DE3734226A1 - Verfahren zum herstellen von kohlenstoff-kurzschnittfasern - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoff-Kurzschnittfasern aus einem Multifilgarn, das mit Schlichte überzogen, aufgefacht und in Abschnitte vorgegebener Länge zerlegt wird.

Zur Herstellung von Kohlenstoffasern werden fast aus­ schließlich Multifilgarne aus Polyacrylnitril, Pechen, Rayon oder anderen kohlenstoffhaltigen Materialien verwendet, die gegebenenfalls nach einer thermischen Stabilisierungsbehandlung durch Erhitzen auf etwa 1000°C in inerter Atmosphäre carbonisiert und nach dem Carbonisieren häufig zur Einstellung bestimmter elastischer Eigenschaften auf 1600°C und darüber erhitzt werden. Kohlenstoffasern zeichnen sich besonders durch ihren Elastizitätsmodul aus, der etwa 200 bis 500 GPa beträgt. Mit Kohlenstoffasern verstärkte Kunstharze haben daher bei kleinerer Masse eine Steifigkeit wie metallische Konstruktionswerkstoffe. Zur Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe werden nach einem bekannten Verfahren die mit einer Schlichte oder Avivage versehenen Multifil­ garne aufgefacht und die flächigen Fasergebilde mit einem Kunstharz imprägniert. Mehrere der allgemein als Prepreg bezeichneten Gebilde werden übereinander gestapelt und etwa durch Pressen in die gewünschte Form gebracht. Besteht das Matrixharz aus Duroplasten, ist noch eine besondere Wärmebehandlung zur Härtung des Harzes nötig.

Bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunstharzkörpern und bei anderen Herstellungsverfahren, wie Wickeln oder Handauflegen, sind die Garne vor allem Knick- und Reibungskräften ausgesetzt, die wegen der Sprödigkeit der Kohlenstoffasern häufig zum Bruch einzelner Filamente und zur Flusenbildung führen. Die Handhabung der Fasern kann man wesentlich durch den Aufzug einer Schlichte verbessern, die auch mit dem Matrixharz kompatibel sein muß (EP 01 02 705, 01 17 956). Tatsächlich sind Schlichten bekanntgeworden, die Kohlen­ stoffasern bei deren Verarbeitung schützen und vor allem die Bildung von Flusen beim Auffachen der Garne weit­ gehend verhindern.

Noch größer ist die Belastung der Kohlenstoffasern beim Zerschneiden von Multifilgarnen in Kurzschnittfasern. Die mit einer Schlichte überzogenen Garne werden dabei aufgefacht und nach Fixierung der Schlichte mit beispiels­ weise Walzenschneidern in Abschnitte vorgegebener Länge zerlegt. Kohlenstoff-Kurzschnittfasern verwendet man vor allem zur Verstärkung von thermoplastischen Spritzguß­ massen, z.B. von Polyamid, denen sie kontinuierlich - gravimetrisch oder volumetrisch - zudosiert werden. Aus Filamentgarnen mit kleinerer Filamentzahl hergestellte Kurzschnittfasern lassen sich wegen ihrer günstigen Rieselfähigkeit mit guter Genauigkeit, auch in kleineren Mengen dosieren, nicht jedoch aus Multifilgarnen mit größerer Filamentzahl, besonders mit Filamentzahlen oberhalb 100 000 gewonnene Kurzschnittfasern. Diese Kurzschnittfasern bilden bei diesem Prozeß Flusen, verfilzen und lassen sich nur mit schlechter Genauigkeit kontinuierlich dosieren, so daß besonders bei Ein­ speisung kleinerer Faservolumenanteile größere Fehler entstehen. Die verfilzten Faserklumpen reichern sich zudem in der Harzmatrix nesterförmig an und verschlechtern wesentlich die Qualität des Verbundwerkstoffs. Das ungünstige Verhalten der aus Multifilgarnen mit einer großen Filamentzahl hergestellten Kurzschnittfasern hat mehrere Ursachen, vor allem sind es der ungleich­ förmige Aufzug der Schlichte auf die Einzelfilamente und die ungleichförmige Auffachung des Garns in Kabel. Durch Schneiden der bandartigen Kabel gebildete rechteckige Abschnitte zerfallen bereits bei geringer Belastung in einzelne Filamentabschnitte bzw. Filamentgruppen und bilden ein mehr oder weniger typisches Faserhaufwerk, das nur eine geringe Rieselfähigkeit hat. Kurzschnittfasern für die Verstärkung von Thermoplasten oder Preßmassen wurden daher fast ausschließlich aus Multifilgarnen mit einer Filamentzahl von nur etwa 6000 bis 15 000 hergestellt. Aus Garnen mit einer größeren Filamentzahl hergestellte Kurzschnittfasern können allenfalls dann verwendet werden, wenn die Fasern nicht kontinuierlich dem Matrixharz zudosiert werden müssen und die Anforderungen an die Gleichverteilung der Fasern in der Harzmatrix nicht sehr groß sind.

Der technische Aufwand bei der Verarbeitung von Kohlen­ stoffasern aus Multifilgarnen ist in guter Näherung von der Filamentzahl der verarbeiteteten Garne abhängig. Bezogen auf das einzelne Filament nimmt entsprechend der Aufwand mit der Filamentzahl des Garns ab, z.B. beim Übergang von einem Garn mit 10 000 Filamenten auf ein Garn mit 100 000 Filamenten auf etwa ein Zehntel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Vorteil bei der Herstellung von Kurzschnittfasern zu nutzen und aus Multifilgarnen mit einer großen Filament­ zahl Kurzschnittfasern zu gewinnen, die sich ebenso einfach wie die aus Garnen mit kleiner Filamentzahl gewonnenen Fasern verarbeiten lassen und besonders gut rieselfähig sind.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein wenigstens 100 000 Filamente enthaltendes Garn durch einen in Richtung der Garnbewegung geneigten Fadenkamm gezogen und in wenigstens zehn Teil­ stränge aufgespalten wird. Vorzugsweise verwendet werden Fadenkämme, die um 50 bis 70° gegen die Bewegungsrichtung geneigt sind.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß Filamentbrüche und die Bildung von Flusen beim Auf­ fachen von Multifilgarnen; die eine große Filamentzahl enthalten, vermieden werden können, wenn die zum Auffachen verwendeten Fadenkämme in Richtung der Garnbewegung geneigt sind. Senkrecht zur Bewegungsrichtung des Garns angeordnete Fadenkämme ergeben beim Aufspalten von filamentreichen Multifilgarnen Flusen in großem Umfang, die einen Zerfall der beim Schneiden erzeugten Abschnitte verhindern. Jede Neigung des Fadenkamms in Richtung der Garnbewegung vermindert die Flusenbildung, da die auf­ tretenden Reibungskräfte offensichtlich durch vertikale Verschiebungen der Teilstränge vermindert werden. Vor­ zugsweise sollte die Neigung wenigstens 50° betragen und nicht mehr als 70°, da bei noch größerer Neigung die Führung der Teilstränge nicht immer gewährleistet ist. Nach einer anderen bevorzugten Ausbildung des Verfahrens wird der geneigte Fadenkamm in oszillierende Bewegungen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Garns versetzt. Die Schwingungsfrequenz sollte dabei etwa 0,1 bis 1 Hz betragen. Die Oszillation begünstigt das Auffachen in Teilstränge und reduziert besonders bei Verwendung empfindlicher Garne wirksam die Flusenbildung. Auch Multifilgarne mit 300 000 bis 600 000 Filamenten lassen sich mit geneigten und oszillierenden Fadenkämmen ohne Flusenbildung verarbeiten.

Der zur Aufteilung des Multifilgarns verwendete Fadenkamm besteht aus einer Metallhülse, in die im lichten Abstand von 2 bis 5 mm mindestens zehn polierte Rundstäbe mit einem Durchmesser von 3 bis 5 mm eingelassen sind. Die Hülse ist auf eine Achse gezogen, axial verschiebbar und um die Stabachse drehbar. Zweckmäßig sind im Abstand mehrere Kämme auf die Achse aufgeschoben, so daß gleichzeitig mehrere Multifilgarne aufgeteilt werden können. Durch an eine Stirnfläche der Achse angreifende mechanische oder elektrische Schwingungserzeuger werden Achse und Faden­ kämme gegebenenfalls in Schwingungen versetzt.

Zur Herstellung der Kurzschnittfasern werden Multifil­ garne mit wenigstens 100 000 und vorzugsweise 300 000 bis 600 000 Filamenten zunächst aufgefacht und auf Walzenstühlen mit einer Schlichte überzogen, die möglichst jedes einzelne Filament des Garns benetzen soll und mit den Kunststoffen, denen die geschnittenen Fasern zugesetzt werden, kompatibel ist. Beispiele für Schlichten sind - Polyalkylenether, Polyaminosäuren, Alkylphosphor­ säureester usw. Fasern, die zur Verstärkung von Reib­ belägen verwendet werden, können auch mit perfluorierten Verbindungen überzogen werden. Die aufgezogene Schlichte­ menge sollte wenigstens zur vollständigen Benetzung aller Filamente ausreichen. Erfahrungsgemäß erreicht man dieses Ziel mit einem Schlichtegehalt zwischen etwa 0,5 und 4%. Die mit Schlichte überzogenen Multifilgarne werden dann durch die in Bewegungsrichtung geneigten und gegebenen­ falls oszillierenden Fadenkämme gezogen und in wenigstens zehn parallele Teilstränge aufgespalten, die entsprechend ± 10 000 Filamente haben. Über eine Umlenkrolle werden die Teilstränge zur Trocknung und Fixierung der Schlichte auf den Filamenten durch einen Ofen gezogen, in dessen Verlängerung eine Schneidvorrichtung, beispielsweise ein Walzenschneider, zum Zerschneiden der Teilstränge in etwa 1 bis 20 mm lange Abschnitte angeordnet ist.

Die geschnittenen Garne genügen allen an ihre Dosier- und Verteilbarkeit gestellten Anforderungen. Beim Schnitt fallen Faserpakete aus parallel angeordneten Kurzschnitt­ fasern an, die an den Schnittkanten nicht flusen. Die riesel­ fähigen Faserpakete zerfallen beim Einbringen in Spritzgieß­ oder Preßmassen in die einzelnen Filamente, die sich in der Harzmatrix gleichmäßig verteilen. Bei der üblichen kontinuierlichen Dosierung mit Bandwaagen ist die Dosier­ genauigkeit in Massen mit einem Fasergehalt von etwa 10 bis 30% besser als 1%. Auch sehr kleine Fasermengen -etwa 5 bis 10 kg/h - lassen sich mit guter Genauigkeit dosieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert. In der Zeichnung durch­ läuft das wenigstens 100 000 Filamente enthaltende aufge­ fachte Multifilgarn 1, das mit Schlichte im Überschuß versehen ist, die Walzenkombination 2, in der die Über­ schüssige Schlichte abgequetscht wird. Das Multifilgarn wird nach Umlenkung durch die Rolle 3 durch den Faden­ kamm 4 gezogen, der in Richtung der Garnbewegung geneigt und an der Hülse 5 und Achse 6 befestigt ist (α-Winkel zwischen Kammzähnen-und auslaufendem Garn; b-Winkel zwischen der Normalen N und den Kammzähnen). Der an der Achse 6 angreifende Schwingungserreger ist nicht dargestellt. Das in Teilstränge aufgespaltene Multifil­ garn 1′ wird durch die Rolle 3′ umgelenkt und zur Trocknung und Fixierung der Schlichte durch den schacht­ artigen Ofen 7 bewegt.

Beispiel

Ein aufgefachtes Multifilgarn aus Kohlenstoffasern mit 320 000 Filamenten, das aus Polyacrylnitrilgarn herge­ stellt war, mit einer Zugfestigkeit von 3,2 GPa und einem Elastizitätsmodul von 220 GPa wurde durch einen Trog gezogen, der eine 10%ige wässerige Lösung eines Polyalkylenethers enthielt. Die Einzelfilamente mit einem mittleren Durchmesser von 7,1 µm waren gleich­ mäßig mit der Schlichtelösung beschichtet, die teil­ weise in der Walzenkombination 2 abgequetscht wurde. Der Schlichtegehalt des fertigen Garns betrug 2,0 bis 2,5%. Das aufgefachte Multifilgarn wurde dann umgelenkt und durch den Fadenkamm 4 gezogen, dessen Abstand von der Umlenkrolle 3 1,2 m betrug. Der Kamm war 60° in Bewegungsrichtung des Garns geneigt und oszillierte mit einer Frequenz von einem Hertz senkrecht zur Bewegungsrichtung. Das Multifilgarn wurde in zwölf Teilstränge aufgespalten, deren Filamentzahl im Mittel etwa 27 000 betrug und nach Umlenkung um die Rolle 3′ in dem Trockenturm 7 zur Trocknung und Fixierung der Schichte auf etwa 130°C erwärmt. Die zum Transport des Garns nötige Zugkraft betrug etwa 350 bis 400 N. Das aufgespaltene Multifilgarn wird direkt einer Schneid­ maschine zugeführt und in an sich bekannter Weise in Abschnitte vorgegebener Länge zerlegt oder zunächst aufgespult und unabhängig von der Aufteilungsvorrichtung zerschnitten.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffkurzschnitt­ fasern aus einem Multifilgarn, das mit Schlichte überzogen, aufgefacht und in Abschnitte vorgegebener Länge zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens 100 000 Filamente enthaltendes Garn durch einen in Richtung der Garnbewegung geneigten Fadenkamm gezogen und in wenigstens zehn Teilstränge aufgespalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein um 50 bis 70° geneigter Fadenkamm verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fadenkamm in oszillierende Bewegungen senkrecht zur Bewegungs­ richtung des Garns versetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Multifilgarne mit 300 000 bis 600 000 Filamenten verwendet werden.