DE102015106348B4 - Process for the production of moldings, the moldings produced thereafter and their use for the production of carbon moldings - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere von Fasern oder Folien, auf der Basis von modifizierten Polyolefinen oder modifizierten Polyamiden, dadurch gekennzeichnet, dass1.) thermoplastische Formkörper auf Basis von thermoplastischen Poly-α-Olefinen, die auf Monomere mit einer einzigen Doppelbindung zurückgehen, oder von thermoplastischen aliphatischen Polyamiden als Ausgangsmaterial herangezogen werden,2.) die Polyolefine und Polyamide des Formkörpers vernetzt und3.) die vernetzten Polyolefine und vernetzten Polyamide mit aktiviertem elementaren Schwefel sulphuriert werden.Process for the production of moldings, in particular fibers or films, based on modified polyolefins or modified polyamides, characterized in that 1.) thermoplastic moldings based on thermoplastic poly-α-olefins, which are based on monomers with a single double bond, or thermoplastic aliphatic polyamides are used as the starting material, 2.) the polyolefins and polyamides of the molded body are crosslinked and 3.) the crosslinked polyolefins and crosslinked polyamides are sulfurized with activated elemental sulfur.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere von Fasern oder Folien, auf der Basis von modifizierten Polyolefinen oder modifizierten Polyamiden, schwefelhaltige Formkörper in Form von Fasern oder Folien auf Basis modifizierter Polyolefine oder modifizierter Polyamide, sowie deren Verwendung zur Herstellung von Carbonformkörpern durch Carbonisierung und gegebenenfalls durch anschließendes Graphitisieren.The invention relates to a process for the production of moldings, in particular fibers or films, based on modified polyolefins or modified polyamides, sulfur-containing moldings in the form of fibers or films based on modified polyolefins or modified polyamides, and their use for producing carbon moldings Carbonization and optionally by subsequent graphitization.
Carbonfasern sind aufgrund ihrer Eigenschaften (hohe Zugfestigkeit und hoher Modul bei sehr geringer Dichte) die am meisten genutzten Verstärkungsfasern in Faserverbundwerkstoffen aus Carbonfaser-verstärktem Kunststoff (CFRP) für den Flugzeugbau, im Automobilbau und zur Herstellung von Windkraftanlagen, wenn die Eigenschaften anderer Verstärkungsfasern, wie die von Glasfasern, die Anforderungen insbesondere bezüglich der Steifigkeit nicht mehr erfüllen können. Die am Markt verfügbaren Carbonfasern basieren entweder auf Copolymerisaten von Polyacrylnitril (PAN) oder sogenannten „Pitch“-Polymeren (PITCH) als Präkursoren, wobei erstere für hochfeste Fasern dominieren und letztere für hochmodulige Fasern prädestiniert sind.Due to their properties (high tensile strength and high modulus with very low density), carbon fibers are the most widely used reinforcing fibers in fiber composite materials made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) for aircraft construction, in automobile construction and for the production of wind turbines, if the properties of other reinforcing fibers, such as that of glass fibers that can no longer meet the requirements, particularly with regard to rigidity. The carbon fibers available on the market are based either on copolymers of polyacrylonitrile (PAN) or so-called “pitch” polymers (PITCH) as precursors, the former being dominant for high-strength fibers and the latter predestined for high-modulus fibers.
Die beiden Präkursorsysteme auf Basis von PAN oder PITCH sind für die breite Anwendung in der Massenproduktion gegenüber metallischen Werkstoffen bislang nur begrenzt konkurrenzfähig. Daher wird weltweit nach kostengünstigen, alternativen Präkursoren auf Polymerbasis geforscht. Hierfür werden vor allem drei Polymerklassen avisiert: die Holzbestandteile Cellulose und Lignin sowie Polyethylen. Cellulose ist durch ihren Kohlenstoffgehalt von 44% als maximale Kohlenstoffausbeute auf diesen Wert limitiert, wobei typischerweise Kohlenstoffausbeuten von 20 bis 25% erreicht werden. Lignin besitzt einen Kohlenstoffgehalt von ca. 60%, wovon ca. 45 bis 50% als Kohlenstoffausbeute erreicht werden können. Polyethylen besitzt einen Kohlenstoffgehalt von 85%, wobei in der Literatur von Kohlenstoffausbeuten bis zu 75% berichtet wird. Im Sinne einer wirtschaftlichen Prozessführung ist das Polyethylen für Carbonfasern damit besonders interessant.The two precursor systems based on PAN or PITCH have so far only been able to compete with metal materials to a limited extent for widespread use in mass production. Therefore, worldwide research is being carried out to find inexpensive, alternative polymer-based precursors. Three polymer classes are advised for this: the wood components cellulose and lignin as well as polyethylene. Due to its carbon content of 44%, cellulose is limited to this value as the maximum carbon yield, with carbon yields of 20 to 25% being typically achieved. Lignin has a carbon content of approx. 60%, of which approx. 45 to 50% can be achieved as a carbon yield. Polyethylene has a carbon content of 85%, with carbon yields of up to 75% being reported in the literature. In terms of economical process management, polyethylene is particularly interesting for carbon fibers.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, das aus Polyethylen mit sehr hoher Kristallinität Carbonfasern mit Zugfestigkeiten von 2,5 GPa und einem Modul von 139 GPa hergestellt werden können (Horikiri et al., „Process for production of carbon fibre“,
Allgemein nutzt der Stand der Technik die Sulfonierung mit einer SO3-Spezies in Form eines Gases oder als Teil einer Flüssigkeit, um Präkursorfasern für eine folgende Carbonisierung bereitzustellen. Bekannte Verfahren nutzen SO3, gelöst in halogenierten Lösungsmitteln (WO 2014/ 011462 A1), eine Sulfonierung über starke Säuren in zwei Schritten (WO 2014/ 011460 A1) oder die Behandlung mit gasförmigem SO3 (WO 2014/ 011457 A1).In general, the prior art uses sulfonation with an SO 3 species in the form of a gas or as part of a liquid to provide precursor fibers for subsequent carbonization. Known processes use SO 3 , dissolved in halogenated solvents (WO 2014/011462 A1), sulfonation over strong acids in two steps (WO 2014/011460 A1) or treatment with gaseous SO 3 (WO 2014/011457 A1).
Die vorgenannten Methoden haben den Nachteil, dass der Einsatz von SO3haltigen Chemikalien für die Stabilisierung sehr hochwertige Materialien erfordert, um eine Korrosion zu vermeiden. Des Weiteren wird z.B. beim Einsatz von technisch handhabbarer konzentrierter Schwefelsäure nur bei Konzentrationen > 98% eine akzeptable Kohlenstoffausbeute erzielt, so dass im Prozess ständig hochkonzentrierte Schwefelsäure nachdosiert werden muss. Zudem muss der Prozess unter trockenem Stickstoff stattfinden, um aus demselben Grund die Zufuhr von Luftfeuchtigkeit zu unterbinden. Alle beschriebenen Methoden zur Stabilisierung durch nasschemische Behandlung erfordern einen Waschprozess, um die korrosiven Flüssigkeiten vor der Weiterbehandlung der Präkursorfaser zu entfernen.The above-mentioned methods have the disadvantage that the use of SO 3- containing chemicals for stabilization requires very high-quality materials in order to avoid corrosion. Furthermore, when using technically manageable concentrated sulfuric acid, an acceptable carbon yield is only achieved at concentrations> 98%, so that highly concentrated sulfuric acid must be replenished continuously in the process. In addition, the process must take place under dry nitrogen in order to prevent the supply of air humidity for the same reason. All the methods described for stabilization by wet chemical treatment require a washing process in order to remove the corrosive liquids before further treatment of the precursor fiber.
Von besonderem Nachteil beim Stand der Technik ist es, dass durch die Behandlung mit SOx-haltigen Medien zumindest im ersten Behandlungsschritt auf eine Temperatur unter den Schmelzpunkt des Polyethylens limitiert wird, um ein Schmelzen des Polyethylens zu verhindern. Dadurch können die aktiven Spezies in den kristallinen Bereichen der Polyethylenfasern nur sehr langsam sulfatisiert werden. Daher wird es beim Stand der Technik bevorzugt LLDPE als Ausgangspolymer verwendet, dessen geringere Dichte sich aber auf die maximal erzielbaren Carbonfasereigenschaften negativ auswirkt.A particular disadvantage of the prior art is that the treatment with SO x -containing media limits the temperature to below the melting point of the polyethylene, at least in the first treatment step, in order to prevent the polyethylene from melting. As a result, the active species in the crystalline regions of the polyethylene fibers can only be sulfated very slowly. Therefore, in the prior art, LLDPE is preferably used as the starting polymer, but its lower density has a negative effect on the maximum carbon fiber properties that can be achieved.
Im Zusammenhang mit der später geschilderten Erfindung ist auf folgenden Stand der Technik hinzuweisen: Aus der
Die aus dem Stand der Technik bekannten Carbonfasern sind hinsichtlich Ihrer Herstellungsverfahren und ihrer Kohlenstoffausbeute nicht geeignet, preislich mit metallischen Legierungen, wie z.B. Stählen, Aluminium- und Magnesiumlegierungen, im Bereich von mechanisch belasteten Bauteilen zu konkurrieren. Die bekannten Carbonfasern kommen nur dann zum Einsatz, wenn ihre überlegenen mechanischen Eigenschaften eine solche Substitution erfordern.The carbon fibers known from the prior art are not suitable with regard to their production processes and their carbon yield, in terms of price with metallic alloys, such as e.g. Steel, aluminum and magnesium alloys to compete in the area of mechanically loaded components. The known carbon fibers are only used if their superior mechanical properties require such a substitution.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs bezeichnete Verfahren so weiterzubilden, dass Carbonkörper mit verbesserten mechanischen Kennwerten preisgünstig aus hochverfügbaren Rohstoffen hergestellt werden können. Diese Formkörper sollen sich besonders gut eignen, daraus durch Carbonisierung vorteilhafte Carbonformkörper herzustellen.It is therefore the object of the present invention to further develop the method described at the outset in such a way that carbon bodies with improved mechanical characteristics can be produced inexpensively from highly available raw materials. These moldings are said to be particularly suitable for producing advantageous carbon moldings therefrom by carbonization.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere von Fasern oder Folien, auf der Basis von modifizierten Polyolefinen oder von modifizierten Polyamiden gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass 1.) thermoplastische Formkörper auf Basis von thermoplastischen Poly-α-Olefinen, die auf Monomere mit einer einzigen Doppelbindung zurückgehen, oder von thermoplastischen aliphatischen Polyamiden als Ausgangsmaterial herangezogen werden, 2.) die Polyolefine und Polyamide des Formkörpers vernetzt und 3.) die vernetzten Polyolefine und vernetzten Polyamide mit aktiviertem elementaren Schwefel sulphuriert werden.This object is achieved according to the invention by a process for the production of moldings, in particular fibers or films, based on modified polyolefins or modified polyamides, which is characterized in that 1.) thermoplastic moldings based on thermoplastic poly-α-olefins which are based on monomers with a single double bond or are used as the starting material for thermoplastic aliphatic polyamides, 2.) the polyolefins and polyamides of the molded body are crosslinked and 3.) the crosslinked polyolefins and crosslinked polyamides are sulfurized with activated elemental sulfur.
Grundsätzlich kann bei obigem Vorgehen, was fachmännisch ersichtlich ist, auch eine Mischung aus thermoplastischen Poly-α-Olefinen, die auf Monomere mit einer einzigen Doppelbindung zurückgehen (nachfolgend: „thermoplastische Poly-α-Olefine), und thermoplastischen aliphatischen Polyamiden, gegebenenfalls auch durch Einbezug zusätzlicher anderer thermoplastischer Materialien wie Polybutadien und/oder Polyisopren herangezogen werden. Somit lassen sich den erfindungsgemäßen Ausgangsmaterialien verschiedene Polymere in einem solchen Anteil beifügen, wie beispielsweise Polyolefine, die auf Monomere mit zwei Doppelbindungen zurückgehen, dass die angestrebten sulfurierten Formkörper bzw. die daraus erhaltenen Carbonformkörper noch die wünschenswerten Eigenschaften, wie nachfolgend im Einzelnen dargestellt, bewahren. Als Regel könnte angegeben werden, den Anteil an Polyolefinen, die auf Monomere mit beispielsweise zwei Doppelbindungen zurückgehen, auf insbesondere weniger als 25 Gew.-% zu limitieren. Bevorzugt ist es, diese Höchstgrenze auf 15 Gew.-%, insbesondere auf weniger als 10 Gew.-%, herabzusetzen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Gehalt an zusätzlichem Material unter 5 Gew.-%, insbesondere bei etwa 0 Gew.- %, liegt.Basically, the above procedure, as can be seen by a person skilled in the art, can also be a mixture of thermoplastic poly-α-olefins, which are based on monomers with a single double bond (hereinafter: “thermoplastic poly-α-olefins), and thermoplastic aliphatic polyamides, if appropriate also Inclusion of additional other thermoplastic materials such as polybutadiene and / or polyisoprene can be used. Thus, various polymers can be added to the starting materials according to the invention in such a proportion, for example polyolefins which are based on monomers with two double bonds, that the desired sulfurized molded articles or the carbon molded articles obtained therefrom still retain the desirable properties, as described in detail below. As a rule, it could be stated that the proportion of polyolefins based on monomers with, for example, two double bonds should be limited to in particular less than 25% by weight. It is preferred to reduce this maximum limit to 15% by weight, in particular to less than 10% by weight. It is particularly preferred if the content of additional material is less than 5% by weight, in particular approximately 0% by weight.
Die Ausgangsmaterialien nach Maßnahme 1.) unterliegen keiner wesentlichen Einschränkung. Die thermoplastischen Poly-α-Olefine und die thermoplastischen aliphatischen Polyamide werden zunächst einer Formgebung unterzogen, um für die Zwecke der Erfindung einen Formkörper zu erhalten. Beispielsweise kann es sich um Formkörper in Form von Fasern, Folien und/oder auch Platten und dergleichen handeln. Die Formgebung kann in üblicher Weise erfolgen, so insbesondere durch Schmelzverfahren und/oder im Falle von plattenförmigen Formkörpern auch durch Schneideverfahren bzw. durch Fräsen oder analoge Verfahren.The raw materials according to measure 1.) are not subject to any significant restrictions. The thermoplastic poly-α-olefins and the thermoplastic aliphatic polyamides are first subjected to shaping in order to obtain a shaped body for the purposes of the invention. For example, it can be molded articles in the form of fibers, films and / or also plates and the like. The shaping can be carried out in a customary manner, in particular by melting processes and / or in the case of plate-shaped moldings also by cutting processes or by milling or similar processes.
Verfahren, die auf einem Schmelzprozess unter Formgebung beruhen, sind besonders günstig, wobei die thermoplastischen Poly-α-Olefine oder die thermoplastischen aliphatischen Polyamide aufgeschmolzen und dann unter Formgebung abgekühlt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn aus der Schmelze der thermoplastischen Poly-α-Olefine und der thermoplastischen aliphatischen Polyamide in üblicher Weise, insbesondere durch Extrusion, Gießen, Kalandrieren oder Blasformen, Folien und durch Schmelzverspinnen Fasern hergestellt werden.Processes which are based on a melting process with shaping are particularly favorable, the thermoplastic poly-α-olefins or the thermoplastic aliphatic polyamides being melted and then cooled with shaping. It is advantageous here if fibers are produced from the melt of the thermoplastic poly-α-olefins and the thermoplastic aliphatic polyamides in a customary manner, in particular by extrusion, casting, calendering or blow molding, films and by melt spinning.
Als Polyamid wird ein thermoplastisches aliphatisches Polyamid, insbesondere Polyamid 6, 4.6, 6.6, 6.9, 6.10, 6.12, 10.10, 11, 12 mit Schmelzpunkten im Bereich von etwa 180 bis 260°C herangezogen wird. Besonders bevorzugt ist das Polyamid 6.6, dessen hoher Schmelzpunkt von etwa 260°C bei der Aromatisierung mit elementarem Schwefel ein Zusammensintern der Fasern wirksam verhindert. A thermoplastic aliphatic polyamide, in particular polyamide 6, 4.6, 6.6, 6.9, 6.10, 6.12, 10.10, 11, 12 with melting points in the range from approximately 180 to 260 ° C. is used as the polyamide. Particularly preferred is the polyamide 6.6, whose high melting point of approximately 260 ° C. effectively prevents the fibers from sintering together when flavored with elemental sulfur.
Bei den erfindungsgemäß in Betracht kommenden Polyolefinen handelt es sich insbesondere um solche, die auf lineare α-Olefine, dies insbesondere mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, zurückgehen. Hierbei kann es sich um Homo- oder Copolymere handeln. Dabei werden bevorzugt Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen und/oder Polybutylen herangezogen.The polyolefins that come into consideration according to the invention are in particular those which are based on linear α-olefins, in particular those having 1 to 8 carbon atoms. These can be homo- or copolymers. Polyethylene, polypropylene, polyisobutylene and / or polybutylene are preferably used.
Mit großem Vorteil ist es verbunden, wenn ultrahochmolekulares Polyethylen als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Formkörper eingesetzt wird, das ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht von > 500.000 g/mol, insbesondere von 1.000.000 bis 10.000.000 g/mol, aufweist, wobei dieses insbesondere durch Gelspinnen in Fasern überführt werden kann. Allgemein ist es bevorzugt, dass ein Poly-α-olefin eines gewichtsgemittelten Molekulargewichts von 20.000 bis 500.000 g/mol, insbesondere von 200.000 bis 300.000 g/mol eingesetzt wird. Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn ein Polyamid eines gewichtsgemittelten Molekulargewichts von 10.000 bis 50.000 g/mol, insbesondere von 15.000 bis 30.000 g/mol, eingesetzt wird.It is associated with great advantage if ultra-high molecular weight polyethylene is used as the starting material for the production of the moldings, which has a weight-average molecular weight of> 500,000 g / mol, in particular from 1,000,000 to 10,000,000 g / mol, this being in particular by gel spinning can be converted into fibers. In general, it is preferred that a poly-α-olefin with a weight-average molecular weight of 20,000 to 500,000 g / mol, in particular from 200,000 to 300,000 g / mol, is used. Furthermore, it is preferred if a polyamide with a weight-average molecular weight of 10,000 to 50,000 g / mol, in particular of 15,000 to 30,000 g / mol, is used.
Es gilt auch als bevorzugt, dass als Polyolefin eine oder mehrere Modifikationen von PE-LLD, PE-HD, PE-HMW und PE-UHMW, insbesondere PE-LLD und/oder PE-HD, eingesetzt werden.It is also preferred that one or more modifications of PE-LLD, PE-HD, PE-HMW and PE-UHMW, in particular PE-LLD and / or PE-HD, be used as the polyolefin.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass den geschmolzenen aliphatischen Poly-α-Olefinen und/oder den geschmolzenen thermoplastischen aliphatischen Polyamiden Additive zur Steuerung des Verfahrens im Hinblick auf das Verhalten bei der später beschriebenen Carbonisierung zugesetzt werden. Zweckmäßigerweise werden den geschmolzenen aliphatischen Poly-α-Olefinen und den geschmolzenen thermoplastischen aliphatischen Polyamiden beim Schmelzverspinnen Spinnadditive zugesetzt, insbesondere Fettsäureamide, Wachse und/oder ultrahochmolekulares Polyethylen.It is also advantageous that additives are added to the melted aliphatic poly-α-olefins and / or the melted thermoplastic aliphatic polyamides to control the process with regard to the behavior in the carbonization described later. The melted aliphatic poly-α-olefins and the melted thermoplastic aliphatic polyamides are expediently added to spinning additives during melt spinning, in particular fatty acid amides, waxes and / or ultra-high molecular weight polyethylene.
Bei der Herstellung von Fasern aus thermoplastischen aliphatischen Poly-α-Olefinen oder thermoplastischen aliphatischen Polyamiden ist es zweckmäßig, hierzu einen Extruder, insbesondere einen Doppelschneckenextruder, heranzuziehen. Darin werden die Polyolefine oder Polyamide aufgeschmolzen oder compoundiert und darauf versponnen, vorzugsweise durch Extrudieren über eine Spinndüsenplatte mit Spinnlöchern eines Durchmessers von 100 bis 500 µm, insbesondere von 200 bis 300 µm. Dabei ist es zweckmäßig, dass die Spinntemperatur auf 200°C bis 350°C, insbesondere auf 230°C bis 320°C, eingestellt wird. Es ist auch von Vorteil, wenn aus den bezeichneten Polyolefinen und Polyamiden zunächst Multifilamentgarne, insbesondere als Direktrovings oder gefachte Rovings, hergestellt werden. Dabei können die Multifilamentgarne insbesondere aus 1000 bis 100.000, insbesondere 12.000 bis 64.000, Filamenten bestehen.When producing fibers from thermoplastic aliphatic poly-α-olefins or thermoplastic aliphatic polyamides, it is expedient to use an extruder, in particular a twin-screw extruder. In it, the polyolefins or polyamides are melted or compounded and spun thereon, preferably by extrusion through a spinneret plate with spinning holes with a diameter of 100 to 500 μm, in particular from 200 to 300 μm. It is expedient for the spinning temperature to be set to 200 ° C. to 350 ° C., in particular to 230 ° C. to 320 ° C. It is also advantageous if multifilament yarns are first produced from the polyolefins and polyamides described, in particular as direct rovings or folded rovings. The multifilament yarns can in particular consist of 1000 to 100,000, in particular 12,000 to 64,000, filaments.
Nachfolgend soll der dem erfindungsgemäßen Verfahren einzubeziehende Schritt 1.), nach dem die thermoplastischen Poly-α-Olefine und/oder die thermoplastischen aliphatischen Polyamide einer Formgebung unterworfen werden, weitergehend anhand bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung erläutert werden:
- Polyethylenfasern können insbesondere durch Nassspinnen, Gelspinnen, Trockenspinnen und Schmelzspinnen hergestellt werden. Das Gelspinnen ist eine gebräuchliche Technik zur Herstellung von Fasern auf Basis von ultrahochmolekularem Polyethylen. Dafür wird ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW) in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Durch Ausspinnen einer solchen Lösung bildet sich ein Gelfaden, der durch weitere Behandlung verstreckt und verdichtet wird. Es entstehen hochfeste Fasern mit sehr hoher Kristallinität und Orientierung.
- Polyethylene fibers can be produced in particular by wet spinning, gel spinning, dry spinning and melt spinning. Gel spinning is a common technique for producing fibers based on ultra high molecular weight polyethylene. For this purpose, ultra high molecular weight polyethylene (PE-UHMW) is dissolved in a suitable solvent. By spinning out such a solution, a gel thread is formed, which is stretched and compressed by further treatment. High-strength fibers with very high crystallinity and orientation are created.
Fasern aus thermoplastischen aliphatischen Polyamidfasern werden typischerweise durch Schmelzspinnen hergestellt. Von besonderer technischer Bedeutung sind hierbei die schmelzgesponnenen Fasern aus den Polyamiden PA6, PA6.6 und PA4.6. Es existiert eine Vielzahl weiterer Typen (PA 6.12, PA11, PA12 etc.), die auch geeignet, aber von untergeordneter Bedeutung sind.Fibers made from thermoplastic aliphatic polyamide fibers are typically produced by melt spinning. The melt-spun fibers made of the polyamides PA6, PA6.6 and PA4.6 are of particular technical importance. There are a large number of other types (PA 6.12, PA11, PA12 etc.) that are also suitable but of minor importance.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Ausgangsfaser aus Polyethylen schmelzgesponnen. Als Modifikation des Polyethylens für das Schmelzspinnen werden eine oder mehrere der Modifikationen PE-LLD und/oder PE-HD verwendet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von PE-LLD und/oder PE-HD, ebenfalls die Verwendung von Spinnadditiven, wie beispielsweise von niedermolekularen Wachsen und/oder Fettsäureamiden. Bevorzugt erfolgt das Schmelzspinnen mit einem Doppelschneckenextruder, der insbesondere über eine Mehrkomponenten-Dosierung Mischungen aus PE-LLD (Komponente x), PE-HD (Komponente y) und Spinnadditiven (Komponente z) herstellen kann. Bevorzugt sind Mischungen mit einem Anteil von x+y+z=100% mit z im Bereich von 0 bis 5% und x im Bereich von 0 bis 100-y-z %, y im Bereich von 0 bis 100-x-z %. Besonders bevorzugt sind Mischungen mit 1 % ≤ z ≤ 2 % und x+y ≤ 100-z-w %. Als Spinnadditive z eignen sich insbesondere Paraffinöle, Paraffinwachse und/oder Fettsäureamide zur Erniedrigung der Viskosität und/oder insbesondere PE-UHMW, dass in geeigneter Zudosierung Instabilitäten bei der Herstellung von PE-Fasern im Schmelzspinnen minimieren kann.According to a preferred embodiment of the present invention, a polyethylene starting fiber is melt spun. One or more of the modifications PE-LLD and / or PE-HD are used as a modification of the polyethylene for melt spinning. The use of PE-LLD and / or PE-HD is particularly preferred, likewise the use of spinning additives, such as low molecular weight waxes and / or fatty acid amides. Melt spinning is preferably carried out using a twin-screw extruder, which can in particular produce mixtures of PE-LLD (component x), PE-HD (component y) and spinning additives (component z) by means of a multi-component metering. Are preferred Mixtures with a proportion of x + y + z = 100% with z in the range from 0 to 5% and x in the range from 0 to 100-yz%, y in the range from 0 to 100-xz%. Mixtures with 1% z z 2 2% and x +
Das Polyethylen im Fall des PE-HD und des PE-LLDPE hat insbesondere ein mittleres Molekulargewicht zwischen 20.000 und 500.000 g/mol. Besonders bevorzugt ist ein mittleres Molekulargewicht zwischen 200.000 und 300.000 g/mol. Im Falle des PE-UHMW als Additiv kann das Polyethylen ein mittleres Molekulargewicht von 1.000.000 g/mol bis 10.000.000 g/mol haben. Ganz besonders bevorzugt ist ein mittleres Molekulargewicht von 4.000.000 g/mol bis 5.000.000 g/mol.The polyethylene in the case of the PE-HD and the PE-LLDPE has in particular an average molecular weight between 20,000 and 500,000 g / mol. An average molecular weight between 200,000 and 300,000 g / mol is particularly preferred. In the case of PE-UHMW as an additive, the polyethylene can have an average molecular weight of 1,000,000 g / mol to 10,000,000 g / mol. An average molecular weight of 4,000,000 g / mol to 5,000,000 g / mol is very particularly preferred.
Es ist im Allgemeinen von Vorteil, wenn die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Fasern auf Basis von thermoplastischen Poly-α-Olefin- und/oder thermoplastischen Polyamidfasern verstreckt werden, insbesondere auf eine Zugfestigkeit von 20 bis 100 cN/tex (nach DIN EN ISO 5079) und/oder einen Modul von 70 bis 500 cN/tex (nach DIN EN ISO 5079). Dabei werden die Fasern vorteilhafterweise so weit verstreckt, dass die über die WAXS-Analyse gemessene Orientierung der verstreckten Fasern größer als 80%, insbesondere größer als 90%, ist und/oder der Einzelfilamentdurchmesser der verstreckten Fasern unter 30 µm, insbesondere 15 µm, liegt.It is generally advantageous if the fibers used in the context of the invention are stretched on the basis of thermoplastic poly-α-olefin and / or thermoplastic polyamide fibers, in particular to a tensile strength of 20 to 100 cN / tex (according to DIN EN ISO 5079 ) and / or a module from 70 to 500 cN / tex (according to DIN EN ISO 5079). The fibers are advantageously stretched to such an extent that the orientation of the drawn fibers measured by the WAXS analysis is greater than 80%, in particular greater than 90%, and / or the individual filament diameter of the drawn fibers is less than 30 µm, in particular 15 µm .
Bevorzugt wird das Verstrecken wie folgt durchgeführt: Das Verstrecken gelingt insbesondere durch die Längenänderung der Fasern nach der ersten Spinnstrecke innerhalb zweier Walzenwerke mit unterschiedlicher Antriebsgeschwindigkeit. Das Verstrecken erfolgt zweckmäßigerweise im laufenden Prozess zwischen zwei beheizten Walzwerken mit unterschiedlicher Antriebsgeschwindigkeit. Die verstreckten Fasern besitzen bevorzugt eine Zugfestigkeit von > 20 cN/tex (nach DIN EN ISO 5079) und/oder einen Modul von > 100 cN/tex (nach DIN EN ISO 5079), besonders bevorzugt eine Zugfestigkeit von > 40 cN/tex und/oder einen Modul von > 200 cN/tex.The stretching is preferably carried out as follows: The stretching is achieved in particular by changing the length of the fibers after the first spinning section within two roll mills with different drive speeds. The stretching is expediently carried out in the running process between two heated rolling mills with different drive speeds. The drawn fibers preferably have a tensile strength of> 20 cN / tex (according to DIN EN ISO 5079) and / or a modulus of> 100 cN / tex (according to DIN EN ISO 5079), particularly preferably a tensile strength of> 40 cN / tex and / or a module of> 200 cN / tex.
Die oben beschriebenen Formkörper werden erfindungsgemäß dem bezeichneten Schritt
Nachfolgend soll der Schritt 2.), der erfindungsgemäß durchzuführen ist, weitergehend, dies anhand bevorzugter Ausgestaltungen, technologisch erläutert werden:
- Die Vernetzung der schmelzgesponnen Fasern aus Polyethylen kann nach gängigen Verfahren über chemische Methoden und/oder physikalische Methoden erfolgen, um die Fasern unschmelzbar zu machen. Als rein chemische Vernetzer eignen sich Peroxide, dies unterhalb des Schmelzpunktes. Bevorzugt bei einer rein chemischen Vernetzung ist der Einsatz von Vinylsilanen, die nach dem Aufpfropfen auf die Polymerketten des Polyethylens durch die Vinylfunktion durch die Reaktion mit Wassermolekülen mittels der chemischen Bindungsstruktur C-C-Si-O-Si-C-C vernetzen. Die chemisch-physikalische Vernetzung der Fasern gelingt durch Bestrahlung mit UV-Strahlung in Kombination mit UV-sensitiven Vernetzern wie z.B. Benzophenonen, Cyanuraten oder Anthraquinonen.
- The melt-spun fibers made of polyethylene can be crosslinked by conventional methods using chemical methods and / or physical methods in order to make the fibers infusible. Peroxides are suitable as purely chemical crosslinkers, this is below the melting point. In the case of purely chemical crosslinking, preference is given to the use of vinylsilanes which, after being grafted onto the polymer chains of polyethylene by the vinyl function, crosslink by reaction with water molecules by means of the chemical bond structure CC-Si-O-Si-CC. The fibers are chemically and physically cross-linked by irradiation with UV radiation in combination with UV-sensitive crosslinkers such as benzophenones, cyanurates or anthraquinones.
Besonders bevorzugt ist für die Präkursorfaser zur Herstellung von Carbonfasern die Vernetzung durch Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen. Hierfür werden die Fasern durch eine Bestrahlungseinheit mit einem Elektronenbeschleuniger geführt. Bevorzugt werden die Fasern dabei innerhalb eines inerten Gases bestrahlt. Ganz besonders bevorzugt werden die Fasern dabei im erwärmten Zustand zwischen 50 und 80°C den hochenergetischen Elektronen ausgesetzt. Insbesondere wird eine Strahlungsdosis von 100 bis 2000 kGy angewendet, ganz besonders bevorzugt von 400 bis 800 kGy. Bevorzugt besitzen die vernetzten Formkörper, insbesondere Fasern und Folien, einen Gelgehalt nach ASTM D 2765:2011 zwischen 20 und 100%, insbesondere zwischen 30 und 95% bzw. 70 und 95%. Der Bereich von 50 bis 70% gilt ebenfalls als besonders bevorzugt.Crosslinking by irradiation with high-energy electrons is particularly preferred for the precursor fiber for producing carbon fibers. For this purpose, the fibers are passed through an irradiation unit with an electron accelerator. The fibers are preferably irradiated within an inert gas. The fibers are very particularly preferably heated to between 50 and 80 ° C exposed to the high-energy electrons. In particular, a radiation dose of 100 to 2000 kGy is used, very particularly preferably 400 to 800 kGy. The crosslinked moldings, in particular fibers and films, preferably have a gel content according to ASTM D 2765: 2011 of between 20 and 100%, in particular between 30 and 95% or 70 and 95%. The range from 50 to 70% is also considered to be particularly preferred.
In einer besonderen Ausprägung der Erfindung kann die Vernetzung durch Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen innerhalb des Schmelzspinnprozesses durchgeführt werden. Dafür werden die Polyethylenfasern nach Austritt aus den Spinndüsen noch im schmelzflüssigen Zustand mittels hochenergetischer Elektronen vernetzt. Die Bestrahlung erfolgt mittels einer Elektronenquelle, deren Austrittsfenster orthogonal zur Faserrichtung installiert ist. Der vertikale Abstand des Austrittfensters zu den Spinndüsen ist dabei einstellbar. Die vernetzten Fasern werden dann verstreckt und/oder aufgewickelt.
Wenn vorstehend und auch nachfolgend die Erfindung anhand des Einsatzes von schmelzgesponnenen Fasern aus Polyethylen weitergehend erläutert wurde bzw. wird, dann gelten die im Zusammenhang hiermit beschriebenen Maßnahmen gleichermaßen für Fasern auf Basis von weiteren vorstehend bezeichneten Poly-α-Olefinen, wie Polypropylen etc., sowie auf Basis von thermoplastischen aliphatischen Polyamiden.
Um das von der Erfindung gesetzte Ziel zu erreichen, müssen die beschriebenen Formkörper, in obiger Weise erhalten, der angesprochenen Maßnahme 3.) unterzogen werden, d.h., die vernetzten Poly-α-Olefine, insbesondere Polyethylen, und vernetzten Polyamide werden mit aktiviertem elementaren Schwefel und/oder aktivierten elementaren Schwefel freisetzenden Verbindungen sulphuriert. Dabei wird das Sulphurieren vorzugsweise mit aktiviertem Schwefel, insbesondere in der Gasphase, bei erhöhter Temperatur, insbesondere einer Temperatur von mehr als 150°C, durchgeführt. Hierbei ist es mit Vorteilen verbunden, wenn die vernetzten Poly-α-olefine und die vernetzten Polyamide in einem Schutzgasstrom, der über dem Taupunkt von Schwefel erwärmt wird, mit in der Gasphase gelöstem aktivem Schwefel, der darin gesättigt vorliegt, sulphuriert werden. Als Schutzgas wird hier vorzugsweise ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, herangezogen. Die Sulphurierung dauert zweckmäßigerweise ¼ h bis 8 h, insbesondere 1 h bis 3 h. Dabei ist es sinnvoll, dem Sättigungsgrad bei der Sulphurierung Aufmerksamkeit zuzuwenden. So erfolgt die Sulphurierung der vernetzten Poly-α-Olefine oder vernetzten Polyamide vorzugsweise bis zu einem Sättigungsgrad von 20 bis 85 Gew.-%, insbesondere von 30 bis 60 Gew.-%, wobei der Bereich von 40 bis 56 Gew.-% besonders bevorzugt ist. Die Bestimmung erfolgte durch Elementaranalyse.In a particular embodiment of the invention, the crosslinking can be carried out by irradiation with high-energy electrons within the melt spinning process. For this purpose, the polyethylene fibers are crosslinked in the molten state by means of high-energy electrons after leaving the spinnerets. The irradiation takes place by means of an electron source, the exit window of which is installed orthogonally to the fiber direction. The vertical distance between the exit window and the spinnerets is adjustable. The crosslinked fibers are then drawn and / or wound up.
If the invention has been or will be explained in more detail above and below with reference to the use of melt-spun fibers made of polyethylene, then the measures described in connection with this apply equally to fibers based on further poly-α-olefins such as polypropylene, etc. and based on thermoplastic aliphatic polyamides.
In order to achieve the goal set by the invention, the moldings described, obtained in the above manner, must be subjected to the measure 3) mentioned, ie the crosslinked poly-α-olefins, in particular polyethylene, and crosslinked polyamides are activated with elemental sulfur and / or activated elemental sulfur-releasing compounds sulfurized. The sulfurization is preferably carried out with activated sulfur, in particular in the gas phase, at an elevated temperature, in particular a temperature of more than 150 ° C. There are advantages here if the crosslinked poly-α-olefins and the crosslinked polyamides are sulfurized in a protective gas stream, which is heated above the dew point of sulfur, with active sulfur dissolved in the gas phase, which is present therein saturated. An inert gas, in particular nitrogen, is preferably used here as the protective gas. The sulfurization expediently lasts 1/4 to 8 hours, in particular 1 hour to 3 hours. It makes sense to pay attention to the degree of saturation when sulfurizing. The sulfurization of the crosslinked poly-α-olefins or crosslinked polyamides is preferably carried out to a degree of saturation of 20 to 85% by weight, in particular 30 to 60% by weight, the
Die Temperatur bei der Sulphurierung beträgt zweckmäßigerweise 150°C bis 350°C, insbesondere 200°C bis 300°C. Besonders bevorzugt ist die Einhaltung eines Temperaturrahmens von 210°C bis 280°C.The temperature during the sulfurization is expediently 150 ° C. to 350 ° C., in particular 200 ° C. to 300 ° C. Maintaining a temperature range of 210 ° C to 280 ° C is particularly preferred.
Nachfolgend soll der Schritt 3.) gemäß der Erfindung weitergehend erläutert werden, dies anhand von Polyethylen als Basis der Fasern, wenngleich auch geltend für solche auf Basis der weiteren beschriebenen Polyolefine wie auch auf Basis der vorstehend bezeichneten Polyamide.Step 3.) according to the invention is to be explained in more detail below, using polyethylene as the basis of the fibers, although also applicable to those based on the further polyolefins described and also based on the polyamides described above.
Die Stabilisierung der unschmelzbaren Polyethylenfasern gelingt durch Behandlung mit elementarem Schwefel in einer aktivierten Form. Vorteilhafterweise kann der Schwefel im Gegensatz zu den SOx-Spezies nach dem Stand der Technik bei Raumtemperatur ohne Sicherheitsmaßnahmen transportiert werden. Die Umwandlung in Präkursorfasern aus hochsulfurierten Polymeren kann in einer schwefelhaltigen Flüssigkeit oder Gasphase zweckmäßigerweise im Temperaturbereich von 150 bis 400°C, insbesondere 150 bis 350°C, durchgeführt werden. In flüssiger Form kann der elementare Schwefel als reine Schmelze des Schwefels oder z.B. gelöst in Acetanilid eingesetzt werden. Die Aktivierung des Schwefels in der Gasphase oder in flüssiger Phase kann über rein thermische Verfahren und/ oder eine Bestrahlung mit Mikrowellen erfolgen. Ebenso kann der elementare Schwefel von schwefelabgebenden Spezies abgegeben werden.The infusible polyethylene fibers are stabilized by treatment with elemental sulfur in an activated form. In contrast to the SO x species according to the prior art, the sulfur can advantageously be transported at room temperature without safety measures. The conversion into precursor fibers from highly sulphurized polymers can expediently be carried out in a sulfur-containing liquid or gas phase in the temperature range from 150 to 400 ° C., in particular 150 to 350 ° C. In liquid form, the elemental sulfur can be used as a pure melt of sulfur or, for example, dissolved in acetanilide. The sulfur can be activated in the gas phase or in the liquid phase using purely thermal processes and / or irradiation with microwaves. Elemental sulfur can also be released from sulfur-donating species.
Besonders bevorzugt erfolgt die Behandlung der Formkörper in einem Schutzgasstrom innerhalb eines Reaktionsraumes, dies über dem Taupunkt von Schwefel, mit in der Gasphase gelöstem Schwefel, dies in gesättigter Form. Die Faser wird dabei unter definierter Fadenspannung gehalten. Durch Einsatz von Abscheidem an den Ein- und Auslässen des Reaktionsraumes der Stabilisierung mit einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem Taupunkt des Schwefels kann ein Austritt des Schwefels aus dem Behandlungsraum unterbunden werden.The shaped bodies are particularly preferably treated in a protective gas stream within a reaction space, above the dew point of sulfur, with sulfur dissolved in the gas phase, this in saturated form. The fiber is kept under a defined thread tension. By using separators at the inlets and outlets of the stabilization reaction chamber with a temperature between the melting point and the dew point of the sulfur, the sulfur can be prevented from escaping from the treatment chamber.
Durch die Behandlung mit elementarem Schwefel erfolgt eine Aromatisierung der Fasern. Die hochorientierten und vernetzten Polyethylen-Polymerketten werden durch die Einwirkung des Schwefels zugleich dehydriert und zu Polymeren aus dem Gemisch Poly(naptha)(thio)-thiophen umgewandelt. Überraschenderweise sind diese aromatischen Schichten sehr dicht gepackt, wie es WAXS-Messungen zeigen. Die Packungsdichte erhöht sich durch eine nachfolgende Carbonisierung nicht weiter und ist nahezu so dicht wie in Carbonfasern aus Polyacrylnitril.The fibers are aromatized by treatment with elemental sulfur. The highly oriented and cross-linked polyethylene polymer chains are simultaneously dehydrated by the action of the sulfur and converted to polymers from the poly (naptha) (thio) -thiophene mixture. Surprisingly, these aromatic layers are very densely packed, as WAXS measurements show. The packing density does not increase further due to subsequent carbonization and is almost as dense as in carbon fibers made of polyacrylonitrile.
Der besondere Wert der erfindungsgemäß erhaltenen Formkörper liegt darin, dass sie zur Herstellung von Carbonformkörpern, insbesondere von Carbonfasern oder Carbonfolien, durch Carbonisierung und gegebenenfalls anschließende Graphitisierung verwendbar sind.The particular value of the moldings obtained according to the invention is that they can be used for the production of carbon moldings, in particular carbon fibers or carbon foils, by carbonization and, if appropriate, subsequent graphitization.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Carbon-Faser jedes Kohlenstoff enthaltende und bevorzugt aus Kohlenstoff bestehende, im Verhältnis zu seiner Länge dünne und flexible Gebilde verstanden, welches wenigstens ein Monofilament enthält. Unter dem Begriff Carbon-Faser werden mithin alle Einzelfasern sowie alle Carbon-Faserbündel bzw. Carbon-Faser-Rovings verstanden.In the context of the present invention, a carbon fiber is understood to mean any carbon-containing and preferably carbon-containing structure which is thin and flexible in relation to its length and which contains at least one monofilament. The term carbon fiber is therefore understood to mean all individual fibers and all carbon fiber bundles or carbon fiber rovings.
Es gilt als bevorzugt, dass der sulphurierte Formkörper zunächst oxidativ thermostabilisiert und anschließend carbonisiert wird, wobei es zweckmäßig ist, dass bis zu einer Endtemperatur von 100°C bis 400°C, insbesondere von 200°C bis 300°C, oxidativ stabilisiert wird. Die Maßnahme der Carbonisierung der erfindungsgemäß nach dem bezeichneten Schritt 3.) erhaltenen Formkörper wird nachfolgend anhand von bevorzugten Maßnahmen noch näher erläutert:
- Erfindungsgemäß können die stabilisierten Präkursorfasern bzw. die nach Schritt 3.) entstandenen Präkursorfasern durch Erhitzen in Fasern aus Kohlenstoff carbonisiert werden. Dafür werden die stabilisierten Präkursorfasern unter Schutzgas auf Temperaturen im Bereich von 300°C bis maximal 2000°C erhitzt. Bevorzugt wird auf maximal 1800°C erhitzt, insbesondere maximal 1600°C.
- According to the invention, the stabilized precursor fibers or the precursor fibers formed after step 3) can be carbonized by heating in carbon fibers. For this purpose, the stabilized precursor fibers are heated under protective gas to temperatures in the range from 300 ° C to a maximum of 2000 ° C. It is preferably heated to a maximum of 1800 ° C., in particular a maximum of 1600 ° C.
Das Carbonisieren erfolgt durch Eliminierung von elementarem Schwefel und Kohlenstoffdisulfid, wie durch die Bestimmung über ein Massenspektrometer festgestellt wurde. Die Kondensation des erfindungsgemäßen Polymer-Präkursors erfolgt damit wahrscheinlich analog zu den Kondensationsreaktionen des Polyacrylnitrils, das unter anderem elementaren Stickstoff und Blausäure als Kondensationsprodukte generiert.The carbonization is carried out by eliminating elemental sulfur and carbon disulfide, as determined by the determination using a mass spectrometer. The condensation of the polymer precursor according to the invention therefore probably takes place analogously to the condensation reactions of polyacrylonitrile, which generates elemental nitrogen and hydrocyanic acid as condensation products, among other things.
In einem anschließenden Schritt kann die carbonisierte Faser bei weiter erhöhten Temperaturen auf maximal 3000°C graphitisiert werden, wobei sich die Orientierung der Carbonfasern weiter erhöht. Die Graphitisierung unterliegt den üblichen fachbekannten Bedingungen. Sie erfolgt vorzugsweise durch eine thermische Behandlung bei etwa 1500°C bis 2800°C in einer Schutzgasatmosphäre. Die graphitisierten Fasern weisen einen höheren Modul als herkömmlich carbonisierte Fasern auf. Durch die Graphitisierung wird der Kohlenstoffgehalt der Formkörper, insbesondere der Fasern, auf etwa 99% erhöht.In a subsequent step, the carbonized fiber can be graphitized at a further elevated temperature to a maximum of 3000 ° C., the orientation of the carbon fibers increasing further. The graphitization is subject to the usual conditions known in the art. It is preferably carried out by thermal treatment at about 1500 ° C to 2800 ° C in a protective gas atmosphere. The graphitized fibers have a higher modulus than conventionally carbonized fibers. The graphitization increases the carbon content of the moldings, in particular the fibers, to about 99%.
Bevorzugt haben die erhaltenen Carbonfasern, gegebenenfalls graphitisiert, einen Kohlenstoffgehalt von > 98%, insbesondere von > 99%. Vorzugsweise weisen die Carbonfasern 1.000 bis 100.000 Monofilamente, besonders bevorzugt 12.000 bis 64.000 Monofilamente auf. Insbesondere kann die Carbonfaser 1.000, 3.000, 6.000, 12.000, 24.000, 48.000 oder 50.000 einzelne Monofilamente aufweisen.The carbon fibers obtained, optionally graphitized, preferably have a carbon content of> 98%, in particular> 99%. The carbon fibers preferably have 1,000 to 100,000 monofilaments, particularly preferably 12,000 to 64,000 monofilaments. In particular, the carbon fiber can have 1,000, 3,000, 6,000, 12,000, 24,000, 48,000 or 50,000 individual monofilaments.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein schwefelhaltiger Formkörper in Form von Fasern oder Folien auf Basis modifizierter Polyolefine oder modifizierter Polyamide, wobei die Polyolefine und/oder Polyamide zunächst vernetzt und dann sulphuriert sind und der Sättigungsgrad in dem Bereich von 40 bis 56 Gew.-% liegt, erhältlich nach einem Verfahren nach mindestens einem der nachfolgenden Ansprüche 1 bis 29. Dieser schwefelhaltige Formkörper ist in Form von Fasern vorteilhaft, die sich durch folgende physikalische Werte kennzeichnen: eine Zugfestigkeit von 20 bis 100 cN/tex (gemessen nach
Zusammenfassend und technologisch lässt sich die Erfindung, die auf einer Anzahl überraschender Erkenntnisse beruht, wie folgt darstellen:
- Die Lösung der Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass vorvernetzte Formkörper auf Basis von thermoplastischen Poly-α-Olefinen, die auf Monomere mit einer einzigen Doppelbindung zurückgehen, und/oder thermoplastischen Polyamiden, wie vorstehend im Einzelnen dargestellt, in Fasern oder Folien unter Erhalt der Ursprungsform durch die Einwirkung von elementarem Schwefel unter erhöhter
- The solution of the invention is based on the surprising finding that pre-crosslinked molded articles based on thermoplastic poly-α-olefins, which are based on monomers with a single double bond, and / or thermoplastic polyamides, as shown in detail above, are obtained in fibers or films the original form due to the action of elemental sulfur under increased
Temperatureinwirkung in Präkursorpolymere der Klasse Poly(naptha)-(thio)thiophen umgewandelt werden. Weitaus überraschender ist es, dass diese Polymere mit hoher Kohlenstoffausbeute unter Erhalt der Ursprungsform in Fasern aus überwiegend Kohlenstoff umgewandelt werden. Sehr überraschend war auch die Erkenntnis, dass durch die Einwirkung von elementarem Schwefel auf vorvernetzte Polyamide gleichermaßen Formkörper und insbesondere Fasern aus überwiegend Kohlenstoff hergestellt werden können. Elementarer Schwefel als Agens ist aus Entschwefelungsprozessen gut verfügbar, leicht lagerfähig und besitzt keine besondere Gefahrenkennzeichnung. Erst im beschriebenen Prozess der Stabilisierung der Formkörper, insbesondere von Präkursorfasern, wird der Schwefel aktiviert. Er ist daher allen SOx-haltigen Agenzien vorzuziehen.Exposure to temperature can be converted into precursor polymers of the class poly (naptha) - (thio) thiophene. It is far more surprising that these polymers with high carbon yield while maintaining the Original form can be converted into fibers made mainly of carbon. It was also very surprising to discover that the effects of elemental sulfur on pre-crosslinked polyamides can be used to produce molded articles and in particular fibers from predominantly carbon. Elemental sulfur as an agent is readily available from desulfurization processes, easy to store and has no special hazard labeling. The sulfur is only activated in the process of stabilizing the moldings described, in particular of precursor fibers. It is therefore preferable to all SO x -containing agents.
Die grundlegende chemische Reaktion wurde an unvernetztem Polyethylen in einer Schmelze von Polyethylen in elementarem
Wenn vorstehend bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung bzw. in Zusammenhang mit der Erfindung erlangte Erkenntnisse anhand von Polyethylen beschrieben werden, dann ist es ohne weiteres ersichtlich, dass diese Ausführungen entsprechend auch für die weiteren bezeichneten thermoplastischen Poly-α-Olefine sowie thermoplastischen aliphatischen Polyamide gelten.If preferred embodiments of the invention or the knowledge obtained in connection with the invention are described with reference to polyethylene, then it is readily apparent that these statements also apply correspondingly to the other designated thermoplastic poly-α-olefins and thermoplastic aliphatic polyamides.
Der weitergehenden Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgend dargestellten
-
1 Die nach Trovimov et al., „Sulfur Reports“, 2003, Vol. 24, No. 3, S. 283-305 -
2 Ramanspektren, die die Umwandlung des Polyethylens in das aromatisierte Polyolefin und in die Kohlenstoffphase belegen, -
3 die Intensitätsverteilung der Ramanbande bei 1420 cm-1 einer Präkursorfaser aus aromatisiertem Polyolefin im Anschliff über den Querschnitt, die die homogene Stabilisierung von Polyethylen zeigt, -
4 TGA-Signale der Konvertierung von Fasern aus aromatisiertem Polyolefin in Carbonfasern, -
5 WAXS-Messungen der stabilisierten und carbonisierten Fasern aus LLD-PE im Vergleich zur einer polyacrylnitrilbasierten Carbonfaser, und -
6 gemessene Ramanverschiebung der sulphurierten Präkursorfasern im Vergleich zur simulierten Ramanverschiebung der Verbindung Polynaphtathiophen.
-
1 According to Trovimov et al., "Sulfur Reports", 2003, Vol. 24, No. 3, pp. 283-305 -
2nd Raman spectra, which show the conversion of the polyethylene into the flavored polyolefin and into the carbon phase, -
3rd the intensity distribution of the Raman band at 1420 cm -1 of a precursor fiber made of flavored polyolefin in the bevel across the cross section, which shows the homogeneous stabilization of polyethylene, -
4th TGA signals from the conversion of fibers from flavored polyolefin to carbon fibers, -
5 WAXS measurements of the stabilized and carbonized fibers made of LLD-PE compared to a polyacrylonitrile-based carbon fiber, and -
6 measured Raman shift of the sulfurized precursor fibers in comparison to the simulated Raman shift of the compound polynaphtathiophene.
Die
Die
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in wirtschaftlicher Weise vorteilhaft stabilisierte Präkursoren für Carbonformkörper, insbesondere Carbonfasern, herzustellen.The method according to the invention makes it possible to produce economically advantageously stabilized precursors for molded carbon bodies, in particular carbon fibers.
Die weiteren besonderen Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung verbunden sind, lassen sich wie folgt darstellen:
- Die mit im Überschuss an elementarem Schwefel sulphurierten modifizierten Formkörper sind wirtschaftlich und in vorteilhafter Weise herstellbar und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass aus einem sulphurierten thermoplastischem Polymer in einer einzigen Hochtemperaturbehandlung beliebig komplexe Formkörper aus verdichtetem turbostratischem Kohlenstoff oder Graphit mit sehr hohen Kohlenstoffausbeuten hergestellt werden können. So kann eine Formgebung des Formkörpers aus einem thermoplastischen Poly-α-Olefin oder thermoplastischem aliphatischen Polyamid auch durch Spritzgießen, 3D-Druck, Fräsen oder analoge Verfahren erfolgen. Die sulphurierten modifizierten Formkörper zeichnen sich zudem durch eine hohe mechanische Festigkeit und nicht-sprödes Verhalten aus, insbesondere in Form von Fasern und Folien, so dass sie vor der Carbonisierung leicht in weiteren formgebenden Prozessen verarbeitet werden können. Hier ist insbesondere auch die Herstellung textiler Strukturen zu nennen. Für die Herstellung von Carbonfasern ist die hohe mechanische Festigkeit von Vorteil, da die Fadenführung bei der Stabilisierung und Carbonisierung nicht auf niedrige Festigkeiten ausgelegt werden muss, wie das bei Pech-basierten Carbonfasern der Fall ist, sondern es können Fadenführungskonzepte aus dem Bereich der Polyacrylnitril-basierten Carbonfaser verwendet werden.
- The shaped bodies which have been sulfurized in excess of elemental sulfur can be produced economically and advantageously and are particularly distinguished by the fact that shaped bodies of any desired complexity can be produced from compressed, turbostratic carbon or graphite with very high carbon yields from a sulfurized thermoplastic polymer in a single high-temperature treatment . For example, the molded body can be shaped from a thermoplastic poly-α-olefin or thermoplastic aliphatic polyamide by injection molding, 3D printing, milling or similar processes. The sulfurized modified molded articles are also characterized by high mechanical strength and non-brittle behavior, in particular in the form of fibers and foils, so that they can easily be processed in other shaping processes before carbonization. The production of textile structures is particularly worth mentioning here. The high mechanical strength is advantageous for the production of carbon fibers, since the thread guide during stabilization and carbonization does not have to be designed for low strengths, as is the case with pitch-based carbon fibers, but thread guide concepts from the area of polyacrylonitrile based carbon fiber can be used.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der weitergehenden Erläuterung der Erfindung:The following examples serve to further explain the invention:
Beispiel 1 (Schmelzspinnen/Verstrecken)Example 1 (melt spinning / drawing)
Ein PE-HD mit dem mittleren Molgewicht von ca. 300.000 g/mol wird auf einem Einschneckenextruder mit nachgeschalteter Spinneinheit bei 320°C versponnen. Der Spinndüsendurchmesser beträgt 300 µm. Die Wickelgeschwindigkeit beträgt 300 m/min. Die gewickelte Faser wird durch Verstrecken auf einer Heizschiene maximal in der Länge gedehnt, so dass keine Filamentabrisse erkennbar sind. Die Zugfestigkeit des verstreckten Polyethylen-Filamentgarns beträgt 13,4 cN/tex (gemessen nach
Beispiel 2 (Schmelzspinnen)Example 2 (melt spinning)
Ein PE-LLD mit dem mittleren Molgewicht von ca. 240.000 g/mol wird auf einem Einschneckenextruder mit nachgeschalteter Spinneinheit bei 320°C versponnen. Der Spinndüsendurchmesser beträgt 200 µm. Die Wickelgeschwindigkeit beträgt 200 m/min. Die Zugfestigkeit des Polyethylen-Filamentgarns beträgt 5,9 cN/tex (gemessen nach
Beispiel 3 (Verstrecken) Example 3 (stretching)
Das Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 1 wird auf einer Verstreckeinrichtung unter Erwärmung auf 80°C um das Verstreckverhältnis 3,5 nachverstreckt. Die Zugfestigkeit des Polyethylen-Filamentgarns beträgt 42 cN/tex (gemessen nach
Beispiel 4 (Verstrecken)Example 4 (stretching)
Das Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 2 wird auf einer Verstreckeinrichtung unter Erwärmung auf 80°C um das Verstreckverhältnis 4,7 nachverstreckt. Die Zugfestigkeit des Polyethylen-Filamentgarns beträgt 28 cN/tex (gemessen nach
Beispiel 5 (Vernetzend)Example 5 (crosslinking)
Das verstreckte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 3 wird in einer auf einem textilen Förderband einer Elektronenbestrahlungsanlage fixiert und kontinuierlich mit einer Dosis von 300 kGy bestrahlt. Die Zugfestigkeit des vernetzten Polyethylen-Filamentgarns beträgt 27 cN/tex (gemessen nach
Beispiel 6 (Vernetzen)Example 6 (networking)
Das verstreckte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 4 wird in einer auf einem textilen Förderband einer Elektronenbestrahlungsanlage fixiert und kontinuierlich mit einer Dosis von 300 kGy bestrahlt. Die Zugfestigkeit des vernetzten Polyethylen-Filamentgarns beträgt 24 cN/tex (gemessen nach
Beispiel 7 (Sulphurieren)Example 7 (Sulfurizing)
Das vernetzte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 5 wird in einem Glaskolben auf einen Metallrahmen fixiert und in flüssigem Schwefel unter Inertgas einer Temperatur von 255°C für 3h behandelt. Bei der Behandlung wird Schwefelwasserstoff freigesetzt. Der durch Elementaranalyse festgestellte Schwefelgehalt beträgt 51 Gewichts-%. Die erhaltenen Fasern besitzen einen metallischen Glanz.The crosslinked polyethylene filament yarn from Example 5 is fixed in a glass bulb on a metal frame and treated in liquid sulfur under inert gas at a temperature of 255 ° C. for 3 hours. During the treatment, hydrogen sulfide is released. The sulfur content determined by elemental analysis is 51% by weight. The fibers obtained have a metallic sheen.
Beispiel 8 (Sulphurieren)Example 8 (Sulfurizing)
Das vernetzte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 6 wird in einem Glaskolben auf einen Metallrahmen fixiert und in flüssigem Schwefel unter Inertgas einer Temperatur von 255°C für 3h behandelt. Bei der Behandlung wird Schwefelwasserstoff freigesetzt. Der durch Elementaranalyse festgestellte Schwefelgehalt beträgt 56 Gewichts-%. Die erhaltenen Fasern besitzen einen metallischen Glanz.The crosslinked polyethylene filament yarn from Example 6 is fixed in a glass bulb on a metal frame and treated in liquid sulfur under an inert gas at a temperature of 255 ° C. for 3 hours. During the treatment, hydrogen sulfide is released. The sulfur content determined by elemental analysis is 56% by weight. The fibers obtained have a metallic sheen.
Beispiel 9 (Carbonisieren)Example 9 (Carbonizing)
Das sulphurierte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 7 wird in einen Graphittiegel gelegt und unter Inertgas in einem Kammerofen mit 10 K/min auf maximal 1800°C erhitzt und carbonisiert. Der durchschnittliche Carbonfaserdurchmesser beträgt 13 µm. Die über WAXS-Analyse bestimmte Orientierung beträgt 66%. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt aus einer Elementaranalyse betrug 98,7%.The sulfurized polyethylene filament yarn from Example 7 is placed in a graphite crucible and heated and carbonized at 10 K / min to a maximum of 1800 ° C. under inert gas in a chamber furnace. The average carbon fiber diameter is 13 µm. The orientation determined by WAXS analysis is 66%. The carbon content determined from an elemental analysis was 98.7%.
Beispiel 10 (Carbonisieren)Example 10 (Carbonization)
Das sulphurierte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 8 wird in einen Graphittiegel gelegt und unter Inertgas in einem Kammerofen mit 10 K/min auf maximal 1800°C erhitzt und carbonisiert. Der durchschnittliche Carbonfaserdurchmesser beträgt 16 µm. Die über WAXS-Analyse bestimmte Orientierung beträgt 65%. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt aus einer Elementaranalyse beträgt 98,7%, die gemittelte Zugfestigkeit der Carbon-Faser 0,7 GPa (gemessen nach
Beispiel 11 (Carbonisieren/Graphitisieren)Example 11 (Carbonization / Graphitization)
Das carbonisierte und zuvor sulphurisierte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 7 wird in einen Graphittiegel gelegt und unter Inertgas in einem Kammerofen mit 10 K/min auf maximal 2000°C erhitzt und graphitisiert. Die über WAXS-Analyse bestimmte Orientierung beträgt 70%. Die gemittelte Zugfestigkeit der Carbon-Faser beträgt 0,83 GPa und der gemittelte Modul 97 GPa (gemessen nach DIN EN ISO 5079).The carbonized and previously sulfurized polyethylene filament yarn from Example 7 is placed in a graphite crucible and heated under inert gas in a chamber furnace at 10 K / min to a maximum of 2000 ° C. and graphitized. The orientation determined by WAXS analysis is 70%. The average tensile strength of the carbon fiber is 0.83 GPa and the average modulus 97 GPa (measured according to DIN EN ISO 5079).
Beispiel 12 (Carbonisieren)Example 12 (Carbonization)
Das sulphurierte Polyethylen-Filamentgarn aus Beispiel 7 wird in einen Graphittiegel gelegt und in Luft mit ansteigender Temperatur von 0,25 K/min von Raumtemperatur bis auf 250°C behandelt. Die resultierende Faser wird unter Inertgas in einem Kammerofen mit ansteigender Temperatur von 10 K/min auf maximal 1400°C erhitzt und carbonisiert. Die Kohlenstoffausbeute bei der Carbonisierung bezogen auf das sulphurierte Polyethylen-Filamentgarn steigt um 28%.The sulfurized polyethylene filament yarn from Example 7 is placed in a graphite crucible and treated in air at an increasing temperature of 0.25 K / min from room temperature to 250 ° C. The resulting fiber is heated under inert gas in a chamber furnace at an increasing temperature of 10 K / min to a maximum of 1400 ° C. and carbonized. The carbon yield during carbonization based on the sulfurized polyethylene filament yarn increases by 28%.
Beispiel 13 (Carbonisieren)Example 13 (Carbonization)
Eine Faser aus PA6.6 wird mit einer Dosis von 600 kGy in einer Elektronenbestrahlungsanlage vernetzt. Durch Behandlung in geschmolzenem Schwefel für 2 h bei 255°C wird eine schwarze Faser erhalten. Die Faser wird unter Inertgas mit einer Heizrate von 10 K/min auf maximal 1400°C erhitzt und carbonisiert. Die Restmasse der Faser beträgt 35,5%.A fiber made of PA6.6 is crosslinked with a dose of 600 kGy in an electron irradiation system. A black fiber is obtained by treatment in molten sulfur for 2 h at 255 ° C. The fiber is heated and carbonized under inert gas at a heating rate of 10 K / min to a maximum of 1400 ° C. The remaining mass of the fiber is 35.5%.
Beispiel 14 (Vernetzen/Sutphurieren)Example 14 (Cross-linking / Sutration)
Eine Folie aus LDPE wird durch Bestrahlung mit Elektronen mit einer Dosis von 300 kGy vernetzt und in flüssigem elementarem Schwefel für 3h bei 250°C unter Inertgas sulphuriert. Die entstandene Folie glänzt goldfarben-metallisch.A film of LDPE is crosslinked by irradiation with electrons at a dose of 300 kGy and sulfurized in liquid elemental sulfur for 3 hours at 250 ° C under inert gas. The resulting film has a gold-metallic sheen.
Schließlich soll die Erfindung weitergehend anhand verschiedener Kenndaten der erfindungsgemäß erhaltenen Carbonfasern weitergehend erläutert werden. Diese werden in den folgenden Tabellen erfasst.Finally, the invention is to be explained in greater detail on the basis of various characteristic data of the carbon fibers obtained according to the invention. These are recorded in the following tables.
Die mechanischen Kennwerte einzelner beispielhafter Carbonfasermonofilamente hergestellt aus PE-HD durch Behandlung mit Schwefel und nachfolgender Carbonisierung, bei 1400°C, sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Anmerkung: Die Zugfestigkeit [GPa] und der Modul (Young Modulus) [GPa] wurde nach
Die mechanischen Kennwerte einzelner beispielhafter Carbonfasermonofilamente, hergestellt aus PE-HD durch Behandlung mit Schwefel und nachfolgender Carbonisierung bei 2000°C, sind in Tabelle 2 dargestellt:
Tabelle 2
Die Maximalwerte der mechanischen Kennwerte Zugfestigkeit und Modul für eine Carbonisierungstemperatur unter 2000°C entsprechen dem Stand der Technik (WO2014011462 / WO2014011460) sowohl in Bezug auf die Zugfestigkeit und auf den Modul, wie es die Tabelle 3 verdeutlicht:
Tabelle 3
Die folgende Tabelle 4 zeigt die guten bis sehr guten Orientierungsgrade in den schmelzgesponnen, mit Schwefel stabilisierten und dann daraus hergestellten Carbonfasern. Die schmelzgesponnen Polyethylenfasern erzielen generell eine Orientierung von > 90°. Durch die Stabilisierung geht durch Bindungsumlagerungen naturgemäß im Rahmen der Bindungsneuordnung ein gewisser Grad an Orientierung verloren. Die resultierenden Carbonfasern besitzen generell eine Orientierung von 60 bis 73%.
Tabelle 4
Die folgende Tabelle 5 zeigt Auswertungen von Weitwinkelmessungen der Röntgenbeugung von mit Schwefel stabilisierten Präkursorfasern aus Polyethylen vom Typ PE-HD und PE-LLD und den daraus hergestellten Carbonfasern bei verschiedenen maximalen Carbonisierungstemperaturen.
Tabelle 5
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