DE102014015640A1 - Carbon composite and method of manufacture - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Carbonverbundstoff und dessen Herstellung, bei der geeignete kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterialien in Form von Fäden, Fasern, Pulp zunächst zu un-, teil oder ganz verfestigten dünnen, mikroporösen Flächengebilden in der Form von Spinnvliesen oder injektionsstrahlverfestigten Flächen ausgeführt und anschließend den thermischen Behandlungen zur Carbonisierung ausgesetzt werden. Die sehr dünnen, mikroporösen carbonisierten Flächengebilde werden als verstärkende Komponente mit einer geeigneten Matrix versehen und zum Verbundstoff weiterverarbeitet. Eine kontinuierliche Prozessgestaltung bis zum fertigen Verbundstoff ist möglich. Es werden Aufwand und Kosten reduziert.The present invention relates to a carbon composite and its preparation in which suitable carbonaceous starting materials in the form of filaments, fibers, pulp are first made into uncontacted or fully solidified microporous thin sheets in the form of spunbonded webs or injection-jet bonded surfaces and then subjected to thermal treatments be exposed to carbonation. The very thin, microporous carbonized sheets are provided as a reinforcing component with a suitable matrix and further processed into a composite. A continuous process design up to the finished composite is possible. It costs and costs are reduced.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonverbundstoffen auf Basis geeigneter kohlenstoffhaltiger organischer Ausgangsmaterialien, in dem die Verfahrensstufe „Carbonfaserherstellung„ ganz oder teilweise umgangen wird, um somit die Voraussetzung für einen kostengünstigen, teilweise kontinuierlichen Fertigungsprozess für sehr dünne carbonisierte Flächengebilde und Carbonverbundstoffe zu schaffen.The invention relates to a process for the production of carbon compounds based on suitable carbonaceous organic starting materials in which the process step "carbon fiber production" is completely or partially circumvented, thus creating the conditions for a cost-effective, partially continuous manufacturing process for very thin carbonized fabrics and carbon composites.

Stand der TechnikState of the art

Carbonfasern und carbonfaserverstärkende Verbundstoffe gewinnen in den unterschiedlichsten industriellen Bereichen, aufgrund ihrer geringen Masse und sehr guten mechanischen Eigenschaften, zunehmend an Bedeutung. Kohlenstoffhaltige Fasern, Fäden, Filamente werden zunächst in mehreren thermischen Behandlungsstufen carbonisiert. Danach erfolgt die Weiterverarbeitung mittels bekannter meist textiler Fertigungstechnologien zu textilartigen Flächengebilden in den Ausführungsformen wie Gewebe, Gewirke, Gelege oder Vliesstoffe und die Verbindung mit einer geeigneten Matrix. Über Halbzeuge wie beispielsweise Prepregs oder direkt erfolgt die Verarbeitung zum Carbonfaser verstärkenden Verbundstoff.Carbon fibers and carbon fiber reinforcing composites are becoming increasingly important in a wide variety of industrial sectors because of their low mass and very good mechanical properties. Carbon-containing fibers, filaments, filaments are first carbonized in several thermal treatment stages. Thereafter, the further processing by means of known mostly textile manufacturing technologies to textile-like fabrics in the embodiments such as woven fabric, knitted fabric, scrim or nonwoven fabrics and the connection with a suitable matrix. About semi-finished products such as prepregs or directly to the processing takes place to carbon fiber reinforcing composite.

Die Herstellung solcher Carbonverbundstoffe erfolgt in vielen aufwendigen Verfahrensstufen und ist auf eine industrielle Massenproduktion nicht ausgerichtet.The preparation of such carbon composites takes place in many complex process stages and is not geared to industrial mass production.

Gegenwärtig wird die Herstellung von Carbonverbundststoffen durch den Einsatz von Carbonfaser verstärkten Kohlenstoffen realisiert. Die Herstellung solcher Kohlenstofffasern und kohlenstofffaserbasierenden textilartigen Flächen ist sehr aufwendig und teuer. Die zum Einsatz kommenden Endlosfäden/Fasern müssen mehrmals oberflächlich behandelt werden, da sie im Fertigungsprozess zum Verbundstoff, aufgrund der thermischen Behandlungsverfahren, ihre textilen Eigenschaften zum Teil verlieren. Ebenfalls müssen die textilartigen Flächen aus den Carbonfasern eine optimale Verbindung mit der vorgesehenen Matrix eingehen.At present, the production of carbon composites is realized through the use of carbon fiber reinforced carbons. The production of such carbon fibers and carbon fiber-based textile-like surfaces is very complicated and expensive. The continuous filaments / fibers used have to be treated superficially several times, since they lose some of their textile properties during the production process for the composite, due to the thermal treatment processes. Likewise, the textile-like surfaces of the carbon fibers must form an optimum connection with the intended matrix.

Die üblichen Verfahrensstufen der Carbonfaserherstellung sind:

  • – Aufbereitung des Ausgangsmaterials (vorzugsweise Polyacrylnitrilfasern)
  • – thermische Oxidation bei ca. 200–300°C
  • – Pyrolyse bei ca. 450–700°C
  • – Carbonisierung ab ca. 700°C–1500°C (Graphitierung bis 3000°C)
  • – Waschen, Oberflächenbehandlung/ Präparation
  • – Aufwickeln/Spulen
The usual process steps of carbon fiber production are:
  • Preparation of the starting material (preferably polyacrylonitrile fibers)
  • - Thermal oxidation at about 200-300 ° C.
  • - Pyrolysis at about 450-700 ° C
  • Carbonization from approx. 700 ° C-1500 ° C (graphitization up to 3000 ° C)
  • - Washing, surface treatment / preparation
  • - winding / spooling

Erst danach erfolgt die Weiterverarbeitung der Kohlenstofffasern über textile Ausführungsformen und unter Einbeziehung einer geeigneten Matrix oder eines Matrixsystems zu Halbzeugen wie Prepregs, Preforms und zum Carbonverbundstoff. Die US-PS 3.859.158 verwendet carbonisierte Fasermaterialien, die dann zu einem Carbonverbundstoff weiterverarbeitet werden. In der JP-A-4-294 136 (Toray) wird die Herstellung von Prepregs beschrieben, bei der ebenfalls bereits carbonisierte Fasermaterialien für die Textilflächenherstellung eingesetzt werden. Die US-PS 4.092.453 geht auch von der Verarbeitung bereits carbonisierter Fasermaterialien zum Halbzeug bzw. des Carbonverbundstoffes aus. Eine Umgehung der Verfahrensstufe „Carbonfaserherstellung” bzw. die veränderte Anordnung der Verfahrungsstufe „Carbonisierung” im Gesamtfertigungsprozess zum Carbonverbundstoff ist nicht bekannt.Only then does the further processing of the carbon fibers via textile embodiments and including a suitable matrix or a matrix system to semi-finished products such as prepregs, preforms and the carbon composite. The U.S. Patent 3,859,158 uses carbonized fiber materials, which are then further processed into a carbon composite. In the JP-A-4-294136 (Toray) describes the production of prepregs, which also already carbonized fiber materials are used for textile surface production. The U.S. Patent 4,092,453 is also based on the processing of already carbonized fiber materials for semi-finished or carbon composite. A circumvention of the process step "carbon fiber production" or the modified arrangement of the process step "carbonization" in the overall manufacturing process for carbon composite is not known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kosten und Aufwand von kohlenstoffbasierenden Halbzeugen und Carbonverbundstoffen zu reduzieren und neue Ausführungsformen von Carbonverbundstoffen zu finden.The invention has for its object to reduce the cost and effort of carbon-based semi-finished and carbon composites and to find new embodiments of carbon composites.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass bei der Verarbeitung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien in der Ausführung von Fasern, Faden, Filamenten zu un- teil oder ganzverfestigten dünnen und luftdurchlässigen Flächengebilden sowie deren anschließen Carbonisierung und weiteren Bearbeitung zum Halbzeug oder Carbonverbundstoff die erfindungsgemäße Aufgabe erfüllt wird.Surprisingly, it has been found that the object according to the invention is achieved in the processing of carbonaceous starting materials in the embodiment of fibers, filaments, filaments into partly or fully consolidated thin and air-permeable sheets and their subsequent carbonization and further processing into semi-finished or carbon composite.

Bestimmendes Merkmal der Erfindung ist, dass die Ausgangsmaterialien in Form von kohlenstoffhaltigen Fäden, Filamenten, Garnen, Fasern, Pulp oder ähnlichen Vorlageformen aus beispielsweise Polyacrylnitril, zunächst zu dünnen mikroporösen ein oder mehrflächigen Ausführungsformen verfestigt werden. Besonders geeignet sind Spinnvliese oder injektionsstrahlverfestigte Textilflächen, welche bindemittelfrei mit einer Dicke von kleiner 1 mm und mit hoher Gleichmäßigkeit gefertigt werden können. Unter Einbeziehung der Injektionsstrahlverfestigungstechnologie im Gesamtprozess der Carbonverbundstoffherstellung, bietet sich unter anderem der Vorteil einer Textilflächenreinigung mit dem Nassverfestigungsprozess. Der Injektionsstrahlverfestigungsprozess schafft auch die Voraussetzung, dass der im Verfahren eingebundenen Trocknungsvorgang so ausgelegt wird, dass eine kontinuierliche weitere thermische Behandlung bis zur Carbonisierung der textilartigen Flache erfolgen kann. Eine Vorkonfektionierung der injektionsstrahlverfestigten textilartigen Flache vor dem Carbonisierungsvorgang ist vorteilhaft. Je nach Anwendungsprofil des späteren Carbonverbundstoffes kann unter Nutzung der prozessbezogenen Restwärme eine gleichmäßige Verbindung mit der vorgesehenen Matrix erfolgen. Der Gesamtherstellungsprozess wird so ausgelegt, dass ein kontinuierlicher Verfahrensablauf möglich ist. Beim Einsatz von Spinnfäden/Endlosfäden sollte schon bei deren Herstellung ein geeignetes Streckungsverhältnis der Fäden im Spinnprozess und somit eine axiale Ausrichtung der Kohlenstoffketten im Polymer berücksichtigen werden, um die Festigkeitseigenschaften des Endproduktes zu verbessern.A determining feature of the invention is that the starting materials in the form of carbonaceous filaments, filaments, yarns, fibers, pulp or similar initial forms of, for example, polyacrylonitrile, are first solidified into thin microporous one or more surface embodiments. Particularly suitable are spunbonded nonwovens or injection-jet-reinforced textile surfaces which can be produced without binder with a thickness of less than 1 mm and with high uniformity. Including the injection jet hardening technology in the overall process of carbon composite production, there is the advantage of a textile surface cleaning with the wet strengthening process. The injection jet hardening process also provides the prerequisite that the drying process involved in the process is designed so that a continuous further thermal treatment can be carried out until the carbonization of the textile-like surface. Pre-assembly of the injection-jet-bonded textile-like surface before the carbonization process is advantageous. Depending on the application profile of the later carbon composite can be made using the process-related residual heat, a uniform connection with the intended matrix. The overall manufacturing process is designed to allow a continuous process flow. When using spun yarns / continuous filaments, a suitable aspect ratio of the filaments in the spinning process and thus an axial orientation of the carbon chains in the polymer should be taken into account already during their production in order to improve the strength properties of the end product.

Solche sehr dünnen, besonders mikroporösen injektionsstrahlverfestigten textilartigen Flächengebilde schaffen die Voraussetzung für eine sehr gleichmäßige Aufnahme der vorgesehenen Matrix oder des Matrixsystems und somit für die Herstellung von dünnen und gleichmäßigen carbonisierten Halbzeugen und Carbonverbundstoffen in einem möglichen kontinuierlichen Fertigungsprozess. Anwendungsmöglichkeiten gibt es beispielsweise im Bereich der Brennstoffzellentechnik oder Carbonfolien.Such very thin, especially microporous, injection-jet-bonded textile-like fabrics create the prerequisite for a very uniform reception of the intended matrix or of the matrix system and thus for the production of thin and uniform carbonized semi-finished products and carbon composites in a possible continuous production process. There are applications for example in the field of fuel cell technology or carbon foils.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, bei Einbindung der Injektionsstrahlverfestigungstechnologie, die verfahrensmäßige Nutzung der Trocknungstemperatur für den anschließenden Carbonisierungsvorgang, die mit dem Nassprozess verbundene Reinigung der textilartigen, diffusionsoffenen Fläche und die teilweise Nutzung der Restwärme im weiteren kontinuierlichen Verfahrensprozess zur Bindung mit einer geeigneten kunststoffhaltigen oder keramischen Matrix. Aufwendige Faserpräparationen zur textilen Weiterverarbeitung können entfallen bzw. reduziert werden. Im Gesamtfertigungsablauf ist es möglich weitere lineare verstärkende Komponenten der textilartigen Fläche vor oder nach dem Injektionsstrahlverfestigungsprozess zu zuführen. Für die erfindungsgemäße Ausführung eignen sich auch diffusionsoffene, mikroporöse textilartige Flächengebilde wie kohlenstoffhaltige Papiere oder Folien.An essential advantage of the invention is, when incorporating the injection jet hardening technology, the procedural use of the drying temperature for the subsequent carbonization process, the associated with the wet process cleaning the textile-like, vapor-permeable surface and the partial use of residual heat in the further continuous process process for bonding with a suitable plastic-containing or ceramic matrix. Elaborate fiber preparations for textile processing can be omitted or reduced. In the overall production process it is possible to supply further linear reinforcing components to the textile-like surface before or after the injection jet hardening process. Also suitable for the embodiment according to the invention are diffusion-open, microporous textile-like fabrics such as carbon-containing papers or films.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Schmelzgesponnene Polyacryl-Homopolymerfasern/-Fäden mit hohem Verstreckungsgrad zur Modulverbesserung und Kristallisationsgrad werden zu einem dünnem, mikroporösem Vlies und einem Flächengewicht von ca. 80 g/m2 formiert und einer Injektionsstrahlverfestigungsanlage vorgelegt, wobei die Zuführung der Fäden/Fasern auch direkt von einer Spinnvorrichtung erfolgen kann. Das verfestigte Vlies wird bedarfgerecht konfektioniert und einem Carbonisierungsprozess ausgesetzt. Die carbonisierte Fläche wird mit einer Kunststoffmatrix versehen und über bekannte Verfahren zu Prepregs, Preforms oder direkt zum Carbonverbundstoff weiter verarbeitet.Melt-spun polyacryl homopolymer fibers / filaments with a high degree of stretching to improve the modulus and degree of crystallization are formed into a thin, microporous nonwoven and have a weight per unit area of about 80 g / m 2 and introduced into an injection beam hardening system, wherein the filaments / fibers are also fed directly from a spinning device can be done. The consolidated nonwoven fabric is made-to-order and exposed to a carbonization process. The carbonized surface is provided with a plastic matrix and further processed by known methods to prepregs, preforms or directly to the carbon composite.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Ein nach Beispiel 1 hergestellter injektionsstrahlverfestigter Vliesstoff mit einer Dicke von ca. 1 mm und dem Flächengewicht von 20–40 g/m2 wird in einer Fertigungslinie, in der Spinnvorrichtung, Injektionsstrahlvorrichtung, Carbonisierungsanlage und Vorrichtungen zur Verbindung mit der Matrix zum Verbundstoff in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt.An injection-bonded non-woven fabric having a thickness of about 1 mm and the weight per unit area of 20-40 g / m 2 and produced in accordance with example 1 is produced in a continuous production line, in the spinning device, injection jet device, carbonization system and devices for joining the matrix to the composite material Manufacturing process produced.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3

Aus Regeneratcellulose hergestellt Fäden/Fasern werden nach Ausführungsbeispiel 1 und 2 zum Carbonverbundstoff verarbeitet.Made of regenerated cellulose threads / fibers are processed according to Embodiment 1 and 2 to the carbon composite.

Ein beispielsweise schematischer Verfahrensablauf ist der Zeichnung 1 ausgewiesen.An example of a schematic procedure is shown in the drawing 1.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 3859158 [0006] US 3859158 [0006]
  • JP 4-294136 A [0006] JP 4-294136A [0006]
  • US 4092453 [0006] US 4092453 [0006]

Claims (5)

Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst kohlenstoffhaltige Chemie- oder Naturfäden/-fasern zu einem un-, teil-, oder ganzverfestigten textilartigen dünnen Flächengebilde verarbeitet werden und erst in den nachstehenden Verfahrensstufen die Carbonisierung sowie, mit einer geeigneten Matrix versehen, die Carbonverbundstoffherstellung erfolgt.Carbon composite material and method of production, characterized in that first carbon-containing chemical or natural threads / fibers are processed into a non-partially, or fully solidified textile-like thin sheet and only in the following process steps, the carbonization and, provided with a suitable matrix, the carbon composite is made. Carbonverbundstoff und Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgelegten dünnen textilartigen Flächengebilde mikroporös und durch Injektionsstrahlverfestigung behandelt wurden.Carbon composite material and method for the production according to claim 1, characterized in that the submitted thin textile fabrics were microporous and treated by injection jet hardening. Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung nach Anspruch 1–2, gekennzeichnet durch einen kontinuierlichen Verfahrensablauf mit in der Anzahl und Anordnung variabel integrierten Injektionsstrahlverfestigungsanlage im Fertigungsprozess der Carbonverbundstoffherstellung.Carbon composite and method of manufacture according to claim 1-2, characterized by a continuous process sequence with in number and arrangement variably integrated injection jet hardening plant in the manufacturing process of carbon composite production. Carbonverbundstoff und Verfahren der Herstellung nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet durch die Nutzung der Injektionsstrahl-Trocknungsenergie und der Wärmeenergie der thermischen Behandlungsstufen zur Carbonisierung im Gesamtfertigungsprozess der Carbonverbundstoffherstellung, insbesondere zur Verbindung mit einer geeigneten Matrix.Carbon composite and method of manufacture according to claim 1-3, characterized by the use of the injection jet drying energy and the heat energy of the thermal treatment stages for carbonization in the overall manufacturing process of carbon composite production, in particular for connection to a suitable matrix. Carbonverbundstoff nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die carbonisierte Fläche und der Carbonverbundstoff eine Materialdicke kleiner 1 mm aufweisen.Carbon composite according to claim 1-4, characterized in that the carbonized surface and the carbon composite have a material thickness of less than 1 mm.
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