JP6785806B2 - 水平分割プロセスによって薄い炭素繊維不織布を製造するための方法 - Google Patents

Description

説明
本発明の主題は、サンプル厚さにおいて炭素繊維不織布で作製されたロール紙を水平に分割することによって炭素繊維不織布で作製された層を製造するための方法、および製造された材料の使用である。

水平はレベルを意味する。分割は、楔型ツールによってワークピースを分けるための製造プロセスである。

ロール形状又はロール紙は、繊維織物が巻かれている、又は、巻かれた状態であることを意味する。これは、２０ｍから７０ｍの長さ、及び、１．２ｍから１．５ｍの幅を有するフェルトであり得、幅がおよそ１０ｃｍの段ボールチューブの上に巻かれる。

炭素繊維不織布の場合では、およそ２ｍｍから２０ｍｍの厚さが利用可能であり、且つ、オーブン断熱材のために又は特別な電池システムにおける多孔質電極として用いられることが可能である。これらの用途は、６００℃から３０００°Ｃでの多段階温度プロセスを用いて製造され得る。この高温は、高純度又は低い電気抵抗等の特定の特性を設定するために必要とされる。製造プロセスの終わりで実行される高温処理は、バッチオーブンにおいて断続的に生じ得る。しかしながら、コストの理由のために可能な限り避けられるべきである。従って、最終的な温度ステップは通常は連続的に生じ、材料は通常はシステムを通して引き出される。

本発明の意味内の高温処理は、１８００℃から３０００°Ｃの温度範囲で材料を処理することを意味する。

作用する張力に起因して、よりプロセス関連の連続的方法は、最小限の材料強度に限定され、例えば厚さが２ｍｍ未満の非常に薄い材料を製造することを、このプロセスにおいて非常に困難にさせる。

完成した炭素繊維不織布ロールは、平坦な状態から組み立てられるのみである。材料の強度は、原材料の厚さに排他的に起因し；厚さを減少させることを目的とする後続の組み立ては不可能である。

この従来技術の大きな欠点は、連続的に加工可能な材料厚さに関する制限である。バッチプロセスにおいて非常に薄いフェルトを製造することが現在では可能であるのみである。原材料の形状が厚さに関する最終形状を決定するので、これは制限された柔軟性につながる。ロール紙が半製品として用いられるときの工業生産において、組み立ては、平坦な状態から可能であるのみである。

従って、本発明の目的は、工業スケール上で薄い炭素繊維不織布を連続的に製造するための単純且つ費用効果の高い方法を提供することである。

この目的は、炭素繊維不織布で作製される層を製造するための方法によって達成され、開始材料としての炭素繊維不織布はサンプル厚さにおいて水平分割プロセスを受け、炭素繊維不織布は炭素繊維不織布から連続して１つの層又は複数の層を分離するためにブレード構造に対して移動され、その方法において、１つの層又は複数の層は、分離後に炭素繊維不織布から連続的に除去される。そのため、費用効果の高い方法での工業的生産において薄い炭素繊維不織布を製造することが可能である。

水平分割は、プラスチック材料を扱うことにおいて（柔軟な発泡体、ＤＥ１０ ２０１０ ００４ ２０５ Ａ１を参照、又はゴム）、革を製造することにおいて（床革、ＤＥ ４４ １２ ４３２ Ａ１又はＤＥ １９５ ０６ ３７０ Ｃ２を参照）、及び、不織布及びウールフェルトを製造及び扱うことにおいて（ＤＥ ３８３５００７ Ａ１を参照）用いられる。ソフトフェルトとも呼ばれる炭素繊維不織布、及び同様の材料に関する従来技術において用いられる分割プロセスは存在しない。

元々の炭素繊維不織布の特定の特性（機械的、熱的及び電気的）は、可能な限り大きい程度に影響を受けないままである。

サンプル厚さは、サンプルの厚さである。サンプルに関する同義語は、例である。厚さは、対向面間の測定に関する、規格（ＤＩＮ ６７３０）に準拠する、用語である。炭素繊維不織布は、平坦な生地である。そのため、サンプル厚さは、本発明による方法を受ける平坦な生地の（水平位置における：上側及び下側）２つの表面の間での測定である。従って、水平分割は、その表面間のその全体面積にわたる平坦な生地を分割することを指し、２つの平坦な生地が得られるようになり、その各々は、面積に関して元々の平坦な生地と同じくらい大きい。

本発明に従う方法を用いて、炭素繊維で作製される驚くべき数の薄い柔軟なソフトフェルトが、単一の厚い繊維半製品から切られ得、プロセス効率を大幅に向上し、且つ、薄い高温処理された不織布の連続的生産の両方を初めて可能にする。

好ましくは、用いられる炭素繊維不織布は、ニードルパンチングによって又は水流交絡（ｗａｔｅｒ ｊｅｔ ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）によって製造される。ニードルパンチングの場合では、カーディングされた繊維ウェブが、機械的に硬化され、金属針がバーブによって材料を通して糸を引っ張る。水流交絡の場合では、強力な水流が用いられ、針は用いられない。

炭素繊維不織布の厚さは３ｍｍ〜５０ｍｍであり、分離された層の厚さは少なくとも０．２ｍｍであることが好ましい。薄い炭素繊維不織布は連続的に製造され得、厚い炭素繊維不織布は半製品として用いられ得ることが特に有利である。この発明の意味内の薄い炭素繊維不織布は、例えば、０．２ｍｍから２ｍｍの厚さを有する分離された層である。

炭素繊維不織布は、ビスコース、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ピッチ又はリグニンに基づくことが好ましい。他の不織布もまた可能であり、様々な炭素源からのすべての現在利用可能な炭素繊維で作製される材料を含むことが可能である。そのため、繊維原材料に関して大きな柔軟性が存在する。

好ましくは、ブレード構造は、フライスカッター様切削工具、バンドナイフ、その各々が１つの側面上で尖らされた２つの隣接する単一のバンドナイフを有するダブルバンドナイフ、又は、振動駆動を有する硬質の定規様分割ナイフから成る。本発明によるブレード構造のブレードは、水平位置を一定に保つために、尖らされ得、且つ、特に好ましくは連続的に又は好ましくは間隔を置いて自動的に再調整され得る。切りくずはこの場合吸い取られる。ローラーの下をさらに吸引することは、そこから取り外された任意の材料を含む下層が、きれいに除去されることを確実にする。

好ましくは、１つの層又は複数の層を分離すること及び除去することは、同時に且つ一定の張力で生じる。この場合、有意に５ｍｍ厚さ未満の薄い層でさえ、制御され得、確実に除去され得る。

張力は、機械的本体を引く、つまり、本体の力発生器の上で作用する力である。本発明によるシステムの場合には、機械式巻き取り機は、システムでの速度で設定され得、フェルトはシステムから除去される。張力は、この場合キロニュートン未満であり得る。２つの分割されたフェルト（図１）は、好ましくは、制御された同じ力で除去され、応力の安定状態及び一貫した厚さにつながる。

本発明のさらなる態様は、炭素繊維不織布で作製された、本発明による方法によって製造される、層である。最初に説明されたように、薄い炭素繊維不織布は、既知の方法に従った元々の方法で製造される。つまり、対応する不織布形成機械は、所望の厚さにおける不織布を得る。繊維製造プロセスの結果として、これらの元々製造された層の表面は完全に均一ではなく、不均一である。しかしながら、炭素繊維不織布で作製された、本発明によって製造される、層の表面は、鋭いバンドナイフを用いた厳密な分割に起因して、有意にさらに一様且つ均一である。さらなる際立った特徴は、切断プロセスが、不織布層の表面の上の末端炭素繊維の蓄積をもたらすことである。従って、本発明による元々の方法において分割され製造される薄い炭素繊維不織布は、光学的に、つまり、見られることによって、互いに区別可能であるのみである。

本発明による方法によって製造される、炭素繊維不織布で作製される一以上の層は、好ましくは、電池用途に関する電極材料、高温電池、レドックスフロー電池、又は高温絶縁材料として用いられる。そのため、それらは、様々な方法において用いられ得る。エネルギー貯蔵技術は現在大きな価格圧力下にあるため、本発明による経済的方法は、再生可能エネルギーに関して非常に有利である。

より好ましくは、本発明による方法によって製造される、炭素繊維不織布で作製される一以上の層は、燃料電池におけるガス拡散層（ＧＤＬ）に関して用いられる。用いられるＧＤＬ材料の例は、３Ｄ不織布又は２Ｄ紙である。本発明による方法はこれらの非常に薄い材料の場合にも用いられ得るので、さらに広範囲の技術が存在する。

どのように本発明による炭素繊維不織体（１）が、回転するバンドナイフ（４）によって２つの半分に分割され、輸送ローラー（３）によってロール紙を形成するように働かされるかを示す。もちろん、非対称の分割プロセスは、この対称分割プロセスに加えて技術的に可能である。連続的な尖鋭化が可能であるので、連続的な運転が起こることが可能であり、一定に優れた切断像につながる。

本発明は、以下の実施形態を用いてより詳細に説明される。

ビスコースに基づいた６ｍｍ厚さの炭素繊維フェルトは、２つの３ｍｍ厚さ半分に分割される。分割されたロールの厚さは、機械を通して材料を運ぶ供給ローラーの垂直位置によって決定される。対称的な分割結果のために上部ローラー及び下部ローラーに関して同じ設定が必要不可欠である。

材料は、輸送を確保するためにわずかに圧縮されなくてはならないので、分割は、元々の厚さの半分よりもいくらか小さいように設定されるべきである。炭素繊維フェルトの場合では、１０％の圧縮が、材料損傷がこの値で存在しないために、用いられる。従って、輸送ローラーの上部オフセット及び下部オフセットは２．７ｍｍである。

システムの供給速度は、８ｍ／分であり；バンドナイフの回転速度は５ｍ／ｓである。バンドナイフは、きれいな切断像を確保するために連続的に尖らされる。

結果は、分割されたフェルトの２つのロールである。分割された表面は、驚くほど良い（光学的に滑らか且つ一様である）。電気比抵抗は、厚さの方向において測定され得る。

フェルト幅全体にわたる吸引装置は、分割された製品が可能な限りゴミ及び粒子を含まないことを確実にする。

ＰＡＮ又はビスコースの基づいた分割された炭素繊維フェルトの、測定された特性値（炭素材料を試験）：

灰分含有量を決定すること（固形物）
（５８０°Ｃで）ＤＩＮ ５１９０３に従う灰分含有量：
＜０．０５％（ＰＡＮに基づいた）
＜０．１％（ビスコースに基づいた）

電流ポテンシャル法に従って電気比抵抗を決定すること（固形物）
（フェルト平面に対して垂直な）ＤＩＮ ５１９１１に従うＥＲ（ｘ／ｙ）：
＜５Ωｍｍ （ＰＡＮに基づいた）
＜１２Ωｍｍ （ビスコースに基づいた）

電流ポテンシャル法に従って電気比抵抗を決定すること（固形物）
（フェルト平面における）ＤＩＮ ５１９１１に従うＥＲ（ｚ）：
＜２Ωｍｍ （ＰＡＮに基づいた）
＜４Ωｍｍ （ビスコースに基づいた）

比較法に従う室温での熱伝導率（固形物）
（フェルト平面に対して垂直な）ＤＩＮ ５１９０８に従うＴＣ：
０．１−０．４Ｗ／ｍＫ （ＰＡＮに基づいた）
０．０２−０．１Ｗ／ｍＫ （ビスコースに基づいた）

図１へのキー

１．炭素繊維不織布体
２．分離された層
３．ガイドローラー
４．輸送ローラー

Claims (5)

1. 電池用途に関する電極材料、高温電池、レドックスフロー電池、又は高温絶縁材料としての、開始材料としての炭素繊維不織布が、サンプル厚さにおいて水平分割プロセスを受けることを特徴とする方法であって、前記炭素繊維不織布が、前記炭素繊維不織布から連続して、表面上に末端炭素繊維の蓄積を有する１つの層又は複数の層を分離するためにブレード構造に対して移動され、その方法において、前記１つの層又は前記複数の層が、分離後に前記炭素繊維不織布から連続的に除去される、方法によって製造された、炭素繊維不織布で作製された層の使用。
2. 燃料電池におけるガス拡散層のための、開始材料としての炭素繊維不織布が、サンプル厚さにおいて水平分割プロセスを受けることを特徴とする方法であって、前記炭素繊維不織布が、前記炭素繊維不織布から連続して、表面上に末端炭素繊維の蓄積を有する１つの層又は複数の層を分離するためにブレード構造に対して移動され、その方法において、前記１つの層又は前記複数の層が、分離後に前記炭素繊維不織布から連続的に除去される、方法によって製造された、炭素繊維不織布で作製された層の使用。
3. 分離された層の厚さが、少なくとも０．２ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の使用。
4. 前記炭素繊維不織布が、ビスコース、ＰＡＮ、ピッチ又はリグニンに基づくことを特徴とする、請求項１又は２に記載の使用。
5. 前記ブレード構造が、フライスカッター切削工具、バンドナイフ、その各々が１つの側面上で尖らされた２つの隣接する単一のバンドナイフを有するダブルバンドナイフ、又は、振動駆動を有する硬質の定規分割ナイフから成ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の使用。

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