樹脂発泡体に熱硬化性樹脂(フラン樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂など)を含浸させ、この熱硬化性樹脂の含浸した樹脂発泡体を焼成することからなる炭素多孔体の製造方法が提案されている(特許文献5〜7参照)。
これらの方法では、元の樹脂発泡体の形状を保った炭素多孔体にはなるが、炭化までの加熱中に発泡体の収縮、熱硬化性樹脂の炭化の収縮等で、寸法変化を小さくする効果は十分ではない。更に、樹脂発泡体に樹脂溶液を適量、均一に含浸する方法が記載されておらず、密度の均一なものを製造することが困難である。
On the other hand, as a method for producing a carbon porous body, there has been known a method of firing a resin foam such as melamine, urethane, phenol, etc. In these methods, in general, a resin foam is carbonized when it is fired. Since the yield is low, the resin foam, which is the starting material, undergoes a very large volume shrinkage due to firing, and there is a drawback that the strength cannot be obtained.
For this reason, in order to improve the drawbacks of the above conventional method of firing the resin foam as it is, a resin foam such as urethane foam is impregnated with a thermosetting resin (furan resin, phenol resin, imide resin, etc.) There has been proposed a method for producing a porous carbon body by firing a resin foam impregnated with this thermosetting resin (see Patent Documents 5 to 7).
These methods result in a porous carbon body that retains the shape of the original resin foam, but the dimensional change is reduced due to shrinkage of the foam and the shrinkage of carbonization of the thermosetting resin during heating up to carbonization. The effect is not enough. Furthermore, a method for uniformly impregnating a resin foam with an appropriate amount of a resin solution is not described, and it is difficult to produce a resin having a uniform density.

米国特許第4241193号公報U.S. Pat. No. 4,241,193 特開平4−211440号公報JP-A-4-21440 特開2002−12688号公報JP 2002-12688 A 特開2004−323715号公報JP 2004-323715 A 特公昭53−7538号公報Japanese Patent Publication No.53-7538 特許第3237003号公報Japanese Patent No. 3233703 特開2005−41748号公報JP 2005-41748 A

本発明の目的は、高強度で且つ寸法安定性の高い軽量な炭素多孔体、及び当該炭素多孔体を極めて容易に製造することができる方法を提供することにある。
本発明者らは、種々検討した結果、実質的に芳香族ポリイミドによって形成された密度が100〜1000kg/m3 程度の高密度の発泡体、特に、実質的に芳香族ポリイミドによって形成された発泡体チップを、バインダーを用いることなしに加圧成形及び加熱処理することによって得られる密度が100〜1000kg/m3 程度の軽量ポリイミド成形体を、炭化することにより、上記目的を達成する炭素多孔体が簡便に製造できることをを見出し、この発明に到達した。
An object of the present invention is to provide a lightweight carbon porous body having high strength and high dimensional stability, and a method capable of producing the carbon porous body very easily.
As a result of various studies, the inventors have made a high-density foam having a density of about 100 to 1000 kg / m 3 substantially formed of an aromatic polyimide, in particular, a foam formed substantially of an aromatic polyimide. A porous carbon body that achieves the above object by carbonizing a lightweight polyimide molded body having a density of about 100 to 1000 kg / m 3 obtained by pressure molding and heat treatment of the body chip without using a binder. Has been found to be easy to produce, and has reached the present invention.

下の項1〜5は、本発明の製造方法によって製造される炭素多孔体に関する記載であるなお以下の説明においては便宜上、本発明の製造方法によって製造された炭素多孔体のことを、本発明の炭素多孔体とも言う。
1.密度が100〜1000kg/m3である芳香族ポリイミドの発泡体を、不活性ガス雰囲気下又は真空中で600℃以上の温度で炭化して得られる、高強度で且つ寸法安定性の高い軽量な炭素多孔体。
2.芳香族ポリイミドの発泡体によって形成された軽量ポリイミド成形体を、不活性ガス雰囲気下又は真空中で600℃以上の温度で炭化して得られる、高強度で且つ寸法安定性の高い軽量な炭素多孔体。
The following section 5 is described for the carbon porous body manufactured by the manufacturing method of the present invention. In the following description, the carbon porous body produced by the production method of the present invention is also referred to as the carbon porous body of the present invention for convenience.
1. A lightweight, high-strength and high dimensional stability product obtained by carbonizing an aromatic polyimide foam having a density of 100 to 1000 kg / m 3 at a temperature of 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere or in a vacuum. Carbon porous body.
2. A lightweight carbon porous body with high strength and high dimensional stability, obtained by carbonizing a lightweight polyimide molded body formed of an aromatic polyimide foam in an inert gas atmosphere or in a vacuum at a temperature of 600 ° C. or higher. body.

3.軽量ポリイミド成形体が、芳香族ポリイミドによって形成された発泡体チップを、バインダーを用いることなしに、加圧成形及び加熱処理して得られたものである項2に記載の炭素多孔体。
4.軽量ポリイミド成形体が、芳香族ポリイミドによって形成された発泡体を圧縮して得られたものである項2に記載の炭素多孔体。
3. Item 3. The porous carbon body according to Item 2, wherein the lightweight polyimide molded body is obtained by subjecting a foam chip formed of aromatic polyimide to pressure molding and heat treatment without using a binder.
4). Item 3. The porous carbon body according to item 2, wherein the lightweight polyimide molded body is obtained by compressing a foam formed of an aromatic polyimide.

5.軽量ポリイミド成形体を、不活性ガス雰囲気下又は真空中で800℃以上の温度で炭化して得られる、重量保持率が55%以上、寸法保持率が75%以上である項2〜4の何れかに記載の炭素多孔体。   5. Item 2-4, wherein the weight retention is 55% or more and the dimensional retention is 75% or more obtained by carbonizing a lightweight polyimide molded body in an inert gas atmosphere or in a vacuum at a temperature of 800 ° C. or higher. The carbon porous body according to crab.

6.芳香族ポリイミドが、テトラカルボン酸成分の主成分がビフェニルテトラカルボン酸類及び/又はベンゾフェノンテトラカルボン酸類からなり、ジアミン成分の主成分がp−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4' −ジアミノジフェニルスルホン、及び2,6−ジアミノピリジンからなる群から選択された少なくとも一つの芳香族ジアミンからなる芳香族ポリイミドである項1〜5の何れかに記載の炭素多孔体。   6). Aromatic polyimide, the main component of tetracarboxylic acid component is biphenyltetracarboxylic acid and / or benzophenone tetracarboxylic acid, the main component of diamine component is p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenyl ether Aromatics comprising at least one aromatic diamine selected from the group consisting of 3,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenyl sulfone, and 2,6-diaminopyridine Item 6. The porous carbon body according to any one of Items 1 to 5, which is a polyimide.

7.軽量ポリイミド成形体の密度が、100〜1000kg/m3 である項2〜6の何れかに記載の炭素多孔体。
8.発泡体チップの最大径が50mm以下である項3に記載の炭素多孔体。
7. Item 7. The porous carbon body according to any one of Items 2 to 6, wherein the lightweight polyimide molded body has a density of 100 to 1000 kg / m 3 .
8). Item 4. The porous carbon body according to Item 3, wherein the maximum diameter of the foam chip is 50 mm or less.

以下の項9は、本発明の製造方法に関する記載である。
9.芳香族ポリイミドによって形成された発泡体を用いて軽量ポリイミド成形体を得る工程と、該軽量ポリイミド成形体を、不活性ガス雰囲気下又は真空中で600℃以上の温度で炭化させる炭化工程とを含む炭素多孔体の製造方法であって、
軽量ポリイミド成形体を得る工程が、芳香族ポリイミドによって形成された発泡体チップを金型内に入れて100℃以下の温度で加圧成形して加圧成形体を得る工程と、該加圧成形体を目的形状の金型内に入れて250〜500℃の温度で加熱処理する工程からなる炭素多孔体の製造方法
Item 9 below is a description relating to the production method of the present invention.
9. A step of obtaining a lightweight polyimide molded body using a foam formed of aromatic polyimide, and a carbonization step of carbonizing the lightweight polyimide molded body at a temperature of 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere or in a vacuum. a method of manufacturing a non-carbon porous body,
The step of obtaining a lightweight polyimide molded body includes a step of obtaining a pressure molded body by placing a foam chip formed of an aromatic polyimide in a mold and performing pressure molding at a temperature of 100 ° C. or less, and the pressure molding. A method for producing a porous carbon body comprising a step of placing a body in a mold having a target shape and heat-treating the body at a temperature of 250 to 500 ° C.

本発明の炭素多孔体は、炭化時の寸法変化が少なく、寸法安定性の高いのものであり、且つ高強度であり、軽量で連続気孔を有するものである。
本発明によれば、炭化工程において、寸法変化が少ない上に3次元的に形状を保ったまま炭化できるので、設計どおりの形状の炭素製品を容易に提供することができる。加工性の悪い炭素材料を切削などの加工をしないで、炭素成形品が得られるため、品質の向上、製造コストの低減、多品種少量生産の実現など、その効果は多大である。
特に、軽量ポリイミド成形体は密度の調整が容易であり、炭化工程での密度の変化も小さいため、本発明の炭素多孔体の密度の調整が容易である。例えば、炭素多孔体の密度を高くすれば、機械的強度が高くなり、炭素多孔体の密度を低くすれば、ガスや液の透過性が良くなるというように、用途に応じた特性を持つ炭素多孔体が得られる。
The porous carbon body of the present invention has little dimensional change during carbonization, has high dimensional stability, has high strength, is lightweight, and has continuous pores.
According to the present invention, since carbonization can be performed while maintaining a three-dimensional shape in a carbonization process with little dimensional change, a carbon product having a shape as designed can be easily provided. Since a carbon molded product can be obtained without processing such as cutting a carbon material having poor workability, the effects are great, such as improvement in quality, reduction in manufacturing cost, realization of high-mix low-volume production.
In particular, since the density of the lightweight polyimide molded body is easy to adjust and the change in density in the carbonization process is small, the density of the carbon porous body of the present invention can be easily adjusted. For example, if the density of the carbon porous body is increased, the mechanical strength is increased, and if the density of the carbon porous body is decreased, the permeability of gas and liquid is improved. A porous body is obtained.

本発明において「軽量ポリイミド成形体」は、例えばポリイミド粉末を加熱圧縮して得られるような緻密なポリイミド成形体と区別する目的で用いた用語である。「軽量ポリイミド成形体」は、原料の発泡体チップよりも気泡(気孔)空間の割合が小さくなって高密度化しているが、成形体中に発泡体チップの気泡に起因した空間を有しており、前記のような緻密なポリイミド成形体よりも軽量なポリイミド成形体である。   In the present invention, the “lightweight polyimide molded body” is a term used for the purpose of distinguishing from a dense polyimide molded body obtained by, for example, heating and compressing polyimide powder. “Lightweight polyimide molded body” has a higher density due to a smaller proportion of bubble (pore) space than the foam chip of the raw material, but the molded body has a space due to bubbles in the foam chip. The polyimide molded body is lighter than the dense polyimide molded body as described above.

本発明において発泡体を形成する芳香族ポリイミドとしては、テトラカルボン酸成分が芳香族テトラカルボン酸類、ジアミン成分が芳香族ジアミンからなり、ガラス転移温度が250℃以上、好ましくは300℃以上、より好ましくは330℃以上、特に好ましくは350℃以上の芳香族ポリイミドが好ましい。ガラス転移温度が低いポリイミドによって形成された発泡体を用いると、加熱処理時に発泡体の気泡(気孔)構造が容易に軟化して不均一な変形が生じるために、得られる軽量ポリイミド成形体は密度が不均一になり、形状も歪んだものになるので好ましくない。
したがって、本発明において発泡体を形成する芳香族ポリイミドは、芳香族テトラカルボン酸類と芳香族ジアミンとで構成されて前記ガラス転移温度を有するものである。芳香族テトラカルボン酸類と芳香族ジアミン以外の少量成分を、例えば発泡成形時の可塑性を改良する目的で用いても構わない。得られるポリイミドのガラス転移温度が前記値以下にならないようにすることが重要である。前記少量成分を用いる場合には、テトラカルボン酸成分及びジアミン成分中、それぞれ独立に、10モル%程度以下、好ましくは5モル%以下、より好ましくは2モル%以下である。
In the present invention, the aromatic polyimide forming the foam is composed of an aromatic tetracarboxylic acid as a tetracarboxylic acid component and an aromatic diamine as a diamine component, and has a glass transition temperature of 250 ° C. or higher, preferably 300 ° C. or higher, more preferably. Is preferably an aromatic polyimide having a temperature of 330 ° C. or higher, particularly preferably 350 ° C. or higher. When a foam formed of polyimide with a low glass transition temperature is used, the foam (pore) structure of the foam is easily softened during heat treatment, resulting in uneven deformation. Is not preferable and the shape is distorted.
Therefore, the aromatic polyimide forming the foam in the present invention is composed of aromatic tetracarboxylic acids and aromatic diamines and has the glass transition temperature. Minor components other than aromatic tetracarboxylic acids and aromatic diamines may be used for the purpose of improving plasticity during foam molding, for example. It is important that the glass transition temperature of the resulting polyimide does not fall below the above value. When using the said small amount component, it is about 10 mol% or less each independently in a tetracarboxylic-acid component and a diamine component, Preferably it is 5 mol% or less, More preferably, it is 2 mol% or less.

テトラカルボン酸成分としては、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸類、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸類、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸類などのビフェニルテトラカルボン酸類、ピロメリット酸類、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸類などのベンゾフェノンテトラカルボン酸類、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸類、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸類、1,2,4,5−ナフタレンテトラカルボン酸類、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸類などのナフタレンテトラカルボン酸類、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル類などのビス(ジカルボキシフェニル)エーテル類、2,2−ビス(2,5−ジカルボキシフェニル)プロパン類などのビス(ジカルボキシフェニル)プロパン類、1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン類などのビス
(ジカルボキシフェニル)エタン類、1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン類などのビス(ジカルボキシフェニル)スルホン類などの芳香族テトラカルボン酸類を単独又は混合して好適に用いることができる。これらの中でもビフェニルテトラカルボン酸類及び/又はベンゾフェノンテトラカルボン酸類、特にビフェニルテトラカルボン酸類が、発泡体を容易に得ることができ且つガラス転移温度が高いので、テトラカルボン酸成分の主成分(50モル%以上、好ましくは80モル%以上)として用いるのが好適である。
Examples of the tetracarboxylic acid component include 2,3,3 ′, 4′-biphenyltetracarboxylic acid, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic acid Biphenyl tetracarboxylic acids such as acids, pyromellitic acids, benzophenone tetracarboxylic acids such as 3,3 ′, 4,4′-benzophenone tetracarboxylic acids, 2,3,6,7-naphthalene tetracarboxylic acids, 1,2, Naphthalene tetracarboxylic acids such as 5,6-naphthalene tetracarboxylic acids, 1,2,4,5-naphthalene tetracarboxylic acids, 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic acids, bis (3,4-dicarboxyphenyl) ) Bis (dicarboxyphenyl) ethers such as ethers, 2,2-bis (2,5-dicarboxyphenyl) Bis (dicarboxyphenyl) propanes such as propane, bis (dicarboxyphenyl) ethanes such as 1,1-bis (2,3-dicarboxyphenyl) ethane, 1,1-bis (3,4- Aromatic tetracarboxylic acids such as bis (dicarboxyphenyl) sulfones such as dicarboxyphenyl) sulfones can be suitably used alone or in combination. Among these, biphenyltetracarboxylic acids and / or benzophenonetetracarboxylic acids, particularly biphenyltetracarboxylic acids, can easily obtain a foam and have a high glass transition temperature. Therefore, the main component of the tetracarboxylic acid component (50 mol%) Or more, preferably 80 mol% or more).

ここでテトラカルボン酸類とは、テトラカルボン酸、そのエステル化物、その無水化物などのポリイミドを形成し得るテトラカルボン酸及びその誘導体を意味する。
成形性などを考慮して用いられる少量成分としては、1,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン類などのビス(ジカルボキシフェニル)テトラメチルジシロキサン類や、シクロペンタンテトラカルボン酸類、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸、3−メチル−4−シクロヘキセン−1,2,4,5−テトラカルボン酸などのシクロヘキサンテトラカルボン酸類などの脂肪族テトラカルボン酸類が挙げられる。
Here, the tetracarboxylic acids mean tetracarboxylic acids that can form polyimides, such as tetracarboxylic acids, esterified products thereof, and anhydrides thereof, and derivatives thereof.
The minor component used in consideration of moldability and the like includes bis (dicarboxyphenyl) such as 1,3-bis (3,4-dicarboxyphenyl) -1,1,3,3-tetramethyldisiloxane. Cyclohexanetetracarboxylic acids such as tetramethyldisiloxanes, cyclopentanetetracarboxylic acids, 1,2,4,5-cyclohexanetetracarboxylic acid, 3-methyl-4-cyclohexene-1,2,4,5-tetracarboxylic acid Aliphatic tetracarboxylic acids such as acids can be mentioned.

ジアミン成分としては、p−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、2,4−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、3,5−ジアミノ安息香酸などのベンゼン核を1つ有する芳香族ジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4' −ジアミノジフェニルスルホンなどのベンゼン核を2つ有する芳香族ジアミン、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンなどのベンゼン核を3つ有する芳香族ジアミン、ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)スルホン、ビス(4−(3−アミノフェノキシ)フェニル)スルホン、4,4' −ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4' −ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、2,2−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)プロパンなどのベンゼン核を4つ有する芳香族ジアミン、ジアミノナフタレン等のナフタレン環を有する芳香族ジアミン、2,6−ジアミノピリジンなどの複素環を有する芳香族ジアミンなどを単独又は混合して好適に用いることができる。これらの中でも、p−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4' −ジアミノジフェニルスルホン、及び2,6−ジアミノピリジンからなる群から選択された少なくとも一つの芳香族ジアミンを主成分(50モル%以上、好ましくは80モル%以上)として用いることが好適である。   Examples of the diamine component include p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 2,4-diaminotoluene, 2,6-diaminotoluene, aromatic diamine having one benzene nucleus such as 3,5-diaminobenzoic acid, An aromatic diamine having two benzene nuclei such as 4′-diaminodiphenyl ether, 3,4′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 1,3-bis (3- Aromatic diamines having three benzene nuclei such as aminophenoxy) benzene and 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene, bis (4- (4-aminophenoxy) phenyl) sulfone, bis (4- (3- Aminophenoxy) phenyl) sulfone, 4,4′-bis (3-aminophenoxy) biphe Nyl, 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl, aromatic diamine having four benzene nuclei such as 2,2-bis (4- (4-aminophenoxy) phenyl) propane, and naphthalene such as diaminonaphthalene An aromatic diamine having a ring, an aromatic diamine having a heterocyclic ring such as 2,6-diaminopyridine, and the like can be suitably used alone or in combination. Among these, p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenyl ether, 3,4′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, and 2, It is preferable to use at least one aromatic diamine selected from the group consisting of 6-diaminopyridine as the main component (50 mol% or more, preferably 80 mol% or more).

成形性などを考慮して用いられる少量成分としては、1,3−ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルシランのようなジアミノシロキサンや、イソホロンジアミン、ノルボルネンジアミン、1,2−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタンなどの脂環式ジアミンや、ヘキサメチレンジアミン、ジアミノドデカンなどの脂肪族ジアミンを挙げることができる。   Minor components used in consideration of moldability and the like include diaminosiloxanes such as 1,3-bis (3-aminopropyl) tetramethylsilane, isophoronediamine, norbornenediamine, 1,2-diaminocyclohexane, 1, Examples include alicyclic diamines such as 3-diaminocyclohexane, 1,4-diaminocyclohexane, and bis (4-aminocyclohexyl) methane, and aliphatic diamines such as hexamethylenediamine and diaminododecane.

前記芳香族ポリイミドの発泡体は、従来公知の方法で好適に製造することができる。例えば、低級アルコール溶媒中でテトラカルボン酸二無水物と前記低級アルコールとを反応させてテトラカルボン酸エステル化物の溶液とし、それにジアミンを加えて混合してポリイミド前駆体溶液組成物を得、次いでその溶液組成物のアルコール溶媒を低温で蒸発除去し、粉末のポリイミド前駆体組成物を得る。この粉末のポリイミド前駆体組成物を必要に応じて予備成形してグリーン体にした後で、マイクロ波加熱などによって加熱して発泡させることで芳香族ポリイミドの発泡体を好適に得ることができる。また、前記粉末のポリイミド前駆体組成物に再度低級アルコールを加えて溶液乃至サスペンジョンのポリイミド前駆体組成物とした後で、マイクロ波加熱などによって加熱して発泡させることで芳香族ポリイミドの発泡体を好適に得ることができる。   The aromatic polyimide foam can be suitably produced by a conventionally known method. For example, a tetracarboxylic dianhydride and the lower alcohol are reacted in a lower alcohol solvent to form a tetracarboxylic ester solution, and a diamine is added and mixed to obtain a polyimide precursor solution composition. The alcohol solvent of the solution composition is removed by evaporation at a low temperature to obtain a powdered polyimide precursor composition. An aromatic polyimide foam can be suitably obtained by pre-molding the powdered polyimide precursor composition into a green body as necessary, and then heating and foaming by microwave heating or the like. Moreover, after adding lower alcohol to the polyimide precursor composition of the powder again to obtain a polyimide precursor composition of solution or suspension, the foam of aromatic polyimide is obtained by heating and foaming by microwave heating or the like. It can be suitably obtained.

ポリイミド前駆体溶液組成物の調製は、テトラカルボン酸成分とジアミン成分とが略等モルになるような組成比で混合して行われるが、発泡を均一化するために、例えばジアミノジシロキサンがジアミン成分の少量成分として好適に用いられる。溶媒の低級アルコールとしてはメタノ−ル、エタノ−ル、プロパノールなどが用いられ、他の溶媒と混合されることもある。テトラカルボン酸エステル化物の溶液にジアミンを加えて混合してポリイミド前駆体溶液組成物を得る際には、各成分の濃度はジアミンの溶解度限界以下が好適であり、不揮発成分量は全量中の3〜50質量%程度になる。このポリイミド前駆体溶液組成物には、1,2−ジメチルイミダゾ−ル、ベンズイミダゾ−ル、イソキノリン、置換ピリジンなどのイミド化触媒、界面活性剤、或いは、他の公知の添加剤、例えば無機フィラ−、無機あるいは有機顔料などを加えてもよい。   The polyimide precursor solution composition is prepared by mixing the tetracarboxylic acid component and the diamine component at a composition ratio such that the equimolar amounts of the tetracarboxylic acid component and the diamine component. In order to make the foam uniform, for example, diaminodisiloxane is added to the diamine. It is suitably used as a minor component of the component. As the lower alcohol of the solvent, methanol, ethanol, propanol or the like is used, and it may be mixed with other solvents. When a diamine is added to and mixed with the tetracarboxylic acid ester solution to obtain a polyimide precursor solution composition, the concentration of each component is preferably below the solubility limit of diamine, and the amount of non-volatile components is 3 in the total amount. It becomes about 50 mass%. This polyimide precursor solution composition includes 1,2-dimethylimidazole, benzimidazole, isoquinoline, substituted pyridine and other imidation catalysts, surfactants, or other known additives such as inorganic fillers. -Inorganic or organic pigments may be added.

ポリイミド前駆体溶液組成物は、実験室的にはエバポレ−タ、工業的にはスプレ−ドライヤ−などを用いて、蒸発乾固して粉末化される。この時の温度は100℃以下特に80℃以下が好ましい。高温で蒸発乾固するとポリイミド前駆体組成物の発泡性が極端に低下する。蒸発乾固は、常圧でも、加圧下でも、あるいは減圧下で行ってもよい。   The polyimide precursor solution composition is evaporated to dryness and pulverized using an evaporator in the laboratory and a spray dryer in the industry. The temperature at this time is preferably 100 ° C. or less, particularly preferably 80 ° C. or less. When evaporating to dryness at a high temperature, the foamability of the polyimide precursor composition is extremely lowered. Evaporation to dryness may be performed under normal pressure, under pressure, or under reduced pressure.

グリ−ン体の作成は、例えば、粉末のポリイミド前駆体組成物を室温で圧縮成形する方法、スラリ−溶液として流延乾固する方法、テフロン(登録商標)製などのマイクロ波に不活性な容器へ充填する方法などによって行うことができる。概略均一な状態のグリ−ン体を得ることができれば、発泡時の均一化は達成できる。   The green body is prepared by, for example, a method in which a powdered polyimide precursor composition is compression-molded at room temperature, a method in which it is cast and solidified as a slurry solution, and a microwave inactive to Teflon (registered trademark). It can be performed by a method of filling the container. If a green body having a substantially uniform state can be obtained, uniformization during foaming can be achieved.

ポリイミド前駆体組成物の発泡は、好適にはマイクロ波加熱による加熱によって好適に行うことができる。この際に、一般的には2.45GHzで行う。これは日本の国内法(電波法)に基づく。粉末重量当たりのマイクロ波出力を目安とすることが好ましい。これは実験を重ねることによって定義すべきである。例えば、100g/1kW程度のマイクロ波を約1分照射すると発泡を開始し、2〜3分で発泡は収束する。
発泡した状態の発泡体は非常に脆いので、直ちにオーブンなどを用いて加熱するのが好適である。加熱は、200℃程度から徐々に昇温(一応の目安として、100℃/10分程度の昇温速度)して行うのが好適である。最終的にはポリイミドのガラス転移温度+α(10〜100℃位)の温度にて5〜60分間、好適には10分間程度加熱する。
以上の製造方法によって、好ましくは密度が3〜20kg/m3 であって、均一な発泡構造を有した、弾力性があり且つ復元力に優れた芳香族ポリイミドの発泡体を好適に得ることができる。
Foaming of the polyimide precursor composition can be suitably performed by heating by microwave heating. At this time, the operation is generally performed at 2.45 GHz. This is based on Japanese domestic law (Radio Law). It is preferable to use the microwave output per weight of the powder as a guide. This should be defined by experimentation. For example, when microwaves of about 100 g / 1 kW are irradiated for about 1 minute, foaming starts, and foaming converges in 2 to 3 minutes.
Since the foamed foam is very brittle, it is preferable to immediately heat it using an oven or the like. Heating is preferably performed by gradually increasing the temperature from about 200 ° C. (as a guideline, a temperature increase rate of about 100 ° C./10 minutes). Finally, it is heated for 5 to 60 minutes, preferably about 10 minutes at a temperature of polyimide glass transition temperature + α (about 10 to 100 ° C.).
By the above production method, it is possible to suitably obtain an aromatic polyimide foam having a density of 3 to 20 kg / m 3 , a uniform foamed structure, and excellent elasticity and resilience. it can.

本発明で用いられる軽量ポリイミド成形体は、前記の芳香族ポリイミドの発泡体によって形成されたものである。
本発明で用いられる軽量ポリイミド成形体としては、前記の芳香族ポリイミドの発泡体チップの所定量を、バインダーを用いることなしに、加圧成形及び加熱処理して得られたものが好ましい。本発明において、加圧成形及び加熱処理の工程を一段で行っても構わないが、発泡体チップの所定量を金型内に入れて100℃以下の温度で加圧成形して加圧成形体を得る工程と、次いで前記加圧成形体を目的形状の金型内に入れて250〜500℃の温度で加熱処理する工程とを含む多段の方法が、軽量ポリイミド成形体を効率よく且つ品質的に安定して製造することができるので好適である。
The lightweight polyimide molded body used in the present invention is formed of the above-mentioned aromatic polyimide foam.
The lightweight polyimide molded body used in the present invention is preferably obtained by pressure molding and heat-treating a predetermined amount of the above-mentioned aromatic polyimide foam chip without using a binder. In the present invention, the pressure molding and heat treatment steps may be performed in a single step, but a predetermined amount of the foam chip is placed in a mold and pressure molded at a temperature of 100 ° C. or lower to form a pressure molded body. A multi-stage method including a step of obtaining a pressure polyimide molded body in a mold having a desired shape and a heat treatment at a temperature of 250 to 500 ° C. It is preferable because it can be manufactured stably.

前記発泡体チップは、前記の芳香族ポリイミドの発泡体を、例えば開砕整粒装置を用いて解砕整粒して得られたチップを好適に用いることができる。発泡体チップの密度は3〜20kg/m3 、特に5〜20kg/m3 が好適である。発泡体チップの形状は特に限定されないが、好ましい形状は所定の金型に投入する際に送粒可能な球状に近い形状である。また、発泡体チップの最大径は好ましくは50mm以下、より好ましくは全体積に対して最大径が10〜50mmのチップが80体積%以上を占めるようにすることが好適である。発泡体チップの最大径が50mmを越えると均一な密度を有する軽量ポリイミド成形体を得ることが難しくなるので好ましくない。チップの最小径については5mm以下のものを使用することも可能であり、得られる軽量ポリイミド成形体の特性には特に問題はないが、ポリイミド発泡体から最大径が5mm以下に解砕するには相当の時間がかかるので非効率になる。 The said foam chip | tip can use suitably the chip | tip obtained by crushing and sizing the said aromatic polyimide foam using a crushing and sizing apparatus, for example. The density of the foam chip is preferably 3 to 20 kg / m 3 , particularly 5 to 20 kg / m 3 . The shape of the foam chip is not particularly limited, but a preferable shape is a shape close to a sphere that can be granulated when put into a predetermined mold. The maximum diameter of the foam chip is preferably 50 mm or less, and more preferably, the chip having the maximum diameter of 10 to 50 mm occupies 80% by volume or more with respect to the total volume. When the maximum diameter of the foam chip exceeds 50 mm, it is difficult to obtain a lightweight polyimide molded body having a uniform density, which is not preferable. It is also possible to use a chip with a minimum diameter of 5 mm or less, and there is no particular problem with the characteristics of the resulting lightweight polyimide molded body, but to crush the maximum diameter from a polyimide foam to 5 mm or less. It takes a considerable amount of time and is inefficient.

以下、前記多段の製造方法について説明する。
先ず金型内に所定量の発泡体チップを投入して加圧成形する。投入量は最終的な軽量ポリイミド成形体の体積と目的密度から算出される量である。これを例えばプレス機にて加圧成形し、発泡体チップが圧縮されてなる加圧成形体(グリーン体)を得る。加圧成形体の密度は、加圧成形後に起こるスプリングバックによる寸法の戻りを考慮しなければならないので、加圧成形時には、加圧成形体の(目的)密度に対し102〜120%好ましくは105〜110%の密度になるように成形圧力、金型寸法、発泡体チップの投入量を調節することが好ましい。このスプリングバックによって、空隙をなくし、より均一な状態の加圧成形体を得ることが容易になる。また、加圧成形工程で均一な密度の加圧成形体を得るためにチップの形状や寸法を前記のようにしておくことが好ましい。
Hereinafter, the multistage manufacturing method will be described.
First, a predetermined amount of a foam chip is put into a mold and press-molded. The input amount is an amount calculated from the volume of the final lightweight polyimide molded body and the target density. This is pressure-molded by, for example, a press machine to obtain a pressure-molded body (green body) in which the foam chip is compressed. The density of the pressure-molded body must take into account the return of dimensions due to the springback that occurs after pressure molding. Therefore, at the time of pressure molding, it is 102 to 120%, preferably 105%, of the (target) density of the pressure-molded body. It is preferable to adjust the molding pressure, the mold dimensions, and the amount of foam chips introduced so that the density is ˜110%. By this springback, it becomes easy to eliminate the voids and obtain a more uniformly pressed body. Moreover, it is preferable that the shape and dimensions of the chip are as described above in order to obtain a pressure-molded body having a uniform density in the pressure-molding step.

加圧成形体の(目的)密度は、製品である軽量ポリイミド成形体の(目的)密度に対し好ましくは85〜115%より好ましくは90〜100%の密度に設定される。
この工程では特に加熱の必要はなく加圧成形体が金型から容易に取出せるなどの取り扱いができる程度に密に一体化される程度まで加圧成形されればよい。すなわち、加圧温度は100℃以下、好ましくは−10〜100℃、より好ましくは0〜50℃、更に好ましくは室温(15〜30℃程度)であり、いわゆる冷間加圧成形であることが好適である。
The (target) density of the pressure-molded body is preferably set to a density of 85 to 115%, more preferably 90 to 100%, with respect to the (target) density of the lightweight polyimide molded body as the product.
In this step, there is no particular need for heating, and it is sufficient that the pressure-molded body is pressure-molded to such an extent that it can be integrated so that it can be easily taken out of the mold. That is, the pressurization temperature is 100 ° C. or less, preferably −10 to 100 ° C., more preferably 0 to 50 ° C., and still more preferably room temperature (about 15 to 30 ° C.). Is preferred.

また、ポリイミド発泡体は容易に変形するので、十分に圧縮できる程度の圧力(通常200〜5000kg/cm2 、好ましくは500〜2000kg/cm2 )を加えることができるものであれば、特別な圧力条件は要求されない。加圧時間は、特に限定はないが1秒間から10分間程度の短時間が好ましく、短時間の加圧を複数回繰り返すことが好適である。 In addition, since the polyimide foam is easily deformed, any special pressure can be used as long as it can apply a pressure that can be sufficiently compressed (usually 200 to 5000 kg / cm 2 , preferably 500 to 2000 kg / cm 2 ). Conditions are not required. Although the pressurization time is not particularly limited, a short time of about 1 second to 10 minutes is preferable, and it is preferable to repeat the pressurization for a short time a plurality of times.

加圧成形するときに使用する金型は、所定量の発泡体チップを加圧成形できるものであれば特に限定はない。形状は最終製品の形状に準じた形状(複数の加圧成形体を組み合せて一つの製品を製造する際にはそれぞれの部分形状)であることが好適である。例えば板状のものを製造するのであれば、箱状容器を内蓋(パンチ)で圧縮するようにした金型と一軸式油圧成形機を組み合せて好適に行うことができる。   The mold used for the pressure molding is not particularly limited as long as a predetermined amount of the foam chip can be pressure molded. The shape is preferably a shape according to the shape of the final product (in the case of manufacturing a single product by combining a plurality of pressure-formed bodies, each partial shape). For example, if a plate-shaped product is to be manufactured, it can be suitably carried out by combining a mold that compresses a box-shaped container with an inner lid (punch) and a uniaxial hydraulic molding machine.

次いで加熱処理するために、加圧成形体を通常は加熱装置が備わった別の金型へ移す。この金型内で、加圧成形体を、製品の目的形状(目的密度)になるようにし、目的形状を保持した状態で加熱処理する。この時、加圧成形体の密度が製品の目的密度よりも小さい場合は金型に圧縮されて高密度になる。一方、加圧成形体の密度が製品の目的密度よりも大きい場合は加熱によって加圧成形体が膨張するので低密度になる。加熱処理は、好ましくは250〜500℃の温度範囲で0.1〜10時間程度が好適である。なお、加熱処理後もスプリングバックが起こることがある。その際には、金型形状を経験的に求められるスプリングバック量を考慮して決定するのが好適である。加熱処理の温度範囲の下限は、好ましくは300℃、より好ましくは330℃、更に好ましくは350℃、特に好ましくは380℃である。加熱処理の温度範囲の上限は、好ましくは450℃である。加熱処理する温度は、発泡体チップを形成しているポリイミドのガラス転移温度が一つの基準になる。すなわち、発泡体チップを形成しているポリイミドのガラス転移温度に対して−20℃〜+100℃、好ましくは−10℃〜+50℃、より好ましくは0〜50℃である。ポリイミドにガラス転移温度が見られない場合には400〜500℃の温度範囲で行うのが好適である。
加熱処理の温度が低すぎる場合には、軽量ポリイミド成形体の機械的強度が低くなるので好ましくない。また、500℃よりも高温で加熱処理を行うとポリイミドの炭化が始まるので好ましくない。
Subsequently, in order to heat-process, a press-molded body is moved to another metal mold | die normally equipped with a heating apparatus. In this mold, the pressure-molded body is heated to a target shape (target density) of the product and kept in the target shape. At this time, if the density of the press-molded body is smaller than the target density of the product, it is compressed into a mold and becomes high density. On the other hand, when the density of the press-molded body is larger than the target density of the product, the press-molded body expands due to heating, resulting in a low density. The heat treatment is preferably performed in the temperature range of 250 to 500 ° C. for about 0.1 to 10 hours. Note that springback may occur even after the heat treatment. In that case, it is preferable to determine the mold shape in consideration of the amount of springback required empirically. The lower limit of the temperature range of the heat treatment is preferably 300 ° C, more preferably 330 ° C, still more preferably 350 ° C, and particularly preferably 380 ° C. The upper limit of the temperature range of the heat treatment is preferably 450 ° C. The temperature at which heat treatment is performed is based on the glass transition temperature of the polyimide forming the foam chip. That is, it is −20 ° C. to + 100 ° C., preferably −10 ° C. to + 50 ° C., more preferably 0 to 50 ° C. with respect to the glass transition temperature of the polyimide forming the foam chip. When the glass transition temperature is not observed in the polyimide, it is preferable to carry out in a temperature range of 400 to 500 ° C.
When the temperature of the heat treatment is too low, the mechanical strength of the lightweight polyimide molded body is lowered, which is not preferable. In addition, if heat treatment is performed at a temperature higher than 500 ° C., the carbonization of polyimide starts, which is not preferable.

発泡体チップを形成しているポリイミドのガラス転移温度は、動的粘弾性測定装置を使用し、発泡材料の動的粘弾性からガラス転移点を測定することができる。   The glass transition temperature of the polyimide forming the foam chip can be measured from the dynamic viscoelasticity of the foamed material using a dynamic viscoelasticity measuring device.

加熱処理の際に用いる金型は、その内形状が製品である軽量ポリイミド成形体の形状になる。したがって、容易に変形しない金属製のものが好適に用いられる。板状の軽量ポリイミド成形体を得る場合には、2枚の金属板の間に所定厚みの金属製のスペーサーを組み合せたものを好適に用いることができる。そして、形状を整えるための加圧機能と加熱処理ができるものであれば特に限定はなく、金属板とスペーサーに加熱プレス装置を組み合せて好適に用いることができる。   The mold used in the heat treatment has the shape of a lightweight polyimide molded body whose product is a product. Accordingly, a metal that is not easily deformed is preferably used. When obtaining a plate-like lightweight polyimide molded body, a combination of metal spacers having a predetermined thickness between two metal plates can be suitably used. And if it can perform the pressurization function for adjusting a shape and heat processing, there will be no limitation in particular, It can use suitably combining a hot press apparatus with a metal plate and a spacer.

本発明で用いられる軽量ポリイミド成形体は、使用する発泡体チップの密度の10〜330倍、好ましくは20〜200倍程度まで高密度化して好適に得られる。本発明で用いられる軽量ポリイミド成形体の密度は、100〜1000kg/m3 、好ましくは300〜1000kg/m3 、より好ましくは400〜1000kg/m3 、更に好ましくは500〜900kg/m3 、特に好ましくは550〜850kg/m3 のものが軽量にも拘わらず優れた機械的強度を有するので好適である。 The lightweight polyimide molded body used in the present invention is suitably obtained by increasing the density to 10 to 330 times, preferably about 20 to 200 times the density of the foam chip to be used. The density of lightweight polyimide molded body used in the present invention, 100~1000kg / m 3, preferably 300~1000kg / m 3, more preferably 400~1000kg / m 3, more preferably 500~900kg / m 3, in particular Preferably, 550 to 850 kg / m 3 is suitable because it has excellent mechanical strength despite its light weight.

密度が100kg/m3 より低密度の軽量ポリイミド成形体を炭化すると、炭化工程での収縮が大きく、形状が歪むので好ましくない。また得られる炭素多孔体の強度が低く、手で表面を擦ると、炭素の粉が出て、表面から崩れてしまう。密度が1000kg/m3 より高密度の軽量ポリイミド成形体は、成形にかかる圧力が大きくなり負荷が増える上に、軽量性が失われるため、好ましくない。
本発明で用いられる軽量ポリイミド成形体の形状は、シート状、板状、半割のパイプ状、柱状、キューブ状、箱状などいずれの形状でも構わない。
Carbonizing a lightweight polyimide molded body having a density lower than 100 kg / m 3 is not preferable because the shrinkage in the carbonization process is large and the shape is distorted. Further, the strength of the obtained carbon porous body is low, and when the surface is rubbed by hand, carbon powder comes out and collapses from the surface. A lightweight polyimide molded body having a density higher than 1000 kg / m 3 is not preferable because the pressure applied to the molding increases and the load increases and the lightness is lost.
The shape of the lightweight polyimide molded body used in the present invention may be any shape such as a sheet shape, a plate shape, a half pipe shape, a column shape, a cube shape, and a box shape.

また、本発明で用いられる軽量ポリイミド成形体としては、前記の発泡体チップによって形成された軽量ポリイミド成形体の他、例えば、前記の芳香族ポリイミドによって形成された発泡体のボードなどを圧縮して得られたものを用いることができる。
前記ボードとしては、密度が100〜1000kg/m3 、好ましくは300〜1000kg/m3 で、厚みが0.5〜50mm程度のものが好ましい。
また、該ボードの圧縮は、好ましくは、一軸プレスを用い、温度200〜450℃、所定の厚みのスペーサを使用して、圧縮前密度に対して好ましくは3〜200倍、より好ましくは50〜200倍程度まで高密度化するように加圧することで好適に行われる。
また、本発明においては、密度が100〜1000kg/m3 の範囲内にある芳香族ポリイミドの発泡体については、圧縮したりせずにそのまま用いることができる。
In addition, as a lightweight polyimide molded body used in the present invention, in addition to a lightweight polyimide molded body formed by the foam chip, for example, a foam board formed by the aromatic polyimide is compressed. What was obtained can be used.
The board preferably has a density of 100 to 1000 kg / m 3 , preferably 300 to 1000 kg / m 3 and a thickness of about 0.5 to 50 mm.
The board is preferably compressed using a uniaxial press at a temperature of 200 to 450 ° C. and using a spacer having a predetermined thickness, preferably 3 to 200 times, more preferably 50 to 50 times the density before compression. It is suitably performed by applying pressure so as to increase the density to about 200 times.
In the present invention, an aromatic polyimide foam having a density in the range of 100 to 1000 kg / m 3 can be used as it is without being compressed.

本発明の炭素多孔体は、前記の軽量ポリイミド成形体で代表される密度が100〜1000kg/m3 である高密度の芳香族ポリイミドの発泡体を、不活性ガス雰囲気下又は真空中で600℃以上の温度で炭化して得られたものである。
本発明の炭素多孔体は、グラファイトのように完全に炭化されている必要はなく、部分的に炭化されたものでもよい。この部分的に炭化された炭素多孔体は、炭素の質量分率が60質量%以上のものが好ましく、より好ましくは炭素の質量分率が70質量%以上のもの、更に好ましくは炭素の質量分率が80質量%以上のもの、特に好ましくは炭素の質量分率が90質量%以上のものである。
不活性ガスとは、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスあるいはこれらのガスの混合ガスなどである。ここで、不活性ガス雰囲気下とは、雰囲気が不活性ガスのみである必要はなく、空気中の酸素による酸化が抑制される程度に不活性ガスが存在すればよい。
また、真空とは、好ましくは133Pa以下、より好ましくは1.3×10-2Pa以下である。
The carbon porous body of the present invention is a high-density aromatic polyimide foam having a density of 100 to 1000 kg / m 3 typified by the light-weight polyimide molded body at 600 ° C. in an inert gas atmosphere or in vacuum. It was obtained by carbonizing at the above temperature.
The carbon porous body of the present invention does not need to be completely carbonized like graphite, and may be partially carbonized. The partially carbonized carbon porous body preferably has a carbon mass fraction of 60% by mass or more, more preferably a carbon mass fraction of 70% by mass or more, and still more preferably a carbon mass fraction. The rate is 80% by mass or more, particularly preferably the carbon mass fraction is 90% by mass or more.
The inert gas is, for example, helium gas, argon gas, nitrogen gas, or a mixed gas of these gases. Here, the “inert gas atmosphere” means that the atmosphere does not need to be an inert gas only, and the inert gas only needs to be present to the extent that oxidation by oxygen in the air is suppressed.
The vacuum is preferably 133 Pa or less, more preferably 1.3 × 10 −2 Pa or less.

炭化温度までの昇温速度は、軽量ポリイミド成形体のサイズ、形状、重量により調整されるべきである。小さな成形体では、昇温速度が速くても端部と中央部で温度差があまりなく、均一に炭化できるが、大きな成形体では、その温度差が大きくなり、炭化時の収縮の度合いにも差ができるため、反ったり割れたりする。このため、大きな形状、複雑な形状の炭化物を得るには、非常にゆっくりした昇温速度で炭化温度まで上げることが一般的に行われている。
炭化温度での保持時間は、中心部と端部の温度差を解消し、炭化の程度を均一にするためのものであり、小さなものや昇温速度を遅くしたものについては、保持時間は短くてよい。
The heating rate up to the carbonization temperature should be adjusted by the size, shape and weight of the lightweight polyimide molded body. Small molded bodies can be uniformly carbonized with little temperature difference between the edge and the center even if the heating rate is high, but with large molded bodies, the temperature difference is large and the degree of shrinkage during carbonization is also large. Because there is a difference, it warps or cracks. For this reason, in order to obtain a carbide having a large shape or a complicated shape, it is generally performed to raise the carbonization temperature at a very slow temperature increase rate.
The holding time at the carbonization temperature is to eliminate the temperature difference between the center part and the end part and make the degree of carbonization uniform, and the holding time is short for small things or those with a slow heating rate. It's okay.

炭化温度は600℃以上、好ましくは800℃以上とし、グラファイト化を行う場合には、3000℃程度まで高温処理を行うこともできる。炭化物の特性は炭化温度によって変わり、多孔構造の表面積を重視するなら800℃程度の炭化温度が好ましく、導電性を上げるには高温で炭化するほうがよい。
炭化のとき、反りの低減や温度の均一性を増すことを目的として、発泡体を加圧してもよい。加圧しすぎると、加圧方向に収縮を起こしたり、割れたりする。圧力は、1〜300g/cm2 程度が好ましい。また、発泡体が板状の場合には、重石を載せる方法でも構わない。
炭化後、更に表面積を増やすなどの目的で、水蒸気や一酸化炭素による賦活や、酸化条件下で処理することで表面処理することもできる。
The carbonization temperature is 600 ° C. or higher, preferably 800 ° C. or higher. When graphitization is performed, high-temperature treatment can be performed up to about 3000 ° C. The characteristics of the carbide vary depending on the carbonization temperature. If the surface area of the porous structure is important, a carbonization temperature of about 800 ° C. is preferable, and it is better to carbonize at a high temperature to increase conductivity.
When carbonizing, the foam may be pressurized for the purpose of reducing warpage and increasing temperature uniformity. If it is pressurized too much, it will shrink or crack in the pressing direction. The pressure is preferably about 1 to 300 g / cm 2 . Further, when the foam is plate-shaped, a method of placing a weight is also acceptable.
After carbonization, for the purpose of increasing the surface area, surface treatment can be performed by activation with water vapor or carbon monoxide or by treatment under oxidizing conditions.

このような炭化工程で得られる本発明の炭素多孔体は、通常、重量保持率が55%以上、寸法保持率が75%以上であり、炭素でできた連続した微細孔を多数有する3次元構造体であるので、触媒担体、フィルターなどに使用でき、またガスの吸着剤、熱絶縁材、電波吸収体、放熱材などに好適に使用できる。   The carbon porous body of the present invention obtained by such a carbonization process usually has a weight retention of 55% or more, a dimensional retention of 75% or more, and a three-dimensional structure having many continuous fine pores made of carbon Since it is a body, it can be used for a catalyst carrier, a filter, and the like, and can be suitably used for a gas adsorbent, a heat insulating material, a radio wave absorber, a heat dissipation material, and the like.

以下本発明について実施例に基づいて更に詳しく説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

以下の例で用いた測定方法は以下のとおりである。
(密度の測定)
ASTM D 3574 TEST Aに準拠して測定した。
The measurement methods used in the following examples are as follows.
(Density measurement)
Measured according to ASTM D 3574 TEST A.

(サイズの測定)
軽量ポリイミド成形体及び炭素多孔体の寸法は、軽量ポリイミド成形体の成型時に圧力をかけた方向(厚み方向)をZ軸とし、軽量ポリイミド成形体から切り出した5cm角のそれぞれの一辺をX軸、Y軸として、ノギスで0.1mm単位で測定した。
(ショア硬度の測定)
ASTM D 2240に準拠して測定した。
(空孔径、空孔率の測定)
水銀圧入式ポロシメーターAuto Pore III(株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
(Size measurement)
The dimensions of the lightweight polyimide molded body and the porous carbon body are the Z-axis in the direction (thickness direction) in which pressure was applied during molding of the lightweight polyimide molded body, and the X-axis represents one side of each 5 cm square cut out from the lightweight polyimide molded body. The Y axis was measured in 0.1 mm units with a caliper.
(Measurement of Shore hardness)
Measured according to ASTM D 2240.
(Measurement of pore diameter and porosity)
It measured using the mercury intrusion type porosimeter Auto Pore III (made by Shimadzu Corporation).

〔参考例1〕ポリイミド発泡体の調製
1m3 のジャケット仕様の攪拌機付反応槽に、55.519kgの2,3,3',4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物と15.201kgの3,3’,4,4' −ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物と139.7kgのメタノールとを仕込み、反応槽内を窒素置換した後、ジャケット内を90℃の温水を循環させて加熱し、反応液が90℃になってから90分間還流してエステル化反応を行った。その後、反応液を30℃以下まで冷却した後、反応液に25.052kgのp−フェニレンジアミンと0.628kgの1,3−ビス(3- アミノプロピル)テトラメチルジシロキサンとを添加した。更に2.892kgの1 ,2- ジメチルイミダゾールを添加し、撹拌して反応液を均一な溶液にした。次いで、スプレードライヤーを使用し、前記反応液を乾燥温度が50℃以下となるように噴霧量を調整しながら乾燥して、発泡ポリイミド前駆体の乾燥粉を得た。次いで、この発泡ポリイミド前駆体乾燥粉の2kgを300mmφ×200mmtの型枠に充填し、プレス機で加圧してグリーン体を圧縮成形した。得られたグリーン体は300mmφ×15mmtの寸法であった。このグリーン体をマイクロ波照射装置に入れ、出力5kwで10分間マイクロ波を照射し、発泡ポリイミド前駆体発泡物を得、これを120℃に昇温されたオーブン中に投入し375℃まで、10℃/分の昇温速度で昇温した後、375℃で5分間保持し、その後室温まで冷却して発泡ポリイミドを得た。得られた発泡ポリイミドは緻密で均一な発泡であり、密度は7.5kg/m3 あった。
Reference Example 1 Preparation of Polyimide Foam In a 1 m 3 jacketed reactor equipped with a stirrer, 55.519 kg of 2,3,3 ′, 4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride and 15.201 kg of 3, After charging 3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride and 139.7 kg of methanol and replacing the inside of the reaction vessel with nitrogen, the jacket was heated by circulating 90 ° C. warm water, and the reaction solution After the temperature reached 90 ° C., the mixture was refluxed for 90 minutes to carry out an esterification reaction. Then, after cooling a reaction liquid to 30 degrees C or less, 25.052 kg of p-phenylenediamine and 0.628 kg of 1,3-bis (3-aminopropyl) tetramethyldisiloxane were added to the reaction liquid. Further, 2.892 kg of 1,2-dimethylimidazole was added and stirred to make the reaction solution uniform. Next, using a spray dryer, the reaction solution was dried while adjusting the spray amount so that the drying temperature was 50 ° C. or less, thereby obtaining a dry powder of a foamed polyimide precursor. Next, 2 kg of this dried polyimide precursor powder was filled in a 300 mmφ × 200 mmt mold and pressed with a press to compress the green body. The obtained green body had a size of 300 mmφ × 15 mmt. This green body is put in a microwave irradiation apparatus, and irradiated with microwaves at an output of 5 kw for 10 minutes to obtain a foamed polyimide precursor foam, which is put into an oven heated to 120 ° C. and heated to 375 ° C. for 10 After raising the temperature at a rate of temperature increase of ° C./min, the temperature was maintained at 375 ° C. for 5 minutes and then cooled to room temperature to obtain a foamed polyimide. The obtained foamed polyimide was dense and uniform foaming, and the density was 7.5 kg / m 3 .

〔実施例1〕
参考例1で得られたポリイミド発泡体を解砕装置( 解砕整粒機フィオーレ、株式会社寿工作所製) に投入して解砕した。前記解砕整粒機の概略の模式図を図1に示す。孔径30mmのスクリーンを通過した粒径が30mm以下のチップを、315×315×80mmのステンレス製金型に530g入れ、プレス装置( 一軸式油圧成形機、東邦マシナリー株式会社製) を用いて圧力1130kg/cm2 で10秒間室温にて冷間成型して板状の加圧成形体を得た。この工程の概略の断面図を図2に示す。この加圧成形体の寸法は、315×315×7.5mmtであって、密度は710kg/m3 であった。その加圧成形体を330×330×10mmのステンレス製平板2枚の間に厚み8mmのスペーサーとともに挟み、図3のようにボルトで四角を固定して、均一な厚みにし、熱風焼成炉( バッチ式焼成炉DF−200HS、株式会社二葉科学製) で400℃、3時間加熱処理して寸法が315×315×8.1mmtの軽量ポリイミド成形体を得た。この軽量ポリイミド成形体は、密度が660kg/m3 であった。
この軽量ポリイミド成形体を約5cm角に切り出し、電気炉で、窒素気流中、1000℃で1時間炭化した。炭化温度までの昇温速度は、室温〜300℃までは10℃/分、300℃〜1000℃までは3℃/分とした。
得られた炭素多孔体は、重さ7.5g、重量保持率60%、かさ密度710kg/m3 、寸法保持率約82%(X軸方向:82%、Y軸方向:82%、Z軸方向:81%)であった。
[Example 1]
The polyimide foam obtained in Reference Example 1 was put into a crushing apparatus (a crushing and granulating machine Fiore, manufactured by Kotokakusho Co., Ltd.) and crushed. A schematic diagram of the pulverization and sizing machine is shown in FIG. 530 g of a chip having a particle diameter of 30 mm or less that has passed through a screen with a hole diameter of 30 mm is placed in a 315 × 315 × 80 mm stainless steel mold, and a pressure of 1130 kg using a pressing device (single screw hydraulic molding machine, manufactured by Toho Machinery Co., Ltd.) The plate-shaped press-molded body was obtained by cold molding at room temperature for 10 seconds at / cm 2 . A schematic cross-sectional view of this process is shown in FIG. The size of this press-molded body was 315 × 315 × 7.5 mmt, and the density was 710 kg / m 3 . The pressure-molded body is sandwiched between two stainless steel flat plates of 330 × 330 × 10 mm together with a spacer of 8 mm thickness, and squares are fixed with bolts as shown in FIG. And heated at 400 ° C. for 3 hours in a calcination furnace DF-200HS (manufactured by Futaba Kagaku Co., Ltd.) to obtain a lightweight polyimide molded body having dimensions of 315 × 315 × 8.1 mmt. This lightweight polyimide molded body had a density of 660 kg / m 3 .
This lightweight polyimide molded body was cut into about 5 cm square and carbonized in an electric furnace at 1000 ° C. for 1 hour in a nitrogen stream. The heating rate up to the carbonization temperature was 10 ° C./min from room temperature to 300 ° C., and 3 ° C./min from 300 ° C. to 1000 ° C.
The obtained porous carbon body has a weight of 7.5 g, a weight retention rate of 60%, a bulk density of 710 kg / m 3 , and a dimensional retention rate of about 82% (X-axis direction: 82%, Y-axis direction: 82%, Z-axis) Direction: 81%).

〔実施例2〕
発泡体チップの量を620gとし、加圧成形体を製造する際の圧力を1400kg/cm2 に変えた以外は実施例1と同様にして、寸法が315×315×8.1mmtの軽量ポリイミド成形体を得た。この軽量ポリイミド成形体は、密度が770kg/m3 であった。
この軽量ポリイミド成形体を約5cm角に切り出し、電気炉で、窒素気流中、1000℃で1時間炭化した。炭化温度までの昇温速度は、室温〜300℃までは10℃/分、300℃〜1000℃までは3℃/分とした。
得られた炭素多孔体は、重さ8.6g、重量保持率60%、かさ密度810kg/m3 、寸法保持率約83%(X軸方向:84%、Y軸方向:84%、Z軸方向:80%)であった。
また、この炭素多孔体は、ショア硬度70であり、かさ密度が810kg/m3 であることを考慮すれば、高い強度を有している。
[Example 2]
Lightweight polyimide molding with dimensions of 315 × 315 × 8.1 mmt in the same manner as in Example 1 except that the amount of the foam chip was 620 g and the pressure at the time of producing the pressure-molded body was changed to 1400 kg / cm 2. Got the body. This lightweight polyimide molded body had a density of 770 kg / m 3 .
This lightweight polyimide molded body was cut into about 5 cm square and carbonized in an electric furnace at 1000 ° C. for 1 hour in a nitrogen stream. The heating rate up to the carbonization temperature was 10 ° C./min from room temperature to 300 ° C., and 3 ° C./min from 300 ° C. to 1000 ° C.
The obtained porous carbon body has a weight of 8.6 g, a weight retention rate of 60%, a bulk density of 810 kg / m 3 , a dimensional retention rate of about 83% (X-axis direction: 84%, Y-axis direction: 84%, Z-axis) Direction: 80%).
Further, this carbon porous body has a Shore hardness of 70, and has a high strength considering that the bulk density is 810 kg / m 3 .

〔実施例3〕
発泡体チップ量を450gとし、成形圧力を920kg/cm2 とした以外は実施例1と同様にして、寸法が315×315×8.1mmtの軽量ポリイミド成形体を得た。この軽量ポリイミド成形体は、密度が560kg/m3 であった。
この軽量ポリイミド成形体を約5cm角に切り出し、電気炉で、窒素気流中、1000℃で1時間炭化した。炭化温度までの昇温速度は、10℃/分とした。
得られた炭素多孔体は、重さ6.5g、重量保持率60%、かさ密度600kg/m3 、寸法保持率約84%(X軸方向:83%、Y軸方向:82%、Z軸方向:87%)であった。
また、この炭素多孔体は、水銀圧入式ポロシメーターの測定で、平均空孔径13μm、空孔率45%であった。
Example 3
A lightweight polyimide molded body with dimensions of 315 × 315 × 8.1 mmt was obtained in the same manner as in Example 1 except that the foam chip amount was 450 g and the molding pressure was 920 kg / cm 2 . This lightweight polyimide molded body had a density of 560 kg / m 3 .
This lightweight polyimide molded body was cut into about 5 cm square and carbonized in an electric furnace at 1000 ° C. for 1 hour in a nitrogen stream. The heating rate up to the carbonization temperature was 10 ° C./min.
The obtained porous carbon body has a weight of 6.5 g, a weight retention rate of 60%, a bulk density of 600 kg / m 3 , and a dimension retention rate of about 84% (X-axis direction: 83%, Y-axis direction: 82%, Z-axis) Direction: 87%).
This carbon porous body had an average pore diameter of 13 μm and a porosity of 45% as measured by a mercury intrusion porosimeter.

〔実施例4〕
発泡体チップ量を490gとし、成形圧力を1020kg/cm2 とした以外は実施例1と同様にして、寸法が315×315×8.1mmtの軽量ポリイミド成形体を得た。この軽量ポリイミド成形体は、密度が610kg/m3 であった。
この軽量ポリイミド成形体を約5cm角に切り出し、電気炉で、窒素気流中、800℃で1時間炭化した。炭化温度までの昇温速度は、室温〜300℃までは2.5℃/分、300℃〜800℃までは1.7℃/分とした。
得られた炭素多孔体は、重さ7.7g、重量保持率62%、かさ密度660kg/m3 、寸法保持率約83%(X軸方向:83%、Y軸方向:83%、Z軸方向:83%)であった。
Example 4
A lightweight polyimide molded body having dimensions of 315 × 315 × 8.1 mmt was obtained in the same manner as in Example 1 except that the foam chip amount was 490 g and the molding pressure was 1020 kg / cm 2 . This lightweight polyimide molded body had a density of 610 kg / m 3 .
This lightweight polyimide molded body was cut into about 5 cm square and carbonized in an electric furnace at 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen stream. The heating rate up to the carbonization temperature was 2.5 ° C./min from room temperature to 300 ° C., and 1.7 ° C./min from 300 ° C. to 800 ° C.
The obtained porous carbon body has a weight of 7.7 g, a weight retention rate of 62%, a bulk density of 660 kg / m 3 , a dimensional retention rate of about 83% (X-axis direction: 83%, Y-axis direction: 83%, Z-axis) Direction: 83%).

実施例4で得られた炭素多孔体を、更に、電気炉で、窒素気流中、1000℃で1時間炭化した。炭化温度までの昇温速度は、室温〜800℃までは6.5℃/分、800℃〜1000℃までは1.7℃/分とした。
得られた炭素多孔体は、重さ7.5g、重量保持率60%、かさ密度640kg/m3 、寸法保持率約83%(X軸方向:83%、Y軸方向:83%、Z軸方向:83%)であった。但し、重量保持率及び寸法保持率は、実施例4の軽量ポリイミド成形体の重量及び寸法を基準にした。
The carbon porous body obtained in Example 4 was further carbonized with an electric furnace at 1000 ° C. for 1 hour in a nitrogen stream. The heating rate up to the carbonization temperature was 6.5 ° C./min from room temperature to 800 ° C., and 1.7 ° C./min from 800 ° C. to 1000 ° C.
The obtained porous carbon body has a weight of 7.5 g, a weight retention rate of 60%, a bulk density of 640 kg / m 3 , a dimensional retention rate of about 83% (X-axis direction: 83%, Y-axis direction: 83%, Z-axis) Direction: 83%). However, the weight retention ratio and the dimension retention ratio were based on the weight and dimension of the lightweight polyimide molded body of Example 4.

本発明によれば、加工成形工程が簡便であり、密度の調整が容易であり、種々の形状の炭素多孔体を好適に得ることができる。この炭素多孔体は、比較的軽量であるにも拘わらず、良好な機械的特性を有している。また、本発明によって、発泡後のポリイミド発泡体バルクから切り出した後の、残りのポリイミド発泡体を有効に利用することができる。   According to the present invention, the work forming process is simple, the density is easily adjusted, and various shapes of porous carbon bodies can be suitably obtained. This carbon porous body has good mechanical properties despite being relatively light. Further, according to the present invention, the remaining polyimide foam after being cut out from the polyimide foam bulk after foaming can be used effectively.

実施例1で用いた解砕装置を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the crushing apparatus used in Example 1. FIG. 実施例1において、加圧成形体を得るための工程を説明するための概略図である。In Example 1, it is the schematic for demonstrating the process for obtaining a press-molded body. 実施例1において、加圧成形体から軽量ポリイミド成形体を得る工程を説明するための概略図である。In Example 1, it is the schematic for demonstrating the process of obtaining a lightweight polyimide molded object from a press-molded object.

Claims (1)

芳香族ポリイミドによって形成された発泡体を用いて軽量ポリイミド成形体を得る工程と、該軽量ポリイミド成形体を、不活性ガス雰囲気下又は真空中で600℃以上の温度で炭化させる炭化工程とを含む炭素多孔体の製造方法であって、
軽量ポリイミド成形体を得る工程が、芳香族ポリイミドによって形成された発泡体チップを金型内に入れて100℃以下の温度で加圧成形して加圧成形体を得る工程と、該加圧成形体を目的形状の金型内に入れて250〜500℃の温度で加熱処理する工程からなる炭素多孔体の製造方法
A step of obtaining a lightweight polyimide molded body using a foam formed of aromatic polyimide, and a carbonization step of carbonizing the lightweight polyimide molded body at a temperature of 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere or in a vacuum. a method of manufacturing a non-carbon porous body,
The step of obtaining a lightweight polyimide molded body includes a step of obtaining a pressure molded body by placing a foam chip formed of an aromatic polyimide in a mold and performing pressure molding at a temperature of 100 ° C. or less, and the pressure molding. A method for producing a porous carbon body comprising a step of placing a body in a mold having a target shape and heat-treating the body at a temperature of 250 to 500 ° C.
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