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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Kohlenstofffasern, wobei Precursorfasern als Ausgangsprodukt bereitgestellt und durch Temperierung karbonisiert und gegebenenfalls graphitisiert werden, um die Kohlenstofffasern herzustellen.
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Faserverbundbauteile sind heutzutage aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen anderen Anwendungsgebieten kaum mehr wegzudenken. Denn aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Faserverbundbauteile gerade insbesondere für die Optimierung im Sinne des Leichtbaus.
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Die bei Faserverbundbauteilen verwendeten Faserverbundwerkstoffe bestehen in der Regel aus Verstärkungsfasern, die in eine Kunststoffmatrix, auch Matrixmaterial genannt, eingebettet sind. Hierdurch ergibt sich eine integrale Bauweise aus Verstärkungsfasern und Kunststoffmaterial und bietet so eine von der Faserorientierung abhängige hohe Steifigkeit und Festigkeit. Die Verstärkungsfasern sind dabei die hauptlasttragenden Elemente eines Faserverbundbauteils und müssen so ausgelegt sein, dass sie die Belastungen in Faserrichtung entsprechend aufnehmen und abtragen können.
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Bei der industriellen Herstellung von Kohlenstofffasern werden kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterialien, in der Regel organische Fasern, Teer, Pech oder Polyacrylnitril (PAN) durch eine angepasste chemische Reaktion karbonisiert und gegebenenfalls graphitisiert. Gerade der Vorgang der Karbonisierung sowie der Graphitisierung erfolgt bei sehr hohen Temperaturen, so ab ca. 1.300°C bis ca. 2.500°C, in Verbindung mit einer Verstreckung der Fasern durch Anlegung einer Zugspannung, um so einen besonders hohen prozentualen Anteil der Kohlenstoffatome und eine die hohe Festigkeit und Steifigkeit in Längsrichtung bewirkende Anordnung der Kohlenstoffatome zu erreichen.
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Dem Prozess der Karbonisierung und Graphitisierung wird dabei als Ausgangsmaterial sogenannte Precursorfasern bereitgestellt, unter denen ein Material verstanden wird, die als Ausgangsprodukt für die Karbonisierung und gegebenenfalls Graphitisierung zur Herstellung von Kohlenstofffasern geeignet sind. Derartige Precursorfasern sind Materialien, die durch an sich bekannte Verfahrensmaßnahmen in unschmelzbares Material umgewandelt wurden und sich anschließend für die Karbonisierungs- und Graphitisierungsschritte zur Erzeugung der Kohlenstofffasern entsprechend eignen. Solche Precursorfasern können organische Fasern, Teer, Pech und/oder Polyacrylnitril (PAN) enthalten, aufweisen oder daraus bestehen.
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Der Prozess der Temperierung der Fasern ist dabei sehr energieintensiv, da die lang gezogenen Precursorfasern in der Praxis durch sogenannte Durchgangsöfen gezogen werden, bei denen oft unnötiger Weise viel thermische Masse die Produktionsumgebung erwärmt.
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Aus der
EP 1 845 179 B1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern bekannt, bei denen die Precursorfasern unter Zuhilfenahme von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen karbonisiert und graphitisiert werden. Dabei ist vorgesehen, dass die Precursorfasern durch eine Kammer hindurchgeführt werden, in der dann die Precursorfasern den elektromagnetischen Wellen ausgesetzt werden. Allerdings ist es hierfür erforderlich, dass insbesondere am Eingang und am Ausgang der Kammer eine entsprechende Schutzatmosphäre vorhanden ist, um insbesondere auch ein Entweichen elektromagnetischer Wellen zu verhindern.
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Der Nachteil hierbei ist, dass eine derartige Anlage zur Temperierung mittels elektromagnetischer Wellen ebenfalls sehr energieintensiv ist und darüber hinaus viel Aufwand in Bezug auf die Sicherheit einer derartigen Anlage betrieben werden muss.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anlage zur Herstellung von Kohlenstofffasern anzugeben, die energieeffizienter arbeitet und darüber hinaus einen deutlich geringen Anlagenaufwand hat.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Anlage gemäß Anspruch 12 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern vorgeschlagen, wobei Precursorfasern aus Ausgangsprodukten bereitgestellt und durch Temperieren karbonisiert und gegebenenfalls graphitisiert werden, um die Kohlenstofffasern herzustellen.
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Erfindungsgemäß werden die Precursorfasern dabei mit wenigstens einer Elektrode und mit wenigstens einer Gegenelektrode elektrisch kontaktiert, wobei an die wenigstens eine Elektrode und/oder Gegenelektrode mittels einer elektrischen Spannungsquelle eine elektrische Spannung angelegt wird, um einen Stromfluss in den Precursorfasern zwischen der jeweiligen kontaktierten Elektrode und Gegenelektrode derartig bewirken, dass die Precursorfasern in dem durch die jeweilige kontaktierte Elektrode und Gegenelektrode definierten Heizabschnitt der Precursorfasern zur Karbonisierung und gegebenenfalls Graphitisierung temperiert werden.
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Demnach wird mit Hilfe eines in den Precursorfasern bewirkten elektrischen Stromflusses eine Temperierung der Precursorfasern derart erreicht, dass die Precursorfasern eine Temperatur aufweisen, die zu einer Karbonisierung und gegebenenfalls Graphitisierung der Precursorfasern führen und somit zur Herstellung der Kohlenstofffasern.
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Dabei haben die Erfinder erkannt, dass auch Precursorfasern, die als Ausgangsmaterial bzw. Ausgangsprodukt dem Herstellungsprozess bereitgestellt werden, basierend auf dem Prinzip der Widerstandsheizung so temperiert werden können, dass die Precursorfasern karbonisieren und graphitisieren. Hierdurch entsteht letztlich die thermische Energie nur in den Precursorfasern selber und somit nur in dem herzustellenden Produkt, ohne dass die die Precursorfasern umgebende Anlage als thermische Masse mittemperiert wird. Hierdurch kann das Herstellungsverfahren für die Herstellung von Kohlenstofffasern wesentlich energieeffizienter und schneller durchgeführt werden, was die Materialeigenschaften positiv beeinflusst, bei gleichzeitiger Reduzierung des Anlagenaufwandes.
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Als Elektrode und Gegenelektrode kommen beispielsweise Kupferelektroden in Betracht, die eine gute elektrische Kontaktierung ermöglichen. Durch Aufbringen einer Anpresskraft wird der elektrische Kontaktwiderstand zusätzlich vermindert. Die Elektroden können dabei in Form von Rollen oder Walzen ausgebildet sein, wobei die Rollen oder Walzen die Elektrode/ Gegenelektrode an zumindest einem Teil ihres Umfangs enthalten oder gar die Elektrode/ Gegenelektrode an sich bilden. In einer Ausführungsform ist es dabei denkbar, dass jeweils die Elektrode und/oder Gegenelektrode aus zwei gegenüberliegenden Rollen oder Walzen besteht und somit ein Walzpaar bilden, zwischen das dann die Precursorfasern hindurchgeführt werden und so elektrisch kontaktiert sind.
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Durch die Kontaktierung der Precursorfasern mit der Elektrode einerseits und einer damit korrespondierenden Gegenelektrode andererseits wird in den Precursorfasern zwischen der Elektrode und Gegenelektrode ein Heizabschnitt gebildet, der aufgrund einer Bestromung erwärmt wird. Denn durch das Anlegen der elektrischen Spannung an der Elektrode und/oder Gegenelektrode wird ein Stromfluss innerhalb des durch die Elektrode und Gegenelektrode gebildeten Heizabschnittes bewirkt, der aufgrund des Widerstandes der Precursorfasern zu einer Erwärmung führt.
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Insbesondere bei einem kontinuierlichen Herstellen solcher Kohlenstofffasern durch ein Fördern der Precursorfasern entlang der Elektroden „wandert“ der Heizabschnitt absolut betrachtet gegenüber den Precursorfasern, wodurch im gesamten Herstellungsprozess kontinuierlich die Precursorfasern temperiert werden.
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Vorteilhafterweise wird durch Anlegen der elektrischen Spannung ein Stromfluss derart bewirkt, dass die Precursorfasern im Heizabschnitt zur Karbonisierung auf mindestens 1.300°C, vorzugsweise auf mindestens 1.500°C oder besonders vorzugsweise auf mindestens 1.800°C temperiert werden. Die Precursorfasern können im Heizabschnitt aber auch so bestromt werden, dass der Heizabschnitt zur Graphitisierung auf mindestens 1.800°C oder vorzugsweise auf mindestens 1.500°C temperiert wird. Der Prozess der Karbonisierung schließt den Vorprozess der Oxidation im Sinne der vorliegenden Erfindung mit ein, so dass es vorteilhaft ist, wenn die Precursorfasern zunächst bis zu 300°C temperiert werden.
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Hierdurch wird eine Karbonisierung und gegebenenfalls Graphitisierung der Precursorfasern durch eine entsprechende Temperierung, wie dies hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt ist, allein durch eine Bestromung der Precursorfasern erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Precursorfasern durch Anlegen einer Zugspannung verstreckt, und zwar während der Kontaktierung der wenigstens einen Elektrode und Gegenelektrode und während der Bestromung der Precursorfasern, d.h. also während der Temperierung des Heizabschnittes.
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Hierdurch wird in der Regel der Prozess der Graphitisierung unterstützt, um die Ausrichtung der Graphitebenen zu verändern und somit die Kohlenstofffasern hinsichtlich der Festigkeit und Steifigkeit zu verbessern.
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Dabei wurde erkannt, dass auch beim Anlegen einer Zugspannung an die Precursorfasern die Precursorfasern entsprechend der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung mit der Elektrode und Gegenelektrode kontaktiert und bestromt werden können und dennoch prozesssicher die Kohlenstofffasern herstellbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden in den Precursorfasern mehrere Heizabschnitte gebildet, in dem für jeden Heizabschnitt jeweils mindestens eine Elektrode und mindestens eine Gegenelektrode die Precursorfasern kontaktieren, so dass eine Vielzahl von Elektroden und Gegenelektroden die Precursorfasern kontaktieren. Dies hat den Vorteil, dass für jeden Heizabschnitt unterschiedliche Spannungen angelegt werden, wodurch aufgrund einer veränderten Bestromung der Precursorfasern Einfluss auf die Temperierung in dem jeweiligen Heizabschnitt genommen werden kann. Insbesondere kann aber in dem jeweiligen Heizabschnitt auf die fortschreitende Karbonisierung und Graphitisierung bei dem Anlegen der elektrischen Spannung an die Elektroden und Gegenelektrode Rücksicht genommen werden, da mit fortschreitender Karbonisierung und Graphitisierung sich der elektrische Widerstand verringert wird. Insbesondere dann, wenn die Precursorfasern kontinuierlich in eine Richtung gefördert werden, können hier über die gesamte Förderstrecke weg mehrere Heizabschnitte gebildet werden, in denen unterschiedliche elektrische Spannungen an die Elektrode/ Gegenelektrode angelegt werden, um dem fortschreitenden Prozess der Karbonisierung und Graphitisierung zwecks möglichst gleichbleibender und wesentlich konstanter Temperierung Rechnung zu tragen.
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Vorteilhafterweise wird während der elektrischen Kontaktierung und Bestromung eine Anpresskraft durch die Elektrode/Gegenelektrode auf die Precursorfasern ausgeübt, um zusätzlich den elektrischen Kontaktwiderstand zu vermindern.
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Vorteilhafterweise wird mittels eines Widerstandmessgerätes während der Bestromung der Precursorfasern der elektrische Widerstand der Precursorfasern erfasst und die Temperierung der Precursorfasern durch Bestromung in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Widerstand mittels einer Steuereinheit gesteuert, indem die Spannungshöhe der angelegten elektrischen Spannung in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand eingestellt wird. Denn wie oben beschrieben, kann durch eine fortschreitende Karbonisierung und Graphitisierung der elektrische Widerstand innerhalb des Heizabschnittes zeitlich variieren, wobei durch Erfassen des elektrischen Widerstandes und Anpassen der angelegten elektrischen Spannung eine wesentlich konstante bzw. gleichbleibende Temperierung erreicht wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Precursorfasern gerade nicht in eine Förderrichtung kontinuierlich gefördert werden.
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Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spannungshöhe eingestellt wird, indem die Temperatur der Precursorfasern während der Bestromung und Temperierung in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Widerstand ermittelt und die Spannungshöhe dann in Abhängigkeit der erfassten Temperatur entsprechend gesteuert und geregelt wird. Das Ableiten der Temperatur anhand des gemessenen elektrischen Widerstandes kann beispielsweise mit Hilfe einer Kennlinie basierend auf Spannungshöhe, elektrischer Widerstand und Temperatur oder einer Korrelationsrechnung aus diesen Parametern erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mit Hilfe des erfassten elektrischen Widerstandes der Precursorfasern während der Bestromung die Karbonisierung und gegebenenfalls die Graphitisierung überwacht bzw. der Prozess der Karbonisierung und Graphitisierung aufgrund der Temperierung der Precursorfasern überwacht. Dadurch kann der gesamte Herstellungsprozess überwacht und gegebenenfalls korrigierend eingegriffen werden.
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Vorteilhafterweise wird die Karbonisierung und gegebenenfalls die Graphitisierung der Precursorfasern überwacht, indem eine Beschädigung und/oder Durchtrennung der Precursorfasern in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Widerstand der Precursorfasern detektiert und anschließend gegebenenfalls die Anlage stillgelegt wird. Denn verändert der elektrische Widerstand sich sprunghaft oder geht messtechnisch ins Unendliche, so muss von einer Durchtrennung bzw. Beschädigung der Precursorfasern ausgegangen werden.
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Des Weiteren kann durch das Erfassen des elektrischen Widerstandes auch eines Querschnittsveränderung der Precursorfasern detektiert werden, da eine Querschnittsveränderung proportional zur Änderung des erfassten elektrischen Widerstandes steht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Karbonisierung und gegebenenfalls die Graphitisierung der Precursorfasern überwacht, indem ein Karbonisierungszustand und gegebenenfalls ein Graphitisierungszustand der Precursorfasern in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Widerstand ermittelt und anschließend in Abhängigkeit des Karbonisierungszustandes und gegebenenfalls des Graphitisierungszustandes die Überwachung durchgeführt wird. Als Karbonisierungszustand kann beispielsweise der Anteil der vernetzten Kohlenstoffatome sein, wobei auch hier mittels einer Korrelation bzw. Kennlinie von dem elektrischen Widerstand auf den Karbonisierungszustand geschlossen werden kann. Gleiches gilt für den Graphitisierungszustand, wo auch hier unter Kenntnis des elektrischen Widerstands eine Aussage über die Ausrichtung beispielsweise der Graphitebenen gemacht werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
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1 – schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung von Kohlenstofffasern.
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1 zeigt eine Anlage 10 zur Herstellung von Kohlenstofffasern 12 aus bereitgestellten Precursorfasern 11. Die Anlage weist hierfür eine Temperierkammer 13 auf, durch die die Precursorfasern 11 eingeführt und hindurchgeführt werden.
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Innerhalb der Temperierkammer werden die Precursorfasern 11 mit einem ersten Paar Elektroden 14 und einem Paar Gegenelektroden 15 kontaktiert, wobei zwischen den Elektroden 14 und den Gegenelektroden 15 ein Heizabschnitt 16 in den Precursorfasern 11 gebildet wird. Die Elektroden 14 und Gegenelektroden 15 sind dabei so ausgebildet, dass jeweils zwischen ihnen die Precursorfasern 11 hindurchgeführt werden, so dass die Precursorfasern sowohl von der einen Seite als auch von der anderen Seite mit der jeweiligen Elektrode 14 und/oder Gegenelektrode 15 kontaktiert werden.
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Die Elektroden 14 und die Gegenelektroden 15 sind mit einer Steuereinheit 17 verbunden, die in Kommunikation mit der Anlagensteuerung 18 steht. Die Steuereinheit 17 weist dabei eine elektrische Spannungsquelle auf, um eine elektrische Spannung an die Elektroden 14 und/oder Gegenelektroden 15 anzulegen und so einen Stromfluss innerhalb des Heizabschnittes 16 der Precursorfasern 11 zu bewirken. In diesem Bereich des Heizabschnittes 16 würden sich sodann die Precursorfasern 11 erwärmen, und zwar aufgrund der elektrischen Verlustleistung, so dass die Precursorfasern zur Karbonisierung und gegebenenfalls Graphitisierung temperiert werden.
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Die Steuereinheit 17 kann darüber hinaus auch den elektrischen Widerstand innerhalb des Heizabschnittes 16 erfassen und so den Herstellungsprozess gegebenenfalls überwachen, wobei hierfür auch eine Rückkopplung mit der Anlagensteuerung 18 erfolgen kann. Stellt die Steuereinheit 17 beispielsweise fest, dass aufgrund eines sprunghaft angestiegenen elektrischen Widerstandes die Precursorfasern im Heizabschnitt 16 gerissen sind, so kann dies an die Anlagensteuerung 18 rückgekoppelt werden, um die gesamte Anlage 10 stillzulegen.
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Darüber hinaus lässt sich auch der entsprechende Endzustand, d.h. die Fertigstellung der Kohlenstofffasern, detektieren, was in Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes geschehen kann.
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Durch die elektrische Widerstandsheizung gemäß der Anlage 10 können deutlich schnellere Aufheiz- bzw. Abkühlraten realisiert werden, die die Eigenschaften der Kohlenstofffasern positiv beeinflussen. Dabei ist der Temperatur- und Zeitverlauf entscheidend für die späteren Eigenschaften der Kohlenstofffasern und kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anlage sehr fein eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anlage
- 11
- Precursorfasern
- 12
- Kohlenstofffasern
- 13
- Temperierkammer
- 14
- Elektroden
- 15
- Gegenelektroden
- 16
- Heizabschnitt
- 17
- Steuereinheit
- 18
- Anlagensteuerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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