DE2204749A1 - Isotropic carbon bodies prodn - by pyrolysing aromatic resins of high glass temperature - Google Patents
Isotropic carbon bodies prodn - by pyrolysing aromatic resins of high glass temperatureInfo
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Abstract
Description
Patentbeschreibung Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen aus isotrobem Kohlenstoff Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen oder Werkstoffkomponenten in Verbündwerkstoffen aus isotrope Kohlenstoff durch Pyrolyse organischer Verbindungen. Patent description Process for the production of materials from isotropic carbon The invention relates to a method of production of materials or material components in composite materials made of isotropic carbon by pyrolysis of organic compounds.
Es ist bekannt, Körper aus isotropem Kohlenstoff durch thermischen Abbau von vorgeformten Polymeren herzustellen, die bei der Pyrolyse keine flüssige oder plastische Phase durchlaufen. Bei diesen Polymeren handelt es sich um hochvernetzte Thermodure, beispielsweise um Polyfurfurylalkohole und Phenol-Formaldehyd-Harze. Es ist ferner bekannt, für die Herstellung von polykristallinen Kunstkohlekörpern thermoplastische Binder, insbesondere Peche zu verwenden, Dem Erweichen und Schrumpfen des Binders wird durch die Granulometrie des Füllers und die Verwendung von Stützmassen-beim Brennen Rechnung getragen, wodurch allerdings di-' Brennverfahren kompliziert werden und die Eigenschaften (insbesondere die Porenverteilung) und Formen der herzustellenden Körper eng begrenzt sind. Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, durch chemische oder sonstige Härtungsmaßnahmen für das Bindemittel diese Nachteile zu überwinden, was schließlich in die bereits erwähnte Verwendung von Thermoduren einmündet. Nach dem heutigen Stand der Technik ist kein universell verWdbarer Binder bekannt, der einerseits mit einer einfachen Technologie verarbeitet werden kann und andererseits nicht auf bestimmte Anwendungsgebiete begrenzt ist.It is known to make isotropic carbon bodies by thermal To produce degradation of preformed polymers that are not liquid during pyrolysis or go through plastic phase. These polymers are highly cross-linked Thermodure, for example around polyfurfuryl alcohols and phenol-formaldehyde resins. It is also known for the production of polycrystalline carbon bodies to use thermoplastic binders, especially pitch, softening and shrinking of the binder is determined by the granulometry of the filler and the use of support masses Burning is taken into account, which, however, complicates the combustion process and the properties (in particular the pore distribution) and shapes of the products to be produced Bodies are tightly limited. There has therefore been no lack of experiments using chemical methods or other hardening measures for the binder to overcome these disadvantages, which finally leads to the already mentioned use of Thermoduren. To the current state of the art is not aware of any universally usable binder that on the one hand can be processed with a simple technology and on the other hand is not limited to certain areas of application.
Uberraschend wurde nun gefunden, daß dieses Problem durch VCrWendwr von im wesentlichen linear aufgebauten Poly...eren, die mindestens teilweise aromatische Strukturelemente enthalten und deren Glastemperatur oberhalb 500°C liegt, gelöst werden kann. DIese twberrascher-de Wirkung nämlich die nicht blähonde einheitliche Pyrolyse unter Ausbildung eines zusammenhängenden sehr festen isotropen Kokses, ist im einzelnen noch nicht geklnrt.It has now surprisingly been found that VCrWendwr of essentially linear polymers, which are at least partially aromatic Contain structural elements and whose glass transition temperature is above 500 ° C, dissolved can be. This twus-surprising effect namely the non-flatulent standardized Pyrolysis with the formation of a coherent, very solid isotropic coke, has not yet been clarified in detail.
Sicher trifft die bisherige Annahme, daß man zur Erzielung zusammenhängender isotropen Kohlenstoffkörper unter Sicherung einer hohen Koksausbeute stark vernetzte Polymere als Rohstoff zum thermischen Abbau verwenden muß, nicht zu. Die erfindungsgemäß im wesentlichen linear aufgebauten und mindestens teilweise aromatische Strukturelemente enthaltenden Polymere mit Glastemperaturen über 500 0C sind offenbar überhaupt nicht odr aber nur in untergeordnetem Maße vernetzt.Certainly the previous assumption applies that to achieve more coherent strongly cross-linked isotropic carbon bodies while ensuring a high coke yield Use polymers as raw materials for thermal degradation, not to. According to the invention essentially linear and at least partially aromatic structural elements containing polymers with glass transition temperatures above 500 0C are apparently not at all or networked only to a subordinate extent.
Des weiteren hat man bisher angenommen, daß ein zu pyrolysierendes Bindemittel sich über einen weiten Temperaturbereich thermisch abbauen soll, um den Abtransport der flüchtigen Produkte und die dadurch bedingten Sekundäreffekte wie Wärmeeffekte, Sekundärpyrolyse, Reaktionen nit Füllersubstanzen usw. über einen großen Temperatur- und Zeitbereich zu verteilen. Die Brennbehandlung erfolgt in fast allen Fällen mit einem kontinuierlichen Temperaturanstieg. Auch diese bisher als notwendig erachtete Maßnahme trifft für die im wesentlichen linear und mindestens teilweise aus aromatischen Strukturelementen bestehenden Polymere mit Glastemperaturen oberhalb 5000C nicht zu, da sie relativ gut temperaturbeständig sind. Es ist im Gegenteil ein zusätzliches Kennzeichen der Erfindung, daß man den thermischen Abbau unterhalb 5000C möglichst ausschließt.Furthermore, it has hitherto been assumed that a to be pyrolyzed Binder should thermally degrade over a wide temperature range in order to the removal of volatile products and the secondary effects caused by them such as heat effects, secondary pyrolysis, reactions with filler substances, etc. over one to distribute a large temperature and time range. The firing treatment takes place in almost all cases with a continuous rise in temperature. Also this one so far Measure deemed necessary for the essentially linear and at least Polymers partially consisting of aromatic structural elements with glass transition temperatures not to above 5000C because they are relatively temperature resistant. It is in On the contrary, an additional feature of the invention that there is thermal degradation below 5000C as far as possible.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Polymeren mit r,lastemperaturona 50G0C werden in fast idealer Weise die Vorteile der Thermoduranwendung mit den Vorteilen der Verwendung, thermoplastisnher Bindemittel vereinigt. Durch die erfindunsgemäße Verwerdung, von Polymeren mit mindestens teilweise aromatischen Strukturelementen werden nach derrl thermischen Abbau Koksausbeuten erreicht, die zwar nicht ganz die der besten Thermodure erreichen, aber doch oberhalb 50 % liegen. Ganz besonders bewährt haben sich Polymere aus der Gruppe der Polyimide, wie in den nachstehenden Beispielen nährr emläutert wird. Tr(tz des relativ hohen Herstellungspreises dieser Polymeren ist deren Einsatz bei der erfindungsgemäßen Herstellung von KflWrprrn aus isotropen Kohlenstoff wegen der sehr vereinfactlten Verfahrensweise bein thermischen Abbau und wegen der außergewöhnlichen Eigenschaften der so hergestellten Stoffe gerechtfertigt.By using polymers according to the invention with r, last Temperaturona 50G0C will almost ideally combine the benefits of thermal application with the benefits the use of thermoplastic binders. By the inventive Vererdung, of polymers with at least partially aromatic structural elements coke yields are achieved after thermal degradation, although not quite that of the best thermal treatment, but are still above 50%. Most notably Polymers from the group of polyimides, such as those below, have proven useful Examples are explained in detail. Despite the relatively high manufacturing price of these Polymers is their use in the production of KflWrprrn according to the invention made of isotropic carbon because of the very simplified procedure thermal Degradation and because of the extraordinary properties of the substances produced in this way justified.
Eine gewisse obere Pegrenzun besteht lediglich bei der Dicke für solche Körper aus isotropem Kohlenstoff, die durch Pyrolyse aus reinen Polymeren ohne weitere Zusätze hergestellt werden.A certain upper limit only exists for the thickness for such Body made of isotropic carbon, obtained by pyrolysis from pure polymers without any further Additives are made.
Eine derartige Llmitierung gilt auch rür die bisher bekannten Rohstoffe für Formkörper aus isotropen Kohlenstoff. Diese Begrenzung der Abmessungen in einer Dimension kann sinngemäß auch auf a.rerbrmdkörper angewendet werden, wobei sich 8Taximalgrößen der Polymerbereiche zwischen den eingelagerten Materialien ergeben.Such a limitation also applies to the raw materials known up to now for molded bodies made of isotropic carbon. This limitation of dimensions in one Dimension can analogously also be applied to a.rerbrmdkörper, whereby 8 Maximum sizes of the polymer areas between the embedded materials result.
Diese Dimensionsbegrenzung hat aber keine Bedeutung für die äußeren Abmessungen des Verbundkörpers.This dimension limitation has no meaning for the external ones Dimensions of the composite body.
Die Wirkungsweise des Polymeren beim thermischen Abbau in Verbundkörpern ist nicht genau geklärt. Sicher ist nicht der Transportweg für flüchtige Produkte allein dafür ausschlaggebend, sondern vermutlich das Schrumpfverhalten während der Pyrolyse. Beim Abbau selbsttragender und von jeder Verstärkungskomponente freien Körper ist eine isotrope Schwindung garantiert.How the polymer works during thermal degradation in composite bodies is not exactly clarified. The transport route for volatile products is not safe solely decisive for this, but presumably the shrinkage behavior during the Pyrolysis. When dismantling, it is self-supporting and free of any reinforcement component Body is guaranteed isotropic shrinkage.
In Verbundkörpern oder aber in während der Pyrolyse machnisch in Formen fixierten Polymerkörpern muß eine gewisse Umlenkung der Pyrolyseechrumpfltrg In eine Vorzugsrichtung erfolgen. Dies ist offensichtlich nur in einem gewissen Unifang, d.h. bei begrenzter Dicke, möglich. Es ist ein besonderes Kennzeichen dieser Erfindung, als Verstärkungskomponente temporär Imd reversibel ihermoplastisch verformbare Verburdkörperkomponenten zu verwenden.In composite bodies or machnically in molds during pyrolysis fixed polymer bodies must have a certain deflection of the pyrolysis shrinkage In a preferred direction take place. Obviously this is only in a certain unifang, i.e. possible with limited thickness. It is a special feature of this invention, as a reinforcement component temporarily and reversibly in thermoplastically deformable verb body components to use.
Silikatglas hat sich dafür besonders bewährt. Durch die Plastizität de Glases bei erhöhter Temperatur werden Schrumpfspannungen in der Kohlenstoffmatrix abgebaut, dadurch kann die Dicke der Körper gegenüber Körpern ohne Glas zusatz erheblich gesteigert werden, ohne daß Risse auftreten. Die plastische Glas phase verbessert außerdem bei erhöhter Temperatur die mechanische und thermische Schockbeständigkeit.Silicate glass has proven particularly useful for this. Through the plasticity de glass at elevated temperature, shrinkage stresses in the carbon matrix degraded, which means that the thickness of the body can be considerably greater than that of bodies without the addition of glass can be increased without cracks occurring. The plastic glass phase improves in addition, mechanical and thermal shock resistance at elevated temperatures.
Es hat sich ezeigt, daß vorgeformte Körper aus den erfindlnrnsgemaß ausgewählten Polymeren während des thermischen Abbaus in ihrer Form erhalten bleiben. Es bewährte sich aber, diese Konservierung der Form durch mechanische Maßnahmen zu unterstützen, z.f3. durch Anwendung mechanischer Hilfsmittel wie -Auflaeflächen, Gesenke oder Preßformen aus verschiedenen Materialien. Kohlenstoff bewährte sich dabei wegen seines geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besonders gut.It has been shown that preformed bodies from the invention selected polymers are retained in their shape during thermal degradation. However, this form of preservation by mechanical means has proven successful to support e.g. f3. by using mechanical aids such as support surfaces, Dies or dies made of different materials. Carbon proved its worth particularly good because of its low coefficient of thermal expansion.
Es wurde gefunden, daß das Anbacken der Polymeren an der Auflagefl.che verhindert werden muß, etwa durch an sich bekannte Trennmittel und Schlichten wie z.B. durch Aufstriche von Graphitsuspensionen. Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, daß man zu diesem Zweck besonders vorteilhaft handelsübliche Graphitfolie verwenden kann.It was found that the caking of the polymers on the support surface must be prevented, for example by known release agents and coatings such as e.g. by spreading graphite suspensions. It is a feature of this invention that it is particularly advantageous to use commercially available graphite foil for this purpose can.
Die Aufheizung der Polymeren in nicht oxydierender Atmosphäre bis 500°C kann beliebig schnell erfolgen, da es sich meist um in nichtoxydierender Atmosphäre thermostabile Polymere handelt.The heating of the polymers in a non-oxidizing atmosphere up to 500 ° C can take place as quickly as you like, since it is mostly in a non-oxidizing atmosphere thermostable polymers.
Die Aufheizrate in diesem Rereich kann allerdings durch die Eigenschaften anderer, mit den Polymeren einer Verbund bildenden Komponenten begrenzt werden. Es wurde gefunden, daß die Pyrolyse oberhalb 500°C mit Aufheizraten < 50°C/h erfolgen muß. Sie kann auch durch Einschalten isothermer Pyrolysebereiche durchgeführt werden.The heating rate in this area can, however, depend on the properties other components forming a composite with the polymers of a composite are limited. It has been found that pyrolysis works above 500 ° C. with heating rates of <50 ° C./h must be done. It can also be carried out by switching on isothermal pyrolysis areas will.
Die erfindungsgemäße Herstellung von Werkstoffen bzw. Werkstoffkomponenten innerhalb von Verbundkörpern aus isotropem Kohlenstoff durch thermischen Abbau von im wesentlichen linear aufgebauten, mindestens teilweise aus aromatischen Strukturelementen bestehende Polymeren in nichtoxydierender Atmosphäre wird in nachstehenden Beispielen näher erläutert.The production of materials or material components according to the invention within composite bodies made of isotropic carbon through thermal degradation of an essentially linear structure, at least partially composed of aromatic structural elements Existing polymers in a non-oxidizing atmosphere are shown in the examples below explained in more detail.
Beisrnffiel 1 In an sich bekannter Weise wurde aus Pyromelithsäureanhy6TIid und 4,4 -Diaminodiphenläther in einem zweistufigen Prozeß ein' r itaus Polydiphenyloxydpyromelithimid von 0,1 mm Dicke hergestellt.Example 1 In a manner known per se, pyromelitic anhydride became and 4,4-diaminodiphenlether in a two-stage process a 'r it from polydiphenyloxydpyromelithimid 0.1 mm thick.
Die Folie wurde Zwischen Graphit folien eben gelagert und in einem auf 5000C vorgheizten Ofen unter Stickstoffatmosphäre mit einer Aufheizrate von 20°C/h bis 1100°C erhitzt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurden eine lineare Schrumpfung der Folie von 18,5 und ein Gewichtsverlust von 46,5 %, bezogen auf die polmere Bus>ansfolie, festgestellt. Die auf diese Weise erhaltene Folie aus isotropem Kohlenstoff besaß eine glatte, 2 glänzende Oberfläche. Die Zerrcißfestigkeit berrug 15 kp/mrn Bespiel 2 2 Aus einer handelsüblichen Polyimidfolie (Kapton(R)H 500 von Du Pont) wurde eine Wendel gedreht und die Enden der Wendel durch Einspannen in eine Vorrichtung aus Graphit fixiert.The foil was stored flat between graphite foils and in one oven preheated to 5000C under a nitrogen atmosphere with a Heating rate heated from 20 ° C / h to 1100 ° C. After cooling to room temperature, a linear Shrinkage of the film of 18.5 and a weight loss of 46.5% based on the polmere bus> ansfolie, determined. The isotropic film obtained in this way Carbon had a smooth, 2 shiny surface. The tensile strength was too high 15 kp / mrn Example 2 2 Made of a commercially available polyimide film (Kapton (R) H 500 from Du Pont) a helix was turned and the ends of the helix were clamped in fixed a device made of graphite.
Die Vorrichtung wurde in einen mit Inertgas gespülten und auf 500°C vorgeheizten Ofen gegeben und bei dieser Temperatur zunächst eine Stunde belassen. Anschließend wurde die- Temperatur in Intervallen von 50 0C mit einer Halte zeit von jeweils l Stumde bis 8S°C und schließlich in einem letzten Schritt auf 1100°C erhöht und noch eine weitere Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Der spezifische elektrische Widerstand der so erhaltenen Kohlenstoffwicklung betrug 6.10-3 #.cm .The device was purged in an inert gas and heated to 500 ° C given preheated oven and left at this temperature for an hour. The temperature was then increased at intervals of 50 ° C. with a holding time from 1 hour to 8S ° C and finally in a last step to 1100 ° C increased and held at this temperature for a further hour. The specific one the electrical resistance of the carbon winding thus obtained was 6.10-3 # .cm .
Beispiel 3 Aus einem Sinterkörper aus dem Polyimid Polymer SP und 30 Ges.% <R) geschoppter glasfaser (Vespel SP-5 von Du Pont) wurde durch mechanische Bearbeitung eine Lagerbuchse hergestellt. Diese wurde in einem Graphittiegel in einen auf 4oo0c vorgewärmten, mit Inertgas gespülten Ofen gegeben und mit einer Aufheizrate von 12°C/h bis 1000°C erhitzt. Die erhaltene, um 9,5 % linear geschwundene Buchse bestand aus einer durchgehenden Kohlenstoffmatrix mit eingelagerten Glasfasern.Example 3 From a sintered body made from the polyimide polymer SP and 30 total% <R) of chopped glass fiber (Vespel SP-5 from Du Pont) was made by mechanical Machining a bearing bush made. This was in a graphite crucible in an oven preheated to 4oo0c, flushed with inert gas and with a Heating rate from 12 ° C / h to 1000 ° C. The obtained shrinkage linearly by 9.5% The socket consisted of a continuous carbon matrix with embedded glass fibers.
Beispiel 4 Es wurden Verbundkörper mit einem Gehalt von 35 vol. der endlosen Kohlenstcffasern-Thornel 50!R) der Union Carbide Corpora tion nach dem Naßwickelverfahren hergestellt und zwar unter gleichen Bedingun en einmal mit einer Phenol-Formaldehyd-Matrix tPhenodur 373 U der Firma Chemische Werke Albert) und einmal mit einer Polyimidmatrix (QX-13 der ICI). Nach dem Aushärten der erhaltenen Laminate unter mechanischem Druck bei erhöhter Temperatur wurden aus den Laminaten Prüfstäbe gesägt und diese in eine r;raphitvorrichtung eingesetzt, die ein Verziehen der Stäbe während des thermischen Abbaus verhinderte.Example 4 There were composite bodies with a content of 35 vol. the endless carbon fiber thornel 50! R) of the Union Carbide Corpora tion according to the Wet winding process produced under the same conditions once with a Phenol-formaldehyde matrix tPhenodur 373 U from Chemische Werke Albert) and once with a polyimide matrix (QX-13 from ICI). After curing the obtained Laminates under mechanical pressure at elevated temperature were made from the laminates Sawed test rods and inserted it into a r; raphite device, which prevented the rods from warping during thermal degradation.
Der Abbau erfolgt unter Inertgas, beginnend bei 200°C mit einer Aufheizrate von 120C/h bis zu einer Temperatur von 1000 C.The degradation takes place under inert gas, starting at 200 ° C with a heating rate from 120C / h up to a temperature of 1000 C.
Unter diesen schonenden Bedingungen ist es möglich, aus dem reinen Phenol-Formaldehydharz ohne Verstärkungskomponente rißfreie Körner alls isotropem Kohlenstoff zu erhalten. Nach Abkühlen der Verhundkörper wurden bei Raumtemperaturen folgende Eigenschaften gemessen: Raumgewicht Biegefestig- Interlaminare keit Scherfestigkeit g/cm3 kp/mm2 kp/mm Phenol- 1,43 2 0,1 Formaldehyd-Harz Polyimid als 1,50 30 2,6 Matrix-Precursor 9ei einer mikroskopischen Untersuchung zeigten sich die mit dem Polyimidharz hergestellten Verbundkörper im Gegensatz zu denen aus Phenol-Formadehyd-Harz völlig frei von Pyrolyserissen.Under these gentle conditions it is possible to get out of the pure Phenol-formaldehyde resin without reinforcement component crack-free grains all isotropic To preserve carbon. After cooling, the Verhundkörper were at room temperature the following properties were measured: density, flexural strength, interlaminar strength, shear strength g / cm3 kp / mm2 kp / mm phenol 1.43 2 0.1 formaldehyde resin polyimide as 1.50 30 2.6 Matrix precursor 9A microscopic examination showed those with the Polyimide resin made composite bodies in contrast to those made from phenol-formadehyde resin completely free of pyrolysis cracks.
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Cited By (2)
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EP0036601A2 (en) * | 1980-03-26 | 1981-09-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Double-layer capacitor |
EP0173860A1 (en) * | 1984-08-13 | 1986-03-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of producing vitreous carbon electrodes |
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1973
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EP0036601A3 (en) * | 1980-03-26 | 1983-05-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Double-layer capacitor |
EP0173860A1 (en) * | 1984-08-13 | 1986-03-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of producing vitreous carbon electrodes |
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CH586167A5 (en) | 1977-03-31 |
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