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JP7168909B2 - Precursor material for producing carbon material and method for producing carbon material using the same - Google Patents
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本発明は、炭素材料製造用前駆体材料及びそれを用いた炭素材料の製造方法に関し、より詳しくは、アクリルアミド系共重合体からなる炭素材料製造用前駆体材料及びそれを用いた炭素材料の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a precursor material for producing a carbon material and a method for producing a carbon material using the same, and more particularly, a precursor material for producing a carbon material comprising an acrylamide-based copolymer and producing a carbon material using the precursor material. Regarding the method.

炭素材料の1種である炭素繊維の製造方法としては、従来から、ポリアクリロニトリルを紡糸して得られる炭素繊維前駆体に耐炎化処理を施した後、炭化処理を施す方法が主として採用されている(例えば、特公昭37-4405号公報(特許文献1)、特開2015-74844号公報(特許文献2)、特開2016-40419号公報(特許文献3)、特開2016-113726号公報(特許文献4))。この方法に用いられるポリアクリロニトリルは安価な汎用溶媒に溶解しにくいため、重合や紡糸の際に、ジメチルスルホキシドやN,N-ジメチルアセトアミド等の高価な溶媒を使用する必要があり、炭素繊維の製造コストが高くなるという問題があった。 As a method for producing carbon fiber, which is one type of carbon material, a method of applying a flameproofing treatment to a carbon fiber precursor obtained by spinning polyacrylonitrile and then carbonizing the precursor has been mainly adopted. (For example, JP-B-37-4405 (Patent Document 1), JP-A-2015-74844 (Patent Document 2), JP-A-2016-40419 (Patent Document 3), JP-A-2016-113726 ( Patent document 4)). Since the polyacrylonitrile used in this method is difficult to dissolve in inexpensive general-purpose solvents, it is necessary to use expensive solvents such as dimethylsulfoxide and N,N-dimethylacetamide during polymerization and spinning. There was a problem of high cost.

また、特開2013-103992号公報(特許文献5)には、アクリロニトリル単位96~97.5質量部と、アクリルアミド単位2.5~4質量部と、カルボン酸含有ビニルモノマー0.01~0.5質量部とからなるポリアクリロニトリル系共重合体からなる炭素材料前駆体繊維が記載されている。このポリアクリロニトリル系共重合体は、ポリマーの水溶性に寄与するアクリルアミド単位やカルボン酸含有ビニルモノマー単位を含有するものの、これらの含有量が少ないため、水には不溶であり、重合や成形加工の際に、N,N-ジメチルアセトアミド等の高価な溶媒を使用する必要があり、炭素繊維の製造コストが高くなるという問題があった。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-103992 (Patent Document 5) describes 96 to 97.5 parts by mass of acrylonitrile units, 2.5 to 4 parts by mass of acrylamide units, and 0.01 to 0.01 parts by mass of a carboxylic acid-containing vinyl monomer. A carbon material precursor fiber made of a polyacrylonitrile-based copolymer of 5 parts by mass is described. Although this polyacrylonitrile-based copolymer contains acrylamide units and carboxylic acid-containing vinyl monomer units that contribute to the water solubility of the polymer, since these contents are small, it is insoluble in water. In some cases, it is necessary to use an expensive solvent such as N,N-dimethylacetamide, which raises the problem of high production costs for carbon fibers.

さらに、ポリアクリロニトリルやその共重合体に加熱処理を施すと、急激な発熱が起こり、ポリアクリロニトリルやその共重合体の熱分解が加速されるため、炭素材料(炭素繊維)の収率が低くなるという問題があった。このため、ポリアクリロニトリルやその共重合体を用いて炭素材料(炭素繊維)を製造する場合には、耐炎化処理や炭化処理の昇温過程において、急激な発熱が発生しないように、長時間をかけて徐々に昇温する必要があった。 Furthermore, when polyacrylonitrile and its copolymer are subjected to heat treatment, rapid heat generation occurs, accelerating the thermal decomposition of polyacrylonitrile and its copolymer, which reduces the yield of carbon materials (carbon fibers). There was a problem. For this reason, when producing a carbon material (carbon fiber) using polyacrylonitrile or its copolymer, a long period of time must be taken during the temperature rising process of the flameproofing treatment or carbonization treatment so as not to generate sudden heat generation. It was necessary to gradually raise the temperature over time.

一方、アクリルアミド単位を多く含有するアクリルアミド系ポリマーは水溶性のポリマーであり、重合や成形加工(フィルム化、シート化、紡糸等)の際に、安価で環境負荷の小さい水を溶媒として使用することができるため、炭素材料の製造コストの削減が期待される。特開2018-90791号公報(特許文献6)には、アクリルアミド系ポリマーと、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分とを含有する炭素材料前駆体が記載されている。この炭素材料前駆体においては、炭化収率を向上させるために、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分が配合されている。このような酸等の添加成分を配合した炭素材料前駆体に耐炎化処理及び炭化処理を施した場合、得られる炭素材料に微量の前記添加成分が残存する場合があった。このため、酸等の添加成分を含まない炭素材料を効率的に得る方法の開発が期待されている。 On the other hand, acrylamide-based polymers containing a large amount of acrylamide units are water-soluble polymers, and water, which is inexpensive and has a low environmental impact, can be used as a solvent during polymerization and molding processes (filming, sheeting, spinning, etc.). Therefore, it is expected that the manufacturing cost of carbon materials will be reduced. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-90791 (Patent Document 6) describes a carbon material precursor containing an acrylamide-based polymer and at least one additive component selected from the group consisting of acids and salts thereof. . This carbon material precursor contains at least one additive component selected from the group consisting of acids and salts thereof in order to improve the carbonization yield. When a carbon material precursor containing such an additive component such as an acid is subjected to a flameproofing treatment and a carbonization treatment, a trace amount of the additive component may remain in the resulting carbon material. Therefore, development of a method for efficiently obtaining a carbon material that does not contain additive components such as acid is expected.

特公昭37-4405号公報Japanese Patent Publication No. 37-4405 特開2015-74844号公報JP 2015-74844 A 特開2016-40419号公報JP 2016-40419 A 特開2016-113726号公報JP 2016-113726 A 特開2013-103992号公報JP 2013-103992 A 特開2018-90791号公報JP 2018-90791 A

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、酸等の添加成分を配合しなくても、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する、アクリルアミド系共重合体からなる炭素材料製造用前駆体材料及びそれを用いた炭素材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art. It is an object of the present invention to provide a precursor material for producing a carbon material comprising an acrylamide-based copolymer and a method for producing a carbon material using the same.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アクリルアミド系モノマー単位とシアン化ビニル系モノマー単位と不飽和カルボン酸系モノマー単位とを特定の割合で含有するアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体を用いることによって、酸等の添加成分を配合しなくても、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する炭素材料前駆体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above object, and found that acrylamide/cyanide containing acrylamide-based monomer units, vinyl cyanide-based monomer units, and unsaturated carboxylic acid-based monomer units in a specific ratio. By using a vinyl/unsaturated carboxylic acid-based copolymer, a carbon having a high flame resistance yield, a high carbonization yield, and a high flame resistance and carbonization total yield without blending an additive component such as an acid. The inventors have found that a material precursor can be obtained, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の炭素材料製造用前駆体材料(以下、「炭素材料前駆体」ともいう)は、アクリルアミド系モノマー単位40~99.8モル%とシアン化ビニル系モノマー単位0.1~35モル%と不飽和カルボン酸系モノマー単位0.1~25モル%とを含有するアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体からなることを特徴とするものである。 That is, the precursor material for carbon material production of the present invention (hereinafter also referred to as "carbon material precursor") contains 40 to 99.8 mol % of acrylamide-based monomer units and 0.1 to 35 mol of vinyl cyanide-based monomer units. % and 0.1 to 25 mol % of unsaturated carboxylic acid monomer units.

このような炭素材料製造用前駆体材料においては、前記シアン化ビニル系モノマー単位に対する前記不飽和カルボン酸系モノマー単位のモル比(不飽和カルボン酸系モノマー単位/シアン化ビニル系モノマー単位)が0.01/1~1/1であることが好ましい。 In such a precursor material for carbon material production, the molar ratio of the unsaturated carboxylic acid-based monomer unit to the vinyl cyanide-based monomer unit (unsaturated carboxylic acid-based monomer unit/vinyl cyanide-based monomer unit) is 0. It is preferably between 0.01/1 and 1/1.

また、本発明の炭素材料の製造方法は、前記本発明の炭素材料製造用前駆体材料に耐炎化処理を施し、次いで、炭化処理を施すことを特徴とする方法である。 Further, the method for producing a carbon material of the present invention is a method characterized by subjecting the precursor material for producing a carbon material of the present invention to a flameproofing treatment and then to a carbonizing treatment.

なお、本発明の炭素材料前駆体が、酸等の添加成分を配合しなくても、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を示す理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の炭素材料前駆体においては、不飽和カルボン酸系モノマー単位が存在することによって、耐炎化処理時に、隣接する不飽和カルボン酸系モノマー単位とアクリルアミド系モノマー単位との間及び隣接する不飽和カルボン酸系モノマー単位同士の間で分子内環化反応が起こり、ポリマー鎖に環状構造が導入されて耐熱性が向上し、また、このような環状構造によってポリマー鎖の末端からの連鎖的な熱分解が抑制されることにより、熱安定性が向上し、さらに、耐炎化処理時や炭化処理時に分子間の架橋反応が進行し、炭素材料が形成しやすいため、耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上すると推察される。また、不飽和カルボン酸系モノマー単位が環化反応の触媒として作用するため、酸等の添加成分を配合しなくても、耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上すると推察される。 The reason why the carbon material precursor of the present invention exhibits a high flameproofing yield, a high carbonization yield, and a high flameproofing/carbonization total yield is not necessarily clear even without adding an additive component such as an acid. However, the present inventors conjecture as follows. That is, in the carbon material precursor of the present invention, due to the presence of unsaturated carboxylic acid-based monomer units, during the flameproofing treatment, An intramolecular cyclization reaction occurs between unsaturated carboxylic acid-based monomer units, introducing a cyclic structure into the polymer chain to improve heat resistance. In addition, the intermolecular cross-linking reaction proceeds during the flameproofing treatment and carbonization treatment, which facilitates the formation of a carbon material. It is presumed that the yield and the total yield of flameproofing and carbonization are improved. In addition, since the unsaturated carboxylic acid-based monomer unit acts as a catalyst for the cyclization reaction, the flameproofing yield, the carbonization yield, and the total yield of flameproofing and carbonization can be improved without adding an additive component such as an acid. expected to improve.

本発明によれば、酸等の添加成分を配合しなくても、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する、アクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体を得ることが可能となる。また、このような本発明の炭素材料前駆体を用いることによって、効率よく炭素材料を製造することが可能となる。 According to the present invention, a carbon material comprising an acrylamide-based copolymer that exhibits a high flameproofing yield, a high carbonization yield, and a high flameproofing/carbonization total yield without blending an additive component such as an acid. It becomes possible to obtain a precursor. Moreover, by using such a carbon material precursor of the present invention, it is possible to efficiently produce a carbon material.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will now be described in detail with reference to its preferred embodiments.

〔炭素材料前駆体〕
先ず、本発明の炭素材料前駆体について説明する。本発明の炭素材料前駆体は、アクリルアミド系モノマー単位40~99.8モル%とシアン化ビニル系モノマー単位0.1~35モル%と不飽和カルボン酸系モノマー単位0.1~25モル%とを含有するアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体からなり、炭素材料の製造に用いられる前駆体材料である。
[Carbon material precursor]
First, the carbon material precursor of the present invention will be described. The carbon material precursor of the present invention contains 40 to 99.8 mol % of acrylamide-based monomer units, 0.1 to 35 mol % of vinyl cyanide-based monomer units, and 0.1 to 25 mol % of unsaturated carboxylic acid-based monomer units. It consists of an acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer containing and is a precursor material used in the production of carbon materials.

(アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体)
本発明に用いられるアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体は、全モノマー単位100モル%に対して、アクリルアミド系モノマー単位を40~99.8モル%の割合で含有するものである。アクリルアミド系モノマー単位の含有量が前記下限未満になると、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体が後述する水性溶媒又は水系混合溶媒に溶解しにくくなる。他方、アクリルアミド系モノマー単位の含有量が前記上限を超えると、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する炭素材料前駆体が得られない。また、前記共重合体の水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性の観点から、アクリルアミド系モノマー単位の含有量の下限としては、50モル%以上が好ましく、60モル%以上がより好ましく、70モル%以上が特に好ましい。さらに、炭素材料前駆体の耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上するという観点から、アクリルアミド系モノマー単位の含有量の上限としては、99モル%以下が好ましく、97モル%以下がより好ましく、95モル%以下が更に好ましく、90モル%以下が特に好ましい。
(acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer)
The acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer used in the present invention contains 40 to 99.8 mol % of acrylamide monomer units with respect to 100 mol % of all monomer units. be. When the content of the acrylamide-based monomer units is less than the above lower limit, the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid-based copolymer becomes difficult to dissolve in the aqueous solvent or aqueous mixed solvent described below. On the other hand, if the acrylamide-based monomer unit content exceeds the above upper limit, a carbon material precursor having a high flameproofing yield, a high carbonization yield, and a high flameproofing/carbonization total yield cannot be obtained. From the viewpoint of solubility of the copolymer in an aqueous solvent or an aqueous mixed solvent, the lower limit of the content of acrylamide-based monomer units is preferably 50 mol% or more, more preferably 60 mol% or more, and 70 mol% or more. is particularly preferred. Furthermore, from the viewpoint of improving the flameproofing yield, the carbonization yield, and the total flameproofing/carbonization yield of the carbon material precursor, the upper limit of the content of acrylamide-based monomer units is preferably 99 mol% or less. 97 mol % or less is more preferable, 95 mol % or less is still more preferable, and 90 mol % or less is particularly preferable.

また、前記アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体は、全モノマー単位100モル%に対して、シアン化ビニル系モノマー単位を0.1~35モル%の割合で含有するものである。シアン化ビニル系モノマー単位の含有量が前記下限未満になると、炭素材料前駆体の成形加工性が低下する。他方、シアン化ビニル系モノマー単位の含有量が前記上限を超えると、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体が後述する水性溶媒又は水系混合溶媒に溶解しにくくなる。また、炭素材料前駆体の成形加工性が向上するという観点から、シアン化ビニル系モノマー単位の含有量の下限としては、1モル%以上が好ましく、5モル%以上がより好ましく、10モル%以上が更に好ましく、15モル%以上が特に好ましい。さらに、前記共重合体の水性溶媒又は水系混合溶媒に対する可溶性の観点から、シアン化ビニル系モノマー単位の含有量の上限としては、30モル%以下が好ましく、25モル%以下がより好ましい。 The acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer contains vinyl cyanide monomer units at a ratio of 0.1 to 35 mol% with respect to 100 mol% of all monomer units. be. If the content of the vinyl cyanide-based monomer unit is less than the above lower limit, the moldability of the carbon material precursor deteriorates. On the other hand, if the vinyl cyanide monomer unit content exceeds the above upper limit, the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer becomes difficult to dissolve in the aqueous solvent or aqueous mixed solvent described below. In addition, from the viewpoint of improving the moldability of the carbon material precursor, the lower limit of the content of the vinyl cyanide-based monomer unit is preferably 1 mol% or more, more preferably 5 mol% or more, and 10 mol% or more. is more preferred, and 15 mol % or more is particularly preferred. Furthermore, from the viewpoint of the solubility of the copolymer in an aqueous solvent or an aqueous mixed solvent, the upper limit of the vinyl cyanide-based monomer unit content is preferably 30 mol % or less, more preferably 25 mol % or less.

さらに、前記アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体は、全モノマー単位100モル%に対して、不飽和カルボン酸系モノマー単位を0.1~25モル%の割合で含有するものである。不飽和カルボン酸系モノマー単位の含有量が前記下限未満になると、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する炭素材料前駆体が得られない。他方、不飽和カルボン酸系モノマー単位の含有量が前記上限を超えると、炭素材料前駆体の成形加工性が低下する。また、炭素材料前駆体の耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上するという観点から、不飽和カルボン酸系モノマー単位の含有量の下限としては、0.2モル%以上が好ましく、1モル%以上がより好ましく、2モル%以上が特に好ましい。さらに、炭素材料前駆体の成形加工性に優れるという観点から、不飽和カルボン酸系モノマー単位の含有量の上限としては、20モル%以下が好ましく、10モル%以下がより好ましく、5モル%以下が特に好ましい。 Further, the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid-based copolymer contains unsaturated carboxylic acid-based monomer units at a ratio of 0.1 to 25 mol% with respect to 100 mol% of all monomer units. is. If the content of unsaturated carboxylic acid-based monomer units is less than the above lower limit, a carbon material precursor having a high flameproofing yield, a high carbonization yield, and a high flameproofing/carbonization total yield cannot be obtained. On the other hand, if the content of the unsaturated carboxylic acid-based monomer unit exceeds the above upper limit, the moldability of the carbon material precursor is lowered. In addition, from the viewpoint of improving the flameproofing yield, the carbonization yield, and the total yield of flameproofing and carbonization of the carbon material precursor, the lower limit of the content of the unsaturated carboxylic acid-based monomer unit is 0.2 mol. % or more is preferable, 1 mol % or more is more preferable, and 2 mol % or more is particularly preferable. Furthermore, from the viewpoint of excellent moldability of the carbon material precursor, the upper limit of the content of the unsaturated carboxylic acid-based monomer unit is preferably 20 mol% or less, more preferably 10 mol% or less, and 5 mol% or less. is particularly preferred.

また、前記アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体においては、シアン化ビニル系モノマー単位に対する不飽和カルボン酸系モノマー単位のモル比(不飽和カルボン酸系モノマー単位/シアン化ビニル系モノマー単位)が0.01/1~1/1であることが好ましく、0.02/1~0.6/1であることがより好ましく、0.05/1~0.5/1であることが特に好ましい。不飽和カルボン酸系モノマー単位/シアン化ビニル系モノマー単位が前記下限未満になると、耐炎化・炭化の総収率が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、炭素材料前駆体の成形加工性が低下する傾向にある。 In the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer, the molar ratio of unsaturated carboxylic acid monomer units to vinyl cyanide monomer units (unsaturated carboxylic acid monomer units/vinyl cyanide monomer unit) is preferably 0.01/1 to 1/1, more preferably 0.02/1 to 0.6/1, and 0.05/1 to 0.5/1 is particularly preferred. If the ratio of unsaturated carboxylic acid-based monomer unit/vinyl cyanide-based monomer unit is less than the above lower limit, the total yield of flameproofing and carbonization tends to decrease. Machinability tends to decrease.

前記アクリルアミド系モノマーとしては、例えば、アクリルアミド;N-メチルアクリルアミド、N-エチルアクリルアミド、N-n-プロピルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、N-n-ブチルアクリルアミド、N-tert-ブチルアクリルアミド等のN-アルキルアクリルアミド;N-シクロヘキシルアクリルアミド等のN-シクロアルキルアクリルアミド;N,N-ジメチルアクリルアミド等のジアルキルアクリルアミド;ジメチルアミノエチルアクリルアミド、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等のジアルキルアミノアルキルアクリルアミド;N-(ヒドロキシメチル)アクリルアミド、N-(ヒドロキシエチル)アクリルアミド等のヒドロキシアルキルアクリルアミド;N-フェニルアクリルアミド等のN-アリールアクリルアミド;ジアセトンアクリルアミド;N,N’-メチレンビスアクリルアミド等のN,N’-アルキレンビスアクリルアミド;メタクリルアミド;N-メチルメタクリルアミド、N-エチルメタクリルアミド、N-n-プロピルメタクリルアミド、N-イソプロピルメタクリルアミド、N-n-ブチルメタクリルアミド、N-tert-ブチルメタクリルアミド等のN-アルキルメタクリルアミド;N-シクロヘキシルメタクリルアミド等のN-シクロアルキルメタクリルアミド;N,N-ジメチルメタクリルアミド等のジアルキルメタクリルアミド;ジメチルアミノエチルメタクリルアミド、ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド等のジアルキルアミノアルキルメタクリルアミド;N-(ヒドロキシメチル)メタクリルアミド、N-(ヒドロキシエチル)メタクリルアミド等のヒドロキシアルキルメタクリルアミド;N-フェニルメタクリルアミド等のN-アリールメタクリルアミド;ジアセトンメタクリルアミド;N,N’-メチレンビスメタクリルアミド等のN,N’-アルキレンビスメタクリルアミドが挙げられる。これらのアクリルアミド系モノマーは1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、これらのアクリルアミド系モノマーの中でも、水性溶媒又は水系混合溶媒への溶解性が高いという観点から、アクリルアミド、N-アルキルアクリルアミド、ジアルキルアクリルアミド、メタクリルアミド、N-アルキルメタクリルアミド、ジアルキルメタクリルアミドが好ましく、アクリルアミドが特に好ましい。 Examples of the acrylamide-based monomers include acrylamide; N- alkylacrylamide; N-cycloalkylacrylamide such as N-cyclohexylacrylamide; dialkylacrylamide such as N,N-dimethylacrylamide; dialkylaminoalkylacrylamide such as dimethylaminoethylacrylamide and dimethylaminopropylacrylamide; N-(hydroxymethyl)acrylamide, Hydroxyalkylacrylamides such as N-(hydroxyethyl)acrylamide; N-arylacrylamides such as N-phenylacrylamide; diacetone acrylamide; N,N'-alkylenebisacrylamides such as N,N'-methylenebisacrylamide; methacrylamide; N-alkylmethacrylamides such as N-methylmethacrylamide, N-ethylmethacrylamide, Nn-propylmethacrylamide, N-isopropylmethacrylamide, Nn-butylmethacrylamide, N-tert-butylmethacrylamide; N - N-cycloalkyl methacrylamides such as cyclohexyl methacrylamide; dialkyl methacrylamides such as N,N-dimethyl methacrylamide; dialkylaminoalkyl methacrylamides such as dimethylaminoethyl methacrylamide and dimethylaminopropyl methacrylamide; N-(hydroxymethyl ) hydroxyalkyl methacrylamides such as methacrylamide and N-(hydroxyethyl) methacrylamide; N-aryl methacrylamides such as N-phenylmethacrylamide; diacetone methacrylamide; N, such as N,N'-methylenebismethacrylamide; N'-alkylene bis methacrylamides can be mentioned. These acrylamide-based monomers may be used alone or in combination of two or more. Among these acrylamide-based monomers, acrylamide, N-alkylacrylamide, dialkylacrylamide, methacrylamide, N-alkylmethacrylamide, and dialkylmethacrylamide are preferable from the viewpoint of high solubility in aqueous solvents or aqueous mixed solvents. , acrylamide is particularly preferred.

前記シアン化ビニル系モノマーとしては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、2-ヒドロキシエチルアクリロニトリル、クロロアクリロニトリル、クロロメタクリロニトリル、メトキシアクリロニトリル、メトキシメタクリロニトリルが挙げられる。これらのシアン化ビニル系モノマーは1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、これらのシアン化ビニル系モノマーの中でも、炭素材料前駆体の耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が向上するという観点から、アクリロニトリルが好ましい。 Examples of the vinyl cyanide monomer include acrylonitrile, methacrylonitrile, 2-hydroxyethyl acrylonitrile, chloroacrylonitrile, chloromethacrylonitrile, methoxyacrylonitrile, and methoxymethacrylonitrile. These vinyl cyanide monomers may be used alone or in combination of two or more. Among these vinyl cyanide-based monomers, acrylonitrile is preferable from the viewpoint of improving the flameproofing yield, the carbonization yield, and the total yield of flameproofing and carbonization of the carbon material precursor.

前記不飽和カルボン酸系モノマーとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、メサコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸等の不飽和カルボン酸及びその塩;マレイン酸無水物、イタコン酸無水物等の不飽和カルボン酸無水物が挙げられる。これらの不飽和カルボン酸系モノマーは1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、これらの不飽和カルボン酸系モノマーの中でも、耐炎化・炭化の総収率が向上するという観点から、アクリル酸、マレイン酸、フマル酸、マレイン酸無水物が好ましい。 Examples of the unsaturated carboxylic acid-based monomers include unsaturated carboxylic acids and salts thereof such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, citraconic acid, mesaconic acid, crotonic acid, and isocrotonic acid; Unsaturated carboxylic acid anhydrides such as anhydrides and itaconic anhydrides are included. These unsaturated carboxylic acid-based monomers may be used alone or in combination of two or more. Among these unsaturated carboxylic acid-based monomers, acrylic acid, maleic acid, fumaric acid, and maleic anhydride are preferable from the viewpoint of improving the total yield of flame resistance and carbonization.

また、本発明に用いられるアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体においては、本発明の効果を損なわない範囲において、アクリルアミド系モノマー単位、シアン化ビニル系モノマー単位及び不飽和カルボン酸系モノマー単位以外の他の重合性モノマー単位が含まれていてもよい。このような他の重合性モノマー単位の含有量としては、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の全モノマー単位100モル%に対して、20モル%以下が好ましく、10モル%以下がより好ましく、5モル%以下が更に好ましく、2モル%以下が特に好ましく、1モル%以下が最も好ましい。前記他の重合性モノマーとしては、例えば、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、アクリル酸2-ヒドロキシエチル、メタクリル酸2-ヒドロキシエチル等の不飽和カルボン酸エステル;スチレン、α-メチルスチレン等の芳香族ビニル系モノマー;塩化ビニル、ビニルアルコール等のシアン化ビニル系モノマー以外のビニル系モノマー;エチレン、プロピレン等のオレフィン系モノマーが挙げられる。 In the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer used in the present invention, acrylamide-based monomer units, vinyl cyanide-based monomer units and unsaturated carboxylic acid are added to the extent that the effects of the present invention are not impaired. Polymerizable monomer units other than the system monomer units may be included. The content of such other polymerizable monomer units is preferably 20 mol% or less, more preferably 10 mol%, based on 100 mol% of the total monomer units of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer. The following is more preferable, 5 mol % or less is even more preferable, 2 mol % or less is particularly preferable, and 1 mol % or less is most preferable. Examples of other polymerizable monomers include unsaturated carboxylic acid esters such as methyl acrylate, methyl methacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, and 2-hydroxyethyl methacrylate; aromatics such as styrene and α-methylstyrene; vinyl-based monomers; vinyl-based monomers other than vinyl cyanide-based monomers such as vinyl chloride and vinyl alcohol; and olefin-based monomers such as ethylene and propylene.

また、本発明に用いられるアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の重量平均分子量の上限としては、特に制限はないが、通常500万以下であり、炭素材料前駆体の成形加工性の観点から、200万以下が好ましく、100万以下がより好ましく、50万以下が更に好ましく、30万以下がまた更に好ましく、20万以下が特に好ましく、13万以下がまた特に好ましく、10万以下が最も好ましい。また、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の重量平均分子量の下限としては、特に制限はないが、通常1万以上であり、炭素材料前駆体の強度の観点から、2万以上が好ましく、3万以上がより好ましく、4万以上が特に好ましい。なお、前記アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィーを用いて測定されるものである。 The upper limit of the weight-average molecular weight of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer used in the present invention is not particularly limited, but is usually 5 million or less. from the viewpoint of the nature, preferably 2,000,000 or less, more preferably 1,000,000 or less, more preferably 500,000 or less, still more preferably 300,000 or less, particularly preferably 200,000 or less, particularly preferably 130,000 or less, 100,000 Most preferred are: The lower limit of the weight-average molecular weight of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer is not particularly limited, but is usually 10,000 or more, and from the viewpoint of the strength of the carbon material precursor, 20,000. More than 30,000 is preferable, 30,000 or more are more preferable, and 40,000 or more are especially preferable. The weight average molecular weight of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer is measured by gel permeation chromatography.

さらに、本発明に用いられるアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体は、水性溶媒(水、アルコール等、及びこれらの混合溶媒)及び水系混合溶媒(前記水性溶媒と有機溶媒(テトラヒドロフラン等)との混合溶媒)のうちの少なくとも一方に可溶なものであることが好ましい。これにより、炭素材料前駆体を成形する際には、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた乾式成形(乾式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、湿式成形(湿式紡糸)、又はエレクトロスピニングが可能となり、低コストで安全に炭素材料を製造することが可能となる。また、後述する炭素材料前駆体組成物を製造する際に、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた湿式混合が可能となり、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体と後述する添加成分とを均一かつ低コストで安全に混合することが可能となる。さらに、得られた炭素材料前駆体組成物を成形する際には、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた乾式成形(乾式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、湿式成形(湿式紡糸)、又はエレクトロスピニングが可能となり、低コストで安全に炭素材料を製造することが可能となる。なお、前記水系混合溶媒中の有機溶媒の含有量としては、前記水性溶媒に不溶又は難溶なアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体が有機溶媒を混合することによって溶解する量であれば特に制限はない。また、このようなアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の中でも、より低コストで安全に、炭素材料前駆体を成形したり、炭素材料前駆体組成物や炭素材料を製造することが可能となるという観点から、前記水性溶媒に可溶なアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体が好ましく、水に可溶な(水溶性の)アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体がより好ましい。 Furthermore, the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer used in the present invention can be used in aqueous solvents (water, alcohol, etc., and mixed solvents thereof) and aqueous mixed solvents (the aqueous solvent and the organic solvent (tetrahydrofuran) etc.) and a mixed solvent). As a result, when molding the carbon material precursor, dry molding (dry spinning), dry-wet molding (dry-wet spinning), wet molding (wet spinning), or electroforming using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent can be performed. Spinning becomes possible, and it becomes possible to manufacture a carbon material safely at low cost. Further, when producing the carbon material precursor composition described later, wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent becomes possible, and the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer, which will be described later, can be obtained. It becomes possible to mix the additive components uniformly and safely at a low cost. Furthermore, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry-wet molding (dry-wet spinning), wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. ), or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to manufacture carbon materials safely at low cost. The content of the organic solvent in the aqueous mixed solvent is the amount that the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer, which is insoluble or sparingly soluble in the aqueous solvent, dissolves when mixed with the organic solvent. There are no particular restrictions. In addition, among such acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymers, it is possible to form a carbon material precursor or to produce a carbon material precursor composition or a carbon material at a lower cost and safety. From the viewpoint of making it possible to achieve A saturated carboxylic acid-based copolymer is more preferred.

このようなアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体からなる本発明の炭素材料前駆体を製造する方法としては、ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合、リビングラジカル重合等の公知の重合反応を、溶液重合、懸濁重合、沈殿重合、分散重合、乳化重合(例えば、逆相乳化重合)等の重合方法によって行う方法を採用することができる。前記重合反応の中でも、炭素材料前駆体を低コストで製造できるという観点から、ラジカル重合が好ましい。また、溶液重合を採用する場合、溶媒としては、原料のモノマー及び得られるアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体が溶解するものを使用することが好ましく、低コストで安全に製造できるという観点から、前記水性溶媒(水、アルコール等、及びこれらの混合溶媒等)又は前記水系混合溶媒(前記水性溶媒と有機溶媒(テトラヒドロフラン等)との混合溶媒)を使用することがより好ましく、前記水性溶媒を使用することが特に好ましく、水を使用することが最も好ましい。 As a method for producing the carbon material precursor of the present invention comprising such an acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer, known polymerization such as radical polymerization, cationic polymerization, anionic polymerization and living radical polymerization can be used. A method of carrying out the reaction by a polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, precipitation polymerization, dispersion polymerization, emulsion polymerization (for example, inverse emulsion polymerization) can be employed. Among the above polymerization reactions, radical polymerization is preferred from the viewpoint that the carbon material precursor can be produced at low cost. When solution polymerization is employed, it is preferable to use a solvent that dissolves the raw material monomers and the obtained acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer, so that the production can be carried out safely at a low cost. From the viewpoint of being able to It is particularly preferred to use said aqueous solvents, most preferably water.

前記ラジカル重合においては、重合開始剤として、アゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム等の従来公知のラジカル重合開始剤を使用することができるが、溶媒として前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を使用する場合には、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム等の前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒(好ましくは前記水性溶媒、より好ましくは水)に可溶なラジカル重合開始剤が好ましい。また、炭素材料前駆体の成形加工性の向上と、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に対する溶解性の向上という観点から、前記重合開始剤に代えて又は加えて、テトラメチルエチレンジアミン等の従来公知の重合促進剤やn-ドデシルメルカプタン等のアルキルメルカプタン等の分子量調節剤を用いることが好ましく、前記前記重合開始剤と前記重合促進剤とを併用することが好ましく、過硫酸アンモニウムとテトラメチルエチレンジアミンとを併用することが特に好ましい。 In the radical polymerization, conventionally known radical polymerization initiators such as azobisisobutyronitrile, benzoyl peroxide, 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid), ammonium persulfate, and potassium persulfate are used as polymerization initiators. agent can be used, and when the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent is used as the solvent, 4,4′-azobis(4-cyanovaleric acid), ammonium persulfate, potassium persulfate A radical polymerization initiator soluble in a solvent or the aqueous mixed solvent (preferably the aqueous solvent, more preferably water) is preferred. In addition, from the viewpoint of improving the molding processability of the carbon material precursor and improving the solubility of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, the polymerization initiator Instead of or in addition to, it is preferable to use a conventionally known polymerization accelerator such as tetramethylethylenediamine or a molecular weight modifier such as an alkyl mercaptan such as n-dodecyl mercaptan, and the polymerization initiator and the polymerization accelerator are combined. The combined use is preferred, and the combined use of ammonium persulfate and tetramethylethylenediamine is particularly preferred.

重合開始剤を添加する際の温度としては特に制限はないが、炭素材料前駆体の成形加工性の向上という観点から、35℃以上が好ましく、40℃以上がより好ましく、45℃以上が更に好ましく、50℃以上が特に好ましく、55℃以上が最も好ましい。また、前記重合反応の温度としては特に制限はないが、前記共重合体の前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に対する溶解性の向上という観点から、50℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、70℃以上が最も好ましい。 Although the temperature at which the polymerization initiator is added is not particularly limited, it is preferably 35° C. or higher, more preferably 40° C. or higher, and even more preferably 45° C. or higher, from the viewpoint of improving the moldability of the carbon material precursor. , 50° C. or higher is particularly preferred, and 55° C. or higher is most preferred. The temperature of the polymerization reaction is not particularly limited, but from the viewpoint of improving the solubility of the copolymer in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, it is preferably 50° C. or higher, more preferably 60° C. or higher. 70° C. or higher is most preferred.

〔炭素材料前駆体組成物〕
本発明の炭素材料前駆体は、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を示すため、酸等の添加成分を配合せずに、そのまま炭素材料の製造に使用することが可能であるが、耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が更に向上するという観点から、本発明の炭素材料前駆体に、酸及びその塩からなる群から選択される少なくとも1種の添加成分を配合して炭素材料前駆体組成物を調製し、この炭素材料前駆体組成物を炭素材料の製造に使用してもよい。
[Carbon material precursor composition]
The carbon material precursor of the present invention exhibits a high yield of flameproofing, a high yield of carbonization, and a high total yield of flameproofing and carbonization. However, from the viewpoint of further improving the yield of flameproofing, the yield of carbonization, and the total yield of flameproofing and carbonization, the group consisting of acids and salts thereof is added to the carbon material precursor of the present invention. A carbon material precursor composition may be prepared by blending at least one additional component selected from the following, and this carbon material precursor composition may be used in the production of the carbon material.

このような炭素材料前駆体組成物において、前記添加成分の含有量としては、耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率がより向上するという観点から、前記炭素材料前駆体100質量部に対して0.1~100質量部が好ましく、0.2~50質量部がより好ましく、0.5~30質量部が更に好ましく、1~20質量部が特に好ましい。 In such a carbon material precursor composition, from the viewpoint of further improving the flameproofing yield, the carbonization yield, and the total yield of flameproofing and carbonization, the content of the additive component is It is preferably 0.1 to 100 parts by mass, more preferably 0.2 to 50 parts by mass, even more preferably 0.5 to 30 parts by mass, and particularly preferably 1 to 20 parts by mass based on 100 parts by mass.

前記酸としては、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、ポリホウ酸、硫酸、硝酸、炭酸、塩酸等の無機酸、シュウ酸、クエン酸、スルホン酸、酢酸等の有機酸が挙げられる。また、このような酸の塩としては、金属塩(例えば、ナトリウム塩、カリウム塩)、アンモニウム塩、アミン塩等が挙げられ、アンモニウム塩、アミン塩が好ましく、アンモニウム塩がより好ましい。特に、これらの添加成分のうち、得られる炭素材料前駆体の耐炎化収率や炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が更に向上するという観点から、リン酸、ポリリン酸、ホウ酸、ポリホウ酸、硫酸、及びこれらのアンモニウム塩が好ましく、リン酸、ポリリン酸、及びこれらのアンモニウム塩が特に好ましい。 Examples of the acid include inorganic acids such as phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, polyboric acid, sulfuric acid, nitric acid, carbonic acid and hydrochloric acid, and organic acids such as oxalic acid, citric acid, sulfonic acid and acetic acid. Examples of such acid salts include metal salts (eg, sodium salts, potassium salts), ammonium salts, amine salts and the like, with ammonium salts and amine salts being preferred, and ammonium salts being more preferred. In particular, among these additive components, phosphoric acid, polyphosphoric acid, boric acid, Polyboric acid, sulfuric acid and their ammonium salts are preferred, and phosphoric acid, polyphosphoric acid and their ammonium salts are particularly preferred.

前記添加成分は、前記水性溶媒及び前記水系混合溶媒のうちの少なくとも一方(より好ましくは前記水性溶媒、特に好ましくは水)に可溶なものであることが好ましい。これにより、炭素材料前駆体組成物を製造する際に、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた湿式混合が可能となり、前記アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体と前記添加成分とを均一かつ低コストで安全に混合することが可能となる。また、得られた炭素材料前駆体組成物を成形する際には、前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒を用いた乾式成形(乾式紡糸)、乾湿式成形(乾湿式紡糸)、湿式成形(湿式紡糸)、又はエレクトロスピニングが可能となり、低コストで安全に炭素材料を製造することが可能となる。 The additive component is preferably soluble in at least one of the aqueous solvent and the aqueous mixed solvent (more preferably the aqueous solvent, particularly preferably water). As a result, when the carbon material precursor composition is produced, wet mixing using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent becomes possible, and the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer and the added components can be mixed uniformly and safely at low cost. Further, when molding the obtained carbon material precursor composition, dry molding (dry spinning), dry-wet molding (dry-wet spinning), wet molding (wet spinning) using the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent. ), or electrospinning becomes possible, and it becomes possible to manufacture carbon materials safely at low cost.

このような炭素材料前駆体組成物を製造する方法としては、溶融状態の前記炭素材料前駆体に前記添加成分を直接混合する方法(溶融混合)、前記炭素材料前駆体と前記添加成分とをドライブレンドする方法(乾式混合)、前記添加成分を含有する水性溶液又は水系混合溶液、或いは前記炭素材料前駆体は完全溶解していないが前記添加成分は溶解している溶液に所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状)に成形した前記炭素材料前駆体を浸漬したり、通過させたりする方法等を採用することも可能であるが、使用する前記炭素材料前駆体及び前記添加成分が前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に可溶な場合には、前記炭素材料前駆体と前記添加成分とを均一に混合することができるという観点から、前記炭素材料前駆体と前記添加成分とを前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒中で混合する方法(湿式混合)が好ましい。また、湿式混合としては、前記炭素材料前駆体の製造に際し、前述の重合を前記水性溶媒中又は前記水系混合溶媒中で行った場合に、重合後等に前記添加成分を混合する方法も採用することができる。さらに、得られる溶液から前記溶媒を除去することによって炭素材料前駆体組成物を回収し、これを後述する炭素材料の製造に用いることができるほか、前記溶媒を除去することなく、得られる溶液をそのまま後述する炭素材料の製造に用いることもできる。また、前記湿式混合においては、より低コストで安全に炭素材料前駆体組成物を製造できるという観点から、溶媒として前記水性溶媒を使用することが好ましく、水を使用することがより好ましい。さらに、前記溶媒を除去する方法としては特に制限はなく、減圧留去、再沈殿、熱風乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等の公知の方法のうちの少なくとも1つの方法を採用することができる。 Methods for producing such a carbon material precursor composition include a method of directly mixing the additive component with the carbon material precursor in a molten state (melt mixing), and a method of mixing the carbon material precursor and the additive component by drying. A method of blending (dry mixing), an aqueous solution or aqueous mixed solution containing the additive component, or a solution in which the carbon material precursor is not completely dissolved but the additive component is dissolved in a desired shape (for example, It is also possible to adopt a method of immersing or passing the carbon material precursor formed into a film, sheet, or fiber), but the carbon material precursor and the additive component to be used can be used. When the carbon material precursor and the additive component are soluble in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, the carbon material precursor and the additive component can be uniformly mixed. A method of mixing in an aqueous solvent or the aqueous mixed solvent (wet mixing) is preferred. Further, as wet mixing, when the above-described polymerization is carried out in the above-mentioned aqueous solvent or the above-mentioned aqueous mixed solvent in the production of the above-mentioned carbon material precursor, a method of mixing the above-mentioned additive components after the polymerization is also adopted. be able to. Further, by removing the solvent from the obtained solution, the carbon material precursor composition can be recovered and used for the production of the carbon material described later. It can also be used as it is for the production of a carbon material to be described later. In the wet mixing, the aqueous solvent is preferably used as the solvent, and water is more preferably used, from the viewpoint that the carbon material precursor composition can be produced safely at a lower cost. Furthermore, the method for removing the solvent is not particularly limited, and at least one of known methods such as distillation under reduced pressure, reprecipitation, hot air drying, vacuum drying, and freeze drying can be employed.

〔炭素材料の製造方法〕
次に、本発明の炭素材料の製造方法について説明する。本発明の炭素材料の製造方法としては、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物に、直接炭化処理を施すことも可能であるが、高収率で炭素材料が得られるという観点から、耐炎化処理を施し、次いで、炭化処理を施すことが好ましい。
[Method for producing carbon material]
Next, the method for producing the carbon material of the present invention will be described. As the method for producing the carbon material of the present invention, the carbon material precursor or the carbon material precursor composition can be directly carbonized. It is preferable to apply a flameproof treatment and then a carbonization treatment.

本発明の炭素材料の好ましい製造方法においては、先ず、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物に酸化性雰囲気下(例えば、空気中)で加熱処理を施す(耐炎化処理)。本発明の炭素材料前駆体は、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体からなるものであり、耐炎化処理によって熱分解されにくく、また、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の構造が耐炎化処理によって耐熱性の高い構造に変換されるため、高い耐炎化収率を示す。さらに、耐炎化処理が施された炭素材料前駆体(耐炎化物)は、耐熱性の高い構造を有しているため、高い炭化収率を示す。特に、前記炭素材料前駆体組成物においては、添加成分である酸やその塩の触媒作用により、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の脱アンモニア反応や脱水反応が促進されるため、分子内に環状構造(イミド環構造)が形成されやすく、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の構造が耐熱性の高い構造に変換されやすいため、炭素材料前駆体の耐炎化収率や耐炎化物の炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が更に高くなる。 In a preferred method for producing the carbon material of the present invention, first, the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is subjected to heat treatment in an oxidizing atmosphere (for example, in air) (flameproof treatment). The carbon material precursor of the present invention is composed of an acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid-based copolymer, is resistant to thermal decomposition by flame-resistant treatment, and has acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid Since the structure of the system copolymer is converted to a highly heat-resistant structure by the flameproofing treatment, it exhibits a high flameproofing yield. Furthermore, the flame-resistant carbon material precursor (flame-resistant material) has a highly heat-resistant structure, and therefore exhibits a high carbonization yield. In particular, in the carbon material precursor composition, the deammonification reaction and dehydration reaction of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid-based copolymer are promoted by the catalytic action of the acid or its salt as an additive component. Therefore, a cyclic structure (imide ring structure) is easily formed in the molecule, and the structure of the acrylamide/vinyl cyanide/unsaturated carboxylic acid copolymer is easily converted into a highly heat-resistant structure. The flameproofing yield, the carbonization yield of the flameproof material, and the total yield of flameproofing and carbonization are further increased.

このような耐炎化処理における加熱温度としては、150~500℃が好ましく、200~450℃がより好ましく、耐熱性の高い構造に効率的に変換し、耐炎化・炭化の総収率が高くなるという観点から、280~420℃が更に好ましく、300~410℃がまた更に好ましく、310~400℃が特に好ましく、320~390℃が最も好ましい。耐炎化処理における加熱温度が前記上限を超えると、生成する耐炎化物が熱分解される傾向にあり、他方、前記下限未満になると、アクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体の脱アンモニア反応や脱水反応が促進されず、分子内に環状構造(イミド環構造)が形成されにくいため、生成する耐炎化物の耐熱性が低く、炭素材料前駆体の耐炎化収率や耐炎化物の炭化収率、耐炎化・炭化の総収率が低下する傾向にある。また、耐炎化処理における加熱時間としては特に制限はなく、長時間(例えば1時間超)の加熱も可能であるが、コスト低減の観点から1~60分間が好ましい。 The heating temperature in such flameproofing treatment is preferably 150 to 500°C, more preferably 200 to 450°C. 280 to 420°C is more preferable, 300 to 410°C is even more preferable, 310 to 400°C is particularly preferable, and 320 to 390°C is most preferable. When the heating temperature in the flameproofing treatment exceeds the above upper limit, the resulting flameproof material tends to be thermally decomposed. Ammonia reaction and dehydration reaction are not promoted, and a cyclic structure (imide ring structure) is difficult to form in the molecule. Yield and total yield of flameproofing and carbonization tend to decrease. Moreover, the heating time in the flameproofing treatment is not particularly limited, and heating for a long time (for example, more than 1 hour) is possible, but from the viewpoint of cost reduction, 1 to 60 minutes is preferable.

次に、このようにして耐炎化処理が施された炭素材料前駆体(耐炎化物)又はそれを含有する組成物に、不活性雰囲気下(窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス中)、前記耐炎化処理における加熱温度よりも高い温度で加熱処理を施す(炭化処理)。これにより、耐炎化物が炭化し、所望の炭素材料が得られる。このような炭化処理における加熱温度としては500℃以上が好ましく、1000℃以上がより好ましい。また、加熱温度の上限としては3000℃以下が好ましく、2500℃以下がより好ましい。さらに、炭化処理における加熱時間としては特に制限はないが、1~60分間が好ましく、1~30分間がより好ましい。また、前記炭化処理においては、例えば、先に1000℃未満の温度で加熱処理を行った後、1000℃以上の温度で加熱処理を行うといったように、複数回の加熱処理を行うこともできる。なお、本発明の炭素材料の製造方法においては、前記耐炎化処理を施さずに、このような炭化処理を、本発明の炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物に直接施すことも可能であるが、炭素材料の総収率が高くなるという観点から、耐炎化処理を施した後、炭化処理を施すことが好ましい。また、本発明にかかる「炭化処理」には、一般的に、不活性ガス雰囲気下、2000~3000℃で加熱することによって行われる「黒鉛化」を含んでいてもよい。 Next, the carbon material precursor (flame-resistant material) that has been subjected to the flame-retardant treatment in this way or the composition containing it is subjected to the above-described Heat treatment is performed at a temperature higher than the heating temperature in the flameproofing treatment (carbonization treatment). As a result, the flameproof substance is carbonized, and the desired carbon material is obtained. The heating temperature in such carbonization treatment is preferably 500° C. or higher, more preferably 1000° C. or higher. Moreover, the upper limit of the heating temperature is preferably 3000° C. or less, more preferably 2500° C. or less. Furthermore, the heating time in the carbonization treatment is not particularly limited, but is preferably 1 to 60 minutes, more preferably 1 to 30 minutes. Further, in the carbonization treatment, the heat treatment can be performed multiple times, for example, the heat treatment is first performed at a temperature of less than 1000° C. and then the heat treatment is performed at a temperature of 1000° C. or higher. In the method for producing a carbon material of the present invention, it is also possible to directly apply such a carbonization treatment to the carbon material precursor or the carbon material precursor composition of the present invention without applying the flameproofing treatment. However, from the viewpoint of increasing the total yield of the carbon material, it is preferable to perform the carbonization treatment after performing the flameproofing treatment. Further, the "carbonization treatment" according to the present invention may generally include "graphitization" performed by heating at 2000 to 3000° C. in an inert gas atmosphere.

また、本発明の炭素材料の製造方法においては、耐炎化処理の前に(耐炎化処理を施さなかった場合には炭化処理の前に)、使用する炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物を予め所望の形状(例えば、フィルム状、シート状、繊維状)に成形加工することが好ましい。このとき、炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物をそのまま加圧成形したり、溶融状態の炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物を用いて溶融成形(例えば、溶融キャスト成形、溶融押出成形、射出成形、溶融紡糸、スパンボンド、メルトブローン、遠心紡糸)してもよいが、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物が前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に可溶な場合には、成形加工性が高まるという観点から、前記炭素材料前駆体又は前記炭素材料前駆体組成物を前記水性溶媒又は前記水系混合溶媒に溶解し、得られた水性溶液又は水系混合溶液を用いて成形すること、或いは、前述の重合後の炭素材料前駆体の溶液又は前述の湿式混合で得られる炭素材料前駆体組成物の溶液をそのまま若しくは所望の濃度に調整した後、成形すること、が好ましい。このような成形方法としては、溶液キャスト成形、湿式成形、乾式紡糸、湿式紡糸、乾湿式紡糸、ゲル紡糸、フラッシュ紡糸、又はエレクトロスピニングを行うことが好ましい。これにより、所望の形状の炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物を低コストで安全に製造することができる。また、より低コストで安全に炭素材料を製造することができるという観点から、溶媒として前記水性溶媒を使用することがより好ましく、水を使用することが特に好ましい。このように予め所望の形状に成形加工した炭素材料前駆体又は炭素材料前駆体組成物を用いることによって、所望の形状の炭素材料(例えば、炭素フィルム、炭素シート、炭素繊維)を製造することができる。 Further, in the method for producing a carbon material of the present invention, before the flameproofing treatment (before the carbonization treatment when the flameproofing treatment is not performed), the carbon material precursor or the carbon material precursor composition to be used is is preferably molded into a desired shape (for example, film, sheet, fiber) in advance. At this time, the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is pressure-molded as it is, or the carbon material precursor or the carbon material precursor composition in a molten state is melt-molded (for example, melt cast molding, melt extrusion). molding, injection molding, melt spinning, spunbonding, meltblown, centrifugal spinning), but when the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is soluble in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent From the viewpoint of improving moldability, the carbon material precursor or the carbon material precursor composition is dissolved in the aqueous solvent or the aqueous mixed solvent, and the resulting aqueous solution or aqueous mixed solution is used for molding. Alternatively, the solution of the carbon material precursor after polymerization or the solution of the carbon material precursor composition obtained by the wet mixing described above is preferably molded as it is or after adjustment to a desired concentration. As such a molding method, solution cast molding, wet molding, dry spinning, wet spinning, dry-wet spinning, gel spinning, flash spinning, or electrospinning is preferably performed. Thereby, a carbon material precursor or a carbon material precursor composition having a desired shape can be produced safely at low cost. Moreover, from the viewpoint that the carbon material can be produced safely at a lower cost, it is more preferable to use the aqueous solvent as the solvent, and it is particularly preferable to use water. By using a carbon material precursor or a carbon material precursor composition that has been molded into a desired shape in advance, a carbon material (for example, a carbon film, a carbon sheet, or a carbon fiber) having a desired shape can be produced. can.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
アクリルアミド(AAm)16.82g(237mmol)、アクリロニトリル(AN)4.30g(81.1mmol)、アクリル酸(AAc)0.468g(6.50mmol)及びテトラメチルエチレンジアミン0.940g(8.09mmol)をイオン交換水(116.4ml)に溶解し、メカニカルスターラーを用いて200rpmで攪拌した。窒素雰囲気下、35℃に加熱かつ200rpmで攪拌しながら、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム0.740g(3.24mmol)をイオン交換水(5.76ml)に溶解した水溶液を滴下した後、溶液温度70℃で150分間重合反応を行った。その後、30分間かけて溶液温度を90℃に昇温し、この溶液温度で60分間重合反応を継続した。得られた水溶液を室温まで放冷した後、メタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して100℃で12時間真空乾燥させ、さらに120℃で3時間真空乾燥させることにより、水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル/アクリル酸共重合体(AAm/AN/AAc共重合体)からなる炭素材料前駆体を得た。
(Example 1)
Acrylamide (AAm) 16.82 g (237 mmol), acrylonitrile (AN) 4.30 g (81.1 mmol), acrylic acid (AAc) 0.468 g (6.50 mmol) and tetramethylethylenediamine 0.940 g (8.09 mmol) It was dissolved in ion-exchanged water (116.4 ml) and stirred at 200 rpm using a mechanical stirrer. An aqueous solution of 0.740 g (3.24 mmol) of ammonium persulfate dissolved in ion-exchanged water (5.76 ml) was added dropwise to the resulting aqueous solution while heating to 35° C. and stirring at 200 rpm under a nitrogen atmosphere. A polymerization reaction was carried out at 70° C. for 150 minutes. After that, the solution temperature was raised to 90° C. over 30 minutes, and the polymerization reaction was continued at this solution temperature for 60 minutes. After cooling the resulting aqueous solution to room temperature, it is poured into methanol to precipitate a copolymer, which is recovered, vacuum dried at 100° C. for 12 hours, and further vacuum dried at 120° C. for 3 hours. , a carbon material precursor consisting of a water-soluble acrylamide/acrylonitrile/acrylic acid copolymer (AAm/AN/AAc copolymer) was obtained.

(実施例2)
アクリルアミド(AAm)26.88g(378mmol)、アクリロニトリル(AN)7.17g(135mmol)、アクリル酸(AAc)1.95g(27.0mmol)及びテトラメチルエチレンジアミン1.57g(13.5mmol)をイオン交換水(194ml)に溶解し、メカニカルスターラーを用いて200rpmで攪拌した。窒素雰囲気下、35℃に加熱かつ200rpmで攪拌しながら、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム1.23g(5.41mmol)をイオン交換水(9.60ml)に溶解した水溶液を滴下した後、溶液温度70℃で150分間重合反応を行った。その後、30分間かけて溶液温度を90℃に昇温し、この溶液温度で60分間重合反応を継続した。得られた水溶液を室温まで放冷した後、メタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して100℃で12時間真空乾燥させ、さらに120℃で3時間真空乾燥させることにより、水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル/アクリル酸共重合体(AAm/AN/AAc共重合体)からなる炭素材料前駆体を得た。
(Example 2)
Acrylamide (AAm) 26.88 g (378 mmol), acrylonitrile (AN) 7.17 g (135 mmol), acrylic acid (AAc) 1.95 g (27.0 mmol) and tetramethylethylenediamine 1.57 g (13.5 mmol) were ion-exchanged. It was dissolved in water (194 ml) and stirred at 200 rpm using a mechanical stirrer. An aqueous solution prepared by dissolving 1.23 g (5.41 mmol) of ammonium persulfate in ion-exchanged water (9.60 ml) was added dropwise to the resulting aqueous solution while heating to 35° C. and stirring at 200 rpm under a nitrogen atmosphere. A polymerization reaction was carried out at 70° C. for 150 minutes. After that, the solution temperature was raised to 90° C. over 30 minutes, and the polymerization reaction was continued at this solution temperature for 60 minutes. After cooling the resulting aqueous solution to room temperature, it is poured into methanol to precipitate a copolymer, which is recovered, vacuum dried at 100° C. for 12 hours, and further vacuum dried at 120° C. for 3 hours. , a carbon material precursor consisting of a water-soluble acrylamide/acrylonitrile/acrylic acid copolymer (AAm/AN/AAc copolymer) was obtained.

(実施例3)
アクリルアミド(AAm)24.96g(351mmol)、アクリロニトリル(AN)7.17g(135mmol)、アクリル酸(AAc)3.89g(54.0mmol)及びテトラメチルエチレンジアミン1.57g(13.5mmol)をイオン交換水(194ml)に溶解し、メカニカルスターラーを用いて200rpmで攪拌した。窒素雰囲気下、35℃に加熱かつ200rpmで攪拌しながら、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム1.23g(5.41mmol)をイオン交換水(9.60ml)に溶解した水溶液を滴下した後、溶液温度70℃で150分間重合反応を行った。その後、30分間かけて溶液温度を90℃に昇温し、この溶液温度で60分間重合反応を継続した。得られた水溶液を室温まで放冷した後、メタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して100℃で12時間真空乾燥させ、さらに120℃で3時間真空乾燥させることにより、水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル/アクリル酸共重合体(AAm/AN/AAc共重合体)からなる炭素材料前駆体を得た。
(Example 3)
Acrylamide (AAm) 24.96 g (351 mmol), acrylonitrile (AN) 7.17 g (135 mmol), acrylic acid (AAc) 3.89 g (54.0 mmol) and tetramethylethylenediamine 1.57 g (13.5 mmol) were ion-exchanged. It was dissolved in water (194 ml) and stirred at 200 rpm using a mechanical stirrer. An aqueous solution prepared by dissolving 1.23 g (5.41 mmol) of ammonium persulfate in ion-exchanged water (9.60 ml) was added dropwise to the resulting aqueous solution while heating to 35° C. and stirring at 200 rpm under a nitrogen atmosphere. A polymerization reaction was carried out at 70° C. for 150 minutes. After that, the solution temperature was raised to 90° C. over 30 minutes, and the polymerization reaction was continued at this solution temperature for 60 minutes. After cooling the resulting aqueous solution to room temperature, it is poured into methanol to precipitate a copolymer, which is recovered, vacuum dried at 100° C. for 12 hours, and further vacuum dried at 120° C. for 3 hours. , a carbon material precursor consisting of a water-soluble acrylamide/acrylonitrile/acrylic acid copolymer (AAm/AN/AAc copolymer) was obtained.

(比較例1)
アクリルアミド(AAm)8.52g(120mmol)をイオン交換水(190ml)に溶解し、マグネティックスターラーを用いて800rpmで攪拌した。得られた水溶液に重合開始剤として4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)336mg(1.20mmol)を添加し、窒素雰囲気下、溶液温度70℃で180分間重合反応を行った。得られた水溶液を室温まで放冷した後、メタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して100℃で12時間真空乾燥させ、さらに120℃で3時間真空乾燥させることにより、水溶性のポリアクリルアミド(PAAm)からなる炭素材料前駆体を得た。
(Comparative example 1)
8.52 g (120 mmol) of acrylamide (AAm) was dissolved in ion-exchanged water (190 ml) and stirred at 800 rpm using a magnetic stirrer. 336 mg (1.20 mmol) of 4,4′-azobis(4-cyanovaleric acid) was added as a polymerization initiator to the obtained aqueous solution, and the polymerization reaction was carried out at a solution temperature of 70° C. for 180 minutes under nitrogen atmosphere. After cooling the resulting aqueous solution to room temperature, it is poured into methanol to precipitate a copolymer, which is recovered, vacuum dried at 100° C. for 12 hours, and further vacuum dried at 120° C. for 3 hours. , to obtain a carbon material precursor composed of water-soluble polyacrylamide (PAAm).

(比較例2)
アクリルアミド(AAm)96.0g(1.35mol)、アクリロニトリル(AN)23.9g(0.45mol)及びテトラメチルエチレンジアミン6.75ml(0.045mol)をイオン交換水(470.6ml)に溶解し、メカニカルスターラーを用いて200rpmで攪拌した。窒素雰囲気下、45℃に加熱かつ200rpmで攪拌しながら、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム2.52g(0.11mol)をイオン交換水(9.40ml)に溶解した水溶液を滴下した後、溶液温度78℃で120分間重合反応を行った。その後、30分間かけて溶液温度を90℃に昇温し、この溶液温度で60分間重合反応を継続した。得られた水溶液を室温まで放冷した後、メタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して100℃で12時間真空乾燥させ、さらに120℃で3時間真空乾燥させることにより、水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル共重合体(AAm/AN共重合体)からなる炭素材料前駆体を得た。
(Comparative example 2)
96.0 g (1.35 mol) of acrylamide (AAm), 23.9 g (0.45 mol) of acrylonitrile (AN) and 6.75 ml (0.045 mol) of tetramethylethylenediamine were dissolved in deionized water (470.6 ml), Stirred at 200 rpm using a mechanical stirrer. Under a nitrogen atmosphere, while heating to 45° C. and stirring at 200 rpm, an aqueous solution obtained by dissolving 2.52 g (0.11 mol) of ammonium persulfate in ion-exchanged water (9.40 ml) was added dropwise to the resulting aqueous solution. A polymerization reaction was carried out at 78° C. for 120 minutes. After that, the solution temperature was raised to 90° C. over 30 minutes, and the polymerization reaction was continued at this solution temperature for 60 minutes. After cooling the resulting aqueous solution to room temperature, it is poured into methanol to precipitate a copolymer, which is recovered, vacuum dried at 100° C. for 12 hours, and further vacuum dried at 120° C. for 3 hours. , a carbon material precursor comprising a water-soluble acrylamide/acrylonitrile copolymer (AAm/AN copolymer) was obtained.

(比較例3)
アクリルアミド(AAm)16.82g(237mmol)、アクリロニトリル(AN)4.30g(81.1mmol)、アクリル酸メチル(MA)0.560g(6.50mmol)及びテトラメチルエチレンジアミン0.940g(8.09mmol)をイオン交換水(116.4ml)に添加し、メカニカルスターラーを用いて200rpmで攪拌した。窒素雰囲気下、35℃に加熱かつ200rpmで攪拌しながら、得られた水溶液に過硫酸アンモニウム0.741g(3.25mmol)をイオン交換水(5.76ml)に溶解した水溶液を滴下した後、溶液温度70℃で150分間重合反応を行った。その後、30分間かけて溶液温度を90℃に昇温し、この溶液温度で60分間重合反応を継続した。得られた水溶液を室温まで放冷した後、メタノール中に投入して共重合物を析出させ、これを回収して100℃で12時間真空乾燥させ、さらに120℃で3時間真空乾燥させることにより、水溶性のアクリルアミド/アクリロニトリル/アクリル酸メチル共重合体(AAm/AN/MA共重合体)からなる炭素材料前駆体を得た。
(Comparative Example 3)
16.82 g (237 mmol) acrylamide (AAm), 4.30 g (81.1 mmol) acrylonitrile (AN), 0.560 g (6.50 mmol) methyl acrylate (MA) and 0.940 g (8.09 mmol) tetramethylethylenediamine was added to deionized water (116.4 ml) and stirred at 200 rpm using a mechanical stirrer. An aqueous solution prepared by dissolving 0.741 g (3.25 mmol) of ammonium persulfate in ion-exchanged water (5.76 ml) was added dropwise to the resulting aqueous solution while heating to 35° C. and stirring at 200 rpm under a nitrogen atmosphere. A polymerization reaction was carried out at 70° C. for 150 minutes. After that, the solution temperature was raised to 90° C. over 30 minutes, and the polymerization reaction was continued at this solution temperature for 60 minutes. After cooling the resulting aqueous solution to room temperature, it is poured into methanol to precipitate a copolymer, which is recovered, vacuum dried at 100° C. for 12 hours, and further vacuum dried at 120° C. for 3 hours. , a carbon material precursor consisting of a water-soluble acrylamide/acrylonitrile/methyl acrylate copolymer (AAm/AN/MA copolymer) was obtained.

<共重合体の組成比の測定>
得られた炭素材料前駆体を構成するAAm/AN/AAc共重合体(実施例1~3)、AAm/AN共重合体(比較例2)又はAAm/AN/MA共重合体(比較例3)をそれぞれ重水に溶解(重水に不溶な場合には重水素化ジメチルスルホキシドに溶解)し、得られた各溶液について、室温、周波数100MHzの条件で13C-NMR測定を行った。得られた13C-NMRスペクトルにおいて、約177ppm~約182ppmに現れる、アクリルアミドのカルボニル基の炭素に由来するピークと、約121ppm~約122ppmに現れる、アクリロニトリルのシアノ基の炭素に由来するピークと、約179ppm~約182ppmに現れる、アクリル酸のカルボニル基の炭素に由来するピークと、約176ppm~約179ppmに現れる、アクリル酸メチルのカルボニル基の炭素に由来するピークとの積分強度比に基づいて、AAm/AN/AAc共重合体中のアクリルアミド(AAm)単位及びアクリル酸(AAc)単位のアクリロニトリル(AN)単位に対するモル比((AAm+AAc)/AN)、AAm/AN共重合体中のアクリルアミド(AAm)単位とアクリロニトリル(AN)単位とのモル比(AAm/AN)及びAAm/AN/MA共重合体中のアクリルアミド(AAm)単位とアクリロニトリル(AN)単位とアクリル酸メチル(MA)単位とのモル比(AAm/AN/MA)を算出した。さらに、AAm/AN/AAc共重合体については、赤外分光分析(IR)を行った。得られたIRスペクトルにおいて、約1678cm-1に現れるアクリルアミドに由来するピークと、約2239cm-1に現れるアクリロニトリルに由来するピークと、約1715cm-1に現れるアクリル酸に由来するピークとの強度比に基づいて、AAm/AN/AAc共重合体中のアクリルアミド(AAm)単位とアクリル酸(AAc)単位とのモル比(AAm/AAc)を算出し、前記(AAm+AAc)/ANと前記AAm/AAcとからAAm/AN/AAc共重合体中のアクリルアミド(AAm)単位とアクリロニトリル(AN)単位とアクリル酸(AAc)単位とのモル比(AAm/AN/AAc)を求めた。それらの結果を表1に示す。
<Measurement of composition ratio of copolymer>
AAm/AN/AAc copolymers (Examples 1 to 3), AAm/AN copolymers (Comparative Example 2), or AAm/AN/MA copolymers (Comparative Example 3 ) were each dissolved in heavy water (or in deuterated dimethyl sulfoxide if insoluble in heavy water), and 13 C-NMR measurement was performed on each of the obtained solutions at room temperature and a frequency of 100 MHz. In the obtained 13 C-NMR spectrum, a peak derived from the carbon of the acrylamide carbonyl group appearing at about 177 ppm to about 182 ppm, and a peak derived from the carbon of the cyano group of acrylonitrile appearing at about 121 ppm to about 122 ppm, Based on the integrated intensity ratio of the peak derived from the carbon of the carbonyl group of acrylic acid appearing from about 179 ppm to about 182 ppm and the peak derived from the carbon of the carbonyl group of methyl acrylate appearing from about 176 ppm to about 179 ppm, The molar ratio of acrylamide (AAm) units and acrylic acid (AAc) units to acrylonitrile (AN) units in the AAm/AN/AAc copolymer ((AAm+AAc)/AN), acrylamide (AAm ) units and acrylonitrile (AN) units (AAm/AN) and the moles of acrylamide (AAm) units, acrylonitrile (AN) units and methyl acrylate (MA) units in the AAm/AN/MA copolymer A ratio (AAm/AN/MA) was calculated. Furthermore, the AAm/AN/AAc copolymer was subjected to infrared spectroscopy (IR). In the obtained IR spectrum, the intensity ratio of the peak derived from acrylamide appearing at about 1678 cm −1 , the peak derived from acrylonitrile appearing at about 2239 cm −1 , and the peak derived from acrylic acid appearing at about 1715 cm −1 Based on this, the molar ratio (AAm/AAc) between the acrylamide (AAm) units and the acrylic acid (AAc) units in the AAm/AN/AAc copolymer was calculated, and the (AAm+AAc)/AN and the AAm/AAc The molar ratio (AAm/AN/AAc) of acrylamide (AAm) units, acrylonitrile (AN) units and acrylic acid (AAc) units in the AAm/AN/AAc copolymer was obtained from the above. Those results are shown in Table 1.

<重量平均分子量Mwの測定>
得られた炭素材料前駆体を構成するAAm/AN/AAc共重合体(実施例1~3)、PAAm(比較例1)、AAm/AN共重合体(比較例2)及びAAm/AN/MA共重合体(比較例3)の重量平均分子量Mwを、ゲル浸透クロマトグラフィー(東ソー株式会社製「HLC-8220GPC」)を用いて下記の条件で測定した。その結果を表1に示す。
〔測定条件〕
カラム:TSKgel GMPWXL×2本+TSKgel G2500PWXL×1本。
溶離液:100mM硝酸ナトリウム水溶液/アセトニトリル=80/20。
溶離液流量:1.0ml/min。
カラム温度:40℃。
分子量標準物質:標準ポリエチレンオキシド/標準ポリエチレングリコール。
検出器:示差屈折率検出器。
<Measurement of weight average molecular weight Mw>
AAm/AN/AAc copolymers (Examples 1 to 3), PAAm (Comparative Example 1), AAm/AN copolymer (Comparative Example 2) and AAm/AN/MA constituting the obtained carbon material precursors The weight average molecular weight Mw of the copolymer (Comparative Example 3) was measured using gel permeation chromatography ("HLC-8220GPC" manufactured by Tosoh Corporation) under the following conditions. Table 1 shows the results.
〔Measurement condition〕
Column: TSKgel GMPW XL x 2 + TSKgel G2500PW XL x 1.
Eluent: 100 mM sodium nitrate aqueous solution/acetonitrile = 80/20.
Eluent flow rate: 1.0 ml/min.
Column temperature: 40°C.
Molecular Weight Standards: Standard Polyethylene Oxide/Standard Polyethylene Glycol.
Detector: Differential refractive index detector.

<耐炎化収率の測定>
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体をそれぞれ1~2mg秤量し、示差熱天秤(株式会社リガク製「TG8120」)を用いて、空気流量500ml/minの空気雰囲気下、昇温速度10℃/minで室温から350℃まで加熱し、350℃で10分間保持(耐炎化処理)して炭素材料前駆体の耐炎化物を得た。耐炎化処理前後の炭素材料前駆体の質量保持率(炭素材料前駆体の耐炎化収率)を、真空乾燥後に炭素材料前駆体に吸着した水の影響を考慮し、150℃における炭素材料前駆体の質量を基準として、下記式:
炭素材料前駆体の耐炎化収率[%]=M350/M150×100
〔M350:空気雰囲気下、350℃で10分間加熱した後の炭素材料前駆体(耐炎化物)の質量、M150:150℃における炭素材料前駆体の質量〕
により求めた。その結果を表1に示す。
<Measurement of flameproofing yield>
1 to 2 mg of each of the carbon material precursors obtained in Examples and Comparative Examples was weighed, and a differential thermal balance (“TG8120” manufactured by Rigaku Co., Ltd.) was used to measure the rate of temperature increase under an air atmosphere with an air flow rate of 500 ml/min. It was heated from room temperature to 350°C at 10°C/min and held at 350°C for 10 minutes (flameproofing treatment) to obtain a flameproof carbon material precursor. Considering the influence of water adsorbed on the carbon material precursor after vacuum drying, the mass retention rate of the carbon material precursor before and after the flameproofing treatment (flameproofing yield of the carbon material precursor) was calculated at 150°C. Based on the mass of the following formula:
Flameproofing yield [%] of carbon material precursor = M350 / M150 x 100
[M 350 : mass of carbon material precursor (flame-resistant material) after heating at 350° C. for 10 minutes in air atmosphere, M 150 : mass of carbon material precursor at 150° C.]
obtained by Table 1 shows the results.

<炭化収率の測定>
前記炭素材料前駆体の耐炎化物を示差熱天秤(株式会社リガク製「TG8120」)を用いて、窒素流量500ml/minの窒素雰囲気下、昇温速度20℃/minで室温から1150℃まで加熱(炭化処理)して炭素材料を得た。1000℃まで加熱したときの耐炎化物の質量保持率(1000℃における耐炎化物の炭化収率)を、耐炎化物に吸着した水の影響を考慮し、150℃における耐炎化物の質量を基準として、下記式:
耐炎化物の炭化収率[%]=M1000/M150×100
〔M1000:窒素雰囲気下、1000℃まで加熱した後の耐炎化物(炭素材料)の質量、M150:150℃における耐炎化物の質量〕
により求めた。その結果を表1に示す。
<Measurement of carbonization yield>
Using a differential thermal balance (“TG8120” manufactured by Rigaku Co., Ltd.), the flame-resistant carbon material precursor is heated from room temperature to 1150° C. at a temperature elevation rate of 20° C./min in a nitrogen atmosphere with a nitrogen flow rate of 500 ml/min ( carbonization) to obtain a carbon material. Considering the influence of water adsorbed on the flame-resistant material, the mass retention rate of the flame-resistant material when heated to 1000°C (the carbonization yield of the flame-resistant material at 1000°C) is calculated as follows based on the mass of the flame-resistant material at 150°C. formula:
Carbonization yield [%] of flameproof material = M1000/ M150 x 100
[M1000: mass of flame-resistant material (carbon material) after heating to 1000 °C in nitrogen atmosphere, M150: mass of flame-resistant material at 150 °C]
obtained by Table 1 shows the results.

<耐炎化・炭化の総収率の算出>
実施例及び比較例で得られた炭素材料前駆体の耐炎化・炭化の総収率を、下記式:
耐炎化・炭化の総収率[%]=(耐炎化収率/100)×(炭化収率/100)×100
により求めた。その結果を表1に示す。
<Calculation of the total yield of flameproofing and carbonization>
The total yield of flameproofing and carbonization of the carbon material precursors obtained in Examples and Comparative Examples is calculated by the following formula:
Total yield of flameproofing and carbonization [%] = (flameproofing yield/100) x (carbonization yield/100) x 100
obtained by Table 1 shows the results.

Figure 0007168909000001
Figure 0007168909000001

表1に示した結果から明らかなように、アクリルアミド(AAm)に、アクリロニトリル(AN)とアクリル酸(AAc)とを共重合させること(実施例1~3)によって、アクリルアミド(AAm)を単独重合させた場合(比較例1)に比べて、炭素材料前駆体の耐炎化収率が高くなり、また、アクリルアミド(AAm)に、アクリロニトリル(AN)を共重合させた場合(比較例2)又はアクリロニトリル(AN)とアクリル酸メチル(MA)とを共重合させた場合(比較例3)に比べて、耐炎化物の炭化収率が高くなり、それらの結果、AAm/AN/AAc共重合体からなる炭素材料前駆体(実施例1~3)は、PAAmからなる炭素材料前駆体(比較例1)、AAm/AN共重合体からなる炭素材料前駆体(比較例2)及びAAm/AN/MA共重合体からなる炭素材料前駆体(比較例3)に比べて、耐炎化・炭化の総収率が向上することがわかった。 As is clear from the results shown in Table 1, acrylamide (AAm) was homopolymerized by copolymerizing acrylonitrile (AN) and acrylic acid (AAc) (Examples 1 to 3). Compared to the case (Comparative Example 1), the flameproofing yield of the carbon material precursor is higher, and when acrylamide (AAm) is copolymerized with acrylonitrile (AN) (Comparative Example 2) or acrylonitrile Compared to the case where (AN) and methyl acrylate (MA) are copolymerized (Comparative Example 3), the carbonization yield of the flame-resistant material is higher, and as a result, the AAm/AN/AAc copolymer is formed. The carbon material precursors (Examples 1 to 3) are a carbon material precursor made of PAAm (Comparative Example 1), a carbon material precursor made of AAm/AN copolymer (Comparative Example 2) and AAm/AN/MA co-polymer. It was found that the total yield of flameproofing and carbonization was improved compared to the carbon material precursor (Comparative Example 3) composed of a polymer.

一方、アクリルアミド(AAm)に、アクリロニトリル(AN)を共重合させた場合(比較例2)又はアクリロニトリル(AN)とアクリル酸メチル(MA)とを共重合させた場合(比較例3)には、アクリルアミド(AAm)を単独重合させた場合(比較例1)に比べて、炭素材料前駆体の耐炎化収率は高くなるものの、耐炎化物の炭化収率が大きく低下することがわかった。 On the other hand, when acrylonitrile (AN) was copolymerized with acrylamide (AAm) (Comparative Example 2) or when acrylonitrile (AN) and methyl acrylate (MA) were copolymerized (Comparative Example 3), Compared to the case of homopolymerization of acrylamide (AAm) (Comparative Example 1), it was found that the carbonization yield of the flame-resistant substance was greatly reduced, although the flame-proofing yield of the carbon material precursor was higher.

また、アクリルアミド(AAm)にアクリロニトリル(AN)を共重合させた場合(比較例2)には、アクリルアミド(AAm)を単独重合させた場合(比較例1)に比べて、重量平均分子量が低下しており、炭素材料前駆体の成形加工性が向上することがわかった。このような重量平均分子量の低下は、アクリルアミド(AAm)にアクリロニトリル(AN)とアクリル酸(AAc)とを共重合させた場合(実施例1~3)にも見られ、アクリルアミド(AAm)にアクリル酸(AAc)を共重合させる場合にもアクリロニトリル(AN)を更に共重合させることによって、炭素材料前駆体の成形加工性を確保できることが確認された。 Further, when acrylonitrile (AN) is copolymerized with acrylamide (AAm) (Comparative Example 2), the weight average molecular weight is lower than when acrylamide (AAm) is homopolymerized (Comparative Example 1). It was found that the molding workability of the carbon material precursor was improved. Such a decrease in weight-average molecular weight is also observed when acrylamide (AAm) is copolymerized with acrylonitrile (AN) and acrylic acid (AAc) (Examples 1 to 3). It was confirmed that the molding processability of the carbon material precursor can be ensured by further copolymerizing acrylonitrile (AN) even when the acid (AAc) is copolymerized.

以上説明したように、本発明によれば、酸等の添加成分を配合しなくても、高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有する、アクリルアミド系共重合体からなる炭素材料前駆体を得ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, an acrylamide-based copolymer having a high flameproofing yield, a high carbonization yield, and a high flameproofing/carbonization total yield can be obtained without adding an additive component such as an acid. It becomes possible to obtain a carbon material precursor composed of a polymer.

したがって、本発明の炭素材料の製造方法は、使用する炭素材料前駆体が高い耐炎化収率、高い炭化収率及び高い耐炎化・炭化の総収率を有するため、低コストで効率よく安定して炭素材料を製造することが可能な方法として有用である。 Therefore, in the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material precursor used has a high yield of flameproofing, a high yield of carbonization, and a high total yield of flameproofing and carbonization. It is useful as a method capable of producing a carbon material by

Claims (3)

アクリルアミド系モノマー単位40~99.8モル%とシアン化ビニル系モノマー単位0.1~35モル%と不飽和カルボン酸系モノマー単位0.1~25モル%とを含有するアクリルアミド/シアン化ビニル/不飽和カルボン酸系共重合体からなることを特徴とする炭素材料製造用前駆体材料Acrylamide/vinyl cyanide/ A precursor material for producing a carbon material , comprising an unsaturated carboxylic acid-based copolymer. 前記シアン化ビニル系モノマー単位に対する前記不飽和カルボン酸系モノマー単位のモル比(不飽和カルボン酸系モノマー単位/シアン化ビニル系モノマー単位)が0.01/1~1/1であることを特徴とする請求項1に記載の炭素材料製造用前駆体材料The molar ratio of the unsaturated carboxylic acid-based monomer unit to the vinyl cyanide-based monomer unit (unsaturated carboxylic acid-based monomer unit/vinyl cyanide-based monomer unit) is 0.01/1 to 1/1. The precursor material for carbon material production according to claim 1. 請求項1又は2に記載の炭素材料製造用前駆体材料に耐炎化処理を施し、次いで、炭化処理を施すことを特徴とする炭素材料の製造方法。 3. A method for producing a carbon material, comprising subjecting the precursor material for manufacturing a carbon material according to claim 1 or 2 to a flameproofing treatment and then to a carbonizing treatment.
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