EP3864210A1 - Hohlzylindrisches carbonfasergebilde - Google Patents

Hohlzylindrisches carbonfasergebilde

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Publication number
EP3864210A1
EP3864210A1 EP19786535.5A EP19786535A EP3864210A1 EP 3864210 A1 EP3864210 A1 EP 3864210A1 EP 19786535 A EP19786535 A EP 19786535A EP 3864210 A1 EP3864210 A1 EP 3864210A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon fiber
fiber structure
fibers
carbon
hollow cylindrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19786535.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Almut SCHWENKE
Manfred Jung
Oswin Oettinger
Rainer Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP3864210A1 publication Critical patent/EP3864210A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4209—Inorganic fibres
    • D04H1/4242—Carbon fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • B01D39/2055—Carbonaceous material
    • B01D39/2065—Carbonaceous material the material being fibrous
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/44—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling
    • D04H1/46—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling by needling or like operations to cause entanglement of fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/76—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres otherwise than in a plane, e.g. in a tubular way
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12—Carbon; Pitch
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2321/00—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D10B2321/10—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polymers of unsaturated nitriles, e.g. polyacrylonitrile, polyvinylidene cyanide

Definitions

  • the invention relates to a hollow cylindrical carbon fiber structure, e.g. a hollow cylindrical carbon fiber body, a process for its production and its use, in particular as a high-temperature insulation cylinder.
  • DE 10 2012 201 650 A1 describes a hollow cylindrical heat shield which comprises at least one graphite foil, on the outside of which at least one wound fiber structure is provided.
  • the fiber structure has a degree of coverage of less than 100%.
  • the wound fiber structure can be selected, inter alia, from cords, twists, yarns, rovings, nonwovens, fabrics, knitted fabrics, knitted fabrics, felting.
  • At least one layer of a fiber composite material can be provided on the inside of the at least one graphite foil, the fiber structure of which in turn can be selected from among other things rovings, nonwovens, woven fabrics, knitted fabrics, knitted fabrics, felting.
  • DE 100 25 628 A1 describes a method for producing a component, such as a pipe, from fiber composite materials by applying at least one layer of a fabric or prepreg impregnated with a resin and at least one layer of wound threads, yarns soaked or resin-free , Rovings or tapes on a shaping, temporary mandrel. It is also described that one or more layers of felt can also be applied during winding. Felt made of carbon fibers, graphite fibers, cellulose fibers, polyacrylonitrile fibers, ceramic fibers are mentioned. After the winding process, for example, carbonization and optionally graphitization can be carried out. In one of the examples, two 10 mm thick layers of graphite felt are wound up as intermediate layers.
  • the graphite felt had a layer thickness of 10 mm. In both layers, one layer of the graphite felt was wound up.
  • the basis weight of this felt according to DIN 53854 was 1000 g / m 2 . It is emphasized that the built-in layers of felt give the component excellent thermal insulation properties. It is also described that, as a rule, the thickness of a felt layer after winding is in the range from 2 to 20 mm, preferably in the range from 5 to 10 mm. Thicknesses of up to 20 mm would be preferred if components with larger wall thicknesses are to be manufactured.
  • FIG. 1A shows that the carbon fiber felt layer to be applied can be cut to length according to the circumference of the component in order to be able to be applied to the component in a simple position, that is to say without an overlap area.
  • the cut surfaces of both ends of the wound up layer should then run approximately parallel to one another and as close as possible to one another, as indicated in FIG. 1A.
  • the gap area can be decayed with a carbonizable binder.
  • the felt is not connected in the gap area, since all fibers are cut off at the cut surfaces and do not extend from one cut surface into the other cut surface.
  • the gap area has exactly the same width as small as possible. In practice, however, this ideal state is practically impossible or can only be achieved by very time-consuming manual post-processing of the two cutting surfaces.
  • the carbon fiber felt layer to be applied can be cut to length. It is then applied in at least part of the circumference in multiple layers, that is to say with an overlap area.
  • a small overlap area is shown as an example.
  • the carbon fiber felt can also be wound up in multiple layers. Regardless of the size of the overlap area, the carbon fiber felt is spirally connected, because the fibers run inside the spiral wound felt layer. The fibers do not run from one layer into the next, further outside or further inside layer. Regardless of the size of the overlap area and the number of layers, an all-round uniform layer structure can never be achieved with a winding with a felt layer with overlap, so that there are always areas with better and poorer thermal insulation properties.
  • high-temperature treated products which were high-temperature-treated in high-temperature furnaces with insulating cylinders of the prior art, had undesirable defects which led to a high level of rejects. This has been observed, for example, in the manufacture of glass fibers.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an object which enables the highest possible yield of a high-temperature-treated product, is particularly durable and is particularly easy to manufacture.
  • the object is intended to enable a particularly effective high-temperature treatment process, also and in particular if one also takes into account the effort required for installing and renewing high-temperature insulation material.
  • a hollow cylindrical carbon fiber structure preferably a hollow cylindrical carbon fiber body
  • a carbon fiber nonwoven which is connected to the circumference between the inner surface and the outer surface of the carbon fiber structure.
  • a hollow cylindrical carbon fiber structure means a hollow cylindrical structure containing carbon fibers.
  • the carbon fiber structure can consist essentially of only the carbon fiber nonwoven.
  • consisting essentially only of the carbon fiber nonwoven means that the carbon fiber nonwoven has at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight, particularly preferably at least 90% by weight, very particularly preferably at least 95% by weight, most preferably at least 99% by weight of the total mass of the carbon fiber structure.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can also be present in a layer composite with another material.
  • the carbon fiber structure according to the invention can thus be a hollow cylindrical carbon fiber layer composite structure comprising the carbon fiber nonwoven fabric which is circumferentially connected between the inner jacket surface and the outer jacket surface of the carbon fiber structure and at least one on the outer jacket surface and / or the coherent material layer arranged on the inner surface of the carbon fiber structure.
  • the material layer can consist of a carbon-based material which contains, for example, at least 80% by weight of carbon.
  • a preferred carbon fiber layer composite structure according to the invention comprises a carbon fiber reinforced carbon tube (CFC tube) arranged on the inner surface of the carbon fiber structure.
  • Carbon fiber reinforced carbon (CFC) is a carbon fiber composite material with a carbon matrix.
  • the carbon fiber nonwoven is preferably shrunk onto the CFC tube.
  • the carbon matrix can also contain carbon, for example in the form of graphite.
  • the preferred carbon fiber layer composite structure according to the invention which comprises a CFC tube arranged on the inner surface of the carbon fiber structure, can also comprise a CFC tube arranged on the outer surface surface of the carbon fiber structure.
  • Carbon fiber layer composite structures according to the invention are, for example, the hollow cylindrical heat shields described in DE 10 2012 201 650 A1, the developable components described in DE 100 25 628 A1, the components described in DE 10 2016 219 214 A1 for high-temperature applications if the heat described therein Shields, components or components instead of at least one of the nonwovens, felts, graphite felts, fiber layers, insulating felts, fiber fabrics, fiber nonwovens or fiber felts explicitly mentioned in these documents have the all-round connected carbon fiber nonwoven.
  • the hollow cylindrical carbon fiber structure according to the invention is preferably self-supporting. It is then referred to as a hollow cylindrical carbon fiber body.
  • Self-supporting means that the hollow cylindrical carbon fiber body retains its hollow cylindrical shape under the load of its own mass. This can be tested by placing the carbon fiber structure according to the invention on a flat surface in such a way that the force of gravity acts parallel to the longitudinal axis of the hollow cylindrical carbon fiber body. If the carbon fiber structure deposited in this way does not fall over within 30 seconds under the load of its own mass, a hollow cylindrical carbon fiber body is present.
  • An entirely according to the invention A particularly preferred hollow cylindrical carbon fiber structure is a hollow cylindrical carbon fiber body, which essentially consists only of the carbon fiber nonwoven.
  • the invention also includes hollow cylindrical carbon fiber structures which do not maintain their shape under the load of their own mass according to the above test, e.g. Carbon fiber hoses. These are referred to herein as non-self-supporting hollow cylindrical carbon fiber structures. They assume a hollow cylindrical shape, for example, when they are completely on the outer surface of a sufficiently long and sufficiently thick cylindrical body, such as on a metal bar.
  • hollow cylindrical means that the invented object is hollow and cylindrical.
  • cylindrical refers to a geometric body in which two parallel, flat, congruent base surfaces are connected to one another by an outer surface. Two corresponding points on each base edge are connected by a line. The entirety of these parallel lines forms the outer surface of the jacket.
  • both base surfaces each have an opening of a channel penetrating the carbon fiber structure from one base surface to the other base surface.
  • the channel is bounded all around by the inner surface of the jacket.
  • the surfaces of both openings are congruent and connected to each other by the inner surface of the jacket. Two corresponding points on both opening edges are connected by a line. The entirety of these parallel sections then forms the inner surface of the jacket.
  • the area of a base area enclosed between a base surface edge and an opening edge is referred to as an end surface.
  • the hollow cylindrical carbon fiber structure therefore has four surfaces, an outer surface, an inner surface and two end faces.
  • the length of the carbon fiber structure is preferably at least 0.1 times, particularly preferably at least 0.2 times, very particularly preferably at least 0.3 times the outer circumference of the carbon fiber structure.
  • the outer circumference is measured in a plane oriented orthogonally to the longitudinal axis of the carbon fiber structure.
  • the end faces of the hollow cylindrical carbon fiber structure can have any shape. They can be, for example, circular, oval or polygonal, the edges running in the outer surface of the jacket then being rounded.
  • the end faces are preferably circular or oval, particularly preferably circular. This information relates to the outer edge of the end faces, at which the end faces merge into the outer surface of the jacket. However, the inner edge of the end faces is preferably also circular or oval, particularly preferably circular.
  • the wall thickness of the hollow cylindrical carbon fiber structure or of the carbon fiber nonwoven is defined by the distance from the outer surface to the inner surface. For each point of the inner surface of the jacket, a point of the outer surface of the jacket closest to this point can be defined. The distance to the next point of the outer surface defines the wall thickness at the respective point of the inner surface.
  • the wall thickness for each point of the inner surface of the jacket can easily be calculated from a three-dimensional image (3D scan) of the structure according to the invention.
  • the wall thickness preferably never exceeds 25%, preferably nowhere 20%, particularly preferably nowhere 15%, extremely preferably nowhere 10% of the length of the hollow cylindrical carbon fiber structure.
  • the wall thickness is preferably constant all round.
  • the projection along the longitudinal axis of the carbon fiber structure into a projection plane running orthogonally to the longitudinal axis comprises two circles, the focal points of which coincide. It is then a circular hollow cylindrical carbon fiber structure.
  • the actual shape of the hollow cylindrical carbon fiber structure differs from the ideal hollow cylindrical geometry due to the manufacturing process.
  • setting behavior was observed in the pyrolysis described in more detail below.
  • the wall thickness and / or the density of the carbon fiber nonwoven material increased in an area located lower during pyrolysis than in an area located higher during pyrolysis. This could be avoided by performing the pyrolysis on the horizontally mounted hollow-cylindrical structure and the hollow-cylindrical one Formation rotates about its longitudinal axis at least in the temperature range in which setting behavior would occur.
  • the wall thickness of the carbon fiber nonwoven is preferably radially symmetrical at least in a section of the hollow cylindrical carbon fiber structure. Two parallel cutting planes, which are orthogonal to the longitudinal axis of the hollow cylindrical carbon fiber structure, limit the section mentioned here.
  • a radially symmetrical wall thickness exists if the wall thickness of the carbon fiber nonwoven is constant within the section. Constant means that the wall thickness is not more than 10% less at any point in the section than at any other point in the section.
  • the section preferably extends from one end face to the other end face and then comprises the entire carbon fiber nonwoven.
  • the average density of the carbon fiber nonwoven is preferably essentially radially symmetrical in at least one plane that is orthogonal to the longitudinal axis of the hollow cylindrical carbon fiber structure.
  • a radially symmetrical average density is given if cylindrical samples taken in the plane all around and extending from the inside of the carbon fiber nonwoven to the outside of the carbon fiber nonwoven have the same average density.
  • the cylindrical samples can be cut out of the carbon fiber nonwoven with a pointed knife, the cut out inner and outer surfaces of the carbon fiber nonwoven then forming the end faces of the cylindrical sample.
  • the average density of each sample is calculated from the mass of the sample determined by weighing and the volume of the sample. For example, Eight cylindrical specimens all around at eight points within the plane, with each point keeping the same distance from the next two neighboring points.
  • the average density of the sample with the lowest average density is at most 10% lower, preferably at most 5% lower, particularly preferably at most 3% lower, than the average density of the sample with the highest average density, a radially symmetrical density is given.
  • the density of the carbon fiber nonwoven as described in more detail below, is often higher towards the inside of the jacket than towards the outside of the jacket, we deliberately speak in this paragraph of an average density of the carbon fiber nonwoven.
  • a carbon fiber nonwoven is understood to mean a nonwoven that contains carbon fibers.
  • Carbon fiber is any fiber whose carbon content is at least 60% by weight, more preferably at least 80% by weight, particularly preferably at least 92% by weight. %, particularly preferably at least 96% by weight, very particularly preferably at least 99% by weight and most preferably at least 99.5% by weight.
  • the term carbon fiber thus includes carbonized and graphitized fibers.
  • the carbon fiber nonwoven is a mechanically consolidated carbon fiber felt, e.g. a carbon fiber needle felt or a hydroentangled carbon fiber felt.
  • the carbon fiber nonwoven preferably has an average density in the range from 0.04 to 0.4 g / cm 3 , preferably in the range from 0.07 to 0.25 g / cm 3 , most preferably in the range from 0.07 to 0.2 g / cm 3 .
  • the average density can be determined by weighing the carbon fiber nonwoven, determining its volume and dividing the mass determined by weighing by the volume.
  • the volume can be determined, for example, from a three-dimensional image (3D scan), which can be obtained using optical 3D technology. For example, COMET® systems from Zeiss can be used for this.
  • Densities lower than 0.04 g / cm 3 are disadvantageous for many applications, since the carbon fiber nonwoven fabric with an even lower density at typical wall thicknesses is no longer self-supporting and consequently can only be used with great effort in many applications, for example in a laminate with one supporting material. Densities higher than 0.4 g / cm 3 would only be obtainable from a non-woven fabric with an even higher density, which is connected all round, since pyrolysis generally leads to a decrease in density. Needle consolidation is always only possible up to a certain density. Further needling beyond this can lead to damage to the starting fiber and thus to the carbon fiber nonwoven.
  • the carbon fiber nonwoven fabric which is connected all round, has a tensile strength of at least 0.01 MPa, particularly preferably at least 0.025 MPa, very particularly preferably at least 0.05 MPa. This is measured according to DIN EN ISO 13934-1 with samples measuring 40mm (width) x 175mm (length). The free clamping length of the test material was 100 mm. Tensile strength measurement is carried out across the direction of needling, comparative tests surprisingly showed that such high tensile strengths could not be achieved by needling from carbon fiber.
  • the density of the carbon fiber nonwoven fabric is higher in a region facing the inner surface of the jacket (at least 2% higher, preferably at least 4% higher, particularly preferably at least 6% higher) ), as the density of the carbon fiber nonwoven in a region facing the outer surface of the jacket.
  • Such a density distribution can be easily adjusted by shrinking the carbon fiber nonwoven onto a shaping body, since the fleece is compressed more closely near the shaping body than further away from the shaping body.
  • the average density of the carbon fiber nonwoven in the entire area facing the inner surface of the jacket is preferably higher (at least 2% higher, preferably at least 4% higher, particularly preferably at least 6% higher) than the average density of the carbon fiber nonwoven in the entire the area facing the outer surface of the jacket.
  • the total volume and total mass of the inner halves and the total volume and total mass of the outer halves are then determined, and from this the density of the carbon fiber nonwoven in the entire area facing the inner surface of the jacket and the density of the carbon fiber nonwoven fabric in the entire area facing the outer jacket surface are determined.
  • the high temperature thermal conductivity and thus the thermal insulation property has two important parts.
  • the thermal insulation property is determined by the material itself, i.e. by the thermal conductivity of the fiber material.
  • the thermal conductivity is also determined via the overall material density, which through the reflection of the heat radiation influences the insulation property.
  • the proportion of radiation reflection is high and a high material density is therefore advantageous.
  • the shrinkage described in greater detail here specifically produces high carbon fiber nonwoven fabric densities, with the result of a better thermal insulation effect at the particularly high temperatures prevailing on the inside.
  • the all-round connected carbon fiber nonwoven fabric can therefore be obtained by shrinking on.
  • a temperature gradient forms from the inside of the jacket to the outside of the jacket, entirely in accordance with the density gradient in the carbon fiber nonwoven.
  • a particularly effective thermal insulation is achieved by a carbon fiber nonwoven density which is adapted to the temperature gradient and decreases from the inside to the outside of the carbon fiber nonwoven. If the density of the carbon fiber nonwoven in a region facing the inner surface of the jacket is higher than the density of the carbon fiber nonwoven in a region facing the outer surface of the jacket, this results in a particularly good thermal insulation if very specific, application-specific temperature gradients are obtained via the carbon fiber nonwoven should be maintained.
  • a hollow cylindrical carbon fiber structure cut from a block would not have these advantageous thermal insulation properties.
  • the density would then not decrease through the wall from the inside to the outside, but would be determined by the density distribution in the block from which the hollow cylindrical carbon fiber structure is cut.
  • the higher density of the carbon fiber nonwoven fabric on the inside also has the advantage of a higher mechanical strength. In the furnace, the hollow cylindrical carbon fiber nonwoven is mechanically protected only mechanically from the outside by the furnace wall. A higher density of the carbon fiber nonwoven on the inside of the jacket counteracts damage caused by mechanical loads, making the furnace lining even more durable.
  • the proportion of carbon fibers in the carbon fiber nonwoven can contribute at least 10% by weight, preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 70% by weight, very particularly preferably at least 90% by weight, of the total mass of the carbon fiber nonwoven.
  • the carbon fiber nonwoven preferably consists essentially of carbon fibers.
  • the proportion of carbon fibers in the carbon fiber nonwoven is then at least 95% by weight, e.g. we at least 99 wt% or 100 wt%.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can also contain other materials. In principle, all materials are conceivable that do not interfere with one of the uses described here, for example other fiber materials and / or particles.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can contain another fiber material.
  • the fiber material can be mineral fibers, e.g. include oxidic fibers and / or carbidic fibers.
  • the oxidic fibers include glass fibers, basalt fibers, aluminum oxide fibers, silicon oxide fibers.
  • Preferred carbide fibers are silicon carbide fibers.
  • the carbon fiber nonwoven can contain particles, for example activated carbon particles or also catalytically active particles, such as metal particles or multi-element oxide particles, particles of activated carbon, natural graphite flakes or graphite powder.
  • particles for example activated carbon particles or also catalytically active particles, such as metal particles or multi-element oxide particles, particles of activated carbon, natural graphite flakes or graphite powder.
  • the person skilled in the art is familiar with metals or multielement oxides which are used on a large industrial scale in the chemical industry for a wide range of heterogeneously catalyzed reactions.
  • the person skilled in the art is also aware of metals or multi-element oxides which are used in catalytic converters of motor vehicles for cleaning the exhaust gas flow.
  • metals or multi-element oxides which are used in waste incineration plants for cleaning the exhaust gas flow.
  • the carbon fiber structure comprises a carbon fiber nonwoven that is connected all round. Circling all the way around means that the arrangement of fibers which are connected to one another in an irregular manner and which is characteristic of a nonwoven fabric and which occurs in the production of nonwoven fabrics in a flat nonwoven web, exists all around. If one cuts through the carbon fiber nonwoven orthogonally to the longitudinal axis of the hollow cylindrical structure, neither a beginning nor an end of the circumferential carbon fiber nonwoven is recognizable in the cut surface. In particular, there is no joint or seam in the cut surface.
  • the carbon fiber nonwoven can contain very thin, very thick or a wide range of differently thick carbon fibers.
  • the average diameter of the fibers is preferably 3 to 20 pm, preferably 5 to 10 pm.
  • the mean diameter is determined microscopically.
  • the carbon fibers can be activated in the carbon fiber nonwoven.
  • the activation of carbon fibers is described, for example, by INAGAKI Michio and KANG Feiyu in Materials Science and Engineering of Carbon Fundamentals, Second Edition 2014, ISBN: 978-0-12- 800858-4 in section “a. Activated Carbon Fibers ”on pages 365 to 367 and the documents cited in this section.
  • the carbon fibers can have, for example, a BET surface area of at most 2000 m 2 / g, preferably from 1 to 1500 m 2 / g, particularly preferably from 5 to 1000 m 2 / g, very particularly preferably from 10 to 750 m 2 / g preferably have from 20 to 500 m 2 / g.
  • the specific surface according to Brunauer Emmett Teller (BET surface) of the carbon fiber nonwoven can be determined by sorption of nitrogen (DIN ISO 9277; 2014-01).
  • Hollow cylindrical carbon fiber structures with activated carbon fiber nonwovens are particularly suitable for cleaning water and as filter materials, eg in filter cartridges.
  • the carbon fiber structure according to the invention defines a high-temperature treatment zone which is surrounded by the carbon fiber non-woven fabric which is connected all round. Since the carbon fiber nonwoven is connected all round, it has neither the gap areas nor the areas with different numbers of layers that result from conventional winding of carbon fiber felts according to FIGS. 1A and 1B. This ensures an almost constant thermal insulation capacity of the surrounding carbon fiber Nonwoven allows. As a result, it is assumed that spatial temperature variations in the high-temperature treatment zone also decrease. In particular, there are no temperature minima in the high-temperature treatment zone which can occur at the gap areas of the prior art mentioned at the beginning. The thermal insulation is weaker in the gap areas.
  • the longevity of the carbon fiber structure according to the invention is high, since it is not possible to delaminate the carbon fiber nonwoven fabric, which is connected all round. Ultimately, this also helps to make better use of the furnace volume installed at one location.
  • the carbon fiber body has to be changed less often, which means that production operations are interrupted less often.
  • the carbon fiber structure according to the invention is obtained by a process in which a hollow cylindrical starting fiber structure, which comprises a non-woven material which is circumferentially connected between the inner surface and the outer surface of the starting fiber structure, is subjected to pyrolysis.
  • the pyrolysis is carried out in such a way that the carbon content of the starting fiber structure increases and the mass of the starting fiber structure decreases.
  • the nonwoven is converted to the carbon fiber nonwoven, so that a carbon fiber structure according to the invention results from the starting fiber structure.
  • the fibers of the hollow cylindrical starting fiber structure can include a wide variety of carbonizable fibers, among others cellulose fibers, cellulose-based fibers such as cellulose acetate fibers or viscose fibers, polyacrylonitrile-based fibers, oxidized polyacrylonitrile-based fibers, phenolic resin fibers, polyimide fibers, pitch fibers, wool fibers or mixtures thereof.
  • the fibers of the hollow cylindrical starting fiber structure preferably comprise polyacrylonitrile-based fibers, viscose fibers and / or pitch-based fibers.
  • a Part of the fibers of the hollow-cylindrical starting fiber structure can also not be carbonizable, such as carbon fibers, basalt fibers or glass fibers.
  • stabilization generally takes place at 200 to 300 ° C in air.
  • the polyacrylonitrile-based fibers are then converted to oxidized polyacrylonitrile-based fibers.
  • a hollow cylindrical starting fiber structure which comprises a non-woven material that is continuously connected between the inner surface and the outer surface of the starting fiber structure, is commercially available in a wide variety of forms, for example needle punch manufacturers offer endlessly needled felt tubes in a wide range of different lengths, wall thicknesses and densities.
  • Machines for the production of hollow cylindrical starting fiber structures are offered by Dilo Machines GmbH, 69405 Eberbach, Germany.
  • DE 1 660 765 describes a device for producing endless paper machine felts or technical tubular felts with two mutually adjustable transport rollers and with a needle machine. By adjusting the distance between the two transport rollers, tubular felts with different diameters can be produced in a targeted manner.
  • DE 24 34 242 A1 describes a needle-felted material and a method for its production.
  • the process comprises the following steps: a) forming a continuous web of fibers; b) Feeding the web in the form of a spiral so as to create a tube. fen, with adjacent windings of the spiral overlapping each other; c) spiral wrapping of the tube as the web is fed with reinforcing fibers d) needle felting of the tube and fibers and e) progressive advancement of the needle felted tube in the direction of the axis of the tube.
  • tubular needle felted material Other methods of making tubular needle felted material are described in U.S. Patent No. 3,758,926 and U.S. Patent No. 3,758,926.
  • the known methods can be used to produce starting fiber structures with a very large bandwidth of different dimensions.
  • the outer circumference of the starting fiber structure can be 20 m or more.
  • the inner circumference can be very small and e.g. be only 5 mm.
  • starting fiber structures with a wide range of different wall thicknesses are accessible, in particular wall thicknesses in the range from 2 to 100 mm.
  • hollow cylindrical fiber structures with all producible dimensions are suitable as starting fiber structures for the method according to the invention, so that there is a correspondingly wide range of hollow cylindrical carbon fiber structures.
  • the pyrolysis is typically carried out with the exclusion of oxygen and at temperatures of at least 300 ° C. or preferably at temperatures of at least 500 ° C.
  • the pyrolysis preferably comprises a first temperature treatment at 500 to 1600 ° C, for example at 800 to 1200 ° C. This first temperature treatment is referred to as carbonization.
  • the pyrolysis can also be subjected to a second temperature treatment at 1600 to 3000 ° C, e.g. at 1700 to 2400 ° C.
  • the second temperature treatment is called graphitization.
  • carbon fiber refers here to fibers that can be carbonized or that can be carbonized and also graphitized.
  • the starting fiber structure is drawn onto a cylindrical shaping body and shrunk onto the cylindrical shaping body during pyrolysis.
  • the shaping body essentially has only a shaping function.
  • the carbon fiber structure obtained is then removed from the shaping body after carbonization.
  • the carbon fiber structures obtained can be pulled off from the molding body by using a molding body whose diameter after carbonization decreases more rapidly on cooling than the inner diameter of the shrunk carbon fiber structure. Then the molding and the shrunk-on carbon fiber structure are cooled after the pyrolysis in order to pull the carbon fiber structure off the molding body.
  • a hollow cylindrical carbon fiber structure is obtained, the inner surface of which has almost exactly the shape of the shell of the shaping body. It is possible, for example, to obtain quasi completely round inner surfaces of the jacket if a circular cylinder is used as the shaping body.
  • the temperature at which the high-temperature treatment is to take place can be set particularly precisely in a high-temperature insulation cylinder with an approximately ideal surface.
  • the shaping body forms part of the carbon fiber structure.
  • the shaping body for example a CFC tube
  • the shaping body is preferably also hollow cylindrical and forms a coherent material layer arranged on the inside on the carbon fiber nonwoven.
  • the shrinking enables the carbon fiber nonwoven to be firmly attached to a carbon-based material layer which contains, for example, at least 80% by weight of carbon.
  • This procedure leads to a layer structure with felt layers (eg graphite felt layers), which has proven itself, for example, in the heat shields described in DE 100 25 628 A1.
  • felt layers eg graphite felt layers
  • the first temperature treatment takes place after the starting fiber structure has been pulled onto the shaping body.
  • the carbon fiber structure obtained is removed from the molding body and the carbon fiber structure removed from the molding body can then be subjected to the second temperature treatment. It was shown that a graphitized hollow cylindrical carbon fiber structure is obtained, the inner surface of which has almost exactly the shape of the shell of the shaping body, without the shaping body having to be made of a very expensive, high-temperature stable material which can also withstand graphitization conditions would.
  • the carbon fiber structure present after the first or second temperature treatment shows a significantly increased mechanical stability compared to wound
  • High-temperature treated carbon fiber nonwoven fabric can be expected in the case of hollow cylinders according to the invention which have been exposed to less high temperatures during pyrolysis, e.g. only 500 ° C.
  • the BET surface area of the carbon fibers of the carbon fiber structure present after the first or second temperature treatment can be increased by gas activation.
  • the gas activation can e.g. with carbon dioxide, water vapor or air.
  • the invention also includes a carbon fiber structure, obtainable by the method according to the invention.
  • the invention particularly relates to the use of the carbon fiber structure according to the invention as a high-temperature insulation cylinder.
  • the invention also relates to the use of the carbon fiber structure according to the invention as a filter material in a filter candle.
  • the application temperature of these rigid filters is usually max. Limited to 350 ° C.
  • the invention also relates to the use of the carbon fiber structure according to the invention as a carrier material for filter media, such as activated carbon, or as a catalyst carrier.
  • the active component such as activated carbon or the metal oxide can be distributed homogeneously in the carbon fiber structure in the manufacturing process.
  • the combinatorial effect of the active component can supplement the mechanical filtration with chemical adsorption or with reactive, catalytic cleaning.
  • the radially homogeneous structure of the carbon fiber nonwoven therefore leads to a homogeneous distribution of the active component and thus to an effective catalytic reaction.
  • the invention also relates to the use of the carbon fiber structure according to the invention as an electrode material.
  • tubular systems should achieve higher efficiencies through larger electrode areas.
  • Hollow cylindrical carbon fiber structures according to the invention form suitable electrode materials for this.
  • the invention also relates to the use of the carbon fiber structure according to the invention as a resistance heating element.
  • the electrically conductive carbon fiber structure enables heating by applying an electrical voltage.
  • the filter can also be used to heat the medium to be filtered, for example for liquids.
  • the invention also relates to the use of the carbon fiber structure according to the invention as a droplet separator or demister.
  • Droplet separators enable efficient
  • FIGS. 1A and 1B show sections through carbon fiber nonwovens according to the invention
  • FIG. 2 shows a section through a hollow cylindrical carbon fiber structure according to the invention
  • FIGS. 1A and 1B illustrate known application options for carbon fiber nonwovens which are not connected all round. For simplification, the application on the outer surface of a cylinder is illustrated.
  • the section shown in FIG. 1A represents a sectional area through a carbon fiber nonwoven fabric 2 and a cylinder 10.
  • the carbon fiber nonwoven fabric 2 is applied to the outer surface of the cylinder 10 by conventional winding without an overlap area.
  • the cut surfaces 3, 4 of both ends of the wound-up layer run approximately parallel to one another and close together. This creates a gap area that is essentially orthogonal to the outer and inner surface of the carbon fiber fleece.
  • the gap area has decayed with carbonizable binder 5.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is not connected in the gap area, since all fibers are cut off at the cut surfaces 3, 4 and do not extend from one cut surface 3 into the other cut surface 4.
  • the gap area should have exactly the same width as small as possible, which can only be achieved with great effort.
  • the section shown in FIG. 1B represents a sectional area through a carbon fiber nonwoven fabric 2, which is applied to the cylinder 10 by conventional winding with an overlap region 6.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is applied in multiple layers in the overlap area 6.
  • a small overlap area 6 is shown by way of example.
  • the carbon fiber nonwoven fabric 2 can, however, also be wound longer and all around in multiple layers. Regardless of the size of the overlap area 6, the carbon fiber nonwoven fabric 2 is spirally connected, because the fibers run inside the spirally wound carbon fiber nonwoven fabric 2. The fibers do not run from one layer into the next, further outward or further inward layer.
  • FIG. 2 shows a section through a self-supporting hollow cylindrical carbon fiber structure 1 comprising a carbon fiber nonwoven fabric 2 which is circumferentially connected between the inner surface 7 and the outer surface 8 of the carbon fiber structure 1.
  • a method based on BELTEX technology was selected from the known methods for producing mechanically consolidated nonwovens by circular needling, and a hollow cylindrical starting fiber structure was thus produced by circular needling of an uncompressed web of fibers. 100% viscose fibers were used to produce the web (3.0 dtex, cutting length 65 mm).
  • the hollow cylindrical starting fiber structure obtained had a length of 830 mm, an inner diameter of 600 mm, an outer diameter of 740 mm and thus a wall thickness of 70 mm.
  • the weight of the starting fiber structure was 27 kg. This results in a volume of the starting fiber structure of 122289 cm 3 and a density of 0.22 g / cm 3 calculated from this.
  • This starting fiber structure was subjected to a first high temperature treatment. For this purpose, it was placed on a cylindrical metal shaping body with a diameter of 430 mm and subjected to a first temperature treatment (carbonization) in a furnace at 900 ° C in an oven under a protective gas atmosphere. After this temperature treatment, the mixture was cooled and the hollow cylindrical carbon fiber structure obtained was then pulled off the molding.
  • the carbon fiber structure had a length of 580 mm, an inner diameter of 448 mm, an outer diameter of 548 mm and thus a wall thickness of 50 mm.
  • the weight of the carbon fiber structure was 7 kg. This results in a volume of 45370 cm 3 and a calculated density of 0.15 g / cm 3.
  • the carbon fiber structure was then additionally subjected to a second high-temperature treatment (graphitization), whereby no shaping body and firing container were used. It was graphitized at 2200 ° C in an oven under a protective gas atmosphere. After this high-temperature treatment, the hollow cylindrical carbon fiber structure obtained had a length of 580 mm, an inside diameter of 450 mm, an outside diameter of 550 mm and thus a wall thickness of 50 mm. The weight of the structure was 6.4 kg. This results in a volume of 45552 cm 3 and a calculated density of 0.14 g / cm 3 .
  • a sample of the graphitized carbon fiber structure was taken both from the inside of the jacket and from the outside of the jacket.
  • the dimensions of the samples were chosen in accordance with the specifications of DIN 51936. A diameter of 20 mm and a length of 3 mm were chosen.
  • a bulk density according to DIN 51918 of 0.16 g / cm 3 for the inside of the jacket and a bulk density of 0.15 g / cm 3 for the outside of the jacket could be determined.
  • the roundness of the inner diameter of the carbon fiber structure obtained after the first high-temperature treatment was determined by optical 3D technology (scan) of the hollow cylinder using a COMET® system from Zeiss.
  • the roundness was determined by recording the largest and smallest measurable inner diameter. The roundness can then be calculated from the difference. A value of ⁇ 4 mm was obtained for the carbon fiber structure.
  • a process according to RONTEX technology was selected from the processes described in the prior art for producing mechanically bonded nonwovens by circular needling, and a hollow cylindrical starting fiber structure was thus produced by circular needling of an undensified web of fibers.
  • 100% oxidized polyacrylonitrile SGL - PANOX®; available under the designation C63-1.7 / 1.39-A110
  • the initial fiber structure obtained had a length of 170 mm, an inner diameter of 145 mm, an outer diameter of 170 mm and thus a wall thickness of 12.5 mm.
  • the weight of the structure was 215 g. This resulted in a volume of 1050 cm 3 and a calculated density of 0.20 g / cm 3 .
  • the initial fiber structure was subjected to a first high temperature treatment (carbonization).
  • a first high temperature treatment carbonization
  • the structure was placed on a cylindrical shaping body made of metal with a diameter of 130 mm and carbonized in a furnace at 900 ° C. in an oven under a protective gas atmosphere.
  • the mixture was cooled and the hollow cylindrical carbon fiber structure obtained from Shaped molding body.
  • the hollow cylindrical carbon fiber structure obtained had a length of 150 mm, an inner diameter of 130 mm, an outer diameter of 152 mm and thus a wall thickness of 11 mm.
  • the weight of the structure was 113 g. This resulted in a volume of the structure of 731 cm 3 and a calculated density of 0.16 g / cm 3 .
  • This carbon fiber structure was then additionally subjected to a second high-temperature treatment (graphitization), with no shaping body and firing container being used.
  • the structure was graphitized at 2200 ° C. in an oven under a protective gas atmosphere.
  • the hollow cylindrical carbon fiber structure obtained had a length of 150 mm, an inner diameter of 131 mm, an outer diameter of 152 mm and thus a wall thickness of 10.5 mm.
  • the weight of the structure was 100 g. This resulted in a volume of 700 cm 3 and a calculated density of 0.14 g / cm 3 .
  • all of the hollow cylindrical structures were self-supporting. As explained above, they could therefore also be referred to as hollow cylindrical fiber bodies.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hohlzylindrisches Carbonfasergebilde, umfassend einen zwischen der Mantelinnenfläche und der Mantelaußenfläche des Carbonfasergebildes rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaservliesstoff. Es ist erhältlich durch ein Verfahren, wobei ein hohlzylindrisches Ausgangsfasergebilde, das einen zwischen der Mantelinnenfläche und der Mantelaußenfläche des Ausgangsfasergebildes rings umlaufend zusammenhängenden Vliesstoff umfasst, einer Pyrolyse unterworfen wird.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Hohlzylindrisches Carbonfasergebilde (1 ), umfassend einen zwischen der Mantelinnen- fläche (7) und der Mantelaußenfläche (8) des Carbonfasergebildes (1 ) rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaservliesstoff (2).
2. Carbonfasergebilde (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Anteil der Carbonfasern im Carbon- faservliesstoff (2) wenigstens 50 Gew.-% beträgt.
3. Carbonfasergebilde (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Carbonfaservliesstoff (2) eine mitt- lere Dichte im Bereich von 0,04 bis 0,4 g/cm3 aufweist.
4. Carbonfasergebilde (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der rings umlaufend
zusammenhängende Carbonfaservliesstoff eine Zugfestigkeit von mindestens 0,01 MPa aufweist.
5. Carbonfasergebilde (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Dichte des Carbonfaservliesstoffs (2) in einem der Mantelinnenfläche (7) zugewandten Bereich höher ist, als die Dichte des Carbonfaservliesstoffs (2) in einem der Mantelaußenfläche (8) zugewandten Bereich.
6. Carbonfasergebilde (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Kohlenstoffgehalt der Carbonfasern wenigstens 92 Gew.-% beträgt.
7. Carbonfasergebilde (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Carbonfasern eine BET-Oberfläche von 1 bis 1500 m2/g aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Carbonfasergebildes (1 ) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, wobei ein hohlzylindrisches Ausgangsfasergebilde, das einen zwischen der Mantelinnenfläche und der Mantelaußenfläche des Ausgangsfasergebildes rings um- laufend zusammenhängenden Vliesstoff umfasst, einer Pyrolyse unterworfen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Pyrolyse eine erste Temperaturbehandlung bei 500 bis 1600°C umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Pyrolyse eine zweite Temperaturbehandlung bei 1600 bis 3000 °C umfasst.
1 1. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ausgangsfasergebilde auf einen zylindrischen Formgebungskörper aufgezogen und während der Pyrolyse auf den zylindrischen Form- gebungskörper aufgeschrumpft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 und 11 , wobei die erste Temperaturbehandlung nach dem Aufziehen des Ausgangsfasergebildes auf den Formgebungskörper erfolgt, das erhaltene Carbonfasergebilde (1 ) vom Formgebungskörper abgezogen und das vom Formgebungskörper abgezogene Carbonfasergebilde (1 ) der zweiten
Temperaturbehandlung unterworfen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die BET-Oberfläche der Carbonfa- sern des nach der ersten oder zweiten Temperaturbehandlung vorliegenden Carbonfa- sergebildes durch Gasaktivierung erhöht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Fasern des hohlzylindrischen Ausgangsfasergebildes polyacrylnitrilbasierte Fasern, Viskosefasern und/oder pechba- sierte Fasern umfassen.
15. Carbonfasergebilde (1 ) erhältlich nach einem der Verfahren der Ansprüche 8 bis 14.
16. Verwendung des Carbonfasergebildes (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 15 als Hochtemperatur-Isolationszylinder, als Filtermaterial in einer Filterkerze, als Trägermate- rial für Filtermedien, als Tropfenabscheider oder Demister, als Elektrodenmaterial, als Widerstandsheizelement oder als Katalysatorträger.
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