DE102014013867A1

DE102014013867A1 - Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs als Isoliermaterial

Info

Publication number: DE102014013867A1
Application number: DE102014013867.4A
Authority: DE
Inventors: Valentina Mass; Birger Lange; Ulrich Schneider; Marcel Hofmann
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-03-24
Also published as: EP3198069B1; WO2016046103A1; EP3198069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs mit einem Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.%, herstellbar durch Vernadeln von im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern, als Isoliermaterial.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs mit einer hohen Reinheit als Isoliermaterial, beispielsweise für die Isolation eines Hochtemperaturofens und/oder Vakuumofens.
Carbonfaservliesstoffe sind grundsätzlich bekannt und werden für die unterschiedlichsten Zwecke, beispielsweise im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe zur Herstellung von Bauteilen, für die Ableitung statischer Aufladungen und die Herstellung elektrischer Leitfähigkeit, als Komponenten in Energiespeichern eingesetzt. Ebenfalls bekannt sind Carbonfaserfilze, d. h. genadelte Vliese mit einer Nadeldichte von deutlich mehr als 100 Stiche/cm². Carbonfaserfilze werden üblicherweise durch die Vernadelung von Precursorfasern zu einem Flächengebilde geformt, welches anschließend carbonisiert und gegebenenfalls mit anderen Zuschlagstoffen modifiziert wird. Ein wichtiges Einsatzgebiet für Carbonfaserfilze ist die thermische Isolierung.
Nachteilig an vielen Carbonfaserfilzen ist, dass diese oftmals nicht ausreichend carbonisiert sind, was dazu führt, dass sich durch die Anwendung in der Hitze Abgase und Ablagerungen bilden, wenn die Filze ohne Vorbehandlung eingesetzt werden. Dazu kommt, dass Carbonfaserfilze, obwohl sie durch Nadeln bereits verfestigt wurden, in der Regel Bindemittel, Harze und/oder Klebstoffe, Partikel oder Hilfsfasern enthalten. Die Zugabe dieser Zuschlagstoffe wird durch das spezielle Herstellungsverfahren für Carbonfaserfilze notwendig gemacht, bei dem das genadelte Precursorvlies, d. h. Precursorfilz, carbonisiert wird. Bei der Umwandlung von Precursor- zu Carbonfasern schrumpfen die Fasern, wodurch Hohlräume entstehen, die durch zusätzliche Behandlung mit diversen Zuschlagstoffen verdichtet werden müssen. Die Verwendung solcher Zuschlagstoffe hat den Nachteil, dass sich diese beim Erhitzen zersetzen können.
Eine mangelnde Reinheit der Carbonfaserfilze ist ferner deshalb nachteilig, weil mit ihr eine erhöhte Staubfreisetzung bei der Verwendung einhergeht. Ferner können sich beim Erhitzen thermische Abbauprodukte bilden, die in unerwünschter Weise abgelagert oder als Abgase freigesetzt werden.
Die DE 10 2009 048 422 A1 beschreibt einen Verbundwerkstoff umfassend wenigstens eine Schicht aus -Weichfilz und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz, wobei die wenigstens eine Schicht aus -Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden ist.
Wie oben diskutiert, ist die Verwendung des Bindemittels nachteilig, da es sich beim Erhitzen zersetzen kann.
Die DE 10 2010 020 193 A1 beschreibt ein ausgehärtetes thermisches Isoliermaterial mit Carbonfasern für einen Hochtemperaturofen. Zur Herstellung des Materials wird ein Herstellungsverfahren mit folgenden Schritten beschrieben: (a) Auswählen von kurzen Carbonfasern, Öffnen der kurzen Carbonfasern und Vornadeln der Carbonfasern zum Bilden eines Webs; (b) Formen des Webs durch Nadel-Stoßen zu einem vorfabrizierten Körper, (c) Verdichten des vorfabrizierten Körpers, der in Schritt (b) erhalten wird, durch chemische Aufdampfung und Graphitisieren zum Erzeugen eines Rohlings aus thermischem Isoliermaterial; (d) Platzieren des Rohlings aus thermischem Isoliermaterial, der in Schritt (c) erhalten wird. Durch die Aufdampfung im Schritt (c) werden Fremdpartikel eingebraucht. Dies ist nachteilig, da wie oben diskutiert, diese Partikel beispielsweise beim Einsatz in einem Hochtemperaturvakuum emittiert werden können.
Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde ein Isoliermaterial, insbesondere ein thermisches Isoliermaterial, bereitzustellen, welches sich durch einfache Handhabung und eine gute mechanische und chemische Beständigkeit auszeichnet und das zudem mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann und sich durch eine geringe Partikelfreisetzung im Einsatz, beispielsweise in einem Hochtemperaturvakuum- und/oder Schutzgasofen, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs, der einen Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.% aufweist und durch Vernadeln von im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern hergestellt werden kann, als Isoliermaterial.
Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich durch hohe Reinheit aus und weist vorteilhafter Weise einen Anteil an Fremdmaterialien von weniger als 2 Gew.% auf.
Dabei sind unter Fremdmaterialien erfindungsgemäß Materialien zu verstehen, die keine Carbonfasern sind, beispielsweise Materialien, die Vliesstoffen üblicherweise zugesetzt werden, wie Additive, Binder, Hilfsfasern, Polymere, Füllstoffe.
Unter einer Carbonfaser wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Faser verstanden, welche zu wenigstens 92% aus Kohlenstoff besteht. Carbonfasern können durch Verkohlung von Fasern aus synthetischen und natürlichen Quellen erhalten werden. Bevorzugt werden Fasern, die unter Zug in einem ein- oder mehrstufigen Prozess bei Temperaturen von 1.000 bis 2.500°C verstreckt und carbonisiert wurden. Hierdurch können Fasern mit besonders guten Festigkeitseigenschaften erhalten werden.
Überraschend wurde festgestellt, dass ein Carbonfaservliesstoff, der aus im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern hergestellt wurde und der einen geringen Anteil an Fremdmaterialien aufweist, hervorragend als Isolationsmaterial eingesetzt werden kann. Dies unterscheidet den Carbonfaservliesstoff von den bisher verwendeten Filzen, die durch Carbonisieren von Precursorfaserfilzen hergestellt werden. Nachteilig an diesem Herstellungsverfahren ist, dass die Fasern im Carbonisierprozess nicht verstreckt werden, was zu einer geringeren Festigkeit der einzelnen Fasern und damit einhergehend zu einer erhöhten Brüchigkeit der Fasern und einer erhöhten Staubfreisetzung führt. Der hier beschriebene Carbonfaservliesstoff zeichnet sich dagegen durch eine hohe Stabilität und Integrität aus. Aufgrund dessen kann auf die Verwendung eines Füllstoffes oder Bindemittels verzichtet werden und der Vliesstoff mit einer sehr hohen Reinheit hergestellt werden. Die hohe Reinheit des Vliesstoffes in Verbindung mit seiner Integrität führt dazu, dass er besonders staubarm ist. Dies ist besonders vorteilhaft beispielsweise beim Einsatz als Isoliermaterial in einem Hochtemperaturvakuum und/oder Schutzgasofen, da hier nur wenige Partikel emittiert werden, und mithin auf eine zeit- und kostenintensive thermische Vorbehandlung verzichtet werden kann bzw. die Verunreinigung der behandelten Werkstücke verringert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung ist der Carbonfaservliesstoff dadurch gekennzeichnet, dass ein Probekörper des Carbonfaservliesstoffs vorgelegt bei Normaldruck, bei einer Temperatur von 23°C, Luftfeuchtigkeit von 50% mit den Abmessungen von (B·L·H) 100·100·7 mm beim Durchströmen mit einem Luftstrom bei einem Ansaugdruck von 0,88 bar, gemessen auf der Oberfläche des Probekörpers, für eine Dauer von 30 sek einen Masseverlust von weniger als 1,5 Gew.%, vorzugsweise von 0,01 Gew.% bis 1,3 Gew.%, noch bevorzugter 0,03 Gew.% bis 0,7 Gew.%, noch bevorzugter 0,05 Gew.% bis 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0,08 Gew.% bis 0,3 Gew.% zeigt. Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich mithin durch eine äußerst geringe Staubfreisetzung beim Einsatz aus.
Die Erfindung umfasst somit auch die Verwendung des hier beschriebenen Carbonfaservliesstoffs als thermisches Isoliermaterial, insbesondere für die Isolation eines Hochtemperaturofens und/oder Vakuumofens.
Im Rahmen von praktischen Versuchen wurde gefunden, dass ein Carbonfaservliesstoff mit der erfindungsgemäßen hohen Reinheit in einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann, und dass sich ein solcher Vliesstoff zudem durch überraschend gute mechanische Eigenschaften, wie eine hohe Faserintegrität, eine geringe Freisetzung von Staub, Abgasen und Ablagerungen im Einsatz, sowie eine gute Drapierbarkeit auszeichnet. Darüber hinaus weist der Carbonfaservliesstoff sehr gute thermische Eigenschaften, wie eine hervorragende thermische Isolationsfähigkeit, auf. Somit eignet sich der Carbonfaservliesstoff hervorragend als thermisches Isoliermaterial insbesondere für einen Hochtemperaturofen, wie beispielsweise einen Hochtemperaturinertgasofen und/oder Vakuumofen.
Als ebenfalls hervorragend geeignet hat sich der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isoliermaterial in Öfen zur Züchtung von Kristallen erwiesen, da in diesem Bereich besondere Reinheit erforderlich ist. Aufgrund der hohen Reinheit und thermischen Stabilität des Carbonfaservliesstoffs können unerwünschte Fehlstellen in den Kristallen vermieden werden.
Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich ferner durch eine besonders homogene Porengrößenverteilung über die Fläche aus. So weist der Carbonfaservliesstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine derart homogene Porengrößenverteilung über die Fläche auf, dass die Abweichung der mittleren Porendurchmesser von drei willkürlich genommenen kreisförmigen Proben mit einem Prüfkörperdurchmesser von 18,5 mm von dem Mittelwert der mittleren Porendurchmesser der drei Proben 0% bis 15% beträgt, besonders bevorzugt 0% bis 10%, noch bevorzugter von 0% bis 8%. Erfindungsgemäß wird der mittlere Porendurchmesser mit der Methode Porolux 1000 der Firma IB-FT nach ASTM E 1294-89 bestimmt, wobei Porefil als Benetzungsflüssigkeit benutzt wurde.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung des oben beschriebenen Carbonfaservliesstoffs ist, dass aufgrund des Einsatzes von bereits carbonisierten Fasern bei seiner Herstellung das oben diskutierte Problem des Schrumpfens nicht auftritt. Dies ermöglicht es auf den Einsatz von Zuschlagstoffen zur weiteren Verdichtung und/oder Verfestigung zu verzichten.
Der hier beschriebene Carbonfaservliesstoff ermöglicht es aufgrund seiner hohen Reinheit, dass er direkt, ohne thermische Vorbehandlung, eingesetzt werden kann. Der Vliesstoff zeichnet sich darüber hinaus durch eine einfache Handhabung, chemische Beständigkeit sowie eine sehr gute Hochtemperaturbeständigkeit von bis zu 600°C in der Luft aus.
Darüber hinaus zeigt er insbesondere bessere Produkteigenschaften als bekannte Carbonfaserfilze, die Fremdstoffe, wie Verunreinigungen, Additive oder Binder enthalten. Aufgrund seiner guten mechanischen Stabilität kann der Carbonfaservliesstoff sowohl rollbar als auch freistehend ausgestaltet sein.
Zudem wurde gefunden, dass der hochreine Carbonfaservliesstoff eine hervorragende Flammmfestigkeit zeigt. Somit wird der Carbonfaservliesstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Isoliermaterial gegen die Ausbreitung von Flammen eingesetzt.
Darüber hinaus wurde gefunden, dass der Carbonfaservliesstoff sich zudem durch hervorragende akustische Isolationseigenschaften auszeichnet. Besonders gute akustische Eigenschaften können erhalten werden, wenn der Carbonfaservliesstoff ein mittleres Flächengewicht von 200 g/m² bis 1000 g/m², gemessen nach DIN EN 29073-1, vorzugsweise von 400 g/m² bis 800 g/m², noch bevorzugter 600 g/m² bis 800 g/m² aufweist. Durch eine Erhöhung der Faserfeinheit und/oder die Optimierung des Strömungswiderstandes können die akustischen Eigenschaften weiter verbessert werden. Vor diesem Hintergrund hat sich die Verwendung von Fasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von 2 μm bis 15 μm, vorzugsweise von 2 μm bis 12 μm, insbesondere von 2 μm bis 9 μm als geeignet erwiesen. Als geeignet hat sich ferner die Einstellung eines Strömungswiderstandes auf Werte von 500 bis 1500 Pa·s/m, gemessen nach DIN EN 29053-A, vorzugsweise von 600 bis 1200 Pa·s/m, besonders bevorzugt 700–1100 Pa·s/m erwiesen.
Aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts weist der Carbonfaservliesstoff eine hohe chemische Beständigkeit auf. In Kombination mit der Vliesstoffen inhärenten sehr guten Kompressibilität und Drapierbarkeit eignet sich der Carbonfaservliesstoff somit sehr gut als fluiddichtendes Isoliermaterial, das beispielsweise auch für korrosive Medien eingesetzt werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet des Carbonfaservliesstoffs ist als Isoliermaterial gegen elektromagnetische Strahlung.
Aufgrund seiner guten thermischen und akustischen Eigenschaften und hohen Stabilität eignet sich der Carbonfaservliesstoff zudem für Einsatzgebiete bei denen hohe Anforderungen an die Materialien gestellt werden, wie beispielsweise Luft-, Raumfahrt und/oder Schienentransport.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Carbonfaservliesstoff einen geringen Gehalt an Fremdmaterialien bevorzugt von weniger als 1,8 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 1,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 1 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,3 Gew.%, und insbesondere von etwa 0 Gew.% auf.
Eine hohe Reinheit des Carbonfaservliesstoffs kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der Carbonfaservliesstoff die Carbonfasern in einem Anteil von mindestens 98 Gew.%, vorzugsweise von 98,2 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 99 Gew.% bis 100 Gew.% und insbesondere von etwa 100 Gew.% enthält.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Carbonfaservliesstoff einen Kohlenstoffgehalt von 92 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 95 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 98 Gew.% bis 100 Gew.% und insbesondere von 99 Gew.% bis 100 Gew.% auf. Erfindungsgemäß werden somit sehr reine, verstreckte Carbonfasern eingesetzt. Hieran ist vorteilhaft, dass diese eine hohe Stabilität zeigen, was sich günstig auf die Integrität des Vliesstoffs auswirkt.
Die mittlere Dicke des Carbonfaservliesstoffs wird in Abhängigkeit von dem gewünschten Verwendungszeck eingestellt und bewegt sich üblicherweise im Bereich von 1 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 4 mm bis 10 mm. Die mittlere Dicke wird nach DIN EN ISO 9073-2 geprüft.
Die im Carbonfaservliesstoff enthaltenen Carbonfasern können grundsätzlich durch Hochtemperaturbehandlung der verschiedensten Precursorfasern, beispielsweise Polyacrylnitrilfasern, Cellulosefasern, Ligninfasern, pechbasierten und/oder phenolharzbasierten Fasern hergestellt werden. Geignete Faserrohmaterialien sind somit beispielsweise natürliche Faserrohmaterialien wie Cellulose und/oder Lignin, pechbasierte und/oder phenolharzbasierte Faserrohmaterialien, sofern aus ihnen ein Carbonfaservlies mit der erfindungsgemäßen hohen Reinheit hergestellt werden kann.
Vorteilhafterweise werden Faserrohmaterialien eingesetzt, die es ermöglichen Carbonfasern mit einem geringen Schwefelgehalt herzustellen. Somit ist der Carbonfaservliesstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gekennzeichnet durch einen Schwefelgehalt von höchstens 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,1 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,05 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,01 Gew.%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Carbonfaservliesstoffs. Hierdurch können Schwefelablagerungen beim Einsatz des Carbonfaservliesstoffs als thermisches Isoliermaterial beispielsweise in Hochtemperaturöfen vermieden werden, ohne dass ein vorheriges Ausheizen des Isoliermaterials zur Entfernung des Schwefelanteils notwendig ist.
Als Carbonfasern können die verschiedensten Fasern eingesetzt werden, sofern sie die erforderliche Reinheit aufweisen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Carbonfasern die einem Recyclingprozess entstammen, da hierdurch die Herstellungskosten reduziert und ein umweltfreundliches Produkt erhalten werden kann. Unter Recyclingfasern werden im Sinne der vorliegenden Erfindung endliche Fasern verstanden, die als Produkte in einem textilen und/oder chemischen Prozess zur Aufarbeitung von gebrauchten carbonfaserhaltigen Materialien enstehen. Die gebrauchten Fasern können dabei aus jedem beliebigen gebrauchten carbonfaserhaltigen Material stammen, wie beispielsweise aus Geweben, aus Maschenware, wie Gestricken oder Gewirken, aus Gelegen, aus Fasermatten, aus Filamentsträngen, aus Filzen, aus Vliesen oder aus Carbonfaserverbundwerkstoffen.
Besonders bevorzugt sind dabei Recyclingfasern, die aus Verstärkungsfasern gewonnen wurden, da diese Fasern sich üblicherweise durch eine hohe Reinheit und Festigkeit auszeichnen.
Vorzugsweise weisen die Carbonfasern eine Länge zwischen 20 mm und 200 mm, besonders bevorzugt eine Länge zwischen 30 mm und 150 mm, ganz besonders bevorzugt eine Länge zwischen 50 mm und 100 mm auf. Die Carbonfasern können auch als Mischungen von Carbonfasern unterschiedlicher Länge vorliegen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Carbonfasern eingesetzt, die eine spezifische Wärmekapazität unterhalb von 0,8 J/gK haben. Hierdurch kann eine unerwünscht hohe Aufnahme von Wärme beim Einsatz im Hochtemperaturofen verhindert werden.
Weiter vorteilhaft werden Carbonfasern eingesetzt, die eine thermische Leitfähigkeit von unterhalb von 20 W/mK, bevorzugterweise im Bereich von 8 W/mK bis 20 W/mK aufweisen. Hierdurch kann eine unerwünscht hohe Ableitung von Wärme beim Einsatz im Hochtemperaturofen verhindert werden.
Die Dichte der Carbonfasern liegt üblicherweise im Bereich von 1,76 g/cm³ bis 2,00 g/cm³, besonders bevorzugt 1,76 g/cm³ bis 1,81 g/cm³. Es wurde gefunden, dass mit diesen Fasern Vliesstoffe mit einer besonders guten Integrität hergestellt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Carbonfaservliesstoff Carbonfasern, die durch Hochtemperaturbehandlung von im verstreckten Zustand vorliegenden Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern) als Precursorfasern hergestellt wurden. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der PAN basierten Carbonfaser hängt im Wesentlichen von der Höchsttemperatur ab, mit der die Faser behandelt wurde. Bei der Herstellung werden die PAN-Fasern in einem ersten Schritt üblicherweise einem Preoxidierungsschritt unterworfen. Anschließend werden die preoxidierten PAN-Fasern bei der jeweils gewünschten Temperatur unter Zug carbonisiert. Die Carbonisierungstemperaturen liegen üblicherweise im Bereich von 1000°C bis 2500°C. Es wurde gefunden, dass bei Temperaturen oberhalb von 1000°C bereits eine ausreichende Carbonisierung der preoxidierten PAN-Faser erzielt werden kann. Im Bereich oberhalb von etwa 1800°C können auch Graphitisierungsvorgänge stattfinden. Diese Vorgänge sollen im Sinne der Erfindung ebenfalls durch den Begriff Carbonisierung umfasst werden. Der Kohlenstoffanteil steigt z. B. von ca. 67 Gew.% bei der Behandlung bei Temperaturen von unter 1000°C auf etwa 99 Gew.% bei der Behandlung bei Temperaturen von über 2000°C. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden PAN-Fasern eingesetzt, die mit einer Höchsttemperatur im Bereich von 1000°C bis 1750°C behandelt wurden.
Vorteilhaft an der Verwendung von PAN-Fasern als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Carbonfasern ist, dass die dadurch erhaltenen Fasern im Wesentlichen schwefelfrei sind, sowie hervorragende Festigkeitswerte zeigen.
Die vorgenannten Effekte sind umso höher je höher der Anteil an PAN-Fasern im Ausgangsmaterial für die Herstellung der Carbonfasern ist. Somit enthält der Carbonfaservliesstoff vorzugsweise mehr als 50 Gew.%, noch bevorzugter von 60 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 70 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 80 Gew.% bis 100 Gew.%, und insbesondere von 90 Gew.% bis 100 Gew.% Carbonfasern, die durch Hochtemperaturbehandlung von PAN-Fasern hergestellt wurden. Besonders bevorzugt besteht das Isoliermaterial im Wesentlichen vollständig aus Carbonfasern, die durch Hochtemperaturbehandlung von PAN-Fasern hergestellt wurden.
Zur Erhöhung der Stabilität von Vliesstoffen ist es üblich verdrehte oder gekräuselte Fasern einzusetzen. Erfindungsgemäß wurde jedoch gefunden, dass es möglich ist, gestreckte, das heißt gerade, Fasern als Carbonfasern einzusetzen und dennoch einen Carbonfaservliesstoff mit einer guten mechanischen Stabilität zu erhalten. Somit ist es erfindungsgemäß nicht notwendig verdrehte oder gekräuselte Fasern, deren Herstellung mit einem zusätzlichen Verfahren verbunden ist, einzusetzen um die erwünschte mechanische Stabilität zu erreichen.
Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich ferner durch eine niedrige thermische Leitfähigkeit von höchstens 0,1 W/mK, beispielsweise von 0,01 W/mK bis 0,1 W/mK, oder von 0,02 W/mK bis 0,09 W/mK, oder von 0,03 W/mK bis 0,08 W/mK bei Raumtemperatur von 23°C und Luft gemessen in Anlehnung an DIN-Norm 52 612, mit folgenden Unterschieden: Die Untersuchung erfolgte in einem klimatisierten Raum bei 23°C und 50% Luftfeuchtigkeit, die Probe wurde vorher 24 Stunden in diesem Raum gelagert, die Heizplatten haben eine Abmessung von 80·80 mm, die Untersuchung erfolgte in einem Zweiplattenverfahren. Eine niedrige thermische Leitfähigkeit ist für die erfindungsgemäße Verwendung im Hochtemperaturofen von Vorteil, da unerwünschte Wärmeverluste vermieden werden können.
Der Carbonfaservliesstoff kann in Abhängigkeit von dem erwünschten Einsatzgebiet in die jeweils gewünschte Form gebracht werden. Wenn der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isolationsmaterial verwendet wird, kann er als Platte oder Mantel, beispielsweise Hohlmantel, geformt sein.
Der Carbonfaservliesstoff kann einschichtig, mehrschichtig und/oder in Kombination mit weiteren Schichten eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Carbonfaservliesstoff als Verbund aus mehreren Carbonfaservliesstoffschichten eingesetzt. Die Anzahl der Schichten kann nach den gewünschten Isoliereigenschaften ausgewählt werden. Die einzelnene Schichten können ferner lose auf einander angeordnet oder beispielsweise durch Vernähen miteinander verbunden werden. Denkbar ist auch die Verwendung des Carbonfaservliesstoffs in Kombination mit anderen Schichten, beispielsweise als Laminat mit wärmereflektierende Metallfolien. Denkbar ist auch, dass die metallischen Schichten durch Bedampfung aufgebracht werden.
Der Carbonfaservliesstoff kann zur Vereinfachung der Verarbeitung auch mit Haftmassen und/oder mit drucksensitiven Klebstoffen, sogenannten Pressure Sensitve Adhesives oder PSA, ausgerüstet werden.
Um die erfindungsgemäße hohe Reinheit des Carbonfaservliesstoffs zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn die Verfestigungsschritte des Vlieses zum Vliesstoff ohne Einwirkung von Fremdsubstanzen, beispielsweise ohne Bindemittel und Bindefasern, durchgeführt werden. Als besonders geeignet hat sich vor diesem Hintergrund erwiesen, das Carbonfaservlies zum Vliesstoff zu vernadeln. Die Vernadelung hat sich in praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch Vliestoffe mit einem verhältnismäßig großen Porenvolumen erhalten werden können. Ein großes Porenvolumen ist insbesondere im Hinblick auf die bevorzugte Vewendung des Vliesstoffs als thermisches Isoliermaterial von Vorteil. Als besonders günstig hat sich in diesem Zusammenhang die Einstellung des Gesamtporenvolumens auf Werte von 89 Vol.% bis 98 Vol.%, vorzugsweise von 91 Vol.% bis 96 Vol.%, insbesondere von 93 Vol.% bis 95 Vol.% erwiesen. Dabei wird das Gesamtporenvolumen unter Verwendung der nach DIN EN ISO 9073-2 gemessenen Dicke berechnet.
Der Carbonfaservliesstoff kann beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt werden, umfassend folgende Schritte:

a) Bereitstellen von Carbonfasern in einem Anteil von mindestens 98 Gew.%, die durch Carbonisieren von Precursorfasern im verstreckten Zustand hergestellt wurden und die einen Gehalt an Kohlenstoff von mehr als 92 Gew.% aufweisen;
b) Ablegen der Carbonfasern zu einem Vlies;
c) Vernadeln des Vlieses zu einem Vliesstoff.

Dieses Verfahren erlaubt es auf eine einfache und wirtschaftliche Art die gewünschten Eigenschaften des Vliesstoffs, beispielsweise seine Porosität, Steifigkeit, Dicke und/oder Flächengewicht einzustellen. Ferner kann ein sehr einheitliches Produkt erhalten werden. Vorzugsweise werden die Carbonfasern, bevor sie zu einem Vlies abgelegt werden, kardiert.
Ferner kann das Carbonfaservlies durch die aerodynamische Vliesbildung erzeugt werden, welches zum Carbonfaservliesstoff verarbeitet werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1: Herstellung eines Carbonfaservliesstoffs
Als Ausgangsmaterial werden die bei der Carbongelegeherstellung anfallenden abgesaugten Randabschnitte (sogenanntes hoover waste) eingesetzt. Die eingesetzten Fasern wurden im verstreckten Zustand carbonisiert und weisen eine Längenverteilung von 50 mm bis 100 mm auf.
Die Fasern werden in einem Vliesbildungsprozess zum Vlies gebildet und anschließend vernadelt. Das genadelte Produkt weist ein mittleres Flächengewicht von 400 g/m² und eine mittlere Dicke von ca. 4 mm auf.
Beispiel 2: Herstellung eines Carbonfaservliesstoffs
Im ersten Schritt wird das im Beispiel 1 beschriebene Ausgangsmaterial durch einen Vliesbildungsprozess und anschließende Vernadelung zu einem leicht vernadelten Halbzeug geformt. Im zweiten Schritt erfolgt eine Doublierung der Halbzeuge und eine weitere Vernadelung. Das hierbei erhaltene Produkt weist ein mittleres Flächengewicht von 800 g/m² und eine mittlere Dicke von ca. 7 mm auf.
Beispiel 3: Bestimmen relevanter Eigenschaften des Carbonfaservliesstoffs im Hinblick auf seinen Einsatz als thermisches Isolationsmaterial
Der in Beispiel 2 hergestellte Carbonfaservliesstoff wurde folgenden Tests unterzogen, die seine Eignung als Isolationsmaterial, insbesondere als thermisches Isolationsmaterial, bestätigen:
Thermische Leitfähigkeit
Die Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit erfolgte unter Luft in einem klimatisierten Raum mit 50% Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur von 23°C. Die bestimmte thermische Leitfähigkeit beträgt 0,06 W/mK. Materialien mit einer solch geringen thermischen Leitfähigkeit eignen sich als Isolationsmaterialien.
Handhabbarkeit
Der Carbonfaservliesstoff ist sehr gut schneidbar oder stanzbar, wobei kaum Staubentwicklung beobachtet werden kann. Daher erfüllt der Carbonfaservliesstoff die Anforderungen an die Handhabung, die im Bereich der thermischen Isolation gestellt werden.
Flächenschrumpf
Der Carbonfaservliesstoff wurde auf seinen Flächenschrumpf beurteilt. Hierzu wurden 100·100 mm Stücke ausgestanzt und mit einem Lineal nachgemessen (Genauigkeit ±1 mm). Die Höhe und Breite der Stücke betrugen jeweils 100 mm. Diese Stücke des Carbonfaservliesstoffs wurden bei 1950°C eine Stunde unter Argon gelagert. Nach dem Abkühlprozess wurden die Proben aus dem Ofen entnommen und wiederholt mit dem Lineal nachgemessen. Die Höhe und Breite der Stücke betrug jeweils 100 mm. Dabei konnte kein Schrumpf festgestellt werden. Vorteilhaft an nicht schrumpfenden Materialien ist, dass bei der Verwendung als Isolationsmaterial im Ofen die Entstehung nicht isolierter Bereiche vermieden werden kann. Dies ist vorteilhaft, da nicht isolierte Bereiche nicht nur die isolierende Wirkung des Materials herabsetzen, sondern auch zur Funktionsstörungen des Ofens führen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009048422 A1 [0005]
DE 102010020193 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM E 1294-89 [0018]
DIN EN 29073-1 [0023]
DIN EN 29053-A [0023]
DIN EN ISO 9073-2 [0030]
DIN-Norm 52 612 [0043]
DIN EN ISO 9073-2 [0047]

Claims

Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs mit einem Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.% als Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff durch Vernadeln von im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern herstellbar ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probekörper des Carbonfaservliesstoffs vorgelegt bei Normaldruck, bei einer Temperatur von 23°C, Luftfeuchtigkeit von 50% mit den Abmessungen von (B·L·H) 100·100·7 mm beim Durchströmen mit einem Luftstrom bei einem Ansaugdruck von 0,88 bar, gemessen auf der Oberfläche des Probekörpers, für eine Dauer von 30 sek einen Masseverlust von weniger als 1,5 Gew.%, vorzugsweise von 0,01 Gew.% bis 1,3 Gew.%, noch bevorzugter 0,03 Gew.% bis 0,7 Gew.%, noch bevorzugter 0,05 Gew.% bis 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0,08 Gew.% bis 0,3 Gew.% zeigt.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff einen Gehalt an Kohlenstoff von mehr als 92 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Carbonfaservliesstoffs aufweist.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern einem Recyclingprozess entstammen.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff Carbonfasern enthält, die durch Hochtemperaturbehandlung von PAN-Fasern als Precursofasern hergestellt wurden.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Carbonfaservliesstoff enthaltenden Fasern einen Schwefelgehalt von höchstens 0,5 Gew.% aufweisen.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff durch Vernadeln eines Fasermaterials hergestellt wurde, das einen Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.% aufweist.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohfasermaterial vor dem Vernadeln kardiert und/oder aerodynamisch behandelt wurde.
Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isoliermaterial eingesetzt wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isoliermaterial für einen Hochtemperaturofen und/oder Vakuumofen verwendet wird.
Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff als akustisches Isoliermaterial, als Isoliermaterial gegen elektromagnetische Strahlung, als fluiddichtendes Isoliermaterial, als Isoliermaterial gegen Flammausbreitung, als Isoliermaterial in Leichtbauanwendungen eingesetzt wird.