使用再利用的碳纤维从碳材料制备模制件的方法技术

从包含小于20重量%的量的碳纤维的碳制备模制件的方法，所述方法包括如下步骤：a）粉碎由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品，其中所述碳纤维增强的复合材料优选为碳纤维增强的合成材料、碳纤维增强的碳或碳纤维增强的混凝土，b）制备从所述步骤a）获得的经粉碎的产品、粘合剂（如沥青）、碳材料（如焦炭）和任选的一种或多种添加剂的混合物，其中所述混合物包含小于20重量%的纤维，c）将在所述步骤b）中获得的混合物成型为模制件，d）碳化在所述步骤c）中获得的模制件，e）任选地用浸渍剂浸渍在所述步骤d）中碳化的模制件，和f）任选地石墨化在所述步骤d）中碳化的模制件或在所述步骤e）中浸渍的模制件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及使用再利用的碳纤维从包含小于20重量％的量的碳纤维的碳(特别是石墨)制备模制件的方法。由碳基材料和特别是石墨基材料构成的模制件应用于大量
这种模制件的一个例子是石墨电极，由于石墨的良好导热性、低电阻和耐化学性，石墨电极被特别用于电热方法，并且特别在电弧炉中制钢时用于熔化熔化物料。这种模制件的另一个例子是石墨基连接件，其也被称作石墨接头，并被用于正面连接石墨电极从而形成电极链。所述连接件通常为双截头圆锥形状或者以双锥体或圆柱体形状形成，并且具有外螺纹，通过所述外螺纹将所述连接件旋拧在配置于石墨电极正面上的具有互补内螺纹的螺纹腔中，从而通过其正面使两个电极彼此连接。在操作电弧炉时，在电极链上施加电压，从而产生从电极链的下端到熔化物料的电弧，所述电弧产生例如1500°C的足够高的温度，从而熔化熔化物料(例如废钢料或海绵铁)，这对电极链产生强烈的机械、热力和电力负荷。为了普遍升高特别是石墨电极和石墨连接件以及由碳基材料形成的零件的强度 和耐热冲击性并降低其热膨胀系数，已经建议向该材料中加入碳纤维。这种碳纤维例如如下制备，首先从含碳的起始材料(例如聚丙烯腈)纺丝成纤维，然后在拉伸下碳化和任选地石墨化，然后表面处理如此制备的纤维并任选地用涂料(Schlichte)涂覆。然而,在大量通常由碳基材料和特别是由石墨形成的零件(例如特别是石墨电极和石墨连接件)中的基本情况是，材料中包含最多20重量％的量的碳纤维，因此最终产品的性质按照预期主要是通过碳基质或石墨基质的性质而决定。此外，在石墨电极和石墨连接件中强制性地需要纤维与基质材料稳固结合，否则会影响石墨电极和石墨连接件的应用技术性质。例如，通过EP 1460883A2已知用于电极的连接件，其由包含0. 2至10重量％的碳纤维的石墨组成，其中碳纤维的表面被氧化活化且碳纤维还具有碳化的涂层。为了制备所述连接件，首先在碳纤维的表面上通过氧化活化碳纤维，然后用优选选自蜡、浙青、天然树脂或热塑性或热固性聚合物的涂覆剂涂覆，然后使如此获得的纤维与焦炭、浙青和任选的添加剂混合，并将如此获得的混合物成型为坯体，然后碳化所述坯体，最后石墨化。然而，碳纤维的制备极其昂贵和耗能，因此碳纤维的材料成本显著高于用于制备碳基质或石墨基质所使用的原料的成本。因此期望可以简单和经济地进行的相应的制备方法。因此，本专利技术的目的是提供从包含小于20重量％的碳纤维的碳(特别是石墨)制备模制件的方法，所述方法可以简单和特别经济地进行，并且特别地，可以用所述方法制备具有卓越性质的石墨电极和石墨连接件。根据本专利技术通过从包含小于20重量％的量的碳纤维的碳制备模制件的方法实现所述目的，所述方法包括如下步骤a)粉碎由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品，b)制备在所述步骤a)中获得的经粉碎的产品、粘合剂、碳材料和任选的一种或多种添加剂的混合物，其中所述混合物包含小于20重量％的纤维，c)将在所述步骤b)中获得的混合物成型为模制件，和d)碳化在所述步骤c)中获得的模制件。解决方案基于如下出人意料的发现通过粉碎由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品，并且使经粉碎的产品作为纤维起始材料与用于形成碳复合材料的基质所必须的组分(即粘合剂、碳材料和任选的一种或多种添加剂)混合并且将所述混合物成型为模制件，然后碳化和任选地石墨化的方法，能够以简单的方式从包含小于20重量％的量的碳纤维的碳制备具有卓越性质(特别是具有卓越的强度、低热膨胀系数和极好的耐温度冲击性)的模制件，例如石墨电极和石墨连接件。在此特别出人意料的是，用所述方法从碳纤维强化的碳或石墨获得模制件，其中碳纤维非常稳固地黏附于碳基质材料。通过碳纤维与碳基质材料的稳固黏附可降低模制件的热膨胀系数并提高模制件的强度和耐温度冲击性。在所述方法中，由于无需使用重新制备的碳纤维，而是取而代之地使用来自粉碎的废品或次品(其由碳纤维增强的复合材料组成)的旧的碳纤维，该方法比现有技术中已知的用于制备相应模制件的方法更为经济。在根据本专利技术的方法中，不仅涉及从包含小于20重量％的量的碳纤维的碳制备模制件的方法，还特别涉及再利用或回收由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品的方法。 在本专利技术的范围内，在根据本专利技术的方法的方法步骤b)中所使用的碳材料应被理解为包含大量碳的各种材料，特别是至少70重量％，特别优选至少80重量％和更特别优选至少90重量％由碳组成的材料。这种碳材料的一个优选的例子是焦炭。在根据本专利技术的方法的方法步骤a)中原则上可以使用由任何碳纤维增强的复合材料(即碳纤维嵌在基质中的材料)构成的废品或次品。在此，当在方法步骤a)中使用由碳纤维增强的合成材料(CFK)、碳纤维增强的碳(CFC)、碳纤维增强的混凝土或两种或更多种上述复合材料的混合物构成的废品或次品时，特别获得良好结果。CFK的合适的基质材料的例子为所有类型的热塑性或热固性合成树脂，例如酚醛树脂或环氧树脂。组成在方法步骤a)中所使用的废品或次品的碳纤维增强的复合材料优选地包含至少20体积％的碳纤维，特别优选30至70体积的碳纤维和更特别优选40至60体积％的碳纤维。当所使用的废品或次品由CFK或CFC组成时，该实施方案则是特别优选的。所使用的废品或次品的复合材料中包含的碳纤维越多，在方法步骤b)中引入的经粉碎的产品的基质材料越少，或者在进行方法步骤b)之前可以省略从经粉碎的产品分离基质材料。当废品或次品由碳纤维增强的混凝土组成时，碳纤维的含量通常小于10体积％。在方法步骤a)中可以特别使用由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品，其包含作为碳纤维的短纤维和/或长纤维。为了在方法步骤a)中粉碎废品或次品，可以使用本领域技术人员已知的能够粉碎碳纤维增强的复合材料的所有装置。其非限制性例子为破碎机、切割磨机、冲击式磨机和锤磨机。粉碎之后在经粉碎的物料或回收的纤维上优选涂覆涂料，为此可以使用本领域技术人员已知的所有材料。为了在方法步骤b)中实现与粘合剂、碳材料和任选的添加剂的良好混合，在方法步骤a)中优选将由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品粉碎成主要是长度在I和IOOmm之间的颗粒。在本文中，“主要是”应被理解为大于50重量％，优选至少75重量％，特别优选至少90重量％和更特别优选至少95重量％的经粉碎颗粒具有在I和IOOmm之间的长度。在此，每个颗粒可以具有任意几何形状。例如，颗粒可以以具有例如矩形截面的小片形状存在，或者为圆柱体形状或纤维形状。此外在本专利技术构思的改良方案中，建议如下进行方法步骤a)，经粉碎的产品除了粉碎颗粒之外仅包含相对少量的粉尘。为了此目的，可在粉碎过程中或之后从产品筛出粉尘。在本文中，“粉尘”应被理解为平均粒径小于IOOiim的粒子或颗粒。优选如下进行方法步骤a)中的粉碎，产品在粉碎之后包含小于5重量％的平均粒径小于100 u m的粉尘颗粒，这仅可通过筛选实现。根据本专利技术的另一个优选的实施方案，在方法步骤a)中并且在粉碎过程中或之后，使组成废品或次品的复合材料的两种组分(即基质和碳纤维)彼此脱离。在此，“脱离”应被理解为纤维-基质-松脱。在该实施方案中，基质与碳纤维的脱离通过使废品或次品与酸(例如矿物酸如硫酸或硝酸)、与碱(例如氢氧化钠)或者与溶剂接触而进行。可选择地，基质与碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.02.10 DE 102010001787.61.从包含小于20重量％的量的碳纤维的碳制备模制件的方法，所述方法包括如下步骤 a)粉碎由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品， b)制备在所述步骤a)中获得的经粉碎的产品、粘合剂、碳材料和任选的一种或多种添加剂的混合物，其中所述混合物包含小于20重量％的纤维， c)将在所述步骤b)中获得的混合物成型为模制件，和 d)碳化在所述步骤c)中获得的模制件。2.根据权利要求I所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤a)中使用的废品或次品优选由如下组成碳纤维增强的合成材料、碳纤维增强的碳、碳纤维增强的混凝土或由两种或更多种上述复合材料组成的混合物。3.根据权利要求I或2所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤a)中废品或次品的粉碎通过破碎机、切割磨机、冲击式磨机或锤磨机进行。4.根据前述权利要求至少一项所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤a)中将由碳纤维增强的复合材料构成的废品或次品粉碎成主要是长度在I和IOOmm之间的颗粒，其中优选在粉碎过程中或之后从经粉碎的产品筛出粉尘，使得方法步骤a)中的经粉碎的产品特别优选地具有小于5重量％的平均粒度小于100 u m的粉尘粒子。5.根据前述权利要求至少一项所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤a)中在粉碎废品或次品的过程中或之后，使复合材料的基质和碳纤维彼此脱离，其中基质与碳纤维的脱离优选通过使废品或次品与酸、碱或溶剂接触而进行。6.根据前述权利要求至少一项所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤a)中在粉碎废品或次品的过程中或优选之后，使复合材料的基质与碳纤维分离，其中基质与碳纤维的分离优选通过筛选或筛分进行，其中筛分特别优选在旋转筛分器、旋风筛分器或之字筛分器中进行。7.根据前述权利要求至少一项所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤b)中使用如下化合物作为粘合剂，所述化合物选自酚醛树脂、浙青、呋喃树月旨、苯酯和两种或更多种上述化合物的任意混合物，和/或在所述步骤b)中，使用焦炭，优选浙青焦炭、冶金焦炭或石油焦炭、特别是针状焦炭作为碳材料，其中在所述步骤b)中，在所述混合物中碳材料和粘合剂之间的比例被调节为特别优选5:1至2:1和优选4:1。8.根据前述权利要求至少一项所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤b)中，所述混合物的纤维含量被调节为小于15重量％，优选小于10重量％，特别优选小于5重量％，更特别优选小于3重量％。9.根据前述权利要求至少一项所述的方法， 其特征在于， 在所述步骤d)之后，用浸溃剂浸溃所述模制件，所述浸溃剂优选为浸溃浙青，然后石墨化，其中石墨化特别优选在180...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·克里斯特，O·奥廷格，R·博德，A·普雷弗恩泰纳，G·施瓦伊格，
申请(专利权)人：SGL碳股份公司，
类型：发明
国别省市：