ヘテロ元素含有炭素質の調製とその特性

• 研究課題/領域番号: 10137243
• 研究種目: 特定領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東海大学
• 研究代表者: 白石 稔 東海大学, 開発工学部, 教授 (30297197)
• 研究期間 (年度): 1998
• 研究課題ステータス: 完了 (1998年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 1998年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
• キーワード: カーボンアロイ / 炭素材料 / 炭素化 / 黒鉛化 / ヘテロ元素

研究概要

本研究ではアロイ化の一つとして炭素及び炭素質中に意図的に異種元素を導入することを試み、種々の重合法で調製したヘテロ元素含有ポリマーからの炭素及び炭素質を作製し、炭素化過程でのこれらへテロ元素の挙動、生成する炭素及び炭素質の物性に与える影響等を検討し、炭素材料の新しい機能・性能を発現することを目標とし、ここでは窒素を含有するピロール及びカルバゾールを原料とし、電解重合法によりポリマーを作成し、これらの加熱に伴う構造変化及び窒素の脱離形態について検討した。
ピロール、カルバゾールともに同じ5員環構造中に窒素を含むが、ピロールは熱的に不安定な5員環のみからなるのに対し、カルバゾールは比較的安定なぽリフェニレン骨格を有する。これらのポリマーについてその窒素の脱離挙動と生成する炭素の特徴について以下に要約する。
(1) 炭素化黒鉛化過程の追跡(窒素形態の変化と黒鉛化性への影響)
・ポリマー構造の変化と窒素の脱離挙動
ピロールポリマー 300℃でN/C値減少 低温からポリマー分解開始 2500℃までN残存
カルバゾールポリマー 600℃までN/C値に変化なし それ以上で急激に減少 1500℃で窒素は消失
・x線及びラマンスペクトルの変化
ピロールポリマー 600℃で002回折出現 易黒鉛化性炭素に近い
カルバゾールポリマー 800℃から002回折出現 2500℃で多相黒鉛化 難黒鉛化性炭素(2) 窒素の脱離挙動の違い
・ピロールポリマー 不安定な5員環構造のみで構成
低温から分解⇒6員環を構成?=一部高温まで残存
・カルバゾールポリマー 熱的に安定なポリフェニレン骨格構造
5員環部を安定化⇒5員環のまま分解?=低温で脱離終了
以上の様に同じ5員環構造中に含まれる窒素であってもその脱離挙動さらには炭素化への影響は大きくことなることがわかった。