JP7693391B2 - Carbon electrodes for fluorine electrolysis equipment - Google Patents
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Description
本発明は、フッ素電解装置用炭素電極およびフッ素電解装置用炭素電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon electrode for a fluorine electrolysis device and a method for manufacturing a carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
フッ素ガスは、半導体製造、ウラン濃縮、フッ素関連製品など様々な分野で使用されている。フッ素ガスは、フッ酸を含む溶融塩を電解することによって得られ、この反応では陽極に炭素電極が広く用いられている。 Fluorine gas is used in a variety of fields, including semiconductor manufacturing, uranium enrichment, and fluorine-related products. Fluorine gas is obtained by electrolyzing a molten salt containing hydrofluoric acid, and a carbon electrode is commonly used as the anode in this reaction.
特許文献1には、陽極材に炭素を用いてフッ素の電解製造を行う場合、陽極表面に電気絶縁性の被膜が生成して電流が急に流れなくなる現象、いわゆる陽極効果が起こりにくくかつ安定的に長期間継続できる製造方法として、電気抵抗異方比が1.3以下でかつ多孔質である炭素を陽極材とするフッ素の製造方法が記載されている。
しかしながら特許文献1に記載されているように、陽極材は多孔質のものが用いられ、例えば、密度が1.0~1.3g/cm3であるものが望ましいとされている。このような低密度の炭素材料においては、炭素粒子の結合が弱く消耗が進むにつれて内部の粒子が脱落しやすくなる。
However, as described in
本発明では上述した課題を鑑み、低密度であっても粒子が脱落しにくいフッ素電解装置用炭素電極およびフッ素電解装置用炭素電極の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention aims to provide a carbon electrode for a fluorine electrolysis device in which particles are unlikely to fall off even when the density is low, and a method for manufacturing a carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極は、
多孔質炭素系材料を含むフッ素電解装置用炭素電極であって、
前記多孔質炭素系材料は、炭素系粒子と、前記炭素系粒子を互いに結合する炭素質バインダとが2次粒子を構成し、
前記2次粒子は、独立することなく互いに結合している。
The carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention is
A carbon electrode for a fluorine electrolysis device comprising a porous carbon-based material,
The porous carbon-based material has carbon-based particles and a carbonaceous binder that binds the carbon-based particles to each other, forming secondary particles,
The secondary particles are not independent but are bonded to each other.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極では、多孔質炭素系材料が構成する2次粒子が独立することなく互いに結合しあっているので、内部から脱落した粒子や微粉末が材料の外部に出てくることを抑制することができる。このため、汚染の少ないフッ素電解装置用炭素電極を提供することができる。 In the carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention, the secondary particles that make up the porous carbon-based material are not independent but are bonded to each other, so that particles or fine powder that have fallen from the inside are prevented from coming out to the outside of the material. This makes it possible to provide a carbon electrode for a fluorine electrolysis device that is less contaminated.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極は、以下の態様であることが好ましい。 The carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention preferably has the following configuration:
前記フッ素電解装置用炭素電極は、取付部と浸漬部とを有し、前記取付部は加工面を有し、前記浸漬部は未加工面を有している。 The carbon electrode for the fluorine electrolysis device has an attachment portion and an immersion portion, the attachment portion has a processed surface, and the immersion portion has an unprocessed surface.
電解液に浸漬する浸漬部は、未加工面であるので、機械加工により表面の損傷を受けておらず、特に使用の初期段階において粒子脱落を防止することができる。また、硬い炭素質の材料の大部分を未加工面のまま使用するので、困難な形状加工を最小限に抑えることができる。 The part that is immersed in the electrolyte is an unmachined surface, so the surface is not damaged by machining, and particle shedding can be prevented, especially in the early stages of use. In addition, because most of the hard carbonaceous material is used with its unmachined surface, difficult shaping can be kept to a minimum.
前記フッ素電解装置用炭素電極は、最大気孔径が50~1000μmである。 The carbon electrode for the fluorine electrolysis device has a maximum pore size of 50 to 1000 μm.
最大気孔径が50μm以上であると、気孔内部に溶融塩が浸透しやすく、電解に関与する表面積を大きくすることができる。最大気孔径が、1000μm以下であると、表面積の低下が抑えられ、電解に関与する表面積を大きくすることができる。 If the maximum pore diameter is 50 μm or more, the molten salt can easily penetrate into the pores, and the surface area involved in electrolysis can be increased. If the maximum pore diameter is 1000 μm or less, the decrease in surface area is suppressed, and the surface area involved in electrolysis can be increased.
前記フッ素電解装置用炭素電極は、かさ密度が1.0~1.5g/cm3である。 The carbon electrode for a fluorine electrolysis device has a bulk density of 1.0 to 1.5 g/cm 3 .
かさ密度が1.0g/cm3以上であると、フッ素電解装置用炭素電極として十分な強度が得られる。かさ密度が1.5g/cm3以下であると、内部に十分な量の気孔を確保することができ、電極表面だけでなく気孔内部でも電解を生じさせ、効率よくフッ素を製造することができる。 When the bulk density is 1.0 g/cm3 or more , sufficient strength is obtained as a carbon electrode for a fluorine electrolysis device. When the bulk density is 1.5 g/cm3 or less , a sufficient amount of pores can be secured inside, and electrolysis can occur not only on the electrode surface but also inside the pores, enabling efficient production of fluorine.
続いて、本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法は、
炭素系粒子と、軟化点が70~200℃のピッチとを混錬し、原料粉を得る原料工程と、
前記原料粉を炭素電極の形状の成形型に入れ、前記軟化点よりも高い温度に加熱し成形体を得る成形工程と、
前記成形体を焼成し焼成体を得る焼成工程と、
を含む。
Next, the method for producing a carbon electrode for a fluorine electrolysis apparatus of the present invention comprises the steps of:
a raw material process of kneading carbon particles with pitch having a softening point of 70 to 200° C. to obtain raw material powder;
a molding step of placing the raw material powder in a mold having a shape of a carbon electrode and heating the raw material powder to a temperature higher than the softening point to obtain a molded body;
A firing step of firing the molded body to obtain a fired body;
Includes.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法によれば、炭素系粒子と、軟化点が70℃以上のピッチを混錬して原料粉を得ているので、室温では付着しあうことはなく、室温で所定の粒子径となるように粒度調整をすることができる。また、軟化点が200℃以下のピッチを混錬しているので、混錬するためにピッチに溶融させるときにも高温に曝す必要がなく、ピッチを溶融する段階で縮合反応が進行しにくく、軟化点の上昇を防止することができる。また、後の成形工程で、熱で融着しやすく容易に所定のフッ素電解装置用炭素電極の形状を得ることができる。 According to the method for manufacturing carbon electrodes for fluorine electrolysis devices of the present invention, raw material powder is obtained by kneading carbon particles with pitch having a softening point of 70°C or higher, so that they do not adhere to each other at room temperature, and the particle size can be adjusted to a desired particle size at room temperature. In addition, because pitch having a softening point of 200°C or lower is kneaded, there is no need to expose the pitch to high temperatures when melting it for kneading, and condensation reactions do not easily proceed at the pitch melting stage, making it possible to prevent an increase in the softening point. In addition, in the subsequent molding process, the desired shape of carbon electrodes for fluorine electrolysis devices can be easily obtained because the particles are easily fused by heat.
また、多孔質材料を得るために、加圧することなく熱で融着させて所定のフッ素電解装置用炭素電極の形状を得ているので、広い粒度分布の2次粒子であっても互いに結合した多孔体が得られるうえに、連続気孔が多数存在し、後の焼成工程で原料粉に含まれる揮発分を内部に蓄積することなく除去することができる。
さらに、多孔質材料を得るために、加圧することなく熱で融着させて所定のフッ素電解装置用炭素電極の形状を得ているので、加圧による寸法変化がなく、型の形状がそのまま成形体の形状となる。このため、焼成後に寸法精度の高いフッ素電解装置用炭素電極を得ることができる。
Moreover, in order to obtain a porous material, a predetermined shape of a carbon electrode for a fluorine electrolysis device is obtained by fusing the material with heat without applying pressure, so that even secondary particles having a wide particle size distribution can be bonded to each other to obtain a porous body, and in addition, a large number of continuous pores are present, so that volatile matters contained in the raw material powder can be removed in the subsequent firing step without accumulating inside the raw material powder.
Furthermore, since the porous material is fused by heat without applying pressure to obtain a predetermined shape of a carbon electrode for a fluorine electrolysis device, there is no dimensional change due to pressure and the shape of the mold becomes the shape of the molded product as it is, so that a carbon electrode for a fluorine electrolysis device with high dimensional accuracy can be obtained after firing.
また、本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法は、以下の態様であることが好ましい。 The method for producing a carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention preferably has the following features:
前記焼成体の一部を面加工し、取付部を形成するとともに残部を浸漬部とする加工工程をさらに含む。 The method further includes a processing step in which a portion of the fired body is surface-processed to form an attachment portion and the remaining portion is made into an immersion portion.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法によれば、元来、フッ素電解装置用炭素電極に近い形状の材料が得られており、電流を給電する金属クランプと接する取付部を加工することによって精度の高い取付部が得られ、接触抵抗を少なくすることができる。 The manufacturing method of carbon electrodes for fluorine electrolysis devices of the present invention allows the production of materials with a shape similar to that of carbon electrodes for fluorine electrolysis devices, and by machining the attachment part that comes into contact with the metal clamp that supplies the current, a highly accurate attachment part can be obtained, thereby reducing contact resistance.
前記加工工程では、さらに前記取付部に取付穴を加工する。 In the processing step, mounting holes are further drilled into the mounting portion.
取付部に取付穴を設けることにより、電流を給電する金属クランプとの接続信頼性を高めることができる。取付穴は、貫通孔、非貫通孔のいずれでもよく、ストレート孔、ネジ穴でもよい。 By providing a mounting hole in the mounting portion, the reliability of the connection with the metal clamp that supplies current can be improved. The mounting hole may be either a through hole or a blind hole, and may also be a straight hole or a screw hole.
前記成形型は、前記取付穴に相当する位置にコアピンを備える。 The mold has a core pin at a position corresponding to the mounting hole.
コアピンとは、成形型に設置されたピンであって、成形体に穴を形成する部材である。フッ素電解装置用炭素電極は、炭素質の材料であり、穴開け加工は困難である。本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法は、成形工程で圧力を加えることなく熱で成形しているので、流動性の低い粒子状の原材料を成形するプロセスでコアピンを入れてもコアピンには強い力が加わらず強固に型に固定しておく必要がない。このため、高い精度で所定の位置に穴をあけることができる。 A core pin is a pin installed in a molding die and is a component that forms holes in the molded body. Carbon electrodes for fluorine electrolysis devices are made of carbonaceous material, and drilling holes in them is difficult. In the manufacturing method for carbon electrodes for fluorine electrolysis devices of the present invention, molding is performed by heat without applying pressure in the molding process, so even if a core pin is inserted in the process of molding granular raw materials with low fluidity, no strong force is applied to the core pin and it does not need to be firmly fixed to the die. This makes it possible to drill holes in the specified positions with high precision.
なお、コアピンの材質は特に限定されず、成形後に抜くのであれば金属、セラミックなど使用することができ、成形後に抜かずに、焼いてしまうのであれば木材、紙、樹脂などの有機物を用いることが好ましい。 There are no particular restrictions on the material of the core pin. If the core pin is to be removed after molding, metal, ceramic, etc. can be used. If the core pin is to be burned instead of being removed after molding, it is preferable to use organic materials such as wood, paper, and resin.
前記成形工程では、10分以上加熱する。 The molding process involves heating for 10 minutes or more.
成形工程で10分以上加熱することにより、ピッチの融着を促進し、確実に2次粒子を互いに結合することができる。また成形工程では、型を伝搬して熱源から直接原料粉に加熱することができるので、ピッチの縮合による高分子量化よりも早く融着でき、強固に結合することができる。 By heating for 10 minutes or more during the molding process, the fusion of the pitch is promoted, and the secondary particles can be reliably bonded to each other. Also, during the molding process, heat can be transmitted through the mold and directly from the heat source to the raw powder, so the particles can be fused more quickly and bonded more firmly than the pitch can be condensed to increase its molecular weight.
前記焼成工程では、前記成形体を前記原料粉の平均粒子径よりも平均粒子径の大きいパッキング材に埋め焼成する。 In the firing process, the compact is embedded in a packing material whose average particle size is larger than the average particle size of the raw material powder, and then fired.
焼成工程では、ピッチが溶け変形しやすくなり、ピッチからの揮発分が発生する原因となるが、成形体をパッキング材に埋めることにより変形が抑制され、さらにパッキング材の平均粒子径が原料粉より粗い(大きい)ことによって、発生した揮発分が速やかに排出でき、過剰な揮発分によるクラックや発泡を防止することができる。 During the firing process, the pitch melts and becomes easily deformed, which causes volatile matter to be generated from the pitch, but by embedding the compact in packing material, deformation is suppressed, and because the average particle size of the packing material is coarser (larger) than the raw material powder, the generated volatile matter can be quickly discharged, preventing cracks and foaming caused by excess volatile matter.
前記原料粉の平均粒子径は50~1500μmである。 The average particle size of the raw material powder is 50 to 1500 μm.
原料粉の平均粒子径を50~1500μmとすることにより、比表面積が大きく、強度の高いフッ素電解装置用炭素電極を得ることができる。 By setting the average particle size of the raw material powder to 50 to 1500 μm, it is possible to obtain carbon electrodes for fluorine electrolysis devices that have a large specific surface area and high strength.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極によれば、多孔質炭素系材料が構成する2次粒子が独立することなく互いに結合しているので、電極の内部から脱落した粒子や微粉末が、電極の外部に出てくることが抑制される。このため、汚染の少ないフッ素電解装置用炭素電極を提供することができる。 According to the carbon electrode for fluorine electrolysis of the present invention, the secondary particles that constitute the porous carbon-based material are not independent but are bonded to each other, so that particles and fine powder that have fallen from the inside of the electrode are prevented from coming out to the outside of the electrode. This makes it possible to provide a carbon electrode for fluorine electrolysis that is less contaminated.
また、本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法によれば、炭素系粒子と、軟化点が70℃以上のピッチを混錬して原料粉を得ているので、室温では付着しあうことがなく、室温で所定の粒子径となるように粒度調整をすることができる。さらに、軟化点が200℃以下のピッチを混錬しているので、混錬するためにピッチを溶融させるときにも高温に曝す必要がなく、ピッチを溶融する段階で縮合反応が進行しにくく、後の成形工程で、熱で融着しやすく容易に所定のフッ素電解装置用炭素電極の形状を得ることができる。 In addition, according to the manufacturing method of the carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention, the raw material powder is obtained by kneading carbon particles with pitch having a softening point of 70°C or higher, so that they do not adhere to each other at room temperature, and the particle size can be adjusted to a predetermined particle size at room temperature. Furthermore, since pitch having a softening point of 200°C or lower is kneaded, there is no need to expose the pitch to high temperatures when melting it for kneading, and the condensation reaction is less likely to proceed at the pitch melting stage, and the pitch is easily fused by heat in the subsequent molding process, making it easy to obtain the desired shape of the carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
また、多孔質材料を得るために、加圧することなく熱で融着させて所定のフッ素電解装置用炭素電極の形状を得ているので、広い粒度分布の2次粒子であっても互いに結合した多孔体が得られるうえに、連続気孔が多数存在し、後の焼成工程で原料粉に含まれる揮発分を内部に蓄積することなく除去することができる。 In addition, to obtain the porous material, the material is fused with heat without pressure to obtain the desired shape of the carbon electrode for the fluorine electrolysis device. This means that even secondary particles with a wide particle size distribution can be bonded together to obtain a porous body, and there are many continuous pores, which means that volatile matter contained in the raw material powder can be removed in the subsequent firing process without accumulating inside.
さらに、多孔質材料を得るために、加圧することなく熱で融着させて所定のフッ素電解装置用炭素電極の形状を得ているので、加圧による寸法変化がなく、型の形状がそのまま成形体の形状となる。このため、焼成後に寸法精度の高いフッ素電解装置用炭素電極を得ることができる。 In addition, to obtain the porous material, the desired shape of the carbon electrode for the fluorine electrolysis device is obtained by thermal fusion without applying pressure, so there is no dimensional change due to pressure, and the shape of the mold becomes the shape of the molded product as it is. As a result, it is possible to obtain a carbon electrode for the fluorine electrolysis device with high dimensional accuracy after firing.
本発明のフッ素電解装置用炭素電極およびフッ素電解装置用炭素電極の製造方法を説明するため、本発明の実施の形態に係る多孔質炭素系材料を含むフッ素電解装置用炭素電極と、従来の多孔質炭素系材料を含むフッ素電解装置用炭素電極、および従来の等方性黒鉛材料を含むフッ素電解装置用炭素電極とを、製造方法、材料の組織などを比較しながら説明する。 To explain the carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention and the manufacturing method of the carbon electrode for a fluorine electrolysis device, we will explain the carbon electrode for a fluorine electrolysis device that contains a porous carbon-based material according to an embodiment of the present invention, a carbon electrode for a fluorine electrolysis device that contains a conventional porous carbon-based material, and a carbon electrode for a fluorine electrolysis device that contains a conventional isotropic graphite material, while comparing the manufacturing methods, material structures, etc.
図1は、本発明の実施の形態であるフッ素電解装置用炭素電極用の炭素質の多孔質炭素系材料の製造工程を示す。 Figure 1 shows the manufacturing process for a carbonaceous porous carbon-based material for carbon electrodes in a fluorine electrolysis device, which is an embodiment of the present invention.
図1に示すように、本発明の実施の形態の炭素質の多孔質炭素系材料は、炭素系粒子と、軟化点が70~200℃のピッチとを混錬し、原料粉を得る原料工程と、原料粉を成形型に入れ、軟化点よりも高い温度に加熱し所定の形状の成形体を得る成形工程と、成形体を焼成する焼成工程と、を経て製造される。 As shown in FIG. 1, the carbonaceous porous carbon-based material according to an embodiment of the present invention is manufactured through a raw material process in which carbon particles are mixed with pitch having a softening point of 70 to 200°C to obtain raw material powder, a molding process in which the raw material powder is placed in a mold and heated to a temperature higher than the softening point to obtain a molded body of a predetermined shape, and a sintering process in which the molded body is sintered.
(原料工程)
本実施の形態の混錬工程では、図2(a)に示すように、炭素系粒子と、軟化点が70~200℃のピッチとを混錬し、図2(b)に示す原料粉を得る。なお、原料粉は炭素系粒子がバインダにより互いに結合した粒子の集合体であり、焼成工程あるいは黒鉛化工程を経て得られる2次粒子に対応する。炭素系粒子は特に限定されないが、例えばピッチコークス、黒鉛、ガラス状カーボンなど粉砕した炭素系粒子を利用することができる。中でもピッチコークスは、ピッチとの馴染みがよく強固な結合が得られ、本発明の炭素系粒子として好適に利用することができる。
(Raw material process)
In the kneading step of this embodiment, as shown in Fig. 2(a), carbon-based particles and pitch with a softening point of 70 to 200°C are kneaded to obtain the raw material powder shown in Fig. 2(b). The raw material powder is an aggregate of carbon-based particles bound to each other by a binder, and corresponds to secondary particles obtained through a firing step or a graphitization step. The carbon-based particles are not particularly limited, and for example, pulverized carbon-based particles such as pitch coke, graphite, and glassy carbon can be used. Among them, pitch coke is compatible with pitch and can provide a strong bond, and can be preferably used as the carbon-based particles of the present invention.
原料工程で得られた原料粉は、そのまま成形に用いてもよいが、フッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料として適切な粒度範囲があれば、原料工程の中で粒度調整を行ってもよい。粒度調整の方法は、分級、粉砕などの手法を利用できる。なお、粉砕により粒度調整を行う場合には、炭素系粒子を原料粉の粒子径よりも十分小さくすることにより、粉砕後にバインダの付着のない露出面の発生を防止することができる。 The raw material powder obtained in the raw material process may be used for molding as is, but if there is an appropriate particle size range for a porous carbon-based material for carbon electrodes in fluorine electrolysis devices, the particle size may be adjusted during the raw material process. Methods for particle size adjustment include classification and pulverization. When particle size adjustment is performed by pulverization, the carbon-based particles should be made sufficiently smaller than the particle size of the raw material powder to prevent the occurrence of exposed surfaces to which the binder does not adhere after pulverization.
望ましい炭素系粒子の平均粒子径は50~500μmである。炭素系粒子の平均粒子径が50μm以上であると、原料工程で必要となるピッチの量が少なくでき、後の焼成工程で2次粒子の変形による気孔の消滅や、発生するガスによる発泡を防止することができる。炭素系粒子の平均粒子径は、70μm以上が好ましく、100μm以上がより好ましい。
また、炭素系粒子の平均粒子径が500μm以下であると、バインダで覆われない露出面の発生を防止することができる。炭素系粒子の平均粒子径は、400μm以下が好ましい。
なお、炭素系粒子の平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布計で測定することができる。
The average particle size of the carbon-based particles is preferably 50 to 500 μm. If the average particle size of the carbon-based particles is 50 μm or more, the amount of pitch required in the raw material process can be reduced, and the disappearance of pores due to deformation of secondary particles and foaming due to generated gas can be prevented in the subsequent firing process. The average particle size of the carbon-based particles is preferably 70 μm or more, and more preferably 100 μm or more.
Furthermore, when the average particle size of the carbon-based particles is 500 μm or less, it is possible to prevent the occurrence of an exposed surface that is not covered with the binder.The average particle size of the carbon-based particles is preferably 400 μm or less.
The average particle size of the carbon-based particles can be measured by a laser diffraction particle size distribution analyzer.
本実施の形態で用いるピッチは、軟化点が70~200℃である。炭素系粒子と、軟化点が70℃以上のピッチを混錬して原料粉を得ることにより、原料粉が室温では付着しあうことを抑制し、室温で所定の粒子径となるように、原料粉の粒度調整をすることができる。軟化点は、90℃以上が好ましく、100℃以上がより好ましい。
また、炭素系粒子と、軟化点が200℃以下のピッチを混錬して原料粉を得ることにより、混錬するために原料粉を高温に曝す必要がなく、混錬時ピッチを溶融する段階で縮合反応が進行することを抑制し、軟化点の上昇を防止することができる。軟化点は、180℃以下が好ましく、160℃以下がより好ましい。
The pitch used in this embodiment has a softening point of 70 to 200° C. By obtaining raw material powder by kneading carbon-based particles with pitch having a softening point of 70° C. or higher, it is possible to suppress adhesion of the raw material powder to each other at room temperature and to adjust the particle size of the raw material powder to a predetermined particle size at room temperature. The softening point is preferably 90° C. or higher, and more preferably 100° C. or higher.
In addition, by obtaining a raw material powder by kneading carbon-based particles with pitch having a softening point of 200° C. or less, it is not necessary to expose the raw material powder to high temperatures for kneading, and it is possible to suppress the progress of a condensation reaction at the stage of melting the pitch during kneading, thereby preventing an increase in the softening point. The softening point is preferably 180° C. or less, more preferably 160° C. or less.
本実施の形態では、混錬の温度は、150~300℃でかつピッチの軟化点より高い温度で行うことが好ましい。混錬の温度を150℃以上でかつピッチの軟化点より高い温度とすることによりピッチを十分に溶融させ、炭素系粒子同士を結合させることができる。混錬の温度は、180℃以上がより好ましい。
混錬の温度を300℃以下とすることにより、ピッチの重縮合を防止し、原料粉の成形性を確保することができる。混錬の温度は、280℃以下がより好ましい。
In this embodiment, the kneading temperature is preferably 150 to 300° C. and higher than the softening point of the pitch. By setting the kneading temperature at 150° C. or higher and higher than the softening point of the pitch, the pitch can be sufficiently melted and the carbon-based particles can be bonded together. The kneading temperature is more preferably 180° C. or higher.
By setting the kneading temperature at 300° C. or less, polycondensation of the pitch can be prevented and moldability of the raw material powder can be ensured. The kneading temperature is more preferably 280° C. or less.
また、フッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料を得るために、主に熱による融着作用が中心となっており、ほとんど加圧されていないので、広い粒度分布の2次粒子であっても互いに結合した多孔体が得られるうえに、連続気孔ができやすく、後の焼成工程で原料粉に含まれる揮発分を内部に蓄積することなく除去することができる。 In addition, the process for obtaining porous carbon-based materials for carbon electrodes in fluorine electrolysis devices mainly relies on thermal fusion, and almost no pressure is applied, so that even secondary particles with a wide particle size distribution can be bonded together to obtain a porous body, and continuous pores can be easily formed, making it possible to remove volatile matter contained in the raw material powder in the subsequent firing process without it accumulating inside.
本実施の形態では、ピッチを溶融させながら一様に混合した段階で混錬を終了することが好ましく、具体的には混錬の時間は30分以下であることが好ましい。混錬の時間が30分以下であると、ピッチの重縮合を抑制し、原料粉の付着性の低下を防止することができる。混錬の時間は、20分以下がより好ましく、10分以下がさらに好ましい。 In this embodiment, it is preferable to end the kneading when the pitch is melted and mixed uniformly, and specifically, the kneading time is preferably 30 minutes or less. If the kneading time is 30 minutes or less, polycondensation of the pitch can be suppressed and a decrease in the adhesiveness of the raw material powder can be prevented. The kneading time is more preferably 20 minutes or less, and even more preferably 10 minutes or less.
(粒度調整)
原料工程で得られた原料粉(図2(b))は、必要に応じて粒度調整を行うことが好ましい。粒度調整を行うことにより所定の気孔率、粒度分布のフッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料を得ることができる。粒度調整の方法は、分級、粉砕などの手法を利用できる。粉砕で粒度調整する場合、炭素系粒子をピッチで固めた原料粉を粉砕するので、炭素系粒子がピッチで絡められた付着力のある2次粒子が多く得られる一方、中には炭素系粒子を破壊したり、バインダであるピッチが剥がれた原料粉など、付着力のない原料粒子も同時に得られる。本発明のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法では、主に熱による融着作用で成形しているので、このような付着力のない原料粉であっても独立することなく互いに結合することができる。
(particle size adjustment)
The raw material powder ( FIG. 2( b )) obtained in the raw material step is preferably subjected to particle size adjustment as necessary. By performing particle size adjustment, a porous carbon-based material for a carbon electrode for a fluorine electrolysis device having a predetermined porosity and particle size distribution can be obtained. Methods such as classification and pulverization can be used for particle size adjustment. When particle size adjustment is performed by pulverization, a raw material powder in which carbon-based particles are solidified with pitch is pulverized, so that many adhesive secondary particles in which the carbon-based particles are entangled with pitch are obtained, while non-adhesive raw material particles are also obtained at the same time, such as raw material powder in which the carbon-based particles are destroyed or the pitch serving as a binder is peeled off. In the method for producing a carbon electrode for a fluorine electrolysis device of the present invention, molding is performed mainly by a fusion action due to heat, so that even such non-adhesive raw material powders can be bonded to each other without becoming independent.
本実施の形態で用いる原料粉の平均粒子径は、50~1500μmであることが好ましい。原料粉の平均粒子径が50μm以上であると、十分な大きさの気孔が得られ、様々な用途で利用しやすいフッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料を得ることができる。原料粉の平均粒子径は、80μm以上がより好ましく、100μm以上がさらに好ましい。
原料粉の平均粒子径が1500μm以下であると、成形型に入れ成形したとき、表面にできる凹凸の大きさを小さくすることができ、表面の平滑なフッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料を得ることができる。原料粉の平均粒子径は1200μm以下がより好ましく、1000μm以下がさらに好ましい。
The average particle diameter of the raw material powder used in the present embodiment is preferably 50 to 1500 μm. When the average particle diameter of the raw material powder is 50 μm or more, pores of sufficient size can be obtained, and a porous carbon-based material for a carbon electrode for a fluorine electrolysis device that can be easily used for various applications can be obtained. The average particle diameter of the raw material powder is more preferably 80 μm or more, and further preferably 100 μm or more.
When the average particle size of the raw material powder is 1500 μm or less, the size of the irregularities formed on the surface when molded in a molding die can be reduced, and a porous carbon-based material for a carbon electrode for a fluorine electrolysis device having a smooth surface can be obtained. The average particle size of the raw material powder is more preferably 1200 μm or less, and even more preferably 1000 μm or less.
(成形工程)
本実施の形態の成形工程では、得られた原料粉(図2(b))を成形型に入れ(図2(c))、ピッチの軟化点よりも高い温度に加熱し、図2(d)に示す所定の形状の成形体を得る。図2(d)に示すように、本実施の形態では、ピッチの軟化点よりも高い温度に加熱した状態で保持しているので、小さな原料粉や、バインダの剥がれた原料粉であっても遊離することなく互いに結合しあい、一体化している。
(molding process)
In the molding process of this embodiment, the obtained raw material powder (FIG. 2(b)) is placed in a mold (FIG. 2(c)) and heated to a temperature higher than the softening point of the pitch to obtain a molded body of a predetermined shape as shown in FIG. 2(d). As shown in FIG. 2(d), in this embodiment, the raw material powder is heated and maintained at a temperature higher than the softening point of the pitch, so that even small raw material powder particles or raw material powder particles from which the binder has peeled off are not separated but are bonded to each other and integrated.
本実施の形態では、原料粉に熱を加えているので、付着力のない原料粉であっても2次粒子に取り込まれ一体化することができ、独立し遊離した炭素系粒子の発生を抑制することができる。 In this embodiment, heat is applied to the raw material powder, so even non-adhesive raw material powder can be incorporated into the secondary particles and integrated, suppressing the generation of independent, free carbon-based particles.
本実施の形態の成形工程において、望ましい加熱時間は10分以上である。成形工程では熱の作用で成形しているので、加熱時間を長くすることにより原料粉をより軟化させ、強固に融着させることができる。加熱時間は、20分以上がより好ましく、40分以上がさらに好ましい。 In the molding process of this embodiment, the desired heating time is 10 minutes or more. Since the molding process uses heat to form the powder, extending the heating time can soften the raw material powder more and fuse it firmly. A heating time of 20 minutes or more is more preferable, and 40 minutes or more is even more preferable.
本実施の形態の成形工程は、成形工程として別に準備することは必須ではなく、後の焼成工程の初期段階を成形工程とすることができる。図12に示すように例えば、強固な容器に原料粉を入れ、蓋をしたのちパッキング材に埋めて焼成してもよい。図12(a)では、可燃性の容器に原料粉を充填され、図12(b)では、パッキング材の充填された焼成容器に上記の容器が埋められ、図12(c)では、温度を上昇させ、原料粉が溶融し成形されるとともに焼成され焼成体が得られている。容器は、発生する生成ガスが蓄積しないよう通気性を有していることが好ましいが、加熱されることにより通気性になる素材であってもよい。焼成の初期段階で原料粉が互いに融着し、所定の形状に成形される。さらに温度を上げると、発生する生成ガスが通気性の容器を通り抜け、外部に排出されるとともに温度の上昇とともに成形体は熱収縮していく。また、容器は可燃性であることが好ましい。容器が可燃性であると焼成の過程で容器が炭化し原型をとどめなくなる。パッキング材に埋まっているので成形体の収縮に伴ってパッキング材が追随し、変形を防止することができる。通気性を有し、可燃性の容器としては、通気性を確保するために多数の穴を穿孔した厚紙などが利用できる。 The forming process of this embodiment does not necessarily need to be prepared separately as a forming process, and the initial stage of the subsequent firing process can be the forming process. For example, as shown in FIG. 12, raw material powder may be placed in a strong container, covered, and then buried in packing material for firing. In FIG. 12(a), raw material powder is filled in a combustible container, in FIG. 12(b), the above container is buried in a firing container filled with packing material, and in FIG. 12(c), the temperature is raised, the raw material powder is melted and molded, and fired to obtain a fired body. The container is preferably air-permeable so that the generated gas does not accumulate, but may be made of a material that becomes air-permeable when heated. In the initial stage of firing, the raw material powder is fused to each other and formed into a predetermined shape. If the temperature is further raised, the generated gas passes through the air-permeable container and is discharged to the outside, and the molded body thermally shrinks as the temperature rises. In addition, it is preferable that the container is combustible. If the container is combustible, it will carbonize during the firing process and will no longer retain its original shape. Since it is embedded in packing material, the packing material follows the shrinkage of the molded body, preventing deformation. As a breathable, flammable container, cardboard with many holes punched in it to ensure breathability can be used.
また、本実施の形態の成形工程では、融着が起こる温度域であるならば、熱だけでなく、圧力を併用して成形してもよい。圧力を加えることによって、成形型の形状を転写し、寸法精度の高いフッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料を得ることができる。 In addition, in the molding process of this embodiment, as long as the temperature range is such that fusion occurs, molding may be performed using not only heat but also pressure. By applying pressure, the shape of the molding die can be transferred, and a porous carbon-based material for carbon electrodes for fluorine electrolysis devices with high dimensional accuracy can be obtained.
以下、本発明の特徴を明確にするため、従来の多孔質炭素系材料、従来の緻密な等方性炭素系材料(等方性黒鉛材料)について、特に成形工程を中心に説明する。 In order to clarify the features of the present invention, the following describes conventional porous carbon-based materials and conventional dense isotropic carbon-based materials (isotropic graphite materials), focusing in particular on the molding process.
従来の多孔質炭素系材料においては、図3(a)に示す炭素系粒子とピッチとを混錬し、図3(b)に示す原料粉を得る。そして、図3(c)及び(d)に示す成形工程、図3(e)に示す焼成工程を行う。図3(c)は成形前の段階、図3(d)は成形後の段階を示す。従来の方法においては、図3(c)及び(d)に示す成形工程は、ピッチを溶融させることなく主に圧力の作用によって行われている。このため圧力が加わった粒子の接点では強く結合するのに対し、圧力が加わらなかった粒子の接点では強く結合することができない。多孔質炭素系材料の製造においては、粗い原料粉を使用するので、型に充填した段階で大きな空隙が形成され、大きな空隙に入り込んだ原料粉に十分に圧力が加わりにくい。このため他の粒子と一体化することができず遊離した2次粒子となって、素材の強度に寄与せず、パーティクルを生成させるだけの異物となる。 In conventional porous carbon materials, carbon particles and pitch shown in FIG. 3(a) are kneaded to obtain raw material powder shown in FIG. 3(b). Then, the molding process shown in FIG. 3(c) and (d) and the sintering process shown in FIG. 3(e) are performed. FIG. 3(c) shows the stage before molding, and FIG. 3(d) shows the stage after molding. In conventional methods, the molding process shown in FIG. 3(c) and (d) is performed mainly by the action of pressure without melting the pitch. Therefore, the contact points of particles to which pressure is applied are strongly bonded, whereas the contact points of particles to which pressure is not applied cannot be strongly bonded. In the production of porous carbon materials, coarse raw material powder is used, so large voids are formed at the stage of filling the mold, and it is difficult to apply sufficient pressure to the raw material powder that has entered the large voids. Therefore, it is unable to be integrated with other particles and becomes a free secondary particle, which does not contribute to the strength of the material and only generates particles.
また、従来の等方性黒鉛材料においては、図4(a)に示す炭素系粒子とピッチとを混錬し、図4(b)に示すように塊状の混錬物が得られる。混錬物を微粉砕して図4(c)に示す原料粉を得る。その後、図4(d)及び(e)に示すように、原料粉を高い圧力で成形して成形体を得た後、図4(f)に示す焼成工程、必要に応じて黒鉛化することによって、等方性黒鉛材料が得られる。なお、図4(d)は成形前の段階、図4(e)は成形後の段階を示す。 In addition, in conventional isotropic graphite materials, carbon particles and pitch shown in FIG. 4(a) are mixed to obtain a lump-shaped mixture as shown in FIG. 4(b). The mixture is then pulverized to obtain raw material powder as shown in FIG. 4(c). The raw material powder is then molded under high pressure to obtain a molded body as shown in FIG. 4(d) and (e), and the molded body is then subjected to a sintering process as shown in FIG. 4(f) and graphitized as necessary to obtain an isotropic graphite material. Note that FIG. 4(d) shows the stage before molding, and FIG. 4(e) shows the stage after molding.
従来の黒鉛質の等方性炭素系材料(等方性黒鉛材料)では、粉砕後の原料粉が細かいので成形時に大きな空隙ができにくく、圧力が均等に伝播しやすいので遊離した粒子を生じさせにくい。また、空隙自体が細かいので、遊離した状態の2次粒子があっても内部に封じ込められ、パーティクルの原因となりにくい。 In conventional graphitic isotropic carbon-based materials (isotropic graphite materials), the raw powder after grinding is fine, so large voids are unlikely to form during molding, and pressure is easily distributed evenly, making it difficult for free particles to form. In addition, because the voids themselves are fine, even if free secondary particles are present, they are contained inside and are unlikely to cause particles.
(焼成工程)
本発明に係る本実施の形態の焼成工程は、得られた成形体(図2(d))を不活性雰囲気下で加熱し、図2(e)に示す焼成体を得る。本実施の形態では、焼成体がフッ素電解装置用炭素電極の多孔質炭素系材料となる。
(Firing process)
In the sintering step of this embodiment according to the present invention, the obtained molded body ( FIG. 2( d )) is heated in an inert atmosphere to obtain a sintered body shown in FIG. 2( e ). In this embodiment, the sintered body becomes a porous carbon-based material for a carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
焼成の温度は例えば700~2000℃であることが好ましい。焼成を700℃以上で行うことにより成形体から揮発分を十分に除去し、フッ素電解装置用炭素電極の多孔質炭素系材料として使用可能となる。焼成の温度は、800℃以上がより好ましく、900℃以上がさらに好ましい。 The firing temperature is preferably, for example, 700 to 2000°C. By firing at 700°C or higher, volatile matter is sufficiently removed from the compact, making it usable as a porous carbon-based material for carbon electrodes for fluorine electrolysis devices. The firing temperature is more preferably 800°C or higher, and even more preferably 900°C or higher.
また、焼成を2000℃以下で行うことにより、多孔質炭素系材料に十分な硬度を与え、例えば電解電極で使用可能な多孔質炭素系材料を得ることができる。焼成の温度は、1800℃以下がより好ましく、1500℃以下がさらに好ましい。 In addition, by carrying out the calcination at 2000°C or less, it is possible to impart sufficient hardness to the porous carbon-based material, and obtain a porous carbon-based material that can be used, for example, in an electrolytic electrode. The calcination temperature is more preferably 1800°C or less, and even more preferably 1500°C or less.
本発明に係る本実施の形態の製造方法では原料粉を成形工程で軟化させるため、原料工程の段階でピッチを十分に重縮合させていない。このため多くの揮発分を含んでいるが、そもそも成形後の段階で多孔質であるので、速やかに分解ガスを外部に拡散させ、成形体内部で揮発分が炭素化することによる高密度化、気孔の封止を防止でき、クラックを防止することができる。 In the manufacturing method according to the present embodiment of the present invention, the raw material powder is softened in the molding process, so the pitch is not fully polycondensed in the raw material process. As a result, it contains a lot of volatile matter, but since it is porous after molding, the decomposition gas is quickly diffused to the outside, and densification and sealing of pores caused by carbonization of the volatile matter inside the molded body can be prevented, and cracks can be prevented.
本発明に係る本実施の形態の焼成工程では、パッキング材の平均粒子径が原料粉より粗い(大きい)ことが好ましい。パッキング材の平均粒子径が原料粉より粗いと、成形体から発生したタール状の生成物が成形体内にとどまらず速やかに拡散し、多孔体の気孔の形成を促進することができる。 In the firing process of this embodiment of the present invention, it is preferable that the average particle size of the packing material is coarser (larger) than that of the raw material powder. If the average particle size of the packing material is coarser than that of the raw material powder, the tar-like product generated from the compact will not remain within the compact but will quickly diffuse, promoting the formation of pores in the porous body.
以上の工程を経て得られるフッ素電解装置用炭素電極用の多孔質炭素系材料は、少なくとも材料の内部において、2次粒子が独立することなく互いに結合しており、遊離した粒子の存在が抑えられている。よって、材料の表面から粒子、微粒末が漏れ出てくることを抑制することができる。 In the porous carbon-based material for carbon electrodes for fluorine electrolysis devices obtained through the above processes, the secondary particles are bonded to each other without being independent, at least inside the material, and the presence of free particles is suppressed. Therefore, it is possible to suppress the leakage of particles and fine powder from the surface of the material.
本実施の形態では、最大気孔径が50~1000μmであることが好ましい。最大気孔径が50μm以上であると、気孔内部に溶融塩が浸透しやすく、電解に関与する表面積を大きくすることができる。最大気孔径は、80μm以上がより好ましく、100μm以上がさらに好ましい。
最大気孔径が、1000μm以下であると、表面積の低下が抑えられ、電解に関与する表面積を大きくすることができる。最大気孔径は、800μm以下がより好ましく、500μm以下がさらに好ましい。
なお、最大気孔径は水銀圧入法によって測定することができる。
In this embodiment, the maximum pore diameter is preferably 50 to 1000 μm. If the maximum pore diameter is 50 μm or more, the molten salt can easily penetrate into the pores, and the surface area involved in electrolysis can be increased. The maximum pore diameter is more preferably 80 μm or more, and further preferably 100 μm or more.
When the maximum pore diameter is 1000 μm or less, the decrease in surface area is suppressed and the surface area participating in electrolysis can be increased. The maximum pore diameter is more preferably 800 μm or less, and further preferably 500 μm or less.
The maximum pore diameter can be measured by mercury intrusion porosimetry.
(加工工程)
本実施の形態の加工工程は、得られた焼成体(図2(e))について、少なくともその一部を面加工し、取付部を形成するとともに、取付部以外の残部を、電解液に浸漬する浸漬部とする。焼成工程で得られる焼成体が、フッ素電解装置用炭素電極に近い形状の材料として得られており、電流を給電する金属クランプと接する取付部を加工することによって精度の高い取付部が得られ、接触抵抗を少なくすることができる。
(Processing process)
In the processing step of this embodiment, at least a part of the obtained sintered body ( FIG. 2( e )) is surface-processed to form an attachment portion, and the remaining part other than the attachment portion is made into an immersion portion to be immersed in an electrolytic solution. The sintered body obtained in the sintering step is obtained as a material having a shape similar to that of a carbon electrode for a fluorine electrolysis device, and by processing the attachment portion that comes into contact with a metal clamp that supplies current, a highly accurate attachment portion can be obtained and contact resistance can be reduced.
加工工程では、取付部に取付穴を加工することが望ましい。取付部に取付穴を設けることにより、電流を給電する金属クランプとの接続信頼性を高めることができる。取付穴は、貫通孔、非貫通孔のいずれでもよく、ストレート孔、ネジ穴でもよい。 In the processing step, it is desirable to machine mounting holes in the mounting portion. Providing mounting holes in the mounting portion can increase the reliability of the connection with the metal clamp that supplies current. The mounting holes may be either through holes or blind holes, and may also be straight holes or screw holes.
図5は、フッ素電解装置用炭素電極の製造方法の一例を示している。図5(a)に示すように、炭素電極の形状に合致した成形型1を準備し、図5(b)に示すように、原料工程で得られた原料粉2を成形型1に入れ、成形工程を実施する。図5(c)に示すように、図5(b)で得られた成形体を焼成し、焼成体3を得る。図5(d)に示すように、加工工程により、焼成体3に面加工(本例では平面加工)を施し、取付部11を形成する。更に、取付部11に取付穴15を形成することにより、フッ素電解装置用炭素電極10が完成する。取付部11以外の残部が、電解液に浸漬する浸漬部12である。
Figure 5 shows an example of a method for manufacturing a carbon electrode for a fluorine electrolysis device. As shown in Figure 5(a), a
取付部11と金属クランプの接触抵抗を小さくするため、取付部11は、例えば円筒状、平面状に加工されることが好ましい。円筒状であれば、砥石を用いたセンタレス加工機、旋盤などで加工することができ、平面であれば、平面研削盤、フライス盤などを用いて研削することができる。さらに、金属クランプと強固に接続するため、取付部11に貫通孔、ネジ穴などの取付穴15を形成することができる。取付穴15がネジ穴の場合、非貫通孔であっても金属クランプを固定することができる。
To reduce the contact resistance between the mounting
ところで、本発明のフッ素電解装置用炭素電極は炭素質の材料であるので硬く、ドリルを用いて取付穴15を加工する場合、図6(a)に示すように、周速の遅いドリル20の中心部の加工能力が劣り、ドリル20の先端部が消耗したり折れたりしやすくなる。
However, the carbon electrode for the fluorine electrolysis device of the present invention is made of a carbonaceous material and is therefore hard. When drilling the mounting
これを防止するため、図6(b)に示すように、成形工程の段階で、あらかじめ成形体の段階で取付穴15の基礎となる下穴15aをあけておく方法が考えられる。この場合、周速の遅いドリル20の中心部は加工に関与せず、ドリル20の先端部が消耗したり折れたりすることを防止することができる。図7は、成形工程でこのような下穴15aを形成するフッ素電解装置用炭素電極の製造方法の一例を示している。本例では、図7(a)に示すように、図5(a)と同様な成形型1を準備するが、図7(b)に示すように、成形型1にコアピン7を設置する。成形型1の製造段階において、コアピン7を同時に形成してもよい。
To prevent this, as shown in FIG. 6(b), a method is considered in which
コアピン7は、成形型1に設置されたピンであって、成形体、焼成体に穴を形成する部材である。フッ素電解装置用炭素電極は、炭素質の材料であり、穴開け加工は困難である。本実施の形態のフッ素電解装置用炭素電極の製造方法は、成形工程で圧力を加えることなく熱で成形しているため、流動性の低い粒子状の原材料を成形するプロセスにおいてコアピンが存在しても、コアピンには強い力が加わらず強固に型に固定しておく必要がない。このため、高い精度で所定の位置に穴をあけることができる。
The
コアピン7の材質は特に限定されないが、成形後に抜くのであれば、成形時の温度に耐えられる耐熱性さえあればよく、金属、セラミック、樹脂、木材、など特に限定されない。成形後に抜かず、焼成時に炭化させるのであれば、パルプ、木材、樹脂などが利用できる。
There are no particular limitations on the material of the
コアピン7を用いて下穴15aを形成する場合には、成形体の焼成収縮を考慮し、実際の位置より外側、実際の間隔より離して配置する。コアピン7の延設方向は、成形体の厚み方向、長さ方向などであり、特に限定されない。本実施の形態の製造方法では、ほとんど圧力を加えることなく成形できるのでどの方向であっても位置ずれや変形が生じにくい。
When forming
図7(c)に示すように、原料工程で得られた原料粉2を成形型1に入れ、成形工程を実施する。図7(d)に示すように、図7(c)で得られた成形体を焼成し、焼成体3を得る。成形型1においてコアピン7が設置されているため、下穴15aが焼成体3に形成されている。
As shown in FIG. 7(c), the
図7(e)に示すように、加工工程により、焼成体3の下穴15aを含む領域に面加工(本例では平面加工)を施し、取付部11を形成する。図7(f)に示すように、図6(b)に示す要領で、下穴15aに沿って、ドリル20を進行させ、取付穴15を形成することにより、フッ素電解装置用炭素電極10が完成する。取付部11以外の残部が、電解液に浸漬する浸漬部12である。
As shown in FIG. 7(e), a surface treatment (flat surface treatment in this example) is performed on the area including the
図6(b)に示すように、下穴15aがあらかじめ形成されていると、もっとも加工しにくいドリル20の中心部への負荷を抑えることができ、加工工程における取付穴15の穴あけを容易に行うことができる。また、取付穴15が貫通孔である場合、切削粉が下方向に排出でき、摩擦による刃先の温度上昇を軽減することができる。
As shown in FIG. 6(b), if the
なお、取付穴15の方向は、特に限定されず、図5、図7の例の様な成形体(フッ素電解装置用炭素電極)の厚さ方向のみならず、長さ方向に形成してもよく、コアピン7は、取付穴15の形成方向に基づいて設計、設置される。
The direction of the mounting
(実施例)
炭素系粒子として平均粒子径300μmのアモルファス系のピッチコークス100重量部、バインダとして軟化点150℃のピッチ25重量部を原材料に用い、連続式ニーダーで混錬した。なお、連続式ニーダーの温度は250℃となるように設定した。連続式ニーダーに投入されたピッチは速やかに溶融し炭素系粒子と混合され、混錬物が得られた。なお、連続式ニーダーの混錬時間は1分であり、ピッチはほとんど重縮合を進行させなかった。
(Example)
100 parts by weight of amorphous pitch coke with an average particle size of 300 μm as carbon-based particles and 25 parts by weight of pitch with a softening point of 150° C. as binder were used as raw materials and kneaded in a continuous kneader. The temperature of the continuous kneader was set to 250° C. The pitch put into the continuous kneader quickly melted and was mixed with the carbon-based particles to obtain a kneaded product. The kneading time of the continuous kneader was 1 minute, and the pitch hardly progressed polycondensation.
次に得られた混錬物を粗粉砕し、2mmの篩を通し、粒度調整を行った。得られた原料粉の平均粒子径は900μmであった。 The resulting mixture was then coarsely crushed and passed through a 2 mm sieve to adjust the particle size. The average particle size of the resulting raw material powder was 900 μm.
得られた原料粉を開口が600×300mm、深さ80mmの金属製の型に充填し、金属製の蓋を被せ、周囲を200℃に加熱し、120分間保持したのち、ゆっくりと蓋を押し全体の形状を整えた。このときの加圧圧力は蓋の自重のみであり、2kPaであった。 The obtained raw material powder was filled into a metal mold with an opening of 600 x 300 mm and a depth of 80 mm, a metal lid was placed on top, the surroundings were heated to 200°C, and after holding for 120 minutes, the lid was slowly pressed down to adjust the overall shape. The pressure applied at this time was only the weight of the lid, and was 2 kPa.
冷却後、型から取り出し、焼成缶に詰め、平均粒子径5mmのパッキングコークスに埋め900℃で焼成し焼成体を得た。
次に焼成体の一部を面加工し、取付部を形成するとともに残部を浸漬部とする加工工程をさらに含む、フッ素電解装置用炭素電極を製造した。
After cooling, the mixture was removed from the mold, packed in a calcination can, embedded in packing coke having an average particle size of 5 mm, and calcined at 900° C. to obtain a calcined body.
Next, a part of the fired body was surface-processed to form a mounting portion and the remaining portion was processed to form an immersion portion, thereby producing a carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
(比較例1)
成形工程を100℃、面圧15MPaで型押し成形した以外は実施例と同様に多孔質炭素系材料を製造したのち、実施例1と同様に加工しフッ素電解装置用炭素電極を得た。
(Comparative Example 1)
A porous carbon material was produced in the same manner as in Example 1, except that the molding step was performed by pressing at 100° C. and a surface pressure of 15 MPa, and then processed in the same manner as in Example 1 to obtain a carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
(比較例2)
炭素系粒子として平均粒子径15μmのアモルファス系ピッチコークス100重量部に対し、バインダとしてピッチ60重量部を加え、200分混錬した。なお、混錬の過程でピッチは重縮合し軟化点は200℃以上に上昇していた。なお、本比較例では、原料工程では、粉状の原料粉が得られず、塊状の固い混錬物が得られ、そのままでは成形工程の原料粉として使用できなかった。
(Comparative Example 2)
60 parts by weight of pitch was added as a binder to 100 parts by weight of amorphous pitch coke with an average particle size of 15 μm as carbon particles, and the mixture was kneaded for 200 minutes. During the kneading process, the pitch polycondensed and its softening point rose to 200° C. or higher. In this comparative example, a powdery raw material powder was not obtained in the raw material process, and a lump-like hard kneaded product was obtained, which could not be used as the raw material powder in the molding process as it is.
得られた混錬物を粉砕し、平均粒子径25μmの原料粉を得た。原料粉をゴムバッグに充填し、100MPaの成形圧でCIP成形した。得られた成形体を900℃で焼成し緻密な炭素質材料を得たのち、実施例1と同様に加工しフッ素電解装置用炭素電極を得た。 The resulting mixture was pulverized to obtain a raw material powder with an average particle size of 25 μm. The raw material powder was filled into a rubber bag and CIP molded at a molding pressure of 100 MPa. The resulting molded body was sintered at 900°C to obtain a dense carbonaceous material, which was then processed in the same manner as in Example 1 to obtain a carbon electrode for a fluorine electrolysis device.
表1は、得られた実施例及び比較例の炭素質材料の物性値を示す。図8は実施例及び比較例の気孔分布を示す。実施例は、比較例1および比較例2に対し、気孔率には大差はないが、大きな平均気孔径を示している。また、実施例は、比較例1に比べて高い曲げ強度を示している。 Table 1 shows the physical properties of the carbonaceous materials obtained in the Examples and Comparative Examples. Figure 8 shows the pore distributions of the Examples and Comparative Examples. The Examples show a large average pore diameter, although there is no significant difference in porosity compared to Comparative Examples 1 and 2. The Examples also show a higher bending strength than Comparative Example 1.
図9は、実施例で得られた多孔質炭素系材料の断面の偏光顕微鏡写真を示す。実施例の組織は、成形時に熱で互いに融着し角が丸まり、遊離した2次粒子の存在は見られなかった。また、水を用いて超音波洗浄しても、気孔からパーティクルが発生することはなかった。すなわち、2次粒子が独立することなく互いに結合していることが理解される。 Figure 9 shows a polarizing microscope photograph of the cross section of the porous carbon-based material obtained in the example. The structure of the example was fused together by heat during molding, with rounded corners, and no free secondary particles were observed. Furthermore, even after ultrasonic cleaning with water, no particles were generated from the pores. In other words, it can be understood that the secondary particles are not independent but are bonded to each other.
図10は、比較例1で得られた多孔質炭素系材料の断面の偏光顕微鏡写真を示す。比較例1で得られた多孔質炭素系材料では、パーティクルの原因となる細かな2次粒子が気孔の内部に残留していた(遊離した2次粒子)。さらに実施例と同様に水を用いて超音波洗浄したとき、気孔からパーティクルの発生が確認された。 Figure 10 shows a polarizing microscope photograph of the cross section of the porous carbon-based material obtained in Comparative Example 1. In the porous carbon-based material obtained in Comparative Example 1, fine secondary particles that cause particles remained inside the pores (free secondary particles). Furthermore, when ultrasonic cleaning was performed using water as in the examples, particle generation from the pores was confirmed.
図11は、比較例2で得られた炭素系材料の断面の偏光顕微鏡写真を示す。比較例2で得られた緻密な炭素系材料では、そもそも大きな気孔の存在がなく、パーティクルの原因となる遊離した2次粒子の存在は確認できなかった。遊離した2次粒子が存在したとしても細かな気孔の内部に封じ込められ、外部に流出しにくくなっていると考えられる。
なお、実施例と同様に水を用いて超音波洗浄したとき、気孔からパーティクルの発生が確認された。強い洗浄力で気孔内部のパーティクルが外にたたき出されたと推定される。
11 shows a polarizing microscope photograph of the cross section of the carbon-based material obtained in Comparative Example 2. In the dense carbon-based material obtained in Comparative Example 2, there are no large pores to begin with, and the presence of free secondary particles that cause particles could not be confirmed. Even if free secondary particles exist, they are believed to be confined inside the fine pores and are unlikely to escape to the outside.
When ultrasonic cleaning was performed using water in the same manner as in the example, particles were observed to be generated from the pores. It is presumed that the particles inside the pores were knocked out by the strong cleaning power.
1 成形型
2 原料粉
3 焼成体
7 コアピン
11 取付部
12 浸漬部
15 取付穴
15a 下穴
20 ドリル
Claims (3)
前記多孔質炭素系材料は、炭素系粒子と、前記炭素系粒子を互いに結合する炭素質バインダとが2次粒子を構成し、
前記2次粒子は、独立することなく互いに結合しており、
前記フッ素電解装置用炭素電極は、かさ密度が1.0~1.5g/cm3である、フッ素電解装置用炭素電極。 A carbon electrode for a fluorine electrolysis device comprising a porous carbon-based material,
The porous carbon-based material has carbon-based particles and a carbonaceous binder that binds the carbon-based particles to each other, forming secondary particles,
The secondary particles are not independent but are bonded to each other,
The carbon electrode for a fluorine electrolysis device has a bulk density of 1.0 to 1.5 g/cm 3 .
前記取付部は加工面を有し、前記浸漬部は未加工面を有している、請求項1に記載のフッ素電解装置用炭素電極。 The carbon electrode for a fluorine electrolysis device has an attachment portion and an immersion portion,
2. The carbon electrode for a fluorine electrolysis device according to claim 1, wherein the attachment portion has a processed surface, and the immersion portion has an unprocessed surface.
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