DE2164466C3 - Acrylfaserstrang und dessen Verwendung zur Herstellung von Kohlenstoffasern - Google Patents
Acrylfaserstrang und dessen Verwendung zur Herstellung von KohlenstoffasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Acrylfaserstrang aus einem Copolymerisat von Acrylnitril als Hauptmonomer
und, bezogen auf die Gesamtmonomermenge, weniger als 5 Gewichtsprozent zumindest eines mit
Acrylnitril copolymerisierbaren Monomers.
Es ist bekannt, Acrylfaserstränge der genannten Gattung durch Verspinnen von Acrylpolymerisat-Zinkchloridlösungen
unter Verwendung von Zinkchlorid-Spinnbädern (vgl. F. Fourne, Synthetische
Fasern, Stuttgart 1964, S. 167) herzustellen; nach dem Verspinnen wird der Faserstrang üblicherweise
gewaschen und getrocknet, um das bei der Weiterverarbeitung regelmäßig störende, aufgenommene
Zink und Wasser zu entfernen. Der für die Weiterverarbeitung fertige Acrylfaserstrang erhält praktisch
kein Zink mehr und etwa 1,5 Gewichtsprozent Wasser (vgl. ASTM Standard D 1909 — 68).
Bekannt ist es außerdem (vgl. FR-PS 15 81 203 DT-OS 19 39 388, US-PS 35 39 295), derartige Faseritränge
zu Kohlenstoffasern weiterzuverarbeiten, indem man sie kontinuierlich zunächst bei einer
vergleichsweisen niedrigen Temperatur einer Voroxidation oder feuerhemmenden Behandlung und
anschließend bei einer höheren Temperatur einer Karbonisierung unterwirft. Dabei ergeben sich folgende
Schwierigkeiten. Infolge der unvermeidbaren statischen Aufladung des Faserstranges bauscht sich
der Faserstrang auf, so daß beim Transport des Faserstranges im Zuge der Weiterverarbeitung zu den
Kohlenstoffasern einzelne Fasern brechen, was höchst unerwünscht ist. Zur Verhinderung des Aufbauscheffektes
erteilt man daher dem Faserstrang vor der Weiterverarbeitung einen Drall von 2 bis 3 Umdrehungen/Min.;
hierdurch erfolgt jedoch keine gleichmäßige thermische Beaufschlagung bei der feuerhemmenden Behandlung; man erhält Kohlenstoffasern
mit unterschiedlichen Eigenschaften. Eine zweite Möglichkeit, das Aufbauschen des Faserstranges
zu verhindern, besteht darin, den Faserstrang vor der Weiterverarbeitung mit einem Antistatikmittel
zu behandeln; solche Antistatikmittel können jedoch zu einer Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften
der Kohlenstoffasern führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserstrang der eingangs genannten Gattung anzugeben,
dessen geradlinig nebeneiiianderliegende Fasern ohne Aufbauschen des Faserstranges und ohne
zu brechen zu Kohlenstoffasern mit gleichmäßig hoher Festigkeit weiterverarbeitet we» den können.
Der erfindungsgemäße Acrylfaserstrang ist gekennzeichnet durch einen Wassergehalt von 10 bis 50 Gewichtsprozent
und einen Zinkgehalt von 0,05 bis
1 Gewichtsprozent in Form einer Zinkverbiudung. ίο Vorzugsweise besitzt der Acrylfaserstrang einen Wassergehalt
von 20 bis 40 Gewichtsprozent und/oder einen Zinkgehalt von wenigstens 0,1 Gewichtsprozent.
Acrylfaserstränge des beschriebenen Aufbaus bauschen überraschenderweise trotz geradlinig nebeneinanderliegender
Fasern nicht auf und eignen sich infolge ihrer einfachen Handhabungsfähigkeit hervorragend
für eine industrielle Massenfertigung von Kohlenstoffasern. Gegenstand der Erfindung ist insofern
auch die Verwendung derartiger Acrylfaserstränge zur Herstellung von Kohlenstoffasern.
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Acrylfaserstränge eignen sich am besten Copolymerisate, die
2 bis 3 Gewichtsprozent des mit Acrylnitril copolymerisierbaren Monomers enthalten; solche Monomere
sind beispielsweise Methylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylacetat, Acrylamid, Methacrylamid,
Acrylsäure, Methacrylsäure, Allylsulfonsäure, Methai Iy lsulfonsäure und deren Salze. Die Herstellung der
Acrylfaserstränge erfolgt am besten durch das sogenannte Naßspinnverfahren. Dazu wird das Acrylpolymerisat
in einem Lösungsmittel, vorzugsweise einer wässerigen Zinkchloridlösung, gelöst und in ein Fällbad,
welches ebenfalls aus einer wässerigen Zinkchloridlösung bestehen kann, versponnen, verstreckt und
gegebenenfalls entspannt. Der "ewdnschte Wasser- und Zinkgehalt im Acrylfaserstrang kann dabei durch
entsprechende Einstellung der Zinkchlorid-Konzentration in der Spinnlösung und/oder im Fällbad und
gegebenenfalls auch in den Streck- und/oder Ent-
spannbädern erzielt werden, zusätzliche Zinkchloridbad-Behandlungen
oder Behandlungen mit destilliertem Wasser zwischen und während der einzelnen Herstellungsverfahrensschritte oder am Ende der
Herstellung sind ebenfalls möglich und gegebenenfalls zweckmäßig. Vorzugsweise wird ein Faserstrang
mit einer Gesamtdenierzahl von 3000 bis 15 000 hergestellt.
Der Faserstrang kann durch Aufwickeln oder Abschütteln aufgenommen werden. Das Aufnehmen
sollte in jedem Fail so erfolgen, daß die einzelnen
Lagen so dicht wie möglich aufeinanderliegen, damit der Faserstrang möglichst keine Wellenform enthält.
In welcher Form das von den Fasern aufgenommene Zink vorliegt, konnte noch nicht eindeutig geklärt
werden. Jedenfalls besitzen die Acrylfasern mit einem Zinkgehalt zwischen 0,05 und 1 Gewichtsprozent
eine Festigkeit über 5 g/d, die für die nachfolgende Karbonisierung besonders günstig ist. Der hohe Wassergehalt
verhindert nicht nur das Aufbauschen, sondern spielt gleichsam auch die Rolle eines Weich-
machers, der dem Faserstrang bei der nachfolgenden Umwandlung zu Kohlenstoffasern durch Voroxidation
bzw. feuerhemmende Behandlung und nachfolgende Karbonisierung ausreichende Plastizität verleiht.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind zusammengefaßt darin zu sehen, daß der erfindungsgemäße
Acrylfaserstrang auf überraschend einfache Weise eine Weiterverarbeitung zu Kohlenstoffasern
gleichmäßig hoher Festigkeit ermöglicht.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines
Beispiels crläutcrl:
Durch Lösen von 10 Gewichtstcilen eines Mischpolymerisates aus 98°/o Acrylnitril und 2% Methacrylat
in 90 Gewichtstcilen einer 59"/oigen wässerigen Lösung von Zinkchlorivi wurde eine Spinnlösung hergestellt
und durch eine Spinndüse mit 1000 Löchern in tin Fällbad gegeben, welches eine 25%>ige wässerige
Zinkchloridlösung mit einer Temperatur von 100C enthielt. Die Einzelfascrn besaßen eine Enddenierzahl
von 2. Nach Verlassen eines Wasserbades wurden die Fasern ir.it wässerigen Lösungen unterschiedlicher
Zinkchlorid-Konzentration behandelt und getrocknet, so daß mehrere Stränge von Acrylfasern
mit verschiedenen Zinkgehaltcn entstanden.
Jeder dieser Stränge wurde bei einem Dampfdruck von 0,9 kp/cm'J auf das 5,5fache verstreckt, wobei
sich ein Wassergehalt von 27 Gewichtsprozent einstellte. Diese Stränge wurden dann aufgewunden, die
Handhabung der einzelnen Stränge bei der Durchführung der verschiedenen Behandlungen ergab
keinerlei Schwierigkeiten, und die Stabilität der Wickelform der aufgewickelten Faserstränge war
äußerst zufriedenstellend.
Jeder dieser Stränge wurde dann bei einer Temperatur von 250° C in Luft 10 h lang erhitzt und dann
in einen mit Argon-Gas gefüllten Tammermann-Elcktroofen
eingebracht. In diesem Ofen wurde die Temperatur allmählich bis auf 2500° C erhöht und
auf dieser Höhe 2 h lang belassen, um die Karbonisierung vollständig durchzuführen. Die verschiedenen
karbonisierten Fasern wurden dann auf Festigkeit und Youngschen Modul untersucht, wobei sich die
in nachstehender Tabelle angegebenen Resultate für die verschiedenen Zinkgehalte ergaben.
| IO | Ausgangs-Acrylfaser | Faser-0 |
Festig
keit |
Karbonisierte Faser | V-Modul |
|
Zink
gehalt |
(μ) | (g/d) | Festigkeit | (t/cm5) | |
| (1Vo) | 10,0 | 5,5 | (i/cm2) | 2,800 | |
| 15 1 | 0,05 | 10,4 | 5,7 | 14,0 | 2.900 |
| 2 | 0,08 | 10,0 | 5,9 | 17,5 | 3,300 |
| 3 | 0,10 | 9,9 | 5,8 | 17,0 | 3,200 |
| 4 | 0,35 | 10,7 | 5,7 | 19,5 | 3,600 |
| 5 | 0,80 | 10,1 | 5,5 | 18,6 | 3,000 |
| 2O 6 | 1,50 | 15,0 | |||
| Kon | 10,3 | 5,7 | 2,500 | ||
| trolle | 0,02 | 12,0 |
Aus der Tabelle ergibt sich, daß bei Zinkgehalten über 0,05 Gewichtsprozent sowohl die Festigkeit wie
der Youngsche Modul der karbonisierten Fasern im Vergleich mit der als Kontrolle angegebenen üblichen
Acrylfaser erheblich verbessert sind. Die besten Ergebnisse werden bei Zinkgehalten über 0,1 Gewichtsprozent
erzielt.
Claims (4)
1. Acrylfaserstrang aus einem Copolymerisat
von Acrylnitril als Hauptmonomer und, bezogen auf die Gesamtmonomerenmenge, weniger als
5 Gewichtsprozent zumindest eines mit Acrylnitril copolymerisierbaren Monomers, gekennzeichnet durch einen Wassergehalt von 10
bis 50 Gewichtsprozent und einen Zinkgehalt von 0,05 bis 1 Gewichtsprozent in Form einer Zinkverbindung.
2. Acrylfaserstrang nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wassergehalt von 20 bis
40 Gewichtsprozent.
3. Acrylfaserstrang nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Zinkgehalt von
wenigstens 0,1 Gewichtsprozent.
4. Verwendung eines Acrylfaserstranges nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von
Kohlenstoffasern.
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| DE2164466A1 DE2164466A1 (de) | 1972-07-13 |
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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1971
- 1971-12-24 DE DE19712164466 patent/DE2164466C3/de not_active Expired
Also Published As
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Legal Events
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