[发明专利]使用再利用的碳纤维从碳材料制备模制件的方法

说明书

本发明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技术领域。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℃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、沥青、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、沥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，本发明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。

根据本发明通过从包含小于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。在根据本发明的方法中，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。

在本发明的范围内，在根据本发明的方法的方法步骤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。