DD295620A5 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoffwerkstoffen hoher festigkeit - Google Patents

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DD295620A5
DD295620A5 DD26805584A DD26805584A DD295620A5 DD 295620 A5 DD295620 A5 DD 295620A5 DD 26805584 A DD26805584 A DD 26805584A DD 26805584 A DD26805584 A DD 26805584A DD 295620 A5 DD295620 A5 DD 295620A5
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Eberhardt Winkler
Wolfgang Kant
Renate Jung
Frank Schweiger
Karl-Heinz Buchholz
Peter Olschinka
Heinz Zimmermann
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Adw,
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffwerkstoffen hoher Festigkeit auf Basis von grobkoernigem Fuellermaterial und Bindemittel. Der gruenen Fertigung wird die Prozeszstufe "Vorumhuellen des Grobkorns" vorangestellt. Grobkoerniges Fuellermaterial wird mit einem Teil (5 bis 60%) der Gesamtbindemittelmenge umhuellt und 0,5 bis 4 Stunden thermisch im Temperaturbereich von 230C bis 450C in inerter oder Luftatmosphaere behandelt. Dieses Material wird dann im Mischprozesz der Gruenfertigung eingesetzt. Die weitere Herstellung der Kohlenstoffwerkstoffe, die sich durch eine hohe Festigkeit und gute elektrische Leitfaehigkeit auszeichnen, erfolgt entsprechend der bekannten Technologie.

Description

Anwondungsgoblot dor Erfindung
Dio Erfindung betrifft oin Vorfahron zur Horstollung von Kohlonstoffworkstoffon auf dor Basis von grobkörnigom Füllormatorial, wioz. B. Petrolkoks, Braunkohlonpochkoks.Eloktrographlt odor Anthrazit und orgnnischon Bindemitteln, wio z. B. Poch, Teer odor Harze. Der Einsatz von Grobkorn für Xohlonstoffworkstoffo ist üblich boi allon Anwondungsfällon diosor Workstoffo, in denen oino hohe elektrische, mechanische, thormlscho und/odor chomischo Bolastbarkoit gofordort werden.
Charakteristik der bekannten technischen Lftsungon
Es ist bekannt, daß Kohlenwasserstoffe auf der Basis von grobkörnigon Füllermatorialion nach einem Vorfahron gefertigt wordon, wolchos mohroro Stufen boinhaltot. Da Kohlonstoff nicht sinterungsfähig ist, muß oin Vorbund aus Füllormatorial, das neben Grobkorn auch Foinkorn onthält, und dom Bindorniltol hergestellt worden. Dazu wird aufbereitetes Füllmaterial mit dem Bindemittel boi 100 bis 19O0C in Misch- und Knetmaschinen gomischt. Dio daboi erhaltono grüne Masse wird auf dio Proßtomporatur abgekühlt und dann nach dem Gosenkproß-, dom Strangproß- odor dom Rüttelvorfahren zu Körpern mit don gowünschton Ausmaßon goformt. Dio Temperaturbehandlung bis 13000C, das sogonannto Brennon dor Formkörper, schließt sich an.
Zur Horstollung von graphitischen Werkstoffen aus don gebrannten Körpern muß noch dio Graphitiorung bei Temperaturen bis maximal 3200'C folgen.
Auf ähnliche Woiso können auch Kohlonstoffworkstoffo auf dor Basis von Foinkornmaterialien hergestellt wordon.
in violon Belastungsfällon, donon dio auf dioso Woiso horgostolltcn Kohlonstoffworkstoffe ausgesetzt sein können, genügen insbesondere Fostigkolt und Leitfähigkeit nicht don Anforderungen.
Um die Eigenschafton von Kohlonstoffworkstoffon zu verbessern, wurden boreits mehrero Spozialvorfahren entwickelt. Beim Imprägniorvorfahron orfolgt nach dom Bronnon der Kohlonstoffkörpor oino Tränkung mit Poch, Teer oder Harzen, dom sich ein erneutor Brennvorgang anschließen muß. Zur Erziolung dor gowünschton Eigenschaftsverbesserungon müssen diese Prozeduren mehrmals wiederholt werden. Daraus resultiert oin sehr hoher Arbeits- und Energieaufwand. Deshalb ist das Imprägniorungsverfahren aus ökonomischer Sicht sehr nachteilig.
Für Anwendungsfälle, in donon nur eine sehr hohe Festigkeit gefordert wird, existieren ebenfalls mehrere Verfahren zur Herstellung von Kohlonstoffwerkstoffen, die allerdings ausschließlich auf Foinkorn basleren.
Die feinkornbasierten Herstellungsverfahren unterscheiden sich von den horkömmlichen Verfahren auf Grobkornbasis in der Herstellung der grünen Mischung. Gomäß DE-OS 2 558111 wird das Bindemittel in einem Lösungsmittel gelöst, das feinkörnige Füllermaterial hinzugefügt, das Ganze innig vormischt, von diesom schlammigen Material das Lösungsmittel abfiltriert und das mit Bindemittel verschone Feinkorn anschließend getrocknet. Bei der Temperaturbehandlung bleiben jedoch Rückstände des Lösungsmittels auf den Füllorkörnom zurück, was sich nachteilig auf die Vorbundeigonschaften auswirkt. Das Verfahren auf Feinkornbasis gemäß DE-AS 21330Ί4; DE-AS 2132492 und DE-AS 2040252 - unterscheidet sich vom erstgenannten dadurch, daß der erhaltene Schlamm in eine weitere Flüssigkeit, z. B. Wasser, durch eine Düse eingespritzt wird.
Nobon don boroits gonannton Nachteilen In bozug auf dio Vorbundoigonschnfton weisen diese feinkornbasierten Verfahren orhoblicho technische und ökonomische Nochtoilo auf, Zur Roalisloruno der Verfahron sind große Mengen verschiedenartiger Lösungsmittel und Flüssigkeiten erfordorlich. Für grobkörnigos Füllermaterial sind beide Vorfahren nicht anwendbar. Die mit lotztorom Verfahren erziolton Effekte wie gleichmäßiger Blndomittolüborzug «Hör Füllorkörnor und Homogenisierung dos Felnkorn-BindetniUelproduktos ist wesentlich von der vorfahrensgomäß durchgeführten Vordüsung bestimmt, welche sich bei grobkörnigem Füller verblotot, Beim erstgenannten Verfahron würden sich Infolge der verfahrensgomäßen Abdampfung des Lösungsmittels große Mongon von Lösungsmittolrückständon auf dom oingosotzton Grobkorn ablagern, mit sehr negativen Wirkungon auf dlo Vorbundoigonschnfton.
Gomüß DE-AS 2414449 wird feinkörniges Füllmaterial mit Bindemittol vermischt, anschließend eine Temperaturbehandlung der Mischung bis 400°C vorgenommen, nach Abkühlung das Feinkornprodukt aufgemahlon, mit Bindemittel gemischt und das Gesamte nochmals pulverisiert. Aus diesom Pulver werden dann Formkörpor durch Kaltpressen hergestellt. Durch dio wiederholten Aufmahlungon der Mischungsprodukte wird das Grobkorn total zerstört und die an das Grobkorn gebundenen vorteilhaften Vorbundoigonschnfton sind damit verloren
Dio nach cliosom Verfahron orzougton Werkstoffe zeigen in dor Tat einen markant erhöhton spezifischen elektrischen Widerstand.
ZIoI dor Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhöhung dor Festigkeit und Vorbesserung der Leitfähigkeit von Kohlenstoffwerkstpffen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Kohlonstoffwerkstoffo auf der Basis von grobkörnigem Füllermaterial herzustellen.
Merkmale dor Erfindung
Erfindungsgomäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dor Herstellung der grünen Mischung eine Teilprozedur vorangostelt wird, die in einer Vorumhüllung des Grobkornos mit einer Halbkoksschicht besteht.
Als Grobkorn innerhalb des Korngrößenspektrums eines Füllormaterials wird im allgemeinen ein Korn größer als 0,2mm angesehen.
Das Grobkorn des zum Einsatz gelangenden Füllormatorials wird in einer Misch- und Knetmaschine zusammen mit einem primären Anteil des vorgesehenen Bindemittels bei 90 bis 150°C gemischt. Dor BinclomiUelanteil, mit dem das Grobkorn primär vorumhüllt wird, beträgt 5 bis 60% der gesamten Bindemittelmengo.
Das gr< okörnige Mischprodukt wird danach einer Temperaturbehandlung bis 450°C in einer inerten oder Luftatmosphäre unte'.ogon. Diese Temperaturbehandlung kann entweder direkt in der Misch- und Knotmaschine vorgenommen, oder nach Entnahme des abgekühlton Mischproduktes aus der Mischmaschine in einer anderen, dafür geeigneten Einrichtung, z. B. einem konventionellen Ofen dor Kunstkohleindustrio, durchgeführt worden. Sov.ohl das vorumhüllte als auch das vorumhüllte und thermisch behandelte Grobkorn können in einem geschlossenen Raum zwischengelagert werden, Nach Abschluß der thermischen Behandlung wird das mit einer dünnen Schicht von Halbkoks umhüllte Grobkorn mit dem Rest von 95 bis 40% der Gesamtbindemittelmenge und dem vorgesehenen Feinkorn zu einer grünen Mischung verarbeitet. Der Bindemittelbedarf wird durch das Vorumhüllen nicht erhöht. Die weiteren Fertigungsstufen bis zum Endprodukt erfolgen dann in bekannter Weise.
Die Bedingungen für das Vorumhüllen liegen innerhalb eines großen Spielraumes. Die ermittelten Grenzen für die bestimmenden Faktoren der Vorumhüllungsprozedur sind:
- Anteil vom Gesamtbindemittel: 5 bis 60%
- Maximaltemperatur der Wärmobehandlung: 230 bis 45O0C
- Dauer der Temperaturbehandlung: 0,5 bis 4,0 h
Um den maximalen Effekt einer Festigkeitserhöhung zu erzielen, müssen diese 3 Faktoren variiert und aufeinander abgestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch mehrere Vorteile aus. So kann die Temperaturbehandlung des bindervorumhüllten Grobkornes in derselben Misch- und Knotmaschine durchgeführt werden, in der schon die Binderumhüllung des Grobkornes erfolgte.
Der wesentlichste Vorteil der erfindungsgemäßen Prozedur „Vorumhüllen dos Grobkornes" gegenüber der konventionellen Technologie äußert sich in einer erhöhten Rohdichte, einer gesteigerten Festigkeit bei einer gleichzeitig verbesserten Leitfähigkeit des finalen Kohlenstoffwerkstoffes.
Ausführungsbolsplole
Beispiel 1
Zur Herstellung graphitierter Kohlenstoffkörper wird kalzinierter Braunkohlenpechkoks folgender Zusammensetzung verwendet:
40% Kokspulver (50%d < 0,09μιη)
25% Obis 0,63 mm 35% 0,63 bis 1,6 mm
Die Gesamtbindemittelmenge (Steinkohlenteerpech) beträgt 25%, bezogen auf die Füllermaterialmenge. Die Kornfraktionen 0 bis 0,63mm und 0,63 bis 1,6mm werden mit 25% der Gesamtbindermenge unter folgenden Bedingungen vorumhüllt:
Mischtemperatur: 130°C ·
MischzeitzurVoiumhüllung: 0,5h
Temperatur der nachfolgenden Wärmebehandlung: 35O0C
Zeitdauerder Temperaturbehandlung: 1 h
Die Mischtemperatur zur Herstellung der grünen Mischung beträgt 13O0C bei einer Mischzeit von 30 Minuten. Die Formgebung der Probekörper erfolgt im Gesenkpreßverfahren, das Brennen und die Graphitierung bei 13000C bzw. 28000C. Durch das Vorumhüllen des Grobkornes werden folgende Eigenschaften gegenüber den Eigenschaften der konventionell hergestellten Kohlenstoffkörper erreicht:
Eigenschaft
Probe mit Vorumhüllung Vergleichsprobe
Rohdichte
Spezifischer elektrischer Widerstand Biegebruchfestigkeit Elastizitätsmodul
(gern"3) (nmm'rrr1)
(N mm"2) (Nrnm"2)
1,364 14,5
6,4 2010 1,350 17,0
4,5 1580
Beispiel 2
Entsprechend Beispiel 1 mit folgender Veränderung:
Die Temperaturbehandlung des Vorumhüllungsprozesses erfolgt bei 45O0C.
Ergebnisse: (gern 3) Prob«
Eigenschaft (ΩηιηΛτΓ1) 1,428
Rohdichte 15,0
Spezifischer elektrischer (N mm"2)
Widerstand (Nmm"2) 6,3
Biegebruchfestigkeit 2070
Elastizitätsmodul
Probe mit Vorumhüllung Vergleichsprobe
1,350 17,0
4,5 1580
Beispiel 3
Entsprechend dem Beispiel 1 mit folgender Veränderung:
Als Bindemittel wird ein Gemisch von 50% Steinkohlenteerpech und 50% Braunkohlenteerpech vorwendet.
Ergebnis:
Eigenschaft
Probe mit Vorumhüllung Vergleichsprobe
Rohdichte
Spezifischer elektrischer Widerstand Biegebruchfestigkeit Elastizitätsmodul
(gern"3) (Omm'm""')
(N mm'2) (N mm"2)
1,386 15,2
5,7 1950 1,350 17,0
4,5 1580
Beispiel 4
Entsprechend dem Beispiel 1 mit folgenden Veränderungen:
Koks: kalzinierter Petrolkoks
Bedingungen des Vorumhüllens:
Bindemittelanteil: 50%
Korngröße des vorumhüllten Grobkorns: 0,3 bis 1,6mm
Temperatur der nachfolgenden Behandlung: 230°C
Zeitdauer der Temperaturbehandlung: 2 h
Ergebnis:
Eigenschaft
Probe mit Vorumhüllung Vergleichsprobe
Rohdichte (gern"3)
Spezifischer elektrischer (Ω mm2m~')
Widerstand
Biegebruchfestigkeit (N mm"2)
1,592 11,0
9,4 1,543 11,5
6,5
Beispiel 5
Entsprechend dem Beispiel 1 mit folgenden Veränderungen:
Koks: Koksgemisch aus Braunkohlenpechkoks und Petrolkoks
Gesamtbindernittel: 24% von der Trockenmasse
Bedingungen des Vorumhüllens:
Bindemittelanteil: 35%
Temperatur der Nachbehandlung: 35O0C
Zeitdauer der Temperaturbehandlung: 1,5h
Ergebnis: Eigenschaft Probe mit Vorumhüllung Vergleichsprobe
Rohdichte Spezifischer elektrischer Widerstand Biegebruchfestigkeit
(gern"3) (Omm'm"1)
1,507 14,4
7,2
Beispiele
Entsprechend dem Beispiel 5 mit folgenden Veränderungen des Vorumhüllens:
Bindemittelanteil: 25%
Temperaturder nachfolgenden Behandlung: 290%
Zeitdau·,·; der Temperaturbehandlung: 2,5h
Ergebnis: Eigenschaft Probe mit Vorumhüllung Vergleichsprobe
Rohdichte Spezifischer elektrischer Widerstand Biegebruchfestigkeit
(gern"3) (Omm'irT1)
(N mm"2)
1,533 12,8
1,507. 14,4
7,2

Claims (7)

1. Verfahren zur Horstollung von Kohlenstoffkörpern mit hoher Festigkeit und Leitfähigkeit durch Mischung von als Füller vorwondoton Materialien, wie z. B. kalzinierte Kokso, Elektrographit, und Anthrazit, welche aus Grob· und Folnkornantoilen bestehen, mit organischen thermoplastischen Bindemitteln, wio z. B. °och, Toor odor Harze, hol vorhorgohondor Bindemittel- und Temperaturbehandlung dos Grobkornanteilos, Pressen dieser Mischung zu einem fremdkörper soWio Brennen oder Bronnen mit nachfolgondom Graphltioren dos auf diese Weise erzeugten Kohlenstoffkörpors, dadurch gekennzeichnet, daß das Grobkorn zunächst mit einem primär zugesetzten Teil des gesamten Bindemittels gemischt und das aus diesem binclorvorumhüllton Grobkorn goblldeto Mischprodukt oinor thormischon Behandlung zwischen 23O0C und 45O0C ausgesetzt wird.
2. Vorfahren nach Anspiuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thormische Behandlung in Luftatmosphäre oder in inerter Atmosphäre erfolgt,
3. Vorfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dor primär eingesetzte Bindomlttelanteil zur Vorumhüllung dos Grobkornos 6 bis 60% dor Gosamtbindemittelmenge beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorweilzeit beim Maximalwert der Temperatur zur Wärmebehandlung dos bindorumhüllten Grobkornes 0,5 bis 4,0 Stunden beträgt.
5. Verfahron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorumhüllungsgamischon und thormische Behandlung dos vorumhüllten grobkörnigen Mischproduktes in der selben Mischmaschine nacheinander erfolgen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Füllmaterial aus einer Mischung von höhorwertigon und wonigor wertvollen Füllorarten besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Bindemittel aus einer Mischung von höherwertigon und woniger wertvollen Binderarten zusammengesetzt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105098561A (zh) * 2014-05-04 2015-11-25 苏州东南碳制品有限公司 一种混合动力汽车起动电机用碳刷的制备方法及其应用

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