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JP6567356B2 - Hollow carbon particles comprising elemental nitrogen and method for producing hollow carbon particles - Google Patents
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Hollow carbon particles comprising elemental nitrogen and method for producing hollow carbon particles Download PDF

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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。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できることなどから、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. In recent years, attempts have been made to hollow out particulate materials because various surface materials can have a large surface area while reducing the particle diameter.

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.

しかしながら、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という問題があった。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った。さらに、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, there is a problem that the amount of spray and heat conduction are limited, and the productivity is extremely low. In the method described in Non-Patent Document 2, it is necessary to use toxic hydrogen fluoride in order to remove silica as a template, and a special container must be used. There was a problem. Furthermore, hollow carbon particles containing nitrogen elements are not known in the prior art.

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

本発明の課題は、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 a hollow carbon particle containing elemental nitrogen and an efficient and safe method for producing a hollow carbon particle.

本発明者らは、上記課題を解決するために、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 studied in detail the hollow carbon particles containing nitrogen element and the method for producing the hollow carbon particles. As a result, the present invention has been completed.

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つの空隙を有し、窒素元素を含んでなる中空炭素粒子。
[2]窒素元素の含有量が、中空炭素粒子の質量に対して1質量%以上30質量%以下である、上記[1]に記載の中空炭素粒子。
[3]上記中空炭素粒子の平均粒子径が50nm以上500nm以下であり、中空炭素粒子を形成する炭素壁の平均厚みが1nm以上200nm以下である、上記[1]または[2]に記載の中空炭素粒子。
[4]上記のゼータ電位が負である樹脂組成物からなるコアの表面を熱硬化性樹脂で被覆し、被覆コアを得る被覆工程、
被覆コアを加熱して熱硬化性樹脂を硬化し、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、中空炭素粒子の製造方法。
[5]上記のゼータ電位が負である樹脂組成物がポリスチレンを含んでなる、上記[4]に記載の製造方法。
[6]上記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂を含んでなる、上記[4]または[5]に記載の製造方法。
[7]上記フェノール樹脂が窒素官能基を有するフェノール樹脂を含んでなる、上記[6]に記載の製造方法。
[8]上記硬化工程を液相で行う、上記[4]〜[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9]上記熱処理工程と上記炭化工程とを同時に行う、上記[4]〜[8]のいずれかに記載の製造方法。
[10]上記熱処理工程および/または上記炭化工程を、300℃以上3000℃以下の温度で不活性ガス雰囲気下に行う、上記[4]〜[9]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 and containing nitrogen element.
[2] The hollow carbon particles according to [1], wherein the content of nitrogen element is 1% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the mass of the hollow carbon particles.
[3] The hollow according to [1] or [2], wherein the hollow carbon particles have an average particle diameter of 50 nm or more and 500 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. Carbon particles.
[4] A coating step of coating the surface of the core made of the resin composition having a negative zeta potential with a thermosetting resin to obtain a coated core,
A curing step of heating the coated core to cure the thermosetting resin to obtain a cured coated core;
A method for producing hollow carbon particles, comprising: a heat treatment step of thermally 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.
[5] The production method according to the above [4], wherein the resin composition having a negative zeta potential comprises polystyrene.
[6] The production method according to [4] or [5], wherein the thermosetting resin comprises a phenol resin.
[7] The production method according to [6], wherein the phenol resin comprises a phenol resin having a nitrogen functional group.
[8] The production method according to any one of [4] to [7], wherein the curing step is performed in a liquid phase.
[9] The production method according to any one of [4] to [8], wherein the heat treatment step and the carbonization step are performed simultaneously.
[10] The production method according to any one of [4] to [9], wherein the heat treatment step and / or the carbonization step is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 300 ° C. or higher and 3000 ° 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、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 a hollow carbon particle having an advantage of a high specific surface area and a low density and containing nitrogen element, and an efficient and safe method for producing a hollow carbon particle.

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. 実施例2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。3 is an electron microscopic observation view of hollow carbon particles produced according to Example 2. FIG. 実施例2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。3 is a transmission microscope observation view of hollow carbon particles produced according to Example 2. FIG. 実施例3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。4 is an electron microscopic observation view of hollow carbon particles produced according to Example 3. FIG. 実施例3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。4 is a transmission microscope observation view of hollow carbon particles produced according to Example 3. FIG. 比較例1に従って製造したコアの電子顕微鏡観察図である。6 is an electron microscopic observation view of a core manufactured according to Comparative 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. 比較例2に従って製造した生成物の電子顕微鏡観察図である。6 is an electron microscopic observation view of a product manufactured according to Comparative Example 2. FIG.

本発明の中空炭素粒子は、内部に1つの空隙を有し、窒素元素を含んでなる。   The hollow carbon particle of the present invention has one void inside and contains 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、中空炭素粒子を製造する際に使用する熱硬化性樹脂および熱処理条件に依存し、中空炭素粒子の質量に対して、好ましくは1質量%以上30質量%以下、より好ましくは2質量%以上20質量%以下、特に好ましくは2質量%以上15質量%以下である。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、窒素元素含有の効果(例えば電気的効果)を好適に得ることができ、酸素に対する良好な安定性を得ることができる。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(堀場製作所製EMGA-930)を用いて測定することができる。
<Content of nitrogen element>
The amount of elemental nitrogen contained in the hollow carbon particles of the present invention depends on the thermosetting resin and heat treatment conditions used when producing the hollow carbon particles, and is preferably 1 mass relative to the mass of the hollow carbon particles. % To 30% by mass, more preferably 2% to 20% by mass, and particularly preferably 2% to 15% by mass. When the amount of the nitrogen element contained in the hollow carbon particles is within the above range, the nitrogen element-containing effect (for example, electrical effect) can be suitably obtained, and good stability against oxygen can be obtained. In the present invention, the content of nitrogen element can be measured using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer (EMGA-930 manufactured by Horiba, Ltd.).

<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50nm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することができ、中空を維持することができ、中空域が好適に利用されて良好な表面積増大をもたらすことができる。
<Average particle size>
The average particle size of the hollow carbon particles of the present invention is preferably 50 nm or more and 500 nm or less, more preferably 60 nm or more and 400 nm or less. When the average particle diameter of the hollow carbon particles is within the above range, the hollow carbon particles can have good mechanical strength, can maintain the hollow, and the hollow region is preferably used to increase the surface area. Can bring.

<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、コアに対する熱硬化性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することができ、熱硬化性樹脂を過剰に使用しないことから粒子同士の癒着を防止することもできる。本発明において炭素壁の平均厚みは、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ることができる。
<Average thickness of carbon wall>
The average thickness of the carbon walls forming the hollow carbon particles can be controlled by the amount of the thermosetting 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 and the hollowness can be maintained, and the thermosetting resin is not used excessively, thereby preventing adhesion between particles. You can also In the present invention, the average thickness of the carbon wall is obtained by observing hollow carbon particles with a transmission electron microscope (JEM3200-FS, manufactured by JEOL Ltd.), measuring the thickness of the carbon wall of 10 hollow carbon particles, and calculating the average value. Can be obtained by calculating.

<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、ゼータ電位が負である樹脂組成物からなるコアの平均直径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をもたらすことができる。本発明において空隙の平均直径は、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ることができる。
<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 a resin composition having a negative zeta potential, which will be described later, preferably 50 nm or more and 200 nm or less, more preferably 60 nm. It is 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 (hereinafter sometimes referred to as hollow regions) are suitably used, and a favorable increase in surface area can 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 (JEM3200-FS, manufactured by JEOL Ltd.), measuring the diameter of the voids of 10 hollow carbon particles, and calculating the average value. Can be obtained.

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をもたらすことができ、良好な機械強度を得ることができる。   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, the hollow region can be suitably used, and good mechanical strength can be obtained.

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、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 maintained and the uneven distribution hardly occurs when the third component is injected into the hollow region, when the shape of the void is spherical.

本発明の中空炭素粒子は、内部に、通常は1つの空隙を有するが、2以上の空隙を有してよい。   The hollow carbon particles of the present invention usually have one void inside, but may have two or more voids.

中空炭素粒子の製造方法は、
ゼータ電位が負である樹脂組成物からなるコアの表面を熱硬化性樹脂で被覆し、被覆コアを得る被覆工程、
被覆コアを加熱して熱硬化性樹脂を硬化し、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。
The method for producing hollow carbon particles is:
A coating step of coating the surface of a core made of a resin composition having a negative zeta potential with a thermosetting resin to obtain a coated core;
A curing step of heating the coated core to cure the thermosetting resin to obtain a cured coated core;
It includes a heat treatment step in which the cured coated core is heat treated to thermally decompose the core to obtain a hollow carbon particle precursor, and a carbonization step in which the hollow carbon particle precursor is carbonized.

<コア>
本発明において、コアは、ゼータ電位が負である樹脂組成物からなる。ゼータ電位が負である樹脂組成物は、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ること、分解時に水、炭酸ガスなどの賦活性ガスを発生しないことなどの観点から、ゼータ電位が負である樹脂組成物が、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、ゼータ電位が負である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。ゼータ電位が負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、ゼータ電位が負である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 having a negative zeta potential. The resin composition having a negative zeta potential is preferably formed by polymerization of an aromatic vinyl monomer such as styrene, a vinyl monomer such as vinyl acetate, or a (meth) acrylic acid monomer such as methyl methacrylate. A resin capable of being produced. The resin composition having a negative zeta potential includes a resin produced using styrene from the viewpoints of being easily thermally decomposable and not generating an activation gas such as water and carbon dioxide during decomposition. More specifically, it is more preferable that the resin composition having a negative zeta potential comprises polystyrene. The resin composition having a negative zeta potential 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 having a negative zeta potential.

コアは、負のゼータ電位を有する樹脂組成物からなる。「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、「コアは負のゼータ電位を有する樹脂組成物からなる」とは、コアが負に帯電しているということである。コアのゼータ電位は、負であれば特に限定されない。好ましくは−30v以上−70mV以下、より好ましくは−40mV以上−60mV以下である。   The core is made of a resin composition having a negative 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 is made of a resin composition having a negative zeta potential” means that the core is negative. It is that it is charged. The zeta potential of the core is not particularly limited as long as it is negative. Preferably they are -30v or more and -70mV or less, More preferably, they are -40mV or more and -60mV or less.

コアの表面電位によって、コアの表面を熱硬化性樹脂で被覆した際に、熱硬化性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、硬化工程後に熱硬化性樹脂被覆層が局所的に薄くなるため、後に記載する炭化処理に耐えることができず、中空炭素粒子を形成することができない。   Depending on the surface potential of the core, when the surface of the core is coated with the thermosetting resin, the manner in which the thermosetting resin is fixed to the core changes. Specifically, the fixing is homogenized or the coated cores are fused together. When the coated cores are bonded to each other, the thermosetting resin coating layer is locally thinned after the curing step, so that it cannot withstand the carbonization treatment described later, and hollow carbon particles cannot be 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、好適な中空域を得ることができ、良好な表面積増大をもたらすことができ、後に記載する炭化処理によって中空域は閉塞されず、維持することができる。   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 can be obtained, and a favorable increase in surface area can be obtained, and the hollow region can be 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、懸濁させ、重合開始剤を加えて加熱撹拌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 produced, for example, by adding a monomer to distilled water, purified water or ion-exchanged water as a solvent, sufficiently stirring, suspending, adding a polymerization initiator, and stirring with heating.

モノマーは、負に帯電している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ること、分解時に水、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。   The monomer is not particularly limited as long as a negatively charged core can be produced. 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を回避することができ、エマルションの安定性を確保することができる。   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 can be avoided, and the stability of the emulsion can be ensured.

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負にするために、重合開始剤として、無機過酸化物を使用することができる。無機過酸化物であれば特に限定されず、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸リチウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸カルシウム、過硫酸マグネシウムなどを使用することができる。生成するコアへの重合開始剤の残留を回避するためには、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウムを使用することが好ましい。ビニル系モノマーおよび(メタ)アクリル酸系モノマーを用いてコアを製造する場合、重合開始剤として、過硫酸カリウムのような水溶性アニオン型重合開始剤、および2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)2塩酸塩のような水溶性カチオン型重合開始剤を使用することができる。水溶性カチオン型重合開始剤を使用することが好ましい。   The zeta potential of the core can be adjusted by the polymerization initiator. When producing a core using a styrene monomer, an inorganic peroxide can be used as a polymerization initiator in order to make the zeta potential of the core negative. The inorganic peroxide is not particularly limited, and for example, ammonium persulfate, lithium persulfate, sodium persulfate, potassium persulfate, calcium persulfate, magnesium persulfate, and the like can be used. In order to avoid the residue of the polymerization initiator in the produced core, it is preferable to use ammonium persulfate, sodium persulfate, or ammonium persulfate. When a core is produced using a vinyl monomer and a (meth) acrylic acid monomer, a water-soluble anionic polymerization initiator such as potassium persulfate and 2,2′-azobis (2-methyl) are used as a polymerization initiator. Water-soluble cationic polymerization initiators such as propionamidine) dihydrochloride can be used. It is preferable to use a water-soluble cationic polymerization initiator.

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を維持することができ、重合を十分に進行させることができる。 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 polymer molecular weight can be obtained, so that the shape of the core can be maintained and the polymerization can be sufficiently advanced.

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、重合を十分に進行させることができるためにモノマーの残留を回避することができ、重合速度が速すぎないためにコアの平均直径を制御することができる。   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. When the temperature at which the monomer polymerization is performed is within the above range, the polymerization can be sufficiently progressed so that monomer residue can be avoided, and the average diameter of the core is controlled because the polymerization rate is not too high. can do.

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、ゼータ電位が負である樹脂組成物からなるコアの表面に熱硬化性樹脂を被覆し、被覆コアを得ることができる。
<Coating process>
In the coating step, the core of the resin composition having a negative zeta potential can be coated with a thermosetting resin to obtain a coated core.

本発明では、熱硬化性樹脂は、好ましくは、フェノール樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、メラミン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂を1つ以上含んでなる。炭化収率および炭化物の窒素元素含有量の観点から、より好ましくは、熱硬化性樹脂はフェノール樹脂を含んでなる。   In the present invention, the thermosetting resin is preferably one phenol resin, polycarbodiimide resin, epoxy resin, furan resin, polyimide resin, polyamide resin, polyamideimide resin, melamine resin, polyacrylonitrile resin, unsaturated polyester resin. Including the above. From the viewpoint of the carbonization yield and the nitrogen element content of the carbide, more preferably, the thermosetting resin comprises a phenol resin.

フェノール樹脂は、フェノール類とホルムアルデヒドとの縮合(重合)反応によって生成することができる。使用できるフェノール類は、ホルムアルデヒドと重合してフェノール樹脂を生成するものであればよく、特に限定されない。例えば、フェノール、クレゾール、キシレノール、ビスフェノールA、ビスフェノールF、レゾルシノール、メチルレゾルシノール、アミノフェノールなどを使用することができる。本発明では、フェノール樹脂が、窒素官能基を有するフェノール樹脂を含むことが好ましいことから、フェノール類が、窒素官能基を有するフェノールであることが好ましい。窒素官能基を有するフェノールは、例えば、2−アミノフェノール、3−アミノフェノール、4−アミノフェノール、2,6−ジアミノフェノール、2,4−ジアミノフェノールである。特に、入手性および経済性を考慮すると、2−アミノフェノールおよび4−アミノフェノールが好ましい。   The phenol resin can be produced by a condensation (polymerization) reaction between phenols and formaldehyde. The phenols that can be used are not particularly limited as long as they form a phenol resin by polymerization with formaldehyde. For example, phenol, cresol, xylenol, bisphenol A, bisphenol F, resorcinol, methyl resorcinol, aminophenol and the like can be used. In this invention, since it is preferable that a phenol resin contains the phenol resin which has a nitrogen functional group, it is preferable that phenols are a phenol which has a nitrogen functional group. The phenol having a nitrogen functional group is, for example, 2-aminophenol, 3-aminophenol, 4-aminophenol, 2,6-diaminophenol, or 2,4-diaminophenol. In view of availability and economy, 2-aminophenol and 4-aminophenol are particularly preferable.

フェノール類とホルムアルデヒドとの混合比は、フェノール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。フェノール類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、反応によりフェノール分を完全に消費することができ、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されることを回避できる。   The mixing ratio of phenols and formaldehyde is not particularly limited as long as a large amount of formaldehyde is mixed in order to completely react and consume the phenol content. Formaldehyde is usually used at a mixing ratio of 1.0 to 10 mol times, preferably 1.0 to 8 mol times with respect to 1 mol of phenols. When the mixing ratio is within the above range, the phenol content can be completely consumed by the reaction, and insoluble paraformaldehyde can be prevented from being generated by the self-condensation of too much formaldehyde.

本発明において、熱硬化性樹脂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以下の量で熱硬化性樹脂を使用する。熱硬化性樹脂とコアとの組成比が上記範囲内であると、コアを良好に被覆することができ、被覆以前に熱硬化性樹脂のみからなる生成物が生じることを回避できる。   In the present invention, the composition ratio between the thermosetting resin and the core is not particularly limited. The thermosetting resin 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 thermosetting resin and the core is within the above range, the core can be satisfactorily coated, and it is possible to avoid the formation of a product composed only of the thermosetting resin before coating.

熱硬化性樹脂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、より好ましくは120℃以上180℃以下の温度で実施することができる。熱硬化性樹脂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を確保することができ、コア表面で重合反応が進行する前に熱硬化性樹脂が重合することを回避できる。   The temperature at which the polymerization reaction of the thermosetting resin is performed is not particularly limited. Usually, it can be carried out at a temperature of 40 to 200 ° C., preferably 60 to 180 ° C., more preferably 120 to 180 ° C. If the temperature for carrying out the polymerization reaction of the thermosetting resin is within the above range, the polymerization reaction proceeds within an appropriate time, so that an economic advantage can be secured, and before the polymerization reaction proceeds on the core surface. It is possible to avoid polymerization of the thermosetting resin.

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.

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ることができる。本発明では、この分散液に、熱硬化性樹脂成分(例えばフェノール類とホルムアルデヒド)を添加することにより、熱硬化性樹脂(例えばフェノール樹脂)で被覆されたコア(被覆コア)を得ることができ、この被覆コアは、分散した状態から、ろ過または遠心分離によって分離することができる。   When the core is produced in a solvent as described above, the core can be obtained in a state dispersed in the solvent. In the present invention, a core (coated core) coated with a thermosetting resin (for example, phenol resin) can be obtained by adding a thermosetting resin component (for example, phenols and formaldehyde) to the dispersion. The coated core can be separated from the dispersed state by filtration or centrifugation.

<硬化工程>
硬化工程では、被覆コアを加熱して熱硬化性樹脂を硬化し、硬化された被覆コアを得ることができる。硬化反応を実施する温度は、使用する熱硬化性樹脂による。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℃以下の温度で実施することができる。
<Curing process>
In the curing step, the coated core can be heated to cure the thermosetting resin, and a cured coated core can be obtained. The temperature at which the curing reaction is carried out depends on the thermosetting resin used. Usually, it 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、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をさらに抑制することができる。被覆工程と硬化工程を同時に行う温度は、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℃以下である。被覆工程と硬化工程を同時に行う温度が上記範囲内であると、熱硬化性樹脂がコア表面で重合し、熱硬化性樹脂の硬化を十分に進行させることができる。   The coating step and the curing step can be performed simultaneously, and by performing simultaneously, 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 usually 40 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or higher and 180 ° 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 thermosetting resin is polymerized on the core surface, and the curing of the thermosetting resin can sufficiently proceed.

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 method for heating 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.

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ることができる。本発明では、先に記載したように、この分散液に熱硬化性樹脂成分を添加することにより被覆コアを得ることができ(被覆工程)、被覆工程に次いでまたは被覆工程と同時に、硬化工程を行うことができる。このような場合、硬化工程は液相で行われ、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、濾過または遠心分離によって分離することができる。   When the core is produced in a solvent as described above, the core can be obtained in a state dispersed in the solvent. In the present invention, as described above, a coated core can be obtained by adding a thermosetting resin component to this dispersion (coating step). After the coating step or simultaneously with the coating step, the curing step is performed. It can be carried out. In such a case, the curing step is performed in a liquid phase, which is preferable from the viewpoint of avoiding adhesion between the coated cores and the cured coated cores. The cured coated core can be separated by filtration or centrifugation.

分離された硬化被覆コアを乾燥することもでき、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することができる。   The separated cured coated core can also 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 can be 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してコアを熱分解し、中空炭素粒子前駆体を得ることができる。熱処理温度は、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3000℃以下、好ましくは350℃以上2800℃以下、より好ましくは400℃以上2500℃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を分解揮発することができ、中空域をもたらすことができる。
<Heat treatment process>
In the heat treatment step, the hardened coated core is heat treated to thermally decompose the core, thereby obtaining a hollow carbon particle precursor. The heat treatment temperature is not particularly limited as long as the core is decomposed and volatilized. Usually, it is 300 to 3000 ° C, preferably 350 to 2800 ° C, more preferably 400 to 2500 ° C. When the heat treatment temperature is within the above range, the core can be decomposed and volatilized without any residue, and a hollow region can be provided.

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、コアを良好に分解揮発することができ、中空域をもたらすことができる。   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 can be decomposed and volatilized well, and a hollow region can be 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を維持することができ、コアの溶融および炭化が起こらないことから炭素純度の低下を回避することができる。   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 structure of the hollow carbon particle precursor can be maintained because the thermal decomposition rate of the core is not too high, Since carbonization does not occur, a decrease in carbon purity can be avoided.

熱処理は、不活性ガス雰囲気下で行うこともできる。不活性ガスとして、窒素、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、窒素を使用することが好ましい。   The heat treatment can also be performed in an inert gas atmosphere. Nitrogen, argon, etc. can be used as the inert gas. In view of economy and availability, it is preferable to use nitrogen.

<炭化工程>
炭化工程では、中空炭素粒子前駆体に炭化処理を施し、中空炭素粒子を得ることができる。炭化温度は、中空炭素粒子前駆体を炭化処理できる温度であれば特に限定されない。通常は300℃以上3000℃以下、好ましくは350℃以上2800℃以下、より好ましくは400℃以上2500℃以下である。炭化温度が上記範囲内であると、炭化処理を十分に施すことができ、フェノール樹脂が窒素官能基を有するフェノール樹脂を含んでなる場合に窒素官能基由来窒素分の低下を回避することができる。
<Carbonization process>
In the carbonization step, the hollow carbon particle precursor can be carbonized to obtain hollow carbon particles. The carbonization temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the hollow carbon particle precursor can be carbonized. Usually, it is 300 to 3000 ° C, preferably 350 to 2800 ° C, more preferably 400 to 2500 ° C. When the carbonization temperature is within the above range, the carbonization treatment can be sufficiently performed, and when the phenol resin contains a phenol resin having a nitrogen functional group, a decrease in nitrogen content derived from the nitrogen functional group can be 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、炭化処理を十分に施すことができ、フェノール樹脂が窒素官能基を有するフェノール樹脂を含んでなる場合に窒素官能基由来窒素分の過度な低下を回避することができる。   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 can be sufficiently performed, and when the phenol resin contains a phenol resin having a nitrogen functional group, an excessive decrease in nitrogen content derived from the nitrogen functional group is avoided. Can do.

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ることから炭化収率の低下を回避することができる。   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 maintained because of the carbonization rate that is not too fast, so that a reduction in carbonization yield can be 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、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を炭化処理することにより、フェノール樹脂の燃焼、酸化および熱分解促進に起因する収率の低下を抑制することができる。   The carbonization treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere. Nitrogen, argon, etc. can be used as the inert gas. In consideration of economy and availability, it is preferable to carry out under nitrogen. By carbonizing the hollow carbon particle precursor in an inert gas atmosphere, it is possible to suppress a decrease in yield due to combustion, oxidation, and thermal decomposition promotion of the phenol resin.

好ましくは、熱処理工程と炭化工程とを同時に行う。これにより、時間およびエネルギーを節約できるため、生産効率を高めることができる。同時に行う場合、熱処理および炭化処理は、通常は300℃以上3000℃以下、好ましくは350℃以上2800℃以下、より好ましくは400℃以上2500℃以下の温度で行われ、上記のように収率低下が抑制される観点から、不活性ガス雰囲気下に行うことが好ましい。   Preferably, the heat treatment step and the carbonization step are performed simultaneously. Thereby, since time and energy can be saved, production efficiency can be improved. When performed simultaneously, the heat treatment and carbonization are usually performed at a temperature of 300 ° C. or higher and 3000 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or higher and 2800 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower. It is preferable to carry out in inert gas atmosphere from a viewpoint of suppressing this.

中空炭素粒子前駆体を炭化処理する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 carbonizing the hollow carbon particle precursor 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>
フェノール樹脂が窒素官能基を有するフェノール樹脂を含んでなる場合に、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、好ましくは1質量%以上30質量%以下、より好ましくは2質量%以上20質量%以下であり、導電性を発揮する観点からは好ましくは2質量%以上15質量%以下である。この窒素元素の含有量は、窒素官能基を有するフェノール類の分子中の窒素の含有量、並びに窒素官能基の種類および位置に依存する。さらに、ホルムアルデヒドの使用量(窒素官能基を有するフェノール類との混合比)にも依存する。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、窒素元素含有の効果(例えば電気的効果)を好適に得ることができ、酸素に対する良好な安定性を得ることができる。窒素元素の含有量は、先に記載した手順で測定することができる。
<Content of nitrogen element>
When the phenol resin comprises a phenol resin having a nitrogen functional group, the amount of nitrogen element contained in the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention is preferably 1 mass relative to the mass of the hollow carbon particles. % To 30% by mass, more preferably 2% to 20% by mass, and preferably 2% to 15% by mass from the viewpoint of exhibiting conductivity. The content of this nitrogen element depends on the content of nitrogen in the molecule of phenols having a nitrogen functional group, and the type and position of the nitrogen functional group. Furthermore, it depends on the amount of formaldehyde used (mixing ratio with phenols having a nitrogen functional group). When the amount of the nitrogen element contained in the hollow carbon particles is within the above range, the nitrogen element-containing effect (for example, electrical effect) can be suitably obtained, and good stability against oxygen can be obtained. The content of elemental nitrogen can be 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50nm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することができ、中空を維持することができ、中空域が好適に利用されて良好な表面積増大をもたらすことができる。
<Average particle size>
The average particle diameter of the hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention is preferably 50 nm or more and 500 nm or less, more preferably 60 nm or more and 400 nm or less. When the average particle diameter of the hollow carbon particles is within the above range, the hollow carbon particles can have good mechanical strength, can maintain the hollow, and the hollow region is preferably used to increase the surface area. Can bring.

<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、コアに対する熱硬化性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することができ、熱硬化性樹脂を過剰に使用しないことから粒子同士の癒着を防止することもできる。炭素壁の平均厚みは、先に記載した手順で測定することができる。
<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 thermosetting resin relative to the core, preferably 1 nm to 200 nm, more preferably 10 nm to 100 nm. It is. 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 and the hollowness can be maintained, and the thermosetting resin is not used excessively, thereby preventing adhesion between particles. You can also The average thickness of the carbon wall can be 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の空隙の平均直径は、コアの平均直径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をもたらすことができる。空隙の平均直径は、先に記載した手順で測定することができる。
<Gap>
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 is preferably 50 nm to 200 nm, more preferably 60 nm to 180 nm. When the average diameter of the voids of the hollow carbon particles is within the above range, the voids inside the hollow carbon particles can be suitably used to bring about a good surface area increase. The average diameter of the voids can be 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をもたらすことができ、良好な機械強度を得ることができる。   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, the hollow region can be suitably used, and good mechanical strength can be obtained.

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、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 maintained and the uneven distribution hardly occurs when the third component is injected into the hollow region, when the shape of the void is spherical.

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、通常は1つの空隙を有するが、2以上の空隙を有してよい。   The hollow carbon particles obtained by the production method of the present invention usually have one void inside, but may have two or more voids.

実施例
以下、実施例により本発明を更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, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the examples. 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:
透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM3200-FS)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 by a transmission electron microscope (JEM3200-FS manufactured by JEOL Ltd.), 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:
先に記載した手順で測定した。
Elemental nitrogen content:
The measurement was performed according to the procedure described above.

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.

炭素壁の平均厚み:
先に記載した手順で測定した。
Average thickness of carbon wall:
The measurement was performed according to the procedure described above.

空隙の平均直径:
先に記載した手順で測定した。
Average diameter of voids:
The measurement was performed according to the procedure described above.

空隙率:
空隙率は、下記式:
から算出した。
Porosity:
The porosity is given by the following formula:
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。そこにスチレン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および乾燥した後、電子顕微鏡を用いて観察した。結果を図1に示す。電子顕微鏡観察図において、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。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分間反応させた。
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. Thereto, 2 g of styrene and 0.03 g of potassium persulfate were added, and the system was heated to 70 ° C. while flowing nitrogen. The mixture was stirred 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 on a cover glass and dried, and then observed using an electron microscope. The results are shown in FIG. In the electron microscopic observation drawing, the diameters of 10 cores were 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 mixed solution, 1.88 g of a 30% formaldehyde solution (equal molar 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 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、3−アミノフェノール10gを添加し、17%アンモニア水溶液10mlおよびエタノール100gを添加した。混合液を撹拌しながらホルムアルデヒド30%溶液9.40g(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分間反応させた。
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、6.18g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4に、透過顕微鏡観察図を図5に示す。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, 10 g of 3-aminophenol was added, and 10 ml of a 17% aqueous ammonia solution and 100 g of ethanol were added. While stirring the mixed solution, 9.40 g of a 30% formaldehyde solution (3-aminophenol equimolar amount) 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 6.18 g of hollow carbon particles. The electron microscope observation figure of the obtained hollow carbon particle is shown in FIG. 4, and the transmission microscope observation figure is shown in FIG. Table 1 shows the results of elemental analysis.

実施例3
高速炉(モトヤマ製)において、窒素下800℃で2時間、熱処理および炭化処理した以外は実施例2と同様に行い、2.18g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6に、透過顕微鏡観察図を図7に示す。また、元素分析の結果を表1に示す
Example 3
A fast reactor (manufactured by Motoyama) was used in the same manner as in Example 2 except that it was heat-treated and carbonized at 800 ° C. for 2 hours under nitrogen to obtain 2.18 g of hollow carbon particles. The electron microscope observation figure of the obtained hollow carbon particle is shown in FIG. 6, and the transmission microscope observation figure is shown in FIG. The results of elemental analysis are shown in Table 1.

比較例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。そこにスチレン2gおよび2−アミジノプロパン塩酸塩0.02gを添加し、窒素を流通しながら系を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および乾燥した後、電子顕微鏡を用いて観察した。結果を図8に示す。電子顕微鏡観察図において、10個のコアの直径を計測し、その平均値を求めたところ81.4nm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、+46.4mVであった。
このコア分散液に、3−アミノフェノール10gを添加し、17%アンモニア水溶液10mlおよびエタノール100gを添加した。混合液を撹拌しながらホルムアルデヒド30%溶液9.40g(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分間反応させた。
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9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
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. Thereto, 2 g of styrene and 0.02 g of 2-amidinopropane hydrochloride were added, and the system was heated to 70 ° C. while flowing nitrogen. The mixture was stirred 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 on a cover glass and dried, and then observed using an electron microscope. The results are shown in FIG. In the electron microscopic observation drawing, the diameters of 10 cores were measured, and the average value thereof was 81.4 nm. When the zeta potential of the obtained core dispersion was measured using Zeta Sizer Nano ZSP (manufactured by Malvern), it was +46.4 mV.
To this core dispersion, 10 g of 3-aminophenol was added, and 10 ml of a 17% aqueous ammonia solution and 100 g of ethanol were added. While stirring the mixed solution, 9.40 g of a 30% formaldehyde solution (3-aminophenol equimolar amount) was added, and the mixture was reacted at 150 ° C. for 30 minutes while being irradiated 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
比較例1において、生成物を高速炉(モトヤマ製)において窒素下800℃で2時間、熱処理および炭化処理した以外は、比較例1と同様に行った。生成物の電子顕微鏡観察図を図10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。
Comparative Example 2
In Comparative Example 1, the same procedure was performed as in Comparative Example 1 except that the product was heat-treated and carbonized at 800 ° C. for 2 hours in nitrogen in a fast reactor (manufactured by Motoyama). 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.

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 the like.

Claims (8)

内部に1つの空隙を有し、窒素元素を含んでなる中空炭素粒子であって、当該中空炭素粒子は、フェノール樹脂を含んでなる熱硬化性樹脂に由来し、当該中空炭素粒子の平均粒子径は50nm以上500nm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、中空炭素粒子Hollow carbon particles having one void inside and containing nitrogen element , the hollow carbon particles are derived from a thermosetting resin containing a phenol resin, and the average particle diameter of the hollow carbon particles Is a hollow carbon particle in which the average thickness of the carbon wall forming the hollow carbon particle is 1 nm or more and 200 nm or less . 窒素元素の含有量が、中空炭素粒子の質量に対して1質量%以上30質量%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 the content of nitrogen element is 1% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the mass of the hollow carbon particles. ゼータ電位が負である樹脂組成物からなるコアの表面を、フェノール樹脂を含んでなる熱硬化性樹脂で被覆し、被覆コアを得る被覆工程、
被覆コアを加熱して熱硬化性樹脂を硬化し、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 a resin composition having a negative zeta potential with a thermosetting resin containing a phenol resin to obtain a coated core;
A curing step of heating the coated core to cure the thermosetting 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.
上記のゼータ電位が負である樹脂組成物がポリスチレンを含んでなる、請求項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 3 , wherein the resin composition having a negative zeta potential comprises polystyrene. 上記フェノール樹脂が窒素官能基を有するフェノール樹脂を含んでなる、請求項3または4に記載の製造方法。 The production method according to claim 3 or 4 , wherein the phenol resin comprises a phenol resin having a nitrogen functional group. 上記硬化工程を液相で行う、請求項のいずれかに記載の製造方法。 Perform the curing step in a liquid phase process according to any one of claims 3-5. 上記熱処理工程と上記炭化工程とを同時に行う、請求項のいずれかに記載の製造方法。 Performing the aforementioned heat treatment step and the carbonization step at the same time, the production method according to any one of claims 3-6. 上記熱処理工程および/または上記炭化工程を、300℃以上3000℃以下の温度で不活性ガス雰囲気下に行う、請求項のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 3 to 7 , wherein the heat treatment step and / or the carbonization step is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 300 ° C or higher and 3000 ° C or lower.
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