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Die
Erfindung betrifft in ihrer allgemeinen Ausgestaltung das Gebiet
der Behandlung von porösen Strukturen,
um sie elektrisch leitfähig
zu machen.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gebiet der Vorbehandlung
von komplexen Strukturen mit hoher Porosität, gegebenenfalls metallisiert
oder metallisch, zum Einsatz als Elektroden zur Elektrolyse strömender Flüssigkeiten,
als Detektor und Falle für
organische oder biologische Moleküle, als Träger für Elektroden von elektrochemischen
Generatoren, als Katalysatorträger,
als Filtermedien, als Schallisolatoren, elektromagnetische und nukleare
sowie antistatische Schutzstrukturen, Wärmetauscher und dergleichen.
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Die
Strukturen gemäß der Erfindung
sind schaumartig, verfilzt oder gewebt mit hochgradiger offener Porung,
was die Gestalt eines dichten Faser- oder Maschennetzes mit einer
dreidimensionale Struktur ergibt, was eine Vielzahl von offenen,
miteinander und mit der Außenseite
der Struktur verbundenen Hohlräumen
ausbildet.
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Die
schaumartigen Materialien weisen zellenartige vernetzte Strukturen
von hoher Porosität
(mehr als 80% und bis zu etwa 98%) und durch Freilegen eine offene
Porosität
auf, bei der die Maschen des Netzes insgesamt oder wenigstens mit
ihren wesentlichen Anteilen miteinander in Verbindung stehen.
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Die
Filze weisen zufällige
Verschlingungen von nicht gewebten Fasern auf (bei denen die meisten
im wesentlichen in der durch die „Matte" gebildeten Ebene angeordnet sind),
die zwischen den Fasern liegende Hohlräume von veränderlichen Ausge staltungen
und Dimensionen aufweisen, die miteinander in Verbindung stehen.
Die Fasern können,
müssen
aber nicht, durch ein Verbindungsmittel miteinander verklebt sein.
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Die
Gewebe sind Strukturen, die durch das Zusammenfügen von entweder durch Verweben
oder Verketten miteinander verflochtenen textilen Fäden oder
Fasern gebildet sind. Sie können
in der Gestalt von dicken und komplexen Strukturen vorliegen, insbesondere
wenn sie durch zwei äußere gewebte
Seiten gebildet sind, die durch Verketten mit den Fäden miteinander
verbunden sind, die sie zugleich in einem Abstand und miteinander
verbunden halten, wie es beispielsweise ausgeführt wird, um Gewebestrukturen
des Raschel-Typs zu erhalten.
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Diese
verschiedenen porösen
komplexen Strukturen, die gemäß der Erfindung über ihre
gesamte Dicke und über
ihre gesamte ausgebildete Oberfläche
ohne Beeinträchtigen
ihrer Porosität
metallisiert sein können,
können
auf der Grundlage von verschiedenen Materialien hergestellt sein.
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Bei
den schaumartigen Materialien handelt es sich um organische oder
mineralische, natürliche
oder synthetische Materialien und insbesondere um Polymere wie Polyamid,
Polyurethan (Polyester oder Polyether) oder Polypropylen.
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Bei
den Filzen oder Geweben handelt es sich gleichermaßen um organische
oder mineralische Materialien wie die vorgenannten Polymere, um
Glas-, Stein- oder Kohlefasern oder um natürliche Fasern wie Baumwolle,
Wolle oder dergleichen.
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Es
wurden bereits verschiedene Aktivierungsverfahren vorgeschlagen,
um die galvanische Metallisierung derartiger Strukturen zu ermöglichen,
zu denen gehören:
- • die
chemische Ablagerung von Metall gefolgt von einer oder mehreren
elektrochemischen Ablagerungen,
- • die
Ablagerung von Kohle- oder Grafitteilchen insbesondere in Gestalt
eines leitfähigen
Lackes oder Anstrichs, gefolgt von einer oder mehreren elektrochemischen
Ablagerungen,
- • die
metallische Ablagerung im Vakuum, insbesondere durch kathodische
Pulverisierung, Gasdiffusion oder ionische Ablagerung, gefolgt von
einer oder mehreren elektrochemischen Ablagerungen,
- • Ablagerung
durch thermische Zersetzung eines Salzes oder einer metallischen
Zusammensetzung in der Gasphase,
- • chemische
Ablagerung eines leitenden Polymers gefolgt von einer oder mehreren
elektrochemischen Ablagerungen von Metall.
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Bei
all den Fällen,
bei denen eine oder mehrere elektrochemischen Ablagerungen vorgenommen
werden sollen, ist es zweckmäßig, die
Oberfläche,
die auf galvanischem Weg metallisiert werden soll, zuvor elektrisch
leitfähig
zu machen. Dies ist die Aufgabe des Schrittes der „Leitfähigkeitsaktivierung", der bei den meisten
der vorgenannten Verfahren auftaucht (chemische Ablagerung von Metall
oder Polymeren, Ablagerung von Kohleteilchen, Ablagerung im Vakuum).
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Die
in Zusammenhang mit dem späteren
Ausführen
einer oder mehrerer elektrolytischer Ablagerungen voranstehend beschriebenen
und derzeit im industriellen Maßstab
verwendeten Aktivierungsverfahren wurden bislang nur bei porösen komplexen
Strukturen für
eine Behandlung in Gestalt von Lagen (oder Bändern) von geringer Dicke (im
Bereich von Millimetern) eingesetzt, die durch eine oder mehrere
Behandlungsräume
(chemische Bäder,
Kohlelackbäder,
Behältnisse
zur Ablagerung im Vakuum) transportiert und durchlaufen müssen. Dies
bildet sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht
die wesentlichen Beschränkungen
dieser Verfahren.
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Es
sind daher immer poröse
komplexe Strukturen in einer dünnen
Schicht (Lagen oder Bänder),
die in der Industrie aktiviert werden. Mit Ausnahme von Verfahren
mit chemischer Ablagerung sind die dünnen Schichten in Abhängigkeit
der Porosität
des behandelten Produktes, der Abmessungen seiner Poren oder Freiräume auf
Dicken im Bereich von Millimetern bis einigen Millimetern und des
Eindringvermögens
des Aktivierungsverfahrens begrenzt.
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Somit
können
schaumartige Materialien in einer Qualität von sogenannten „100 ppI" (100 Poren pro inch
in der Geraden), das heißt
etwa 40 Poren pro Zentimeter in der Geraden auf der Oberfläche, industriell
in zufriedenstellender Art und Weise lediglich mit Dicken von weniger
als etwa 5 Millimetern durch Ablagerungen im Vakuum und mit Dicken
von weniger als 3 Millimetern durch Ablagerung von Kohle- oder Grafitpulver
aktiviert werden.
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Die
französische
Patentanmeldung Nr. 98.03375 mit dem Titel „Structures poreuses complexes épaisses
rendues électriquement
conductrices, et procédé d'activation conductrice
correspondant" führt in Bezug auf
das Verfahren zur Leitfähigkeitsaktivierung
zu einem erheblichen Fortschritt. Es handelt sich um das erste Verfahren
zur Leitfähigkeitsaktivierung,
das eine Behandlung über
das gesamte Volumen der porösen
komplexen Strukturen gestattet, die in verschiedenen Dicken und
Ausgestaltungen, insbesondere in Gestalt von Blöcken oder Wickelkörpern ohne
den Vorgang der Abwicklung vorliegen können. Dies bildet einen richtigen Bruch
in Bezug auf die früheren
Vorgehensweisen. Dieses Verfahren greift auf das Prinzip der chemischen
Ablagerung von leitfähigem
Polymer zurück.
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Unter „Wickelkörper" versteht man hier
sowie nachfolgend einen Zylinder, der durch ein aufgewickeltes Band
einer porösen
Struktur gebildet ist.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum Gegenstand, die zum
praktischen Durchführen des
in dem vorgenannten Dokument 98.03375 beschriebenen Verfahrens eingerichtet
ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist insbesondere zur Behandlung von Wickelkörpern und Blöcken aus
vernetzten schaumartigen Materialien und von Wickelkörpern aus
gewebtem und nicht gewebtem Material vorgesehen.
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Bei
dem Einsatz des Verfahrens gemäß Dokument
98.03375 sind es die Behandlungslösungen, die durch die Struktur
hindurch treten, und nicht mehr diejenigen, die nacheinander bei
jedem Bad einer herkömmlichen
aufeinanderfolgenden Abfolge vorkommen.
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Die
Behandlung zur Leitfähigkeitsaktivierung
erfolgt somit über
vollständiges
Durchtränken
des Wickelkörpers
oder Blockes der zu behandelnden porösen Struktur mit verschiedenen
Lösungen,
die in die Mitte der Masse der porösen Struktur eingespritzt werden
und eingesetzt werden, um
- • die aufbereitende Vorbehandlung
der porösen
Struktur insbesondere durch Oxidation,
- • die
Ablagerung oder Anlagerung des Monomers und
- • die
Oxidation durchzuführen,
die zur Polymerisierung und gleichzeitig zum Dotieren des Monomers
führt.
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Die
zwischenfolgenden Schritte der Entwässerungen, Spülungen,
Trocknungen werden ebenfalls an der Gesamtheit des Wickelkörpers (ohne
Abwicklung) oder des Blockes durchgeführt.
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Die
Abfolge der typischen Behandlungsschritte zum Durchführen der
Aktivierung ist die Folgende:
- a) vorbereitende
Vorbehandlung der Oberfläche
der Grundstruktur,
- b) Spülen,
gegebenenfalls vervollständigt
durch Entwässern
und Trocknen,
- c) Ablagern eines Monomers, d) Entwässern,
- e) Polymerisation des Monomers durch Oxidation-Dotieren in ein
elektrisch leitfähiges
Polymer,
- f) Spülen
und Entwässern
- g) gegebenenfalls Trocknen,
wobei die verschiedenen
Schritte nacheinander über
das gesamte Volumen der zu behandelnden Struktur ausgeführt werden.
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Die
vorbereitende Vorbehandlung kann natürlich mit dem die Struktur
bildenden Material, der Dichte desselben, der Art der behandelten
porösen
Struktur und der Natur des abzulagernden Monomers variieren.
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Falls
man beispielsweise die Leitfähigkeitsaktivierung
mittels Polypyrrol auf einen Schaum von Polyurethan wünscht, ist
es vorteilhaft, vor dem Durchführen
der Ablagerung des entsprechenden Monomers, nämlich des Pyrrols, an der Struktur
eine oxidierende Vorbehandlung der Oberfläche der Zellen durchzuführen, was
man vom Grundsatz her mit dem Beizen zum Färben in der Textilindustrie
vergleichen kann.
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Zum
Vereinfachen der Beschreibung wird nachfolgend die Vorrichtung gemäß der Erfindung
auf der Grundlage der Figuren beschrieben, die zum Darstellen der
Möglichkeiten
der Ausführung
der fraglichen Vorrichtung beigefügt sind, ohne dass die Erfindung
dadurch in irgendeiner Art und Weise durch die beispielhaft vorgeschlagenen
Ausgestaltungen beschränkt
oder eingeengt sein soll.
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Dementsprechend
zeigt die 1 eine Teilansicht von der Seite
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
bei der der Reaktor bei (1) erscheint. Die 2 schlägt in Grundzügen die
Ausführung
mit verschiedenen wesentlichen Elementen der Vorrichtung in einer
Draufsicht vor.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Durchführen
der Behandlung um einen chemischen Reaktor (1) herum vorgenommen,
in den durch eine Öffnung
(2) die poröse
Struktur eingeführt
wird, die elektrisch leitfähig
gemacht werden soll.
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Die
zu behandelnde Struktur liegt entweder in der Gestalt eines Wickel-
oder Spulenkörpers,
der durch Aufrollen eines Bandes eines vernetzten, verfilzten oder
gewebten schaumartigen Materiales um sich selbst hergestellt ist,
oder in Gestalt eines Blockes eines schaumartigen Materiales vor.
Während
die grundlegende Gestalt der Wickel- oder Spulenkörper in
herkömmlicher
Weise im wesentlichen zylindrisch ist, können die Blöcke in Abhängigkeit der Ausgestaltung,
die man nach der Aktivierung oder gegebenenfalls nach der Metallisierung
zu erhalten wünscht,
verschiedenartige Gestaltungen aufweisen. Dabei können jedoch
in üblicher,
die Erfindung jedoch nicht beschränkender Art und Weise die behandelten
Blöcke
eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweisen. Die überwiegend
nachfolgend durchgeführte
Formgebung ist in der Tat das Schneiden des Blockes in Scheiben
mit verschiedenen Dicken, wobei dieser Vorgang durch Auftrennen
eines sich um seine Achse drehenden zylindrischen Blockes durchgeführt wird.
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Es
handelt sich um Blöcke
oder Wickelkörper
(4), die so eingerichtet sind, dass sie eine mittige hohle Achse
oder Nabe aufweisen, die sie von der einen Seite zu der anderen
Seite quert, in die eine einen wesentlichen Bestandteil des Reaktors
bildende Spindel (3) eingeführt ist.
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Diese
bewegliche oder unbewegliche Spindel, die in den Bereichen ihrer
Oberfläche,
die dazu bestimmt sind, mit dem Block oder Wickelkörper der
porösen
Struktur in Kontakt zu kommen, mit Löchern (5) ausgebildet
ist, erfüllt
bei der Behandlungsvorrichtung oder kann bei der Behandlungsvorrichtung
mehrere Aufgaben erfüllen:
- • Fixieren
des Wickelkörpers
oder Blockes in dem Reaktor,
- • Trägerachse
bei der Drehung des Blockes oder Wickelkörpers,
- • Injektionsweg
der Behandlungslösungen
und
- • Abführweg der
Behandlungslösungen.
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Die
Wickelkörper
oder Blöcke
der zu aktivierenden porösen
Struktur sind in dem Reaktor um die Spindel angeordnet, wie es in 1 dargestellt
ist. Zusätzlich
können
sie durch einen Korb (6), der um den Block oder den Wickelkörper angeordnet
ist und im wesentlichen dessen äußere Form
annimmt, und durch Flansche (7) gehalten werden, die ebenfalls
unterstützend
zwischen dem Korb (6) und der Spindel (3) angeordnet
sind.
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Im
Falle von zylindrischen Wickelkörpern
oder Blöcken
ist der Korb (6) in Gestalt eines Zylinders oder hohlen
Rohres ausgebildet, innerhalb dem die zu behandelnde, auf die Spindel
aufgesteckte poröse
Struktur (4) angeordnet ist. Der Korb (6) ist
vorteilhafterweise durch eine perforierte Platte, ein Faltteil oder
ein Gitter gebildet. Die Flansche (7) an den Enden des
Korbes (6) können
perforiert, aber auch vollflächig
ausgebildet sein.
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Die
Spindel (3) ist mit wenigstens einem ihrer Enden an einer
Hohlachse (8) angebracht, über die die Behandlungslösungen herangeführt werden,
um unter dem Einfluss einer Pumpe (9) zum Einspritzen und/oder Absaugen
zu zirkulieren. Diese Pumpe verbindet die Achse (8) und
die Spindel (3) mit Kanälen
(10), die zu Vorratsbehältern
(11) für
die Behandlungslösungen
führen.
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Die
Achse (8) kann weiterhin durch einen Motor (12)
zu einer Bewegung um sich selbst angetrieben werden. Wenn der Motor
(12) die Achse (8) in Bewegung versetzt, treibt
diese mit der gleichen Bewegung die Spindel (3) und den
Block oder Wickelkörper
(4) an. Entsprechend dem jeweiligen Behandlungsschritt
ist es vorteilhaft, eine Drehbewegung herbeizuführen oder nicht, wobei deren
Geschwindigkeit im übrigen
innerhalb großer
Bereiche variieren kann.
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Der
Reaktor (1) ist an seinen Wänden mit Kanälen (13)
zum Zuführen
und/oder Abführen
von Behandlungslösungen
ausgestattet.
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Gemäß der Erfindung
kann man wählen,
alle Lösungen
oder einige von diesen über
die Spindel (3) einspritzen und diese Lösungen über die Kanäle (13) in ihrer jeweiligen
Vorratsbehälter
(11) zurückzuführen, oder
in umgekehrter Weise vorzugehen, das heißt sie über die Kanäle (13) einzuspritzen
und durch Pumpen durch die Spindel (3) über die Achse (8),
die Pumpe (9) und die Kanäle (10) wiederzugewinnen.
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Es
ist ebenfalls möglich,
bei dem jeweils gleichen Behandlungsschritt ein oder mehrere Male
die Richtung des Einspritzens der Lösungen umzukehren, um im Inneren
des zu behandelnden Blockes oder Wickelkörpers eine so weit als möglich homogene
Verteilung der Lösungen
in jedem Bereich der Struktur herbeizuführen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
werden die Fluide über die
perforierte Spindel (3) durch den Block oder Wickelkörper (4)
durchgeführt.
Die Kanäle
(13) dienen dem Rückleiten
der Lösungen
in die Behälter
(11). Während
der Behandlungsphasen durch Diffusion von Lösung durch die zu behandelnde
Struktur sind die in dem oberen Bereich des Reaktors (1)
angeordneten Kanäle
(13) offen gehalten, um einen Überlauf zu gestatten, während die
mit dem unteren Teil des Reaktors verbundenen Kanäle (13)
durch ein Ventil oder Elektroventil geschlossen sind, damit sich
der Reaktor mit Lösung
füllen
und der Block oder Wickelkörper
(4) weitgehend oder vollständig durchtränkt wird.
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Gemäß einer
ebenfalls bevorzugten Ausführungsweise
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist es während
den verschiedenen Behandlungsphasen der porösen Strukturen mit den jeweils
angepassten Lösungen
vorteilhaft, dass der Block oder Wickelkörper mit einer mäßigen Geschwindigkeit
in Drehung versetzt wird, um zu einer optimalen Verteilung des Fluids
in seinem Inneren beizutragen.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist dazu vorgesehen, ein optimiertes Verfahren zur Leitfähigkeitsaktivierung
durch Ablagerung eines leitenden Polymers umzusetzen, wie es in
dem Dokument 98.03375 beschrieben ist.
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Zu
diesem Zweck ist zum Erreichen der folgenden Betriebscharakteristika
folgendes vorgesehen:
- • große Homogenität der Behandlung
während
jeder ihrer wichtigsten Schritte (vorbereitende Vorbehandlung der
Oberflächen,
Ablagerung oder Fixierung des Monomers, Polymerisation des Monomers
durch Oxidation-Dotieren), durch Verteilung der Lösungen über die
Gesamtheit der Masse der zu behandelnden Struktur im Kontakt mit
jedem Bereich der ausgebildeten Oberfläche,
- • wirkungsvolles
Entfernen der Behandlungslösungen
(und deren Wiedergewinnung), um den Verbrauch der Wirkprodukte zu
minimieren und die Struktur nicht zu verkleben und nicht zu riskieren,
diese zu beeinträchtigen,
- • wirkungsvolle
Spülungen
im Inneren der Gesamtheit der zu aktivierenden porösen Struktur,
- • Trennung
der Lösungen,
um eine Mischung zwischen ihnen zu vermeiden,
- • Halten
der Blöcke
oder Wickelkörper,
um deren Verformung bei der Behandlungsschritten zu begrenzen oder
zu vermeiden,
- • Kompaktheit
des Reaktors, um die Volumina der Behandlungslösungen zu verringern,
- • Einfachheit
des Betriebs, Einfachheit der Wartung und Möglichkeit der Automatisierung,
- • Möglichkeit
der Trocknung der porösen
Struktur,
- • kompakte
Ausführung
der Gesamtheit der Vorrichtung und ökonomische Auslegung,
- • schnelle
Abfolge der Vorgänge,
um aus verfahrensmäßigen Wirtschaftlichkeitsgründen im
industriellen Maßstab
einen vollständigen
Behandlungszyklus in einer möglichst
kurzen Zeit auszuführen.
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Um
den verschiedenen Anforderungen zu genügen, schafft die Vorrichtung
gemäß der Erfindung
verschiedenartige Reaktionsmöglichkeiten
und eine große
Anpassungsfähigkeit
im Einsatz, wie bereits gezeigt worden ist. Ergänzende Ausführungen gestatten es, dies
noch weitergehend zu zeigen. Um bei porösen Strukturen eine Leitungsaktivierung
erfolgreich durchzuführen,
ist es unabdingbar, dass die Gesamtheit ihrer ausgebildeten Oberfläche mit
jeder der Lösungen
behandelt wird.
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Wie
bereits oben angedeutet werden zu diesem Zweck die Lösungen durch
den Block oder Wickelkörper
hindurch geleitet, und zwar von außen nach innen und/oder umgekehrt
gemäß der jeweils
durch die Lösungen
eingenommenen Richtung der Zirkulation. Es ist vorteilhaft, dem
Block oder Wickelkörper
und dabei insbesondere beim Durchführen des Einspritzens über die
Spindel eine Drehbewegung beispielsweise mit etwa 60 Umdrehungen
pro Minute aufzuprägen,
um die dadurch hervorgerufene Zentrifugalkraft die Austrittskraft
der Flüssigkeit
am Ausgang der Spindel zu verstärken
und zu einer schnellen Verteilung im Inneren des Blockes oder des
Wickelkörpers
beizutragen. Die gleiche Drehbewegung um eine horizontale Achse
gestattet es, jegliche Störung
in der Homogenität
der Verteilung zu verhindern, die aufgrund der Schwerkraft bei einem unbeweglichen
Block oder Wickelkörper
zu befürchten
wäre, wobei
deren Effekt durch den Verlust an Beladung im Inneren der porösen Struktur
verstärkt
wäre.
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Der
Vorteil dieser Drehung ist insbesondere zu Beginn der Einspritzphase
der Lösung
festzustellen, wenn der Reaktor nicht vollständig mit der Lösung befüllt ist.
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Wie
bereits gesagt ist es wichtig, bei der Struktur wirkungsvoll die
Behandlungslösungen
zu entfernen (und diese rückzugewinnen),
um zum einen den Verbrauch an Wirkprodukten zu minimieren und zum
anderen die Struktur nicht zu verkleben und zu riskieren, diese
zu beeinträchtigen.
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Wenn
ein Behandlungsschritt abgeschlossen ist, ist es angebracht, den
Reaktor durch Zurückzuführen der
Lösung
zu ihrem Vorratsbehälter
zu entleeren.
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Bei
einer bevorzugten Betriebsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung
wird das Entleeren des Reaktors durch die Kanäle (13) durchgeführt, die
in den Boden des Reaktors münden,
oder genauer gesagt durch diejenigen Kanäle, die den Boden des Reaktors
mit dem jeweiligen Vorratsbehälter
der Lösung
verbinden, die gerade verwendet wird. Dieses Entleeren kann durch
einfaches Wirken der Schwerkraft durchgeführt oder durch eine in den 1 und 2 nicht
dargestellte Pumpe befördert
werden, die vorzugsweise jedem Entleerungskreislauf und damit jedem
Vorratsbehälter
zugeordnet ist.
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Um
das vollständige
Entleeren des Reaktors und damit eine gute Wiedergewinnung der Lösungen und eine
Minimierung von Vermischungen von aufeinanderfolgenden Lösungen zu
vereinfachen, ist es vorteilhaft, einen Reaktorboden auszubilden,
der nicht horizontal, sondern geneigt oder innenseitig konkav ist,
und die Öffnungen
der Kanäle
(13) unterhalb der Linie der niedrigsten Punkte des Reaktors
anzuordnen. Es ist insbesondere möglich und vorteilhaft, einen
Reaktor mit zylindrischer Form auszuführen, dessen planen Wände vertikal angeordnet
sind. Die Achse des zylindrischen Reaktors ist damit horizontal
und fällt,
wie in 1 dargestellt, mit der Spindel (3) zusammen.
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Das
Entleeren des Reaktors führt
nach sich, dass auch der Anteil an der Lösung beseitigt werden muss,
der das freie Volumen im Inneren der zu behandelnden porösen Struktur
ausfüllt.
Es sei hierbei in Erinnerung gerufen, dass die Strukturen durch
die vernetzten schaumartigen Materialien oder bestimmte komplexe Verkettungsstrukturen
einen sehr hohen Grad an Porosität
erreichen können
(etwa 98% für
schaumartige Materialien in einer Qualität von sogenannten „100 ppI" oder 100 Poren pro
inch in der Geraden, was etwa 40 Poren pro Zentimeter in der Geraden
auf der Oberfläche
entspricht).
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In
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es vorstellbar,
die porösen
Strukturen und insbesondere die schaumartigen Materialien zusammenzudrücken, wie
man es bei einem Schwamm macht, um diese von den Flüssigkeiten
zu entleeren, die sie einschließen.
Der Korb (6) und/oder die Flansche (7) können zu
diesem Zweck ausgelegt (und insbesondere zusammengefügt) sein
und durch Schleudern den Block oder Wickelkörper zusammendrücken, bevor
er einschließend
wieder seine normale Stellung einnimmt.
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Man
kennt jedoch Polyurethanschäume,
die aus einem derartigen Vorgehen deformiert hervorgehen. Weiterhin
kann ein sehr schnelles Entleeren des Reaktors, das die poröse Struktur
und insbesondere ein schaumartiges Material weitgehend mit der Lösung angefüllt belässt, auch
zu einem Verformen der Struktur führen, wenn diese ohne „Durchhängen" nicht das Gewicht
an in seinem freien inneren Volumen vorhandenen Flüssigkeiten
tragen kann.
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Bei
derartigen Strukturen gestattet es die Vorrichtung gemäß der Erfindung
auf zufriedenstellende Art und Weise diesen Anforderungen zu genügen, indem
eine „langsame" Entleerung des Reaktors
vorgenommenen wird, die derart durchgeführt wird, dass die poröse Struktur
nicht ihr Flüssigkeitsvolumen
tragen muss, sondern dass sich das Flüssigkeitsniveau in dem Reaktor
in dem Block oder Wickelkörper
der porösen
Struktur und darum herum quasi homogen absenkt. Da das allgemeine
Flüssigkeitsniveau
innerhalb des Reaktors den Block oder Wickelkörper vollständig herausragen lässt, wird
die Struktur weitgehend an im Inneren befindlicher Lösung durch
die Wirkung der Schwerkraft entleert. Es verbleibt eine geringfügige Menge
an Flüssigkeit
innerhalb der Struktur, die im wesentlichen durch die Kapillarwirkung
zurückgehalten
wird.
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Diese
Restmenge kann nun vorteilhafterweise durch Zentrifugieren des Blockes
oder Wickelkörpers entfernt
werden, wobei die Spindel durch den Motor (12) in Bewegung
versetzt wird. Es erscheint von Bedeutung, dass unter Berücksichtigung
des Zieles, eine Verformung der Struktur zu vermeiden, die Dreh geschwindigkeit
nach und nach erhöht
wird, so dass die Lösung
durch Zentrifugieren aus der Struktur ausgetrieben wird. Eine hervorragende
Beseitigung der in dem Block oder Wickelkörper enthaltenen Restflüssigkeit
kann in Abhängigkeit
der Dichte der Struktur, der Dicke des Blockes oder Wickelkörper und
der Geschwindigkeit des Zentrifugierens innerhalb einiger Dutzend
Sekunden oder einigen Minuten erreicht werden.
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Bei
den Strukturen nach Art eines vernetzten Schaumes, die im allgemeinen
gegenüber
der Gefahr einer Verformung empfindlicher sind als gewebte und nicht
gewebte Materialien, kann man sich vorteilhafterweise auf der Geschwindigkeit
im Bereich von 200 bis 300 Umdrehungen pro Minute beschränken. Die
Geschwindigkeiten können
bei widerstandsfähigeren
Strukturen und insbesondere bei verfilzten Materialien größer als
500 bis 1.000 Umdrehungen pro Minute sein.
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Die
durch Zentrifugieren aus dem Block oder Wickelkörper beseitigten Lösungen werden
gegen die Wände
des Reaktors geschleudert und über
die zu dem jeweiligen Vorratsbehälter
führenden
Entleerungskanäle
(13) wiedergewonnen.
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Bei
einer Abwandlung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es zum
Beschleunigen der Wiedergewinnung durch Zentrifugieren über die
Wände des
Reaktors möglich,
diesen vertikal anzuordnen, wobei dann die Spindel (3)
vertikal angeordnet ist.
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Der
Reaktor kann auf diese Art und Weise andauernd oder lediglich während den
Zentrifugierphasen angeordnet sein. Im letzteren Fall ist die Achse
des Reaktors nunmehr zwischen der Horizontalen und der Vertikalen
auf einem Gestell neigbar, was ihm gestattet, schwenkbar zu sein.
Auch wenn eine derartige Abwandlung die Ausführung der Vorrichtung komplizierter
gestaltet, kann sie zum Verringern der Dauer des Betriebszyklus
unter Vermeiden von Risiken bezüglich
der Heterogenität
der Behandlung von Interesse sein: diese Risiken können in
dem Fall auftreten, bei dem die Achse permanent vertikal ist (mögliche Unregelmäßigkeiten
in der Behandlung zwischen den oberen und unteren Teilen des Blockes
oder Wickelkörpers).
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Um
die Wirklösungen
der Behandlung zu beseitigen und wiederzugewinnen, müssen die
erforderlichen Spülungen
unter optimalen Bedingungen durchgeführt werden.
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Die
grundsätzliche
Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung gestattet das
Ausführen
von Reinigungsvorgängen
und Spülungen
entweder mit Brauchwasser, mit demineralisierten Wasser oder mit
jeder an die Anforderungen angepassten Lösung durch Einspritzen und
Entfernen wie bei den Wirklösungen
für die
Behandlung beschrieben. Es ist insbesondere möglich, vor dem in dem Dokument
98.03375 beschriebenen Betriebszyklus eine Spülung oder sogar eine vorangehende
Reinigung der Struktur durchzuführen,
die es beispielsweise bei den Polyurethanschäumen gestattet, Verunreinigungen
bei der Herstellung, Polymerisationskatalysatoren, Schmiermittel
bei dem Trennvorgang, ..., und im allgemeinen flüchtige Produkte, Flüssigkeiten
und unerwünschte
restliche Festkörper
zu beseitigen.
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Es
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, die Strömungsbahnen
für das
Einspritzen und Entfernen der Fluide dazu zu benutzen, Gase oder
gasförmige
Mischungen zur Behandlung durch den Block oder Wickelkörper durchzublasen.
Es kann sich dabei insbesondere um Luft handeln, die dazu verwendet
wird, das Beseitigen jedes Flüssigkeitsrestes
im Inneren der Struktur abzuschließen. Die Luft oder das Gas zum
Durchblasen kann vorteilhafterweise auf eine Temperatur gebracht
werden, die weder die Grundstruktur noch die durchgeführten Behandlungen
und abgelagerten Produkte stört
und kann im allgemeinen einige Dutzend Grad Celsius betragen, um
zu einer schnellen Trocknung der Struktur beizutragen.
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Unter
dem Einfluss der verschiedenen Behandlungslösungen – insbesondere bestimmter Lösungen zum
Ablagern oder Fixieren der Monomere – und den Zwischenschritten
des Entfernens der Fluide können bestimmte
zu aktivierende poröse
Strukturen eine natürliche
Neigung aufweisen, sich zu verformen. Dies kann bei vernetzten schaumartigen
Materialien aus Polyurethan der Fall sein. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gestattet ist, diese mögliche
Schwierigkeit zu beseitigen: das Halten des Blockes oder Wickelkörpers erweist
sich damit von einer großen
Bedeutung. Der Korb (6) und die Flansche (7) sind
dazu ausgelegt, diese Funktion sicherzustellen.
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In
dem Fall der Leitfähigkeitsaktivierung
von gewebten oder nicht gewebten Wickelkörpern kann der Korb vorteilhafterweise
so ausgelegt sein, dass er die zu behandelnde Struktur eng umgibt,
ohne sie jedoch in irgendeiner Art und Weise zusammenzudrücken. Für die Behandlung
von Polyurethanschäumen
kann man vorteilhafterweise anders vorgehen. In der Tat kann der
Schritt der Ablagerung des Monomers insbesondere dann, wenn es sich
um Pyrrol handelt, ein Aufweichen der Struktur und ein Aufblähen seiner
Maschen hervorrufen. Der Block oder Wickelkörper dehnt sich daher in diesem
Stadium in den drei Dimensionen aus und kann die irregulären Verformungen
erleiden, die weiter oben beschrieben worden sind.
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Ein
Unterbinden jeglicher äußeren Ausdehnung
des Blockes oder Wickelkörpers
kann mittels des Korbes und der Flansche erzielt werden, bildet
jedoch nicht immer die optimale Lösung. Wenn die Verformung innerhalb
des anfänglichen
Volumens erfolgt, kann sie sich dabei im Inneren desselben entwickeln,
was die Gefahr birgt, dass strukturelle Unregelmäßigkeiten (Abweichungen in
der Dichte und Porosität)
und ein „Falten" der Zellenstrukturen
der Poren auftritt. Das schaumartige Material kann daher seinen
isotropen Charakter und/oder bestimmte mechanische Eigenschaften
verlieren.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
schlägt
daher zum Lösen
dieses Problemes vor, die Zunahme des Volumens des Blockes oder
Wickelkörpers
aus einem zum Aufblähen
neigenden vernetzten schaumartigen Materiales nicht zu verhindern
sondern einzugrenzen.
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Diese
Wirkung wird im Inneren des Reaktors unter Verwendung eines Korbes
(6) erzielt, dessen Innendurchmesser ein klein wenig größer als
der Außendurchmesser
des Blockes oder Wickelkörpers
ist. Der Zwischenraum ist nunmehr durch eine selbst auch poröse, aber
zusammendrückbare
Struktur ausgefüllt,
die das Ausdehnen des behandelten Produktes teilweise ausgleicht
und gleichförmiger
gestaltet. Sie muss porös und
der Korb muss perforiert sein, um nicht die Beschickungsverluste
bei den Flüssigkeiten
von dem Zentrum in Richtung der Wände des Reaktors (und umgekehrt)
wesentlich zu erhöhen.
Sie muss zusammendrückbar sein
und darf während
der Behandlung nicht wie die zu aktivierende Struktur einem Aufblähen ausgesetzt
sein, um in der Lage zu sein, die Volumeninanspruchnahme des Blockes
oder Wickelkörpers
zu mildern und damit zu begrenzen. Das zum Ausführen dieser Funktion der „Pufferlage" verwendete Material
kann eine zellenartige vernetzte Struktur sein, die in Bezug auf
den umfassenden Vorgang der Ablagerung des leitenden Polymers inert
oder quasiinert ist und die während
des Betriebszyklus nicht das Phänomen
des Aufblähens
aufweist.
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Die
Blöcke
oder Wickelkörper
von bestimmten porösen
zu aktivierenden Strukturen, die zum Aufblähen neigen, können an
ihrer äußeren Oberfläche und
dabei insbesondere während
der Zentrifugierphasen aufgrund der inneren Oberfläche des
Korbes (Perforationen, Ausformungen von Falten oder Gittern, ...)
Abprägungen
aufweisen. Das Vorhandensein einer weichen „Pufferlage" kann vorteilhafterweise
dieses Risiko vermeiden.
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In
gleicher Art und Weise können
zwischen dem Block oder Wickelkörper
und den Flanschen (7) „Pufferlagen" vorhanden sein.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist dazu bestimmt, im industriellen Maßstab die Verfahren der chemischen
Ablagerung von Polymeren und insbesondere von leitfähigen Polymeren
wie Polypyrrol gemäß dem in
dem Dokument 98.03375 beschriebenen Verfahren umzusetzen.
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Dieser
Typ eines Betriebszyklus verwendet zur Behandlung Reaganzien enthaltende
Wirklösungen, für die es üblich ist,
die Menge aus offensichtlichen verfahrensökonomischen Gründen auf
das erforderlichen Minimum zu begrenzen.
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Um
dieser Zielsetzung zu genügen,
weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung
einen Reaktor auf, dessen Gestalt und Abmessungen vorteilhafterweise
an die zu behandelnden Blöcke
und Wickelkörper
derart angepasst sind, dass das Innenvolumen des Reaktors nur wenig
größer als
das durch den Korb (6) und die Flansche (7) gebildete
Volumen ist. In gleicher Weise ist es sehr häufig vorteilhaft, dass der
Reaktor im wesentlichen zylindrisch ist und einen Innendurchmesser
aufweist, der etwa 4 bis 10 Zentimeter größer als der Außendurchmesser
des Korbes (6) ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann mit verschiedenen Abmessungen ausgeführt werden, die von einem labormäßigen Testgerät bis zu
einer Ausgestaltung im industriellen Maßstab mit großer Kapazität reichen.
Sie kann daher je nach Ausfüh rungsvariante
von Hand betrieben oder in ihrem Betriebszyklus teilweise oder vollständig automatisiert
sein.
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Für alle Verwendungsarten
und insbesondere für
eine Massenherstellung ist eine möglichst große Einfachheit sowohl im Betrieb
als auch bei der Unterhaltung vorgesehen.
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Daher
sind die die Reaktoren bildenden Materialien vorzugsweise so ausgewählt, dass
sie bei Kontakt mit den Behandlungslösungen nicht reagieren. Es
ist daher zweckmäßig, dass
die Materialien auf den anfänglichen
Schritt der oxidierenden Vorbehandlung der Struktur nicht empfindlich
sind, auf die Ablagerung des Monomers nicht oder nur wenig reagieren
und schließlich
der oxidierenden Lösung
bei der Polymerisation des Monomers widerstehen.
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Für die Erfindung
beispielhaft und nicht beschränkend
kann man einerseits die Verwendung der Legierungen „Uranus
B6" und „Hastalloy" nennen, die eine
gute Widerstandsfähigkeit
gegenüber
der Aggressivität
der Oxidationslösung
des Monomers aufweisen, und zum anderen insbesondere auf Polyethylen
hoher Dichte, auf PVDF und auf PTFE hinweisen, die während der
oxidierenden Vorbehandlung bei der Anlagerung des Mangandioxids
und bei der Ablagerung des Monomers wenig empfindlich sind. Man
vermeidet auf diese Art und Weise den vorzeitigen Verschleiß der Ausrüstung, die
Verschwendung von Wirkmaterialien und die nachteiligen Reinigungsvorgänge.
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Ohne
den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, kann die Vorrichtung
als Zusatz zu dem Reaktor Vorratsbehälter (10) für die Behandlungslösungen aufweisen,
die gegebenenfalls mit Rührmitteln
(14), Thermoreglern, Entlüftungen (15) sowie
mit jeglicher Ausrüstung
ausgestattet sind, die ein Dosieren und/oder Einstellen der Konzentrationen
der Lösungen
sowohl kontinuierlich als auch intermittierend gestatten.
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Ohne
auch weiterhin den Bereich der Erfindung zu verlassen, ist es bei
einer jeweils gleichen Behandlungseinrichtung möglich, nicht nur einen einzigen
Reaktor, in dem alle Schritte der Aktivierungsbehandlung durchgeführt werden,
sondern mehrere Reaktoren in Betrieb zu haben, die speziell für einen
Behandlungsschritt oder mehrere von diesen eingerichtet sind.
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Diese
Anordnung, von der eine die Erfindung nicht beschränkende Ausgestaltung
in 3 vorgeschlagen ist, kann insbesondere ermöglichen,
- • für jeden
Reaktor und seine Bauteile die Beanspruchungen der Zusammensetzung
der sie bildenden Materialien bezüglich des jeweiligen Schrittes
zu begrenzen und
- • die
Produktivität
der Ausstattung zu erhöhen,
wobei jeder Reaktor für
einen Block oder Wickelkörper
nur während
eines Schrittes und nicht während
des gesamten Zyklus unbeweglich ist. Es ist weiterhin möglich, gleichzeitig
mehrere Blöcke
und/oder Wickelkörper
zu behandeln, wobei sich jeder zu einem gegebenen Zeitpunkt in einem
verschiedenen Stadium des gesamten Zyklus befindet.
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Eine
derartige Gesamtheit kann mittels eines Transfermechanismus (16)
für die
Blöcke
oder Wickelkörper
automatisiert sein, der, wie in 3 dargestellt,
zwischen den Reaktoren angeordnet ist, wo er den Transfer der Blöcke oder
Wickelkörper
von einem Reaktor zu dem nächsten
unter Anordnung des letzteren in Reihe gewährleistet.
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In 3 ist
ein besonderer Typ mit Schleuse oder Deckel in einer für eine robotergestützte Handhabung
der Blöcke
oder Wickelkörper
vorteilhaften Art und Weise dargestellt: es handelt sich um drehbare
Deckel auf den oberen Teilen der Reaktoren, die im Übrigen mit
Verbindungsmitteln (17) der den Block oder Wickelkörper tragenden
Spindel zusammenwirken.
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Unter
die Ausführung
gemäß der Erfindung
nicht beschränkender
Darstellung werden nachfolgend die Betriebscharakteristika beschrieben,
die durch eine Ausrüstung
zur halbindustriellen Behandlung erzielt werden.
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Diese
Ausstattung entspricht dem in 1 und 2 dargestellten
Montagetyp.
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Der
aus „Uranus
B6" hergestellte
Reaktor weist eine innenseitige Länge von 1200 mm bei einem inneren
Durchmesser von 700 mm auf. Der äußere Durchmesser
des Korbes (6) ist 620 mm, wobei seine Dicke bei 5 mm liegt.
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Der
zu behandelnde Block oder Wickelkörper ist ein Zylinder mit einer
Länge von
1000 mm und einem äußeren Durchmesser
von 500 mm.
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Sowohl
an Blöcken
als auch Wickelkörpern
aus Polyurethan des Typs „ppI
100" (etwa 40 Poren
pro Zentimeter in der Geraden) wurden Versuche durchgeführt.
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Die
Leitfähigkeitsaktivierung
wurde durch Ablagerung von Polypyrrol vorgenommen.
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Der
Betriebszyklus wurde auf folgende Art und Weise durchgeführt:
| Schritte | Dauer |
| 1.
Beladen der zu behandelnden Struktur | 05
Minuten |
| 2.
oxidierende Vorbehandlung | 13
Minuten |
| 3.
Entleeren und Zentrifugieren | 05
Minuten |
| 4.
Spülen
und Zentrifugieren | 08
Minuten |
| 5.
Ablagerung/Anlagerung des Monomers | 08
Minuten |
| 6.
Entleeren und Zentrifugieren | 05
Minuten |
| 7.
Polymerisation durch Oxidation-Dotieren | 15
Minuten |
| 8.
Entleeren und Zentrifugieren | 10
Minuten |
| 9.
Spülen
und Zentrifugieren | 08
Minuten |
| 10.
Trocknen | 05
Minuten |
| 11.
Entladen und Reinigen | 10
Minuten |
| Ergibt
einen vollständigen
Zyklus von | 92
Minuten |
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Die
oxidierende Vorbehandlung wurde mittels einer wässrigen Kaliumpermanganatlösung, das
Ausfällen
des Monomers in einer Pyrrollösung
in Mischung mit Wasser-Kaliumkarbonat, und der Vorgang Oxidation-Dotieren
durch Anwenden einer wässrigen
Lösung
aus Eisenchlorit und einer Fluor-Bor-Säure durchgeführt.
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Die
behandelten Wickelkörper
bestehen aus einer Aufwicklung eines Bandes mit einer Dicke von
1,7 mm und einer Länge
von 100 Metern. Sie entsprechen daher einer zu behandelnden außenseitigen
Strukturoberfläche
von 100 Quadratmetern. Nach der Aktivierung kann das Band ohne Schwierigkeiten
abgewickelt werden, das heißt
ohne merkliche Haftungsprobleme zwischen den aufeinanderliegenden
Oberflächen
des aufgewickelten Bandes. Das abgelagerte leitfähige Polymer, das Polypyrrol,
verleiht dem Band in jedem Bereich eine elektrische Leitfähigkeit
von weniger als 30 Quadratohm.
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Die
behandelten Blöcke
wurden in Platten mit einer Enddicke von 1,7 mm zerteilt, wobei
die elektrische Leitfähigkeit
in jedem Bereich in gleicher Weise bei weniger als 30 Quadratohm
liegt.
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Die
unmittelbar an den Blöcken
aus einem schaumartigen Material ausgeführte Aktivierung gestattet natürlich nach
der Leitfähigkeitsaktivierung
ein Zerteilen in Platten oder jede andere Form von Abtrennungen. Dies
gestattet das Ausführen
einer genauen Zerteilung mit einer gewünschten Dicke.
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Im
Fall von Wickelkörpern
als auch bei Blöcken
wird eine Behandlung zur Leitfähigkeitsaktivierung
im Inneren der porösen
Strukturen über
die gesamte Dicke derselben auf der Oberfläche jeder ihrer Zellen durch eine
kontinuierliche Ablagerung eines leitfähigen Polymers in der Gesamtheit
ihrer ausgebildeten Oberfläche ohne
Beeinträchtigung
ihrer Porosität
erzielt.
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Ähnliche
Ergebnisse werden in gleicher Weise bei verschiedenen gewebten oder
nicht gewebten Wickelkörpern
erzielt, die durch kontinuierliche Ablagerung eines leitfähigen Polymers
auf der Oberfläche
jedes ihrer Fäden
oder Fasern ohne Beeinträchtigen
ihrer Porosität
aktiviert werden.
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Vorrichtungen
gemäß der Erfindung
können
mit größeren oder
kleineren Abmessungen als den vorangehend beschriebenen ausgeführt werden.
So ist es beispielsweise möglich,
Reaktoren auszuführen,
die das Behandeln von Blöcken
oder Wickelkörpern
mit einer Länge
von 2 Metern und einen Durchmesser von einem Meter zulassen.
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Selbstverständlich und
wie es sich im Übrigen
auch im wesentlichen aus den vorangehenden Erläuterungen ergibt ist die Erfindung
nicht auf die besonderen Ausführungsformen
beschränkt,
die beispielhaft beschrieben sind.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche
Varianten.