CN107980020A - 用于通过水平分裂过程生产薄碳纤维无纺布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在样本厚度方面水平地分裂被卷起的材料的方法，碳纤维无纺布关于刀片结构移动从而从卷分裂一个层或者相继的几个层，并且该一个层或者几个层在分裂过程之后被从碳纤维无纺布以卷的形式连续地移除。

Description

用于通过水平分裂过程生产薄碳纤维无纺布的方法
技术领域
本发明的主题是一种用于通过在样本厚度上水平地分裂由碳纤维无纺布制成的卷绕物品而生产由碳纤维无纺布制成的层的方法，和所生产的材料的用途。
背景技术
水平的意味着平的。分裂是用于利用楔形工具分割工件的生产过程。
卷绕形状或者卷绕的物品意味着织物被卷起，或者处于卷起状态中。这可以是具有从20到70m的长度并且从1.2到1.5m的宽度的毛毡，该毛毡在宽度为大致10cm的硬纸管上卷起。
在碳纤维无纺布的情形中，大致2mm到20mm的厚度是可利用的并且能够用于烤箱绝缘或者在特殊电池系统中用作多孔电极。这些应用能够使用从600到3000℃的多级温度过程来产生。要求这个高温从而设定特性诸如高纯度或者低电阻。在生产过程结束时执行的高温处理能够在批烤箱中间歇地发生，然而，由于成本原因这应该被尽可能地避免。最后的温度步骤因此通常连续地发生，材料通常被拖曳通过系统。
在本发明含义内的高温处理意味着在从1800到3000℃的温度范围处理材料。
由于起作用的拉力，更加过程相关的连续方法被限制为最小材料强度，这使得在这个过程中制造例如厚度小于2mm的非常薄的材料是非常困难的。
成品碳纤维无纺布卷是仅仅从平坦状态组装的。材料强度完全取决于原材料的厚度；考虑到减小厚度的后续组装是不可能的。
这项现有技术的一个很大的缺点是对于可连续地加工材料厚度的限制。目前只能在批量生产中生产非常薄的毛毡。这导致有限的灵活性，这是因为原材料的几何形状决定了关于厚度的最终几何形状。在工业生产中当卷绕物品被用作半成品时，只能从平坦状态进行组装。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于在工业规模上连续生产薄碳纤维无纺布的简单并且成本有效的方法。
利用一种用于生产由碳纤维无纺布制成的层的方法实现了这个目的，作为起始材料的碳纤维无纺布在样本厚度上经历水平分裂过程，碳纤维无纺布相对于刀片构造移动从而从碳纤维无纺布连续地分离一个层或者多个层，并且在该方法中，该一个层或者多个层在分离之后被连续地从碳纤维无纺布移除。因此，能够以成本有效方式在工业生产中生产薄碳纤维无纺布。
在加工塑料材料(软泡沫，见DE 10 2010 004205A1，或者橡胶)中、在生产皮革(剖层皮，见DE 44 12 432A1或者DE 195 06370C2)中，和在生产并且加工无纺布和羊毛毡(见DE 3835007A1)中使用水平分裂。在现有技术中，对于还称为软毛毡的碳纤维无纺布和类似材料没有使用分裂过程。
初始碳纤维无纺布的特性(机械、热和电)在最大可能的程度上保持不受影响。
样本厚度是样本的厚度。样本的同义词是示例。厚度是用于在相对表面之间的测度的、符合标准(DIN 6730)的术语。碳纤维无纺布是平坦织物。样本厚度因此是在经历根据本发明方法的平坦织物的两个表面(在水平位置中：上侧和下侧)之间的测度。水平分裂因此指的是在其表面之间的其全部区域之上分裂平坦织物，从而获得两张平坦织物，就面积而言每一张与初始平坦织物一样大。
使用根据本发明的方法，能够从一张厚的纺织半成品切割出令人惊讶的数目的、由碳纤维制成的薄的柔软毛毡，这既大幅度提高了过程效率，又首先使得薄的、经高温处理的无纺布的连续生产成为可能。
优选地，所使用的碳纤维无纺布通过针刺或水射流纠缠来制造。在针刺的情形下，梳理的纤维网被机械硬化，金属针通过倒钩刺穿材料。在水射流纠缠的情形中，使用强力的水射流而不是针。
优选的是碳纤维无纺布的厚度是3-50mm并且被分离层的厚度是至少0.2mm。特别有利的是能够连续地生产薄碳纤维无纺布并且厚碳纤维无纺布能够被用作半成品。在本发明含义内的薄碳纤维无纺布是具有例如从0.2mm到2mm的厚度的被分离层。
优选的是碳纤维无纺布是基于粘胶、聚丙烯腈(PAN)、沥青或者木质素的。其它无纺布也是可能的，能够包括由来自各种碳源的、所有的当前可得到的碳纤维制成的材料。因此，在纤维原料方面有很大的灵活性。
优选地，刀片构造由铣刀状切削刀具；带刀；具有两个相邻的单带刀的双带刀，每一个单带刀在一侧上被削尖；或者具有摆动驱动器的刚性、尺状劈刀组成。根据本发明的刀片构造的刀片能够被削尖并且特别优选地连续地或者优选地成间隔地被自动地重新调整从而保持水平位置恒定。在此情形中切屑被吸走。在辊子下面进一步吸走确保包括从其分离的任何材料的下层被干净地移除。
优选地，分离并且移除一个层或者多个层同时地并且以恒定的拉力发生。在此情形中，甚至能够控制并且可靠地移除显著地小于5mm厚度的薄层。
拉力是拉动机械体，即作用于本体的力发生器上的力。在根据本发明系统的情形中，机械络筒机能够设定在系统处的速度，毛毡被从该系统移除。在此情形中拉力可以小于一千牛顿。两张被分裂的毛毡(图1)优选地被以受控的相同力移除，这导致应力的稳定状态和一致的厚度。
本发明进一步的方面是由碳纤维无纺布制成的、由根据本发明的方法生产的层。如前所述，薄碳纤维无纺布是按照已知的方法以原始的方式生产的，即相应的无纺布形成机器以期望的厚度产生无纺布。由于纺织品生产过程，这些原始地生产的层的表面不是完全一致的并且是非均匀的。然而，由于使用锐利的带刀的精确分裂，由碳纤维无纺布制成的、根据本发明生产的层的表面是显著地更加一致的和均匀的。进一步的区别特征在于，切割过程导致终端碳纤维在无纺布层的表面上积聚。根据本发明以原始方式分裂并且生产的薄碳纤维无纺布因此仅仅能够光学地即通过观察相互区分。
由根据本发明的方法生产的、由碳纤维无纺布制成的该一个或者多个层优选地被用作用于电池应用，高温电池、氧化还原液流电池的电极材料，或者高温绝缘材料。因此能够以各种方式使用它们。由于能量储存技术目前处于巨大的价格压力之下，根据本发明的经济的方法对于可再生能源是非常有利的。
更加优选地，由根据本发明的方法生产的、由碳纤维无纺布制成的该一个层或者多个层被用于燃料电池中的气体扩散层(GDL)。使用GDL材料的示例有3D无纺布或者2D纸。因为在这些非常薄的材料的情形中也能够使用根据本发明的方法，所以技术范围更加广泛。
附图说明
图1示出根据本发明的碳纤维无纺体(1)如何被旋转带刀(4)分裂成两半并且被加工从而由输送辊(3)形成卷绕物品。当然，除了这个对称的分裂过程，非对称分裂过程在技术上也是可能的。由于连续锐化是可能的，能够进行连续的加工，这导致恒定地良好的切割图像。
具体实施方式
使用以下实施例更加详细地描述本发明：
基于粘胶的6mm厚碳纤维毛毡被分裂成两个3mm厚的半部。被分裂的卷的厚度由将材料传送通过机器的进给辊的竖直位置确定。为了实现对称的分裂结果，有必要为上辊和下辊进行相同的设定。
由于材料应该被稍微地压缩从而确保输送，分裂应该被设定为稍稍小于初始厚度的一半。在碳纤维毛毡的情形中，使用10％的压缩，这是因为在这个值下无材料损坏。输送辊的上下偏移因此是2.7mm。
系统的进给速度是8m/min；带刀的旋转速度是5m/s。带刀是连续地锐利的从而确保清晰的切割图像。
结果是被分裂毛毡的两个卷。分裂表面是令人惊讶地良好的(光学上平滑并且均匀)。能够沿着厚度的方向测量电阻率。
在整个毛毡宽度之上的抽吸装置确保被分裂的产品尽可能不含尘土和颗粒。
基于PAN或者粘胶的被分裂的碳纤维毛毡的测量属性值(测试碳材料)：
确定灰分含量(固体物质)
符合DIN 51903(在580℃)下的灰分含量：
<0.05％(PAN基)；
<0.1％(粘胶基)
根据电势方法确定电阻率(固体物质)
符合DIN 51911的ER(x/y)(垂直于毛毡平面)：
<5Ωmm(PAN基)；
<12Ωmm(粘胶基)
根据电势方法确定电阻率(固体物质)
符合DIN 51911的ER(z)(在毛毡平面中)：
<2Ωmm(PAN基)；
<4Ωmm(粘胶基)
根据比较方法在室温下的导热率(固体物质)
根据DIN51908的TC(垂直于毛毡平面)：
0.1–0.4W/mK(PAN基)；
0.02–0.1W/mK(粘胶基)。
图1的附图标记
1.碳纤维无纺布主体
2.被分离层
3.引导辊
4.输送辊

Claims (9)

1.一种用于生产由碳纤维无纺布制成的层的方法，其特征在于，作为起始材料的碳纤维无纺布在样本厚度上经历水平分裂过程，其中所述碳纤维无纺布相对于刀片构造移动从而从所述碳纤维无纺布连续地分离一个层或多个层，并且在所述方法中，在分离之后，所述一个层或多个层被连续地从所述碳纤维无纺布移除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待被分裂的所述碳纤维无纺布的厚度是3-50mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被分离层的厚度是至少0.2mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维无纺布是基于粘胶、PAN、沥青或木质素的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀片构造由铣刀状切削刀具、带刀、双带刀或具有摆动驱动器的刚性的尺状劈刀组成，所述双带刀具有两个相邻的单带刀，每一个单带刀在一侧上被削尖。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分离并且移除一个层或多个层同时地并且以恒定的拉力发生。
7.一种由根据上述权利要求中的一项或多项所述的方法生产的、由碳纤维无纺布制成的层。
8.一种根据权利要求7所述的由碳纤维无纺布制成的层作为高温绝缘材料或用于电池应用、高温电池、氧化还原液流电池的电极材料的用途。
9.一种根据权利要求7所述的由碳纤维无纺布制成的层用于燃料电池中的气体扩散层的用途。
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