用于制造复合半成品的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造复合半成品的方法，该复合半成品具有包含至少一种热塑性塑料的连续相和由至少一种导电填充剂组成的分散相。本发明另外还涉及这类复合半成品的应用以及由这类复合半成品制成的电化学电池的电极。
【背景技术】
[0002]上述类型的复合半成品特别是用于制造高导电性的组件。电化学电池、比如燃料电池、氧化还原液流电池或类似电池的电极代表了其中一个应用领域。对于该应用领域和其他应用领域都期望有高含量的填充剂，因为填充剂在许多情况下提供复合半成品的重要的特性。高导热性和/或高导电性例如通过较高含量的石墨得以实现，石墨的含量典型地为复合半成品的70重量％或更多。在复合半成品的制造过程中，较高的填充剂含量随之带来自身的特点。
[0003]—个重要的特点在于填充剂在热塑性塑料的基体中的均匀分布。为此使用了挤出机或捏合机，以小球或类似形式的塑料和以精细颗粒形式的填充剂加入挤出机或捏合机。在挤出机或捏合机中热塑性塑料熔化而且填充剂机械式地嵌入塑料熔体中。该过程要求较小的混合物粘度，从而必须将塑料加热至远高于自身熔化温度。
[0004]随后可以将该复合材料挤塑成型，但是为此较低的粘度也是必需的。因此必须以非常高的程度加热塑料并且置于较高的压力下。该复合材料也可以选择性地引入砑光机，该砑光机通过多次的翻转和抛光促使复合材料再次的均匀化。该砑光过程导致复合材料在砑光机中长的停留时间，这必须与之相应地长时间地以较高程度加热该复合材料。
[0005]以相应的方式制成的复合半成品仅具有很小的热塑特性，这对于该复合半成品的后续加工是不利的。该复合半成品通常具有很小的机械强度并且难以与其他热塑性塑料连接或热焊接。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的目的在于这样设计和扩展开头提及且以上详细描述的方法，S卩，可以得到具有改善的材料特性的复合半成品。
[0007]根据权利要求1，该目的按照本发明通过一种上述类型的方法得以实现，其中，以细颗粒形式的至少一种热塑性塑料与细颗粒形式的至少一种填充剂混合，至少一种热塑性塑料的至少90重量％的颗粒以及至少一种填充剂的至少90重量％的颗粒分别小于1mm，其中，由至少一种热塑性塑料和至少一种填充剂组成的混合物加热至大于至少一种热塑性塑料的熔化温度，而且其中，已加热的材料冷却至低于至少一种热塑性塑料的凝固温度。
[0008]本发明还发现，不仅目前所采用的至少一种填充剂的颗粒大小，而且特别是至少一种热塑性塑料的颗粒大小以及在材料的实际加工之前这两种组分的混合物对于复合本成品的材料特性都具有显著的影响。令人意外的是，至少一种热塑性塑料不依赖于其初始的颗粒大小而恪化，从而形成连续相或基体，填充剂包入该连续相或基体中。在此，连续相或基体的结构特别是取决于所使用的热塑性塑料的链长和链结构，而不是取决于其颗粒大小。
[0009]结合本发明还发现，通过至少一种热塑性塑料所形成的基体结构很可能、即间接地取决于该塑料颗粒的初始颗粒大小。这归因于，在使用具有非常小的颗粒大小的塑料的情况下，按照本发明可以显著地降低加工时间和加工温度，从而不会或很少出现关于该塑料或其基体结构的分解现象。在使用更小的塑料颗粒的条件下尤其改善了热传递过程并改善了上述制成的、优选基本上均匀的由塑料颗粒和填充剂颗粒组成的混合物的可加工性。这样最终获得了复合材料，在不包括填充剂所提供的材料特性、特别是导电性的情况下，尽管非常高的填充剂含量也没有对该复合材料的材料特性(近似于至少一种热塑性塑料的材料特性)造成值得注意的不利影响，该填充剂含量大于现有技术中已知的相同组分的复合材料中的填充剂含量。也就是说，通过按照本发明的方法优选可以获得热塑性的复合半成品，该复合半成品能够像纯的热塑性塑料一样或总是以类似的方式进一步加工。
[0010]针对该目的特别优选的是，至少一种热塑性塑料的颗粒分布的至少95重量％、特别是基本上100重量％小于1_。另外，为了在实际的加工之前提供尽可能均匀的混合物同样优选的是，至少一种热塑性塑料的最大颗粒大小与至少一种填充剂的最大颗粒大小基本上是相同的。另外还优选的是，将由至少一种热塑性塑料和至少一种导电填充剂组成的混合物加热到一个温度，该温度在至少一种热塑性塑料的熔化温度以上但在其分解温度以下。在多种热塑性塑料的情况下可以使这些热塑性塑料达到一个温度，该温度在这些热塑性塑料的最高的熔化温度以上但在最低的分解温度以下。另外，将材料随后降低到一个温度，该温度在所使用的热塑性塑料的最低凝固温度以下。
[0011]在该方法的第一种优选的设计中，填充剂的材料具有至少lS/m、优选至少103S/m、特别优选至少106S/m的导电率。由较小的填充剂颗粒组成的填料可以具有相应更小的导电率。因此可以得到具有优选的特性的复合半成品。该复合半成品的导电率可选地或额外地可以为至少lS/m、优选至少100S/m、特别是至少1000S/m。但是原则上优选的是，至少一种导电填充剂的导电性大于至少一种热塑性塑料、特别是大于所有的热塑性塑料。
[0012]导电填充剂优选为碳、石墨、炭黑、碳化钛(TiC)、至少一种金属和/或至少一种金属化合物。这些填充剂由于其机械性能及其导电性特别适宜。
[0013]作为热塑性塑料常见的有例如聚烯烃，特别是聚乙烯(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)。这些材料提供了有关于复合半成品可加工性和接合的优点。特别是上述这些塑料能够容易地与其他焊接。
[0014]因此，如果至少一种填充剂在复合半成品中占较高的比例，至少一种填充剂的预期的特性很大程度上决定了复合半成品的特性。另外，由于至少一种热塑性塑料的基体结构本质上影响了材料特性，因此至少一种填充剂在复合半成品中的含量根据需求在50重量％到95重量％之间、优选在70 %到92量％之间、特别是在80 %到90量％之间。
[0015]为了改善复合半成品的可加工型，至少一种热塑性塑料的至少90重量％的颗粒和/或至少一种填充剂的至少90重量％的颗粒小于750 μ m，优选小于500 μ m、特别是小于300 μπι是适宜的。特别是在颗粒大小为150 μπι的情况下实现了最有利的结果。与之相关还优选的是，相应至少90重量％的颗粒、特别是基本上100重量％的颗粒低于上述的颗粒大小。但是在此需注意的是，通常少量的大于相应临界值的颗粒是完全可以接受的。但是，较大的颗粒适合于预先通过筛分或其他的分离方法分离。
[0016]为了实现顺利且经济的加工，可以使用滚乳机或砑光机用于材料的加热和/或冷却。与之相关地，辊乳机应理解为两个乳辊的布设而砑光机应理解为至少三个乳辊的布设。针对上述目的还适宜的是，滚乳机和/或砑光机包括一个能够加热的乳辊和至少一个能够冷却的乳辊。
[0017]与之相关地，通过将加工材料由具有较低圆周速度的更热的乳辊转移到具有较高圆周速度的更冷的乳辊上可以简单且节省材料地形成复合半成品。与之相关地也称为抽取。另外在此特别是制成板状的复合半成品。通过使用更热和更冷的概念表明了两个乳辊之间质的温度差，而不涉及针对于此的量的表述。但是特别优选的是，更热的乳辊具有的温度高于至少一种热塑性塑料的熔化温度，根据需要也可高于所有热塑性塑料的熔化温度。更冷的乳辊选择地或替代地具有低于至少一种热塑性塑料的凝固温度，根据需要也可低于所有热塑性塑料的凝固温度。
[0018]材料根据需求也可以在注塑设备中加热和冷却。这在一定情况下简化且加速了复合半成品的制造、特别是具有复杂的外部形状的复合半成品的制造。在此为了简化加工特别优选的是，在挤出机中进行加热而在注塑模中进行冷却。
[0019]材料也可以选择性地在加热之后放入阴模中并通过阳模挤压成型。该方法也称为热压成型法。通过这种方式也可以简单地制造具有复杂的外部形状和/或较大尺寸的复合半成品。在此根据需要同样可以使用挤出机用于加热。
[0020]为了能够确保复合半成品的简单的继续加工，原则上优选制造板状的复合半成品Ο
[0021]替代性或额外地还优选制造复合半成品，该复合半成品用于生产电化学电池的电极、优选氧化还原液流电池的电极、燃料电池或电解池的电极、耐化学试剂的热交换器的组件、高频率射线的隔离板，优选在医学技术的设备中、低摩擦轴承或耐热薄膜。在这些组件中可以有益地利用机械性能、高导热性和/或高导电性。
[0022]根据权利要求13，上述本发明的目的通过将根据权利要求1至12中任意一项制成的复合半成品用于制造电化学电池的电极、特别是氧化还原液流电池的电极、燃料电池或电解池的电极、作为耐化学