DE69403290T2 - Precursor amorpher Kohlenstoffformkörper - Google Patents

Precursor amorpher Kohlenstoffformkörper

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Description

    Erfindungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorstufe, die man bei der Herstellung eines sehr leistungsfähigen Formgegenstands aus amorphem Kohlenstoff verwenden kann, ein Verfahren zum Formen der Vorstufe, einen Harz-Formstoff, der beim Formen der Vorstufe verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung eines Formgegenstands aus amorphem Kohlenstoff aus der Vorstufe.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Formgegenstände aus amorphem Kohlenstoff finden eine breite Anwendung, beispielsweise als Tiegel oder Raschig-Ringe auf metallurgischem Gebiet und in der chemischen Industrie wegen ihrer Undurchlässigkeit und chemischen Stabilität, und als Plasmaätzer, Suszeptoren oder Substrate von elektronischen Bauteilen in der Elektronikindustrie wegen ihrer hohen Reinheit und ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften.
  • Üblicherweise erhält man Formgegenstände aus amorphem Kohlenstoff, indem man bis zur Carbonisierung einer Vorstufe eines Formgegenstands aus amorphem Kohlenstoff (im folgenden einfach als Vorstufe bezeichnet) brennt, die ein nicht- thermoplastisches Polymer, wie Cellulose, oder ein wärmehärtendes Harz, wie ein Phenolharz oder ein Furanharz umfaßt.
  • Unter diesen Harzmaterialien zur Herstellung einer Vorstufe hat man am häufigsten Phenolharze verwendet, da sie leicht zu carbonisieren sind, einen hohen Wirkungsgrad beim Brennen zeigen und zu sehr leistungsfähigen Kohlenstoffformlingen führen.
  • Im allgemeinen stellt man eine phenolharzhaltige Vorstufe in einem Form(gebungs)verfahren für ein Composit mit wärmehärtendem Harz her, in welchem man ein flüssiges Phenolharz, das mit einem Verstärkungsmaterial oder einem Füllstoff wie Papier, Tuch, Glasfaser oder einem anorganischen Füllstoff kombiniert wurde, formt und zwecks Härten erhitzt. Der Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff, den man durch Brennen der so hergestellten Vorstufe im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre erhält, enthält jedoch unvermeidbar Poren und weist eine schwache Adhäsion an der Grenzfläche zwischen amorphem Kohlenstoff (dem thermischen Zerfallsprodukt des Phenolharzes) und dem Verstärkungsmaterial oder Füllstoff auf. Somit erwartet man von diesem herkömmlichen Verfahren nicht, daß es einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff mit ausgezeichneten Eigenschaften ergibt und hat es nicht bei der Herstellung von hochleistungsfähigen Kohlenstofformlingen genutzt.
  • In den letzten Jahren ist ein neues Verfahren zum Formen eines Phenolharzes aufgetaucht, bei dem man einen aus Partikeln bestehenden Phenolharz-Formstoff mit thermischer Plastizität in stark fließendem Zustand durch Transferpressen (transfer molding), Spritzgießen (injection molding), Spritzformpressen (injection compression molding) oder Extrudieren, sowie durch das herkömmlicherweise eingesetzte Formpressen (Warmpressen), wie es beispielsweise in JP-B-53- 43191 offenbart ist, formt. (Der hier verwendete Ausdruck "JP-B" bedeutet "geprüfte japanische Patentschrift").
  • Vergleicht man mit herkömmlichen thermoplastischen Harzen, zeigen Phenolharze, selbst wenn man sie in dem oben erwähnten neuen Verfahren formt, immer noch eine beträchtlich schwache Formbarkeit. Zur Zeit kann man keine zufriedenstellenden Formgegenstände zum praktischen Gebrauch erhalten, es sei denn, man gibt zum Formstoff ein faserförmiges Verstärkungsmaterial wie Glasfaser oder ein metallhaltiges organisches Schmiermittel, wie Zinkstearat, wie es in JP-B- 1-38816 beschrieben ist.
  • Das bedeutet, daß ein Phenolharz-Formstoff, der weder ein faserförmiges Verstärkungsmaterial noch ein metallhaltiges organisches Schmiermittel enthält, seine Fluidität im Zylinder einer Formgebungsvorrichtung verliert, wenn man ihn dem Formungsverfahren unterzieht, was es schwierig macht, das Formen auf stabile Weise und mit hoher Genauigkeit fortzusetzen.
  • Andererseits hat sich das Anwendungsgebiet von Formgegenständen aus amorphen Kohlenstoff auf Substrate von elektronischen Bauteilen ausgedehnt, wobei man sich ihre hohe Leistungsfähigkeit zunutze macht. Bei dieser Anwendung ist es insbesondere erforderlich, daß Formgegenstände aus amorphem Kohlenstoff ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften aufzuweisen. Beispielsweise sollte ein plattenförmiger Gegenstand für Magnetdisks eine ausgezeichnete Oberflächenglätte besitzen, und die Oberfläche des Formgegenstands wird präzise poliert, um eine solche Glätte zu erhalten. Da in diesem Fall Poren (eingeschlossene Luftblasen), Verunreinigungen und lokalisierte Metalle als Mängel auf der polierten Oberfläche erscheinen würden, entfernt man die Ursachen solchen Oberflächenmängel, um eine hohe Qualität zu erzielen. Welches Formungsverfahren auch immer man jedoch nimmt, der Einbau von Luftblasen in herkömmliche Phenolharz-Formlinge ist noch nicht in einem ausreichenden Maße eliminiert worden. Ferner treten die zuvor erwähnten Mängelursachen unvermeidbar während eines Polymerisationsverfahrens und eines Formgebungsverfahrens auf. Aus diesen Gründen hat man Phenolharze nicht als Vorstufenmaterial für hochleistungsfähige Formgegenstände aus amorphem Kohlenstoff verwendet.
  • Wenn man einen hochreinen, aus Partikeln bestehenden Formstoff mit hoher thermischer Plastizität formpreßt, erhält man einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff mit weniger Mängeln. Das Formpressen (compression molding) ist jedoch nicht nur hinsichtlich der Form der erhaltenen Formlinge begrenzt, sondern erfordert auch eine lange Zyklenzeit, so daß die resultierenden Formgegenstände teuer werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorstufe für einen hochleistungsfähigen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff; ein Verfahren zum Formen einer Vorstufe; einen Formstoff, den man zur Herstellung der Vorstufe verwenden kann; und ein Verfahren zur Herstellung eines hochleistungsfähigen Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff unter Verwendung der Vorstufe bereitzustellen.
  • Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt (1) in einer transparenten Vorstufe eines Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff, die ein homogenes Phenolharz umfaßt, das durch Formen in einem stark fließenden Zustand homogenisiert wurde, und das eine geringe Anzahl großer Poren und einen geringen Metallgehalt aufweist; (2) in einem Phenolharz-Formstoff zum Formen der Vorstufe, der ein aus Partikeln bestehes Phenolharz mit thermischer Plastizität umfaßt, das mit einer Substanz mit geringer Oberflächenspannung beschichtet ist und keine metallische Substanz enthält; (3) in einem Verfahren zum Formen der Vorstufe, das das Formen des Phenolharz-Formstoffs durch Formen in einem stark fließenden Zustand, beispielsweise durch Transferpressen, Extrudieren, Spritzgießen oder Spritzformpressen, umfaßt; und (4) in einem Verfahren zur Herstellung eines Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff, das das Carbonisieren der Vorstufe durch Brennen bei einer spezifischen Temperatur in einer spezifischen Atmosphäre umfaßt.
  • Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff enthält im wesentlichen keine großen Poren, hat einen extrem niedrigen Metallgehalt, und zeigt sowohl an seiner Oberfläche als auch im Inneren Homogenität. Er weist ausgezeichnete Eigenschaften, wie hohe Reinheit, chemische Beständigkeit, Steifigkeit (rigidity), Formbeständigkeit und Gasundurchlässigkeit, ausgezeichnete Bearbeitbarkeit bei der Feinbearbeitung der Oberfläche, wie beim Polieren, und einheitliche und stabile Ätzbarkeit mit einem Plasma auf. Darüber hinaus kann er mit hoher Produktivität (mit niedrigen Kosten) unter hoher Genauigkeit und mit hoher Qualität produziert werden. Demgemäß eignet er sich für eine große Zahl von Anwendungen, wie beispielsweise Tiegel oder Raschig- Ringe in der metallurgischen und chemischen Industrie und als Plasmaätzer, Suszeptor oder Substrat von elektronischen (Bau)teilen in der Elektronikindustrie.
  • Die vorliegende Erfindung stellt bereit: (1) eine Vorstufe für einen Formgegenstand aus amorphen Kohlenstoff, die ein homogenes Phenolharz umfaßt, das durch Formen in einem stark fließenden Zustand homogenisiert wurde, und die einen Lichtdurchlaßgrad von nicht weniger als 80 % pro mm optischem Gang sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 800 nm, weniger als eine Pore mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr pro cm³, und einen Metallgehalt von nicht mehr als 200 Gew.-ppm aufweist; (2) einen Phenolharz-Formstoff zum Formen der oben erwähnten Vorstufe, der ein aus Partikeln bestehendes Phenolharz mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 50 µm und einer thermischen Plastizität von 60 bis 160 mm, gemessen nach dem Scheibenhärtungsverfahren, umfaßt, wobei die einzelnen Partikel mit 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Phenolharz, einer Verbindung mit geringer Oberflächenspannung mit einem Schmelzpunkt von 30 bis 160ºC beschichtet sind; (3) ein Verfahren zur Herstellung der oben erwähnten Vorstufe, welches das Formen des oben erwähnten Phenolharz-Formstoffs unter Kontrolle des Wassergehalts auf 1 Gew.-% oder weniger, durch Transferpressen, Spritzgießen, Spritzformpressen oder Extrudieren umfaßt; und (4) ein Verfahren zur Herstellung eines Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff, das das Carbonisieren einer nach dem oben erwähnten Formungsverfahren erhaltenen Vorstufe durch Brennen bei einer Temperatur von 500 bis 3000ºC im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre umfaßt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Der Ausdruck "amorpher Kohlenstoff, der ein thermisches Zerfallsprodukt eines Phenolharzes umfaßt", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein thermisch zersetztes Carbonisierungsprodukt, das man durch Carbonisierungs-Brennen eines Formgegenstands, der ein Phenolharz umfaßt, bei einer Heiztemperatur von 500 bis 3000ºC im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre erhält, wobei es sich um ein hochdichtes, isotropes und amorphes Kohlenstoffmaterial handelt.
  • Der erfindungsgemäße Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff wird im folgenden im Detail beschrieben.
  • Der Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff sollte mindestens 95 Gew.-% amorphem Kohlenstoff umfassen. Beträgt der Anteil des amorphem Kohlenstoffs weniger als 95 %, genügt die Reinheit des kohlenstoffhaltigen Materials nicht, um elektrische Eigenschaften wie isolierende Eigenschaften, Durchschlagsfestigkeit (breakdown strength), und Dielektrizitätskonstante; chemische Eigenschaften wie chemische Beständigkeit; und mechanische Eigenschaften wie Härte und Schlagzähigkeit zu garantieren. Da das Vorliegen metallischer Substanzen in einem Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff die Eigenschaften des Gegenstands stark beeinflußt, sollte man den Gesamtgehalt metallischer Substanzen auf ein Minimum reduzieren.
  • Der Ausdruck "metallische Substanzen", wie er hier verwendet wird, bedeutet und schließt ein: einfache Metalle und Verbindungen, die ein metallisches Element enthalten, wie metallische Verbindungen oder anorganische Metallsalze (z.B. Oxide, Carbide, Metall/Kohlenstoff-Interlaminar-Verbindungen, Sulfide, Sulfate, Sulfite und Hydroxide), organometallische Salze, Metallkomplexe, Organometallkomplexe und dgl. Nach der Carbonisierung der Vorstufe werden aus diesen Substanzen, wenn sie in der Kohlenstoffmatrix in irgendeiner Form vorliegen, z.B. dispergiert, gelöst oder eingelagert (Interkalation), feine Metalloxide, die das Kohlenstoffmaterial kontaminieren, oder lokalisierte Metallverbindungen, wie Metallcarbide, die den umgebenden Kohlenstoff heterogen machen und Mängel verursachen.
  • Der Metallgehalt im erfindungsgemäßen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff sollte maximal 300 Gew.-ppm umgerechnet auf das (die) Metall(e) betragen. Übersteigt der Metallgehalt 300 ppm, verschlechtern sich die elektrischen und mechanischen Eigenschaften, auf die bereits verwiesen wurde, beträchtlich. Insbesondere, wenn man den Formgegenstand aus amorphen Kohlenstoff für spezifische Anwendungen, wie sie nachstehend beschrieben werden, poliert, würde sich die Oberflächenglätte der polierten Oberfläche beträchtlich verringern.
  • Das Vorliegen von Poren verursacht ebenfalls Mängel. Insbesondere große Poren mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr führen zu ernsthaften Mängeln. Solche großen Poren führt man oft auf die Poren zurück, die sich bereits vor dem Carbonisieren in dem Phenolharz-Formgegenstand gebildet haben.
  • Daher ergibt eine Vorstufe mit vielen großen Poren dieser Größer keinen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff mit den gewünschten und durch die vorliegende Erfindung erzielten Eigenschaften. Solange die Zahl der großen Poren mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr an der Oberfläche des Formgegenstandes aus amorphen Kohlenstoff weniger als 1 pro cm² beträgt, wird die Glätte der polierten Oberfläche kaum beeinträchtigt.
  • Die erfindungsgemäße Vorstufe, das Verfahren zum Formen der Vorstufe, und das Verfahren zur Herstellung eines Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff unter Verwendung der Vorstufe werden im folgenden beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Vorstufe ist ein transparenter Formgegenstand mit keinen sichtbaren Poren. Solch einen transparenten Formgegenstand konnte man nicht durch andere Formungstechniken wie Formpressen erhalten, d.h. durch Kneten, gefolgt von Formen in einem stark fließenden Zustand, wie Transferpressen, Spritzgießen, Spritzformpressen und Extrudieren.
  • Wenn der Gehalt metallischer Substanzen und die Zahl der Poren mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr in einer Vorstufe ansteigen, steigt der Gehalt an metallischen Substanzen und die Zahl der Poren mit 100 µm oder mehr in dem resultierenden Formgegenstand aus amorphen Kohlenstoff nahezu proportional an, während der Lichtdurchlaßgrad der Vorstufe angenähert proportional abnimmt. Daher gestattet es die Messung des Lichtdurchlaßgrads der Vorstufe, den Metallgehalt und das Vorliegen von Poren in einem Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff abzuschätzen.
  • Der Ausdruck "Lichtdurchlaßgrad", wie er hier verwendet wird, meint den Prozentwert aus der Intensität durchfallenden Lichts und der Intensität des durch eine 1 mm dicke Probe einfallenden Lichts mit 800 nm (im folgenden einfach als Durchlaßgrad bezeichnet). Der Durchlaßgrad ist kein quantitativer Indikator für die Transparenz einer Substanz, sondern ein Maß für die Reinheit der Substanz.
  • Der Durchlaßgrad einer Vorstufe, selbst wenn diese vollkommen rein ist, übersteigt 95 % infolge des Vorliegens von molekularen lichtabsorbierender Substanzen, wie chinoiden Nebenprodukten, nicht. Anders ausgedrückt, beträgt die Differenz zwischen dem gemessen Durchlaßgrad und einem Durchlaßgrad von 95 % den optischen Verlust durch Absorption oder Streuung, verursacht durch feine Verunreinigungen oder feine Poren. Eine Vorstufe, deren Durchlaßgrad weniger als 80 % beträgt, weist auf einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff mit signifikanten Mängeln an seiner polierten Oberfläche hin.
  • Da die erfindungsgemäße Vorstufe ein Formgegenstand ist, den man durch Kneten und Formen eines geschmolzenen Phenolharzes in einem stark fließenden Zustand erhält, ist seine Struktur homogen und zeigt dieser kaum mikroskopische Ungleichmäßigkeiten hinsichtlich der Struktur oder der physikalischen Eigenschaften, wie Korngrenzen und lokale Spannungen, wenn man ihn mit einem herkömmlichen Phenolharz- Formgegenstand vergleicht, den man durch Sinterverfahren, wie das Formpressen, erhält. Daher hat ein Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff, den man durch Carbonisierungs-Brennen der erfindungsgemäßen Vorstufe erhält, eine homogene Struktur ohne Korngrenzen. Keine Korngrenzen zu haben, bedeutet, daß die polierte Oberfläche eines Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff im Sichtfeld bei einer elektronenmikroskopischen Untersuchung keine Grenzen offenbart, wie das ungleichmäßige Netzwerkmuster, das von den Grenzkonturen eines aus Partikeln bestehenden Phenolharzes stammt und sich bildet, wenn man die Vorstufe durch Formpressen gewinnt.
  • Die ausgezeichnete Homogenität des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff manifestiert sich auch in der Oberflächentextur, die eine Oberfläche mit ausgezeichneter Glätte ergibt. Selbst wenn man zu einer dünnen Platte formt, leidet diese kaum an Verformung und Verwindung.
  • Der Ausdruck "umfaßt eine homogenes Phenolharz, das durch Formen in einem stark fließenden Zustand homogenisiert wird", bedeutet im Hinblick auf die Vorstufe, daß die Vorstufe ein homogenes Phenolharz umfaßt, das man formt, indem man ein geschmolzenes Phenolharz einem Formen in einem stark fließenden Zustand unterzieht, wie (1) Hochflußtransferpressen und (2) Kneten, gefolgt von Spritzgießen oder Extrudieren in einem stark fließenden Zustand. Diese Eigenschaft der Vorstufe kann durch die Abwesenheit von Korngrenzen bestätigt werden, die man auf der polierten Oberfläche oder einem Bruchabschnitt des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff beobachtet, den man durch Brennen der Vorstufe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt hat.
  • Der Phenolharz-Formstoff, den man in der vorliegenden Erfindung verwenden kann, umfaßt ein aus Partikeln bestehendes Phenolharz mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 50 µm und einer thermischen Plastizität von 60 bis 160 mm, gemessen nach dem Scheibungshärtungsverfahren, wobei die einzelnen Partikel mit 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Phenolharz, einer Verbindung mit geringer Oberflächenspannung, mit einem Schmelzpunkt von 30 bis 160ºC beschichtet sind. Der Ausdruck "Partikelgröße", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den mittleren maximalen Partikeldurchmesser (der Durchmesser einer umschriebenen Kugel). Beträgt die Partikelgröße weniger als 50 µm, kann man das Phenolharz nicht auf stabile Weise der Formgebungsvorrichtung zuführung. Es gibt keinen spezifischen oberen Grenzwert der Partikelgröße Praktisch ist eine Partikelgröße von 100 bis 400 µm.
  • Das aus Partikeln bestehende Phenolharz kann irgendeine Form haben, beispielsweise eine kugelförmige Gestalt, eine zylindrische Gestalt oder eine kubische Gestalt. Wenn die Partikelgröße klein ist, sind kugelförmige Partikel wegen ihrer ausgezeichneten Transportfähigkeit beim Formen bevorzugt.
  • Der Ausdruck "thermische Plastizität", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Eigenschaft des Phenolharzes, die anzeigt, daß das Harz bei Umgebungstemperatur fest ist, aber unter Last und Wärme Fluidität zeigt. Im Unterschied zu allgemeinen thermoplastischen Harzen, zeigt ein Harz mit thermischer Plastizität selbsthärtende Eigenschaften, so daß fortgesetztes Erwärmen über einen gewissen Zeitraum bei einer Temperatur, bei der sich die thermische Plastizität manifestiert, dazu führt, daß eine intramolekulare und/oder intermolekulare Kondensation eingeleitet wird, die die Bildung einer vernetzten Struktur und das Selbsthärten erlaubt.
  • Die thermische Plastizität kann man quantitativ durch den Scheibenfluß (Ausdehnung des Durchmessers: mm) einer Harzprobe bei einer bestimmten Last bei 160ºC ausdrücken, wie sie gemäß dem in JIS (japanische Industrienorm) genauer angegebenen Scheibenhärtungsverfahren gemessen wird (nachstehend im Detail beschrieben). Harze mit einer thermischen Plastizität von weniger als 60 mm zeigen eine schlechte Formbarkeit. Jene mit einer thermischen Plastizität, die 160 mm übersteigt, erfordern eine längere Zeit für die Härtungsreaktion, was zu einer schlechten Produktivität führt, und Wasser, etc., das durch die Härtungsreaktion als Nebenprodukt gebildet wird, wird im Formgegenstand eingeschlossen, was zu Mängeln des resultierenden Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff nach dem Brennen zur Carbonisierung führt.
  • Vorzugsweise kann man das aus Partikeln bestehende Phenolharz in einem Verfahren herstellen, das die Suspensionspolymerisation eines Novolakharzes in einem wäßrigen Medium in Gegenwart eines alkalischen Katalysators, der auch als Methylen-Vernetzungsmittel dient, wie Hexamethylentetramin, und in Gegenwart eines Suspensionsstabilisators umfaßt (Verfahren für selbsthärtendes modifiziertes Novolakharz), wie es in JP-A-4- 159320 offenbart ist (der Ausdruck "JP-A", wie er hier verwendet wirde, bedeutet "nicht geprüfte veröffentliche japanische Patentanmeldung"), oder in einem Verfahren, das die Suspensionspolymerisation von Phenol und Formaldehyd in einem wäßrigen Mediums in Gegenwart eines basischen Katalysators und eines Suspensionstabilisators umfaßt (Verfahren für Fest-Resolharz). Diese Verfahren liefern feine kugelförmige Partikel mit extrem hoher Reinheit und einer nahezu vollkommenen kugelförmigen Form. Einen Formstoff mit großer Partikelgröße kann man auf effektive Weise durch Granulieren der so hergestellten feinen Partikel zu der gewünschten Partikelgröße erhalten.
  • Die Verbindung mit niedriger Oberflächenspannung, die man zum Bedecken (d.h. Beschichten) der Phenolharz-Partikel verwenden kann, ist eine niedrigschmelzende Verbindung mit einem Schmelzpunkt von 30 bis 160ºC, die bei Umgebungstemperatur fest ist und darüber hinaus die für Verbindungen mit niederiger Oberflächenspannung einzigartigen Eigenschaften besitzt (z.B. jenen mit einer kritischen Oberflächenspannung von nicht mehr als etwa 35 dyne/cm bei Umgebungstemperatur (25ºC)) wie Schmierfähigkeit (Gleiteigenschaft), Trenneigenschaften für die Form (mold release), und Nichtklebfähigkeit. Insbesondere Verbindungen, die kein metallisches Element in Form von beispielsweise einem Metallsalz enthalten, sind bevorzugt.
  • Solche Substanzen mit geringer Oberflächenspannung umfassen vorzugsweise Verbindungen, die mindestens eine der Verbindungen enthalten, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: einer aliphatischen Verbindungen mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen in ihrer aliphatischen Gruppe, einer mit 3 oder mehr Fluoratomen substituierten aliphatischen Verbindung mit 4 bis 16 Kohlenstoffatomen in ihrer aliphatischen Gruppe, einer mit 2 oder mehr Fluoratomen substituierten aliphatisch-aromatischen Verbindung mit 1 bis 9 Kohlenstoffatomen in ihrer aliphatischen Gruppe und mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen in ihrer aromatischen Gruppe, und einer mit 2 oder mehr Fluoratomen substituierten aromatischen Verbindung mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen in ihrer aromatischen Gruppe.
  • Spezifische Beispiele geeigneter Substanzen mit geringer Oberflächenspannung umfassen aliphatische Verbindungen, wie höhere Fettsäuren (z.B. Laurinsäure, Palmitinsäure und Stearinsäure), höhere Fettsäureester (z.B. Glycerinmonolaurat, Ethylstearat, Glycerinmonostearat und Sorbitanmonostearat), feste Fette und Öle (z.B. Trilaurin, Tristearin und hydriertes Rizinusöl), höhere Fettsäureamide (z.B. Stearamid und Ethylenbisstearamid), höhere aliphatische Alkohole (z.B. Cetylalkohol und Stearylalkohol), höhere aliphatische (Meth)acrylate (z.B. Stearylmethacrylat und Stearylacrylat), und wachsartige Kohlenwasserstoffe (z.B. Paraffinwachs); mit Fluoratomen substituierte aliphatische Verbindungen, wie höhere Polyfluorofettsäuren (z.B. Perfluoroctansäure und 9H-Hexadecafluornonansäure), höhere polyfluoroaliphatische Sulfonamide (z.B. N- Ethylperfluorooctylsulfonamid), höhere polyfluoroaliphatische Jodide (z.B. 2-(Perfluoroctyl)ethyljodid und 2- (Perfluordecyl)ethyljodid), höhere polyfluoroaliphatische Alkohole (z.B. 1H,1H,9H-Hexadecafluornonanol, 2- (Perfluoroctyl)ethanol, und 2-(Perfluordecyl)ethanol), höhere polyfluoroaliphatische (Meth)acrylate (z.B. 2- (Perfluordecyl)methyl-Methacrylat und 1H,1H,11H- Eicosafluorundecyl-Acrylat), höhere polyfluoroaliphatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Perfluordodecan), und Polyfluor- Oligomere (z.B. ein TFE-Wachs (Tetrafluorethylen-Telomer wie "Vydax AR", hergestellt von E. I. du Pont de Nemours & Co., Inc.) und ein CTFE-Telomer (Chlortrifluorethylen-Telomer wie "Daifloyl *200", hergestellt von Daikin Industries, Ltd.)); mit Fluoratomen substituierte aliphatisch-aromatische Verbindungen, wie das Addukt von 2-(Methyl-p-hydroxybenzoat) und das Hexafluorpropen-Trimer; mit Fluoratomen substituierte aromatische Verbindungen wie Pentafluorbenzamid; Derivate dieser Verbindungen; und Mischungen von zwei oder mehreren davon.
  • Der erfindungsgemäße Phenolharz-Formstoff ist ein aus Partikeln bestehender, zusammengesetzter Stoff, der die oben erwähnten Phenolharzpartikel umfaßt, die mit der zuvor erwähnten Verbindung mit geringer Oberflächenspannung in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise von 0,3 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Phenolharz, beschichtet sind.
  • Beträgt die Menge der Beschichtungsverbindung mit geringer Oberflächenspannung weniger als 0,2 Gew.-%, neigt der Formstoff dazu, den Zylinder der Formungsvorrichtung zu verstopfen, was es schwierig macht, das Formen kontinuierlich durchzuführen. Übersteigt sie 5 Gew.-%, ergibt sich keine weitere Verbesserung der Formbarkeit, und es wird tendenziell schwierig, einen transparenten Formgegenstand zu erhalten.
  • Es ist bevorzugt, daß die Verbindung mit geringer Oberflächenspannung so gleichmäßig wie möglich mit einer einheitlichen Beschichtungsfilmdicke zwischen den einzelnen Partikeln verteilt wird.
  • Empfohlene Verfahren, mit denen man das aus Partikeln bestehende Phenolharz mit der Verbindung geringer Oberflächenspannung in der vorgeschriebenen Menge beschichtet, umfassen ein Verfahren, bei dem man beide Verbindungen durch Rühren in einem mit Erhitzungsmitteln ausgestatteten Mischer vermischt, während man auf die vorgeschriebene Temperatur im Bereich vom Schmelzpunkt der Verbindung geringer Oberflächenspannung bis zum Erweichungspunkt des aus Partikeln bestehenden Phenolharzes erhitzt; ein Verfahren, das das Zusammenrühren beider Verbindungen in einem Wirbelbett bei der oben angeführten, vorgeschriebenen Temperatur umfaßt; und ein Verfahren, das das Auflösen der Verbindung geringer Oberflächenspannung in einem Lösungsmittel, das nicht dazu in der Lage ist, das aus Partikeln bestehende Phenolharz aufzulösen, aber in der Lage ist, die Verbindung geringer Oberflächenspannung aufzulösen, die Zugabe des aus Partikeln bestehenden Phenolharzes zu der Lösung, und das Entfernen des Lösungsmittels aus der Mischung durch Destillation, gefolgt von Trocknen, umfaßt.
  • Es ist wesentlich, daß der Wassergehalt des Phenolharz- Formstoffes auf 1 Gew.-% oder weniger, zumindest zum Zeitpunkt des Formens, eingestellt wird, wie es nachstehend im Detail beschrieben wird. Im allgemeinen hat ein durch Polymerisation hergestelltes Phenolharz einen Wassergehalt von mehreren Gew.-%. Das so hergestellte Phenolharz wird im voraus getrocknet, um seinen Wassergehalt auf 1 Gew.-% oder weniger zu verringern, und dann mit einer Verbindung geringer Oberflächenspannung beschichtet. Das Trocknen des aus Partikeln bestehendn Phenolharzes führt man vorzugsweise aus, indem man auf 60 bis 120ºC im Vakuum oder in zirkulierender trockener Luft erhitzt. Es ist gleichermaßen wirksam, gleichzeitig das Beschichten des aus Partikeln bestehenden Phenolharzes mit einer Verbindung geringer Oberflächenspannung und das Trocknen des Phenolharzes auszuführen.
  • Mit der Verbindung geringer Oberflächenspannung bedeckt, die wasserabweisend ist und eine geringe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit zeigt, ist der so hergestellte Phenolharz-Formstoff in der Lage, seinen ursprünglich eingestellten Wassergehalt, lange Zeit zu behalten. Zur Verwendung im industriellen Maßstab lagert man jedoch der Qualitätskontrolle wegen den Formstoff vorzugsweise in einem geschlossenen oder versiegelten Behälter bis zum Gebrauch.
  • Es ist ebenfalls möglich, das nicht getrocknete, aus Partikeln bestehende Phenolharz, so wie es hergestellt wurde, mit einer Verbindung geringer Oberflächenspannung zu beschichten. In diesem Fall trocknet man das beschichtete Phenolharz gründlich direkt vor dem Formen, um seinen Wassergehalt auf 1 Gew.-% oder weniger zu verringern, und unterzieht es dann einem Formen unter solchen Bedingungen, die eine Feuchtigkeitsabsorption verhindern.
  • Der erfindungsgemäße Phenolharz-Formstoff kann einem Formen in einem stark fließenden Zustand durch Transferpressen, Spritzgießen, Spritzformpressen, Extrudieren, und vergleichbare Techniken unter üblicherweise eingesetzten Bedingungen unterzogen werden, um eine transparente und im wesentlichen porenfreie Vorstufe zu liefern.
  • Wie oben angemerkt, hat der zu verwendende Phenolharz- Formstoff einen Wassergehalt von nicht mehr als 1 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 0,2 Gew.-%. Wenn der Wassergehalt 4 1 Gew.-% übersteigt, ergeben sich Tendenzen der Art, daß sich Poren bilden und in dem resultierenden Formgegenstand verbleiben und daß unter gewissen Formungsbedingungen der Formstoff einer Verschlechterung unterliegt, beispielsweise durch Hydrolyse.
  • In herkömmlichen Formungsverfahren unter stark fließendem Zustand (z.B. Transferpressen, Spritzgießen oder Extrudieren) für einen aus Partikeln bestehenden Phenolharz-Formstoff mit thermischer Plastizität verwendet man üblicherweise einen Füllstoff und/oder ein faserförmiges Verstärkungsmaterial und gegebenenfalls einen metallhaltigen organischen Schmierstoff. Bei der Herstellung einer Vorstufe für einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff sollte man diese Formungshilfsstoffe jedoch nicht verwenden, um die zuvor angeführten Anforderungen an die hohe Leistungsfähigkeit zu erfüllen. Versuche, einen herkömmlichen Phenolharz-Formstoff ohne Gebrauch dieser Hilfsstoffe zu formen, würde die Störung des Feststofftransports des Formstoffes in einer Feststofftransportzone und/oder die Störung der Zuführung und des Knetens in einer Heizzone mit sich bringen, was dazu führen kann, daß das Formen nicht auf zufriedenstellende Weise fortgesetzt werden kann. Andererseits würde, wenn man die reine Trockenmischung einer gepulverte Substanz geringer Oberflächenspannung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und eines Phenolharz-Formstoffes auf die gleiche Weise formen würde, die Mischung eine Phasentrennung zwischen der Substanz geringer Oberflächenspannung und dem Phenolharz erleiden, während man sie von der Feststofftransportzone zur Heizzone führt, da der Schmelzpunkt der ersteren geringer ist als jener der letzteren. Daraus folgt, daß das Formungssystem instabil würde, was zu Formungsfehlern, wie dem Einschluß von Luftblasen führt.
  • Da andererseits der erfindungsgemäße Phenolharz-Formstoff Phenolharz-Partikel umfaßt, die gleichmäßig mit einer hochschmierfähigen Substanz geringer Oberflächenspannung beschichtet sind, zeigt die Beschichtungssubstanz einen Gleiteffekt und einen fluiditätsverbessernden Effekt und hilft beim glatten Feststofftransport, Schmelzen und Kneten des Harzes sowie beim Dispergieren der Verbindung mit geringer Oberflächenspannung, ohne daß Phasentrennung verursacht wird. Im Ergebnis kommt es kaum zum Einbau von Luftblasen in den Formgegenstand, d.h. weniger als eine Pore mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr pro cm³ wird eingeschlossen, und der resultierende Formgegenstand ist homogen. Ferner bildet die Substanz geringer Oberflächenspannung einen Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Formgegenstands und verbessert dadurch die Formtrenneigenschaften beim Entfernen des Formgegenstands aus der Form. Diese verbessernden Effekte bewirken auf synergistische Weise ein stabiles und gleichmäßiges Formen auf kontinuierliche Weise. Somit enthält der resultierende Formgegenstand, d.h. die Vorstufe, keine sichtbaren Luftblasen, und weist genaue Dimensionen bei extrem geringer Streuung der Qualität unter den Preßerzeugnissen auf.
  • Beim Brennen der Vorstufe wird die Verbindung geringer Oberflächenspannung nach ihrer Zersetzung entweder verdampft oder vergast und auf diese Weise aus dem Formgegenstand entfernt, so daß sie niemals im resultierenden Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff verbleibt.
  • Auch wenn man den erfindungsgemäßen Phenolharz-Formstoff ebenfalls durch Formpressen erhalten kann, das man hauptsächlich für herkömmliche Phenolharz-Formstoffe eingesetzt hat, kann man Formungstechniken unter stark fließendem Zustand einsetzen, wie Transferpressen, Spritzgießen und Extrudieren, deren Durchführung in der Vergangenheit schwierig gewesen ist. In dieser Hinsicht ist der erfindungsgemäße Phenolharz-Formstoff ein sehr fortschrittlicher Formstoff.
  • Im Hinblick auf die erhaltenen Vorstufenformlinge, formt man unter Einsatz des Formpressens, indem man das aus Partikeln bestehende Phenolharz schmilzt und dann das geschmolzene Harz als solches zu einem Körper verschmilzt, ohne irgendeinen Homogenisierungsschritt, wie Kneten, ähnlich dem Sintern, einzuschließen, wogegen man den erfindungsgemäßen Vorstufenformling mittels Formen in einem stark fließenden Zustand herstellt, indem man das aus Partikeln bestehende Phenolharz vollständig schmilzt, und das geschmolzene Harz durch Hochgeschwindigkeitsfluß (im Fall des Transferpressens) oder Kneten (oder im Fall des Spritzgießens oder des Extrudierens) homogenisiert. Daher ist der erfindungsgemäße Vorstufenformling, bei dem man in stark fließendem Zustand formt, homogen und weist eine einheitliche chemische Struktur auf. Darüber hinaus kann man die erfindungsgemäße Vorstufe leicht zu komplizierten Formen formen und eine hohe Produktivität sicherstellen. Wenn man mit dem Formpressen vergleicht, weist die resultierende Vorstufe eine hohe Dimensionsgenauigkeit bei ausgezeichneter Reproduzierbarkeit auf, da das erfindungsgemäße Formungsverfahren aus dem Füllen einer Form mit einem niederviskosen Fluid bei hoher Geschwindigkeit unter hohem Druck besteht, während man den Spritz(gieß)druck kontrolliert.
  • Man stellt die so erhaltene Vorstufe in einen Brennofen und carbonisiert durch Brennen im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre, um den Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff bereitzustellen. Vorzugsweise führt man das Brennen aus, indem man die Ofentemperatur mit einer Temperaturerhöhungsrate von 5ºC/h von Raumtemperatur auf 250ºC, mit 3ºC/h von 250ºC auf 600ºC, und mit etwa 10ºC/h von 600ºC auf die Heizendtemperatur erhöht, die Heizendtemperatur über einen Zeitraum von 80 bis 160 h beibehält, und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Brennendtemperatur beträgt geeigneterweise von 1200 bis 1600ºC.
  • Der Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff, den man durch Carbonisierungs-Brennen der Vorstufe, die man durch Formen in einem stark fließenden Zustand gewinnt, erhält, kann als solcher verwendet werden. Für spezielle Anwendungen, wo eine besonders hohe Dimensionsgenauigkeit oder eine besonders hohe Oberflächenglätte erforderlich ist, kann man die Oberfläche des carbonisierten Formgegenstands polieren. Für Anwendungen, wo solche Verunreinigungen wie metallische Substanzen äußerst gering gehalten werden sollen, unterzieht man den carbonisierten Formgegenstand einer Reinigungsbehandlung, indem man Asche mit einem Gas oder einer Flüssigkeit entfernt, die in der Lage sind, eine metallische Substanz aufzulösen, wie z.B. Chlorwasserstoffsäure. Typische Beispiele solcher Anwendungen umfassen Plasmaätzer, Suszeptoren und Substrate von Magnetdisks, wie sie in der Elektronikindustrie verwendet werden. Bei diesen Anwendungen sollte man das Vorkommen von Poren und metallischen Substanzen auf der Oberfläche strikt begrenzen.
  • Der im erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff enthält keine sichtbaren Poren, hat einen extrem niedrigen Metallgehalt, und ist auf der Oberfläche und im Inneren homogen, und weist somit eine hohe Reinheit und eine ausgezeichnete Oberflächenbearbeitbarkeit auf. Demgemäß ist der erfindungsgemäße Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff bei verschiedenen Anwendungen von Nutzen, wie z.B. als Tiegel oder Rasching-Ringe in der metallurgischen und chemischen Industrie und als Plasmätzer, Suszeptor oder Substrat von Magnetdisks in der Elektronikindustrie. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff, der durch Formtechniken unter stark fließendem Zustand, wie Transferpressen, Spritzgießen, Spritzformpressen und Extrudieren erhältlich ist, die sehr produktiv und sehr präzise im Vergleich mit dem herkömmlichen vorherrschenden Formpreßverfahren sind, von hoher Qualität und dennoch nicht teuer, und kann eine große Vielzahl von Formen aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Vorstufe ist nicht teuer, und zeichnet sich durch verschiedene Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit, Steifigkeit (rigidity), Härte, isolierende Eigenschaften und chemische Beständigkeit aus und ist transparent. Daher eignet sie sich nicht nur als Vorstufe eines Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff, wie zuvor erläutert, sondern auch als optisches (Bau)teil, als Behälter, als Fenstermaterial, etc.
  • Unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele wird die vorliegende Erfindung nun näher erläutert, wobei man jedoch berücksichtigen sollte, daß die vorliegende Erfindung nicht als darauf begrenzt zu deuten ist. Alle Teile und Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht, falls nicht anders angegeben.
  • Referenzbeispiel 1
  • Ein Novolakharz ("#600", hergestellt von Mitsui Toatsu Chemicals Inc.) (150 Teile) wurde bei 160ºC geschmolzen und in 220 Teile heißen Wassers, in dem man 1 Teil vollständig verseiften Polyvinylalkohol (Polymerisationsgrad: etwa 2000) gelöst hatte, während man rührte, um eine Suspension herzustellen. Man gab eine Lösung aus 24 Teilen Hexamethylentetramin in 40 Teilen warmen Wasser zu der Suspension, und setzte das Rühren für weitere 20 min bei der gleichen Temperatur fort, um die Suspensionspolymerisation durchzuführen. Nach Beendigung der Reaktion unterzog man die Suspension einer Fest-Flüssig-Trennung. Der gesammelte Feststoff wurden spontan getrocknet und man erhielt ein aus Partikel bestehendes Phenolharz. Nach diesem Verfahren stellte man die Harze 1 bis 8 her, um die in Tabelle 1 gezeigten, HPF-Sollwerte zu erhalten. Die mittels der folgenden Verfahren gemessen physikalischen Eigenschaften der Harze 1 bis 8 sind nachstehend in Tabelle 1 gezeigt.
  • 1) Thermische Plastizität (im folgenden als HPF abgekürzt):
  • Wurde nach dem in JIS-K-6911 5.3.2 (1979) (Formstoff (Scheibenver fahren) genauer angegebenen Scheibenfluß- Testverfahen gemessen. Eine 2 g wiegende Probe wurde unter einer Last von 1145 kg 1 min heißgepreßt, und der Durchmesser der so geformten Scheibe (das Mittel aus dem maximalen Durchmesser und dem minimalen Durchmesser) wurde gemessen.
  • 2) Mittlere Partikelgröße
  • Man breitete eine Probe auf eine Glasplatte aus und nahm ein Mikrobild davon auf. Der Partikeldurchmesser von jeweils 100 beliebig ausgewählten Teilchen wurde gemessen und gemittelt.
  • 3) Wassergehalt:
  • Man erhitzte eine 10 g wiegende Probe 30 min bei 80ºC mit einem Infrarotheizgerät und maß den Gewichtsverlust. Tabelle 1
  • Referenzbeispiel 2
  • Auf die gleiche Weise wie in Referenzbeispiel 1 stellte man ein Phenolharz mit einem HPF-Wert von 145 mm, einer mittleren Partikelgröße von 138 µm und einem Wassergehalt von 2,3 % her, abgesehen davon, daß man den Gehalt des vollständig verseiften Polyvinylalkohols auf 1,5 Gew.-Teile erhöhte. Man klassierte das resultierende Phenolharz mit einem Sieb mit einer Maschengröße von 50 µm, 100 µm oder 150 µm, um Fraktionen von 50 µm oder darunter (Harz 9), eine Fraktion von 50 bis 100 µm (Harz 10), eine Fraktion von 100 bis 150 µm (Harz 11), und eine Fraktion mit 150 µm und darüber (Harz 12) zu erhalten. Man granulierte Harz 9, um zylindrische Pellets mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 3 mm (Harz 13) zu erhalten. Die physikalischen Eigenschaften der Harze 9 bis 13, die auf die gleiche Weise wie in Referenzbeispiel 1 gemessen wurden, sind nachstehend in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
  • Man mischte jedes der aus Partikeln bestehenen Phenolharze der Harze 1 bis 13 mit einer in Tabelle 3 gezeigten Verbindung mit geringer Oberflächenspannung in einem mit einem Heizmantel ausgestatteten Mischer bei 100ºC, um die Harzpartikel mit der Verbindung geringer Oberflächenspannung zu beschichten, und trocknete dann an der Luft bei 70ºC und bei einer relativen Feuchtigkeit von 2 % oder weniger, um einen Phenolharz-Formstoff herzustellen.
  • Beispiele und Vergleichsbeispiele
  • Man formte jeden der aus den Harzen 1 bis 13 hergestellten Phenolharz-Formstoffe in einer Spritzgußvorrichtung vom Typ EM35-25KS-10, die von Matsuda Seisakusho K.K. hergestellt wird, bei einer Zylindertemperatur von 120ºC, einer Formtemperatur von 170ºC und einem Spritzdruck von 70 bis 150 kg/cm² und erhielt eine Scheibe die 20 g wog und einen Durchmesser von 100 mm und eine Dicke von 2 mm (Durchgang Nr. 1 bis 26) aufwies. Alle resultierenden Formlinge sind Vorstufen des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Der aus Harz 7 hergestellte Phenolharz-Formstoff wurde mittels einer Heißpresse vom Typ NF-70, die von Shinto Kinzoku Kogyo K.K. hergestellt wird, bei einer Preßtemperatur von 180ºC und bei einem Formungsdruck von 200 kg/cm² formgepreßt und man erhielt eine Scheibe mit einem Durchmesser von 60 mm, einer Dicke von 3 mm und einem Gewicht von 7 g (Durchgänge Nr. 27 und 28). Bei diesem Formling handelte es sich um eine Vorstufe des konventionellen Typs für einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff.
  • Jede der Vorstufen wurde in einem Vakuumsinterofen des Widerstandheizungstyps ("Modell FVS-R", hergestellt von Fuji Denpa Kogyo K.K.) gebrannt, indem man mit einer Temperatursteigerungsrate von 5ºC/h auf 250ºC, 3ºC/h von 250ºC bis 600ºC, und 10ºC/h von 600ºC bis auf 1200ºC erhitzte und 160 Stunden bei der Endbrenntemperatur 1200ºC hielt, worauf man auf Raumtemperatur abgekühlte und einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff erhielt.
  • Man polierte die Oberfläche des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff mit einer einseitigen Poliermaschine des Modells 24BTAW, die von Speedfam Co., Ltd. hergestellt wird, wobei man eine Fujimi Diamantpaste verwendete, auf eine Oberflächenrauheit (Ra) von nicht mehr als 1 µm, die mit einem SE3AL-Abtastrauhigkeitsmeßgerät gemessen wurde, das von Kosaka Kenkyusho K.K. hergestellt wird.
  • Unter Verwendung der nachstehend gezeigten Bewertungsmaßstäbe und Meßverfahren wurden die Formbarkeit, der Lichtdurchlaßgrad, die Porenzahl und der Metallgehalt der Vorstufe und die Zahl der offenen Poren an der Oberfläche, die Korngrenzen in einem Bruchabschnitt und der Metallgehalt des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff gemessen. Die Resultate sind nachstehend in Tabelle 3 gezeigt.
  • Die Proben der Durchgänge Nr. 1 bis 26 stehen für die erfindungsgemäße Vorstufe und dem daraus erhaltenen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff. Die Proben der Durchgänge 27 und 28 stehen für die Vorstufe, die durch konventionelles Formpressen erhalten wurde, und den daraus gewonnen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff.
  • 1) Formbarkeit der Vorstufe
  • ... Zum Spritzgießen auf kontinuierliche Weise mit einem 90 s-Spritzvorgangszyklus geeignet.
  • Δ ... Zum Spritzgießen geeignet, aber nicht zum kontinuierlichen Formen in einem 90 s- Spritzvorgangszyklus.
  • x ... Zum Spritzgießen nicht geeignet infolge unzureichender Zuführung, Verstopfen des Zylinders etc.
  • 2) Lichtdurchlaßgrad der Vorstufe:
  • Man maß den Lichtdurchlaßgrad der Scheibenprobe, wie er zuvor definiert wurde, bei 25ºC mit einem aufzeichnenden Spektrophotometer des Modells U-3400, das von Hitachi, Ltd. hergestellt wird. Aus Messungen an 10 Punkten pro Probe erhielt man einen Mittelwert.
  • 3) Porenzahl der Vorstufe:
  • Man untersuchte die Scheibe unter einem Stereoskopmikroskop (hergestellt von Olympus Opticals Co., Ltd.; Vergrößerung: 300). Die Zahl der Poren mit einem Durchmesser von 20 µm oder mehr pro 10 cm² des Felds wurde gezählt und auf volumetrische Basis umgerechnet, um die Zahl der Poren pro cm³ zu erhalten. Aus Messungen an zehn Punkten pro Probe erhielt man einen Mittelwert.
  • 4) Metallgehalt der Vorstufe:
  • Man bestimmte den Metallgehalt durch emissionsspektroskopische Analyse mit einem I.C.A.P-575- Emissisionsspektroskop, das von Nippon Jarrell Ash Co. hergestellt wird.
  • Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle 3 nicht gezeigt, da die Messung einer jeden Probe nicht mehr als 100 Gew.-ppm ergab.
  • 1) Zahl der offenen Poren an der Oberfläche des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff:
  • Die polierte Oberfläche wurde unter einem Stereoskopmikroskop (hergestellt von Olympus Optical Co., Ltd.; Vergrößerung: 300) untersucht. Man zählte die offenen Poren mit einem Durchmesser von 20 µm oder mehr pro 10 cm² des Felds, um die Anzahl der Poren pro cm² zu erhalten.
  • 2) Korngrenzen in einem Bruchabschnitt des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff:
  • Unter einem Feldemissions-Rasterelektkronenmikroskop (SEM) des Modells S-4000, das von Hitachi Ltd. hergestellt wird, beobachtete man einen Bruchabschnitt und bewertete auf Grundlage der folgenden Maßstäbe:
  • Nicht beobachtet ... Über den gesamten Bruchabschnitt hinweg homogen, ohne daß man Korngrenzen beobachtete.
  • Beobachtet ... Über den gesamten Bruchabschnitt beobachtete man Korngrenzen zwischen den Domänen des Phenolharz-Formstoffs.
  • 3) Metallgehalt des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff:
  • Den Metallgehalt bestimmte man als Aschegehalt unter Verwendung eines Elektroofens des Modells SSH-1, der von Advantec Toyo Kaisha Ltd. hergestellt wird.
  • Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle 3 nicht gezeigt, da die Messung einer jeden Probe nicht mehr als 200 Gew.-ppm ergab.
  • In Tabelle 3 haben die Abkürzungen für die verwendeten Substanzen mit geringer Oberflächespannung die folgenden Bedeutungen. Der Schmelzpunkt der Substanz ist in Klammern gezeigt.
  • SMG: Glycerinmonostearat (60ºC)
  • SE: Ethylstearat (34ºC)
  • SAL: Stearylalkohol (56ºC)
  • SMP: Sorbitanmonopalmitat (46ºC)
  • SAC: Stearinsäure (66ºC)
  • Mannitol (166ºC)
  • SAM: Stearamid (100ºC) Tabelle 3 Tabelle 3 (Fortsetzung) Tabelle 3 (Fortsetzung) Tabelle 3 (Fortsetzung)
  • Wie man im Hinblick auf Tabellen 1 und 2 aus Tabelle 3 erkennen kann, stellte sich heraus, daß die Proben der Durchgänge 1, 8, 9, 14, 18, 20, 25, 27 und 28, die die Vergleichsbeispiele darstellen, mehrere im folgenden diskutierte Nachteile aufweisen.
  • Im Durchgang Nr. 1 zeigte der Formstoff ein schlechtes Fließvermögen und führte zum Verstopfen des Spritzzylinders, da der HPF-Wert des Harzes 1, das man im Phenolharz-Formstoff verwendete mit 45 mm gering war, und konnte nicht spritzgegossen werden.
  • Im Durchgang Nr. 8, bei einem 160 mm übersteigenden HPF-Wert des Harzes 8, wurde das Spritzgießen auf zufriedenstellende Weise durchgeführt. Selbst nachdem jedoch die Oberflächenschicht des Formgegenstands in der Form gehärtet war, schritt die Kondensation im Inneren voran, was zur Bildung vieler Poren im Inneren der Vorstufe führte. Im Ergebnis hatte der Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff offene Poren an seiner Oberfläche und man beobachtete ebenfalls viele Poren im Bruchabschnitt der Vorstufe bei der SEM-Untersuchung.
  • Im Durchgang Nr. 9 hatte das aus Partikeln bestehende Phenolharz, das man verwendete, eine Partikelgröße von weniger als 50 µm, so daß man den Formstoff infolge unzureichender Zuführung nicht auf kontinuierliche und stabile Weise spritzgießen konnte.
  • Im Durchgang Nr. 14 betrug die Menge der Substanz mit geringer Oberflächenspannung weniger als 0,2 Gew.-%, so daß man den Formstoff infolge Verstopfens des Zylinders nicht spritzgießen konnte.
  • Im Durchgang Nr. 18 verschlechterte die Substanz mit geringer Oberflächenspannung, die man in einer 5 Gew.-% übersteigenden Menge verwendet hatte, die Transparenz des Harz- Formgegenstands, was die Bewertung von Poren in der Vorstufe schwierig machte.
  • Im Durchgang Nr. 20 führte der 1 Gew.-% übersteigende, hohe Wassergehalt in dem Phenolharz-Formstoff zu einer hohen Porenzahl in dem Harz-Formgegenstand. Bei der SEM- Untersuchung eines Bruchabschnitts des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff beobachtete man ähnlich eine Anzahl von Poren.
  • Im Durchgang Nr. 25 war die Substanz mit geringer Oberflächenspannung und mit einem Schmelzpunkt von 166ºC, nicht dazu in der Lage, die Phenolharzpartikel beim Trocken gleichmäßig zu beschichten. Darüber hinaus schmolz der Formstoff kaum, wenn man ihn spritzgoß und zeigte somit keine ausreichende Formbarkeit.
  • In den Durchgängen Nr. 27 und 28 wurde der Phenolharz- Formstoff formgepreßt. Jeder der durch Brennen erhaltenen Formgegenstände aus amorphem Kohlenstoff zeigte Korngrenzen über den gesamten Bruchabschnitt hinweg, wobei man davon ausgeht, daß diese von den Grenzen in der Vorstufe stammen, und eine nicht einheitliche Struktur des Formgegenstandes aus amorphem Kohlenstoff offenbaren.
  • Bei der näheren Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele ist dem Fachmann klar, daß man verschiedene Veränderungen und Modifikationen vornehmen kann, ohne vom Erfindungsgedanken und -bereich abzuweichen.

Claims (5)

1. Phenolharz-Formstoff zur Herstellung einer Vorstufe eines Formgegenstands aus amorphem Kohlenstoff, der ein aus Partikeln bestehendes Phenolharz mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 50 µm und einer thermischen Plastizität von 60 bis 160 mm, gemessen nach dem Scheibenhärtungsverfahren, umfaßt, wobei die einzelnen Partikel davon mit 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Phenolharz, einer Verbindung mit geringer Oberflächenspannung beschichtet sind, die einen Schmelzpunkt von 30 bis 160ºC aufweist.
2. Phenolharz-Formstoff gemäß Anspruch 1, worin besagte Verbindung mit geringer Oberflächenspannung mindestens eine Verbindung umfaßt, die aus der Gruppe bestehend aus einer aliphatischen Verbindung mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen in ihrer aliphatischen Gruppe, einer mit 3 oder mehr Fluoratomen substituierten aliphatischen Verbindung mit 4 bis 16 Kohlenstoffatomen in ihrer aliphatischen Gruppe, einer mit 2 oder mehr Fluoratomen substituierten aliphatisch-aromatischen Verbindung mit 1 bis 9 Kohlenstoffatomen in ihrer aliphatischen Gruppe und mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen in ihrer aromatischen Gruppe, und einer mit 2 oder mehr Fluoratomen substituierten aromatischen Verbindung mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen in ihrer aromatischen Gruppe, ausgewählt wird.
3. Vorstufe zu einem Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff, die ein homogenes Phenolharz umfaßt, das durch Formen in einem stark fließenden Zustand homogenisiert wurde, worin die Vorstufe einen Lichtdurchlaßgrad von nicht weniger als 80 % pro mm optischem Gang des sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 800 nm, weniger als eine Pore mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr pro cm³, und einen Metallgehalt von nicht mehr als 200 Gew.-ppm hat.
4. Verfahren zur Herstellung einer Vorstufe eines Formgegenstands aus amorphem Kohlenstoff, welches das Formen eines Phenolharz-Formstoffs durch Transferpressen, Spritzgießen, Spritzformpressen oder Extrudieren umfaßt, wobei der besagte Phenolharz- Formstoff ein aus Partikeln bestehendes Phenolharz mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 50 µm und mit einer thermischen Plastizität von 60 bis 160 mm, gemessen nach dem Scheibenhärtungsverfahren, umfaßt, wobei die einzelnen Partikel davon mit 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Phenolharz, einer Verbindung mit geringer Oberflächenspannung, die einen Schmelzpunkt von 30 bis 160ºC aufweist, beschichtet sind, und der Wassergehalt davon auf 1 Gew.-% oder weniger kontrolliert wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines Formgegenstands aus amorphem Kohlenstoff, welches das Carbonisieren einer Vorstufe für einen Formgegenstand aus amorphem Kohlenstoff durch Brennen bei einer Temperatur von 500 bis 3000ºC im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre umfaßt, wobei die besagte Vorstufe ein homogenes Phenolharz umfaßt, das durch Formen in einem stark fließenden Zustand homogenisiert wurde, worin die Vorstufe einen Lichtdurchlaßgrad von nicht weniger als 80 % pro mm optischem Gang des sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 800 nm, weniger als 1 Pore mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr pro cm³, und einen Metallgehalt von nicht mehr als 200 Gew.-ppm aufweist.
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