DE102016105059B4

DE102016105059B4 - High conductivity carbon fiber, manufacturing method, and uses therefor

Info

Publication number: DE102016105059B4
Application number: DE102016105059.8A
Authority: DE
Inventors: Folke Dencker; Franz Renz; Ralf Sindelar; Christoph Tegenkamp; Bastian Dreyer; Daniel Unruh
Original assignee: Hochschule Hannover; Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Hydrosolid At GmbH
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2036-03-19
Also published as: WO2017158140A1; DE102016105059A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser mit einem sub-mikrometer Durchmesser kleiner als 1000 nm, mit einer Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer gesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfaser;
erste Temperaturbehandlung dieser gesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfaser unter Erwärmung auf einen Bereich von 100°C bis 450°C, bevorzugt 100°C bis 350°C, insbesondere 200°C bis 350°C;
zweite Temperaturbehandlung in einem Bereich von 600°C bis 1300°C, bevorzugt 800°C bis 1200°C, insbesondere 900°C bis 1150°C;
dritte Temperaturbehandlung der Kohlenstofffaser in einem Temperaturbereich von mindestens 1300°C bis 3000°C, bevorzugt 1300°C bis 2000°C, insbesondere 1400°C bis 1800°C, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Temperaturbehandlung derart erfolgt, dass die Faser einer permanenten Zugbelastung ausgesetzt ist.

Process for the production of a carbon fiber with a sub-micrometer diameter smaller than 1000 nm, with a conductivity of at least 1 x 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 x 10 ⁷ S / m, comprising the steps:
Providing a spun carbon-containing polymer fiber;
first heat treatment of this spun carbon-containing polymer fiber with heating to a range from 100 ° C to 450 ° C, preferably 100 ° C to 350 ° C, in particular 200 ° C to 350 ° C;
second temperature treatment in a range from 600 ° C. to 1300 ° C., preferably from 800 ° C. to 1200 ° C., in particular from 900 ° C. to 1150 ° C.;
Third temperature treatment of the carbon fiber in a temperature range of at least 1300 ° C to 3000 ° C, preferably 1300 ° C to 2000 ° C, in particular 1400 ° C to 1800 ° C, characterized in that at least the first temperature treatment is carried out in such a way that the fiber has a is exposed to permanent tensile load.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlenstofffaser aus thermisch behandelten Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien, wobei diese Kohlenstofffaser eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, aufweist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung dieser erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern mit einer Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, besonders mindestens 1 x 10⁷ S/m, bereitgestellt. Bei dieser Faser handelt es sich bevorzugt um eine mit einem sub-mikrometer Durchmesser kleiner als 1000 nm. Solche Fasern werden in elektrischen Leitern, Kondensatoren oder Sensoren verwendet.The present invention relates to a carbon fiber made from thermally treated carbon-containing starting materials, this carbon fiber having an electrical conductivity of at least 1 × 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 × 10 ⁷ S / m. Furthermore, a method for producing these carbon fibers according to the invention with a conductivity of at least 1 × 10 ⁶ S / m, in particular at least 1 × 10 ⁷ S / m, is provided. This fiber is preferably one with a sub-micrometer diameter smaller than 1000 nm. Such fibers are used in electrical conductors, capacitors or sensors.

Stand der TechnikState of the art

Kohlenstofffasern, die auch als Carbonfasern bezeichnet werden, sind Fasern aus Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien, die durch entsprechende Herstellungsverfahren in Kohlenstofffasern umgewandelt werden. Üblicherweise werden diese Kohlenstofffasern aus organischen Ausgangsmaterialien hergestellt wobei in einem ersten Schritt, auch als Vorbehandlung bezeichnet, aus den Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien die Faser oder der Faden hergestellt wird. Hierbei findet häufig eine Verstreckung bei Temperaturbehandlung zur Strukturierung der atomaren Struktur in den Fasern statt. Daran anschließend erfolgt eine Carbonisierungsbehandlung oder Verkokung bei hohen Temperaturen, um alle Elemente bis auf den Hauptbestandteil Kohlenstoff aus der Faser abzuspalten, das heißt, bei der Carbonisierung werden die anderen in der Faser vorliegenden Elemente, wie Stickstoff oder Sauerstoff im Wesentlichen herausgetrieben, so dass der Kohlenstoffanteil üblicherweise bei mindestens 96 Gew.-% wie bei mindestens 98 Gew.-% liegt.Carbon fibers, which are also referred to as carbon fibers, are fibers made from carbon-containing raw materials that are converted into carbon fibers by appropriate manufacturing processes. These carbon fibers are usually produced from organic starting materials, with the fiber or thread being produced from the carbon-containing starting materials in a first step, also referred to as pretreatment. In this case, stretching with temperature treatment often takes place in order to structure the atomic structure in the fibers. This is followed by a carbonization treatment or coking at high temperatures in order to split off all elements except for the main component carbon from the fiber, that is, during carbonization, the other elements present in the fiber, such as nitrogen or oxygen, are essentially driven out so that the Carbon content is usually at least 96% by weight, such as at least 98% by weight.

In einer weiteren Temperaturbehandlung, die üblicherweise oberhalb von 1800°C liegt, wird die Struktur der in der Carbonisierung erhaltenen Graphit-Kohlenstoff-Struktur weiter verändert, um die Eigenschaften der Kohlenstofffaser zu verbessern. Grundgedanke ist dabei, andere Elemente aus der Faser abzuspalten und eine Graphitstruktur der Kohlenstofffaser zu erreichen.In a further temperature treatment, which is usually above 1800 ° C., the structure of the graphite-carbon structure obtained in the carbonization is further changed in order to improve the properties of the carbon fiber. The basic idea is to split off other elements from the fiber and to achieve a graphite structure of the carbon fiber.

Kohlenstofffasern weisen üblicherweise eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringer Bruchdehnung auf. Daher werden sie als Versteifungskomponenten für den Leichtbau eingesetzt, das heißt, die Fasern werden überwiegend zur Herstellung von Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen genutzt. Hierbei ist es wichtig, Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe zu erhalten, bei denen eine gute Bindung zwischen Kohlenstofffaser und Kunststoff vorliegt. Entsprechend sind viele Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser so ausgerichtet, dass die Eigenschaften dieser Kohlenstofffasern zur Verbindung mit den Kunststoffen verbessert werden.Carbon fibers usually have high strength and rigidity with low elongation at break. That is why they are used as stiffening components for lightweight construction, that is, the fibers are mainly used to manufacture carbon fiber-reinforced plastics. Here it is important to obtain carbon fiber reinforced plastics in which there is a good bond between carbon fiber and plastic. Accordingly, many processes for the production of the carbon fiber are designed in such a way that the properties of these carbon fibers for bonding with the plastics are improved.

Kohlenstofffasern werden üblicherweise mit Durchmessern im Mikrometerbereich, üblicherweise von 5 bis 9 µm hergestellt, diese werden dann zu Rovings verarbeitet, die entsprechend bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen etc. eingesetzt werden.Carbon fibers are usually produced with diameters in the micrometer range, usually from 5 to 9 µm; these are then processed into rovings that are used accordingly in the production of fiber-reinforced plastics, etc.

Üblicherweise sind Kohlenstofffasern elektrisch und thermisch leitfähig. Dabei sorgt der hohe Graphitanteil für eine elektrische Leitfähigkeit, die allerdings noch geringer ist als die von metallischen Leitern wie Kupfer oder Aluminium. Die Leitfähigkeit von Kupfer oder Aluminium liegt bei 58 x 10⁶ bzw. 37 x 10⁶ S/m, während leitfähige Polymere im Bereich von unter 1 x 10⁶ liegen. Graphit in seiner Reinform hat eine elektrische Leitfähigkeit von 3 x 10⁶ S/m. Kohlenstofffasern haben üblicherweise eine elektrische Leitfähigkeit von unter 1 x 10⁵ S/m.Carbon fibers are usually electrically and thermally conductive. The high proportion of graphite ensures electrical conductivity, which is, however, even lower than that of metallic conductors such as copper or aluminum. The conductivity of copper or aluminum is 58 x 10 ⁶ or 37 x 10 ⁶ S / m, while conductive polymers are in the range of less than 1 x 10 ⁶ . Graphite in its pure form has an electrical conductivity of 3 x 10 ⁶ S / m. Carbon fibers usually have an electrical conductivity of less than 1 x 10 ⁵ S / m.

Zur Erhöhung der Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern wurden verschiedene Vorschläge gemacht. So beschreibt die EP 2 788 542 A2 leitfähig ausgerüstete Kohlenstofffasern aus Kohlenstofffaser-Filamenten, die eine Metallbeschichtung aufweisen. Mit der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit beschäftigt sich auch Böttger-Hiller, F. et al, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2015, 46 (8), 844-851 . Ein Lösungsansatz in diesem Dokument besteht darin, das Eigenschaftsspektrum der Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffe durch das Metallisieren der Faserkomponente zu erhöhen.Various proposals have been made to increase the conductivity of carbon fibers. So describes the EP 2 788 542 A2 Conductive carbon fibers made from carbon fiber filaments that have a metal coating. Also deals with improving electrical conductivity Böttger-Hiller, F. et al, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2015, 46 (8), 844-851 . One approach in this document is to increase the property spectrum of carbon fiber-reinforced plastics by metallizing the fiber component.

Das heißt, ein üblicher Ansatz zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern ist das Einbeziehen von Metallkomponenten, entweder in die Struktur der Kohlenstofffasern eingefügt oder durch entsprechende Metallbeschichtung.That is, a common approach to improving the electrical conductivity of carbon fibers is to incorporate metal components, either incorporated into the structure of the carbon fibers or by appropriate metal coating.

Kohlenstofffasern werden üblicherweise in einem kontinuierlichen Verfahren aus den Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien hergestellt. Bei diesen Ausgangsmaterialien handelt es sich um Kohlenstoff-haltige Polymere, wie Polyacrylnitril, Polyvinylacetat aber auch Pech und andere geeignete Kohlenstoff-haltige Ausgangsmaterialien. Meist wird diesen zur besseren Verarbeitbarkeit und Polymerisation Zusatzstoffe hinzugefügt, wie Acrylate etc.Carbon fibers are usually produced from the carbon-containing raw materials in a continuous process. These starting materials are carbon-containing polymers such as polyacrylonitrile, polyvinyl acetate, but also pitch and other suitable carbon-containing starting materials. Usually additives such as acrylates etc. are added to these for better processability and polymerization.

Bei der Endlosfaserherstellung werden Fasern im Mikrometerbereich hergestellt. Die Faserherstellung erfolgt üblicherweise durch Spinnen. Spinnen umfasst dabei ein Elektrospinnen, mit dem auch Fasern (im Folgenden auch Kohlenstoff-haltige Polymerfaser bezeichnet) im sub-mikrometer Durchmesserbereich hergestellt werden können. Dabei werden die Fasern mit sub-mikrometer Durchmesser aus einer Polymerlösung oder Polymerschmelze in einem elektrischen Feld hergestellt. Es können Fasern mit Durchmessern von < 1000 nm, < 500 nm, zum Beispiel <300 nm bereitgestellt werden.In continuous fiber production, fibers in the micrometer range are produced. The fiber production is usually carried out by spinning. Spinning includes electrospinning, with which fibers (also referred to below as carbon-containing polymer fibers) in the sub-micrometer diameter range can be produced. The fibers with a sub-micrometer diameter are made from a polymer solution or polymer melt in one electric field produced. Fibers with diameters of <1000 nm, <500 nm, for example <300 nm can be provided.

Elektrogesponnene Kohlenstofffasern werden in verschiedensten Bereichen eingesetzt, zum Beispiel als Kohlenstofffasern in Batterien und Akkumulatoren. Eine Übersicht hierzu findet sich in Zhang, B. et al, Progress in Materials Science, 2016, 76, 319-380 . Ein Überblick über die Herstellung von Kohlenstoffnanofasern mit Elektrospinnen und anschließendem Carbonisieren ist von Inagaki, M. et al in Advanced Materials, DOI: 10.002/adma.201104940 dargestellt. Die Leitfähigkeitsmessung von elektrogesponnenen PAN-basierten Kohlenstoffnanofasern wird zum Beispiel von Wang, Y. et al im Journal of Materials Science Letters, 2002, 210, 1055-1057 beschrieben. Eine Charakterisierung von Kohlenstoffnanofasern erhalten durch elektrogesponnene PAN (Polyacrylnitril) Nanofaser Bündeln findet sich in Zhou, Z. et al, Polymer, 2009, 50, 2999-3006 . Die dort beschriebenen elektrischen Leitfähigkeiten liegen bei unter 1 x 10⁵ S/m.Electrospun carbon fibers are used in a wide variety of areas, for example as carbon fibers in batteries and accumulators. An overview can be found in Zhang, B. et al, Progress in Materials Science, 2016, 76, 319-380 . An overview of the production of carbon nanofibers with electrospinning and subsequent carbonization is from Inagaki, M. et al in Advanced Materials, DOI: 10.002 / adma.201104940 shown. The conductivity measurement of electrospun PAN-based carbon nanofibers is used, for example, by Wang, Y. et al in the Journal of Materials Science Letters, 2002, 210, 1055-1057 described. A characterization of carbon nanofibers obtained by electrospun PAN (polyacrylonitrile) nanofiber bundles can be found in Zhou, Z. et al, Polymer, 2009, 50, 2999-3006 . The electrical conductivities described there are below 1 x 10 ⁵ S / m.

Aus der US 2005/ 0 129 938 A1 sind Faserstränge oder Fasertaue aus einer Vielzahl von einzelnen Kohlenstofffasern bekannt.From the US 2005/0 129 938 A1 fiber strands or fiber ropes made from a large number of individual carbon fibers are known.

Weiterer Stand der Technik findet sich in WO 2012/ 059 716 A1 , DE 34 35 120 C2 , DE 25 56 126 C2 , US 2006/ 0 019 819 A1 , US 9 190 222 B1 , US 2010/ 0 167 177 A1 , Heremans, J.: Thermal conductivity and Raman spectra of carbon fibers. In Physical Review B, (1985) Vol. 32 (10) 6742-6747 und Gu, H. u.a.: Electrical conductive and structural characterization of electrospun aligned carbon nanofibers membrane. In: Fibers and Polymers, (2015) Vol. 16 (12) S. 2601-2608 .Further prior art can be found in WO 2012/059 716 A1 , DE 34 35 120 C2 , DE 25 56 126 C2 , US 2006/0 019 819 A1 , US 9 190 222 B1 , US 2010/0 167 177 A1 , Heremans, J .: Thermal conductivity and Raman spectra of carbon fibers. In Physical Review B, (1985) Vol. 32 (10) 6742-6747 and Gu, H. et al .: Electrical conductive and structural characterization of electrospun aligned carbon nanofibers membrane. In: Fibers and Polymers, (2015) Vol. 16 (12) pp. 2601-2608 .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Kohlenstofffasern, insbesondere sub-mikrometer Kohlenstofffasern, die verbesserte elektrische Leitfähigkeiten aufzeigen.The object of the present invention is to provide carbon fibers, in particular sub-micrometer carbon fibers, which exhibit improved electrical conductivities.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern gemäß Anspruch 1 sowie durch die Kohlenstofffasern gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Verwendung dieser erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern in elektrischen Leitern, Kondensatoren und Sensoren werden genannt. Bevorzugte Ausführungsformen des Herstellungsverfahren finden sich in den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by a method for producing the carbon fibers according to the invention according to claim 1 and by the carbon fibers according to claim 10. The use of these carbon fibers according to the invention in electrical conductors, capacitors and sensors are mentioned. Preferred embodiments of the manufacturing method can be found in the dependent claims.

Das heißt in einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kohlenstofffaser aus thermisch behandelten Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien, wobei diese Kohlenstofffaser eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, besonders mindestens 1 x 10⁷ S/m, hat, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.That is, in one aspect, the present invention relates to a carbon fiber made from thermally treated carbon-containing starting materials, this carbon fiber having an electrical conductivity of at least 1 x 10 ⁶ S / m, especially at least 1 x 10 ⁷ S / m, produced with the method according to the invention.

Erfindungsgemäß handelt es sich dabei um Kohlenstofffasern, die einen sub-mikrometer Durchmesser aufweisen. In diesem Zusammenhang wird unter dem Ausdruck „sub-mikrometer Durchmesser“ ein durchschnittlicher Faserdurchmesser von < 1000 nm verstanden. In einer Ausführungsform ist dieser Durchmesser dabei ≤ 700 nm, wie ≤ 500 nm. Bevorzugt ist der Durchmesser dieser Kohlenstofffasereinheit ≤ 300nm, ≤ 200 nm.According to the invention, these are carbon fibers that have a sub-micrometer diameter. In this context, the term “sub-micrometer diameter” is understood to mean an average fiber diameter of <1000 nm. In one embodiment, this diameter is 700 nm, such as 500 nm. The diameter of this carbon fiber unit is preferably 300 nm, 200 nm.

Die Angabe zum Durchmesser bezieht sich dabei auf die Kohlenstofffaser nach thermischer Behandlung. Das heißt, die Kohlenstofffaser kann zu Beginn des Verfahrens oder im Anfangsstadium des Herstellungsverfahrens größere Durchmesser, zum Beispiel mehrere Mikrometer Durchmesser, aufweisen.The information on the diameter refers to the carbon fiber after thermal treatment. That is, the carbon fiber can have larger diameters, for example several micrometers in diameter, at the beginning of the process or in the initial stage of the manufacturing process.

Alle Angaben zum Durchmesser und zur Durchmesseränderung beziehen sich immer auf den mittleren gemessenen Durchmesser.All information on the diameter and change in diameter always relate to the mean measured diameter.

Die erfindungsgemäße Kohlenstofffaser zeichnet sich durch die elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, aus. Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit kann mit üblichen Verfahren erfolgen, dem Fachmann sind diese Verfahren bekannt. Ein geeignetes Verfahren ist zum Beispiel das 4 Spitzen STM (I. Miccoli, F. Edler, H. Pfnür, C. Tegenkamp, J. Phys.: Condens. Matter 2015, 27, 223201).The carbon fiber according to the invention is distinguished by the electrical conductivity of at least 1 × 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 × 10 ⁷ S / m. The electrical conductivity can be determined using customary methods; these methods are known to those skilled in the art. A suitable method is, for example, the 4-point STM (I. Miccoli, F. Edler, H. Pfnür, C. Tegenkamp, J. Phys .: Condens. Matter 2015, 27, 223201).

Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei mindestens 3 x 10⁶ S/m, wie mindestens 5 x 10⁶ S/m, insbesondere mindestens 1 x 10⁷ S/m sein.The electrical conductivity can be at least 3 × 10 ⁶ S / m, such as at least 5 × 10 ⁶ S / m, in particular at least 1 × 10 ⁷ S / m.

Die Leitfähigkeit kann bei mindestens 5 x 10⁷ S/m liegen.The conductivity can be at least 5 x 10 ⁷ S / m.

Es zeigte sich, dass die mit den im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Kohlenstofffasern aus thermisch behandelten Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien diese hohen elektrischen Leitfähigkeiten aufzeigen. Überraschenderweise zeigten diese Kohlenstofffasern mit einem sub-mikrometer Durchmesser verbesserte elektrische Leitfähigkeiten in einem Bereich, wie sie sonst nur mit Metallen erreicht werden. Dabei ist in einer Ausführungsform im Wesentlichen kein Metall, sei es als Ion oder als Beschichtung oder als reines Metall, in den Kohlenstofffasern enthalten. In einer anderen Ausführungsform können die Fasern metalldotiert sein.It was found that the carbon fibers obtained from thermally treated carbon-containing starting materials using the method according to the invention described below exhibit these high electrical conductivities. Surprisingly, these carbon fibers with a sub-micrometer diameter showed improved electrical conductivity in a range that is otherwise only achieved with metals. In one embodiment, there is essentially no metal in the carbon fibers, be it as an ion or as a coating or as a pure metal. In another embodiment, the fibers can be metal-doped.

Bei den erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern aus thermisch behandelten Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien handelt es sich um gesponnene Kohlenstoff-haltige Polymerfasern, insbesondere elektrogesponnene Kohlenstoff-haltige Polymerfasern, die entsprechend einer thermischen Behandlung unterworfen werden.In the case of the carbon fibers according to the invention made from thermally treated carbon-containing The starting materials are spun carbon-containing polymer fibers, in particular electrospun carbon-containing polymer fibers, which are correspondingly subjected to a thermal treatment.

Die Ausgangsmaterialien für diese Kohlenstofffasern, die Kohlenstoff-haltigen Ausgangsmaterialien, sind übliche Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Kohlenstofffasern und schließen Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylacetat (PVA), Pech oder Mischungen hiervon ein. Diese können weiterhin weitere Verarbeitungsmittel, wie z.B. PMMA oder Lösungsmittel enthalten. Es können übliche, kommerziell erhältliche Ausgangsmaterialien eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Polymere, die neben den oben genannten Polymeren andere Anteile enthalten, wie zum Beispiel PMMA, MMA oder andere vernetzbare oder nicht vernetzbare Kohlenstoff-haltige Materialien.The starting materials for these carbon fibers, the carbon-containing starting materials, are common starting materials for making carbon fibers and include polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl acetate (PVA), pitch, or mixtures thereof. These can also contain other processing agents such as PMMA or solvents. Usual, commercially available starting materials can be used. These are polymers that contain other components in addition to the above-mentioned polymers, such as PMMA, MMA or other crosslinkable or non-crosslinkable carbon-containing materials.

Die Ausgangsmaterialien können solche aus Biopolymeren sein, so dass keine fossilen Ressourcen benutzt werden und eine CO₂-neutrale Herstellung möglich ist.The starting materials can be those made of biopolymers, so that no fossil resources are used and a CO ₂ -neutral production is possible.

Es kann sich bei den erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern um solche erhalten durch Elektrospinnen mit anschließender thermischer Behandlung handeln, als Ausgangsmaterialien werden dabei Kohlenstoff-haltige Ausgangsmaterialien eingesetzt. Die erhaltenen Kohlenstofffasern weisen einen sub-mikrometer Durchmesser auf, bevorzugt in einem Bereich von ≤ 300 nm nach thermischer Behandlung, wobei zumindest die erste thermische Behandlung ein Verstrecken der elektrogesponnenen Kohlenstofffasern umfasst.The carbon fibers according to the invention can be those obtained by electrospinning with subsequent thermal treatment, carbon-containing starting materials being used as starting materials. The carbon fibers obtained have a sub-micrometer diameter, preferably in a range of 300 nm after thermal treatment, at least the first thermal treatment comprising stretching the electrospun carbon fibers.

Die erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern können dabei Teil von elektrischen Leitern sein. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit elektrische Leiter enthaltend solche erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern, zum Beispiel in Form von Rovings. Die erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern können weiterhin Teil von Kondensatoren sein. Ebenfalls können die erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern Teil eines Sensors sein.The carbon fibers according to the invention can be part of electrical conductors. In a further aspect, the present invention thus relates to electrical conductors containing such carbon fibers according to the invention, for example in the form of rovings. The carbon fibers according to the invention can also be part of capacitors. The carbon fibers according to the invention can also be part of a sensor.

In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Anmeldung auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern. Dieses Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern mit einem sub-mikrometer Durchmesser, wobei diese Kohlenstofffaser eine Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, aufweist, umfasst die Schritte Bereitstellen von gesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfasern, wie elektrogesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfasern; erste Temperaturbehandlung dieser Kohlenstoff-haltigen Polymerfasern, insbesondere der gesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfasern, wie der elektrogesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfaser unter Erwärmung auf einen Bereich von 100°C bis 450°C, bevorzugt 100°C bis 350°C, insbesondere 200°C bis 350°C;
zweite Temperaturbehandlung in einem Bereich von 600°C bis 1300°C, bevorzugt 800°C bis 1200°C, insbesondere 900°C bis 1150°C gegebenenfalls unter Vakuum, reduzierender Atmosphäre oder Schutzgasatmosphäre;
dritte Temperaturbehandlung der Kohlenstofffaser gegebenenfalls unter Schutzgas, Vakuum oder reduzierender Atmosphäre in einem Temperaturbereich von mindestens 1300°C bis 3000°C, bevorzugt 1300°C bis 2000°C, insbesondere 1400°C bis 1800°C,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Temperaturbehandlung derart erfolgt, dass die Faser einer permanenten Zugbelastung, insbesondere einer im wesentlich gleich bleibenden permanenten Zugbelastung, ausgesetzt ist.In a further aspect, the present application is directed to a method for producing carbon fibers. This method for producing carbon fibers with a sub-micrometer diameter, this carbon fiber having a conductivity of at least 1 x 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 x 10 ⁷ S / m, comprises the steps of providing spun carbon-containing polymer fibers such as electrospun carbon-containing polymer fibers; first heat treatment of these carbon-containing polymer fibers, in particular the spun carbon-containing polymer fibers, such as the electrospun carbon-containing polymer fibers with heating to a range from 100 ° C to 450 ° C, preferably 100 ° C to 350 ° C, in particular 200 ° C up to 350 ° C;
second temperature treatment in a range from 600 ° C. to 1300 ° C., preferably 800 ° C. to 1200 ° C., in particular 900 ° C. to 1150 ° C., optionally under vacuum, reducing atmosphere or protective gas atmosphere;
third temperature treatment of the carbon fiber, optionally under protective gas, vacuum or reducing atmosphere in a temperature range of at least 1300 ° C to 3000 ° C, preferably 1300 ° C to 2000 ° C, in particular 1400 ° C to 1800 ° C,
characterized in that at least the first temperature treatment is carried out in such a way that the fiber is exposed to a permanent tensile load, in particular an essentially constant permanent tensile load.

Die zweite und dritte Temperaturbehandlung können dabei kontinuierlich ineinander übergehen, das heißt das Aufheizprofil ist derart ausgestaltet, dass die zweite Temperaturbehandlung im genannten Temperaturbereich erfolgt und daran anschließend die dritte Temperaturbehandlung durchgeführt wird. Dabei kann die Aufheizrate kontinuierlich oder graduell ausgestaltet sein.The second and third temperature treatments can merge continuously, that is, the heating profile is designed in such a way that the second temperature treatment takes place in the temperature range mentioned and then the third temperature treatment is carried out. The heating rate can be continuous or gradual.

Die Zugbelastung kann auch in den weiteren Temperaturbehandlungen zumindest teilweise erfolgen. Die Zugbelastung kann in der ersten Temperaturbehandlung aber auch in den weiteren Temperaturbehandlungen wechselförmig erfolgen, wobei zu einigen Zeitpunkten der Temperaturbehandlungen keine Last anliegen kann.The tensile loading can also take place at least partially in the further temperature treatments. The tensile loading can take place alternately in the first temperature treatment but also in the further temperature treatments, with no load being applied at some points in time during the temperature treatments.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte der ersten, zweiten und dritten Temperaturbehandlung auf. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass bei der ersten Temperaturbehandlung der bereitgestellten Kohlenstoff-haltigen Polymerfaser (auch als Faser bezeichnet) auf einen Bereich von 100°C bis 450°C erwärmt wird. Geeignete Bereiche umfassen zum Beispiel 100°C bis 350°C, insbesondere 200°C bis 350°C.The method according to the invention has the steps of the first, second and third temperature treatment. An essential aspect here is that during the first temperature treatment, the provided carbon-containing polymer fiber (also referred to as fiber) is heated to a range from 100 ° C to 450 ° C. Suitable ranges include, for example, 100 ° C to 350 ° C, in particular 200 ° C to 350 ° C.

Bei dieser ersten Temperaturbehandlung, die gegebenenfalls unter Luft, Schutzgasatmosphäre, Vakuum oder reduzierender Atmosphäre durchgeführt werden kann, findet eine permanente Zugbelastung der Faser oder Fäden statt. Das heißt, über den gesamten Zeitraum, der Temperaturbehandlung, die über mehrere Stunden erfolgen kann, liegt eine Zugbelastung zur Verstreckung der Faser an. Diese Zugbelastung kann dabei derart erfolgen, dass diese Zugbelastung über den gesamten Behandlungszeitraum im Wesentlichen gleich bleibt. Alternative Ausführungsformen schließen eine Zugbelastung ein, bei der die Zugbelastung über die Zeit zunimmt, über die Zeit abnimmt oder wobei die Zugbelastung sich mehrfach verändert ohne dass die Faser beziehungsweise der Faden nicht unter Belastung steht. Ein Lastprofil mit zeitweiser Entlastung, die Fasern also lastfrei sind, ist auch möglich.During this first temperature treatment, which can optionally be carried out under air, a protective gas atmosphere, vacuum or reducing atmosphere, there is permanent tensile loading of the fibers or threads. That is, over the entire period of the temperature treatment, which can take place over several hours, there is a tensile load for drawing the fiber. This tensile load can take place in such a way that this tensile load remains essentially the same over the entire treatment period. alternative Embodiments include a tensile load in which the tensile load increases over time, decreases over time or where the tensile load changes several times without the fiber or the thread not being under load. A load profile with temporary relief, i.e. the fibers are load-free, is also possible.

Es wird davon ausgegangen, dass durch die Verstreckung die Struktur der Faser beziehungsweise Fäden derart verändert wird, dass die Ausbildung erhöhter Leitfähigkeit gefördert wird.It is assumed that the structure of the fibers or threads is changed by the stretching in such a way that the formation of increased conductivity is promoted.

In einer Ausführungsform erfolgt die Verstreckung während der ersten Temperaturbehandlung derart, dass die Verringerung des Durchmessers der Faser beziehungsweise der Fäden in diesem Behandlungsschritt um mindestens 10%, wie 15% erfolgt. Im Rahmen dieser Temperaturbehandlung findet gegebenenfalls die Zyklisierung des Polymers in den Fäden statt. Teilweise werden diese Fäden in der Literatur bereits als Fasern bezeichnet, teilweise heißt es in der Literatur erst ab Zyklisierung oder sogar nach entsprechenden weiteren Temperaturbehandlungen, die auch als Dehydrierung oder Denitrifizierung bezeichnet werden, erst Kohlenstofffaser.In one embodiment, the drawing takes place during the first temperature treatment in such a way that the diameter of the fiber or the threads is reduced by at least 10%, such as 15%, in this treatment step. Cyclization of the polymer in the threads may take place during this temperature treatment. In some cases, these threads are already referred to as fibers in the literature, in some cases it is only after cyclization or even after corresponding further temperature treatments, which are also referred to as dehydration or denitrification, that carbon fibers are mentioned in the literature.

Wie gesagt, bei der ersten Temperaturbehandlung (manchmal auch in der Literatur als Zyklisierung bezeichnet) findet ein Vertrecken der Faser unter permanentem, Zug, insbesondere unter gleich bleibender permanenter Zugbelastung statt. In einer Ausführungsform wird diese erste Temperaturbehandlung unter Zugbelastung für mindestens eine Stunde, wie mindestens fünf Stunden, zum Beispiel mindestens acht Stunden, statt. Der Durchmesser der Fäden beziehungsweise der Faser wird während dieser ersten Temperaturbehandlung um zum Beispiel mindestens 10%, wie mindestens 15%, reduziert.As mentioned, during the first temperature treatment (sometimes also referred to as cyclization in the literature), the fibers are stretched under permanent tension, in particular under constant permanent tensile load. In one embodiment, this first heat treatment is held under tensile loading for at least one hour, such as at least five hours, for example at least eight hours. The diameter of the threads or the fiber is reduced during this first temperature treatment by, for example, at least 10%, such as at least 15%.

Die Faser schrumpft während der gesamten Verfahrensschritte, um mindestens 30 %, insbesondere mindestens 35 %, wie mindestens 40 %.The fiber shrinks during the entire process steps by at least 30%, in particular at least 35%, such as at least 40%.

Die gesamte Durchmesseränderung von unbehandelter Kohlenstoff-haltiger Polymerfaser zum Endprodukt beträgt also mindestens 30 %, wie mindestens 35 %, zum Beispiel mindestens 40 %.The total change in diameter from the untreated carbon-containing polymer fiber to the end product is therefore at least 30%, such as at least 35%, for example at least 40%.

Der ersten Temperaturbehandlung anschließend erfolgt die zweite Temperaturbehandlung, die auch in der Literatur als Dehydrierung bezeichnet wird. In dieser zweiten Temperaturbehandlung wird die verstreckte Kohlenstofffaser, die insbesondere eine verstreckte gesponnene Kohlenstofffaser, wie eine verstreckte elektrogesponnene Kohlenstofffaser ist, auf einen Bereich von 600°C bis 1300°C, bevorzugt 800°C bis 1200°C, zum Beispiel auf einen Bereich von 900°C bis 1150°C erwärmt. Diese Erwärmung erfolgt dabei derart, dass keine oder nur eine sehr geringe CO oder CO₂ Ausbildung erfolgt, das heißt, diese Temperaturbehandlung erfolgt gegebenenfalls unter Vakuum, unter reduzierender Atmosphäre oder Schutzgasatmosphäre.The first temperature treatment is followed by the second temperature treatment, which is also referred to in the literature as dehydration. In this second temperature treatment, the drawn carbon fiber, which is in particular a drawn spun carbon fiber such as a drawn electrospun carbon fiber, to a range of 600 ° C to 1300 ° C, preferably 800 ° C to 1200 ° C, for example to a range of Heated from 900 ° C to 1150 ° C. This heating takes place in such a way that no or only very little formation of CO or CO ₂ takes place, that is, this temperature treatment takes place, if necessary, under vacuum, under a reducing atmosphere or a protective gas atmosphere.

Geeignete Maßnahmen sind zum Beispiel ein Hochvakuum mit < 10^-4 Millibar, die Verwendung von Schutzgas, wie Argon oder andere bekannte Schutzgase unter Atmosphärendruck, sowie die Verwendung von reduzierenden Gasgemischen, zum Beispiel solche aus Argon und Wasserstoff aber auch andere bekannte Maßnahmen. Wichtig ist hierbei, dass keine Verbrennung der Faser einsetzt, das heißt, dass der Sauerstoffgehalt möglichst gering ist und bevorzugt im Bereich von wenigen ppm oder weniger liegt.Suitable measures are, for example, a high vacuum with <10 ^-4 millibars, the use of protective gas such as argon or other known protective gases under atmospheric pressure, and the use of reducing gas mixtures, for example those made of argon and hydrogen, but also other known measures. It is important here that the fibers do not start to burn, that is to say that the oxygen content is as low as possible and is preferably in the range of a few ppm or less.

Die zweite Temperaturbehandlung kann über einen üblichen Zeitraum erfolgen, zum Beispiel ist die Dauer der zweiten Temperaturbehandlung in einem Bereich von wenigen Minuten bis einigen Stunden, z.B. etwa eine Stunde. Es kann auch eine Temperaturbehandlung derart gewählt werden, dass der genannte Temperaturbereich in der genannten Zeit durchlaufen wird, das heißt während dieser Temperaturbehandlung kann die Temperatur vom unteren Temperaturbereich zum oberen Temperaturbereich ansteigen, so dass ein Übergang zum dritten Temperaturbereich stattfindet.The second temperature treatment can take place over a customary period of time, for example the duration of the second temperature treatment is in a range from a few minutes to a few hours, for example about an hour. A temperature treatment can also be selected such that the named temperature range is passed through in the named time, that is, during this temperature treatment the temperature can rise from the lower temperature range to the upper temperature range, so that a transition to the third temperature range takes place.

Der zweiten Temperaturbehandlung schließt sich die dritte Temperaturbehandlung an, wobei die Temperatur in der dritten Temperaturbehandlung oberhalb der Temperatur der zweiten Temperaturbehandlung liegt. Bei dieser dritten Temperaturbehandlung findet ein weiteres Carbonisieren und Abspalten anderer Elemente aus der Kohlenstofffaser statt. Diese dritte Temperaturbehandlung der Kohlenstofffaser muss ebenfalls unter Schutzgas, Vakuum oder reduzierender Atmosphäre erfolgen. Geeignete Maßnahmen sind oben genannt. Der Temperaturbereich dieser dritten Temperaturbehandlung liegt dabei in einem Bereich von mindestens 1300°C bis 3000°C, bevorzugt 1300°C bis 2000°C, insbesondere 1400°C bis 1800°C.The second temperature treatment is followed by the third temperature treatment, the temperature in the third temperature treatment being above the temperature of the second temperature treatment. During this third temperature treatment, further carbonization and cleavage of other elements from the carbon fiber take place. This third temperature treatment of the carbon fiber must also take place under protective gas, vacuum or reducing atmosphere. Suitable measures are mentioned above. The temperature range of this third temperature treatment is in a range from at least 1300 ° C to 3000 ° C, preferably 1300 ° C to 2000 ° C, in particular 1400 ° C to 1800 ° C.

Die dritte Temperaturbehandlung kann somit zum Beispiel bei einer Temperatur von mindestens 1300°C, insbesondere mindestens 1450°C unter Schutzgas, reduzierender Atmosphäre oder Vakuum erfolgen. Im Zuge dieser Hochtemperaturbehandlung erfolgt ein Abspalten der anderen Elemente, um die Kohlenstofffaser bereitzustellen.The third temperature treatment can thus take place, for example, at a temperature of at least 1300 ° C., in particular at least 1450 ° C. under protective gas, reducing atmosphere or vacuum. In the course of this high-temperature treatment, the other elements are split off in order to provide the carbon fiber.

Die dritte Temperaturbehandlung findet dabei über einen bekannten Zeitraum statt, zum Beispiel mindestens 1-20h, bevorzugt 5-15h, insbesondere 8-12h.The third temperature treatment takes place over a known period of time, for example at least 1-20 hours, preferably 5-15 hours, in particular 8-12 hours.

In einem weiteren Aspekt wird schließlich eine Kohlenstofffaser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, bereitgestellt, erhältlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei aus Polymer erhältlichen Fäden, zum Beispiel elektrogesponnene Fäden oder in anderer Art und Weise gesponnene Fäden, ist es möglich, die genannte Leitfähigkeiten zu erhalten.Finally, in a further aspect, a carbon fiber with an electrical conductivity of at least 1 × 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 × 10 ⁷ S / m, is provided, obtainable with the method according to the invention. By using the method according to the invention with threads obtainable from polymer, for example electrospun threads or threads spun in another way, it is possible to obtain the conductivities mentioned.

Die erfindungsgemäßen Kohlenstofffasern sind besonders vorteilhaft, da sie eine geringe Dichte, einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen, darüber hinaus sind verschiedene Anwendungen möglich, zum Beispiel als Wicklungen für Spulen, als Kondensatoren, Sensoren oder in Hochfrequenzschaltungen sowie anderen elektrischen Leitern.The carbon fibers according to the invention are particularly advantageous because they have a low density, a low coefficient of thermal expansion, and various applications are possible, for example as windings for coils, as capacitors, sensors or in high-frequency circuits and other electrical conductors.

Die Erfindung stellt schließlich entsprechende elektrische Leiter enthaltend erfindungsgemäße Kohlenstofffasern bereit, diese elektrischen Leiter beziehungsweise modifizierten Kohlenstofffasern können Bestandteile von Kondensatoren, Sensoren aber auch Hochfrequenzschaltungen etc. sein.The invention finally provides corresponding electrical conductors containing carbon fibers according to the invention; these electrical conductors or modified carbon fibers can be components of capacitors, sensors, but also high-frequency circuits, etc.

Sie eignen sich insbesondere als Ersatz für bisherige Leiter auf metallischer oder keramischer Basis, wobei hohe Anforderungen an elektrische Leitfähigkeit, hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten, Masse, mechanische Festigkeit sowie chemische Stabilität bei Raumtemperatur gestellt werden.They are particularly suitable as a replacement for previous conductors on a metallic or ceramic basis, with high requirements being placed on electrical conductivity, high charge carrier mobility, mass, mechanical strength and chemical stability at room temperature.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein:The invention is explained in more detail below with the aid of examples, without being restricted thereto:

Beispiel 1example 1

Zur Herstellung der Fasern wird Polyacrylnitril (PAN), zum Beispiel 150 mg Dralon™ in 1 ml Dimethylformamid als Ausgangsmaterial genutzt und aus diesen mittels Elektrospinning (200 bis 1000 nm) dünne Fäden gesponnen. Die Lösemittelkonzentration von PAN in DMF (weitere Lösemittel möglich und deren Kombinationen) liegt im Bereich von 100 bis 200 mg·ml^–1. Dazu werden je nach Konzentration der Lösung eine Spannung von 10 bis 25 kV angelegt, ein Polymerschub von 0,5 bis 2 ml·h^-1und Kollektorabstand von 10 bis 25 cm gewählt. Die gesponnenen Fasern werden auf einem drehenden Kollektor aufgefangen und somit orientiert abgelegt, wobei die Umlaufgeschwindigkeit des Kollektors 5 bis 20 m·s^-1 beträgt. Die erhaltenen Polymerfasern werden bei leichter Erwärmung (200 bis 300 °C) und unter Zug einer Kraft von 3 bis 5 N gestreckt. Die Streckzeit beträgt bis zu 15 Stunden. Anschließend werden die Fasern unter reduzierender Atmosphäre für bis zu 15 Stunden auf 1000 bis 1200 °C erhitzt. Die abschließende Wärmebehandlung erfolgt ebenfalls bis zu 15 Stunden bei Temperaturen zwischen 1500 und 3000 °C.To produce the fibers, polyacrylonitrile (PAN), for example 150 mg Dralon ™ in 1 ml dimethylformamide, is used as the starting material and thin threads are spun from these by means of electrospinning (200 to 1000 nm). The solvent concentration of PAN in DMF (other solvents possible and their combinations) is in the range from 100 to 200 mg · ml ⁻¹ . For this purpose, depending on the concentration of the solution, a voltage of 10 to 25 kV is applied, a polymer surge of 0.5 to 2 ml · h ^-1 and a collector spacing of 10 to 25 cm are selected. The spun fibers are collected on a rotating collector and thus laid down in an oriented manner, the speed of rotation of the collector being 5 to 20 m · s ^-1 . The polymer fibers obtained are stretched with slight heating (200 to 300 ° C.) and with a force of 3 to 5 N being applied. The stretching time is up to 15 hours. The fibers are then heated to 1000 to 1200 ° C for up to 15 hours in a reducing atmosphere. The final heat treatment is also carried out for up to 15 hours at temperatures between 1500 and 3000 ° C.

Experimente und Daten, die die Lösung der Aufgabe dokumentierenExperiments and data that document the solution to the task

Elektrospinning mit thermischer Nachbehandlung und Leitfähigkeitsmessungen.Electrospinning with thermal post-treatment and conductivity measurements.

zeigt Widerstandsmessungen an hochleitfähigen kohlenstoffbasierten Fasern. Die Widerstände von einzelnen Fasern, wie im SEM Bild gezeigt, wurde mithilfe eines 4-Spitzen STM/SEMs (nach I. Miccoli, F. Edler, H. Pfnür, C. Tegenkamp, J. Phys.: Condens. Matter 2015, 27, 223201) vermessen. shows resistance measurements on highly conductive carbon-based fibers. The resistances of individual fibers, as shown in the SEM picture, were measured using a 4-point STM / SEM (after I. Miccoli, F. Edler, H. Pfnür, C. Tegenkamp, J. Phys .: Condens. Matter 2015, 27 , 223201).

Die Messungen wurden im makroskopischen Maßstab am Bulkmaterial bestätigt. Die makroskopische Widerstandmessung wurde an Proben mit einer Länge im Zentimeter-Bereich durchgeführt. In diesen makroskopischen Messungen wurden ebenfalls Leitfähigkeiten von mindestens 1 x 10⁶ S/m, einschließlich mindestens 1 x 10⁷ S/m, gefunden.The measurements were confirmed on a macroscopic scale on bulk material. The macroscopic resistance measurement was carried out on samples with a length in the centimeter range. In these macroscopic measurements, conductivities of at least 1 x 10 ⁶ S / m, including at least 1 x 10 ⁷ S / m, were also found.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser mit einem sub-mikrometer Durchmesser kleiner als 1000 nm, mit einer Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer gesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfaser; erste Temperaturbehandlung dieser gesponnenen Kohlenstoff-haltigen Polymerfaser unter Erwärmung auf einen Bereich von 100°C bis 450°C, bevorzugt 100°C bis 350°C, insbesondere 200°C bis 350°C; zweite Temperaturbehandlung in einem Bereich von 600°C bis 1300°C, bevorzugt 800°C bis 1200°C, insbesondere 900°C bis 1150°C; dritte Temperaturbehandlung der Kohlenstofffaser in einem Temperaturbereich von mindestens 1300°C bis 3000°C, bevorzugt 1300°C bis 2000°C, insbesondere 1400°C bis 1800°C, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Temperaturbehandlung derart erfolgt, dass die Faser einer permanenten Zugbelastung ausgesetzt ist.A method for producing a carbon fiber with a sub-micrometer diameter smaller than 1000 nm, with a conductivity of at least 1 x 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 x 10 ⁷ S / m, comprising the steps of: providing a spun carbon-containing polymer fiber ; first heat treatment of this spun carbon-containing polymer fiber with heating to a range from 100 ° C to 450 ° C, preferably 100 ° C to 350 ° C, in particular 200 ° C to 350 ° C; second temperature treatment in a range from 600 ° C. to 1300 ° C., preferably from 800 ° C. to 1200 ° C., in particular from 900 ° C. to 1150 ° C.; Third temperature treatment of the carbon fiber in a temperature range of at least 1300 ° C to 3000 ° C, preferably 1300 ° C to 2000 ° C, in particular 1400 ° C to 1800 ° C, characterized in that at least the first temperature treatment is carried out such that the fiber is is exposed to permanent tensile load.

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser nach Anspruch 1, wobei die Zugbelastung eine im wesentlich gleich bleibende permanente Zugbelastung ist.Process for producing a carbon fiber according to Claim 1 , the tensile load being a substantially constant permanent tensile load.

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bereitgestellte gesponnene Kohlenstofffaser eine elektrogesponnene Kohlenstoff-haltige Polymerfaser ist.A method for producing a carbon fiber according to any one of the preceding claims, wherein the provided spun carbon fiber is an electrospun carbon-containing polymer fiber.

Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Temperaturbehandlung zur Verringerung des Durchmessers der Kohlenstofffaser um mindestens 10% bei gleichzeitiger Verstreckung unter permanenter Zugbelastung erfolgt.Method for producing the carbon fiber according to one of the preceding claims, wherein the first temperature treatment to reduce the diameter of the carbon fiber by at least 10% takes place with simultaneous stretching under permanent tensile load.

Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Zugbelastung eine ist, wobei über die Zeit die Zugkraft zunimmt oder konstant gehalten wird.A method for producing the carbon fiber according to any one of the preceding Claims 1 , 3 or 4th , characterized in that the permanent tensile load is one in which the tensile force increases or is kept constant over time.

Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verfahren kontinuierlich oder als Batch-Verfahren durchgeführt wird.Process for producing the carbon fiber according to one of the preceding claims, characterized in that this process is carried out continuously or as a batch process.

Verfahren zur Herstellung von einer Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperaturbehandlung permanent unter einer Zugbelastung für mindestens eine Stunde, bevorzugt mindestens 5 Stunden, insbesondere mindestens 8 Stunden erfolgt.Method for producing a carbon fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the first temperature treatment takes place permanently under a tensile load for at least one hour, preferably at least 5 hours, in particular at least 8 hours.

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt der zweiten Temperaturbehandlung unter Schutzgas, Vakuum oder reduzierender Atmosphäre in einem Temperaturbereich von 600°C bis 1300°C, bevorzugt 800°C bis 1200°C, insbesondere 900°C bis 1150°C erfolgt.Method for producing a carbon fiber according to one of the preceding claims, wherein the step of the second temperature treatment under protective gas, vacuum or reducing atmosphere in a temperature range from 600 ° C to 1300 ° C, preferably 800 ° C to 1200 ° C, in particular 900 ° C to 1150 ° C takes place.

Verfahren zur Herstellung von einer Kohlenstofffaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 1300°C bis 3000°C, bevorzugt 1300°C bis 2000°C, insbesondere 1400°C bis 1800°C unter Schutzgas, reduzierender Atmosphäre oder Vakuum erfolgt.Process for the production of a carbon fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the third temperature treatment at a temperature of at least 1300 ° C to 3000 ° C, preferably 1300 ° C to 2000 ° C, in particular 1400 ° C to 1800 ° C below Protective gas, reducing atmosphere or vacuum takes place.

Kohlenstofffaser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 1 x 10⁶ S/m, bevorzugt mindestens 1 x 10⁷ S/m, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Carbon fiber with an electrical conductivity of at least 1 × 10 ⁶ S / m, preferably at least 1 × 10 ⁷ S / m, produced by a method according to one of the Claims 1 until 9 .

Verwendung von Kohlenstofffasern nach Anspruch 10 in elektrischen Leitern.Use of carbon fiber after Claim 10 in electrical conductors.

Verwendung von Kohlenstofffasern nach Anspruch 10 in Kondensatoren.Use of carbon fiber after Claim 10 in capacitors.

Verwendung von Kohlenstofffasern nach Anspruch 10 in Sensoren.Use of carbon fiber after Claim 10 in sensors.