DE102019003792A1

DE102019003792A1 - Elektrisches Leitungskabel, elektrischer Leiter, Heizelement, Verfahren zur Herstellung von elektrischem Leiter und Heizelement, und das Heizelement verwendende Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102019003792A1
Application number: DE102019003792.8A
Authority: DE
Inventors: Kazuya Okamoto; Takahiro Kinoshita
Original assignee: Jikan Techno Inc
Current assignee: Kinoshita Takahiro Kobe Shi Jp; SKG Co Ltd Nagoya Shi Jp; Jikan Techno Inc
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US20200068663A1; JP2020057586A; JP2020057583A; DE102019003792A8; US11464083B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe entworfen und hat zum Ziel, bei der Herstellung eines biegbaren Heizelements und eines elektrischen Leiters, ein Heizelement, einen elektrischen Leiter, ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Leiters und des Heizelements, und eine das Heizelement verwendende Heizvorrichtung bereitzustellen, die bei gleichzeitigem Niedrighalten der Herstellungskosten, auf einfache Weise hergestellt werden können.Die Aufgabe wird gelöst durch einen Aufbau, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Heizelement 51 verwendet wird, ein Umfang des Heizelements 51 mit einem netzförmigen elektrischen Leiter 53 ummantelt ist, der elektrische Leiter 53 und ein Kohlenstofffaserbündel über ein Verbindungsteil 55 mit einem Ende des Heizelements 51 elektrisch verbunden sind, ein Umfang des elektrischen Leiters 53 zusätzlich mit einer biegsamen, wärmeleitfähigen und isolierenden äußeren Ummantelung ummantelt ist, und eine Einspeiseklemme 54 vorgesehen ist, die einem anderen Ende des Heizelements 51 Strom zuführt.

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter und ein Heizelement, gebildet aus einem Faserbündel, das mit einem pflanzlichen Rohmaterial und dergleichen als Kohlenstoffquelle, durch Karbonisieren dieser Kohlenstoffquelle zu einem karbonisierten Material und Bildung eines Bündels von das karbonisierte Material enthaltenden Fasern, erhalten wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Leiters und des Heizelements, und eine Heizvorrichtung, in der das Heizelement verwendet wird.
Stand der Technik
Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Nanokohlenstoff umfassen Bogenentladung, Laserverdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD - Methode) und dergleichen. Unter diesen ist die „Super - Growth“ - Methode, eine Form der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD - Methode), als Verfahren bekannt, das sich zur Massenproduktion eignet, und es werden damit einschichtige Kohlenstoffnanoröhrchen in großen Mengen produziert.
In Patentdokument 1 wird beispielsweise die Erfindung einer Vorrichtung zur Herstellung von Nanokohlenstoff beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, Nanokohlenstoff aus einem zu behandelnden organischen Material herzustellen und die ein Mittel zum Einsammeln einer Flüssigkeit nach thermischer Zersetzung, durch das nach thermischer Zersetzung eines zu behandelnden organischen Materials, eine Teer enthaltende Flüssigkeit der thermischen Zersetzung eingesammelt wird, ein Mittel zur Entfernung eines Teer - Anteils der Flüssigkeit der thermischen Zersetzung, durch das der Teer - Anteil aus der eingesammelten, Teer enthaltenden Flüssigkeit der thermischen Zersetzung entfernt wird, und ein Mittel zur Herstellung von Nanokohlenstoff, durch das Nanokohlenstoff aus der Flüssigkeit der thermischen Zersetzung nach Entfernung des Teer - Anteils produziert wird, umfasst.
Als weiteres Beispiel wird in Patentdokument 2 die Erfindung einer Vorrichtung zur Herstellung von Nanokohlenstoff beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, eine Drehtrommel, die einen Raum zur thermischen Zersetzung unter reduzierender Atmosphäre und einen Raum zur Herstellung von Nanokohlenstoff umfasst, welche durch eine Trennplatte, die in ihrer Mitte ein Durchloch aufweist, abgetrennt sind, eine Platte zur Herstellung von Nanokohlenstoff, die im Raum zur Herstellung von Nanokohlenstoff angeordnet ist, eine elektrische Heizvorrichtung, die im äußeren Umfangsbereich der Drehtrommel angeordnet ist, ein Mittel zur Zufuhr von Rohmaterial, das dem Raum zur thermischen Zersetzung ein Biomasse - Rohmaterial oder eine Abfallsubstanz zuführt, und ein Abschabe - Mittel, das den auf der Platte zur Herstellung von Nanokohlenstoff entstandenen Nanokohlenstoff abschabt, zu umfassen, wobei das Biomasse - Rohmaterial oder die Abfallsubstanz im Raum zur thermischen Zersetzung thermisch zersetzt wird, ein Kohlenwasserstoff - enthaltendes Gas zur thermischen Zersetzung in den Raum zur Herstellung von Nanokohlenstoff eingeleitet wird, und das Gas zur thermischen Zersetzung im Raum zur Herstellung von Nanokohlenstoff mit der Platte zur Herstellung von Nanokohlenstoff unter reduzierender Atmosphäre in Kontakt gebracht wird, wodurch Nanokohlenstoff auf der Platte zur Herstellung von Nanokohlenstoff entsteht und wächst.
Patentdokument 3, zum Beispiel, beschreibt die Erfindung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kohlenstoff - Nanohörner aufweisenden Sinterkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Sinterschritt umfasst, in dem ein Vorform - Körper, der durch Bogenentladung in einer Flüssigkeit hergestellte Kohlenstoff - Nanohörner enthält, durch Erhitzen unter Druckbeaufschlagung bei einer Temperatur von 1000°C oder höher gesintert wird.
Darüber hinaus weisen die durch diese Herstellungsverfahren angefertigten Kohlenstoffnanoröhrchen ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und dergleichen auf, weshalb sie als Heizelemente eingesetzt werden. Beispielsweise zeichnet sich ein Aufbau in Patentdokument 4 dadurch aus, dass er Heizfasern, in denen zumindest eine oder mehr Kohlenstofffaser(n) in einem bestimmten Verhältnis mit Glasfasern verwebt sind, Verbindungsklemmen, die an beiden Enden der Heizfasern vorgesehen sind und Strom von einer Stromzufuhrleitung anlegen, und ein Abdeckmittel, das die Oberfläche der Heizfasern und der Verbindungsklemmen bedeckt, umfasst. Dadurch wird ein leicht verformbares Heizelement vorgeschlagen, da Heizelemente, in denen Kohlenstofffasern verwendet werden, zusätzlich zur Fähigkeit, hohe Temperaturen zu ermöglichen, auch hohe Zugfestigkeit besitzen, wodurch sie auch bei einem Eintrag von Zugkraft nicht reißen oder Schaden nehmen.
Liste der Anführungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP2009 - 242180
Patentdokument 2: Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP2010 - 042935
Patentdokument 3: Internationale Patentveröffentlichung Nr. WO2013/058382
Patentdokument 4: Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP2010 - 262912

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
Allerdings besteht ein Problem darin, dass im Verlauf zur Herstellung des Kohlenstoffmaterials und der Kohlenstofffasern, eine große Zahl an Herstellungsschritten notwendig ist, wodurch die Kosten für die Herstellung ansteigen. Außerdem ist, um ein Heizelement zu erhalten, eine wärmeabgebende Widerstandskomponente notwendig, und deren Abstimmung bzw. Herstellungsprozess sind kompliziert.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe entworfen und hat zum Ziel, bei der Herstellung eines biegbaren Heizelements und eines elektrischen Leiters, ein elektrisches Leitungskabel, ein Heizelement, einen elektrischen Leiter, ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Leiters und des Heizelements, und eine das Heizelement verwendende Heizvorrichtung bereitzustellen, die bei gleichzeitigem Niedrighalten der Herstellungskosten, auf einfache Weise hergestellt werden können.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein erfindungsgemäßer Aufbau ein karbonisiertes Material, das durch Karbonisieren eines Silicium enthaltenden, pflanzlichen Rohmaterials gebildet wird, kontinuierliche Kohlenstofffasern, die durch Vermischen und Verspinnen des karbonisierten Materials mit einem Harz gebildet werden, ein Kohlenstofffaserbündel, das durch Zusammenfassen der Kohlenstofffasern zu einem Bündel gebildet wird, und ein Heizteil, das das Kohlenstofffaserbündel in einer biegsamen Röhre aufnimmt.
Wirkung der Erfindung
Aufgrund der oben erwähnten Eigenschaften kann mit der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise ein Heizelement gebildet werden, da im Kohlenstoffmaterial vorab Silicium als Widerstandselement enthalten ist, wodurch niedrige Herstellungskosten und ein einfaches Herstellungsverfahren ermöglicht werden. Außerdem werden bei dem Herstellungsprozess keine toxischen Substanzen oder dergleichen erzeugt, wodurch sich eine optimale Eignung für die Produktion im industriellen Maßstab ergibt.
Figurenliste

1 zeigt einen Prozessablauf, der einen Herstellungsprozess einer Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Plasmavorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der Ausführungsform.
3 zeigt einen schematischen Aufbau einer Plasmavorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der Ausführungsform.
4 zeigt ein Verhältnis zwischen einer Temperatur einer Karbonisierungsquelle und einer theoretischen Ausbeute an karbonisiertem Material im Herstellungsprozess gemäß der Ausführungsform.
5 zeigt eine schematische Ansicht der Heizvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Heizvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Heizvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
8 zeigt eine Endfläche der Heizvorrichtung bei einem Schnitt entlang einer in 5 gezeigten Linie A - A.
9 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Heizvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer Kohlenstofffaser gemäß der Ausführungsform.
11A und 11B zeigen eine schematische Ansicht eines Teils eines Herstellungsverlaufs der Kohlenstofffaser gemäß der Ausführungsform.
12 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild eines mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform erhaltenen karbonisierten Materials.
13 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild des mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform erhaltenen karbonisierten Materials.
14 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild des mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform erhaltenen karbonisierten Materials.
15 zeigt eine schematische Ansicht der Heizvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
16 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Kohlenstofffaser gemäß der Ausführungsform.
17 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils des Herstellungsverlaufs der Kohlenstofffaser gemäß der Ausführungsform.
18 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild der in dem Herstellungsverlauf gemäß der Ausführungsform erhaltenen Kohlenstofffaser.
19 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild der in dem Herstellungsverlauf gemäß der Ausführungsform erhaltenen Kohlens tofffase r.
20 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild der in dem Herstellungsverlauf gemäß der Ausführungsform erhaltenen Kohlenstofffaser.
21 zeigt ein Ergebnis einer halbquantitativen Analyse unter Verwendung der Röntgenintensität eines Teils der Kohlenstofffaser gemäß der Ausführungsform.
22 zeigt einen Prozessablauf, der einen Herstellungsprozess eines elektrischen Leiters gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
23A bis 23C zeigen Querschnitte des elektrischen Leiters gemäß der Ausführungsform.
24A und 24B zeigen eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform des elektrischen Leiters gemäß der Ausführungsform.
25A bis 25F zeigen eine schematische Ansicht anderer Ausführungsformen des elektrischen Leiters gemäß der Ausführungsform.
26A bis 26E zeigen eine schematische Ansicht anderer Ausführungsformen des elektrischen Leiters gemäß der Ausführungsform.
27 zeigt ein Blockdiagramm eines Aufbaus einer Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material gemäß der Ausführungsform.
28 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material gemäß der Ausführungsform.
29 zeigt eine von der Seite betrachtete, schematische Ansicht der Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material gemäß der Ausführungsform.
30 zeigt eine schematische Ansicht von Teilen der Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material gemäß der Ausführungsform.
31 zeigt eine schematische Ansicht einer Verunreinigungsentfernungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
32 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild des mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform erhaltenen karbonisierten Materials.
33 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild des mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform erhaltenen karbonisierten Materials.

Ausführungsformen
Im Folgenden werden, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, ein elektrisches Leitungskabel, ein elektrischer Leiter, ein Heizelement, ein Verfahren zur Herstellung des Heizelements und des elektrischen Leiters, und eine das Heizelement verwendende Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung näher erklärt. Es sei darauf hingewiesen, dass die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und Zeichnungen nur Beispiele für einen Teil der erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind, in keiner Weise zur Beschränkung der Erfindung auf den Aufbau dieser Ausführungsformen verwendet werden, und passend verändert werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Biomassematerial

Im Folgenden wird ein pflanzliches Rohmaterial erklärt, das ein Biomasse - Rohmaterial zur Herstellung eines karbonisierten Materials 19 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist. In der vorliegenden Erfindung werden Essensreste und pflanzliches Rohmaterial aus Abfällen verwendet, um das karbonisierte Material 19 herzustellen. Als das pflanzliche Rohmaterial können Pflanzen, Hölzer und dergleichen verwendet werden, allerdings kann insbesondere die Beschaffung eines Rohmaterials zur Herstellung des karbonisierten Materials 19 unter Verwendung von Abfällen, wie bei der Pflanzenernte anfallenden Abfällen, als das pflanzliche Rohmaterial aus Kostengründen vorteilhaft sein. Tab. 1

Bestandteile des pflanzlichen Rohmaterials	C	N	P	P₂O₅	K	K₂O	Ca	Mg	Na
Reisstroh	37,4	0,53	0,06	0,14	1,75	2,11	0,05	0,19	0,11
Weizenstroh	40,3	0,67	0,08	0,18	1	1,21	0,21	0,11	0,06
Gerstenstroh	41,8	0,58	0,08	0,18	1,4	1,69	0,29	0,1	-
Reiskleie	40,2	1,18	0,9	2,06	1,1	1,33	0,01	0,7	0,07
Reishülsen	34,6	0,32	0,03	0,05	0,31	0,37	0,01	0,07	0,13
Buchweizenstroh	40,3	1,08	0,21	0,48	3,13	3,77	1,35	0,14	-
Sojabohnenstroh	44,5	1,23	0,12	0,28	0,75	0,9	1,39	0,64	0,2
Süßkartoffel - Ranken	42,7	3,74	0,22	0,5	3	3,62	1	0,17	0,12
Rübenblätter	39,8	3,33	0,27	0,62	4,35	5,24	1,7	0,8	0,49
Karottenblätter	41,4	2,63	0,25	0,57	4,2	5,06	0,56	0,19	0,51
Maishalme	43,8	0,92	0,09	0,21	1,32	1,59	0,24	0,12	-
Zuckerrohr - Spitzen	46,1	0,99	0,1	0,23	1,2	1,45	0,37	0,12	0,18
Palmkernmehl	46,2	3,86	0,69	1,58	2,69	3,24	0,21	0,3	0,04
Erdnussschalen	51,1	0,75	0,02	0,06	0,47	0,57	0,17	0,05	0,05
Zitrusfruchtschalen	44,5	0,76	0,05	0,11	0,58	0,7	0,4	0,06	0,07
Sägemehl der Rotzeder	51,1	0,07	-	-	-	-	-	-	-
Rinde der Japanischen Lärche	59,6	0,06	-	-	-	-	-	-	-
Ginko - Laub	50,3	0,71	0,06	0,15	0,29	0,35	1,5	0,23	0,06

Tab. 1 zeigt Bestandteile des pflanzlichen Rohmaterials. Tab. 1 zeigt Anteile der Bestandteile, aus denen die in der Spalte ganz links aufgelisteten Rohmaterialien bestehen, als Prozentsätze rechts darunter. Zum Beispiel enthält Reisstroh 37,4% Kohlenstoff (C), 0,53% Stickstoff (N), 0,06% Phosphor (P), 0,14% Phosphorsäure (P2O5), 1,75% Kalium (K), 2,11% Kaliumoxid (K2O), 0,05% Calcium (Ca), 0,19% Magnesium (Mg) und 0,11% Natrium (Na).
Im vorliegenden Fall zeigt ein poröses, Silicium aus pflanzlichen Ursprung enthaltendes, pflanzliches Rohmaterial auch bei einer Karbonisierung bei hohen Temperaturen (von 300°C bis 1000°C) keine wesentliche Veränderung und daher kann beim Entfernen von Silicium eine Anordnung der Poren erhalten bleiben. In vielen pflanzlichen Rohmaterialien sind Zellen regelmäßig entlang dem Spross angeordnet und Kieselsäure ist meist an der Zellwand abgelagert und angereichert.
Außerdem befinden sich zwischen den Zellreihen mit Kieselsäure zusammengepresste, enge Zellreihen und durch Entfernen von Silicium und dergleichen nach Karbonisierung kann ein Kohlenstoffmaterial mit hoher spezifischer Oberfläche erhalten werden. Wie oben erwähnt, eignet sich ein pflanzliches Rohmaterial mit hohem Gehalt an Kieselsäure von 13% bis 35%. Wenn Kohlenstoff in dem karbonisierten Material 19 gemäß der vorliegenden Erfindung das elektrisch leitende Material bildet, so entspricht Kieselsäure einem Widerstandsmaterial, wodurch in einem Ablauf auf einfache Weise ein Widerstandselement, das beide Materialien enthält, hergestellt werden kann.
Beispiele für pflanzliche Rohmaterialien mit hohem Kohlenstoffgehalt werden in Tab. 1 aufgelistet, und diese umfassen zusätzlich zu Reisstroh auch Weizenstroh, Gerstenstroh, Reiskleie, Reishülsen, Buchweizenstroh, Sojabohnenstroh, Süßkartoffel - Ranken , Rübenblätter, Karottenblätter, Maishalme, Zuckerrohr - Spitzen, Palmkernmehl, Erdnussschalen, Zitrusfruchtschalen, Sägemehl der Rotzeder, Rinde der Japanischen Lärche und Ginko - Laub. Darüber hinaus können nicht nur die Abfälle, sondern auch die Pflanzen selbst verwendet werden.

Denn im Bambus beispielsweise bestehen Fasern aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin, und der Mineralstoffgehalt besteht aus Eisen, Magnesium, Calcium, Mangan, Kupfer, Nickel und dergleichen. Außerdem können beim Verbrennen von Bambusblättern Silanole (Si - OH) extrahiert werden, welche im Verlauf der Verbrennung SiO4 bilden, das extrahiert werden kann. Tab. 2

Zusammensetzung des pflanzlichen Rohmaterials
Wasserge halt	Mineralstoff gehalt	Fette	Lignin	Hemicellulose	Cellulose	Andere Stoffe
8 - 10%	15 - 18%	0,1 - 0,5%	18 - 25%	16 - 20%	30 - 35%	5 - 10%

Tab. 3

Anorganische chemische Bestandteile des pflanzlichen Rohmaterials (Gew%)
SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	K₂O	MgO	MnO	Na₂O
92,14	0,04	0,48	0,03	3,2	0,16	0,18	0,09

In Tab. 2 und Tab. 3 finden sich die Bestandteile und Zusammensetzung eines pflanzlichen Rohmaterials, das sich unter oben in Tab. 1 aufgelisteten Kohlenstoffquellen 9, die pflanzliche Rohmaterialien darstellen, am besten für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von amorphem Siliciumdioxid bzw. Graphen eignet. Tab. 2 zeigt in der untersten Zeile Anteile der Bestandteile, aus denen das Rohmaterial besteht, als Prozentsätze. Zum Beispiel beträgt der Wassergehalt 8% bis 10%, der Mineralstoffgehalt 15% bis 18%, der Fettgehalt 0,1% bis 0,5%, der Lignin - Gehalt 18% bis 25%, der Hemicellulose - Gehalt 16% bis 20%, der Cellulose - Gehalt 30% bis 35% und der Gehalt an anderen Stoffen 5% bis 10%. Somit sind die Hauptbestandteile, die zu dem karbonisierten Material 19 umgesetzt werden, Lignin, Hemicellulose und Cellulose.
In Tab. 3 finden sich anorganische chemische Bestandteile des in Tab. 2 gezeigten pflanzlichen Rohmaterials. Das in Tab. 2 gezeigte pflanzliche Rohmaterial besitzt 80 Gew% an organischen Substanzen wie Cellulose und 20 Gew% an anorganischen Substanzen. Die in Tab. 3 aufgelisteten anorganischen chemischen Bestandteile umfassen 92,14 Gew% SiO2, 0,04 Gew% Al2O3, 0,48 Gew% CaO, 0,03 Gew% Fe2O3, 3,2 Gew% K2O, 0,16 Gew% MgO, 0,18 Gew% MnO und 0,09 Gew% Na2O. In den anorganischen Substanzen des in Tab. 2 gezeigten pflanzlichen Rohmaterials ist, wie in Tab. 3 gezeigt, ein großer Anteil an Siliciumdioxid (SiO2) enthalten.
Karbonisiertes Material
Das karbonisierte Material 19, das gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2 hergestellt und durch einen Karbonisierungsschritt S2 erhalten wird, wird in 12 bis 14 gezeigt. 12 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild in 50.000 - facher Vergrößerung des karbonisierten Materials 19, das im Karbonisierungsschritt S2 erhalten wird und einen Gewichtsanteil von 24 Gew% Silicium (Si) enthält. 13 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild in 100.000 - facher Vergrößerung des im Karbonisierungsschritt S2 erhaltenen karbonisierten Materials 19. 14 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild in 100.000 - facher Vergrößerung des karbonisierten Materials 19, das im Karbonisierungsschritt S2 erhalten wird und in einen Gewichtsanteil von 24 Gew% an Silicium (Si) enthält. In dem in 14 gezeigten Elektronenmikroskop - Bild sind Stellen im karbonisierten Material 19, an denen das Vorhandensein von Silicium 66 erkannt werden kann, mit schwarzen Kreisen umgeben. Als das karbonisierte Material 19 eignet sich das karbonisierte Material 19 mit einem Gewichtsanteil an Silicium 66 von ungefähr 18 Gew% bis 35 Gew%.
In dem in 12 bis 14 gezeigten karbonisierten Material 19 sind die Kohlenstoffatome durch sp2 - Hybridorbitale mittels π - Bindungen verbunden, wodurch ein monoatomarer Film in Form von hexagonal in einer Ebene angeordneten Schichten ausgebildet wird. Es kann festgestellt werden, dass das karbonisierte Material 19 einer einzelnen im Karbonisierungsschritt S2 hergestellten Schicht entspricht, äußerst reinen Kohlenstoff enthält, das Vorhandensein von Silicium 66 zeigt, und einen Gewichtsanteil von 24 Gew% an Silicium 66 enthält.
Wie in 14 gezeigt, enthält das im Karbonisierungsschritt S2 erhaltene karbonisierte Material 19 eine große Menge an Silicium und es wird angenommen, dass das Graphen im Falle einer Karbonisierung in einem inerten Gas nicht stark reduziert wird, sondern SiO2 - x bildet, mit einer aromatischen OH - Gruppe oder dergleichen eine Verbindung der Form - O - Si - O - R bildet, und einen Lignin - Polysaccharid - Komplex bildet, wodurch die Bildung einer Form der Art C/SiOx wahrscheinlich ist.
Daher wird, wenn im karbonisierten Material 19 eine große Menge an Silicium 66 enthalten ist, ein elektrisches Widerstandselement gebildet, wodurch ein ein Widerstandselement enthaltendes Kohlenstoffmaterial nur durch den Schritt des Karbonisierens des pflanzlichen Rohmaterials, ohne Ausbildung eines eigenen Widerstandselements, erhalten werden kann, wodurch unter niedrigen Herstellungskosten ein Heizelement 51 hergestellt werden kann. Insbesondere eignet sich ein pflanzliches Rohmaterial mit den in 2 gezeigten Bestandteilen zur Herstellung des Heizelements 51.
Ferner bildet das in 12 bis 14 gezeigte karbonisierte Material 19 in einem Bildungsverlauf zur Bildung eines Gerüsts, Poren auf Nano - Ebene und aufgrund dieser Poren ergibt sich insbesondere bei einer Verwendung des karbonisierten Materials 19 in Kondensatoren, Batterien und dergleichen, eine Steigerung der Energiedichte um ein Vielfaches, wodurch sich auch die elektrische Leitfähigkeit erhöht.
Durch eine sogenannte SQX Analyse, welche eine halbquantitative Analyse unter Nutzung der Röntgenintensität ist, wurde festgestellt, dass in dem karbonisierten Material 19 außer Kohlenstoff (C) noch Silicium 66 (Si), Kalium (K), Calcium (Ca) und Chlor (Cl) enthalten sind. Die Funktion als Widerstandselement ergibt sich insbesondere durch den hohen Anteil an Silicium 66 (Si) und Calcium (Ca), die geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen.
Heizvorrichtung
Als nächstes wird eine Heizvorrichtung 50 unter Bezugnahme auf 5 bis 9 erklärt. 5A zeigt eine von der Seite betrachtete, erklärende Ansicht der Heizvorrichtung 50. Die Heizvorrichtung 50 umfasst einen an einem Ende gebildeten Stromquellen - Verbindungsteil 52 zur Verbindung mit einer Stromquelle 54 und einen an einem anderen Ende gebildeten Verbindungsendteil 57 zur Durchführung eines Beendigungsprozesses. Die Heizvorrichtung 50 weist das Heizelement 51 zwischen dem Stromquellen - Verbindungsteil 52 und dem Verbindungsendteil 57 auf.
Der Durchmesser (R3) des in 7 gezeigten Heizelements 51 ist ungefähr 6 mm und die Länge ist 10 m.
5B ist ein Schaltplan, in dem die elektrischen Verbindungen veranschaulicht werden. Die Stromquelle 54 ist mit einschichtigem 100 V - Wechselstrom dargestellt, allerdings kann eine dreischichtige 200 V - Stromquelle oder eine Stromquelle mit Gleichstrom auch verwendet werden. Wie in 5B gezeigt, hängt ein Widerstandswert (R) eines Kohlenstofffaserbündels 62 von einer gewünschten Temperatur des Heizelements 51 ab, und bei ungefähr 40°C bis 60°C und einem Eintrag einer Wechselspannung von 100 V, beträgt der Widerstandswert des Kohlenstofffaserbündels 62 auf 10 m 80 Ω bis 120 Ω, allerdings kann auch ein Stromverbrauch miteinbezogen werden, wodurch in der vorliegenden Ausführungsform ein Gesamtwiderstand der Heizvorrichtung 50, die als Höchsttemperatur eine Temperatur von 50°C erzeugt, ungefähr 107 Ω beträgt. Der Stromverbrauch der Heizvorrichtung 50 beträgt 93,5 W.
Es wird vor allem durch später beschriebene Kohlenstofffasern 63 Wärme erzeugt, wodurch das Kohlenstofffaserbündel 62, in dem die Kohlenstofffasern 63 zu einem Bündel zusammengefasst sind, Wärme erzeugt. Außerdem besitzt das Heizelement 51 hohe Festigkeit, wobei die Zugfestigkeit 200 N und die Kompressionsfestigkeit 200 N/Quadratzentimeter (cm*2) beträgt. Die Kohlenstofffasern 63 sind kontinuierliche Einzelfasern mit einem Durchmesser von 6 µm bis 9 µm.
In der Heizvorrichtung 50 ist ein später beschriebener, netzförmiger elektrischer Leiter 53, der aus einem netzförmigen, elektrisch leitenden Material besteht, mit dem Stromquellen - Verbindungsteil 52 und dem Verbindungsendteil 57 verbunden, wodurch ein Umfang einer später beschriebenen Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 bedeckt wird.
Der Stromquellen - Verbindungsteil 52 und der Verbindungsendteil 57 sind außen mit einem Isolator bedeckt und die Heizvorrichtung 50 ist über ein Crimp - Teil 55 des Verbindungsendteils 57 mit dem Kohlenstofffaserbündel 62 und dem elektrischen Leiter 53 gecrimpt und somit elektrisch verbunden. Außerdem ist in der Heizvorrichtung 50, der elektrische Leiter 53 über den Stromquellen - Verbindungsteil 52 mit einem Ende der Stromquelle verbunden und das andere Ende der Stromquelle ist mit dem Kohlenstofffaserbündel 62 verbunden, wodurch der Heizvorrichtung 50 von der Stromquelle 54 Strom zugeführt wird.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht in der ein Teil einer äußeren Ummantelung 56 des Heizelements 51 entfernt ist. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht in der ein Teil der äußeren Ummantelung 56 und der Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 des Heizelements 51 entfernt sind. 8 zeigt eine Endfläche des Heizelements 51 bei einem Schnitt entlang eines Teils einer Linie A - A in 5A.
Wie in 6 bis 8 gezeigt, ist in dem Heizelement 51 das durch das zuvor beschriebene Verfahren hergestellte karbonisierte Material 19 in den Kohlenstofffasern 63 enthalten. In dem Heizelement 51 ist die Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 ausgebildet, die von einem isolierenden Material wie Plastik, Kautschuk, Harz oder dergleichen bedeckt ist, welches sich um den Umfang des Kohlenstofffaserbündels 62, zu dem die Kohlenstofffasern 63 gebündelt sind, herumbiegen kann, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 aus Silikonharz gebildet ist. Der Durchmesser (R1) des Kohlenstofffaserbündels 62 ist, wie in 7 gezeigt, 2 mm.
Ferner umfasst das Heizelement 51 den netzförmigen elektrischen Leiter 53, der den Umfang der Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 bedeckt und aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist. Durch die Ausbildung des elektrischen Leiters 53 in Netzform kann dessen Flexibilität erhalten bleiben und selbst wenn ein Teil abgetrennt wird, kommt es zu einem Kontakt oder zu einer Vereinigung der anderen Teile, wodurch ein gegenüber Biegungen flexibler Aufbau erreicht wird, in dem ein Abbruch der elektrischen Verbindung kaum vorkommt.
In dem Heizelement 51 ist die äußere Ummantelung 56 ausgebildet, die von einem isolierenden Material wie Plastik, Kautschuk, Harz oder dergleichen bedeckt ist, welches sich um den Umfang des elektrischen Leiters 53 biegen kann und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine unterirdische Verlegung der Heizvorrichtung 50 in der Erde, in einer Straße und Ähnlichem angenommen, weshalb die äußere Ummantelung 56 unmittelbar mit der Erde, Wasser oder dergleichen in Berührung kommt und die Heizvorrichtung 50 kann daher bevorzugt aus Polyvinylchlorid geformt sein, das gute Wärmeleitfähigkeit, Abriebfestigkeit, Wasserdichtigkeit und Kontraktionsfähigkeit besitzt. In dem Heizelement 51 ist zwischen der äußeren Ummantelung 56 und der Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 der elektrische Leiter 53 ausgebildet und zusätzlich zu dem elektrischen Leiter 53 ist ein Zwischenraum 67 ausgebildet, der eine Luftschicht bildet und die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung der Temperatur verbessert.
Wie in 9 gezeigt, umfasst das Heizelement 51 den Crimp - Teil 55, in dem durch Crimpen zweier metallischer, bogenförmiger Metallbeschläge des Verbindungsendteils 57, das Kohlenstofffaserbündel 62, zu dem die Kohlenstofffasern 63 gebündelt sind, und der elektrische Leiter 53 in durchmischter Anordnung fixiert sind. Der Crimp - Teil 55 ist bezüglich des Verbindungsendteils 57 von außen durch ein Harz bedeckt und isoliert, allerdings ist ein Inneres der beiden elektrisch leitend verbunden.
Ausführungsbeispiel 1
Plasmavorrichtung 10
Im Folgenden wird eine Plasmavorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel 1 unter Bezugnahme auf 2 erklärt. 2 zeigt einen schematischen Aufbau der Plasmavorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel 1. Die Plasmavorrichtung 10 setzt sich hauptsächlich aus einem inerten Gas 6, einer Kontrollvorrichtung 20, einer Kammer 1 und einer Vakuumpumpe 30 zusammen.
Als das in einer Gasflasche gelagerte inerte Gas 6 wurde vor allem Argon verwendet, allerdings können auch Helium, Neon, Stickstoff und dergleichen verwendet werden. Das inerte Gas 6 kann von einem Einleitungsrohr 7 über eine Gasvolumen - Kontrollvorrichtung 21 in die Kammer 1 gefüllt werden. Die Gasvolumen - Kontrollvorrichtung 21 kann eine Flussrate des inerten Gases 6 kontrollieren.
Die Kammer 1 ist mit einem Kontrollventil 22 verbunden und ein Inneres der Kammer 1 kann durch Herabsetzen des Drucks mittels der Vakuumpumpe 30 in einen Vakuumzustand versetzt werden. Das Einleitungsrohr 7 ist mit der Kammer 1 verbunden und leitet das inerte Gas 6 in das Innere der Kammer 1 ein. Zwischen dem Kontrollventil 22 und der Kammer 1 ist ein Ablassventil 23 vorgesehen, durch welches das Innere der Kammer 1 vom Vakuumzustand zu Atmosphärendruck hin entlastet werden kann. Außerdem sind zwischen einem die Luft aus dem Inneren der Kammer 1 leitenden Ableitungsrohr 8 und der Vakuumpumpe 30, ebenfalls ein Kontrollventil 14 und ein Ablassventil 15 vorgesehen, durch welches das Innere der Kammer 1 vom Vakuumzustand zu Atmosphärendruck hin entlastet werden kann.
Ferner ist eine Temperaturkontrollvorrichtung 24 ausgebildet, um eine Hochfrequenz - Stromquelle 4 zu kontrollieren und eine Aufrechterhaltung der Temperatur sowie eine Verweildauer und dergleichen im Inneren der Kammer 1 zu regeln. Ein Verfahren besteht darin, dass die Plasmavorrichtung 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 bei niedrigen Druckbedingungen nahe dem Vakuumzustand, mit Argon - Gas als Betriebsgas, das das inerte Gas 6 ist, befüllt wird, und ein hoher Stromfluss zwischen Elektroden, genauer gesagt, zwischen Kathoden 2 und einer Anode 3, angelegt wird, wodurch mittels Bogenentladung ein thermisches Plasma erzeugt wird. Zwischen den Kathoden 2 und der Anode 3 ist ein Tiegel 5 aus einem Kohlenstoffmaterial angeordnet und in diesem Tiegel 5 befindet sich die später beschriebene Kohlenstoffquelle 9. Die Kohlenstoffquelle 9 wird mittels Erhitzen durch das thermische Plasma infolge der Bogenentladung in einem Temperaturbereich von 300°C bis 1000°C während ungefähr 10 bis 30 Minuten karbonisiert.
Ausführungsbeispiel 2
Plasmavorrichtung 100
Im Folgenden wird eine Plasmavorrichtung 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 unter Bezugnahme auf 3 erklärt. In 3 werden Teile, die den gleichen Aufbau wie in der Plasmavorrichtung 10 aufweisen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die Erklärung von Teilen mit gleichem Aufbau wird ausgelassen. Die Plasmavorrichtung 100 setzt sich hauptsächlich aus dem inerten Gas 6, der Kontrollvorrichtung 20, der Kammer 1 und der Vakuumpumpe 30 zusammen. Ein Hauptunterschied der Plasmavorrichtung 100 besteht darin, dass in dem Verfahren zur Erzeugung des thermischen Plasmas, das inerte Gas 6 zur Plasma - Erzeugung eingeleitet und ein Hochfrequenz - Magnetfeld von 4 MHz von einer Hochfrequenz - Stromquelle 32 an eine Hochfrequenz - Spule 31 angelegt wird, wodurch das thermische Plasma entsteht.
Durch die Verwendung der oben beschriebenen Plasmavorrichtungen 10 und 100 kann auch das thermisch schwer zerlegbare Lignin zerlegt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass das thermische Plasma außer mit den zuvor erwähnten Plasmavorrichtungen auch durch Verfahren mit dielektrischer Barriereentladung, Koronaentladung, gepulster Entladung oder Gleichstrom - Entladung erzeugt werden kann.
Ausführungsbeispiel 3
In dem Aufbau werden Teile mit gleichem Aufbau wie jene im Ausführungsbeispiel 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die Erklärung von Teilen mit gleichem Aufbau wird ausgelassen. 15 zeigt einen Kessel 83, in den die, aus dem pflanzlichen Rohmaterial in einem Vorbehandlungsschritt S1, wie im Ausführungsbeispiel 1 erklärt, produzierte Kohlenstoffquelle 9 und ein Oxidationshemmstoff 70 eingefüllt werden. Im vorliegenden Fall wird die Kohlenstoffquelle 9 bevorzugt bis zu einem Fassungsvermögen von ungefähr 1/10 bis 2/3 des Fassungsvermögens des Kessels 83 eingefüllt. Im Vorbehandlungsschritt S1 kann Pulverisieren einfach durch ein Mahlwerk oder dergleichen, ohne Verwendung eines Granulierungsmittels, erfolgen.
Im vorliegenden Fall kann ein Oxidationshemmstoff 70 jeglicher Stoff sein, der eine Verbrennung mit gleichzeitiger Unterdrückung der Sauerstoffkonzentration zur Vermeidung einer Oxidation während des Brennens ermöglicht und Gase bzw. Flüssigkeiten der Halogenide (Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Halon 2402, Halon 1121, Halon 1301) können zur Verbrennung beigemischt werden.
Danach wird die Atmosphäre im Inneren eines Ofens 81 eines Brennofens 80 auf 2000°C oder höher erhitzt und die Kohlenstoffquelle 9 bei Bedingungen von 20 Atmosphären Druck und Temperaturen von 400°C bis 900°C während drei Stunden gebrannt.
Ausführungsbeispiel 4
Prozessablauf 1
Mit Bezugnahme auf 1 wird ein Herstellungsprozess eines Verfahrens zur Herstellung der Heizvorrichtung 50 erklärt. 1 zeigt einen Prozessablauf, der den Herstellungsprozess gemäß der Ausführungsform des Ausführungsbeispiels 2 veranschaulicht. Der vorliegende Prozessablauf wird anhand von Ausführungsbeispiel 1 erklärt, allerdings kann der Prozessablauf anstelle von Ausführungsbeispiel 2 auch auf Ausführungsbeispiel 1 bzw. Ausführungsbeispiel 3 angewendet werden.
Vorbehandlungsschritt
Zuerst wird im Vorbehandlungsschritt S1, nach der zuvor erwähnten Trocknung des pflanzlichen Rohmaterials, das pflanzliche Rohmaterial zu Pulver zerkleinert und das pulverisierte pflanzliche Rohmaterial und ein Granulierungsmittel werden in einem Verhältnis von 10 zu 1 mit Wasser vermischt. Das pflanzliche Rohmaterial wird zu einer geeigneten Größe gebracht und durch Kneten vermischt, und die Mischung schließlich auf einer Trocknungsvorrichtung wie einer Wärmeplatte bei etwa 100°C erhitzt, um den Wasseranteil zu verdampfen und die Kohlenstoffquelle 9 zu produzieren. Im vorliegenden Fall kann als Pulverisierungsmethode ein Mahlwerk, ein Mixer, ein Mühlengerät und dergleichen zum Einsatz kommen.
Karbonisierungsschritt
Als nächstes wird der Karbonisierungsschritt S2 erklärt. Im Vorbehandlungsschritt S1 werden ungefähr 0,8 g der Kohlenstoffquelle 9 in den Tiegel 5 gefüllt und mit einem metallischen Netz oder dergleichen bedeckt. Der Tiegel 5 wird an eine bestimmte Position, an der die oben beschriebenen Plasmavorrichtungen 10 bzw. 100 Wärme zuführen, platziert. Der Druck in der Kammer 1 wird mittels der Vakuumpumpe 30 bis auf 80 Pa abgesenkt, das inerte Gas 6 wird mit einer Flussrate von 8 bis 10 ml/min in die Kammer 1 eingeleitet, und das Innere der Kammer 1 wird bei einem Druck von 1300 bis 1500 Pa gehalten.
Der Antragssteller hat den Karbonisierungsschritt S2, wie in 4 gezeigt, mit einem thermischen Plasma in einem Temperaturbereich von 200°C bis 1100°C, mit Abständen von je 100°C, durchgeführt und dabei die Temperatur und die Ausbeute beim Karbonisieren der Kohlenstoffquelle 9 ermittelt. 4 zeigt Werte, die jenen des Gewichts des aus 0,8 g der Kohlenstoffquelle 9 erhaltenen karbonisierten Materials 19 entsprechen. Die höchste Ausbeute wurde mit 36% von 600°C bis 700°C gemessen und bei Temperaturen von 300°C bis 1000°C wurde eine vergleichsweise hohe Ausbeute erreicht. Die vorliegende Messung wurde mit Reisstroh, Kleien, Palmkernschalen, Reishülsen, Erdnussschalen und dergleichen durchgeführt, wobei ähnliche Ergebnisse erhalten wurden.
Außerdem kann durch einen Karbonisierungsschritt bei Temperaturen von 300°C bis 1000°C, ein karbonisiertes Material mit einem Anteil von 24 Gew% an Kohlenstoff und Silicium 66 erhalten werden, was einem passenden Anteil für ein Heizelement entspricht. Kohlenstoff hat einen spezifischen Widerstand von ungefähr 1,64 µΩ*m und Silicium 66 hat einen spezifischen Widerstand von ungefähr 1000 Ω*m. Daher bildet Silicium 66 einen großen Anteil des Widerstands der Kohlenstofffasern 63 aus.
Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt
Als nächstes wird ein Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt S3 zur Herstellung der Kohlenstofffasern 63 unter Verwendung des wie oben beschrieben erhaltenen karbonisierten Materials 19 anhand von zwei Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 4 bzw. Ausführungsbeispiel 5 erklärt.
Ausführungsbeispiel 5
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 16 bis 21 ein Verfahren zum Spinnen der Kohlenstofffasern 63 erklärt. 17 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Spinnen unter Verwendung einer Spinnvorrichtung 40. 18 und 19 sind Elektronenmikroskop - Bilder, die eine Querschnittsfläche bei einem Schnitt durch die Kohlenstofffaser 63 zeigen. 20 ist ein Elektronenmikroskop - Bild, das eine Seitenfläche der Kohlenstofffaser 63 zeigt. 21 zeigt eine erklärende Ansicht der Ergebnisse einer halbquantitativen Analyse unter Verwendung der Röntgenintensität eines Teils der in 18 gezeigten Kohlenstofffaser 63 gemäß der Ausführungsform.
Das im zuvor beschriebenen Karbonisierungsschritt (S2) erhaltene karbonisierte Material 19 wurde verwendet, um eine Spinn - Ausgangsflüssigkeit 41 zum Spinnen herzustellen. Zur Herstellung der Spinn - Ausgangsflüssigkeit 41 wird zuerst eine Dispersionslösung hergestellt. In der Dispersionslösung werden zu einem Lösungsmittel aus Aceton, Methylisobutylketon oder Dimethylsulfoxid, ca. 5 Gew% bis 20 Gew% des karbonisierten Materials 19 hinzugefügt und unter Verwendung von Ultraschalldispersion, eines Mahlwerks, oder dergleichen, zur Dispersion gebracht. Auch die Verwendung anderer Lösungsmittel wie Wasser, Natriumcholat oder Natriumdesoxylcholat ist möglich.
Danach wird der Dispersionslösung ein Binder beigemischt, um die Spinn - Ausgangsflüssigkeit 41 zu erhalten. Die Spinn - Ausgangsflüssigkeit 41 wird durch einen Extruder 42 extrudiert, aus einer in einer Koagulationsflüssigkeit 45 eines Koagulationsbades 44 angeordneten, dünnen Düse 43 ausgestoßen und durch eine chemische Reaktion zwischen der Koagulationsflüssigkeit 45 und dem oben erwähnten Lösungsmittel verhärtet und zu Fasern geformt. Bei dieser Reaktion wird das Lösungsmittel in der Spinn - Ausgangsflüssigkeit 41 durch den Kontakt mit der Koagulationsflüssigkeit 45 in die Koagulationsflüssigkeit eluiert. Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Reaktion zur Entfernung des Lösungsmittels und das oben erwähnte Lösungsmittel löst sich in der Koagulationsflüssigkeit.
Folglich wird für die Koagulationsflüssigkeit 45 eine Flüssigkeit verwendet, in der sich das zuvor beschriebene Lösungsmittel löst. Wenn beispielsweise für den Binder ein Polyvinylalkohol verwendet wird, so wird für Dimethylsulfoxid als Lösungsmittel, Methanol als Koagulationsflüssigkeit verwendet. Ferner wird, wenn für den Binder ein Polyvinylalkohol verwendet wird, für Wasser als Lösungsmittel, Ätznatron als Koagulationsflüssigkeit verwendet. Außerdem kann für das Dispersionsmittel und die Koagulationsflüssigkeit auch ein organisches Lösungsmittel verwendet werden. Darüber hinaus kann Aceton als Koagulationsflüssigkeit verwendet werden, wenn ein Epoxidharz als Binder verwendet wird.
Für den Binder können Duroplasten wie Epoxidharz, Polyvinylalkohol, Nylon, Rayon, Acryl, Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz (Urea - Harz), ungesättigtes Polyesterharz, Alkydharz und wärmehärtendes Polyimid, und Thermoplasten wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrilharz, Butadienharz, Styrolharz, Methacrylharz und Vinylchlorid, sowie Polyamid, Polyacetal, Polyethylenterephthalat, ultrahochmolekulares Polyethylen, Polycarbonat, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polytetrafluorethylen, Polyetherimid, Polyarylat, Polyimid und dergleichen verwendet werden. Der Binder wird bezüglich 5 Gew% bis 18 Gew% des karbonisierten Materials 19 in einem Verhältnis von 0,1 Gew% bis 10% beigemischt.
Des Weiteren werden die ausgestoßenen Kohlenstofffasern 63 durch eine obere Rolle 47 und eine untere Rolle 46 verlängert und aus dem Koagulationsbad 44 hinausbefördert und werden schlussendlich als kontinuierliche Kohlenstofffasern 63 mit einer Geschwindigkeit von 1,1 m/min bis 2 m/min herausgerollt.
Außerdem kann eine Dispersionslösung mit 5 bis 17% an karbonisiertem Material 19, 0,1 bis 10% Urethan als Binder und 82% einer Mischung aus Methylethylketon, Toluol und Cyclohexanon erhalten werden, also eine Dispersionslösung mit hoher Konzentration an karbonisiertem Material 19 gebildet werden. In diesem Gemisch kann die Menge an karbonisiertem Material 19 auch in Abhängigkeit des Widerstandswertes des schlussendlich herzustellenden Heizelements 51 abgestimmt werden.
In der Erläuterung oben wurde ein Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffasern 63 mittels Nassspinnen erklärt, allerdings kann das Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffasern 63 auch ein Herstellungsverfahren mittels Trockenspinnen, Schmelzspinnen, Luftspaltspinnen oder Trockenstrahl - Nassspinnen verwenden.
Im Fall von Schmelzspinnen ist das Polymer ein Polyester, Nylon, Polypropylen oder dergleichen und im Fall von Trockenspinnen ist das Polymer ein Acetat, Polyurethan, Acryl oder dergleichen.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine Herstellung auch in dem Fall, dass kein Polymer verwendet wird, durch die Verwendung eines organischen Lösungsmittels als das Dispersionsmittel und die Koagulationsflüssigkeit erfolgen kann.
Die durch das zuvor beschriebene Verfahren erhaltenen Kohlenstofffasern 63 enthalten an einigen Stellen, wie in 16, 18 und 19 gezeigt, zusätzlich zu Kohlenstoff noch Silicium 66. Außerdem zeigt 21 ein Ergebnis einer halbquantitativen Analyse unter Verwendung der Röntgenintensität der Substanz des in 19 gezeigten Elektronenmikroskop - Bildes. Die Kohlenstofffasern 63 enthalten neben Kohlenstoff (C) noch Silicium (Si) 66, Calcium (Ca), Aluminium (AI) und Kalium (K). Wie in 20 gezeigt, beträgt der Durchmesser der Kohlenstofffasern 63 ungefähr 6 µm. In dem Kohlenstofffaserbündel 62 sind etwa 100.000 bis 120.000 der Kohlenstofffasern 63 zu einem Bündel zusammengefasst.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden ungefähr 110.000 Kohlenstofffasern 63 verwendet. Der spezifische Widerstand des Kohlenstofffaserbündels 62 beträgt 2,92×10^(- 3) (Ω m). Der spezifische Widerstand der Kohlenstofffasern 63 beträgt 321 Ω m.
Wie in 16 gezeigt, wird das Kohlenstoff 65 und Silicium (Si) 66 enthaltende Graphen mit Epoxidharz (spezifischer Widerstand von 10^ (12-17) Ω m) als den oben erwähnten, elastischen Binder, in einem organischen Lösungsmittel gelöst, die Kohlenstofffasern 63 werden durch Nassspinnen gesponnen, und durch Zusammenfassen dieser Kohlenstofffasern 63 zu einem Kohlenstofffaserbündel 62 kann das biegsame Heizelement 51 gebildet werden.
Ausführungsbeispiel 6
Die Kohlenstofffasern 63 werden hauptsächlich durch Imprägnieren der Oberfläche eines Faserbasismaterials 64 mit dem karbonisierten Material 19 und Anhaften des karbonisierten Materials 19 hergestellt. Im Folgenden werden die einzelnen Prozessschritte, unter Bezugnahme auf 10, 11A und 11B, der Reihe nach erklärt.
Faserbasismaterial
Das in 10 gezeigte Faserbasismaterial 64 kann aus einem Kohlenstoffmaterial, Harzmaterial, metallischem Material, keramischem Material und dergleichen ausgebildet sein. Wenn das Faserbasismaterial 64 eine Kohlenstofffaser ist, können PAN - - basierte Kohlenstofffasern durch Karbonisieren von Polyacrylnitrilharz und Pech - basierte Kohlenstofffasern durch Karbonisieren von Pechfasern, die durch den Einsatz von Steinkohlenteer und schweren Bestandteilen von Erdöl als Grundmaterialien erhalten werden, hergestellt werden. Die Dicke des Faserbasismaterials 64 beträgt von 5 µm bis 15 µm und die Gestalt der Querschnittsfläche des Faserbasismaterials 64 kann rund, dreieckig, viereckig, elliptisch und dergleichen sein.
Der Prozessablauf zur Karbonisierung kann Bogenentladung, Laserverdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD - Methode) und dergleichen umfassen und selbstverständlich kann auch eines der zuvor in Ausführungsbeispiel 1 bis Ausführungsbeispiel 3 angeführten Verfahren verwendet werden. Durch eine Ausgestaltung mit den zuvor beschriebenen Materialien sind sowohl die Ausbildung von kontinuierlichen Einzelfasern als auch die Ausbildung von Stapeln möglich.
Anhaftungsprozess des karbonisierten Materials
Wie in 11A gezeigt, wird das karbonisierte Material 19 einem später beschriebenen Anhaftungslösungsmittel 93 beigemischt und das karbonisierte Material 19 wird in einer Gewichtskonzentration von ungefähr 10% mit Hilfe eines Rührwerks, eines Ultraschall - Rüttlers oder einer Rührmaschine, in dem Anhaftungslösungsmittel 93 innerhalb einer Anhaftungsschicht 91 durch Dispersion verteilt, um eine Anhaftungsflüssigkeit 92 herzustellen.
Wasser, Alkohole wie Ethanol, Methanol und Isopropylalkohol, und organische Lösungsmittel wie Toluol, Aceton, Tetrahydrofuran, Methylethylketon, Hexane, n - Hexan, Diethylether, Xylole, Methylacetat und Ethylacetat können als das Anhaftungslösungsmittel 93 verwendet werden.
Bündel des Faserbasismaterials 64, in denen das Faserbasismaterial 64 zu Bündeln zusammengefasst ist, werden in die Anhaftungsschicht 91 eingebracht. Dabei wirken auf das karbonisierte Material 19 Van - der - Waals - Kräfte, wodurch das karbonisierte Material 19 an den Bündeln des Faserbasismaterials 64 anhaftet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Bündel des Faserbasismaterials 64, an denen das karbonisierte Material 19 anhaftet, beim Einbringen in die Anhaftungsflüssigkeit 92 getrocknet werden und dadurch die Kohlenstofffasern 63 erhalten werden. Das erhaltene Kohlenstofffaserbündel 62 kann schließlich auch durch Silikonharz oder dergleichen zu einer Röhre geformt werden.
Flüssigkeitsimprägnierungsprozess
Wie in 11B gezeigt, können in einer Anhaftungsvorrichtung 90 zur weiteren Verstärkung der Festigkeit und dergleichen der Bündel des Faserbasismaterials 64, an denen das karbonisierte Material 19 anhaftet, die Bündel des Faserbasismaterials 64 mit einer Harzimprägnierflüssigkeit 95 einer Harzimprägnierschicht 94 imprägniert werden, wodurch in den Kohlenstofffasern 63 ein Umfang des Faserbasismaterials 64 mit Harz bedeckt wird.
Die Bündel des Faserbasismaterials 64, an denen das karbonisierte Material 19 anhaftet, werden in die gelöste Harzimprägnierflüssigkeit 95 eingetaucht, um das Faserbasismaterial 64 mit Harz zu imprägnieren.
Für das zur Imprägnierung verwendete Harzmaterial können beispielsweise Duroplasten wie Epoxidharz, Phenolharz, Melaminharz, Harnstoffharz (Urea - Harz), ungesättigtes Polyesterharz, Alkydharz und wärmehärtendes Polyimid, und Thermoplasten wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrilharz, Butadienharz, Styrolharz, Methacrylharz und Vinylchlorid, sowie technische Kunststoffe wie Polyamid, Polyacetal, Polyethylenterephthalat, ultrahochmolekulares Polyethylen, Polycarbonat, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polytetrafluorethylen, Polyetherimid, Polyarylat, Polyimid und dergleichen verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 7
Herstellungsschritt der Heizvorrichtung
Als nächstes wird ein Herstellungsschritt der Heizvorrichtung S4 unter Bezugnahme auf 5 bis 8 erklärt. Die im oben beschriebenen Anhaftungsprozess des karbonisierten Materials und im Flüssigkeitsimprägnierungsprozess erhaltenen Kohlenstofffasern 63 werden in Form eines Bündels zu dem Kohlenstofffaserbündel 62 zusammengefasst, der Umfang des Kohlenstofffaserbündels 62 wird unter Auseinanderziehen mit einem Material wie einem Silikonharz und dergleichen bedeckt, und die das Kohlenstofffaserbündel 62 bedeckende, geradlinige Kohlenstofffaserbündelummantelung 61 wird herausgerollt.
Danach wird, während der Umfang der Kohlenstofffaserbündelummantelung 61, in deren Innerem sich das Kohlenstofffaserbündel 62 befindet, mit dem netzförmigen elektrischen Leiter 53 bedeckt wird, das Heizelement 51 durch Bedecken mit der äußeren Ummantelung 56 und Herausrollen in Form einer geradlinigen Röhre geformt.
Schließlich wird das Heizelement 51 in der benötigten Länge von 10 m abgeschnitten und an den zwei Enden des Heizelements 51 werden das zuvor beschriebene Stromquellen - Verbindungsteil 52 bzw. das Verbindungsendteil 57 angeschlossen, wodurch die Heizvorrichtung 50 dem Heizelement 51 elektrischen Strom zuführen kann.
Aufbau des elektrischen Leiters
Ausführungsbeispiel 8
Biegsamer elektrischer Leiter
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 23A bis 23C und 26A bis 26E, ein Aufbau eines biegsamen elektrischen Leiters 150 erklärt, der für Signalkabeln und Stromkabeln verwendet wird, die aus einem Graphen 113 bestehen, in dem das karbonisierte Material 19 weiter verfeinert und der Reinheitsgrad des Kohlenstoffs erhöht ist.
23A zeigt den einadrigen elektrischen Leiter 150, der das Graphen 113 enthält, welches durch ein später erklärtes Verfahren hergestellt wird und Kohlenstoff eines hohen Reinheitsgrades enthält.
In dem elektrischen Leiter 150 ist eine Kohlenstofffaserbündelummantelung 161 ausgebildet, die von einem isolierenden Material wie Plastik, Kautschuk, Harz oder dergleichen bedeckt ist, welches sich um den Umfang eines Kohlenstofffaserbündels 162, zu dem die Kohlenstofffasern 163 gebündelt sind, herumbiegen kann, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kohlenstofffaserbündelummantelung 161 aus Silikonharz gebildet ist. Die Kohlenstofffasern 163 sind kontinuierliche Einzelfasern mit einem Durchmesser von 6 µm bis 9 µm.
Der Durchmesser (R1) des Kohlenstofffaserbündels 162 ist, wie in 7 gezeigt, 2 mm. Außerdem besitzt der elektrische Leiter 150 zur Ausbildung eines gegen Korrosion und Verschleiß geschützten Aufbaus, eine aus Polyvinylchlorid, Polyethylen oder dergleichen bestehende äußerste Ummantelung 165, die den äußersten Umfang bedeckt. Dadurch wird der elektrische Leiter 150 als biegsamer und leichter Leiter ausgebildet, bei dem Leiterbruch kaum auftritt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kabeldicke des elektrischen Leiters 150 abhängig von der jeweiligen Anwendung oder durch die Anzahl der in dem Kohlenstofffaserbündel 162 aufgenommenen Kohlenstofffasern 163 festgelegt werden kann.
23B zeigt den elektrischen Leiter 150, der zwei der in der zuvor beschriebenen 23A gezeigten, das Graphen 113, welches durch ein später erklärtes Verfahren hergestellt wird und Kohlenstoff eines hohen Reinheitsgrades enthält, enthaltende Einzelleitungen aufweist, und in dessen Innerem die zwei Einzelleitungen als verdrillte Litzenleitungen angeordnet sind.
In dem elektrischen Leiter 150 ist die Kohlenstofffaserbündelummantelung 161 ausgebildet, die von einem isolierenden Material wie Plastik, Kautschuk - Material, Harz oder dergleichen bedeckt ist, welches sich um den Umfang von Kohlenstofffaserbündeln 162, zu denen die Kohlenstofffasern 163 gebündelt sind, herumbiegen kann, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kohlenstofffaserbündelummantelung 161 aus Silikonharz gebildet ist.
Der Durchmesser (R1) der Kohlenstofffaserbündel 162 ist, wie in 7 gezeigt, 2 mm. Außerdem besitzt der elektrische Leiter 150 zur Ausbildung eines gegen Korrosion und Verschleiß geschützten Aufbaus, die aus Polyvinylchlorid, Polyethylen oder dergleichen bestehende äußerste Ummantelung 165, die den äußersten Umfang bedeckt. Dadurch wird der elektrische Leiter 150 als biegsamer und leichter Leiter ausgebildet, bei dem Leiterbruch kaum auftritt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kabeldicke des elektrischen Leiters 150 abhängig von der jeweiligen Anwendung oder durch die Anzahl der in den Kohlenstofffaserbündeln 162 aufgenommenen Kohlenstofffasern 163 festgelegt werden kann.
23C zeigt den elektrischen Leiter 150, der zwei der in der zuvor beschriebenen 23A gezeigten, das Graphen 113, welches durch ein später erklärtes Verfahren hergestellt wird und Kohlenstoff eines hohen Reinheitsgrades enthält, enthaltende Einzelleitungen aufweist, und in dessen Innerem die drei Einzelleitungen als verdrillte Litzenleitungen angeordnet sind.
In dem elektrischen Leiter 150 ist die Kohlenstofffaserbündelummantelung 161 ausgebildet, die von einem isolierenden Material wie Plastik, Kautschuk - Material, Harz oder dergleichen bedeckt ist, welches sich um den Umfang der Kohlenstofffaserbündeln 162, zu denen die Kohlenstofffasern 163 gebündelt sind, herumbiegen kann, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kohlenstofffaserbündelummantelung 161 aus Silikonharz gebildet ist.
Der Durchmesser (R1) der Kohlenstofffaserbündel 162 ist, wie in 7 gezeigt, 2 mm. Außerdem besitzt der elektrische Leiter 150 zur Ausbildung eines gegen Korrosion und Verschleiß geschützten Aufbaus, die aus Polyvinylchlorid, Polyethylen oder dergleichen bestehende äußerste Ummantelung 165, die den äußersten Umfang bedeckt. Dadurch wird der elektrische Leiter 150 als biegsamer und leichter Leiter ausgebildet, bei dem Leiterbruch kaum auftritt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kabeldicke des elektrischen Leiters 150 abhängig von der jeweiligen Anwendung oder durch die Anzahl der in den Kohlenstofffaserbündeln 162 aufgenommenen Kohlenstofffasern 163 festgelegt werden kann.
26A und 26B zeigen ein gebündeltes Kabel 180, das als vorübergehend gewickeltes Kabel 185 gebündelt ist, in dem die Kohlenstofffaserbündel 162, zu denen die Kohlenstofffasern 163 gebündelt sind, durch Kupferdrähte oder ein Polymer vorübergehend gewickelt sind. Dadurch kann bei gleichzeitiger Bündelung der Kohlenstofffaserbündel 162 auf einfache Weise eine Ausbildung als Litzenleitung und dergleichen erhalten werden. 26A zeigt eine Ansicht des vorübergehend gewickelten Kabels 185 von der Seite und 26B zeigt eine Ansicht einer Querschnittsfläche des vorübergehend gewickelten Kabels 185.
26C zeigt eine Ansicht einer Vielzahl an gebündelten Kabeln 180, betrachtet von einer Seite der Verdrillung. Des Weiteren zeigt 26D eine Ansicht einer Querschnittsfläche der Vielzahl an verdrillten, gebündelten Kabeln 180.
26E zeigt eine Querschnittsfläche eines elektrischen Leiters, bei dem in einem Zustand, in dem die Vielzahl an gebündelten Kabeln 180 verdrillt sind, zusätzlich eine isolierende, biegsame Ummantelung vorgesehen ist.
Durch Ausbildung der vorübergehend gewickelten Kabel 185 auf die oben beschriebene Weise, kann die Festigkeit des elektrischen Leiters 150 eingestellt werden. Außerdem kann auch der Grad des Zusammenhalts zwischen den Kohlenstofffasern 163 selbst eingestellt werden.
Ausführungsbeispiel 9
Elektrischer Leiter mit Kontraktionsfähigkeit
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 24A und 24B sowie 25A bis 25F, ein Aufbau des biegsamen, kontraktionsfähigen elektrischen Leiters 150 erklärt, der für Signalkabel und Stromkabel verwendet wird, die aus dem Graphen 113 bestehen, in dem das karbonisierte Material 19 in einem Prozessschritt eines später beschriebenen Reinigungsschritts S2 - 1 weiter verfeinert und der Reinheitsgrad des Kohlenstoffs erhöht wird.
Der elektrische Leiter 150 wird durch Hinzufügen des Graphens 113, das in dem Reinigungsschritt S2 - 1 verfeinert wird und dessen Reinheitsgrad an Kohlenstoff erhöht ist, fadenförmig ausgebildet. 24A zeigt die fadenförmige Gestalt des elektrischen Leiters 150, wobei sich der elektrische Leiter 150 selbst zusammenzieht und daher auch im auseinandergezogenen oder kontrahierten Zustand elektrischen Strom leiten kann, wodurch die Verwendung als Signalkabel und Stromkabel in Robotern und Antriebsvorrichtungen möglich ist, bei denen bisher beim Auseinanderziehen oder Kontrahieren Probleme durch Leiterbruch auftreten konnten. 24B zeigt eine Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 150, wobei das Graphen 113 beigemischt ist.
Als ein Kautschuk - Material 110 können Naturkautschuk, Styrolkautschuk, Butadienkautschuk, Chloropren - Kautschuk, Butylkautschuk, Nitrilkautschuk, Ethylen - Propylen - Kautschuk, chlorsulfoniertes Polyethylen, Acrylkautschuk, Urethan - Kautschuk, Silikonkautschuk, Fluorkautschuk, hydrierter Nitrilkautschuk, Epichlorhydrin - Kautschuk und dergleichen verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass außer dem Kautschuk - Material 110 auch noch Harze mit Kontraktionsfähigkeit verwendet werden können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als das Material mit Kontraktionsfähigkeit der elektrische Leiter 150 verwendet, in dem der Reinheitsgrad des Graphens durch Entfernen von Silicium mittels des später beschriebenen Reinigungsschritts S2 - 1 erhöht wurde, das heißt, die elektrische Leitfähigkeit durch Anhebung des Kohlenstoffanteils erhöht wurde.
Der in 24A und 24B gezeigte elektrische Leiter 150 wird durch Beimischen des Graphens 113 in das Kautschuk - Material 110 und Vermischen des Kautschuk - Materials 110 und des Graphens 113 durch Extrusionsformen ausgehend von einer Düse geformt.
25A bis 25F zeigen den elektrischen Leiter 150 entsprechend anderer Ausgestaltungen. 25A zeigt eine Seitenfläche des elektrischen Leiters 150 bei einer Ausgestaltung als Band, wobei das Graphen 113 auf der Oberfläche eines plättchenförmigen elektrischen Leiters 120 aufgebracht ist. 25B zeigt eine Querschnittsfläche des plättchenförmigen elektrischen Leiters 120. Im Inneren des plättchenförmigen elektrischen Leiters 120 ist ein Kernmaterial 122 vorgesehen, welches aus dem oben erwähnten, kontraktionsfähigen Kautschukmaterial oder einem elektrisch leitenden Kautschukmaterial besteht.
In dem plättchenförmigen elektrischen Leiter 120 ist das ausgezeichnet elektrisch leitende Graphen 113 durch Anhaften an den Oberflächen beider Seitenflächen des Kernmaterials 122 befestigt oder in den Oberflächen enthalten, wodurch ein kontraktionsfähiges elektrisch leitendes Kabel ausgebildet werden kann.
25C zeigt einen gewebten elektrischen Leiter 125, in dem die plättchenförmigen elektrischen Leiter 120 miteinander in Form eines Gewebes verwebt sind und eine Fläche bilden. Der gewebte elektrische Leiter 125 ist kontraktionsfähig und biegsam und bildet ein elektrisch leitendes Element mit einer breiten Fläche als Oberfläche.
25D zeigt eine Querschnittsfläche des fadenförmigen elektrischen Leiters 150, wobei das Graphen 113 an der Oberfläche eines kontraktionsfähigen, fadenförmigen elektrischen Leiters 130 aufgebracht ist. Im Inneren des kontraktionsfähigen, fadenförmigen elektrischen Leiters 130 ist ein fadenförmiges Kernmaterial 132 vorgesehen, welches aus dem oben erwähnten, kontraktionsfähigen Kautschukmaterial oder einem elektrisch leitenden Kautschukmaterial besteht.
Im kontraktionsfähigen, fadenförmigen elektrischen Leiter 130 ist das ausgezeichnet elektrisch leitende Graphen 113 durch Anhaften an den Oberflächen beider Seitenflächen des fadenförmigen Kernmaterials 132 befestigt oder in den Oberflächen enthalten, wodurch der kontraktionsfähige, elektrische Leiter 150 ausgebildet werden kann.
25F zeigt einen netzförmigen elektrischen Leiter 135, in dem ein verwebtes Netz aus den kontraktionsfähigen, fadenförmigen elektrischen Leitern 130 geformt wird. Der gewebte elektrische Leiter 125 ist kontraktionsfähig und biegsam und bildet ein elektrisch leitendes Element mit einer breiten Fläche als Oberfläche. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Anwendung auf den zuvor beschriebenen elektrischen Leiter 53 ebenfalls möglich ist.
25E zeigt eine Querschnittsfläche des fadenförmigen elektrischen Leiters 150, bei der auf den oben in 25D erwähnten, kontraktionsfähigen, fadenförmigen elektrischen Leiter 130, zusätzlich ein isolierendes, oben erwähntes isolierendes Kautschukmaterial 133 zur Ummantelung vorgesehen ist.
Anstelle des Kautschuk - Materials 110 kann auch ein Harz wie ein kontraktionsfähiges Silikonharz oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Ausführungsbeispiel 10
Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 27 bis 30, eine Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 erläutert, mit der auf Basis der oben beschriebenen, zur Herstellung des karbonisierten Materials 19 verwendeten Plasmavorrichtungen 10 und 100, die Produktion im industriellen Maßstab weiter vorangetrieben werden kann.
In der Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 sind im Inneren eines transparenten Quarzrohrs 203, hauptsächlich um industrielle Produktion zu ermöglichen, eine Vielzahl an Aufnahmebehältern 205 aus einem Kohlenstoffmaterial oder einem Kohlenstoff - Verbundmaterial vorgesehen, in denen die Kohlenstoffquelle 9, die dem pflanzlichen Rohmaterial entspricht, aufgenommen wird.
Zuerst wird, unter Bezugnahme auf 27 und 28, die Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 erklärt. Das transparente, zylindrische Quarzrohr 203 ist zwischen einem linken Flansch 231 und einem rechten Flansch 232 vorgesehen. Durch den linken und den rechten Flansch 231 und 232 ist ein Versiegeln sowie ein Öffnen möglich, wodurch das Innere des Quarzrohrs 203 im Vakuumzustand und bei niedrigem Druck gehalten werden kann. Außerdem ist das Quarzrohr 203 lösbar von einem geöffneten Ende des linken bzw. rechten Flansches 231 und 232 ausgebildet. Der linke und der rechte Flansch 231 und 232 besitzen eine Kühlfunktion mit Wasserkühlung.
Es sei drauf hingewiesen, dass das Quarzrohr 203 durch eine Methode befestigt werden kann, in der es von beiden Seiten des linken und des rechten Flansches 231 und 232 lösbar eingeklemmt und fixiert wird.
Wie in 27 gezeigt, ist der rechte Flansch 232 mit einer Rohrleitung verbunden, die mit einem Kontrollventil 224 verbunden ist, welches die Flussraten eines inerten Gases 217 und eines Brenngases 218 kontrolliert, und das Innere des Quarzrohrs 203 kann so mit dem inerten Gas 217 bzw. dem Brenngas 218 ausgefüllt werden. Ferner ist der rechte Flansch 232 mit einem Grobvakuum - Druckmesser 219 verbunden und der linke Flansch 231 ist über einen Filter 221 mit einem Druckkontrollventil 222 und dem Kontrollventil 224 verbunden.
Eine Kontrollvorrichtung 210 ist ausgebildet, mittels einer mit dem Druckkontrollventil 222 und dem Kontrollventil 224 verbundenen Trockenpumpe 223, den Druck im Inneren des Quarzrohrs 203 zu kontrollieren.
Wie in 27 und 28 gezeigt, umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 eine Hochfrequenz - Spule 240 und einen elektrischen Ofen 250, die ein Erhitzen auf verschiedene Temperaturen ermöglichen und erlauben, nicht nur Kohlenstoff, sondern auch Siliciumdioxid aus der Kohlenstoffquelle 9, die dem pflanzlichen Rohmaterial entspricht, zu extrahieren, und die auch im oben erwähnten Reinigungsschritt eingesetzt werden können.
Die Hochfrequenz - Spule 240 ist derart geformt, dass sie einen Umfang des Quarzrohrs 203 umgibt und eine eine Spule 243 stützende Spulenauflage 242 ist an einer Antriebsvorrichtung 1 (214) befestigt. Diese Antriebsvorrichtung 1 (214) führt entlang von Schienen 236 eine Bewegung zur X - Richtung bzw. der negativen X - Richtung aus. Ein Motor wird als die Antriebsvorrichtung 1 (214) verwendet. Es sei drauf hingewiesen, dass anstelle des Motors ein Linearantrieb oder dergleichen verwendet werden kann.
Das Prinzip und der Herstellungsverlauf sind gleich wie jene der oben erklärten Plasmavorrichtung 100 gemäß Ausführungsbeispiel 2, allerdings besteht ein Unterschied darin, dass die Hochfrequenz - Spule 240 beweglich zur X - Richtung bzw. der negativen X - Richtung ist und da in einem einmaligen Aufbau die Vielzahl an die Kohlenstoffquelle 9 aufnehmenden Aufnahmebehältern 205 nacheinander karbonisiert werden können, kann in einem einzigen Ablauf eine große Menge der Kohlenstoffquelle 9 karbonisiert werden. Hauptsächlich kann ein Einsatz im Herstellungsprozess in dem zuvor erwähnten Karbonisierungsschritt in S2 in 1 erfolgen.
Außerdem umfasst die Hochfrequenz - Spule 240 eine Abdeckplatte 241 zur Reduktion eines Einflusses der von der Spule 243 ausgehenden elektromagnetischen Wellen in der Nähe der Spule 243.
In der Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 wird durch Einleiten des inerten Gases 217 und Anlegen eines Hochfrequenz - Magnetfeldes von 4 MHz von einer Hochfrequenz - Stromquelle 212 an die Hochfrequenz - Spule 240, ein thermisches Plasma erzeugt und bei Temperaturen von 300°C bis 1000°C, wie in 4 gezeigt, eine vergleichsweise hohe Ausbeute erzielt.
Durch die Verwendung der oben beschriebenen Hochfrequenz - Spule 240 und des inerten Gases 217 kann auch das thermisch schwer zerlegbare Lignin zerlegt werden. Außerdem werden bei dem Herstellungsprozess keine toxischen Substanzen oder dergleichen erzeugt, wodurch sich eine optimale Eignung für die Produktion im industriellen Maßstab ergibt.
Es sei darauf hingewiesen, dass das thermische Plasma außer mit den zuvor erwähnten Plasmavorrichtungen auch durch Verfahren mit dielektrischer Barriereentladung, Koronaentladung, gepulster Entladung oder Gleichstrom - Entladung erzeugt werden kann.
In der Hochfrequenz - Stromquelle 212 ist eine Kühlvorrichtung 213 mit Wasserkühlung zur Kühlung der Spule 243 und der Stromquelle vorgesehen. Außerdem ist im Quarzrohr 203 der aus einem Vliesstoff, Baumwolle, Papier oder dergleichen aufgebaute Filter 221 vorgesehen, der einen Einfluss eines während der Verbrennung entstehenden Teer - Bestandteils oder dergleichen auf die Trockenpumpe 223 verhindert.
Ferner sind, wie in 28 gezeigt, Thermoelemente 235 einer in 27 gezeigten Temperaturkontrollvorrichtung 211 in der Nähe jedes Aufnahmebehälters 205 vorgesehen. Dadurch kann die Kontrollvorrichtung 210 mittels von der Temperaturkontrollvorrichtung 211 erhaltenen Informationen, die Karbonisierung bei einer gewünschten Temperatur durchführen. Im Speziellen ist eine Temperaturregulierung wichtig, da die Ausbeute mit der Temperatur variiert, und zusätzlich kann die Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 durch Kontrolle der Temperatur nicht nur das karbonisierte Material 19 aus dem pflanzlichen Rohmaterial extrahieren, sondern kann dabei eine große Menge an Siliciumdioxid extrahieren.
Der elektrische Ofen 250 ist derart geformt, um einen Umfang des Quarzrohrs 203 zu umgeben und ist an einer Antriebsvorrichtung 2 (216) befestigt. Diese Antriebsvorrichtung 2 (216) führt entlang der Schienen 236 eine Bewegung zur X - Richtung bzw. der negativen X - Richtung aus. Ein Motor wird als die Antriebsvorrichtung 2 (216) verwendet. Es sei drauf hingewiesen, dass anstelle des Motors ein Linearantrieb oder dergleichen verwendet werden kann.
Der elektrische Ofen 250 kann durch die Wärme eines Heizelements, das ausgebildet ist, Joulesche Wärme zu nützen, die Temperatur bis in die Nähe von 2000°C erhöhen und bei der Verfeinerung der Kohlenstoffquelle 9 und des karbonisierten Materials 19 unter Zufuhr des Brenngases 218 einen Brennprozess im Quarzrohr 203 durchführen. Außerdem wird das Brenngas 218 zur Unterstützung der Verbrennung verwendet und Sauerstoff und dergleichen sind als das Brenngas 218 denkbar. Das Brenngas 218 wird im Prozessablauf hauptsächlich im in 22 gezeigten Reinigungsschritt S2 - 1 verwendet und seine Verwendung erfolgt bei einer Verbrennung im Bereich von 1000°C.
Es sei darauf hingewiesen, dass der elektrische Ofen 250 ein Niedrigfrequenz - Induktionsofen, in dem elektromagnetische Induktionsströme genutzt werden, ein Hochfrequenz - Induktionsofen, in dem Wirbelströme genutzt werden, ein Lichtbogenofen, in dem abgehobene Hochwärme genutzt wird, und dergleichen sein kann. Außerdem kann der elektrische Ofen 250 durch Verbrennen unter Zufuhr von Sauerstoff als das Brenngas 218, Substanzen als CO2 entfernen, und das ursprünglich transparente Quarzrohr 203 durch die Entfernung von daran anhaftendem, karbonisiertem Material, reinigen. Dadurch kann ein Temperaturabfall des thermischen Plasmas durch die Hochfrequenz - Spule 240 verhindert werden.
Als nächstes werden das Quarzrohr 203 und die Aufnahmebehälter 205 unter Bezugnahme auf 28 bis 30 erklärt.
Wie in 29 und 30 gezeigt, sind die Aufnahmebehälter 205, um die Kohlenstoffquelle 9 und das karbonisierte Material 19 aufzunehmen, nach oben geöffnet und schachtelförmig aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet. Im Speziellen sind in der Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 eine Vielzahl der Aufnahmebehälter 205 vorgesehen, um im Vergleich zu den zuvor erklärten Plasmavorrichtungen 10 und 100, größere Materialmengen karbonisieren zu können.
Die Aufnahmebehälter 205 sind auf einem Tragsockel 206 befestigt, an dessen oberer Fläche eine Vielzahl an oberen Teilstücken 208, deren stabförmige Teile an vier Ecken vorstehen, und an dessen unterer Fläche eine Vielzahl an plättchenförmigen unteren Teilstücken 207 zu beiden Enden nach oben vorstehend, vorgesehen sind. An den Aufnahmebehältern 205 sind nach unten in gleicher Position wie die oberen Teilstücke 208, Löcher vorgesehen, in welche die Teile der oberen Teilstücke 208 eingefügt werden können und die oberen Teilstücke 208 werden in diese Löcher eingepasst, wodurch die Aufnahmebehälter 205 am Tragsockel 206 befestigt werden.
Der Tragsockel 206, auf dem die Aufnahmebehälter 205 befestigt sind, wird zur Auflage auf einem Basissockel 202, entlang von als Rillen auf dem Basissockel 202 vorgesehenen Basissockelrillen 204, in die unteren Teilstücke 207 eingepasst. Eine Vielzahl an Basissockelrillen 204 sind um eine Länge von Y1 versetzt in der Breitenrichtung vorgesehen, so dass die Aufnahmebehälter 205 versetzt angeordnet werden können. Ferner sind die Aufnahmebehälter 205 nicht nur in der Breitenrichtung versetzt, sondern auch, wie in 28 gezeigt, beabstandet um einen bestimmten Abstand X1 in der X - Richtung angeordnet.
Durch die Beabstandung der Aufnahmebehälter 205 in der Y1 - Richtung bzw. der X - Richtung, kann während der Karbonisierung bis zu einem äußersten Maß verhindert werden, dass Aufnahmebehälter 205, die nicht karbonisiert werden sollen, einen Einfluss durch die Plasmahitze erfahren. Außerdem wird, um eine Temperaturkontrolle zu ermöglichen, auf dem Basissockel 202 in der Nähe der Basissockelrillen 204 ein Thermoelement - Aufnahmeraum 209 sichergestellt, der als Raum zur Befestigung der Thermoelemente dient.
Wie in 29 gezeigt, ist das Quarzrohr 203 als kreisförmiges Rohr mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 125 mm aus transparentem Quarz ausgebildet. Ferner ist ein Tragsockel 206 in einer Breite ausgebildet, in der die Aufnahmebehälter 205 unterhalb des Zentrums des Inneren der Kammer des Quarzrohrs 203 angebracht werden können.
Die Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 ist zur Herstellung von Kohlenstoff ausgebildet, allerdings ist damit je nach Temperaturbedingungen auch eine Extraktion von Siliciumdioxid aus Biomassematerial möglich, wobei insbesondere eine Herstellung von amorphem Siliciumdioxid möglich ist. Ferner kann nicht nur der zuvor erwähnte Karbonisierungsschritt S2, sondern auch der Reinigungsschritt S2 - 1 durch einen elektrischen Ofen ausgeführt werden. Daher können mit der gleichen Vorrichtung unter Durchführung einer Temperaturregulierung verschiedene Prozessabläufe ausgeführt werden.
Ausführungsbeispiel 11
Verunreinigungsentfernungsvorrichtung
31 zeigt ein Beispiel einer Verunreinigungsentfernungsvorrichtung 40, die Siliciumdioxid (Silicium) aus dem durch Karbonisieren der Kohlenstoffquelle 9 durch die oben erwähnten Plasmavorrichtungen 10 und 100 erhaltenen karbonisierten Material 19 entfernt, wodurch das Graphen 113 erhalten wird.
Ein Heizofen 41 kann einen Ofen 42 bis zu hohen Temperaturen von etwa 2000°C erhitzten. Ein großer Tiegel 50 ist mit einem Deckel 51 abgedeckt und im Inneren eines Gefäßteils 52 befinden sich ein kleiner Tiegel 60 und Aktivkohle 53. In einem Gefäßteil 62 des kleinen Tiegels 60 befinden sich gemeinsam das karbonisierte Material 19 und darüber Kaliumhydroxid (KOH) 18, und ein Deckel 61 ist vorgesehen. Als Material für den kleinen Tiegel 60 und den großen Tiegel 50 sind stabile Feinkeramik - Materialien und dergleichen denkbar; beispielsweise kann Aluminiumoxid Al2O3 verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 12
Verfahren zur Herstellung des elektrischen Leiters Prozessablauf 2
Mit Bezugnahme auf 22 wird ein Herstellungsprozess eines Verfahrens zur Herstellung von Graphen 113, in dem die Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 verwendet wird, erklärt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Vorbehandlungsschritt S1 gleich jenem im oben beschriebenen Prozessablauf 1 gemäß Ausführungsbeispiel 4 ist und die Erklärung daher ausgespart wird.
Im Folgenden wird der Karbonisierungsschritt S2 im Falle der Verwendung der in 27 bis 30 gezeigten Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erklärt. Im Vorbehandlungsschritt S1 wird die Kohlenstoffquelle 9 in Aufnahmeschachteln 205 gefüllt und mit einem metallischen Netz aus Edelstahl oder dergleichen bedeckt. Die Vielzahl an Aufnahmeschachteln 205 werden an bestimmten Positionen, zu denen die oben beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material 200 Wärme zuführt, versetzt angeordnet. Der Druck im Quarzrohr 203 wird mittels der Trockenpumpe 223 bis auf 80 Pa abgesenkt, das inerte Gas 217 wird mit einer Flussrate von 8 bis 10 ml/min in das Quarzrohr 203 eingeleitet, und das Innere der Kammer 1 wird bei einem Druck von 1300 bis 1500 Pa gehalten.
Der Antragssteller hat den Karbonisierungsschritt S2, wie in 4 gezeigt, mit einem thermischen Plasma in einem Temperaturbereich von 200°C bis 1100°C, mit Abständen von je 100°C, durchgeführt und dabei die Temperatur und die Ausbeute beim Karbonisieren der Kohlenstoffquelle 9 ermittelt. 4 zeigt Werte, die jenen des Gewichts des aus 0,8 g der Kohlenstoffquelle 9 erhaltenen karbonisierten Materials 19 entsprechen. Die höchste Ausbeute wurde mit 36% von 600°C bis 800°C gemessen und bei Temperaturen von 300°C bis 1000°C wurde eine vergleichsweise hohe Ausbeute erreicht. Die vorliegende Messung wurde mit Reisstroh, Kleien, Palmkernschalen, Reishülsen, Erdnussschalen und dergleichen durchgeführt, wobei ähnliche Ergebnisse erhalten wurden.
Als nächstes wird der Reinigungsschritt S2 - 1 erklärt. Das wie oben beschrieben erhaltene karbonisierte Material 19 und das Kaliumhydroxid (KOH) 18 werden in einem Gewichtsverhältnis von eins zu fünf vermischt und in den Gefäßteil 62 des in 31 gezeigten kleinen Tiegels 60 gefüllt, auf den der Deckel 61 aufgesetzt wird. Außerdem wird der kleine Tiegel 60 im Inneren der in 31 gezeigten Aufnahmeschachteln 205 aufgenommen und um den kleinen Tiegel 60 herum die Aktivkohle 53 eingefüllt. Die Aktivkohle 53 wird eingefüllt um zu verhindern, dass Sauerstoff ins Innere des kleinen Tiegels 60 eindringt. Der elektrische Ofen 250 heizt das Innere des Quarzrohrs 203 auf Temperaturen von bis zu etwa 950°C und führt einen Brennprozess von ungefähr zwei bis drei Stunden aus.
Dabei fördert das Kaliumhydroxid 18 die Entfernung des Siliciums und wird daher zur Steigerung der Ausbeute des Graphens 113 verwendet. Beispiele für die basische Lösung umfassen Alkalimetallhydroxide wie Natriumhydroxid und Lithiumhydroxid, Erdalkalimetallhydroxide wie Magnesiumhydroxid und Calciumhydroxid, Alkalimetalloxide wie Natriumoxid und Kaliumoxid, Erdalkalimetalloxide wie Magnesiumoxid und Calciumoxid, Alkalimetallsulfide wie Natriumsulfid und Kaliumsulfid, und Erdalkalimetallsulfide wie Magnesiumsulfid und Calciumsulfid. Darüber hinaus kann nicht karbonisiertes Lignin durch Säure, genauer gesagt, durch eine, zwei oder mehr Säuren ausgewählt aus der Gruppe Salzsäure, Schwefelsäure, PTSA und Aluminiumchlorid, entfernt werden.
Im mit Kaliumhydroxid reagierten karbonisierten Material 19, reagiert Kieselsäure mit dem Kaliumhydroxid 18 und bildet Kaliumsilicat. Das zurückgebliebene, wasserlösliche Kaliumhydroxid (KOH) 18 (31) und Kaliumsilicat werden in Wasser gelöst, die Lösung wird auf ein Filterpapier aufbracht, und durch Passieren einer Filtervorrichtung unter Vakuum bzw. bei reduziertem Druck, werden Silicium bzw. Siliciumdioxid entfernt. Dadurch kann im Reinigungsschritt S2-1 nach Trocknung, das Graphen 113 mit einem Gewicht von ungefähr 1/8 bis 1/10 bezüglich des anfänglichen pflanzlichen Rohmaterials bei der Granulierung, als finales Endprodukt hergestellt werden.
32 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild des Graphens 113, aus dem Verunreinigungen entfernt und in dem der Reinheitsgrad des Kohlenstoffs erhöht wurde, in 50.000 - facher Vergrößerung. 33 zeigt ein Elektronenmikroskop - Bild des Graphens 113, aus dem Verunreinigungen entfernt und in dem der Reinheitsgrad des Kohlenstoffs erhöht wurde, in 100.000 - facher Vergrößerung. Wie gezeigt sind winzige Poren auf Nano - Ebene gebildet, weshalb durch Beimischen einer metallischen Substanz die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden kann. Beispielsweise kann die elektrische Leitfähigkeit durch Adsorption eines Metalls aus metallischen Ionen wie Kupferionen, Aluminiumoxidionen und dergleichen an das Graphen 113, erhöht werden.
In dem Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt S3 erfolgt die Herstellung der Kohlenstofffasern durch den gleichen Schritt wie im oben beschriebenen S3, allerdings wird für das karbonisierte Material 19 das im zuvor beschriebenen Reinigungsschritt S2 - 1 behandelte Graphen 113 verwendet, wodurch eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit erhalten wird. Der im Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt S3 hergestellte elektrische Leiter 150 entspricht im Wesentlichen dem im Ausführungsbeispiel 8 erklärten elektrischen Leiter 150.
Als nächstes wird ein Herstellungsschritt eines elektrisch leitenden Elements S5 erklärt, in dem, bei einer Anwendung in elektrischen Kabeln wie Signalkabeln, Stromleitungen und dergleichen, ein Hinzufügen eines Schritts zur Ummantelung von Einzelleitungen und eines Schritts zur Bildung von Litzenleitungen, wie im Ausführungsbeispiel 8 gezeigt, möglich ist. Außerdem kann im Herstellungsschritt des elektrisch leitenden Elements S5, bei der Verwendung des netzförmigen elektrischen Leiters 135 und des gewebten elektrischen Leiters 125, die Kontraktionsfähigkeit besitzen, wie im Ausführungsbeispiel 9 gezeigt, ein Schritt vorgesehen sein, in dem von oberhalb an der Oberfläche eine kontraktionsfähige, isolierende Schicht oder dergleichen angebracht wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass in dem oben beschriebenen elektrischen Leiter 150 das aus dem pflanzlichen Rohmaterial hergestellte Graphen 113 verwendet wurde, allerdings können auch aus einem Mineral oder einem Erdölderivat hergestellte Kohlenstoffmaterialien oder Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden.
Des Weiteren kann zusätzlich zu dem karbonisierten Material 19, welches aus dem pflanzlichen Rohmaterial hergestelltes Silicium enthält, auch das Heizelement 51 hergestellt werden, indem zu dem aus einem Mineral oder einem Erdölderivat hergestellten Kohlenstoffmaterial oder Kohlenstoffnanoröhrchen zur Anhebung des elektrischen Widerstands Kieselsäure oder Harz hinzugefügt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Zahlenwert am rechten Rand der Elektronenmikroskop - Bilder dem durch Summieren aller 10 Intervalle erhaltenen Wert entspricht und dass ein Intervall einem Zehntel des am rechten Rand gezeigten Zahlenwertes entspricht. Wenn beispielsweise der Zahlenwert am rechten Rand 500 nm ist, so beträgt ein Intervall 50 nm.
Bezugszeichenliste

1: Kammer
2: Kathoden
3: Anode
4, 32: Hochfrequenz - Stromquelle
5: Tiegel
6, 217: inertes Gas
7: Einleitungsrohr
8: Ableitungsrohr
9: Kohlenstoffquelle
10, 100: Plasmavorrichtungen
14, 22, 224: Kontrollventile
15, 23: Ablassventile
19: karbonisiertes Material
20: Kontrollvorrichtung
21: Gasvolumen - Kontrollvorrichtung
30: Vakuumpumpe
31: Hochfrequenz - Spule
80: Brennofen
81: Ofen
50: Heizvorrichtung
51: Heizelement
52: Stromquellen - Verbindungsteil
53: elektrischer Leiter
54: Stromquelle
55: Crimp - Teil
56: äußere Ummantelung
57: Verbindungsendteil
61, 161: Kohlenstofffaserbündelummantelung
62, 162: Kohlenstofffaserbündel
63: Kohlenstofffaser
64: Faserbasismaterial
65: Kohlenstoff
66: Silicium
67: Zwischenraum
70: Oxidationshemmstoff
83: Kessel
91: Anhaftungsschicht
92: Anhaftungsflüssigkeit
93: Lösungsmittel
94: Harzimprägnierschicht
95: Harzimprägnierflüssigkeit
110: Kautschukmaterial
113: Graphen
120: plättchenförmiger elektrischer Leiter
122: Kernmaterial
125: gewebter elektrischer Leiter
130: fadenförmiger elektrischer Leiter
132: fadenförmiges Kernmaterial
133: isolierendes Kautschukmaterial
135: netzförmiger elektrischer Leiter
150: elektrischer Leiter
161: Kohlenstofffaserbündelummantelung
165: äußerste Ummantelung
180: gebündelte Kabel
185: vorübergehend gewickeltes Kabel
200: Vorrichtung zur Herstellung von karbonisiertem Material
202: Basissockel
203: Quarzrohr
204: Basissockelrillen
205: Aufnahmeschachteln
206: Tragsockel
207: untere Teilstücke
208: obere Teilstücke
209: Aufnahmeraum
210: Kontrollvorrichtung
211: Temperaturkontrollvorrichtung
212: Hochfrequenz - Stromquelle
213: Kühlvorrichtung
214: Antriebsvorrichtung 1
215: Stromquellen - Kontrollvorrichtung
216: Antriebsvorrichtung 2
218: Brenngas
219: Vakuumdruckmesser
221: Filter
223: Trockenpumpe
231: Linker Flansch
232: Rechter Flansch
235: Thermoelement
236: Schienen
240: Hochfrequenz - Spule
241: Abdeckplatte
242: Spulenauflage
243: Spule
250: elektrischer Ofen
S1: Vorbehandlungsschritt
S2: Karbonisierungsschritt
S2 - 1: Reinigungsschritt
S3: Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt
S4: Herstellungsschritt der Heizvorrichtung
S5: Herstellungsschritt des elektrisch leitenden Elements.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009242180 [0006]
JP 2010042935 [0006]
WO 2013/058382 [0006]
JP 2010262912 [0006]

Claims

Heizelement, umfassend: ein karbonisiertes Material, das durch Karbonisieren eines Silicium enthaltenden pflanzlichen Rohmaterials gebildet wird, kontinuierliche Kohlenstofffasern, die durch Vermischen und Verspinnen des karbonisierten Materials mit einem Harz gebildet werden, ein Kohlenstofffaserbündel, das durch Zusammenfassen der Kohlenstofffasern zu einem Bündel gebildet wird, und ein Heizteil, das das Kohlenstofffaserbündel in einer biegsamen Röhre aufnimmt.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das karbonisierte Material einen Gewichtsanteil von 18 Gew% bis 35 Gew% an Silicium enthält.
Heizvorrichtung, in der das Heizelement nach Ansprüchen 1 oder 2 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umfang des Heizelements mit einem netzförmigen elektrischen Leiter ummantelt ist, der elektrische Leiter und das Kohlenstofffaserbündel über ein Verbindungsteil mit einem Ende des Heizelements elektrisch verbunden sind, ein Umfang des elektrischen Leiters zusätzlich mit einer biegsamen, wärmeleitfähigen und isolierenden äußeren Ummantelung ummantelt ist, und eine Einspeiseklemme vorgesehen ist, die einem anderen Ende des Heizelements Strom zuführt.
Die Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Röhre und der äußeren Ummantelung zusätzlich zu dem elektrischen Leiter eine Luftschicht vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelements, umfassend: einen Vorbehandlungsschritt, in dem durch Trocknen und Pulverisieren eines Silicium enthaltenden pflanzlichen Rohmaterials eine Kohlenstoffquelle erhalten wird, einen Karbonisierungsschritt zur Herstellung eines karbonisierten Materials durch Karbonisieren der Kohlenstoffquelle, der einen Heizschritt umfasst, in dem ein inertes Gas in eine Kammer eingeleitet wird und die Kohlenstoffquelle in der Kammer in einer Plasma - Atmosphäre erhitzt wird, einen Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt, in dem das Silicium enthaltende karbonisierte Material mit einem Harz vermischt und in einem Lösungsmittel gelöst wird, und durch eine Düse kontinuierliche Kohlenstofffasern erhalten werden, und einen Schritt zur Aufnahme in einer Röhre, in dem die zu einem Bündel zusammengefassten Kohlenstofffasern in eine biegsame, wärmeleitende und isolierende äußere Ummantelung aufgenommen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelements, umfassend: einen Vorbehandlungsschritt, in dem durch Trocknen und Pulverisieren eines Silicium enthaltenden pflanzlichen Rohmaterials eine Kohlenstoffquelle erhalten wird, einen Karbonisierungsschritt zur Herstellung eines karbonisierten Materials durch Karbonisieren der Kohlenstoffquelle, der einen Heizschritt umfasst, in dem ein inertes Gas in eine Kammer eingeleitet wird und die Kohlenstoffquelle in der Kammer in einer Plasma - Atmosphäre erhitzt wird, einen Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt, in dem Kohlenstofffasern erhalten werden, indem das Silicium enthaltende karbonisierte Material durch Anhaften an einer Oberfläche eines Einzelfaser - Basismaterials angebracht wird, und einen Schritt zur Aufnahme in einer Röhre, in dem die zu einem Bündel zusammengefassten Kohlenstofffasern in eine biegsame, wärmeleitende und isolierende äußere Ummantelung aufgenommen werden.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters, umfassend: einen Vorbehandlungsschritt, in dem durch Pulverisieren eines pflanzlichen Rohmaterials eine Kohlenstoffquelle erhalten wird, einen Karbonisierungsschritt, in dem durch Karbonisieren der Kohlenstoffquelle ein karbonisiertes Material erhalten wird, und einen Reinigungsschritt, in dem aus dem im Karbonisierungsschritt erhaltenen karbonisierten Material Verunreinigungen einschließlich Siliciumdioxid entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Karbonisierungsschritt durch einen Heizschritt, in dem ein inertes Gas in eine Kammer eingeleitet wird und die Kohlenstoffquelle in der Kammer in einer Plasma - Atmosphäre erhitzt wird, einen Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt, in dem das im Reinigungsschritt erhaltene karbonisierte Material mit einem Harz vermischt und in einem Lösungsmittel gelöst wird, und durch eine Düse kontinuierliche Kohlenstofffasern erhalten werden, und einen Schritt zur Aufnahme in einer Röhre, in dem die zu einem Bündel zusammengefassten Kohlenstofffasern in eine biegsame, isolierende äußere Ummantelung aufgenommen werden, erhalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsschritt einen Verunreinigungsentfernungsschritt umfasst, in dem das im Karbonisierungsschritt erhaltene karbonisierte Material, nach Beimischen einer Substanz zur Entfernung von Verunreinigungen, verbrannt wird.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz zur Entfernung von Verunreinigungen eine Substanz aus der Gruppe Salzsäure, Schwefelsäure, PTSA, Aluminiumchlorid, Natriumhydroxid, Lithiumhydroxid, Lithiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Natriumsulfid und Kaliumsulfid ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsschritt ein Ummanteln eines Umfangs eines das karbonisierte Material und die Substanz zur Entfernung von Verunreinigungen gemeinsam aufnehmenden Aufnahmeteils mit einem Kohlenstoffmaterial umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsschritt einen Verbrennungsschritt umfasst, in dem ein Mischprodukt des karbonisierten Materials und der Substanz zur Entfernung von Verunreinigungen bei einer Temperatur von 900°C oder mehr verbrannt wird.
Elektrischer Leiter, bei dem an das im Reinigungsschritt nach einem der Ansprüche 7 bis 11 erhaltene karbonisierte Material ein Metall aus metallischen Ionen adsorbiert wird.
Elektrischer Leiter, der durch Vermischen von Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen in ein kontraktionsfähiges Kautschukmaterial, fadenförmig oder plättchenförmig ausgebildet ist, und dessen äußerer Umfang mit einem Isolator ummantelt ist.
Elektrisches Leitungskabel, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter nach Anspruch 13 ummantelt ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Kohlenstofffaser - Herstellungsschritt, in dem ein karbonisiertes Material mit einem Harz vermischt und in einem Lösungsmittel gelöst wird, und durch eine Düse kontinuierliche Kohlenstofffasern erhalten werden, und einen Schritt zur Aufnahme in einer Röhre, in dem die zu einem Bündel zusammengefassten Kohlenstofffasern in eine biegsame, isolierende äußere Ummantelung aufgenommen werden, erhalten wird.
Elektrischer Leiter, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zentrum ein kontraktionsfähiges Kautschukmaterial kontinuierlich geformt ist, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen an einem Umfang dieses Kautschukmaterials angebracht sind, und zusätzlich ein äußerer Umfang der Kohlenstoffnanoröhrchen oder des Graphens mit einem Isolator ummantelt ist.