METHOD OF PRODUCING EXPANDED GRAPHITE PARTICLES

Abstract: 1. Process for the production of expanded graphite particles, in which graphite intercalation compounds are decomposed by the effect of thermal energy, characterised in that the particulate graphite intercalation compounds spread out in layers with a thickness of at most 10 mm are exposed to a radiation whose flux density amounts to at least 500 kW/m**2 .

Description: Verfahren zum Herstellen expandierter Graphitpartikel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen expandierter Graphitpartikel, bei welchem Graphiteinlagerungsverbindungen durch die Einwirkung von Wärmeenergie zersetzt werden. Durch die DE-C- 66 804 ist die Herstellung geblähter, eine wurmförmige Strukturierung aufweisender Graphitpartikel durch die thermische Zersetzung einer Graphiteinlagerungsverbindung bekannt, die man durch Einwirkung konzentrierter Schwefelsäure oder eines Gemischs aus Salpetersäure und Schwefelsäure auf Naturgraphitpartikel erhält. Die geblähten - im folgenden als expandierter Graphit bezeichneten - Partikel sind ausserordentlich bildsam und lassen sich ohne Zuhilfenahme eines besonderen Binders leicht zu flexiblen Gebilden formen, z.B. zu Folien walzen.Formbarkeit der Graphitpartikel und Festigkeit und Flexibilität der aus den Partikeln hergestellten Gebilde werden wesentlich durch den Grad der Expansion bestimmt, worunter die Ausdehnung der Partikel in Richtung der c-Achse des Graphitkristalls zu verstehen ist. Nach der Lehre der DE-C- 1 253 130 sollte der Expansionsgrad wenigstens 80, vorzugsweise wenigstens 200 betragen, damit ohne Binderzusatz durch Zusammenpressen geblähter Partikel hergestellte Formlinge eine ausreichende Festigkeit erhalten. Die Expansion der Graphitpartikel ist offensichtlich darauf zurückzuführen, dass sich beim Erhitzen ausdehnende gasförmige Zersetzungsprodukte der Einlagerungsverbindungen die Schichtpakete des Graphit kristalls auseinanderdrücken. Diese Wirkung endet mit dem Ausbruch des zunächst in den einzelnen Körnern eingeschlossenen Gases und der Expansionsgrad ist der während der Aufheizphase austretenden Gasmenge etwa umgekehrt proportional (M.B. Dowell, 12. Conf. on Carbon, 28. Juli bis 1. August 1975, Pittsburgh, Pennsylvania, S. 31). Zur Herstellung von Graphitpartikeln mit einem hohen Expansionsgrad, die sich durch ihre gute Verarbeitbarkeit auszeichnen, muss entsprechend in der Aufheizphase die Grösse der ausfliessenden Gasmenge beschränkt werden, beispielsweise durch Erzeugung einer Gasmenge innerhalb des Kristalls, die sehr viel grösser ist als das durch Kanäle, Poren und dergl. abfliessende Gas. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Gasverluste während der thermischen Zersetzung der Einlagerungsverbindung zu vermindern und expandierte Graphitpartikel mit einem grossen Expansionsgrad herzustellen. Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass partikelförmige Einlagerungsverbindungen in Schichten mit einer Dicke von höchstens 10 mm ausgebreitet und einer Strahlung ausgesetzt werden, deren Flussdichte wenigstens 500 kW/m2 beträgt. Zur Erzeugung der hohen Strahlungsflussdichte eignen sich besonders Strahler aus der Gruppe Infrarotstrahler, Mikrowellen-Strahler und Laser. Als Ausgangsmaterial für die Herstellung expandierter Graphitpartikel nach der Erfindung eignen sich die bekannten Graphiteinlagerungsverbindungen, die durch Einwirkung eines oder mehrerer Oxidationsmittel allein oder im Gemisch mit anderen chemischen Verbindungen vor allem auf Naturgraphit- und Pyrographitpartikel gebildet werden. Als Oxidationsmittel sind beispielsweise geeignet Salpetersäure, Kaliumchlorat, Kaliumpermanganat, Kalium dichromat, Chromsäure, Wasserstoffperoxid und Gemische dieser Mittel mit beispielsweise Schwefelsäure. Andere für das erfindungsgemässe Verfahren geeignete Graphiteinlagerungsverbindungen entstehen durch Einwirkung von Halogenen auf Graphitpartikel, besonders von Brom, oder Halogeniden, wie z.B. Eisenchlorid oder Aluminiumchlorid. Die Herstellungsbedingungen sind beispielsweise in der US-A- 3 494 382 ausführlich beschrieben, auf die hier verwiesen wird. Expandierte Graphitpartikel werden nach den bekannten Verfahren durch Erhitzen der Einlagerungsverbindungen hergestellt, wobei die Temperaturen im allgemeinen etwa 600 bis 10000C und die Erhitzungszeit einige Sekunden betragen. Unter diesen Bedingungen diffundieren nach den dieser Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnissen grössere Anteile der bei der Wärmebehandlung gebildeten flüchtigen Verbindungen aus dem Kristallgitter und tragen nicht oder nur zu einem Teil zum Aufbau eines hohen Binnendrucks bei. Sehr grosse, für die weitere Verarbeitung der expandierten Graphitpartikel vorteilhafte Expansionsgrade werden über- haupt nicht oder höchstens zufällig erreicht. Da bei den bekannten Verfahren die Graphiteinlagerungsverbindungen in der Regel durch eine Heizzone bewegt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Trägergases, entstehen zudem wegen der unterschiedlichen Verweilzeit der Partikel in der Heizzone, zusätzliche Einbussen der Produktqualität. Das Produkt enthält neben Partikeln mit grossem Expansionsgrad einen mehr oder weniger grossen Anteil an Partikeln die nur geringfügig expandiert sind. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die genannten Mängel durch Erhitzen der partikelförmigen Einlagerungsverbindungen in einem homogenen Temperaturfeld in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne behoben werden können. Unter diesen Bedingungen ist die Bildungsge schwindigkeit flüchtiger Verbindungen wesentlich grösser als die den Verlustanteil bestimmende Diffusionsgeschwin digkeit, so dass sich ein hoher eine grosse Expansion der Partikel bewirkender Binnendruck aufbaut. Grosse Aufheizgeschwindigkeiten werden nach der Erfindung durch grosse Energieflussdichten während der Aufheizperiode erreicht. Die tatsächliche Erhitzungszeit der Einlagerungsverbindung beträgt einige Millisekunden. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen und einer Zeichnung erläutert. In der Zeichnung ist 1 ein Vorratsbehälter zur Aufnahme der partikelförmigen Graphiteinlagerungsverbindung, die über die Zellenradschleuse 2 auf ein Trasportband 3 aufgegeben wird, dessen Geschwindigkeit in bekannter Weise, beispielsweise durch Drehzahl änderung des Antriebsmotors geregelt werden kann. Die Höhe der aufgeschütteten Schicht 4, die maximal 10 mm beträgt, wird durch den Schieber 5 begrenzt. Der Obergurt 6 des Transportbands 3 ist über den grössten Teil seiner Erstreckung von einem Mantel 7 umschlossen, in den Gruppen von Strahlern 8 und in Bewegungsrichtung vor und hinter den Strahlern Kühlelemente 9 zur Kühlung des Obergurts eingelassen sind. Die expandierten Graphitpartikel 10 werden in einen Bunker 11 gefördert, der zeichnerisch nicht ausgeführt ist. Beispiel 1 Eine etwa 1 mm dicke Schicht aus einer Graphiteinlagerungsverbindung wurde auf einem Transportband aufgeschüttet, wobei das Flächengewicht etwa 100 g/m2 betrug, und mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,5 m/s durch eine aus ober- und unterhalb des Obergurts angeordnete, durch Infrarotstrahler gebildete Strahlungszone bewegt. Die 2 Strahlungsflussdichte betrug 800 kW/in , die Verweilzeit in der Strahlungszone 0,4 s. Der durch Zersetzung der Einlagerungsverbindung gebildete expandierte Graphit hatte einen Expansionsgrad von 500 und eine Schüttdichte von ca. 1,2 g/l. Der spezifische Energieaufwand betrug etwa 0,8 kWh/kg. Beispiel 2 Eine 4 mm dicke Schicht aus einer Graphiteinlagerungsverbindung wurde auf einem aus Keramikfasern bestehenden Transportband ausgelegt und durch eine aus Mikrowellen- strahlern gebildete Strahlungszone bewegt. Die Strahlungsflussdichte betrug 500 kW/m2, die Geschwindigkeit des Transportbandes etwa 0,02 m/s. Der gebildete expandierte Graphit hatte einen Expansionsgrad von 400 und eine Schüttdichte von ca. 1,5 g/l. Der spezifische Energiebedarf war 2,1 kWh/kg. Beispiel 3 Eine Schicht aus einer Graphiteinlagerungsverbindung 2 mit einem Flächengewicht von ca. 20 ein wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s durch eine Heizzone mit einem Kohlendioxid-Laser mit einer Leistung von 2 kW bewegt. Der Laserstrahl wird über ein Spiegelsystem zeilenförmig über die Schicht geführt, wobei 2 die Strahlungsflussdichte ca. 6000 kW/m2 beträgt. Der Expansionsgrad war grösser als 500, der spezifische Energieaufwand ca. 8,3 kWh/kg. Die nach den Beispielen hergestellten expandierten Graphitpartikel weisen eine hohe Bildsamkeit auf und lassen sich ohne Verwendung eines Binders, beispielsweise durch Walzwerke, zu flexiblen Folien grosser Festigkeit formen.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen expandierter Graphitpartikel, bei welchem Graphiteinlagerungsverbindungen durch die Einwirkung von Wärmeenergie zersetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schichten mit einer Dicke von höchstens 10 mm ausgebreiteten partikelförmigen Graphitein lagerungsverbindungen einer Strahlung ausgesetzt werden, deren Flussdichte wenigstens 500 kW/m2 beträgt. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Strahlung ein Strahler aus der Gruppe Infrarotstrahler, Mikrowellenstrahler, Laser verwendet wird.

Inventors: HIRSCHVOGEL, ALFRED, ZIMMERMANN, HELMUT
Applicants: SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH
Application year: 1982
Main classification: C04B35
IPC codes: C04B35, C01B31, B01J8