DE19910985A1

DE19910985A1 - Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen

Info

Publication number: DE19910985A1
Application number: DE1999110985
Authority: DE
Inventors: Horst Magenau; Norbert Breuer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2019-03-13
Also published as: DE19910985B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen vorgeschlagen, wobei zunächst Fasern (10) oder eine Faserstruktur (20) über ein Abscheideverfahren oberflächlich mit einer Metallbeschichtung (13) aus mindestens einer Metallschicht versehen werden. Danach werden die Fasern (10) oder die Faserstruktur (20) dann über ein Trennverfahren von der Metallbeschichtung (13) entfernt, so daß die Metallbeschichtung (13) nach dem Trennverfahren die metallische Hohlfaser (11) oder Hohlfaserstruktur (30) bildet. Als Faserstrukturen (20) oder Fasern (10) eignen sich besonders nichtmetallische Materialien wie thermoplastische Kunststoffe, Teflon oder Naturfasern sowie Gewebe, Vliese oder Netzwerke daraus.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung metalli scher Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen nach der Gattung des Hauptanspruches.

Metallische Hohlfasern in Form von Kapillaren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiterhin ist auch bekannt, me tallische Hohlfasergewebe zu erzeugen, indem Metallkapilla ren miteinander verwoben werden. Dieser Webvorgang ist je doch bei Verwendung sehr dünner (< 10 µm) oder sehr dicker (< 1 mm) Kapillarwandstärken schwierig zu realisieren.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß es in sehr einfacher Weise und kostengünstig erlaubt, metallische Hohlfasern oder nahezu beliebige zwei- oder dreidimensionale Hohlfaserstrukturen in einem sehr weiten Bereich von Wandstärken der einzelnen Fa sern zu erzeugen. Dazu wird eine vorgegebene Faser oder Fa serstruktur mit einem Abscheideverfahren mit einer Metallbe schichtung überzogen und danach über ein Trennverfahren die ursprüngliche Faser oder Faserstruktur entfernt, so daß die verbleibende Metallbeschichtung die metallische Hohlfaser oder Hohlfaserstruktur bildet. Die vorgegebene Faserstruktur wird somit vollständig auf die Hohlfaserstruktur übertragen, wobei als Parameter die Wandstärke und die Zusammensetzung der Hohlfasern zur Verfügung stehen.

Weiterhin ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren auch sehr einfach, die Innenräume der einzelnen Hohlfasern mit einander zu verbinden, ohne daß ein zusätzlicher fertigungs technischer Aufwand erforderlich wäre. Somit eröffnet sich die Möglichkeit, zwei- oder dreidimensionale Netzwerke oder Hohlfaserstrukturen zur Gas- oder Flüssigkeitsführung in den Hohlfasern herzustellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist es besonders vorteilhaft, wenn als ursprüngliche, zu metallisierende Faserstrukturen oder Fasern nichtmetallische Materialien wie insbesondere nichtmetallische Gewebe, Vlie se, Netzwerke oder Fasern eingesetzt werden. Als besonders günstig haben sich dabei thermoplastische Kunststoffe, ins besondere Polypropylen oder Polyamid, Polytetrafluorethylen fasern (Teflonfasern), Polyacetat oder Naturfasern herausge stellt, wobei sich thermoplastische Kunststoffe sehr einfach und vorteilhaft durch Spritzgießen in der gewünschten Struk tur herstellen lassen. Überdies zersetzen sie sich thermisch vorteilhaft unterhalb des Schmelzpunktes der im weiteren darauf aufgebrachten Metallbeschichtung oder sie werden bei Erwärmen dünnflüssig und fließen aus den verbleibenden Hohl faserstrukturen aus oder verbrennen. Vielfältige Prozesse zur Metallisierung von Kunststoffen lassen sich im übrigen vorteilhaft auch auf Naturfasern anwenden.

Es ist jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch vor teilhaft möglich, metallische Faserstrukturen aus einem er sten metallischen Material als Ausgangsstrukturen oder Fa sern zu verwenden und auf diesen Ausgangsstrukturen ein zweites metallisches Material in Form einer Metallbeschich tung abzuscheiden, so daß später nach dem Trennverfahren ei ne Hohlfaserstruktur aus dem zweiten metallischen Material verbleibt. In diesem Fall muß lediglich ein Trennverfahren zur Verfügung stehen, das selektiv das erste Material auf löst. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das erste Material uned ler ist als das zweite Material, so daß das erste Material beispielsweise in einer elektrochemischen Reaktion in einem Elektrolytbad aufgelöst werden kann. Es genügt jedoch auch allgemein, wenn eine selektive chemische Reaktion bekannt ist, mit der das erste Material zersetzt werden kann, die aber das zweite, die späteren Hohlfasern bildende Material nicht angreift.

Als Abscheideverfahren zur Erzeugung der metallischen Be schichtung auf den Fasern oder Faserstrukturen eignen sich sehr vorteilhaft eine große Zahl jeweils an sich bekannter Verfahren aus denen der Fachmann anhand der jeweiligen kon kreten Aufgabenstellung auswählen kann.

So kommt als Abscheideverfahren eine galvanische Abscheidung in einem Galvanikbad, eine außenstromlose Abscheidung, bei spielsweise von Edelmetallen, eine Schmelzmetallisierung, insbesondere im Fall niedrig schmelzender Metalle, ein PVD- Prozeß ("physical vapour deposition"), eine Plasmaabscheide prozeß, ein CVD-Prozeß ("chemical vapour deposition") oder eine Kombination dieser Verfahren in Frage. Diese Prozesse sind jeweils an sich gut beherrschbar und weitverbreitet. Details dazu sind beispielsweise W. Menz und P. Bley, "Mi krosystemtechnik für Ingenieure", 1993, VCH-Weinheim oder K. Heymann et al., "Kunststoffmetallisierung", 1991, Leuze Ver lag, Saulgau, zu entnehmen.

Im Fall der Abscheidung der Metallbeschichtung auf einer Kunststofffaserstruktur oder -faser hat sich die galvanische oder außenstromlose Metallisierung in einem Bad als beson ders günstig herausgestellt. Diese Verfahren bestehen übli cherweise aus drei Schritten: einer Vorbehandlung des Sub strates, einer sogenannten Oberflächenaktivierung des Sub strates, beispielsweise durch eine Metall- oder Edelmetall bekeimung und der eigentlichen Metallabscheidung. Während der Vorbehandlung, die vorteilhaft über eine Plasmabehand lung mit Sauerstoff oder Argon erfolgt, wird die Substrat oberfläche bei Bedarf gereinigt und gegebenenfalls hinsicht lich ihrer Morphologie und chemischen Zusammensetzung modi fiziert.

Die außenstromlose Metallisierung ist besonders vorteilhaft zur Metallisierung elektrisch nicht leitender Materialien geeignet. Dazu müssen nach der Vorbehandlung jedoch in der Regel aktive Oberflächenstellen erzeugt werden, was vorteil haft über eine an sich bekannte Edelmetallbekeimung ge schieht.

Die galvanische Abscheidung bedarf einer elektrisch leitfä higen Oberfläche der Faserstruktur vor der Metallabschei dung. Diese Leitfähigkeit kann entweder über eine Volumen leitfähigkeit durch Verwendung elektrisch leitfähiger Poly mere als Faserstruktur gegeben sein, oder durch geeignete Zusatzstoff wie Graphit oder eine vorausgehende Startmetal lisierung der Faserstruktur gewährleistet werden. Sehr vor teilhaft zur Startmetallisierung sind insbesondere PVD- Verfahren, wie sie aus der Leiterplattenfertigung bekannt sind. Nach der so erfolgten Startmetallisierung wird dann über die galvanische Abscheidung die erzeugende Metallbe schichtung in der gewünschten Schichtdicke aufgebracht.

Einziges einschränkendes Kriterium für das Abscheideverfah ren ist die Anforderung, daß sich die als Ausgangsform be nutzte Faserstruktur während dieses Abscheideverfahrens und bei den gewählten Verfahrensparametern, insbesondere hin sichtlich Temperatur und möglicher chemischer Reaktionen mit den im Laufe des Abscheideverfahrens auftretenden chemischen Komponenten, nicht wesentlich verändert. Prinzipiell kommen unter dieser Einschränkung als Substratmaterialien für die Faserstruktur alle Materialien in Frage, die metallisierbar sind und sich in der gewünschten Struktur herstellen lassen.

Da die ursprüngliche Faserstruktur nach der Metallabschei dung entfernt wird, können an die Haftfestigkeit der abge schiedenen Metallschicht vorteilhaft niedrigere Anforderun gen gestellt werden, als dies beispielsweise bei Kunststoff metallisierungen üblicherweise der Fall ist. Überdies legt sich bei der Metallbeschichtung ein geschlossener Metallman tel um die Faserstruktur, welcher eine Delamination in wei teren Verfahrensschritten verhindert. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren in sehr vorteilhafter Weise auch eine Metallbeschichtung schwer zu metallisierender Materia lien wie Polytetrafluorethylen (Teflon) oder Polyamid, die somit ebenfalls als Ausgangsform bzw. Faserstruktur einge setzt werden können.

In der Regel ist für das erfindungsgemäße Verfahren eine ge ringe Haftfestigkeit der abgeschiedenen Metallbeschichtung auf der Faserstruktur sogar vorteilhaft, weil dadurch die nachfolgende Trennung von Metallschicht und Faserstruktur leichter erfolgen kann und beispielsweise auch weniger ag gressive Ätzmedien eingesetzt werden können, so daß im Trennverfahren beispielsweise auf Chromsäure verzichtet wer den kann.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin die Schichtdicke der abgeschiedenen Metallschicht und deren Zu sammensetzung in einem sehr weiten Bereich in einfacher Wei se eingestellt werden. Je nach gewünschter Anwendung der Hohlfaserstruktur und des gewählten Metallisierungsverfah rens sowie der Dicke der verwendeten Faserstruktur kann die Wandstärke der erzeugten Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen zwischen ca. 100 nm bis zu einigen Millimetern betragen.

Als Trennverfahren zur Entfernung der Faser bzw. Faserstruk tur von der abgeschiedenen Metallbeschichtung kommen eben falls eine Vielzahl von Verfahren in Frage, die lediglich dadurch gekennzeichnet sind, daß sie die als Ausgangsform verwendete Faserstruktur geeignet modifizieren bzw. zerset zen oder auflösen und gleichzeitig die abgeschiedene Metall beschichtung zumindest im wesentlichen unverändert belassen. Besonders vorteilhaft als Trennverfahren sind chemische oder thermische Zersetzungsverfahren der Fasern oder Faserstruk turen.

Weiterhin kann das Trennverfahren sehr vorteilhaft auch eine Überführung der Fasern oder Faserstrukturen von der festen Phase in die flüssige oder gasförmige Phase sein, um damit Fasern von der Metallbeschichtung zu lösen und die Hohlfa serstruktur zu erzeugen. Dazu kommt insbesondere ein Schmel zen oder Sublimieren der Faserstruktur oder ein Verbrennen oder ein Lösen in einem Lösungsmittel in Frage. Auch Kombi nationen dieser Trennverfahren wie das Schmelzen einer Kunststoffaserstruktur unter gleichzeitigem Verbrennen des Kunststoffes an einer Austrittsöffnung können beispielsweise bei engen Hohlfasern vorteilhaft sein.

Sofern bei dem ausgewählten Trennverfahren, beispielsweise durch chemische oder thermische Zersetzung der Faserstruk tur, Rückstände wie Verkokungsreaktionsprodukte, innerhalb der erzeugten Hohlfaserstruktur verbleiben, können diese sehr vorteilhaft durch ein nachträgliches Reinigungsverfah ren entfernt werden. Dieses Reinigungsverfahren verwendet vorteilhaft einen Gasstrom, insbesondere einen sauerstoff haltigen Gasstrom, der zur thermischen Oxidation bei erhöh ter Temperatur durch die erzeugte Hohlfaserstruktur bzw. Hohlfasern geführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr vorteilhaft zur Herstellung von Hohlfaserstrukturen, insbesondere mit hoher Oberfläche, in Wärmetauschern eingesetzt werden, wobei die Kapillarinnenräume zur definierten Fluidführung dienen und gleichzeitig über die geringen Wandstärken der Hohlfasern ein kurzer Wärmediffusionsweg gewährleistet ist.

Daneben eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Mikroreaktorstrukturen, wie sie zum Beispiel in der Wasserstofferzeugung aus Erdgas in einem Reformie rungsprozeß eingesetzt werden können. Bei einem derartigen Mikroreaktor oder derartigen Mikroreaktorstrukturen ist es erforderlich, daß im Inneren der Hohlfasern oder Hohlfaser strukturen eine für die jeweilige Mikroreaktion aktive Be schichtung oder Bekeimung vorliegt. Diese kann mit dem er findungsgemäßen Verfahren sehr einfach dadurch realisiert werden, daß die aktive Beschichtung entweder nach dem Trenn verfahren d. h. dem Entfernen der Fasern oder der Faserstruk tur im Inneren der metallische Hohlfasern oder Hohlfaser strukturen zusätzlich aufgebracht wird. Alternativ kann die aktive Beschichtung aber auch bereits eine metallische Schicht der vor dem Trennverfahren auf die Fasern oder Fa serstrukturen aufgebrachten Metallbeschichtung sein.

Schließlich kann die aktive Beschichtung auch durch eine zur Oberflächenaktivierung der Fasern oder Faserstrukturen vor der Abscheidung der Metallbeschichtung aufgebrachte Bekei mung (z. B. Pd-Bekeimung) gebildet werden, die zumindest teilweise nach dem Trennverfahren im Inneren der Metallbe schichtung verbleibt.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist die Erzeugung plattenförmiger Strukturen, die von einem metalli schen Hohlfasernetzwerk durchzogen sind, zum Einsatz im Wär memanagement bzw. der Wärmeregulierung von Leiterplattenan wendungen.

Die erzeugten Hohlfaserstrukturen eignen sich überdies gene rell zum Ersatz entsprechender dreidimensionaler Metallfa serstrukturen, da erstere bei gleicher mechanischer Festig keit eine geringere Dichte und damit ein geringeres Gewicht aufweisen und einen geringeren Materialeinsatz bei der Her stellung benötigen. Derartige dreidimensionale Hohlfaser strukturen können sehr vorteilhaft als Absorberwerkstoffe für mechanische Energie eingesetzt werden, wobei das Ab knicken einzelner Fasern unter einer äußeren Kraft d. h. eine plastische Verformung der Faser durch deren Wandstärke ge zielt eingestellt werden kann.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich nungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu tert. Es zeigt Fig. 1 eine Faserstruktur vor dem Beschich ten, Fig. 2 die Faserstruktur mit der Metallbeschichtung und Fig. 3 die metallische Hohlfaserstruktur nach dem Ent fernen der Faserstruktur.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein Gewebe aus Polypropylenfasern oder aus Polyamidfasern, das aus Fasern 10 besteht und eine Faser struktur 20 bildet. Die Faserstruktur 20 hat eine Größe von ca. 100 mm × 100 mm, der Durchmessern der Fasern 10 beträgt ca. 400 µm. Die Maschenweite der Faserstruktur 20 beträgt einige Millimeter.

Die Faserstruktur 20 wird zunächst durch ein an sich bekann tes Plasmaätzen mit Argon oberflächlich gereinigt und über einen PVD-Prozeß mit Palladium besputtert, so daß sich eine geschlossene, ca. 50 nm dicke metallische Palladiumschicht als Metallbeschichtung 13 um die Fasern 10 ergibt. Die der art leitend gemachte Faserstruktur 20 wird anschließend wei ter galvanisch mit einer ca. 200 µm dicken Nickelschicht versehen, die die Palladiumschicht verstärkt (siehe Fig. 2). Insgesamt ergibt sich somit eine ca. 200 µm dicke Metallbe schichtung 13 aus Palladium und Nickel auf der Faserstruktur 20 bzw. den einzelnen Fasern 10. Nach der Metallisierung werden die Seitenflächen der metallisierten Fasern 10 bzw. der metallisierten Faserstruktur 20 angeschliffen, um das nachfolgende Entfernen der Polypropylenfasern oder der Po lyamidfasern zu ermöglichen.

Danach wird durch langsames, gleichmäßiges Erhitzen der me tallisierten Faserstruktur 20 das Polypropylen bzw. das Po lyamid verflüssigt, so daß es aus den über das Anschleifen erzeugten Austrittsöffnungen abfließt und dort zumindest teilweise verbrennt. Nach diesem Trennprozeß der Fasern 10 von den verbleibenden metallischen Hohlfasern 11 entsteht eine gasdurchlässige Hohlfaserstruktur 30 aus im wesentli chen Nickel mit einzelnen Hohlfasern 11, die untereinander gasdurchlässig verbunden sind.

Abschließend wird die erzeugte Hohlfaserstruktur 30 im Sau erstoffstrom bei erhöhter Temperatur von möglicherweise noch anhaftenden Rückständen der Faserstruktur 20 zusätzlich ge reinigt.

Es ist offensichtlich, daß die erläuterten Ausführungsbei spiele hinsichtlich der Anzahl, der Zusammensetzung und der Dicke der abgeschiedenen Metallbeschichtung 13 vielfältig variiert werden können. So können beispielsweise auch Me tallschichten unterschiedlicher Zusammensetzung sequentiell abgeschieden werden. Auch hinsichtlich der konkreten Ausge staltung der Faserstruktur 20 bieten die erläuterten Bei spiele vielfältige Variationsmöglichkeiten.

Bezugszeichenliste

10

Faser

11

metallische Hohlfaser

12

Hohlraum

13

Metallbeschichtung

20

Faserstruktur

30

metallische Hohlfaserstruktur

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Fasern (10) oder eine Faserstruktur (20) über ein Abscheide verfahren oberflächlich mit einer Metallbeschichtung (13) aus mindestens einer Metallschicht versehen werden und daß danach die Fasern (10) oder die Faserstruktur (20) über ein Trennverfahren von der Metallbeschichtung (13) entfernt wer den, wobei die Metallbeschichtung (13) nach dem Trennverfah ren die metallische Hohlfaser (11) oder Hohlfaserstruktur (30) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Faserstrukturen (20) oder Fasern (10) nichtmetalli sche Materialien, insbesondere nichtmetallische Gewebe, Vliese, Netzwerke oder Fasern eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallischen Materialien thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polypropylen oder Polyamid, Poly tetrafluorethylenfasern (Teflonfasern), Polyacetat oder Na turfasern sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abscheideverfahren eine galvanische Abscheidung, ei ne außenstromlose Abscheidung, eine Schmelzmetallisierung, ein PVD-Prozeß, eine Plasmaabscheideprozeß, ein CVD-Prozeß oder eine Kombination dieser Verfahren eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschichtung (13) eine Dicke von 100 nm bis 3 mm hat und die Fasern (10) vollständig umgibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Faser (10) oder Faserstruktur (20) vor der Abscheidung der Metallbeschichtung (13) einer Vorbehandlung zur Reinigung und/oder Oberflächenmodifikation unterzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung eine Plasmabehandlung oder ein Plas maätzen, insbesondere mit Argon oder Sauerstoff, ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Faser (10) oder Faserstruktur (20) vor der Abscheidung der Metallbeschichtung (13) einer Oberflächenak tivierung, insbesondere einer Metallbekeimung unterzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschichtung (13) mindestens ein Edelmetall enthält oder aus mindestens einem Edelmetall besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennverfahren ein Verfahren zur chemischen oder thermischen Zersetzung der Fasern (10), ein Verfahren zur Überführung der Fasern (10) von der festen Phase in die flüssige oder gasförmige Phase, insbesondere ein Schmelzen, Sublimieren oder ein Verbrennen, ein Lösen in einem Lösungs mittel oder eine elektrochemische Reaktion ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trennverfahren ein Reinigungsverfahren der metalli schen Hohlfasern (11) oder metallischen Hohlfaserstrukturen (30) nachgeschaltet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsverfahren eine thermische Oxidation in ei nem sauerstoffhaltigen Gasstrom ist.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschichtung (13) im Inneren der metallischen Hohlfaser (11) oder Hohlfa serstruktur (30) eine für eine Mikroreaktion aktive Be schichtung oder Bekeimung aufweist oder mit einer solchen versehen wird.

14. Verwendung metallischer Hohlfaserstrukturen (30) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Wärmetauschern, insbesondere von Wärmetauschern mit de finierter Fluidführung durch die Kapillarinnenräume und mit kurzen Wärmediffusionswegen.

15. Verwendung metallischer Hohlfasern (11) oder Hohlfa serstrukturen (30) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Mikroreaktoren, insbesondere zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas in einem Refor mierungsprozeß.

16. Verwendung metallischer Hohlfaserstrukturen (30) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung metallischer Kapillarnetze, insbesondere zum Einsatz in der Wärmeregulierung von Leiterplattenanwendungen.

17. Verwendung metallischer Hohlfaserstrukturen (30) als Absorbermaterialien für mechanische Energie.