JPH0543318A - 炭素成形体用組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、高密度且つ高強度を有する炭素成
形体、例えば炭素電極を製造するに適した炭素成形用組
成物に関する。 【構成】 平均粒直径１〜２５０μｍで揮発分５〜２０
重量％の生ピッチコ−クス粉体単味に、又は、この生ピ
ッチコ−クス粉体と平均粒直径１０〜２５０μｍのか焼
コ−クス、人造黒鉛、カ−ボンブラックの単味あるいは
これらの混合物に粘結剤を添加した炭素成形体用組成物
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高密度且つ高強度の炭素
材、例えば、炭素電極を製造するための炭素成形体用組
成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素成形体は、炭素骨材（フィラ−）に
粘結剤を添加、成型、焼成したもので、炭素電極を始め
として、耐火物、電気ブラシなどの種々の成形体が製造
されている。そして、従来、炭素材の骨材（フィラ−）
としては、人造黒鉛、か焼コ−クスおよびそれらにカ−
ボンブラックを配合したものが主として使用されてき
た。しかしながら、人造黒鉛、か焼コ−クスを主体とし
た炭素成形体は、それら骨材と粘結剤との結合に限界が
あり、十分な強度が得られず、電極材として用いて、そ
れから得られる炭素電極の消耗率も大きいという欠点が
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者は、
上記の欠点を改良するため種々検討した結果、炭素電極
の消耗率を低くできる炭素成形体は緻密で高強度である
ほど効果的であるという知見を見出し、この知見に基づ
いて高密度且つ高強度の炭素電極を得べく研究開発を行
った結果、生ピッチコ−クスの焼成時における揮発分散
逸による大きな収縮を伴う炭素化、および、粘結剤と骨
材との相溶性、か焼コ−クスや黒鉛粉などの焼成安定性
に着目して種々の配合について検討し、平均粒直径１〜
２５０μｍで揮発分５〜２０重量％の生ピッチコ−クス
の粉体単味、或は、該生ピッチコ−クスに平均粒直径１
０〜２５０μｍのか焼コ−クス、人造黒鉛などの炭素骨
材とからなる混合物にコ−ルタ−ルピッチ、石油ピッチ
あるいはフェノ−ル樹脂、フラン樹脂、ポリエチレン樹
脂などの合成樹脂粘結剤を添加した組成物から得た炭素
成形体は高強度且つ高密度であることを見出し本発明を
完成したもので、本発明の目的は高密度且つ高強度の炭
素成形体、例えば、炭素電極を製造するための炭素成形
体用組成物を提供するにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、平均粒
直径１〜２５０μｍで揮発分５〜２０重量％の生ピッチ
コ−クス粉体単味に、又は、該生ピッチコ−クス粉体と
平均粒直径１０〜２５０μｍのか焼コ−クス、人造黒
鉛、カ−ボンブラックの単味あるいはこれらを混合した
炭素骨材とからなる混合物に粘結剤を添加してなる炭素
成形体用組成物である。

【０００５】即ち、本発明は、上記の特定の性状を有す
る生ピッチコ−クス粉体若しくはこれと特定の寸法を有
する炭素骨材とから成る混合物を使用することによっ
て、生ピッチコ−クスの焼成時における揮発分散逸によ
る適度な収縮、および粘結剤との相容性をよくし、同時
にか焼コ−クスや人造黒鉛等の焼成安定性が加味され、
その結果、本発明の組成物を混練し、粉砕し成形し、焼
成させ、さらに必要に応じて黒鉛化する通常の炭素電極
の製造工程にしたがって製造した場合、高強度且つ高密
度の炭素電極を容易に得ることに成功したのである。

【０００６】本発明についてさらに詳細に説明する。本
発明で使用する生ピッチコ−クスは、石炭の高温乾留に
より回収されたコ−ルタ−ルをディレ−ドコ−カ−によ
りコ−クス化温度(約３００〜５００℃）に加熱して製
造されるもので、灰分含量が少なく、芳香族の炭素化合
物に富んでおり、黒鉛構造を形成する物質として好まし
い。

【０００７】本発明では該生ピッチコ−クスの平均粒直
径が、１〜２５０μｍ、好ましくは１〜４５μｍの物を
使用する。生ピッチコ−クスの平均粒直径の値を１μｍ
以上にする理由は、サブミクロンになると成形原料をプ
レスする際、原料に含まれる空気のほとんどが成形体内
にとじ込められ、その後の焼成過程で空気圧による部分
的応力集中が発生するので、それを避けるためである。
又、２５０μｍ以下とする理由は、これ以上になると組
織の均一な収縮が阻害され、高密度で高強度のものが得
られなくなるからである。

【０００８】また、本発明において使用する生ピッチコ
−クスの揮発分は、焼成後の炭素電極に重要な作用効果
を示す。即ち、生ピッチコ−クスの焼成中の揮発分の散
逸等による大巾な収縮現象があって初めて炭素骨材と粘
結剤との相容作用が発揮され、粘結剤のみによる収縮現
象に期待していた従来の炭素材にくらべ高密度、高強度
化をさらに確実なものにできるのである。そのため生ピ
ッチコ−クスの焼成中の揮発分が大きい方が好ましいの
であるが、生ピッチコ−クスの揮発分を２０重量％以上
にすると適正な焼成条件を設定することが困難となっ
て、焼成クラックの発生する割合が急激に高くなり、５
重量％以下にすると焼成条件範囲は広くなるが、収縮量
が十分でなく期待した高密度、高強度化が図れない。し
たがって、本発明においては、揮発分を５〜２０重量
％、好ましくは１０重量％〜１５重量％とすることによ
って安定的に目的とする高密度、かつ、高強度の炭素材
を得ることができる。

【０００９】本発明で使用する粘結剤は、通常、炭素材
を成型するに使用する粘結剤であれば良く、コ−ルタ−
ルピッチ、石油ピッチあるいはフェノ−ル樹脂、フラン
樹脂、ポリエチレン樹脂などの合成樹脂粘結剤等、特に
限定されないが、石炭を高温乾留して得たコ−ルタ−ル
を粘結剤用に調整したコ−ルタ−ルピッチが好ましい。
すなわち、石炭を高温乾留すると、灰分の大半は石炭コ
−クスに残り、回収されたコ−ルタ−ルには灰分は殆ど
含有されない。従って、これを粘結剤用に調整したコ−
ルタ−ルピッチは、低灰分であり、かつ、黒鉛構造を形
成する物質として好ましい芳香族の炭素化合物に富んで
いるからである。

【００１０】また、コ−ルタ−ルから得られたコ−クス
は、カルサイナ−によりか焼され、か焼ピッチコ−クス
とするものである。したがって、コ−ルタ−ルピッチ、
生ピッチコ−クス、か焼ピッチコ−クスはともに非常に
似通った構造を示す。

【００１１】生ピッチコ−クスとか焼ピッチコ−クスに
コ−ルタ−ルピッチを添加混合する加熱混合の過程にお
いて、両コ−クス微粒子とバインダ−ピッチの境界面で
のなじみは、芳香族系炭素化合物の含有率の低い生石油
コ−クスの場合に比較し、非常によくなる。つまり、生
ピッチコ−クス中の芳香族系炭素化合物などが、混練中
あるいは焼成時に留出し、すなわち相容が起こり、各粒
子の境界面における結合は強固なものとなり、高強度化
には一定の効果はあるが、焼成しやすさやポア分布の点
で副作用の大きいコ−ルタ−ルピッチの添加量を減少し
ても、高密度、高強度の炭素成形体が得られるものと考
えられる。

【００１２】更に、本発明においては、必要に応じ平均
粒直径１０〜２５０μｍの炭素骨材を添加しても良い。
炭素骨材としてはか焼コ−クル、人造黒鉛、カ−ボンブ
ラックなどの単味あるいはこれらを混合したものであ
り、その平均粒直径は１０〜２５０μｍ、好ましくは１
０〜１２０μｍの範囲のものである。平均粒直径は１０
μｍ以下のものは粘結剤の添加量を急激に増やす必要が
あり、また、２５０μｍ以上のものでは組織の均一な収
縮が担保されず好ましくない。

【００１３】（作用）以下、本発明の炭素骨材と粘結剤
との相容性についてさらに詳しく考察してみる。すなわ
ち、従来から炭素骨材と粘結剤の結合作用の程度を測る
目安としてコ−ルタ−ルピッチなどの粘結剤中に含まれ
る芳香族炭素化合物であるβレジンと称する値が採用さ
れており、具体的には粘結剤の有するβレジンの含有率
で最終的な炭素成形体の諸物性を大まかに予想すること
が行われていた。しかし、それはあくまでもコ−ルタ−
ルピッチ等の粘結剤の範囲を出るものではなかった。

【００１４】βレジンとはピッチ類に含有される複雑で
多種類の有機化合物であって、その正確な化学構造はい
まだに特定できていない。しかし、定性的には少なくと
も芳香族系炭素化合物を主体とするものであってベンゼ
ンによって抽出されない、いわゆるベンゼン不溶分（Ｂ
Ｉ）のパ−セントからキノリンによって抽出されない、
いわゆるキノリン不溶分の（ＱＩ）のパ−セントの差で
数値化されるものである。

【００１５】従来からの炭素成形体はコ−ルタ−ルピッ
チ等の粘結剤のみの芳香族炭素化合物による高炭素収率
化の作用効果のみを追求して炭素成形体の高密度化、高
強度化を図ってきた。従って、骨材として約１３００〜
１４００℃で処理されたか焼ピッチコ−クスのみを用い
てもすでに芳香族炭素化合物はコ−クス化の中で分解さ
れてその効果は期待できない。

【００１６】しかし、約３００℃〜５００℃で処理され
た生ピッチコ−クスを骨材として用いると、たとえばコ
−ルタ−ルピッチに含有される芳香族炭素化合物（βレ
ジン）とフィラ−としての生ピッチコ−クス中に含有さ
れる芳香族炭素化合物（βレジン）が約２００℃〜３０
０℃で混練される過程で、あるいは約１０００℃近辺ま
で加熱する焼成過程でその骨材−粘結剤界面において芳
香族炭素化合物同志が相互に重縮合反応を起こし一体化
し巨大芳香族分子の生成を経て炭素化する。この一連の
過程が相容の意味である。このことによって、最終処理
で六角網目結合の層状構造をとる黒鉛構造をとりやすい
前駆状態をつくり出す事ができる。

【００１７】この結果、従来からのか焼コ−クス粘結剤
系の炭素成形体や脂肪族炭素化合物の比較的多い生石油
コ−クス粘結剤系の炭素成形体に比べ、骨材と粘結剤部
分の界面結合の強固な高密度、高強度の炭素成形体が得
られるのである。

【００１８】本発明の成形体用組成物から得られる炭素
電極は、放電加工用、ガウジング用、ブラスチング用、
映画用、照明用および医療用などの各種用途に利用でき
るものである。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 実施例１ 平均粒直径１μｍで揮発分６重量％の生ピッチコ−クス
１００重量部にコ−ルタ−ルピッチ２９重量部を添加
し、ニ−ダ−中２１０℃で２時間加熱混練した。この混
練物を常法により押出し、成形し、黒鉛化して電極材を
得た。このようにして得られた電極材の見掛比重、抵抗
力、電気比抵抗を求めた。又、このようにして得られた
電極材を用いて外径２０ｍｍ、内径５ｍｍの放電加工用
炭素電極を作成し、放電加工試験を行って電極の長さ消
耗率（％）を測定した。

【００２０】放電加工条件は電極極性＋、放電ピ−ク電
流５Ａ、オンパルス幅＝６０μｓｅｃ，オフパルス幅＝
６０μｓｅｃ、放電加工油は電極中心から０．０５Ｋｇ
／ｃｍ²の圧力で噴出させ、被加工物のＳＫＤ−１１を
１ｍｍ加工した。この他に、得られた電極材を用いて直
径８ｍｍのガウジング用電極を作成しガウジング試験を
行い、比較例に示す電極材で得られたガウジング電極の
長さ消耗率を１００％とした場合の長さ消耗率（％）を
測定した。試験条件は電流３００Ａ、ガウジングスピ−
ド９００ｍｍ／ｍｉｎにより鉄母材を溝深さ５ｍｍ、溝
巾１０ｍｍに加工した。得られた測定値を表１に示す。

【００２１】実施例２ 平均粒直径２０μｍで揮発分１２重量％の生ピッチコ−
クス１００重量部にコ−ルタ−ルピッチ２２重量部を添
加して実施例１と同様に電極材を得て、同じように各種
特性を測定した。その値を表１に示す。

【００２２】実施例３ 平均粒直径２５０μｍで揮発分１０重量％の生ピッチコ
−クス１００重量部にコ−ルタ−ルピッチ２０重量部を
添加して実施例１と同様に電極材を得て、同じように各
種特性を測定した。その値を表１に示す。

【００２３】実施例４ 平均粒直径２μｍで揮発分１０重量％の生ピッチコ−ク
ス６５重量部に平均粒直径２μｍのピッチコ−クス３５
重量部を加えた配合物にコ−ルタ−ルピッチ３５重量部
を添加して実施例１と同様に電極材を得て、同じように
各種特性を測定した。その値を表１に示す。

【００２４】実施例５ 平均粒直径２０μｍで揮発分１５重量％の生ピッチコ−
クス６５重量部に平均粒直径２０μｍのピッチコ−クス
３５重量部を加えた配合物にコ−ルタ−ルピッチ３０重
量部を添加して実施例１と同様に電極材を得て、同じよ
うに各種特性を測定した。その値を表１に示す。

【００２５】実施例６ 平均粒直径１１０μｍで揮発分２０重量％の生ピッチコ
−クス３０重量部に平均粒直径１１０μｍのピッチコ−
クス７０重量部を加えた配合物にコ−ルタ−ルピッチ３
７重量部を添加して実施例1と同様に電極材を得て、同
じように各種特性を測定した。その値を表1に示す。

【００２６】実施例7 平均粒直径２μｍで揮発分１０重量％の生ピッチコ−ク
ス１５重量部に平均粒直径２μｍのピッチコ−クス７０
重量部とカ−ボンブラック１５重量部を加えた配合物に
コ−ルタ−ルビッチ４０重量部を添加して実施例１と同
様に電極材を得て、同じように各種特性を測定した。そ
の値を表１に示す。

【００２７】比較例 平均粒直径２０μｍのピッチコ−クス１００重量部にコ
−ルタ−ルピッチ６０重量部を添加して実施例１と同様
に電極材を得て、同じように各種特性を測定した。その
値を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【発明の効果】以上の結果から明らかなように、本発明
の組成物から得られた電極材用炭素材は生ピッチコ−ク
スに特有の芳香族系炭素化合物とコ−ルタ−ルピッチ等
の粘結剤の界面における重縮合反応によってフィラ−間
の接合強度が飛躍的に向上したものと考えられ、同時に
生コ−クスに特有の焼成時における揮発分散逸による収
縮作用によって見掛比重が大きくなり、高強度の電極材
が得られた。

【００３０】この結果、従来の放電加工用炭素電極やガ
ウジング用電極などにくらべはるかに消耗しにくい放電
加工用炭素電極やガウジング用電極などを得ることがで
きたものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒直径１〜２５０μｍで揮発分５〜
   ２０重量％の生ピッチコ−クス粉体単味に、又は、該生
   ピッチコ−クス粉体と平均粒直径１０〜２５０μｍのか
   焼コ−クス、人造黒鉛、カ−ボンブラックの単味あるい
   はこれらを混合した炭素骨材とからなる混合物に粘結剤
   を添加してなる炭素成形体用組成物。