DE2039355C3 - Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen und elastischen Kohlenstoffmaterials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen und elasti-Sehen Kohlenstoffmaterials, und sie erlaubt, Dichtungen herzustellen, die besonders bei hohen Temperaturen vorzügliche Eigenschaften besitzen. Die Erfindung ermöglicht dieses Ergebnis durch Vereinigung zweier wesentlicher Bestandteile, nämlich von aufgeblähtem Graphit einerseits und von Kohlenstoff-Fasern andererseits.

Aufgeblähter Graphit wurde in der Literatur zum ersten Mal im Jahre 1865 von Gottschalk und dann von Moissaη beschrieben. Er wird technisch 4" Ineist durch sehr rasches thermisches Erhitzen von lamellcnförmigen Komplexen oder von Restkomplexen hergestellt, vor allem von schwefelsaurem Graphit oder von einem durch Waschen mit Wasser »ersetztem Komplex. Die Ausgangsteilchen werden gebildet entweder aus Kish-Graphit oder auch noch §us pyrolytischem Kohlenstoff, der erneut bei hoher Temperatur behandelt wird, sowie aus natürlichem Craphit in Blättchenform.

Aufgeblähter Graphit liegt z. B. in Form sehr leichter wurmförmiger Teilchen vor, deren Ausdehnung längs der kristallischen Achse c über 100 liegen kann. Die scheinbare Dichte eines solchen Pulvers liegt zwischen 10 und 50 g/dm³.

Die Netzebenen des Graphits sind nicht alle voneinander getrennt, sondern sind zu 10 oder zu 20 linsenförmig gruppiert. Hierbei wird dos Auseinandertreiben der Netzebenen der lamellenförmigen Verbindungen oder der Rückstandsverbindung von dem raschen Ausscheiden der Zwischengittervcrbindung während der thermischen Behandlung hervorgerufen.

Auf Grund der großen Oberfläche des Blättchens, das etwa 600 bis 800 μπι in seiner größten Ausdehnung mißt, und seiner geringen Dicke von etwa 50 bis 100 A (zwischen zwei Bündeln von Kohlenstofl-Netzebenen, die voneinander durch einen größeren Abstand als den Netzebenenabstand getrennt sind), ist die Einarbeitung jedes Materials möglich, das in Form geeigneter Fasern oder eines Pulvers vorliegt.

Kohlenstoff-Fasern sind bekannt. So ist z. B. in der französischen Patentschrift 12 69 274 ein Verfahren zur Herstellung von Fasern, Flocken, Wolle und Gewebe aus Kohlenstoff beschrieben.

Ferner ist nach der USA.-Patentschrift 34 62 340 bekannt, pyrolytische Graphit-Fasern in Pyrolyse-Graphit einzubetten. Diese beiden Rohstoffe sind jedoch verschieden von den in der vorliegenden Anmeldung empfohlenen Ausgangsstoffen und liefern keine elastische Produkte.

Weiterhin wird in derUSA.-Patentschrift 34 13 239 die Verwendung von aufgeblähtem Graphit vorgeschlagen, jedoch können mit den dort als Fasern genannten Materialien nicht die erfindungsgemäßen temperaturbeständigen und zugleich sehr elastischen Endprodukte gewonnen werden.

In der deutschen Auslegeschrift 12 53 130 ist zv, ar gesagt, daß man aufgeblähten Graphit mit Fasern zur Erhöhung der Festigkeit mischen kann. Das erfindungsgemäße spezielle Kohlenstoff-Faserniaterial wird jedoch in dieser Veröffentlichung nicht offenbart.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, aufgeblähten Graphit und Kohlenstoff-Fasern mit entsprechenden Eigenschaften zu vereinigen, um ein Material zu erhalten, das gegen höhere Temperaturen beständig und außerdem sehr elastisch ist. Das erfindungsgemäße Material soli insbesondere zur Herstellung von Dichtungen geeignet sein, die höhere Temperaturen aushalten, und es soll hieibei gleichzeitig seine Elastizität bewahren.

Es wurde gefunden, daß man ein hochtemperaturbeständiges und elastisches Material durch homogene Mischung von aufgeblähtem Graphit und verstärkenden Fasern und durch anschließendes Verpressen dieser Mischung herstellen kann, wenn man als verstärkendes Fasermaterial kardierte Kohlenstoff-Fasern verwendet und die Mischung von Graphit und Fasern im Fließbett vornimmt.

Der Durchmesser der Fasern soll zwischen 5 und 15 |im betragen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Kohlenstoff-Fasern kardiert, wobei man Fasern mit einem scheinbaren Durchmesser von 5 bis 10 mm erhält. Aufgeblähter Graphit und die Fasern werden dann bei Raumtemperatur in einem Fließbett gemischt. Die Fasern umgeben sich allmählich mit wurmförmigen Teilchen von aufgeblähtem Graphit. Nach Stoppen des Fließbettes wird die Mischung dann unter einem Druck zwischen 50 und 2000 at komprimiert oder je nach den erwünschten Eigenschaften auch gewalzt.

Die Eigenschaften des so erhaltenen Materials sind:

a) Dichtigkeit gegenüber Flüssigkeiten und Gasen (neutralen und reduzierenden) bei Temperaturen über 600° C,

b) Elastizität der Dichtung unter einem in eine Richtung gehenden Druck. Diese Elastizität beträgt etwa 15 bis 20°/o, das Material nimmt genau seinen ursprünglichen Wert wieder an, wenn der Druck aufgehoben wird.

Auf Grund dieser hochtemperaturbeständigen und gleichzeitig elastischen Eigenschaften eignet sich das

erfindungsgemäß hergestellte Material als Schutz- und/oder thermisches Isoliermaterial. Es kann in allen Dimensionen verfertigt werden. Man kann es besonders leicht in Folien geringer Dicke (1 bis 2 mm) herstellen, die z. B. hervorragend für Dichlungen anwendbar sind und in beliebiger Form hergestellt werden können.

Die folgenden Beispiele sollen die Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung genauer erläutern. Daneben werden in den Beispielen Ver-Suchsergebnisse mit den zu erhaltenden Materialien mitgeteilt.

Beispiel 1

In ein senkrechtes Rohr mit einem Durchmesser von 200 mm und einem Meter Länge füllt man 50 g aufgeblähten Graphit, der etwa 3 dm³ Volumen einnimmt, und die gleiche Volumenmenge an kardierten Kohlenstoff-Fasern, die einen Kohlenstoif-Gehalt von 90 bis 95⁰Zo und einen Aschegehalt von 0,6 °,Ό haben. Ein von unten durch das Rohr geleiteter Gasstrom erlaubt es, die Mischung homogen durchzurühren. Nach 10 min Rühren bringt man die sehr voluminöse Mischung in eine Kunststoff-Form mit einem inneren Durchmesser von 90 mm, in der ein Druck von 10 at angewendet wird.

Auf den Boden der Form bringt man eine dünne Schicht von lose geschüttetem Pulver aus aufgeblähtem Graphit in einer Dicke von 3 mm auf, gibt dann die vorgebildete Mischung aus Fasern und aufgeblähtem Graphit hinzu und bedeckt schließlich das Ganze mit einer 3 mm dicken Schicht aus aufgeblähtem Graphit.

Das Ganze wird — wie vorstehend beschrieben — bei 10 at verdichtet und in eine Metallform gebracht, deren Durchmesser etwas größer ist als der der Kunststoff-Form. Bei einem Druck von nunmehr 100 at erhält man eine Scheibe mit einem Durchmesser von 92 mm und einer Dicke von 2 mm.

Mit diesem so hergestellten Material wurde folgender Versuch durchgeführt:

Aufeinanderfolgende- Belastungen und Entlastungen mit einem Druck von 7.5 at ergeben eine Elastizität von ¹ZiO mm ohne Hysterese und ohne Elastizitätsverlust in einer Reiht von 20 Zyklen bei Raumtemperatur.

Beispiel 2

Eine Folie von 2 mm Dicke wird hergestellt durch Pressen zwischen zwei weichen Kartonblättern einer im Fließbett hergestellten Mischung, wie sie im Beispiel 1 beschrieben ist. Das Volumen dieser Mischung besteht aus 70° 0 Fasern mit einem Kohlenstoffgehalt von 90 bis 95" u. die einen Durchmesser von 5 bis 12 μ aufweisen, und aus 30*/o aufgeblähtem Graphit.

Das erhaltene Produkt kann eine Dichtung mit einem Durchmesser von 30 mrr. bilden. Wenn man bei der Montage an Stelle einer Dichtung aus nor- \v... -in Gummi die erfindungsgemäße Dichtung verwendet, so ist diese auch bei einem Vakuum \on 0.1 mm Hg dicht.

Die Elastizität der nach diesem Beispiel hcrgestelhen Dichtung kann mit folgender Vorrichtung gemessen werden:

Die Dichtung wird /wischen zwei Graphitzylinder gebracht, die von außen durch Ringheizkörper geheizt und zwischen zwei wassergekühlte Abdeckplatten gestellt werden. Das Ganze wird zwischen den beiden Flächen einer Presse gehalten. Der bei einer Temperatur von 600 C angewendete Druck beträgt 10 at. Der gemessene Rückprall beträgt 17" .1 ohne Hysterese nach 10 aufeinanderfolgenden Z\klen von Belastungen und Entlastungen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines hochleiHpcraturbesiaiidigcn üfid elastischen Kohlenstoffmaterials durch homogene Mischung von aufgeblähtem Graphit und verstärkenden Fasern und anschließendes Verpressen dieser Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß als verstärkendes Fasermaterial kardierte Kohlenstoff-Fasern verwendet werden und daß die Mischung von Graphit und Fasern im Fließbett vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltene Mischung unter einem Druck von 50 bis 2000 at verdichtet oder gewalzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltene Mischung zwischen zwei porösen Kartonblättern verdichtet oder gewalzt wird, die danach wieder entfernt werden.