专利名称：制造未烧结金属纤维介质的方法
技术领域：
本发明涉及制造含有金属纤维和聚合物粘合剂的未烧结金属纤维介质的方法。本发明还涉及含有金属纤维和聚合物粘合剂的未烧结金属纤维介质。
背景技术：
现有技术中，众所周知含有金属纤维和聚合物粘合剂的未烧结金属纤维介质是用湿法铺设法生产烧结金属纤维介质过程中的中间产品，如WO98/43756、EP933984A、JP11-131105、JP61-225400和JP61-223105所述。使金属纤维存在于浆料中，把浆料倒在筛网上。使水从浆料中吸出通过筛网。然后烧结残留的脱水浆料，以得到烧结金属纤维介质。通常用粘合剂把金属纤维暂时地彼此粘合在一起，使脱水浆料易于输送。
湿法铺网存在缺点，即，当采用细和/或相对短的纤维时，一些较短的纤维会和从浆料中除去的水一起被吸过筛网。在先制备细网、后进行烧结的情况下，脱水步骤可能在网上吸成小的或较大的洞，导致在此处几乎没有或没有纤维能截留住以用于烧结。而且，用来在脱水期间支撑湿浆料的支撑网会留下痕迹。在脱水后的网上会注意到支撑网的图案，即，重复的细点。采用多层的细网时，这可能导致不均匀性。
其结果就是当脱水浆料作为未烧结金属纤维介质时，可能有不均匀的区域，这些区域中存在较少的纤维。
尤其是采用小当量直径如2μm～6μm的纤维时，会注意到脱水期间一并吸出纤维和水的现象。这是因为一般而言较小长度的纤维量越大，纤维就越细。其结果就是在纤维具有小当量直径的情况下，会有更多的短纤维和水一起在脱水期间被吸出。
发明概述本发明的一个目的是提供一种克服了现有技术缺陷的制造未烧结金属纤维介质的方法。本发明的另一个目的是提供一种制造其整个表面范围内的性能更均匀的未烧结金属纤维介质的方法。本发明的再一个目的是提供一种制造含有相对短和/或细的金属纤维、而且其整个表面范围内的性能均匀的未烧结金属纤维介质的方法。本发明还有一个目的是提供一种制造具有相对小的厚度、而且其整个表面范围内的性能均匀的未烧结金属纤维介质的方法。
作为本发明主题的制造未烧结金属纤维介质的方法包括如权利要求1所述的步骤。
优选地，用来用涂布器浇铸或所谓的带型浇铸的浆料中，金属纤维的量为浆料的2wt％～40wt％，更优选为浆料的5wt％～15wt％。显然，这样的浓度与带型浇铸(tape casting)作用一起提供了基本上平的浆料层，使得金属纤维分布得更加均匀，从而就提供了在整个介质表面和深度范围内的性能更加均匀的金属纤维介质。
浆料中过多的金属纤维可能导致纤维的聚集，反过来又导致在整个金属纤维介质内不均匀的金属纤维分布。
浆料中过少的金属纤维可能导致在浆料固化之前，浇铸的金属纤维介质中存在不规则的分布。
在进一步的优选方法中，浆料含有用来溶解粘合剂的溶剂，而且在浆料的固化期间，所有的溶剂都通过蒸发除去。这对由该进一步工艺所引起的在金属纤维介质整个表面和深度范围内的金属纤维分布均匀性有着进一步有利的影响。
第一步是提供金属纤维。任何类型的金属或金属合金都可用来提供金属纤维。金属纤维例如由钢，如不锈钢制成。优选的不锈钢合金是AISI 300系列或AISI 400系列的合金，例如AISI 316L或AISI 347，或者使用含有Fe、Al和Cr的合金，含有铬、铝和/或镍以及0.05～0.3wt％的钇、铈、镧、铪或钛的不锈钢，例如DIN 1.4767合金或Fecralloy。还可以采用铜或铜合金，或者钛或钛合金。还可以用镍或镍合金制造金属纤维。
金属纤维可以通过任何已知的金属纤维制造方法制造，例如束拉制(bundle drawing)的操作，或者JP3083144所述的卷切削的操作，金属丝的切削操作(如钢丝绵)，或者由熔融金属合金浴形成金属纤维的方法。
为了提供具有平均长度的金属纤维，可以用WO 02/057035所述的方法切断金属纤维，或者用例如US4664971所述的方法提供金属纤维粒。
用于提供未烧结金属纤维介质的金属纤维的特征在于具有当量直径D和平均纤维长度L。
金属纤维的当量直径是指表面与纤维径向截面的表面相等的一个假想圆的直径。
优选地，金属纤维的当量直径D小于100μm例如小于65μm，更优选小于36μm例如是35μm、22μm或17μm。可能地，金属纤维的当量直径小于15μm例如是14μm、12μm或11μm，或者甚至更优选小于9μm例如8μm。最优选地，金属纤维的当量直径D小于7μm或者小于6μm，例如小于5μm，例如是1μm、1.5μm、2μm、3μm、3.5μm或4μm。
金属纤维都具有各自的纤维长度。由于制造金属纤维的方法，这些纤维长度可能产生某些分布，用来提供作为本发明主题的未烧结金属纤维介质的金属纤维具有平均纤维长度L。这一长度是通过测量大量的纤维，根据合适的统计学标准确定的。金属纤维的平均纤维长度小于10mm，例如是小于6mm，优选小于1mm，例如是小于0.8mm，或者甚至小于0.6mm，例如是小于0.2mm。因为根据本发明，基本上在制造未烧结金属纤维介质的方法中所用的所有纤维都会存在于未烧结金属纤维介质中，因此可以用相类似的方法测量未烧结金属纤维介质中的平均纤维长度L。
因此，未烧结金属纤维介质中的金属纤维的平均纤维长度与直径之比(L/D)优选小于110，更优选小于100，但通常大于30。在金属纤维是通过WO 02/057035(此文献包括在此处作为参考)所述方法得到的情况下，对于当量直径在高达6μm的范围的金属纤维而言，优选L/D为大约30～70。
在本发明方法的第二个步骤中，提供浆料。虽然不应理解成限制，但是含有金属纤维、溶剂和粘合剂的浆料中，优选其金属纤维浓度为浆料的2wt％～40wt％。优选浆料的10wt％～15wt％由金属纤维构成。已经发现金属纤维的当量直径越小，金属纤维的浓度就保持得越低，以实现金属纤维在浆料中的均匀分布。
可选地，浆料包括聚合物粘合剂和金属纤维，加热该聚合物粘合剂以降低其粘度。
基于本发明目的的粘合剂可以理解成用来使浆料增稠的产品。优选采用水溶性的粘合剂，例如聚乙烯醇，甲基纤维素醚，羟丙基甲基纤维素，源自环氧乙烷的聚醚，丙烯酸聚合物或者丙烯酸类共聚物。向溶剂中加入粘合剂，浓度优选为浆料的0.5wt％～30wt％。最优选地，选择这样一种粘合剂粘合剂提供理想粘度所需的浓度为基于浆料的小于20wt％，甚至小于15wt％，或者甚至小于10wt％。对于浆料而言，优选采用的粘度范围是1000cPs～20000cPs。浆料的多个组分通过合适的混合设备混合。当发生浆料起泡时，可加入少量的消泡组分。
在第三个步骤中，用涂布器例如刮板把浆料带型浇铸在优选为基本上平的表面上。当水用作溶剂时，优选采用疏水性表面。涂布器的间隙可以保持得相对小，优选为0.2mm～6mm，更优选0.2mm～3mm。涂布器的移动速度根据浆料的粘度选择。
根据浆料中的金属纤维含量、未烧结金属纤维介质所需的厚度和每单位表面上的重量、以及未烧结金属纤维介质中所需的金属纤维和粘合剂的量，来选择间隙和由此产生的浆料层厚度。
在下面的步骤中，使浇铸的浆料固化，从而形成包括粘合剂和金属纤维的未烧结金属纤维介质。这优选通过溶剂蒸发而实现。可以采用容易在环境温度下蒸发的溶剂。可选地，当用水作溶剂时，实施蒸发可以按照干燥步骤进行。干燥或蒸发可以通过空气干燥，或者通过加热浇铸浆料例如使热空气通过浇铸浆料的表面，或者采用辐射例如IR-辐射或微波辐射来实现或辅助实现。
应当理解，只有没有和粘合剂化学结合的溶剂例如水被除去。
应当理解，在蒸发溶剂的情况下，浇铸浆料的厚度将一定程度地下降，因为提供未烧结金属纤维介质体积的浇铸浆料体积减少了。可选地，在加热粘合剂以减小其粘度的情况下，可以通过冷却浇铸浆料使粘合剂固化。
可能地，对未烧结金属纤维介质进行加压操作例如辊压操作，以进一步降低未烧结金属纤维介质的厚度。
可能地，可以把多层浆料中一层依次带型浇铸在另一层的顶部，以形成多层未烧结金属纤维介质。不要求不同的层含有相同的金属纤维，也不要求它们每单位表面或体积具有相同的金属纤维含量。不同的层可以在金属纤维、金属纤维含量、厚度、重量和其它性能方面彼此不同。
通过例如干燥带型浇铸的浆料的方法使粘合剂固化之后，金属纤维借助于粘合剂机械锚固在介质中，粘合剂充当不同金属纤维之间的胶水。在介质中存在足够粘合剂的情况下，金属纤维之间的空隙可以被粘合剂填充。
可以理解，通过改变未烧结金属纤维介质中粘合剂与金属纤维的重量百分数，可以使未烧结金属纤维介质的组成在很大范围内变化。
金属纤维占未烧结金属纤维介质的至少0.75wt％。更优选地，金属纤维构成了未烧结金属纤维介质重量的超过5wt％，或甚至超过25wt％。金属纤维可以构成未烧结金属纤维介质重量的高达95wt％。
取决于未烧结金属纤维介质的厚度和每单位表面的重量，未烧结金属纤维介质可以对空气具有一定程度的可透气性。另一方面，未烧结金属纤维介质可能很致密，以至于不透空气，表现得像箔一样。
可以理解，在带型浇铸浆料之前可以在浆料中加入其它元素。这类元素可以是例如增塑剂、填充剂或者甚至是金属粉末。
我们令人吃惊地发现用本发明方法得到的未烧结金属纤维介质在介质整个表面和深度范围内，具有改善的物理性能均匀性，例如厚度、表面重量、表面平坦性和纤维分布。
未烧结金属纤维介质的厚度可以在很大的范围内变化，但是可以得到相对薄的未烧结金属纤维介质，例如厚度小于或等于0.2mm，甚至小于或等于0.1mm的未烧结金属纤维介质。
本发明的未烧结金属纤维介质的重量优选小于500g/m2，更优选小于400g/m2，或者甚至小于300g/m2，例如小于100g/m2，例如约30g/m2。
该未烧结金属纤维介质可以用作例如，EMI和/或ESD屏蔽层、包含金属纤维的复合聚合物基体的一部分、或者用在燃料电池中。
附图概述下面参考附图更详细地说明本发明，附图中
图1和图2示意性地示出作为本发明主题的方法的步骤。
发明优选实施方案的描述下面介绍本发明的一个实施方案。
图1所示方法中，本发明方法的第一个步骤110提供了金属纤维111。
在下一个步骤120中，由金属纤维、粘合剂和溶剂(优选为水)制备浆料121。
用混合装置122混合浆料数分钟，形成基本上稳定的浆料。
在步骤130中，将浆料121提供给作为涂布器131的刮板，将浆料带型浇铸在基本上平的疏水性表面132上。提供浇铸浆料133。
在接下来的步骤140中，作为环境温度下的实例，使浇铸浆料133干燥，使之转变成未烧结金属纤维介质141。
如图2所示，可以进行一个附加步骤，即在步骤210中压轧例如辊压未烧结金属纤维介质141。其它所有步骤和图1所示步骤相同。
用图1和图2所示的方法可以得到本发明的一个实施方案。
在第一个步骤中，提供了通过束拉制方法制得的当量直径为2μm的金属纤维。用WO02/057035描述的方法将环状金属纤维切成平均长度为109μm的金属纤维。金属纤维由AISI 316L合金制成。
然后，用下列组成制造浆料浆料的9.09wt％是金属纤维，浆料的1.36wt％是甲基纤维素醚(作为粘合剂)，浆料的89.55wt％是水(作为溶剂)。
用间隙为1.5mm的刮板对浆料进行带型浇铸。
通过在空气下干燥大约24小时，使浇铸的浆料固化。可选地，可以用IR辐射来加热浇铸的浆料和辅助干燥操作。制得的未烧结金属纤维介质含有与水化学结合的粘合剂和金属纤维。
制得的未烧结金属纤维介质的厚度为285μm，重量为105g/m2。未烧结金属纤维介质包括13wt％的粘合剂，和87wt％的金属纤维。
采用具有1.5μm直径、基本类似L/D比例的金属纤维，通过类似步骤制备未烧结金属纤维产品。
所得的未烧结金属纤维介质的厚度为251μm，重量为127g/m2。未烧结金属纤维介质同样含有13wt％的粘合剂，和87wt％的金属纤维。
用增塑剂制备类似的未烧结金属纤维介质。发现厚度和重量都未受影响。
权利要求
1.制造未烧结金属纤维介质的方法，包括以下步骤-提供金属纤维；-通过混合所述金属纤维和粘合剂，制造含有所述金属纤维和所述粘合剂的浆料；-用涂布器在支撑体上浇铸所述浆料的层；-固化所述浆料，从而提供含有所述金属纤维和所述粘合剂的未烧结金属纤维介质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述浆料中的金属纤维浓度是所述浆料的2wt％～40wt％。
3.根据权利要求1～2任一项所述的方法，其中所述浆料包括溶解所述粘合剂的溶剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中对所述浆料的所述固化通过从所述浆料中蒸发除去所有所述溶剂实现。
5.根据权利要求3～4任一项所述的方法，其中所述溶剂是水。
6.根据权利要求1～2任一项所述的方法，其中通过加热所述粘合剂提供所述浆料。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即用加压操作降低所述未烧结金属纤维介质的厚度。
8.根据权利要求1～7任一项所述的方法，其中所述方法包括附加的步骤，即在已经固化的先前浆料层上浇铸附加的浆料层。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法，其中所述未烧结金属纤维介质的厚度小于或等于0.2mm。
10.根据权利要求1～9任一项所述的方法，其中所述金属纤维具有小于6μm的当量直径D。
11.根据权利要求1～10所述的方法，其中所述金属纤维具有小于10mm的平均纤维长度L。
12.根据权利要求1～11所述的方法，其中所述金属纤维具有小于110的L/D。
13.由根据前述任一项权利要求所述的方法制备的未烧结金属纤维介质，其中所述金属纤维提供了所述未烧结金属纤维介质重量的超过0.75wt％。
全文摘要
本发明涉及一种制造未烧结金属纤维介质的方法，包括以下步骤提供金属纤维；混合这些金属纤维和粘合剂以及非必要的溶剂例如水，从而制得含有金属纤维和粘合剂的浆料；用涂布器在支撑体上浇铸浆料的层；使浆料固化，提供含有金属纤维以及粘合剂的未烧结金属纤维介质。本发明还涉及未烧结金属纤维介质。
文档编号B01D39/20GK1942227SQ200580011235
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月24日 优先权日2004年4月15日
发明者C·斯图纳拉斯, C·安德烈奥利, Z·塔陶迪, F·费斯哈伊夫, C·弗罗芒, G·范贝茨布吕格 申请人:贝卡尔特股份有限公司