HOHLZYLINDRISCHES CARBONFASERGEBILDE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein hohlzylindrisches Carbonfasergebilde, z.B. einen hohlzylindrischen Carbonfaserkorpus, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung, insbe- sondere als Hochtemperatur-Isolationszylinder.
In der DE 10 2012 201 650 A1 ist ein hohlzylinderförmiges Hitzeschild beschrieben, welches wenigstens eine Graphitfolie umfasst, auf deren Außenseite wenigstens eine gewickelte Fa- serstruktur vorgesehen ist. Die Faserstruktur weist einen Bedeckungsgrad von weniger als 100% auf. Die gewickelte Faserstruktur kann unter anderem aus Kordeln, Zwirnen, Garnen, Rovings, Vliesen, Geweben, Gewirken, Gestricken, Filzen ausgewählt sein. Auf der Innen- seite der wenigstens einen Graphitfolie kann wenigstens eine Schicht aus einem Faserver- bundwerkstoff vorgesehen sein, deren Faserstruktur wiederum unter anderem unter Rovings, Vliesen, Geweben, Gewirken, Gestricken, Filzen ausgewählt sein kann.
DE 100 25 628 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, wie z.B. eines Rohres, aus Faserverbundwerkstoffen, durch Aufbringen von wenigstens einer Lage eines mit einem Harz imprägnierten Gewebes oder Prepregs und wenigstens einer Lage aus mit Harz getränkten oder harzfreien, gewickelten Fäden, Garnen, Rovings oder Bändern auf ei- nen formgebenden, temporären Dorn. Es ist außerdem beschrieben, dass beim Wickeln zu- sätzlich eine oder mehrere Lagen Filz aufgebracht werden können. Genannt werden Filz aus Kohlenstofffasern, Graphitfasern, Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern, Keramikfasern. Nach dem Wickelprozess kann z.B. carbonisiert und gegebenenfalls graphitiert werden. In einem der Beispiele werden als Zwischenlagen zwei 10 mm dicke Lagen von Graphitfilz aufge- wickelt. Der Graphitfilz hatte eine Schichtdicke von 10 mm. Es wurde bei beiden Lagen also je eine Lage des Graphitfilzes aufgewickelt. Das Flächengewicht dieses Filzes nach DIN 53854 betrug 1000 g/m2. Es wird betont, dass die eingebauten Lagen aus Filz dem Bauteil ausgezeichnete thermische Isolationseigenschaften verleihen. Es wird ferner beschrieben,
dass in der Regel die Dicke einer Filzlage nach dem Aufwickeln im Bereich von 2 bis 20 mm liegt, vorzugsweise im Bereich 5 bis 10 mm. Dicken von bis zu 20 mm würden bevorzugt verwendet, wenn Bauteile mit größeren Wandstärken hergestellt werden sollen.
Weitergehende konkrete Angaben zu Filz und oder Vlies enthaltenden Lagen in hohlzylindri- schen Hitzeschildern und Bauteilen finden sich weder in DE 10 2012 201 650 A1 noch in DE 100 25 628 A1.
Beim konventionellen Wickeln des Carbonfaserfilzes ergibt sich immer ein Spaltbereich oder ein Überlappungsbereich, wie Figuren 1 A und Figuren 1 B hierin veranschaulichen.
Figur 1A zeigt, dass die aufzubringende Carbonfaserfilzlage entsprechend dem Umfang des Bauteils abgelängt sein kann, um in einfacher Lage, also ohne Überlappungsbereich, auf das Bauteil aufgebracht werden zu können. Die Schnittflächen beider Enden der aufge- wickelten Lage sollen dann annähernd parallel zueinander und möglichst dicht beieinander verlaufen, wie in Figur 1A angedeutet. So entsteht ein im Wesentlichen orthogonal zur Außen- und Innenfläche des Carbonfaserfilzes verlaufender Spaltbereich. Der Spaltbereich kann mit carbonisierbarem Binder verfällt werden. Im Spaltbereich hängt der Filz nicht zu- sammen, da sämtliche Fasern an den Schnittflächen abgeschnitten sind und sich nicht aus einer Schnittfläche hinaus bis in die andere Schnittfläche hinein erstrecken. Idealerweise weist der Spaltbereich überall exakt dieselbe, möglichst geringe Breite auf. Dieser Idealzu- stand ist in der Praxis jedoch quasi nicht oder nur durch sehr aufwändige schrittweise ma- nuelle Nachbearbeitung der beiden Schnittflächen erreichbar.
Gemäß Figur 1 B kann die aufzubringende Carbonfaserfilzlage in Überlänge abgelängt sein. Sie wird dann zumindest in einem Teil des Umfangs in mehrfacher Lage, also mit Überlap- pungsbereich, aufgebracht. Gezeigt ist beispielhaft ein geringer Überlappungsbereich. Der Carbonfaserfilz kann aber auch mehrlagig aufgewickelt werden. Unabhängig von der Größe des Überlappungsbereichs hängt der Carbonfaserfilz dann spiral umlaufend zusammen, denn die Fasern verlaufen innerhalb der spiralförmig aufgewickelten Filzlage. Die Fasern verlaufen nicht aus einer Lage hinaus in die nächste, weiter außen oder weiter innen lie gende Lage hinein. Unabhängig von der Größe des Überlappungsbereichs und der Zahl der Lagen kann ein ringsum einheitlicher Lagenaufbau bei einer Wicklung mit einer Filzlage mit Überlappung nie erreicht werden, so dass immer Bereiche mit besseren und schlechteren Thermoisolationseigenschaften vorliegen.
Carbon- oder Graphitfaserfilzlagen des Stands der Technik führen zwar zu ausgezeichneten thermischen Isolationseigenschaften, wie in DE 100 25 628 A1 beschrieben. Dennoch be- steht Verbesserungspotenzial. So zeigte sich, dass hochtemperaturbehandelte Erzeugnisse, die in Hochtemperaturöfen mit Isolationszylindern des Stands der Technik hochtemperatur- behandelt wurden, unerwünschte Defektstellen aufwiesen, die zu einem hohen Ausschuss führten. Dies wurde zum Beispiel bei der Glasfaserherstellung beobachtet.
Die DE 100 25 628 A1 und DE 10 2012 201 650 A1 beschreiben je einen mehrere Schich- ten umfassenden Wandaufbau. Dieser erfordert einen recht hohen Herstellungsaufwand. Es zeigte sich außerdem, dass sehr häufige starke Temperaturwechsel zum Delaminieren der Schichten führen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand bereit- zustellen, der eine möglichst hohe Ausbeute spezifikationsgerechten hochtemperaturbehan- delten Produkts ermöglicht, besonders langlebig ist und besonders einfach herzustellen ist. Letztlich soll der Gegenstand einen besonders effektiven Hochtemperaturbehandlungspro- zess ermöglichen, auch und insbesondere, wenn man den für Einbau und Erneuerung von Hochtemperaturisolationsmaterial erforderlichen Aufwand mitberücksichtigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein hohlzylindrisches Carbonfasergebilde (vorzugsweise einen hohlzylindrischen Carbonfaserkorpus) umfassend einen zwischen der Mantelinnen- fläche und der Mantelaußenfläche des Carbonfasergebildes rings umlaufend zusammen- hängenden Carbonfaservliesstoff.
Mit einem hohlzylindrischen Carbonfasergebilde ist ein hohlzylindrisches, Carbonfasern ent- haltendes Gebilde gemeint. Das Carbonfasergebilde kann in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform im Wesentlichen nur aus dem Carbonfaservliesstoff bestehen.
Im Wesentlichen nur aus dem Carbonfaservliesstoff bestehend bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass der Carbonfaservliesstoff wenigstens 50 Gew.-%, be- vorzugt wenigstens 70 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, ganz beson- ders bevorzugt wenigstens 95 Gew.-%, äußerst bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% der Ge- samtmasse des Carbonfasergebildes beiträgt.
Der Carbonfaservliesstoff kann auch im Schichtverbund mit einem anderen Material vorlie- gen. Das erfindungsgemäße Carbonfasergebilde kann also ein hohlzylindrisches Carbonfa- serschichtverbundgebilde sein, umfassend den zwischen der Mantelinnenfläche und der Mantelaußenfläche des Carbonfasergebildes rings umlaufend zusammenhängenden Car- bonfaservliesstoff und wenigstens eine an der Mantelaußenfläche und/oder der Mantelin- nenfläche des Carbonfasergebildes angeordnete zusammenhängende Materialschicht. Die Materialschicht kann aus einem kohlenstoffbasierten Material bestehen, das z.B. wenigstens 80 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Carbonfaserschichtver- bundgebilde umfasst ein an der Mantelinnenfläche des Carbonfasergebildes angeordnetes, carbonfaserverstärktes Kohlenstoffrohr (CFC-Rohr). Carbonfaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) ist ein Carbonfaserverbundmaterial mit einer Kohlenstoffmatrix. Vorzugsweise ist der Carbonfaservliesstoff auf das CFC-Rohr aufgeschrumpft. Die Kohlenstoffmatrix kann Koh- lenstoff z.B. auch in Form von Graphit enthalten. Das bevorzugte erfindungsgemäßes Car- bonfaserschichtverbundgebilde, das ein an der Mantelinnenfläche des Carbonfasergebildes angeordnetes CFC-Rohr umfasst, kann außerdem ein an der Mantelaußenfläche des Car- bonfasergebildes angeordnetes CFC-Rohr umfassen.
Erfindungsgemäße Carbonfaserschichtverbundgebilde sind zum Beispiel auch die in DE 10 2012 201 650 A1 beschriebenen hohlzylindrischen Hitzeschilde, die in DE 100 25 628 A1 beschriebenen abwickelbaren Bauteile, die in DE 10 2016 219 214 A1 beschriebe- nen Bauelemente für Hochtemperaturanwendungen, wenn die dort beschriebenen Hitze- schilde, Bauteile oder Bauelemente an Stelle wenigstens eines der in diesen Dokumenten explizit genannten Vliesen, Filzen, Graphitfilzen, Faserlagen, Isolierfilzen, Fasergeweben, Faservliesen oder Faserfilzen den rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaser- vliesstoff aufweisen.
Das erfindungsgemäße hohlzylindrische Carbonfasergebilde ist vorzugsweise selbstragend. Es wird dann als hohlzylindrischer Carbonfaserkorpus bezeichnet. Selbsttragend bedeutet, dass der hohlzylindrische Carbonfaserkorpus seine hohlzylindrische Form unter der Last sei- ner eigenen Masse behält. Dies lässt sich dadurch testen, dass man das erfindungsgemäße Carbonfasergebilde so auf einer ebenen Fläche abstellt, dass die Erdanziehungskraft paral- lel zur Längsachse des hohlzylindrischen Carbonfaserkorpus wirkt. Wenn das so abgestellte Carbonfasergebilde unter der Last seiner eigenen Masse nicht innerhalb von 30 Sekunden umgefallen ist, liegt ein hohlzylindrischer Carbonfaserkorpus vor. Ein erfindungsgemäß ganz
besonders bevorzugtes hohlzylindrisches Carbonfasergebilde ist ein hohlzylindrischer Car- bonfaserkorpus, der im Wesentlichen nur aus dem Carbonfaservliesstoff besteht.
Die Erfindung umfasst jedoch auch hohlzylindrische Carbonfasergebilde, die ihre Form unter der Last ihrer eigenen Masse gemäß dem obigen Test nicht behalten, wie z.B. Carbonfaser- schläuche. Diese werden hierin als nicht selbsttragende hohlzylindrische Carbonfaserge- bilde bezeichnet. Eine hohlzylindrische Form nehmen sie beispielsweise dann ein, wenn man sie vollständig auf die Mantelfläche eines ausreichend langen und ausreichend dicken zylindrischen Körpers, wie z.B. auf eine Metallstange, aufzieht.
Der Begriff hohlzylindrisch meint, dass der erfundene Gegenstand hohl und zylindrisch ist.
Der Begriff zylindrisch bezieht sich auf einen geometrischen Körper, bei dem zwei parallele, ebene, kongruente Grundflächen durch eine Mantelaußenfläche miteinander verbunden sind. Je zwei sich entsprechenden Punkte beider Grundflächenränder werden durch eine Strecke verbunden. Die Gesamtheit dieser parallelen Strecken bildet die Mantelaußenfläche.
Der Begriff hohl bedeutet, dass beide Grundflächen je eine Öffnung eines das Carbonfaser- gebilde von einer Grundfläche zur anderen Grundfläche hin durchdringenden Kanals aufwei- sen. Der Kanal ist ringsum durch die Mantelinnenfläche begrenzt ist. Im Allgemeinen sind die Flächen beider Öffnungen kongruent und durch die Mantelinnenfläche miteinander ver- bunden. Je zwei sich entsprechende Punkte beider Öffnungsränder werden durch eine Strecke verbunden. Die Gesamtheit dieser parallelen Strecken bildet dann die Mantelinnen- fläche.
Der zwischen einem Grundflächenrand und einem Öffnungsrand eingeschlossene Bereich einer Grundfläche wird als Stirnfläche bezeichnet.
Das hohlzylindrische Carbonfasergebilde weist also vier Flächen auf, eine Mantelaußen- fläche, eine Mantelinnenfläche sowie zwei Stirnflächen.
Vorzugsweise beträgt die Länge des Carbonfasergebildes mindestens 0,1 mal, besonders bevorzugt mindestens 0,2 mal, ganz besonders bevorzugt mindestens 0,3 mal Außenum- fang des Carbonfasergebildes. Der Außenumfang wird in einer orthogonal zur Längsachse des Carbonfasergebildes ausgerichteten Ebene gemessen.
Die Stirnflächen des hohlzylindrischen Carbonfasergebildes können jede Form haben. Sie können z.B. kreisförmig, oval oder vieleckig sein, wobei die in der Mantelaußenfläche verlau- fenden Kanten dann abgerundet sind. Vorzugsweise sind die Stirnflächen kreisförmig oder oval, besonders bevorzugt kreisförmig. Diese Angaben beziehen sich jeweils auf den äuße- ren Rand der Stirnflächen, an dem die Stirnflächen in die Mantelaußenfläche übergehen. Vorzugsweise ist jedoch auch der innere Rand der Stirnflächen kreisförmig oder oval, be- sonders bevorzugt kreisförmig.
Die Wandstärke des hohlzylindrischen Carbonfasergebildes bzw. des Carbonfaservliesstoffs ist durch den Abstand von der Mantelaußenfläche zur Mantelinnenfläche definiert. Zu jedem Punkt der Mantelinnenfläche lässt sich ein zu diesem Punkt nächster Punkt der Mantel- außenfläche festlegen. Der Abstand zum nächsten Punkt der Mantelaußenfläche definiert die Wandstärke am jeweiligen Punkt der Mantelinnenfläche. Aus einem dreidimensionalen Abbild (3D Scan) des erfindungsgemäßen Gebildes lässt sich die Wandstärke für jeden Punkt der Mantelinnenfläche leicht berechnen.
Erfindungsgemäß sind insbesondere auch lange und gleichzeitig dünnwandige hohlzylindri- sche Carbonfasergebilde zugänglich. Vorzugsweise überschreitet die Wandstärke nirgends 25 %, bevorzugt nirgends 20 %, besonders bevorzugt nirgends 15 %, äußerst bevorzugt nir- gends 10 % der Länge des hohlzylindrische Carbonfasergebildes.
Vorzugsweise ist die Wandstärke rings umlaufend konstant. Bei einem besonders bevorzug- ten hohlzylindrischen Carbonfasergebilde umfasst die Projektion entlang der Längsachse des Carbonfasergebildes in eine zur Längsachse orthogonal verlaufende Projektionsebene zwei Kreise, deren Schwerpunkte zusammenfallen. Es handelt sich dann um ein kreisförmi- ges hohlzylindrisches Carbonfasergebilde.
Es versteht sich von selbst, dass die tatsächliche Form des hohlzylindrischen Carbonfaser- gebildes von der idealen hohlzylindrischen Geometrie fertigungsbedingt abweicht. Insbeson- dere wurde bei der weiter unten näher beschriebenen Pyrolyse ein Setzverhalten beobach- tet. Die Wandstärke und/oder die Dichte des Carbonfaservliesstoffs wurde in einem während der Pyrolyse weiter unten angeordneten Bereich größer, als in einem während der Pyrolyse weiter oben angeordneten Bereich. Dies ließe sich dadurch vermeiden, dass man die Pyro- lyse am horizontal gelagerten hohlzylindrische Gebilde durchführt, und das hohlzylindrische
Gebilde zumindest in dem Temperaturbereich, in dem ein Setzverhalten auftreten würde, um seine Längsachse dreht.
Die Wandstärke des Carbonfaservliesstoffs ist vorzugsweise mindestens in einem Abschnitt des hohlzylindrischen Carbonfasergebildes radialsymmetrisch. Zwei parallele Schnittebe- nen, die orthogonal zur Längsachse des hohlzylindrischen Carbonfasergebildes verlaufen, begrenzen den hier genannten Abschnitt. Eine radialsymmetrische Wandstärke liegt vor, wenn die Wandstärke des Carbonfaservliesstoffs innerhalb des Abschnitts konstant ist. Kon- stant bedeutet, dass die Wandstärke an keiner Stelle des Abschnitts mehr als 10 % geringer ist, als an einer anderen Stelle des Abschnitts. Vorzugsweise erstreckt sich der Abschnitt von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche, er umfasst dann den gesamten Carbonfaser- vliesstoff.
Die mittlere Dichte des Carbonfaservliesstoffs ist vorzugsweise mindestens in einer Ebene, die orthogonal zur Längsachse des hohlzylindrischen Carbonfasergebildes verläuft, im We- sentlichen radialsymmetrisch. Eine radialsymmetrische mittlere Dichte ist gegeben, wenn in der Ebene ringsum genommene zylindrische, von der Innenseite des Carbonfaservliesstoffs bis zur Außenseite des Carbonfaservliesstoffs hindurchreichende Proben, dieselbe mittlere Dichte haben. Die zylindrischen Proben lassen sich mit einem spitzen Messer aus dem Car- bonfaservliesstoff ausschneiden, wobei die ausgeschnittenen Innen- und Außenflächen des Carbonfaservliesstoffs dann die Stirnflächen der zylindrischen Probe bilden. Die mittlere Dichte jeder Probe wird aus der durch Wägung bestimmten Masse der Probe und dem Volu- men der Probe berechnet. Man nimmt z.B. ringsum an acht Stellen innerhalb der Ebene acht zylindrische Proben, wobei jede Stelle zu den beiden nächst benachbarten Stellen densel- ben Abstand einhält. Wenn die mittlere Dichte der Probe mit der geringsten mittleren Dichte höchstens 10 % geringer, bevorzugt höchstens 5 % geringer, besonders bevorzugt höchstens 3% geringer ist, als die mittlere Dichte der Probe mit der höchsten mittleren Dichte, ist eine radialsymmetrische Dichte gegeben. Da die Dichte des Carbonfaser- vliesstoffs, wie nachfolgend näher beschrieben, zur Mantelinnenseite hin häufig höher ist, als zur Mantelaußenseite hin, wir in diesem Absatz bewusst von einer mittleren Dichte des Carbonfaservliesstoffs gesprochen.
Unter einem Carbonfaservliesstoff wird ein Vliesstoff verstanden, der Carbonfasern enthält. Als Carbonfaser wird jede Faser bezeichnet, deren Kohlenstoffgehalt wenigstens 60 Gew.- %, weiter bevorzugt wenigstens 80 Gew.-%, insbesondere bevorzugt wenigstens 92 Gew.-
%, besonders bevorzugt wenigstens 96 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt wenigstens 99,5 Gew.-% beträgt. Die Bezeichnung Carbonfa- ser umfasst hierin also carbonisierte und graphitierte Fasern.
Vorzugsweise ist der Carbonfaservliesstoff ein mechanisch verfestigter Carbonfaserfilz ist, z.B. ein Carbonfasernadelfilz oder ein wasserstrahlverfestigter Carbonfaserfilz.
Der Carbonfaservliesstoff weist vorzugsweise eine mittlere Dichte im Bereich von 0,04 bis 0,4 g/cm3, bevorzugt im Bereich von 0,07 bis 0,25 g/cm3, äußerst bevorzugt im Bereich von 0,07 bis 0,2 g/cm3. Die mittlere Dichte kann bestimmt werden indem man den Carbonfaser- vliesstoff wiegt, sein Volumen bestimmt und die durch Wägung ermittelte Masse durch das Volumen teilt. Das Volumen lässt sich z.B. aus einem dreidimensionalen Abbild (3D Scan) bestimmen, das mittels optischer 3D-Technologie erhalten werden kann. Hierzu können zum Beispiel COMET® Systeme der Fa. Zeiss verwendet werden. Geringere Dichten als 0,04 g/cm3 sind für viele Anwendungen nachteilhaft, da der Carbonfaservliesstoff mit noch gerin- gerer Dichte bei typischen Wandstärken nicht mehr selbsttragend und folglich in vielen An- wendungen nur mit erhöhtem Aufwand einsetzbar ist, beispielsweise im Schichtverbund mit einem stützenden Material. Höhere Dichten als 0,4 g/cm3 wären nur ausgehend von einem rings umlaufend zusammenhängenden Vliesstoff mit noch höherer Dichte erhältlich, da die Pyrolyse im Allgemeinen zu einer Abnahme der Dichte führt. Eine Nadelverfestigung ist im- mer nur bis zu einer bestimmten Dichte möglich. Ein darüberhinausgehendes, weiteres Ver- nadeln kann zu einer Schädigung der Ausgangsfaser und damit des Carbonfaservliesstoffs führen.
Bei bevorzugten erfindungsgemäßen Carbonfasergebilden weist der rings umlaufend zusammenhängende Carbonfaservliesstoff eine Zugfestigkeit von mindestens 0,01 MPa, besonders bevorzugt mindestens 0,025 MPa, ganz besonders bevorzugt mindestens 0,05 MPa auf. Dies wird gemessen gemäß DIN EN ISO 13934-1 mit Proben der Dimension 40mm (Breite) x 175 mm (Länge). Die freie Einspannlänge des Testmaterials betrug hierbei 100 mm. Zugfestigkeitsmessung erfolgt quer zur Vernadelungsrichtung, Vergleichstests zeigten überraschend, dass sich durch Vernadeln ausgehend von Carbonfaser so hohe Zugfestigkeiten überhaupt nicht einstellen ließen. Solch hohe Zugfestigkeiten ergeben sich nur dann, wenn man - wie im Zusammenhang mit dem ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen - ein hohlzylindrisches Ausgangsfasergebilde durch Pyrolyse zu
dem erfindungsgemäßen Carbonfasergebilde umsetzt. Auf die Zugfestigkeit wird unten näher eingegangen.
Insbesondere für die Anwendung zur Thermoisolation bei hohen Temperaturen ist es vorteil- haft, wenn die Dichte des Carbonfaservliesstoffs in einem der Mantelinnenfläche zugewand- ten Bereich höher ist (mindestens 2% höher, vorzugsweise mindestens 4 % höher, beson- ders bevorzugt mindestens 6 % höher), als die Dichte des Carbonfaservliesstoffs in einem der Mantelaußenfläche zugewandten Bereich. Eine solche Dichteverteilung lässt sich durch Aufschrumpfen des Carbonfaservliesstoffs auf einen Formgebungskörper leicht einstellen, da dabei das Vlies nahe am Formgebungskörper stärker komprimiert wird als weiter entfernt vom Formgebungskörper. Vorzugsweise ist die durchschnittliche Dichte des Carbonfaser- vliesstoffs in dem gesamten, der Mantelinnenfläche zugewandten Bereich höher (min- destens 2% höher, vorzugsweise mindestens 4 % höher, besonders bevorzugt mindestens 6 % höher), als die durchschnittliche Dichte des Carbonfaservliesstoffs in dem gesamten, der Mantelaußenfläche zugewandten Bereich. Ob diese Bedingung erfüllt ist, testet man wie folgt: Man teilt den gesamten Carbonfaservliesstoff orthogonal zur Längsachse des Hohlzy- linders in acht gleich dicke Abschnitte. Jeden Abschnitt teilt man anschließend in vierund- zwanzig Stücke so auf, dass bei jedem Stück das Verhältnis von Innenoberfläche zu Außen- oberfläche möglichst gleich groß ist. Dann wird jedes Stück in zwei gleich große Hälften, eine Innenhälfte und eine Außenhälfte geteilt, wobei die Schnittfläche zur Innenoberfläche und Außenoberfläche denselben Abstand einhält. Anschließend werden Gesamtvolumen und Gesamtmasse der Innenhälften sowie Gesamtvolumen und Gesamtmasse der Außen- hälften bestimmt und daraus die Dichte des Carbonfaservliesstoffs in dem gesamten, der Mantelinnenfläche zugewandten Bereich und die Dichte des Carbonfaservliesstoffs in dem gesamten, der Mantelaußenfläche zugewandten Bereich bestimmt.
Es wird angenommen, dass eine zielgerichtete Wahl der Dichte innen- und außenseitig die Thermoisolationseigenschaften insbesondere dann verbessern, wenn über den Carbonfa- servliesstoff von der Innen- zur Außenseite ein großes Temperaturgefälle aufrechterhalten werden soll, wie nachfolgend erörtert.
Die Hochtemperaturwärmeleitfähigkeit und damit die Thermoisolationseigenschaft hat zwei bedeutende Anteile. Zum einen wird die Thermoisolationseigenschaft durch das Material selbst mit festgelegt, also durch die Wärmeleitfähigkeit des Fasermaterials. Zum anderen wird die Wärmeleitfähigkeit über die insgesamt vorliegende Materialdichte mit festgelegt, die
durch die Reflektion der Wärmestrahlung Einfluss nimmt auf die Isolationseigenschaft. Im Bereich der Hochtemperaturthermoisolation, also typischerweise bei > 1000° bis 2000°C ist der Anteil der Strahlungsreflektion hoch und eine hohe Materialdichte ist daher vorteilhaft.
Bei niedrigeren Temperaturen scheint ein zunehmender Anteil des Wärmetransports über das Material selbst zu erfolgen, so dass dann eine geringe Materialdichte eine bessere Ther- moisolation bewirkt.
Durch das hierin näher beschriebene Aufschrumpfen werden an der Mantelinnenfläche ge- zielt hohe Carbonfaservliesstoffdichten erzeugt, mit der Folge einer besseren Thermoisola- tionswirkung bei den innenseitig vorherrschenden, besonders hohen Temperaturen. Bei ei- nem erfindungsgemäßen Carbonfasergebilde ist daher der rings umlaufend zusammenhän- genden Carbonfaservliesstoff durch Aufschrumpfen erhältlich.
Zusätzlich zur besonders gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der durch das Car- bonfasergebilde definierten Zone wird somit ringsum auch eine bessere Isolation des Ofens erreicht. Es bildet sich ein Temperaturgradient von der Mantelinnenseite zur Mantelaußen- seite hin aus, ganz entsprechend dem Dichtegradienten im Carbonfaservliesstoff. Eine be- sonders effektive Thermoisolation wird durch eine, an den Temperaturgradienten ange- passte, von der Innenseite zur Außenseite des Carbonfaservliesstoffs abnehmende Carbon- faservliesstoffdichte erreicht. Wenn die Dichte des Carbonfaservliesstoffs in einem der Man- telinnenfläche zugewandten Bereich höher ist, als die Dichte des Carbonfaservliesstoffs in einem der Mantelaußenfläche zugewandten Bereich, ergibt sich also letztlich eine beson- ders gute Thermoisolation, wenn über den Carbonfaservliesstoff ganz bestimmte, anwen- dungsspezifische Temperaturgradienten aufrechterhalten werden sollen. Dies kann insbe- sondere mit einem radialsymmetrischen Carbonfasergebilde gut realisiert werden. Ein aus einem Block geschnittenes hohlzylindrisches Carbonfasergebilde würde diese vorteilhaften Thermoisolationseigenschaften nicht aufweisen. Die Dichte würde dann nicht durch die Wand hindurch von innen nach außen abnehmen, sondern wäre durch die Dichteverteilung im Block bestimmt, aus der das hohlzylindrische Carbonfasergebilde geschnitten ist. Das Herstellen des Blocks führt erfahrungsgemäß zu hohen Dichtevariationen innerhalb des Blocks, die sich auch in der Wand des daraus herausgeschnittenen Hohlzylinders wieder- spiegeln. Es würde sich dann nicht die erfindungsgemäße radialsymmetrische Isolierwirkung ergeben.
Die mantelinnenseitig höhere Dichte des Carbonfaservliesstoffs hat außerdem den Vorteil einer höheren mechanischen Belastbarkeit. Im Ofen ist der hohlzylindrische Carbonfaser- vliesstoff mechanisch im Wesentlichen nur nach außen durch die Ofenwand vor mechani- scher Belastung geschützt. Eine mantelinnenseitig höhere Dichte des Carbonfaservliesstoffs wirkt Beschädigungen durch mechanische Belastungen von entgegen, so wird die Ofenaus- kleidung noch langlebiger.
Der Anteil der Carbonfasern im Carbonfaservliesstoff kann wenigstens 10 Gew.-%, bevor- zugt wenigstens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 70 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% der Gesamtmasse des Carbonfaservliesstoffs beitragen. Vorzugsweise besteht der Carbonfaservliesstoff im Wesentlichen aus Carbonfasern. Der An- teil der Carbonfasern im Carbonfaservliesstoff beträgt dann wenigstens 95 Gew.-%, z.B. we nigstens 99 Gew.-% oder 100 Gew.-%.
Der Carbonfaservliesstoff kann auch andere Materialien enthalten. Grundsätzlich sind alle Materialien denkbar, die bei einer der hierin beschriebenen Verwendungen nicht stören, bei- spielsweise andere Fasermaterialien und/oder Partikel.
Der Carbonfaservliesstoff kann ein anderes Fasermaterial enthalten. Das Fasermaterial kann mineralische Fasern, z.B. oxidische Fasern und/oder karbidische Fasern umfassen. Zu den oxidischen Fasern gehören Glasfasern, Basaltfasern, Aluminiumoxidfasern, Sili- ciumoxidfasern. Bevorzugte karbidische Fasern sind Siliciumkarbidfasern.
Der Carbonfaservliesstoff kann Partikel enthalten, z.B. Aktivkohlepartikel oder auch kataly- tisch aktive Partikel, wie z.B. Metallpartikel oder Multielementoxidpartikel, Partikel aus akti viertem Kohlenstoff, Naturgraphitflocken oder Graphitpulver. Dem Fachmann sind Metalle oder Multielementoxide bekannt, die in der chemischen Industrie großtechnisch für eine große Bandbreite heterogen katalysierter Umsetzungen eingesetzt werden. Dem Fachmann sind auch Metalle oder Multielementoxide bekannt, die in Katalysatoren von Kraftfahrzeugen zur Reinigung des Abgasstroms dienen. Dem Fachmann sind auch Metalle oder Multiele mentoxide bekannt, die in Müllverbrennungsanlagen zur Reinigung des Abgasstroms die- nen. Es ist davon auszugehen, dass an Stelle der üblicherweise verwendeten Katalysator- träger erfindungsgemäße Carbonfasergebilde eingesetzt werden können, wobei die kataly- tisch aktive Masse in Form von Metallpartikeln oder Multielementoxidpartikeln vorliegt, die im Carbonfaservliesstoff verteilt sind.
Erfindungsgemäß umfasst das Carbonfasergebilde einen Carbonfaservliesstoff, der rings umlaufend zusammenhängt. Rings umlaufend zusammenhängend bedeutet, dass die für ei- nen Vliesstoff charakteristische Anordnung von in unregelmäßige Weise miteinander ver- bundenen Fasern, die sich bei der Herstellung von Vliesstoffen in einer flachen Vliesbahn einstellt, rings umlaufend besteht. Wenn man den Carbonfaservliesstoff orthogonal zur Längsachse des hohlzylindrischen Gebildes durchschneidet, ist in der Schnittfläche weder ein Anfang, noch ein Ende des umlaufenden Carbonfaservliesstoffs erkennbar. Insbeson- dere liegt in der Schnittfläche kein Stoß und keine Naht vor.
Der Carbonfaservliesstoff kann sehr dünne, sehr dicke oder eine große Bandbreite unter- schiedlich dicker Carbonfasern enthalten. Vorzugsweise beträgt der mittlere Durchmesser der Fasern 3 bis 20 pm, bevorzugt 5 bis 10 pm. Der mittlere Durchmesser wird mikrosko- pisch bestimmt.
Im Carbonfaservliesstoff können die Carbonfasern aktiviert sein. Die Aktivierung von Car- bonfasern ist zum Beispiel beschrieben von INAGAKI Michio und KANG Feiyu in Materials Science and Engineering of Carbon Fundamentals, Second Edition 2014, ISBN: 978-0-12- 800858-4 im Abschnitt„a. Activated Carbon Fibers“ auf Seiten 365 bis 367 und den in die- sem Abschnitt zitierten Dokumenten. Die Carbonfasern können z.B. eine BET-Oberfläche von höchstens 2000 m2/g, bevorzugt von 1 bis 1500 m2/g, besonders bevorzugt von 5 bis 1000 m2/g, ganz besonders bevorzugt von 10 bis 750 m2/g, äußerst bevorzugt von 20 bis 500 m2/g aufweisen. Die spezifische Oberfläche nach Brunauer Emmett Teller (BET-Ober- fläche) des Carbonfaservliesstoffs lässt sich mittels Sorption von Stickstoff bestimmen (DIN ISO 9277; 2014-01 ). Hohlzylindrische Carbonfasergebilde mit aktivierten Carbonfaser- vliesstoffen sind besonders für die Reinigung von Wasser und als Filtermaterialien, z.B. in Filterkerzen, geeignet.
Das erfindungsgemäße Carbonfasergebilde definiert eine Hochtemperaturbehandlungszone, die von dem rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaservliesstoff umgeben ist. Da der Carbonfaservliesstoff rings umlaufend zusammenhängt, weist er weder die Spaltbe- reiche, noch die Bereiche mit unterschiedlichen Lagenzahlen auf, die sich bei konventionel- lem Wickeln von Carbonfaserfilzen gemäß Figur 1A und Figur 1 B ergeben. Dadurch wird eine ringsum annähernd konstante Thermoisolationsfähigkeit des umgebende Carbonfaser-
Vliesstoffs ermöglicht. Es wird angenommen, dass sich infolgedessen auch räumliche Tem- peraturvariationen in der Hochtemperaturbehandlungszone verringern. Insbesondere entste- hen in der Hochtemperaturbehandlungszone nicht Temperaturminima, die an den eingangs erwähnten Spaltbereichen des Stands der Technik entstehen können. In den Spaltbereichen ist die Thermoisolation schwächer. Folglich lässt sich das gesamte oder ein besonders ho- her Anteil des Volumens der Hochtemperaturbehandlungszone effizient nutzen, ohne dass bei der Hochtemperaturbehandlung infolge unzureichender Hochtemperaturexposition De- fektstellen entsteht. Das an einem Standort installierte Ofenvolumen kann unter Verwendung des homogeneren erfindungsgemäßen Carbonfasergebilde somit letztlich besser ausgenutzt werden.
Die Langlebigkeit des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes ist hoch, da ein Delaminie- ren des rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaservliesstoffs nicht möglich ist. Dies trägt letztlich auch zu einer besseren Ausnutzung des an einem Standort installierten Ofen- volumens bei. Der Carbonfaserkorpus muss weniger oft gewechselt und dadurch der Pro- duktionsbetrieb weniger oft unterbrochen werden.
Außerdem ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des erfindungsge- mäßen Carbonfasergebildes durch das ebenfalls erfindungsgemäße Verfahren möglich. Das erfindungsgemäße Carbonfasergebilde wird durch ein Verfahren erhalten, wobei ein hohlzy- lindrisches Ausgangsfasergebilde, das einen zwischen der Mantelinnenfläche und der Man- telaußenfläche des Ausgangsfasergebildes rings umlaufend zusammenhängenden Vliesstoff umfasst, einer Pyrolyse unterworfen wird.
Die Pyrolyse wird so durchgeführt, dass der Kohlenstoffgehalt des Ausgangsfasergebildes ansteigt, und die Masse des Ausgangsfasergebildes abnimmt. Dabei wird der Vliesstoff zum Carbonfaservliesstoff umgesetzt, so dass aus dem Ausgangsfasergebilde ein erfindungsge- mäßes Carbonfasergebilde entsteht.
Die Fasern des hohlzylindrischen Ausgangsfasergebildes können unterschiedlichste carbo- nisierbare Fasern umfassen, unter anderem Cellulosefasern, cellulosebasierte Fasern wie z.B. Celluloseacetatfasern oder Viskosefasern, polyacrylnitrilbasierte Fasern, oxidierte poly- acrylnitrilbasierte Fasern, Phenolharzfasern, Polyimidfasern, Pechfasern, Wollfasern oder Mischungen davon. Vorzugsweise umfassen die Fasern des hohlzylindrischen Ausgangsfa- sergebildes polyacrylnitrilbasierte Fasern, Viskosefasern und/oder pechbasierte Fasern. Ein
Teil der Fasern des hohlyzlindrischen Ausgangsfasergebildes können auch nicht carboni- sierbar sein, wie z.B. Carbonfasern, Basaltfasern oder Glasfasern.
Je nach Faserzusammensetzung kann eine Stabilisierung des Ausgangsfasergebildes erfor- derlich sein, bevor es der Pyrolyse unterworfen wird. Bei polyacrylnitrilbasierten Fasern er- folgt die Stabilisierung im Allgemeinen bei 200 bis 300 °C an Luft. Die polyacrylnitrilbasierten Fasern werden dann zu oxidierten polyacrylnitrilbasierten Fasern umgesetzt.
Ein hohlzylindrisches Ausgangsfasergebilde, das einen zwischen der Mantelinnenfläche und der Mantelaußenfläche des Ausgangsfasergebildes rings umlaufend zusammenhängenden Vliesstoff umfasst, ist in unterschiedlichsten Formen kommerziell erhältlich, beispielsweise bieten Nadelvliesstoffhersteller endlos rundgenadelte Filzrohre in einer großen Bandbreite unterschiedlicher Längen, Wandstärken und Dichten an.
Maschinen zur Herstellung von hohlzylindrischen Ausgangsfasergebilden werden von der Dilo Machines GmbH, 69405 Eberbach, Deutschland, angeboten.
Verfahren zur Herstellung hohlzylindrischen Ausgangsfasergebilden sind in dem Buch „Vliesstoffe: Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung“ Ausgabe 2, 2012, ISBN 3527645888 beschrieben, in dem insbesondere in Abschnitten 6.1.7.3 und 6.1.8 die zur Herstellung von hohlzylindrischen Ausgangsfasergebilden geeigneten BELTEX-, RONTEX- und OR-Verfahren beschrieben sind.
Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung hohlzylindrischen Ausgangsfasergebilden sind auch im nachfolgend zitierten Stand der Technik angegeben.
DE 1 660 765 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung endloser Papiermaschinenfilze oder technischer Schlauchfilze mit zwei zueinander verstellbaren Transportwalzen und mit einer Nadelmaschine. Durch Einstellung des Abstands der beiden Transportwalzen lassen sich Schlauchfilze mit verschiedenen Durchmessern gezielt hersteilen.
DE 24 34 242 A1 beschriebt einen nadelgefilzten Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Her- stellung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Bildung einer kontinuierlichen Bahn von Fasern; b) Zuführen der Bahn in Form einer Spirale, um so eine Röhre zu schaf-
fen, wobei aneinander angrenzende Wicklungen der Spirale einander überlappen; c) Spiral- förmiges Einwickeln der Röhre beim Zuführen der Bahn mit Verstärkungsfasern d) Nadelver- filzen der Röhre und der Fasern und e) Fortschreitendes Vorwärtsbewegen der nadelgefilz- ten Röhre in Richtung der Achse der Röhre. Auf diese Weise entsteht eine nadelgefilzte Röhre mit spiralförmig gewickelten Verstärkungsfäden, die innerhalb der Wanddicke der Röhre angeordnet sind.
DE 25 52 243 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von Schlauchfilzen, die einen Mindestdurchmesser von nur 4 bis 5 mm aufweisen.
Andere Verfahrensweisen zur Herstellung von rohrförmigen, nadelgefilztem Material sind im US-Patent Nr. 3,758,926 und im US-Patent Nr. 3,758,926 beschrieben.
Durch die bekannten Verfahren können Ausgangsfasergebilde mit einer sehr großen Band- breite unterschiedlicher Abmessungen hergestellt werden. Der Außenumfang des Aus- gangsfasergebildes kann 20 m oder mehr betragen. Der Innenumfang kann sehr klein sein und z.B. nur 5 mm betragen.
Durch Rundvernadelung sind Ausgangsfasergebilde mit einer großen Bandbreite unter- schiedlicher Wandstärken zugänglich, insbesondere Wandstärken im Bereich von 2 bis 100 mm.
Prinzipiell sind hohlzylindrische Fasergebilde mit allen herstellbaren Abmessungen als Aus- gangsfasergebilde für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, so dass sich eine ent- sprechend große Bandbreite an hohlzylindrischen Carbonfasergebilden ergibt.
Bei der Herstellung des Ausgangsfasergebildes wird eine kontinuierliche, unverdichtete Bahn von Fasern aufgewickelt. Beim mechanischen verfestigen (z.B. Rundvernadeln) erfolgt eine starke Verdichtung, durch welche nach dem Wickeln der unverdichteten Bahn gegebe- nenfalls noch bestehenden Inhomogenitäten ausgeglichen werden, so dass eine hohlzylin- drisches Ausgangsfasergebilde mit radialsymmetrischer Wandstärke und radialsymmetri- scher mittlerer Dichte entsteht.
Erfindungsgemäß erfolgt die Pyrolyse je nach den im Vliesstoff enthaltenen Fasern und dem angestrebten Kohlenstoffgehalt typischerweise unter Sauerstoffausschluss und bei Tempe- raturen von mindestens 300 °C oder vorzugsweise bei Temperaturen von mindestens 500 °C. Vorzugsweise umfasst die Pyrolyse eine erste Temperaturbehandlung bei 500 bis 1600°C, z.B. bei 800 bis 1200 °C. Diese erste Temperaturbehandlung wird als Carbonisie- rung bezeichnet.
Die Pyrolyse kann darüber hinaus eine zweite Temperaturbehandlung bei 1600 bis 3000 °C, z.B. bei 1700 bis 2400 °C, umfassen. Die zweite Temperaturbehandlung wird als Graphitie- rung bezeichnet. Die Bezeichnung Carbonfaser bezieht sich hierin auf Fasern, die carboni- siert sein können oder die carbonisiert und darüber hinaus graphitiert sein können.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise wird das Ausgangsfasergebilde auf einen zy - lindrischen Formgebungskörper aufgezogen und während der Pyrolyse auf den zylindri schen Formgebungskörper aufgeschrumpft.
Dabei sind ganz unterschiedliche Formgebungskörper denkbar.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante hat der Formgebungskörper im Wesentlichen nur eine formgebende Funktion. Dann wird das erhaltene Carbonfasergebilde nach der Carboni- sierung vom Formgebungskörper abgezogen.
Beispielsweise kann das Abziehen der erhaltene Carbonfasergebilde vom Formgebungskör- per dadurch erfolgen, dass ein Formgebungskörper verwendet wird, dessen Durchmesser nach der Carbonisierung beim Abkühlen stärker abnimmt, als der Innendurchmesser des aufgeschrumpften Carbonfasergebildes. Dann werden Formgebungskörper und aufge- schrumpftes Carbonfasergebilde nach der Pyrolyse abgekühlt um das Carbonfasergebilde vom Formgebungskörper abzuziehen. So wird ein hohlzylindrisches Carbonfasergebilde er- halten, dessen Innenoberfläche fast exakt die Form des Mantels des Formgebungskörpers aufweist. Es können beispielsweise quasi vollkommen runde Mantelinnenflächen erhalten werden, wenn man als Formgebungskörper einen Kreiszylinder verwendet. In einem Hoch- temperatur-lsolationszylinder mit annähern idealer Oberfläche lässt sich die Temperatur, bei der die Hochtemperaturbehandlung erfolgen soll, besonders genau einstellen.
Bei einer Verfahrensvariante, die zu dem oben beschriebenen Carbonfaserschichtverbund- gebilde führt, bildet der Formgebungskörper einen Teil des Carbonfasergebildes. Der Form- gebungskörper (z.B. ein CFC-Rohr) ist bevorzugt ebenfalls hohlzylindrisch und bildet eine am Carbonfaservliesstoff innenseitig angeordnete zusammenhängende Materialschicht. Das Aufschrumpfen ermöglicht die feste Anbringung des Carbonfaservliesstoffs auf einer kohlen- stoffbasierten Materialschicht, die z.B. wenigstens 80 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Diese Verfahrensweise führt zu einem Schichtaufbau mit Filzlagen (z.B. Graphitfilzlagen), der sich etwa bei in der DE 100 25 628 A1 beschriebenen Hitzeschildern bewährt hat. Jedoch kom- men erfindungsgemäße Carbonfaserschichtverbundgebilde ohne oder mit wenig Binder aus. Sie vermeiden also die mit der Verwendung von Bindern einhergehenden Schwierigkeiten.
Bei der bevorzugten Verfahrensvariante, bei der der Formgebungskörper im Wesentlichen nur eine formgebende Funktion hat, erfolgt die erste Temperaturbehandlung nach dem Auf- ziehen des Ausgangsfasergebildes auf den Formgebungskörper. Das erhaltene Carbonfa- sergebilde wird vom Formgebungskörper abgezogen und das vom Formgebungskörper ab- gezogene Carbonfasergebilde kann dann der zweiten Temperaturbehandlung unterworfen werden. Es zeigte sich, dass so ein graphitiertes hohlzylindrisches Carbonfasergebilde er- halten wird, dessen Innenoberfläche fast exakt die Form des Mantels des Formgebungskör- pers aufweist, ohne dass hierfür der Formgebungskörper aus einem sehr teuren hochtempe- raturstabilen Material gefertigt sein muss, das auch Graphitierungsbedingungen standhalten würde.
Das nach der ersten oder zweiten Temperaturbehandlung vorhandene Carbonfasergebilde zeigt eine deutlich erhöhte mechanische Stabilität gegenüber gewickelten
Vergleichssystemen, bei denen nur einzelne äußere Carbonfasermatten nach Wickelung miteinander verfestigt werden. Anscheinend führen die Sprödigkeit und die geringere Belastbarkeit bei der mechanischen Verfestigung (z.B. Rundvernadeln) bei Verwendung von Carbonfasern bzw. Carbonfaservliesen zu einem Brechen der Fasern und einer geringen Verdichtung bzw. Verfestigung des Materials in allen Bereichen. Die geringere mechanische Stabilität ließ sich gut durch die Messung der Zugfestigkeit von Carbonfaservliesen feststellen, gerade im Vergleich mit den Werten des erfindungsgemäßen
Carbonfasergebildes.
Bestimmt man die Zugfestigkeit eines Carbonfaservliesstoffs eines erfindungsgemäßen hohlzylindrischen Carbonfasergebildes (Dichte 0,1 g/cm3) nach einer Temperaturbehandlung
im Bereich von 1700°C bis 2400°C so erhält man Werte für die Zugfestigkeit im Bereich von 0,1 MPa. Ein Material derselben Dichte (0,1 g/cm3) eines Vergleichssystems ist durch die oben beschriebene schlechte Verdichtung so instabil, dass sich die Messwerte der
Zugfestigkeit (bei gleicher Probengeometrie und Dimension) nicht ermitteln lassen, da aufgrund der geringen Festigkeit bereits eine Vorschädigung beim Einspannen der
Materialprobe in die Prüfmaschine erfolgt. Legt man dennoch die Maximalkraft bis zum Bruch zugrunde, muss von Zugfestigkeitswerten deutlich unter 0,01 MPa ausgegangen werden.
Genauso hohe Zugfestigkeiten wie für den bei 1700 bis 2400 °C
hochtemperaturbehandelten Carbonfaservliesstoff sind zu erwarten bei erfindungsgemäßen Hohlzylindern die bei der Pyrolyse weniger hohen Temperaturen ausgesetzt wurden, z.B. nur 500 °C.
Die BET-Oberfläche der Carbonfasern des nach der ersten oder zweiten Temperaturbe- handlung vorliegenden Carbonfasergebildes kann durch Gasaktivierung erhöht werden. Die Gasaktivierung kann z.B. mit Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf oder Luft durchgeführt wer- den.
Die Erfindung umfasst auch ein Carbonfasergebilde, erhältlich nach dem erfindungsge- mäßen Verfahren.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung des erfindungsgemäßen Carbonfaser- gebildes als Hochtemperatur-Isolationszylinder.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes als Filtermaterial in einer Filterkerze. In der Praxis ist die Anwendungstemperatur dieser starren Filter aber meist auf max. 350°C begrenzt. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine Filter kerze auf Basis eines erfindungsgemäßen hohlzylindrischen Carbonfasergebildes herzustel- len, die aufgrund von fehlenden Stoßstellen eine radial homogene Filterleistung ermöglich. Auch im Bereich der Flüssigfiltration ergibt sich z.B. Potential bei der Aufbereitung von Trink- wasser oder der Filtration korrosiver Gemische, da über die fehlenden Stoßstellen die Ge- fahr von Leckagestellen reduziert wird.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes als Trägermaterial für Filtermedien, wie z.B. Aktivkohle, oder als Katalysatorträger. Die Aktiv- komponente wie Aktivkohle oder das Metalloxid lässt sich homogen in dem Carbonfaserge- bilde im Fertigungsprozess verteilen. Die Aktivkomponente kann durch kombinatorische Wir- kung die mechanische Filtration um eine chemische Adsorption oder um eine reaktive, kata- lytische Reinigung ergänzen. Der radial homogene Aufbau des Carbonfaservliesstoffs führt demnach zu einer homogenen Verteilung der Aktivkomponente und damit zu einer effektiven katalytischen Reaktion.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes als Elektrodenmaterial. Im Bereich der Energiespeicherung sollen tubuläre Systeme höhere Effizienzen durch größere Elektrodenflächen erreichen. Forschungsprojekte gibt es z. B. in den Bereichen Brennstoffzelle oder Redox-Flow-Batterie. Erfindungsgemäße hohlzylindri- sche Carbonfasergebilde bilden hierfür geeignete Elektrodenmaterialien.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes als Widerstandsheizelement. Das elektrisch leitfähige Carbonfasergebilde ermöglicht ein Heizen durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Beim Einsatz als Filtermedium könnte durch das Beheizen die Verschmutzung durch Kondensation von Komponenten einge- schränkt bzw. verhindert werden. Weiterhin kann der Filter zusätzlich auch zum Aufheizen des zu filtrierenden Mediums, beispielsweise für Flüssigkeiten, genutzt werden.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes als Tropfenabscheider oder Demister. Tropfenabscheider ermöglichen die effiziente
Abscheidung von z.B. Flüssigkeitströpfchen aus einem Gasstrom. Dabei werden
typischerweise Fasermatten zwischen zwei flachen Metallnetzen („flat parallel screens“) eingepresst oder zwischen zwei zylindrische Metallnetzringen („concentric screens“) eingewickelt. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Carbonfasergebildes wird durch die homogenere Struktur im Vergleich zu gelegten oder gewickelten Filz- oder Fasermatten eine deutlich verbesserter Abscheideleistung erreicht. Die selbstragende Struktur des aktiven Tropfenabscheidermaterials ermöglicht eine effizientere Nutzung der gesamten Filterfläche im Vergleich zu in Gitter eingepresste Fasermatten, was eine Reduktion der Baugröße der Gesamteinheit ermöglicht.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiel veranschau- licht, ohne darauf beschränkt zu sein.
Figuren 1A und 1 B zeigen Schnitte durch nicht erfindungsgemäße Carbonfaservliesstoffe
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes hohlzylindrisches Carbonfaserge- bilde
Figuren 1 A und 1 B veranschaulichen bekannte Aufbringungsmöglichkeiten von nicht rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaservliesstoffen. Zur Vereinfachung wird die Auf- bringung auf der Mantelfläche eines Zylinders veranschaulicht.
Der in Figur 1A gezeigte Schnitt stellt eine Schnittfläche durch einen Carbonfaservliesstoff 2 und eine Zylinder 10 dar. Der Carbonfaservliesstoff 2 ist durch konventionelles Wickeln ohne Überlappungsbereich auf die Mantelfläche des Zylinders 10 aufgebracht. Die Schnittflächen 3, 4 beider Enden der aufgewickelten Lage verlaufen annähernd parallel zueinander und dicht beieinander. So entsteht ein im Wesentlichen orthogonal zur außen- und Innenfläche des Carbonfaservlieses verlaufender Spaltbereich. Der Spaltbereich ist mit carbonisierbarem Binder 5 verfällt. Im Spaltbereich hängt der Carbonfaservliesstoff nicht zusammen, da sämt- lich Fasern an den Schnittflächen 3, 4 abgeschnitten sind und sich nicht aus einer Schnittflä che 3 hinaus bis in die andere Schnittfläche 4 hinein erstrecken. Der Spaltbereich soll über- all exakt dieselbe, möglichst geringe Breite aufweisen, was nur mit hohem Aufwand erreicht wird.
Der in Figur 1 B gezeigte Schnitt stellt eine Schnittfläche durch einen Carbonfaservliesstoff 2 dar, der durch konventionelles Wickeln mit Überlappungsbereich 6 auf den Zylinder 10 auf- gebracht ist. Im Überlappungsbereich 6 wird der Carbonfaservliesstoff in mehrfacher Lage aufgebracht. Gezeigt ist beispielhaft ein geringer Überlappungsbereich 6. Der Carbonfaser- vliesstoff 2 kann aber auch länger und rundum mehrlagig aufgewickelt sein. Unabhängig von der Größe des Überlappungsbereichs 6 hängt der Carbonfaservliesstoff 2 spiral umlaufend zusammen, denn die Fasern verlaufen innerhalb des spiralförmig aufgewickelten Carbonfa- servliesstoffs 2. Die Fasern verlaufen nicht aus einer Lage hinaus in die nächste, weiter außen oder weiter innen liegende Lage hinein.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein selbsttragendes hohlzylindrisches Carbonfasergebilde 1 umfassend einen zwischen der Mantelinnenfläche 7 und der Mantelaußenfläche 8 des Car- bonfasergebildes 1 rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaservliesstoff 2.
Ausführungsbeispiel 1
Aus den bekannten Verfahren zur Herstellung von mechanisch verfestigten Vliesstoffen durch Rundvernadelung wurde ein Verfahren gemäß BELTEX-Technologie ausgewählt und damit ein hohlzylindrisches Ausgangsfasergebilde durch Rundvernadelung einer unverdich- teten Bahn von Fasern hergestellt. Zur Herstellung der Bahn wurden 100% Viskosefasern eingesetzt (3,0 dtex, Schnittlänge 65 mm). Das erhaltene hohlzylindrische Ausgangsfaserge- bilde hatte eine Länge von 830 mm, einen Innendurchmesser von 600 mm, einen Außen- durchmesser von 740 mm und damit eine Wandstärke von 70 mm. Das Gewicht des Aus- gangsfasergebildes betrug 27 kg. Damit ergibt sich ein Volumen des Ausgangsfasergebildes von 122289 cm3 und eine hieraus berechneten Dichte von 0,22 g/cm3.
Dieses Ausgangsfasergebilde wurde einer ersten Hochtemperaturbehandlung unterworfen. Dazu wurde es auf einen zylindrischen Formgebungskörper aus Metall mit Durchmesser von 430 mm aufgesetzt und in einem Brennbehälter bei 900°C in einem Ofen unter Schutzgasat- mosphäre einer ersten Temperaturbehandlung (Carbonisierung) unterworfen. Nach dieser Temperaturbehandlung wurde abgekühlt und das erhaltene hohlzylindrische Carbonfaserge- bilde anschließend vom Formgebungskörper abgezogen. Das Carbonfasergebilde hatte eine Länge von 580 mm, einen Innendurchmesser von 448 mm, einen Außendurchmesser von 548 mm und damit eine Wandstärke von 50 mm. Das Gewicht des Carbonfasergebildes be- trug 7 kg. Damit ergibt sich ein Volumen von 45370 cm3 und eine hieraus berechnete Dichte von 0,15 g/cm3.Das Carbonfasergebilde wurde dann zusätzlich einer zweiten Hochtempera- turbehandlung (Graphitierung) unterworfen, wobei kein Formgebungskörper und Brennbe- hälter verwendet wurde. In einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre wurde es bei 2200°C graphitiert. Nach dieser Hochtemperaturbehandlung hatte das erhaltene hohlzylindrische Carbonfasergebilde eine Länge von 580 mm, einen Innendurchmesser von 450 mm, einen Außendurchmesser von 550 mm und damit eine Wandstärke von 50 mm. Das Gewicht des Gebildes betrug 6,4 kg. Damit ergibt sich ein Volumen von 45552 cm3 und einer hieraus be- rechnete Dichte von 0,14 g/cm3.
Von dem graphitierten Carbonfasergebilde wurde zur Bestimmung der Hochtemperaturwär- meleitfähigkeit (nach DIN 51936) eine Probe sowohl von der Mantelinnenseite als auch von der Mantelaußenseite genommen. Die Dimensionen der Proben wurden gemäß den Vorga- ben der DIN 51936 gewählt. Es wurde ein Durchmesser von 20 mm und eine Länge von 3 mm gewählt. Durch Wiegen der Probe ließ sich dann eine Rohdichte gemäß DIN 51918 von 0,16 g/cm3 für die Mantelinnenseite und eine Rohdichte von 0,15 g/cm3 für die Mantelaußen- seite bestimmen.
Die Rundheit des Innendurchmessers des nach der ersten Hochtemperaturbehandlung er- haltenen Carbonfasergebildes wurde durch eine optische 3D-Technologie (Scan) des Hohl- zylinders mit einem COMET® Systeme der Fa. Zeiss ermittelt.
Die Rundheit wurde ermittelt durch die Erfassung des größten und kleinesten messbaren In- nendurchmessers. Aus der Differenz lässt sich dann die Rundheit errechnen. Für das Car- bonfasergebilde erhielt man einen Wert von ± 4 mm.
Ausführungsbeispiel 2
Aus den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren zur Herstellung von mechanisch verfestigten Vliesstoffen durch Rundvernadelung wurde ein Verfahren gemäß RONTEX- Technologie ausgewählt und damit ein hohlzylindrisches Ausgangsfasergebilde durch Rund- vernadelung einer unverdichteten Bahn von Fasern hergestellt. Zur Herstellung der unver- dichteten Bahn von Fasern wurde 100% oxidiertes Polyacrylnitril (SGL - PANOX®; erhält- lich unter der Bezeichnung C63-1.7/1.39-A110) eingesetzt. Das erhaltene Ausgangsfaserge- bilde hatte eine Länge von 170 mm, einen Innendurchmesser von 145 mm, einen Außen- durchmesser von 170 mm und damit eine Wandstärke von 12,5 mm. Das Gewicht des Ge- bildes betrug 215 g. Damit ergab sich ein Volumen von 1050 cm3 und eine hieraus berech- nete Dichte von 0,20 g/cm3.
Das Ausgangsfasergebilde wurde einer ersten Hochtemperaturbehandlung (Carbonisierung) unterworfen. Dazu wurde das Gebilde auf einen zylindrischen Formgebungskörper aus Me- tall mit Durchmesser von 130 mm aufgesetzt und in einem Brennbehälter bei 900°C in ei- nem Ofen unter Schutzgasatmosphäre carbonisiert. Nach dieser Temperaturbehandlung wurde abgekühlt und das erhaltene hohlzylindrische Carbonfasergebilde anschließend vom
Formgebungskörper abgezogen. Nach dieser Hochtemperaturbehandlung hatte das erhal- tene hohlzylindrische Carbonfasergebilde eine Länge von 150 mm, einen Innendurchmesser von 130 mm, einen Außendurchmesser von 152 mm und damit eine Wandstärke von 11 mm. Das Gewicht des Gebildes betrug 113 g. Damit ergab sich ein Volumen des Gebildes von 731 cm3 und eine hieraus berechnete Dichte von 0,16 g/cm3.
Dieses Carbonfasergebilde wurde dann zusätzlich einer zweiten Hochtemperaturbehand- lung (Graphitierung) unterworfen, wobei kein Formgebungskörper und Brennbehälter ver- wendet wurde. In einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre wurde das Gebilde bei 2200°C graphitiert. Nach dieser Hochtemperaturbehandlung hatte das erhaltene hohlzylindrische Carbonfasergebilde eine Länge von 150 mm, einen Innendurchmesser von 131 mm, einen Außendurchmesser von 152 mm und damit eine Wandstärke von 10,5 mm. Das Gewicht des Gebildes betrug 100 g. Damit ergab sich ein Volumen von 700 cm3 und eine hieraus be- rechnete Dichte von 0,14 g/cm3.
In beiden Ausführungsbeispielen waren sämtliche hohlzylindrischen Gebilde (die Ausgangs- fasergebilde und die nach der Carbonisierung und nach der Graphitierung erhaltenen Ge- bilde) selbsttragend. Sie könnten somit, wie oben erläutert, auch als hohlzylindrische Faser- korpusse bezeichnet werden.
Bezugszeichenliste
Carbonfasergebilde 1
Carbonfaservliesstoff 2
Schnittfläche 3
Schnittfläche 4
Binder 5
Überlappungsbereich 6
Mantelinnenfläche 7
Mantelaußenfläche 8
Zylinder 10