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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Isolationsbeschichtung für einen elektrischen Leiter umfassend Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Elektrische Leiter, die einlagiges oder mehrlagiges Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren umfassen und insbesondere einen Verbund von Fasern oder Filamenten bilden, werden im Folgenden als Kohlenstoff-Leiter bezeichnet.
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Aus der
WO 2014/169279 A1 sind schon Kohlenstoffleiter bekannt, die eine Isolationsbeschichtung aus einem Polymer aufweisen. Die Isolationsbeschichtung kann aufgrund ihrer Materialeigenschaften oder aufgrund ihrer Schichtdicke die Biegeschlaffheit der nicht-isolierten Kohlenstoffleiter verringern oder aufheben.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass die Biegeschlaffheit des Kohlenstoffleiters trotz der Isolationsbeschichtung zumindest im Wesentlichen erhalten bleibt. Dadurch kann der Kohlenstoffleiter beispielsweise für die Anwendung in einer elektrischen Wicklung einer elektrischen Maschine mit kleinsten Umlenkungs- bzw. Biegeradien verlegt werden bzw. in der elektrischen Wicklung mit kleinsten Umlenkungs- bzw. Biegeradien verlaufen, so dass die Wickelköpfe der elektrischen Wicklung sehr klein ausgeführt werden können. Dieser Vorteil wird erreicht, indem die Isolationsbeschichtung mittels einer Grenzflächenpolymerisation hergestellt wird, mit der sehr dünne Schichtdicken erzeugbar sind. Das Verfahren zur Durchführung der Grenzflächenpolymerisation umfasst erfindungsgemäß die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen des Kohlenstoffleiters, insbesondere als Faser oder als Verbund von Fasern,
- b) Bereitstellen eines ersten Reaktanden, insbesondere eines Monomers und/oder eines Oligomers, in einer ersten Lösung,
- c) Bereitstellen eines zweiten Reaktanden, insbesondere eines Monomers und/oder eines Oligomers, in einer zweiten Lösung, wobei die Reaktanden der ersten Lösung und der zweiten Lösung miteinander zu einem Polymer, insbesondere einem Polyamid, Polyurethan, Polyharnstoff, Polyimid oder Polycarbonat, reagieren können und wobei die erste Lösung und die zweite Lösung insbesondere nicht mischbar sind,
- d) In Kontakt bringen der Oberfläche des Kohlenstoffleiters mit der ersten Lösung und Erzeugen einer aus der ersten Lösung bestehenden Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters,
- e) In Kontakt bringen der aus der ersten Lösung bestehenden Flüssigkeitsschicht des Kohlenstoffleiters mit der zweiten Lösung derart, dass auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters unter reaktiver Bildung des Polymers die Isolationsbeschichtung gebildet wird.
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Da Spuren von der ersten Lösung im Kohlenstoffleiter bzw. auf dessen Oberfläche verbleiben, kann die elektrische Leitfähigkeit des Kohlenstoffleiters über eine dotierende Wirkung der Spuren erfindungsgemäß erhöht werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung ist die erste Lösung in einem ersten Behältervolumen und die zweite Lösung in einem zweiten Behältervolumen vorgesehen, wobei der Kohlenstoffleiter vom ersten Behältervolumen ausgehend über eine Behälterverbindung, insbesondere eine Verbindungsöffnung oder ein Verbindungskanal, in das zweite Behältervolumen führbar ist. Auf diese Weise wird der mit der ersten Lösung benetzte Kohlenstoffleiter in die zweite Lösung geführt. Die zweite Lösung reagiert bei Kontakt mit der ersten Lösung zu einem Polymer.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn in der Behälterverbindung die erste Lösung und/oder die zweite Lösung vorliegt, wobei in der Behälterverbindung eine Trennung zwischen der ersten Lösung und der zweiten Lösung ausgebildet ist, insbesondere durch eine Grenzfläche zwischen der ersten Lösung und der zweiten Lösung, wobei an der Grenzfläche durch reaktive Bildung des Polymers eine polymere Schicht gebildet ist, die beim Hindurchführen des Kohlenstoffleiters auf dessen Oberfläche die aus der ersten Lösung bestehende Flüssigkeitsschicht erzeugt. Auf diese Weise findet die Polymerisation in der Grenzfläche statt, wobei die Grenzfläche ausschließlich in der Behälterverbindung vorliegt und dadurch geometrisch begrenzt ist. Durch die Auslegung des Querschnitts der Behälterverbindung und die damit verbundene Begrenzung der Reaktionsfläche bzw. des Reaktionsvolumens kann die Schichtdicke der durch die Grenzflächenpolymerisation entstehenden Isolationsbeschichtung gesteuert werden. Bei sehr klein gewähltem Querschnitt der Behälterverbindung und entsprechend kleinem Spalt zwischen der Wandung der Behälterverbindung und dem Kohlenstoffleiter kann erreicht werden, dass die Isolationsbeschichtung glattflächig bzw. faltenfrei ausgebildet wird.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der Kohlenstoffleiter kontinuierlich durch die Behälterverbindung bewegt wird und dass die Grenzfläche beim Hindurchführen des Kohlenstoffleiters durch die Behälterverbindung in Förderrichtung konisch verformt wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung kann die erste Lösung eine wässrige Diaminlösung und die zweite Lösung eine Säurechloridlösung in Tetrachlorkohlenstoff sein. Alternativ kann die erste Lösung M-Phenylendiamin in Wasser oder Oxydianilin in Heptan und die zweite Lösung 2,5-Bis(chlorocarbonyl)terephthalsäuredimethylester in Toluol oder in Dimethylsulfoxid sein.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn die erste Lösung zusätzlich trifunktionelle Amine, wie beispielsweise Bis(3-aminopropyl)amin oder Diethylentriamin, und/oder trifunktionelle Monomere und/oder Oligomere enthält, die eine Vernetzung zwischen den sich bildenden linearen Polymerketten bewirken. Zumindest für die trifunktionellen Amine wird auf diese Weise die Erweichungstemperatur im Sinne der Glasumwandlungstemperatur der polymeren Isolationsbeschichtung erhöht.
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Auch vorteilhaft ist, wenn die Schritte 1d) und 1e) nach Anspruch 1 die folgenden Schritte umfassen:
- - Anordnen des Kohlenstoffleiters in der ersten Lösung oder Bewegen des Kohlenstoffleiters in die erste Lösung, insbesondere mittels einer Fördereinrichtung, und
- - Bewegen des Kohlenstoffleiters in die zweite Lösung, insbesondere mittels einer bzw. der Fördereinrichtung.
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Auf diese Weise wird ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung der Isolationsbeschichtung erreicht.
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Des Weiteren vorteilhaft ist, wenn das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte umfasst:
- - Herausbewegen des Kohlenstoffleiters aus der zweiten Lösung, insbesondere mittels der Fördereinrichtung und
- - Aufwickeln des beschichteten Kohlenstoffleiters auf eine Rolle, insbesondere mittels der Fördereinrichtung.
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Auf diese Weise wird ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung der Isolationsbeschichtung erreicht.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung erfolgt zwischen dem Schritt 8a) und Schritt 8b) nach Anspruch 8 zumindest einer der nachfolgenden Schritte:
- - Trocknen des beschichteten Kohlenstoffleiters,
- - Thermische Behandlung des beschichteten Kohlenstoffleiters, insbesondere zur Nachvernetzung der Polymerketten des Polymers,
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Der mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kohlenstoffleiter weist eine dünne und flexible Isolationsbeschichtung auf, die den Kohlenstoffleiter schlauchartig umschließt. Die Schichtdicke der Isolationsbeschichtung ist beispielsweise kleiner als 15 Mikrometer, insbesondere kleiner als 5 Mikrometer oder kleiner als 2 Mikrometer.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Isolationsbeschichtung für einen Kohlenstoffleiter und
- 2 eine Teilansicht des Details Z der Vorrichtung nach 1.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Isolationsbeschichtung für einen Kohlenstoffleiter.
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Die Isolationsbeschichtung des Kohlenstoffleiters wird erfindungsgemäß mittels einer Grenzflächenpolymerisation hergestellt, mit der sehr dünne Schichtdicken erzeugbar sind.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst ein Kohlenstoffleiter 1, insbesondere als Faser oder als Verbund von Fasern, bereitgestellt. Der Kohlenstoffleiter 1 besteht beispielsweise aus einlagigem und/oder mehrlagigem Graphen oder aus Kohlenstoffnanoröhren, also sogenannten CNT's, SWNT's oder MWNT's.
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Des Weiteren wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein erster Reaktand, insbesondere ein Monomer und/oder ein Oligomer, in einer ersten Lösung 2 sowie ein zweiter Reaktand, insbesondere ein Monomers und/oder ein Oligomer, in einer zweiten Lösung 3 bereitgestellt. Die Reaktanden der ersten Lösung 2 und der zweiten Lösung 3 sind derart ausgewählt, dass sie miteinander zu einem Polymer, insbesondere einem Polyamid, Polyurethan, Polyharnstoff, Polyimid oder Polycarbonat, reagieren können. Weiterhin sind die erste Lösung 2 und die zweite Lösung 3 beispielsweise nicht miteinander mischbar.
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Nach dem Ausführungsbeispiel kann die erste Lösung 2 eine wässrige Diaminlösung und die zweite Lösung 3 eine Säurechloridlösung in Tetrachlorkohlenstoff sein. Alternativ kann die erste Lösung M-Phenylendiamin in Wasser oder Oxydianilin in Heptan und die zweite Lösung 3 ein 2,5-Bis(chlorocarbonyl)terephthalsäuredimethylester in Toluol oder in Dimethylsulfoxid sein. Die erste Lösung 2 kann zusätzlich trifunktionelle Amine zur Erzielung einer Vernetzung zwischen den Polymerketten des sich bildenden Polymers, beispielsweise zwischen den linearen Polymerketten des Polymers, der Isolationsbeschichtung 1.1 umfassen. Weiterhin kann die erste Lösung 2 trifunktionelle Monomoere und/ oder Oligomere zur Erzielung einer Vernetzung zwischen den linearen Polymerketten des sich bildenden Polymers umfassen.
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Zur Herstellung einer Isolationsbeschichtung 1.1 auf dem Kohlenstoffleiter 1 wird nun die Oberfläche des Kohlenstoffleiters 1 mit der ersten Lösung 2 in Kontakt gebracht. Dies wird beispielsweise erreicht, indem der Kohlenstoffleiter 1 zu Beginn in der ersten Lösung 2 angeordnet wird oder in die erste Lösung 2 hineinbewegt wird, beispielsweise mittels einer Fördereinrichtung.
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Anschließend wird eine aus der ersten Lösung 2 bestehende Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters erzeugt.
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Nachfolgend wird die aus der ersten Lösung 2 bestehende Flüssigkeitsschicht des Kohlenstoffleiters 1 mit der zweiten Lösung 2 derart in Kontakt gebracht, dass auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters 1 unter reaktiver Bildung des Polymers die aus dem Polymer bestehende Isolationsbeschichtung 1.1 gebildet wird. Dazu wird der Kohlenstoffleiter 1 beispielsweise von der ersten Lösung 2 in die zweite Lösung 3 hineinbewegt, insbesondere mittels einer bzw. mittels der Fördereinrichtung. Dies geschieht in der nachfolgend beschriebenen Weise.
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Nach dem Ausführungsbeispiel ist die erste Lösung 2 in einem ersten Behältervolumen 4 und die zweite Lösung 3 in einem zweiten Behältervolumen 5 vorgesehen, wobei der Kohlenstoffleiter 1 vom ersten Behältervolumen 4 ausgehend über eine Behälterverbindung 6, beispielsweise eine Verbindungsöffnung oder ein Verbindungskanal, in das zweite Behältervolumen 5 führbar ist. Nach dem Ausführungsbeispiel ist das erste Behältervolumen 4 und das zweite Behältervolumen 5 in demselben Behältnis 7 ausgebildet. Alternativ könnten die beiden Behältervolumen 4,5 selbstverständlich auch in unterschiedlichen Behältnissen 7 ausgeführt sein. Das erste Behältervolumen 4 und das zweite Behältervolumen 5 sind beispielsweise nebeneinander, insbesondere in Richtung der Schwerkraft gesehen übereinander, angeordnet. Nach dem Ausführungsbeispiel sind das erste Behältervolumen 4 und das zweite Behältervolumen 5 durch eine Trennwandung 11 voneinander getrennt. In dieser Trennwandung 11 ist die Behälterverbindung 6 ausgebildet. Die Behälterverbindung 6 kann beispielsweise so gestaltetet sein, dass zwischen dem Kohlenstoffleiter und der Wandung der Behälterverbindung 6 nur ein geringer Spalt, beispielsweise kleiner als 20µm oder insbesondere kleiner als 5 µm vorhanden ist.
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In der Behälterverbindung 6 ist die erste Lösung 2 und/oder die zweite Lösung 3 vorgesehen. Dabei ist in der Behälterverbindung 6 eine Trennung zwischen der ersten Lösung 2 und der zweiten Lösung 3 ausgebildet, beispielsweise durch eine Grenzfläche 10 zwischen der ersten Lösung 2 und der zweiten Lösung 3. Alternativ zu der sich automatisch durch chemische Reaktion bildenden Grenzfläche 10 kann ein anderes Trennelement vorgesehen sein, das ebenfalls eine Grenzfläche darstellt.
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An der Grenzfläche 10 zwischen den beiden Lösungen 2,3 bildet sich automatisch durch Reaktion der beiden Lösungen 2,3 eine polymere Schicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kohlenstoffleiter 1 kontinuierlich durch die polymere Schicht der Grenzfläche 10 hindurchgeführt, wodurch sich die Grenzfläche 10 in Förderrichtung konisch verformt. Die aus der ersten Lösung 2 bestehende Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters 1 wird beim Hindurchführen des Kohlenstoffleiters 1 durch die Grenzfläche 10 erzeugt.
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Die an der Grenzfläche 10 gebildete Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters 1 kommt, beispielsweise zeitgleich mit der ihrer Entstehung an der Grenzfläche 10, mit der zweiten Lösung 3 in Kontakt, so dass sich auf der Oberfläche des Kohlenstoffleiters 1 unter reaktiver Bildung des Polymers die aus dem Polymer bestehende Isolationsbeschichtung 1.1 bildet.
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Nach der Bildung der Isolationsbeschichtung 1.1 wird der nun beschichtete Kohlenstoffleiter 1 aus der zweiten Lösung 3 herausbewegt. Anschließend wird der beschichtete Kohlenstoffleiter 1 getrocknet. Nach dem Trocknen kann eine thermische Behandlung des Kohlenstoffleiters 1 vorgesehen sein, beispielsweise um eine Nachvernetzung der Polymerketten der Isolationsbeschichtung 1.1 zu erreichen.
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Nachfolgend wird der Kohlenstoffleiter 1 beispielsweise auf eine Rolle 12 aufgewickelt, beispielsweise mittels der Fördereinrichtung.
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Der mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kohlenstoffleiter 1 weist eine dünne und flexible Isolationsbeschichtung 1.1 auf, die den Kohlenstoffleiter 1 schlauchartig umschließt. Die Schichtdicke der Isolationsbeschichtung 1.1 ist beispielsweise kleiner als 15 Mikrometer, insbesondere kleiner als 5 Mikrometer oder kleiner als 2 Mikrometer.
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Die Schichtdicke der Isolationsbeschichtung 1.1 kann beispielsweise mittels der Konzentration des ersten Reaktanden in der ersten Lösung 2 und/oder des zweiten Reaktanden in der zweiten Lösung 3 und/oder durch eine bestimmte Abmessung der Behälterverbindung 6 und/oder durch die Fördergeschwindigkeit, mit der der Kohlenstoffleiter 1 durch die Grenzfläche 10 hindurchbewegt wird, eingestellt werden.
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Nach einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der Kohlenstoffleiter 1 auch mit der ersten Lösung 2 bzw. dem ersten Reaktanden beschichtet und dann über eine Luft- bzw. Gasstrecke oder über eine gasgefüllte Behälterverbindung 6 in das zweite Behältervolumen 5 mit der zweiten Lösung 3 bzw. dem zweiten Reaktanden geführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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