DE3108380A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von hochfesten kohlenstoffasern - Google Patents
Verfahren zur oberflaechenbehandlung von hochfesten kohlenstoffasernInfo
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Description
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von hochfesten Kohlenstoffasern.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung
von Kohlenstoffasern, um diesen gute Haftungseigenschaften an Harze zu vermitteln, und insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern mit guten Haftungseigenschaften an Harze mit einer hohen Festigkeit
und Wärme-Oxidationsbeständigkeit, indem man eine Kohlenstoffaser vom Hochfesttyp elektrisch in einer
wässrigen Lösung eines schwefelsauren Salzes oberflächenbehandelt.
Kohlenstoffasern sind im allgemeinen leichtgewichtige
Fasermaterialien mit hoher Reissfestigkeit und Elastizität und man kann sie in solche Fasern einteilen, die
hohe Reissfestigkeit haben und ein Modul von etwa 20.000
ο
bis 28.000 kg/mm aufweisen und in hochelastische Kohlen-
bis 28.000 kg/mm aufweisen und in hochelastische Kohlen-
2 stoffasern mit Modulen von wenigstens 30.000 kg/mm .
Je nach deren Eigenschaften kann man sie als Verstärkungsmaterialien für zahlreiche Kunststoffe bei der Herstellung
von Bauelementen für Flugzeuge, Autos und Maschinenteilen und dergleichen verwenden. Diese Kohlenstoffasern müssen
jedoch gute Anhaftungseigenschaften an die Matrixharze und auch eine hohe Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit
haben.
Um die Haftung der Kohlenstoffasern an Harze zu verbessern, ist es im allgemeinen erforderlich, die Kohlenstofffaser
oberflächenzubehandeln und hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt. Gemäss einem Verfahren, einem sogenannten
elektrolyt!sehen Verfahren, wird Strom durch eine Kohlenstoffaser in einer wässrigen Lösung eines
Elektrolyten, wie Natriumhydroxid, Schwefelsäure oder Phosphorsäure, geleitet und ein solches Verfahren ist wirtschaftlich
sehr vorteilhaft. Ein solches elektrolytisches Verarbeitungsverfahren wird z.B. in der japanischen Patenveröffentlichung
40 119/72 und in den US-PSen 3 671 411 und 3 759 805 beschrieben.
Bei diesen elektrolytischen Verarbeitungsverfahren wird
jedoch die inhärente Festigkeit und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit
der Kohlenstoffaser verschlechtert, obwohl die Haftung der Kohlenstoffaser an Kunstharze verbessert
wird. Insbesondere wurde festgestellt, dass bei
Anwendung der .bekannten elektrolytischen Verarbeitungsverfahren
auf·1 sogenannte hochfeste Kohlenstoffasern
mit einem Modul von etwa 20.000 bis 28.000 kg/mm2 eine grosse Verschlechterung der inhärenten grossen Festigkeit
und Wärme-Oxidationsbeständigkeit eintritt. Wie aber schon vorher erwähnt wurde, muss eine Kohlenstofffaser
nicht nur eine gute Haftung an Harze aufweisen, sondern gleichzeitig auch eine hohe Reissfestigkeit und
Wärme-Oxidationsbeständigkeit haben, um für die vorerwähnten Anwendungen geeignet zu sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung
von Kohlenstoffasern zu zeigen, wodurch die Haftungseigenschaften gegenüber Harzen verbessert
werden, ohne dass die Reissfestigkeit und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit verschlechtert werden.
Aufgrund von Untersuchungen zur Lösung der vorerwähnten Probleme wurde nun gefunden, dass die Haftung einer Kohlenstoffaser
an Harze und die Reisfestigkeit sowie die Wärme-Oxidationsbeständigkeit nicht nur vom Modul der
oberflächenzubehandelnden Kohlenstoffaser, vom Typ des
Elektrolyten und von dem Elektrolyten, der nach der Oberflächenbehandlung
an der Kohlenstoffaser anhaftet, abhängt, sondern auch von den Bedingungen der Stromanwendung,
insbesondere der Stromdichte und dem Ausmass der Oberflächenbehandlung.
Die Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern mit guten Haftungseigenschaften
an Harze und mit hoher Reissfestigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit. Erfindungsgemäss wird die
-Ί
'- " " 3108330
Kohlenstoffaser oberflächenbehandelt, indem man einen
2 2 Strom von etwa 0,05 bis 0,5 Ampere/m (A/m )
derart hindurchleitet, dass das Produkt Stromdichte, der Spannung (V) und der Verarbeitungszeit (min) etwa
0,02 bis 8 A-V-min/m beträgt, wobei man die Kohlenstofffaser kontinuierlich als Anode in einer wässrigen Lösung
eines schwefelsauren Salzes bewegt.
Erfindungsgemäss wird die Haftung der Kohlenstofffaser an Harze verbessert, ohne dass die hohe Festigkeit
und Wärme-Oxidationsbeständigkeit verschlechtert wird. Die erfindungsgemäss oberflächenbehandelte Kohlenstofffaser
kann infolgedessen als Verstärkungsmaterial für zahlreiche Kunstharze, z.B. bei der Herstellung von Flugzeugteilen
oder Automobilteilen verwendet werden.
Fig. 1 ist eine schematische Abbildung eines Schnitts durch eine Vorrichtung, in welcher eine Kohlenstoffaser
elektrolytisch gemäss einer Ausführungsform der Erfindung oberflächenbehandelt
wird.
Fig. 2 ist eine schematische Beschreibung eines Ausschnitts einer Vorrichtung, in welcher eine
Kohlenstoffaser elektrolytisch gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung oberflächenbehandelt
wird.
Der hier verwendete Ausdruck "Spannung (V)" bezieht sich
auf die Maximalspannung zwischen einer Kohlenstofffaser, die in einer wässrigen Lösung eines schwefelsauren
Salzes eingetaucht ist und oberflächenbehandelt werden
-
soll und einer Kathode in der wässrigen Lösung des schwefelsauren
Salzes.
"Hochfeste Kohlenstoffaser" bedeutet, dass die Faser ein
Modul von etwa 20.000 bis 28.000 kg/mm2 hat. Man kann
solche Fasern herstellen, indem man eine Acrylfaser bei etwa 200 bis 400 C in einer oxidierenden Atmosphäre oxidiert
und dann bei etwa 1000 bis 2000°C in einer Inertgasatmosphäre karbonisiert, wobei die Reissfestigkeit
wenigstens etwa 250 kg/mm beträgt. Eine derartig hochfeste Kohlenstoffaser hat im allgemeinen einen Durchmesser von etwa 5 bis 15 um. Erfindungsgemäss werden diese
Kohlenstoffasern typischerweise als Faserbündel aus etwa 1000 bis 50.000 Einzelfäden oberflächenbehandelt.
Geeignete schwefelsaure Salze schliessen auch Hydrogensulfate
ein. Beispiele für schwefelsaure Salze sind Ammoniumsulfat, Ammoniumhydrogensulfat, Natriumsulfat und
Natriumhydrogensulfat. Sie können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Bevorzugte Beispiele sind Ammoniumsulfat,
Ammoniumhydrogensulfat, ein Gemisch aus Ammoniumsulfat und Ammoniumhydrogensulfat und Mischungen
aus Ammoniumsulfat oder Ammoniumhydrogensulfat mit weiteren schwefelsauren Salzen.
Werden solche Ammoniumsalze verwendet, dann werden anscheinend Gruppen, wie -NH2 und =NH an der Oberfläche der
Kohlenstoffaser gebildet und dadurch wird die Haftung der Kohlenstoffasern an ein Epoxyharz, an ein Polyamidharz
und dergleichen verbessert. Die Verwendung von wässrigen schwefelsauren Salzen als Elektrolyt ermöglicht es,
die elektrolytische Verarbeitung unter massigen Bedingungen
w Q _
durchzuführen und minimalisiert die nachteiligen Einflüsse
einer sehr geringen Menge von Elektrolyten, die zurückbleiben, selbst wenn man sie nach der elektrolytischen
Oberflächenbehandlung mit Wasser abwäscht. Die erfindungsgemäss oberflächenbehandelten Kohlenstofffasern
haben deshalb immer noch ihre hohe Festigkeit und ihre hohe Wärme-Oxidationsbeständigkeit.
Wird beispielsweise eine hochfeste Kohlenstoffaser unter
Verwendung einer starken Base oder einer starken Säure, wie Natriumhydroxid, Schwefelsäure oder Phosphorsäure,
oberflächenbehandelt, so wird die elektrolytische Verarbeitung zwangsläufig unter sehr kräftigen Bedingungen
durchgeführt und der nach dem Waschen mit Wasser noch zurückbleibende Elektrolyt ist von nachteiligem Einfluss.
Als Ergebnis werden die Hochfestigkeit und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit, die der Kohlenstoffaser ursprünglich
eigen sind, erheblich gemindert und der Restelektrolyt bewirkt weitere nachteilige Einflüsse, z.B. beim
Aushärten eines Epoxyharzes oder eines Polyesterharzes, und inhibiert die Verträglichkeit der Kohlenstoffaser mit
anderen Harzen.
Hinsichtlich der Bedingungen, unter denen eine wässrige, schwefelsaures Salz enthaltende Lösung verwendet wird,
beträgt die Konzentration etwa 1 bis 15 Gew.% und vorzugsweise etwa 3 bis 10 Gew,% und die Temperatur etwa 10 bis
600C und vorzugsweise etwa 25 bis 40°C.
Bei der Durchführung der erfindungsgemässen elektrolytischen
Behandlung wird die Kohlenstoffaser kontinuierlich durch die wässrige Lösung eines schwefelsauren Salzes
- 10 -
geführt, wobei die Kohlenstoffaser als Anode angewendet
wird und als Kathode Metall, Graphit und dergleichen ver*-
wendet wird.
Die erfindungsgemässe elektrolytische Oberflächenbehandlung
wird mit einer Stromdichte von etwa 0,05 bis 0,5
2 2
A/m und vorzugsweise bei etwa 0,1 bis 0,4 A/m derart
durchgeführt, dass das Produkt aus Stromdichte (A/m .) , Spannung (V) und Verarbeitungszeit (min) etwa 0,02 bis
8 A-V-min/m beträgt. Die Spannung beträgt im allgemeinen 1 bis 20 V und vorzugsweise etwa 2 bis 10 V. Der Ausdruck
"Stromdichte" bedeutet hier Strom, der durch eine Flächeneinheit der oberflächenzubehändelnden Kohlenstofffaser
in der wässrigen Lösung des schwefelsauren Salzes fliesst.
Beträgt die Stromdichte weniger als 0,05 A/m , dann wird die Anhaftung der Kohlenstoffaser an Harze nicht ausreichend
verbessert. Ist sie andererseits grosser als 0,5 A/m f so werden die Reissfestigkeit und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit
der Kohlenstoffaser unerwünscht vermindert.
Wenn das Produkt aus Stromdichte (A/m ), Spannung (V) und
Verarbeitungszeit (min) weniger als 0,02 A-V-min/m beträgt, so ist die Verbesserung der Anhaftung der Kohlenstofffaser
an Harze nicht ausreichend und wenn das Produkt
grosser als 8 A-V-min/m ist, erhält man eine Kohlenstofffaser
mit schlechter Reissfestigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit.
- 11 -
Beträgt die Spannung weniger als 1 V, so kann man die Zersetzungsspannung nicht erzielen und es erfolgt keine
elektrolytische Zersetzung. Bei Spannungen von mehr als 20 V ist der Energieverlust sehr gross und das Verfahren
wird unerwünscht kompliziert.
Hochfeste Kohlenstoffasern wurden gemäss der vorliegenden
Erfindung und nach Verfahren des Standes der Technik oberflächenbehandelt. Dabei wurden die Ergebnisse, die in
Tabelle 1 gezeigt werden, erreicht.
- 12 -
Elektrolyt | Stromdichte (A/m2) |
bis | 0,5 | Produkt aus Stromdichte, Spannung und Verarbei tungszeit (A-V-min/m^) |
bis | 8 | Eigenschaften der Kohlenstoff faser nach der Oberflächenbe handlung |
Sulfat | weniger als 0,05 |
bis | 0,5 | 0,02 | als C | ),02 | schlechte Anhaftung |
Il | 0,05 | bis | 0,5 | weniger | bis | 8 | Il Π |
Il | 0,05 | als | 0,5 | 0,02 | als | 8 | ausgezeichnete Haftung und ho he Festigkeit und Wärme-Oxida tionsbeständigkeit |
Il | 0,05 | bis | 0,5 | mehr | bis | 8 | schlechte Festigkeit und Wär me-Oxidationsbeständigkeit |
Il | mehr | als | 0,5 | 0,02 | bis | 8 | It Il |
Natrium hydroxid |
0,05 | bis | 0,5 | 0,02 | bis | 8 | Verminderung der Wärme-Oxida tionsbeständigkeit aufgrund der Anhaftung von Elektrolyten an der Faser |
Il | mehr | als | 0,5 | 0,02 | bis | 8 | sehr schlechte Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit |
Schwefel säure |
0,05 | bis | 0,5 | 0,02 | bis | 8 | schlechte Festigkeit und Wärme- Oxidationsbeständigkeit und negativer Einfluss des Elektro lyten auf der Faser auf das Härten von Epoxyharz |
Il | mehr | 0,02 | bis | 8 | sehr schlechte Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit und negativer Einfluss auf das Härten von Epoxyharz |
||
Phosphor säure |
0,05 | 0,02 | Il Il |
CD CXi CO CO O
Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass die erfindungsgemässe
Oberflächenbehandlung einer hochfesten Kohlenstofffaser eine Kohlenstoffaser ergibt, die sehr gute Haftungseigenschaften an Harzen aufweist und die gleichzeitig
eine hohe Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Die so behandelte Kohlenstoffaser wird dann mit Wasser gewaschen um das auf ihr verbliebene schwefelsaure Salz
zu entfernen. Aufgrund der durch restliches schwefelsaures Salze verursachten negativen Einflüsse wird die Menge
des Restelektrolyten vorzugsweise auf 2000 ppm oder weniger verringert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, wie sie erfindungsgemäss
angewendet werden kann. Eine Kohlenstoffaser 2 wandert durch eine Zufuhranodenwalze 1 und dann durch Walzen 3
und 6 im Verarbeitungsbad zu einer Aufnahmewalze 7. Die Bezugsziffern 4 und 5 bedeuten eine wässrige schwefelsaure
Salzlösung bzw. eine Kathodenplatte. Die Zuführwalze und die Kathodenplatte 5 können aus Metall oder Graphit
bestehen. Die Walzen 3 und 6 werden aus einem nichtleitfähigen Material, wie Plastik hergestellt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform, in welcher die
Kathodenplatte 5 in der Nähe angebracht ist, in welcher die Kohlenstoffaser 2 in die wässrige schwefelsaure Salzlösung
4 eingeführt wird. In dieser Vorrichtung wird die Oberflächenbehandlungswirkung verstärkt.
Die so erhaltene oberflächenbehandelte Kohlenstoffaser
- 14 -
ο.
108380
- 14 -
ist zur Kombination mit verschiedenen Kunststoffen, wie hitzehärtbaren Harzen, z.B. einem Epoxyharz, einem
ungesättigten Polyesterharz oder einem Phenolharz, und thermoplastischen Harzen, z.B. einem Polyamidharz,
einem Polyacetalharz oder einem Polysulfonharz, geeignet.
In den Beispielen wird die Erfindung beschrieben, wobei alle Teile auf das Gewicht bezogen, wenn nicht anders angegeben
.
Acht Kohlenstoffaserstränge (Reissfestigkeit 380 kg/mm ,
2
Modul 24.000 kg/mm , Einzelfaserdurchmesser 7,1 um, Einzelfädenanzahl/Strang 6.000) die aus einer Acrylfaser (Beslon CA der Toho Beslon Co., Ltd.) hergestellt worden waren wurden kontinuierlich in eine 8 Gew.%-ige wässrige Ammoniumsulfatlösung (pH 3,5, Temperatur 25°C) mittels einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 eingeführt, wobei die Eintauchlänge 1,7m betrug und sie wurden dann unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen als Anode verwendet. Im Anschluss an die Oberflächenbehandlung wurde die Kohlenstoffaser kontinuierlich mit Wasser gewaschen und dann getrocknet. Die so erhaltene Kohlenstoffaser enthielt noch 150 ppm restliches Ammoniuitisulfat.
Modul 24.000 kg/mm , Einzelfaserdurchmesser 7,1 um, Einzelfädenanzahl/Strang 6.000) die aus einer Acrylfaser (Beslon CA der Toho Beslon Co., Ltd.) hergestellt worden waren wurden kontinuierlich in eine 8 Gew.%-ige wässrige Ammoniumsulfatlösung (pH 3,5, Temperatur 25°C) mittels einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 eingeführt, wobei die Eintauchlänge 1,7m betrug und sie wurden dann unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen als Anode verwendet. Im Anschluss an die Oberflächenbehandlung wurde die Kohlenstoffaser kontinuierlich mit Wasser gewaschen und dann getrocknet. Die so erhaltene Kohlenstoffaser enthielt noch 150 ppm restliches Ammoniuitisulfat.
Die Reissfestigkeit, die Wärme-Oxidationsbeständigkeit und die interlaminare Abreissfestigkeit (ILSS) der so
erhaltenen Kohlenstoffaser wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 enthalten.
- 15 -
"Reissfestigkeit" bedeutet hier die Reissfestigkeit von
Verbundmaterialien, die Fasern enthalten in Form von Strängen, die erhalten wurden, indem man die Stränge mit
einem Gemisch aus 3 Teilen Bortrifluorid-monomethylamin,
1 Teil Benzylmethylamin und 96 Gew.-Teilen eines Epoxyharzes (Epikote 828 der Shell Corp.) imprägnierte, wobei
das Faservolumen nach dem Aushärten 60 % betrug, worauf man dann die so behandelten imprägnierten Stränge 2
Stunden bei 1 CX)0C, 3O Minuten ]
ten bei 17O°C wärmebehandelte.
ten bei 17O°C wärmebehandelte.
Stunden bei 1OO°C, 3O Minuten bei 15O°C und dann 10 Minu-
Die ILSS wurde gemessen unter Verwendung eines 3 mm dicken,
plattenähnlichen Verbundkörpers, den man erhielt, indem man einen Strang mit einem Gemisch aus 500 Teilen Diglyzidylphthalat
und 445 Teilen Methyl-Nadicsäure-Anhydrid imprägnierte, bis das Faservolumen nach dem Aushärten 62 %
betrug und wobei man einen Prepreg erhielt, in welchem die Fasern in einer Richtung orientiert waren. Dann wurden
solche Prepregs derartig laminiert, dass die Fasern in einer Richtung angeordnet waren und dann wurden die laminierten
Prepregs 40 Minuten bei 1200C und anschliessend Stunden bei 180 C unter einer Belastung von 7 kg/cm
hitzegehärtet.
Die Messung der Reissfestigkeit des Stranges wurde durchgeführt an einer Probe mit einer Länge von 130 mm mit
einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1,3 mm/min mittels eines Instron-Testers (Modell 1125 der Instron Corp.).
ILSS wurde mittels der Dreipunkt-Biegemethode eines kurzen Balkens mit L/d=4 (L gibt die Spannlänge und d die Dicke
des plattenförmigen Verbundkörpers an) bei einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1,3 mm/min (ASTM D2344-72) gemessen.
- 16 -
"■■"■- "■■■'"" '■■' -:- 3108330
Zur Messung der Wärme-Oxidationsbeständigkeit wurden 2 g einer Kohlenstoffaserprobe an der Luft bei 5OÖ C
während 3 Stunden wärmebehandelt und der angegebene Wert gibt das Gewichtsverhältnis (%) der Restkohlenstofffaser
zur ursprünglichen Kohlenstoffaser an.
- 17 -
■ Oberflächenbehandlungsbedingungen | Strom dichte (A/m2) (II). |
Verarbei tungszeit (min) (III) |
Produkt aus (I),(II) und (III) (A-V-min/m2) |
Eigenschaften der erhaltenen Faser | ILSS (kg/mm2) |
Wärme-Oxida tionsbestän digkeit (%) |
|
erfin- dungs- gemäss |
Span nung (V) (D |
0,08 0,17 0,28 |
1,7 1,7 1,7 |
0,35 0,87 2,00 |
Reissfe stigkeit (kg/mm2) |
10,8 11,1 11,3 |
91 89 89 |
Ver- gleichs- bei- spiele |
2,6 3,0 4,2 |
prünglich« 0,03 0,55 |
2 Faser 1,7 1,7 |
0,10 4,11 |
381 379 377 |
7,5 8,6 11,3 |
92 92 85 |
urs] 2,0 4,4 |
1,27 | 1,7 | 13,6 | 380 380 ,350 |
11,5 | 75 | |
6,3 | 0,17 | 0,02 | 0,01 | 310 | 8,9 | 92 | |
3,0 | 0,17 | 20,0 | 10,0 | 379 | 11,5 | 73 | |
3,0 | 298 |
00 I
O OO GO
CO O
Aus Tabelle 2 wird ersichtlich, dass die Fasern, die unter solchen Bedingungen erhalten wurden, dass die
2
Stromdichte 0,05 bis 0,5 A/m betrug und bei denen das
Stromdichte 0,05 bis 0,5 A/m betrug und bei denen das
2
Produkt aus Stromdichte (A/m ), Spannung (V) und Verarbei-
Produkt aus Stromdichte (A/m ), Spannung (V) und Verarbei-
2 tungszeit (min) 0,02 bis 8 A-V-min/m betrug, eine hohe
Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit aufwiesen und dass der ILSS-Wert zeigte, dass eine gute Haftung
der Fasern an die Harze vorlag.
—————————— s
2 Acht Kohlenstoffaserstränge (Reissfestigkeit 395 kg/mm ,
2
Modul 24.500 kg/mm , Einzelfaserdurchmesser 7,0 um , Anzahl der Einzelfäden/Strang 3.000) wurden aus einer Acrylfaser (Beslon CA der Toho Beslon Co., Ltd.) hergestellt und dann in 10 Gew.%-igen wässrigen Lösungen von Ammoniumsulfat, Ammoniumhydrogensulfat, Natriumsulfat, Natriumhydrogensulfat, einem Gemisch aus Ammoniumsulfat und Ammoniumhydrogensulfat (1:1 Gewichtsverhältnis) (pH 3,5, 3,0, 7,0, 5,5 bzw. 3,6), wobei die Temperatur in allen Fällen 28°C betrug, behandelt und nach dem Waschen mit Wasser getrocknet.
Modul 24.500 kg/mm , Einzelfaserdurchmesser 7,0 um , Anzahl der Einzelfäden/Strang 3.000) wurden aus einer Acrylfaser (Beslon CA der Toho Beslon Co., Ltd.) hergestellt und dann in 10 Gew.%-igen wässrigen Lösungen von Ammoniumsulfat, Ammoniumhydrogensulfat, Natriumsulfat, Natriumhydrogensulfat, einem Gemisch aus Ammoniumsulfat und Ammoniumhydrogensulfat (1:1 Gewichtsverhältnis) (pH 3,5, 3,0, 7,0, 5,5 bzw. 3,6), wobei die Temperatur in allen Fällen 28°C betrug, behandelt und nach dem Waschen mit Wasser getrocknet.
Die Mengen an schwefelsaurem Salz an der Oberfläche der erhaltenen Kohlenstoffasern, der ILSS-Wert und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit
wurden gemessen und werden in Tabelle 3 gezeigt.
- 19 -
to O
Typ des Elektro lyten |
Oberfläcl- Span nung (V) (D |
lenbehanc Strom dichte (A/m2) (ID |
llungsbedingt Verarbei tungszeit (min)(III) |
mgen Produkt aus (I),(II) und (III) (A-V-min/m2) |
Eigenscha Menge an Restsul fat (ppm) |
ften der e Reissfe stigkeit (kg/mm2) |
rhaltenen ILSS (kg/mm2) |
Faser Wärme- Oxida- tionsbe- ständig- keit(%) |
Ammonium- sulfat |
2,5 | 0,06 | 2 | 0,3 | 120 | 395 | 10,8 | 92 |
Il | 3,1 | 0,18 | Il | 1,12 | 125 | 393 | 11,1 | 91 |
Il | 4,1 | 0,43 | Il | 3,53 | 130 | 393 | 11,3 | 90 |
Ammonium- hydrogen- sulfat |
2,5 | 0,06 | η | 0,3 | 110 | 396 | 10,9 | 92 |
It | 3,1 | 0,17 | Il | 1,05 | 120 | 392 | 11,1 | 92 |
Il | 4,1 | 0,42 | Il | 3,44 | 105 | 395 | 11,2 | 90 |
Natrium sulfat |
2,5 | 0,07 | It | 0,35 | 125 | 394 | 10,1 | 90 |
H | 3,1 | 0,19 | It | 1,18 | Ί 31 | 393 | 10,7 | 87 |
Il | 4,1 | 0,44 | Il | 3,61 | 134 | 393 | 10,9 | 88 |
Natrium hydrogen sulfat |
2,5 | 0,07 | Il | 0,35 | 120 | 390 | 10,2 | 90 |
H | 3,1 | 0,19 | Il | 1,18 | 131 | 392 | 10,6 | 88 |
Il | 4,1 | 0,44 | Il | 3,61 | 125 | 394 | 11 ,0 | 87 |
Misch sulfat |
2,5 | 0,06 | Il | 0,3 | 125 | 394 | 10,9 | 93 |
Il | 3,1 | 0,18 | Il | 1,12 | 130 | 393 | 11,1 | 92 |
Il | 4,1 | 0,43 | Il | 3,53 | 125 | 392 | 11,4 | 92 |
CO GJ OO O
Aus Tabelle 3 wird ersichtlich, dass bei Verwendung von Ammoniumsulfat, Airanoniumhydrogensulfat oder einem
Gemisch daraus als Elektrolyt eine Kohlenstoffaser erhalten wurde, die etwas höhere ILSS-Werte und Wärme-Oxidationsbeständigkeit
aufwies.
Kohlenstoffasern wurden in gleicher Weise wie in Beispiel
1 oberflächenbehandelt mits der Ausnahme, dass
Natriumhydroxid, Phosphorsäure, Schwefelsäure, Natriumsulfat oder Ammoniumhydrogensulfat anstelle von Ammoniumsulfat
als Elektrolyt verwendet wurden, worauf man dann mit Wasser wusch und anschliessend trocknete.
Die Menge des auf der Kohlenstoffaser zurückgebliebenen Elektrolyten wurde dann gemessen. Die Ergebnisse werden
in Tabelle 4 zusammen mit den Oberflächenbehandlungsbedingungen und den Eigenschaften der erhaltenen Fasern
gezeigt. Bei allen Ansätzen betrug die Stromdichte
0,28 A/m und die Verarbeitungszeit 1 Minute. Die Eigenschaften der erhaltenen Kohlenstoffasern wurden in gleicher
Weise wie in Beispiel 1 gemessen.
Ansatz- Nr. |
Oberflächen Elektrolyt |
behandlung Spannung (V) |
sbedingungen Produkt aus Span nung, Stromdichte und Verarbeitungs zeit (A-V-min/mz) |
Eigenschaf Menge an Restelek trolyt (ppm) |
ten der Ko Reissfe stigkeit (kg/mm2) |
hlenstoffa ILSS (kg/mm2) |
ser Wärme- Oxida- tionsbe- ständig- keit (%) |
1 | Natrium sulfat |
4,2 | 1,2 | 500 | 380 | 11,2 | 93 |
2 | It | 4,2 | 1/2 | 1030 | 379 | 11,3 | 90 |
3 | Schwefel säure |
3,5 | 1,0 | 630 | 368 | * | 89 |
4 | ti | 3,5 | 1,0 | 1150 | 365 | * | 88 |
5 | Phosphor säure |
3,5 | 1,0 | '570 | 360 | 94 | |
6 | Il | 3,5 | 1,0 | 1090 | 363 | * | 96 |
7 | Natrium hydroxid |
3,4 | 0,9 | 205 | 358 | 11,3 | 23 |
8 | Il | 3,4 | 0,9 | 400 | 355 | 11,3 | 2 |
* Messung war nicht möglich wegen unzureichender Aushärtung
CO
Ό CO CO OO CD
Aus Tabelle 4 geht hervor, dass bei Durchführung der
Oberflächenbehandlung unter solchen Bedingungen, dass die Stromdichte und das Produkt aus Stromdichte,
Spannung und Verarbeitungszeit im erfindungsgemässen
Bereich lagen, Natriumsulfat als Elektrolyt (Ansätze 1 und 2) eine Kohlenstoffaser mit hoher Wärme-Oxidationsbeständigkeit,
Festigkeit und sehr guter Anhaftung erhalten wurden, selbst wenn eine geringe Menge des
Elektrolyten auf der Kohlenstoffaser verblieb. Verwendete man andererseits Schwefelsäure oder Phosphorsäure
als Elektrolyten, so konnte keine ausreichende Härtung
bei einem Epoxyharz erzielt werden und die ILSS konnte nicht gemessen werden. Wenn man "in ähnlicher Weise Natriumhydroxid
als Elektrolyt verwendete, dann war die Wärme-Oxidationsbeständigkeit der Kohlenstoffaser sehr
niedrig und zwar auch dann, wenn dieMenge an restlichem Natriumhydroxid auf der Faser verhältnismässig gering
war.
Die in Beispiel 3 (Ansätze 1 bis 8) erhaltenen Kohlenstoffasern wurden unter identischen Bedingungen nach der
Oberflächenbehandlung gewaschen und getrocknet. Dann wurde die Menge des auf der Kohlenstoffaser verbliebenen
Restelektrolyten gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 5 gezeigt.
- 23 -
Ansatz | Elektrolyt | Menge an Restelektrolyten |
Nr. | (ppm) | |
1 | Natriumsulfat | 25 |
2 | ti | 29 |
3 | Schwefelsäure | 50 |
4 | Il | 55 |
5 | Phosphorsäure | 48 |
6 | Il | 60 |
7 | Natriumhydroxid | 120 |
8 | Il | 125 |
Die Menge des auf der Kohlenstoffaser zurückgebliebenen
Natriumsulfats war im Vergleich zu den anderen Hydrolyten am geringsten. Andererseits war die Menge des auf der
Kohlenstoffaser zurückgebliebenen Natriumhydroxids am grössten und es wurde somit festgestellt, dass Natriumhydroxid
die stärkste Tendenz aufweist, auf der Kohlenstoffaser zu verbleiben.
2 Acht Kohlenstoffaserstränge (Reissfestigkeit 345 kg/mm ,
Modul 27.0OO kg/mm , Einzelfaserdurchmesser 6,8 um, Anzahl
der Einzelfäden/Strang 12.000), die aus einer
-24 -
Acrylfaser (Beslon CA der Toho Beslon Co., Ltd.) hergestellt worden waren, wurden kontinuierlich in eine 5
Gew.%-ige wässrige Lösung von Ammoniumhydrogensulfat (pH 3, Temperatur 35°C) in der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung
mit einer Eintauchlänge von 1,3 m eingeführt. Die Oberflächenbehandlung mit der Kohlenstoffaser als
Anode wurde unter solchen Bedingungen durchgeführt, dass
2
die Stromdichte 0,2 A/m und das Produkt aus Stromdichte,
die Stromdichte 0,2 A/m und das Produkt aus Stromdichte,
2 Spannung und Verarbeitungszeit 3,0 V χ 0,2 A/m χ 0,9 min
=0,5 A-V-min/m betrug. Die so erhaltene Kohlenstofffaser wurde kontinuierlich mit Wasser gewaschen und dann
getrocknet.
Die Menge des auf der Oberfläche der so erhaltenen Kohlenstoffaser verbliebenen Ammoniumhydrogensulfats betrug
185 ppm. Die Reissfestigkeit betrug 342 kg/mm ,
2
die ILSS 11,4 kg/mm und die Wärme-Oxidationsbestandigkeit 98 %. Die Kohlenstoffaser hatte somit eine hohe Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Haftung an Kunstharze.
die ILSS 11,4 kg/mm und die Wärme-Oxidationsbestandigkeit 98 %. Die Kohlenstoffaser hatte somit eine hohe Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Haftung an Kunstharze.
2 Acht Kohlenstoffaserstränge (Reissfestigkeit 392 kg/mm ,
Modul 26.500 kg/mm , Einzelfadendurchmesser 7,1 um, Anzahl der Einzelfäden/Strang 12.000), die aus einer Acrylfaser
hergestellt worden waren, wurden in eine Vorrichtung gemäss Fig. 2 eingeführt mit einer Eintauchlänge von
- 25 -
3 m und einer 8 %-igen wässrigen Ammoniumsulfatlösung
(pH 3,8, Temperatur 42°C) als Elektrolyten. Die Oberflächenbehandlung
wurde unter Bedingungen, wie sie in Tabelle 6 angegeben sind, durchgeführt und anschliessend
wurde die Kohlenstoffaser mit Wasser gewaschen und getrocknet .
Die Menge des auf der Oberfläche der so erhaltenen Kohlenstoffaser
verbliebenen Ammoniumsulfats, die ILSS und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit wurden gemessen und die
Ergebnisse werden in Tabelle 6 gezeigt. Die ILSS und die Wärme-Oxidationsbeständigkeit wurden in gleicher Weise
wie in Beispiel 1 gemessen.
- 26 -
Ansatz Nr. |
Oberflächenbehandlungsbedingungen | Strom dichte (A/m2) |
Produkt aus Span nung, Stromdichte und Verarbeitungs zeit (A-Vrmiri/m2) . |
.Eigenschaften der erhaltenen Faser | Reissfe stigkeit (kg/mm^) |
ILSS (kg/mm2) |
Wärme-Oxida tionsbestän digkeit (%) |
1 | Spannung. (V) |
- | - | Menge an Restelek trolyt .(ppm) |
392 | 4,2 | 98 |
2 | - | 0,2 | 1,5 | - . | 391 | 10,8 | 98 |
3 | 2,5 | 0,3 | 2,2 | 120 | 388 | 11 ,0 | 97 |
4 | 2,5 | 0,35 | 3,7 | 121 | 388 | 11,1 | 98 |
5 | 3,5 | 0,38 | 5,1 | 125 | 390 | 11,3 | 97 |
6 | 4,5 | 0,35 | 7,4 | 110 | 383 | 11,4 | 96 |
7 | 3,5 | 0,38 | 10,2 | 124 | 375 | 11,4 | 90 |
4,5 | 118 |
to •«J
CD CO CO CO O
Aus Tabelle 6 geht hervor, dass die erfindungsgemäss
oberflächenbehandelten Kohlenstoffasern (Ansätze 2 bis 6) ausgezeichnete Reissfestigkeit, ILSS und Wärme-Oxidationsbeständigkeiten
aufwiesen.
Leerseite
Claims (12)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zur Oberflächenbehandlung von hochfesten Kohlenstoffasern, dadurch gekennzeichnet, dass man einen elektrischen Strom durch die Kohlenstoffaser in einer wässrigen Lösung eines Schwefelsäuresalzes unter solchen Bedingungen hindurchleitet, dass die Stromdichte zwischen 0,05 und2 20,5 Ampere/m ..:·.. (A/m ) beträgt und das Produkt aus Stromdichte, Stromspannung (V) und Verarbeitungszeit (Minuten) 0,02 bis 8 A-V-min/m2 beträgt, wobei man die Kohlenstoffaser kontinuierlich als Anode in der wässrigen Lösung bewegt.— 2 —
- 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die hochfeste Kohlenstofffaser ein Modul von etwa 20.000 bis etwa 28.000 kg/mm2 und eine Reissfestigkeit von wenigstens etwa 250 kg/mm hat.
- 3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das schwefelsaure Salz wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Ammoniumsulfat, Aininoniumhydrogensulfat, Natriumsulfat und Natriumhydrogensulfat enthält.
- 4. Verfahren gemäss Anspruch 1,*dadurch gekennzeichnet , dass das schwefelsaure Salz wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Ammoniumsulfat und Ammoniumhydrogensulfat ist.
- 5. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Stromdichte zwischen etwa 0,1 bis 0,4 A/m beträgt.
- 6. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der wässrigen Lösung des schwefelsauren Salzes etwa 10 bis 60°C beträgt.
- 7. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des schwefelsauren Salzes in der wässrigen Lösung etwa 1 bis 15 Gew.% beträgt.
- 8. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Spannung etwa 1 bis 20 V beträgt.
- 9. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kohlenstoffaser aus Acrylfaser hergestellt worden ist.
- 10. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kohlenstoffaser nach der elektrischen Behandlung zur Entfernung des schwefelsauren Salzes mit Wasser gewaschen wird.
- 11. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass das Waschen mit Wasser durchgeführt wird, bis die Menge an auf der Kohlenstofffaser verbliebenem schwefelsaurem Salz etwa 2000 ppm oder weniger beträgt.
- 12. Kohlenstoffaser mit guten Anhaftungseigenschaften an Harze und mit hoher Festigkeit und Wärme-Oxidationsbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet , dass sie hergestellt wurde, indem man einen elektrischen Strom durch die Kohlenstoffaser in einer wässrigen Lösung eines schwefelsauren Salzes unter solchen Bedingungen leitet, dass die Stromdichte etwa O,052 οbis 0,5 Ampere/m (A/m^) und das Produkt aus Stromdichte, Spannung (V) und Verarbeitungszeit (min) etwa 0,02 bis 8 A-V-min/m beträgt, wobei die Kohlenstoffaser kontinuierlich als Anode in der wässrigen Lösung bewegt wurde.-A-
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