用于制造復(fù)合半成品的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造復(fù)合半成品的方法，該復(fù)合半成品具有包含至少一種熱塑性塑料的連續(xù)相和由至少一種導(dǎo)電填充劑組成的分散相。本發(fā)明另外還涉及這類復(fù)合半成品的應(yīng)用以及由這類復(fù)合半成品制成的電化學(xué)電池的電極。
【背景技術(shù)】
[0002]上述類型的復(fù)合半成品特別是用于制造高導(dǎo)電性的組件。電化學(xué)電池、比如燃料電池、氧化還原液流電池或類似電池的電極代表了其中一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于該應(yīng)用領(lǐng)域和其他應(yīng)用領(lǐng)域都期望有高含量的填充劑，因?yàn)樘畛鋭┰谠S多情況下提供復(fù)合半成品的重要的特性。高導(dǎo)熱性和/或高導(dǎo)電性例如通過(guò)較高含量的石墨得以實(shí)現(xiàn)，石墨的含量典型地為復(fù)合半成品的70重量％或更多。在復(fù)合半成品的制造過(guò)程中，較高的填充劑含量隨之帶來(lái)自身的特點(diǎn)。
[0003]—個(gè)重要的特點(diǎn)在于填充劑在熱塑性塑料的基體中的均勻分布。為此使用了擠出機(jī)或捏合機(jī)，以小球或類似形式的塑料和以精細(xì)顆粒形式的填充劑加入擠出機(jī)或捏合機(jī)。在擠出機(jī)或捏合機(jī)中熱塑性塑料熔化而且填充劑機(jī)械式地嵌入塑料熔體中。該過(guò)程要求較小的混合物粘度，從而必須將塑料加熱至遠(yuǎn)高于自身熔化溫度。
[0004]隨后可以將該復(fù)合材料擠塑成型，但是為此較低的粘度也是必需的。因此必須以非常高的程度加熱塑料并且置于較高的壓力下。該復(fù)合材料也可以選擇性地引入砑光機(jī)，該砑光機(jī)通過(guò)多次的翻轉(zhuǎn)和拋光促使復(fù)合材料再次的均勻化。該砑光過(guò)程導(dǎo)致復(fù)合材料在砑光機(jī)中長(zhǎng)的停留時(shí)間，這必須與之相應(yīng)地長(zhǎng)時(shí)間地以較高程度加熱該復(fù)合材料。
[0005]以相應(yīng)的方式制成的復(fù)合半成品僅具有很小的熱塑特性，這對(duì)于該復(fù)合半成品的后續(xù)加工是不利的。該復(fù)合半成品通常具有很小的機(jī)械強(qiáng)度并且難以與其他熱塑性塑料連接或熱焊接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的在于這樣設(shè)計(jì)和擴(kuò)展開(kāi)頭提及且以上詳細(xì)描述的方法，S卩，可以得到具有改善的材料特性的復(fù)合半成品。
[0007]根據(jù)權(quán)利要求1，該目的按照本發(fā)明通過(guò)一種上述類型的方法得以實(shí)現(xiàn)，其中，以細(xì)顆粒形式的至少一種熱塑性塑料與細(xì)顆粒形式的至少一種填充劑混合，至少一種熱塑性塑料的至少90重量％的顆粒以及至少一種填充劑的至少90重量％的顆粒分別小于1mm，其中，由至少一種熱塑性塑料和至少一種填充劑組成的混合物加熱至大于至少一種熱塑性塑料的熔化溫度，而且其中，已加熱的材料冷卻至低于至少一種熱塑性塑料的凝固溫度。
[0008]本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)，不僅目前所采用的至少一種填充劑的顆粒大小，而且特別是至少一種熱塑性塑料的顆粒大小以及在材料的實(shí)際加工之前這兩種組分的混合物對(duì)于復(fù)合本成品的材料特性都具有顯著的影響。令人意外的是，至少一種熱塑性塑料不依賴于其初始的顆粒大小而恪化，從而形成連續(xù)相或基體，填充劑包入該連續(xù)相或基體中。在此，連續(xù)相或基體的結(jié)構(gòu)特別是取決于所使用的熱塑性塑料的鏈長(zhǎng)和鏈結(jié)構(gòu)，而不是取決于其顆粒大小。
[0009]結(jié)合本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)至少一種熱塑性塑料所形成的基體結(jié)構(gòu)很可能、即間接地取決于該塑料顆粒的初始顆粒大小。這歸因于，在使用具有非常小的顆粒大小的塑料的情況下，按照本發(fā)明可以顯著地降低加工時(shí)間和加工溫度，從而不會(huì)或很少出現(xiàn)關(guān)于該塑料或其基體結(jié)構(gòu)的分解現(xiàn)象。在使用更小的塑料顆粒的條件下尤其改善了熱傳遞過(guò)程并改善了上述制成的、優(yōu)選基本上均勻的由塑料顆粒和填充劑顆粒組成的混合物的可加工性。這樣最終獲得了復(fù)合材料，在不包括填充劑所提供的材料特性、特別是導(dǎo)電性的情況下，盡管非常高的填充劑含量也沒(méi)有對(duì)該復(fù)合材料的材料特性(近似于至少一種熱塑性塑料的材料特性)造成值得注意的不利影響，該填充劑含量大于現(xiàn)有技術(shù)中已知的相同組分的復(fù)合材料中的填充劑含量。也就是說(shuō)，通過(guò)按照本發(fā)明的方法優(yōu)選可以獲得熱塑性的復(fù)合半成品，該復(fù)合半成品能夠像純的熱塑性塑料一樣或總是以類似的方式進(jìn)一步加工。
[0010]針對(duì)該目的特別優(yōu)選的是，至少一種熱塑性塑料的顆粒分布的至少95重量％、特別是基本上100重量％小于1_。另外，為了在實(shí)際的加工之前提供盡可能均勻的混合物同樣優(yōu)選的是，至少一種熱塑性塑料的最大顆粒大小與至少一種填充劑的最大顆粒大小基本上是相同的。另外還優(yōu)選的是，將由至少一種熱塑性塑料和至少一種導(dǎo)電填充劑組成的混合物加熱到一個(gè)溫度，該溫度在至少一種熱塑性塑料的熔化溫度以上但在其分解溫度以下。在多種熱塑性塑料的情況下可以使這些熱塑性塑料達(dá)到一個(gè)溫度，該溫度在這些熱塑性塑料的最高的熔化溫度以上但在最低的分解溫度以下。另外，將材料隨后降低到一個(gè)溫度，該溫度在所使用的熱塑性塑料的最低凝固溫度以下。
[0011]在該方法的第一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)中，填充劑的材料具有至少lS/m、優(yōu)選至少103S/m、特別優(yōu)選至少106S/m的導(dǎo)電率。由較小的填充劑顆粒組成的填料可以具有相應(yīng)更小的導(dǎo)電率。因此可以得到具有優(yōu)選的特性的復(fù)合半成品。該復(fù)合半成品的導(dǎo)電率可選地或額外地可以為至少lS/m、優(yōu)選至少100S/m、特別是至少1000S/m。但是原則上優(yōu)選的是，至少一種導(dǎo)電填充劑的導(dǎo)電性大于至少一種熱塑性塑料、特別是大于所有的熱塑性塑料。
[0012]導(dǎo)電填充劑優(yōu)選為碳、石墨、炭黑、碳化鈦(TiC)、至少一種金屬和/或至少一種金屬化合物。這些填充劑由于其機(jī)械性能及其導(dǎo)電性特別適宜。
[0013]作為熱塑性塑料常見(jiàn)的有例如聚烯烴，特別是聚乙烯(PE)和/或聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)和/或聚酰胺(PA)。這些材料提供了有關(guān)于復(fù)合半成品可加工性和接合的優(yōu)點(diǎn)。特別是上述這些塑料能夠容易地與其他焊接。
[0014]因此，如果至少一種填充劑在復(fù)合半成品中占較高的比例，至少一種填充劑的預(yù)期的特性很大程度上決定了復(fù)合半成品的特性。另外，由于至少一種熱塑性塑料的基體結(jié)構(gòu)本質(zhì)上影響了材料特性，因此至少一種填充劑在復(fù)合半成品中的含量根據(jù)需求在50重量％到95重量％之間、優(yōu)選在70 %到92量％之間、特別是在80 %到90量％之間。
[0015]為了改善復(fù)合半成品的可加工型，至少一種熱塑性塑料的至少90重量％的顆粒和/或至少一種填充劑的至少90重量％的顆粒小于750 μ m，優(yōu)選小于500 μ m、特別是小于300 μπι是適宜的。特別是在顆粒大小為150 μπι的情況下實(shí)現(xiàn)了最有利的結(jié)果。與之相關(guān)還優(yōu)選的是，相應(yīng)至少90重量％的顆粒、特別是基本上100重量％的顆粒低于上述的顆粒大小。但是在此需注意的是，通常少量的大于相應(yīng)臨界值的顆粒是完全可以接受的。但是，較大的顆粒適合于預(yù)先通過(guò)篩分或其他的分離方法分離。
[0016]為了實(shí)現(xiàn)順利且經(jīng)濟(jì)的加工，可以使用滾乳機(jī)或砑光機(jī)用于材料的加熱和/或冷卻。與之相關(guān)地，輥乳機(jī)應(yīng)理解為兩個(gè)乳輥的布設(shè)而砑光機(jī)應(yīng)理解為至少三個(gè)乳輥的布設(shè)。針對(duì)上述目的還適宜的是，滾乳機(jī)和/或砑光機(jī)包括一個(gè)能夠加熱的乳輥和至少一個(gè)能夠冷卻的乳輥。
[0017]與之相關(guān)地，通過(guò)將加工材料由具有較低圓周速度的更熱的乳輥轉(zhuǎn)移到具有較高圓周速度的更冷的乳輥上可以簡(jiǎn)單且節(jié)省材料地形成復(fù)合半成品。與之相關(guān)地也稱為抽取。另外在此特別是制成板狀的復(fù)合半成品。通過(guò)使用更熱和更冷的概念表明了兩個(gè)乳輥之間質(zhì)的溫度差，而不涉及針對(duì)于此的量的表述。但是特別優(yōu)選的是，更熱的乳輥具有的溫度高于至少一種熱塑性塑料的熔化溫度，根據(jù)需要也可高于所有熱塑性塑料的熔化溫度。更冷的乳輥選擇地或替代地具有低于至少一種熱塑性塑料的凝固溫度，根據(jù)需要也可低于所有熱塑性塑料的凝固溫度。
[0018]材料根據(jù)需求也可以在注塑設(shè)備中加熱和冷卻。這在一定情況下簡(jiǎn)化且加速了復(fù)合半成品的制造、特別是具有復(fù)雜的外部形狀的復(fù)合半成品的制造。在此為了簡(jiǎn)化加工特別優(yōu)選的是，在擠出機(jī)中進(jìn)行加熱而在注塑模中進(jìn)行冷卻。
[0019]材料也可以選擇性地在加熱之后放入陰模中并通過(guò)陽(yáng)模擠壓成型。該方法也稱為熱壓成型法。通過(guò)這種方式也可以簡(jiǎn)單地制造具有復(fù)雜的外部形狀和/或較大尺寸的復(fù)合半成品。在此根據(jù)需要同樣可以使用擠出機(jī)用于加熱。
[0020]為了能夠確保復(fù)合半成品的簡(jiǎn)單的繼續(xù)加工，原則上優(yōu)選制造板狀的復(fù)合半成品Ο
[0021]替代性或額外地還優(yōu)選制造復(fù)合半成品，該復(fù)合半成品用于生產(chǎn)電化學(xué)電池的電極、優(yōu)選氧化還原液流電池的電極、燃料電池或電解池的電極、耐化學(xué)試劑的熱交換器的組件、高頻率射線的隔離板，優(yōu)選在醫(yī)學(xué)技術(shù)的設(shè)備中、低摩擦軸承或耐熱薄膜。在這些組件中可以有益地利用機(jī)械性能、高導(dǎo)熱性和/或高導(dǎo)電性。
[0022]根據(jù)權(quán)利要求13，上述本發(fā)明的目的通過(guò)將根據(jù)權(quán)利要求1至12中任意一項(xiàng)制成的復(fù)合半成品用于制造電化學(xué)電池的電極、特別是氧化還原液流電池的電極、燃料電池或電解池的電極、作為耐化學(xué)