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Kohle- und 9raphit-Naterialien von hoher Festigkeit und hohem Modul
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Kohle- und Graphit-Materialien
von hoher Festigkeit und hohem Modul, insbesondere hohem Elastizitätsmodul.
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Es sind Herstellungsarten bekannt, bei denen in konventioneller Weise
düsengesponnene, also durch Düsen extrudierte oder "spinngedüste" Fäden oder Fadenbündel,
beispielsweise nndlosfäden, -Endlosgarn oder Endloswerg, Karbonisierungs- und, wenn
gewünscht, teilweisen oder kompletten Graphitierungsbehandlungen unterzogen werden.
Die Kohle- oder Graphitfäden oder Fadenbündel, die als Ergebnis solciier Behandlungen
erzeugt werden, besitzen hohe Zugfestigkeit und hohen Elastizitätsmodul.
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Die vorliegende Erfindung bringt ein Verfahren für das Herstellen
von Material, das In einer (bestimmten
) Richtung hohe Festigkeit
und hohen Elastizitätsmodul aufweist, und dieses Verfahren umfaßt die Schritte des
Orientierens oder "Richtens" einer Schicht oder eines Films von karbonisierbarem
polymerem Material, derart, daß hierdurch ein "Fibrillieren" oder eine "Fibrillation",
d.h. also ein Zerfasern oder ein beginnendes "Fibrillieren" oder Zerfasern (also
"Zerlegen oder beginnendes Zerlegen" oder Bildung von Prallel-Rissen) im Film in
einer bestimmten Richtung eintritt, ferner des physikalischen Behandelns des orientierten
Films, derart,daß, wenn notwendig oder gewünscht, der Film zerfasert oder "fibrilliert"
wird und schließlich des Behandelns des Materials, derart daß das Material karbonisierttoder
(bzw.
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und/oder) glanz oder teilweise graphitiert wird.
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Im einzelnen aind die grundlegenden Verfahrens.
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schritte wie folgt: 1. Ein Band oder Film aus einem geeigneten polymeren
Material wird in einer Richtung stark orientiert, insbesondere durch einen Dehn-
oder Streckprozeß von geeignetem Typ; dies erzeugt einen orientierten, potentiell
"fibrillen", d.h. also faserigen bzw.- der späteren Zerfaserung günstigen Charakter
(Struktur) im Film, und der Film wird beginnende "Splits", also Risse oder Anrisse
(parallel zur Orientierungsrichtung) erhalten (nach solcher Behandlung aufweisen),
und er kann tatsächlich in größerem oder kleinerem Grade "aef-gerissen,", d.h. zerfasert
werden.
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2. Wenn gewünscht, wird der beginnend "fibrillierte", d-.h. sich im
Anfangsstadium des Zerfaserns befindende, orientierte Film in einem folgenden Verfahrensabschnitt
lurch physikalisches Behandeln ao manipuliert, dan er die "fibrille" oder faserige
bzw. beginnend faserige Struktur des Films entwickelt, so daß sich
parallele
oder im wesentlichen parallele,untereinander noch zusammenhängende oder miteinander
ver-Fäden oder Fasern bundeno #, also ein noch zusammenhängendes Faserbündel ergeben.
Das Ausmaß 7 bis zu welchem die "fibrillierte" (faserige) Struktur entwickelt wird,
entspricht dem Grade der Manipulierung. Für manche Zwecke, wie weiter unten'beschrieben,
kann dieses Stadium weggelassen werden, d.h. der Film kann in der potentiell "fibrillen"
Form (zum Zerfasern - Zerlegen in parallele Einzelfasern - vorbereiteten Vorformung)
verbleiben, (d.i.
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also: Der Film enthält latente Fibrillen oder Fasern); der Film hat
also eher diese soeben genannte als die tatsächlich fibrillierte Form oder Struktur.
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3. Der Film (potentiell-faserig oder tatsächlich faserig) wird karbonisiert
und, wenn gewünscht, ganz oder teilweise graphitiert, und zwar durch geeignete Verfahren
oder Verfahrensschritte oder Behandlungen, so daß ein Produkt von hoher Zugfestigkeit
und hohem Elastizitätsmodul erzielt wird.
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Der tatsächliche mechanische Zerfaserungs odr Fibrillierungsprozeß
kann am anfänglichen orientierten (also sonst noch nicht behandelten) Film oder
auch am in irgendeinem Stadium der Rarbonisierungs- oder Graphitierungs-Prozesse
befindlichen Film ausgeführt werden. Wie oben angegeben, kann indessen die tatsächliche
mechanische Trennung der Fasern voneinander weggelassen werden, und das Endprodukt
oder Graphit produkt kann deshalb ein mehr oder weniger kontinuierlicher oder endloser
Film (Band) sein, der aus einem stark orientierten und potentiell "fibrillen" (d.h.
für späteres Zerfasern strukturell vorbereiteten Material besteht.
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Als eine weitere Alternative kann der Film im eingangs-orientierten
oder gerichteten Zustande oder
in irgendeinem späteren Stadium der
thermaldegradierenden, karbonisierenden oder graphitisierenden Behandlungen in sehr
schmale Streifen "geschnitten" , aufgeteilt, zerrissen oder geschlitzt (also zerfasert)
werden, um so ein Bündel von prallelen Streifen (Bändern, Fasern) zu ergeben.
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In manchen Stadien der Karbonisierungs- oder Graphitierungs-Behandlungen
mag es physikalisch nötig sein, den Film, die Fasern-Einheit (Faserbündel) oder
das Streifen-Bündel wieder oder nochmals zu strecken (dehnen), damit Schrumpfen
oder Schwinden verhindert und auch ein Verlust der hohen Orientierung. (starken
Richtens) vermieden wird: Eine starke Orientierung (gerichtete Struktur) im Kohle-
oder Graphit-End produkt ist für das Erreichen der gewünschten hohen Festigkeits-
und Modul-Eigenschaften notwendig.
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Die Erfindung schließt die Anwendung von geeigneten zusätzlichen
(chemischen oder physikalischen) Behandlungen entweder des vorlaufenden (anfänglichen,
d.h. zulaufenden) Polymer-Films (Bandes) oder des Materials in irgendeinem Stadium
oder Stadien der Behandlung nicht aus. So mag es vorteilhaft sein, den vorlaufenden
oder zulaufenden Polymer-Film nach der Orientierung und beim Beginn der Wärmebehandlung
vorzuoxydieren. Es mag auch vorteilhaft sein, dem Material eine zusätzliche Streckung
oder Dehnung zu verleihen oder zu geben, und zwar in irgendeinem Zwischenstadium
beim Behandeln oder im Endstadium der Karbonisierung oder Graphitierung, so daß
die Orientierung und somit auch die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts verbessert
werden. Tatsächlich wird bei der Erfindung die MÖglichkeit nicht ausgeschlossen,
das gesamte Strecken, Recken oder Dehnen während irgendeines Zwischenstadiums oder
während irgendwelcherZwischenstadien (Virfahrens-
Teilabschnitte)
auszuf-ühren, wenn die Natur des Materials und der Behandlung dies erlaubt.
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Das Kohle- bzw. Graphit-Endprodukt (hoch orientierter Film, faserige
Struktur, mit Struktur noch zusammenhängenden nebeneinanderliegenden Fasern, oder
Streifen-Bündel) ist, namlich infolge der außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften,
hervorragend geeignet für die Anwendung beim Verstärken von solchen Materialien
wie Kunststoffen (Plastiks), Harzen oder Kunstharzen und Metallen, wo es erwünscht
ist, die Kohle oder das Graphit zu verankern (ggf.
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einzubetten) mit bzw. in der Richtung der Molekularorientierung parallel
zu der endgültigen Streckrichtung (Richtung der Beanspruchung) der Zusammenbeispielsweise:
setzung (d.h. # die Molekular- Orientierungsrichtung des zwecks Verstärkung, z.B.
in Kunststoff eingebetteten Materials soll parallel sein zur Richtung der Beanspruchung
des verstärkten Kunststoffs).
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Die Erfindung wird nun noch anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben
werden; aber dies bedeutet keine Beschränkung der Erfindung.
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Beispiel I Gemäß diesem Beispiel wird ein Film (Band) aus purem akrylischem
Polymer (entweder Volyakrylonitril -Polyakrylsäurenitril, Vinylzyanid - oder Polyakrylnitril
bzw. Polyakrylsäurenitril, das bis zu 15 % anderer co-monomerer Gruppen enthält)
hergestellt durch Auflösen des Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel, wie beispielswelse
Dimethyl-Formamid, und durch Gleßen dieser Lösung in einen dünnen Film auf eine
Glasplatte, und durch Trocknen dieses Films, so daß als Endprodukt ein Film aus
akrylischem YoLymer von ungefährt 20 µ Dicke entsteht, Dieser getrocknete FiLm wird
in Streifen von geeigrleer Breite geschnitten und gestreckt, damit die Molekular@truktur
gerichtet
(orientiert) wird, so daß dem Film ein potentiell "fibriller" (potentiell-faseriger)
Charakter verliehen wird. Dieses Strecken oder Recken wird,wenn notwendig, unterstützt
durch "Plastizisieren" des akrylischen Films durch Vorquellen des Film in einem
geeigneten schwellenden Agens (Schwellmittel, Quellmittel), und wenn gewünscht auch
durch Anwendung von Wärme.
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Dann folgt ein Kneten zwischen den gummibelegten Walzen eines Walzensatzes,
bei dem die einzelnen Walzenachsen schräg zur Durchlaufrichtung und/oder schräg
zueinander stehen, wodurch der orientierte Film in ein faseriges Band oder dgl.
fibrilliert wird. Dieses Band (Film) wird dann geeigneten degradierenden, karbonierenden
und graphitierenden Wärmebehandlungen unterzogen (unter Zugspannung in den frühen
Stadien des Prozesses, so daß der gewünscht hohe Grad der Orientierung durchgängig
durch das Verfahren bis zum Endprodukt beibehalten oder konserviert wird.
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Das resultierende Band (Film) von Kohlefäden (Karbonfäden) kann dann
vorteilhafterweise für stärkungszwecke, wie oben beschrieben, benutzt werden.
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Beispiel II Gemäß diesem Beispiel ist der Film ein Zellulose-Film.
Es wird eine 5 %ige Lösung von Zellulose-Sekundä-Azetat-Pulver in Azeton hergestellt5
und von dieser wird aus eine Glasplatte ein Film gegossen0 Nach Abdampfen des Lösungsmittels
und nach Abnehmen von der Platte wird der Film, während er in 80/20 M@thylen-chlorid
Benzene (Benzol) eingetaucht ist, mit einem Streckverhältnis von 2 gestreckt bzw.
gedehnt und danrl be1-bzwe mit der gestreckten Länge in Luft getrocknet.
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Der gestreckte Film wird dann in eine wässrige Lösung eingetaucht,
die 2 % Phenol und 2 % Nntriumsulfat enthält und bei 60 Cgehalten wird, und dann
mit einem Streckverhaltnis von 7,5 gestreckt, so daß also ein Gesamt-Streckverhältnis
von 15 besteht.
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WtShrend des zweiten Abschnitts des Streckens tendiert der Film dazu,
sich dank des sehr bekannten Phänomens der spontanen Ausdehnung auszubreiten (zu
vergrößern) aber man überlagert die auf gezwungene Ausdehnung dieser Tendenz, um
nämlich ein.höeres Maß von Moiekularorientierung im Film zu erzielen. Der voll gestreckte
Film wird in Wasser von normaler Temperatur gewaschen, und zwar wird hierbei sein
gestreckter Zustand aufrechterhalten.
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Schließlich wird der Film in Zellulose durch S.aponifizieren (Verseifen)
in einer 2 %igen Lösung von Kaliumhydroxyd in 50/50 Methanol/Wasser bei normalen
oder ordnungsgemäßen Temperaturen umgewandelt, es folgt ein Waschen, zuerst in 50/50
Methanol/Wasser und dann in Wasser, und schließlich folgt Trocknen in Luft bei ca.
500 C.
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So behandelter Film ist kräftig (zugfest) in der Richtung des Reckens
oder Streckens, aber in solcher Weise bzw. in solchem Ausmaß potentiell faserig
(für Faserbildung vorbereitet), daß er bei Reduzierung der seitlichen Nohärenz leicht
und schnell in fasriges Material umgewandelt werden kann, und zwar durch mechanische
Einwirkung, wie beispielsweise Kneten, Bürsten oder Kämmen oder dgl. oder durch
Reiben (Rubbeln) des Bands oder Films zwischen sich quer bewegenden Platten, die
das Material sandwichartig bea-rbeiten.
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Schließlich werden Degradierungs-, Karbonierungs-und Graphitierungs-Wärmebehandlungen
von geeignetem
Typ angewandt; das Faserband oder dgl. wird während
der Eingansstadien des Degradierens unter Spannung gehalten.
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- Patentansprüche -