DE102018120626B4

DE102018120626B4 - Änderung von endlos-kohlenstofffasern während der bildung der vorstufe für verbundwerkstoffe mit erhöhter formbarkeit

Info

Publication number: DE102018120626B4
Application number: DE102018120626.7A
Authority: DE
Inventors: Hamid G. Kia; Selina X. ZHAO
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2038-08-24
Also published as: CN109423703B; CN109423703A; DE102018120626A1; US10612163B2; US20190062955A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser für die Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit, das Verfahren umfassend:Bilden einer Endlos-Vorstufenfaser, die einen Mantel und einen Kern umfasst, das Bilden aufweisend:Bilden des Mantels durch Extrudieren eines ersten Polymermaterials in einem ersten Extruder, wobei der Mantel eine durchschnittliche Wanddicke von mehr als oder gleich etwa 0,5 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweist und der Kern einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 7 µm aufweist,Bilden des Kerns mit einer Vielzahl von diskreten Bereichen eines dritten Polymermaterials, die innerhalb eines zweiten Polymermaterials verteilt sind, durch Co-Extrudieren des zweiten Polymermaterials und des dritten Polymermaterials in einem zweiten Extruder, durch intermittierendes Einbringen des zweiten Polymermaterial und des dritten Polymermaterials intermittierend in eine zweite Extruderkammer, wobei, nachdem die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitisieren erwärmt wurde, die Endlos-Vorstufenfaser eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen in dem Kern bildet, wobei die Endlos-Kohlenstofffaser im Wesentlichen intakt bleibt, bis zu einem Formgebungsverfahren zum Bilden eines Kohlenstoffaser-Verbundwerkstoffs;wobei das dritte Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lignin, Polyethylen, Polyacrylnitril (PAN), Polymere, die Submikron-Füllstoffpartikeln und Kombinationen derselben umfassen;wobei das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial jeweils ein Acrylcopolymer ist, das aus einem Acrylnitril-Monomer und einem zweiten Monomer gebildet wurde, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, Vinylamiden, Vinylhalogeniden, Salzen von Vinylverbindungen, Salzen von Sulfonsäuren, und Kombinationen derselben;wobei das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial die gleiche Zusammensetzung haben.

Description

Die Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstoffasern für die Verwendung bei der Bildung von Vorstufen hochfester Verbundwerkstoffe mit einer erhöhten Formbarkeit.
Kohlenstofffasern werden als leichtgewichtige Verstärkungsphase verwendet, um hochfeste, leichtgewichtige, polymere Verbundmaterialien herzustellen. Kohlenstofffasern können durch Carbonisieren oder Graphitisieren von Kohlenstofffaser-Vorstufenmaterialfasern hergestellt werden. Kohlenstofffaser-Vorstufen können beispielsweise aus Polyacrylnitril (PAN), Pech oder Kunstseide-Vorstufen gebildet werden. Kohlenstofffasern und Graphitfasern werden hergestellt und bei unterschiedlichen Temperaturen wärmebehandelt und haben damit jeweils einen unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt. Typischerweise ist eine Kohlenstofffaser eine Faser mit mindestens etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff.
Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern sind leichtgewichtig und hochfest. Im Vergleich zu Verbundwerkstoffen mit gehackten oder gemahlenen Kohlenstofffasern weisen Verbundwerkstoffen mit Endlosfasern eine besonders hohe Festigkeit auf (z. B., ultrahohe Festigkeit). Während ultrahochfeste Verbundwerkstoffen bei bestimmten Anwendungen sehr wünschenswert sind, war die mangelnde Fließfähigkeit und Verformbarkeit eine Herausforderung für die Verwendung von Endlos-Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen. So können beispielsweise Verbundwerkstoff-Vorstufen mit Endlos-Kohlenstofffasern zu steif sein und somit einen hohen Strömungswiderstand aufweisen. Diese Inflexibilität und Steifigkeit ergibt eine schlechte Formbarkeit, und erschwert das Formen dreidimensionaler Formen von Verbundwerkstoffen mit Endlos-Kohlenstofffasern.
DE 10 2016 116 662 A1 beschreibt Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstofffasern zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit. Bei der Bildung der Vorstufenfaser werden diskrete Bereiche in eine Endlos-Vorstufenfaser eingeführt, umfassend ein acrylisches Polymermaterial, wie Polyacrylnitril (PAN). Die Vorstufen können heterogene Fasern sein, die ein zweites, sich unterscheidendes Material haben, das diskrete Bereiche in dem Acrylpolymermaterial durchsetzt. Alternativ kann die Vorstufe aus heterogenen Fasern bestehen, wobei in diskreten Bereichen Laser auf das Acrylpolymermaterial angewendet werden, um lokalisierte molekulare Störungen hervorzurufen. Nachdem die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitisieren erhitzt wurde, bildet die Vorstufe eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen. Diese verhältnismäßig schwachen Bereiche stellen nicht aneinander angrenzende Sollbruchstellen bereit, die die Steifigkeit reduzieren und die Formbarkeit von Polymerverbundwerkstoffen mit Kohlenstofffasern verbessern und dabei eine hohe Festigkeit beibehalten.
DE 696 28 946 T2 beschreibt eine biegsame flammfeste Bikomponentenfaser und Gegenstände, die aus einer solchen Bikomponentenfaser gefertigt sind.
Es kann als Aufgabe betrachtet werden, Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe mit größerer Flexibilität, höherer Fließfähigkeit, und damit einer größeren Formbarkeit zu formen, die leicht komplexe und dreidimensional geformte Komponenten mit extrem hohen Festigkeiten formen können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstofffasern für die Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit angegeben. Das Verfahren umfasst: Bilden einer Endlos-Vorstufenfaser, die einen Mantel und einen Kern umfasst; Bilden des Mantels durch Extrudieren eines ersten Polymermaterials in einem ersten Extruder, wobei der Mantel eine durchschnittliche Wanddicke von mehr als oder gleich etwa 0,5 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweist und der Kern einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 7 µm aufweist; Bilden des Kerns mit einer Vielzahl von diskreten Bereichen eines dritten Polymermaterials, die innerhalb eines zweiten Polymermaterials verteilt sind, durch Co-Extrudieren des zweiten Polymermaterials und des dritten Polymermaterials in einem zweiten Extruder, durch intermittierendes Einbringen des zweiten Polymermaterial und des dritten Polymermaterials intermittierend in eine zweite Extruderkammer, wobei, nachdem die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitisieren erwärmt wurde, die Endlos-Vorstufenfaser eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen im Kern bildet, wobei die Endlos-Kohlenstofffaser bis zu einem Formgebungsverfahren zum Bilden eines Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffs weitgehend intakt bleibt, wobei das dritte Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lignin, Polyethylen, Polyacrylnitril (PAN), Polymere, die Submikron-Füllstoffpartikeln und Kombinationen derselben umfassen, wobei das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial jeweils ein Acrylcopolymer ist, das aus einem Acrylnitril-Monomer und einem zweiten Monomer gebildet wurde, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, Vinylamiden, Vinylhalogeniden, Salzen von Vinylverbindungen, Salzen von Sulfonsäuren, und Kombinationen derselben, wobei das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial die gleiche Zusammensetzung haben.
In einer Ausführungsform, nach dem Extrudieren und Co-Extrudieren, beinhaltet das Verfahren weiterhin das Einbringen des ersten Polymermaterials, des zweiten Polymermaterials und des dritten Polymermaterials durch eine Düse oder Spinndüse, um die Endlos-Vorstufenfaser einschließlich des Mantels und des Kerns zu bilden.
In einer Ausführungsform weist die Vielzahl der diskreten schwachen Bereiche eine Zugfestigkeit auf, die mindestens 50 % kleiner ist als eine zweite Endzugfestigkeit des restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser.
In einer Ausführungsform bewegt sich ein Verhältnis des zweiten Polymermaterials zum dritten Polymermaterial im Kern der Endlos-Vorstufenfaser von mehr als oder gleich etwa 2 bis weniger als oder gleich etwa 300.
In einer Ausführungsform weist jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen eine Länge von weniger als oder gleich ungefähr 5,08 cm auf.
In einer Ausführungsform ist jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl diskreter schwacher Bereiche von einem benachbarten schwachen Bereich im Kern der Endlos-Kohlenstofffaser um einen Abstand von größer als oder gleich ungefähr 0,254 cm bis weniger als oder gleich ungefähr 30,48 cm beabstandet.

1 stellt eine exemplarische Vorstufe einer Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Kern- und Mantel-/Schalenkonfiguration dar, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
2 stellt eine Querschnittsansicht der Endlos-Kohlenstofffaser-Vorstufe in 1 dar.
3 stellt ein System zum Bilden einer exemplarischen Vorstufe einer Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Kern- und Mantelkonfiguration gemäß bestimmten Verfahren der vorliegenden Offenbarung dar.
4 ist eine schematische Darstellung eines polymeren Verbundwerkstoffs mit einer Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden. Jedes jeweilige Kohlenstofffaser-Filament weist eine Vielzahl diskreter, nicht zusammenhängender, verhältnismäßig schwacher Bereiche oder Sollbruchstellen auf, die darin verteilt sind.
5 ist eine schematische Darstellung eines Bündels einer Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden. Jedes jeweilige Endlos-Kohlenstofffaser-Filament weist eine Vielzahl diskreter, nicht zusammenhängender, schwacher Bereiche auf, die darin verteilt sind. Die diskreten, schwachen Bereiche sind gestaffelt und versetzt gegenüber schwachen Bereichen in den benachbarten Kohlenstofffaser-Filamenten.

Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Polymere Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern sind hochfest und leichtgewichtig. Es kann jedoch schwierig sein, komplexe dreidimensionale Bauteile aus kohlefaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen (CFRP) herzustellen, insbesondere wenn es sich dabei um Kohlenstofffasern handelt, die aus Endlosfasern bestehen. Kohlenstoff-faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe (CFRP) umfassen ein Harz, das ausgehärtet und/oder verfestigt wird, um eine Polymermatrix zu formen, in der eine Vielzahl von Kohlenstofffasern als Verstärkungsphase verteilt ist.
Die Kohlenstofffasern können Endlos-Filamente sein, die eine Länge von tausenden Mikrometern (µm) oder Millimetern (mm) aufweisen können. Eine Gruppe von Endlos-Kohlenstofffasern wird häufig als ein Bündel von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten eingestuft. Ein Kohlenstofffaser-„Roving“ wird üblicherweise als eine Anzahl an Filamenten in Tausenden gekennzeichnet (gekennzeichnet durch K hinter der entsprechenden K-Zahl). Alternativ können Kohlenstoff-Faserbündel zerkleinert oder gemahlen werden und bilden somit kurze Abschnitte von Kohlenstofffasern (Filamenten oder Bündeln), typischerweise mit einer mittleren Faserlänge zwischen 50 µm und 50 mm.
In verschiedenen Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf die Verwendung von Endlos-Kohlenstofffasern, die in gewissen Aspekten eine Länge von größer oder gleich ungefähr 5,08 cm haben, gegenüber zerkleinerten oder gemahlenen Kohlenstofffasern. In bestimmten Aspekten hat eine Endlos-Kohlenstofffaser eine Länge von größer oder gleich ungefähr 5,08 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 7,62 cm, größer oder gleich ungefähr 10,16 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 12,70 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 15,24 cm, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 17,78 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 20,32 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 22,86 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 25,40 cm, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 27,94 cm, und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 30,48 cm.
CFRPs werden häufig aus einem Prepreg hergestellt, wobei die Kohlenstofffasern mit ungehärtetem oder teilweise gehärtetem Harz imprägniert werden. Eine Komponente oder Teil kann geformt werden, indem das Prepreg auf einen Dorn oder eine Form gelegt wird, wo es dann verdichtet und gehärtet wird, um die endgültige Komponente zu formen. Wie bereits erwähnt, während alle CFRPs leichtgewichtig und hochfest sind, haben Verbundwerkstoffe mit Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten gegenüber Verbundwerkstoffen mit zerkleinerten oder gemahlenen Kohlenstofffasern eine besonders hohe Festigkeit. Als nicht einschränkendes Beispiel hat ein repräsentatives, unidirektionales Endlos-Kohlenstofffaser-Filament bei Integration in einen Verbundwerkstoff eine extrem hohe Zugfestigkeit von etwa 1.500 bis 2.000 mPa, während Kohlenstofffaserschnipsel eine Zugfestigkeit von etwa 200 mPa bis 500 mPa haben.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Verbesserung der Formbarkeit von Verbundwerkstoffen mit Kohlenstofffasern als Verstärkungsphase bereit. Wie vorstehend erwähnt, während Polymerverbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern hochfest und leichtgewichtig sind, lassen sie sich typischerweise schwierig zu komplexen, dreidimensional geformten Komponenten formen. Ohne weitere Manipulation lassen sich diese Endlos-Kohlenstofffaser-Polymerverbundwerkstoffe nicht ohne weiteres zu konturierten oder dreidimensional geformten Teilen mit komplexen dreidimensionalen Profilen verarbeiten.
Derzeit werden mehrere Techniken verwendet, um komplexe Formteile aus Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen zu formen, wobei jedoch beide bestimmte Nachteile aufweisen. Die erste Technik integriert Endlos-Kohlenstofffasern in eine Verbundschicht mit unidirektionalen Endlos-Kohlenstofffasern, trennt dann aber die größere Verbundschicht in mehrere kleinere Stücke (entweder als Prepreg oder kurz vor der Anwendung zur Formgebung der Komponente) auf. Die kleineren Stücke werden dann zusammengebaut, so dass die Ränder benachbarter Stücke sich in einem manuellen Layup Prozess überlappen, um eine größere Struktur zu bilden. Die kleineren Stücke enthalten somit Hunderttausende von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten (z. B. geschnittene Bündel), die an der bzw. den gleichen Schnittlinie(n) enden. Während die kleineren Stücke aufeinander gelegt werden können, um komplexere Formen und Konturen zu bilden, hat diese Technik den Nachteil einer reduzierten Festigkeit des Teils, da die unidirektionalen Kohlenstofffaser-Filamente alle an der gleichen Schnittlinie enden. Wenngleich die abgeschnittenen Teile überlappen, verbleiben verschiedene Stellen oder Bereiche für eine Belastungsausbreitung und einen Bruch durch den Verbundwerkstoff entlang den Schnittlinien, der die Gesamtfestigkeit reduziert.
Alternativ können in einer anderen Technik die Kohlenstoff-Faserbündel in kürzere Segmente zerkleinert oder gemahlen werden, typischerweise mit einer maximalen Länge von weniger als ungefähr 5,08 cm. Jedes Bündel kann ungefähr 50.000 Filamente haben (z. B. 50K Roving), nur als Beispiel. Normalerweise sind die zerkleinerten Fasern in einer einzigen Ausrichtung homogen innerhalb des Verbundwerkstoffs als anisotrope Verstärkungsphase verteilt. Die kurzen Fasern sind jedoch diskontinuierlich verteilt, und stellen offene Bereiche zwischen einzelnen Fasern für Belastungs- und Rissausbreitung durch das Harz/die Polymermatrix bereit. Während sie immer noch hohe Festigkeiten bieten, haben zerkleinerte Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoffe typischerweise geringere Festigkeiten als Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe; häufig eine Größenordnung weniger.
In noch einer anderen Technik kann ein anderes Material, das schwächer ist als ein Basis-Polymermaterial, intermittierend als diskrete Bereiche in eine Kohlenstofffaser integriert werden. Dieser Ansatz wirft jedoch andere technische Herausforderungen auf, da das schwächere Material, das in die Faservorstufe eingebracht wird, über einen Temperaturbereich ähnliche Spannungs-Dehnungseigenschaften aufweisen muss wie das Vorstufen-Polymermaterial. Die Notwendigkeit, die Eigenschaften des schwächeren Verunreinigungsmaterials und des wichtigsten Vorstufenmaterials aufeinander abzustimmen, begrenzt die möglichen schwächeren Verunreinigungsmaterialien. Nach der Bildung bleibt die Vorstufenfaser mit den diskreten schwächeren Bereichen, die dem schwächeren Material entsprechen, im Idealfall durch Verarbeitung und Transferierung/Transport, auch durch Carbonisierung und Graphitierung, im Wesentlichen intakt, sodass ein Großteil des Bruchs erst während des Formgebungsverfahrens auftritt. Mit im Wesentlichen intakt ist gemeint, dass weniger als oder gleich etwa 10 % der Endlos-Kohlenstofffasern, die gemäß der vorliegenden Offenbarung vor dem Formverfahren hergestellt wurden, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 2 % und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 1 % der Endlos-Kohlenstofffasern vor dem Formverfahren brechen. Auf diese Weise bricht die intakte Kohlenstofffaser beim Formen eines dreidimensionalen Bauteils aus Verbundwerkstoff in einem Formhohlraum, um die Formbarkeit und Flexibilität zu verbessern. Bei Verwendung einer herkömmlichen Vorstufenfaser, die diskrete Bereiche eines schwächeren Materials aufweist, die in das Hauptvorstufenmaterial einer Endlosfaser eingestreut sind, kann eine mögliche Zerbrechlichkeit des Kohlenstofffaser-Vorstufenmaterials oder der Kohlenstofffasern zu einem unerwünschten vorzeitigen Bruch vor dem Formgebungsverfahren führen. Dies kann bei der Verarbeitung auftreten, da die Vorstufe und die Kohlenstofffasern verstreckt, über Walzen geführt und einer Belastung und Spannung ausgesetzt werden, die zu einer unerwünscht hohen Bruchanfälligkeit vor dem Formen führen kann.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden Verbundwerkstoffe, umfassend Endlos-Kohlenstofffasern, bereitgestellt, die hohe Festigkeitswerte bewahren, aber eine verbesserte Verformbarkeit und verminderte Steifigkeit als konventionelle Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe haben. Darüber hinaus sind die Endlos-Kohlenstofffasern nicht übermäßig zerbrechlich oder anfällig für einen möglichen vorzeitigen Bruch bei der Herstellung und Verarbeitung von Kohlenstofffasern. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Bildung eines Polymers, basierend auf einer Kohlenstofffaser-Vorstufe, die in ein Kohlenstofffaser-Filament überführt wird. Diese Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstofffasern zur Verwendung in Verbundwerkstoffen weisen eine verbesserte Formbarkeit auf. Es wird eine Endlos-Vorstufenfaser gebildet, die einen Mantel und einen Kern umfasst. Der Mantel umfasst ein erstes Polymermaterial. Der Kern umfasst ein zweites Polymermaterial und eine Vielzahl von diskreten Bereichen, die innerhalb des zweiten Polymermaterials verteilt sind.
Die Vielzahl von diskreten Bereichen umfasst ein drittes Polymermaterial. Die ersten und zweiten Polymermaterialien können herkömmliche Kohlenstofffaser-Vorstufenmaterialien sein und können die gleiche Zusammensetzung aufweisen oder sich voneinander unterscheiden, wie im Folgenden erläutert wird. Das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial sind gleich. Das dritte Polymermaterial unterscheidet sich vom zweiten Polymermaterial und dem ersten Polymermaterial. Das Verfahren besteht darin, ein eigenes Material (das dritte Polymermaterial) in einen Kern der Kohlenstofffaser-Vorstufe einzubringen, um gezielt diskrete schwache Bereiche zu schaffen, die leichter zu brechen sind und Bruchstellen zulassen.
Somit werden ein oder mehrere Monomere polymerisiert, um ein Polymermaterial zu bilden. Das erste und zweite Polymermaterial ist jeweils ein Acrylcopolymer-Material. Das Acrylcopolymer ist ein Co-Polymer, das aus einem Acrylnitril-Monomer und einem zweiten Monomer gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, wie Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylacetat und dergleichen, Vinylamiden, wie Acrylamid, Diacetonacrylamid und dergleichen, Vinylhalogeniden, wie Allylchlorid, Vinylbromid, Vinylchlorid und dergleichen, Salzen von Vinylverbindungen, wie quaternäres Ammoniumsalz von Aminoethyl-2-methylpropenoat, Salzen von Sulfonsäuren, wie Natrium-Vinylsulfonat, Natrium-p-styrolsulfonat, und dergleichen, und Kombinationen derselben. Die am häufigsten verwendeten Co-Monomere beinhalten Itaconsäure, Methacrylsäure, Acrylsäure, und/oder Acrylamid, polymerisiert mit Acrylnitril.
Das dritte Polymermaterial weist eine vom ersten und zweiten Polymermaterial unterschiedliche Zusammensetzung auf. Eine bestimmte Zusammensetzung ist beispielsweise eine, die unterschiedliche Eigenschaften (z. B., Festigkeit oder Sprödigkeit) aufweist und eine unterschiedliche Chemie mit mindestens einer anderen Verbindung oder die gleichen Verbindungen, jedoch ein unterschiedliches Molekulargewicht aufweisen kann. Das dritte Polymermaterial wird ausgewählt, um ein Material mit einer geringeren Festigkeit als das erste und/oder zweite Polymermaterial darzustellen, nachdem es verarbeitet und erhitzt wurde, um beispielsweise die Kohlenstofffaser zu bilden, die eine geringere Festigkeit als das Acrylpolymermaterial aufweist. Das dritte Polymermaterial wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Lignin, Polyethylen, Polyacrylnitril (PAN), Polymeren mit Füllstoffen mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als etwa 1 µm („Submikron“ großen Partikeln) und Kombinationen derselben. Insbesondere ist zu beachten, dass die Einführung der Submikron großen Partikeln gegenüber dem Acrylpolymermaterial eine Schwächung in das Polymer einführen kann.
Die Domänen des dritten unterschiedlichen Polymermaterials bilden somit die diskreten Bereichen innerhalb der Vorstufenfaser, die schließlich verarbeitet werden, um die diskreten, schwachen Bereiche innerhalb der Kohlenstofffaser zu bilden.
Die 1 und 2 stellen eine exemplarische Endlos-Kohlenstofffaser 30 dar, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. In 1 beinhaltet die Endlos-Kohlenstofffaser 30 einen Kernbereich 32 und einen Mantelbereich 34. Der Mantel ist aus einem ersten Polymermaterial 36 gebildet. Der Kernbereich 32 weist ein zweites Polymermaterial 38 mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen 40 auf, die aus dem dritten Polymermaterial gebildet sind, das über eine Länge 42 des Kerns 32/Endlos-Kohlenstofffaser 30 verteilt ist. Somit beinhaltet die Kohlenstofffaser 30 hochfeste Körperbereiche, einschließlich des ersten Polymermaterials 36 und des zweiten Polymermaterials 38. Die Vielzahl der schwachen Bereiche 40 ist innerhalb der hochfesten Bereiche des Kerns dispergiert und verteilt. In bestimmten Aspekten soll ein schwacher Bereich 40 einen Bereich darstellen, der im Vergleich zum Rest des Körpers der Kohlenstofffaser 30 einschließlich des ersten Polymermaterials 36 und des zweiten Polymermaterials 38 bevorzugt reißt oder bricht, wenn Belastung angelegt wird.
In bestimmten Aspekten kann ein schwacher Bereich so verstanden werden, dass er eine Festigkeit hat (z. B. eine Zugfestigkeit), die mindestens ungefähr 50 % kleiner ist als die Zugfestigkeit des vergleichbaren restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser, gegebenenfalls mindestens ungefähr 60 %, gegebenenfalls mindestens ungefähr 70%, gegebenenfalls mindestens ungefähr 80%, und in bestimmten Aspekten, gegebenenfalls mindestens ungefähr 90 % kleiner als die Vergleichs-Festigkeit der hochfesten Bereiche des Rests des Körpers der Kohlenstofffaser. In einem Beispiel ist die Endlosfaser (der Mantel und das zweite Polymermaterial im Kern) eine Faser auf PAN-Basis und weist eine Zugfestigkeit von 5.000 mPa auf, während der schwache Bereich eine Faser auf Ligninbasis ist und eine Zugfestigkeit von 100 mPa aufweist. Der schwache Bereich umfassend Lignin weist ungefähr eine 98 % geringere Festigkeit auf, als der starke Bereich auf PAN-Basis. Die Einführung dieser schwachen Domänen oder Bereich gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ermöglicht die Bildung von Kohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffen mit einer hohen Festigkeit und einem niedrigen spezifischen Widerstand gegenüber des Flusses, wodurch sie besser verformbar und formbar sind.
Nach dem Bilden der Endlos-Vorstufenfaser, die einen Mantel und einen Kern mit der Vielzahl der schwachen Bereiche aufweist, wird die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitieren erhitzt. Auf diese Weise bildet die Endlos-Vorstufenfaser eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen im Kern. Die schwachen Bereiche sind an diskreten und regelmäßigen Abständen entlang der Länge jeder Kohlenstofffaser gebildet. Das Vorhandensein des Mantels um den Kern trägt jedoch dazu bei, die strukturelle Integrität der Vorstufe und der Kohlenstofffaser während der Herstellung und Verarbeitung zu erhalten. Das Vorhandensein des Endlosmantels ermöglicht eine einfache Verarbeitung der Kohlenstofffasern unter Spannung ohne die Gefahr eines Faserbruchs. Ein Bündel einer Vielzahl derartiger Endlos-Kohlenstofffaser-Filamente mit den diskreten, schwachen Bereichen innerhalb eines Kernbereichs ist auch denkbar. Wie hierin abgehandelt, sind die diskreten, schwachen Bereiche bevorzugt versetzt zu benachbarten Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten angeordnet.
Nach der anfänglichen Polymerisation zur Bildung des ersten, zweiten und dritten Polymermaterials können die Polymermaterialien zu einer Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern oder -Filamenten kombiniert werden. In bestimmten Aspekten können die Polymermaterialien mit einem oder mehreren Trägern oder Lösungsmitteln kombiniert werden, um so das Transportieren und Verarbeiten während der Bildung der Vorstufen zu verbessern.
3 stellt ein exemplarisches System 50 zum Bilden einer Endlosfaser-Vorstufen-Kohlenstofffaser mit einer Kern- und Mantelkonfiguration (wobei der Kern eine Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen aufweist) gemäß bestimmten Verfahren der vorliegenden Offenbarung dar. Ein erster Extruder 52 nimmt ein erstes Polymermaterial 54 über eine erste Zuführkomponente 56 (z. B. einen Trichter) auf. Die erste Zuführkomponente 56 ist mit einem Eingang 58 verbunden, der sich zu einer ersten Extruderkammer 60 öffnet, wodurch das erste Polymermaterial 54 in die erste Extruderkammer 60 eindringen kann. Die Extruderkammer 60 kann verschiedene Einrichtungen beinhalten, die nicht in 3 dargestellt sind, wie beispielsweise ein Ruder, ein Laufrad oder eine andere rotierende Komponente, um die Bewegung des ersten Polymermaterials 54 entlang einer Länge der Extruderkammer 60 zu erleichtern. Eine erste Pumpe 62, wie beispielsweise eine Zahnradpumpe, kann auch die Bewegung des ersten Polymermaterials 54 durch die Extruderkammer 60 erleichtern. Nach dem Durchlaufen der Extruderkammer 60 gelangt das erste Polymermaterial 54 durch den Ausgang 64 in die erste Pumpe 62 und anschließend in ein Spinnpaket oder eine Spinndüse 66.
Ein zweiter Extruder 70 nimmt über eine zweite Zuführkomponente 74 (z. B. einen Trichter) ein zweites Polymermaterial 72 auf. Die zweite Zuführkomponente 74 ist mit einem zweiten Eingang 76 verbunden, der sich zu einer zweiten Extruderkammer 80 öffnet, wodurch das zweite Polymermaterial 72 in die zweite Extruderkammer 80 eindringen kann. Die zweite Extruderkammer kann ähnliche Komponenten und Konstruktionen aufweisen wie die erste Extruderkammer 60. Ein drittes Polymermaterial 84 wird der zweiten Extruderkammer 80 über eine dritte Zuführkomponente 86 (z. B. ein Trichter) zugeführt. Die dritte Zuführkomponente 86 ist mit einem dritten Eingang 88 verbunden, der sich zu einer zweiten Extruderkammer 80 öffnet. Eine zweite Pumpe 82, wie beispielsweise eine Zahnradpumpe, erleichtert die Bewegung des zweiten Polymermaterials 72 und/oder des dritten Polymermaterials 84 durch die zweite Extruderkammer 80. Die zweite Extruderkammer 80 beinhaltet einen zweiten Ausgang 90. Somit durchläuft entweder das zweite Polymermaterial 72 oder das dritte Polymermaterial 84 den zweiten Ausgang 90, die zweite Pumpe 82 und anschließend das Spinnpaket oder die Spinndüse 66. Auf diese Weise werden das zweite Polymermaterial 72 und das dritte Polymermaterial 84 zusammen coextrudiert. Insbesondere können das zweite Polymermaterial 72 und das dritte Polymermaterial 84 intermittierend in die zweite Extruderkammer 80 eingebracht und gesteuert werden, sodass mehrere diskrete Bereiche des dritten Polymermaterials 84 innerhalb eines Stroms des zweiten Polymermaterials 72 eingestreut werden. Somit kann der Vorstufenstrom, der die zweite Extruderkammer 80 verlässt, eine Vielzahl von schwachen Bereichen aufweisen, die den Bereichen des dritten Polymermaterials im Strom entsprechen.
Das erste Polymermaterial 54, das den ersten Extruder 52 verlässt, bildet den Mantel auf jeder jeweiligen Faser oder dem Filament, während der Vorstufenstrom, der den zweiten Extruder 70 mit der Vielzahl von diskreten Bereichen des dritten Polymermaterials 84 verlässt, die in das zweite Polymermaterial 72 eingestreut sind, einen Kern in jeder jeweiligen Faser oder dem Filament bildet. Die Spinndüse 66 ist konfiguriert, um in jeder Vorstufenfaser eine Kern- und Mantelkonfiguration zu bilden und dient somit dazu, das aus dem ersten Extruder extrudierte erste Polymermaterial als Mantel und den Vorstufenstrom mit dem zweiten Polymermaterial und dem dritten Polymermaterial aus dem zweiten Extruder als Kern in jeder Faser zu verteilen. Obwohl nicht dargestellt, kann die Spinndüse 66 interne Kanäle beinhalten, die mit verschiedenen Öffnungen oder Ausgängen verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Zuführkanal das erste Polymermaterial um eine einzelne Öffnung herumführen, um eine externe Hülle oder einen Mantel zu definieren, wenn es durch die Öffnung hindurchtritt, während ein anderer interner koaxialer Zuführkanal den Vorstufenstrom mit dem dritten Polymermaterial 84 zuführen kann, das in das zweite Polymermaterial 72 eingestreut ist, um einen inneren Kern zu bilden, wenn es durch die Öffnung hindurchtritt. Als nicht einschränkendes Beispiel wird eine geeignete Spinndüse zum Bilden eines Kern- und Mantel-Filaments in US 3 459 615 A (Bragaw, Jr. et al.) beschrieben, dessen maßgebliche Abschnitte hierin aufgenommen sind. Eine Vielzahl von Öffnungen und Zuführkanälen kann verwendet werden, um mehrere Vorstufenfasern zu bilden. Eine Vielzahl von Vorstufenfasern 92 mit einer Kern- und Schalenkonfiguration wird dadurch gebildet und aus der Spinndüse 66 ausgestoßen. Die Vorstufenfasern 92 durchlaufen eine Spinnzusatzvorrichtung 94 und können durch eine Abtragwalze 96, gefolgt von Sekundärwalzen 98 und schließlich zu einer Wickelwalze 100 geführt werden, wobei die Vorstufenfasern 150 beispielsweise auf einem Gatter gesammelt werden.
Insbesondere nach dem Ausstoßen der Polymer-Vorstufenmaterialien aus einer Düse oder einer Spinndüse 66 können weitere Verfahren mit traditionellen Herstellungstechniken durchgeführt werden, die in der Technik des Spinnens von Polymer-Vorstufen auf Acryl-PAN-Basis bekannt sind. So kann beispielsweise die Bildung der Vorstufenfasern in einem Spinnbad erfolgen, auch wenn dies nicht dargestellt ist. Die Vorstufenfasern können dann in ein zweites Waschbad überführt werden, um das Lösungsmittel aus den Fasern auszuwaschen, und anschließend können die Vorstufenfasern durch ein Streckbad gezogen werden. Die Fasern können in einem solchen Streckbad gestreckt werden. Die Vorstufenfasern können dann getrocknet werden. Die Kohlenstofffaser-Vorstufe kann flach gestreckt werden. Die Kohlenstofffaser-Vorstufe kann dann auf einen Wickler oder ein Gatter aufgewickelt werden, für den Transport zu einer Fertigungsanlage zur Herstellung von Kohlenstofffasern aus den Vorstufenfasern.
Vor der Wärmebehandlung zu Beginn des Prozesses der Bildung der Kohlenstofffaser, kann die Vorstufe flach ausgebreitet werden, um ein Rovingband für eine Kettfadenschicht zu bilden. Die Vorstufenfaser kann einem einleitenden thermischen Stabilisierungsprozess unterzogen werden (z. B. Oxidation), um qualitativ hochwertige Kohlenstofffasern zu erhalten. Solch ein einleitender thermischer Stabilisierungsschritt wird typischerweise durch Erhitzen der Vorstufenfaser bei einer geregelten, verhältnismäßig niedrigen Temperatur durchgeführt, beispielsweise bei 200-300 °C in Luft, damit sie in eine Form umgewandelt wird, die weiter wärmebehandelt werden kann, ohne dass die Fasern schmelzen oder verschmelzen. Die lineare PAN-basierte Polymervorstufe wird typischerweise während dieses einleitenden thermischen Stabilisierungsschritts mindestens teilweise in zyklische Strukturen überführt.
Somit kann die gestreckte Kohlenstofffaser-Vorstufe dann durch einen Oxidationsofen geleitet werden, währenddessen der Sauerstoff aus der Luft sich mit der Kohlenstofffaser-Vorstufe unter Bildung vernetzter Polymerketten verbindet. Die Temperatur und der Luftstrom im Oxidationsofen sind modifiziert, um die Zusammensetzung der Kohlenstofffaser-Vorstufe zu ergänzen.
Anschließend können die thermisch stabilisierten Fasern einem oder mehreren Erhitzungsschritten unterzogen werden, bei denen die Carbonisierung und Graphitisierung stattfindet. Diese Schritte werden typischerweise in einem Ofen oder einem Ofen mit einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Während die Temperaturen variieren können, wird die Carbonisierung typischerweise bei Temperaturen von mindestens 1.500 °C - 1.600 °C durchgeführt. Für die Graphitisierung kann ein zusätzlicher Wärmebehandlungsschritt durchgeführt werden. Graphitisierung tritt typischerweise durch Erwärmen der Vorstufenfaser auf eine Temperatur im Bereich größer oder bis etwa 1.600 °C - 3.000 °C auf. Graphitisierung verleiht der gebildeten Kohlenstofffaser ein hohes Elastizitätsmodul. Somit kann ein zweistufiger Erwärmungsprozess durchgeführt werden, um die Kohlenstofffaser zu bilden, zuerst ein Carbonisierungsprozess bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und anschließend ein Hochtemperatur-Graphitisierungsprozess, je nach den endgültigen erforderlichen Eigenschaften der Kohlenstofffaser.
Daher kann nach dem Durchlaufen des Oxidationsofens zur thermischen Stabilisierung die Kohlenstofffaser-Vorstufe durch einen oder mehrere Carbonisierungsöfen geleitet werden. Die Streckung wird fortgesetzt, wenn die Kohlenstofffaser-Vorstufe durch den Carbonisierungsofen durchgeleitet wird. Innerhalb jedes Carbonisierungsofens befindet sich eine inerte (z. B. sauerstofffreie) Atmosphäre. Die Temperatur des Carbonisierungsofens steigt fortlaufend an, wodurch nicht-Kohlenstoff-Moleküle in Abwesenheit von Sauerstoff in Partikel übergehen. Die Partikel werden dann aus dem Ofen ausgestoßen. Die Anzahl der Carbonisierungsöfen durch die die Kohlenstofffaser-Vorstufe hindurchgeführt wird, kann von der Qualität der herzustellenden Kohlenstofffaser abhängig sein. Die Kohlenstofffaser kann dann in einen optionalen Graphitisierungsofen eintreten, zur zusätzlichen Wärmebehandlung. Nachdem die Kohlenstofffaser erwärmt worden ist, kann die Oberfläche erwärmt werden, geschlichtet werden, und für eine spätere Verarbeitung und Verwendung aufgespult werden (z. B., Integration in Prepreg oder Verbundwerkstoff-Materialien).
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstofffasern zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Das Verfahren umfasst das Einbringen einer Vielzahl von diskreten Bereichen in einen Kern einer Endlos-Vorstufenfaser mit einer Kern- und Mantelkonfiguration. Der Mantel und die Kernbereiche umfassen ein Acrylpolymermaterial. Die diskreten Bereiche im Kern sind vorbestimmte Bereiche oder Domänen, aus denen sich schließlich die schwachen Bereiche innerhalb der Kohlenstofffaser bilden. Somit wird die Endlos-Vorstufenfaser zu einer Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen, verarbeitet, nachdem sie zur Carbonisierung und Graphitisierung erhitzt wurde.
In 4 wird ein Kohlenstofffaser-verstärkter Polymer-Verbundwerkstoff 120 bereitgestellt, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. Der Verbundwerkstoff 120 weist eine Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffasern 122 und eine Polymermatrix 126 auf, die zwischen und um die Kohlenstofffasern 122 verteilt sind. Die Endlos-Kohlenstofffasern 122 weisen eine Vielzahl von schwachen Bereichen 124 auf, die entlang jeder Endlos-Kohlenstofffaser 122 in regelmäßigen Abständen verteilt angeordnet sind. Die Vielzahl von schwachen Bereichen 124 ist entlang der Endlos-Kohlenstofffaser 122 über eine Breite 130 des Verbundwerkstoffs 120 versetzt angeordnet. Somit unterscheiden sich die Stellen der schwachen Bereiche 124 entlang einer Länge 132 jeder Endlos-Kohlenstofffaser 122 hinsichtlich denen von benachbarten Kohlenstofffasern 122. Auf diese Weise können die Endlos-Kohlenstofffasern 122 an den schwachen Bereichen 124 brechen, wenn sie gebogen, gefaltet, oder anderweitig belastet werden, während sie keine Belastung und Bruchausbreitung über die Breite 130 oder die Länge 132 des Verbundwerkstoffs 120 zulassen. Darüber hinaus trägt das Vorhandensein des Mantels um den Kern herum, der die schwachen Bereiche 124 enthält, dazu bei, die Festigkeit der gesamten Kohlenstofffaser während der Verarbeitung und Herstellung zu verbessern, führt jedoch genügend Schwäche innerhalb des Kerns ein, um den Bruch beim Formen zu erleichtern und einen Verbundwerkstoff mit den Endlos-Kohlenstofffasern zu bilden. Dies bewahrt die Festigkeit des Verbundwerkstoffs 120, der nahe des Festigkeitswerts gebildet wurde, der durch herkömmliche Endlos-Kohlenstofffasern bereitgestellt wird, stellt jedoch auch eine geringere Steifigkeit und größere Flexibilität bereit (mit einem geringeren Widerstand bezüglich des Fließens).
In bestimmten Aspekten sind durch die vorliegende Offenbarung mehrere Endlos-Kohlenstofffasern (z. B. ein Bündel von Kohlenstofffaser-Filamenten) vorgesehen, wobei jede eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen aufweist. Eine erste Endlos-Kohlenstofffaser weist eine erste Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen und eine zweite Endlos-Kohlenstofffaser, benachbart zur ersten Endlos-Kohlenstofffaser, weist eine zweite Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen auf. Die erste Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen ist zu der zweiten Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen versetzt, wenn die erste Endlos-Kohlenstofffaser und die zweite Endlos-Kohlenstofffaser in Längsrichtung ausgerichtet sind.
Ferner verdeutlicht 5 dieses Konzept und zeigt einen detaillierten Abschnitt einer Teilansicht eines Bündels 140 mit einer Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten oder Fasern 142. Jede Kohlenstofffaser beinhaltet eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen 144, die sich entlang eines Körpers 148 jeder Faser 142 in einem zentralen Bereich 146 gebildet haben. Insbesondere umgibt der Körper 148 die diskreten schwachen Bereiche 144 im zentralen Bereich 146. Eine erste Kohlenstofffaser 150 weist eine Vielzahl von ersten diskreten, schwachen Bereichen 152 auf, die in einem zentralen Bereich 154 des Körpers 156 durchsetzt sind. Der Körper 156 weist eine relativ höhere Festigkeit auf als die ersten diskreten schwachen Bereiche 152. Jeder einzelne schwache Bereich 152 ist innerhalb des zentralen Bereichs 154 in regelmäßigen Abständen entlang des Körpers 156 angeordnet (z. B., mit dem gleichen Abstand zwischen den jeweiligen schwachen Bereichen 152). Eine zweite Kohlenstofffaser 160 ist angrenzend zur ersten Kohlenstofffaser 150. Die zweite Kohlenstofffaser 160 weist eine Vielzahl von zweiten diskreten, schwachen Bereichen 162 auf, die einen Körper 164 entlang einer Länge und in einem zentralen Bereich 166 des Körpers 164 in regelmäßigen Abständen durchsetzen. Eine dritte Kohlenstofffaser 170 ist angrenzend zur zweiten Kohlenstofffaser 160. Die dritte Kohlenstofffaser 170 weist eine Vielzahl von dritten diskreten, schwachen Bereichen 172 auf, die einen Körper 174 entlang einer Länge in regelmäßigen Abständen durchsetzen. Wie zu sehen ist, ist die Vielzahl der ersten diskreten, schwachen Bereiche 152 zu den zweiten diskreten, schwachen Bereichen 162 in der angrenzenden Kohlenstofffaser durch einen ersten Abstand 180 verschoben. Die Vielzahl der zweiten diskreten, schwachen Bereichen 162 ist ebenfalls zu den dritten diskreten, schwachen Bereichen 172 in der angrenzenden dritten Kohlenstofffaser 170 durch einen zweiten Abstand 182 verschoben. In dieser Weise, sind die Vielzahl der ersten diskreten, schwachen Bereiche 152, die Vielzahl der zweiten diskreten, schwachen Bereiche 162 und die Vielzahl der dritten diskreten, schwachen Bereiche 172, sowohl bezüglich einer Breite 184 als auch einer Länge 186, des Bündels 140 gestaffelt und verschoben.
Daher, obwohl bewusst Sollbruchstellen in die Kohlenstofffasern 142 der Bündel eingeführt wurden, sind die schwachen Bereiche nicht zusammenhängend und über den zentralen Bereich des hochfesten Körpers 148 jeder Faser verteilt. Diese Ausgestaltung stellt eine höhere Fähigkeit zum Anpassen und der Formgebung dar, bei gleichzeitiger Minimierung der Riss- und Bruchausbreitung, damit die extrem hohen Festigkeiten der Endlos-Kohlenstofffasern bewahrt bleiben. Es sollte erwähnt werden, dass die Vielzahl von schwachen Bereichen in bestimmten Endlos-Kohlenstofffasern des Bündels in kürzeren oder längeren Abständen und mit unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet sein können. Des Weiteren kann bei alternativen Variationen der Abstand zwischen den schwachen Bereichen nicht einheitlich sein und kann in bestimmten Aspekten willkürlich verteilt sein. Insbesondere ist zu beachten, je länger der Abstand zwischen den schwachen Bereichen der Endlos-Kohlenstofffaser, desto höher die Steifigkeit und Festigkeit des Verbundwerkstoffs, der mit solchen Endlos-Kohlenstofffasern gebildet wird. Wo größere Formbarkeit und Flexibilität für den Verbundwerkstoff gefordert wird, kann der Abstand zwischen den schwachen Bereichen der Endlos-Kohlenstofffaser kürzer sein. Dies stellt eine größere Anzahl von Sollbruchstellen (höhere Bruchstellendichte) innerhalb der Endlos-Kohlenstofffasern bereit, die dem Verbundwerkstoff weniger Fließwiderstand, jedoch auch eine etwas verringerte Festigkeit verleihen. Die Endlos-Kohlenstofffaser mit einem Kern und Mantel bietet eine zähere Kohlenstofffaser, beispielsweise kann das Material des Mantels und des Hauptkerns als PAN gewählt werden, die beim Carbonisieren eine Bruchdehnung von 2 bis 4 % aufweisen, während die schwachen Bereiche im Kern aus einer PAN gewählt werden können, die beim Carbonisieren einen höheren Modulus als das Mantel/Primärmaterial des Kerns mit einer Bruchdehnung von 1 bis 2 % aufweist.
In bestimmten Aspekten ist jeder jeweilige schwache Bereich im Kern von einem angrenzenden schwachen Bereich in der Endlos-Kohlenstofffaser durch einen Abstand größer oder gleich ungefähr 2,5 mm bis kleiner als oder gleich ungefähr 30,5 cm abgetrennt. In bestimmten weiteren Aspekten ist ein geeigneter Bereich größer oder gleich ungefähr 7,6 cm bis kleiner als oder gleich ungefähr 15,2 cm.
In bestimmten Aspekte stellt jeder jeweilige im Kern der Endlos-Kohlenstofffaser gebildete schwache Bereich eine Schwachstelle dar, die beim Formen brechen kann, daher ist eine Länge des schwachen Bereichs in der Faser von geringerer Bedeutung als die Länge zwischen den schwachen Bereichen. Jedoch kann in bestimmten Variationen ein schwacher Bereich eine Länge von weniger als oder gleich etwa 254 µm aufweisen. In bestimmten Aspekten weist jeder schwache Bereich eine Länge auf, die größer oder gleich ungefähr 2,5 mm) bis kleiner als oder gleich ungefähr 25,4 mm ist.
In weiteren Aspekten kann eine geeignete mittlere Wandstärke des Mantels größer oder gleich etwa 0,5 µm bis kleiner oder gleich etwa 3 µm sein. Ein geeigneter durchschnittlicher Kerndurchmesser kann größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 7 µm sein. Ein Verhältnis des zweiten Polymermaterials zum dritten Polymermaterial im Kern der Vorstufenfaser kann im Bereich von größer als oder gleich etwa 2 (sodass der Kern für 2 mm des zweiten Polymers etwa 1 mm des dritten Polymers aufweist) bis kleiner als oder gleich etwa 300 zu 1, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 10 bis kleiner als oder gleich etwa 100 zu 1 in anderen Variationen liegen. Je geringer das Verhältnis und je größer die Menge des dritten im Kern vorhandenen Polymers ist, desto größer ist die Sprödigkeit und Zerbrechlichkeit der nach der Wärmebehandlung, Carbonisierung und Graphitisierung letztlich gebildeten Kohlenstofffaser.
In verschiedenen Aspekten verbessern die Verfahren der vorliegenden Offenbarung die Formbarkeit von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen, indem sie Heterogenität in die Fasern auf Filamentebene einführen, um Bruchstellen in Kombination mit einer Mantel- oder Hüllschicht zu schaffen, die eine bessere Verarbeitung ermöglichen. Auf diese Weise sind die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellten Kohlenstofffasern für ein Formgebungsverfahren zu einem komplexen dreidimensionalen Bauteil strukturell intakt, können jedoch während des Formgebungsverfahrens geformt werden und den Konturen der Formoberfläche folgen. Verbundwerkstoffe, die aus diesen modifizierten Kohlenstofffasern gebildet werden, weisen eine verbesserte Oberflächenqualität auf, indem sie Faserverzüge um Krümmungen in der Form vermeiden, während die mechanischen Eigenschaften nur minimal oder gar nicht beeinträchtigt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser für die Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit, das Verfahren umfassend: Bilden einer Endlos-Vorstufenfaser, die einen Mantel und einen Kern umfasst, das Bilden aufweisend: Bilden des Mantels durch Extrudieren eines ersten Polymermaterials in einem ersten Extruder, wobei der Mantel eine durchschnittliche Wanddicke von mehr als oder gleich etwa 0,5 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweist und der Kern einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 7 µm aufweist, Bilden des Kerns mit einer Vielzahl von diskreten Bereichen eines dritten Polymermaterials, die innerhalb eines zweiten Polymermaterials verteilt sind, durch Co-Extrudieren des zweiten Polymermaterials und des dritten Polymermaterials in einem zweiten Extruder, durch intermittierendes Einbringen des zweiten Polymermaterial und des dritten Polymermaterials intermittierend in eine zweite Extruderkammer, wobei, nachdem die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitisieren erwärmt wurde, die Endlos-Vorstufenfaser eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen in dem Kern bildet, wobei die Endlos-Kohlenstofffaser im Wesentlichen intakt bleibt, bis zu einem Formgebungsverfahren zum Bilden eines Kohlenstoffaser-Verbundwerkstoffs; wobei das dritte Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lignin, Polyethylen, Polyacrylnitril (PAN), Polymere, die Submikron-Füllstoffpartikeln und Kombinationen derselben umfassen; wobei das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial jeweils ein Acrylcopolymer ist, das aus einem Acrylnitril-Monomer und einem zweiten Monomer gebildet wurde, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, Vinylamiden, Vinylhalogeniden, Salzen von Vinylverbindungen, Salzen von Sulfonsäuren, und Kombinationen derselben; wobei das erste Polymermaterial und das zweite Polymermaterial die gleiche Zusammensetzung haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Extrudieren und Co-Extrudieren das Verfahren ferner das Einführen des ersten Polymermaterials, des zweiten Polymermaterials und des dritten Polymermaterials durch eine Düse oder Spinndüse umfasst, um die Endlos-Vorstufenfaser zu bilden, die den Mantel und den Kern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der diskreten schwachen Bereiche eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 50 % kleiner ist als eine zweite Endzugfestigkeit des restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich ein Verhältnis des zweiten Polymermaterials zum dritten Polymermaterial im Kern der Endlos-Vorstufenfaser von mehr als oder gleich etwa 2 bis weniger als oder gleich etwa 300 zu 1 bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen eine Länge von weniger als oder gleich ungefähr 5,08 cm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl diskreter schwacher Bereiche von einem angrenzenden schwachen Bereich im Kern der Endlos-Kohlenstofffaser um einen Abstand von größer als oder gleich ungefähr 0,254 cm bis weniger als oder gleich ungefähr 30,48 cm beabstandet ist.