KUNSTSTOFFPLATTE SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLCHEN
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch leitende Platte, insbesondere eine gas- und/oder flüssigkeitsdichte Platte, die gegebenenfalls zumindest in einer Seite strukturiert ist, bestehend aus einem Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.-% bis 95 Ge\v.-%. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Platte, insbesondere einer gas- und/oder flüssigkeitsdichten Platte, die gegebenenfalls zumindest in einer Seite strukturiert wird, bestehend aus einem Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff.
Aus der DE 195 42 721 ist es bekannt, Kunststoff-Füllstoff-Mischungen durch Extrudieren zu Platten zu formen. Durch das Extrudieren bedingt müssen die dem Extruder zugeführten Mischungen bestimmte Temperaturen einhalten, um eine Masseförderung sicherzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Platte der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen derart weiterzubilden, dass die Platte eine hohe Formstabilität bei einfachem Herstellungsprozess aufweist, wobei diese sowohl hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands als auch der Temperaturbeständigkeit hohen Anforderungen genügen soll. Insbesondere soll eine gute elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Plattenebene gegeben sein.
Auch soll die Platte gewünschte Geometrien bzw. Strukturen aufweisen können, ohne dass es aufwendiger Nacharbeiten bedarf. Femer soll die Platte im gewünschten Umfang gas- und/oder flüssigkeitsdicht sein.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch eine Platte der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Platte im Heißpressverfahren hergestellt ist, dass der Füllstoff aus Kohlenstoff-Partikeln und 0 bis 20 % Verstärkungsfasern besteht und dass die Platte parallel zur Pressrichtung einen spezifischen elektrischen Widerstand kleiner 500 x 10"6Ωm aufweist.
Die Kohlenstoff-Füllstoffpartikel bestehen weitgehend aus isometrischen Partikeln.
Insbesondere kann der Kunststoff ein Phenolharz sein oder dieses enthalten. Ferner kann zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Kunststoff elektrisch leitfähig sein und/oder elektrisch leitende Partikel enthalten.
Die Fasern können Kohlenstofffasern vorzugsweise in Form von Kurzschnittfasern, Langfasern, Gewebe und/oder Filz sein.
Die vorzugsweise aus duroplastischem Werkstoff mit Kohlenstoff-Füllstoffen bestehende Platte ist auf einfache Weise herstellbar, wobei aufgrund des extrem hohen Füllgrades und der Verwendung von weitgehend isometrischen Füllstoffen spezifische Werkstoffeigenschaften erzielbar sind. So ist ein spezifischer elektrischer Widerstand von insbesondere weniger als 250 x 10'6 Ωm erzielbar, gemessen parallel zur Pressrichtung, d. h. senkrecht zur Plattenebene. Sofern die Platte nach dem Pressen einer Carbonisierung des Bindemittels nicht unterzogen wird, ist die Platte gas- und/oder flüssigkeitsdicht. Es ist eine Temperaturbeständigkeit im Bereich zwischen 200 und 250° C erzielbar. Auch ist die Platte derart formstabil, dass ein sogenanntes Kriechen unter Druck und Temperatur unterbleibt.
Dadurch, dass die Platte durch plastische Formgebung in einem Heißpressverfahren herstellbar ist, können im großen Umfang gewünschte Geometrien und Konturen erzielt werden, die auf einer oder auf beiden Außenflächen eingeformt sein können. Die durch das Heißpressverfahren hergestellten Platten weisen eine hohe Präzision auf, so dass ein unmittelbarer Einsatz ohne oder nur mit minimaler Nacharbeit möglich ist.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die geformten Platten anschließend carbonisiert werden. Hierdurch werden die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Es ergibt sich eine höhere Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Durch das Verkoken kann die Gas- und/oder Flüssigkeitsdichtheit der Platte verloren gehen. Die Gas- und/oder Flüssigkeitsdichtheit kann jedoch auch durch eine nachfolgende Imprägnierung wie Kunstharz-Imprägnierung wieder erreicht werden.
Ein selbständiger Lösungsvorschlag zeichnet sich dadurch aus, dass die Platte aus einer aus Kohlenstofffasergewebe oder -filze hergestellten Preform, laminiert mit einer kohlenstoffpartikelhaltigen Kunststoffmasse, besteht.
Ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Platte, insbesondere einer gas- und/oder flüssigkeitsdichten Platte, die gegebenenfalls zumindest in einer Seite strukturiert ist, bestehend aus einem Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.-% - 95 Gew.-% zeichnet sich z. B. durch die Verfahrensschritte aus
Einfüllen von Kunststoff- und Füllstoffkomponenten mit Partikeln mit vorzugsweise isometrischer Kornform in einen Mischer,
Vermischung der Komponenten unter gleichzeitiger Wärmezufuhr,
Entnahme der Mischung aus dem Mischer und Erstarrenlassen der Mischung,
Aufmahlen der Mischung zu Körnern einer mittleren Größe zwischen 50 bis 500 μm,
Einfüllen der aufgemahlenen Mischung in eine Pressform einer Heißpresse,
plastisches Verformen und Aushärten der Mischung durch Heißpressen zu einer Platte,
Entnahme der Platte aus der Pressform und insbesondere
Wärmebehandlung nach erfolgter Ausformung.
Alternativ können auch andere Verfahren zur Herstellung einer pressfähigen Masse eingesetzt werden: zum Beispiel Granulierverfahren, Lösungsmittel zum Anlösen des Bindemittels, usw..
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich großformatige, dünne Platten mit Abmessungen von zum Beispiel 500 x 500 x 4 mm3 herstellen. Bei geeigneter Werk- zeugauslegung können auch Bohrungen und/oder Durchbrüche eingeformt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Beispiel 1
Zur Herstellung einer Kunststoff-Füllstoff-Mischung wurden als Mischungsbestandteile 900 g Graphit einer Kornfraktion < 200 μm und isometrischer Kornform, 100 g Phenolharz (Novolak Hexamethylentetramin) in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° C über einen Zeitraum von 10 Minuten vermischt.
Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion < 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogene oder volumetrisch dosierte Masse der Mischung wurde sodann in ein Heißpresswerkzeug gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärtung infolge der Berührung der Press-
masse mit den heißen Stempelwandungen, um nach Abschluss des Pressvorganges eine Platte mit den Abmessungen von 220 x 100 x 8 mm3 bezogen auf Länge, Breite und Dicke zu erhalten. Messungen an der Platte haben folgende physikalische Werte ergeben:
spezifischer elektrischer Widerstand: senkrecht zur Plattenebene 120 μΩm in der Plattenebene 85 μΩm
Temperaturbeständigkeit: ca. 250 °C
Maßgenauigkeit: ca. 0,1 %
Beispiel 2
Zur Herstellung einer Kunststoff-Füllstoff-Mischung wurden als Mischungsbestandteil 900 g plättchenförmiger Graphit, 100g Phenolharz (Novolak Hexamethylentetramin) in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° C über einen Zeitraum von 10 Minuten vermischt.
Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion < 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogene oder volumetrisch dosierte Masse der Mischung wurde sodann in ein Heißpresswerkzeug gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen.
Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärtung infolge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen, um nach Abschluss des Pressvorganges eine Platte mit den Abmessungen von 220 x 100 x 8 mm3 bezogen auf Länge, Breite und Dicke zu erhalten. Messungen an der Platte haben folgende physikalische Werte ergeben, wobei sich ein dominierender Einfluss der Konform auf die elektrischen Eigenschaften ergab:
spezifischer elektrischer Widerstand: senkrecht zur Plattenebene 475 μΩm in der Plattenebene 30 μΩm
Unabhängig davon zeigte sich eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 250 °C und eine Maßgenauigkeit von ca. 0,1 %.
Beispiel 3
Zur Herstellung einer Kunststoff-Füllstoff-Mischung wurden als Mischungsbestandteile 900 g Graphit einer Kornfraktion bis 200 μm und isometrischer Kornform. 100 g Phenolharz (Novolak Hexamethylentetramin) in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° C über einen Zeitraum von 10 Minuten vermischt.
Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion < 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogene oder volumetrisch dosierte Masse der Mischung wurde sodann in ein Heißpresswerkzeug gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärtung infolge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen. Nach der Formgebung wurde die Platte mit Aufheizraten von 20 °C h und einer Maximaltemperatur von 1000 °C carbonisiert.
Man erhielt ohne wesentliche Maßänderung eine Platte aus einem All-Carbon-Werkstoff ohne Einschränkungen der Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Die Platte wies eine offene Porosität von 10 bis 20 Vol.-% auf und war nicht mehr gasdicht.
Beispiel 4
Zur Herstellung einer Kunststoff-Füllstoff-Mischung wurden als Mischungsbestandteile 700 g Graphit einer Kornfraktion bis 200 μm und isometrischer Kornform, 300 g Phenolharz (Novolak Hexamethylentetramin) in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° C über einen Zeitraum von 10 Minuten vermischt.
Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion < 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogene oder volumetrisch dosierte Masse der Mischung wurde sodann in ein Heißpresswerkzeug gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärtung infolge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen. Nach der Formgebung wurde die Platte mit Aufheizraten von 1 - 5°C/h und einer Maximaltemperatur von 1000 °C carbonisiert. Man erhielt ohne wesentliche Maßänderung eine Platte aus einem All-Carbon-Werkstoff ohne Einschränkungen der Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Es konnte ein linearer Plattenschwund von ca. 5 % festgestellt werden. Ferner war die Platte nach dem Carbonisieren gasdicht.
Die Erfindung wird auch nachstehend anhand von einem den Zeichnungen zu entnehmenden Ausführungsbeispiel näher erläutert, aus dem sich - wie aus den Ansprüchen- für sich, und/oder in Kombination- - weitere die Erfindung prägende Merkmale ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Platte,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Platte gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Einzelheit "Y" der Platte gemäß Fig. 2 und
Fig. 4 eine Ansicht der Einzelheit "Y" gemäß Fig. 3.
Den Fig. 1 bis 4 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Platte 10 zu entnehmen. Wie die Draufsicht und insbesondere die Schnittdarstellung gemäß den Fig. 1 und 2 verdeutlichen, weist die Platte 10 auf zumindest einer Oberseite 12 und/oder Unterseite 14 pyramidenstumpfförmige Erhebungen 16, 18 auf.
Die pyramidenstumpfförmigen Erhebungen 16, 18 weisen eine trapezförmige Geometrie auf. Dabei ist die längere Basisfläche plattenseitig verlaufend ausgebildet. Die Basisfläche weist in Längsrichtung eine Erstreckung auf, die vier bis sechs Mal größer als die Breite ist. Insbesondere verhält sich die Längsrichtung zur Breite 1 : 5. Stirnflächensei- tig sind die pyramidenstumpfförmigen Erhebungen 16, 18 fünf bis sieben Mal, vorzugweise sechs mal länger als in Bezug auf ihre Breite.
Die pyramidenstumpfförmigen Erhebungen 16, 18 weisen stimflächig einen Neigungswinkel zur Plattennormale von in etwa α = 20° bis 40°, insbesondere von in etwa α = 30° auf. Die Längsseitenflächen der pyramidenstumpfförmigen Erhebungen 16, 18 weisen einen Neigungswinkel ß mit insbesondere ß zwischen 5° und 20°, vorzugsweise in etwa ß = 10° zur Platznormalen auf.
Aus der Draufsicht gemäß Fig. 1 bzw. der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 erkennt man des Weiteren, dass die Platte 10 durchgehende Bohrungen 20, 22 aufweist.
Die Platte 10 besteht aus einem duroplastischem Werkstoff mit Kohlenstoff-Füllstoffen in Form von Graphit und/oder Koks, wobei der Füllgrad extrem hoch ist.
So kann der Gehalt an duroplastischem Werkstoff nur ungefähr 10 % betragen. Die Füllstoffe selbst sollten weitgehend isometrisch sein, wenn gute elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Plattenebene gefordert ist.
Die Platte selbst ist durch plastische Formgebung in einem Heißpressverfahren herge-
stellt, wobei die Strukturen sowie Durchbrüche 16, 18 beim Pressvorgang selbst eingeprägt werden.
Durch das Herstellungsverfahren sowie die Füllstoffanteile und deren weitgehende Isometrie ergibt sich der Vorteil, dass der spezifische elektrische Widerstand der Platte in Richtung des Doppelpfeils 24 weniger als 200 x 10"6 Ωm beträgt. Der Doppelpfeil verläuft dabei parallel zur Pressrichtung, also dem axialen Verschieben eines Stempels einer Pressvorrichtung.
Die Platte 10 weist eine Temperaturbeständigkeit von in etwa 200 - 250° C auf, wobei eine Formstabilität gegeben ist, die ein Kriechen unter Druck und Temperatur verhindert. Sofern die Platte 10 nach dem Heißpressen nicht verkokt ist, ist zusätzlich eine Gas- und/oder Flüssigkeitsdichtheit gegeben.
Der Kunststoff- Werkstoff selbst kann ein elektrisch leitfähiges Kunstharz sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der Platte 10 zusätzlich verbessern lassen.
Zu den Strukturen 16, 18 ist anzumerken, dass diese im Querschnitt eine Trapezform mit außenseitig größerer Grundlinie aufweisen können. Dabei kann der Neigungswinkel der Seitenschenkel im Bereich zwischen 1 und 40°, insbesondere im Bereich von 5 bis 30° liegen. Die Neigungswinkel erleichtern zunächst die Entformung, können aber auch, vor allem bei größeren Winkeln, eine Ausrichtung der Graphitpartikel parallel zur Oberfläche und die elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Plattenebene verbessern.