DE2432706B2 - Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffaserpapieres - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines KohlenstoffaserpapieresInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffaserpapieres durch Mischen von
Kohlenstoffasern mit einem Bindemittel, Naßablegen der Mischung in die Form eines Papierblattes und
nachfolgendes Karbonisieren.
Kohlenstoffaserpapiere dieser Art besitzen elektrisehe
Leitfähigkeit und sind daher als elektroleitfähige Elemente, beispielsweise als Grundblätter für Elektroden
in Brennstoffbatterien einsetzbar. Wünschenswert ist, daß die Kohlenstoffaserpapiere bei hoher elektrischer
Leitfähigkeit eine gute mechanische Festigkeit besitzen und sehr gute Beständigkeit gegen Korrosion
aufweisen. Für einige Anwendungszwecke wird außerdem noch eine gute Porosität gefordert.
Um Kohlenstoffaserpapiere herzustellen, war es beispielsweise aus der US-PS 32 65 557 und aus der
US-PS 35 39 296 bekannt, Kohlenstolfasern in papierbildende Bindemittel einzulagern, so daß die Kohlenstoffasern
leitfähige Netzwerke innerhalb der Grundsubstanz bildeten. Dabei wurden beispielsweise besonders
lange Kohlenstoffasern verwendet, die besonders gut geeignet sind, leitfähige Netzwerke innerhalb der
nichtleitenden Materie zu bilden. Der elektrische Widerstand dieser elektrisch leitfähigen Netzwerke war
jedoch verständlicherweise noch relativ hoch. Demgegenüber bestand eine wesentliche Verbesserung darin,
daß Kohlenstoffasern in einer Mischung mit einem Bindemittel in Blattform naßabgelegt, getrocknet und
anschließend karbonisiert wurden, wodurch ein weitgehend aus Kohlenstoff bestehendes Papier hergestellt
werden konnte. Ein derartiges Verfahren ist in der FR-PS 7041715 (Publikations-Nummer 2069753)
beschrieben, bei dem Kohlenstoffasern zu einer Suspension dispergiert werden, der Suspension ein
Kunstharz als Bindemittel zugeführt wird, die Mischung als Papierblatt naßabgelegt und dns Papierblatt zum
Zwecke der Karbonisierting thermisch behandelt wird.
Obgleich das durch dieses Verfahren entstehende Kohlenstoffaserpapier bereits relativ gute Widerstandswcrte
aufweist, ist eine verbesserte mechanische Festigkeit wünschenswert. Auch fehlen den inkorporierten
Polyvinylalkoholfasern ausreichende Beständigkeit gegen Wärme und gegen Korrosion. All diese
Eigenschaften zusammen sind jedoch erforderlich, wenn das Kohlenstoffaserpapier in der Praxis als elektrisch
leitfähiges Element eingesetzt werden soll.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Kohlcnstoffaserpapiercn zu schaffen,
durch das verbesserte Kohlenstoffaserpapiere hergestellt werden können, die bei äußerst hoher elektrischer
Leitfähigkeit sowohl starke mechanische Festigkeit als auch hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es im Anspruch I angegeben ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9, in denen
insbesondere für das Verfahren bevorzugte Ausgangsmaterialien
angegeben sind.
Im fdgenden wird die Erfindung nähec beschrieben.
Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe wurden Untersuchungen über ein neues Verfahren für die
Herstellung eines Kohlenstoffaserpapieres durchgeführt, das die gewünschten Eigenschaften besitzt. Dabei
wurde gefunden, daß ein in hohem Maße zufriedenste!- in lendes Kohlenstoffaserpapier dadurch erhalten werden
kann, daß Kohlenstoffasern, Holzstoff, eine spezielle Art organischer Fasern, und ein Papierblattbindemittel
in speziellen Verhältnissen miteinander gemischt werden, die entstehende Mischung in Form eines Blattes
naßabgelegt wird, das gemischte Papierblatt mit einer organischen hochmolekularen Substanz imprägniert
und anschließend das imprägnierte gemischte Papierblatt karbonisiert wird. Die Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, daß die Verwendung von künstlichen organischen Fasern, die eine hohe Kohlenstoffausbeute
liefern, in hohem Maße wirksam ist. Insbesondere werden bei der Durchführung der Erfindung Kohlenstoffasern,
Holzstoff, künstliche organische Fasern mit einer Kohlenstoffausbeute von nicht weniger als 20% 2ί
und ein Papierblattbindemittel in derartigen relativen Mengen gemischt, daß das Verhältnis der Kohlenstoffasern
zu dem Holzstoff in dem Bereich von 40 bis 90 Gew.-% Kohlenstoffasern zu 60 bis 10 Gew.%
Holzstoff, das Verhältnis der künstlichen organischen jo Fasern zu der Summe der Gewichte der Kohlenstoffasern
und des Holzstoffes in dem Bereich von 5 bis 20 Gew. % und das Verhältnis des Pa^ierblaltbindemittels
zu der Summe der Gewichte der Kohlenstoffasern, des Holzstoffes und der künstlichen orgü iischen Fasern in r>
dem Bereich von 5 bis 50 Gew. % liegt. Die entstehende Mischung wird dann in Form eines Papierblattes
naßabgelegt, um ein gemischtes Papierblatt herzustellen, das gemischte Papierblatt wird mit einer organischen
hochmolekularen Substanz imprägniert und danach ausgeheizt, um das imprägnierte Blatt bei einer
Temperatur, die nicht tiefer als 8000C liegt, in der
Atmosphäre eines inerten Gases zu karbonisieren.
Die Kohlenstoffasern, die als Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung verwendet werden können. 4r>
sind nicht speziell begrenzt. Kohlenstoffasern einer beliebigen Art sind ausreichend. Sie werden üblicherweise
aus solchen Rohmaterialien, wie beispielsweise Pech, Polyacrylnitril, Zellulose und Lignin hergestellt.
Der für die vorliegende Erfindung zu verwendende Holzstoff ist ebenfalls der üblich hergestellte Holzstoff
und ist nicht in irgendeiner speziellen Weise eingeschränkt.
Zur Verwendung bei der Erfindung brauchen die künstlichen organischen Fasern nur eine Kohlenstoff- »
ausbeute von nicht weniger als 20% zu besitzen. Beispiele für derartige künstliche organische Fasern
schließen synthetische Fasern auf Acrylnitril-Basis.
zelluloseartige Fasern, synthetische Fasern auf Phenol-Basis und Polyimidfasern ein. Der Ausdruck »Kohlen- ho
stoffausbeule«, wie er hier verwendet wird, bedeutet die Ausbeute, zu der getestete Fasern karbonisiert werden,
wenn die Fasern bei einer Temperatur von nicht weniger als 800° in der Atmosphäre eines inerten Gases
ausgeheizt werden. b5
Das für die vorliegende Erfindung zu verwendende Papierblattbindemittel ist von der Art üblicher Papierblattbindemittel
und ist nicht speziell eingeschränkt.
Beispiele für das Papierblattbindemittel sind Polyvinylalkoholfaser
und Hibiscusmanihot.
Bei der Durchführung der Erfindung werden als erster Verfahrensschritt die oben genannten Kohlenstoffasern,
Holzstoff, die künstlichen organischen Fasern und das Papierblattbindemitte! gemischt und die
Mischung wird zu einem Blatt ausgeformt, damit ein gemischtes Papierblatt entsteht. Hierbei ist rs wesentlich,
daß die vier Bestandteile in solchen relativen Mengen gemischt werden, daß das Verhältnis der
Kohlenstoffasern zu dem Holzstoff in den Bereich von 40 bis 90 Gew.-% Kohlenstoffasern zu 60 bis 10 Gew.-%
Holzstoff, das Verhältnis der künstlichen organischen Fasern zu dem gesamten Gewicht der Kohlenstoffasern
und des Holzstoffes in den Bereich von 5 bis 20 Gew.-%
und das Verhältnis des Papierblattbindemittels zu dem gesamten Gewicht von Kohlenstoffasern, Holzstoff und
künstlichen organischen Fasern in den Bereich von 5 bis 50 Gew.-% fällt. Wenn diese Bestandteile in Mengen
verwendet werden, die außerhalb der angegebenen entsprechenden Verhältnisse liegen, dann kann als
Endprodukt nicht das gewünschte Kohlenstoffaserpapier erhalten werden. Insbesondere, wenn die Kohlenstoffasern
in einer Menge verwendet werden, die geringer als 40 Gew.-% bezüglich des Verhältnisses der
Kohlenstoffasern zum Holzstoff ist, dann erhält das erzeugte gemischte Papierblatt einen überschüssigen
Holzstoffgehalt. Dementsprechend wird thermisches Schrumpfen, das sich entwickelt, wenn solch ein
gemischtes Papierblatt der Karbonisierung unterworfen wird, wie es unten näher beschrieben ist, zahlreiche
Fältchen auf der Oberfläche des endgültig nach der Karbonisierung erzeugten Kohlenstoffaserpapiers erzeugen
und zur gleichen Zeil einen Abfall in der mechanischen Festigkeit dieses Kohlenstoffaserpapiers
mit sich bringen. Wenn andererseits die Kohlenstoffasern in einer Menge verwendet werden, die 90 Gew.-%
überschreitet, dann wird das endgültig erzeugte Kohlenstoffaserpapier kein hohes R.aumgewicht aufweisen.
Durch die Zugabe der künstlichen organischen Fasern mit einer Kohlenstoffausbeute von nicht weniger
als 20% gemäß der Erfindung wird bewirkt, daß die Fasern in Form eines fasrigen kohlenstoffartigen
Bindemittels innerhalb des Kohlenstoffaserpapieres verbleiben, während sie in Verbindung mit dem
Holzstoff und der eingesaugten organischen hochmolekularen Substanz Karbonisierung durchlaufen. Beim
Schrumpfen aufgrund der Karbonisierung festigen sie dann die gegenseitige Adhäsion der einzelnen Kohlenstoffasern
und erhöhen gleichzeitig ihre Packungsdichte. Daher ist die Zugabe von solchen künstlichen
organischen Fasern z'ir Erhöhung sowohl der mechanischen Festigkeit als auch der elektrischen Leitfähigkeit
des endgültig erzeugten Kohlenstoffaserpapiers wirksam. Was die Menge der zu verwendenden künstlichen
organischen Fasern anbelangt, so wird, wenn die künstlichen organischen Fasern in einer Menge
zugegeben werden, die 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Kohlenstoffasern und Holzstoff,
nicht übersteigt, keine merkliche Wirkung auf die mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit
durch ihre Zugabe erhalten im Vergleich zu dem Fall, daß keine Zugabe erfolgt. Wenn sie jedoch in einer
Menge zugegeben werden, die 20 Gew.-% übersteigt, wird die Möglichkeit erhöht, daß das endgültig
erhaltene Kohlenstoffaserpapier Verwerfungen oder Wölbungen erhält oder unzureichende Flexibilität und
unerwünschte Sprödigkeit zeigt.
Beim Naßablegen der Mischung aus den oben genannten vier Bestandteilen in Form eines Blattes
können die gleichen Verfahren angewendet werden, die beim üblichen Papierherstellungsbetrieb verwendet
werden. Dabei ist es wünschenswert, daß die Kohlenstoffasern und die künstlichen organischen Fasern beide
in Form von kurzen Fasern verwendet werden, die Abmessungen von 1 bis 10 mm Länge aufweisen. Beim
Naßablepen auf diese Weise wird ein gemischtes Papierblatt erhalten, in dem die Kohlenstoffasern,
Holzstoff und künstliche organische Fasern durch das Papierblattbindemittel miteinander verbunden sind.
Danach wird das so erhaltene gemischte Papierblatt mit einer organischen hochmolekularen Substanz
imprägniert. Beispiele für die organischen hochmolekularen Substanzen, die für diesen Zweck verwendbar
sind, sind wärmehärtende Harze wie Phenolharze, Epoxyharze, ungesättigte Polyesterharze und Polydivinylbenzol,
thermoplastische Harze wie Vinylchloridharze, Vinylidenchloridharze, Vinylidenfluoridharze und
Acryl-nitrilharze und bituminöse Substanzen wie Pech
und Teer. Beim Imprägnieren des gemischten Papierblattes mit solch einer organischen hochmolekularen
Substanz kann die gewünschte Imprägnierung durchgeführt werden, indem das gemischte Papierblatt in eine
Lösung oder Dispersion eingetaucht wird, die durch Lösen oder Dispergieren einer derartigen Substanz
erhalten worden ist.
Beim Karbonisieren wandelt sich die eingesaugte organische hochmolekulare Substanz selbst in ein
kohlenstoffhaltiges Bindemittel um. Insbesondere der Teil der organischen hochmolekularen Substanz, darauf
der Oberfläche der künstlichen organischen Fasern abgelagert und karbonisiert worden ist, wird in ein
fasriges kohlenstoffhaltiges Bindemittel zum Verbinden der Kohlenstoffasern umgewandelt und liefert eine
rauhe Oberfläche. Dieses oberflächenrauhe Bindemittel dient zum Stabilisieren sowohl der Festigkeit als auch
der elektrischen Leitfähigkeit des endgültig erzeugten Kohl^nstoffaserpapiers. Wenn daher beim Durchführen
der Imprägnierung die Menge dieser organischen hochmolekularen Substanz, die zum Anhaften an dem
gemischten Papierblatt gebracht wird, zu klein ist, liefert die Substanz nur ganz knapp die erwartete Bindungswirkung. Wenn sie übermäßig groß ist, wird die
Substanz eine Erscheinung verursachen.die als Verkleisterung
oder Verschmierung des endgültig hergestellten Kohlenstoffaserpapiers bekannt ist und das Papier
spröde werden läßt. Es ist daher wichtig, daß die Menge der organischen hochmolekularen Substanz, die an dem
gemischten Papierblatt haftengelassen wird, hinreichend sorgfältig ausgewählt wird. Die Ergebnisse des
von den Erfindern durchgeführten Tests zeigen, daß es wünschenswert ist, daß das gemischte Papierblatt ir
eine Lösung oder Dispersion getaucht wird, die die organische hochmolekulare Substanz in einer Menge
von I bis 30 Gew.-% enthält, damit die organische hochmolekulare Substanz an dem gemischten Papierblatt
in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des gemischten Papicrblattcs, haftenbleibt.
Das gemischte Papierblatt, das auf diese Weise mit der organischen hochmolekularen Substanz imprägniert
worden ist, wird dann bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C in einer Atmosphäre aus einem
inerten Gas ausgeheizt, damit es zu einem Kohlcnstofffaserpapier l.arbonisierl wird. Das mil einer organischen
hochmolekularen Substanz imprägnierte gemischte Papierblatt kann im voraus, wenn es notwendig
ist, durch ein Kondilionierungsverfahren wie /.. B. Oxidation oder chemische Behandlung unschmelzbar
gemacht werden, damit die bituminöse Substanz und die thermoplastischen Harze mit einer niedrigen Schniel/.-ί
temperatur im Verlaufe des Ausheizprozesses nicht schmelzen und aus ihrer Lage herausfließen. Wenn das
Ausheizen des gemischten Papierblatles auf diese Weise durchgeführt wird, werden die künstlichen organischen
Fasern und die organische hochmolekulare Substanz,
ίο die in dem gemischten Papierblatt enthalten sind,
gleichzeitig karbonisiert und kondensiert, was dem Zweck dient, die einzelnen Kohlenstof/asern stark zu
binden und festzulegen, wobei sie miteinander in Kontakt gehalten werden, woraufhin ein Kohlenstoff-
Ii faserpapier mit einer Struktur entsteht, in der die
einzelnen Kohlenstoffasern über das Medium des kohlenstoffhaltigen Bindemittels miteinander verbunden
sind. Im Vergleich zu Kohlenstoffaserpapier, das nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt wird.
3d indem z. B. Kohlenstoffasern mit Polyvinylalkoholfasern
gemischt werden, die erstehende Mischung mit Hife einer üblichen Blattherstellutigsmaschine in Blattform
naßabgelegt wird, das erzeugte Blatt mit einer Lösung einer hochmolekularen Substan? wie eines
2) Phenolharzes, ähnlich dem, das in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, imprägniert wird und anschließend das imprägnierte Blatt bei einer Temperatur
von nicht weniger als 8000C in der Atmosphäre eines
inerten Gases ausgeheizt wird, zeigt das Kohlenstoff-
j(i faserpapier, das in der oben beschriebenen Weise
gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, verschiedene hervorragende Eigenschaften, die unten näher
beschrieben weden. Der Grund für das Hervorragen dieser verschiedenen Eigenschaften ist der, daß die
j-, einzelnen Kohlenstcffascrn stark miteinander verbunden
sind und an Punkten ihres gegenseitigen Kontaktes festgelegt sind.
Das Kohlenstoffaserpapier, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden is-i, erweist sich
als besonders einsatzfähig, z. B. als elektrolcitfähigcs Element in Form eines Grundmaterials für Elektroden
in Brennstoffbatterien oder Brennstoffzellen und elektrischen Staubsammelvorrichtungen, als wärmccrzcugendes
Element in plattenförmigen Heizungen und als Auskleidungsmaterial in korrosionsbeständigen
Behältern. Insbcsonders ist das durch diese Erfindung geschaffene Kohlenstoffaserpapier für die Anwendung
als Grundmaterial für Elektroden in Brennstoffzellen oder Brennstoffbatterien geeignet. Dieses Kohlenstoff-
-)0 faserpapier besitzt nämlich eine ausreichende Beständigkeit
gegen Korrosion durch die korrosive Lösung des Elektrolyten, dient dazu, die Lage des Kontaktes
zwischen dem Erennstoffgas und der Elektrolytlösung innerhalb der Ebene, in der der Katalysator gehalten
r> wird, stabil zu halten, und besitzt eine Gaspermcabilität.
die geeignei ist, den schnellen Austausch zwischen dem
unveränderten Gas und dem umgesetzten Gas bei dieser festen Stellung zu bewirken. Wegen dieser
verschiedenen Eigenschaften findet das erfindungsgc-
mi maß hergestellte Kohlenstoffaserpapier auch noch andere Anwendung als elcklrolcitfähiges Papier mit
einem äußerst hohen kommerziellen We;t.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen durch Beispiele
h5 näher erläutert.
In diesen bevorzugten Ausführungsbeispiclcn bedeuten
die Ausdrücke »Teile« und »Prozent« entsprechend Gewichtsteile und Gew.-n/o.
Gemischte Papierbläticr mit lilatlgcwichicn von 50.
100 und 150 g/m2 wurden hergestellt, indem ein
Papierstoff, der durch Dispergieren von 80 Teilen Kohlenstoffasern mit 3 mm Faserlänge. 20 Teilen
Holzstoff. 20 Teilen regenerierter Zellulose mit 6 mm
Faserlänge und einer Kohlcnstoffausbeute von 25% und IO Teilen Polyvinylalkohol in Wasser hergestellt
worden war. mit einer Fourdriniermaschine vom Yankee-Typ verarbeitet wurde. Diese gemischten
Papierblätter wurden mit einer Losung imprägniert, in
der 41Vu eines Phenolhar/es als eine organische
hochmolekulare Substanz in Methylalkohol als einem Verdünnungsmittel gelöst war (damit sich das Phenolharz
mit 17%. bezogen auf das Gewicht des gemischten Papierblattes, absetzen konnte), bei einer Temperatur
von etwa IOO°C getrocknet und bei einer Temperatur
von IOOO"C in einem Ofen ausgeheizt. der in der
Atmosphäre eines inerten Gases gehalten wurde, damit Kohlenstoffaserpapiere entstehen konnten, in denen die
einzelnen Kohlenstoffasern mittels eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels miteinander verbunden waren
Die physikalischen Eigenschaften von diesen Kohlen sioffaserpapiercn sind in Tabelle I angegeben.
Tabclie
Hlaltecwithl | Hlatlgewichl | Dicke | Rauni- | Widerstand1) (Ohm) | Querrichtung | Laiilr./Querr Verhältnis |
nach Wärme behandlung |
pewK-nt | Laufrichtung | ||||
(g/nr ι | (g/nr ) | (mm) | (p/cm1) | 10.05 (0.503)-) | 2.01 | |
50 | 40 | 0.266 | 0.150 | 5,00 (O,25O):) | 5.09 (0.255 l:) | I.X7 |
IOC) | XO | 0.55.1 | 0.145 | 2.72 (0.136)·) | 3.09 (0.155 Π | 1.73 |
15(1 | 120 | 0.829 | 0.156 | 1,77 (0.089):) | ||
40 | 4(1 | 19.89 Ί.00Μ | 3.18 | |||
(herkömmliche-, | 0.300 | 0.133 | 6,26 (O,3I3):) | |||
Gegenbeispiel ι | ||||||
!) Teststücke /ur Messung des Widerstandes: 200 mm '/ 2(K) mm (ausgeschlossen 20 mm LleklrndenaV.chnii
ι Werte des spc/if. Widerstandes pro cm' (Ohm cm 1I
, Laufrichtung Querrichtung
, Laufrichtung Querrichtung
2(1 cm n<I"r 20 cm '
Aus Tabelle I gehl klar hervor, daß die Produkte gemäß der Erfindung niedrigere W'idcrstandswcrtc und
andere bessere Eigenschaften als das herkömmliche Gegenbeispiel aufweisen, Ferner zeigi η die Daten, daß
sie ebenfalls in bezug auf die Anisotropie des Widerstandes verbessen sind. ·λ as an dem herkömmlichen
Gegenbeispiel ganz klar zu sehen ist. Die Produkte, die nicht weniger als 20% organische Fasern
gemäß der Erfindung haben, sind den herkömmlichen Produkten in dieser Hinsicht überlegen.
Die L'k-ichen gemischten Faserpapierc. wie sie in
Beispiel ! erhalten worden sind, wurden in ähnlicher Weise Su imprägniert, daß auf ihnen Phenolharz mit
verschiedenen Mengen von 17. 27 und 37% abgelagert
'Ajr. und bei einer Temperatur von 2000 C in der
■Vmosphäre eines inerten Gases ausgeheizt. um Kohlenstoffaserpapiere herzustellen, bei denen du
einzelnen Kohlenstoffasern mittels eines kohlenstoff haltigen Bindemittels miteinander verbunden waren
Die physikalischen Eigenschaften von diesen Pmdiikii·;
sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 | Menge des | Blattgewicht | Dicke | Widerstand (Ohm)1 | ) | Zugfestigkeit | 1,88 |
Blattgewicht | abgelager ten Phenoi- harzes |
nach Wärme behandlung |
Laufrichtung | Querrichtung | (kg/50 mm)2) Lauf- Quer richtung richtung |
3.17 | |
(%) | (g/m") | (mm) | 3,40 | ||||
(g/m*) | 17 | 38.0 | 0.280 | 1,93 (0,965 )3) | 3,93 (0,!47)3) | 5,16 | 3,47 |
27 | 46,0 | 0.263 | 1,31 (0,655 )3) | 2,91 (0,146)') | 8.43 | 5,63 | |
50 | 37 | 47.0 | 0,269 | l,26(0,630)3) | 2,16(0.108)3) | 8,90 | 7,67 |
17 | 78,0 | 0,582 | ι nfi ro ns τ Pi | i,9fi (0,09R)3) | 6,87 | ||
27 | 85,0 | 0,522 | 0,81 (0,04I)3) | 1,30 (0,065 )3) | 11,81 | ||
100 | 37 | 96.0 | 0,494 | 0,67 (0,034 )3) | 0,99 (0,050)') | 13.98 | |
10
■•'ortsel/imi!
Blaltgcwichi
Menge des
abgelagerlen Phenolharzes
abgelagerlen Phenolharzes
Blattgewichl
nach Wärmebehandlung
nach Wärmebehandlung
(g/m2)
Dicke
(mm)
Widerstand (Ohm)1) Laufrichlung Querrichtung
Zugfestigkeit
(kg/50 mm)2)
(kg/50 mm)2)
Lau I-richtung
Querrichtung
17
27
37
37
120,0
137.»/
150,0
0.800
0,762
0,747
0,747
0,71 (0,036)') 0,51 (0.026)') 0,46 (0,023)')
1,06 (0,053)')
0,69 (0,035)')
0,65 (0,033)')
0,69 (0,035)')
0,65 (0,033)')
6,91
17.22
19,41
19,41
(herkömmliches 17 40.0 0,303 2.14 6.25 3,92
Gegenbeispiel)
'i Teststücke /ur Messung lies Widerstandes: 200 mm * 200 mm (ausgeschlossen 20 mm Kkktrodenanteil).
-') Zugfestigkeit: Teststück: 50mm breit x 120mm lanu
iestiange: κΟιηηι
iestiange: κΟιηηι
Streckgeschwindigkeit: lOmni/min.
') Werte des spe/if. Widerstandes pro cm" (Ohm ■ cm ')
') Werte des spe/if. Widerstandes pro cm" (Ohm ■ cm ')
6,60
11,15
11,46
11,15
11,46
1,35
ι Laufrichtung Querrichtung ,
1 20 cm ° er 20 cm J
Gemischte Papierblätter mit einem Blattgewicht von 90 g/m2 wurden hergestellt, indem Papierstoff, der durch
Zugabe einer Mischung, die aus 40 Teilen Kohlenstoffasern
von 6 mm Faserlänge, 60 Teilen Holzstoff, 10 Ί eilen regenerierter Zellulosefasern mit 6 mm Faserlänge
und 25% Kohlenstoffausbeute und 10 Teilen Polyvinylalkohol bestand, zu Wasser erhalten worden
war, mit einer üblichen Blattherstellungsmaschine verarbeitet wurde. Die gemischten Papierblätter wurden
mit einer Imprägnierungsflüssigkeit imprägniert, die durch Lösen von 4% harzartigem Pech, das als
Nebenprodukt von gekracktem Rohöl erzeugt worden
war, in Aceton hergestellt worden war (damit das Pech mit 15% abgelagert werden konnte), getrocknet und
anschließend einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt, um das harzartige Pech unschmelzbar zu machen,
und bei Temperaturen von 1000°C und 2000°C in der
Atmosphäre eines inerten Gases ausgeheizt. um Kohlenstoffaserpapiere zu schaffen, in denen die
einzelnen Kohlcnstoffasern mittels eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels miteinander verbunden waren.
Die physikalischen Eigenschaften dieser Kohlenstofffaserpapiere sind in Tabelle 3 angegeben.
Temperatur der Wärme behandlung ( C) |
Elattgewicht nach Wärme behandlung (g/m2) |
Dicke (mm) |
Raumgewicht (g/cm1) |
Widerstand (Ohm)1) Laufrichtung |
Querrichtung |
1000 2000 |
45,0 41,0 |
0,205 0,204 |
0,32! 0,201 |
4,06 (O,2O3)2) 1,44 (0,072 Ϋ) |
10.22 (0.5 ID2) 2,90 (0,145)2) |
') Teststücke zur Messung des Widerstandes: Genau so wie in Beispiel
2) Werte des spezif. Widerstandes pro cm2 (Ohm ■ ctrT1)
/ Laufrichtung Querrichtung \
\ — oder-
20 cm
20 cm /
Eine Mischung, die aus 80 Teilen Kohlenstoffasern
mit 6 mm Faserlänge. 20 Teilen Holzstoff, 20 Teilen bO
Polyacryl-nitrilfasern mit 6 mm Faserlänge und 38% Kohlenstoffausbeute und 10 Teilen Polyvinylalkohol
bestand, wurde zu Wasser hinzugegeben, um einen Papierstoff herzustellen. Dieser Papierstoff wurde mit
einer herkömmlichen Papierherstellungsmaschine verarbeitet, um gemischte Papierblätter mit Blattgewichten
von 50 g/m2 herzustellen. Diese gemischten Papierblätter wurden mit einem Latex imprägniert, der 5%
Polyvinylchlorid-polyvinylidenchlorid Copolymer enthielt (damit sich das Harz mit 20% ablagern konnte),
getrocknet und danach bei Temperaturen von 10000C und 2000° C ausgeheizt.
Demzufolge wurden Kohlenstoffaserblätter erhalten,
bei denen die einzelnen Kohlenstoffasern miteinander verbunden waren. Diese Blätter hatten ähnliche
physikalische Eigenschaften wie die Produkte des vorhergehenden Beispiels. Die physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4 | Blattgewichtsein- heit nach Wärme behandlung ig/m2) |
Dicke (mm) |
Raumgewicht (g/cm-1) |
Widerstand (Ohm)') Laufrichtung |
Querrichtung |
Temperatur der Wärme behandlung ( C) |
40,0 38,0 |
0,275 0,255 |
0,146 0,149 |
4,33 (0,217)2) 1,47 (Ο.Ο74)2) |
10,87 (0.544)2) 2,99 (0,15O)2) |
1000 2000 |
|||||
') Teststücke zur Messung des Widerstandes (ienau so wie in Beispiel
') Werte des spezif. Widerstandes pro cm2 (Ohm ■ cm ')
/Laufrichtung Querrichtung ι
oder
' 20 cm 20 cm '
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffaserpapieres durch Mischen von Kohlenstoffasern rt
mit einem Bindemittel, Naßablegen der Mischung in die Form eines Papierblattes und nachfolgendes
Karbonisieren, dadurch gekennzeichnet, daß (a) Kohlenstoffasern mit Heizstoff, künstlichen
organischen Fasern, die eine Kohlenstoffausbeute in von nicht weniger als 20% besitzen, und einem
Papierblattbindemitiel in derartigen relativen Mengen gemischt werden, daß das Verhältnis der
Kohlenstoffasern zum Holzstoff in den Bereich von 40 bis 90 Gew.-% Kohlenstoffasern zu 60 bis 10 r>
Gew.-% Holzstoff, das Verhältnis der künstlichen organischen Fasern zu der Summe der Gewichte der
Kohlenstoffasern und des Holzstoffes in den Bereich von 5 bis 20 Gew.-% und das Verhältnis des
Papierblattbindemittels zu der Summe der Gewichte >»
der Kohienstoftasern, des Holzstoffes und der künstlichen organischen Fasern in den Bereich von 5
bis 50 Gew.-% fällt, und (b) das gemischte Papierblatt nach seiner Imprägnierung mit einer
hochmolekularen organischen Substanz karbonisiert ir,
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Fasern, die eine
Kohlenstoffausbeute von nicht weniger als 20% besitzen, synthetische Fasern auf Acrylnitrilbasis, hi
Fasern aus regenerierter Zellulose, synthetische Fasern auf Phenolbasis oder Polyimidfasern verwendet
werden.
3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als Papierblattbindemittel Polyvinylal- r>
koholfasern oder Hibiscusmanihot verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organische hochmolekulare Substanz
ein wärmehärtendes Harz, ein thermoplastisches Harz oder eine bituminöse Substanz verwendet
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als wärmehärtendes Harz ein Phenolharz, ein Epoxyharz, ein ungesättigtes Polyesterharz 4r>
oder ein Polydivinylbenzol verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als thermoplastisches Harz ein Vinylchloridharz, ein Vinylidenchloridharz, ein Vinylidenfluoridharz
oder ein Acrylnitrilharz verwendet ->o wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als bituminöse Substanz Pech oder
Teer verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekenn- v,
zeichnet, daß die Imprägnierung des gemischten Papierblattes mit der organischen hochmolekularen
Substanz durch Eintauchen des gemischten Papierblattes in eine Lösung durchgeführt wird, in der die
organische hochmolekulare Substanz mit I bis 30 bo Gew.-% enthalten ist, damit die organische hochmolekulare
Substanz auf dem gemischten Papierblatt mit 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des
gemischten Papierblattes, abgelagert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- μ
zeichnet, daß die Imprägnierung des gemischten Papierblattes mit der organischen hochmolekularen
Substanz durch Eintauchen des gemischten Papierin eine Dispersion durchgeführt wird, in der
diese organische hochmolekulare Substanz mit I bis 30 Gew.-% enthalten ist, damit die organische
hochmolekulare Substanz auf dem gemischten Papierblatt mit 5 bis 50 Gcw.-%, bezogen auf das
Gewicht des gemischten Papierblattes, abgelagert wird.
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