DE102015104373A1

DE102015104373A1 - Bandförmiges Carbon-Heizfilament und Verfahren für dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015104373A1
Application number: DE102015104373.4A
Authority: DE
Inventors: Maike Klumpp; Sven Linow
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-09-29
Also published as: KR101991195B1; EP3275285A1; KR20170130534A; US20180077756A1; JP6570649B2; WO2016150701A1; CN107432057A; JP2018517230A

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines eine Längsachse aufweisenden Heizfilaments aus einem Verbundwerkstoff, bei dem Carbonfasern in einer Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind, wird ein Flächengebilde bereitgestellt, das Carbonfasern in textiler Bindung enthält, dieses wird mit thermoplastischem Kunststoff imprägniert, und anschließend das imprägnierte Flächengebilde unter Schutzgas oder Vakuum unter Bildung des Verbundwerkstoffs carbonisiert. Um hiervon ausgehend mit möglichst geringem Materialverlust beim Ausschneiden aus einem großflächigen, bandförmigen Halbzeug ein Carbon-Heizfilament zu erhalten, das einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand hat und das sich durch hohe mechanische Stabilität auszeichnet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Flächengebilde aus einem Faserverbundwerkstoff bereitgestellt wird, bei dem Kunststofffäden aus thermoplastischem Kunststoff in die textile Bindung des Flächengebildes eingearbeitet sind.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein bandförmiges Carbon-Heizfilament aus einem Verbundwerkstoff, bei dem Carbonfasern in textiler Bindung in einer Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines eine Längsachse aufweisenden Heizfilaments aus einem Verbundwerkstoff, bei dem Carbonfasern in einer Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind, umfassend folgende Verfahrensschritte:

(a) Bereitstellen eines Flächengebildes, das Carbonfasern in textiler Bindung enthält,
(b) Imprägnieren des Flächengebildes mit einem thermoplastischen Kunststoff, und
(c) Carbonisieren des imprägnierten Flächengebildes unter Bildung des Verbundwerkstoffes.

Carbon-Heizfilamente bestehen aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, bei dem Kohlefäden, die aus einem Kohlenstoff-Precursor einer ersten Art erzeugt sind, in einer Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind, der aus einem Kohlenstoff-Precursor einer zweiten Art erzeugt ist.
Das Heizfilament wird als von Strom durchflossener Glühfaden, Glühdraht oder Glühwendel in Glühlampen, Infrarotstrahlern oder Öfen eingesetzt und liegt in der Regel in lang gestreckter Form als glattes oder um seine Längsachse verdrilltes oder gewendeltes Band vor. Auf Carbonfasern basierende Heizfilamente zeigen eine gute mechanische Stabilität bei gleichzeitig hohem elektrischem Widerstand und sie lassen vergleichsweise schnelle Temperaturwechsel zu.
Stand der Technik
Beim bestimmungsgemäßen Einsatz sind die Heizfilamente häufig dauerhaft Temperaturen von 800°C und höher ausgesetzt. Um eine konstante Strahlungsemission zu gewährleisten, bestehen an das Heizfilament die Anforderungen, dass seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften trotz Temperaturbelastung möglichst lange innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs bleiben.
Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften liegt dabei ein besonderes Augenmerk auf dem elektrischen Widerstand des Heizfilaments. Dieser soll einerseits auch unter Last zeitlich konstant sein, und er soll andererseits möglichst hoch sein, um auch kurze Heizfilament-Längen mit üblichen Spannungen (beispielsweise 230 V) betreiben zu können.
Bei einem bandförmigen Heizfilament ist der nominale elektrische Widerstand grundsätzlich durch den Querschnitt und insbesondere durch die Dicke des Bandes einstellbar. Der Verringerung der Banddicke sind wegen der mechanischen Festigkeit und einer vorgegebenen Mindest-Lebensdauer jedoch Grenzen gesetzt. Diese Begrenzung macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn das Heizfilament im Einsatz mechanisch hoch belastet wird, wie etwa bei langen Bestrahlungslängen von 1 m oder mehr.
Aus der US 6,845,217 B2 ist es bekannt, den elektrischen Widerstand des Verbundwerkstoffs des Heizfilaments durch Variation der Anteile von kristallinem Kohlenstoff, amorphem Kohlenstoff und durch Dotierstoffe wie Stickstoff oder Bor einzustellen. Das so hergestellte Heizfilament zeigt jedoch geringe mechanische Stabilität.
Die EP 0 700 629 A1 schlägt ein Heizfilament vor, bei dem eine bandförmige Anordnung von Carbonfasern mit einer Schicht aus glasartigem Kohlenstoff beschichtet ist. Zur Kontaktierung sind aufgeklebte Verdickungen an den Bandenden vorgesehen, die von Federn aus Molybdänblech fixiert und gehalten werden. Dadurch wird die mechanische Stabilität erhöht, so dass geringere Banddicken und damit höhere elektrische Widerstände ermöglicht werden.
Allerdings ist der elektrische Widerstand dieser Heizfilamente immer noch zu gering, um kurze Strahler (< 1 m) bei der industriell üblichen elektrischen Spannung um 230 V betreiben zu können.
Die DE 10 2011 109 578 A1 schlägt zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes bei einem bandförmigen Heizfilament vor, ein flächiges, unregelmäßiges Gelege relativ kurzer Carbonfasern in einer Kohlenstoffmatrix mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit einzubetten. Ein in beliebiger Richtung fließender elektrischer Strom verläuft zumindest bereichsweise durch die Kohlenstoffmatrix, was den elektrischen Widerstand erhöht. Die Kohlenstoffmatrix wird durch Carbonisieren von thermoplastischem Kunststoff erzeugt. Als geeignete Kunststoffe werden genannt: Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyimid (PI), wobei PEEK und PET besonders bevorzugt sind. Vor dem Carbonisieren des Kunststoffs wird das Heizfilament zu den gewünschten Abmessungen geschnitten. Die Carbonfasern basieren beispielsweise auf Polyacrylnitril (PAN), Teer oder Viskose.
Bei dem ähnlichen Lösungsansatz gemäß der DE 10 2011 109 577 A1 wird eine regelmäßige Struktur aus Carbonfasern in einer kohlenstoffbasierten Matrix mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit eingebettet, wobei vor oder nach dem Herstellen der Matrix zumindest ein Teil der Carbonfasern in einer möglichen Stromflussrichtung gesehen unterbrochen wird, beispielsweise durch Erzeugen von Durchgangsbohrungen. Über die Anzahl der Unterbrechungen und den Anteil der unterbrochenen Carbonfasern können der Anteil des Stromflusses, der zwangsweise durch das Matrixmaterial verläuft und damit der elektrische Widerstand des Verbundwerkstoffs eingestellt werden. Die Carbonfaser-Struktur besteht beispielsweise aus einem Gewebe, einem Geflecht, einem Gestrick oder aus einem Gewirk aus Fasern oder Faserbündeln. Um den elektrischen Widerstand weiter zu erhöhen, werden bei einer Ausführungsform bandförmige Heizfilamente aus einem großflächigen Halbzeug so ausgeschnitten, dass die Faser-Längsachsen mit der finalen Heizfilament-Längsachse einen Winkel ungleich Null einschließen. Dies führt jedoch zu Schnittverlusten bei dem bereits imprägnierten und daher weitgehend bearbeiteten und teuren Vormaterial.
Technische Aufgabenstellung
Bei den beiden zuletzt erläuterten Ausgestaltungen des Carbon-Heizfilaments kann der elektrische Widerstand durch die Orientierung der elektrisch gut leitfähigen Carbonfasern in Bezug auf die Stromflussrichtung beziehungsweise durch den Grad ihrer Unterbrechung in gewissem Umfang beeinflusst werden. Dieser Zugewinn an Variabilität beim elektrischen Widerstand geht jedoch zu Lasten der mechanischen Stabilität. Es hat sich außerdem gezeigt, dass eine Orientierung der Carbonfasern in einem großen Winkel zur Stromflussrichtung zu Verwerfungen des Bandes und zu kurzen Standzeiten führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Carbon-Heizfilament so zu modifizieren, dass es einerseits einen so hohen spezifischen elektrischen Widerstand hat, dass es auch bei kurzen Bestrahlungslängen von 1 m und weniger mit einer industriell üblichen elektrischen Spannung von 230 V betrieben werden kann, und dass es sich andererseits durch hohe mechanische Stabilität und eine lange Standzeit auszeichnet.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Carbon-Heizfilaments anzugeben, bei dem Materialverluste wie etwa durch Ausschneiden aus einem großflächigen, bandförmigen Halbzeug gering sind.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Heizfilaments wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Flächengebilde aus einem Faserverbundwerkstoff bereitgestellt wird, bei dem Kunststofffäden aus thermoplastischem Kunststoff in die textile Bindung des Flächengebildes eingearbeitet sind.
Der Faserverbundwerkstoff enthält eine regelmäßige oder unregelmäßige Carbonfaserstruktur, in die zusätzliche Kunststofffäden eingearbeitet sind. Die Kunststofffäden bilden vorzugsweise ein eigenes Fadensystem innerhalb der Carbonfaserstruktur und liegen dabei als Einzelfaden oder Multifilamentfaden vor. Sie können aber auch mit Carbonfasern in einem gemeinsamen Fadensystem verarbeitet sein und gegebenenfalls mit diesen sogenannte „Hybridfäden“ bilden.
Die Abmessungen des Halbzeugs aus dem Faserverbundwerkstoff können nah an der Endkontur des Heizfilaments liegen; in der Regel liegt der Faserverbundwerkstoff aber als bandförmiges Halbzeug vor, aus dem eine Vorform des Heizfilaments beispielsweise durch Ausschneiden oder Ausstanzen, erzeugt wird, wobei die Schnittkanten im Idealfall parallel zu den Längsseiten des bandförmigen Halbzeugs verlaufen, um Materialverluste zu minimieren.
Das daraus erzeugte langestreckte Heizfilament hat in der Regel ebenfalls Band- oder Plattenform; es ist eben oder es erstreckt sich in drei Raumrichtungen, indem es beispielsweise gewellt oder verdrillt ist. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz durchfließt der Heizstrom das langestreckte Heizfilament von seinem einen stirnseitigen Ende zum gegenüberliegenden Ende. Stromflussrichtung und Heizfilament-Längsachse verlaufen somit im Wesentlichen parallel.
Die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Heizfilaments wird von Art, Menge, Verteilung und Orientierung der Carbonfasern beeinflusst. Grundsätzlich ist der elektrische Widerstand umso größer, je stärker ein etwaiger Unterbrechungsgrad der textilen Carbonfaserstruktur in Stromflussrichtung und je größer der mittlere Winkel ist, den die Heizfilament-Längsachse mit denjenigen Carbonfasern einschließt, deren Orientierung einen Richtungsvektor in Stromflussrichtung aufweisen. Dieser Winkel wird im Folgenden der Einfachheit halber auch als „Divergenzwinkel“ bezeichnet. Ein hoher elektrischer Widerstand ist erwünscht, wenn es darum geht, auch bei kurzer Heizfilament-Länge einen Betrieb mit einer industriell üblichen elektrischen Spannung von 230 V zu ermöglichen. Allerdings leidet mit zunehmendem Unterbrechungsgrad und Divergenzwinkel die mechanische Stabilität des Halbzeugs bei der Verarbeitung zum Heizfilament. So kommt es beim Zuschneiden bisheriger Halbzeuge leicht zu Rissen und Ausbrüchen und insbesondere zu Ausfransungen an den geschnittenen Heizfilament-Längsseiten.
Dieser Einbuße an mechanischer Stabilität wirkt die erfindungsgemäße Weiterbildung des Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs entgegen, indem bereits bei der Herstellung der textilen Carbonfaserstruktur Fäden aus thermoplastischem Kunststoff eingelagert werden. Diese Kunststofffäden werden zusätzlich in Bindung des Flächengebildes eingearbeitet, vorzugsweise bilden sie aber mindestens einen Teil der auch sonst erforderlichen Konstruktionsfäden der textilen Bindung, also beispielsweise je nach Bindungsart Steh-, Kett-, Schuss- oder Bindefäden.
Unabhängig von ihrer spezifischen Funktion innerhalb der textilen Bindung wirken sich die Kunststofffäden stabilisierend auf das Halbzeug aus. Und zwar einerseits bereits beim Zuschneiden oder Ausstanzen des Heizfilaments, indem die Kunststofffäden wegen ihrer im Vergleich zu Carbonfasern hohen Elastizität den Risswiderstand beziehungsweise die Bruchzähigkeit der vergleichsweise spröden Carbonfaserstruktur erhöhen und so einem Einreißen oder Ausfransen auch bei großem Divergenzwinkel entgegenwirken. Außerdem sind in Längsachsenrichtung verlaufende Kunststofffäden in der Lage, bei der Weiterverarbeitung des Halbzeug auftretende Zugkräfte in dieser Richtung aufzunehmen und so einer Verwerfung oder einer Änderung des voreingestellten Bindungswinkels der textilen Bindung entgegen zu wirken. Bei einem bandförmigen Halbzeug trägt die von den Kunststofffäden bewirkte Stabilisierung daher dazu bei, dass Heizfilamente trotz des großen Divergenzwinkels ohne Ausreißen oder Verformung parallel zur Band-Längsachse geschnitten oder ausgestanzt werden können.
Und zum anderen tragen die thermoplastischen Kunststofffäden auch bei der Weiterverarbeitung des Heizfilaments zu dessen Stabilisierung bei, indem sie beim Imprägnieren unter Wärme erweichen, die Carbonfaser-Struktur an Ort und Stelle durchdringen und danach mindestens einen Teil des Kunststoffs im konsolidierten Flächengebilde bilden können.
Aus dem konsolidierten Carbonfaser-Gewebe werden langgestreckte Heizfilamente (in der vorgegebenen Länge und Breite) ausgeschnitten.
Ihre stabilisierende Wirkung entfalten die Kunststofffäden unabhängig von der im Einzelfall vorliegenden Carbonfaser-Struktur. Diese ist einlagig oder mehrlagig. Im Hinblick auf ihre Orientierung erweisen sich aber solche Kunststofffäden als besonders wirkungsvoll, die in Richtung der Heizfilament-Längsachse ausgerichtet sind. Diese Kunststofffäden verlaufen somit parallel zu den Längsseiten des Heizfilaments und in etwa parallel zur mittleren Stromflussrichtung.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise wird eine Vielzahl der Kunststofffäden über eine Breite des Heizfilaments gleichmäßig verteilt.
Die „Breite“ des Heizfilaments ist der Abstand zwischen den beiden parallelen Längsseiten. Über diese Abmessung sind eine Vielzahl – also mindestens drei – Kunststofffäden, die beispielsweise als Steh- oder Kettfäden der textilen Bindung ausgebildet sind, gleichmäßig verteilt.
Bei einer alternativen, jedoch gleichermaßen bevorzugten Verfahrensweise wird das Heizfilament mit zwei parallel zueinander verlaufenden Längsseiten versehen, wobei die Kunststofffäden überwiegend im Bereich beider Längsseiten verlaufen.
Das Heizfilament wird dabei so aus dem Flächengebilde geschnitten oder gestanzt, dass die stabilisierenden Kunststofffäden überwiegend oder ausschließlich an den beiden parallelen Längsseiten vorgesehen sind. Die Kunststofffäden sind „überwiegend“ an den Längsseiten angeordnet, wenn dort ihre Flächenbelegung (Anzahl pro Längeneinheit) am größten ist. Diese Verfahrensweise ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Kunststofffäden die Erzeugung des textilen Flächengebildes an und für sich erschweren, und daher nur an denjenigen Stellen vorgesehen sind, an denen sie eine besonders vorteilhafte Wirkung hinsichtlich der mechanischen Stabilisierung erzielen, also im Bereich der Längsseiten der aus dem Flächengebilde zu fertigenden Heizfilamente.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung schließen die Kunststofffäden mit den Carbonfasern einen Winkel zwischen 10 und 80 Grad in dem Faserverbundwerkstoff ein.
Bei parallel zur Heizfilament-Längsachse verlaufenden Kunststofffäden bilden die Carbonfasern in diesen Fällen einen großen Divergenzwinkel mit der Heizfilament-Längsachse, einhergehend mit den weiter oben bereits erläuterten Vorteilen hinsichtlich des elektrischen Widerstandes des Heizfilaments.
Der Faserverbundwerkstoff setzt sich beispielsweise aus Konstruktions- und Funktionsfäden zusammen, die ein Gewebe, Gestricke, Gewirke, Gestick, Geflecht, Gehäkel, eine Filz- oder Walkware oder ein Vlies bilden.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise wird der Faserverbundwerkstoff jedoch als Gewirk bereitgestellt, das eine Gewirkstruktur mit Maschen und darin eingearbeiteten Stehfäden aufweist, wobei in der Mehrzahl – bevorzugt in jeder der Maschen – ein Stehfaden aus dem Kunststofffaden vorgesehen ist.
Derartige Gewirke werden üblicherweise mittels Kettenwirkautomaten oder Raschelmaschinen mit Schusseintrag hergestellt. Sie bestehen typischerweise aus einer vertikalen Gewirkstruktur mit einem horizontalen Schusseintrag. Die vertikale Gewirkstruktur besteht aus einer Maschenstruktur sowie gegebenenfalls in diese eingearbeitete Stehfäden. In dem Gewirk kann ein Stehfaden in jeder Masche des Gewirkes vorgesehen sein oder es ist möglich, neben einer mit Stehfaden versehenen Masche des Gewirkes eine oder mehrere Maschen ohne Stehfaden vorzusehen.
In einer alternativen Verfahrensweise wird der Faserverbundwerkstoff als Geflecht ausgeführt, das eine Geflechtstruktur mit darin eingearbeiteten Stehfäden aufweist, von denen mindestens zwei – vorzugsweise alle – aus dem Kunststofffaden ausgebildet sind.
Flechtstrukturen in Form von Rundgeflechten lassen sich durch Überflechten von sogenannten Flechtkernen erzeugen. Die Flechtfäden werden dabei auf Spulen aufgewickelt und in Spulenhaltern (Klöppeln) eingespannt, die mittels Flügelrädern bewegt werden. Bei einem Rundgeflecht bewegt sich eine Hälfte der Klöppel im Uhrzeigersinn, die andere Hälfte gegen den Uhrzeigersinn. Bei einem biaxialen Flechtfadensystem wird der halbe Winkel zwischen den beiden Flechtfadensystemen als „Flechtwinkel“ bezeichnet. Bei Einführung eines dritten Fadensystems in das Geflecht, werden diese Fäden nicht mitbewegt, sondern an einer festen Position als sogenannte Stehfäden in das Geflecht eingeführt. Mindestens ein Teil dieser Stehfäden eines triaxialen Fadensystems ist erfindungsgemäß als Kunststofffaden aus dem thermoplastischen Kunststoff ausgeführt. Mindestens einer der beiden anderen Flechtfadensysteme besteht aus Carbonfaser.
Im Gegensatz zum Gewebe gibt es beim Flechtwinkel keine Festlegung auf einen senkrechten Winkel, so dass die Größe des Flechtwinkels einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Einstellung des elektrischen Widerstandes des Heizfilaments liefert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Verfahrensweise wird der Faserverbundwerkstoff als Gewebe ausgeführt, das eine Gewebestruktur mit in Längsrichtung verlaufenden Kettfäden und dazu senkrecht oder in einem anderen Winkel verlaufende Querfäden aufweist, und die Mehrzahl – bevorzugt jeder – der Kettfäden aus dem Kunststofffaden ausgebildet ist.
Das Flächengebilde in Form eines Carbonfaser-Gewebes ist mechanisch besonders stabil, verzugsarm und im Vergleich zu anderen textilen Strukturen wie Geflecht, Geflecht, Gestrick oder Gewirk einfach herstellbar.
Die Herstellung des Faserverbundwerkstoffs wird erleichtert, wenn Carbonfasern und Kunststofffäden ähnliche Durchmesser haben. Je größer der Anteil der Kunststofffäden am Faserverbundwerkstoff ist, umso größer ist zwar deren Beitrag zur mechanischen Stabilisierung des Halbzeugs. Andererseits bilden die Kunststofffäden nach dem Carbonisieren lediglich einen Teil der Kohlenstoff-Matrix, die zur Festigkeit des fertigen Heizfilaments weniger beiträgt als die Carbonfasern. Als geeigneter Kompromiss hat es sich erwiesen, wenn der Volumenanteil der Carbonfasern am Faserverbundwerkstoff im Bereich zwischen 50 und 60 % liegt.
Die Feinheit von linienförmigen textilen Gebilden wird gemäß ISO 1144 und DIN 60905, Teil 1 im sogenannten „Tex-System“ als Gewicht pro Längeneinheit definiert. 1 tex entspricht 1 Gramm pro 1000 Meter.
Im Hinblick auf eine ausreichende mechanische Festigkeit und einen möglichst hohen elektrischen Widerstand hat es sich bewährt, wenn die Carbonfasern eine Feinheit im Bereich von 0,05 bis 0,09 tex haben und der Faserverbundwerkstoff mit einem Flächengewicht im Bereich von 100 bis 300 g/m² bereitgestellt wird.
Es hat sich außerdem bewährt, wenn die Kunststofffäden des Faserverbundwerkstoffs Polyetheretherketon (abgekürzt: PEEK) enthalten.
PEEK ist ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff und gehört zur Stoffgruppe der Polyaryletherketone. Er stellt nach der Carbonisierung einen hohen Kohlenstoffanteil bereit. Seine Schmelztemperatur beträgt 335 °C.
Die Menge der in den Faserverbundwerkstoff eingearbeiteten Kunststofffäden ist beispielsweise so ausgelegt, dass kein zusätzlicher Kunststoff zum Imprägnieren erforderlich ist. Alternativ dazu wird zum Imprägnieren der Faserverbundwerkstoff mit weiterem thermoplastischem Kunststoff in Kontakt gebracht und erwärmt. Im einfachsten Fall ist der weitere thermoplastische Kunststoff der gleiche wie bei den Kunststofffäden. Er wird in Faserform, Partikelform oder in Form einer Folie bereitgestellt. Beim Imprägnieren kann der Faserverbundwerkstoff auch sandwichartig zwischen beiderseitig anliegenden Folien aus thermoplastischem Kunststoff angeordnet werden
Zur weiteren Verfestigung wird das imprägnierte Flächengebilde vorzugsweise durch Erwärmen konsolidiert und dabei in einem Werkzeug unter Druck bei erhöhter Temperatur gehalten, bis sich eine innige Benetzung von PEEK und den Carbonfasern einstellt. Um Spannungen oder Verzug minimal zu halten, umfasst das Konsolidieren vorzugsweise auch das Abkühlen des imprägnierten Faserverbundwerkstoffs in dem Werkzeug unter Beibehaltung eines Pressdrucks.
Das Carbonisieren des konsolidierten Flächengebildes erfolgt vorzugsweise unter Schutzgas oder Vakuum durch Widerstandbeheizung oder Erhitzen in einem Ofen. Ein anschließendes Graphitisieren kann ergänzend zur Einstellung einer höheren elektrischen Leitfähigkeit dienen. Das Graphitisieren erfolgt bei Temperaturen zwischen 1500°C und 3000°C unter inerter Atmosphäre bei Atmosphärendruck oder auch im Vakuum.
Hinsichtlich des Heizfilaments wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die textile Bindung ein Fadensystem aus ersten Carbonfasern und zweiten Carbonfasern umfasst, wobei die ersten Carbonfasern mit den zweiten Carbonfasern einen Faserkreuzungswinkel α im Bereich von 45 bis 135 Grad einschließen, und dass es bei einer Filamenttemperatur im Bereich von 900 °C bis 1600 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 25 Ωmm²/m aufweist.
Das erfindungsgemäße Heizfilament wird aus einem Verbundwerkstoff erhalten, der nach dem oben erläuterten Verfahren hergestellt wird. Dieser Verbundwerkstoff enthält Carbonfasern in einer kohlenstoffhaltigen Matrix. In einem Halbzeug des Verbundwerkstoffs können die Carbonfasern dabei in einem großen Winkel zur Stromflussrichtung (des Heizfilaments) orientiert oder in starkem Grad unterbrochen sein, so dass sie einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand bewirken. Das Halbzeug enthält Fäden aus thermoplastischem Kunststoff, die auf das Halbzeug einen stabilisierenden Einfluss haben, und so dessen Weiterverarbeitung zu dem defektfreien oder defektarmen Heizfilament mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand erst ermöglichen. Der spezifische elektrische Widerstand des erfindungsgemäßen Heizfilaments liegt bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1600 °C bei mindestens 25 Ωmm²/m. Die üblichen Betriebstemperaturen von Heizfilamenten liegen in diesem Temperaturbereich.
Die textile Bindung umfasst ein Fadensystem aus ersten Carbonfasern und zweiten Carbonfasern, wobei die ersten Carbonfasern mit den zweiten Carbonfasern einen Faserkreuzungswinkel α im Bereich von 45 bis 135 Grad einschließen.
Der Faserkreuzungswinkel ist in dem Fall doppelt so groß wie der Divergenzwinkel, also der Winkel zwischen Carbonfaser und Heizfilament-Längsachse. Je größer dieser Winkel ist, umso höher ist der spezifische elektrische Widerstand des Heizfilaments. Faserkreuzungswinkel im Bereich von 45 bis 135 Grad ermöglichen somit Divergenzwinkel im Bereich von 22,5 und 67,5 Grad.
Eine Besonderheit des Verfahrens und des erfindungsgemäßen Heizfilaments liegt darin, dass der relative große Faserkreuzungswinkel in dem bandförmigen Verbundwerkstoffs ausgebildet ist, und durch Schneiden der Heizfilament-Vorformen entlang der Band-Längsseiten erhalten wird.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt im Einzelnen:
1 eine Flechtstruktur als Halbzeug zur Herstellung eines Heizfilaments gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung,
2 eine mit elektrischen Anschlüssen versehene Vorform des Heizfilaments gemäß der Erfindung in einem Ausschnitt und in schematischer Darstellung,
3 eine Foto des Heizfilaments nach dem Carbonisieren,
4 ein Diagramm zur Spannung pro beheizter Heizfilament-Länge in Abhängigkeit von der Temperatur, und
5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes vom Faserkreuzungswinkel bei einem Geflecht zeigt.
1 zeigt schematisch ein Halbzeug 1 in Form eines triaxialen Rundgeflechts aus Carbonfasern 2, in das Stehfäden 3 aus Kunststoff eingearbeitet sind. Die Kunststoff-Stehfäden 3 sind gleichmäßig um den Flechtkern 4 verteilt, und sie verlaufen in Bewegungsrichtung 5 des Flechtkerns 4 beim Radial-Flechtprozess. Diese Richtung (5) entspricht der Längsachsen-Richtung 25 des Heizfilaments (siehe 2 und 3), das aus dem Halbzeug gefertigt wird. Der Flechtwinkel β zwischen den beiden Carbonfaser-Systemen beträgt 67,5 Grad, der Faserkreuzungswinkel α beträgt in diesem Fall 135 Grad.
Die Carbonfasern 2 haben eine Feinheit von 0,07 tex. Die Kunststoff-Stehfäden 3 bestehen aus einem PEEK-Faserbündel und haben eine Feinheit von 1107 Denier („Denier“ ist eine Maßeinheit für die Garnfeinheit und steht für die Masse pro 9000 m). Das so erzeugte Geflecht 1 ist flexibel und hat ein Flächengewicht von 300 g/m².
Das fertige Rundgeflecht wird in Richtung seiner Längsachse 25 aufgeschnitten, so dass ein Bandgeflecht erhalten wird, dessen Breite durch den Mantelumfang des Rundgeflechts bestimmt wird. Die Kunststoff-Stehfäden 3 stabilisieren das Geflecht 1 bei seiner Weiterverarbeitung. Infolge ihrer im Vergleich zu den Carbonfasern 2 hohen Elastizität erhöhen sie den Risswiderstand und die Bruchzähigkeit des Geflechtes 1 im Vergleich zu einer reinen Carbonfaserstruktur. Außerdem sind in Längsachsenrichtung 5 verlaufende Kunststofffäden 3 in der Lage, bei der Weiterverarbeitung des Geflechts 1 auftretende Zugkräfte aufzunehmen und so einer Verwerfung oder einer Änderung des voreingestellten Flechtwinkels entgegen zu wirken.
Die Kunststoff-Stehfäden 3 erweichen unter Wärme, so dass die Kunststoffmasse de die Carbonfaser-Struktur an Ort und Stelle durchdringt und danach einen Teil des Kunststoffs im konsolidierten Flächengebilde bildet. Im Ausführungsbeispiel genügt der Gewichtsanteil der Kunststoff-Stehfäden 3 für ein vollständiges Imprägnieren der Geflechtstruktur 1 jedoch nicht. Daher wird zum Imprägnieren beidseitig eine PEEK-Folie mit einer Dicke von jeweils 75 pm aufgebracht und in einer Heißpresse bei einer Temperatur um 360°C und einem Druck von 5 bar aufgeheizt. Diese Maßnahme allein ergibt jedoch noch kein überaus stabiles Filament. Eine höhere mechanische Stabilität wird im selben Heißprozess durch einen Konsolidierungsvorgang erreicht, bei dem der Verbundwerkstoff aus Carbonfaser und Kunststoffffäden in der Heißpresse bei einer Temperatur um 400°C und einem Druck von 10 bar aufgeheizt und bei diesen Bedingungen weitere 15 min gehalten wird.
Der konsolidierte Verbundwerkstoff liegt als Band vor, dessen Breite einem Mehrfachen der Sollbreite des Heizfilaments 1 von 15 mm entspricht. Entsprechende breite Streifen in der gewünschten Länge werden parallel zu den Längsseiten des Bandes ausgeschnitten und etwaige Unregelmäßigkeiten an den Schnittseiten werden entfernt. Die Schnittrichtungen verlaufen parallel zu den ehemaligen Kunststofffäden 3 und senkrecht dazu. Obwohl die Carbonfasern dabei miteinander einen Kreuzungswinkel α von 135 Grad und mit der Schnittkante einen Winkel von etwa 67,5 Grad (dies ist der Divergenzwinkel und dieser entspricht dem Flechtwinkel β) einschließen, sind die Schnittverluste gering.
Nach dem Zuschneiden des Bandes werden elektrische Anschlüsse 21 angebracht, wie in 2 schematisch dargestellt. Die Heizfilament-Vorform 20 liegt als Verbundwerkstoff aus einem Carbonfaser-Geflecht 2 vor, das in eine Kunststoff-Matrix 22 eingebettet ist. Ein Teil der Kunststoff-Matrix 22 wird von den ehemaligen Kunststoff-Stehfäden (3) gebildet, deren Verlauf als punktierte Linien 23 angedeutet ist. Diese verlaufen parallel zur Längsachse 25 (der Heizfilament-Vorform 20 als auch des daraus erzeugten Heizfilaments 30 (siehe 3).
Der Volumenanteil der Carbonfasern 2 an diesem Verbundwerkstoff 20 beträgt etwa 55 %. Dieser wird unter Bildung des Heizfilaments carbonisiert. Das Carbonisieren erfolgt in üblicher Weise durch Erhitzen in einem Ofen bei einer Temperatur um 1000 °C unter inerter Atmosphäre. Dabei werden Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und gegebenenfalls weitere vorhandene Elemente insbesondere aus dem die Carbonfasern umgebenden Kunststoffmaterial eliminiert, so dass letztlich der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit hohem Kohlenstoffgehalt erhalten wird.
3 zeigt ein Foto eines Abschnittes des so erzeugten Heizfilaments 30. Es hat eine Breite von 10 mm, eine Dicke von 0,21 mm und eine Länge von 1 m. Die Carbonfasern 2 schließen miteinander einen Kreuzungswinkel α von 135 Grad ein (der Flechtwinkel β beträgt somit 67,5 Grad). Es zeichnet sich durch einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aus, der im Temperaturbereich von 900 bis 1600 °C etwa 80 Ωmm²/m beträgt (siehe 5). Daher kann das Heizfilament auch bei Bestrahlungslängen von weniger als 1 m mit einer Netzspannung von 230 Volt betrieben werden.
Dies wird auch im Diagramm von 4 deutlich, in dem die Spannung U pro beheizter Länge (in V/cm) in Abhängigkeit von der Temperatur T (in °C) aufgetragen ist, und zwar für das Heizfilament 30 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit einem Standard-Material. Demnach wird mit dem erfindungsgemäßen Heizfilament 30 im relevanten Temperaturbereich von 900 bis 1400 °C eine auf die Heizlänge bezogene Spannung von 2,3 bis 4,25 V/cm erreicht. Somit sind mit einer Nennspannung von 230 V beheizte Längen zwischen 540 mm und 1000 mm realisierbar. Demgegenüber werden mit Heizfilamenten aus dem Standardmaterial mit derselben Nennspannung nur mit größeren beheizten Längen im Bereich von 1150 mm bis 2000 mm erreicht.
Im Diagramm von 5 ist auf der Ordinate der spezifische elektrische Widerstand ρ (in Ωmm²/m) des Heizfilaments 30 gegen den Kreuzungswinkel α (in Winkelgraden °) aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, dass der spezifische elektrische Widerstand ρ mit dem Faserkreuzungswinkel α zunimmt. So ergibt sich bei einem Faserkreuzungswinkel von 45 Grad für den spezifischen elektrischen Widerstand ein Wert von etwa 28 Ωmm²/m und bei einem Faserkreuzungswinkel von 135 Grad ein Wert von etwa 80 Ωmm²/m. Der spezifische elektrische Widerstand ist dabei für Heizfilament-Temperaturen im Bereich von 900 bis 1600 °C etwa konstant.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6845217 B2 [0008]
EP 0700629 A1 [0009]
DE 102011109578 A1 [0011]
DE 102011109577 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 1144 [0041]
DIN 60905 [0041]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines eine Längsachse aufweisenden Heizfilaments aus einem Verbundwerkstoff, bei dem Carbonfasern in einer Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind, umfassend folgende Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines Flächengebildes, das Carbonfasern in textiler Bindung enthält, (b) Imprägnieren des Flächengebildes mit einem thermoplastischen Kunststoff, und (c) Carbonisieren des imprägnierten Flächengebildes unter Bildung des Verbundwerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächengebilde aus einem Faserverbundwerkstoff (20) bereitgestellt wird, bei dem Kunststofffäden (3; 23) aus thermoplastischem Kunststoff in die textile Bindung des Flächengebildes eingearbeitet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffäden (3; 23) Konstruktionsfäden der textilen Bindung bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffäden (3; 23) in Richtung der Heizfilament-Längsachse (25) ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kunststofffäden (3; 23) über eine Breite des Heizfilaments (30) gleichmäßig verteilt sind.
Verfahren einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfilament mit zwei parallel zueinander verlaufenden Längsseiten versehen wird, und dass die Kunststofffäden überwiegend im Bereich beider Längsseiten verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Faserverbundwerkstoff (20) die Kunststofffäden (3; 23) mit den Carbonfasern (2) einen Winkel zwischen 10 und 80 Grad einschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff als Gewirk ausgeführt wird, das eine Gewirkstruktur mit Maschen und darin eingearbeiteten Stehfäden aufweist, und dass in der Mehrzahl – bevorzugt in jeder – der Maschen ein Stehfaden aus dem Kunststofffaden vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff als Geflecht (1) ausgeführt wird, das eine Geflechtstruktur mit darin eingearbeiteten Stehfäden (3) aufweist, von denen mindestens zwei – vorzugsweise alle – aus dem Kunststofffaden ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff als Gewebe ausgeführt wird, das eine Gewebestruktur mit in Längsrichtung verlaufenden Kettfäden und dazu senkrecht oder in einem anderen Winkel verlaufende Querfäden aufweist, und die Mehrzahl – bevorzugt jeder – der Kettfaden aus dem Kunststofffaden ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Carbonfasern (2) am Faserverbundwerkstoff (20) im Bereich zwischen 50 und 60 Vol.-% liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (2) eine Feinheit im Bereich von 0,05 bis 0,09 tex haben und der Faserverbundwerkstoff (20) mit einem Flächengewicht im Bereich von 100 bis 300 g/m² bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffäden (3; 23) des Faserverbundwerkstoffs (20) Polyetheretherketon (PEEK) enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (20) beim Imprägnieren sandwichartig zwischen beiderseitig anliegenden Folien aus thermoplastischem Kunststoff angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das imprägnierte Flächengebilde konsolidiert wird, indem es in einem Werkzeug unter Druck erwärmt wird.
Bandförmiges Heizfilament aus einem Verbundwerkstoff, bei dem Carbonfasern in textiler Bindung in einer Matrix aus thermoplastischen Kohlenstoff eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Bindung ein Fadensystem aus ersten Carbonfasern und zweiten Carbonfasern umfasst, wobei die ersten Carbonfasern mit den zweiten Carbonfasern einen Faserkreuzungswinkel α im Bereich von 45 bis 135 Grad einschließen, und dass es bei einer Filamenttemperatur im Bereich von 900 bis 1600 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 25Ωmm²/m aufweist.