DE2818523A1 - Poroeses kohlenstoff-fasermaterial - Google Patents
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Description
2810523
Toray Industries, Inc., 2, Nihonbashi-Muromachi 2-chome, Chuo-Ku, Tokyo 103 /Japan
Poröses Kohlenstoff-Fasermaterial
Die Erfindung betrifft ein poröses Material, das aus einer Vielzahl von Kohlenstoff-Fasern, besonders geschnittenen
Kohlenstoff-Fasern aufgebaut ist. Spezieller betrifft die Erfindung ein poröses Kohlenstoff-Fasermaterial, welches
zerschnittene Kohlenstoff-Fasern umfaßt, die mit einem
dünnen Metallfilm bedeckt sind, um ein Material zu bilden, das zu einer Platte oder Matte geformt werden kann, welche
als ein Elektrodensubstrat für eine Batterie oder eine elektrolytische Elektrode, einen Stromsammler, ein Filtermaterial,
wie ein Magnetfilter, eine Nebeltrenneinrichtung, als Rippen eines Wärmeradiators und als Katalysatorträger beispielhalber
brauchbar ist.
Das poröse Material nach der Erfindung ist beispielsweise brauchbar als ein Träger in der Form eines Elektrodensubstrates,
das die aktiven Anoden- und Kathodenmaterialien einer Batterie trägt. Das poröse Material ist auch brauchbar für Durchflußelektroden,
wie elektrolytische Elektroden oder Stromsammler, und für Durchflußelemente, wie Filter einschließlich Magnetfiltern,
Nebeltrenneinrichtungen und Rippen von Wärmestrahlern.
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ÖftlGtf-JAL IMSPhGTED
Außerdem ist es vorteilhaft für die Verwendung in Stützelementen
und Durchflußelementen, wie beispielsweise für Katalysatorträger .
Der Stand der Technik beschreibt poröse Materialien, die für solche Zwecke verwendet werden. Es sind bereits verfilzte
Materialien bekannt, die aus ineinander verwobenen Kohlenstoff-Fasern, die metallisiert sind, bestehen. In solchen
verfilzten Materialien sind jedoch die Kohlenstoff-Fasern nicht gut dispergiert, und es liegen sogenannte Faserbündel
vor, in welchen viele einzelne Fasern miteinander ein Aggregat oder Bündel bilden und alle in der gleichen Richtung
orientiert sind und so ein in einer Richtung ausgerichtetes Bündel bilden. In solchen Materialien befindet sich die Metallisierung
nur auf der äußeren Oberfläche des Faserbündels und nicht auf den Kohlenstoff-Faseroberflächen im Inneren des
Bündels. Selbst wenn das Metall als Plattierung auf den inneren Abschnitten der Faserbündel aufgebracht wird, dient
es nur dazu, die einzelnen Kohlenstoff-Fasern zum Anhaften aneinander zu bringen, so daß man das Äquivalent einer sehr
dicken Einzelfaser bekommt.
Poröse Materialien aus dicken Einzelfasern haben verschiedene Nachteile, wie folgt:
(A) die verfügbare Oberfläche des porösen Materials ist klein
und folglich nachteilig in der Verwendung, besonders als Durch flußelektrode.
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Beispielsweise ist die Außenfläche eines Faserbündels, das von einhundert einzelnen Fasern gebildet wird, kleiner.als
ein Zehntel der Summe der Oberflächen von einhundert unabhängigen Einzelfasern. Wenn andererseits die oben erwähnte
Oberfläche größer wird, wird die Aktivierungspolarxsxerung und die Konzentrationspolarisierung einer elektrolytischen
Elektrode kleiner, und die Sammeleffizienz des Stromsammlers wird höher. Demnach sollte die verfügbare Oberfläche
so groß wie möglich sein.
(B) Die Maschen des porösen Materials sind so grob, daß es unvorteilhaft für die Verwendung als Trägereinrichtung
oder als Durchflußelement ist. Die Maschengröße eines solchen porösen Materials kann als der mittlere Abstand
zwischen einem Faserschnittpunkt und einem benachbarten Faserschnittpunkt ausgedrückt werden. Dieser mittlere
Abstand ist bekanntermaßen nahezu proportional zu dem Durchmesser der Faser. Daher ist jede wesentliche Vergrößerung
des Faserdurchmessers durch Aggregation einzelner Fasern sehr wichtig, da sie die Maschengröße des
porösen Materials unerwünscht größer macht . Je größer die Maschen des porösen Materials sind, desto geringer
ist seine Fähigkeit, seine Form und Festigkeit als ein Träger beizubehalten, und desto geringer ist seine Stromsammeleffizienz,
wenn es als Stromsammler verwendet wird, und desto geringer ist die Kontaktwahrscheinlichkeit,
wenn es als Durchflußelement mit einem Fließmittel verwendet wird.
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(C) Es ist nachteilig, das poröse Material (in der Form
einer dicken Faser) als eine Elektrode zu verwenden, da es geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Wenn
dicke Fasern vorliegen, nimmt die Zahl der Berührungspunkte mit den anderen Fasern ab. Als ein Ergebnis hiervon
ist die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials geringer. Für die Verwendung als eine Elektrode
ist aber eine elektrische Leitfähigkeit so hoch wie möglich erforderlich.
(D) Die Porosität (eines dicken Fasermaterials) ist so gering,
daß das poröse Material für die Verwendung als Träger und Durchflußeinrichtung ungeeignet ist. D. h., wenn die Porosität
niedrig ist, kann der Träger nur eine kleine Menge aktiver Substanz je Einheit der Faser darbieten, und seine
Gewichtseffizienz wird dadurch vermindert. Bei Verwendung als elektrolytische Elektrode wird die Aktivierungspolarisierung
und die Konzentrationspolarisierung übermäßig groß, was die Elektrodenleistung beeinträchtigt. Bei Verwendung
als Durchflußelektrode wächst der Fließmittelwiderstand der Platte oder Matte.
(E) Das poröse Material (in der Form einer dicken Faser) ist nicht gleichmäßig und daher ungeeignet für die Verwendung
als Durchflußelement. Wenn das poröse Material nicht gleichmäßig ist, wird die Gleichrichtung des Fließmittels stark
gestört. Es wird auch schwierig, eine gleichmäßige Verteilung der Stromgeschwindigkeit zu bekommen. Außerdem
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kann das Fließmittel nicht glatt fließen, was eine Steigerung des Fließwiderstandes verursacht.
Andererseits beschreibt die DE-PS 22 O4 752 ein poröses Material,
das durch Metallisieren eines Graphitfaservlieses mit Nickel gewonnen wird, wobei der Durchmesser der Graphitfasern 1OO bis
400 Mikron beträgt und somit sehr grob ist. In dem V?.ies sind jedoch wie in den oben erwähnten Matten die Fasern nicht genügend
dispergiert, und außerdem werden so dicke Graphitfasern verwendet, daß diese alle der oben erwähnten Nachteile (A) bis
(E) haben.
Ein Ziel der Erfindung ist es nun, ein poröses Material von Kohlenstoff-Fasern
zu bekommen, welches als ein Träger für ein Produkt, wie ein Elektrodensubstrat einer Batterie brauchbar ist.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein poröses Material von Kohlenstoff-Fasern zu bekommen, das als Durchflußelement, wie
eine elektrolytische Elektrode, ein Stromsammler oder ein magnetisches Filter, brauchbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein poröses Material von Kohlenstoff-Fasern zu bekommen, das sowohl als Träger als
auch als Durchflußelement verwendbar ist. Andere Ziele der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen offenbar.
Gemäß der Erfindung löst man die obigen Probleme mit einem
porösen Material, das eine Vielzahl von zerschnittenen Kohlen-
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stoff-Fasern mit einem Durchmesser von 3 bis 20 Mikron, wobei
die zerschnittenen Fasern im wesentlichen vollständig und WiIl-.
kürIich dispergiert und mit einander überschneidenden Einzelfasern
angesammelt sind, ein jede dieser Fasern an ihren Schnittpunkten unter Bildung einer porösen Struktur mit
einer Vielzahl von Poren, die sich kontinuierlich von einer Oberfläche des Materials zu der anderen hin erstrecken, vereinigendes
Bindemittel und einen dünnen jede der Fasern überdeckenden Metallfilm umfaßt. Die Kohlenstoff-Fasern haben
kurze Längen und sind vorzugsweise zerschnittene Kohlenstoff-Fasern, sie sind vorzugsweise übereinander geschichtet und
bilden dabei eine Platte oder Matte.
In der Zeichnung bedeutet
Fig. 1 eine konzeptionelle perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines porösen Kohlenstoff-Fasermaterials
nach der Erfindung,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils des Materials gemäß Figur 1 unter Darstellung des Aussehens der zerschnittenen
Kohlenstoff-Fasern und der Art ihrer Verbindung miteinander,
Fig. 3 eine konzeptionelle perspektivische Darstellung, worin die zerschnittene Kohlenstoff-Faser mit einem dünnen
Metallfilm nach der Erfindung bedeckt ist, und
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Fig.· 4\eine graphische Darstellung, welche die Strom-Potential-Elektrolysekurven
zeigt, die man erhält, wenn man als elektrolytische Elektroden das poröse Kohlenstoff-Fasermaterial
nach der Erfindung im Vergleich mit einem Platindrahtnetz verwendet.
Wo in der Beschreibung auf die Tatsache Bezug genommen wird, daß die zerschnittenen Kohlenstoff-Faserη im wesentlichen vollständig
dispergiert sind, bedeutet dies entweder, daß keine Faserbündel in dem Material vorliegen oder daß Irgendwelche
vorliegenden Faserbündel aus 2 bis 10 in der gleichen Richtung weisenden Kohlenstoff-Fasern bestehen und daß außerdem der Gehalt
solcher Faserbündel unter 5 % des Gesamtvolumens des porösen Materials liegt.
\ Poröses Material, in welchem die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern
nicht im wesentlichen vollständig dispergiert sind, sollte nicht verwendet werden, da ein solches poröses Material
die oben erwähnten Nachteile (A) bis (E) besitzt.
In der vorliegenden Beschreibung soll der Ausdruck "Kohlenstoff-Fasern"
irgendwelche Fasern einschließen, die durch Carbonisieren oder Verkohlen organischer Fasern, wie Cellulosefasern,
synthetische Acrylpolymerfasern, synthetische PoIyvinylalkoholfasern
und andere, gewonnen werden. Der Ausdruck 11 Kohlenstoff-Fasern" schließt auch Graphitfasern ein, die
aus fast reinem Kohlenstoff bestehen uifl die mehr als 98 %
Kohlenstoff enthalten.
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Eine Ausführungsform eines porösen Materials nach der Erfindung
ist in Figur 1 der Zeichnung gezeigt.
In Figur 1 ist das poröse Material allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Es umfaßt eine Vielzahl der Einzelfasern,
von denen jede willkürlich angeordnet ist, alle aber in im wesentlichen einer Richtung parallel zu einer gemeinsamen
Ebene angeordnet sind. Wie im rechten Teil von Figur 1 ersichtlich ist, sind mehrere Faserdicken gezeigt, so daß ein
plattenartiges oder mattenartiges Produkt gebildet wurde, das genügend Festigkeit haben kann, um selbsttragend zu sein.
Das dort gezeigte poröse Material ist aus zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern aufgebaut, die mit einem dünnen Metallfilm
bedeckt sind. Die Längen der zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern sind fast gleich, und ihre Durchmesser sind 3 bis 20
Mikron. Jede der zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern ist willkürlich
aber im wesentlichen parallel zu einer zweidimensionalen Ebene verteilt oder dispergiert, wobei die Fasern einander
unter Bildung von Poren überlappen, welche letztere sich kontinuierlich bzw. ohne Unterbrechung von einer Oberfläche des
Materials zu der anderen erstrecken.
Der Ausdruck "im wesentlichen parallel zu einer zweidimensionalen Ebene" soll bedeuten, daß der Winkel zwischen der Achse der zerschnittenen
Kohlenstoff-Faser und der zweidimensionalen Ebene kleiner als 30 °, vorzugsweise kleiner als 15 ° ist. Im allgemeinen
bildet das poröse Material eine plattenartige oder mattenartige Form.
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Wie in Figur 2 erläutert ist, sind die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern
miteinander durch ein Bindemittel 4 in Bereichen des Überschneidens der Fasern verbunden, so daß die Fasern
eine einheitliche Masse bilden. Außerdem ist jede zerschnittene Kohlenstoff-Faser mit einem dünnen Metallfilm 5 bedeckt,
wie in Figur 3 erläutert ist.
Die Längen der zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern liegen vorzugsweise
im Bereich von 2 bis 50 mm, und vorzugsweise haben alle von ihnen etwa die gleiche Länge. Wenn die zerschnittenen
Fasern kürzer als 2 mm sind, wirken sie mehr wie Pulver als wie Fasern. Daher neigen sie dazu, sich zu dicht aufzustapeln,
so daß die Porosität abnimmt.
Wenn andererseits die zerschni ttenen Fasern langer als 50 mm
sind, verwirren sie sich zu leicht, so daß es schwierig wird, sie im wesentlichen vollständig zu dispergieren.
Es ist vorteilhaft, feine Kohlenstoff-Fasern mit einem Durchmesser
von 3 bis 20 ,u zu verwenden und sie im wesentlichen
vollständig zu dispergieren, da dies die Oberfläche des porösen Materials wesentlich steigert. Wenn beispielsweise der
Berührungsgrad zwischen dem Fließmittel und der Elektrode steigt, werden die Aktivierungspolarisierung und die Konzentrationspolarisierung
einer elektrolytischen Elektrode und die Stromsammlereffizienz des Stromsammlers verbessert. Das
poröse Material nach der Erfindung ist äußerst geeignet für diese Verwendungen, da es eine sehr große Oberfläche besitzt.
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Die Vergrößerung der Zahl der Berührungspunkte zwischen den Fasern macht die elektrische Leitfähigkeit des Materials grosser,
was ebenfalls äußerst erwünscht für die Verwendung als eine Elektrode ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, sehr feine zerschnittene Fasern zu verwenden, deren Durchmesser 3 bis 20 ,u beträgt, während
man sie im wesentlichen vollständig dispergiert. Dies erzeugt ein poröses Material mit feiner Maschengröße. Wie beschrieben,
ist es erwünscht, ein feinporöses Material zu bekommen, da dies die Trägereigenschaften für Trägermaterialien verbessert
und auch die Stromsammeieffizienz und die Berührungswahrscheinlichkeit einer Durchflußeinrichtung erhöht. Beispielsweise bei
Verwendung als Stromsammler fließen in dem aktiven Material erzeugte Ladungen als ein Strom in die benachbarten Fasern.
In diesem Verfahren bekommen die in dem aktiven Material erzeugten Ladungen in diesem Stromweg zu dem Strom hinzu. Daher
steigt der Strom zunehmend, wenn der Stromweg länger wird, und verursacht einen großen Spannungsabfall. Je gröber die Maschen
des porösen Materials sind, desto länger ist der Stromweg. Demnach ist es besonders wichtig, daß die Maschen des Materials
fein sind, um ein Anwachsen des Spannungsabfalls zu vermeiden. Bei Verwendung als elektrolytische Elektrode unterliegt der
Elektrolyt einer chemischen Reaktion. Nur ein kleiner Teil des Elektrolyten, der sehr nahe an die Fasern herankommt,
unterliegt jedoch tatsächlich einer solchen elektrochemischen Reaktion. Andere Teile des Elektrolyten, die nicht in die
Nachbarschaft der Fasern gelangen, fließen aus der Elektrode,
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ohne irgendeiner wesentlichen elektrochemischen Reaktion zu unterliegen. Als Ergebnis hiervon nimmt die Effizienz der
Elektrode ab. Wenn die Maschen des porösen Materials grob sind, nimmt die Menge eines solchen Elektrolyten, der die
Elektrode verläßt, zu.
Die Porosität des porösen Materials nach der Erfindung ist
sehr groß, wie 80 bis 98 % Porosität. Eine derart hohe Porosität
kann im wesentlichen dadurch erhalten werden, daß man die zerschnittenen Fasern im wesentlichen vollkommen öffnet.
Hohe Porosität ist vorteilhaft, da sie es ermöglicht, daß das Material eine größere Materialmenge trägt, wenn es als
Träger verwendet wird, und bewirkt, daß das Fließmittel glatt fließt, wenn es auf diese Weise verwendet wird. Bei Verwendung
als elektrolytische Elektrode wächst außerdem die Effizienz,
da die Berührung des Elektrolyten mit der Elektrode verbessert wird und da unerwünschte Effekte, wie Aktivierungspolarisierung
und Konzentrationspolarisierung, unterdrückt werden.
Ein weiterer Vorteil des Konzeptes eines im wesentlichen vollständigen
Dispergierens zerschnittener Kohlenstoff-Fasern unter Bildung der Platte oder Matte besteht darin, daß bei Verwendung
des Materials als Durchflußelement die fließmittelrichtende Leistung des Materials verbessert wird und eine gleichförmige
Verteilung der Fließgeschwindigkeit erreicht wird.
Der Fließwiderstand nimmt auch aus Gründen einer glatten Bewegung
des Fließmittels ab.
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Die Bindemittel, die die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern zum Anhaften aneinander bringen und eine gleichmäßige Masse
bilden, sind beispielsweise Phenolharze, Epoxyharze, Furanharze, Xylenol-Formaldehydharze, Harnstoffharze, Melaminharze,
Anilin-Formaldehydharze, Friedel-Crafts-Harze, ungesättigte Polyesterharze, Polyvinylalkohol, Polyacrylharze,
Polyvinylbutyral, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylacetat,Polystyrol,
Polyisobutylen und andere. Diese können mit oder ohne Lösungsmittel verwendet werden, je nach Wunsch. Wenn
ein Bindemittel verwendet wird, umfaßt es vorzugsweise 2 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zerschnittenen
Kohlenstoff-Fasern. Wenn die Menge des Bindemittels geringer als 2 Gew.-% ist, haften die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern
nicht fest genug aneinander. Wenn die Menge des Bindemittels größer als 50 Gew.-% ist, besteht die Gefahr, daß das Bindemittel
die Poren verstopft und somit die Porosität abnimmt. Außerdem kommt es manchmal vor, daß zuviel Bindemittel es
für die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern schwierig macht, im wesentlichen vollständig mit dem Metall bedeckt zu werden.
Das für die Ausbildung des dünnen Metallfilmes verwendete
Metall ist ein elektrisch leitendes Metall aus der Gruppe Nickel, Eisen, Kobalt, Platin, Gold, Silber, Kupfer, Palladium,
Rhodium, Rhenium, Lithium, Aluminium, Wismut , Beryllium, Blei, Zink, Zinn, Chrom, Titan, Vanadin, Molybdän, Niob, Wolfram,
Tantal, Kadmium, Indium, Mangan, Tellur, Antimon, Selen, Germanium, Silicium und Legierungen, die aus wenigstens einem
dieser Metalle als Hauptkomponente aufgebaut sind. Das Bedecken
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der zerschnittenen Fasern mit dem Metall ist erforderlich, um die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials zu
verbessern, und oftmals liefert dies den weiteren Vorteil, daß die Form des Produktes durch Verstärkung der Festigkeit
der zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern gehalten wird.
Je nach der erwünschten Endverwendung des porösen Materials kann das geeignete Material oder die geeignete Legierung ausgewählt
werden. Wenn beispielsweise das Material als ein Elektrodensubstrat für die Verwendung in Batterien verwendet werden
soll, ist Nickel geeignet. Wenn es als elektrolytisehe
Elektroden verwendet wird,sind Platin, Gold und Silber geeignet.
Bei Verwendung als magnetische Filter sind Nickel, Kobalt und Eisen zweckmäßig.
Die Dicke des Metalles ist nicht mehr als 10 Mikron. Wenn dickere Metallschichten verwendet werden, wird der Durchmesser
der Fasern zu groß, was die gleichen Nachteile bewirkt, wie wenn Faserbündel-vorlagen.
Die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern können nach verschiedenen Methoden mit dem Metall bedeckt werden, wie durch elektrochemisches
Metallisieren, durch chemisches Metallisieren, durch Vakuumablagerung, durch Versprühen, durch Ionenmetallisierung,
durch Plasmastrahlaufbringung oder durch chemische Dampfablagerung. Elektrochemisches Metallisieren wird vorzugsweise angewendet,
da es sehr leicht ist, das Metall auf jenen Abschnitten der Fasern aufzubringen, die im Inneren des porösen Materials
liegen. Außerdem ist elektrochemisches Metallisieren
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oder Plattieren billiger und wird in der Industrie weitgehend angewendet.
Bei den obigen Erläuterungen wurde Bezug auf ein poröses Material plattenartiger Form genommen. Die Form des Materials kann
jedoch je nach der beabsichtigten Verwendung geändert werden. Beispielsweise bei Verwendung als Durchflußelektroden oder
Katalysator kann es vorteilhaft sein, die Form eines Zylinders oder einer Säule des porösen Materials zu verwenden. Für die
Verwendung als Elektrodensubstrat oder als Magnetfilter ist oftmals eine plattenartige Form zweckmäßig.
In der obigen Erläuterung wurden die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern
als derart ubereinandergeschichtet bezeichnet, daß ihre Achsen im wesentli dien parallel zu einer zweidimensionalen
Ebene angeordnet sind. Dies ist besonders zweckmässig für die Verwendung als Magnetfilter. Der Grund hierfür
liegt darin, daß in einem Magnetfilter nur jene Komponente des Magnetfeldes, die senkrecht zu der Faser liegt, wirksam
sein kann. Daher kann durch Anordnung des porösen Materials derart, daß seine plattenartige Oberfläche senkrecht zu dem
Magnetfeld liegt, eine maximale Trennwirkung erreicht werden. In Verbindung mit anderen Verwendungen können jedoch allgemein
gesprochen die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern bezügich der Richtung willkürlich orientiert sein.
Eine Methode zur Herstellung von porösem Material nach der
Erfindung ist beispielsweise folgende:
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Kohlenstoff-Fasern werden zu zerschnittenen Fasern zerschnitten und auf einem Netz angehäuft, wobei man ihr eigenes Gewicht
in Verbindung mit einem Luftstrahl benützt. Sodann wird das Bindemittel auf der Anhäufung verteilt, und das Produkt
wird durch ein Paar heißer Walzen geführt, um die erwünschte Dicke zu bekommen. Während dieses Verfahrens wird das Bindemittel
verfestigt unddie Oberfläche der Anhäufung geglättet.
Danach werden die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern durch Elektroplattieren metallisiert.
Wie oben beschrieben, umfaßt das poröse Material nach der Erfindung
zerschnittene Kohlenstoff-Fasern mit einem Durchmesser von 3 bi 20 Mikron, die im wesentlichen vollständig dispergiert
sind. Daher wächst die Oberfläche bei wirksamer Verwendung als poröses Material enorm. Demnach ist das poröse Material nach
der Erfindung brauchbar als ein Durchflußelement, wie eine elektrolytische Elektrode oder ein Stromsammler. Da die Maschengröße
des porösen Substrates fein ist, werden seine Leistung als Stützmaterial, seine Stromsammlereffizienz als
Stromsammler und seine Berührungswahrscheinlichkeit mit Fließmitteln stark verbessert. Das poröse Material nach der Erfindung
ist nicht nur als Träger, sondern auch als Durchflußelement brauchbar. Die Zahl der Berührungspunkte der zerschnittenen
Kohlenstoff-Fasern wird auch radikal erhöht, so daß die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials ebenfalls erhöht
wird. So ist das poröse Material nach der Erfindung besonders brauchbar als eine Elektrode.
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Da außerdem die zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern des porösen Materials nach der Erfindung im wesentlichen vollständig
dispergiert sind, kann eine hohe Porosität erhalten werden, was äußerst erwünschte Ergebnisse, wie eine Erhöhung der
Menge an getragenem Material in dem Träger, Verbesserung der Gewichtseffizienz, unterdrückung von Aktivierungspolarisierung
und Konzentrationspolarisierung elektrolytischer Elektroden, Verbesserung der Leistung einer Elektrode oder
Abnahme des Fließmittelwiderstandes eines Durchflußelementes, ergibt. Da außerdem das poröse Material nach der Erfindung
gleichförmig ist, ist es brauchbar als ein Durchflußelement. Die Leistung der Gleichrichtung wird verbessert, man bekommt
eine gleichmäßige Verteilung der Fließgeschwindigkeit, und der Fließmittelwiderstand wird durch eine glatte oder gleichmäßige
Fließmittelbewegung vermindert.
In dem porösen Material aus Kohlenstoff-Faser nach der Erfindung haften die zerschnittenen Fasern aneinander an einigen
ihrer Schnittpunkte und ergeben eine einheitliche Masse der Fasern. Jede der zerschnittenen Fasern ist außerdem mit einem
dünnen Metallfilm bedeckt. Daher hält das poröse Material leicht seine eigene Form und wird daran gehindert, unter dem
Gewicht des getragenen Materials deformiert zu werden, wenn man es als Träger verwendet, oder unter dem Fließmitteldruck
deformiert zu werden, wenn man es als Durchflußelement verwendet .
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Kohlenstoff-Fasern mit elipsoidartigem Querschnitt von 6 χ 8 ,u und einem mittleren Durchmesser von 7 ,u wurden
zu geschnittenen Fasern von 15 mm Länge zerschnitten und auf einem Netz unter Ausnützung ihres Eigengewichtes und
eines Luftstrahles angehäuft. Sodann wurde eine wässrige Phenolharzemulsion auf dieser Anhäufung der zerschnittenen
Fasern \erteilt. Diese Anhäufung wurde durch ein Paar heißer
Walzen geführt, wobei das Bindemittel sich verfestigte und die Oberfläche der Anhäufung geglättet wurde. Das plattenartige
oder mattenartige Material (nachfolgend als Platte bezeichnet), das erhalten wurde, hatte ein Gewicht von 30 g
je m und eine Dicke von 1,0 + 0,1 mm. Nach genau dem gleichen Verfahren wurde auch eine andere Platte erhalten.
Die beiden oben erwähnten Platten wurden in ein Bad zum Zwecke einer Vernickelung eingetaucht. Unter Verwendung einer Nickelplatte als Gegenanode und der oben erwähnten Platten als Kathoden
wurden die Platten vernickelt, wobei eine Stromdichte von einem A/dm verwendet wurde. Die Größe der in das Bad eingetauchten
Platten lag bei 5x5 cm. Der Elektrolyt bestand aus 150 g/l
Nickelsulfid, 15 g je 1 Ammoniumchlorid, 15 g je 1 Borsäure und besaß einen pH-Wert von 5,6 bis 5,8.
Die Porosität des porösen Materials von Kohlenstoff-Fasern mit
einer Nickelschicht lag bei 94 %. Sein Gewicht lag bei 600 g
2 -3
je m und sein spezifischer Widerstand lag bei 0,7 χ 10 Ohm χ cm.
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Sodann wurde dieses poröse Material zu Stücken von 2 χ 3 cm
zerschnitten, und ein Leitungsdraht (Kupferdraht) wurde an einer der kürzeren Kanten aufgelötet, und danach wurde das
dünne poröse Material mit Epoxyharz an einem restlichen Teil 2 cm von der anderen kürzeren Kante entfernt versiegelt.
So wurde ein Elektrodensubstrat gewonnen. Eines dieser Elektrodensubstrate wurde in eine wässrige Lösung von 3,5
Mol/l Nickelnitrat eingetaucht. Unter Verwendung einer Nickelplatte als anodische Gegenelektrode wurde dieses Elektrodensubstrat
kathodisch 12 Stunden bei einer Stromdichte von 25 mA/
cm polarisiert. Weiterhin wurde dieses Elektrodensubstrat in einer wässrigen 5 N Kaliumhydroxidlösung 1 Stunde bei einer
Stromdichte von 50 mA/cm polarisiert.
Ein anderes Elektrodensubstrat wurde in eine wässrige Kadmiumnitratlösung
von 4,5 Mol/l eingetaucht. Unter Verwendung einer Kadmiumplatte als Gegenanode wurde das Elektrodensubstrat 4 Stun-
den bei einer Stromdichte von 15,5 mA/cm kathodisch polarisiert.
Um die Diffusion des während der Elektrolyse erzeugten Gases zu verhindern, wurde eine Trenneinrichtung aus Polyvinylchlorid mit
feinen Poren verwendet. Auf der anodischen Zelle wurden große Mengen Kadmiumoxidpulver suspendiert. Nach dieser Elektrolyse
wurde die Platte in einer 5 N Kaliuinhydroxidlösung 1 Stunde bei einer Stromdichte von 15 mA/cm polarisiert, sodann wurde
ein Teil des Kadmiumhydroxids in metallisches Kadmium überführt. Diese beiden Elektrodenarten, die Nickelelektrode und
Kadmiumelektrode, wurden elektrochemisch in einer wässrigen
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Lösung von Kaliumhydroxid mit einem spezifischen Gewicht von
1,25 während 20 Stunden bei einer Stromdichte von 50 mA/cm gebildet. Nach dem Spülen und Trocknen derselben wurde ihr ·
Gewicht gemessen. Die Menge der Füllung von aktivem.Material in der Nickelelektrode lag bei 1,9 g je cm und in der Kadmiumelektrode
bei 1,33 g je cm3. Durch Messung der Kapazität dieser beiden Elektroden in einer einzelnen Elektrodenmethode wurde
gefunden, daß sie ausgezeichnete Eigenschaften für die Verwendung als Elektrodensubstrate für eine Lagerbatterie besaßen,
deren Anode eine Nickelanode und deren Kathode eine Kadmiumkathode war.
Nach genau dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurde genau die gleiche plattenartige Kohlenstoff-Fasersubstanz hergestellt.
Diese Platte wurde mit Platin metallisiert, und man erhielt ein poröses Material von mit Platin überzogenen Kohlen-
stoff-Fasern. Ihr Grundgewicht lag bei 650 g je m , und der
mittlere Durchmesser der zerschnittenen Fasern, d. h. der mit Platin überzogenen Kohlenstoff-Fasern, war etwa 12 ,u. Um dieses
poröse Material als eine elektrolytische Elektrode zu testen, wurde es auf eine runde Form beschnitten, und sein Umfang
wurde mit Epoxyharz versiegelt. Dann wurde es als Arbeitselektro-
de benützt, deren wirksame Fläche 0,79 cm war. Die Arbeitselektrode
wurde in einer Glasröhre mit einem Innendurchmesser von 10 mm angeordnet, so daß die Ebene der Arbeitselektrode senkrecht
zu der Zylinderachse der Glasröhre lag.
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Eine wässrige Lösung von 0,1 Mol je 1 Schwefelsäure mit
einem Gehalt von 0,01 Mol je 1 Kupfersulfat floß durch diese Glasrohre mit einer Geschwindigkeit von 21 ml je
Minute. Nach dem Einsetzen einer Gegenelektrode aus Platin in diese Glasrohre wurde das Verhältnis zwischen dem Elektrodenstrom
und dem Elektrodenpotential der Arbeitselektrode bei der Elektrolyse gemessen. Das Ergebnis dieser Messung
findet sich in der Kurve (A) in Figur 4.
Für einen Vergleich mit dem obigen Ergebnis wurde die gleiche Messung unter Verwendung einer Arbeitselektrode aus einem
Platinnetz aus Platindrähten mit einem Durchmesser von 80 .u durchgeführt. Das Grundgewicht dieses Platinnetzes lag bei
650 g je m und war das gleiche wie jenes des besagten porösen Materials aus mit Platin überzogenen Kohlenstoff-Fasern.
Das Ergebnis dieser Messung findet sich in Kurve (B) in Figur 4.
Wie aus Figur 4 ersichöich ist, war die Stromdichte der
Arbeitselektrode unter Benutzung des porösen Materials nach der Erfindung größer als jene der Arbeitselektrode
unter Benützung des Platinnetzes. Dies beruht hauptsächlich darauf, daß der Durchmesser der zerschnittenen Kohlenstoff-Fasern
des porösen Materials nach der Erfindung etwa 12 .u und damit viel feiner als jener des Platindrahtes mit
einem Durchmesser von 80 »u war.
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Leerseite
Claims (13)
1. Poröses Kohlenstoff-Fasermaterial, dadurch gekennzeichnet,
daß es aus einer Vielzahl zerschnittener Kohlenstoff-Fasern mit einem Durchmesser von 3 bis 20 Mikron,
die im wesentlichen vollständig und willkürlich dispergiert oder verteilt sind, wobei Fasern übereinander
liegen und sich gegenseitig schneiden, einem die Fasern an ihren Überschneidungspunkten unter Bildung einer porösen Struktur mit einer Vielzahl von Poren, die sich
liegen und sich gegenseitig schneiden, einem die Fasern an ihren Überschneidungspunkten unter Bildung einer porösen Struktur mit einer Vielzahl von Poren, die sich
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zusammenhängend von einem Ende des Materials zum anderen erstrecken, berührenden Bindemittel und einem jede der
Fasern bedeckenden dünnen Metallfilm besteht.
2. Poröses Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Fasern im wesentlichen parallel zu einer
zweidimensionalen Ebene willkürlich dispergiert oder angeordnet ist.
3. Poröses Material nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge seiner Kohlenstoff-Fasern 2 bis 50 mm beträgt.
4. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß es als Bindemittel Phenolharz, Epoxyharz, Furanharz, Xylenol-Formaldehydharz, Harnstoffharz, MeIaminharz,
Anilin-Formaldehydharz, Friedel-Crafts-Harz, ungesättigtes Polyesterharz, Polyvinylalkohol, Polyacrylharz,
Polyvinylbutyral, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylacetat, Polystyrol und/oder Polyisobutylen enthält.
5. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es das Bindemittel in einer Menge von 2 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Fasern, enthält.
6. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß es auf den Fasern einen Metallfilm aus Nickel, Eisen, Kobalt, Platin, Gold, Silber, Kupfer, Palladium, Rhodium,
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Rhenium, Lithium, Aluminium, Wismut , Beryllium, Blei, Zink, Zinn, Chrom, Titan, Vanadin, Molybdän, Niob, Wolfram,
Tantal, Kadmium, Indium, Mangan, Tellur, Antimon, Selen, Germanium, Silicium oder Legierungen, die eines
dieser Metalle als Hauptkomponente enthalten, besitzt.
7. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke seines dünnen Metallfilmes 10 Mikron oder weniger beträgt.
8. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gesamtvolumen seiner Poren 80 bis 98 % des Gesamtvolumens des porösen Materials ausmacht.
9. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß es die Form einer Matte mit parallelen, voneinander beabstandeten glatten Oberflächen besitzt.
10. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß jede seiner Fasern im wesentlichen unabhängig und frei von Agglomeration mit benachbarten Fasern
ist.
11. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß jede seiner Fasern im wesentlichen vollständig und im wesentlichen gleichmäßig mit dem dünnen Metallfilm
überzogen ist.
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12. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß es bogenartige, zylindrische oder säulenartige Form besitzt.
13. Poröses Material nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß es die Form einer Matte besitzt, die im wesentlichen entlang einer Ebene angeordnet ist und in
welcher der Winkel zwischen den Kohlenstoff-Fasern und der Ebene der Matte kleiner als 30 °, vorzugsweise kleiner
als 15 ° ist.
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