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DE102009051434A1 - Molded body made of highly conductive molding mass that contains a plastic and a filler incorporated into the plastic, useful as sealing including ring, bracelet and rubber gasket, as bipolar plate for an electrochemical cell, and as pipe - Google Patents

Molded body made of highly conductive molding mass that contains a plastic and a filler incorporated into the plastic, useful as sealing including ring, bracelet and rubber gasket, as bipolar plate for an electrochemical cell, and as pipe Download PDF

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DE102009051434A1
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shaped body
plastic
molding
filler
body according
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DE102009051434A
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German (de)
Inventor
Thorsten Derieth
Volker Kniep
Peter Dr.-Ing. Beckhaus
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ZENTRUM fur BRENNSTOFFZELLEN TECHNIK GmbH
Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
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ZENTRUM fur BRENNSTOFFZELLEN-TECHNIK GmbH
ZENTRUM fur BRENNSTOFFZELLEN TECHNIK GmbH
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Abstract

Molded body (I) made of highly conductive molding mass that contains at least one plastic and at least one filler incorporated into the plastic, is claimed, where the mass fraction of the filler at the molding mass is at least 50% and (I) is homogeneously formed. An independent claim is included for producing (I) comprising homogeneously incorporating the filler into the plastic, and shaping the molding mass by a molding or forming process.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus hochleitfähiger Formmasse, die mindestens einen Kunststoff und mindestens einen in den Kunststoff eingearbeiteten Füllstoff enthält, wobei die Formmasse elektrisch leitend, thermisch leitend und thermoformbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochleitfähiger Formmasse.The invention relates to a molded article of highly conductive molding composition, which contains at least one plastic and at least one filler incorporated in the plastic, wherein the molding compound is electrically conductive, thermally conductive and thermoformable, and a method for producing a molded article of highly conductive molding material.

Bei der Formmasse handelt es sich um ein Verbundmaterial, welches auch als Compound bezeichnet wird. Verbundmaterialien sind Gemische aus Grundstoffen, denen zusätzliche Füllstoffe, Additive oder dergleichen beigemischt werden. Es wird zwischen homogenen und heterogenen Gemischen unterschieden. Durch die Mischung werden mindestens zwei Stoffe miteinander verbunden, wobei die Eigenschaften der Mischung durch die Auswahl der Grundstoffe und der Füllstoffe sowie deren Mischungsverhältnis je nach Einsatzgebiet gezielt modifiziert werden können. Auf diese Weise können beispielsweise Kunststoffe mit Füllstoffen vermischt werden, die elektrisch und thermisch leitend sind, wodurch auch die entstehende Formmasse elektrisch und thermisch leitend wird.The molding compound is a composite material, which is also referred to as a compound. Composite materials are mixtures of raw materials to which additional fillers, additives or the like are admixed. There is a distinction between homogeneous and heterogeneous mixtures. By mixing at least two substances are interconnected, the properties of the mixture by the selection of the raw materials and the fillers and their mixing ratio depending on the application can be selectively modified. In this way, for example, plastics can be mixed with fillers which are electrically and thermally conductive, whereby the resulting molding compound is electrically and thermally conductive.

Formkörper aus elektrisch und thermisch leitfähiger Formmasse sind für unterschiedliche Anwendungen bekannt und eignen sich in Form von flachen Platten oder Folien etwa für den Einsatz als Bipolarplatten in elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen. Metalle scheiden aufgrund der hochkorrosiven Umgebung innerhalb von elektrochemischen Zellen aus, während ein Verbundmaterial aus einem Kunststoff und einem leitfähigen Füllstoff wie Kohlenstoff diesen Anforderungen genügt.Shaped bodies of electrically and thermally conductive molding compound are known for different applications and are suitable in the form of flat plates or foils, for example for use as bipolar plates in electrochemical cells, such as fuel cells. Metals segregate within electrochemical cells due to the highly corrosive environment, while a composite of a plastic and a conductive filler such as carbon meets these requirements.

Neben einer hohen chemischen Beständigkeit müssen Formkörper, die als Bipolarplatten in elektrochemischen Zellen eingesetzt werden sollen, eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen, um einen hohen Wirkungsgrad und eine ausreichende Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Da die elektrische und thermische Leitfähigkeit bei einem Verbundmaterial, welches einen Kunststoff und einen leitfähigen Füllstoff enthält, im Wesentlichen durch den Füllstoff bestimmt wird, sind oftmals relativ hohe Anteile an Füllstoff notwendig um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.In addition to high chemical resistance, molded articles which are to be used as bipolar plates in electrochemical cells must have high electrical and thermal conductivity in order to ensure high efficiency and sufficient heat dissipation. Since the electrical and thermal conductivity of a composite material containing a plastic and a conductive filler is substantially determined by the filler, relatively high levels of filler are often necessary to achieve the desired properties.

Zur Erreichung höherer Spannungen und Leistungen werden regelmäßig mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem Stapel, auch Stack genannt, zusammengeführt und in Reihe geschaltet. In diesem Fall handelt es sich bei Bipolarplatten um ein Wiederholelement, welches häufig den Hauptanteil an dem Volumen und dem Gewicht der Zelle ausmacht. Daher ist neben der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit eine weitere Anforderunge an Bipolarplatten, dass diese möglichst flach und platzsparend ausgebildet sind. Gleichzeitig müssen die Bipolarplatten mechanisch stabil sein, da sie zur Erreichung eines geringen Übergangswiderstands zu benachbarten Bauteilen unter hohem Druck zu Stacks zusammengehalten werden.To achieve higher voltages and power several individual fuel cells are regularly combined to form a stack, also called stack, and connected in series. In this case, bipolar plates are a repeat element, which often accounts for the majority of the volume and weight of the cell. Therefore, in addition to the good electrical and thermal conductivity another requirement of bipolar plates that they are as flat and space-saving design. At the same time, the bipolar plates must be mechanically stable, since they are held together to achieve a low contact resistance to adjacent components under high pressure to stacks.

Die US 2007/0125493 A1 offenbart eine Bipolarplatte, die aus zwei Bipolar-Halbplatten aus flexiblen Graphitschichten besteht und in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden soll. Die Bipolar-Halbplatten werden mit einem Harz zu einer Bipolarplatte zusammengeklebt, wobei das Harz durch den Zusatz von Füllstoffen wie Kohlenstoff oder Metall eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Bipolar-Halbplatten ausbildet. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten aus Bipolar-Halbplatten beschrieben, bei dem zwei Schichten aus flexiblem, leitfähigem Material kontinuierlich abgerollt und mit einem elektrisch leitfähigen Harz verklebt werden.The US 2007/0125493 A1 discloses a bipolar plate consisting of two bipolar half-plates of flexible graphite layers and intended to be used in a fuel cell. The bipolar half-plates are glued together with a resin to a bipolar plate, wherein the resin forms an electrically conductive connection between the two bipolar half-plates by the addition of fillers such as carbon or metal. Furthermore, a method for the production of bipolar plates from bipolar half-plates is described in which two layers of flexible, conductive material are continuously unrolled and bonded with an electrically conductive resin.

Nachteilig für die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist der laminare Aufbau der Bipolar-Halbplatten, bei dem Schichten unterschiedlicher Materialien wie Graphit und Harz zusammengefügt werden.A disadvantage of the electrical and thermal conductivity is the laminar structure of the bipolar half-plates, in which layers of different materials such as graphite and resin are joined together.

Aus der DD 288 076 A7 sind eine leitfähige Compoundfolie aus einer Mischung von Ehtylen-Vinylacetat, Polyethylen und 35%–40% Ruß, sowie ein Verfahren zur Herstellung und Nachbehandlung der Folie bekannt. Bei der Herstellung der Compoundfolie werden zunächst die Komponenten miteinander vermischt und granuliert. Anschließend wird eine Blasfolie gefertigt, die dann über verschiedene Walzen geführt wird und dabei bestrahlt und in Längsrichtung gereckt wird. Die Bestrahlung bewirkt eine Vernetzung der Folie.From the DD 288 076 A7 are known a conductive compound film of a mixture of ethylene-vinyl acetate, polyethylene and 35% -40% carbon black, and a method for producing and post-treating the film. In the preparation of the compound film, the components are first mixed together and granulated. Subsequently, a blown film is produced, which is then guided over different rollers and thereby irradiated and stretched in the longitudinal direction. The irradiation causes a cross-linking of the film.

Auf Blasfolienanlagen können sehr dünne Folien aus thermoplastischen Kunststoffen erzeugt werden. Ein großer Anteil an Füllstoffen wie Ruß ist für eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit der Formmasse unverzichtbar, verändert jedoch ihre Eignung zur Weiterverarbeitung. Insbesondere bei der Blasfolienherstellung können hohe Füllstoffanteile nicht realisiert werden, da beim Einblasen von Luft in den Folienschlauch leicht Risse oder Löcher entstehen können, wenn der Füllstoffanteil eine bestimmte Grenze überschreitet.On blown film lines very thin films of thermoplastic materials can be produced. A large proportion of fillers such as carbon black is indispensable for high electrical and thermal conductivity of the molding compound, but changes its suitability for further processing. Particularly in the production of blown film, it is not possible to achieve high filler proportions, since cracks or holes can easily form when air is blown into the film tube if the proportion of filler exceeds a certain limit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Formkörper sowie das Verfahren zu seiner Herstellung so auszugestalten und weiterzubilden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden und insbesondere eine höhere thermische und mechanische Leitfähigkeit bei flacher Bauweise und hoher mechanischer Festigkeit des Formkörpers erreicht werden.The invention is therefore based on the object, the above-mentioned molded article and the process for its preparation in such a way and further that the known from the prior art disadvantages are avoided and in particular a higher thermal and mechanical conductivity in a flat design and high mechanical strength of the molding can be achieved.

Diese Aufgabe wird bei einem Formkörper nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Massenanteil des Füllstoffs an der Formmasse wenigstens 50% beträgt und dass der Formkörper homogen ausgebildet ist.This object is achieved in a molding according to the preamble of claim 1, characterized in that the mass fraction of the filler in the molding composition is at least 50% and that the molding is homogeneously formed.

Der hohe Massenanteil des Füllstoffes ermöglicht eine besonders gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, die reine Kunststoffe gewöhnlich nicht aufweisen. Die homogene Ausbildung des Formkörpers ermöglicht es zudem, dass die durch den hohen Füllstoffanteil erzielten Eigenschaften nicht nur lokal, beispielsweise in bestimmten Schichten eines laminaren Aufbaus, sondern im gesamten Bereich des Formkörpers vorliegen. Durch die so erzielten Eigenschaften kann der Formkörper etwa im Bereich der Photoabsorption, der Solarthermie und in korrosiver Umgebung eingesetzt werden. Die Formmasse kann insbesondere thermoplastisch oder polymerblend-basiert beschaffen sein.The high mass fraction of the filler allows a particularly good electrical and thermal conductivity, the pure plastics usually do not have. The homogeneous formation of the shaped body also makes it possible that the properties achieved by the high filler content are present not only locally, for example in certain layers of a laminar structure, but in the entire region of the shaped body. Due to the properties thus obtained, the shaped body can be used in the area of photoabsorption, solar thermal energy and in a corrosive environment. In particular, the molding composition may be thermoplastic or polymer blend-based.

Eine besonders gute Leitfähigkeit wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erreicht, indem als Füllstoff Kohlenstoff, insbesondere in mindestens einer der folgenden Erscheinungsformen verwendet wird: synthetische Graphite, Naturgraphite, Ruße, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanofasern, einwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, Graphen.A particularly good conductivity is achieved according to an embodiment of the invention by using as filler carbon, in particular in at least one of the following manifestations: synthetic graphites, natural graphites, carbon blacks, carbon fibers, carbon nanofibers, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, graphene.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass als Kunststoff mindestens einer der folgenden Stoffe verwendet wird: Polymere, Elastomere, thermoplastische Copolyester, thermoplastische Copolyamide.Another teaching of the invention provides that at least one of the following substances is used as the plastic: polymers, elastomers, thermoplastic copolyesters, thermoplastic copolyamides.

Aus der Gruppe der Polymere können insbesondere amorphe, teilkristalline und flüssigkristalline thermoplastische Polymere eingesetzt werden. Thermoplastische Elastomere haben den Vorteil, dass sie sich wie Thermoplaste verarbeiten lassen und in einem vorgegebenen Temperaturbereich elastische Eigenschaften haben. Die Elastomere können insbesondere Polyolefin-Elastomere aus Polypropylen (PP) und Naturgummi (NR) sein. Ebenso können thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPE-O oder TPO), wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (PP/EPDM) und/oder vernetzte thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPE-V oder TPV), wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (PP/EPDM) und/oder thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis (TPE-U oder TPU) und/oder thermoplastische Copolyester (TPE-T oder TPC) verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können Styrol-Blockcopolymere wie SBS, SEES, SEPS, SEEPS, MBS (TPE-S oder TPS) und/oder thermoplastische Copolyamide (TPE-A oder TPA) eingesetzt werden. Alle genannten Kunststoffe können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander verwendet werden. Insbesondere kann als Kunststoff ein PP/EPDM-Blend verwendet werden, das die Produkteigenschaften der thermoplastischen Elastomere (Polypropylen, PP), etwa die gute Verformbarkeit bei Wärme, mit den guten Materialeigenschaften des EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), das zudem kostengünstig in der Beschaffung ist, verbindet.In particular, amorphous, semi-crystalline and liquid-crystalline thermoplastic polymers can be used from the group of polymers. Thermoplastic elastomers have the advantage that they can be processed like thermoplastics and have elastic properties in a given temperature range. The elastomers may in particular be polyolefin elastomers of polypropylene (PP) and natural rubber (NR). Also, olefin-based thermoplastic elastomers (TPE-O or TPO), such as ethylene-propylene-diene rubber (PP / EPDM) and / or cross-linked olefin-based thermoplastic elastomers (TPE-V or TPV), such as ethylene-propylene-diene Rubber (PP / EPDM) and / or urethane-based thermoplastic elastomers (TPE-U or TPU) and / or thermoplastic copolyesters (TPE-T or TPC). Alternatively or additionally, styrene block copolymers such as SBS, SEES, SEPS, SEEPS, MBS (TPE-S or TPS) and / or thermoplastic copolyamides (TPE-A or TPA) can be used. All plastics mentioned can be used individually or in any combination with each other. In particular, can be used as a plastic PP / EPDM blend, the product properties of the thermoplastic elastomers (polypropylene, PP), such as the good heat deformation, with the good material properties of the EPDM (ethylene-propylene-diene monomer), which also is inexpensive in procurement, connects.

Es ist nach einer weiteren Lehre der Erfindung vorgesehen, dass der Massenanteil des Füllstoffs an der Formmasse 50%–95% beträgt. Die Steigerung des Füllstoffanteils auf bis zu 95% stellt zwar erhöhte Anforderungen an die Verarbeitung der Formmasse, ermöglicht jedoch hervorragende elektrische und thermische Leitwerte. Insbesondere bei der Verwendung von Graphit als Füllstoff kann der Massenanteil des Füllstoffs an der Formmasse 65–90% betragen.It is provided according to another teaching of the invention that the mass fraction of the filler in the molding composition is 50% -95%. Increasing the filler content up to 95% places increased demands on the processing of the molding compound, but allows excellent electrical and thermal conductivities. In particular, when using graphite as a filler, the mass fraction of the filler in the molding compound may be 65-90%.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Formmasse einen elektrischen Leitwert im Bereich von 0,1 mS/cm bis 100 S/m aufweist.In a further embodiment of the invention, it is provided that the molding compound has an electrical conductance in the range of 0.1 mS / cm to 100 S / m.

Die Lehre der Erfindung hat ferner erkannt, dass die Formmasse einen thermischen Leitwert im Bereich von 0,1 W/mK bis 30 W/mK aufweist.The teaching of the invention has further recognized that the molding compound has a thermal conductivity in the range of 0.1 W / mK to 30 W / mK.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Formkörper eine hohlzylindrische Form aufweist. Der Formkörper kann beispielsweise als ein Rohr, insbesondere als ein Rohr für Geothermieanwendungen ausgestaltet sein. Bei Rohren sind auch weitere Anwendungen bekannt, bei denen elektrisch und thermisch leitfähige Rohre im Vergleich zu reinen Kunststoffrohren vorteilhaft sind. So können Rohre, welche thermisch leitfähig sind, besonders gut Wärme aufnehmen und abgeben und sind somit beispielsweise als Wärmetauscher einsetzbar.A further embodiment of the invention provides that the shaped body has a hollow cylindrical shape. The shaped body can be designed, for example, as a pipe, in particular as a pipe for geothermal applications. In pipes, other applications are known in which electrically and thermally conductive pipes are advantageous compared to pure plastic pipes. For example, pipes which are thermally conductive can absorb and release heat particularly well and can thus be used, for example, as heat exchangers.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Formkörper als Dichtung ausgebildet ist. Die Dichtung kann schnurförmig, beispielsweise als Ring, Band oder dergleichen ausgeführt sein und – anders als eine Gummidichtung – eine elektrisch und thermisch leitende Verbindung zwischen den abzudichtenden Flächen ausbilden. Eine derartige Dichtung kann sogar eine elektrisch und thermisch leitende Verbindung zwischen sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen herstellen und somit eine Stromversorgung zwischen diesen Bauteilen aufbauen.Another teaching of the invention provides that the shaped body is designed as a seal. The seal may be cord-shaped, for example designed as a ring, band or the like and - unlike a rubber seal - form an electrically and thermally conductive connection between the surfaces to be sealed. Such a seal can even produce an electrically and thermally conductive connection between relatively moving components and thus build a power supply between these components.

Es ist nach einer weiteren Lehre der Erfindung vorgesehen, dass der Formkörper als Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle ausgebildet ist. Die elektrochemische Zelle kann insbesondere als Brennstoffzelle ausgebildet sein. Dazu wird weiter vorgeschlagen, dass die Bipolarplatte eine Dicke von 0,5 mm–5 mm aufweist. Eine besonders geringe Dicke ermöglicht eine kosten- und platzsparende Bauweise von Brennstoffzellen, was insbesondere aufgrund der stapelweisen Anordnung der Bipolarplatten zu Stacks bedeutsam ist. Der Formkörper kann auch als elektrisch und thermisch hochleitfähige kunststoffgebundene und thermoformbare Folie ausgestaltet sein.It is provided according to a further teaching of the invention that the shaped body is designed as a bipolar plate for an electrochemical cell. The electrochemical cell can be designed in particular as a fuel cell. This will be further proposed that the bipolar plate has a thickness of 0.5 mm-5 mm. A particularly small thickness allows a cost and space-saving design of fuel cells, which is particularly important because of the stacked arrangement of the bipolar plates to stacks. The molded body can also be designed as electrically and thermally highly conductive plastic-bonded and thermoformable film.

Verfahrensmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe durch die folgenden Schritte:

  • – Homogenes Einarbeiten des Füllstoffs in den Kunststoff,
  • – Formgebung der Formmasse durch ein Urformverfahren und
  • – Formgebung der Formmasse durch ein Umformverfahren.
Procedurally, the solution of the task by the following steps:
  • Homogeneous incorporation of the filler into the plastic,
  • - Forming the molding material by a primary molding process and
  • - Forming the molding material by a forming process.

Die Formkörper können grundsätzlich durch sämtliche Ur- und Umformverfahren hergestellt werden. Sowohl ein kontinuierlicher Prozess wie Extrusion als auch eine diskontinuierliche Verarbeitung, insbesondere in einem Kneter, ist möglich.The moldings can in principle be produced by all original and forming processes. Both a continuous process such as extrusion as well as a discontinuous processing, especially in a kneader, is possible.

Zu den kontinuierlichen Prozessen zählen insbesondere Strangextrusion, Rohrextrusion, Folienblasextrusion, Kalandrieren und Kalandrierprägen. Bei der Strangextrusion können beispielsweise Profile für den Bau von Wärmetauschern hergestellt werden. Die Rohrextrusion dient etwa zur Extrusion von Rohren und Schläuchen, die beispielsweise als Abschirmung von Signalleitungen verwendet werden können. Durch Folienblasextrusion können Folien zur Auskleidung von Gehäusen in Anwendungsbereichen wie elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) oder elektrostatische Entladung (ESD) hergestellt werden. Ebenso können Folien oder Tafeln durch Kalandrierung des Extrudates zu Platten als Gehäuseteile oder Bestandteile elektrochemischer Zellen geformt werden. Durch Kalandrierprägen kann die Formgebung gleichzeitig mit der Einbringung einer Struktur für Bestandteile elektrochemischer Zellen erfolgen.The continuous processes include in particular extrusion extrusion, pipe extrusion, film extrusion, calendering and calendering embossing. In extruded extrusions, for example, profiles for the construction of heat exchangers can be produced. The pipe extrusion is used for example for the extrusion of pipes and hoses, which can be used for example as a shielding of signal lines. Film bubble extrusion can be used to produce films for lining enclosures in applications such as electromagnetic compatibility (EMC) or electrostatic discharge (ESD). Likewise, sheets or sheets may be formed by calendering the extrudate into sheets as housing parts or components of electrochemical cells. By calendering embossing, the shaping can take place simultaneously with the introduction of a structure for components of electrochemical cells.

Bei den diskontinuierlichen Prozessen werden insbesondere Spritzgießen, Heißpressen, Heißprägen und Tiefziehen vorgeschlagen. Durch Spritzgießen oder Heißprägen kann etwa die Formgebung zu Gehäuseteilen oder Bestandteilen elektrochemischer Zellen erfolgen. Das Heißprägen kann insbesondere zur nachträglichen Formgebung an vorgefertigten Bauteilen oder Halbzeugen eingesetzt werden. Insbesondere die Formgebung von kalandrierten Folien und/oder Tafeln zu Bauteilen oder Halbzeugen kann durch Tiefziehen erfolgen.In the batch processes, in particular injection molding, hot pressing, hot stamping and deep drawing are proposed. By injection molding or hot stamping, for example, shaping to housing parts or components of electrochemical cells can take place. The hot stamping can be used in particular for subsequent shaping of prefabricated components or semi-finished products. In particular, the shaping of calendered films and / or sheets to components or semi-finished products can be done by deep drawing.

Auch andere Verfahren wie Prägen, Thermoprägen und Strukturprägen finden bevorzugt Anwendung.Other methods such as embossing, thermal impressions and structure embossing are preferably used.

Eine Lehre der Erfindung schlägt bezüglich des Verfahrens vor, dass die Formmasse vor der Formgebung temperiert wird. Die Einstellung der optimalen Temperatur kann durch Druck, innere Reibung, Kühlung, Beheizung oder dergleichen erreicht werden und gewährleistet eine bestmögliche Herstellung.A teaching of the invention proposes with respect to the method that the molding material is tempered before molding. The setting of the optimum temperature can be achieved by pressure, internal friction, cooling, heating or the like and ensures the best possible production.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Formgebung der Formmasse durch Kalandrieren und/oder Extrudieren erfolgt.Further embodiments of the invention provide that the shaping of the molding compound takes place by calendering and / or extruding.

Die Herstellung kann insbesondere in einem Einwellenextruder, Doppelschneckenextruder, Vielwellenextruder, Planetwalzenextruder oder Ko-Kneter erfolgen, wobei die Doppelschneckenextruder gleich- oder gegenläufig betrieben werden können. Es können sämtliche Monoextrusionswerkzeuge, Coextrusionswerkzeuge und Kautschukextrusionswerkzeuge eingesetzt werden. Die Formmasse kann sowohl durch Direkt- oder Masterbatch-Compounding hergestellt werden, wozu Premix, Splitfeed oder Colour-Matching-Varianten zählen.The preparation can be carried out in particular in a single-screw extruder, twin-screw extruder, multi-screw extruder, planetary roller extruder or Ko-kneader, the twin-screw extruder can be operated in the same or opposite directions. All monoextrusion tools, coextrusion tools and rubber extrusion tools can be used. The molding compound can be prepared by either direct or masterbatch compounding, including premix, split feed, or color matching variants.

Es können Kalander beliebiger Bauart mit mindestens zwei Rollen oder Walzen benutzt werden, die bevorzugt temperierbar sind, deren Spaltmaße und Kalandriergeschwindigkeiten variabel gestaltbar sind, und die mit Formeinsätzen ausrüstbar sind. Bei der Herstellung von kalandrierten Bipolarplatten werden Zykluszeiten von unter 2 Sekunden erreicht.It can calenders of any design with at least two rollers or rollers are used, which are preferably tempered, the gap dimensions and calendering speeds are variable shaped, and which can be equipped with mold inserts. In the manufacture of calendered bipolar plates, cycle times of less than 2 seconds are achieved.

Schließlich liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass eine besonders hohe mechanische Festigkeit des Formkörpers erreicht wird, wenn die Formmasse nach der Formgebung durch Nachvernetzung mechanisch stabilisiert wird. Es ist möglich, dass die Nachvernetzung durch Strahlung erfolgt, was auch als Strahlenvernetzung bezeichnet wird. Bei der Strahlenvernetzung wird insbesondere Alpha- und/oder Betastrahlung eingesetzt.Finally, the invention is based on the finding that a particularly high mechanical strength of the molding is achieved if the molding composition is mechanically stabilized after the molding by post-crosslinking. It is possible that the post-crosslinking takes place by radiation, which is also referred to as radiation crosslinking. In the case of radiation crosslinking, in particular alpha and / or beta radiation is used.

Die hohe Flexibilität der Formmasse ist bei der Verarbeitung und Formgebung notwendig und erwünscht, um den Formkörper beliebig verformen zu können, ohne dass Risse oder dergleichen entstehen. Wenn jedoch das Endprodukt, etwa eine Bipolarplatte für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen muss, soll die Formmasse verfestigt werden. Dies kann beispielsweise durch Strahlenvernetzung geschehen. Durch die Energie der eingesetzten Strahlung, die im Formkörper absorbiert wird, findet eine Vernetzung statt, welche die Moleküle aneinander bindet und deren Beweglichkeit stark einschränkt. Der Kunststoff wird so in einen duroplastischen bzw. thermoelastischen Zustand überführt und bleibt auch bei erhöhter Wärmezufuhr weitgehend formstabil. Durch Strahlenvernetzung werden insbesondere die Reißfestigkeit, die Temperaturbeständigkeit, die Druckbeständigkeit und die Chemikalienbeständigkeit verbessert.The high flexibility of the molding compound is necessary and desirable in the processing and shaping in order to be able to deform the molding as desired without causing cracks or the like. However, if the end product, such as a bipolar plate for electrochemical cells, in particular fuel cells, must have a high mechanical strength, the molding material should be solidified. This can be done for example by radiation crosslinking. Due to the energy of the radiation used, which is absorbed in the molding, a cross-linking takes place, which binds the molecules together and severely restricts their mobility. The plastic is thus transferred to a thermoset or thermoelastic state and remains largely dimensionally stable even with increased heat. By radiation crosslinking in particular the tear strength, the Temperature resistance, pressure resistance and chemical resistance improved.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to a drawing showing only a preferred embodiment. In the drawing show

1 den schematischen Ablauf des Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Formkörpers, in perspektivischer Ansicht, 1 the schematic sequence of the manufacturing process of a shaped body according to the invention, in perspective view,

2 ein alternatives Herstellungsverfahren eines eine Struktur aufweisenden Formkörpers, in Seitenansicht, 2 an alternative production method of a structure-containing molding, in side view,

3 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Formkörpers und 3 another embodiment of a shaped body according to the invention and

4A und B noch weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Formkörpern. 4A and B still further embodiments of moldings of the invention.

In 1 ist schematisch ein Extruder 1 dargestellt, in dem die homogene Formmasse erzeugt wird. Dazu werden zunächst mindestens ein Kunststoff und mindestens ein Füllstoff in den Trichter 2 eingefüllt. Die Edukte liegen häufig als Granulat vor und lassen sich somit gut dosieren. Eine Schneckenwelle 3 fördert die Edukte, also das Kunststoffgranulat und das Füllstoffgranulat voran, wobei sie durch Beheizung und innere Reibung aufgeschmolzen und homogenisiert werden.In 1 is schematically an extruder 1 represented in which the homogeneous molding material is produced. For this purpose, first at least one plastic and at least one filler in the funnel 2 filled. The educts are often present as granules and can thus be well dosed. A worm shaft 3 promotes the educts, ie the plastic granules and the filler granules, wherein they are melted and homogenized by heating and internal friction.

Am Auslass des Extruders 1 ist im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Schlitzdüse 4 montiert, durch die die in dem Extruder 1 entstandene Formmasse unter hohem Druck gepresst wird. Die Schlitzdüse 4 bringt die Formmasse in die Form einer ebenen und flachen Bahn 5, gestrichelt angedeutet, die für die weitere Verarbeitung zwischen den Walzen eines Kalanders 6 geeignet ist und sie vereinfacht.At the outlet of the extruder 1 is in the illustrated and preferred embodiment, a slot nozzle 4 mounted by the in the extruder 1 resulting molding material is pressed under high pressure. The slot nozzle 4 brings the molding compound in the form of a flat and flat track 5 indicated by dashed lines, for further processing between the rollers of a calender 6 is suitable and simplifies it.

Der Kalander 6 weist mehrere Walzen auf, zwischen denen ein Spalt ausgebildet ist. Der Abstand des Spaltes kann regelbar sein. Die Anzahl und Anordnung der Walzen oder Rollen kann je nach Bedarf variieren; zudem können die Walzen beheizt sein. Die durch die Schlitzdüse 4 bereits vorgeformte Bahn 5 wird durch den Schlitz zwischen den Walzen des Kalanders 6 geführt und dabei zu einem dünnen Band oder einer Folie geformt und abschließend zu Platten 7 vereinzelt. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Kalandrieren.The calender 6 has several rollers, between which a gap is formed. The distance of the gap can be regulated. The number and arrangement of rollers or rollers may vary as needed; In addition, the rollers can be heated. The through the slot nozzle 4 already preformed web 5 is through the slot between the rollers of the calender 6 guided and thereby formed into a thin tape or foil and finally to plates 7 sporadically. This process is also called calendering.

2 zeigt ein weiteres – stark schematisiertes – Ausführungsbeispiel der Herstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers, der auch mit einer Struktur versehen sein kann. Dazu wird eine flache Bahn 5' einem Walzenpaar 6' zugeführt, bei dem die Walzen mit Ausnehmungen 8 versehen sind, so dass das die Walzen 6' verlassende Band entsprechende nicht näher bezeichnete Erhebungen aufweist. Das Band kann dann auf bekannte Weise mittels einer Schneideinrichtung 9 zu einzelnen Strukturplatten 7' vereinzelt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch ohne weiteres möglich, auch wenn nicht dargestellt, die Kalanderwalzen zusätzlich oder alternativ zu den Ausnehmungen 8 mit leichten Erhebungen auszugestalten, um in der Bahn korrespondierende Vertiefungen zu erzeugen. 2 shows another - highly schematic - embodiment of the production of a shaped body according to the invention, which may also be provided with a structure. This will be a flat track 5 ' a pair of rollers 6 ' supplied, in which the rollers with recesses 8th are provided, so that the rollers 6 ' leaving tape corresponding unspecified surveys has. The tape can then be cut in a known manner by means of a cutting device 9 to individual structural plates 7 ' to be isolated. In the context of the invention, it is also readily possible, even if not shown, the calender rolls additionally or alternatively to the recesses 8th to design with slight elevations in order to produce in the path corresponding recesses.

Bei den eine Struktur aufweisenden Platten 7' kann es sich beispielsweise um Bipolarplatten handeln, die nach dem Kalandrieren auf eine gewünschte Länge und Breite zugeschnitten werden können.In the structure having plates 7 ' For example, they may be bipolar plates that can be cut to a desired length and width after calendering.

Nach erfolgter Formgebung kann die aus der Formmasse entstandene Bipolarplatte mechanisch stabilisiert werden.After shaping, the bipolar plate formed from the molding compound can be mechanically stabilized.

Dies kann durch Strahlenvernetzung erfolgen, wodurch die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften der Bipolarplatten in weiten Schranken variiert werden können.This can be done by radiation crosslinking, whereby the mechanical, thermal and chemical properties of the bipolar plates can be varied within wide limits.

Die 3 und 4 zeigen, dass mit einer entsprechenden (nicht dargestellten) Düse eines Extruders auch hohle Formkörper hergestellt werden können. So ist in 3 ein starres Rohr 10 dargestellt, welches endlos hergestellt wird und auf eine beliebige Länge kurzbar ist. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch flexible Formkörper herstellbar, so zeigt 4A einen flexiblen Schlauch 11, der, wie in 4B dargestellt, auch als profilierter Schlauch 11' ausgebildet sein kann.The 3 and 4 show that with a corresponding (not shown) nozzle of an extruder and hollow moldings can be produced. So is in 3 a rigid tube 10 shown, which is made endless and can be shortened to any length. In the context of the invention, however, flexible moldings are produced, so it shows 4A a flexible hose 11 who, as in 4B shown, as profiled hose 11 ' can be trained.

Die wenigen Ausführungsbeispiele machen schnell deutlich, dass die vorliegende Erfindung nahezu beliebig geformte Formkörper umfasst.The few embodiments quickly make it clear that the present invention comprises almost arbitrarily shaped moldings.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (15)

Formkörper aus hochleitfähiger Formmasse, die mindestens einen Kunststoff und mindestens einen in den Kunststoff eingearbeiteten Füllstoff enthält, wobei die Formmasse elektrisch leitend, thermisch leitend und thermoformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil des Füllstoffs an der Formmasse wenigstens 50% beträgt und dass der Formkörper homogen ausgebildet istShaped body of highly conductive molding composition containing at least one plastic and at least one incorporated in the plastic filler, wherein the molding material is electrically conductive, thermally conductive and thermoformable, characterized in that the mass fraction of the filler in the molding composition is at least 50% and that the molding is formed homogeneously Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Kohlenstoff, insbesondere in mindestens einer der folgenden Erscheinungsformen verwendet wird: synthetische Graphite, Naturgraphite, Ruße, Kohlenstoff-Fasern, Kohlenstoff-Nanofasern, einwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, Graphen.Shaped body according to claim 1, characterized in that carbon is used as the filler, in particular in at least one of the following manifestations: synthetic graphites, natural graphites, carbon blacks, carbon fibers, carbon nanofibers, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, graphene. Formkörper nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff mindestens einer der folgenden Stoffe verwendet wird: Polymere, Elastomere, thermoplastische Copolyester, thermoplastische Copolyamide.Shaped body according to claim 1 or 2, characterized in that as plastic at least one of the following materials is used: polymers, elastomers, thermoplastic copolyesters, thermoplastic copolyamides. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil des Füllstoffs an der Formmasse 50%–95% beträgt.Shaped body according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mass fraction of the filler in the molding composition is 50% -95%. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse einen elektrischen Leitwert im Bereich von 0,1 mS/cm bis 100 S/m aufweist.Shaped body according to one of claims 1 to 4, characterized in that the molding composition has an electrical conductance in the range of 0.1 mS / cm to 100 S / m. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse einen thermischen Leitwert im Bereich von 0,1 W/mK bis 30 W/mK aufweist.Shaped body according to one of claims 1 to 5, characterized in that the molding composition has a thermal conductivity in the range of 0.1 W / mK to 30 W / mK. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine hohlzylindrische Form aufweist.Shaped body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the shaped body has a hollow cylindrical shape. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Dichtung ausgebildet ist.Shaped body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the shaped body is designed as a seal. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle ausgebildet ist.Shaped body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the shaped body is designed as a bipolar plate for an electrochemical cell. Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte eine Dicke von 0,5 mm–5 mm aufweist.Shaped body according to claim 9, characterized in that the bipolar plate has a thickness of 0.5 mm-5 mm. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochleitfähiger Formmasse, die mindestens einen Kunststoff und mindestens einen in den Kunststoff eingearbeiteten Füllstoff enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Homogenes Einarbeiten des Füllstoffs in den Kunststoff, – Formgebung der Formmasse durch ein Urformverfahren und – Formgebung der Formmasse durch ein Umformverfahren.A process for the production of a shaped body of highly conductive molding composition which contains at least one plastic and at least one filler incorporated in the plastic, characterized by the following steps: Homogeneous incorporation of the filler into the plastic, - Forming the molding material by a primary molding process and - Forming the molding material by a forming process. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse vor der Formgebung temperiert wird.A method according to claim 11, characterized in that the molding material is tempered before molding. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet dass die Formgebung der Formmasse durch Kalandrieren erfolgt.A method according to claim 11 or 12, characterized in that the shaping of the molding material takes place by calendering. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Formmasse durch Extrudieren erfolgt.A method according to claim 11 to 13, characterized in that the shaping of the molding compound by extrusion. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse nach der Formgebung durch Nachvernetzung mechanisch stabilisiert wird.Method according to one of claims 11 to 14, characterized in that the molding material is mechanically stabilized after shaping by post-crosslinking.
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