DE3423163C2

DE3423163C2 -

Info

Publication number: DE3423163C2
Application number: DE3423163A
Authority: DE
Inventors: Reiner Ing.(Grad.) 8901 Aindling De Bode
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1984-06-22
Publication date: 1992-11-19
Also published as: GB8514768D0; FR2566315B1; IT1186736B; GB2160552B; GB2160552A; DE3423163A1; FR2566315A1; IT8521251A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen flächiger mit Kohlenstoffasern verstärkter Elastomer körper.

Die fast ausschließlich durch Pyrolyse von in Faserform vorliegenden Polymeren hergestellten Kohlenstoffasern werden vor allem als Verstärkung von Kunstharzen, wie Epoxid-, Polyester- oder Polyamidharze, verwendet. Kohlen stoffaserverstärkte Kunstharze haben bei geringerer Masse als metallische Werkstoffe eine größere Festigkeit und Steifigkeit und sind entsprechend besonders vorteil hafte Werkstoffe im Fahrzeugbau, z.B. für Raum-, Luft- und erdgebundene Fahrzeuge. Kohlenstoffasern werden ebenfalls als Asbestersatz in Dichtungen und Reibbelägen verwendet, die als Matrix häufig ein Elastomer enthalten.

Die wichtigsten Ausgangsfasern für Kohlenstoffasern sind Fasern aus Polyacrylnitril und Pech. Durch Erhitzen der Fasern auf etwa 200 bis 300°C, im allgemeinen in einer oxidierenden Atmosphäre, werden die Ausgangsstoffe unter Beibehaltung der Faserform vernetzt oder thermisch stabilisiert. Die stabilisierten Fasern sind unschmelz bar und werden im folgenden wie die vollständig pyro lisierten, ausschließlich Kohlenstoff enthaltenden Fasern als Kohlenstoffasern bezeichnet. Vernetzung und Pyrolyse ergeben temperaturbeständige Fasern mit großer Festigkeit und Steifig keit, die im Prinzip wie andere Textilfasern verarbeitet werden können. Dabei ist die Sprödigkeit und die geringe Knickfestigkeit von Nachteil, die Handhabung und textile Verarbeitung erheblich erschweren. Es ist bekannt, die Hand habbarkeit von Kohlenstoffasern durch Beschichtung mit Schlichten zu verbessern. Abweichend von der auch bei anderen Textilfasern üblichen Beschichtungen entstehen bei der Verwendung von Schlichten dann Probleme, wenn die beschichteten Fasern in eine Matrix ein gebracht werden. Schlichten sollen die Haftung der Fasern mit der Matrix wenigstens nicht beeinträchtigen, möglichst verbessern, d.h., sie müssen mit der jeweiligen Matrix kompatibel sein. Ganz offensichtlich gibt es keine Schlichte, die eine befriedigende textile Verarbeitung der Kohlenstoffasern ermöglicht und auch mit allen üblichen und technischen nötigen Matrixsystemen ver träglich ist. Entsprechend sind nur Schlichten bekanntgeworden, die die Bedingungen für jeweils ein oder wenige Matrixharze er füllen. Zum Beispiel haften Kohlenstoffasern, die mit einer Schlichte aus Polyglycidylethern, die einen bestimmten Chlor gehalt und einen bestimmten Anteil an Epoxygrupen aufweisen oder die mit einer Schlichte aus aromatischen Polyisocyanaten versehen sind, in einer Matrix aus thermoplastischen Polyestern auf der Basis von substituierten Tere- oder Isophthalaten, insbesondere auf Poly(1,4-butylenterephthalat) (US-PS 43 64 993). Für bestimmte thermoplastische Matrixharze, wie Polycarbonat oder Polyamid sollen Beschichtungen mit Polyurethan-Lösungen und Dispersionen von Vorteil sein (DE-OS 33 02 012). Diese beispielhaft genannten und andere bekanntgewordenen Schlichten eignen sich jedoch nicht, Kohlenstoffasern in eine Elastomer- Matrix einzubinden. In flächigen Elastomerkörpern, die zu Dichtungen, Kupplungs- und Bremsbeläge verarbeitet werden können, sind daher als Verstärkungsmaterial zugesetzte Kohlen stoffasern in der Regel ungleichförmig in der Elastomer matrix verteilt und eingebunden, so daß die Eigenschaften der Produkte nur zu einem Teil und nicht immer den an wendungsbedingten Forderungen entsprechen.

Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur Herstellung flächiger Gebilde aus kohlenstoffaserhaltigen Elastomeren zu verbessern, insbesondere die Handhabung der Kohlenstoffasern, unter den bei der Herstellung des Verbundkörpers herrschenden Bedingungen die Zahl der Faserbrüche zu verringern, die Fasern gleichmäßig in der Elastomermatrix zu verteilen und in der Matrix fest einzubinden.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß Kohlenstoff-Multifilamentgarn mit wenigstens 40 000 Filamenten mit einer Latex-Dispersion beschichtet, das beschichtete Garn getrocknet, in 1 bis 20 mm lange Abschnitte zerlegt und durch Verwirbeln in einem Luftstrom ein Haufwerk aus Faserabschnitten gebildet wird. Das Haufwerk aus beschichteten Faserabschnitten wird mit einem Elastomeren gemischt, die Mischung zu einem flächenhaften Gebilde ausgewalzt, das dann zu Dichtungen, Brems- oder Kupplungsbelägen weiterverarbeitet wird.

Nach den der Erfindung zugrundeliegenden Kenntnissen ist es zur Lösung der Aufgabe nötig, die Kohlenstoffasern zunächst mit einer mit der Matrix kompatiblen Schlichte zu beschichten und die beschichteten Fasern dann in die Form eines lockeren Haufwerks zu bringen. Die Beschichtung von Fasern aus Rayon, Polyamiden und nach einer besonderen Vorbehandlung auch von Polyester und Aramid mit Latex- Dispersionen und das Einarbeiten der beschichteten Fasern in Elastomere und die verbesserte Haftung derartig be handelter Fasern in der Elastomermatrix ist an sich bekannt.

Der Fachmann konnte aber wegen der grundsätzlich ver schiedenen Beschaffenheit der Oberfläche von Kohlen stoffasern nicht erwarten, daß mit Latex beschichtete Kohlenstoffasern sich im Gemisch mit Elastomeren ähnlich verhalten und vor allem nicht, daß die beschichteten spröden Fasern beim Einarbeiten in elastomere Massen nicht zerbrechen und zerstört werden. Der Effekt wird jedoch nur dann erzielt, wenn die beschichteten Kohlen stoffasern in einem Luftstrom zu einem Faserhaufwerk verwirbelt werden. Ohne die Bildung eines lockeren Hauf werks gelingt es auch nicht, die Fasern gleichmäßig in der Elastomermatrix zu verteilen.

Die Kohlenstoffasern werden mit einer wässerigen Latex- Dispersion beschichtet, bevorzugt mit einer zusätzlich ein Butadien-Styrol-Vinylpyridin-Copolymer enthaltenden Dispersion, deren Haftwirkung etwas besser ist. Es ist ebenfalls von Vorteil, der Dispersion ein Resorzin- Formaldehyd-Vorkondensat zuzusetzen, das die beiden Stoffe etwa im Verhältnis 10 : 1 bis 2 : 1 enthält. Der Vorkondensatgehalt in der Dispersion sollte nicht mehr als 10% betragen, da bei höheren Gehalten die Filamente des Garns miteinander verkleben können. In Übereinstimmung mit der gängigen Nomenklatur werden unter dem Begriff "Elastomer" natürliche und synthetische Stoffe verstanden, deren Glasübergangstemperatur kleiner als 0°C und kleiner als die Verwendungstemperatur ist, besonders natürlicher und synthetischer Kautschuk. Die zur Ver stärkung des Elastomers verwendeten Kohlenstoffgarne - einschließlich Garne aus thermisch stabilisierten Fasern - sollten wenigstens 40 000 Filamente enthalten, da eine Gleichverteilung mit Garnen kleinerer Filamentzahl nicht erreicht wird. Die Garne werden zweckmäßig durch einen mit der Latex-Dispersion gefüllten Trog und zur Trocknung durch einen Trockenkanal oder -Ofen gezogen und die beschichteten Garne werden in Abschnitten von 1 bis 20 mm Länge zerlegt. Zum Zerschneiden der Garne sind grund sätzlich alle für die Herstellung von Kurzschnittfasern verwendeten Werkzeuge geeignet, z. B. Schneidbalken oder rotierende Messer. Die Faserabschnitte werden dann in einem Luftstrom verwirbelt und ein Faserhaufwerk in einem Filter oder Zyklon abgeschieden, dessen Schüttdichte zweckmäßig 20 bis 200 g/l beträgt. Länge der Faserab schnitte und Dichte des Faserhaufwerks werden im einzelnen durch die Verwendung der faserverstärkten Elastomermasse bestimmt und können durch einfache Vorversuche ermittelt werden. Im allgemeinen beträgt die Länge der im Haufwerk enthaltenen Fasern etwa 0,5 bis 20 mm und die Schüttdichte 20 bis 200 g/l. Das Faserhaufwerk wird mit Hilfe der üb lichen Zwangsmischer in die Elastomermatrix eingearbeitet und das Gemisch zu einem flächigen Gebilde ausgewalzt. Der Faseranteil ist von dem Verwendungszweck der Elastomer körper abhängig, er beträgt für Reibbeläge etwa 5 bis 20% und für Dichtungen mehr als 20%.

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels näher erläutert:

Ein Multifilamentgarn aus thermisch stabilisiertem Poly acrylnitril mit 320 000 Filamenten, einem Titer von 42 ktex und einer Dichte von 1,40 g/cm³ wurde mit einer wässerigen Latex-Dispersion beschichtet.

Zusammensetzung der Dispersion
freies Wasser\|61,5%
Ammoniak	0,2%
Butadien-Styrol-Vinylpyridin-Copolymer-Latex-Dispersion	30,0% (Feststoffanteil - 40%)
Resorzin-Formaldehyd-Vorkondensat	8,3% (Feststoffanteil - 30%)

Die Dispersionen sind handelsübliche Produkte.

Das Multifilamentgarn wurde durch einen mit der Dispersion gefüllten Trog gezogen; die Tauchzeit betrug etwa 1 min. Das beschichtete Garn wurde bei Raumtemperatur und in einem Trockenkanal auf etwa 130 bis 140°C erwärmt, in einer Schneidmühle in Abschnitte von etwa 3 bis 10 mm Länge zerlegt und dabei in einem Luftstrom verwirbelt. Das in einem Zyklon abgeschiedene Faserhaufwerk mit einer Schüttdichte von ca. 50 g/l wurde in einem Zwangs mischer in Chloropren-Kautschuk eingearbeitet und dem Gemisch Füllstoffe und Vulkanisationsmittel zugesetzt.

Zusammensetzung
Chloroprenkautschuk\|20%
beschichtete Fasern	18%
Eisenoxid	15%
Magnesiumoxid	15%
Talkum	15%
Calciumhydroxid	10%
Graphit	5%
Schwefel	1%
Zinkoxid	1%

Die Mischung wurde granuliert und durch Gesenkpressen bei etwa 160°C und einem Druck von 20 MPa zu flachen Scheiben gepreßt, die durch Erhitzen in einem Umluftofen auf etwa 180°C nachvulkanisiert wurden.

Die mikroskopische Prüfung der als Reibbeläge für Scheiben- und Trommelbremsen vorgesehenen Scheiben zeigte bei dem überwiegenden Teil der thermisch stabili sierten Polyacrylnitrilfasern keine Verkürzung der Faser länge beim Mischen und Formen der Elastomermasse, die gleichförmige Verteilung der Fasern in der Matrix und die sehr gute Fasereinbindung. Entsprechend war die Streuung des auf einem Prüfstand gemessenen Verschleißes und der Bremswirkung (Verzögerung) klein.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen flächiger mit Kohlenstof fasern verstärkter Elastomerkörper, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) Kohlenstoff-Multifilamentgarn mit wenigstens 40 000 Filamenten mit einer Latex-Dispersion beschichtet, das beschichtete Garn getrocknet, in 1 bis 20 mm lange Abschnitte zerlegt und durch Verwirbeln in einem Luftstrom ein Haufwerk aus Faserabschnitten gebildet wird,
b) das Faserhaufwerk mit einem Elastomeren gemischt und die Mischung zu einem flächigen Gebilde ausgewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Butadien-Styrol- Vinylpyridin-Copolymer-Latex-Dispersion verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine ein Resorzin- Formaldehyd-Vorkondensat enthaltende Latex-Dispersion verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß Dispersionen mit einem Gehalt an Vorkondensat von 2 bis 10% verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Faserhaufwerk mit einer Schüttdichte von 20 bis 200 g/l gebildet wird.

6. Verwendung flächiger mit Kohlenstoffasern verstärkter Elastomerkörper, hergestellt nach Anspruch 1 bis 5, für Flachdichtungen.

7. Verwendung flächiger mit Kohlenstoffasern verstärkter Elastomerkörper, hergestellt nach Anspruch 1 bis 5, für Reibbeläge.