NO791619L - Fremgangsmaate ved fremstilling av hule, uorganiske fibre - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av hule, uorganiske fibre.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved fremstilling av små rør, f.eks. hule fibre. Fremgangsmåter for trekking av metallrør for fremstilling av små rør er kostbare. Slike fremgangsmåter er spesielt kostbare når ekstremt små rør skal fremstilles, dvs.

med en utvendig diameter svarende til fiberstørrelse, og kan vise seg ikke å være teknisk levedyktig. Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte som gjør at metallrør med ekstremt liten størrelse kan fremstilles enkelt og økonomisk. Den foreliggende fremgangsmåte har også vist seg å være nyttig for fremstilling av små rør av andre uorganiske materialer.

Verdien av den foreliggende fremgangsmåte varierer i alminnelighet omvendt proporsjonalt med det lille rørs utvendige diameter. Dette innebærer at jo mindre det ønskede rør er, desto mer verdifull er den foreliggende fremgangsmåte. For fremstilling av rør med en meget liten utvendig diameter øker omkostningene ved den foreliggende fremgangsmåte tilsynelatende ikke pr. lengdeenhet, og dette står i motsetning til de omkostninger som er forbundet med rør-trekkemetoder og som i alminnelighet er utsatt for en akselerert økning når slike små utvendige diametre skal erholdes.

I den foreliggende beskrivelse er de følgende definisjoner anvendt: Uttrykket "hul fiber" betegner en fiber (eller et monofilament) som har en lengde som er meget stor sammenlignet med dens diameter og som har en aksialt forløpende kontinuerlig kanal som er fri for det materiale som utgjør fiberen (mer vanlig betegnet som "boring"). Slike fibre kan tilveiebringes med praktisk talt en hvilken som helst lengde som er ønsket for den beregnede anvendelse.

Uttrykket "i det vesentlige uorganiske materialer" betegner et sintrerbart, uorganisk materiale som er i det vesentlige fritt for organiske polymermaterialer.

Betegnelsen "monolittisk" betyr at fiberens materiale har

den samme sammensetning gjennom hele sin struktur og at fiberen bevarer sin fysikalske form på grunn av tilstedeværelsen av sintrede partikler.

Betegnelsen "porøs" gjelder den egenskap ved fiberveggen at den, selv om den ellers kontinuerlig er forholdsvis tett, har meget små, ofte bøyede, kanaler som muliggjør at fluidum kan passere gjennom fiberveggen på annen måte enn ved diffusjon.

Det tilveiebringes ved oppfinnelsen en fremgangsmåte ved fremstilling av i det vesentlige uorganiske, monolittiske, hule fibre (dvs. små rør). Slike hule fibre som omfatter metall, er spesielt foretrukne.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte ved fremstilling av hule fibre, og fremgangsmåten er særpreget ved at den omfatter de trinn at

(a) en oppløsning av en organisk fiberdannende polymer fremstilles som jevnt dispergert inneholder et sintrerbart, uorganisk

materiale,

(b) polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale,

ekstruderes gjennom en hul fiberspinndyse,

(c) en polymerisert, hul utgangsfiber dannes som inneholder det

uorganiske materiale,

(d) den polymeriserte, hule utgangsfiber behandles for å fjerne

den organiske polymer, og

(e) det erholdte uorganiske materiale sintres til en hul fiber.

Den i det vesentlige uorganiske, hule fiber som fremstilles ved den foreliggende fremgangsmåte, ligner på den polymeriserte, hule utgansgangsfiber, men har redusert størrelse.

De hule fibre fremstilt ved den foreliggende fremgangsmåte vil være meget nyttige for en rekke anvendelsesområder. Disse hule fibre kan fremstilles på en forholdsvis økonomisk måte og med sterkt varierende fysikalske former og under utnyttelse av en rekke forskjellige typer av uorganiske materialer. Det har dessuten vist seg at store mengder av disse fibre kan fremstilles med bare nominelle tap som skyldes sprekker og uperfektheter.

De hule fibre fremstilt ved den foreliggende fremgangsmåte omfatter i det vesentlige uorganiske materialer som sintres til hule fibre. De sintrerbare, uorganiske materialer omfatter en meget stor gruppe av materialer. De foretrukne sintrerbare, uorganiske materialer er metaller. Nikkel, jern og legeringer derav er spesielt foretrukne. De sintrerbare, uorganiske materialer kan være keramiske materialer, som aluminiumoxyd eller 3-aluminiumoxyd etc. De sintrerbare uorganiske materialer kan være kermeter eller "metcers", som jernmetall/aluminiumoxyd eller titancarbid/ nikkel etc.

De fremstilte hule fibre kan ha en utvendig diameter av opp

til ca. 2000yum. Det tas imidlertid ved oppfinnelsen også sikte på

å fremstille fibre med større utvendige diametre, som 3000 eller 4000 og opp til ca. 6000yUm. De mer økonomiske, fordelaktige, hule fibre har i alminnelighet en utvendig diameter av 50-700yUm, fortrinnsvis 100-550^um. Fibrene har ofte en veggtykkelse av 20-300^,um. Fibre med en veggtykkelse av 50-200yUm er spesielt foretrukne. Fibrene har i alminnelighet et forhold mellom veggtykkelse og utvendig diameter av 0,5-0,03, fortrinnsvis 0,5-0,1.

Det er et meget viktig bidrag ved den foreliggende oppfinnelse at det ved hjelp av denne er mulig å fremstille uorganiske, hule fibre med varierende størrelse og form. Fiberens størrelse kan påvirkes av den enkle forholdsregel å forandre spinndysene,som vel-kjent innen den syntetiske fiberteknikk. Ved å variere ekstruderings-og fiberdannelsesbetingelsene kan fiberveggens tykkelse også varieres innen vide områder. Disse egenskaper gir fagmannen en unik mulig-het til å fremstille hule fibre som er skreddersydd for den beregnede anvendelse.

Disse særtrekk erholdes ved den foreliggende oppfinnelse som

er nærmere beskrevet nedenfor.

Fremstilling av polymeropplø sning som inneholder uorganisk materiale

En blanding som omfatter et uorganisk materiale jevnt dispergert i en polymeroppløsning, fremstilles. Polymeroppløsningen omfatter en .fiberdannende, uorganisk polymer som er oppløst i et

egnet oppløsningsmiddel. Konsentrasjonen av den organiske polymer

i oppløsningen er i alminnelighet tilstrekkelig til at når opp-løsningen inneholder det uorganiske materiale/vil de polymeriserte, hule utgangsfibre kunne fremstilles ved tørr- og/eller våtspinning. Polymerk<*>onsentrasjonen kan variere innen et vidt område og er avhengig av de ønskede egenskaper for den hule sluttfiber. Dersom ;f.eks. hule fibre med forholdsvis tette vegger er ønskede, kan konsentrasjonen ligge på den lave side. Hvis derimot hule fibre med mindre tette vegger erønskede (alle andre variable ellers konstante), må konsentrasjonen være noe høyere. Den høyeste konsentrasjon er selvfølgelig begrenset til den konsentrasjon hvor polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale ikke vil kunne ekstruderes gjennom en spinndyse. ' På tilsvarende måte er den nedre grense den grense hvor den erholdte polymeriserte, hule utgangsfiber ikke inneholder en tilstrekkelig, mengde polymer til at den vil beholde sin struktur. Polymerkonsentrasjonene vil i alminnelighet ligge innen området 5-35 vekt% av polymeroppløsningen. Spesielt foretrukne polymerkonsentrasjoner er 10-30 vekt%, og helst 15-30 vekt%, av polymeroppløsningen. ;Typen av den organiske polymer som anvendes ved fremstillingen av den polymeriserte, hule utgangsfiber ved hjelp*, av den foreliggende fremgangsmåte, er ikke av kritisk betydning. Således kan f.eks. polyacrylonitril, polymerer av acrylonitril med én eller flere andre monomerer som kan polymeriseres med dette, som vinyl-acetat, methylmethacrylat, polyurethaner og polyvinylklorid, anvendes. Både addisjons- og kondensasjonspolymerer som kan støpes, ekstruderes eller på annen måte bearbeides slik at hule fibre vil fås ved tørr- eller våtspinningsmetoder, kan anvendes. Typiske polymerer som er egnede for anvendelse ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte kan være substituerte eller usubstituerte polymerer og kan være valgt.fra polysulfoner, polystyrener omfattende styrenholdige . kopolymerer som acrylonitril/styrenko-polymerer, styren/butadienkopolymerer og styren/vinylbenzylhalo-genidkopolymerer, polycarbonater, celluloseholdige polymerer som celluloseacétat/butyrat, cellulosepropionat, ethylcellulose, methylcellulose eller nitrocellulose etc. , polyamider og polyimider omfattende arylpolyamider og arylpolyimider, polyethere, poly-arylenoxyder som polyfenylenoxyd og polyxylylenoxyd, polyester-amiddiisocyanat, polyurethan, polyestere omfattende polyarylater som polyethylenterefthalat, polyalkylmethacrylater, polyalkyl-acrylater eller polyfenylenterefthalat etc, polysulfider, polymerer av monomerer med a-olefinisk umettethet andre enn de ovennevnte, som polyethylen, polypropylen, polybuten-1, poly-4-methylpenten-l, polyvinyler som polyvinylklorid, polyvinyl-fluorid, polyvinylidenklorid, polyvinylidenfluorid, polyvinyl-

idenfluorid, polyvinylalkohol, polyvinylestere som polyvinyl-

acetat og polyvinylpropionat, polyvinylpyridiner, polyvinylpyrrolidoner polyvinylethere, polyvinylketoner, polyvinylaldehyder som polyvinyl-formal og polyvinylbutyral, polyyinylaminer, polyvinylfosfater og polyvinylsulfater, polyallyler, polybenzobenzimidazol, polyhydrazider, polyoxadiazoler, polytriazoler, polybenzimid<p>zol, polycarbodiimider eller polyfosfaziner etc, og kopolymerer, omfattende blokkopolymerer som inneholder gjentatt forekommende enheter av de ovennevnte, som terpolymerer av acrylonitril/vinylbromid/natriumsalt av parasulfo-fenylmethallylethere, og podningspolymerer og blandinger som inneholder en hvilken som helst av de ovennevnte. Typiske substituenter for å gi substituerte polymerer omfatter halogener, som fluor, klor og brom, hydroxylgrupper, lavere alkylgrupper, lavere alkoxygrupper, monosykliske arylgrupper, lavere acylgrupper og lignende grupper.

Da den organiske polymer skal behandles slik at den blir fjernet i påfølgende trinn av den foreliggende fremgangsmåte, bør den dessuten kunne underkastes denne behandling. En mer foretrukken polymer vil således være en polymer som hurtig spaltes og/eller reagerer, men ikke med en for høy hastighet, slik at den vil fjernes. Dessuten bør slike polymerer ikke danne reaksjonsprodukter som uheldig vil innvirke på de uorganiske materialer eller på de på-følgende trinn av den foreliggende fremgangsmåte.

Selvfølgelig .er de rimeligste og lettest tilgjengelige polymerer foretrukne.Polymerer og kopolymerer av acrylonitril med én eller flere monomerer som er polymeriserbare med dette, er spesielt egnede for utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte.

De oppløsningsmidler som skal anvendes ved fremstillingen av polymeroppløsningen, kan være en hvilken som helst av de oppløsnings-midler som er velkjente for fagmannen. Således kan slike oppløs-ningsmidler som dimethylacetamid, dimethylformamid eller dimethyl-sulfoxyd etc. spesielt anvendes sammen med polymerer av acrylonitril med én eller flere monomerer som er polymeriserbare med dette. Det valgte oppløsningsmiddel bør selvfølgelig være et godt oppløsningsmiddel for den organiske polymer og kunne utsettes for de tørr- eller våtspinnemetoder som skal utføres i de påfølgende trinn av den foreliggende fremgangsmåte.

Polymeroppløsningen som inneholder et uorganisk materiale,

kan fremstilles ved å dispergere det uorganiske materiale i opp-

løsningsmidlet, fulgt av en tilsetning og oppløsning av polymeren i oppløsningsmidlet. Et hvilket som helst annet egnet middel for fremstilling av polymeroppløsningen som inneholder et uorganisk materiale, er aksepterbart, f.eks. ved samtidig å blande polymer, uorganisk materiale og oppløsnignsmiddel eller ved å blande polymeren og oppløsningsmidlet fulgt av en tilsetning og dispergering av det uorganiske materiale etc. Det foretrekkes å dispergere det uorganiske materiale i oppløsningsmidlet før polymeren tilsettes.

Omgivelsestemperaturen eller noe høyere temperaturer er som regel fullstendig tilstrekkelige for fremstillingen av polymeroppløsningen som inneholder et uorganisk materiale'. I avhengighet av den anvendte polymer, oppløsningsmidlet og/eller det uorganiske materiale kan høyere eller lavere temperaturer befordre fremstillingen, men dette betraktes ikke som av kritisk betydning for den foreliggende fremgangsmåte.

Mengden av det uorganiske materiale står i omvendt forhold til de samme generelle betraktninger som er omtalt ovenfor hva gjelder polymerkonsentrasjohen i polymeroppløsningen. Den høyeste mengde er begrenset til den mengde hvor utgangsfiberstrukturen ikke kan opprettholdes på grunn av at en utilstrekkelig polymer-mengde er tilstede. Den minste mengde er den mengde hvor partiklene av uorganisk materiale er så sterkt dispergert at de ikke vil smelte eller bindes tilstrekkelig sammen under sintringen. Normale vektforhold mellom uorganisk materiale og polymer er 3,5-15. Foretrukne forhold mellom uorganisk materiale bg polymer er 4-12, helst 4,5-10.

Det uorganiske materiale må være jevnt dispergert i form av f.eks. små partikler i hele polymeroppløsningen. En tilstrekkelig blanding må utføres for å oppnå en slik jevn dispersjon. Selv om en viss mengde uorganisk materiale kan bli oppløst og dette kan være nyttig for å oppnå en jevn dispersjon, er dette ikke av kritisk betydning for å oppnå.formålene ved den foreliggende oppfinnelse.

Det uorganiske materiale som innarbeides i polymeroppløsningen, er et sintrerbart, uorganisk materiale (dette uttrykk

omfatter materialer hvorfra et sintrerbart materiale kan fremstilles) . Slike materialer utgjør en usedvanlig stor gruppe av materialer som enten er egnede som sådanne eller som kan omvandles

til det ønskede sintrerbare, uorganiske materiale. Dersom f.eks. den ønskede fiber skal omfatte et metall, som nikkel eller en legering derav, kan metallet, oxydet derav eller andre forbindelser som til slutt kan omvandles til metallet, anvendes.

Selv om den foreliggende fremgangsmåte er spesielt anvendbar for fremstilling av hule fibre eller metaller, som ved reduksjon av metalloxyder til metall og sintring av metallet, kan den anvendes for fremstilling av hule fibre av hvilke som helst uorganiske materialer som er sintrerbare eller som kan omvandles til et sintrerbart materiale. Slike uorganiske materialer er omtalt ovenfor.

For å forenkle beskrivelsen vil den nedenstående detaljerte beskrivelse begrenses til metallforbindelser som er reduserbare til metaller og som er sintrerbare.

Da reduksjonstemperaturene selvfølgelig må ligge under smelte-og fordampningspunktet for de forbindelser som reduseres og for det elementære metall som dannes, kan metallforbindelser som for-damper eller sublimerer sterkt ved temperaturer under den ved hvilken de vil reagere med hydrogen eller carbon og hvori metallkomponenten har en slik lav fordampningstemperatur eller sublimeringstemperatur (f.eks. K, Na eller Li etc.), ikke anvendes med et tilfredsstillende resultat for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte uten at spesielle hensyn tas. Selv om bruk av hydrogen for å gi den rette omgivelse for å redusere metallforbindelsespartiklene til elementært metall er en foretrukken utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, kan andre reduserende materialer anvendes. Således kan metallforbindelsene, spesielt nikkel- og jernoxyder, reduseres ved helt eller delvis å erstatte den reduserende hydrogenomgivelse med carbonmonoxyd. Dessuten vil selvfølgelig også bestanddelene for polymeren og spor av oppløsningsmiddel bidra til en slik reduserende omgivelse.

Dessuten er metallforbindelsen som sådan begrenset til slike materialer hvor reaksjonsproduktene, med unntagelse av det elementære metall, vil forlate reaksjonssonen.før eller under sintringen av den hule fiber.

De mest betydningsfulle metallforbindelser er selvfølgelig oxydene da disse forbindelser er tilgjengelige i de største mengder og i virkeligheten representerer den tilstand som de fleste metaller foreligger i som biprodukter ved fremstillingsprosesser og i naturligi malmkonsentrater. Andre forbindelser som kan anvendes, omfatter metallhalogenider, -hydroxyder, -carbonater, -oxalater eller -acetate etc.

Partikkelstørrelsen er en viktig variabel for fremstilling av de ønskede hule fibre uavhengig av det anvendte uorganiske materiale. Små partikler som anvendes for dispersjonen i polymeroppløsningen, har som regel en størrelse som varierer fra under 15yUm, fortrinnsvis lO^um, og helst 5^um eller derunder. Slike partikler vil i alminnelighet ha en partikkelstørrelse som varierer fra den ene ende av skalaen til den annen. De mindre partikkelstørrelser, dvs. under 10^um, er selvsagt foretrukne for å oppnå en jevn dispersjon. Det kan være nødvendig å anvende meget små partikler, dvs. 5^um eller derunder, for å få metallfibre med deønskede egenskaper. Dette kan kreve at partiklene nedmales og/eller sorteres for å oppnå de ønskede størrelser.

En partikkel med generelt mindre diameter forventes å forsterke "avgassings"-sprekking og overflateproblemer som iakttas i forbindelse med pressemetoder, da de mindre partikler befinner seg nærmere sammen og efterlater mindre plass for unnslippelse av de utviklede reaksjonsgasser. Det har imidlertid vist seg at når partikler med mindre diameter anvendes, kan en mer sprekkfri, hul fiber fremstilles.

En ytterligere vanskelighet når meget findelte metallpartikler anvendes, er forbundet med den tilbøyelighet som flere metaller har til å oxyderes når de utsettes for luft og foreligger som små partikler. Således er findelte jernpartikler (40yUm eller derunder) tilbøyelige til å reagere eksotermt når de utsettes for luft, under dannelse av jernoxydpartikler. Det er således vanskelig å håndtere slike materialer, mens oxydpartiklene uten vanskelighet kan skipes og lett håndteres uten at det er nødvendig med lufttette be-skyttende omhyllinger eller å ta spesielle forholdsregler for å unngå spontane reaksjoner. Den foreliggende fremgangsmåte er spesielt egnet for utførelse ved anvendelse av oxyder da oxydpar-tikler ofte er biprodukter ved metallbehandling og derfor er lett tilgjengelige til en lav pris. Således er jernoxydpartikler som. fås som et biprodukt ved beising med saltsyre, lett tilgjengelig Andre kilder for jernoxydpartikler omfatter støv fra basiske oxygen-konvertere, rust, glødeskall og jernmalm av høy kvalitet. Nikkeloxyd er tilgjengelig til nominelle priser.

Partikler med en hvilken som helst generell form (dvs. kule-formige, avlange, nåleform eller stangform etc.) kan anvendes for utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte. Metalloxydpartikler erholdt ved forstøvningstørking av oppløste metallforbindelser kan gi hule fibre med fremragende egenskaper.

Det er vanskelig å utføre en nøyaktig bestemmelse av partikkel-størrelsen for finkornede partikler, spesielt dersom det blant partiklene er partikler med en diameter (eller minste dimensjon), av under 10^,um. Slike bestemmelser er meget vanskelige å utføre dersom partiklene ikke har jevn form. Således vil flere av partiklene sannsynligvis ha en forholdsvis langstrakt form, slik at det er vanskelig å bestemme den minste dimensjon for partikkelen. Lang-strakte partikler vil ikke passere gjennom en sikt med en siktduk som er beregnet for sikting av partikler med tilsvarende masse, men med en forholdsvis symmetrisk form. Resultatet av dette er at målinger av partikkelstørrelsen og av partikkelstørrelsesfordelingen varierer i sterk grad for et gitt materiale i avhengighet av hvilke av de kjente metoder som anvendes for disse bestemmelser.

Forholdsvis nøyaktige bestemmelser av størrelsen for finkornede partikler kan gjøres ved å anvende den såkalte Coulter-tellemetode. Ved denne metode suspenderes partiklene i en elektrisk ledende væske og bringes til å strømme gjennom en trang åpning. En elektrisk strøm bringes til å strømme gjennom den trange åpning ved hjelp av to neddykkede elektroder, en på hver side av åpningen. Efterhvert som partiklene strømmer gjennom åpningen, måles for-andringen i den elektriske motstand mellom elektrodene for derved å bestemme partikkelstørrelsen. Måleresultatet er således hoved-sakelig avhengig av partiklenes masse og påvirkes ikke av deres form.

Et spesielt gunstig særtrekk ved den foreliggende fremgangsmåte når metallforbindelser anvendes, er forbundet med den "aktive" tilstand for metallfiberreduksjonen av metallforbindelsespartiklene og før sintring. Metallpartikler er tilbøyelige til å få et tynt oxydbelegg eller oxydfilm, og i virkeligheten må nesten alle metallpulvere av partikler med liten størrelse få eller forsynes med en slik film for å hindre en .hurtig oxydasjon eller for å dempe den pyrofore egenskap til slike materialer. En slik film gjør partiklene "passive" slik at de kan håndteres i en vanlig atmosfære. En slik film er imidlertid vanskelig å redusere, og den forsinker sintringen. Når metallforbindelsespartikler reduseres ved den foreliggende fremgangsmåte og sintres efter reduksjon uten at de er blitt utsatt for en oxyderende omgivelse, kan hule fibre med utmerkede egenskaper erholdes på grunn av de reduserte partiklers "aktive" natur. Dette særtrekk øker ytterligere verdien ved den foreliggende oppfinnelse.

Metallegeringer kan anvendes som det uorganiske materiale

for fiberen fremstilt ved den foreliggende fremgangsmåte, ved den enkle forholdsregel at partikler av metallforbindelser, f.eks. metalloxyder, blandes og at denne blanding dispergeres i polymeroppløsningen. Slike legeringer kan gi en nyttig styrke og andre nyttige egenskaper. Eksempler på slike legeringer er legeringer som er blitt dannet under anvendelse av nikkel- og jernoxyder.

En annen aksepterbar metode for å fremstille hule metallfibre ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte er å innarbeide metallpartikler sammen med de partikkelformige metallforbindelser. Metallpartiklene blandes fortrinnsvis med metallforbindelsene før dispergeringen i polymeroppløsningen. Reduksjon og sintring kan oppnås ved de vanlige temperaturer og under de vanlige atmosfærer (ifølge den foreliggende fremgangsmåte). Sintringstemperaturen kan være så høy at den vil bevirke at det elementære metall diffunderer inn i det reduserte basismetall slik at en legeringsdannelse oppnås. Det kan derfor være nødvendig eller ønsket å anvende en noe høyere sintringstemperatur dersom det elementære metall har en lav diffusjonshastighet. Dersom det elementære metalls sintringstemperatur (eller den temperatur ved hvilken diffusjon av det elementære metall inn i basismetallet vil finne sted) er høyere enn smeltepunktet for basismetallet, kan det hende at en legeringsdannelse ikke vil oppnås. I det sistnevnte tilfelle kan imidlertid det elementære metall eller dets oxyd forsterke basismetallet ved dispersjon.

En ytterligere anvendelse av metallpartikler er for å redusere det sintrede produkts krympning. Ved en hvilken som helst sintrings prosess vil metallgjenstanden få krympede utvendige dimensjoner på grunn av at tomrom fjernes mellom partiklene når partiklene smelter under dannelse av en massiv masse. Dersom det uorganiske materiale omfatter metallforbindelser, som metalloxyder, som først reduseres og derefter sintres ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte, forsterkes en slik krympning på grunn av at de reduserte partikler har en mindre størrelse enn metallforbindelsespartiklene og således gir større tomrom mellom partiklene. En slik krympning kan reduseres eller gjøres minimal ved å tilsette partikler av elementært metall til metallforbindelsespartiklene for innarbeidelse i polymeroppløsningene. Det kan være ønsket f.eks. å tilsette opp til 50 vekt% nikkelpulver til nikkeloxyd-pulver for å redusere den erholdte hule fibers krympning. Par-tikkelstørrelsen for partiklene av elementært metall er fortrinnsvis meget liten da slike dispergerte partikler vil diffundere hurtig og jevnt inn i et grunnmassemetall.

Ved dessuten å tilsette en andel av dispergerte, ureduser-bare (eller diffunderbare) materialer med regulert partikkel-størrelse til metallforbindelsen er det mulig å oppnå et disper-sjonsforsterket, sintret produkt. Partiklene kan bestå av elementære metaller som sintrer ved en høyere temperatur enn det sintrede produkt.

Som nevnt ovenfor kan det sintrerbare, uorganiske materiale være et materiale som omfatter fibermaterialet uten kjemisk modifikasjon eller et materiale som omvandles til en ønsket form ved hjelp av kjemisk modifikasjon. Som utførlig omtalt ovenfor er metallforbindelser, spesielt metalloxyder, typiske eksempler på

de sistnevnte materialer. Dersom det er ønsket å fremstille metallfibre, er det nødvendig at disse oxyder reduseres til det elementære metall før eller under sintringen. Andre materialer som kan anvendes ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte, er slike materialer som kan kreve oxydasjon eller både oxydasjon og reduksjon for å danne det materiale som utgjør den erholdte hule fiber. Selv om disse metoder ikke vil bli nærmere diskutert i forbindelse med den detaljerte redegjørelse for metallforbindelser, er disse materialer, som aluminium, også nyttige for utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte. Andre uorganiske materialer som kan fås ved samtidiglixydasjon og reduksjon, er også anvendbare for ut-førelsen av den foreliggende fremgangsmåte. Som typiske eksempler på disse materialer kan nevnes aluminium eller titan og jernoxyd eller nikkeloxyd som utsettes for samtidig oxydasjon og reduksjon. De nedennevnte materialer er typiske for slike materialer som kan utgjøre slv.ttfibrene uten at de er blitt kjemisk modifisert

(dvs. uten reduksjon og/eller oxydasjon): metaller og keramiske materialer, som aluminiumoxyd, (3-aluminiumoxyd, glass, mullitt eller siliciumdioxyd etc.

Polymeroppløsningen som inneholder et uorganisk materiale,

kan også inneholde andre tilsetningsmidler for å lette dette og påfølgende trinn av prosessen, spesielt f.eks. ekstruderings-. og fiberdannelsestrinnene. Overflateaktive midler, som sorbitanmono-palmitat etc, er anvendbare for å fukte det uorganiske materiale med oppløsningsmidlet i polymeroppløsningen. Mykhingsmidler,

som N, N-dimethyllauramid etc, er anvendbare for å gjøre polymer-fiberen fleksibel.

Ekstrudering av polymeroppløsning som inneholder uorganisk materiale

Ved fremstilling av hule fibre ved den foreliggende fremgangsmåte kan en rekke forskjellige ekstruderingsbetingelser anvendes. Som nevnt ovenfor kan vektprosenten av polymer i oppløsningen variere sterkt, men den skal være tilstrekkelig til å gi en hul fiber under ekstruderings- og fiberdannelsesbetingelsene. Dersom det uorganiske materiale, polymer og/eller oppløsningsmiddel inneholder forurensninger, som vann eller partikkelformige forurensninge etc, bør mengden av forurensninger være så lav at ekstruderingen kan gjennomføres og/eller at de ikke vil innvirke på eller uheldig påvirke de påfølgende trinn av den foreliggende fremgangsmåte eller den erholdte fiber. Om nødvendig kan forurensninger fjernes fra polymeroppløsningen ved hjelp av filtreringsmetoder. Filtrer-ingen må selvfølgelig være egnet til å fjerne forurensende partikler, samtidig som partiklene av uorganisk materiale skal kunne passere. Ved en slik filtrering kan også partikler av uorganisk materiale fjernes som har en størrelse over den ønskede partikkel-størrelse. Tilstedeværelsen av for store gassmengder i polymeroppløsningen som inneholder uorganisk materiale kan føre til at det dannes store tomrom og en uønsket porøsitet i den polymeriserte, hule utgangsfiber. Avgassingsmetoder er derfor også på sin plass. Slike avgassings- og/eller filtreringsmetoder kan utføres straks efter eller under fremstillingen av polymeroppløsningen som inneholder et uorganisk materiale, eller de kan utføres straks før eller under ekstruderingstrinnet.

Størrelsen av spinndysene for spinning av den hule fiber vil variere med den ønskede innvendige og utvendige diameter for den

fremstilte polymeriserte, hule utgangsfiber. Spinndysene kan.

også ha varierende form, dvs. at de kan være hexagonale, avlange eller stjerneformede etc. Spinndysene har i alminnelighet sirkel-form og kan ha en utvendig diameter av f.eks. 75-6000^um med en seriterpinne med en utvendig diameter av 50-5900yUm og med et injiseringsrør i senterpinnen. Injiseringsrørerets diameter kan variere innenfor de grenser som settes av pinnen. Polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale, holdes ofte under en i det vesentlige inert atmosfære for å hindre at polymeren forurenses og/eller koagulerer før ekstruderingen og for å unngå en unødvendig brannrisiko på grunn av flyktige og lett antennbare oppløsningsmidler. En egnet atmosfære er tørt nitrogen.

Temperaturen som anvendes ved ekstruderingen av polymeroppløsningen som inneholder uorganisk materiale, kan variere innen et vidt område. Temperaturen er i alminnelighet tilstrekkelig til å hindre en uønsket koagulering eller utfelling før ekstruderingen. Temperaturen kan vanligvis variere fra 15 til 100°C, fortrinnsvis fra 20 til 75°C.

Trykket ved utførelsen av ekstruderingen er vanligvis et trykk innen de områder som er vanlig anvendt innen fiberspinning-teknikken. Trykket er f.eks. avhengig av de ønskede ekstruderings-hastigheter, den lille åpnings størrelse og viskositeten for polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale. Det bør spesielt bemerkes at forholdsvis lave trykk kan anvendes ved ut-førelsen av den foreliggende fremgangsmåte. Dette står i motsetning til pressemetoder som ofte krever et trykk på flere hundrede atmosfærer for fremstilling av pressede og sintrede gjenstander. De trykk som kan anvendes ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte, er normalt fra 1 atmosfære opp til 5 atmosfærer eller derover.

Fibrene kan selvfølgelig ekstruderes gjennom en rekke spinne dyser. Derved vil det være mulig samtidig å danne flerfibre f.eks. under anvendelse av det samme koaguleringsbad.

Fremstilling av den polymeriserte, hule utgangsfiber Fiberdannende spinnemetoder er i alminnelighet kjent for fag-menn innen industrien for fremstilling av syntetiske fibre. Disse metoder kan med fordel anvendes for det fiberdannende trinn av den foreliggende fremgangsmåte. Det fiberdannende trinn kan ut-føres under anvendelse av våt- eller tørrspinneteknikk, dvs. at spinndysen kan befinne seg i eller utenfor koaguleringsbadet. Våt-metoden er ofte foretrukket og kan anvendes for enkelhets skyld. Dette innebærer at fiberkoaguleringen kan oppnås ved å bringe fiberen som dannes ved ekstrudering, i kontakt med et koaguleringsbad. Det er tilstrekkelig å føre fiberen som dannes, inn i koaguleringsbadet. Et fluidum som koagulerer polymeren i polymeroppløsningen, injiseres vanligvis inn i boringen til fiberen som dannes. Fluidumet kan utgjøres av f.eks. luft, isopropanol, vann eller et lignende fluidum.

Ethvert i det vesentlige ikke-oppløsningsmiddel for polymeren kan anvendes som koaguleringsmiddel i koaguleringsbadet. Koaguleringsmidlet kan være blandbart med oppløsningsmidlet. Typen av det valgte koaguleringsmiddel er avhengig av de oppløsningsmidler som anvendes for den organiske polymer, og valget er avhengig av kriterier som er kjente innen fiberspinneteknikken. Det er viktig å anvende milde koaguleringsmidler både for fluidumet som injiseres i fiberens boring, og i koaguleringsbadet for å oppnå fibervegger med jevn densitet. Med et "mildt koaguleringsmiddel" er ment et middel hvori den organiske polymer vil utfelles langsomt slik at koaguleringen ikke finner sted hurtig. Det er bekvemt å anvende vann som koaguleringsmiddel i lave konsentrasjoner i koaguleringsbadet. Andre koaguleringsmidler er ethylenglycol, polyethyleh-glycol, propylenglycol, methanol, ethanol eller propanol etc. Ethylenglycol er et spesielt foretrukket koaguleringsmiddel. Opp-holdstiden for den ekstruderte fiber i koaguleringsbadet er i det minste tilstrekkelig til at en rimelig størkning av fiberen vil sikres. Fiberveggen dannes på grunn av samvirkning mellom koaguler-ingsmidlene og/eller avkjøling (avkjøling kan også utføres ved å bringe den ekstruderte polymeroppløsning som inneholder uorganisk materiale, i. kontakt med en gass ved en temperatur under polymeroppløsningens geleringstemperatur. Når gelering oppnås på denne måte^kan avkjølingsgassen utsettes for en forholdsvis hurtig sideveis bevegelse som kan være orientert i en retning som er parallell med retningen for den hule fiber. Qenne gass kan dessuten inneholde vanndamp eller dampen fra et annet ikke-oppløsningsmiddel). Dersom geldannelse også fås i koaguleringsbadet, kan badet foruten dets gelerihgsvirkning også gi en koaguleringsvirkning.

Temperaturen i koaguleringsbadet kan også variere sterkt, f.eks. fra -15°C til 95°C eller derover, og den er som oftest 1-35°C, f.eks. 2-25°C. Temperaturen for fluidumet som injiseres i boringen, ligger i alminnelighet innen de samme områder.

Efter koaguleringen kan fiberen vaskes for å fjerne oppløsnings-middel ved f.eks. vasking med koaguleringsbadoppløsningen eller med andre ikke-oppløsningsmidler som er blandbare med oppløsnings-midlet i polymeroppløsningen. Vaskingen kan bevirke en ytterligere koagulering. Den hule utgangsfiber kan også lagres i et vannbad eller i et annet væskebad.

Ekstruderings- og fiberdannelsesbetingelsene er fortrinnsvis slike at fiberen ikke strekkes for meget. Selv om dette ikke er nødvendig, kan en strekking av f.eks. 1-5 ganger anvendes. Ekstruder ings- og fiberdannelseshastighetene ligger ofte innen området 5-

10.0 m/min selv om høyere hastigheter kan anvendes forutsatt at fiberen ikke strekkes for meget og at den får en tilstrekkelig opp-holdstid i koaguleringsbadet. Ved strekkingen blir i alminnelighet den polymeriserte, hule utgangsfibers styrke forbedret. Strekkingen muliggjør også en øket lineær produksjonskapasitet og oppnåelse av fibre med en mindre diameter ved anvendelse av en gitt spinndyse.

En varmebehandling kan også utføres for å gjøre den polymeriserte, hule utgangsfiber seigere. Både strekkingen og varmebe-handlingen kan utføres ved f.eks. å lede fiberen gjennom kokende vann.

De hule polymerutgangsfibre som inneholder et uorganisk materiale, kan utsettes for de påfølgende trinn av den foreliggende fremgangsmåte eller de kan vikles opp og lagres i form av et ut-gangsmateriale på f.eks. spoler. Utgangsfibrene er fleksible og har en rimelig styrke og kan derfor håndteres uten vesentlig be-kymring for at de vil beskadiges.

Efter at utgangsfiberen er blitt fremstilt ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte, kan tørkingen utføres på kjent måte. Fibrene tørkes i alminnelighet, men ikke nødvendigvis, før be-handlingen for å fjerne den organiske polymer. Tørkingen kan ut-føres ved 0-90°C, fortrinnsvis tilnærmet ved værelsetemperatur, f.eks..ved 15-35°C, og ved 5-95%, fortrinnsvis 40-60%, relativ fuktighet.

Den hule utgangsfiber omfatter polymeren i en mindre mengde som virker som bærer for det uorganiske materiale som er jevnt dispergert i hele polymeren. Denne er i alminnelighet tilstede i den hule utgangsfiber i en konsentrasjon vesentlig under 50 vekt%, og ofte i en så lav konsentrasjon som 25, 15 eller 5 vekt%. Hovedkomponenten i utgangsfiberen er selvfølgelig det uorganiske materiale. Andre materialer kan være tilstede i utgangsfiberen, men som regel bare i små mengder.

Behandling for å fjerne organisk polymer

Efter at de polymeriserte, hule utgangsfibre som inneholder uorganisk materiale er blitt dannet, kan fibrene fortrinnsvis tørkes eller lagres og tørkes som omtalt ovenfor, eller de kan overføres direkte til en behandling for å fjerne den organiske polymer fra fibrene. Dette kan utføres ved oppvarming for å spalte og/eller reagere den organiske polymer. Dette kan gjøres i en inert eller reduserende atmosfære for å befordre reduksjon av det uorganiske materiale selv om dette ikke alltid er nødvendig.

Som nevnt ovenfor kan reaksjonsproduktene som er blitt dannet fra den organiske polymer, tjene til å lette de andre trinn av den foreliggende fremgangsmåte. Således kan hydrogenet og carbonet som er tilstede i polymeren, utgjøre en utmerket kilde for en reduserende omgivelse. Denne omgivelse hjelper til med å redusere metallforbindelser, f.eks. oxyder, til det elementære metall.

Fiberen som inneholder uorganisk materiale/kan eventuelt reduseres og/eller oxyderes (det vil selvfølgelig forstås at hverken reduksjon eller oxydasjon behøver å være nødvendig dersom det uorganiske materiale som er dispergert i polymeroppløsningen, befinner seg i den kjemiske tilstand som er ønsket for sintring).

En egnet atmosfære vil fortrinnsvis tilveiebringes like før fiberen utsettes for reduksjons- og/eller oxydasjonstemperaturen. Ved reduksjon kan dette gjøres f.eks. ved kontinuerlig å lede den polymeriserte, hule utgangsfiber som inneholder et reduserbart uorganisk materiale, gjennom en i handelen tilgjengelig ovn. En atmosfære som f.eks. omfatter hydrogen, kan bringes til å strømme i motstrøm til og i kontakt med fiberen. Efterhvert som fiberen først kommer i kontakt med ovnsvarmen, vil de1 gjenværende flyktige komponenter avgis i form av en gass. Efterhvert som temperaturen når reduksjons temperaturen , omvandles det reduserbare, uorganiske materiale, f.eks. metallforbindelser, til elementært metall og til reaksjons-

produktavgassen.

Det vil her forstås at det teraperaturområde innenfor hvilket polymeren fjernes og reduksjonen og/elleroxydasjonerr vil finne sted, og sintringstemperaturene i noen grad kan overlappe hverandre.

En viss sintring kan med andre ord finne sted ved de temperaturer ved hvilke polymeren fjernes og reduksjonen og/eller oxydasjonen utføres, selv om det foretrekkes at temperaturen er slik at reduksjonen finner sted straks før sintring. De foretrukne temperaturer ved hvilke reduserbare uorganiske materialer, dvs." metallf orbind-elser, vil reduseres er velkjente for en fagmann., eller en fagmann vil lett kunne bestemme disse.

Den foretrukne reduserende omgivelse kan tilveiebringes ved hjelp av en hvilken som helst atmosfære som utgjør en kilde for hydrogen. En slik atmosfære kan omfatte f.eks. rent hydrogen, crackede hydrocarboner, spaltet ammoniakk, kombinasjoner av hver av disse eller kombinasjoner av én eller flere av slike gasser og andre gasser eller damper som ikke vesentlig vil innvirke på re-duksjonsreaksjonen. Reaksjonsproduktene fra spaltningen og/eller oxydasjonen av polymeren er verdifulle hjelpemidler for tilveie-bringelse av den reduserende atmosfære.

Faste reduksjonsmaterialer, f.eks. carbon, kan anvendes sammen med den hydrogengivende gass bare dersom reaktantene (f.eks. CO og CO2) fjernes tilstrekkelig som "avgass" og ikke vil efterlate rest-elementer i den sintrede fiber som uheldig vil innvirke på de ønskede fiberegenskaper. Således kan carbon være en ønsket tilsetning til oxydpulveret nevnt ovenfor, dersom sluttproduktet er et stålmateriale og restcarbonet et nødvendig element for sluttfiberen.

Det uorganiske materiale kan oxyderes ved de egnede temperature: under egnede trykk og atmosfærer. Luft er den foretrukne atmosfære. Oxydasjonstemperaturene.er i alminnelig velkjente eller lar seg lett fastslå. En samtidig oxydasjon og reduksjon kan finne sted f.eks. ved dannelse av kermeter. Den erholdte fiber som omfatter et sintrerbart, uorganisk materiale, kan derefter ledes direkte inn i en sintringssone.

Sintring for dannelse av uorganisk fiber

Betegnelsen "sintring" er ment å omfatte en agglomerering

ved smelting og binding av det sintrerbare, uorganiske materiale i det minste til det stadium ved hvilket det partikkelformige materiale danner en monolittisk struktur.

Ved sintringen skal det fås en fiber med vesentlig styrke sammenlignet med en fiber som er blitt utsatt for de forutgående trinn, men som ikke er blitt sintret. Sintringen må utføres under slike betingelser at det sikres at den ønskede valenstilstand oppnås eller opprettholdes ved tilstrekkelige temperaturer og i en tilstrekkelig tid til at smeltingen og bindingen vil finne sted.

Ved fremstillingen av de hule fibre ved den foreliggende fremgangsmåte settes få eller ingen begrensninger til oppvarmings-hastigheten for sintringen. Således kan sintringen av en nikkel/ jernlegeringsfiber utføres ved en temperatur av 950-1200°C i en tid av 15-5 minutter. En nikkel/jernlegeringsfiber fremstilt under disse betingelser er utmerket. På lignende måte som for reduksjons-og oxydasjonstemperaturene er de foretrukne sintringstemperaturer for de uorganiske materialer velkjente eller de lar seg lett fast-Io

a.

Under fjernelsen av den organiske polymer, den valgfrie reduksjon og/eller oxydasjon av det uorganiske materiale og sintrings-trinnet må egnede betingelser opprettholdes for å unngå at fiber-veggstriikturen og dens helhet beskadiges eller nedbrytes. Et krympningsforhold (sluttfiber:utgangsfiber) av 0,2-0,9 kan forventes, som regel 0,3-0,6. Dette innebærer at den hule utgangsfiber ofte overføres til den hule sluttfiber med en vesentlig størrelsesreduksjon. Dette er forventet under disse prosesstrinn. Fiberen får f.eks. en sterkt redusert lengde, og den utvendige fiberdiameter og fiberveggen får også redusert størrelse selv om de innbyrdes forhold bevares. Under disse trinn må forholdsregler tas for å-håndtere fiberen efterhvert som den krymper. Punktet straks før sintringen er spesielt kritisk fordi fiberen da er ganske skjør. På dette punkt må spesielle forholdsregler tas for at en slik krympning kan finne sted uten at fiberen beskadiges. Dersom f.eks. fiberen får hefte til en transportoverflate på dette punkt, kan fiberen brytes av efterhvert som den krymper. En metode for å håndtere fiberen på dette punkt er å tilføre en ut gangsfiber, som kan være forbehandlet, f.eks. med vann, for at fiberen skal få bedre håndteringsegenskaper, til ovnen ved hjelp av et transportbelte som er laget av et materiale som ikke hefter til fiberen under arbeidsbetingelsene i ovnen. Dette transportbelte kan transportere fiberen med hastigheten for sluttfiberen efterhvert som denne kommer ut av ovnen. Tilførselshastigheten for utgangsfiberen er hurtigere enn hastigheten for sluttfiberen. Tilførselshastigheten for utgangsfiberen kan reguleres for å ta hensyn til den krympning som forekommer.

Et spesielt viktig særtrekk ved den foreliggende fremgangsmåte er at den er istand til å gi fibre med forholdsvis sterke og tette vegger. Dette særtrekk er overraskende da polymeren i den polymeriserte utgangsfiber utgjør den kontinuerlige fase som fjernes som omtalt ovenfor. Det har vist seg at selv om polymeren fjernes fra utgangsfiberens fibervegg, blir sluttfiberen som regel meget sterk og tett efter sintring. Selv om det kunne forventes at krympning og reduksjon av mellomrom mellom partikler av uorganiske materialer ville kunne forekomme når det uorganiske materiale utsettes for reduksjon, oxydasjon og/eller sintring, er dannelsen av en fibervegg som er sterk og tett, dvs. hindrer passasje av fluida, både ønsket og overraskende. Dette fenomen synes å opptre gjennom hele fiberveggen overalt hvor polymer fjernes. Dette er blitt iakttatt spesielt når metallforbindelser anvendes, f.eks. oxyder, for omdannelse av disse til elementært metall.

Ved den foreliggende fremgangsmåte kan det også fremstilles hule fibre med en porøs vegg. Dette kan oppnås f.eks. ved å be-handle fiberveggen med et fluidum som i noen grad innvirker på veggmaterialet slik at det fås en porøs vegg. Således kan en polymerisert utgangsfiber som inneholder nikkeloxyd føre til en jevnt porøs veggoverflate når ammoniakkgass innføres i ovnens atmosfære.

En annen måte å oppnå en porøs fibervegg på er å innføre en forholdsvis liten mengde findelte partikler av et materiale som ikke eller i bare liten grad tar del i sintringen. Ved å innarbeide slike findelte partikkelformige materialer i polymeroppløsningen som inneholder et uorganisk materiale, under fremstillingen av denne kan det fås en porøs fibervegg i den uorganiske sluttfiber.

Den ved den foreliggende fremgangsmåte fremstilte hule fiber er sterk sammenlignet med utgangsfibre fra de mellomliggende trinn. Sluttfiberne kan være så fleksible at de kan oppbevares på spoler.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av uorganiske, hule fibre, karakterisert ved - de trinn at (a) en oppløsning av en organisk, fiberdannende polymer fremstilles som jevnt dispergert inneholder et sintrerbart, uorganisk materiale, (b) polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale ekstruderes gjennom en hul fiberspinndyse, (c) en hul polymerutgangsfiber dannes som inneholder det uorganiske materiale, (d) den hule polymerutgangsfiber behandles for å fjerne den organiske polymer, og (e) det erholdte uorganiske materiale sintres i form av en hul fiber.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det fremstilles en polymeroppløsning hvori det uorganiske materiale er dispergert og omfatter en metallforbindelse som reduseres før eller under sintring.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det fremstilles en polymeroppløsning hvori det dispergerte uorganiske materiale omfatter et metalloxyd.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det fremstilles en polymeroppløsning hvori det dispergerte metalloxyd omfatter nikkeloxyd eller nikkeloxyd og et oxyd av et metall som danner en nikkellegering.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det som oxyd av et metall som danner en nikkellegering anvendes jernoxyd.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5, karakterisert ved at polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale, ekstruderes direkte i et koaguleringsbad.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at et koaguleringsmiddel injiseres i fiberens boring efterhvert som den ekstruderes.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at vann anvendes som koaguleringsmiddel.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5, karakterisert ved at polymeroppløsningen som inneholder det uorganiske materiale ledes gjennom en gass før den kommer i kontakt med koaguleringsbadet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at et koaguleringsmiddel injiseres i fiberens boring efterhvert som den ekstruderes.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at det anvendes et koaguleringsmiddel som omfatter vann.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det anvendes et koaguleringsmiddel som omfatter ethylenglycol.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at det anvendes et koaguleringsmiddel som omfatter ethylenglycol.