DE102015205809A1

DE102015205809A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstofffasern mit Plasmaunterstützung

Info

Publication number: DE102015205809A1
Application number: DE102015205809.3A
Authority: DE
Inventors: Ines Dani; Gerrit Mäder; Jane Großmann; Julius Roch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Technikum Laubholz GmbH TLH
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2035-04-01
Also published as: DE102015205809B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstofffasern mit Plasmaunterstützung, bei der mindestens eine aus einem polymeren Material gebildete Faser in stabilisierter Form als Vorprodukt in eine in Richtung der Faser(n) langestreckte Kammer an einer Stirnseite hinein und an der gegenüberliegenden Stirnseite herausgeführt ist. Dabei sind mehrere gepulst betreibbare Magnetrons in einer Reihenanordnung über die Länge der Kammer angeordnet. Durch eine jeweils gegenüberliegende Anordnung von Einkoppelelementen für Mikrowellen in einer entsprechenden Reihenanordnung, werden Mikrowellen, die von Magnetrons emittiert werden, gleichzeitig und mit jeweils gleicher Phase aus zwei entgegengesetzten Richtungen auf die Faser(n) gerichtet. Die Magnetrons sind an eine elektronische Steuerung angeschlossen, die so ausgebildet ist, dass eine Steuerung der Magnetrons erreichbar ist, mit der über die Länge der Kammer ein zumindest nahezu homogenes Plasma ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstofffasern mit Plasmaunterstützung.
Üblicherweise werden Kohlenstofffasern bei thermischen Prozessen hergestellt. Dabei werden in der Regel mehrere Öfen nacheinander angeordnet, durch die Fasern aus einem geeigneten polymeren Werkstoff (z.B. Polyacrylnitril – PAN) hindurchgeführt werden. In den Öfen wird die Temperatur stufenweise bis auf eine sehr hohe Maximaltemperatur erhöht. Zumindest in einem Temperaturbereich oberhalb 350 °C ist dabei eine inerte Atmosphäre, insbesondere Stickstoff einzuhalten.
Die Kosten der Herstellung werden dabei wesentlich durch die hohen Kosten für die erforderliche Anlagentechnik und dabei insbesondere die Öfen sowie den extrem hohen Energieaufwand bestimmt.
Bei der durchzuführenden Karbonisierung von bereits in herkömmlicher Form stabilisierten Polymerfasern in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 900 °C müssen sehr kleine Heizraten im Bereich weniger K/min eingehalten werden, was die Produktivität natürlich einschränkt. Oberhalb dieser ca. 900 °C kann mit deutlich größeren Heizraten bis oberhalb 100 K/min verfahren werden. Die erforderlichen Maximaltemperaturen liegen im Bereich 1500 °C bis ca. 3000 °C. Mit der jeweils erreichten Maximaltemperatur werden besonders die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern beeinflusst. Dementsprechend können diese Eigenschaften der herzustellenden Kohlenstofffasern über die jeweilige Maximaltemperatur beeinflusst werden.
Mit steigender Maximaltemperatur reduzieren sich jedoch die Wirkungsgrade der Öfen. Es sind hochtemperaturbeständige Werkstoffe erforderlich, was insbesondere die für die Einhaltung einer inerten Atmosphäre erforderliche Abdichtung eines Schleusensystems, durch die Polymerfasern ein- und die erhaltenen Kohlenstofffasern herausgeführt werden, betrifft.
So werden üblicherweise bis zu einem Temperaturbereich von ca. 1150 °C elektrische Widerstandsheizungen mit Heizleitern eingesetzt, die gegenüber den Heizelementen, mit denen höhere Temperaturen erreicht werden können, einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Bis in diesen Temperaturbereich können auch kostengünstige Quarzglaselemente für die Ofenwände eingesetzt werden.
Öfen mit denen höhere Temperaturen realisierbar sind, nutzen Heizstäbe aus elektrisch leitendem SiC und Ofenwänden aus Aluminiumoxid.
Bei den sehr hohen Temperaturen oberhalb 1500 °C werden elektrisch leitende Graphitrohre, die bis auf 3000 °C erwärmt werden können, eingesetzt. Durch die Graphitrohre fließen elektrische Ströme von mehreren 10000 A und einer elektrischen Spannung von nur wenigen Volt. Dies erfordert eine sehr komplexe Anlagentechnik. Die Graphitrohre müssen vor dem Einfluss von Sauerstoff geschützt werden, was den Aufwand weiter erhöht. Dazu sind sie mit kostenintensivem Graphitfilz umhüllt und müssen außerdem aufwändig gekühlt werden.
All dies treibt die Herstellungskosten extrem in die Höhe. So wurde in US 7,824,495 B1 vorgeschlagen die Herstellung mit einem Plasma, das mit Mikrowellen generiert wird, durchzuführen. Dazu werden vorab mittels einer thermischen Behandlung bei einer relativ niedrigen Temperatur von ca. 200 °C durch partielle Oxidation stabilisierte Fasern eingesetzt, die ursprünglich aus einem polymeren Werkstoff, beispielsweise Polyacrylnitril (PAN) bestanden. Die zu bearbeitenden Fasern sollen dabei durch einen Reaktor geführt werden, in dem mittels Mikrowellen ein Plasma generiert wird. Dabei soll aber die Plasmaintensität einen Gradienten aufweisen, so dass Plasma nur an einer Seite des Reaktors vorhanden ist. Dementsprechend soll an der Eintrittsseite der Fasern die Mikrowellenleistung kleiner als an der Austrittsseite sein. Dadurch verlängern sich aber die für die Herstellung erforderliche Zeit und/oder die Länge des Reaktors und demzufolge auch die Kosten.
Für die Einkopplung der Mikrowellen werden Metallplatten mit sich progressiv vergrößernden Öffnungen an einer Seite des Reaktors eingesetzt. Zur Erhöhung der Wirkung kann auch eine reflektierende Platte an der gegenüberliegenden Seite des Reaktors vorhanden sein, von der Mikrowellen zurück reflektiert und ggf. zusätzlich für die Behandlung der Fasern durch Unterstützung der Plasmabildung genutzt werden können.
Bei einer Einkopplung von Mikrowellen kommt es aber zu Wechselwirkungen zwischen dem gebildeten Plasma und den Mikrowellen. Je dichter ein ausgebildetes Plasma ist, umso mehr werden Mikrowellen gedämpft und können keine ausreichende Anregung von plasmabildenden Spezies bewirken. Ein gebildetes Plasma wandert daher zur Wand an der die Einkopplung der Mikrowellen erfolgt. Die Plasmadichte wird innerhalb eines Reaktors inhomogen, wobei die Plasmadichte ausgehend von der Wand, von der die Einkopplung erfolgt, abnimmt. Sie kann erst wieder ansteigen, wenn sich die Plasmadichte im Wandbereich reduziert hat, was in der Regel erst nach Abschalten oder sehr starker Reduzierung der Leistung möglich ist.
Die Plasmadichte wird wesentlich durch die eingekoppelte Leistung und dem Innendruck innerhalb der Kammer definiert. Letzteres hat dabei den größten Einfluss.
Da Plasma einen idealen elektrischen Leiter darstellt (sehr viele freie Ladungsträger) wird bei einer zu hohen Plasmadichte die eingekoppelte Leistung reflektiert. Nachfolgend im Inneren der Kammer angeordnete Bereiche können nicht mehr mit Mikrowellenleistung versorgt werden. Die Plasmadichte nimmt daher von der Seite (Kammerwand), von der Mikrowellen eingekoppelt werden, ab.
Da bei der Erfindung aber die Einkopplung der Mikrowellen von zwei gegenüberliegend angeordneten Seiten in die Kammer erfolgt, kann diesem Problem entgegen getreten werden. Es kann eine homogene Plasmadichte im Inneren der Kammer mit einer homogenen Feldverteilung um ein in der Kammer positioniertes Quarzglasrohr, in dem sich das Plasma befindet, trotz eigentlich hoher Plasmadichte und erhöhtem Innendruck in der Kammer ausgebildet werden.
Auch diese Effekte führen zu einer Verlängerung der erforderlichen Zeit. Außerdem ist keine gleichmäßige Behandlung der Fasern erreichbar und die Herstellungskosten bleiben noch zu hoch.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine effizientere Herstellung von Kohlenstofffasern anzugeben, die bevorzugt verbessert reproduzierbar hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstofffasern ist dabei so ausgebildet, dass mindestens eine aus einem polymeren Material gebildete Faser in stabilisierter Form als Vorprodukt in eine in Richtung der Faser(n) langestreckte Kammer an einer Stirnseite hinein und an der gegenüberliegenden Stirnseite herausgeführt ist. Es sind mehrere gepulst betreibbare Magnetrons in einer Reihenanordnung über die Länge der Kammer angeordnet und durch eine jeweils gegenüberliegende Anordnung von Einkopplungselementen für Mikrowellen in einer dementsprechenden Reihenanordnung, die von Magnetrons emittiert werden, gleichzeitig und mit jeweils gleicher Phase Mikrowellen aus zwei entgegengesetzten Richtungen auf die Faser(n) synchron gerichtet sind. Die Magnetrons sind an eine elektronische Steuerung angeschlossen, die so ausgebildet ist, dass eine Steuerung der Magnetrons erreichbar ist, mit der über die Länge der Kammer ein zumindest nahezu homogenes Plasma ausgebildet ist.
Die Regelung der Magnetrons kann aber auch zur Erstellung von Gradienten bei der Plasmadichte genutzt werden. Durch Gradienten der Plasmadichte können z.B. kleine und große Aufheizraten in einer Kammer Reaktor realisiert werden.
Durch einen gepulsten Betrieb der Magnetrons ist es möglich, eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig guter Homogenität des Plasmas zu erreichen.
Ein Impuls mit hoher Mikrowellen-Leistung führt zuerst zu einer hohen Plasmadichte und im Anschluss zum Abschirmen der einkoppelbaren Leistung. Bricht man den Puls wieder ab, bevor die Abschirmung sich zu sehr ausprägt, so kann eine höhere Plasmadichte beibehalten werden, ohne dass ein Dämpfungseffekt auftritt. Die Zeit in der mindestens ein Magnetron ausgeschaltet ist, reduziert natürlich den Leistungseintrag. Mit einer guten Abstimmung der Pulsfrequenz und des Tastverhältnisses kann dennoch eine höhere Plasmaaktivität erreicht werden.
Von Magnetrons emittierte Mikrowellen sollten über verzweigte Hohlwellenleiter zu jeweils zwei gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen in die Kammer gerichtet sein.
In einer Alternative dazu können in der Reihenanordnung jeweils zwei synchron betreibbare Magnetrons an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Kammer angeordnet sein, und über jeweils ein einem Magnetron zugeordnetes Einkoppelelement Mikrowellen aus entgegengesetzten Richtungen in die Kammer gerichtet werden.
Das Plasma in der Kammer wird daher mit den von zwei gegenüberliegenden Seiten eingekoppelten Mikrowellen generiert, wobei von beiden Seiten jeweils gleiche, zumindest nahezu gleiche Bedingungen eingehalten werden können, da so die Mikrowellen von jeweils zwei gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen mit gleicher Leistung, gleicher Pulsfrequenz und mit gleicher Phase eingekoppelt werden können.
Eine weiter verbesserte Homogenität des gebildeten Plasma, insbesondere über die Länge der Kammer, kann dadurch erreicht werden, dass an sich gegenüberliegend angeordneten Längsseiten der Kammer Einkoppelelemente angeordnet sind, die in Längsachsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei bevorzugt ein Versatz von 160mm eingehalten ist. Durch diese versetzte Anordnung können die Abstände der in Reihe und sich gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelemente besser kompensiert werden, da die Plasmadichte bei sich unmittelbar gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen im Bereich zwischen den Einkoppelelementen in Richtung zu den äußeren Rändern des Plasmas, insbesondere in Richtung der Längsachse der Kammer von innen nach außen abnimmt, wodurch die Plasmadichte zwischen in Längsrichtung der Kammer nebeneinander angeordneten Einkoppelelementpaaren von einem Zentrum bis zur Mitte des Abstandes der Einkoppelelementpaare abnimmt. Diese Ausbildung kann allein aber auch im Zusammenwirken mit der nachfolgend beschriebenen Möglichkeit genutzt werden.
Diesem Effekt kann auch dadurch entgegengewirkt werden, indem die elektronische Steuerung so ausgebildet ist, dass bei einem gepulsten Betrieb der Magnetrons zu keinem Zeitraum ein Magnetron vollständig ausgeschaltet ist und dabei bevorzugt die Magnetrons mit einer Leistung zwischen der maximalen Leistung und im Minimum maximal 10 % der maximalen Leistung betrieben werden können. Zur Kompensation unterschiedlicher Plasmadichten innerhalb der Kammer können in Längsrichtung nebeneinander angeordnete Magnetrons so betrieben werden, dass Mikrowellen von den zugeordneten in Längsrichtung der Kammer nebeneinander angeordneten Einkoppelelementen mit einem Phasenversatz in das Innere der Kammer gerichtet werden. Durch eine gezielte Veränderung des Phasenversatzes kann die Plasmadichteverteilung im Bereich zwischen gegenüberliegend und nebeneinander angeordneten Einkoppelelementen beeinflusst werden. Es erfolgt quasi ein Verschieben des zwischen gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelelementpaaren gebildeten Plasmas in Längsrichtung der Kammer, wenn bei einem Einkoppelelementpaar von sich gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen Mikrowellen während einer Phase zu einem Zeitpunkt mit höherer Amplitude (Leistung), als bei einem daneben angeordneten Einkoppelelelemtpaar mit kleinerer Amplitude (Leistung) während des gepulsten Betriebes emittiert werden. Bereiche mit höherer Plasmadichte können so zwischen nebeneinander in Längsrichtung der Kammer angeordneten Einkoppelelelementpaaren mit einer Geschwindigkeit in Abhängigkeit der gewählten Frequenz hin und her wandern.
In einer vorteilhaften Ausführung kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass an den Längsseiten der Kammer angeordnete Kammerwände zumindest bereichsweise in einem Winkel geneigt ausgerichtet sind, so dass zwischen diesen Kammerwänden ein sich in eine Richtung konisch erweiterndes Innenvolumen der Kammer ergibt. So besteht die Möglichkeit, einen Bereich der seitlichen Kammerwände an denen die Einkoppelelemente angeordnet sind, so auszubilden, dass diese Kammerwände parallel zueinander ausgerichtet sind, an den sich ein Bereich anschließt, in dem sich diese Wände konisch erweiternd zueinander ausgerichtet sind.
An der Seite der Kammer mit der größten Fläche kann eine Öffnung vorhanden oder die Kammer dort offen sein. Bei einer solchen Ausbildung der Kammer sollten die Einkoppelelementpaare an den schräg geneigten Seitenflächen der Kammer angeordnet sein. Die thermisch zu behandelnde(n) Faser(n) sollten dann so durch die Kammer geführt werden, dass sie parallel zur Längsachse der Kavität angeordnet sind.
Mit einer solchen konischen Ausbildung der Kammer ist vor allem im höheren Druckbereich eine homogenere Feldverteilung erreichbar. Bei korrekter Ausführung können im oberen Bereich der Kavität gezielt hohe Feldstärken für eine intensive Plasmaerzeugung erreicht werden während der untere Teil die homogene Feldverteilung gewährleistet.
Die Faser(n) sollten mittig zwischen den Einkoppelelementen und in der Ebene, in der die Einkoppelelemente angeordnet sind, durch die Kammer hindurch geführt werden.
Einkoppelelemente können Schlitzantennen, Koppelschleifen, Dipole oder Hornantennen sein.
Bei der Erfindung können die Magnetrons mit Frequenzen im Bereich 5 kHz bis 30 kHz, bevorzugt mit ca. 20 kHz gepulst, mit Frequenzen der Mikrowellen im Bereich 900 MHz bis 6 GHz und einer Leistung im Bereich 100W bis 20kW betrieben werden.
In der Kammer können Drücke unterhalb des Umgebungsdruckes (Atmosphärendruck) bis zu einem Druck geringfügig oberhalb des Umgebungsdruckes, bevorzugt maximal 10 % mehr, eingehalten sein.
Als Gase für die Behandlung der Faser(n) und die Plasmabildung können die üblicherweise dazu eingesetzten Gase genutzt werden.
Mit der Erfindung ist eine sehr hohe Homogenität des ausgebildeten Plasmas innerhalb der gesamten Kammer erreichbar, so dass infolge der hohen Energie eine Herstellung von Kohlenstofffasern über erheblich verkürzte Zeiträume möglich ist. Es ist auch eine Verbesserung der Eigenschaften der so hergestellten Kohlenstofffasern erreichbar, was insbesondere die Festigkeit, Riss- und Porenfreiheit betrifft. Außerdem ist vorteilhaft ein Langzeitbetrieb möglich. Lange Aufheizzeiten, wie sie bei Öfen erforderlich sind, entfallen.
Es ist eine Skalierbarkeit des Kammerinnenvolumens unter Berücksichtigung der Wellenlänge der Mikrowellen und eine Synchronisation der emittierten Mikrowellen möglich, um eine Anpassung an die erforderliche Länge der Kammer unter Berücksichtigung günstiger Verhältnisse für die Herstellung der Kohlenstofffasern zu erreichen. Dazu können beispielsweise die Anzahl der in den jeweiligen Reihen nebeneinander angeordneten Einkoppelelemente oder Magnetrons und deren Leistung angepasst werden. So kann eine ausreichende thermische Beeinflussung der Fasern auch mit mehreren kostengünstigeren Magnetrons entsprechend kleiner Leistung (< 10 kW) erreicht werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 in schematischer Form den Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt dabei werden vorab thermisch bereits stabilisierte Fasern 1, die ursprünglich aus PAN bestanden von einer Abwickelvorrichtung 5 abgewickelt und durch eine Kammer 2 bis zu einer außerhalb der Kammer 2 angeordneten Aufwickelvorrichtung 6 geführt. Dabei sollte eine konstante Zugkraft eingehalten werden. Die jeweils erreichbare Beeinflussung der Fasern 1 kann auch über eine definierte Beeinflussung der Vorschubgeschwindigkeit der Fasern 1 erreicht werden.
An einer Seite der Kammer 2 sind bei diesem Beispiel vier Magnetrons a, b, c, d angeordnet. Über Rechteckhohlleiter 4 werden die von den Magnetrons a, b, c und d emittierten Mikrowellen infolge deren Verzweigung jeweils zu an den Längsseiten der Kammer 2 gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen 3 geführt und in das Innere der Kammer 2 aus entgegengesetzter Richtung gerichtet. Mit der Energie der Mikrowellen wird ein Plasma 7 aus gasförmigen Spezies gebildet, die im Inneren der Kammer 2 enthalten sind. Mit den erreichbaren Temperaturen des gebildeten Plasma 7 kann die Herstellung von Kohlenstofffasern effektiver und in erheblich kürzerer Zeit erfolgen.
Aus der 1 wird deutlich, dass sich Plasma 7 immer zwischen einem Paar von gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen 3 ausbildet und Bereiche zwischen nebeneinender angeordneten Einkoppelelementen 3 auftreten können, in denen das Plasma 7 eine geringere Plasmadichte aufweist.
Dem kann mit einem Versatz der sich gegenüberliegend angeordneten und an ein gemeinsames Magnetron a, b, c oder d angeschlossenen Einkoppelelementen 3 in Längsrichtung der Kammer 2 und/oder einem gepulsten Betrieb der Magnetrons a, b, c und d mit einem Phasenversatz, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, entgegen getreten werden. Der Phasenversatz kann durch zeitweises vollständiges Ausschalten einzelner Magnetrons a, b, c und d oder einen Betrieb der Magnetrons a, b, c und d mit gezielt variierender Leistung (ebenfalls im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert)) erreicht werden. Die Magentrons a, b, c und d sind an eine Steuerung 8 angeschlossen.
Die Kammer 2 hatte eine Länge vom Eintritt der Faser(n) 1 bis zum Austritt von 400 mm Der Abstand von sich gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelementen 3 betrug 100 mm. Nebeneinander angeordnete Einkoppelelemente 3 hatten Abstände zueinander von 160 mm.
Die Fasereigenschaften der fertig hergestellten Kohlenstofffasern können insbesondere über die Leistung, mit denen die Magnetrons a, b, c und d betrieben werden, die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Faser(n) 1 durch die Kammer 2 hindurch bewegt werden (Verweilzeit) und den gepulsten Betrieb der einzelnen Magnetrons a, b, c und d mit einem gezielten Phasenversatz von nebeneinander angeordneten Magnetrons a, b, c und d unter Berücksichtigung der Abstände ihrer Einkoppelelemente 3 zueinander beeinflusst werden.
Als Ausgangsmaterial für die Karbonisierung wird zyklisiertes (stabilisiertes) Polyacrylnitril (PAN), wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, eingesetzt. Eigenschaften dieses Polymers sind im Folgenden aufgelistet:

• Form: Stapelfasern
• Zugfestigkeit: ca. 300 MPa
• Faserdurchmesser: ca. 13 µm
• nicht brennbar, nicht schmelzbar

Das Ausgangsmaterial wurde in einer linearen Mikrowellen-Plasmakammer 2 positioniert, eine Zugspannung angelegt und entsprechend behandelt. Es wurden verschiedene Prozessparameter variiert und Versuchsreihen abgearbeitet. Eine Übersicht über die einstellbaren Parameter ist in Tabelle 1 visualisiert. Tabelle 1: variierte Parameter

Mikrowellenleistung Tastverhältnis Druck Verweilzeit Plasmagase [slm]

[W] [%] [mbar] [min] Argon Stickstoff

200–2100 DC / 20–75 10–50 2–15 1–4 0,5–2
Das Tastverhältnis ist dabei das Verhältnis der Zeit bei der Mikrowellen emittiert und bei der keine Mikrowellen oder Mikrowellen mit erheblich reduzierter Leistung emittiert werden (Pulsdauer zu Pulspause)
Die Mikrowellen-Plasma-Karbonisierung der vorab stabilisierten PAN-Fasern 1 hat im Vergleich mit dem industriellen Herstellungsverfahren in Durchlauföfen folgende Vorteile:

• keine langen Anlagen-Aufheizzeiten
• evtl. Aufheizung der Fasern 1 von innen durch Mikrowellenstrahlung (elektrische Heizung innerhalb der elektromagnetischen Felder begründet durch die Abnahme des elektrischen Widerstandes des Faserwerkstoffs bei voranschreitender Karbonisierung)
• hohe Diffusionsrate → kurze Prozesszeiten und hoher Energieeintrag in die Fasern 1
• geringer Platzbedarf der Anlage

Der hohe Energieeintrag in die Fasern 1 begründet sich durch die Wechselwirkung der Spezies (Ionen, Photonen, Elektronen → metastabile Teilchen) im Plasma 7 mit der Polymeroberfläche. Die metastabilen Teilchen treffen auf die Oberfläche und übertragen ihre kinetische Energie. Dies führt zur Erwärmung des Wechselwirkungsbereiches und steigert die chemische Reaktivität. Elektronen sind aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie primär für das Induzieren von chemischen Reaktionen verantwortlich. Die sehr energiereiche Plasma-UV-Strahlung wird von der Polymeroberfläche zum Teil absorbiert und erzeugt in dieser freie Radikale, die den Ausgangspunkt für Vernetzungsreaktionen bilden und somit die Diffusion beschleunigen.
Nach der Karbonisierung wurden die erhaltenen Kohlenstofffasern spektroskopisch und mikroskopisch untersucht. Sie wurden ebenfalls einer Zugprüfung unterzogen, um die Faserfestigkeit zu ermitteln.
Die gewonnenen Kohlenstofffasern hatten folgende Eigenschaften:

• Zugfestigkeit: 1000 MPa–2050 MPa (einzelne Filamente zeigten Zugfestigkeit von ca. 4000 MPa)
• Faserdurchmesser: 5 µm–11 µm
• keine Defekte und keine Beschädigung der Fasern durch die Behandlung

Die Zugfestigkeit konnte durch die Mikrowellen-Plasmabehandlung erheblich gesteigert werden. Der Faserfilamentdurchmesser hat sich aufgrund von Ausdiffundierungsprozessen verringert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Karbonisierung von Polyacrylnitril mit dieser Herstellungsmethode möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7824495 B1 [0009]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstofffasern mit Plasmaunterstützung, bei der mindestens eine aus einem polymeren Material gebildete Faser (1) in stabilisierter Form als Vorprodukt in eine in Richtung der Faser(n) (1) langestreckte Kammer (2) an einer Stirnseite hinein und an der gegenüberliegenden Stirnseite herausgeführt ist; dabei mehrere gepulst betreibbare Magnetrons (a, b, c, d) in einer Reihenanordnung über die Länge der Kammer (2) angeordnet sind und durch eine jeweils gegenüberliegende Anordnung von Einkoppelelementen (3) für Mikrowellen in einer entsprechenden Reihenanordnung, die von Magnetrons (a, b, c, d) emittiert werden, gleichzeitig und mit jeweils gleicher Phase Mikrowellen aus zwei entgegengesetzten Richtungen auf die Faser(n) (1) gerichtet sind und die Magnetrons (a, b, c, d) an eine elektronische Steuerung angeschlossen sind, die so ausgebildet ist, dass eine Steuerung der Magnetrons (a, b, c, d) erreichbar ist, mit der über die Länge der Kammer (2) ein zumindest nahezu homogenes Plasma (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von Magnetrons (a, b, c, d) emittierte Mikrowellen über verzweigte Hohlwellenleiter (4) zu jeweils zwei gegenüberliegend angeordneten Einkoppelelelementen (3) oder in der Reihenanordnung jeweils zwei synchron betreibbare Magnetrons (a, b, c, d) an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Kammer (2) angeordnet und über jeweils ein einem Magnetron (a, b, c, d) zugeordneten Einkoppelelement (3) Mikrowellen aus entgegengesetzten Richtungen in die Kammer (2) gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an sich gegenüberliegend angeordneten Längsseiten der Kammer (2) Einkoppelelemente (3) angeordnet sind, die in Längsachsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei bevorzugt ein Versatz von 160 mm eingehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Längsseiten der Kammer (2) angeordnete Kammerwände zumindest bereichsweise in einem Winkel geneigt ausgerichtet sind, so dass zwischen diesen Kammerwänden ein sich in eine Richtung konisch erweiterndes Innenvolumen der Kammer (2) ergibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung so ausgebildet ist, dass bei einem gepulsten Betrieb der Magnetrons (a, b, c, d) zu keinem Zeitraum ein Magnetron (a, b, c und d) vollständig ausgeschaltet ist und dabei bevorzugt die Magnetrons mit einer Leistung zwischen der maximalen Leistung und im Minimum maximal 10 % der maximalen Leistung betrieben sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung so ausgebildet ist, dass in Längsrichtung nebeneinander angeordnete Magnetrons (a, b, c, d) so betreibbar sind, dass Mikrowellen von den zugeordneten in Längsrichtung der Kammer (2) nebeneinander angeordneten Einkoppelelementen (3) mit einem Phasenversatz in das Innere der Kammer (2) gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelelemente (3) Schlitzantennen, Koppelschleifen, Dipole oder Hornantennen sind.