DE102020200325A1

DE102020200325A1 - Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder -bändern

Info

Publication number: DE102020200325A1
Application number: DE102020200325.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Koehne; Witold Pieper; Leo Rizzi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-07-15

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder -bändern durch ein Spinnverfahren, das Spinnverfahren umfassend die Schritte,a. Bereitstellen einer Spinnlösung (1), in der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) dispergiert sind, wobei die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) in der Spinnlösung (1) einlagig oder mehrlagig vorliegen, wobei die einzelnen Lagen (3) der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) jeweils eine Lagenebene (3) bilden,b. Zuführen der Spinnlösung (1) über eine Zuführleitung (4) zu einer Spinndüse (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) in der Zuführleitung (4) und/oder in der Spinndüse (5) und/oder am Ausgang der Spinndüse (5) mittels einer Ausrichteinrichtung (10) ausgerichtet werden, insbesondere bezüglich der Lagenebenen (3) der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) parallel zu einer Querschnittskante (8) eines Strömungsquerschnitts der Spinndüse (5), insbesondere zu einer der längeren Querschnittskanten (8) eines rechteckförmigen Strömungsquerschnitts der Spinndüse (5).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder -bändern nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bereits bekannt, Graphenfasern oder -bändern durch ein Spinnverfahren herzustellen, wobei für das Spinnverfahren in einem ersten Schritt eine Spinnlösung hergestellt wird, in der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen dispergiert sind. Die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen können in der Dispersion einlagig oder mehrlagig vorliegen, wobei die einzelnen Lagen der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen jeweils eine Lagenebene bilden. In einem nachfolgenden zweiten Schritt wird die Spinnlösung über eine Zuführleitung zu einer Spinndüse gefördert und zur Bildung der Graphenfaser über die Spinndüse eingedüst. Bei der auf diese Weise hergestellten Graphenfaser sind die Graphenplättchen in einer statistischen Verteilung zueinander orientiert, so dass sich keine optimale Orientierung der Graphenplättchen zur Erzielung einer optimalen elektrischen Leitfähigkeit ergibt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder -bändern mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit der Graphenfaser oder des Graphenbandes verbessert wird, indem die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen in der Zuführleitung, in der Spinndüse oder am Ausgang der Spinndüse mittels einer Ausrichteinrichtung ausgerichtet werden. Insbesondere werden die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen bezüglich der Lagenebenen der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen parallel zu einer Querschnittskante bzw. -seite eines Strömungsquerschnitts der Spinndüse ausgerichtet, beispielsweise zu einer der längeren Querschnittskanten bzw. -seiten eines rechteckförmigen Strömungsquerschnitts der Spinndüse. Die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen haben eine in einer der Lagenebenen liegende Längserstreckung, die länger ausgebildet ist als eine in derselben Lagenebenen liegende Quererstreckung. Erfindungsgemäß sind die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen nach der erfindungsgemäßen Ausrichtung mit ihrer Längserstreckung in Richtung der Längserstreckung der Graphenfaser oder des Graphenbandes und im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet.
Bei der Herstellung von Graphenbändern ist erfindungsgemäß auch eine Ausrichtung der Graphenplättchen senkrecht zur Oberfläche eines Graphenbandes möglich und resultiert in dem Vorteil, dass die thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu einem konventionell hergestellten Graphenband mindestens zwei Größenordnungen besser ist, also mindestens 100 W/mK beträgt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Ausrichteinrichtung durch eine bestimmte Geometrie der Spinndüse gebildet ist, wobei die Geometrie der Spinndüse derart ausgebildet ist, dass die Scherkräfte in der Spinndüse zu der Ausrichtung der Graphen- oder Graphenoxidplättchen führen.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Ausrichteinrichtung einen Strömungsquerschnitt der Spinndüse in mehrere, insbesondere rechteckförmige oder quadratische, Teilquerschnitte unter Bildung von Düsenkanälen unterteilt, wobei die Düsenkanäle in Strömungsrichtung gesehen jeweils einen Düsenkanaleingang und einen Düsenkanalausgang aufweisen.
Die Düsenkanäle haben jeweils eine Höhe und eine Breite. Die in der Spinnlösung dispergierten Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen weisen eine Partikelgrößenverteilung auf.
Nach einem Ausführungsbeispiel nimmt die Höhe der Düsenkanäle jeweils vom Düsenkanaleingang zum Düsenkanalausgang ab. Insbesondere entspricht die Höhe der Düsenkanäle am Düsenkanaleingang jeweils mindestens dem 20-fachen Wert des Durchmessers D₉₉ der Partikelgrößenverteilung und am Düsenkanalausgang jeweils dem 1,5 bis 3-fachen Wert des Durchmessers D₉₉ der Partikelgrößenverteilung. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Düsenkanäle verstopfen. Außerdem werden die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen durch die Scherkräfte der Düse ausgerichtet.
Nach dem Ausführungsbeispiel kann die Breite der Düsenkanäle jeweils vom Düsenkanaleingang zum Düsenkanalausgang abnehmen, insbesondere am Düsenkanaleingang jeweils mindestens dem 2-fachen Wert und höchstens dem 10-fachen Wert der am Düsenkanaleingang ausgebildeten Höhe und am Düsenkanalausgang mindestens dem 2-fachen Wert und höchstens dem 10-fachen Wert der am Düsenkanalausgang ausgebildeten Höhe entsprechen. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Düsenkanäle verstopfen. Außerdem werden die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen durch die Scherkräfte der Düse ausgerichtet.
Des Weiteren vorteilhaft ist, wenn die Ausrichteinrichtung alternativ oder zusätzlich zu den Düsenkanälen ein elektrisches und/oder magnetisches Feld umfasst, das in Strömungsrichtung gesehen vor und/oder nach dem Austritt der Spinnlösung aus der Spinndüse auf die Graphen- oder Graphenoxidplättchen wirkt. Da die Graphen- oder Graphenoxidplättchen ein diamagnetisches Verhalten aufweisen, richten sich diese im magnetischen Feld der Ausrichteinrichtung 10 zueinander aus. Durch das elektrische oder magnetische Feld werden die Graphen- oder Graphenoxidplättchen, beispielsweise unterstützend zu der ausrichtenden Wirkung der Düsenkanäle oder alleinwirkend, so ausgerichtet, dass die Feldlinien des elektrischen oder magnetischen durch eine der Lagenebenen der Graphen- oder Graphenoxidplättchen verlaufen.
Die von dem elektrischen oder magnetischen Feld ausgeübten Kräfte können vorteilhafterweise auch nach dem Austritt der Spinnlösung aus der Spinndüse wirken und die Graphen- oder Graphenoxidplättchen in der ausgerichteten Lage halten, beispielsweise auch entgegen von Kräften, die durch Diffusion aus dem Spinnfaden in Richtung Spinnraum entstehen können.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder - bändern durch ein erfindungsgemäßes Spinnverfahren und
2 einen Strömungsquerschnitt oder einen Teilquerschnitt des Strömungsquerschnitts der Spinndüse nach 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder - bändern durch ein erfindungsgemäßes Spinnverfahren.
Das erfindungsgemäße Spinnverfahren umfasst die folgenden Schritte:

In einem ersten Schritt wird eine Spinnlösung 1 hergestellt, in der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 dispergiert sind, wobei die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 in der Dispersion einlagig oder mehrlagig vorliegen, wobei die einzelnen Lagen der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 jeweils eine Lagenebene 3 bilden.
In einem zweiten Schritt wird die Spinnlösung 1 über eine Zuführleitung 4 zu einer Spinndüse 5 gefördert, aus der die Spinnlösung 1 unter Bildung von Spinnfäden in einen Spinnraum 6 austritt. Die Spinnfäden bilden in bekannter Weise die Graphenfasern. In dem Spinnraum 6 kann ein gasförmiges oder flüssiges Medium vorliegen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 in der Zuführleitung 4 und/oder in der Spinndüse 5 und/oder am Ausgang der Spinndüse 5 mittels einer Ausrichteinrichtung 10 ausgerichtet werden. Insbesondere werden die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 während des Spinnens bezüglich der Lagenebenen 3 parallel zu einer Querschnittskante bzw. -seite 8 eines Strömungsquerschnitts der Spinndüse 5 ausgerichtet, beispielsweise zu einer der längeren Querschnittskanten bzw. -seiten 8 eines rechteckförmigen Strömungsquerschnitts der Spinndüse 5. Die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 haben eine in einer der Lagenebenen 3 liegende Längserstreckung, die länger ausgebildet ist als eine in derselben Lagenebenen 3 liegende Quererstreckung. Erfindungsgemäß sind die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 nach der erfindungsgemäßen Ausrichtung mit ihrer Längserstreckung in Richtung der Längserstreckung der Graphenfaser oder des Graphenbandes und im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Ausrichteinrichtung 10 durch eine bestimmte Geometrie der sich in Strömungsrichtung verengenden Spinndüse 5 gebildet sein. Beispielsweise kann die Geometrie der Spinndüse 5 derart ausgebildet sein, dass die Scherkräfte in der Spinndüse 5 zu der Ausrichtung der Graphen- oder Graphenoxidplättchen 2 führen.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel unterteilt die Ausrichteinrichtung 10 einen Strömungsquerschnitt der Spinndüse 5 in mehrere Teilquerschnitte unter Bildung von Düsenkanälen 5.1, wobei die Düsenkanäle 5.1 in Strömungsrichtung gesehen jeweils einen Düsenkanaleingang 11 und einen Düsenkanalausgang 12 aufweisen.
Die beispielsweise rechteckförmigen Düsenkanäle 5.1 haben jeweils eine Höhe H und eine Breite B. Die in der Spinnlösung 1 bzw. Dispersion dispergierten Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 weisen eine Partikelgrößenverteilung auf. Die Höhe H der Düsenkanäle 5.1 nimmt jeweils vom Düsenkanaleingang 11 zum Düsenkanalausgang 12 ab. Beispielsweise entspricht die Höhe H der Düsenkanäle 5.1 am Düsenkanaleingang 11 jeweils mindestens dem 20-fachen Wert des Durchmessers D₉₉ der Partikelgrößenverteilung und am Düsenkanalausgang 12 jeweils dem 1,5 bis 3-fachen Wert des Durchmessers D₉₉ der Partikelgrößenverteilung.
Die Breite B der Düsenkanäle 5.1 kann jeweils auch vom Düsenkanaleingang 11 zum Düsenkanalausgang 12 abnehmen, beispielsweise am Düsenkanaleingang 11 jeweils mindestens dem 2-fachen Wert und höchstens dem 10-fachen Wert der am Düsenkanaleingang 11 ausgebildeten Höhe H und am Düsenkanalausgang 12 mindestens dem 2-fachen Wert und höchstens dem 10-fachen Wert der am Düsenkanalausgang 12 ausgebildeten Höhe H entsprechen.
2 zeigt einen Strömungsquerschnitt oder einen Teilquerschnitt des Strömungsquerschnitts der Spinndüse nach 1. Beispielhaft sind in der 2 zwei Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 übergroß in zwei Lagen P1,P2 dargestellt, von denen die Lage P1 die Lage vor der Ausrichtung und die Lage P2 die Lage nach der erfindungsgemäßen Ausrichtung der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 zeigt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ausrichteinrichtung 10 ein elektrisches und/oder ein magnetisches Feld umfassen, das in Strömungsrichtung gesehen vor und/oder nach dem Austritt der Spinnlösung 1 aus der Spinndüse 5 auf die Graphen- oder Graphenoxidplättchen 2 wirkt und in den 1 und 2 durch Feldlinien 15 dargestellt ist.
Das elektrische Feld der Ausrichteinrichtung 10 könnte beispielsweise gebildet werden durch zwei Kondensatorplatten, zwischen denen eine Spannung anliegt, so dass ein homogenes elektrisches Feld entsteht. Die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen 2 richten sich daraufhin so aus, dass die Feldlinien 15 in den Lagenebenen 3 der Graphen- oder Graphenoxidplättchen 2 liegen.
Das magnetische Feld der Ausrichteinrichtung 10 könnte beispielsweise durch eine elektrische Spule oder einen Permanentmagneten gebildet werden. Die Graphen- oder Graphenoxidplättchen 2 zeigen ein diamagnetisches Verhalten und richten sich daher in dem magnetischen Feld der Ausrichteinrichtung 10 derart aus, dass die Feldlinien 15 in den Lagenebenen 3 der Graphen- oder Graphenoxidplättchen 2 liegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern oder -bändern durch ein Spinnverfahren, das Spinnverfahren umfassend die Schritte, a. Bereitstellen einer Spinnlösung (1), in der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) dispergiert sind, wobei die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) in der Spinnlösung (1) einlagig oder mehrlagig vorliegen, wobei die einzelnen Lagen (3) der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) jeweils eine Lagenebene (3) bilden, b. Zuführen der Spinnlösung (1) über eine Zuführleitung (4) zu einer Spinndüse (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) in der Zuführleitung (4) und/oder in der Spinndüse (5) und/oder am Ausgang der Spinndüse (5) mittels einer Ausrichteinrichtung (10) ausgerichtet werden, insbesondere bezüglich der Lagenebenen (3) der Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) parallel zu einer Querschnittskante (8) eines Strömungsquerschnitts der Spinndüse (5), insbesondere zu einer der längeren Querschnittskanten (8) eines rechteckförmigen Strömungsquerschnitts der Spinndüse (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphen- oder Graphenoxidplättchen (2) mittels der Ausrichteinrichtung (10) derart ausgerichtet werden, dass sie in der Graphenfaser oder in dem Graphenband im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteinrichtung (10) durch eine bestimmte Geometrie der Spinndüse (5) gebildet ist, wobei die Geometrie der Spinndüse (5) derart ausgebildet ist, dass die Scherkräfte in der Spinndüse (5) zu der Ausrichtung der Graphen- oder Graphenoxidplättchen (2) führen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteinrichtung (10) einen Strömungsquerschnitt der Spinndüse (5) in mehrere, insbesondere rechteckförmige oder quadratische, Teilquerschnitte unter Bildung von Düsenkanälen (5.1) unterteilt, wobei die Düsenkanäle (5.1) in Strömungsrichtung gesehen jeweils einen Düsenkanaleingang (11) und einen Düsenkanalausgang (12) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkanäle (5.1) jeweils eine Höhe (H) und eine Breite (B) haben und die dispergierten Graphen- und/oder Graphenoxidplättchen (2) eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, wobei die Höhe (H) der Düsenkanäle (5.1) jeweils vom Düsenkanaleingang (11) zum Düsenkanalausgang (12) abnimmt, insbesondere am Düsenkanaleingang (11) jeweils mindestens dem 20-fachen Wert des Durchmessers D₉₉ der Partikelgrößenverteilung und am Düsenkanalausgang (12) jeweils dem 1,5 bis 3-fachen Wert des Durchmessers D₉₉ der Partikelgrößenverteilung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Düsenkanäle (5.1) jeweils vom Düsenkanaleingang (11) zum Düsenkanalausgang (12) abnimmt, insbesondere am Düsenkanaleingang (11) jeweils mindestens dem 2-fachen Wert und höchstens dem 10-fachen Wert der am Düsenkanaleingang (11) ausgebildeten Höhe (H) und am Düsenkanalausgang (12) mindestens dem 2-fachen Wert und höchstens dem 10-fachen Wert der am Düsenkanalausgang (12) ausgebildeten Höhe (H) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteinrichtung (10) ein elektrisches und/oder ein magnetisches Feld umfasst, das in Strömungsrichtung gesehen vor und/oder nach dem Austritt der Spinnlösung (1) aus der Spinndüse (5) auf die Graphen- oder Graphenoxidplättchen (2) wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spinndüse (5) in Strömungsrichtung verengt.