EP1346091A1 - Verfahren zum graphitieren eines carbonisierten flächengebildes - Google Patents

Verfahren zum graphitieren eines carbonisierten flächengebildes

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EP1346091A1
EP1346091A1 EP01956550A EP01956550A EP1346091A1 EP 1346091 A1 EP1346091 A1 EP 1346091A1 EP 01956550 A EP01956550 A EP 01956550A EP 01956550 A EP01956550 A EP 01956550A EP 1346091 A1 EP1346091 A1 EP 1346091A1
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EP
European Patent Office
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carbonized
graphitized
nonwoven fabric
fabric
electronic devices
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Withdrawn
Application number
EP01956550A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Birgit Severich
Gerhard Schöpping
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Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
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Publication date
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    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T442/00—Fabric [woven, knitted, or nonwoven textile or cloth, etc.]
    • Y10T442/20—Coated or impregnated woven, knit, or nonwoven fabric which is not [a] associated with another preformed layer or fiber layer or, [b] with respect to woven and knit, characterized, respectively, by a particular or differential weave or knit, wherein the coating or impregnation is neither a foamed material nor a free metal or alloy layer
    • Y10T442/2475—Coating or impregnation is electrical insulation-providing, -improving, or -increasing, or conductivity-reducing

Definitions

  • the invention relates to a method for graphitizing a carbonized fabric.
  • a process for graphitizing fibers or nonwovens is also known from document US Pat. No. 3,699,210, in which precursor fibers, which consist of polyacrylonitrile polymers or aromatic polyamides, are heated to 180.degree. C. to 550.degree. C. in an atmosphere containing oxygen and then heated by means of a CO 2 laser beam first heated to 700 ° C to 1,200 ° C and then to 1,200 ° C to 3,600 ° C and converted to graphitized fibers.
  • the yarn or fleece to be graphitized must be placed in an inert gas atmosphere. Such measures make the production process more expensive and slow it down.
  • the object of the invention is to provide a simplified method for producing graphitized fabrics.
  • the object is achieved in that the carbonized fabric is heated in rows or columns to temperatures between 1,200 ° C. and 3,200 ° C. with the entry of air by means of a laser beam.
  • the heating can be carried out by means of a laser beam and in the presence of air without the fabric being destroyed, that is to say burning the fibers.
  • the process power of the laser beam is preferably at least 5.0 kWs g "1 .
  • the process power used ensures conversion of the starting fibers into graphitized fibers without burning them.
  • the heating is preferably effected with the aid of a CO 2 laser.
  • the CO 2 laser enables a very fast and continuous supply of energy.
  • the graphitization takes place in such a way that only structures similar to conductor tracks are graphitized. As a result, electrically conductive structures which open up new fields of application are accessible on the non-conductive starting nonwoven.
  • the invention further relates to a graphitized nonwoven fabric which is produced by the method according to the invention and is used as a gas distribution layer in fuel cells.
  • the invention further relates to a graphitized nonwoven fabric which is used as the base material for electrodes in supercapacitors.
  • the graphitized fabric according to the invention has sufficient mechanical strength so that handling of the graphitized fabric is guaranteed. Compared to the graphitized fabrics produced in the conventional process, the rigidity of the graphitized fabric according to the invention is significantly increased without the material becoming brittle.
  • the invention further relates to a graphitized nonwoven fabric which is used as a conductive lining material for the electrical connection in a piece of clothing of electronic devices, as an antenna for electronic devices and / or as a heating conductor in clothes.
  • Carbonized fabrics consisting of a preoxidized polyacrylonitrile fiber fleece with a basis weight of 60 g / m 2 were made with a CO 2 laser with a continuous output of approx. 1000 W with a feed in the machine direction of 6 mm and a diameter of the laser beam of 14 mm graphitized.
  • Figure 1 shows the dependence of the conductivity on the laser process energy used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Graphitieren eines carbonisierten Flächengebildes, bei dem das carbonisierte Flächengebilde unter Zutritt von Luft mittels eines Laserstrahls zeilen- oder spaltenförmig auf Temperaturen zwischen 1.200 DEG C und 3.200 DEG C erwärmt wird.

Description

Verfahren zum Graphitieren eines carbonisierten Flächengebildes
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Graphitieren eines carbonisierten Flächengebildes.
Aus den Dokumenten JP 2139464, JP 06123050 und JP 1 158737 sind Verfahren zur Herstellung von Karbonfaser- Vliesen bekannt, bei denen ein Vlies aus organischen, flammenresistenten Fasern wie preoxidierten Polyacrylnitrilfasern oder Pechfasern durch Erhitzen in einer Inert- Gasatmosphäre auf Temperaturen > 1.100°C in ein leitfähiges, graphitiertes Vlies umgewandelt werden.
Weiterhin ist aus dem Dokument US 3,699,210 ein Verfahren zur Graphitierung von Fasern oder Vliesen bekannt, bei dem Prekursorfasern, die aus Polyacrylnitrilpolymeren oder aromatischen Polyamiden bestehen in einer Sauerstoff enthaltenen Atmosphäre auf 180°C bis 550°C erhitzt und anschließend mittels eines CO2-Laserstrahls erst auf 700°C bis 1.200°C und danach auf 1.200°C bis 3.600°C erhitzt und zu graphitierten Fasern umgewandelt werden. Da zu graphitierende Garn oder Vlies muss dazu in eine Inert-Gasatmosphäre eingebracht werden. Solche Maßnahmen verteuern und verlangsamen den Produktionsprozess. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von graphitierten Flächengebilden anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das carbonisierte Flächengebilde unter Zutritt von Luft mittels eines Laserstrahls Zeilen- oder spaltenförmig auf Temperaturen zwischen 1.200°C und 3.200°C erwärmt wird.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass die Erwärmung mittels eines Laserstrahls und unter Anwesenheit von Luft erfolgen kann, ohne dass eine Zerstörung des Flächengebildes, das heißt ein Verbrennen der Fasern, erfolgt. Dadurch wird das Verfahren sehr stark vereinfacht, denn es sind keine Vorrichtungen zur Zuführung von Schutzgas mehr notwendig, und das Verfahren kann dadurch in einfacher Weise kontinuierlich durchgeführt werden, wobei ein elektrisch-leitfähiges Produkt erhalten wird.
Vorzugsweise beträgt die Prozessleistung des Laserstrahls mindestens 5,0 kWs g"1.
Die eingesetzte Prozessleistung gewährleistet eine Umwandlung der Ausgangsfasern in graphitierte Fasern ohne diese zu verbrennen.
Vorzugsweise wird die Erwärmung mit Hilfe eines C02-Lasers bewirkt. Der CO2- Laser gestattet eine sehr schnelle und kontinuierliche Energiezufuhr. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Graphitierung in der Weise, dass nur Leiterbahnen ähnliche Strukturen graphitiert werden. Dadurch werden auf an dem sich elektrisch nicht leitenden Ausgangsvliesstoff elektrisch leitfähige Strukturen zugänglich, die neue Anwendungsgebiete eröffnen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen graphitierten Vliesstoff, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und als Gasverteilerschicht in Brennstoffzellen eingesetzt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen graphitierten Vliesstoff, der als Basismaterial für Elektroden in Superkondensatoren eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße graphitierte Flächengebilde weist eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, so dass ein Handling des graphitierten Flächengebildes gewährleistet ist. im Vergleich zu den im konventionellen Verfahren hergestellten graphitierten Flächengebilden ist die Steifigkeit des erfindungsgemäßen graphitierten Flächengebildes deutlich erhöht, ohne dass das Material brüchig wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen graphitierten Vliesstoff, der als leitfähiger Futterstoff zur elektrischen Verbindung in einem Kleidungsstück eingelassener elektronischer Geräte, als Antenne für elektronische Geräte und / oder als Heizleiter in Kleidungsstücken verwendet wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1 :
Carbonisierte Flächengebilde bestehend aus einem preoxidierten Polyacrylnitril-Faservlies mit einem Flächengewicht von 60 g/m2 wurden mit einem CO2-Laser mit einer kontinuierlichen Leistung von ca. 1000 W bei einem Vorschub in Maschinenrichtung von 6 mm und einem Durchmesser des Laserstrahls von 14 mm graphitiert. Abbildung 1 zeigt die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der eingesetzten Laser-Prozess Energie.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Graphitieren eines carbonisierten Flächengebildes, dadurch gekennzeichnet, dass das carbonisierte Flächengebilde unter Zutritt von Luft mittels eines Laserstrahls Zeilen- oder spaltenförmig auf Temperaturen zwischen 1.200X und 3.200°C erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessleistung mindestens 5,0 kWs g"1 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mit Hilfe eines CO2-Lasers bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur Leiterbahnen ähnliche Strukturen graphitiert werden.
i
5. Carbonisierter Vliesstoff hergestellt nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er als Gasverteilerschicht in Brennstoffzellen eingesetzt wird.
6. Carbonisierter Vliesstoff hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er als Basismaterial für Elektroden in Superkondensatoren eingesetzt wird.
7. Carbonisierter Vliesstoff hergestellt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er als leitfähiger Futterstoff zur elektrischen Verbindung in einem Kleidungsstück eingelassener elektronischer Geräte, als Antenne für elektronische Geräte und / oder Heizleiter in Kleidungsstücken verwendet wird.
EP01956550A 2000-11-21 2001-07-21 Verfahren zum graphitieren eines carbonisierten flächengebildes Withdrawn EP1346091A1 (de)

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