DE102014015640A1

DE102014015640A1 - Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung

Info

Publication number: DE102014015640A1
Application number: DE102014015640.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Carbonverbundstoff und dessen Herstellung, bei der geeignete kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterialien in Form von Fäden, Fasern, Pulp zunächst zu un-, teil oder ganz verfestigten dünnen, mikroporösen Flächengebilden in der Form von Spinnvliesen oder injektionsstrahlverfestigten Flächen ausgeführt und anschließend den thermischen Behandlungen zur Carbonisierung ausgesetzt werden. Die sehr dünnen, mikroporösen carbonisierten Flächengebilde werden als verstärkende Komponente mit einer geeigneten Matrix versehen und zum Verbundstoff weiterverarbeitet. Eine kontinuierliche Prozessgestaltung bis zum fertigen Verbundstoff ist möglich. Es werden Aufwand und Kosten reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonverbundstoffen auf Basis geeigneter kohlenstoffhaltiger organischer Ausgangsmaterialien, in dem die Verfahrensstufe „Carbonfaserherstellung„ ganz oder teilweise umgangen wird, um somit die Voraussetzung für einen kostengünstigen, teilweise kontinuierlichen Fertigungsprozess für sehr dünne carbonisierte Flächengebilde und Carbonverbundstoffe zu schaffen.
Stand der Technik
Carbonfasern und carbonfaserverstärkende Verbundstoffe gewinnen in den unterschiedlichsten industriellen Bereichen, aufgrund ihrer geringen Masse und sehr guten mechanischen Eigenschaften, zunehmend an Bedeutung. Kohlenstoffhaltige Fasern, Fäden, Filamente werden zunächst in mehreren thermischen Behandlungsstufen carbonisiert. Danach erfolgt die Weiterverarbeitung mittels bekannter meist textiler Fertigungstechnologien zu textilartigen Flächengebilden in den Ausführungsformen wie Gewebe, Gewirke, Gelege oder Vliesstoffe und die Verbindung mit einer geeigneten Matrix. Über Halbzeuge wie beispielsweise Prepregs oder direkt erfolgt die Verarbeitung zum Carbonfaser verstärkenden Verbundstoff.
Die Herstellung solcher Carbonverbundstoffe erfolgt in vielen aufwendigen Verfahrensstufen und ist auf eine industrielle Massenproduktion nicht ausgerichtet.
Gegenwärtig wird die Herstellung von Carbonverbundststoffen durch den Einsatz von Carbonfaser verstärkten Kohlenstoffen realisiert. Die Herstellung solcher Kohlenstofffasern und kohlenstofffaserbasierenden textilartigen Flächen ist sehr aufwendig und teuer. Die zum Einsatz kommenden Endlosfäden/Fasern müssen mehrmals oberflächlich behandelt werden, da sie im Fertigungsprozess zum Verbundstoff, aufgrund der thermischen Behandlungsverfahren, ihre textilen Eigenschaften zum Teil verlieren. Ebenfalls müssen die textilartigen Flächen aus den Carbonfasern eine optimale Verbindung mit der vorgesehenen Matrix eingehen.
Die üblichen Verfahrensstufen der Carbonfaserherstellung sind:

– Aufbereitung des Ausgangsmaterials (vorzugsweise Polyacrylnitrilfasern)
– thermische Oxidation bei ca. 200–300°C
– Pyrolyse bei ca. 450–700°C
– Carbonisierung ab ca. 700°C–1500°C (Graphitierung bis 3000°C)
– Waschen, Oberflächenbehandlung/ Präparation
– Aufwickeln/Spulen

Erst danach erfolgt die Weiterverarbeitung der Kohlenstofffasern über textile Ausführungsformen und unter Einbeziehung einer geeigneten Matrix oder eines Matrixsystems zu Halbzeugen wie Prepregs, Preforms und zum Carbonverbundstoff. Die US-PS 3.859.158 verwendet carbonisierte Fasermaterialien, die dann zu einem Carbonverbundstoff weiterverarbeitet werden. In der JP-A-4-294 136 (Toray) wird die Herstellung von Prepregs beschrieben, bei der ebenfalls bereits carbonisierte Fasermaterialien für die Textilflächenherstellung eingesetzt werden. Die US-PS 4.092.453 geht auch von der Verarbeitung bereits carbonisierter Fasermaterialien zum Halbzeug bzw. des Carbonverbundstoffes aus. Eine Umgehung der Verfahrensstufe „Carbonfaserherstellung” bzw. die veränderte Anordnung der Verfahrungsstufe „Carbonisierung” im Gesamtfertigungsprozess zum Carbonverbundstoff ist nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kosten und Aufwand von kohlenstoffbasierenden Halbzeugen und Carbonverbundstoffen zu reduzieren und neue Ausführungsformen von Carbonverbundstoffen zu finden.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass bei der Verarbeitung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien in der Ausführung von Fasern, Faden, Filamenten zu un- teil oder ganzverfestigten dünnen und luftdurchlässigen Flächengebilden sowie deren anschließen Carbonisierung und weiteren Bearbeitung zum Halbzeug oder Carbonverbundstoff die erfindungsgemäße Aufgabe erfüllt wird.
Bestimmendes Merkmal der Erfindung ist, dass die Ausgangsmaterialien in Form von kohlenstoffhaltigen Fäden, Filamenten, Garnen, Fasern, Pulp oder ähnlichen Vorlageformen aus beispielsweise Polyacrylnitril, zunächst zu dünnen mikroporösen ein oder mehrflächigen Ausführungsformen verfestigt werden. Besonders geeignet sind Spinnvliese oder injektionsstrahlverfestigte Textilflächen, welche bindemittelfrei mit einer Dicke von kleiner 1 mm und mit hoher Gleichmäßigkeit gefertigt werden können. Unter Einbeziehung der Injektionsstrahlverfestigungstechnologie im Gesamtprozess der Carbonverbundstoffherstellung, bietet sich unter anderem der Vorteil einer Textilflächenreinigung mit dem Nassverfestigungsprozess. Der Injektionsstrahlverfestigungsprozess schafft auch die Voraussetzung, dass der im Verfahren eingebundenen Trocknungsvorgang so ausgelegt wird, dass eine kontinuierliche weitere thermische Behandlung bis zur Carbonisierung der textilartigen Flache erfolgen kann. Eine Vorkonfektionierung der injektionsstrahlverfestigten textilartigen Flache vor dem Carbonisierungsvorgang ist vorteilhaft. Je nach Anwendungsprofil des späteren Carbonverbundstoffes kann unter Nutzung der prozessbezogenen Restwärme eine gleichmäßige Verbindung mit der vorgesehenen Matrix erfolgen. Der Gesamtherstellungsprozess wird so ausgelegt, dass ein kontinuierlicher Verfahrensablauf möglich ist. Beim Einsatz von Spinnfäden/Endlosfäden sollte schon bei deren Herstellung ein geeignetes Streckungsverhältnis der Fäden im Spinnprozess und somit eine axiale Ausrichtung der Kohlenstoffketten im Polymer berücksichtigen werden, um die Festigkeitseigenschaften des Endproduktes zu verbessern.
Solche sehr dünnen, besonders mikroporösen injektionsstrahlverfestigten textilartigen Flächengebilde schaffen die Voraussetzung für eine sehr gleichmäßige Aufnahme der vorgesehenen Matrix oder des Matrixsystems und somit für die Herstellung von dünnen und gleichmäßigen carbonisierten Halbzeugen und Carbonverbundstoffen in einem möglichen kontinuierlichen Fertigungsprozess. Anwendungsmöglichkeiten gibt es beispielsweise im Bereich der Brennstoffzellentechnik oder Carbonfolien.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, bei Einbindung der Injektionsstrahlverfestigungstechnologie, die verfahrensmäßige Nutzung der Trocknungstemperatur für den anschließenden Carbonisierungsvorgang, die mit dem Nassprozess verbundene Reinigung der textilartigen, diffusionsoffenen Fläche und die teilweise Nutzung der Restwärme im weiteren kontinuierlichen Verfahrensprozess zur Bindung mit einer geeigneten kunststoffhaltigen oder keramischen Matrix. Aufwendige Faserpräparationen zur textilen Weiterverarbeitung können entfallen bzw. reduziert werden. Im Gesamtfertigungsablauf ist es möglich weitere lineare verstärkende Komponenten der textilartigen Fläche vor oder nach dem Injektionsstrahlverfestigungsprozess zu zuführen. Für die erfindungsgemäße Ausführung eignen sich auch diffusionsoffene, mikroporöse textilartige Flächengebilde wie kohlenstoffhaltige Papiere oder Folien.
Ausführungsbeispiel 1
Schmelzgesponnene Polyacryl-Homopolymerfasern/-Fäden mit hohem Verstreckungsgrad zur Modulverbesserung und Kristallisationsgrad werden zu einem dünnem, mikroporösem Vlies und einem Flächengewicht von ca. 80 g/m² formiert und einer Injektionsstrahlverfestigungsanlage vorgelegt, wobei die Zuführung der Fäden/Fasern auch direkt von einer Spinnvorrichtung erfolgen kann. Das verfestigte Vlies wird bedarfgerecht konfektioniert und einem Carbonisierungsprozess ausgesetzt. Die carbonisierte Fläche wird mit einer Kunststoffmatrix versehen und über bekannte Verfahren zu Prepregs, Preforms oder direkt zum Carbonverbundstoff weiter verarbeitet.
Ausführungsbeispiel 2
Ein nach Beispiel 1 hergestellter injektionsstrahlverfestigter Vliesstoff mit einer Dicke von ca. 1 mm und dem Flächengewicht von 20–40 g/m² wird in einer Fertigungslinie, in der Spinnvorrichtung, Injektionsstrahlvorrichtung, Carbonisierungsanlage und Vorrichtungen zur Verbindung mit der Matrix zum Verbundstoff in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt.
Ausführungsbeispiel 3
Aus Regeneratcellulose hergestellt Fäden/Fasern werden nach Ausführungsbeispiel 1 und 2 zum Carbonverbundstoff verarbeitet.
Ein beispielsweise schematischer Verfahrensablauf ist der Zeichnung 1 ausgewiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3859158 [0006]
JP 4-294136 A [0006]
US 4092453 [0006]

Claims

Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst kohlenstoffhaltige Chemie- oder Naturfäden/-fasern zu einem un-, teil-, oder ganzverfestigten textilartigen dünnen Flächengebilde verarbeitet werden und erst in den nachstehenden Verfahrensstufen die Carbonisierung sowie, mit einer geeigneten Matrix versehen, die Carbonverbundstoffherstellung erfolgt.
Carbonverbundstoff und Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgelegten dünnen textilartigen Flächengebilde mikroporös und durch Injektionsstrahlverfestigung behandelt wurden.
Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung nach Anspruch 1–2, gekennzeichnet durch einen kontinuierlichen Verfahrensablauf mit in der Anzahl und Anordnung variabel integrierten Injektionsstrahlverfestigungsanlage im Fertigungsprozess der Carbonverbundstoffherstellung.
Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet durch die Nutzung der Injektionsstrahl-Trocknungsenergie und der Wärmeenergie der thermischen Behandlungsstufen zur Carbonisierung im Gesamtfertigungsprozess der Carbonverbundstoffherstellung, insbesondere zur Verbindung mit einer geeigneten Matrix.
Carbonverbundstoff nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die carbonisierte Fläche und der Carbonverbundstoff eine Materialdicke kleiner 1 mm aufweisen.