DE102015014467A1

DE102015014467A1 - Endlosfaserverstärkte Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern

Info

Publication number: DE102015014467A1
Application number: DE102015014467.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-01-19
Also published as: DE202015004713U1

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern, die eine Verstärkung anhand von Endlosfasern aufweisen. Bei den zug- und reißfesten Vliesstoffen aus aktivierten Kohlenstofffasern handelt es sich komplexe Halbzeuge, die eine oder mehrere aktiven Schichten und eine oder mehrere Armierungsschichten gleichzeitig enthalten. Bei den aktivierten Schichten handelt es sich um einen Vliesstoff aus aktivierten Kohlenstofffasern. Als Armierung dient eine Gitterstruktur aus Glas, Carbon, Keramik, Basalt oder Metall. Zwei bevorzugte Varianten des Strukturaufbaus sind in 1 und 2 schematisch dargestellt. Die Stabilisierung und Fixierung des Halbzeugs erfolgt mittels der Wirkfäden einer Kettenwirkmaschine. Die endlosfaserverstärkten Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern vereinigen in sich die Vorteile der existierenden herkömmlichen Geweben und Vliese. Im Vergleich zu den Geweben aus aktivierten Kohlenstofffasern, weisen die endlosfaserverstärkten Vliesstoffe eine um ca. 20–30% größere aktive Oberfläche aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Vliesen aus aktivierten Kohlenstofffasern besitzen die endlosfaserverstärkten Strukturen eine um mindestens 50% höhere Zugfestigkeit auf. Damit sind die endlosfaserverstärkten Vliesstoffen aus aktivierten Kohlenstoffaser besonders geeignet für die Herstellung von technischen Filtern und Personenschutzprodukten, bei der auch hohen Anforderungen an den mechanischen Eigenschaften und der Lebensdauer des Produkts gestellt werden.

Description

Technisches Sachgebiet
Gegenstand der Erfindung sind endlosfaserverstärkte Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern. Diese weisen im Vergleich zu den Vliesen ohne zusätzliche Verstärkung deutlich höhere Zug- und Reißfestigkeiten auf.
Stand der Technik
Aktivierte Kohlenstofffasern (AKF) stellen eine Sonderform der aktivierten Kohlen dar. Diese finden eine breite Anwendung bei der Produktion verschiedener Filter, Atemschutzmasken, Schutzbekleidung, technische Thermo- und Hitzeisolationen usw. Die aktivierten Kohlenstofffasern besitzen einen Faserdurchmesser zwischen 5 und 30 μm. Die Mikroporen auf der Faseroberfläche sind ca. 15–20 Å groß. Dank dieser Mikroporen weisen die Fasern, im Vergleich zu Kohlenstoffpulver mit einer Korngröße im Bereich zwischen 500 und 5000 μm, eine um Faktor 20 größere spezifische Oberfläche auf. Dank der realisierten Aktivfläche von ca. 700–2500 m²/g sind mit den Fasern besonders hohe Absorptions-Desorptionsgraden und Geschwindigkeiten zu erreichen. Diese einzigartigen Eigenschaften der aktivierten Kohlenstofffasern in Kombination mit deren hervorragenden Temperatur- und Chemikalienbständigkeit macht sie unersetzlich in zahlreichen Anwendungen, wie Heißgasfiltration, Luft- und Wasserfiltration sowie bei der Rückgewinnung organischer Substanzen und Lösungsmitteln.
Wichtiger Vorteil der aktivierten Kohlenstofffasern stellt ihr textiler Charakter dar. Die AKF lassen sich leicht und ohne zusätzliche Modifikationen auf konventionellen Textilmaschinen zu verschiedenen Textilstrukturen, wie Garne, Geweben, Vliesstoffe, und Filze verarbeiten. Die realisierten Zwischenprodukte sind ihrerseits leicht durch Schneiden, Nähen, Kleben usw., zu komplexeren Halbzeugen zu konfektionieren.
Die Produktion von aktivierten Kohlenstofffasern erfolgt nach bereits bekannten technischen und technologischen Verfahren. In US4401588 , DE2715486 und in DE2345298 werden verschiedene Technologien für die Produktion von AKF ausführlich beschrieben.
Ausgangsmaterial für die Produktion von AKF sind meistens Zellulose- oder Acrylfasern, die bei hohen Temperaturen und in geeigneter Prozessgasatmosphäre zuerst oxidiert und anschließend carbonisiert werden. Die Aktivierung der Fasern erfolgt in einem weiteren Prozessschritt, bei dem unter Einwirkung von Wasserdampf, N₂, CO₂ oder anderer Chemikalien Mikroporen auf der Faseroberfläche gebildet werden.
Die Produktion von textilen Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern erfolgt mittels verschiedener Technologien. Weit verbreitet sind die Produktionsverfahren, die in DE-OS2345297 , DE69809718 , JP62133124 , DE6922055 , EP199150 und US4565727 beschrieben werden. Bei allen diesen Technologien wird zuerst ein textiles Halbzeug, wie z. B. Geweben, Gewirk oder Gestrick, Vlies oder Filz, erzeugt, das anschließend thermisch stabilisiert und aktiviert wird. Ausgangsrohstoffe dafür sind meistens Zellulose, Polyacrylnitril, Pech usw. Die thermische Stabilisierung beinhaltet die Prozessschritte der Oxidation und der Karbonisation. Die Aktivierung erfolgt in einem separaten Prozessschritt, in einer Wasserdampf-, Stickstoff- oder CO2-Atmosphäre oder in einem Chemikalienbad. Eine Anwendung findet ebenfalls ein Produktionsverfahren, das in DE19729642 beschrieben wird. Bei diesem werden die Prozesse der thermischen Stabilisierung und der Aktivierung in einem einzigen Verfahrensschritt realisiert.
Je nach Rohstoff, Aufmachungsform der Fasermaterialien und Art der textilen Konstruktion unterscheiden sich die erzeugten aktivierten Halbzeuge voneinander in ihren mechanischen Eigenschaften und in ihren spezifischen Oberflächen und damit auch in ihren Absorption- und Desorptionseigenschaften. Die Geweben aus AKF zeichnen sich in Folge der Überkreuzung von Kett- und Schussfäden durch gute Zug- und Reiseigenschaften aus, weisen aber strukturbedingt eine niedrigere äußere aktive Oberfläche auf. Ähnliche Zusammenhänge werden ebenfalls bei den Gewirken und Gestricken aus AKF beobachtet. Im Gegensatz zu den Geweben, Gewirken und Gestricken besitzen die Vliese, Filze und andere Non-wovens besonders große aktive Oberfläche, jedoch auch deutlich niedrigere Zug- und Reißfestigkeiten.
In der Technik existierend unterschiedliche Strategien und Einstätze zur Verbesserung der Zug- und Reißfestigkeiten der Vliese und Filze und der anderen nicht gewebten Strukturen bei gleichzeitigen Beibehaltung der aktiven Oberfläche.
In DE3346174 wird z. B. eine Technologie beschrieben, bei denen Zellulosefasern als Rohmaterial für die Produktion der aktivierten Kohlenstofffasern dienen. Zusätzlich werden mindestens 5% Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern) beigemischt, die zur Verfestigung der Struktur dienen. In diesem Fall, wird die Zug- und Reißfestigkeit der Struktur durch die Zugfestigkeit der PAN-Fasern bestimmt und limitiert. Nach einem anderen Verfahren, beschrieben in DE3339756 , werden zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge Hybridgarne eingesetzt. Dabei besteht das Kern des Hybridgarns aus hoch festen Glas- oder Keramikfasern und der Garnmantel aus karbonisiertem und aktiviertem Polymer. Nachteil dieser Technologie sind die hohen Prozesskosten für die Produktion der Hybridgarne sowie die relativ niedrige aktive Oberfläche der Struktur, da der aktivierte Kohlenstoff in Form eines Films und nicht in Form von Fasern vorliegt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, Zug- und Reißfeste Vliese aus aktivierten Kohlenstofffasern zu schaffen, um damit neue Anwendungsbereiche und Einsatzmöglichkeiten für diese Produkte im Bereich der Technik zu erschließen. Dabei sollen in Folge der Armierung der Struktur keine Nachteile in Bezug auf die Filtrationseigenschaften des Materials entstehen.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Bei den zug- und reißfesten Vliesstoffen aus aktivierten Kohlenstofffasern handelt es sich um komplexe Halbzeuge mit einer Schichtbauweise, die auf einer bi- oder multiaxialen Kettenwirkmaschine mit parallelem Schusseintrag hergestellt werden. Dabei sind in dem Halbzeug eine oder mehrere aktiven Schichten und eine oder mehrere Armierungsschichten gleichzeitig enthalten.
Als aktivierte Schicht dienen Vliesstoffe mit einem Flächengewicht von 10 bis 5.000 g/m². Diese bestehen aus aktivierten Kohlenstofffasern mit einer Länge zwischen 3 und 150 mm und einem Faserdurchmesser von 5 bis 40 μm. Die aktivierten Schichten werden von Rollen abgewickelt und auf das Transportband der Maschine abgelegt.
Als Armierungsschicht dient eine Gitterstruktur, die durch gerichtetes ablegen von endlosen Filamentgarnen aus Glas, Carbon, Keramik, Basalt oder Metall mit Hilfe der Schusseintragssystemen der multiaxialen Kettenwirkmaschine gebildet wird. Das Gitter weißt eine bevorzugte Maschenweite zwischen 2 und 200 mm auf. Die Armierungsgarne, die dabei eingesetzt werden, weisen eine Garnfeinheit zwischen 5 und 5000 tex auf. Um die o. g. Gitterstruktur abzubilden, werden die Armierungsgarne in zwei oder mehreren Lagen übereinander abgelegt. Dabei weisen die Armierungsgarne eine bevorzugte Orientierung auf, die über den einzelnen Schichten des Armierungsgitters unterschiedlich sein kann. Bevorzugte Orientierungswinkel liegen zwischen 0° und ±90°.
Die Rheinfolge der aktiven Schichten und der Armierungsgitter im Halbzeug kann beliebig variiert werden. Zwei bevorzugte Varianten des Strukturaufbaus sind in 1 und 2 schematisch dargestellt. Bei Variante 1 (1) wird ein Armierungsgitter (2) zwischen zwei aktivierten Schichten (1) abgelegt. Bei Variante 2 (2) wird im Gegenteil eine aktivierte Schicht zwischen zwei Armierungsgitter abgelegt.
Die Stabilisierung und Fixierung des Halbzeugs erfolgt mittels Wirkfäden (3), die zur Maschenbildung in der Wirkeinheit der Kettenwirkmaschine eingesetzt werden. Bevorzugt werden dazu glatte oder texturierte Filamentgarne aus Polyester, Polyamid, Polypropylen oder Glas mit einer Garnfeinheit zwischen 3 und 500 tex verwendet.
Die endlosfaserverstärkten Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern vereinigen in sich die Vorteile der existierenden herkömmlichen Geweben und Vliese. Im Vergleich zu den Geweben aus aktivierten Kohlenstofffasern, weisen die endlosfaserverstärkten Vliesstoffe eine um ca. 20–30% größere aktive Oberfläche aus. Dadurch weisen die Endprodukte (z. B. Industriefilter oder Schutzbekleidung) auf Basis der endlosfaserverstärkten Vliesstoffe deutlich bessere Gebrauchseigenschaften auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Vliesen aus aktivierten Kohlenstofffasern weisen die endlosfaserverstärkten Strukturen eine um mindestens 50% höhere Zugfestigkeit auf. Damit werden die Einsatztauglichkeit und die Lebensdauer des Endprodukts deutlich erhöht. Durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften der aktivierten Vliese sollten aber auch neue Anwendungsfelder im Bereich der Technik erschlossen werden.
Bezugszeichenliste

1: Aktivierte Schicht in Form eines Vlieses aus aktivierten Kohlenstofffaser
2: Armierungsgitter aus Filamentgarnen
3: Wirkfäden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4401588 [0004]
DE 2715486 [0004]
DE 2345298 [0004]
DE 2345297 A [0006]
DE 69809718 [0006]
JP 62133124 [0006]
DE 6922055 [0006]
EP 199150 [0006]
US 4565727 [0006]
DE 19729642 [0006]
DE 3346174 [0009]
DE 3339756 [0009]

Claims

Aktivierte textile Flächenstruktur, gekennzeichnet durch eine komplexe Bauweise mit mindestens einer Schicht aus aktivierten Kohlenstofffasern in Form eines Vliesstoffes (aktivierte Schicht), mindestens einer Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters und mindestens einem strukturstabilisierenden Wirkfadensystem.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schichtbauweise aufweist, bei der entweder eine Armierungsschicht zwischen zwei aktivierten Schichten gemäß 1 vorliegt oder eine aktivierte Schicht zwischen zwei Armierungsschichten gemäß 2 vorliegt.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierte Schicht in Form eines Vliesstoffes ein Flächengewicht zwischen 10 und 5.000 g/m² aufweist und aus aktivierten Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 40 μm und einer Länge von 3 bis 150 mm aufgebaut ist.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters mit mindestens zwei unterschiedlich orientierten Fadensystemen aus Glas-, Carbon-, Keramik-, Basalt- oder metallischen Filamentgarnen, die eine Garnfeinheit von 5 bis 5000 tex aufweisen, aufgebaut ist.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentgarne beider Fadensysteme des Armierungsgitters eine bevorzugte Orientierung mit einem Winkel von 0° bis ±90° (gemessen von der Produktionsrichtung der Maschine) aufweisen.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen das verwendete Armierungsgitter eine bevorzugte Länge und Breite zwischen 2 und 200 mm aufweisen.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihre aktivierten und armierenden Schichten anhand von über Kettenwirktechnologie gebildeten Maschen zueinander fixiert sind.
Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Stabilisierung der Struktur eingesetzten Wirkfäden eine Garnfeinheit zwischen 3 und 500 tex aufweisen und in Form von glatten oder texturierten Filamentgarne aus Polyester, Polyamid, Polypropylen oder Glas vorliegen.