DE19910985B4 - Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen, wobei zunächst Fasern (10) oder eine Faserstruktur (20) über ein Abscheideverfahren oberflächlich mit einer Metallbeschichtung (13) aus mindestens einer Metallschicht versehen werden und wobei danach die Fasern (10) oder die Faserstruktur (20) über ein Trennverfahren von der Metallbeschichtung (13) entfernt werden und wobei die Metallbeschichtung (13) nach dem Trennverfahren die metallische Hohlfaser (11) oder Hohlfaserstruktur (30) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass Faserstrukturen (20) oder Fasern (10) aus Polyacetat oder Polytetrafluorethylen eingesetzt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen nach der Gattung des Hauptanspruches.
• Metallische Hohlfasern in Form von Kapillaren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiterhin ist auch bekannt, metallische Hohlfasergewebe zu erzeugen, indem Metallkapillaren miteinander verwoben werden. Dieser Webvorgang ist jedoch bei Verwendung sehr dünner (< 10 μm) oder sehr dicker (> 1 mm) Kapillarwandstärken schwierig zu realisieren.
• Aus der EP 686 718 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Kohlenstofffasern, gegebenenfalls unter zusätzlicher Verwendung eines Harzes als Verbindungsmittel zwischen den Kohlenstofffasern, oberflächlich mit einer Metallbeschichtung versehen werden und wobei anschließend das Kohlenstofffasernetzwerk durch Erhitzen entfernt bzw. pyrolysiert wird. Dabei entstehen im Ergebnis metallische Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen. Aus der EP 404 961 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Netzwerk aus Kohlenstofffasern zunächst mit einer metallischen Beschichtung versehen und anschließend dieses metallisierte Gewebe in einer Gasatmosphäre erwärmt wird, wobei sich die Kohlenstofffasern zersetzen, sodass ein metallisches Hohlfasergewebe verbleibt. Weiterhin ist aus der EP 558 142 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen bekannt, bei dem ein organisches Schaummaterial mit einem Metallüberzug versehen wird und anschließend das organische Schaummaterial pyrolytisch entfernt wird. Aus der US 4,326,928 ist ein Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile bekannt, bei dem ein Kunststoffhohlkörper, der aus einem unter Hitzeeinwirkung schrumpfenden Kunststoffmaterial besteht, mit einer Metallbeschichtung versehen und anschließend einer Hitzebehandlung unterzogen wird, bei der der Kunststoffhohlkörper in seiner Volumenausdehnung schrumpft und so entfernt werden kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es in sehr einfacher Weise und kostengünstig erlaubt, metallische Hohlfasern oder nahezu beliebige zwei- oder dreidimensionale Hohlfaserstrukturen in einem sehr weiten Bereich von Wandstärken der einzelnen Fasern zu erzeugen. Dazu wird eine vorgegebene Faser oder Faserstruktur mit einem Abscheideverfahren mit einer Metallbeschichtung überzogen und danach über ein Trennverfahren die ursprüngliche Faser oder Faserstruktur entfernt, so dass die verbleibende Metallbeschichtung die metallische Hohlfaser oder Hohlfaserstruktur bildet. Die vorgegebene Faserstruktur wird somit vollständig auf die Hohlfaserstruktur übertragen, wobei als Parameter die Wandstärke und die Zusammensetzung der Hohlfasern zur Verfügung stehen.
• Weiterhin ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren auch sehr einfach, die Innenräume der einzelnen Hohlfasern miteinander zu verbinden, ohne daß ein zusätzlicher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich wäre. Somit eröffnet sich die Möglichkeit, zwei- oder dreidimensionale Netzwerke oder Hohlfaserstrukturen zur Gas- oder Flüssigkeitsführung in den Hohlfasern herzustellen.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
• So ist es besonders vorteilhaft, wenn als ursprüngliche, zu metallisierende Faserstrukturen oder Fasern nichtmetallische Materialien wie insbesondere nichtmetallische Gewebe, Vliese, Netzwerke oder Fasern aus Polytetrafluorethylen (Teflon) oder Polyacetat eingesetzt werden, wobei sich diese thermoplastischen Kunststoffe sehr einfach und vorteilhaft durch Spritzgießen in der gewünschten Struktur herstellen lassen. Überdies zersetzen sie sich thermisch vorteilhaft unterhalb des Schmelzpunktes der im weiteren darauf aufgebrachten Metallbeschichtung oder sie werden bei Erwärmen dünnflüssig und fließen aus den verbleibenden Hohlfaserstrukturen aus oder verbrennen.
• Als Abscheideverfahren zur Erzeugung der metallischen Beschichtung auf den Fasern oder Faserstrukturen eignen sich sehr vorteilhaft eine große Zahl jeweils an sich bekannter Verfahren aus denen der Fachmann anhand der jeweiligen konkreten Aufgabenstellung auswählen kann.
• So kommt als Abscheideverfahren eine galvanische Abscheidung in einem Galvanikbad, eine außenstromlose Abscheidung, beispielsweise von Edelmetallen, eine Schmelzmetallisierung, insbesondere im Fall niedrig schmelzender Metalle, ein PVD-Prozeß („physical vapour deposition"), eine Plasmaabscheideprozeß, ein CVD-Prozeß („chemical vapour deposition") oder eine Kombination dieser Verfahren in Frage. Diese Prozesse sind jeweils an sich gut beherrschbar und weitverbreitet. Details dazu sind beispielsweise W. Menz und P. Bley, „Mikrosystemtechnik für Ingenieure", 1993, VCH-Weinheim oder K. Heymann et al., „Kunststoffmetallisierung", 1991, Leuze Verlag, Saulgau, zu entnehmen.
• Für die Abscheidung der Metallbeschichtung auf einer Kunststofffaserstruktur oder -faser hat sich die galvanische oder außenstromlose Metallisierung in einem Bad als besonders günstig herausgestellt. Diese Verfahren bestehen üblicherweise aus drei Schritten: einer Vorbehandlung des Substrates, einer sogenannten Oberflächenaktivierung des Substrates, beispielsweise durch eine Metall- oder Edelmetallbekeimung und der eigentlichen Metallabscheidung. Während der Vorbehandlung, die vorteilhaft über eine Plasmabehandlung mit Sauerstoff oder Argon erfolgt, wird die Substratoberfläche bei Bedarf gereinigt und gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Morphologie und chemischen Zusammensetzung modifiziert.
• Die außenstromlose Metallisierung ist besonders vorteilhaft zur Metallisierung elektrisch nicht leitender Materialien geeignet. Dazu müssen nach der Vorbehandlung jedoch in der Regel aktive Oberflächenstellen erzeugt werden, was vorteilhaft über eine an sich bekannte Edelmetallbekeimung geschieht.
• Die galvanische Abscheidung bedarf einer elektrisch leitfähigen Oberfläche der Faserstruktur vor der Metallabscheidung. Diese Leitfähigkeit kann entweder über eine Volumenleitfähigkeit durch Verwendung elektrisch leitfähiger Polymere als Faserstruktur gegeben sein, oder durch geeignete Zusatzstoff wie Graphit oder eine vorausgehende Startmetallisierung der Faserstruktur gewährleistet werden. Sehr vor teilhaft zur Startmetallisierung sind insbesondere PVD-Verfahren, wie sie aus der Leiterplattenfertigung bekannt sind. Nach der so erfolgten Startmetallisierung wird dann über die galvanische Abscheidung die erzeugende Metallbeschichtung in der gewünschten Schichtdicke aufgebracht.
• Einziges einschränkendes Kriterium für das Abscheideverfahren ist die Anforderung, daß sich die als Ausgangsform benutzte Faserstruktur während dieses Abscheideverfahrens und bei den gewählten Verfahrensparametern, insbesondere hinsichtlich Temperatur und möglicher chemischer Reaktionen mit den im Laufe des Abscheideverfahrens auftretenden chemischen Komponenten, nicht wesentlich verändert. Prinzipiell kommen unter dieser Einschränkung als Substratmaterialien für die Faserstruktur alle Materialien in Frage, die metallisierbar sind und sich in der gewünschten Struktur herstellen lassen.
• Da die ursprüngliche Faserstruktur nach der Metallabscheidung entfernt wird, können an die Haftfestigkeit der abgeschiedenen Metallschicht vorteilhaft niedrigere Anforderungen gestellt werden, als dies beispielsweise bei Kunststoffmetallisierungen üblicherweise der Fall ist. Überdies legt sich bei der Metallbeschichtung ein geschlossener Metallmantel um die Faserstruktur, welcher eine Delamination in weiteren Verfahrensschritten verhindert. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren in sehr vorteilhafter Weise auch eine Metallbeschichtung schwer zu metallisierender Materialien wie Polytetrafluorethylen (Teflon) oder Polyamid, die somit ebenfalls als Ausgangsform bzw. Faserstruktur eingesetzt werden können.
• In der Regel ist für das erfindungsgemäße Verfahren eine geringe Haftfestigkeit der abgeschiedenen Metallbeschichtung auf der Faserstruktur sogar vorteilhaft, weil dadurch die nachfolgende Trennung von Metallschicht und Faserstruktur leichter erfolgen kann und beispielsweise auch weniger aggressive Ätzmedien eingesetzt werden können, so daß im Trennverfahren beispielsweise auf Chromsäure verzichtet werden kann.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin die Schichtdicke der abgeschiedenen Metallschicht und deren Zusammensetzung in einem sehr weiten Bereich in einfacher Weise eingestellt werden. Je nach gewünschter Anwendung der Hohlfaserstruktur und des gewählten Metallisierungsverfahrens sowie der Dicke der verwendeten Faserstruktur kann die Wandstärke der erzeugten Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen zwischen ca. 100 nm bis zu einigen Millimetern betragen.
• Als Trennverfahren zur Entfernung der Faser bzw. Faserstruktur von der abgeschiedenen Metallbeschichtung kommen ebenfalls eine Vielzahl von Verfahren in Frage, die lediglich dadurch gekennzeichnet sind, daß sie die als Ausgangsform verwendete Faserstruktur geeignet modifizieren bzw. zersetzen oder auflösen und gleichzeitig die abgeschiedene Metallbeschichtung zumindest im wesentlichen unverändert belassen. Besonders vorteilhaft als Trennverfahren sind chemische oder thermische Zersetzungsverfahren der Fasern oder Faserstrukturen.
• Weiterhin kann das Trennverfahren sehr vorteilhaft auch eine Überführung der Fasern oder Faserstrukturen von der festen Phase in die flüssige oder gasförmige Phase sein, um damit Fasern von der Metallbeschichtung zu lösen und die Hohlfaserstruktur zu erzeugen. Dazu kommt insbesondere ein Schmelzen oder Sublimieren der Faserstruktur oder ein Verbrennen oder ein Lösen in einem Lösungsmittel in Frage. Auch Kombinationen dieser Trennverfahren wie das Schmelzen einer Kunststoffaserstruktur unter gleichzeitigem Verbrennen des Kunststoffes an einer Austrittsöffnung können beispielsweise bei engen Hohlfasern vorteilhaft sein.
• Sofern bei dem ausgewählten Trennverfahren, beispielsweise durch chemische oder thermische Zersetzung der Faserstruktur, Rückstände wie Verkokungsreaktionsprodukte, innerhalb der erzeugten Hohlfaserstruktur verbleiben, können diese sehr vorteilhaft durch ein nachträgliches Reinigungsverfahren entfernt werden. Dieses Reinigungsverfahren verwendet vorteilhaft einen Gasstrom, insbesondere einen sauerstoffhaltigen Gasstrom, der zur thermischen Oxidation bei erhöhter Temperatur durch die erzeugte Hohlfaserstruktur bzw. Hohlfasern geführt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr vorteilhaft zur Herstellung von Hohlfaserstrukturen, insbesondere mit hoher Oberfläche, in Wärmetauschern eingesetzt werden, wobei die Kapillarinnenräume zur definierten Fluidführung dienen und gleichzeitig über die geringen Wandstärken der Hohlfasern ein kurzer Wärmediffusionsweg gewährleistet ist.
• Daneben eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Mikroreaktorstrukturen, wie sie zum Beispiel in der Wasserstofferzeugung aus Erdgas in einem Reformierungsprozeß eingesetzt werden können. Bei einem derartigen Mikroreaktor oder derartigen Mikroreaktorstruktuen ist es erforderlich, daß im Inneren der Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen eine für die jeweilige Mikroreaktion aktive Beschichtung oder Bekeimung vorliegt. Diese kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr einfach dadurch realisiert werden, daß die aktive Beschichtung entweder nach dem Trennverfahren d.h. dem Entfernen der Fasern oder der Faserstruktur im Inneren der metallische Hohlfasern oder Hohlfaser strukturen zusätzlich aufgebracht wird. Alternativ kann die aktive Beschichtung aber auch bereits eine metallische Schicht der vor dem Trennverfahren auf die Fasern oder Faserstrukturen aufgebrachten Metallbeschichtung sein. Schließlich kann die aktive Beschichtung auch durch eine zur Oberflächenaktivierung der Fasern oder Faserstrukturen vor der Abscheidung der Metallbeschichtung aufgebrachte Bekeimung (z.B. Pd-Bekeimung) gebildet werden, die zumindest teilweise nach dem Trennverfahren im Inneren der Metallbeschichtung verbleibt.
• Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist die Erzeugung plattenförmiger Strukturen, die von einem metallischen Hohlfasernetzwerk durchzogen sind, zum Einsatz im Wärmemanagement bzw. der Wärmeregulierung von Leiterplattenanwendungen.
• Die erzeugten Hohlfaserstrukturen eignen sich überdies generell zum Ersatz entsprechender dreidimensionaler Metallfaserstrukturen, da erstere bei gleicher mechanischer Festigkeit eine geringere Dichte und damit ein geringeres Gewicht aufweisen und einen geringeren Materialeinsatz bei der Herstellung benötigen. Derartige dreidimensionale Hohlfaserstrukturen können sehr vorteilhaft als Absorberwerkstoffe für mechanische Energie eingesetzt werden, wobei das Abknikken einzelner Fasern unter einer äußeren Kraft d.h. eine plastische Verformung der Faser durch deren Wandstärke gezielt eingestellt werden kann.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 eine Faserstruktur vor dem Beschich ten, 2 die Faserstruktur mit der Metallbeschichtung und 3 die metallische Hohlfaserstruktur nach dem Entfernen der Faserstruktur.
• Ausführungsbeispiel
• Die 1 zeigt ein Gewebe , das aus Fasern 10 besteht und eine Faserstruktur 20 bildet. Die Faserstruktur 20 hat eine Größe von ca. 100 mm × 100 mm, der Durchmessern der Fasern 10 beträgt ca. 400 μm. Die Maschenweite der Faserstruktur 20 beträgt einige Millimeter.
• Die Faserstruktur 20 wird zunächst durch ein an sich bekanntes Plasmaätzen mit Argon oberflächlich gereinigt und über einen PVD-Prozeß mit Palladium besputtert, so daß sich eine geschlossene, ca. 50 nm dicke metallische Palladiumschicht als Metallbeschichtung 13 um die Fasern 10 ergibt. Die derart leitend gemachte Faserstruktur 20 wird anschließend weiter galvanisch mit einer ca. 200 μm dicken Nickelschicht versehen, die die Palladiumschicht verstärkt (siehe 2). Insgesamt ergibt sich somit eine ca. 200 μm dicke Metallbeschichtung 13 aus Palladium und Nickel auf der Faserstruktur 20 bzw. den einzelnen Fasern 10. Nach der Metallisierung werden die Seitenflächen der metallisierten Fasern 10 bzw. der metallisierten Faserstruktur 20 angeschliffen, um das nachfolgende Entfernen der zu ermöglichen.
• Danach wird durch langsames, gleichmäßiges Erhitzen der metallisierten Faserstruktur 20 das Fasermaterial verflüssigt, so daß es aus den über das Anschleifen erzeugten Austrittsöffnungen abfließt und dort zumindest teilweise verbrennt. Nach diesem Trennprozeß der Fasern 10 von den verbleibenden metallischen Hohlfasern 11 entsteht eine gasdurchlässige Hohlfaserstruktur 30 aus im wesentlichen Nickel mit einzelnen Hohlfasern 11, die untereinander gasdurchlässig verbunden sind.
• Abschließend wird die erzeugte Hohlfaserstruktur 30 im Sauerstoffstrom bei erhöhter Temperatur von möglicherweise noch anhaftenden Rückständen der Faserstruktur 20 zusätzlich gereinigt.
• Es ist offensichtlich, daß die erläuterten Ausführungsbeispiele hinsichtlich der Anzahl, der Zusammensetzung und der Dicke der abgeschiedenen Metallbeschichtung 13 vielfältig variiert werden können. So können beispielsweise auch Metallschichten unterschiedlicher Zusammensetzung sequentiell abgeschieden werden. Auch hinsichtlich der konkreten Ausgestaltung der Faserstruktur 20 bieten sich vielfältige Variationsmöglichkeiten.

10

Faser

11

metallische Hohlfaser

12

Hohlraum

13

Metallbeschichtung

20

Faserstruktur

30

metallische Hohlfaserstruktur

Claims (11)

1. Verfahren zur Erzeugung metallischer Hohlfasern oder Hohlfaserstrukturen, wobei zunächst Fasern (10) oder eine Faserstruktur (20) über ein Abscheideverfahren oberflächlich mit einer Metallbeschichtung (13) aus mindestens einer Metallschicht versehen werden und wobei danach die Fasern (10) oder die Faserstruktur (20) über ein Trennverfahren von der Metallbeschichtung (13) entfernt werden und wobei die Metallbeschichtung (13) nach dem Trennverfahren die metallische Hohlfaser (11) oder Hohlfaserstruktur (30) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass Faserstrukturen (20) oder Fasern (10) aus Polyacetat oder Polytetrafluorethylen eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abscheideverfahren eine galvanische Abscheidung, eine außenstromlose Abscheidung, eine Schmelzmetallisierung, ein PVD-Prozess, eine Plasmaabscheideprozess, ein CVD-Prozess oder eine Kombination dieser Verfahren eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (10) oder Faserstruktur (20) vor der Abscheidung der Metallbeschichtung (13) einer Vorbehandlung zur Reinigung und/oder Oberflächenmodifikation unterzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbehandlung eine Plasmabehandlung oder ein Plasmaätzen, insbesondere mit Argon oder Sauerstoff, eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (10) oder Faserstruktur (20) vor der Abscheidung der Metallbeschichtung (13) einer Oberflächenaktivierung, insbesondere einer Metallbekeimung unterzogen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennverfahren ein Verfahren zur Überführung der Fasern (10) oder Faserstruktur (20) von der festen Phase in die flüssige Phase, insbesondere ein Schmelzen oder ein Lösen in einem Lösungsmittel, oder eine elektrochemische Reaktion zur Anwendung kommt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Trennverfahren ein Reinigungsverfahren der metallischen Hohlfasern (11) oder metallischen Hohlfaserstrukturen (30) nachgeschaltet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Reinigungsverfahren eine thermische Oxidation in einem sauerstoffhaltigen Gasstrom durchgeführt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (13) im Inneren der metallischen Hohlfaser (11) oder Hohlfaserstruktur (30) eine für eine Mikroreaktion aktive Beschichtung oder Bekeimung aufweist oder mit einer solchen versehen wird.
10. Verwendung metallischer Hohlfaserstrukturen (30) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung metallischer Kapillarnetze für den Einsatz in der Wärmeregulierung von Leiterplattenanwendungen.
11. Verwendung metallischer Hohlfaserstrukturen (30) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche als Absorbermaterialien für mechanische Energie.