DE112015002016T5 - Zylindrisches Wärmeisoliermaterial und Verfahren zu dessen Herstelllung - Google Patents

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Kiyomi Ohuchi
Tatsuyuki Yokoyama
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Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Wärmeisoliermaterials, das keine Pressfalten und keinen Bindungsverlust des Kohlenstofffaserfilzes zeigt und das eine überlegene Wärmeisolierleistung bringt, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeisoliermaterials. Die Aufgabe kann erreicht werden durch eine hohlzylindrische gebrannte Rolle gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Rolle eine Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz, die in Spiralform aufgerollt und geschichtet ist; und eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% aufweist, die durch Brennen eines Gitters gebildet wird, wobei die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz durch Anordnen der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zusammengefügt werden.

Description

  • GEBIET DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein zylindrisches Wärmeisoliermaterial und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen zylindrischen Wärmeisoliermaterials. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Wärmeisoliermaterial mit überlegener Wärmeisolierleistung zur Verwendung in Hochtemperaturöfen bereitzustellen.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Zylindrische Rollen aus Wärmeisoliermaterial aus Kohlenstofffaser werden allgemein als Wärmeisoliermaterial verwendet, das in Hochtemperaturöfen, beispielsweise Vakuumöfen, Halbleitereinzelkristallziehöfen, Keramiksinteröfen und C-C-Verbundstoffsinteröfen installiert wird. Es ist von grundlegender Bedeutung, dass ein solches Wärmeisoliermaterial zur Verwendung in Hochtemperaturöfen seine Form bei hohen Temperaturen behält; somit wird Kohlenstofffaserfilz als Basismaterial verwendet.
  • In einem Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Wärmeisoliermaterials unter Verwendung von Kohlenstofffaserfilz offenbart das Patentdokument 1 ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Wärmeisoliermaterials, bei dem Kohlenstofffaserfilz mit einem karbonisierbaren Harz imprägniert wird und der imprägnierte Filz in Schichten gelegt und komprimiert wird, bis die Solldicke und das Sollraumgewicht erreicht worden sind. Genauer offenbart das Dokument ein Verfahren, bei dem ein harzimprägnierter Kohlenstofffaserfilz um eine Metallform gewickelt wird und eine Metallplatte gegen die Außenseite des Kohlenstofffaserfilzes gedrückt wird, um den Filz formzupressen und zu karbonisieren.
  • Dagegen offenbart das Patentdokument 2 ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Wärmeisoliermaterials durch Aufnehmen von Kohlenstofffaserfilz und einer Folie oder dergleichen auf eine Rolle, während eine Zugspannung an die Folie angelegt wird, um ein Laminat aus Kohlenstofffaserfilz und Folie mit dem Sollraumgewicht zu erhalten, und Brennen des Laminats.
  • LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
  • Patentliteratur
    • Patentdokument 1: geprüfte japanische Patentanmeldung S50-035980
    • Patentdokument 2: ungeprüfte veröffentliche japanische Patentanmeldung Nr. H02-258245A
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Technisches Problem
  • Die Erfinder haben ein zylindrisches Wärmeisoliermaterial gemäß dem in Patentdokument 1 offenbarten Verfahren hergestellt. Leider werden, wie in 2 dargestellt ist, als Ergebnis davon, dass der Kohlenstofffaserfilz von der Metallplatte zusammengedrückt wird, Pressfalten in den Kohlenstofffaserfilzschichten des gemäß diesem Verfahren hergestellten Wärmeisoliermaterials gebildet. Nicht nur sehen diese Pressfalten unschön aus, sondern entlang der Falten gelangt auch Wärme nach außen, was zu einer verringerten Wärmeisolierleistung führt. Darüber hinaus ist dieses Verfahren nicht effizient, da es eine manuelle Arbeit eines ausgebildeten Arbeiters verlangt.
  • Obwohl mit dem Verfahren, das im Patentdokument 2 offenbart ist, keine Pressfalten gebildet werden, wurde gefunden, dass die Verwendung von Polypropylen oder dergleichen für die Folie, wie im Patentdokument 2 offenbart, nach einem Brennen zu einem Bindungsverlust der Kohlenstofffaserfilzschichten an der Stelle, wo die Folie liegt, führt. Das Patentdokument 2 beschreibt, dass die Schichten aus Kohlenstofffaserfilz durch ein Harz, beispielsweise ein Phenolharz, das zwischen den Schichten liegt, zu einer Einheit verbunden werden und dass keine besondere Beschränkung für die Folie oder dergleichen, die zwischen den Schichten aus Kohlenstofffaserfilz liegt, gegeben ist, solange die Folie nicht die Bindungsfähigkeit der Filzschichten beeinträchtigt. Jedoch wurde gefunden, dass dann, wenn eine Folie zwischen Schichten aus Kohlenstofffaserfilz vorhanden war, die Folie die Vereinigung der Kohlenstofffaserfilzschichten zu einem einheitlichen Ganzen hemmte. Ein solcher Bindungsverlust des Kohlenstofffaserfilzes reduziert nicht nur den Wert eines Handelserzeugnisses, weil es damit nicht gut aussieht, sondern hemmt nachteiligerweise auch die Fähigkeit der Isolierung, ihre Form während des Gebrauchs beizubehalten.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Wärmeisoliermaterials, das keine Pressfalten und keinen Bindungsverlust des Kohlenstofffaserfilzes zeigt und das eine überlegene Wärmeisolierleistung bringt, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Lösung des Problems
  • Als Ergebnis intensiver Bemühungen, ein zylindrisches Wärmeisoliermaterial zu finden, das keine Pressfalten und keinen Bindungsverlust des Kohlenstofffaserfilzes zeigt und das eine überlegene Wärmeisolierleistung bringt, haben die Erfinder überraschenderweise gefunden, dass ein Brennen eines Laminats aus Kohlenstofffaserfilz und einem Gitter aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% die Herstellung eines zylindrischen Wärmeisoliermaterials gestattet, das keine Pressfalten und keinen Bindungsverlust des Kohlenstofffaserfilzes zeigt und das eine überlegene Wärmeisolierleistung bringt.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Erkenntnis.
  • Somit betrifft die vorliegende Erfindung:
    • [1] eine hohlzylindrische gebrannte Rolle, die aufweist: eine Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz, der in Spiralform aufgerollt und geschichtet ist; und eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-%, die durch Brennen eines Gitters aus organischem Material gebildet wird, wobei die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz durch Anordnen der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz miteinander verbunden werden.
    • [2] Die gebrannte Rolle gemäß [1], wobei das Gitter aus gebranntem organischem Material eine Gitterschicht aus gebrannter Cellulose ist.
    • [3] Die gebrannte Rolle gemäß [1], die ferner eine Schutzschicht auf einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche der gebrannten Rolle beinhaltet.
    • [4] Ein zylindrisches Wärmeisoliermaterial, das die gebrannte Rolle gemäß einem von [1] bis [3] beinhaltet.
    • [5] Ein Verfahren zur Herstellung einer hohlzylindrischen gebrannten Rolle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Imprägnieren eines Kohlenstofffaserfilzes mit Harz; (b) Erschaffen einer hohlzylindrischen ungebrannten Rolle durch Schichten eines Gitters aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% auf den harzimprägnierten Kohlenstofffaserfilz und Wickeln der beiden auf einen Rollenkern, wobei das Gitter aus organischem Material außen liegt und der Kohlenstofffaserfilz innen liegt, während eine Zugspannung an das Gitter aus organischem Material angelegt wird; (c) Härten der geschaffenen ungebrannten Rolle durch Erhitzen; und (d) Brennen der gehärteten ungebrannten Rolle.
    • [6] Das Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle gemäß [5], wobei das Gitter aus organischem Material ein Cellulosegitter ist.
    • [7] Das Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle gemäß [5] oder [6], wobei das Gitter aus organischem Material ein Stoffgewicht von 50 bis 600 g/m2 aufweist; und
    • [8] das Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle gemäß einem von [5] bis [7], wobei das Gitter aus organischem Material, das im Wickelschritt (b) geschaffen wird, mit einem Haftmittel beschichtet ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß dem zylindrischen Wärmeisoliermaterial und dem Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung werden in dem zylindrischen Wärmeisoliermaterial keine Pressfalten gebildet, und daher findet keine Reduzierung der Wärmeisolierleistung aufgrund von Pressfalten statt. Die Erfindung hat außerdem den Vorteil, dass die Schichten aus Kohlenstofffaserfilz stark mit dem Gitter aus organischem Material verbunden werden, wodurch die Form während der Verwendung behalten werden kann, ohne dass der Kohlenstofffaserfilz seine Bindung verliert. Anders ausgedrückt ist es gemäß dem zylindrischen Wärmeisoliermaterial und dem Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein zylindrisches Wärmeisoliermaterial zu schaffen, das eine überlegene Wärmeisolierleistung bringt und das während der Verwendung seine Form halten kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine Photographie, welche die Querschnitte von ungebrannten Rollen zeigt, die anhand eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 und eines Verfahrens gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 (Patentdokument 1) geschaffen werden.
  • 3A bis 3D enthalten elektronenmikroskopische Aufnahmen, die (A) einen Querschnitt (400x), (B) eine Oberfläche (150x), (C) einen Querschnitt (1200x) und (D) eine Oberfläche (1100x) von gebrannter gebleichter Baumwolle (Cellulosegitter) zeigen.
  • 4A bis 4C enthalten elektronenmikroskopische Aufnahmen, die (A) Querschnitte (4000x) von auf Pech basierenden Kohlenstofffasern, (B) Querschnitte (2000x) von auf PAN basierenden Kohlenstofffasern und (C) Querschnitte von auf Rayon basierenden Kohlenstofffasern zeigen.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • [1] Gebrannte Rolle
  • Die gebrannte Rolle der vorliegenden Erfindung ist eine hohlzylindrische gebrannte Rolle, die aus einer gebrannten Kohlenstofffaserschicht besteht, die in Spiralform aufgewickelt und geschichtet ist, wobei die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz durch eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material miteinander verbunden sind.
  • In der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung ist eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material zwischen den spiralförmig angeordneten Schichten der Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz angeordnet. Die Gitterschicht dient dazu, die in Schichten angeordnete gebrannte Schicht aus Kohlenstofffaserfilz miteinander zu verbinden, wodurch ein Bindungsverlust des Kohlenstofffaserfilzes verhindert wird. Somit ist es bevorzugt, dass das Gitter zwischen den Schichten der gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz über deren gesamter Fläche angeordnet ist; jedoch es ist hinnehmbar, dass Teile vorhanden sind, in denen die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material nicht zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz angeordnet ist, solange sich die Filzschichten nicht voneinander lösen. Genauer macht die Fläche, über der die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material zwischen zwei anderen Schichten liegt, vorzugsweise mindestens 50 % der Gesamtfläche zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz aus, mehr bevorzugt mindestens 70 %, noch mehr bevorzugt 80 %, noch mehr bevorzugt mindestens 90 % und am meisten bevorzugt 100 %. Eine gebrannte Rolle, bei der die Fläche, über der die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material zwischen zwei anderen Schichten liegt, weniger als 100 % beträgt, kann beispielsweise unter Verwendung eines Gitters aus organischem Material mit einer regelmäßigen Anordnung von kreisrunden Löchern hergestellt werden.
  • Bei der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung wird die Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz so aufgewickelt und geschichtet, dass keine Wellen in ihrem Querschnitt zu sehen sind. Wie hierin verwendet, bedeutet „so aufgewickelt und geschichtet, dass keine Wellen im Querschnitt zu sehen sind“, dass der gebrannte Kohlenstofffaserfilz auf nicht-mäandrierende Weise, auf regelmäßige Weise oder so geschichtet wird, dass keine der oben genannten Pressfalten darin vorhanden sind. Jedoch schließt dieser Ausdruck leichte Grade an Welligkeit, Faltigkeit oder Mäandern, die sich kaum auf die Wärmeisolierleistung auswirken, wenn die gebrannte Rolle als Wärmeisoliermaterial verwendet wird, nicht aus.
  • Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz
  • Die Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz wird durch Brennen einer Schicht aus Kohlenstofffaserfilz gebildet. Der Kohlenstofffaserfilz kann durch gleichmäßiges Anordnen von Kohlenstofffasern, gefolgt von der Durchführung einer Nadellochung geschaffen werden. Beispiele für Materialien, die ohne besondere Beschränkung für die Fäden des Ausgangsmaterials für den Kohlenstofffaserfilz verwendet werden können, beinhalten Polyacrylnitril(PAN)-Kohlenstofffasern, auf Pech basierende Kohlenstofffasern, KynolTM-Kohlenstofffasern (Kohlenstofffasern, die durch Brennen von Phenolharzfasern gebildet werden) und Rayon-Kohlenstofffasern.
  • Die Kohlenstofffasern, die in der Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz enthalten sind, weisen einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 3 bis 30 µm, mehr bevorzugt von 5 bis 20 µm auf. Die Effizienz der Produktion kann abnehmen, wenn der durchschnittliche Faserdurchmesser weniger als 3 µm beträgt, und die Wärmeisolierleistungen können abnehmen, wenn der durchschnittliche Faserdurchmesser 30 µm überschreitet. Die Länge der Kohlenstofffasern, aus denen der Kohlenstofffaserfilz besteht, liegt vorzugsweise im Bereich von 30 bis 500 mm, mehr bevorzugt in einem Bereich von 50 bis 250 mm. Die Festigkeit der gebrannten Rolle kann leiden, wenn die Faserlänge weniger als 30 mm beträgt, und eine gleichmäßige Verteilung der Fasern wird beschränkt, wodurch es möglicherweise schwierig wird, einen gleichmäßigen Kohlenstofffaserfilz herzustellen, wenn die Faserlänge 500 mm überschreitet.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Dicke einer einzelnen Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz, aber eine Dicke von 3 bis 30 mm ist bevorzugt, und 3 bis 20 mm sind noch mehr bevorzugt. Gemäß einem anderen Aspekt ist eine Dicke von 4 bis 30 mm oder 4 bis 20 mm annehmbar. Der Kohlenstoffgehalt des gebrannten Kohlenstofffaserfilzes beträgt vorzugsweise mindestens 80 %, mehr bevorzugt mindestens 90 %, noch mehr bevorzugt mindestens 95 % und am meisten bevorzugt mindestens 99 %.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Anzahl der Wicklungsschichten aus dem gebrannten Kohlenstofffaserfilz in der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung; die Anzahl kann so bestimmt werden, dass sie für die Anwendung, für welche die Rolle bestimmt ist, geeignet ist.
  • In der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung kann eine einzige Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zwischen zwei Gitterschichten aus gebranntem organischem Material angeordnet sein oder zwei oder mehr Schichten. Beispiele für Anordnungen, bei denen mehrere Schichten vorhanden sind, beinhalten eine Kombination aus zwei oder mehr Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz und eine Kombination aus einer Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz und einem weiteren karbonisierten Gitter; beispielsweise eine Zweischichtenkombination aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz und einem weiteren karbonisierten Gitter oder eine Dreischichtenkombination aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz und mehr karbonisiertem Kohlenstofffaserfilz. Es gibt keine besondere Beschränkung für das weitere karbonisierte Gitter, solange es nicht bewirkt, dass der gebrannte Kohlenstofffaserfilz seine Bindung verliert; ein Beispiel dafür ist eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material.
  • Gebrannte Gitterschicht aus organischem Material
  • Die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material verbindet die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz. Es gibt keine besondere Beschränkung für die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material, solange sie ein gebranntes Gitter aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% ist; Beispiele beinhalten eine Cellulosegitterschicht, eine Gitterschicht aus Kohlenstofffaserpapier (Kohlepapier), eine Gitterschicht aus einem Kohlenstofffasertuch (Kohletuch) und eine Rayongitterschicht.
  • Der Restkohlenstoffanteil des Gitters aus organischem Material beträgt mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%. Wenn ein Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% vorhanden ist, ist eine vergrößerte Kontaktfläche an dem Teil des Gitters aus organischem Material, der zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz liegt, möglich, wodurch die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zusammengefügt werden. Es gibt auch keine besondere Beschränkung für den maximalen Restkohlenstoffanteil des Gitters aus organischem Material, solange die Zusammenfügung der Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz nicht behindert wird; beispielsweise liegt der Restkohlenstoffanteil ungefähr bei 100 Gew.-%, wenn Kohlenstofffasertuch verwendet wird.
  • Der Restkohlenstoffanteil des Gitters aus organischem Material kann auf Basis des gebrannten Materials zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz nach dem Brennen geschätzt werden. Zwischen den Schichten ist fast kein gebranntes Material erkennbar, wenn der Restkohlenstoffanteil weniger als 5 Gew.-% beträgt. Jedoch ist gebranntes Material von dem Gitter aus organischem Material (gebleichter Baumwolle) erkennbar, wie in 3 zu sehen ist, wenn der Restkohlenstoffanteil mindestens 5 Gew.-% beträgt.
  • Der Restkohlenstoffanteil des Gitters aus organischem Material kann auch auf Basis der Porenzahl der Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz nach dem Brennen geschätzt werden.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Dicke der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material, solange sich die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz miteinander verbinden, aber eine Dicke von 0,01 mm bis 3 mm ist bevorzugt, 0,01 mm bis 2 mm sind mehr bevorzugt, 0,05 bis 1 mm sind noch mehr bevorzugt und 0,1 bis 0,8 mm sind am meisten bevorzugt. Ein solcher Bereich ist bevorzugt, weil eine zu dicke Gitterschicht die Verarbeitbarkeit herabsetzt. Es gibt auch keine besondere Beschränkung für die Anzahl der Wicklungsschläge der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material; da der Zweck der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material aber darin besteht, die Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zu binden, ist die Anzahl der Anzahl der Wicklungsschläge der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material zumindest gleich.
  • Die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material, die zwischen zwei Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz angeordnet ist, kann in der vorliegenden Erfindung aus einem einzigen gebrannten Gitter aus organischem Material oder aus zwei oder mehr mehrfachen gebrannten Gittern aus organischem Material bestehen. Ein Beispiel für eine Anordnung, bei der mehrfache Gitter vorhanden sind, ist eine Kombination aus zwei oder mehr Gitterarten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus der oben genannten Cellulosegitterschicht, einer Kohlenstofffaserpapier(Kohlepapier)-Gitterschicht, einer Kohlenstofffasertuch(Kohletuch)-Gitterschicht und einer Rayongitterschicht.
  • Nun wird die gebrannte Cellulosegitterschicht beschrieben, die in der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material enthalten ist. Cellulose ist ein Kohlehydrat (Polysaccharid), das durch die Molekülformel (C6H10O5)n dargestellt wird, und ist eine Hauptkomponente der Zellwände von Pflanzenzellen und -fasern. Die gebrannte Cellulosegitterschicht ist eine Schicht, die durch Brennen eines Cellulosegitters, das in erster Linie aus Cellulose besteht, geschaffen wird. Wie hierin verwendet, beinhaltet der Begriff „Brennen“ Behandlungen, die eine Karbonisierung bzw. Verkohlung bewirken, und Behandlungen, die eine Graphitisierung bewirken. Somit kann die gebrannte Cellulosegitterschicht eine karbonisierte Cellulosegitterschicht oder eine graphitisierte Cellulosegitterschicht sein. Es gibt keine besondere Beschränkung für den Ursprung des Cellulosegitters, solange er Cellulose enthält; Beispiele beinhalten Baumwolltuch (z.B. gebleichte Baumwolle, Gaze), Rayon, Kohlenstofffaserpapier (Kohlepapier) und Papier.
  • Wenn der Ursprung der gebrannten Cellulosegitterschicht Baumwolltuch (gebleichte Baumwolle) ist, ist eine durch Spinnen erzeugte Verzwirnungsstruktur erkennbar, wie in 3A bis D zu sehen ist. Ein durch Spinnen erzeugte Verzwirnungsstruktur ist auch erkennbar, wenn der Ursprung für die gebrannte Cellulosegitterschicht Rayon ist. Die Verzwirnungsstruktur der auf Pech basierenden (A) und der auf PAN basierenden (B) Fasern, die in 4 gezeigt sind, ist von denen eines Baumwolltuchs (von gebleichter Baumwolle) oder von Rayon verschieden und ist deutlich davon unterscheidbar.
  • Da die gebrannte Cellulose, die in der gebrannten Cellulosegitterschicht enthalten ist, von Pflanzen stammt, enthält sie drei Kohlenstoffisotope mit unterschiedlichen Massen: 12C, 13C und 14C. Heute kommen in der Natur ungefähr zu 98,9 % 12C, zu 1,1 % 13C und zu 1,2 × 10–10 % 14C vor. Von diesen drei Isotopen ist 14C ein radioaktives Isotop, das ein Nuklid aufweist, welches auf natürliche Weise zerfällt, wobei es Strahlung emittiert, und das eine Halbwertszeit von 5730 Jahren aufweist. 12C und 13C sind dagegen stabile Isotope mit Nukliden, die nicht zerfallen.
  • Daher besteht der Kohlenstoff in Erdöl, von dem man annimmt, dass er schon sei Millionen von Jahren besteht, aus 12C und 13C, und es wird kein 14C darin nachgewiesen. Anders ausgedrückt werden in einem Fall, wo eine Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz verwendet wird, der aus Kohlenstofffasern besteht, die von Erdöl/Pech stammen, nur 12C und 13C nachgewiesen und 14C wird nicht nachgewiesen. 14C wird aber zusammen mit 12C und 13C wird unter den Kohlenstoffen nachgewiesen, die in einer gebrannten Cellulosegitterschicht enthalten sind, die von Cellulose aus modernen Pflanzen stammt. Wenn die gebrannte Schicht aus Kohlenstofffaserfilz von Erdöl stammt oder von Kohle stammt, kann daher das Vorhandensein der karbonisierten Cellulosegitterschicht in der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung durch Messen von 14C bestätigt werden.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung des Verfahrens, das verwendet wird, um 14C zu messen; Beispiele beinhalten eine Strahlungsmessung und ein Verfahren, bei dem ein Beschleuniger-Massenspektrometer (AMS) eingesetzt wird, wobei ein Verfahren, das einen AMS verwendet (im Folgenden als „AMS-Verfahren“ bezeichnet) bevorzugt ist, weil es damit möglich ist, Spurenmengen von Material zu messen. Im AMS-Verfahren wird ein Tandembeschleuniger verwendet, und Kohlenstoff, der in einer Probe enthalten ist, wird durch Cäsiumkationen ionisiert. Die ionisierten 12C, 13C und 14C werden vom Tandembeschleuniger beschleunigt, und 12C und 13C, von denen mehr vorhanden sind, werden von einem Detektor erfasst, der als Faraday-Becher bezeichnet wird, während die Spurenmengen an 14C von einem Schwerionendetektor erfasst werden. Das AMS-Verfahren ist in der Lage, 14C in Proben mit einer Größe von ungefähr 0,1 bis 2 mg zu erfassen. Es kann bestätigt werden, ob die karbonisierte Cellulosegitterschicht zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz enthalten ist, indem man eine Probe aus dem Bereich zwischen den Schichten nimmt und das Vorhandensein von 14C anhand des AMS-Verfahrens bestätigt.
  • Innenfläche und Außenfläche einer gebrannten Rolle.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Innenfläche und der Außenfläche der gebrannten Rolle, aber ist bevorzugt, diese Flächen zu beschleifen, um sie auf die geeigneten Abmessungen zu bringen. Die Innenfläche der gebrannten Rolle beinhaltet mindestens eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material und vorzugsweise zwei gebrannte Gitterschichten aus organischem Material. Wie bereits angegeben, ist es bevorzugt, die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material auf der Innenfläche im Anschluss an das Brennen zu beschleifen, um die Fläche auf die geeigneten Dimensionen zu arbeiten, und optional kann die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material weggeschliffen werden, so dass nur die gebrannte Schicht aus Kohlenstofffaserfilz zurückbleibt.
  • Obwohl die Innenfläche der gebrannten Rolle nur aus gebrannter Kohlenstofffaserfilzschicht, nur aus gebrannter Gitterschicht aus organischem Material oder aus einer Kombination davon bestehen kann, besteht sie um des Aussehens willen vorzugsweise nur aus gebrannter Kohlenstofffaserfilzschicht, da sie dadurch eine glatte Oberfläche aufweist. Wenn die Innenfläche nur aus gebrannter Gitterschicht aus organischem Material besteht, gibt es keine besondere Beschränkung für deren Anzahl und es kann eine oder es kann eine oder eine Mehrzahl von Schichten vorhanden sein.
  • Es ist auch bevorzugt, die Außenfläche der gebrannten Rolle nach dem Brennen zu beschleifen, und die gebrannte Gitterschicht aus organischem Material kann weggeschliffen werden, so dass die Außenfläche nur aus gebrannter Kohlenstofffaserfilzschicht besteht, oder die Außenfläche kann aus einer Kombination aus beiden Schichtarten bestehen.
  • Obwohl die Außenfläche der gebrannten Rolle nur aus gebrannter Kohlenstofffaserfilzschicht, nur aus gebrannter Gitterschicht aus organischem Material oder aus einer Kombination davon bestehen kann, besteht sie um des Aussehens willen vorzugsweise nur aus Kohlenstofffaserfilzschicht, da sie dadurch eine glatte Oberfläche erhält. Wenn die Außenfläche nur aus gebrannter Gitterschicht aus organischem Material besteht, gibt es keine besondere Beschränkung für deren Anzahl und es kann eine oder es kann eine Mehrzahl von Schichten vorhanden sein.
  • Wenn die Innenfläche der gebrannten Rolle oder die Außenfläche der gebrannten Rolle aus einer Kombination aus einer gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz und einer gebrannten Gitterschicht aus organischem Material besteht, gibt es keine besondere Beschränkung für das Verhältnis der Flächen der gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz und der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material; der Anteil der gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz liegt bei über 0 % und bei unter 100 %, und der Anteil der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material liegt bei über 0 % und bei unter 100 %. Anders ausgedrückt gibt es keine Beschränkung für dieses Verhältnis, wenn eine Kombination aus einer gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz und einer gebrannten Gitterschicht aus organischem Material verwendet wird.
  • Die gebrannte Rolle der vorliegenden Erfindung kann eine Schutzschicht auf ihrer Innenfläche oder ihrer Außenfläche beinhalten. Zum Beispiel können ein Flächengebilde aus Graphit, ein Kohlenstofffasergewebe, ein hybrides Kohlenstofffasergewebe oder dergleichen als Schutzschicht daran gebunden sein. Alternativ dazu kann ein spezielles Beschichtungsmittel auf die Innenfläche oder die Außenfläche aufgebracht sein. Es gibt keine besondere Beschränkung für das spezielle Beschichtungsmittel; Beispiele beinhalten eine OS-Beschichtung und eine PG-Beschichtung.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für das Flächengebilde aus Graphit, solange es luftdicht und flexibel ist und sich nicht zusammenzieht, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Ein Flächengebilde aus Graphit kann durch Formpressen durch Anwenden einer Kraft aus einer Richtung und bei einer hohen Temperatur hergestellt werden, wodurch das Flächengebilde in einer planen Richtung orientiert wird. Es gibt auch keine besondere Beschränkung für das Ausgangsmaterial des Flächengebildes aus Graphit; natürlicher Graphit ist ebenso annehmbar wie künstlicher Graphit.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Schicht aus Kohlenstofffasergewebe, solange sie aus Spinnfäden aus Kohlenstofffaser gewebt ist. Beispiele für Spinnfäden aus Kohlenstofffasern beinhalten Spinnfäden aus Polyacrylnitril(PAN)-Kohlenstofffasern, Spinnfäden aus anisotropen Kohlenstofffasern auf Pechbasis, Spinnfäden aus Rayonkohlenstofffasern und Spinnfäden aus isotropen Kohlenstofffasern auf Pechbasis.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Schicht aus hybridem Kohlenstofffasergewebe, solange sie aus Spinnfäden aus hybrider Kohlenstofffaser gewebt ist. Beispiele für Spinnfäden aus hybrider Kohlenstofffaser beinhalten Kombinationen aus Spinnfäden, die ausgewählt sind aus irgendwelchen Spinnfäden aus Polyacrylnitril(PAN)-Kohlenstofffasern, Spinnfäden aus anisotropen Kohlenstofffasern auf Pechbasis, Spinnfäden aus Rayonkohlenstofffasern und Spinnfäden aus isotropen Kohlenstofffasern auf Pechbasis.
  • Die OS-Beschichtung wird durch Überziehen eines Substrats aus Wärmeisoliermaterial mit einem Beschichtungsmittel, das ein spezielles karbonisiertes Material und/oder pulverisierten Graphit enthält (im Folgenden auch als OS-Beschichtungsmittel bezeichnet), gebildet und ist in der Lage, dem Wärmeisoliermaterial eine bessere Oberflächenglätte, einen besseren Oberflächenglanz und eine ausreichend niedrige Gasdurchlässigkeit zu verleihen. Die Beschichtungsschicht des Wärmeisoliermaterials verleiht dem Wärmeisoliermaterial, auf das sie geschichtet wird, auch bessere Eigenschaft in Bezug auf eine Staubbildung und bessere Antioxidierungseigenschaften. Ein bevorzugtes Beispiel für pulverisierten Graphit ist pulverisierter Lamellengraphit.
  • Die PG-Beschichtung bedeckt ein Substrat aus Wärmeisoliermaterial mit pyrolytischem Kohlenstoff, ist in der Lage, dem Wärmeisoliermaterial bessere Antioxidationseigenschaften, bessere Gasbarriereeigenschaften, eine höhere mechanische Festigkeit und eine die Staubbildung verringernde Wirkung zu verleihen und ist in der Lage zu verhindern, dass beispielsweise SiO-Gas oder Si-Gas mit dem Substrat aus zylindrischem Kohlenstofffaserfilz reagiert.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Anteile der gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz und der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material im zylindrischen Querschnitt der gebrannten Rolle, d.h. für das Verhältnis der Querschnittsflächen der gebrannten Schicht aus Kohlenstofffaserfilz und der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material, aber die Filzschicht macht 80 % bis 99,9 % aus und die Gitterschicht macht 0,1 % bis 20 % aus; mehr bevorzugt macht die Filzschicht 95 % bis 99,5 % aus und die Gitterschicht 0,5 % bis 5 %.
  • Die Größe der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung wird auf eine für ihren Verwendungszweck geeignete Weise bestimmt und ist nicht besonders beschränkt; wenn die gebrannte Rolle beispielsweise als Wärmeisoliermaterial verwendet wird wie nachstehend beschrieben, beträgt ihre Höhe beispielsweise 10 bis 200 cm, ihr Außendurchmesser (Durchmesser) beträgt 40 bis 200 cm und ihr Innendurchmesser (Durchmesser) beträgt 30 bis 190 cm. Der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser, d.h. die Dicke der gebrannten Rolle, kann ebenfalls auf geeignete Weise bestimmt werden; wenn die Rolle beispielsweise als Wärmeisoliermaterial verwendet wird, ist üblicherweise ein Bereich von 5 bis 500 mm bevorzugt und ein Bereich von 10 bis 300 mm ist mehr bevorzugt. Der Grund dafür ist, dass die Produktivität herabgesetzt ist, wenn die gebrannte Rolle zu dick ist, und dass die Wärmeisolierleistungen herabgesetzt sind, wenn die Rolle zu dünn ist.
  • Die gebrannte Rolle der vorliegenden Erfindung weist eine hohlzylindrische Form auf; ihre Querschnittsform kann perfekt kreisrund oder elliptisch sein. Anders ausgedrückt können der Querschnitt der Außenfläche und der Querschnitt der Innenfläche perfekt kreisrund oder elliptisch sein.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für das Raumgewicht der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung, aber ein Bereich von 0,07 bis 0,40 g/cm3 ist bevorzugt, und ein Bereich von 0,10 bis 0,30 g/cm3 ist mehr bevorzugt. Die Wärmeisolierleistungen sind herabgesetzt, wenn da Raumgewicht niedriger ist als 0,05 g/cm3, und die Wärmeisolierleistungen sind herabgesetzt, wenn das Raumgewicht 0,40 g/cm3 überschreitet.
  • Brennen
  • Die gebrannte Rolle der vorliegenden Erfindung wird gebrannt. Im Allgemeinen findet eine Karbonisierung statt, wenn ein karbonisierbares Kohlenstoffvorprodukt bei 650 bis 1500 °C gebrannt wird, und eine Graphitisierung findet statt, wenn das Vorprodukt bei 1500 bis 3000 °C gebrannt wird. Wie hierin verwendet, beinhaltet der Begriff „Brennen“ Wärmebehandlungen, die eine Karbonisierung bewirken, und Wärmebehandlungen, die eine Graphitisierung bewirken. Daher umfasst die gebrannte Rolle karbonisierte Rollen und graphitisierte Rollen; wenn sie als Wärmeisoliermaterial verwendet wird, ist jedoch eine graphitisierte Rolle bevorzugt, weil sie einen hohen Reinheitsgrad aufweist, wenig Gas während ihrer Verwendung erzeugt und eine überlegene Stabilität bei hohen Temperaturen zeigt.
  • [2] Zylindrisches Wärmeisoliermaterial
  • Das zylindrische Wärmeisoliermaterial der vorliegenden Erfindung beinhaltet die oben beschriebene gebrannte Rolle. Wenn sie als zylindrisches Wärmeisoliermaterial verwendet wird, kann die gebrannte Rolle, die aus einer Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz und einer gebrannten Gitterschicht aus organischem Material besteht, verwendet werden wie sie ist. Alternativ dazu kann auch eine gebrannte Rolle, welche die oben genannte Schutzschicht beinhaltet, verwendet werden. Das zylindrische Wärmeisoliermaterial der vorliegenden Erfindung kann als zylindrisches kohlenstofffaserhaltiges Wärmeisoliermaterial für einen Hochtemperaturofen verwendet werden. Genauer kann das Material als Wärmeisoliermaterial innerhalb eines Vakuumofens, eines Halbleitereinzelkristallziehofens, eines Keramiksinterofens oder eines C-C-Verbundstoff-Brennofens verwendet werden.
  • Das Wärmeisoliermaterial der vorliegenden Erfindung enthält keine Welligkeit der Schichten aus Kohlenstofffaserfilz und liefert daher eine überlegene Wärmeisolierleistung. Anders ausgedrückt wird der Kohlenstofffaserfilz ohne Pressfalten geschichtet, was eine überlegene Wärmeisolierleistung liefert.
  • [3] Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle
  • Das Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die folgenden Schritte: (a) Imprägnieren eines Kohlenstofffaserfilzes mit Harz; (b) Erschaffen einer hohlzylindrischen ungebrannten Rolle durch Schichten eines Gitters aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% auf den harzimprägnierten Kohlenstofffaserfilz und Wickeln der beiden auf einen Rollenkern, wobei das Gitter aus organischem Material außen liegt und der Kohlenstofffaserfilz innen liegt, während eine Zugspannung an das Gitter aus organischem Material angelegt wird; (c) Härten der geschaffenen ungebrannten Rolle durch Erhitzen; und (d) Brennen der gehärteten ungebrannten Rolle. Die Schichtung kann durch Schichten des imprägnierten Filzes auf das Gitter aus organischem Material, während eine Zugspannung an letzteres angelegt wird, durchgeführt werden. Außerdem wird das Gitter aus organischem Material vorzugsweise mit einem Harz (Klebstoff) beschichtet, um die Festigkeit zu erhöhen.
  • Der harzimprägnierte Kohlenstofffaserfilz, der im Imprägnierungsschritt (a) geschaffen wird, kann wie er ist im Wickelschritt (b) verwendet werden. Jedoch ist es genauso annehmbar, im Imprägnierungsschritt (a) eine Trocknungsbehandlung an dem harzimprägnierten Kohlenstofffaserfilz durchzuführen, um das Lösungsmittel zu verdampfen; wodurch die Lösungsmittelmenge in dem harzimprägnierten Kohlenstofffaserfilz verringert wird, bevor der Wickelschritt (b) durchgeführt wird.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die gebrannte Rolle oder das zylindrische Wärmeisoliermaterial der vorliegenden Erfindung herzustellen.
  • Kohlenstofffaserfilz
  • Beispiele für Materialien, die ohne besondere Beschränkung für die Fäden des Ausgangsmaterials für den Kohlenstofffaserfilz, der in der gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung verwendet wird, verwendet werden können, beinhalten Polyacrylnitril(PAN)-Kohlenstofffasern, auf Pech basierende Kohlenstofffasern, KynolTM-Kohlenstofffasern und Rayonkohlenstofffasern. Der Kohlenstofffaserfilz kann durch eine Nadellochung der Fäden erhalten werden.
  • Es können Kohlenstofffasern verwendet werden, die vorzugsweise einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 5 bis 20 µm, mehr bevorzugt von 8 bis 18 µm aufweisen. Die Effizienz der Produktion kann abnehmen, wenn der durchschnittliche Faserdurchmesser weniger als 5 µm beträgt, und die Wärmeisolierleistungen können abnehmen, wenn der durchschnittliche Faserdurchmesser 20 µm überschreitet. Die Länge der Kohlenstofffasern, aus denen der Kohlenstofffaserfilz besteht, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 30 bis 500 mm, mehr bevorzugt in einem Bereich von 50 bis 250 mm. Die Stärke des zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Laminats kann leiden, wenn die Faserlänge weniger als 30 mm beträgt, und eine gleichmäßige Verteilung der Fasern wird beschränkt, wodurch es möglicherweise schwierig wird, einen gleichmäßigen Kohlenstofffaserfilz herzustellen, wenn die Faserlänge 500 mm überschreitet.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Dicke des Kohlenstofffaserfilzes, aber die Dicke liegt vorzugsweise bei 3 bis 30 mm, mehr bevorzugt bei 2 bis 20 mm. Gemäß einem anderen Aspekt ist eine Dicke von 5 bis 30 mm oder 10 bis 30 mm annehmbar. Der Kohlenstoffgehalt des Kohlenstofffaserfilzes beträgt vorzugsweise mindestens 80 %, mehr bevorzugt mindestens 90 %, und am meisten bevorzugt mindestens 95 %.
  • Für das Raumgewicht des Kohlenstofffaserfilzes ist ein Bereich von 0,01 bis 0,13 g/cm3 bevorzugt, und ein Bereich von 0,02 bis 0,10 g/cm3 ist mehr bevorzugt. Wenn das Raumgewicht unter 0,01 g/cm3 liegt, wird es schwierig, ein zylindrisches kohlenstofffaserhaltiges Laminat herzustellen. Dagegen ist es schwierig, einen Kohlenstofffaserfilz mit einem Raumgewicht herzustellen, das 0,13 g/cm3 überschreitet. Die Produktivität wird in jedem Fall herabgesetzt sein.
  • Harz
  • Ein Beispiel für das Harz, das verwendet wird, um den Kohlenstofffaserfilz zu imprägnieren, ist ein duroplastisches Harz. Beispiele für duroplastische Harze beinhalten Harnstoffharze, Melaminharze, phenolische Harze, Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Alkydharze, Urethanharze, Furanharze usw., aber ein phenolisches Harz mit einer hohen Karbonisierungsausbeute ist bevorzugt. Die Menge des Harzes, mit dem der Kohlenstofffaserfilz imprägniert wird, liegt vorzugsweise bei 10 bis 100 Gewichtsteilen, mehr bevorzugt bei 15 bis 50 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile des Kohlenstofffaserfilzes.
  • Gitter aus organischem Material
  • Es gibt keine besondere Beschränkung des Gitters aus organischem Material, das in dem zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Laminat der vorliegenden Erfindung verwendet wird, solange das Gitter einen Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% aufweist; Beispiele beinhalten ein Cellulosegitter, ein Gitter aus Kohlenstofffaserpapier (Kohlepapier), ein Gitter aus Kohlenstofffasertuch (Kohletuch) und ein Rayongitter.
  • Der Restkohlenstoffanteil des Gitters aus organischem Material beträgt mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%. Wenn ein Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% vorhanden ist, ist eine vergrößerte Kontaktfläche an dem Teil des Gitters aus organischem Material, der zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz liegt, möglich, wodurch die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zusammengefügt werden. Es gibt auch keine besondere Beschränkung für den maximalen Restkohlenstoffanteil des Gitters aus organischem Material, solange die Verbindung der Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz nicht behindert wird; beispielsweise liegt der Restkohlenstoffanteil bei nicht über 100 Gew.-%. Das Gitter aus organischem Material kann optional eine andere Substanz als ein organisches Material (zum Beispiel ein anorganisches Material) enthalten, solange das Gitter einen Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% aufweist.
  • Das Gitter aus organischem Material und der Klebstoff werden durch Brennen karbonisiert. Das Merkmal, dass das Gitter aus organischem Material einen Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% aufweist, ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche des Klebstoffs und des Cellulosegitters zwischen den Schichten aus Kohlenstofffaserfilz.
  • Das Gitter aus organischem Material dient dazu, das Aufwickeln des Kohlenstofffaserfilzes zu erleichtern, wenn eine gebrannte Rolle hergestellt wird wie oben beschrieben. Daher weist das Gitter vorzugsweise zumindest einen bestimmten Grad an Reiß- bzw. Bruchfestigkeit auf; genauer liegt die minimale Reißfestigkeit vorzugsweise bei mindestens 100 N/5 cm, mehr bevorzugt bei mindestens 200 N/5 cm, noch mehr bevorzugt bei mindestens 300 N/5 cm und am meisten bevorzugt bei mindestens 400 N/5 cm. Die Beschichtung des Gitters mit einem Klebstoff gestattet die Verbesserung seiner Reißfestigkeit. Die minimale Reißfestigkeit des klebstoffbeschichteten Gitters aus organischem Material liegt vorzugsweise bei mindestens 300 N/5 cm, mehr bevorzugt bei mindestens 500 N/5 cm. Der Grund dafür ist, dass das Gitter nicht in der Lage ist, seine Rolle als Hilfe beim Aufwickeln des Kohlenstofffaserfilzes zu erfüllen, und dass ein höheres Maß an Zugfestigkeit erforderlich ist, wenn die Höhe (Breite) des zylindrischen Laminats zunimmt und der Außendurchmesser des zylindrischen Laminats zunimmt, wenn die Reißfestigkeit zu niedrig ist. Es gibt keine besondere Beschränkung für die maximale Reißfestigkeit, unabhängig davon, ob ein Klebstoff verwendet wird.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung der Dicke des Gitters aus organischem Material, solange das Gitter ein bestimmtes Maß an Reißfestigkeit aufweist, aber eine Dicke von 0,01 mm bis 3 mm ist bevorzugt, 0,01 mm bis 2 mm sind mehr bevorzugt und 0,05 bis 1 mm sind am meisten bevorzugt. Gemäß einem anderen Aspekt ist eine Dicke von 0,05 bis 4 mm, 0,1 bis 2 mm oder 0,2 bis 1 mm annehmbar. Ein solcher Bereich ist bevorzugt, weil eine zu dicke Gitterschicht die Verarbeitbarkeit und die Stärke der Bindung zwischen den Filzschichten beeinträchtigt.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für das Stoffgewicht (FAW) des Gitters aus organischem Material, solange das Gitter ein gewisses Maß an Reißfestigkeit aufweist, aber ein Stoffgewicht von 50 bis 600 g/m2 ist bevorzugt, ein Stoffgewicht von 70 bis 500 g/m2 ist mehr bevorzugt und ein Stoffgewicht von 80 bis 300 g/m2 ist noch mehr bevorzugt.
  • Zum Beispiel gibt es keine besondere Beschränkung für das Cellulosegitter, das in dem zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Laminat der vorliegenden Erfindung verwendet wird, solange es Cellulose enthält, aber das Gitter enthält vorzugsweise mindestens 50 Massen% Cellulose und mehr bevorzugt mindestens 70 Gew.-% und am meisten bevorzugt mindestens 95 Gew.-%. Cellulose ist ein Kohlehydrat (Polysaccharid), das von der Molekülformel (C6H10O5)n dargestellt wird, und ist eine Hauptkomponente der Zellwände von Pflanzenzellen und -fasern. Die Einbeziehung von mindestens 95 Masse% Cellulose macht es möglich, dass nach dem Brennen ein gewisser Restkohlenstoffanteil erhalten wird.
  • Der Restkohlenstoffanteil des Cellulosegitters beträgt mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 6 % und mehr bevorzugt mindestens 7 %. Der Grund dafür ist, dass das karbonisierte Cellulosegitter dazu dient, die Kontaktfläche zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zu vergrößern, weil es einen Restkohlenstoffanteil von mindestens 1 % aufweist.
  • Konkrete Beispiele für das Cellulosegitter beinhalten Baumwolltuch (z.B. gebleichte Baumwolle, Gaze), Rayon oder Papier, wobei Baumwolltuch besonders bevorzugt ist.
  • Wenn Baumwolltuch als Cellulosegitter verwendet wird, sind die bevorzugten Bereiche für die Reißfestigkeit, die Dicke und das Stoffgewicht denen gleich, die für die oben beschriebenen Gitter aus organischem Material verwendet werden.
  • Klebstoff
  • Der Kohlenstofffaserfilz und das Gitter aus organischem Material, die in dem Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können durch einen Klebstoff verbunden werden. Der Klebstoff kann sowohl auf den Kohlenstofffaserfilz als auch das Gitter aus organischem Material oder auf nur einen bzw. eines davon aufgebracht werden. Die Beschichtung des Gitters aus organischem Material mit einem Klebstoff ermöglicht eine erhöhte Reißfestigkeit. Für das Gitter aus organischem Material liegt die verwendete Klebstoffmenge vorzugsweise bei 50 bis 3000 g/m2, mehr bevorzugt bei 100 bis 1000 g/m2, am meisten bevorzugt bei 100 bis 500 g/m2. Der Grund dafür ist, dass die Reißfestigkeit geschwächt ist, wenn die Menge an Klebstoff weniger als 50 g/m2 beträgt, und dass der Klebstoff nach dem Brennen aushärtet, weswegen die Verarbeitbarkeit des gebrannten zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Laminats herabgesetzt ist, wenn die Menge 3000 g/m2 überschreitet. Für die Aufbringung des Klebstoffs kann ein übliches Verfahren verwendet werden; beispielsweise kann die Aufbringung unter Verwendung einer Spatel, einer Bürste, einer Walze oder dergleichen durchgeführt werden.
  • Das Gitter aus organischem Material kann vorab mit dem Klebstoff beschichtet, dann getrocknet werden, um flüchtige Komponenten zu entfernen. Das Gitter aus organischem Material kann auch aufgewickelt werden, während es mit dem Klebstoff beschichtet wird. Es gibt keine besondere Beschränkung für die verwendete Trocknungstemperatur, wenn das Gitter aus organischem Material vorab mit einem Klebstoff beschichtet wird; es kann eine Temperatur von 60 bis 150 °C verwendet werden.
  • Der Klebstoff, der in dem zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Laminat der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird durch Brennen karbonisiert und enthält daher vorzugsweise große Mengen an Kohlenstoff, aber es gibt keine besondere Beschränkung für seinen Kohlenstoffgehalt.
  • Genauer eine Klebstoffzusammensetzung, die 60 bis 100 Massenanteile eines duroplastischen Prepolymers, 20 bis 60 Massenanteile eines duroplastischen Harzes, 5 bis 20 Massenanteile kurzer Kohlenstofffasern, pulverisierten Kohlenstoffs oder pulverisierten Graphits, 5 bis 20 Massenanteile Lösungsmittel und 5 bis 20 Massenanteile Wasser, die gleichmäßig vermischt und dispergiert sind, enthält. Es gibt keine besondere Beschränkung für den Restkohlenstoffanteil des Klebstoffs, aber der Restkohlenstoffanteil liegt bei 20 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise bei 30 bis 85 Gew.-%, mehr bevorzugt bei 40 bis 75 Gew.-%. Dadurch, dass der Restkohlenstoffanteil bei mindestens 20 % liegt, kann die Kontaktfläche zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz vergrößert werden.
  • Bevorzugte Beispiele für duroplastische Prepolymere beinhalten: Harnstoffharz-Prepolymere; Melaminharz-Prepolymere und Prepolymere aus harnstoffmodifiziertem Harz; Guanaminharz-Prepolymere; Prepolymere aus guanaminmodifiziertem Harz; Furanharz-Prepolymere; Alkydharz-Prepolymere; Phenolharz-Prepolymere wie Prepolymere aus Novolac-Phenolharz, Prepolymere aus Resol-Phenolharz, Prepolymere aus Novolac-Alkylphenolharz, Prepolymere aus Resol-Alkylphenolharz und Xylol/Formaldehyd-Kondensate und Toluol/Formaldehyd-Kondensate davon und Prepolymere aus modifiziertem Harz, das unter Verwendung eines Melaminharzes, Guanaminharzes oder Harnstoffharzes modifiziert worden ist; und Epoxidharz-Prepolymere wie Bisphenol-A-Diglycidylether, Diglycidylether von cycloaliphatischen Alkoholen, Bisphenol-A-Bis(α-methylglycidylether) und Bis(α-methylglycidylether) von cycloaliphatischen Alkoholen. Nach Bedarf kann ein Härtungsmittel, ein Härtungskatalysator oder dergleichen in die Mischung aufgenommen werden. Von diesen ist ein Harz-Prepolymer mit einer hohen Karbonisierungsausbeute bevorzugt, wobei ein Prepolymer aus Novolac-Phenolharz, ein Prepolymer aus Resol-Phenolharz, ein Prepolymer aus Novolac-Alkylphenolharz oder ein Prepolymer aus Resol-Alkylphenolharz besonders bevorzugt sind.
  • Bevorzugte Beispiele für duroplastische Harze beinhalten: Harnstoffharze; Melaminharze; harnstoffmodifizierte Harze; Guanaminharze; guanaminmodifizierte Harze; Alkydharze; Furanharze; ungesättigte Polyesterharze; Phenolharze wie Novolac-Phenolharze, Resol-Phenolharze, Novolac-Alkylphenolharze und Resol-Alkylphenolharze; und Epoxidharze wie Bisphenol-A-Diglycidylether, Diglycidylether von cycloaliphatischen Alkoholen, Bisphenol-A-bis(α-methylglycidylether) und Bis(α-methylglycidylether) von cycloaliphatischen Alkoholen. Von diesen ist ein Harz mit einer hohen Karbonisierungsausbeute bevorzugt, wobei ein Novolac-Phenolharz, ein Resol-Phenolharz, ein Novolac-Alkylphenolharz oder ein Resol-Alkylphenolharz besonders bevorzugt sind.
  • Bevorzugte Beispiele für Lösungsmittel beinhalten Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Methanol, Ethanol, 2-Furylmethanol, Toluol, Xylol und Dimethylsulfoxid.
  • Imprägnierungsschritt (a)
  • Im Imprägnierungsschritt (a) des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung wird der Kohlenstofffaserfilz mit Harz imprägniert.
  • Ein Beispiel für das Harz, das verwendet wird, um den Kohlenstofffaserfilz zu imprägnieren, ist ein duroplastisches Harz. Beispiele für duroplastische Harze beinhalten Harnstoffharze, Melaminharze, phenolische Harze, Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Alkydharze, Urethanharze, Furanharze usw., aber ein phenolisches Harz mit einer hohen Karbonisierungsausbeute ist bevorzugt. Die Menge des Harzes, mit dem der Kohlenstofffaserfilz imprägniert wird, liegt vorzugsweise bei 10 bis 100 Gewichtsteilen, mehr bevorzugt bei 15 bis 50 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile des Kohlenstofffaserfilzes.
  • Die Imprägnierung kann gemäß einem bekannten Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise durch Tauch- oder Sprühbeschichtung. Genauer wird das Harz in einem Lösungsmittel dispergiert, und der Kohlenstofffaserfilz wird durch Tauch- oder Sprühbeschichtung mit dem Harz imprägniert. Es gibt keine besondere Beschränkung für das Lösungsmittel, Beispiele beinhalten Methanol, Ethanol, Methylethylketon (MKE) und Kombinationen aus zweien oder mehreren davon.
  • Der harzimprägnierte Kohlenstofffaserfilz, der im Imprägnierungsschritt (a) geschaffen wird, kann wie er ist im Wickelschritt (b) verwendet werden. Jedoch kann der harzimprägnierte Kohlenstofffaserfilz im Imprägnierungsschritt (a) getrocknet werden, um das im Kohlenstofffaserfilz enthaltene Lösungsmittel zu verdampfen. Die Menge an Lösungsmittel in dem harzimprägnierten Kohlenstofffaserfilz kann durch Trocknen des Filzes verringert werden. Es gibt keine besondere Beschränkung für die Trocknungstemperatur, die beispielsweise 60 bis 200 °C, bevorzugt 110 bis 170 °C beträgt. Es gibt auch keine besondere Beschränkung für die Trocknungszeit, die beispielsweise 1 bis 48 Stunden, bevorzugt 2 bis 12 Stunden beträgt.
  • Wickelschritt (b)
  • Im Wickelschritt (b) werden der harzimprägnierte Kohlenstofffaserfilz und das Gitter aus organischem Material geschichtet und unter Verwendung einer Wickelmaschine aufgewickelt, um eine ungebrannte Rolle zu erhalten.
  • Nun wird ein Beispiel für den Wickelschritt (b) unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein harzimprägnierter Kohlenstofffaserfilz (1) wird bereitgestellt. Ein Gitter aus organischem Material, das mit einem Klebstoff beschichtet und getrocknet wurde, wird bereitgestellt. Zuerst wird das mit Klebstoff beschichtete Gitter (2) aus organischem Material auf einem Rollenkern (4) der Wickelmaschine (3) befestigt. Das befestigte Gitter aus organischem Material wird ein- oder zweimal vorab um den Rollenkern gewickelt. Die Wickelmaschine wird vorübergehend angehalten, und das Ende des Kohlenstofffaserfilzes wird so befestigt, dass es zwischen das Gitter aus organischem Material und den Rollenkern der Wickelmaschine eingeführt wird. Der Kohlenstofffaserfilz und das Gitter aus organischem Material werden unter Verwendung der Wickelmaschine aufgewickelt, während eine Spannung an das Gitter aus organischem Material, aber nicht an den Kohlenstofffaserfilz angelegt wird. Ein Dickensensor (5), der außerhalb der Wickelmaschine installiert ist, wird verwendet, um die Dicke der Rolle zu messen, und ein optimaler Grad an Zugspannung wird gemäß der Dicke der Rolle an das Gitter aus organischem Material angelegt, wobei die Dichte der Rolle konstant gehalten wird. Nachdem das Wickeln abgeschlossen wurde, werden der Kohlenstofffaserfilz und das Gitter aus organischem Material durchschnitten. In diesem Fall kann zuerst der Kohlenstofffaserfilz geschnitten werden und daran anschließend kann das Gitter aus organischem Material noch weitere zwei oder drei Male gewickelt werden.
  • Wenn das Cellulosegitter nicht vorab mit Klebstoff beschichtet worden ist, kann der Klebstoff während des Wickelschrittes außerhalb der Wickelmaschine unter Verwendung einer Klebstoffbürste (nicht dargestellt) auf das Cellulosegitter aufgebracht werden.
  • Es gibt keine besondere Beschränkung für die Anzahl der Wickelschläge, mit denen das organische Material vor oder nach dem Hauptwickelprozess gewickelt wird, aber 0,5 bis 10 Mal ist bevorzugt, und 1 bis 5 Mal ist mehr bevorzugt.
  • Härtungsschritt (c)
  • Im Härtungsschritt (c) wird die erschaffene Rolle aus Kohlenstofffaserfilz durch Erwärmen gehärtet. Es gibt keine besondere Beschränkung für die Erwärmungstemperatur, solange sie eine Temperatur ist, bei der Harz, das den Kohlenstofffaserfilz imprägniert, härtet; beispielsweise kann eine Erwärmung bei einer Temperatur von 100 bis 200 °C durchgeführt werden. Das Erwärmen kann auch je nach Bedarf definiert werden. Das Erwärmen kann beispielsweise 10 Minuten bis 20 Stunden dauern, abhängig von der Dicke des Laminats (der Anzahl der Schichten). Nachdem die ungebrannte Rolle gehärtet worden ist, wird die ungebrannte Rolle vom Rollenkern abgenommen. Das Erwärmen kann unter Verwendung von Dampf oder einem Hochtemperaturofen (Luftumwälzung usw.) durchgeführt werden.
  • Brennschritt (d)
  • Der Brennschritt (d) kann bei 3000 °C oder weniger in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt werden. Beispiele für nichtoxidierende Atmosphären beinhalten einen Vakuumzustand, eine Stickstoffatmosphäre und eine Argonatmosphäre. Es gibt keine besondere Beschränkung für die Temperatur, solange sie eine Temperatur ist, bei der eine Karbonisierung stattfindet, aber eine Temperatur von 650 bis 3000 °C ist bevorzugt, und 1000 bis 3000 °C ist mehr bevorzugt. Wenn eine Graphitisierung nötig ist, ist eine Temperatur von 2000 °C bis 3000 °C bevorzugt.
  • Schleifen
  • Die erhaltene gebrannte Rolle kann wie sie ist als Wärmeisoliermaterial verwendet werden, aber es ist bevorzugt, die Innenfläche, die Außenfläche oder beide Enden (beide Enden in Breitenrichtung des Filzes) der Rolle, oder eine Kombination von zweiten der mehreren davon, zu beschleifen. Es kann ein bekanntes Schleifverfahren verwendet werden; beispielsweise kann ein Schleifen unter Verwendung eines Drehbearbeitungs- oder Abarbeitungszentrums durchgeführt werden. Das Schleifen ermöglicht eine Abarbeitung auf die gewünschten Abmessungen.
  • [Ausführungsbeispiele]
  • Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich unter Verwendung von Beispielen beschrieben, aber diese Beispiele beschränken den Bereich der Erfindung nicht.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die in 1 gezeigte Wickelmaschine verwendet, um eine ungebrannte Rolle herzustellen.
  • 100 Gewichtsteile Kohlenstofffaserfilz (Raumgewicht: 0,08 g/cm3; Dicke: 16 mm; Kreca-Filz: Hersteller Kureha Corporation) wurden mit 44 Gewichtsteilen eines Phenolharzes (ShonolTM BRS-3897: Hersteller Showa Denko K. K.) imprägniert. Gebleichtes Tuch (Fadenzahl: 50 × 50; Stoffgewicht: 105 g/cm2; Lochzahl: 144 × 76 Nadel/Inch; 5555-P: Hersteller Tokyo Sugimoto Co., Ltd.) wurde mit einem Klebstoff (einer 6:4-Mischlösung aus J-325 (Hersteller DIC) und OI-305A (Hersteller DIC)) in einer Menge von 220 g/m2 beschichtet und bei 110 °C getrocknet.
  • Das klebstoffbeschichtete und getrocknete gebleichte Tuch wurde auf eine Zufuhrwalze gelegt. Das gebleichte Tuch wurde auf einen Rollenkern der Wickelmaschine gelegt und einmal vorab gewickelt. Ein Ende des mit Phenolharz imprägnierten Kohlenstofffaserfilzes wurde zwischen den Rollenkern der Wickelmaschine und das gebleichte Tuch eingeführt. Eine Zugkraft (Zugspannung) wurde an das gebleichte Tuch angelegt, während der Kohlenstofffaserfilz und das gebleichte Tuch von der Wickelmaschine aufgewickelt wurden. Die Zugspannung wurde so gesteuert und die Gitterspannung wurde so geändert, dass die Dichte der Rolle konstant blieb.
  • Das Aufwickeln wurde beendet, als die Dicke des Laminats 82 mm erreichte, und der Rollenkern und der Rollenkern wurden im Ganzen von der Wickelmaschine abgenommen. Die erhaltene ungebrannte Rolle wurde dadurch gehärtet, dass sie 8 Stunden lang bei 140 °C wärmebehandelte. Die gehärtete ungebrannte Rolle wurde vom Rollenkern entfernt und 1 Stunde lang in einem Vakuum bei 2000 °C gebrannt, um eine gebrannte Rolle zu erschaffen. Nach dem Brennen wurden die Innenfläche und die Außenfläche der Rolle und beide Enden des Filzes unter Verwendung eines Abarbeitungszentrums beschliffen.
  • Die erhaltene gebrannte Rolle wies ein Raumgewicht von 0,172 g/cm3 auf. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der ungebrannten Rolle; es ist zu sehen, dass der Kohlenstofffaserfilz in regelmäßigen Schichten geschichtet ist.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Eine gebrannte Rolle wurde durch Wiederholen des Prozesses des Ausführungsbeispiels 1 erhalten, außer dass ein Klebstoff unter Verwendung eines Pinsels bzw. einer Bürste aufgetragen wurde, statt dass das gebleichte Tuch vorab mit einem Klebstoff beschichtet wurde. Das gebleichte Tuch wurde unter Verwendung der Bürste mit einer Rate von 500 g/m2 mit Klebstoff (EXP-30) beschichtet.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • 100 Gewichtsteile Kohlenstofffaserfilz (Raumgewicht: 0,08 g/cm3; Dicke: 16 mm; Kreca-Filz: Hersteller Kureha Corporation) wurden mit 44 Gewichtsteilen eines Phenolharzes (ShonolTM BRS-3897: Hersteller Showa Denko K. K.) imprägniert.
  • Der mit Phenolharz imprägnierte Kohlenstofffaserfilz wurde auf einen Rollenkern einer Wickelmaschine gelegt, und der Kohlenstofffaserfilz wurde unter Verwendung der Wickelmaschine aufgewickelt.
  • Das Aufwickeln wurde beendet, als die Anzahl der gewickelten Schichten 10 erreichte, und der Rollenkern und die Rolle wurden im Ganzen von der Wickelmaschine abgenommen. Die erhaltene Rolle wurde unter Verwendung einer Metallplatte auf eine Dicke von 82 mm verdichtet und durch eine Wärmebehandlung bei 140 °C 8 Stunden lang gehärtet. Die gehärtete ungebrannte Rolle wurde vom Rollenkern entfernt und 1 Stunde lang in einem Vakuum bei 2000 °C gebrannt, um eine gebrannte Rolle zu erschaffen. Nach dem Brennen wurden die Innenfläche und die Außenfläche der gebrannten Rolle unter Verwendung eines Abarbeitungszentrums beschliffen.
  • Die erschaffene gebrannte Rolle wies ein Raumgewicht von 0,152 g/cm3 auf. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des ungebrannten Laminats; es ist zu sehen, dass Welligkeiten und Pressfalten im Kohlenstofffaserfilz gebildet wurden, anders als im Ausführungsbeispiel 1.
  • Prüfung der Wärmeisolierleistung des Ausführungsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1
  • Die Wärmeleitfähigkeit des gebrannten Laminats, das im Ausführungsbeispiel 1 erschaffen wurde, und des gebrannten Laminats, das im Vergleichsbeispiel 1 erschaffen wurde, wurde unter Verwendung eines Kalorimeters unter verringertem Druck und in einer Stickstoffatmosphäre unter Umgebungsdruck gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit wurde gemäß der folgenden Formel berechnet.
  • [Gleichung 1]
    • λ = Q·D / ΔT (wobei λ: Wärmeleitfähigkeit (W/m·K); Q: Wärmestromdichte (Wärmestrom pro Einheitsfläche; W/m2); ΔT: Probenoberflächentemperatur (K); und D: Dicke des Wärmeisoliermaterials (m)).
  • Tabelle 1 zeigt die Wärmeleitfähigkeit der gebrannten Rollen, die im Ausführungsbeispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1 unter verringertem Druck geschaffen wurden. Das Raumgewicht betrug 0,16 g/cm3, der Druck innerhalb des Ofens war 1,33 Pa und die Probendicke war 70 mm. Ein Vergleich der Wärmeleitfähigkeit der Teile von Vergleichsbeispiel 1, die Pressfalten aufwiesen, und der Wärmeleitfähigkeit des Ausführungsbeispiels 1 zeigt deutlich, dass das Ausführungsbeispiel 1 eine geringe Wärmeleitfähigkeitsrate und eine überlegene Wärmeisolierleistung aufweist. Tabelle 1
    Temperatur Durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit (W/m·k)
    Ausführungsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 1
    1600 °C 0,35 0,41
    2000 °C 0,47 0,55
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Der Ablauf des Ausführungsbeispiels 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass Polypropylen-Käseleinen (Dicke: 0,24 mm; Stoffgewicht: 50 g/m2; Lochzahl: 34 H × 25 W Nadel/Inch; PF-200: Hersteller Otsuka Jitsugyo Co., Ltd.) statt gebleichtem Tuch verwendet wurde.
  • Die erhaltene Rolle zeigte einen Bindungsverlust zwischen den gebrannten Schichten aus Kohlenstofffaserfilz.
  • Gitterablösungstest
  • Ein Gitter aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% und ein Gitter aus Polypropylen wurden zwischen zwei Flächengebilden aus Kohlenstofffaserfilz angeordnet, um die Flächengebilde zusammenzufügen, wonach eine Bindungsverlustprüfung durchgeführt wurde.
  • Die beiden Flächengebilde aus Kohlenstofffaserfilz wurden mit einem Phenolharz imprägniert, und die in Tabelle 2 aufgeführten Gitter wurden dazwischen angeordnet. Das Brennen wurde in einem Vakuum bei 2000 °C eine Stunde lang durchgeführt, um eine Probe mit L 50 mm × W 50 mm × T 16 mm herzustellen. Ein Autograph AGS-H 5 kN (Hersteller Shimadzu Corporation) wurde als Messinstrument verwendet. Harzplatten mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 3 mm wurden an die Oberseite und die Unterseite der Probe geklebt. Die Probe wurde in das Messinstrument gelegt, und die Seiten der Harzplatten wurden eingespannt. Das Prüfstück wurde bei einer Zuggeschwindigkeit von 1,0 mm/min aufgetrennt und die Last (N) wurde gemessen, um die Zugfestigkeit (MPa) der Probe zu erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
  • Messung des Restkohlenstoffanteils
  • Die Restkohlenstoffanteile der Gitter wurden durch Verbrennen der Probe in einem Edelgas und Quantifizieren der Kohlenstoffmenge in dem verbrannten Rückstand gemessen. Die Verbrennung wurde durchgeführt durch Einbringen von etwa 1 g einer flüchtigen organischen Substanz (das korrekte Gewicht ist definiert als W1 (g)) in einen Tiegel, Erwärmen des Tiegels in einem elektrischen Ofen auf 800 °C bei 10 °C/min, während man 20 Liter Stickstoffgas pro Minute hindurchströmen ließ, gefolgt von einer Verbrennung bei 800 °C für 1 Stunde. Der Rückstand, der nach diesem Prozess zurückblieb, wurde definiert als der Verbrennungsrückstand W2 (g).
  • Dann wurde eine Elementaranalyse des Verbrennungsrückstands gemäß dem in JIS M 8819 angegebenen Verfahren durchgeführt, und der Kohlenstoffgewichtsanteil P1 (%) wurde gemessen. Der Restkohlenstoffanteil P2(%) wurde gemäß der folgenden Formel berechnet. [Gleichung 2]
    Figure DE112015002016T5_0002
    Tabelle 2
    Gitter Klebstoff (g/m2) Zwischenschichtbindungsbelastung (MPa) Restkohlenstoffanteil (Gew.-%) Bewertungder Bindungsstärke
    Probe 1 Gaze 230 0,045 6,0 o
    Probe 2 Gaze 444 0,020 6,0 o
    Probe 3 Gebleichte Baumwolle 1 250 0,037 8,0 o
    Probe 4 Gebleichte Baumwolle 1 404 0,034 8,0 o
    Probe 5 Rayon - 0,028 12 o
    Probe 6 Kohlenstofffaserpapier - 0,031 100 Δ
    Vergleichsbeispiel 1 PP (Multifilament) 260 Zwischenschichtbindungsverlust 0 x
    Vergleichsbeispiel 2 PP (Multifilament) 450 Zwischenschichtbindungsverlust 0 x
    Vergleichsbeispiel 3 PP (Monofilament) 230 Zwischenschichtbindungsverlust 0 x
    Vergleichsbeispiel 4 PP (Monofilament) 450 Zwischenschichtbindungsverlust 0 x
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, bewirkten die Gitter der Proben 1 bis 6, deren Restkohlenstoffanteile mindestens 5 Gew.-% betrugen, keinen Zwischenschichtbindungsverlust, aber das Polypropylengitter, das einen Restkohlenstoffanteil von 0 Gew.-% aufwies, bewirkte einen Zwischenschichtbindungsverlust.
  • Gitterzugspannungstest
  • Ein Gitterzugspannungstest wurde unter Verwendung eines Gitters aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% und eines Polypropylengitters, das keine Cellulose enthielt, durchgeführt.
  • Es wurden ein Gitter, das mit einem Klebstoff in der in Tabelle 3 angegebenen Menge beschichtet war, und ein Gitter, das nicht mit Klebstoff beschichtet war, hergestellt. Ein Zugspannungstest wurde gemäß dem allgemeinen Faserverbundstoffprüfverfahren von JIS L (ehemals 1906) unter Verwendung eines Autographen AGS-H 5 kN (Hersteller Shimadzu Corporation) durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
    Gitter Klebstoff (g/m2) Stoffgewicht (g/m2) Dicke(mm) Lochdichte Reißfestigkeit (Längsrichtung) (N/5 cm)
    Probe 1 Gaze - 36 0,24 ND 129
    Probe 2 Gaze 170 36 0,38 ND 370
    Probe 3 Gebleichte Baumwolle 1 - 96 0,37 ND 370
    Probe 4 Gebleichte Baumwolle 1 270 96 0,47 ND 448
    Probe 5 Gebleichte Baumwolle 2 - 149 0,34 64 × 56 479
    Probe 6 Gebleichte Baumwolle 3 - 149 0,30 64 × 56 428
    Probe 7 Gebleichte Baumwolle 3 260 149 0,50 64 × 56 898
    Probe 8 Gebleichte Baumwolle 3 280 149 0,54 64 × 56 1026
    Probe 9 Rayon - ND 0,11 ND 86
    Vergleichsbeispiel 1 PP (Multifilament) 49 0,22 68 × 40 475
    Vergleichsbeispiel 2 PP (Monofilament) 48 0,43 67 × 40 413
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das zylindrische kohlenstofffaserhaltige Wärmeisoliermaterial der vorliegenden Erfindung kann als Wärmeisoliermaterial innerhalb eines Vakuumofens, eines Halbleitereinzelkristallziehofens, eines Keramiksinterofens oder eines C-C-Verbundstoff-Sinterofens verwendet werden. Außerdem kann unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines gebrannten zylindrischen kohlenstofffaserhaltigen Laminats der vorliegenden Erfindung ein zylindrisches kohlenstofffaserhaltiges Wärmeisoliermaterial mit überlegener Wärmeisolierleistung hergestellt werden, wofür ausgebildete Arbeitskräfte notwendig sind.
  • Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend unter Verwendung spezifischer Ausführungsweisen beschrieben, aber Modifikationen und Verbesserungen, die für einen Fachmann naheliegen können, sind ebenfalls im Bereich der Erfindung eingeschlossen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kohlenstofffaserfilz
    2
    Gitter aus organischem Material
    3
    Wickelmaschine
    4
    Rollenkern
    5
    Dickensensor

Claims (8)

  1. Hohlzylindrische, gebrannte Rolle, umfassend: eine Schicht aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz, die in Spiralform aufgerollt und geschichtet ist; und eine gebrannte Gitterschicht aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-%, die durch Brennen eines Gitters aus organischem Material gebildet wird, wobei die Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz durch Anordnen der gebrannten Gitterschicht aus organischem Material zwischen den Schichten aus gebranntem Kohlenstofffaserfilz zusammengefügt werden.
  2. Gebrannte Rolle nach Anspruch 1, wobei das Gitter aus gebranntem organischem Material eine Gitterschicht aus gebrannter Cellulose ist.
  3. Gebrannte Rolle nach Anspruch 1, die ferner eine Schutzschicht auf einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche der gebrannten Rolle umfasst.
  4. Zylindrisches Wärmeisoliermaterial, das die gebrannte Rolle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst.
  5. Verfahren zur Herstellung einer hohlzylindrischen gebrannten Rolle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Imprägnieren eines Kohlenstofffaserfilzes mit Harz; (b) Erschaffen einer hohlzylindrischen ungebrannten Rolle durch Schichten eines Gitters aus organischem Material mit einem Restkohlenstoffanteil von mindestens 5 Gew.-% auf den harzimprägnierten Kohlenstofffaserfilz und Wickeln der beiden auf einen Rollenkern, wobei das Gitter aus organischem Material außen liegt und der Kohlenstofffaserfilz innen liegt, während eine Zugspannung an das Gitter aus organischem Material angelegt wird; (c) Härten der erschaffenen ungebrannten Rolle durch Erwärmen; und (d) Brennen der ungebrannten Rolle.
  6. Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle nach Anspruch 5, wobei das Gitter aus organischem Material ein Cellulosegitter ist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Gitter aus organischem Material ein Stoffgewicht von 50 bis 600 g/m2 aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer gebrannten Rolle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Gitter aus organischem Material, das im Wickelschritt (b) erschaffen worden ist, mit einem Klebstoff beschichtet wird.
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