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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von endlosen, ultradünnen Fasern, d. h. Fasern bei denen der Durchmesser der Monofilamtente im einstelligen Mikrometerbereich liegt. Die Erfindung betrifft ferner eine endlose ultradünne Carbon-Precursor-Faser mit einem Monofilamentdurchmesser im einstelligen Mikrometerbereich. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine endlose ultradünne Carbon-Faser mit einem Monofilmentdurchmesser im einstelligen Mikrometerbereich.
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Ultradünne Fasern, auch Mikrofasern genannt, werden für viele technologische Anwendungen eingesetzt. Zu nennen sind beispielsweise Anwendungen in der Medizintechnik sowohl für Implantate als auch für medizinische Geräte, in der Filtertechnik zur Filterung von Feinststäuben oder in der Textiltechnik zur Herstellung von Textilien.
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In der Textiltechnik kommen Mikrofasern wiederum in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten zum Einsatz. Zu nennen ist hier beispielsweise die Verwendung von Polymermikrofasern für Funktionstextilien in der Bekleidungsindustrie und für industrielle Anwendungen in der Filtertechnik, wo solche Textilien wegen ihrer hohen spezifischen reaktiven Oberfläche eingesetzt werden.
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Mikrofasern aus Glas oder Carbon werden bspw. zur Herstellung von Faserverbundbauteilen für Leichtbaustrukturbauteile verwendet, die tragende Funktionen bei geringem Gewicht bereitstellen müssen. Insbesondere Carbon-Fasern kommt für die Herstellung von hochstabilen, bspw. hochsteifen Faserverbund-Leichtbauteilen eine hohe Bedeutung zu, die sich zukünftig noch erhöhen wird. So werden Verbundbauteile aus Carbon-Faser verstärktem Kunststoff (CFRP) beispielsweise heute im Flugzeugbau, im Automobilbau und zur Herstellung von Rotorblätter für Windkraftanlagen verwendet.
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Ein wichtiger Faktor für die Stabilität solcher CFRC-Bauteile ist die sog. Faser-Matrix-Haftung, d. h. die Anbindung der die Stabilität bereitstellenden Carbon-Fasern an das polymere Matrixsystem des CFRC-Bauteils. Ein wichtiger Einflussfaktor für die Faser-Matrix-Haftung ist die Größe der Kontaktfläche zwischen den Fasern und dem Matrixpolymer. Diese wird wesentlich durch die Feinheit der die Fasern bildenden Monofilamente bestimmt und erhöht sich mit zunehmender Feinheit der Monofilamente. Durch die Verwendung von feinen Fasern kann somit im Vergleich zum Einsatz von Standardfasern bei gleicher eingesetzter Fasermasse im Verbund eine deutlich höhere Festigkeit der CFRC-Bauteile erreicht werden.
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Aus dem Stand der Technik ist bspw. bekannt, Mikrofasern mit Faserndurchmessern von 1dtex oder weniger mittels Elektrospinnen herzustellen. Das Ergebnis des Elektrospinnens hat aber den Nachteil, dass es schlecht beherrschbar und wenig produktiv ist und wird daher hauptsächlich für Spezialprodukte vor allem im Bereich der Filtertechnik für Feinststäube verwendet.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik bekannt, Mikrofasern mit dem sog. Schmelzspinnverfahren herzustellen. Das Schmelzspinnverfahren ist aber für eine Vielzahl von Materialien nicht anwendbar. So kann mit dem Schmelzspinnverfahren beispielsweise kein Polyacrylnitril wirtschaftlich sinnvoll zu Precursor-Fasern versponnen werden, aus denen Carbon-Fasern hergestellt werden können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine endlose Faser mit einem Faserdurchmesser von 10 μm oder weniger kostengünstig hergestellt werden kann, die als Precursor-Faser für die Herstellung einer ultradünnen Carbon-Faser, d. h. einer Carbon-Faser mit einem Filamentdurchmesser von weniger als 4 μm, geeignet ist.
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Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Carbon-Faser vorzuschlagen, die kostengünstig in der Herstellung ist und mit der hochsteife und leichte CFRC-Strukturbauteile hergestellt werden können.
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Es ist des Weiteren die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Carbon-Precursor-Faser vorzuschlagen, die als Ausgangsprodukt für die Herstellung einer Carbon-Faser aus Monofilamenten mit feinstem Durchmesser dient.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer aus zumindest einem Monofilament gebildeten endlosen Faser, insbesondere Carbon-Precursor-Faser, gelöst, bei welchem eine Spinnlösung bereitgestellt wird, die zumindest ein Kohlenstoff enthaltendes Polymer und zumindest ein Lösungsmittel umfasst oder daraus gebildet ist (Schritt a) und bei dem des Weiteren eine Spinndüse mit zumindest einem Düsenloch mit einem Durchmesser von 35 μm oder weniger (Schritt b) bereitgestellt wird. Zum Erhalt der endlosen Faser wird die Spinnlösung kontinuierlich durch das zumindest eine Düsenloch der Spinndüse in ein Fällbad extrudiert (Schritt c) und nachfolgend aus dem Fällbad geführt. Im letzten Schritt wird die endlose Faser auf einer Spule oder dergleichen kontinuierlich aufgewickelt (Schritt d).
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Die Erfindung sieht zur Herstellung von endlosen Fasern mit sehr feinem Filamentdurchmesser ein Nassspinnverfahren vor, bei dem Spinndüsen mit Düsenlöchern verwendet werden, die einen Durchmesser von 35 mm oder weniger haben. Erst durch die Verwendung einer Spinndüse mit Düsenlöchern mit einem Durchmesser von 35 mm oder weniger lässt sich eine zumindest ein Monofilament umfassende endlose Faser herstellen, bei der das zumindest eine Monofilament einen Durchmesser von 7 μm oder weniger hat und die als Precursorfaser für eine zumindest ein Monofilament umfassende Carbon-Faser mit einem Filamentdurchmesser von 4 μm oder weniger verwendet werden kann, wobei die Carbon-Faser als Spulenware in einem weiteren textilen Prozess zu einem Gelege oder Gewebe weiterverarbeitet werden kann.
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Überraschenderweise ist es überhaupt möglich Faser durch Extrusion der Spinnlösung durch einen Düsendurchmesser von 35 μm oder weniger zu mit einem Nassspinnverfahren bilden, ohne dass die einzelnen Monofilamente der Faser unmittelbar nach deren Bildung miteinander verkleben oder abreißen.
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Das zumindest eine Düsenloch der Spinndüse bildet einen Spinnkanal, an dessen Anfang die Spinnlösung bei der Extrusion eingepresst wird und an dessen Ende die gebildete Faser aus dem Düsenloch austritt. Der Spinnkanal kann eine über die Länge des Spinnkanals variierende Querschnittsfläche haben. Unter dem Begriff Durchmesser des Düsenlochs soll im Rahmen dieser Erfindung der Durchmesser der Querschnittsfläche des Düsenlochs am Ende des Spinnkanals verstanden werden.
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Zur Herstellung des zumindest einen Düsenlochs mit dem Durchmesser von 35 mm oder weniger kann beispielsweise das sog. Laserwendelbohrverfahren angewendet werden, bei dem ein Laserstrahl zur Erzeugung des Düsenlochs auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet auf einer vorgegebenen Bahnkurve geführt wird. Der Laserstrahl kann hierbei eine Wellenlänge im sichtbaren oder ultravioletten Bereich haben und gepulst sein, wobei die Pulsdauer bspw. zwischen 1 ps und 100 ps liegen kann. Um den Materialabtrag beim Wendelbohren kontrolliert durchzuführen, kann die Pulsenergie hierzu vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 1 μJ bis 50 μJ eingestellt werden, wobei die Repetitionsrate aufeinander folgender Pulse des Laserstrahls auf einen Wert im Bereich von 10 bis 100 kHZ gesetzt werden kann.
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Vorzugsweise wird die Faser nach Schritt c) aus dem Fällbad herausgeführt und nachfolgend gewaschen, getrocknet und verstreckt. Die bei der Extrusion gebildete Faser wird bevorzugt so lange in dem Fällbad belassen, bis ein wesentlicher Teil des in der Faser enthaltenen Lösungsmittels aus der Faser heraus in das Fällbad diffundiert ist und sich das Polymer derart im Spinnfaden angereichert hat, dass sich die Faser ausreichend verfestigt hat.
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Vorzugsweise wird die Faser in einem ersten Verstreckungsschritt, der sog. Nassverstreckung verstreckt, wobei die Nassverstreckung vor und/oder während und/oder nach dem Waschen in nassem Zustand der Faser durchgeführt wird. In einem weiteren Verstreckungsschritt, der sog. Trockenerstreckung, die während und/oder nach dem Trocknen der Faser durchgeführt wird, wird die Faser dann weiter verstreckt.
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Überraschenderweise kann eine endlose Carbon-Precursor-Faser hergestellt werden, bei der die einzelnen Monofilamente einen Durchmesser von 7 μm oder weniger haben, und die hervorragende Festigkeitswerte für die Weiterverarbeitung zur Carbon-Faser hat, wenn die Faser gegenüber dem Zustand den diese beim Herausführen aus dem Fällbad hat, beim Nassverstrecken insgesamt um einen Faktor zwischen 4 und 8, bevorzugt um einen Faktor zwischen 4 und 6, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 4,5 und 5,5 verstreckt wird und beim Trockenverstrecken gegenüber dem Zustand, den die Faser nach dem Nassverstrecken hat, insgesamt um den Faktor 1,5 oder mehr, bevorzugt um den Faktor 1,7 oder mehr, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 1,7–2,2 weiter verstreckt wird.
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Standard Carbon-Precursor-Fasern, d. h. Precursor-Fasern mit einem Filamentdurchmesser von 10 μm oder mehr, werden üblicherweise bei der Nassverstreckung um mehr als den Faktor 6 und bei der Trockenverstreckung nicht mehr als um den Faktor 1,2 verstreckt, da es sonst zum Faserabriss kommen kann. Für die Erfinder ist es eine überraschende Erkenntnis, dass durch Reduzierung des Verstreckungsfaktors bei der Nassverstreckung bei gleichzeitiger Erhöhung des Verstreckungsfaktors bei der Trockenverstreckung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, eine Faser mit sehr kleinem Filamentdurchmesser mit hohen Festigkeitswerten hergestellt werden kann, ohne dass es zum Faserabriss kommt und dies trotz der Tatsache, dass die durch die durch die Extrusion durch die „sehr feine Spinndüse” erzeugte Faser vor dem Vertreckungsprozess bereits sehr dünn ist.
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Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse für die Carbon-Precursor-Faser sowie die daraus hergestellte ultradünne Carbon-Faser erzielt werden können, wenn das Verhältnis des Verstreckungsgrads von Trockenverstreckung zu Nassverstreckung 0,25 oder mehr, bevorzugt 0,3 oder mehr, besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0, ist.
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Die Verstreckung wird hierbei vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der Glastemperatur des Polymers durchgeführt, wobei die Trockenerstreckung und/oder die Nassverstreckung vorzugsweise jeweils in mehreren Stufen erfolgen können.
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Das für die Spinnlösung bereitgestellte zumindest eine Polymer kann bevorzugt Polyacrynitril (PAN), ein Copolymer des Polyacrynitrils (PAN) oder Mischungen davon enthalten oder daraus gebildet sein.
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Dabei kann die Herstellung des PAN durch eine Lösungspolymerisation erfolgen, bei der das Monomer, also Acrylnitril, in einem Lösungsmittel gelöst wird, oder durch eine Dispersionspolymerisation, bei der das Monomer in Wasser emulgiert wird. Der Lösung oder Emulsion können ein oder zwei Comonomere, wie beispielsweise Itacon- oder Methacrylsäure, sowie Initiatoren oder Redoxsysteme zur Steuerung der Polymerisationsreaktion zugesetzt werden, um einerseits den Spinnprozess zu erleichtern, und um andererseits die für die spätere thermische Stabilisierung der polymeren Fasern an Luft erforderliche Temperatur herabzusetzen.
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Wenn ein Polyacrylnitril enthaltendes Polymer verwendet wird, kann dessen Acrylnitrilgehalt beispielsweise mehr als 90 Gew.-% und bevorzugt zwischen 94 und 99 Gew.-% betragen. Das Polymer kann dabei bis zu 6 Gew.-% und bevorzugt etwa 2 Gew.-% Itacon- oder Methacrylsäure enthalten. Weitere Copolymere, die in dem Polymer enthalten sein können, sind Methylacrylat und Vinylacetat.
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Das Polyacrylnitril-Polymer kann etwa 2.000 bis 10.000 Acrylnitrileinheiten pro Polyacrylnitril-Molekül enthalten, Daraus ergibt sich ein Molekulargewicht des Polymers zwischen 50.000 und 250.000 g/mol und bevorzugt zwischen 100.000 und 160.000 g/mol.
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Vorzugsweise beträgt der Polymeranteil in der Spinnlösung zwischen 5 und 30 Gew.-% und der Lösungsmittelanteil zwischen 70 und 95 Gew.-%.
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Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass zur Herstellung einer noch dünneren Faser im Nassspinnverfahren überraschenderweise noch kleinere Spinndüsen verwendet werden können ohne das es zum Verkleben oder Abreißen der Faser im Fällbad oder bei nachfolgenden Prozessschritten kommt. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, dass der Durchmesser des zumindest einen Düsenlochs der Spinndüse 30 μm oder weniger, bevorzugt 25 μm oder weniger, besonders bevorzugt 20 μm oder weniger ist. So kann bspw. durch eine Spinndüse mit Düsenlöchern mit einem Durchmesser von 30 μm nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine endlose Carbon-Precursor-Faser gesponnen werden, deren Monofilamente einen Durchmesser von 5,2 μm haben. Eine solche Carbon-Precursor-Faser kann zu einer Carbon-Faser weiterverarbeitet werden, deren einzelne Monofilamente einen Durchmesser von 3,07 μm haben.
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Für den Fall, dass es sich bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faser um eine Carbon-Precursor-Faser handelt, können sich an die vorgenannten Verfahrensschritte des Waschens, Trocknens und Verstreckens noch Verfahrensschritte anschließen, bei denen die endlose Faser stabilisiert und carbonisiert und optional graphitiert wird, wobei die Carbonisierung vorzugsweise bei einer Temperatur von bis zu 1.500°C, bevorzugt zwischen 800°C und 1.500°C und/oder die Graphitierung bevorzugt bei einer Temperatur von über 1.500°C, bevorzugt über 2.000°C, durchgeführt wird. (Hier wäre es sinnvoll zu wissen, ob wir die dünnen Fasern wirklich bei den Standardbedingungen Stabilisieren u/o. Carbonisieren oder ob hier angepasste Parameter verwendet werden müssen und wie diese sind)
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Insbesondere zur Herstellung einer Faser die eine Vielzahl von einzelnen Monofilamenten enthält, wie dies bspw. bei einer Carbon-Precursor-Faser der Fall ist, ist es sinnvoll, wenn die Spinndüse 1000 bis 100.000 Düsenlöcher mit einem Durchmesser von 35 μm oder weniger umfasst und somit durch das erfindungsgemäße Verfahren eine endlose Faser hergestellt werden kann, die 1000 bis 100.000 Monofilamente hat.
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Bei der o. g. Spinndüse mit der Vielzahl an Düsenlöchern mit einem Durchmesser von 35 μm oder weniger beträgt der von Lochmitte zu Lochmitte gemessene Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern bevorzugt zwischen 20 und 200 μm, besonders bevorzugt zwischen 30 und 100 μm und ganz besonders bevorzugt zwischen 40 und 100 μm. Eine Anordnung so vieler Düsenlöcher auf kleinster Fläche wird bspw. fertigungstechnisch dadurch möglich, indem das anfänglich beschriebene Wendelbohrverfahren eingesetzt wird, bei dem während des Bohrens nur eine lokal auf die Stelle des Materialabtrags konzentrierte Belastung des Materials des Werkstücks stattfindet.
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Bei der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Spinndüse bildet das zumindest eine Düsenloch vorzugsweise einen Spinnkanal mit einer Lange von maximal 500 μm und bevorzugt von maximal 300 μm aus. Hierbei kann der Spinnkanal zumindest über einen Teil seiner Tiefe zumindest im Wesentlichen zylindrisch, konisch, bikonisch oder trichterförmig ausgebildet sein.
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Ist der Spinnkanal zumindest im Wesentlichen konisch ausgebildet, so kann dieser einen Konizitätsfaktor zwischen 1:1 und 1:3 und bevorzugt zwischen 1:1 und 1:2 aufweisen.
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Da für die Herstellung einer Faser mit 1.000 oder 12.000 oder mehr einzelnen Monofilamenten die Dichte der Düsenlöcher pro Flächeneinheit sehr groß ist und die einzelnen Düsenlöcher mit einem Durchmesser von 35 μm oder weniger sehr klein sind, tendieren diese sehr leicht dazu zu Verstopfen. Um eine reibungslose Produktion zu gewährleisten, ist es daher wichtig, dass die Spinndüsen einfach gereinigt werden können, was nur durch sehr aggressive Reinigungsmittel möglich ist. Um die Spinndüsen bei der Reinigung vor Korrosion zu schützen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Spinndüse aus einem metallischen Werkstoff, bevorzugt aus einer Metalllegierung, besonders bevorzugt aus einer ein oder mehrere Edelmetalle enthaltenden Metalllegierung gebildet ist. Denkbar sind bspw. Legierungen, die Platin oder Gold oder Iridium oder mehrere der vorgenannten Edelmetalle enthalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine aus zumindest einem Monofilament gebildete Carbon-Precursor-Faser vorgeschlagen, die insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und bei der die einzelnen Monofilamente einen gemäß der DIN EN ISO 1973 bestimmten Filamentdurchmesser von 8 μm oder weniger, bevorzugt 6 μm oder weniger, besonders bevorzugt 5 μm oder weniger, ganz besonders bevorzugt 3 μm oder weniger haben.
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Erst durch die Bereitstellung einer Carbon-Precursor-Faser mit Monofilamenten mit einem Durchmesser von weniger als 8 μm lassen sich bis zum Zeitpunkt der Erfindung nicht herstellbare Carbon-Fasern mit Monofilamenten mit einem Durchmesser von 4 μm oder weniger herstellen, die eine völlig neue Generation von Carbon-Fasern mit vielfältigen neuen Anwendungsgebieten bereitstellen.
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Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Carbon-Precursor-Faser Polyacrynitril oder ein oder mehrere Copolymere des Polyacrynitrils oder Mischungen davon oder ist daraus gebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das zumindest eine Monofilament der erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser eine gemäß der DIN EN ISO 5079 bestimmte Zugfestigkeit von 50 cN/tex oder mehr, bevorzugt 65 cN/tex oder mehr, besonders bevorzugt 70 cN/tex oder mehr.
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Ferner kann das zumindest eine Monofilament der erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser vorzugsweise einen gemäß der DIN EN ISO 5079 bestimmten E-Modul 1 von 1100 cN/tex oder mehr, bevorzugt 15 GPa 1200 cN/tex oder mehr, besonders bevorzugt 1300 cN/tex oder mehr, ganz besonders bevorzugt 1500 cN/tex oder mehr haben.
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Darüber hinaus sieht eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser vor, dass das zumindest eine Monofilament eine gemäß der DIN EN ISO 5079 bestimmte Höchstzugkraftdehnung von 10% oder mehr, bevorzugt 12% oder mehr hat.
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Mit den vorgenannten vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der einzelnen Monofilamente der erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser lässt sich eine ultradünne Carbon-Faser mit einem Durchmesser der einzelnen Monofilamente von 4 μm oder weniger herstellen, deren mechanische Eigenschaften im sog. Hochmodulbereich (sog. HM-Fasern) liegen und aus denen bspw. hochsteife und, aufgrund der besseren Faser-Matrix-Haftung gegenüber der Verwendung von Standard Carbon-Fasern, filigranere CFRC-Strukturbauteile hergestellt werden können, als dies mit Standard Carbon-Fasern möglich ist.
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Die Monofilamente der Carbon-Precursor-Faser haben in ihrem Querschnitt betrachtet eine Längenausdehung L und eine Breitenausdehung B. Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser das Längen zu Breitenverhältnis L/B kleiner als 2, bevorzugt kleiner als 1,5.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine aus zumindest einem Monofilament gebildete Carbon-Faser vorgeschlagen, die insbesondere aus der erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser hergestellt ist, und bei der das zumindest eine Monofilament einen gemäß der DIN EN ISO 1973 bestimmten Filamentdurchmesser von 4,0 μm oder weniger, bevorzugt 3,0 μm oder weniger, besonders bevorzugt 2,0 μm oder weniger hat.
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Die erfindungsgemäße Carbon-Faser kann hierbei 1.000 oder mehr, vorzugsweise bis zu 100.000 Monofilamente umfassen. Möglich ist bspw., dass die erfindungsgemäße Carbon-Faser 1.000, 3.000, 6.000, 12.000, 24.000, 50.000 einzelne Monofilamente hat.
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Die erfindungsgemäße Carbon-Faser ist hierbei vorzugsweise eine Polyacrynitril, Polyacrylnitril Copolymer oder Mischungen davon basierte Carbon-Faser.
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eine Monofilament der erfindungsgemäßen Carbon-Faser eine gemäß der DIN EN 1007 Teil 4 bestimmte Zugfestigkeit von 3 GPa oder mehr, bevorzugt 3,5 GPa oder mehr, besonders bevorzugt 5,5 GPa oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 5,5–10,0 GPa.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine Monofilament der erfindungsgemäßen Carbon-Faser einem gemäß der DIN EN 1007 Teil 4 bestimmten E-Modul von 250 GPa oder mehr, bevorzugt 300 GPa oder mehr hat.
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Des Weiteren ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das zumindest eine Monofilament der erfindungsgemäßen Carbon-Faser eine gemäß der DIN EN 1007 Teil 4 gemessene Höchstkraftzugdehnung von 1,0% oder mehr, bevorzugt 1,3% oder mehr hat.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbindet die erfindungsgemäße Carbon-Faser folgende Eigenschaften miteinander:
- – Durchmesser: 1,5–3,5 μm
- – Zugfestigkeit: 3,5–5,5 GPa
- – E-Modul: 250–350 GPa
- – Höchstkraftzugdehnung: 1,2–1,7%
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die PAN-Moleküle unerwartet hoch in Faserrichtung orientiert, wodurch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Carbon-Faser mit E-Modul-Werten von 300 GPa oder mehr hergestellt werden können. Die von den Erfindern hergestellten Carbon-Fasern haben Zugfestigkeitswerte von bis zu 10 GPa. Diese hohen Werte der Zugfestigkeit werden aufgrund einer sehr geringen Fehlstellendichte erreicht, die im Wesentlichen auf den geringen Durchmesser der einzelnen Monofilamente der erfindungsgemäßen endlosen Carbon-Faser zurückzuführen ist.
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Aus der erfindungsgemäßen Carbon-Faser kann ein textiles Flächengebilde, wie bspw. ein Gelege, Gewirke, Gestricke oder Gelege hergestellt werden, welches als Halbzeug zur Herstellung eines Prepregs dient, aus dem wiederum ein Faserverbundbauteil hergestellt werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter erläutert. Es zeigen
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1 eine REM-Aufnahme eines Düsenlochs einer Spinndüse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Darstellung einzelner Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 eine REM-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser,
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4 eine REM-Querschnittsaufnahme der in der 3 gezeigten Carbon-Precursor-Faser und
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5 eine REM-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Carbon-Faser.
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Die 1 zeigt eine REM-Aufnahme eines Düsenlochs einer Spinndüse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die in der 1 gezeigte Spinndüse hat 3.000 Düsenlöcher von denen vorliegend ein Düsenloch zu sehen ist. Das Düsenloch hat einen Durchmesser von 30 μm. Mit der gezeigten Spinndüse wurde eine in der 3 gezeigte Carbon-Precursor-Faser mit dem in der 2 näher beschriebenen erfindungsgemäßen Nassspinnverfahren hergestellt. Die in den 3 und 4 gezeigte Carbon-Precursor-Faser wurde nachfolgend zu einer in der 5 gezeigten Carbon-Faser weiterverarbeitet.
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Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine PAN und N,N-Dimethylformamid-Lösungsmittel enthaltende Spinnlösung 1 durch eine Spinndüse 2 in ein eine Mischung aus DMF und Wasser enthaltendes Fällbad 3 kontinuierlich extrudiert, wodurch eine Faser 4 gebildet wird.
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Die Spinndüse 2 hat 3.000 Düsenöffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 30 μm. Die erhaltene Faser 4 besteht somit aus 3.000 einzelnen endlosen Monofilamenten.
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Anschließend wird die Faser 4 aus dem Fällbad 3 herausgeführt und nachfolgend in mehreren Schritten gewaschen, getrocknet und verstreckt.
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In der vorliegend dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Faser 4 in mehreren hintereinander angeordneten Bädern 5, 6, 7 und 11 einem Waschprozess unterzogen und vor bzw. zwischen den Bädern 5, 6 und 7 bzw. in dem Bad 11 jeweils an Verstreckstationen 8, 9, 10 und 12 in nassem Zustand nass verstreckt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wir die Faser 4 somit vor und während dem Waschprozess in nassem Zustand verstreckt, wobei die Faser 4 beim Nassverstrecken um den Faktor 4,5 gegenüber dem Zustand verstreckt wird, den diese beim Austritt aus dem Fällbad 3 hat.
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Im nachfolgenden Prozessschritt wird die Faser zuerst durch mehrere hintereinander angeordnete, auf 150–160°C geheizte Verstreckstationen 13–17 geführt. Daran anschließend wird die Faser 4 durch einen Trockenofen 18 und darauf folgend wieder durch eine Verstreckstation 19 geführt, bevor die nun als Carbon-Precursor-Faser ausgebildete Faser 4, mittels einer Wickeleinrichtung 20 auf eine Spule gewickelt wird.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wir die Faser 4 somit vor, während und nach dem Trocknungsprozess verstreckt, wobei die Faser 4 beim Trockenverstrecken um den Faktor 1,9 gegenüber dem Zustand verstreckt wird, den diese nach dem Nassverstrecken hat.
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Das Verhältnis des Verstreckungsgrads von Trockenverstreckung zu Nassverstreckung beträgt somit vorliegend 0,38.
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Die aufgewickelte Carbon-Precursor-Faser 4 wurde dann durch Stabilisieren und Carbonisieren zu einer Carbon-Faser weiterverarbeitet, die in der 4 zu sehen ist.
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Die Stabilisierung wird hierbei bei einer Temperatur von 220–280°C durchgeführt, während die Carbonisierung, bei einer Temperatur von 1350°C durchgeführt wird.
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Die 3 zeigt die mit dem in 2 beschriebenen Verfahren hergestellte Carbon-Precursor-Faser, bei der die einzelnen Monofilamente einen Durchmesser im Bereich von ca. 6,0 μm–7,2 μm haben.
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Die 4 zeigt ein REM-Querschnittsbild der in der 3 gezeigten Carbon-Precursor-Faser. Eine Auswertung der Querschnitte ergibt, dass die erfindungsgemäße Carbon-Precursor-Faser ein Längen- zu Breitenverhältnis L/B von 1,22 hat, d. h. die einzelnen Filamente haben eine nahezu kreisrunde Querschnittsfläche.
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Die 5 zeigt die auf Basis der in den 3 und 4 gezeigten Carbon-Preeursor-Faser hergestellte Carbon-Faser, bei der die einzelnen Monofilamente einen Durchmesser im Bereich von ca. 3,2–3,9 μm haben.
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Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt eine vergleichende Darstellung der Herstellung und mechanischen Eigenschaften zwischen einer erfindungsgemäßen Carbon-Precursor-Faser bzw. Carbon-Faser und einer aus dem Stand der Technik bekannten feinen Carbon-Precursor-Faser bzw. Carbon-Faser. Tabelle 1:
| | Vergleichsbeispiel | Erfindung |
| Durchmesser Düsenloch [μm] | 50 | 30 |
| Verhältnis Trocken- zu Nassverstreckung | 0,2 | 0,38 |
| Filamentdurchmesser PAN-Faser [μm] | 11,4 | 6,2–7,2 |
| Höchstzugdehnung PAN-Faser [%] | 13,5 | 11,9 |
| Zugfestigkeit PAN-Faser [cN/tex] | 52 | 70 |
| EModul 1 PAN-Faser [cN/tex] | 1080 | 1510 |
| Filamentdurchmesser C-Faser [μm] | 7,5 | < 4 μm |
| Höchstzugdehnung C-Faser [%] | 1,7 | 1,3 |
| Zugfestigkeit C-Faser [GPa] | 4,1 | 5,5 |
| E-Modul C-Faser [GPa] | 240 | 265 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 1973 [0034]
- DIN EN ISO 5079 [0037]
- DIN EN ISO 5079 [0038]
- DIN EN ISO 5079 [0039]
- DIN EN ISO 1973 [0042]
- DIN EN 1007 Teil 4 [0045]
- DIN EN 1007 Teil 4 [0046]
- DIN EN 1007 Teil 4 [0047]
