BE1026608B1

BE1026608B1 - Grafeenvel gebaseerd weefsel voor hoge-druk toepassingen

Info

Publication number: BE1026608B1
Application number: BE20195085A
Authority: BE
Inventors: Gery Pollet; André Willocx
Original assignee: Haesewindt Comm V
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-04-06

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van weefsels, composietmaterialen die daarmee zijn vervaardigd, delen voor het vervaardigen van dergelijke weefsels en specifieke gebruikstoepassingen voor de genoemde weefsels.

Description

GRAFEENVEL GEBASEERD WEEFSEL VOOR HOGE-DRUK TOEPASSINGEN

Technisch veld

Achtergrond van de uitvinding

Voor bepaalde veeleisende gebruiksgevallen, b.v. hoge drukomstandigheden, zoals bijvoorbeeld te vinden in bepaalde gebruikstoepassingen van opslagtanks, zijn bestaande weefsels niet voldoende geschikt. Grafeen staat bekend om zijn goede eigenschappen, maar het vervaardigen van grafeen is moeilijk (en duur). Daarom wordt volgens de stand-van-techniek grafiet geoxideerd tot grafietoxide, waarvan vervolgens vellen worden van vervaardigd, en reductie op de grafeen(vellen) wordt toegepast. Dergelijke vellen zijn echter onregelmatig, er zijn gaten in de structuur en daarom zijn de vereiste eigenschappen voor onze gebruikscasussen niet voorzien.

Doel van de uitvinding

Het is het doel van de uitvinding om geschikte weefsels te verschaffen, in het bijzonder door gebruik van grafeenvellen.

Samenvatting van de uitvinding

In een eerste aspect van de uitvinding verschaft de uitvinding een weefsel, vervaardigd met een strook materiaal, gemaakt van (hoge kwaliteit) grafeenvellen, meer in het bijzonder een maaswerk of doekachtig weefsel, vervaardigd met een strook materiaal, welke gemaakt is van (hoge kwaliteit) grafeenvellen.

In een tweede aspect van de uitvinding verschaft de uitvinding een composietmateriaal, omvattende het weefsel, ingebed in een matrix van een tweede (polymeer)materiaal.

-2BE2019/5085

In een derde aspect van de uitvinding verschaft de uitvinding een strook materiaal (geschikt voor gebruik bij een proces van weven, vlechten, breien of naaien), waarbij genoemde strook materiaal wordt gemaakt van (hoge kwaliteit) grafeenvellen.

In een vierde aspect van de uitvinding wordt het gebruik van genoemde weefsels onder hogedrukomstandigheden (meer dan 750 bar, nabij 1500 bar), meer in het bijzonder in de context van gasopslag, beschreven.

Overzicht van de tekeningen

Figuur 1 toont twee uitvoeringsvormen voor het vervaardigen van de stroken, één met CVD en snijden (links) en één met CVD, vouwen en snijden (rechts).

Figuur 2 toont twee soortgelijke uitvoeringsvormen voor het vervaardigen van de stroken, één met CVD en snijden (links) en één met CVD, vouwen en snijden (rechts), maar benadrukt het meerlagig aspect door herhaalde CVD-groei.

Figuur 3 (a) toont het daaropvolgende gebruik van genoemde stroken in een weef-, vlecht-, brei-, stikstap, gevolgd door inbedden in een polymeer, terwijl (b) het vel, de strook of meer in het bijzonder vezel, gebruikt in het weefsel, toont.

Figuur 4 (a) toont schematisch het meerlagig (hier 2) aspect van het vel, (b) toont het gebruik van de ondersteuning; en (c) demonstreert het vouwen in een dergelijk geval.

Beschrijving van de uitvinding

In de verdere beschrijving worden de woorden weefsel, strook en vezel als volgt gedefinieerd: met weefsel wordt een doek of ander materiaal bedoeld dat door weefdraden of vezels wordt geproduceerd. Als alternatief wordt vlechten, breien en/of stikken gebruikt. Met strook wordt bedoeld een smal lint of een bandachtig stuk materiaal. Met vel wordt bedoeld een (rechthoekig) (vrij groot en dun) stuk materiaal. Met vezel wordt een stof bedoeld die significant langer is dan breed, en vaak wordt gebruikt bij de vervaardiging van andere materialen zoals een weefsel.

Algemene overwegingen

-3 BE2019/5085

In tegenstelling tot de stand-van-de-techniek is de startbasis voor de grafeenvellen van de uitvinding niet grafietoxide maar (zuiver) grafeen gemaakt met een CVD-werkwijze (zoals verder uitgelegd), meer in het bijzonder meerlagige grafeenvellen.

In een voorbeeld uitvoeringsvorm kan het aantal lagen ongeveer rond 5000 bedragen.

In een voorbeeld uitvoeringsvorm zijn de vellen voorzien in banden van 15 cm breed en 45 m lang.

De (zuivere) (meerlagige) grafeenbanden worden in stroken gesneden, meer in het bijzonder geschikt in vezels of een andere structuur die toepasselijk is om een weefsel te maken, mogelijk ingebed in een geschikt polymeer.

In tegenstelling tot de stand-van-de-techniek is de startbasis voor de grafeenvellen volgens de uitvinding niet de groei van het grafeen gemaakt door een CVD-werkwijze bovenop een bestaande structuur (metaalgaas), maar eerst een onafhankelijke groei van de genoemde (puur) (meerlagige) grafeenvellen, die daarna in banden worden afgesneden met het doel een sterkere structuur te bereiken, bijvoorbeeld door een geweven structuur te creëren.

Die (geweven) structuren kunnen worden gecombineerd met polymeren om een comporsietmateriaal te vormen.

Specifieke overwegingen

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het grafeen gemaakt met behulp van een chemische dampdepositie (CVD) werkwijze, waarbij een gasvormige koolstofbron door een reactiekamer wordt geborreld waar koolstof wordt neergeslagen op het oppervlak van een metaalsubstraat. Het resultaat is een continue grafeenfilm met een groot oppervlak (= monolaaggrafeen). Door dit proces te herhalen, kunnen we het monolaaggrafeen laten groeien tot een meerlagige variant die uit duizenden monolagen op elkaar gestapeld kan bestaan (= meerlagig grafeen).

In een specifieke uitvoeringsvorm wordt een hybride plaatmateriaal verschaft. Een vezelmetaallaminaat is een hybride materiaal opgebouwd uit afwisselende lagen van een metaal, een grafeenlaag en een polymeer. Het metaal is koper, tin of een ander metaal of metaallegering.

-4BE2019/5085

Deze laag is bedekt met monolaag- of meerlagige grafeen. De grafeenlaag is geïmpregneerd met een polymeer dat na uitharden bij verschillende temperaturen een hybride plaatmateriaal vormt. Verschillende vellen kunnen samen worden gebouwd of gestapeld na voorbehandeling van het metalen oppervlak.

In de uitvinding wordt een vezel meer in het bijzonder gedefinieerd als een structuur met een grote lengte in vergelijking met zijn diameter. We definiëren de lengte als L en de diameter als D met de beeldverhouding L/D. Voor de lengte van de vezel moet rekening worden gehouden met korte of stapelvezels (L/D < ⁰⁰ ) met oneindige lengte (L/D = <=<>).

Met betrekking tot de diameter van de vezel zijn verschillende vormen van vezels naast een ronde vorm mogelijk. Verschillende doorsneden zijn mogelijk. We noemen niervormig, stervormig, driehoekig gevormd en elke andere doorsnede. We definiëren de titer T als de massa per lengteeenheid uitgedrukt intex of den.

In een bepaalde vervaardigingsuitvoeringsvorm wordt het grafeenvel gesneden in smalle banden variërend van nanometers tot micrometers of centimeters, nanovezels of banden van 1 mm tot elke breedte (cm of meer) of zelfs vlakken of vellen. De banden of vezels kunnen worden bedekt, ingebed of behandeld met een polymeer van elk type. De als zodanig bereide grafeenvezel of band kan met de hand worden getransformeerd in een maaswerkachtige of doekachtige structuur (dat wil zeggen met een handmatige werkwijze) of met een andere werkwijze. Doorlopende roving, geweven roving, gehakte strengmat, gehakte streng, garen, stof,.... De individuele vezels of banden worden verzameld als strengen bestaande uit enkele honderden individuele filamenten. De rovings zijn een verzameling doorlopende strengen. Geweven roving matten worden geproduceerd door de rovings te weven. Gehakte strengen worden geproduceerd door de strengen af te snijden en deze korte strengen met een bindmiddel over een vlakke transportband te besproeien. Garens zijn gedraaide vezels. Tweedimensionale (2D) en driedimensionale (3D) weefselarchitecturen en tri-axiale weefsels kunnen worden gemaakt van vezels, strengen, garens enz.

-5BE2019/5085

In een specifieke uitvoeringsvorm wordt het textiel vervaardigd door weven, vlechten, breien, naaien of elke andere methode en door niet-geweven technieken. De 2D-geweven weefsels kunnen worden gemaakt als een uni-weave weefselstructuur met één garenset of als biaxiaal niet-gekroesd weefsel met twee sets vezels als schering en vulling. Basistextieltypen zijn uniforme uni, twill, satijn en alle afgeleide weefpatronen bekend als mandenvlechtwerk, leno-weefpatroon en elk ander te maken weefsel.

In een verdere bijzondere uitvoeringsvorm kan een geïntegreerd 2D-gevormd weefsel worden ontwikkeld tot sandwichstructuren die in verschillende vormen zijn geweven. Triaxiaal weefsel is gemaakt met drie sets garens; bias, warp en invullen van twee varianten; los geweven en strak geweven of een andere variant.

In een uitvoeringsvorm wordt een structuur vervaardigd als meerlagig om vereiste structurele dikte te verkrijgen bereikt door het gebruik van de bovengenoemde 2D-weefsels. Om de eigenschappen buiten het vlak te verbeteren, worden deze 2D-weefsels gevormd door naaien of quilten of door een andere methode. 2D gevlochten stof kan worden gemaakt van ineengestrengelde garens die een gevlochten stofoppervlak vormen in de volgende patronen: diamant, gewone hercules of elk ander patroon. 2D-gevlochten stof kan worden gelaagd volgens de vereiste dikte en worden geconsolideerd om een star composiet te vormen. Triaxiaal gevlochten weefsel kan worden gevormd wanneer de garens in elkaar grijpen rond de axiale garens bij ongeveer 45° of elke andere richting. Gebreide stofstructuur, wordt gevormd door het interlopen van een garensysteem in continu verbindende verticale kolommen (wale) en horizontale rijen (course) van lussen.

Composietmaterialen zijn een combinatie van twee of meer materialen op een zodanige wijze dat er bepaalde gewenste eigenschappen of verbeterde eigenschappen zijn. In een composiet wordt het discontinue bestanddeel versterking genoemd en wordt de continue omgeven versterking de matrix genoemd.

In een uitvoeringsvorm PMC worden polymeermatrixcomposieten beschreven. De matrix kan worden geclassificeerd als een thermoplastisch, thermohardend of elastomeer polymeer. Als thermohardend polymeer gebruiken we b.v. zuiver polymeer of een mengsel van: polyesterhars van

-6BE2019/5085 elk type, epoxyhars van elk type, vinylesterhars van elk type, polyurethaan van elk type, fenolhars van elk type, polyimideharsen van elk type. Als thermoplastisch polymeer gebruiken wij bijvoorbeeld: polyamiden van elk type, polyethyleen van elk type, polypropyleen van elk type, polystyreen van elk type, polyethyleentereftalaat van elk type, polyetheretherketon van elk type, polycarbonaten van elk type, polyfenyleensulfide van elk type, polysulfon van elk type, thermoplastische polyimiden van elk type. Als elastomeer gebruiken we bijvoorbeeld: EPR ethyleenpropyleenrubber, EPDM, CSM, BR, NBR, SBR, NR, CR of siliconenrubber van elk type. Vooraf geïmpregneerde vezels, garens, filamenten, strengen, rovings, roving matten en weefsels kunnen worden gebruikt als versterkingen of als SMC-plaatvormmassa voor de productie van een halffabrikaat, of als prepregtapes of platen voor het ontwikkelen van grotere structuren, of als een filament gewikkeld rond een structuur. De algemeen gebruikte vervaardigingswerkwijzen met thermohardende harsen zijn bijvoorbeeld hand lay-up, RTM-harsoverdrachtsvormen, harsinfusie, autoclaafverwerking, compressiepersen, filamentwikkeling, pultrusie. Bij thermoplasten gebruiken we b.v. spuitgieten, versterkte reactie spuitgieten, thermovormen. Het eindproduct kan een samengesteld of een half afgewerkt product masterbatch zijn.

Slotoverwegingen

Het is de moeite waard om te benadrukken dat de uitvinding een technische oplossing biedt voor in de context van klimaatverandering voorgestelde maatregelen, zoals voertuigen op basis van waterstofgasverbranding waarvoor gasopslag onder hoge-druk (tanks) is vereist.

De uitvinding verschaft een dergelijke technische oplossing voor dergelijke gevallen door te erkennen dat materialen met een grotere sterkte vereist zijn dan de materialen volgens de standvan-de-techniek, zelfs als deze op grafeen gebaseerd zijn, meer in het bijzonder dat een andere manier om dergelijke materialen te vervaardigen vereist is, gegeven dat bestaande fabricagemethoden de hoofdoorzaak zijn van het gebrek aan prestatie, bovendien worden de resulterende materialen verschaft op een manier die geschikt is voor dergelijke tankvervaardigingswerkwijzen.

Claims

Conclusies

1. Composietmateriaal (120), omvattende een (maasnet of doekachtig) weefsel (110), gemaakt met een strook materiaal (100), gemaakt van grafeenvellen (50), bij voorkeur met een dikte/breedte van minder dan 15 cm, ingebed in een matrix van een tweede materiaal, bij voorkeur een polymeer.
2. Composietmateriaal volgens conclusie 1, omvattende een veelheid van genoemde weefsels op elkaar.
3. Composietmateriaal volgens conclusie 1 of 2, waarbij het (maasnet of doekachtig) weefsel (110), zijnde een geweven, gevlochten, gebreid of genaaid weefsel met de strook materiaal, bij voorkeur aangebracht als een vezel, bij voorkeur gedraaide vezel, bij voorkeur met een diameter van minder dan 0,5 mm.
4. Composietmateriaal volgens conclusie 3, waarbij het (maasnet of doekachtig) weefsel (110), waarbij een aantal vezels in een eerste richting is georiënteerd, terwijl een ander aantal vezels in een tweede richting is georiënteerd is, verschillend van de eerste richting, bij voorkeur zijn de eerste en tweede richtingen orthogonaal.
5. Composietmateriaal volgens conclusie 3, waarbij het (maasnet of doekachtig) weefsel (110), waarbij een aantal vezels is geschikt in een maasachtige structuur, bij voorkeur een honingraat.
6. Een strook materiaal (100), geschikt voor gebruik bij een proces van weven, vlechten, breien of naaien, waarbij de strook materiaal wordt gemaakt van grafeenvellen, bij voorkeur aangebracht op een dragerlaag (300) op één enkele zijde van het vel, bij voorkeur met een dikte/breedte van minder dan 15 cm, waarbij de grafeenvellen zijn gemaakt door middel van een chemische dampafzetting (CVD) werkwijze (10).
7. De strook materiaal volgens conclusie 6, die een vezel is, bij voorkeur een gedraaide vezel en bij voorkeur met een diameter van minder dan 0,5 mm.
8. De strook materiaal volgens conclusies 6 of 7, waarbij de genoemde grafeenvellen meerlagige grafeenvellen zijn.

-8BE2019/5085
9. De strook materiaal volgens conclusies 6, 7 of 8, waarbij de stroken uit de grafeenvellen gesneden zijn, bij voorkeur na het vouwen van de vellen met een enkelzijdige dragerlaag als een sandwich.
10. Een strook materiaal (100), geschikt voor gebruik bij een proces van weven, vlechten, breien of naaien, waarbij de strook materiaal wordt gemaakt van grafeenvellen, bij voorkeur aangebracht op een dragerlaag (300) op één enkele zijde van het vel, bij voorkeur met een dikte/breedte van minder dan 15 cm, waarbij de stroken tenminste gedeeltelijk bedekt zijn met een derde materiaal, bij voorkeur een polymeer.
11. Gebruik van een composietmateriaal volgens conclusies 1 tot 5 onder hogedrukomstandigheden (meer dan 750 bar, dichtbij 1500 bar), meer in het bijzonder in de context van gasopslag, bij voorkeur om de behuizing van de gasopslagtank te versterken, door het weefsel rond de behuizing te wikkelen.
12. Gebruik volgens conclusie 11, waarbij het gas waterstof is, opgeslagen in een voertuig als bron van de motor van het voertuig.
13. Een werkwijze voor het vervaardigen van een opslagtank, geschikt voor gebruik in conclusie

11 of 12) door gebruik van mallen, bij voorkeur rotatie mallen, bij voorkeur waarbij een composietmateriaal volgens conclusies 1 tot 5 is voorzien aan de binnenkant van de mal.
14. Werkwijze voor het verhogen van de sterkte van een composietmateriaal omvattende stroken materiaal die zijn gemaakt van grafeenvellen en een matrix, waarbij de werkwijze omvat: het verschaffen van één of meer (maasnet of doekachtige) weefsels (110), gemaakt, bij voorkeur geweven, gevlochten, gebreid of genaaid (200), met die stroken materiaal; en deze in te bedden (210) in een matrix.
15. Een werkwijze voor het vervaardigen van een strook materiaal, geschikt voor gebruik bij een proces van weven, vlechten, breien of naaien, waarbij de strook materiaal wordt gemaakt van grafeenvellen, bij voorkeur met een dikte/breedte van minder dan 15 cm, waarbij de werkwijze omvat: het verschaffen van grafeenvellen (10) van hoge kwaliteit (10), bij voorkeur aangebracht op een dragerlaag op een enkele zijde van het vel; en het snijden (20) van deze in strook materiaal, bij voorkeur na vouwen (30) van de vellen met een enkelzijdige dragerlaag als een sandwich, waarbij de grafeenvellen zijn gemaakt door middel van een chemische dampafzetting (CVD) werkwijze (10).