DE2115548C3

DE2115548C3 - Verfahren und Vorrichtung zur partiellen Pyrolyse von Hochpolymeren

Info

Publication number: DE2115548C3
Application number: DE19712115548
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. 5070 Bergisch Gladbach Wartenberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-03-31
Filing date: 1971-03-31
Publication date: 1974-08-22
Also published as: DE2115548A1; DE2115548B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiellen Pyrolyse von Hochpolymeren sowie e>ne Vorrichtung zur Durchführung desselben. Unter Pyrolyse versteht man dabei allgemein den Vorgang, daß zahlreiche Hochpolymere durch Erhitzen im Vakuum oder in geeigneter Atmosphäre ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften ändern. Viele der interessanten Eigenschaften des pyrolysierten Materials haben schon technische Anwendung gefunden, so etwa die ungewöhnlich hohe auf das Gewicht bezogene Zugfestigkeil, die große H:irtc und Abriebfcstigkeit. die guten Hochtemperatureigenschaflen, die besonders hohe Resistenz gegen korrosiven Angriff, die Undurchlässigkeit für Gase usw. (z. B. B. Lersmacher, H. Lydtin und W. F. Knippenbcrg in Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik«, 42. Jahrgang, Heft 9 und 10 [1970], S. 659 bis 669, oder schweizerische Patentschrift 325 383). Die elektrische Leitfähigkeit kann Werte erreichen, die für Hochpolymere beachtlich groß sind (z. B. H. W. H e I berg und B. Wartenbe rg in Zeitschrift »physica status solidi [a|«, Bd. 3 [1970], S. 401 bis 405).

Nach dem Stand der Technik wird die Pyrolyse in ofen durchgeführt, in denen die Hochpolymcrcn-Fascrn oder -Stücke als Ganzes au( die nöligen Temperaturen erhitzt werden, wobei sie zumindest an der gesamten Oberfläche pyrolysieren (schweizerische Patentschrift 325 383). Ferner sind Vorfahren bekannt, die Eigenschaften von Kunststoffbahnen oder -folien dadurch zu verändern, daß man sie an einer Quelle vorbeiführt, die ionisierende Strahlen, insbesondere Gamma- oder Röntgenstrahlen, aussendet (österreichische Patentschrift 231 701).

Dabei kommt es zu keiner besonders starken Erwärmung im behandelten Material, zumindest gegen die erwünschten Maierialvcriinderungen nicht auf Erhitzung, sondern auf die ionisierende Wirkung zurück.

Andererseits sind Verfahren bekannt. Kunststoffe mit Hilfe eines scharf fokussierten Laserstrahls und geeigneter Relativbewegung zu verschweißen oder auf dem Wege der Materialverdampfung zu bohren, zu schneiden, zu gravieren usw. (britische Patentschrift I 145 298; J. Lee in Zeitschrift »Elektronik-An/eiger«. 3. Jahrgang, Heft 3 [1971 j, S. 59). Ferner wird in einer französischen Patentschrift (1 576450) ein Verfahren zur Dissoziation chemischer Verbindungen angegeben, bei dem mit Hilfe eines Ultrarot-Lasers eine Molekülschwingung derart stark angeregt wird, daß das Molekül aufspaltet. Dazu muß die Frequenz des Laserlichts sehr genau mit der Schwingungsfrequenz übereinstimmen. An Hand eines Beispiels, der Dissoziation des Gaser. Äthylchlorid wird betont, daß die Erwärmung bei dem Verfahren mit etwa 60 C recht gering bleibt, so daß die thermische Dissoziation, die bei etwa 400 C" einsetzt, keine Rolle spielt.

Es hat sich bewährt, die hohe Zugfestigkeit von pyrolysierten Hochpolymerfasern für Verbundwerkstoffe auszunutzen. Dazu bettet man die pyrolysierten Fasern in die zu verstärkenden Kunststoffe ein (z. B. Lersmacher und andere, s. oben). Entsprechend gießt man Drähte ein, wenn — z. B. für Heizmatten, heizbare Autofensterscheiben usw. — elektrisch leitende Bahnen in Kunststoffen benötigt werden. Diese Eingießverfahren erschweren die Massenproduktion, da die einzugießenden Teile beim Gießvorgang in der richtigen Lage gehalten werden müssen.

Während der Pyrolyse verformen sich Hochpolymerstückc häufig, so daß eine nachträgliche Bearbeitung erforderlich wird. Diese bereitet Schwierigkeiten wegen der Unlöslichkeit und der großen Härte des pyrolysierten Materials.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Eingießverfahren bzw. die nachträgliche Bearbeitung von pyrolysierten Hochpolymerstücken in vielen Fällen überflüssig zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem hochpolymeren Material nur jene Teile erhitzt und damit pyrolysiert werden, von denen Eigenschaften des pyrolysierten Materials gefordert werden. Als Wärmequelle, die v:ur lokal, d. h. räumlich eng begrenzt, wirksam ist, bietet sich wegen der scharfen Energiebündelung ein Laser an (benötigte Dauerstrich-Lichtleistung: einige Watt). Bei geeigneter Relativbewegung zwischen Laserstrahl und iioehpolymcrcm Material ist es möglich. Linien oder aus Linien entstehende Figuren gewünschter Form in das hochpolymere Material hineinzupyrolysieren. Man erhält einen Verbundwerkstoff aus unpyrolysiertem hochpolymercm Material und linienförmigen Gebilden aus pyrolysiertem hochpolymere™ Material. Eingießverfahren erübrigen sich. Werden mehrere parallele Linien gewünscht, kann man den Laserstrahl durch Beugung od. dgl. in mehrere Teilstrahlen aufspalten.

Da das hochpolymere Material die nötige Absorption für die verwendete Laserfrequenz aufweisen muß, kann es sich unter Umständen empfehlen, ihm einen geeigneten Farbstoff zuzusetzen. Falls eine Absorption im sichtbaren Spcktralbercich stört (z. B. heizbare Autofenstcischeibcn), kann z. B. mit eitler

im ultraroten liegenden Laserfreu uen* und entsprechendem Farbstoff gearbeitet werden.

Für einige Anwendungen bringt es Vorteile, wenn mil einem geschichteten Hachpolvmeren-Muterial gearbeitet wird, von dem nur die Mittelschicht absorbiert.

IiS entstehen dann elektrisch leitende Linien, die nach außen hin allseitig isoliert sind, was z. B. für die Hersellung elektrischer Widerstände oder Schaltungen nützlich sein kann.

Auch wenn kein Verbundwerkstoff, sondern nur ein Gebilde aus pyrolysicrtem hochpolymerem Material gewünscht wird, bietet das geschilderte Verfahren Vorzüge: Wegen der engen Verbindung mit dem unpyrolysierten Material tritt bei der Pyrolyse keint störende Verformung des pyrolvsierenden Materials auf. Deshalb ist nach Weglösen des unpyrolysierten hochpolymeren Materials meist keine Nachbearbeitung erforderlich.

Zur praktischen Durchführung des Verfahrens, das die Erfindung zum Gegenstand hat, empfiehlt sich folgende Vorrichtung: Es wird ein fokussierter Laserstrahl benutzt, der von zwei konzentrischen Rohren umgeben wird, von denen das äußere, um einige Millimeter längere, auf dem hochpolymeren Material aufsetzt. Zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr wird eine für die Pyrolysereaktion geeignete Atmosphäre — z.B. Inertgas — zugeführt.

to In dem inneren Rohr wird dieses Gas ζ tsammen mit den gasförmigen Pyrolyseprodukten abgesaugt.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt erstens darin, daß der Ort, an dem die Pyrolysereaktion stattfindet, n?oilich der Auftreffpunkt des Laser-Strahls, weitgehend gegenüber dem störenden Luftsauerstoff abgeschlossen ist. Zweitens können die gasförmigen Pyrolyseprodukte, die zum Teil giftige Gase enthalten, nicht in den Arbeitsraum entweichen.

Claims

2 Π5 Patentansprüche:

1. Verfahren zur partiellen Pyrolyse von Hachpolymeren, dadurch gekennzeichnet. daß man in dem hochpolymeren Ausgangsmatcrial durch lokale, d. h. räumlich eng begrenzte. Erhitzung mittels eines Laserstrahles sowie einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und hochpolymercm Material linienförmige Strukturen aus jo pyrolysiertem Material erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Absorption des I-aserlichtes im hochpolymeren Material durch Zusätze, z. B. Farbstoffe, gegebenenfalls nur in be- stimmten Schichten oder Teilen des zu bearbeitenden hochpolymeren Materials erhöht

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl von zwei etwa konzentrischen Rohren umgeben ist, wobei zwischen äußerem und innerem Rohr Inertgas oder ein anderes Tür o'if. Pyrolysereaktion geeignetes Gas zuführbair ist und in dem inneren Rohr Inertgas und gasförmige Pyrolyseprodukte absaugbar sind.