DE2048916A1

DE2048916A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behänd lung von Kohlefasern

Info

Publication number: DE2048916A1
Application number: DE19702048916
Authority: DE
Inventors: John Charles New Maiden Findlay Vernon Selsdon Joiner, (Großbntan men)
Original assignee: Morganite Research & Development Ltd , London
Priority date: 1969-10-08
Filing date: 1970-10-06
Publication date: 1971-04-22
Also published as: CA982981A; GB1326736A; FR2065178A5; JPS4812444B1

Description

PATENTANWÄLTE DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

Köln, den 2.10.1970 Ke/Ax

Morgan!te Research and Development Limited, Battersea Church Road, London, S.W.11 (England).

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Kohlefasern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Kohlefasern zur Verbesserung der Festigkeit der Verbindung zwischen den Pasern und Einbettmassen in Verbundwerkstoffen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Behandlung.

Unter dem Ausdruck "Kohlefaser" ist eine Paser zu verstehen, die im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und graphitische Bestandteile enthalten kann. Der Ausdruck umfaßt ferner Kohlefasern, die beispielsweise mit Bor imprägniert sind.

Verbundwerkstoffe, die aus Kohlefasern mit hohem Elastizitätsmodul undhoher Festigkeit hergestellt werden, sind in neuerer Zeit als fortschrittliche Konstruktionsmaterialien sehr wichtig geworden. Sie sind leichter als die meisten Metalle und bei gleichem Gewicht oder gleicher Masse stärker und steifer. Beispielsweise haben typische Pasern nit einem mehr oder weniger runden Querschnitt und ei'nem Durchmesser von 5 bis 15 Ά (insbesondere 7 bis 10 u) eine Dichte von 1,6 bis 2,0 g/cm⁵ (insbesondere 1,7 bis 1,95 g/ov?)_t einen

b 2

Young-Modul längs der Längsachse von 1,4 bis 7 x 10 kg/cm 109817/2259

BAD ORIGINAL

und eine Zugfestigkeit längs der Achse von 4900 "bis

35200 kg/cm . Diese starken Kohlefasern werden durch geregelte Pyrolyse von organischen Fasern hergestellt, wobei in gewissen Stufen der Pyrolyse unter Spannung gearbeitet wird. Beispielsweise können sie hergestellt werden, indem Polyacrylnitrilfasern (PAN) unter geregelten Oxydationsbedingungen und unter Spannung auf 150 "bis 300⁰C erhitzt und dann in inerter Atmosphäre "bis zu Temperaturen von 700 bis 3000⁰C weiter erhitzt werden.

Um die vorstehend genannten Eigenschaften für technische Zwecke auszunutzen, ist es notwendig, die Einzelfasern in eine Einbettmasse einzuarbeiten, die das Material zu einem verarbeitbaren und brauchbaren Verbundwerkstoff abbindet. Ebenso wie bei Glasfasern ist auch hler ein Verbundwerkstoff typisch und besonders brauchbar, in dem die Pasern in einem Kunststoff abgebunden sind, der selbst stark, aber leioht ist, z.B. in einem Harz. Einer der Faktoren, der bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe zu beachten ist, ist jedoch die Tatsache, daß die Gesamtfestigkeit des Verbundwerkstoffs durch die Festigkeit der Verbindung zwischen den Fasern und dem Kunststoff begrenzt sein kann. Dies ist insbesondere der Fall,wenn Schiohtstoffe oder Laminate hergestellt werden, in denen das Harz sich von der Faseroberfläche lösen kann, bevor die Faser unter Spannung bricht. Reine Harze haben Scherfestigkeiten in der Größenordnung von 8,4 bis 11,5 kg/cm , und es ist notwendig, Verbundwerkstoffe mit ähnlichen Scherfestigkeiten herzustellen, wenn die Fasern mit maximalem Wirkungsgrad verwendet werden sollen. Sie Kohlefasern müssen daher zur Ausbildung einer festen Verbindung zwisohen Fasern und Einbettmasse durch das Harz oder die sonstigen Einbettmaseen "benetzt" werden.

Gegenstand der Erfindung i3t ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Kohlefaaern, durch die die Fasern fest an der Einbettmasae haften. Die Erfindung umfaßt ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Behandlung,

10 9 817/2259

8AÖ ORIGINAL

Es wurde gefunden, daß die Haftung zwischen Kohlefasern und Einbettmasse verbessert werden kann, indem die Pasern einer Elektrolysenbehandlung unterworfen werden.

Gemäß der Erfindung wird die Festigkeit der Haftung zwischen Kohlefasern und Einbettmasse bei Verarbeitung der Fasern zu einem Verbundwerkstoff erhöht, indem die Fasern einer Elektrolysenbehandlung in einem wässrigen

elektrolytischen Bad unterworfen werden, das einen Elektrolyten enthält, der die Festigkeit der Haftung zwischen Kohlefasern und Einbettmasse in einem Verbundwerkstoff verbessert, wobei die Kohlefasern die Anode darstellen und die Fasern und die Klemme, an der der Anodenstrom züge- ™

führt wird, relativ zueinander in Längsrichtung bewegt werden.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung bilden die Kohlefasern die positive Elektrode (Anode) eines elektrolytischen Behandlungsbades. Zur Durchführung der Behandlung wird ein elektrischer Strom durch das Bad geleitet.

Der Ausdruck "wässriges elektrolytisches Bad" umfaßt nicht nur Lösungen, die einen hohen Wasseranteil enthalten, sondern auch Elektrolyts, die einen geringen Wasseranteil enthalten.

Von der Anmelderin wurde eine Anzahl verschiedener Elektrolyte verwendet. Es wurde gefunden, daß die folgenden Elektrolyte die Festigkeit der Haftung zwischen Fasern und Einbettmasse wirksam verbessern, wenn die behandelten Fasern in einen Verbundwerkstoff eingearbeitet werden!

1) Konzentrierte Schwefelsäure

2) Konzentrierte Schwefelsäure + Chromionen

3) Verdünnte Schwefelsäure

4) Wasserstoffperoxyd

5) Kaliumpermanganatlösun£

109817/2259

6) Salzsäure + Eisen(IIl)-chlorid

7) Kochsalzlösung

θ) Natriumhypochloritlösung

Zwar haben alle diese Elektrolyse eine gewisse Wirkung, jedoch wird Natriumhypochlorit besonders bevorzugt, da mit ihm eine besonders gute Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Pasern und Einbettmasse erzielt wird. Einige der übrigen Elektrolyte (z.B. 1 und 2) sind natürlich auf Grund ihrer korrodierenden Eigenschaften unerwünscht, während andere die Zugfestigkeit der Kohlefasern verschlechtern können. Im allgemeinen werden anscheinend mit oxydierenden Mitteln gute Ergebnisse erzielt. Die besten Ergebnisse wurden von der Anmelderin bei Verwendung von Natriumhypochlorit festgestellt.

Es wurde gefunden, daß eine wässrige Natriumhypochloritlösung, die 12 bis 16 Gew.-$ verfügbares Chlor enthält, sehr wirksam ist. Ein weiterer bevorzugter Elektrolyt ist jedoch eine viel schwächere LöBung, die weniger als 1 Gew.-verfügbares Chlor enthält, und der eine Säure, vorzugsweise Salzsäure, zugesetzt worden ist.

Die Übertragung eines Stroms auf die Fasern ist an sich kein Problem, da dies nach üblichen Methoden, z.B. mit Hilfe von Klemmen oder durch Führung der Pasern durch Quecksilber oder über eine Rolle aus einem Metall oder aus Kohle oder einem anderen leitfähigen Werkstoff geschehen kann (d.h. auf den Pasern 1st anscheinend keine nichtleitende "Haut" vorhanden).

Da Kohlefasern vorzugsweise in großen Längen für die Herstellung von Verbundwerkstoffen hergestellt werden, ist es zweckmäßig und wirtschaftlich vorteilhaft, Paserlängen von 1 m bis zu 1000 m zu behandeln und sogar endlose Pasern kontinuierlich zu behandeln. Eine wichtige Begrenzung bei jeder Behandlung von langen Päden oder endlosen Päden ist

109817/2259

jedoch dadurch gegeben, daß die Pasern einen verhältnismäßig hohen Widerstand haben (z.B. 20 Ohm/m bei Pasern, die aus Polyacrylnitril hergestellt sind und eine Querschnittsfläche von etwa 0,005 cm haben). Bei einer statischen Anordnung würden daher die Pasern, die dem Anschluß oder der Stromzuführungsstelle am nächsten liegen, einen größeren Strom führen als die entfernteren Pasern, und beim Elektrolysenverfahren würde der Effekt in der Nähe der Stromzuführungsstelle stärker sein als an entfernteren Stellen. Dies ist nicht erwünscht, weil die Oberflächenbehandlung der Pasern hierbei nicht gleichmäßig sein würde. Zur Herstellung von gleichmäßig behandelten Pasern muß ; sich daher die Stromzuführungsstelle relativ zur Paseracbse bewegen. Dies kann dadurch geschehen, daß die Zuführungsstelle relativ zur stillstehenden Paser bewegt wird (beispielsweise bei Verwendung einer beweglichen Rolle), jedoch läßt sich dies viel leichter erreichen, indem die Pasern kontinuierlich über eine feststehende Klemme, durch die der Anodenstrom zugeführt wird, bewegt wird.

Die Pasern und die Stelle, an der der Anodenstrom zugeführt wird, werden vorzugsweise glatt relativ zueinander bewegt.

Beispielsweise ist es zweckmäßig, so zu arbeiten, daß eine Länge der Pasern in elektrisch leitender Verbindung über ' i eine elektrisch leitende Rolle, die als Eingangsklemme für den Anodenstrom dient, und dann durch die Elektrolytlösung, die die Kathode enthält, gezogen wird.

Die vorstehende Beschreibung ermöglicht zwar die Konstruktion einer Vorrichtung für die Herstellung von gleichmäßig behandelten Pasern, jedoch wird hierbei keine besonders wirtschaftliche Porm einer Vorrichtung erhalten. Der Grund hierfür liegt darin, daß durch die beschriebenen Maßnahmen die Wirkung der Elektrolyse gleichmäßig gestaltet wird, daß jedoch nicht das sich auf die Behandlungszeit und -kosten auswirkende Problem des Potentialabfalles längs

109817/2259

der Faserachse gelöst wird. Dieser Potentialabfall hat die Folge, daß nur die der Zuführungsklemme am nächsten gelegenen Pasern der maximalen Stromdichte für die Elektrolyse zu jedem Zeitpunkt ausgesetzt sind. Dies läßt sich "bei Verwendung von Natriumhypochlorit als Elektrolyt gut "beobachten, weil bei diesem Elektrolyten Gas an der Faseroberfläche entwickelt wird und die Gasentwicklung in der Nähe der Klemme, an der der Anodenstrom zugeführt wird, stärker ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens werden daher zusätzliche Zuführungsstellen für den Anodenstrom längs der Achse der Pasern vorgesehen. Ihre Wirkung kann wie folgt erklärt werden: Betrachtet man eine Klemme, so wäre beispielsweise bei einem Spannungsabfall längs der Faser von 1 V in 1 cm bei Verwendung einer Stromquelle von 12 V die begrenzende Entfernung etwa 12 cm, bevor die Spannung Null erreicht würde. Wenn jedoch nach 12 cm eine weitere Elektrode angeordnet wird, die an die gleiche Stromquelle angeschlossen ist, müßte dies den Spannungsabfall so ausgleichen, daß die Spannung einerseits längs der Paser mit größer werdender Entfernung von der ersten Eingangsklemme fällt, aber andererseits mit der Annäherung an die nächste Klemme steigt, so daß verhindert werden kann, daß die Spannung zwischen jeder beliebigen Stelle der Faser und der Kathode auf Null fällt.

Die Anordnung einer Anzahl von Anodenstromklemmen erfolgt zweckmäßig, indem man die Faser über zwei leitfähige Rollen führt, die Zuführungsstellen für den Anodenstrom darstellen (nachstehend als Anodenrollen bezeichnet). Diese Anordnung 'ist in Fig.1 dargestellt.

Fig.1 zeigt im·Schnitt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Paser wird von einer Vorlaseapule (1) abgezogen und über eine erste Anodenrolle (2), die an den positiven Pol

109817/2259

ÖAD ORIGINAL

der Batterie (3) angeschlossen ist, und dann durch ein Elektrolytbad (4) geführt. Die Kathode (5) ist eine flache Platte aus einem geeigneten leitfähigen Werkstoff, z.B. Graphit. Sie ist unter der Faser im Bad -angeordnet und mit dem negativen Pol der Batterie (3) verbunden. Die Faser wird durch Führungen (6) im wesentlichen parallel zur Kathode gehalten und beim Verlassen des Bades über eine zweite Anodenrolle (7) geführt, die ebenfalls mit dem positiven Pol der Batterie verbunden ist. Die Faser wird dann in einem weiteren Bad (8) gewaschen, um sie von anhaftendem Elektrolyt zu befreien, und dann auf eine zweite Spule (9) gewickelt.

Es ist zu bemerken, daß die Anodenrollen zum Funktionieren der Vorrichtung mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet werden müssen. Der Abstand ändert lediglich den Wirkungsgrad. Wenn der Abstand zu groß ist, ist in der Mitte eine Zone vorhanden, von der kein wirksamer Strom abgenommen wird, und die nutzlos ist. Wenn die Rollen zu dicht zusammenstehen, wird die maximale Behandlungszone nicht genutzt. Vorzugsweise wird der Abstand so gewählt, daß bei der gewählten Arbeitsspannung und beim gewählten Arbeitsstrom in einem gegebenen Elektrolyten das Potential der Faser über die gesamte Faserlänge im wesentlichen gleich ist. Dies ermöglicht nicht nur eine maximale Ausnutzung des Behandlungsbades, sondern bedeutet auch, daß die Faser einer ziemlich konstanten Behandlungsgeschwindigkeit während ihres Durchgangs durch das Bad unterworfen ist, wodurch die Überwachungsmethoden vereinfacht werden. Dieser Abstand kann experimentell durch tatsächliche Messung des Stroms oder des Spannungsabfalls längs der Faserachse oder durch Ausnutzung sichtbarer Effekte, z.B. einer Gasentwicklung, als groben Anhaltspunkt besticmt werden.

109817/2259

Wenn die Probleme einer ungleichmäßigen Stromverteilung einmal erkannt sind, ergeben sich weitere Modifikationen der Behandlung. Es gibt keinen Grund, die Zahl der Anodenrollen auf zwei zu begrenzen, vielmehr kann eine Reihe von Rollen verwendet werden, die so angeordnet sind, daß die Pasern abwechselnd in den Elektrolyten tauchen und ihn verlassen. Die Anordnung von mehr als zwei Rollen bedeutet, daß die Einführung des Stroms in die Faser zu beiden Seiten der Anodenrolle und nicht nur auf einer Seite, wie dies bei der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung der Fall ist, erfolgen kann.

Beispielsweise kann die Vorrichtung mit einer Reihe von Anodenrollen (11) ungefähr auf die in Fig.2 dargestellte Weise konstruiert werden (die übrigen Bezugsziffern haben die gleichen Bedeutungen wie in Fig.1).

In Fig.2 sind vier Anodenrolien (11) vorgesehen. An zwei Stellen verlaß die Faser den Elektrolyten und tritt wieder in ihn ein, wobei sie zwei Anodenrollen berührt. Zwischen den Anodenrollen wird die Faser durch geeignete Führungen im Bad eingetaucht gehalten.

Die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung ist jedoch nicht zweckmäßig, weil die Länge des Behandlungsbades mit jeder zusätzlichen Rolle zunimmt. Bevorzugt würde beispielsweise eine nicht-lineare Anordnung der Rollen, um den Badraum wirksamer auszunutzen. Dies kann geschehen, indem geeignete Führungen oder Rollen oder andere Mittel vorgesehen werden, durch die die Fasern um Ecken geführt werden können.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Behandlungsverfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung dieser Behandlung wird die Faser wiederholt über die gleiche Anodenrolle geführt, ohne daß sie die Faser berührt, die vorher über die Rolle Geführt worden ist.

10981 7/2259

Die Erfindung umfaßt demgemäß eine Vorrichtung mit einer leitfähigen Rolle, die mit dem positiven Pol einer Stromquelle verbunden werden kann und über einem Bad angeordv net ist, das eine Elektrolytflüssigkeit aufnimmt, einer Kathode in diesem Bad, die an die Stromquelle angeschlossen werden kann, und Mitteln zur mehrmaligen Führung eines Kohlefadens über die Anodenrolle und zur Führung von Schleifen des Fadens unter die Oberfläche des Elektrolyten zwischen benachbarten Berührungsstellen mit der Anodenrolle O

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung bestehen die Klemmen für die Zuführung i des Anodenstroms aus einer leitfähigen Rolle, die an die Stromquelle angeschlossen ist, wobei die Kohlefaser mehrmals über diese Anode läuft, ohne die Faser zu berühren, die vorher über die Rolle gelaufen ist, und die Kohlefaser zwischen benachbarten Berührungsstellen der Faser mit der Anode in das Elektrolytbad taucht.

Diese Form der Apparatur ist in Fig.3 und 4 dargestellt und wird im folgenden Beispiel, in dem die Einzelheiten einer Versuchsapparatur im Laboratoriumsmaßstab genannt werden, ausführlich beschrieben. Diese Vorrichtung wei3t eine obere leitfähige Rolle (21), die zur Klemme für die Zuführung des Anodenstroms wird, und eine untere Rolle (22) % auf, wobei die Faser (23) wendelförmig von Rolle zu Rolle um die beiden Rollen gewickelt wird.

Die untere Rolle und der größte Teil des wendeiförmigen Weges der Faser tauchen in ein Bad (24), das den Elektrolyten (25)enthält. Der Käfig, der durch die Faser und die Rollen gebildet wird, ist von der Kathode (26) umgeben, die ebenfalls in den Elektrolyten taucht und vorzugsweise in Anpassung an die Form des aus Rollen und Faser bestehenden Käfigs im wesentlichen U-förmig ist, obwohl dies nicht wesentlich ist, Die Achsen der beiden Rollen sind in leichter Schrägste llung zueinander angeordnet, 30 da.3 die Faser

109817/2 2 59 "

BAD

das Bestreben hat, von einem Ende der Rolle zur anderen fortzuschreiten. Die Faser liegt an den Stellen, an denen sie die Rollenoberfläche berührt, auf einem halbkreisförmigen Umfang an dieser Rolle in einer Ebene an, die im rechten Winkel zur Rollenachse ausgerichtet ist, und verläßt die Rolle im wesentlichen tangential, um auf die nächste Rolle zu treffen, wo sie wiederum einem halbkreisförmigen Weg längs der Oberfläche der zweiten Rolle im rechten Winkel zur Achse folgt. Da die Rollen eine leichte Schrägstellung zueinander haben, verläuft der Weg der Fasern natürlich von Rolle zu Rolle in Form einer Wendel.

fe Während des Betriebs hat jedoch die Faser eine geringe Neigung, vom gewünschten wendeiförmigen Weg abzuweichen, wobei sie möglicherweise sogar benachbarte Schleifen der Kohlefaser berührt und eine Kurzschluß verursacht. Es ist zweckmäßig, Führungen vorzusehen, um die Faser auf dem gewählten Weg zu halten. Diese Führungen können einfache Rillen sein, die in den Umfang der unteren und/oder oberen Rolle geschnitten sind.

Die obere Rolle und die untere Rolle haben zweckmäßig den gleichenDurchmesser und werden beide mit der gleichen Geschwindigkeit in der gleichen Richtung beispielsweise durch einen gemeinsamen Antrieb, z.B. einem Ketten- oder ψ Zahnradantrieb, von einem Motor (27) gedreht. Wenn der Durchmesser der Rollen verschieden ist, müssen die Drehgeschwindigkeiten zum Ausgleich hierfür verschieden sein. Als Alternative kann eine d«r Rollen zwangsgetrieben und die andere Rolle eine Freilaufrolle sein. Zwischenrollen könnten in den Käfig eingefügt werden, um die Weglänge der Faser zu vergrößern, oder die einzelne Anodenrolle könnte durch zwei Anodenrollen so ersetzt werden, daß die drei Rollen ein gleichschenkliges Dreieck bilden, aber diese Variationen berühren nicht das Prinzip der Erfindung. Die obere Anodenrolle Kann aus einem beliebigen leitfähigen Werkstoff bestehen, jedoch ist zu berückstigen, daß bei

109817/2259

öad original

Elektrolyseprozessen, insbesondere solchen, bei denen oxydierende Lösungen, z.B. chlorbildende Lösungen verwendet werden, viele Metalle angegriffen werden können. Rollen aus inerten Metallen, z.B. aus Edelmetallen, wären geeignet, jedoch stellen hierbei die Kosten einen begrenzenden Faktor dar. Bevorzugt werden daher Rollen aus Kohlenstoff. Die untere Rolle wird vorzugsweise nicht aus einem leitfähigen Werkstoff hergestellt oder mit einer nichtleitenden Oberfläche versehen, da sie andernfalls zu einem Teil der Anode würde.

Die Kathode kann ebenso wie die Anode aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Werkstoff hergestellt werden, ä

sollte jedoch vorzugsweise nicht durch die Lösung und den Elektrolysenprozess angegriffen werden. Andernfalls sollte sie billig zu ersetzen sein. Bevorzugt wird eine Kohlekathode.

Der Abstand zwischen der oberen Rolle und der· unteren Rolle ist wichtig, um sicherzustellen, daß der Strom in die Faser wirksam über ihre gesamte Länge eindringt. Bei Verwendung einer 12 V-Stromg.uelle beträgt der wirksamste Abstand etwa 15 cm. Ebenso wie die in Fig.X dargestellte einfache Vorrichtung arbeitet die in Fig.3 und 4 dargestellte Vorrichtung am wirksamsten mit dem optimalen Ab-Btand, während Raum verschwendet wird, wenn der Abstand | zu groß oder zu gering ist.

Die Einflüsse der Konzentration des Elektrolyts, der Antriebsgeschwindigkeit der Rollen und der Zahl der Windungen der Faser und somit der gesamten Behandlungsdauer bei jeder gegebenen Faserlänge, der Temperatur, des Rührens, der Spannung usw. auf den Grad der Oberflächenbehandlung scheint die übliche Beziehung zum elektrolytischen Effekt zu haben wie bei anderen Elektrolyseprozessen, z.3. bei der Abscheidung von Metallschichten usw.,

109817/2259

BAD ORIGINAL

außer daß die Oberflächenbehandlung ein Maximum erreicht» wenn die gesamte Paseroberfläche mit okkludierten Ionen oaer Oberflächenachichten von Ionen gesättigt ist (oder welcher Prozess auch immer an der Oberfläche stattfindet). Es ist spmit leicht, Paktoren wie die Spannung, Konzentration und Geschwindigkeit des Paaerdurchsatzes zu variieren und hierbei die Grenzeffekte der Temperatur uaw. außer acht zu lassen und auf diese Weise eine geeignete Behandlungszeit und Größenordnung der Apparatur zu ermitteln.

Durch mechanisches Rühren oder Ultraschallschwingungen kann sichergestellt werden, daß die Lösung annehmbar hornogen bleibt, jedoch ist dies eine wahlweise Verfeinerung von nebensächlicher Bedeutung.

Zuweilen ist es erwünscht, ein Messer dicht an der oberen Rolle anzuordnen, um etwaige lose Enden an der Kohlenstofffaser abzuschneiden. Dieses Messer schneidet die Paser ab, so daß ein Verheddern verhindert wird, wenn lose Endenden glatten Lauf der Apparatur unterbrechen.

Weitere Modifikationen sind nach Wunsch möglich. Ein Waschbad und zusätzliche Rollen, die die Paser durch das Bad führen, können vorgesehen werden, um die Elektrolytlösung von der von der unteren Walze aufsteigenden Paser abzuwaschen, bevor die Paser erneut über die Anodenrolle läuft. Hierdurch würde die Auswahl bezüglich der Werkstoffe, die als obere Rolle verwendet werden könnten, vergrößert.

Beispiel 1
Die in Pig.3 und 4 dargestellte Vorrichtung wird verwendet.

Diese Vorrichtung ist mit zwei Rollen versehen, die einen .Durchmesser von 20 mm und eine Länge von 120 mm haben und in einen "Perspex"-Rahmen so eingesetzt sind, daß sie

109817/2259

einen Abstand von 150 mm von Mitte zu Mitte haben. Die obere Rolle besteht aus Graphit (Morganite EY9) und die untere Rolle aus hartem Polyvinylchlorid. Beide Rollen sind waagerecht angeordnet, aber die obere Rolle ist um 15° 28' in der waagerechten Ebene um ihre Mittellinie zur Achse der unteren Rolle geneigt. Von oben betrachtet bilden die beiden Rollen somit ein X.

Die Kohlefaser wird kontinuierlich zwischen den Rollen (Steigung 8 mm) mit einer linearen Geschwindigkeit bis 20 m/Std. geführt, indem die Rollen synchron mit Geschwindigkeiten bis zu 50 UpM angetrieben werden. Hierdurch wird die Faser unter eine Spannung von etwa 2 bis 10 kg ge- ä

bracht.

Das Ganze wird so in ein Gehäuse aus Polyäthylen eingesetzt, das den Elektrolyten enthält, daß etwa 150 mm Paser pro Windung des Stranges eingetaucht sind. Der Elektrolyt besteht aus einer Natriumhypochloritlösung, die 12 bis 16 Gew.-^ verfügbares Chlor enthält.

Die verwendete Kathode ist U-förmig, umgibt die Faserwindungen und besteht aus Graphit (Morganite EY9).

Eine Potentialdifferenz von 6 bis 12V wird zwischen der Stromzuführungsstelle und der Kathode eingestellt, so daß der gebrauchte Strom etwa 1,5 A pro Faserwindung beträgt. ™

Die Stärke des Elektrolyten wird durch jodometrische Titration eines aliquoten Teils in regelmäßigen Abständen (z.B. jede Stunde) gemessen. Wenn der Gehalt an verfügbarem Chlor auf 7 Gew.-# gefallen ist, wird der Versuch abgebrochen, der Elektrolyt verworfen und frisches Natriumhypochlorit vor der Fortsetzung des Betriebs eingeführt.

Die aus dem Elektrolysenbad austretende Faser wird mit 5$iger bis 10biger Salzsäure und dann mit Wasser gewasohen und getrocknet.

109817/2259

Kohlefasern, die nach diesem Verfahren "behandelt worden waren, konnten einwandfrei in ein Harz eingebettet werden und zeigten verbesserte Eigenschaften. Beispielsweise hat eine Paser, die bei hoher Graphitisierungstemperatur hergestellt worden ist (Faser des Typs I) in einer aus einem Harz bestehenden Einbettmasse eine Scherfestigkeit von 176 bis 246 kg/cm . Wenn jedoch die Paser gemäß diesem Beispiel behandelt worden ist, steigt dieser Wert auf 422 bis 703 kg/cm².

Eine ähnliche Verbesserung ist bei den Eigenschaften von harzgebundenen Pasern festzustellen, die nicht diesen hohen Graphitieierungstemperaturen ausgesetzt worden sind (Pasern des Typs II). So steigt in diesem Pail die Scherfestigkeit von 422-492 kg/cm auf einen Wert von 703 bis 1055 kg/cm².

Beispiel 2

Dieser Versuch wurde in der gleichen Weise wie der in Beispiel 1 beschriebene Versuch unter Verwendung der gleichen Apparatur und der gleichen Kohlefaser durchgeführt. Das Elektrolytbad war viel schwächer und bestand aus

2 Gew.-96 Natriumhypochlorit (12 bis 16 Gew.-^ verfügbares Chlor)

1 Gew.-^ konzentrierter Salzsäure und ^v 97 Gew.-i» Was8,er

Die Lösung ist so stark verdünnt, daß es nicht notwendig ist, die Kohlefaser nach der Behandlung zu waschen. Verbundwerkstoffe, die aus der in dieser Weise behandelten Paser und Harz hergestellt wurden, hatten physikalische Eigenschaften, die mit den physikalischen Eigenschaften des gemäß Beispiel 1 erhaltenen Materials völlig vergleichbar waren.

1098 17/225 9

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur Behandlung von Kohlefasern zwecks Erhö-. hung der Festigkeit der Haftung zwischen den Pasern und einer Einbettnasse, wenn die Pasern in einen Verbundwerkstoff eingearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Paser einer elektrolytischen Behandlung in einem wässrigen Elektrolyten unterworfen wird, der eine Erhöhung der Festigkeit der Abbindung zwischen den Pasern und einer Einbettmasse in einem Verbundwerkstoff bewirkt, wobei die Kohlefaser als Anode ge- | schaltet ist und die Paser und die Klemme für die Zuführung des Anodenstroms in Längsrichtung relativ zueinander bewegt werden.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oxydationsmittel als Elektrolyt verwendet wird.

3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung eines Metallhypochlorits, vorzugsweise eine wässrige Hatriumhypochloritlösung, als Elektrolyt verwendet wird.

4) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Faser an mehreren längs der " Paser verteilten Kontaktstellen für die Einführung des Anodenstroms zugeführt wird.

5) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden und die oder jede Einführungsstelle für den Anodenstrom glatt relativ zueinander bewegt werden.

6) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Anschlußstelle für die Zuführung des Anodenstroms feststehend gehalten und der Faden bewegt wird.

109817/2259

7) Verfahren a&ah Anspruch 1 bis 6, dadurch sekenazeichnet, daß die; Anacfalußateilen für die Zuführung des Aßodenatroine aus einer leitfähigen Solle bestehen* die mit der Stromquelle verbunden ist, wobei der Kohlefaden mehrmals über die Anode läuft, ohne den vorher über die Rolle gelaufenen Faden zu berühren, und zwischen benachbarten Kontaktstelle*! des. Badens mit der Aaode in das Elektrolytbad taucht.

Q) Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden nach der elektrolytischen Behandlung gewaschen wird.

9) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine leitfähige Rolle (21), die an den positiven Pol einer Stromquelle angeschlossen werden kann und über einem Bad (25), das eine Elektrolytflüssigkeit aufnimmt, angeordnet ist, eine im Bad (25) angeordnete Kathode (26), die mit der Stromversorgung verbunden werden kann, und Mittel, die es ermöglichen, den Kohlefaden (23) mehrmals über die Anodenrolle (21) und die Schleifen des Fadens unter die Elektrolytoberfläche zwischen benachbarten Kontaktstellen mit der Anodenrolle (21) zu führen.

1 0 9 8 1 7 / 2 2 F> 9

Lee rseite