-
Verfahren zur Herstellung von mikropreisen gasdurchlässigen Erzeugnissen
aus Polytetrafluoräthylen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von mikroporösen gasdurchlässigen Erzeugnissen aus Polytetrafluoräthylen. die sich
dazu eignen, als Scheidewände zur Trennung von Gasen nach dem bekannten Gasdiffusionsverfahren
eingesetzt zu werden.
-
Bekanntlich beruht dieses Gasdiffusionsverfahren auf der Beziehung
zwischen der freien durchschnittlichen Bahn der Moleküle der verschiedenen Bestandteile
des Gases einerseits und dem Durchmesser der Mikroporen der angewandten Querwand
andererseits.
-
Im allgemeinen für normale Trennungen von nicht korrosiven Gasen
werden mikroporöse Membranen aus z. B. Cellulosehydrat, Polyäthylen. Mischpolymerisaten
aus Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat nebst porösem Glas und keramischen Werkstoffen
benutzt.
-
Wenn hingegen die zu trennenden Gase oder Dämpfe sehr stark korrosiv
wirken, müssen die mikroporösen Scheidewände aus Sonderwerkstoff'en bestehen, z.
B. aus Metallen oder Metallegierungen oder aus Polymerisaten. die sich durch eine
besondere Korrosionsfestigkeit auszeichnen.
-
Das gemäß der Erfindung hergestellte Erzeugnis aus einem besonders
korrosionsbeständigen Polymerisationsprodukt. und zwar aus Polytetrafluoräthylen.
weist eine derartige Porosität auf. daß nicht nur der Durchgang von Gasen, sondern
auch eine industriell auswertbare selektive Trennung der verschiedenen Bestandteile
eines Gasgemisches ermöglicht wird. sofern dieser Vorgang unter entsprechenden Druck-
und Temperaturbedingungen ausgeführt wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Teilchen von Polytetrafluoräthylen
in der Kälte in entsprechenden Formen verdichtet und anschließend die Vorformlinge
auf eine höhere Temperatur als ihre Transitionstemperatur erhitzt, bei der das Polymerisat
eine amorphe Gelstruktur annimmt. wonach das Erzeugnis zuerst langsam. sodann beliebig
erkalten gelassen wird.
-
Die besten Ergebnisse werden mit Teilchengrößen des Polymerisats
zwischen 0,01 und 600 : erzielt; immer innerhalb dieser Grenzen ist es vorteilhaft.
ein Produkt mit einer möglichst homogenen Zerteilung anzuwenden. Der Druck der Vorformung
muß vorzugsweise ;m entsprechenden Verhältnis zum durchschnittlichen Durchmesser
der angewandten Teilchen stehen. wobei zu beachten ist. daß die feineren Pulver
in der Regel befriedigendere Ergebnisse mit nich@ 7, ! hohen Drücken ghc.
während
die weniger feinen Pulver höhere Drücke erfordern. Jedenfalls aber erzielt man gute
Ergebnisse mit Drücken zwischen 0,1 und 10 kg cm2. wobei diese Drücke allmählich
und genügend lange wirken sollen, damit eine gleichmäßige Einstellung der Teilchen
gewährleistet werde. In der Regel genügen 10 Minuten nach Erreichung des angewandten
Maximaldruckes.
-
Die Erhitzung der Vorformlinge erfolgt im Ofen. vorzugsweise mit
zwangläufiger Luftzirkulation. bei Temperaturen. die zwischen 330 und 400°C schwanken
können. Die Dauer dieser Behandlung hängt unter anderem auch von der Dicke des Vorformlings
und dem Druck der Vorformung ab und kann zwischen 20 Sekunden und etwa 30 Minuten
schwanken.
-
Hinsichtlich des Erkaltens der Erzeugnisse muß man sich bei Beginn
der Erkaltung an ein gewisses Zeit-Temperatur-Diagramm halten. das leicht durch
Versuche bestimmt werden kann, um zu verhindern, daß sich im Inneren der Stücke
Temperaturgradienten bilden und demzufolge innere Spannungen. die Brüche oder sonstwie
mechanische Schwäch u;gen bewirkcn könnten.
-
Diese Erkaltungskurve muß jedenfalls eingehalten werden, sobald sich
die Temperatur dem Trans;tionspunkt nähert. in welchem bekanntlich die groqte Volumenänderung
vor sich geht.
-
In der Technik muß diese Kontrolle zwischen der jeweils maximalen
Sinterungstemperatur und 280 bis 300"C ausgeführt werden. Die weitere Erkaltung
bis zu Raumtemperatur kann sodann ohne Vorsichtsmaßregeln erfolgen.
-
Es ist bereits ein Verfahren bekannt zur Herstellung von blattförmigen
Gegenständen, die mindestens teilweise aus Polytetrafluoräthylen bestehen und in
denen die sogenannten »Niederdruckstellen«. d. h. die Zonen mit unbefriedigender
Sinterung. die schwache, brüchige Stellen im fertigen Gegenstand verursachen. vermieden
werden sollen. Gemäß dem bekannten Verfahren wird der Preßdruck auf die Charge in
der Weise gleichmäßig verteilt, daß zwischen die Pulverfüllung und die Preßstelle
ein Kautschukblatt geschaltet wird.
-
Wenn auch die Gegenstände nach dem älteren Verfahren Niederdruckstellen
aufweisen und unter längerem Druck hergestellt würden, dann könnten sie dennoch
keine homogene Gasdurchlässigkeit besitzen, da die Niederdruckstellen durch eine
geringere örtliche Dichte des Materials in der Form und daher durch unregelmäßige
Verteilung des Pulvers verursacht werden. Die unregelmäßigen Niederdruckstellen
können den Gegenständen nur eine inhomogene Porosität verleihen. Eine solche Lokalporosität
aber gewährleistet nicht eine definierbare konstante Gasdurchlässigkeit. die im
übrigen ausreichend groß ist, um sie auch zur Trennung von Gasen mit verschiedenem
Molekulargewicht im industriellen Maßstabe zu verwenden. Bemerkt sei im übrigen
noch, daß das bekannte Verfahren mit so hohen Drücken im Bereich einer Tonne pro
Quadratzentimeter arbeitet. eine Arbeitsweise, die eine Gasdurchlässigkeit der Gegenstände
nicht mehr zuläßt.
-
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Erzeugnisse
können als mikroporöse Scheidewände zur industriellen Trennung von ,Ga gemischen
benutzt werden, da sie eine Durchlässigkeit aufweisen, die gestattet. industriell
verwertbare Durchsätze an angereichertem Gas zu erzielen.
-
Angesichts des Materials, aus dem sie bestehen, können diese Scheidewände
insbesondere zur Trennung von ganz besonders korrosiv wirkenden Isotopen Anwendung
finden, z. B. von Uranhexafluorid.
-
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
-
Beispiel 1 10 g gepulvertes Polytetrafluoräthylen mit durchschnittlicher
Korngröße von 500 F werden während 30 Sekunden in der Kälte in einer verchromten
Form mit 70 mm Durchmesser einem Druck bis maximal 2 kgtcm2 ausgesetzt. Geschwindigkeit
der Verdichtung: 1 mm pro Sekunde. Der auf diese Weise gebildete Vorformling wird
in einen elektrisch beheizten Ofen mit zwangläufiger Luftumwälzung eingesetzt und
hierin 30 Minuten bei 3800C belassen. Das Erkalten bis 280"C erfolgt im Ofen, indem
die Temperatur um 3"C in der Minute erniedrigt wird. Sobald das Material eine Temperatur
von 280"C erreicht hat, wird es aus dem Ofen genommen und bei Raumtemperatur weiter
erkalten gelassen.
-
Die auf diese Weise hergestellte mikroporöse Scheibe wird als Scheidewand
zur Trennung nach dem bekannten Gasdiffusionsverfahren eines aus gleichen Teilen
Kohlendioxyd und Wasserstoff bestehenden Gasgemisches benutzt. Diese Trennung
wird
bei einem Druck von 10 mm Hg vor und 2 lo-2 mm Hg hinter der Scheidewand ausgeführt.
-
Bei diesen Arbeitsbedingungen ist der Gasdurchsatz durch die Scheidewand
0,065 ccm pro Minute und Quadratzentimeter der Scheidewand.
-
Bei kontinuierlicher Entnahme von 6 Volumina Gasgemisch vor und 1
Volumen hinter der Scheidewand (»Schnitt« 1 : 6) wird die Zusammensetzung des Gemisches
vor der Scheidewand etwa auf der Höhe der Ausgangszusammensetzung gehalten. Das
hinter der Scheidewand entnommene Gas enthält 780/0 H2 und 22010 CO2, während das
vor der Scheidewand entnommene 45,4010 H2 und 55,60/0 CO2 enthält.
-
Der Trennfaktor der Scheidewand, berechnet nach der der Formel Fs
m2. n worin mj und m2 das Verhältnis der prozentuellen Menge der beiden Gase H2/CO2
vor und hinter der Scheidewand bedeuten, ist somit 0,78 F8 = 0,22 = 4,26.
-
0,454 0,556 Beispiel 2 l0 g gepulvertes Polytetrafluoräthylen mit
durchschnittlicher Teilchengröße 250 a werden während 30 Sekunden in der Kälte in
einer verchromten Form mit 70 mm Durchmesser einem Druck von 4 kg/cm2 ausgesetzt.
Verdichtungsgeschwindigkeit:10 mm pro Sekunde. Dieser Vorformling wird 30 Minuten
lang in einem auf 3300 C aufgeheizten Ofen eingesetzt.
-
Die anschließende Erkaltung bis 300"C erfolgt im Ofen selbst, in dem
die Temperatur um 1 0C in der Minute herabgesetzt wird. Nach Erreichung der angegebenen
Temperatur wird das Erzeugnis aus dem Ofen genommen und weiter bei Raumtemperatur
erkalten gelassen. Die so hergestellte Scheibe wird zur Trennung eines aus gleichen
Teilen Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehenden Gemisches benutzt bei Einhaltung
der gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1.
-
Der Durchsatz des Gases durch die Scheidewand beträgt 1,2 ccm in
der Minute, und nach einem »Schnitt« im Verhältnis l : 6 enthält das Gas hinter
der Scheidewand 71 01o H2 und 29°/o CO2, vor der Scheidewand 46,50/o H2 und 53,50/o
CO2. Der Trennfaktor beträgt somit 2,80.
-
Beispiel 3 l0 g Polytetrafluoräthylen (Teilchengröße durchschnittlich
300 werden während 30 Sekunden bei 2 kg/cm2 verdichtet. Verdichtungsgeschwindigkeit
des Materials: 5 mm pro Sekunde. Dieser Vorformling wird 10 Minuten lang in einen
Ofen einer Temperatur von 380"C ausgesetzt und im Ofen selbst bei einer Temperaturabnahme
von 1"C pro Minute auf 300"C abgekühlt. Nach weiterer Erkaltung auf Raumtemperatur
ohne Vorsichtsmaßregeln kann das Erzeugnis zur Trennung eines aus gleichen Teilen
H2 und CO2 bestehenden Gasgemisches benutzt werden.
-
Diese Trennung erfolgt bei Einstellung eines Druckes von 10,5 mm Hg
vor und l0-l mm Hg hinter der Wand. Unter diesen Bedingungen gehen 3,3 ccm Gas pro
Minute und Quadratzentimeter der Wand durch die Wand. Mit einem »Schnitt« im Verhältnis
1
: 5 gewinnt man hinter der Wand ein aus 68°/o H2 und 320/0 C bestehendes Gasgemisch,
während das Gemisch vor der Wand aus 46.40/i H2 und 53,6% CO2 besteht. Der Trennfaktor
beträgt somit 2,45.
-
Beispiel 4 10 g Polytetrafluoräthylen mit durchschnittlicher Teilchengröße
10 µ werden während 30 Sekunden bei einem Druck von 2,5 kg/cm2 verdichtet. Geschwindigkeit
der Verdichtung des Materials: 1 mm pro Sekunde. Dieser Vorformling wird 15 Minuten
lang in einem Ofen einer Temperatur von 380°C ausgesetzt und anschließend im Ofen
selbst bei einer Temperaturabnahme von 1"C pro Minute bis auf 300°C abgekühlt. Nach
weiterer Erkaltung auf Raumtemperatur kann die auf die beschriebene Weise hergestellte
Scheibe zur Trennung eines aus gleichen Teilen H2 und CO2 bestehenden Gasgemisches
benutzt werden. Der in diesem Beispiel vor und hinter der Scheidewand angewandte
Druck entspricht den Verhältnissen des Beispiels 3. Es gehen pro Minute und Quadratzentimeter
der Wand 2 ccm Gas über. Mit einem »Schnitt« 1 : 4 werden hinter der Wand 74°/0
H2 und 260/o CO2, vor der Wand 440/o H2 und 56°lo CO2 im Gasgemisch nachgewiesen.
Der Trennfaktor beträgt somit 3,6.
-
Beispiel 5 10 g Polytetrafluoräthylen (durchschnittliche Teilchengröße
8, a) werden während 30 Minuten bei 3 kg/cm2 verdichtet. Verdichtungsgeschwindigkeit
des Materials: 1 mm pro Sekunde. Der Vorformling wird 15 Minuten lang in einem Ofen
einer Temperatur von 350°C ausgesetzt und sodann im Ofen selbst bei einer Temperaturabnahme
von 1°C in der Minute auf 300°C erkalten gelassen. Die weitere Kühlung kann bei
Raumtemperatur erfolgen, worauf das Produkt, wie im Beispiel 4 beschrieben, zur
Trennung des Gasgemisches benutzt werden kann. Pro Minute und Quadratzentimeter
Oberfläche der Wand werden 3,5 ccm Gas durchgesetzt. Bei einem »Schnitt« 1 : 4 beträgt
das Gasgemisch hinter der Wand 71 0/o H2 und 29% C, vor der Wand 44,7010 H2 und
55,30/o CO2. Der Trennfaktor beträgt somit 3,01.
-
Beispiel 6 10 g Polytetrafluoräthylen (durchschnittliche Teilchengröße
0. 1) werden während 5 Sekunden zwischen zwei 0,1 mm dicken Aluminiumfolien in einer
verchromten Form mit 70 mm Durchmesser verdichtet. Verdichtungsgeschwindigkeit des
Materials: 0,5 mm pro Sekunde. Der Vorformling wird 15 Minuten lang im Ofen auf
380°C erhitzt und anschließend im Ofen selbst bei einer Temperaturabnahme von 1"C
in der Minute auf 300°C abgekühlt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur unter einer
verchromten Scheibe wird die so hergestellte mikroporöse Scheidewand zur Trennung
eines aus gleichen Teilen H2 und CO2 bestehenden Gasgemisches benutzt. Die Trennung
der Gase erfolgt bei einem Druck von 10 mm Hg vor und 2 l0-2 mm Hg hinter der Wand.
Pro Minute und Quadratzentimeter Oberfläche der Wand werden 1,2 ccm Gas durchgesetzt.
-
Mit einem »Schnitt« 1 : 4 gewinnt man hinter der Wand ein aus 69,76%
H2 und 30,240/0 CO2 bestehendes Gasgemisch, während die Zusammensetzung vor der
Wand 54,840/o CO2 und 45,060/o H2 beträgt. Der Trennfaktor beträgt somit 2,80.