DE60131311T2

DE60131311T2 - Teilchen mit einer groben granularen Oberfläche enthaltendes Kohlenstoffmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60131311T2
Application number: DE60131311T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi 22 Wadai Tsukuba-shi Sakamoto; Koichi 22 Wadai Tsukuba-shi Kanno; Hirotaka 22 Wadai Tsukuba-shi Tsuruya; Yukio Kuraishiki-shi Sakai
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: EP1127842A1; DE60131311D1; US20010016186A1; EP1127842B1; JP2001234177A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kohlenstoffmaterial, das eine spezielle Form besitzt zur Verwendung als Rohstoff für eine Vielzahl von Kohlenstoffmaterialprodukten, und ein Verfahren zur Herstellung von diesem.
Kohlenstoffmaterialprodukte werden in bemerkenswert weiten Bereichen eingesetzt, das heißt, sie werden in der Elektrochemie, etwa als Brennstoffzelle oder Elektrode zum Elektroerodieren, in der Elektrizität, etwa als Stromabnehmer, in der Metallurgie, etwa als Tiegel- oder Schiffchen-Material, und in Maschinen, etwa als Abdichtung, eingesetzt und außerdem in einem Kernreaktor, als Aktivkohle und ähnliches eingesetzt. Daher werden sie ständig weiter entwickelt.
Herkömmlicherweise werden Kohlenstoffmaterialprodukte für gewöhnlich durch Mischen von aggregiertem Koks mit einem Bindemittel und Formen, Calcinieren oder Graphitieren der Mischung hergestellt. In diesem Fall verkompliziert das Mischen des aggregierten Koks und des Bindemittels die Arbeitsschritte und verschlechtert das Arbeitsumfeld. Da zudem das aggregierte Koks selbst porös ist und da Kohlenteer-Pech oder synthetische Harze, die als Bindemittel verwendet werden, während des Calcinierens viele Poren verursachen, ist es schwierig, ein Kohlenstoffmaterialprodukt hoher Dichte herzustellen.
Unter den obigen Umständen wird die Herstellung eines Kohlenstoffmaterials hoher Dichte ohne Verwendung eines Bindemittels untersucht. Als Herstellungsverfahren eines Kohlenstoffmaterials hoher Dichte ohne Bindemittel offenbart JP-B-60-25364 ein Verfahren, das eine Wärmebehandlung von Kohlenteer-Pech, ein Abtrennen optisch anisotroper kleiner Kügelchen mit einem Lösungsmittel in dem obigen Schritt der Wärmebehandlung und anschließend ein Calcinieren der optisch anisotropen kleinen Kügelchen unter einer Inertgasatmosphäre umfasst. JP-B-1-27968 offenbart ein Verfahren, das ein Abtrennen eines Feststoffs aus einem Reaktionsprodukt, welches durch Wärmebehandlung von Kohlenteer mit einer Trennzentrifuge erhalten wurde, und ein Waschen des Feststoffs, um feine Kohlenstoffpartikel herzustellen, umfasst. JP-B-3-61604 offenbart ein Verfahren, das eine Wärmebehandlung von Kohlenteer-Pech, die Durchführung einer Extraktion mit einem Lösungsmittel, die Durchführung einer Filtration und ein Calcinieren der unlöslichen Bestandteile unter einer Inertgasatmosphäre umfasst.
Des Weiteren offenbart JP-A-7-286181 die Verwendung eines geneigten Reaktors zur kontinuierlichen Herstellung eines granularen oder pulvrigen wärmebehandelten Produkts, wie etwa Pech oder Schweröl.
JP-A-2271908 betrifft die Zubereitung eines Kohlenstoffmaterials hoher Dichte und hoher Festigkeit. Zum Zeitpunkt des Mischens von selbst-sinternden kohlenstoffhaltigen Mesophasen-Mikrokügelchen, Kohlenstoffpulver und einem Sintermittel wird das Sintermittel in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst und die Lösung mit den Materialien vermischt.
JP-A-3187908 betrifft eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der Dispersionsstabilität durch Beschichten der Oberfläche von kugelförmigen Partikeln, die Phenolharz oder Naphthalinharz umfassen, mit Mesophasen-Pech-Schüttgut mittels eines mechano-chemischen Verfahrens, Wärmebehandung und Brennen unter vorgegebenen Bedingungen.
US-A-5779880 betrifft ein elektrorheologisches Fluid, das aus einer dispergierten Phase eines kohlenstoffhaltigen Pulvers besteht, welches einen Sauerstoffgehalt von mehr als 10 Gew.-%, aber nicht mehr als 20 Gew.-% aufweist, und das einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 100 μm aufweist.
EP-A-575748 betrifft selbst-adhäsive kohlenstoffhaltige Körner, die ein Verhältnis von Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Atomen von 0,48 bis 0,59 und ein Verhältnis von Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Atomen von 0,01 bis 0,10 aufweisen.
Herkömmliche Herstellungsverfahren eines Kohlenstoffmaterials hoher Dichte können optisch anisotrope kleine Kügelchen (Mesophasen-Kohlenstoff-Mikrokügelchen) oder feine Kohlenstoffpartikel ergeben. Bei diesen Verfahren ist jedoch ein hohes Maß an thermischer Energie erforderlich, und die Trenn- und Waschschritte sind kompliziert. Somit besitzen diese Verfahren Nachteile bei der gewerblichen Anwendung. Da außerdem kugelförmige Materialien eine geringe spezifische Oberfläche aufweisen, ist es schwierig, die kugelförmigen Materialien zu formen, so dass es schwierig ist, ein Kohlenstoffmaterial hoher Dichte zu erhalten. Außerdem gehen feine Kohlenstoffpartikel mit einer Staubbildung in hohem Ausmaß einher, was die Handhabungseigenschaften verschlechtert, und daher ist es schwierig, effizient ein Kohlenstoffmaterial hoher Dichte zu erhalten.
Die Erfinder des Vorliegenden haben sorgsame Untersuchungen hinsichtlich eines Kohlenstoffmaterials, das die obigen Probleme aufweist, durchgeführt. Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, einfach durch Rühren zuvor erhitzter kohlenstoffhaltiger Partikel und tröpfchenweise Zugabe von Mesophasen-Pech unter leicht oxidierender Atmosphäre erhalten wird. Das Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, zeigt fast keine Staubbildung und besitzt ausgezeichnete Handhabungseigenschaften, so dass ein Kohlenstoffmaterialprodukt effizient hergestellt werden kann.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kohlenstoffmaterial bereitzustellen, das eine Form aufweist, die dazu geeignet ist, effizient eine Vielzahl von Kohlenstoffmaterialprodukten zu erhalten, und ein Verfahren zur Herstellung dieser.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kohlenstoffmaterial bereitgestellt, das aus Mesophasen-Pech als Hauptrohstoff stammt, wobei dieses Kohlenstoffmaterial Partikel umfasst, die aus einem Kernpartikel und mindestens zwei granularen, kohlenstoffhaltigen, daraus hervortretenden Vorsprüngen bestehen, wobei die Vor sprünge einen Durchmesser haben, der nicht größer als der Mindestdurchmesser der Partikel ist, wobei das Kohlenstoffmaterial einen Sauerstoffgehalt von 0,1 Gew.-% oder mehr aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffmaterials bereitgestellt, wobei dieses Verfahren umfasst:

(a) Erhitzen kohlenstoffhaltiger Partikel auf 200 bis 600°C in einer Inertgas-Atmosphäre unter Rühren;
(b) Änderung der Inertgas-Atmosphäre in eine oxidierende Atmosphäre, die mindestens 0,1 Mol-% Sauerstoff und/oder NO₂ enthält;
(c) Zugabe von Mesophasen-Pech in festem Zustand oder in geschmolzenem Zustand zu den kohlenstoffhaltigen Partikeln während gerührt wird, und
(d) Rühren des so erhaltenen Gemisches bei einer Temperatur zwischen 200 und 600°C.

Üblicherweise wird das Kohlenstoffmaterial bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durch kontinuierliche Zugabe des Mesophasen-Pechs kontinuierlich hergestellt.
Des Weiteren kann das Kohlenstoffmaterial bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durch kontinuierliche Zugabe der kohlenstoffhaltigen Partikel zusammen mit der kontinuierlichen Zugabe des Mesophasen-Pechs kontinuierlich hergestellt werden.
Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die kohlenstoffhaltigen Partikel üblicherweise aus dem Mesophasen-Pech hergestellt.
Des Weiteren werden bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die kohlenstoffhaltigen Partikel üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Stoff gebildet, der bei einer Temperatur, die sich von einer Temperatur, bei der das Mesophasen-Pech hergestellt wird, unterscheidet, nicht geschmolzen ist.
1 zeigt ein Beispiel eines Batch-Reaktors, der verwendet wird zur Herstellung des Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
2 zeigt ein Beispiel eines kontinuierlichen Reaktors, der verwendet wird zur Herstellung des Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche besitzen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, die in Beispiel 1 erhalten wurden.
Das Mesophasen-Pech, das als Rohstoff bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann ausgewählt sein aus Erdölpech, Kohlepech oder synthetischem Pech. Von diesen wird vorzugsweise synthetisches Pech verwendet, das durch Polymerisation eines kondensierten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffs, wie etwa Naphthalin, Methylnaphthalin, Anthracen, Phenanthren, Acenaphthen, Acenaphthylen oder Pyren, oder einem Material, das einen kondensierten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoff enthält, in Gegenwart von Fluorwasserstoff und Bortrifluorid erhalten wird. Das obige Mesophasen-Pech weist vorzugsweise einen Erweichungspunkt von mindestens 150°C gemäß einem Fließtestverfahren und einen optisch anisotropen Gehalt von mindestens 50% gemäß Betrachtung unter einem polarisierenden Mikroskop auf.
Das Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, wird durch Rühren zuvor erhitzter kohlenstoffhaltiger Partikel und tröpfchenweise Zugabe des obigen Mesophasen-Pechs zu diesen unter einer leicht oxidierenden Atmosphäre hergestellt. Die kohlenstoffhaltigen Partikel, die eingesetzt werden, umfassen nicht nur kohlenstoffhaltige Partikel, die aus dem Mesophasen-Pech stammen, sondern auch natürliche Produkte, wie etwa Kokosnussschalen-Kohle oder Holzkohle, oder kohlenstoffhaltige Partikel, die nicht bei der Herstellungstemperatur schmelzen, wie etwa Harzkohle oder Koks.
Die kohlenstoffhaltigen Partikel, die zur Herstellung des Kohlenstoffmaterials verwendet werden, welches Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, haben für gewöhnlich einen Teilchendurchmesser von 30 bis 1000 μm, vorzugsweise 100 bis 600 μm. Die Heiztemperatur, die angelegt wird, wenn die kohlenstoffhaltigen Partikel gerührt werden, variiert in Abhängigkeit von der Art der kohlenstoffhaltigen Partikel, die verwendet werden, wobei sie im Allgemeinen bei 200 bis 600°C, vorzugsweise bei 300 bis 500°C, unter Normaldruck liegt.
Die Konzentration von Sauerstoff in einer leicht oxidierenden Atmosphäre, wenn das Mesophasen-Pech zugegeben wird, beträgt mindestens 0,1 Mol-%, vorzugsweise 1 bis 25 Mol-%.
Als Gas für die leicht oxidierende Atmosphäre wird vorzugsweise ein Stickstoffgas oder Argongas verwendet, das mindestens 0,1 Mol-% Sauerstoff oder NO₂ enthält. Des Weiteren kann ein Gas verwendet werden, das durch Verdünnung von Luft, Sauerstoff oder NO₂ mit einem Gas, wie etwa Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid, hergestellt wird.
Wenn das Mesophasen-Pech zu den erhitzten und gerührten kohlenstoffhaltigen Partikeln unter solch einer leicht oxidierenden Atmosphäre zugegeben wird, wird ein erhaltenes Kohlenstoffmaterial in ein nicht schmelzbares Kohlenstoffmaterial umgewandelt, wobei ein Kohlenstoffmaterial erhalten wird, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wobei dieses Material nahezu keine Staubbildung zeigt und ausgezeichnete Handhabungseigenschaften besitzt.
Der Sauerstoffgehalt im Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, beträgt mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 15 Gew.-%.
Beim Herstellungsprozess des Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, kann das Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, durch neuerliche Zugabe kohlenstoffhaltiger Partikel zusammen mit dem Mesophasen-Pech während dessen Produktion hergestellt werden. Die kohlenstoffhaltigen Partikel, die zugegeben werden, sind nicht auf jene kohlenstoffhaltigen Partikel beschränkt, die aus Mesophasen-Pech stammen, und kohlenstoffhaltige Partikel, die nicht bei einer Herstellungstemperatur geschmolzen sind, können in Abhängigkeit von der Verwendung nach Bedarf ausgewählt werden. In diesem Fall, wenn kohlenstoffhaltige Partikel, die nicht aus Mesophasen-Pech stammen, zugegeben werden, wird ein Kohlenstoffmaterial erhalten, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche besitzen, wobei dieses Material sich aus den obigen kohlenstoffhaltigen Partikeln und dem Mesophasen-Pech zusammensetzt. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein erfindungsgemäßes Kohlenstoffmaterial bereit, das zusammengesetzt ist aus dem Mesophasen-Pech und kohlenstoffhaltigen Partikeln, die nicht bei einer Temperatur geschmolzen sind, die unterhalb der liegt, bei der das Mesophasen-Pech hergestellt wird. Ebenso wird ein erfindungsgemäßes Kohlenstoffmaterial bereitgestellt, das zusammengesetzt ist aus dem Mesophasen-Pech und kohlenstoffhaltigen Partikeln, die aus dem Mesophasen-Pech erhalten wurden.
Wenn nur die Zugabe des Mesophasen-Pechs fortgesetzt wird und keine kohlenstoffhaltigen Partikel neuerlich zugegeben werden, wird schließlich ein Kohlenstoffmaterial erhalten, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wobei dieses Material vollständig aus dem Mesophasen-Pech stammt. Somit stellt die vorliegende Erfindung auch ein erfindungsgemäßes Kohlenstoffmaterial bereit, das aus dem Mesophasen-Pech zusammengesetzt ist. In diesem Fall, wenn Mesophasen- Pech, das geringe Verunreinigungen enthält, als Mesophasen-Pech-Rohstoff verwendet wird, kann ein Kohlenstoffmaterial von bemerkenswert hoher Reinheit erhalten werden, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, so dass auf weitere Schritte, wie etwa eine Decarbonisierung, verzichtet werden kann.
Als Reaktor, der zur Herstellung des Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, verwendet wird, wird ein Reaktor verwendet, der kohlenstoffhaltige Partikel komplett rühren kann. In einem Batch-Verfahren wird ein kesselartiger Reaktor (z. B. ein schräger kesselartiger Reaktor, wie er in JP-A-7-286181 offenbart ist) als Reaktor wie oben verwendet. Und in einem kontinuierlichen Verfahren wird ein zylinderartiger Reaktor, der Schaufeln umfasst, oder ein Drehrohrofen verwendet.
1 zeigt einen Batch-Reaktor, der zur Herstellung des Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, verwendet wird. Das Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wird hergestellt, indem kohlenstoffhaltige Partikel zuvor erhitzt werden, eine leicht oxidierende Atmosphäre hierzu eingeleitet wird, und Mesophasen-Pech und wahlweise kohlenstoffhaltige Partikel aus dem oberen Teil zugeführt werden, während mit Rührschaufeln gerührt wird.
2 zeigt einen kontinuierlichen Reaktor, der einen zylinderartigen Reaktor umfasst. Der zylinderartige Reaktor hat einen geneigten Aufbau, in dem die stromaufwärts gelegene Seite die untere Seite ist, und eine Öffnung zum Einleiten von Atmosphärengas und eine Öffnung zur Zufuhr von Mesophasen-Pech und kohlenstoffhaltigen Partikeln an der stromaufwärts gelegenen Seite angebracht sind. Während das Mesophasen-Pech und die kohlenstoffhaltigen Partikel oder das Mesophasen-Pech allein durch den zylinderartigen Reaktor unter Rühren mit Rührschaufeln geführt wird/werden, wird das kohlenstoffhaltige Material hergestellt, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen.
Die Zeichen in den Abbildungen haben folgende Bedeutung: 1: ein kesselartiger Reaktor, 2: ein Auslass für Abgase, 3: eine Öffnung zur Zufuhr von kohlenstoffhaltigen Partikeln und Mesophasen-Pech, 4: eine Öffnung zum Einleiten eines Atmosphärengases, 5: rotierende Achsen, 6: Rührschaufeln, 7: eine elektrische Heizvorrichtung, 8: ein Auslass für die Produkte, und 9: ein zylinderartiger Reaktor.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Mesophasen-Pech als Rohstoff auf einer Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Partikel geschmolzen, die Viskosität erhöht und das Produkt unschmelzbar gemacht, wodurch ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, gebildet wird. Das obige Schmelzen, die Zunahme der Viskosität und die Verleihung der Unschmelzbarkeit erfolgen gleichzeitig oder nacheinander, in Abhängigkeit von dem verwendeten Pech. In beiden Fällen wird ein homogenes Kohlenstoffmaterial erhalten. Des Weiteren kann der Teilchendurchmesser eines herzustellenden Kohlenstoffmaterials durch geeignete Auswahl des Teilchendurchmessers der kohlenstoffhaltigen Partikel, die Zugabegeschwindigkeit des Mesophasen-Pechs und die Rührgeschwindigkeit frei reguliert werden. Daher sind die Merkmale des vorliegenden Herstellungsverfahrens wie folgt: Ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, kann direkt durch ein kontinuierliches Verfahren oder ein Batch-Verfahren hergestellt werden, ohne ein spezielles Formgebungsverfahren einzusetzen. Des Weiteren kann der Teilchendurchmesser bei der Herstellung frei reguliert werden, und ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, kann hergestellt werden, wobei dieses Material eine einheitliche Teilchengrößenverteilung aufweist.
Das Kohlenstoffmaterial, das Teilchen umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, ist bereits im Wesentlichen in einem Lösungsmittel unlöslich, wenn es hergestellt wird, und das Kohlenstoffmaterial der vorliegenden Erfindung schmilzt nicht, wenn es erhitzt wird. Das Kohlenstoffmaterial der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, wie es ist, in Abhängigkeit von seiner Verwendung. Anderenfalls kann es nach Calcinieren und Graphitieren eingesetzt werden. Behandlungen des Kohlenstoffmaterials der vorliegenden Erfindung nach dessen Herstellung können in Abhängigkeit von der Bestimmung frei ausgewählt werden.
Das Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, zeigt keine Pulver- und Staubbildung und besitzt ausgezeichnete Handhabungseigenschaften. Zudem besitzt das Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, aufgrund seiner großen spezifischen Oberfläche eine zweckmäßige Form und zweckmäßige physikalische Eigenschaften als Rohstoff für eine Vielzahl von Kohlenstoffmaterialprodukten. Daher kann eine Vielzahl von Kohlenstoffmaterialprodukten effektiv hergestellt werden.
Des Weiteren ist es gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung möglich, ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasst, die eine grobe granulare Oberfläche aufweisen, einfach herzustellen, wobei die Form und der Teilchendurchmesser von diesen reguliert wird.
Daher ist die vorliegende Erfindung gewerblich von bemerkenswerter Qualität und die vorliegende Erfindung besitzt einen erheblichen gewerblichen Wert.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf Beispiele genauer erklärt, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese begrenzt werden darf.
Beispiel 1
Mesophasen-Pech (Erweichungspunkt: 230°C, optisch anisotroper Gehalt 100 Gew.-%), das durch Polymerisieren von Naphthalin in Gegenwart von Fluorwasserstoff und Bortrifluorid erhalten wurde, wurde bei 530°C unter einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, um kohlenstoffhaltige Partikel (durchschnittlicher Teilchendurchmesser 100 μm) zu erhalten. 200 g der kohlenstoffhaltigen Partikel wurden in einen kesselartigen Reaktor gegeben, der einen Durchmesser von 200 mm und eine Höhe von 200 mm aufweist, wie in 1 dargestellt, und auf 450°C unter einer Stickstoffatmosphäre unter Rühren erhitzt. Anschließend wurde die Stickstoffatmosphäre in eine Luftatmosphäre geändert. Mesophasen-Pech, das vorher in Form von Presslingen hergestellt wurde, so dass es einen Durchmesser von 1,5 mm und eine Länge von 5 mm aufwies, wurde mit einer Geschwindigkeit von 10 g pro Minute zugegeben, bis 300 g des Mesophasen-Pechs zugegeben waren. Nach der vollständigen Zugabe wurde die Atmosphäre in eine Stickstoffatmosphäre geändert, und die Heizvorrichtung wurde abgeschaltet, um den Inhalt zu kühlen. Der Inhalt wurden entnommen, um 500 g eines Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2,5 mm aufwiesen, zu erhalten.
Das so erhaltene Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 13 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, zeigte das Kohlenstoffmaterial keine Pulverbildung und keine Staubbildung. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Kohlenstoffmaterials.
Beispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt, abgesehen davon, dass die Luftatmosphäre durch eine Stickstoffatmosphäre ersetzt wurde, die 0,5 Mol-% Sauerstoff enthielt. Als Ergebnis wurden 450 g Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3 mm aufwiesen, erhalten. Das Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 0,5 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, zeigte das Kohlenstoffmaterial keine Pulverbildung und keine Staubbildung. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften.
Beispiel 3
Beispiel 2 wurde wiederholt, abgesehen davon, dass die Geschwindigkeit der Zugabe des Mesophasen-Pechs in Form von Presslingen auf 5 g pro Minute geändert wurde. Als Ergebnis wurden 440 g eines Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 mm aufwiesen, erhalten. Das Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 5 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, zeigte das Kohlenstoffmaterial keine Pulverbildung und keine Staubbildung. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften.
Beispiel 4
Beispiel 1 wurde wiederholt, abgesehen davon, dass die Luftatmosphäre durch Stickstoff, der 5% NO₂ enthielt, ersetzt wurde. Als Ergebnis wurden 440 g eines Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen, erhalten. Das Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 8 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, zeigte das Kohlenstoffmaterial keine Pulverbildung und keine Staubbildung. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften.
Beispiel 5
Beispiel 1 wurde wiederholt, abgesehen davon, dass die Behandlungstemperatur von 450°C auf 550°C geändert wurde. Als Ergebnis wurden 470 g eines Kohlenstoffmaterials, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2,5 mm aufwiesen, erhalten. Das Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 10 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, zeigte das Kohlenstoffmaterial keine Pulverbildung und keine Staubbildung. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften.
Beispiel 6
Mesophasen-Pech (Erweichungspunkt: 230°C, optisch anisotroper Gehalt 100 Gew.-%), das durch Polymerisieren von Naphthalin in Gegenwart von Fluorwasserstoff und Bortrifluorid erhalten wurde, wurde bei 530°C unter einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, um kohlenstoffhaltige Partikel zu erhalten, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 100 μm aufwiesen.
200 g der kohlenstoffhaltigen Partikel wurden in einen zylinderförmigen Reaktor gegeben, der aus zwei Zylindern bestand, die jeder einen Durchmesser von 150 mm und eine Länge von 600 mm aufwiesen, dargestellt in 2, und die kohlenstoffhaltigen Partikel wurden unter einer Stickstoffatmosphäre unter Rühren bis auf 550°C erhitzt. Anschließend wurde die Atmosphäre in eine Luftatmosphäre geändert, und Mesophasen-Pech, das vorher in Form von Presslingen hergestellt wurde, so dass diese einen Durchmesser von 1,5 mm und eine Länge von 5 mm aufwiesen, wurde mit einer Geschwindigkeit von 10 g pro Minute zugegeben.
Während das Mesophasen-Pech kontinuierlich zugegeben wurde, wurde das Reaktionssystem 8 Stunden lang kontinuierlich bei einer Behandlungstemperatur von 550°C gehalten. Als Ergebnis wurde ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 mm aufwiesen, mit einer Geschwindigkeit von 9 g pro Minute ausgeworfen. Das so erhaltene Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 12 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, wurde keine Pulverbildung und keine Staubbildung beobachtet. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften.
Beispiel 7
Ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen, wurde auf die gleiche Art und Weise hergestellt wie jenes in Beispiel 6, abgesehen davon, dass die Behandlungstemperatur von 550°C auf 350°C geändert wurde und dass die Reaktionsdauer von 8 Stunden auf 6 Stunden geändert wurde. Als Ergebnis wurde ein Kohlenstoffmaterial, das Partikel umfasste, die eine grobe granulare Oberfläche aufwiesen und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3 mm aufwiesen, mit einer Geschwindigkeit von 9,5 g pro Minute ausgeworfen. Das Kohlenstoffmaterial besaß einen Sauerstoffgehalt von 13 Gew.-%. Wenn das Kohlenstoffmaterial in einem Probenröhrchen geschüttelt wurde, zeigte das Kohlenstoffmaterial keine Pulverbildung und keine Staubbildung. Das Kohlenstoffmaterial besaß ausgezeichnete Fließeigenschaften.
Vergleichsbeispiel 1
Beispiel 1 wurde wiederholt, abgesehen davon, dass die Luftatmosphäre durch eine Stickstoffatmosphäre ersetzt wurde. Als Ergebnis schmolz das Pech, das zugegeben wurde, und verschmolz mit den kohlenstoffhaltigen Partikeln, die vorher zugegeben wurden, so dass die Behandlung nicht durchgeführt werden konnte.
Vergleichsbeispiel 2
Beispiel 6 wurde wiederholt, abgesehen davon, dass die Luftatmosphäre durch eine Stickstoffatmosphäre ersetzt wurde. Als Ergebnis enthielten die erhaltenen kohlenstoffhaltigen Partikel kugelförmige Partikel und eingedrückte Partikel, und die kohlenstoffhaltigen Partikel zeigten eine breite Teilchengrößenverteilung.

Claims

Kohlenstoffmaterial, das aus Mesophasen-Pech als Hauptrohstoff stammt, wobei dieses Kohlenstoffmaterial Partikel umfasst, die aus einem Kernpartikel und mindestens zwei körnigen, kohlenstoffhaltigen, daraus hervortretenden Vorsprüngen bestehen, wobei die Vorsprünge einen Durchmesser haben, der nicht mehr als der Mindestdurchmesser der Partikel beträgt, wobei das Kohlenstoffmaterial einen Sauerstoffgehalt von 0,1 Gew.-% oder mehr aufweist.
Kohlenstoffmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das Mesophasen-Pech Erdölpech, Kohlepech oder synthetisches Pech ist.
Kohlenstoffmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das Mesophasen-Pech durch Polymerisation eines kondensierten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffs oder einem Material, das einen kondensierten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff enthält, in Gegenwart von Fluorwasserstoff und Bortrifluorid gewonnen werden kann.
Kohlenstoffmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mesophasen-Pech einen Erweichungspunkt von mindestens 150°C gemäß einem Fließtestverfahren und einen optisch anisotropen Gehalt von mindestens 50% aufweist.
Kohlenstoffmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das aus dem Mesophasen-Pech und kohlenstoffhaltigen Partikeln, die nicht bei einer Temperatur schmelzen, die unterhalb der liegt, bei der das Mesophasen-Pech hergestellt wird, zusammengesetzt ist.
Kohlenstoffmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das aus dem Mesophasen-Pech und kohlenstoffhaltigen Partikeln, die aus dem Mesophasen-Pech gewonnen wurden, zusammengesetzt ist.
Kohlenstoffmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das gänzlich aus dem Mesophasen-Pech stammt.
Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffmaterials gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst (a) Erhitzen kohlenstoffhaltiger Partikel auf 200 bis 600°C in einer Inertgasatmosphäre unter Rühren; (b) Änderung der Inertgasatmosphäre in eine oxidierende Atmosphäre, die mindestens 0,1 Mol-% Sauerstoff und/oder NO₂ enthält; (c) Zugabe von Mesophasen-Pech in festem Zustand oder in geschmolzenem Zustand zu den kohlenstoffhaltigen Partikeln während gerührt wird, und (d) Rühren des so erhaltenen Gemisches bei einer Temperatur zwischen 200 und 600°C.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Kohlenstoffmaterial durch kontinuierliche Zugabe des Mesophasen-Pechs kontinuierlich hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Kohlenstoffmaterial durch kontinuierliche Zugabe der kohlenstoffhaltigen Partikel zusammen mit der kontinuierlichen Zugabe des Mesophasen-Pechs kontinuierlich hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die kohlenstoffhaltigen Partikel aus dem Mesophasen-Pech hergestellt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die kohlenstoffhaltigen Partikel aus einem kohlenstoffhaltigen Stoff gebildet sind, der nicht bei einer Temperatur schmilzt, die unterhalb der liegt, bei der das Mesophasen-Pech hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die kohlenstoffhaltigen Partikel einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 30 bis 1000 nm haben.