DE2413930A1

DE2413930A1 - Kugelfoermiger koerper von hohem kohlenstoffgehalt und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2413930A1
Application number: DE2413930A
Authority: DE
Inventors: Stuart F Exell; Jacques Gillot; Benno Lux
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1973-03-20
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1974-09-26
Also published as: BR7402166D0; NO740930L; JPS5715044B2; NO138022B; GB1457013A; FR2222311B1; IT1010686B; DK139197C; NO138022C; CH565830A5; CA1027297A; FR2222311A1; SE395900B; JPS49126579A; DK139197B

Description

Die Erfindung betrifft einen kugelförmigen Körper von hohem Kohlenstoffgehalt und ein Verfahren zu seiner Herstellung,

Dieser Körper ist dadurch gekennzeichnet, daß er von einer Mehrzahl geschlossener Zellen gebildet wird und daß die Wände der an seinem Umfang liegenden Zellen eine eine äußere Oberfläche begrenzende Haut bilden.

Die Abmessungen des Körpers nach der Erfindung lassen sich variieren, sein mittlerer Durchmesser liegt vorzugsweise zwischen einigen Zehntelmillimetern und einigen Zentimetern und die Dicke seiner Haut, die von den Abmessungen des Körpers abhängt, beträgt vorzugsweise etwa zwischen 50 und 500 um,

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Körpers nach der Erfindung enthält dieser einen mittleren, aus Zellen von ■angenähert konstanten Abmessungen gebildeten Teil, der von einem

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BERLIN: TELEFON (O3O) 8 31 2O 88 KABEL: PROPINDUS · TELEX O184O57

MÜNCHEN: TELEFON (O8 11) 22 BB 88 KABEL: PROPINDUS · TELEX OB 24 244

Umfangsteil umgeben ist, in dem die Zellenabmessungen ebenso wie der von ihnen eingenommene Volumenanteil fortschreitend vom Inneren nach dem Äußeren des Körpers zu abnehmen,,

Vorzugsweise liegt das Verhältnis der initiieren Abmessung der Zellen zur mittleren Abmessung des Körpers zwischen 0,001 und 0,25.

Ebenfalls vorzugsweise liegt das Verhältnis der mittleren Dicke der Zellwände zu der mittleren Abmessung der Zellen zwischen O,001 und 0,15.

Der Körper gemäß der Erfindung läßt sich entweder als solcher oder als Ausgangsstoff für zahlreiche industrielle Anwendungen benutzen.

Beispielsweise kann man ihn in Form eines Körnerbetts als Isolationsmittel zur Vermeidung des Inberührungtretens der Oberfläche von chemische Produkte enthaltenden Bädern mit der Atmosphäre benutzen, z.B. wenn es sich um ein Bad handelt, das flüchtige, giftige, entflammbare oder durch direkte Luftberührung beschädigbare Produkte enthält. Für diesen Zweck ist die Verwendung von zellularen Kugeln aus makromolekularen, organischen Substanzen bekannt, aber Kugeln aus zellularem Kohlenstoff weisen den besonders in dem Fall von Bädern, die eine hohe Temperatur haben, wichtigen Vorteil einer besseren Unangreifbarkeit auf.

Der Körper nach der Erfindung kann ebenfalls zur Bildung -von inerten Filtermaterial-Betten für die Abscheidung eines Festkörpers aus seinem Gemisch mit einer Flüssigkeit oder einem Gas verwendet werden, was offensichtliche Vorteile im Falle von Produkten bietet, die auf andere Substanzen als Kohlenstoff eine korrosive ¥irkung ausüben.

Ferner läßt sich, dieser '"Körper Tür die Fabrikation' von Mehrstoff-Materialien' verwenden, z.B. auf der¹ Basis von* Metallen oder Kunstharzen oder von solchen Materialien, die Ausgangs— kombinationen physiko-chemischer und mechanischer Eigenschäften' aufweisen, welche sich nach einer breiten Skala abwandeln lassen, so daß sie sich für vielfältige Anwendungen eignen·

Unter den letzteren ist auch die Herstellung von Leichtbauteilen, von zum Dämpfen von Schwingungen und Stoßen bestimmten Werkstücken, von bei hohen Temperaturen benutzbaren Filtern, von Mischern für brennbare Gase oder Flüssigkeiten und Brennstoffe für Brenner usw. zu erwähnen."

Bei allen diesen Anwendungen erleichtert die Tatsache, daß der Kohlenstoff—Körper kugelförmig ist, seine Benutzung, und die Tatsache, daß er zellular ist, verleiht ihm eine geringe Dichte, die ihrerseits das Erhalten leichter mechanischer Werkstücke oder Materialien ermöglicht. Das Vorhandensein der Oberflächenschicht mit der oben beschriebenen Struktur gestattet die" Herstellung -von Mehrstoff-Materialien durch Gießen von flüssigen Metallen in eine erfindungsgemäße Körper enthaltende Form, ohne daß diese Flüssigkeiten in das Innere der Poren der Körper eindringen.

Die Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren des kugelförmigen Körpers aus Kohlenstoff, der vorstehend beschrieben wurde, zum Gegenstand.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein teigiges Gemisch bereitet, das mindestens eine Vorstufe aus einem organischen, makrolekularen, in festem Zustand unter Beibehaltung seiner Ausgangsform karbonisierbaren Material und mindestens ein Treibmittel enthält $ daß man dieses Gemisch in Partikel aufteilt," daß

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man die Partikel voneinanderisoliert und daß man sie sich in zellularer Form ausdehnen läßt, sie dann härten läßt, indem man sie in isoliertem Zustand erhält, und daß man die so erhaltenen kugelförmigen Körper aus organischem, makromolekularen Material karbonisiert_o

Als organisches, makromolekulares, in festem Zustand karbonisierbares Material benutzt man vorzugsweise ein Material, das einen Karbonxsationsrückstand aufweist, der mindestens 15 Gew.°fo seiner Ausgangsmasse bildet. Insbesondere läßt sich ein wärmehärtbares Harz verwenden, z_oB. ein Phenoplast, ein Aminoplast, ein ungesättigter Polyester, ein Alkydharz, ein vernetztes Urethan, ein Furfuryldkoholpolymer, ein Gemisch der letzteren beiden Polymere, ein Epoxidharz, ein aromatisches Polyamidharz, ein Polyimidharz, ein Polysütfon, ein Phenylenpolysulfur usw.

Unter einer Vorstufe eines solchen Harzes versteht man ein Monomer oder ein Polymer, gegebenenfalls gemischt mit mindestens einem Harzpolymerxsationskatalysator.

Vorzugsweise verwendet man als Vorstufe aus wärmehärtbarem Harz ein Phenolformaldehyd im Resol-Stadium, d_oh. das Produkt des ersten Stadiums der Kondensation des Phenols und des Formaldehyds, in einem Molverhältnis, das vorzugsweise zwischen 0,8:1 und 3s1 liegt, in Gegenwart eines alkalischen Polymerisationskatalysators unter der Einwirkung einer mäßigen Erhitzung. Man kann auch ein Phenolformaldehyd vom Novolaque-Typ verwenden, dh. das Produkt des ersten Stadiums der Kondensation von Phenol und Formaldehyd in Gegenwart eines sauren Katalysators. Auch andere Phenoplastharze lassen sich verwenden, z.B. ein Kresolformol-, Phenolfurfural-, Phenolazetaldehyd-, Phenolbenzaldehyd-, Phenolacrolein - usw. -

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Harz oder auch, ein Aminoplast-Harz, wie z,B« die Harnstoffformaldehyd- , Melaminformaldehyd- usw.-Harze oder ein Harz auf der Basis eines ungesättigten, durch TrialIyIzyanurat vernetzten Polyesters usw.

Man kann als Vorstufe des Harzes auch ein Gemisch mindestens eines Polyester- oder Polyätherpolyols, mindestens eines Katalysators, mindestens eines spannungsaktiven Mittels, von Wasser und/oder mindestens eines Treibmittels und mindestens eines organischen Diisozyanats verwenden, wobei diese Bestandteile sich in zur Erzielung eines starren Schaums geeigneten Anteilen befinden.

Als Treibmittel kann man z.B_o eine flüchtige Verbindung oder ein Gemisch mehrerer flüchtiger Verbindungen verwenden, wie eine Fluorkohlenstoff-Verbindung, z.B, Tr ichlor fluorine than, einen aliphatischen Alkohol von niedrigem Molekulargewicht, insbesondere Methanol und Äthanol, einen Petroläther usw. oder ein Gemisch von Substanzen, die miteinander unter Wärmeeinwirkung unter Freisetzung eines Gases zu reagieren vermögen, oder auch eine unter Wärmeeinwirkung bei Gasfreisetzung zersetzbare Substanz.

Vorzugsweise führt man ferner in das Gemisch mindestens ein spannungsaktives Mittel ein, dessen Aufgabe es ist zu verhindern, daß die bei der Ausdehnung der Kugeln gebildeten Zellen in dem Zeitpunkt, in dem das Gemisch sich noch im psefcosen Zustand befindet, zusammenwachsen.

Man führt ferner in das Gemisch vorzugsweise mindestens einen Harzhärtungskatalysator ein, z.B. eine Säure, wie die Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Parat οluo1sulfonsäure usw.

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Man kann in das Gemisch zusätzlich zu den vorerwähnten Bestandteilen eine pulverförmige, inerte Substanz einführen, die als Füllstoff dient, z.B. Siliziumpulver, Ruß, usw.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens bildet man in an sich bekannter ¥eise Tropfen des pastosen Gemisches im oberen Teil eines Turms, und man erhitzt diese Tropfen während ihres löLls, so daß man ihre Ausdehnung veranlasst, indem man die Bedingungen des Falls und der Erhitzung in der Weise reguliert, daß die so erhaltenen kugelförmigen, zellularen Körper ausreichend gehärtet sind, um sich in dem Augenblick, in dem sie den Boden des Turms erreichen, nicht mehr zu verformen oder aneinander zu kleben.

Gegebenenfalls kann man die Fallgeschwindigkeit der Tropfen mittels eines aufsteigenden Gasstroms z.B. eines Luftstroms, regeln. Dieser Gasstrom kann mit Partikeln eines fein verteilten Materials beladen sein, z_oB. Talkpuder, Ruß usw., das die Aufgabe hat, mindestens einen Teil der Oberfläche der im Zustand der Ausdehnung und noch im viskosen Zustand befindlichen kugelförmigen Körper zu umhüllen, so daß die Partikel verhindern, daß die Körper aneinander oder an den Wänden des Turms kleben bleiben.

Allgemeiner kann man Tropfen des pastosen Gemisches in jeder geeigEten Ummantelung bilden, diese Tropfen so werfen oder mitreißen, daß man ihnen eine geeignete Aufwärts-, Abwärts-, Wirbel- usw.-bewegung in dieser Ummantelung, gegebenenfalls mittels eines mehr oder weniger schnellen Gasstroms, erteilt, der mit Feststoffteilchen beladen ist oder nicht, wobei diese Bewegung die Wirkung hat, die Berührungen der Tropfen miteinander oder mit den Wänden der Ummantelung zu verhindern oder doch wenigstens sehr kurz zu machen, wobei diese Tropfen einer Wärmebehandlung unterworfen werden, die dazu geeignet ist, ihre Ausdehnung in Form zellularer_s kugelförmiger Körper zu

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veranlassen. Man kann diese Vorgänge insbesondere in einer sogenannten "Zyklon"-Vorrichtung, in einer mit einer oder mehreren Rührschrauben versehenen Ummantelung usw. durchführen₀ Man kann die Ausdehnung der Teilchen in zellularer Form entweder unter dem Atmosphärendruck oder unter vermindertem Druck, z.Bο zwischen 10 und 100 Torr durchführen.

Die Wärmebehandlung umfasst im allgemeinen eine Erhitzung, die dazu bestimmt ist, gleichzeitig die Polymerisation des Harzes oder die Beendigung dieser Polymerisation und die Bildung und/oder Ausdehnung eines Gases im Innern der Tropfen zu veranlassen.

Um die Wärmebehandlung durchzuführen, kann man jedes geeignete Mittel verwenden, z.B. eine dielektrische Erwärmung, die mittels eines Mikrowellengenerators erzeugt wird, eine Strahlungsbeheizung, oder man kann auch den Gasstrom selbst für die Übertragung der Wärme auf die Tropfen benutzen. Man kann mehrere dieser Erwärmungsmittel kombinieren, z.B. indem man die Tropfen am Anfang ihrer Bewegung in der Ummantelung einer Mikrowellenerhitzung unterwirft, so daß man schnell, z.B. in einigen Sekunden, ihre Ausdehnung in Form kugelförmiger, zellularer Körper veranlasst, indem man die so erhaltenen Körper dann mittels eines warmen Gasstroms beheizt, um die Polymerisation des Harzes zu beenden und diese Körper zu härten.

Gemäß einer-zweiten Ausführungsform des Verfahrens führt man Partikel des Gemisches in ein von mindestens einem pulverförmigen inerten Material gebildetes Bett ein, indem man ihre gegenseitige Berührung vermeidet, und unterwirft sie dann einer Wärmebehandlung, um ihre Ausdehnung in Form zellularer Körper und die abschließende Härtung der so erhaltenen Körper zu veranlassen.

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Als pulverförmiges, inertes Material lässt sich ein mineralisches Material verwenden, z.B_o Talk, Büß, Graphit usw. oder ein organisches Material, z.33_o ein organisches Harz, wie Phenoplast-Harz usw. Dieses Material hat vorzugsweise die Form feiner Partikeln mit einer Korngröße z.E. in der Größenordnung von 0,1 bis 100 um_o

Als Bett aus pulverförmigem Material kann man ein ortsfestes Bett mit einer Dicke verwenden, die von den Abmessungen der kugelförmigen Körper abhängt, die man zu erhalten wünscht, aber vorzugsweise einige Millimeter nicht überschreitet, oder ein Vibrationsbett, d.h. ein Bett aus pulverförmiger Material, dessen Partikel einer Vibration unterworfen werden. Im letzteren Falle kann man beispielsweise ein Bett aus pulverförmigen Material verwenden, daß auf eine angetriebene Plattform einer geeigneten Vorrichtung gelegt ist, die z.B. einen Motor enthält, der über eine mit einem Exzenter versehene Achse mit der Plattform verbunden ist und eine in einer horizontalen Ebene umlaufende Vibrationsbewegung mit einer Amplitude von einigen Millimetern und einer Frequenz von z.B_o zwischen 5 und 100 Hz erzeugt. Allgemeiner lässt sich ein Bett aus pulverförmigem Material verwenden, das einer Bewegung unterworfen wird, die energischer als eine einfache Vibration ist, z.B. ein Bett, das mittels Schnecken umgewälzt wird, ein Fließbett usw₀

Um das Gemisch in Partikeln aufzuteilen, kann man einfach Tropfen des Gemisches i» flüssigen oder pastosen Zustand bilden oder über einen Zustand gehen, in dem das Gemisch vorübergehend fest ist.

Im ersteren Fall läßt sich eine Vorrichtung verwenden, die mindestens eine der Abmessung der zu erzielenden Tropfen entsprechend bemessene Öffnung aufweist, durch die man das Gemisch je nach seiner Viskosität fließen lässt oder es auspresst. Diese Vorrichtung kann ein Behälter

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sein, der mit Öffnungen in Form von Hohlnadeln oder mit einem Boden versehen ist, von dem mindestens ein Teil die Form einer von einer Mehrzahl von Löchern durchsetzten Platte hat, wobei diese Platte oder die anderen Wände des Behälters gegebenenfalls einer Vibration von zur Erzielung von Flüssigkeits- oder Pastentropfen der gewünschten Abmessungen geeigneter Frequenz und Amplitude unterworfen werden. Man kann ebenso jede andere Vorrichtung verwenden, z.B. eine solche, die es gestattet, das Gemisch einer Zentriftigierung zu unterwerfen, gegebenenfalls mit Mitteln zum Beheizen, zur Erzeugung eines Gasstroms, der dazu bestimmt ist, die Trennung der Tropfen zu erleichtern usw.

Im zweiten Fall kann man nach der vorgängigen Extrusion des Gemische im flüssigen oder pastosen Zustand durch eine oder mehrere Öffnungen zwecks Bildung einer entsprechenden Anzahl von Fäden in flüssigem oder pastosen Zustand diese Fäden durch Abkühlung verfestigen, z.B. indem man sie in ein Fluid von niedriger Temperatur eintaucht, insbesondere in ein verflüssigtes Gas namentlich in flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff, und man zerkleinert die so erhaltenen festen und zerbrechlichen Fäden, wobei man sie während dieses Vorganges auf ausreichend niedriger Temperatur hält, und man sortiert die aus der Zerkleinerung hervorgehenden Stücke entsprechend der gewünschten Korngröße aus.

Man unterwirft dann die Stücke, die die Abmessungen des gewünschten kugelförmigen Körpers entsprechende Korngröße aufweisen, den Arbeitsgängen des Verfahrens gemäß seiner zweiten Ausführungsform, die auf die Aufteilung des Gemische folgen. Man gibt die zu dicken Stücke in die Zerkleinerung zurück, und man erhöht die Temperatur der zu kleinen Stücke, so daß sie wieder eine pastose Konsistenz annehmen, und führt sie in die Vorrichtung zur Erzeugung der Fäden zurück.

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Es lassen sich verschiedene Varianten des letzterwähnten Verfahrens der Zerteilung des Gemischs vorsehen, z.B. indem man die anfängliche Extrusion im pastosen Zustand fortlässt und Blöcke des durch Abkühlung gehärteten Gemischs, die beliebige Formen haben können, der Zerkleinerung unterwirft.

Die soeben beschriebene Art der Zerteilung des Gemischs hat den Vorteil, leicht die Erzielung von Partikeln zu erlauben, die in einem engen und nach Belieben regelbaren Korngrößenbereich kalibriert sind, und eine größere Produktionsleistung zu bieten als die Zeibeilung im pastosen Zustand, wenn die Viskosität desselben einen gewissen Wert übersteigt.

Es ist klar, daß beide vorstehend beschriebenen Arten der Zerteilung des Gemischs nach Belieben mit der Verwendung eines ortsfesten Betts aus pulverförmigem Material oder mit der eines Vibrationsbettes kombiniert werden können.

Es ist zu bemerken, daß die Verwendung eines Vibrationsbettes aus pulverförmigem Material gegenüber der eines ortsfesten Bettes den Vorteil ermöglichst, daß sie die Herstellung eines kugelförmigen Körpers erlaubt, dessen Durchmesser etwa 1 cm erreichen kann, da die Abplattung der Partikel im pastosen Zustand vor der Härtung des Harzes durch die Bewegung verhindert wird, denen diese Partikel info-lge der Vibration des Bettes unterworfen sind, Im Gegensatz hierzu habem im Fall der Verwendung eines ortsfesten Bettes die Abmessungen des kugelförmigen Körpers, die man abschließend erreichen kann, eine viel niedrigere obere Grenze, im allgemeinen von 5 bis 6 mm, die von der Oberflächenspannung und der spezifischen Masse des Gemischs abhängt.

Die Verwendung eines solchen Vibrationsbettes bietet gegenüber der eines ortsfesten Bettes ebenfalls den Vorteil eines höleren

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Produktausstoßes für eine gegebene Oberfläche des Bettes des pulverförmigen Materials.

Ferner ist der Vorgang des Aufbringens der Partikel auf das Bett des pulverförmigen Materials im Falle des Vibrationsbettes vereinfacht, da die Vibration des Bettes dem Aneinanderkleben der Partikel entgegenwirkt und tatsächlich keine besondere Vorkehrung getroffen werden muß, um die gegenseitige Berührung der Partikel zu vermeiden_o

Wenn man die Tropfen aus dem Gemisch im flüssigen oder pastosen Zustand bildet und ein ortsfestes Bett benutzt,dringen die Tropfen nur wenig in das Bett ein. Wenn man jedoch ein Vibrationsbett benutzt, sind die Tropfen augenblicklich auf ihrer gesamten Oberfläche mit dem Pulver bedeckt, wenn sie in dem Bett ankommen, und deshalb kleben sie weder an den Wänden des Behälters, der das Bett aus pulverförmigem Material umschließt, noch an anderen, bereits in dem Bett vorhandenen Tropfen.

Vorzugsweise wählt man die Wärmebehandlungsbedingungen für die Partikel, insbesondere die Geschwindigkeit und die Dauer der Erwärmung, in der Weise, daß der Wert der Viskosität des Gemische und seine Zunahmegeschwindigkeit, die sich hauptsächlich aus der Polymerisation des Harzes ergibt, und die Geschwindigkeit der Erzeugung und/oder Ausdehnung des von dem Treibmittel gelieferten Gases aneinander angepasst sind, um die Erzielung eines zellularen, kugelförmigen Körpers mit den gewünschten Eigenschaften zu gestatten_c

Zu diesem Zweck kann man das pastose Gemisch während einer mehr oder weniger langen Zeit ruhen lassen, bevor man es sich, ausdehnen lässt und bevor oder nachdem man es in Partikel aufgeteilt hat_o

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Bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens kann also z.B. ein Bett pulverförmigen Materials von anfänglich niedrigerer Temperatur benutzt werden als der, die erreicht werden muss, um die Ausdehnung der Partikel unter der ¥irkung des Treibmittels zu veranlassen, und man kann die Temperatur des Pulverbetts mit einer zweckmäßigen Geschwindigkeit erhöhen. Man kann auch mehrere Pulverbetten benutzen, die unterschiedliche Temperaturen haben, und die Partikel von einem Bett in das andere in Richtung der Temperaturerhöhung entsprechend dem Fortschreiten der Ausdehnung und der Härtung der kugelförmigen Körper überführen. Beispielsweise

man
kann man, nachdem /äie Partikel in einem ersten Pulverb genügend lange auf einer Temperatur gehalten hat, um ihre vollständige Ausdehnung oder den Beginn der Ausdehnung zu veranlassen, jedoch nicht ausreichend lange, um ihre vollständige Härtung zu erreichen, diese Partikel von dem ersten Bett, z.B. durch Sieben, trennen und sie auf ein anderes Bett bringen, das auf einer höheren Temperatur als das erste Bett gehalten wird, um gegebenenfalls ihre Ausdehnung zu beenden und ihre Härtung zu veranlassen. Vorzugsweise benutzt man, selbst wenn man ein ortsfestes Bett als erstes Bett benutzt, ein oder mehrere Vibrationsbetten als folgende Betten. Natürlich kann man ein einziges Bett von verlängerter Form verwenden, das die Partikel nach dem Ausmaß ihrer Ausdehnung in verschiedene Zonen mitnimmt, die verschiedene Temperaturen haben, z.B. gemäß einer Wärmebehandlung, die man anzuwenden wünscht, nach einem entsprechenden thermischen Profil steigender Temperaturen.

Man führt die Wärmebehandlung der Partikel in analoger Weise sowohl in dem Fall der Bildung fester Partikel als auch in dem der Bildung von Partikeln im flüssigen oder pastosen Zustand durch« Im ersteren Fall hat einfach das erste Stadium der Erwärmung die Folge der Wiedererweichung der vor dem Beginn ihrer Ausdehnung festen Teilchen, so daß unter der Wirkung der Oberflächenspannung

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und gegebenenfalls der Vibrationsbewegung des Bettes diese Partikel eine Kugelform annehmen.

Zum Karbonisieren der so erhaltenen kugelförmigen Körper aus wärmehärtbarem Harz geht man in an sich bekannter Weise vor, indem man eine Erhitzung in nicht-oxydierender Atmosphäre vorsieht, z.B. in einer Atmosphäre aus einem inerten Gas, wie z.B. Argon oder Stickstoff, bei einer Temperatur, die vorzugsweise zwischen 100 und 1200°C liegt, und vorzugsweise während eines Zeitraums von mehreren Stunden, z.B_o zwischen 1 und 24 Stunden.

Man kann die Gesamtheit oder einen Teil der vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge entweder in diskontinuierlicher oder in kontinuierlicher Weise durchführen. Im letzteren Fall kann man besonders das Bett aus pulverförmigem, inerten Material, das gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens benutzt wird, im Kreislauf zurückfließen lassen.

Beispiel 1

Man bereitet ein Gemisch folgender Zusammensetzung:

Phenoplastharz im Resol-Stadium, das in Gegenwart eines basischen Katalysators durch Kondensation aus Phenol und Formaldehyd in angenähert äquimolarem Verhältnis erzeugt wurde und eine Dichte von 1,245 bis 1,255 und eine Viskosität von 35 bis 40 Poises bei 25°C hat: 50 g

wasserfreier Äthylalkohol 4,25 cm^

Petroläther, dessen Destillationskurve zwischen 35 und 70⁰C liegt: 4,25 cm-*

Paratoluolsulfonsäure " 2,5 g

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Man bewirkt das Mischen der obigen Bestandteile, indem man sie eine Minute lang mittels eines mit 1250 min" umlaufen mit einer Schnecke versehenen Rühösrs kräftig umrührt.

Unmittelbar nach diesem Arbeitsgang führt man das Gemisch in eine Spritze ein, die mit einem durch einen Elektromotor angetriebenen Kolben versehen ist, ein Fassungsvermögen von 50 cin^ hat und an eine Tropfenbildungsvorrichtung angeschlossen ist, die mit 2k Öffnungen in Form von Hohlnadeln versehen ist, die einen Innendurchmesser von 0,3 mm haben. Man reguliert die Eindrückgeschwindigkeit des Kolbens derart, daß man eine Gesamtlieferung von 0,3 cm-'/s erhält. So erzielt man die Bildung von 8 Tropfen des viskosen Gemische je Sekunde, die man im freien Fall fallen läßt und bei Umgebungstemperatur auf einem Talk-Bett auffängt, das von Partikeln mit einer Korngröße in der Größenordnung von 5 bis 20 /im gebildet wird, eine Dicke von ungefähr 1 cm hat, ungefähr 20 cm unter dem Ende der Nadeln der Tropfenbildungsvorrichtung angeordnet ist und einer kreisförmigen horizontalen Vibration mit einer Amplitude von 1 cm unterworfen wird.

Die für die Zerteilung des ganzen Gemische in Tropfen erforderliche Zeit liegt in der Größanordnung von 2 bis 3 min. Sobald alle Tropfen von dem Talk-Vibrationsbett aufgenommen sind, beginnt man das Bett mittels in die das Bett tragende Plattform eingebauter elektrischer Widerstände zu erhitzen, wobei man die Erwärmungsgeschwindigkeit so regelt, daß man im Innern des Betts eine Temperatur von 40°C in etwa 6 min und von 80°C in 20 bis 25 min erreicht. Man beobachtet, sobald die Temperatur etwa 40°G erreicht hat, das Wiederaufsteigen an die Bettoberfläche der Tropfen, die begonnen haben, sich in Kugelform aufzublähen. Man hält das Bett während 5 bis 10 min auf der maximalen Temperatur von 80°C, so daß die Gesamtdauer der Erwärmung etwa 30 min beträgt. Darauf trennt man durch Sieben die so erhaltenen kugelförmigen Körper von dem Talk-Bett. Man erhält so etwa 50g vollständig gehärteter Kugeln von

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rosa Farbe, die eine fast ideale Kugelform haben sowie einen Durchmesser in der Größenordnung von 4mm und eine zusammenhängende Haut von einer Dicke in der Größenordnung von 100 um, die einen zellularen Innenteil umschließt, der regelrechte Zellen mit einer Abmessung in der Größenordnung von 4ojam bildet. Das von diesen Kugeln eingenommene Volumen ist in der Größenordnung.von 500 cm3. Die Dichte jeder Kugel beträgt etwa 0,17 g/cm Man karbonisiert die so erhaltenen kugelförmigen Körper, indem man folgendermaßen vorgeht:

In einer Stickstoffatmosphäre bringt man die Temperatur dieser Körper in 12 Stunden von 100⁰C auf 1000⁰C.

Man erhält zellulare, kugelförmige Körper mit einem Gehalt an Kohlenstoff von glasiger Struktur in der Nähe von 100% und mit einem mittleren Durchmesser in der Größenordnung von 3»2 mm und einer Dichte in der Größenordnung von 0,18 g/cm . Der mittlere Durchmesser der Zellen dieses Körpers von hohem Kohlenstoffgehalt ist in der Größenordnung von 30 um.

Beispiel 2

Man geht in derselben Weise wie beim Beispiel 1 vor, aber mit derselben Menge eines Gemischs derselben Zusammensetzung, jedoch anstatt die Tropfen auf einem Talk-Vibrationsbett aufzunehmen, fängt man sie bei Raumtemperatur auf einem ortsfesten Talk-Bett mit einer Dicke vom 5 ^mm auf, das in einem Abstand von 20 cm unterhalb des Ausgangspunktes der Tropfen angeordnet ist_o Dieses Bett ist auf einer unbeweglichen horizontalen Plattform aus Stahl-

2
blech mit einer Oberfläche von 0,1m angebracht. Man verschiebt die Tropfenerzeugungsvorrichtung in horizontaler Ebene parallel, indem man eine konstante Fallhöhe der Gemischtropfen auf das Bett

aufrechterhält, so daß etwa ein Tropfen je cm des Betts aufgebrachwird. Sobald die Plattform ganz mit Tropfen taiaden ist, bringt

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man sie von der Raumtemperatur in h*j min bis auf 8O°C, indem man die Temperatur in angenähert linearer Weise ansteigen lässt. Man erhält so je Quadratmeter des Bettes etwa 35 g Kugeln analog den beim Beispiel 1 erhaltenen.

Man karbonisiert dann die so erhaltenen kugelförmigen Körper, indem man in derselben Weise vorgeht wie beim Beispiel 1.

Beispiel 3

Man bereitet ein Gemisch folgender Zusammensetzung:

PhenopJsstharz im Resol-Zustand, das durch Kondensation in Gegenwart von Natriumhydroxid, Phenol und Formaldehyd im molaren Verhältnis 1:1,1 erzeugt wurde, mit einer Dichte von 1,2 und einer Viskosität von 100 Poises bei 25 C (in Form eines Gemischs, das 10 Gew.$ Methanol enthält): 100g

Spannungsaktives Mittel (Kondensationsprodukt eines Anhydrosorbitol- und Äthylenoxid-Monopalmitats) 2 g

Oxalsäure ^»5 S

3 Aqua dest. 2 cm

Petroläther, dessen Destillationskurve zwischen 35 und 70⁰C liegt: 8 cm

Man bewirkt die Mischung der vorerwähnten Bestandteile, indem man sie mindestens eine Minute lang mittels eines mit 1250 min umlaufenden, mit einer Schnecke versehenen Rührers kräftig rührt, Darauf fügt man dem so erhaltenen Gemisch 2 cm3 Methanol und 5 S Paratoluolsulfonsäure zu und rührt das Ganze nochmals 1 min lang mittels desselben Rührerso Man erhält ein pastoses, homogenes Gemisch} das man. dann denselben Arbeitsgängen unterzieht, die in Beispiel 1 beschrieben wurden»

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Beispiel h

Man bereitet ein Gemisch, folgender Zusammensetzung:

Phenolplastharz im Resol-Zustand, das durch. Kondensation in Gegenwart eines basischen Katalysators aus Phenol und Formaldehyd in.angenähert äquimolarem Verhältnis erzeugt wurde und eine Dichte von 1,245 bis 1,255 ^und eine Viskosität von 3,5 bis 40 Poises bei 25°C hat: 50 g

Petroläther, dessen Destillationskurve zwischen

35 und 70⁰C liegt: 4 cm"⁵

saurer Katalysator (Gemisch folgender Zusammensetzung in

wässrige Lösung von H_SO,zu 92 Gew„5ö^: 14_?2

44

wässrige Lösung von II PO, zu 84-85 Gew.^:

Aqua dest.: 41,8) 6

cm

Vor dem Bewirken des Mischvorgangs rührt man das Harz zwei Minuten lang kräftig mittels eines mit I25O min umlaufenden, mit einer Schnecke versehenen Rührers derart, daß man eine gewisse Luftmenge darin einbringt. Darauf fügt man den Petroläther bei und rührt das Ganze nochmals eine Minute lang mit demselben Rührer_o Man kuh.lt dann das Gemisch bis auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1 C, fügt dann den Katalysator zu und rührt wieder 30 Sekunden lang mittels desselben umlaufenden Rührers.

Man bringt dann das so erhaltene viskose Gemisch in einen Spritzenkörper ein, der ein Fassungsvermögen von 50 cm hat und mit einem durch einen Elektromotor bewegten Kolben versehen ist. Diese Spritze ist mit einer Injektionsdüse versehen, die

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Gew.% Durchmesserbereich

(in mm)

1 bis 3

3 bis k

kO k bis 5

mehr als 5

Man unterwirft diese kugelförmigen Körper der im Beispiel beschriebenen Rarbonisierbehandlung.

Beispiel 5

Man bereitet ein Vorstufengemisch von Polyurethan folgender Zusammensetzung (in Gewichtsteilen):

Polyäther, der von einem Kondensationsprodukt von Propylen- und Sorbitoloxid gebildet wird und eine Dichte von 1,09^ und eine Viskosität von 16 000 Zentistokes bei 20°C, einen Hydroxyl-Index von ^90 mg Kalium und einen maximalen Säureindex von 0,1 mg Kalium je Gramm hat (Produkt, das unter dem Handelsnamen "Niax Polyol LS-490" bekannt und bei der Societe Union Carbide beziehbar ist): 75»0

Polyäther, der von dem Kondensationsprodukt von Propylen- und Glyzeroloxid gebildet wird und eine Dichte von 1,0223 und eine Viskosität von 400 Zentistokes bei 20°C, einen Hydroxyl-Index zwischen 230 und 2k$ mg Kalium und einen

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einen Durchmesser von 1 mm hat und die Extrusion des viskosen Gemischs in Form eines Fadens von etwa 1 mm Durchmesser gestattete Man nimmt diesen Faden entsprechend seiner fortschreitenden Bildung in einem flüssige Luft enthaltenden Behälter auf. Der Faden verfestigt sich bei der Berührung mit der flüssigen Luft augenblicklich,, Man zerschneidet dann den so verfestigten Faden: in Stücke von etwa 1 nun Länge mittels eines umlaufende Klingen aufweisenden Schneidgeräts, das ebenfalls in den die flüssige Luft enthaltenden Behälter eingetaucht ist. Nach dem Zerschneiden des gesamten Gemischs in feste Partikel, wie beschrieben, nimmt man diese im festen Zustand befindlichen Gemischpartikel auf einem metallischen Gitter auf, das eine Maschenweite von 1 nun aufweist und vorher mittels Kohlensäureschnee gekühlt worden ist. Man bringt dann diese Gemischpartikel unter Schütteln des Gitters auf ein Bett aus Ruß auf, das von Teilchen gebildet wird, die mittlere Abmessungen von der Größenordnung O,1 /um haben,, und eine Dicke von etwa 5 mm.aufweist, wobei das Bett in einer metallenen Schale enthalten ist_o Etwa eine Minute nach dem letzterwähnten Vorgang bringt man die metallene Schale in einen auf 80 C erhitzten Trockenofen und lässt sie eine Stunde lang, darin.

Man erhält so 50 g kugelförmiger Körper aus harter Phenolplastharz-Masse, die eine rosa Farbe haben und mit einer Haut versehen sind, die eine Dicke in der Größenordnung von 100jum haben, wobei .diese 50 g einem Volumen in der Größen-Ordnung von 500 cm^J entsprechen. Die Größenverteilung dieser Körper in Gewichtsprozenten ist etwa folgende:

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Säureindex von 0,05 mg Kalium je Gramm
hat (Produkt, das unter dem Handelsnamen
"Niax Polyol LHT-240" bekannt und bei der
Societe Union Carbide erhältlich ist): 25,0

Treibmittel (CCl F): 30,0

Wasser: 1,0

Katalysator (N,N- dimethyläthanol-

amin): 2,2

Katalysator (N, N, N, N' -tetramethyl-butan-diamin-1,3): 1»0

spannungsaktives Mittel (Silikonöl,
bestehend aus einem Copolymer aus Äthylen-,
Propylen- und Siloxan-Oxidblöcken, mit
einer Viskosität von 1000 Zentistokes
und einer Dichte von 1,035 bei 25°C
und einem Erstarrungspunkt von 10°C
(Produkt, das unter dem Handelsnamen
"Silicone surfactant L-5340" bekannt
und bei der Societe Union Carbide erhältlich ist.): 1,5

Diphenylmethan-diisozyanat 128,0

Zu diesem Zweck führt man die vorerwähnten Bestandteile schnell in der angegebenen Reihenfolge in einen mit einem mit 1250 min "1 umlaufenden Schneckenrührer versehenen Behälter ein und setzt das Rühren 30 Sekunden lang nach der Einführung

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aller Bestandteile fort. Darauf führt man schnell und ohne mit dem Rühren aufzuhören in das so erhaltene sahnige Gemisch ein gleiches Gewicht polymeren Furfurylalkohol ein_o Man unterwirft dann ohne zu warten das so erhaltene pastose Gemisch denselben Arbeitsgängen, wie sie beim Beispiel 1 beschreiben wurden, indem man die Karbonisierung der kugelförmigen Harzkörper in 17 Stunden durchführt.

Beispiel 6

Indem man so vorgeht, wie im vorstehenden Beispiel angegeben, bereitet man ein Vorstufengemisch von Polyurethan, das dieselbe Zusammensetzung hat wie im vorstehenden Beispiel angegeben, ohne polymeren Furfurylalkohol einzubringen. Ausgehend von diesem Gemisch bildet man kugelförmige Körper aus zellularem Polyurethan, indem man in zu der im Beispiel 1 beschriebenen analoger Weise vorgeht.

Man erhitzt dann die so erhaltenen zellularen, kugelförmigen Körper zuerst 24 Stunden lang auf 15O°C, dann 24 Stunden lang auf 25O°C, dann unterzieht man sie der im Beispiel 1 beschriebenen Karbonisierbehandlung.

Die erhaltenen kugelförmigen Körper hohen Kohlenstoffgehalts haben eine Masse, die gleich 45 fo, und ein Volumen, das gleich 40 ^cß> der der Karbonisierbehandlung unterworfenen kugelförmigen Körper aus Polyurethan sind.

Beispiel 7

Man bereitet ein Gemisch von mit dem hinsichtlich seiner

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Bereitung in Beispiel 4 angegebenen übereinstimmender Zusammensetzung. Aus diesem Gemisch bildet man Tropfen, indem man es durch den von einer Mehrzahl von Löchern mit einem Durchmesser von 0,5 ^mm durchbohrten Boden an der Spitze eines Turms auslaufen lässt, der aus einem Oberteil von 30 cm Durchmesser und einem Meter Höhe und einem Hauptteil von 2 m Durchmesser und 10 m Höhe zusammengesetzt ist.

In dem Oberteil des Turms werden die Tropfen mittels eines Mikrowellengenerators erhitzt, der eine Leistung von 3 kW hat, was eine fast vollständige Ausdehnung des kugelförmigen Körpers während des Falls der Tropfen durch diesen Teil des Turms zu erhalten gestattet. In dem Hauptteil des Turms lässt man einen aufsteigenden Luftstrom fließen, der eine Temperatur von 150°C und eine Geschwindigkeit von 2 m/s hat. Dieser heiße Luftstrom hat die Wirkung, den Fall der kugelförmigen Körper bis auf eine mittlere Fallzeit in der Größenordnung von 20 s zu verlangsamen und die Ausdehnung und Härtung der kugelförmigen Körper zu erlauben.

Man verwendet die so erhaltenen zellularen, kugelförmigen Körper aus Phenoplastharz für die Herstellung von kugelförmigen Körpern hohen Kohlenstoffgehalts durch Karbonisierung, indem man in derselben Weise wie beim Beispiel 1 vorgeht.

Beispiel 8

Man geht in der im Beispiel 1 angegebenen Weise vor, indem man ein Gemisch derselben Zusammensetzung benutzt, wie sie

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in diesem Beispiel beschrieben ist, jedoch indem man sich Injektionsnadin eines Innendurchmessers von 1 mm bedient. Man erhält so Tropfen des viskosen Gemische, die einen mittleren Durchmesser von der Größenordnung von 6 mm haben, und nach der Ausdehnung dieser Tropfen in der angegebenen Weise, zellulare kugelförmige Körper mit einem mittleren Durchmesser in der Größenordnung von 18 mm.

Patentansprüche:

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Claims

-Zk-

Patentansprüche

1. Zellularer, kugelförmiger Körper hohen Kohlenstoffgehalt s, dadurch gekennzeichnet, daß er von einer Mehrzahl geschlossener Zellen gebildet wird und daß die Wände der umfangsseitigen Zellen eine seine Jüiß enoberf lache begrenzende Haut bilden.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein mittlerer Durchmesser zwischen einigen Zehntelmillimetern und einigen Zentimetern liegt und daß die Dicke seiner Haut zwischen 50 und 500 um beträgt.

3· Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen mittleren, aus Zellen angenähert konstanter Abmessungen gebildeten Teil enthält, umgeben von einem Umfangsteil, in dem die Abmessungen der Zellen ebenso wie der Volumenanteil, den sie einnehmen, fortschreitend vom Inneren nach dem Äußeren des Körpers abnehmen.

4. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der mittleren Abmessung der Zellen zu der mittleren Abmessung des Körpers zwischen 0,001 und 0,25 liegt.

5. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der mittleren ¥andstärke der Zellen zu der mittleren Abmessung der Zellen zwischen 0,00i6 und 0,25 liegt.

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6. Verfahren zur Herstellung des Körpers gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein-pastoses Gemisch- bereitet, das eine Vorstufe aus makromolekularem,in festem Zustand unter Bewahrung seiner Ausgangsform karbonisierbarem Material und mindestens ein Treibmittel umfasst, daß man dieses Gemisch in Form von Partikeln aufteilt, daß man diese Partikel von einander isoliert und sich zellenförmig ausdehnen und dann unter Aufrechterhaltung ihrer Isolation voneinander härten lässt und daß man die so erhaltenen kugelförmigen Körper aus organischem, makromolekularem Material karbonisiert.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein organisches, makromolekulares Material benutzt, das einen Karbonisationsrückstand aufweist, der mindestens 15 Gew.?£ seiner Ausgangsmasse beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn-

z e i chne t, daß das organische, makromolekulare Material ein wärmehärtbares Harz ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

z e ic h η e t, daß das wärmehärtbare Harz ein Phenolplastharz im ersten Kondensationsstadium ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Phenolplastharz ein Phenolformaldehydharz im Resolzustand ist.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das organische, makromolekulare Material ein Polyurethanharz ist.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polyurethanharz
vor der Karbonisierung der kugelförmigen Körper einer
Oxydationsbehandlung unterzieht.

13· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn ζ ei c h η e t, daß die Vorstufe des organischen, makromolekularen Materials ein Gemisch eines Furfurylalkoholpolymers und von Ausgangsbestandteilen der Herstellung
eines Polyurethanschaums ist.

14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich in das Gemisch mindestens ein spannungsaktives Mittel einführt.

15· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich in das Gemisch mindestens einen Harzhärtungskatalysator einführt.

16. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mindestens eine der
folgenden Säuren enthält: Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Paratoluolsüfcffonsäure, Oxalsäure und Citronensäure.

17· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich in das Gemisch mindestens eine pulverförmige, inerte Substanz einführt.

18. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmige inerte Substanz
Siliziumpulver oder Kohlenstoffschwarz ist.

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19. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausdehnung der Partikel unter atmosphärischem Druck durchführt.

20. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausdehnung der Partikel unter einem geringeren als dem atmosphärischen Druck durchführt.

21. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Tropfen des pastosen Gemischs in einer Ummantelung bildet, daß man diese Tropfen in dieser Ummantelung antreibt, um ihnen eine Bewegung zu erteilen, die dazu führt, daß sie dem Inberührungkommen der Tropfen miteinander und mit den Wänden der Ummantelung entgegenwirkt, und daß man diese in Bewegung befindlichen Tropfen einer Wärmebehandlung unterzieht, die gestattet, ihre Ausdehnung in Form zellularer, kugelförmiger Körper zu veranlassen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung ein Fall in dem Turm ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennze i c hn e t, daß man einen Gasstrom in zur Richtung der Fallbewegung der Tropfen entgegengesetzter Richtung fließen läßt.

24. Verfahren nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom ein warmer Luftstrom ist_o

25ο Verfahren nach Anspruch 23» dadurch gekennz e i chne t, daß der Gasstrom mit Partikeln mindestens eines Feststoffs beladen ist.

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26, Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennz e i chne t, daß d±e Wärmebehandlung In einer dielektrischen Beheizung mittels Mikrowellen besteht.

27.Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzei chn e t, daß man die Partikel des Gemische unter Vermeidung ihrer gegenseitigen Berührung in ein von mindestens einem inerten pulverförmigen Material gebildetes Bett einführt und sie einer dahingehenden Wärmebehandlung unterwirft, daß ihre Ausdehnung in Form zellularer Körper und die abschließende Härtung der so erhaltenen Körper veranlasst wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte, pulverförmige Material ein mineralisches Material ist«

29» Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichne 't, daß das mineralische Material Talk, Kohlenstoff schwarz oder Graphit ist_o

30. Verfahren nach Anspruch 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Bett aus pulverförmigem Material ein ortsfestes Bett ist.

31· Verfahren nach Anspruch 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Bett aus pulverförmigem Material ein einer Rührbewegung unterworfenes Bett ist.

32. Verfahren nadh Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß die Rührbewegung eine Vibration ist.

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33· Verfahren nach Anspruch 311 dadurch g e _T kennzeichnet, daß die Rührbewegung eine Fließbettbewegung ist.

3k» Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch zerteilt, während man es im pastosen Zustand erhält.

35· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennz e i chne t, daß man das Gemisch zerteilt, indem man es vorübergehend in den festen Zustand übergehen lässt.

36. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Karbonisierung bei einer Temperatur zwischen 100 und 1200 C während einer Zeitdauer von zwischen 1 und 2k Stunden duKhftihrt.

37. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennz e i chne t, daß man die Erwärmungsbedingungen des zellularen, kugelförmigen Körpers aus organischem, makromolekularem Material in der Weise wählt, daß man durch Karbonisierung einen zellularen, kugelförmigen Körper mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 90 und 100 Gew. ⁰Jo erhält.

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