DE102015215483A1

DE102015215483A1 - Plasmabeschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern, Vorrichtung dazu und plasmabeschichtete Kohlenstofffasern

Info

Publication number: DE102015215483A1
Application number: DE102015215483.1A
Authority: DE
Inventors: Marek Maleika; Florian Eder; Heinrich Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Beschrieben wird ein Plasmabeschichtungsschritt für Kohlenstofffasern, der sich idealerweise direkt an die Herstellung der Kohlenstofffasern anschließt. Dabei durchläuft eine Kohlenstofffaser ein Atmosphärendruck-Plasma, so dass dieses die Oberfläche der Kohlenstofffaser von allen Seiten erreicht. Entsprechend wird eine Vorrichtung dazu angegeben. Durch Zugabe eines Präkursors in das Plasma kann dieser auf der Kohlenstofffaseroberfläche abgeschieden werden beziehungsweise an die Kohlenstofffaseroberfläche anbinden. Eine so plasmabeschichtete Kohlenstofffaser weist eine chemisch aktive Oberfläche auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, eine entsprechende Vorrichtung dazu und Kohlenstofffasern.
Stand der Technik
Kohlenstofffasern, meist als Carbonfasern bezeichnet, werden bei der Herstellung industrieller Güter als auch im Konsumbereich in zunehmendem Maße eingesetzt. Ihre besonderen Eigenschaften wie z.B. ihr geringes Gewicht, ihre hohe Festigkeit oder ihre Temperaturbeständigkeit sind heute in vielen industriellen Anwendungen genutzt und daraus kaum mehr wegzudenken.
Kohlenstofffasern sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden und dann zumeist hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung in axialer Richtung zeigen. Die Bruchdehnung ist ein Materialkennwert, der die Verformungsfähigkeit bzw. Duktilität eines Werkstoffes beschreibt und gibt bei der Werkstoffprüfung die bleibende Verlängerung der Probe nach dem Bruch, bezogen auf die Anfangslänge an.
Um die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern nutzen zu können, werden sie bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere carbonfaserverstärkter Kunststoffe (CFK), und seit einiger Zeit auch bei keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites, CMC) eingesetzt.
Die geringen Durchmesser von circa 5 bis 8 µm und die geringe Bruchdehnung der Kohlenstofffasern stellen eine Herausforderung bei der Herstellung und bei der Weiterverarbeitung der Fasern dar.
Üblicherweise werden daher tausende von Kohlenstofffasern, hier wird dann zumeist von Filamenten gesprochen, zu einem Faserbund, einem sogenannten Multifilamentgarn oder Roving gebündelt. Ein Roving umfasst etwa zwischen 1.000 und 24.000 Filamente. Dieser Roving kann aufgespult werden, bevor er einer Weiterverarbeitung zugeführt wird.
Schon in dieser Produktionsphase aber auch bei der Weiterverarbeitung der Rovings können infolge eines Filamentbruchs unerwünschte Störungen im Bearbeitungsprozess auftreten. Ist die Oberfläche der Kohlenstofffasern unbeschlichtet oder ungeeignet beschlichtet, kommt es zur Verspleißung, einer Art Verknotung der einzelnen Fasern im Roving. Diese stört bei der Verarbeitung der Fasern, da sich solche Knoten ablösen und beispielsweise an Umlenkrollen ansammeln können und so weitere Fasern beschädigen können. Bei der Beschlichtung wird vor der Weiterverarbeitung die sogenannte Schlichte, eine Imprägnierflüssigkeit, insbesondere auf textile Fäden oder eben Fasern beispielsweise durch Sprühen oder Tauchen aufgebracht.
Carbonfasern werden beispielsweise zu textilen Halbzeugen weiterverarbeitet. Das können Gewebe, Geflechte oder Multiaxialgelege sein. Auch im Bereich der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen werden Carbonfaser-Rovinge direkt auf Wickelmaschinen, Strangziehanlagen, sogenannten Pultrusionsanlagen, oder Prepreg-Anlagen verarbeitet. Prepreg-Halbzeuge sind mit Reaktionsharzen vorimprägnierte (pre-impregnated) textile Halbzeuge. Um die Belastbarkeit der Carbonfasern, besonders in textilen Verarbeitungsprozessen zu verbessern, müssen die Carbonfasern mit einer ganzflächigen Schutzschicht versehen werden.
Bisher werden Kohlenstofffasern durch einen nasschemischen, anodischen Prozess oxidiert und anschließend mit einer Schlichte auf Epoxidbasis beschichtet. Denn bei der Einarbeitung der Carbonfasern in Faserverbundkunststoffe spielt insbesondere die Anbindung der Carbonfaseroberfläche an die Matrix eine entscheidende Rolle: Die Stabilität des faserverstärkten Materials wird von den molekularen Eigenschaften der Carbonfaseroberfläche entscheidend beeinflusst. Die bisher eingesetzte Schlichte ist mit weniger als 100 nm Schichtdicke relativ dünn und kann schon im direkt nachfolgenden Schritt des Verarbeitungsprozesses bereits wieder verletzt oder sogar großflächig abgestreift werden.
Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, bessere Kohlenstofffasern anzugeben, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwinden. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung eine Erhöhung der mechanischen Beständigkeit und Belastbarkeit der Carbonfasern, insbesondere in textilen Verarbeitungsprozessen gewährleisten. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern und eine Vorrichtung dazu anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
Beschreibung der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungssverfahren für Kohlenstofffasern wird ein Plasma erzeugt und wenigstens eine Kohlenstofffaser liegt in dem Plasma vor, wird in dieses eingebracht oder durch dieses hindurchgeführt und in dem Plasma erfolgt eine Beschichtung dieser wenigstens einen Kohlenstofffaser. Ein Vorteil dieses Beschichtungsverfahrens ist beispielsweise, dass damit der nasschemische Beschlichtungsprozess von Kohlenstofffasern ersetzt werden kann und so die darin eingesetzte Menge an Chemikalien vermieden wird. Die so aufgebrachte Beschichtung kann aber beispielsweise auch als Haftvermittler dienen, sodass eine anschließend aufgebrachte Schlichte sich besser mit der Carbonfasern verbindet.
Bei einem Plasma handelt es sich um Teilchengemisch auf atomar-molekularer Ebene, dessen Bestandteile zumindest teilweise elektrisch geladene Teilchen sind, also Ionen und Elektronen. Das bedeutet, dass ein Plasma freie Ladungsträger enthält.
Vorzugsweise wird in dem Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern ein Atmosphärendruckplasma erzeugt und wenigstens eine Kohlenstofffaser liegt in dem Atmosphärendruckplasma vor, wird in dieses eingebracht oder durch dieses hindurchgeführt und in dem Atmosphärendruckplasma erfolgt eine Beschichtung der wenigstens einen Kohlenstofffaser. Als Atmosphärendruckplasma wird ein Plasma bezeichnet, welche in einem Druckbereich um den sogenannten Normaldruck, d.h. bei Atmosphärendruck existiert. Ein entscheidender technischer Vorteil eines Atmosphärendruckplasmas ist, dass kein spezielles Reaktionsgefäß wie etwa für Niederdruckplasmen oder Hochdruckplasmen notwendig ist. Außerdem werden zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas nur geringe Stromdichten benötigt. Die Anregung des Plasmas geschieht in der Regel durch eine Wechselstromanregung durch niederfrequente Wechselströme, durch Anregung mit Wechselströmen im Radiowellen- oder Mikrowellenbereich.
In dem Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern weist das Plasma insbesondere zumindest einen Anteil an einem Prozessgas und einen Anteil an einem Präkursor auf. Das Prozessgas ist bevorzugt ein Inertgas und wird in der Regel noch vor der Zugabe des Präkursors zu einem Ionengas angeregt. Im Wesentlichen sorgt das Prozessgas für den Atmosphärendruck bzw. für die Oberflächenreinigung und entsprechend Aktivierung oder Vorbereitung der Kohlenstofffaser für die Beschichtung, die den Präkursor als Ausgangsmaterial hat. Als Inertgase werden bevorzugt Stickstoff, Helium oder Argon eingesetzt.
Der Präkursor wird dann nur in solchen Mengen dem Plasma zugeführt, wie sie für die Beschichtung notwendig sind. Über den Präkursoranteil an Plasma kann die Beschichtungsrate mit beeinflusst werden. Der Präkursor, meist mit dem englischen Begriff Precursor bezeichnet, bildet bei der chemischen Gasphasenabscheidung bzw. Atomlagenabscheidung den schichtbildenden Ausgangsstoff. In der Regel handelt es sich um ein Molekül, das eine chemische Reaktion eingeht, z.B. mit einem weiteren Präkursor oder direkt mit den Oberflächenmolekülen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Beschichtungsverfahrens weist das Plasma insbesondere zumindest einen Anteil an einem Prozessgas, einen Anteil an einem Präkursor sowie einen Anteil an einem Trägergas auf. Das Trägergas unterstützt dabei das Verdampfen des Präkursors und wird zusammen mit dem Präkusor in das Plasma eingeführt.
Das Plasmabeschichtungsverfahren bewirkt also insbesondere eine anodische Oxidation der Carbonfasern. Dabei wird die unpolare graphitähnliche Oberfläche zunächst aktiviert, wobei beispielsweise Graphitoxide und Graphit-Hydroxide gebildet werden. Diese oberflächenaktivierten Carbonfasern können dann z.B. nasschemisch mit einer epoxidhaltigen Lacklösung besser beschichtet werden.
Bevorzugt wird in dem Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern als siliziumhaltiger Präkursor, insbesondere Hexamethyl-di-siloxan, Methyltrimethoxysilan, Tetraethoxysilan oder 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan eingesetzt. Besonders bevorzugt werden als Präkursoren kurzkettige Kohlenwasserstoffe eingesetzt, insbesondere Acetylen (C2H2), Methan (CH4) oder Ethen (C2H4). Unter kurzkettigen Kohlenwasserstoffen sind außerdem alle aliphatischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit Kettenlängen von bis zu sieben Kohlenstoffatomen zu verstehen.
Insbesondere sind als Präkursoren auch fluorhaltige Kohlenwasserstoffe einsetzbar, insbesondere Octafluoro-cyclo-butan oder Octrafluoro-cyclo-penten.
Durch Änderung der Plasmaparameter wie beispielsweise der Spannung, des Stroms, der Frequenz, der Plasma Cycle Time, der Art des Ionengases, des Prozessgasdurchflusses, der Art des Präkursors, des Präkursor-Durchflusses, des Abstands der Düse zur Kohlenstofffaser, der Geschwindigkeit der Kohlenstofffasern, respektive derer Kontaktzeit mit dem Plasma, kann die Funktionalität der Schicht gezielt verändert werden. So können bestimmte physikalische (z.B. Oberflächenenergie, Schichtdicke, Schichtspannung) oder chemische (z.B. funktionelle Gruppen an der Oberfläche, chemische Zusammensetzung der Schicht) Eigenschaften erzielt werden. Eine AD-Plasma-Beschichtung ist stets als Resultat einer komplexen Reaktionskette und einer Vielzahl überlagerter Mechanismen zu sehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kohlenstofffasern während der Beschichtung eine Temperatur von mehr als 100°C, insbesondere von mehr als 200°C auf. Um dies zu gewährleisten können die Kohlenstofffasern in einem Schritt vor der Beschichtung auf die gewählte Temperatur gebracht werden. Bevorzugt wird das Beschichtungsverfahren so an das Herstellungsverfahren der Kohlenstofffasern angeschlossen, dass diese Temperaturen noch durch den Herstellungsprozess bedingt vorliegen. Dies hat den Vorteil, die Temperatur nicht noch einmal nachträglich bzw. zusätzlich dem System zuführen zu müssen. Der Vorteil der erhöhten Temperatur der Kohlenstofffaser während des Beschichtungsprozesses liegt darin, dass Vernetzungsreaktionen, wie sie in der Schicht vonstatten gehen, durch eine erhöhte Temperatur begünstigt werden bzw. auch die Ausbildung kovalenter Anbindung der Beschichtung an das Substrat, d.h. an die Kohlenstofffaser selbst stabiler gewährleistet wird.
Beispielsweise können in dem Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern mit den Präkursoren auch Partikel zusammen mit der Beschichtung auf die Kohlenstofffaser abgeschieden werden. Die Partikel werden bevorzugt im Plasmaprozess gebildet. Dazu wird insbesondere die Leistung so hoch gewählt, dass der Präkusor schon im Plasma zu Partikeln von wenigen Nanometern Durchmesser polymerisiert. Auch die Plasma Cycle Time (PCT) kann diesen Effekt beeinflussen. Dies hat den Vorteil, dass so raue und strukturierte Oberflächen erzeugbar sind. Eine Erhöhung der Oberfläche der Kohlenstofffaser bzw. des Kohlenstofffaserbundes birgt den weiteren Vorteil für eine verbesserte Anbindung der Folgebeschichtung bzw. Anbindung an das Material, in das die Kohlenstofffaser oder -fasern eingebracht werden sollen. In der Regel handelt es sich um eine weitere Beschichtung mit Verbundharz oder die Einbettung in ein Verbundharz.
Das Beschichtungsverfahren kann so ausgeführt werden, dass an einzelnen Kohlenstofffasern die beschriebene Oberflächenbeschichtung vorgenommen wird, bevor die Kohlenstofffasern dann zu einem Faserbund zusammengefasst werden. Eine Alternativ dazu ist die ebenso vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, in der die Kohlenstofffasern direkt nach der Herstellung zu einem Faserbund zusammengefasst werden und dann anschließend dieser Kohlenstofffaserbund (zumeist als Roving bezeichnet) das beschriebene Beschichtungsverfahren zur Oberflächenbeschichtung durchläuft. Diese Variante ist bevorzugt, wenn die vorzunehmende Beschichtung beispielsweise empfindlich gegenüber der mechanischen Belastung bei der Bündelung der Filamente zu einem Roving ist.
Typischerweise wird das Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern so ausgeführt, dass wenigstens eine Kohlenstofffaser, insbesondere auch ein Kohlenstofffaserbund, in einem Endlosprozess durch das Plasma geführt wird. Unter einem Endlosprozess ist dabei ein kontinuierlicher Prozess zu verstehen, bei dem eine Kohlenstofffaser oder ein Kohlenstofffaserbund ohne zeitliche und räumliche Unterbrechung kontinuierlich beschichtet werden kann, ohne dass es einer vorrichtungs- oder verfahrensbedingten Unterbrechung bedarf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern weist eine Atmosphärendruckplasmavorrichtung sowie eine Durchführungsvorrichtung für zumindest eine Kohlenstofffaser auf, wobei die Durchführungsvorrichtung so angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Kohlenstofffaser durch das Atmosphärendruckplasma durchführbar ist. Diese Vorrichtung hat wieder besagte Vorteile, den nasschemischen Beschlichtungsprozess von Carbonfasern ersetzen zu können und mittels der Durchführungsvorrichtung einen Endlosherstellungsprozess anzubieten. Außerdem kann die Atmosphärendruckplasmavorrichtung in eine Einrichtung zur Kohlenstofffaserherstellung integriert sein, so dass die Carbonfasern im direkten Anschluss an die Herstellung beschichtet werden können.
Insbesondere weist die Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern eine Atmosphärendruckplasmadüse auf, welche im Folgenden auch kurz als AD-Plasmadüse oder als AD-Plasmajet bezeichnet wird. Außerdem weist die Vorrichtung beispielsweise einen Reflektor auf, der so gegenüber der AD-Plasmadüse angeordnet und ausgestaltet ist, dass ein aus der Plasmadüse austretender Plasmastrahl daran reflektiert wird und wobei der Düsenkopf der AD-Plasmadüse sowie der Reflektor so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Verteilung des AD-Plasmas zwischen der AD-Plasmadüse und dem Reflektor so einstellbar ist, dass die wenigstens eine Kohlenstofffaser im AD-Plasma von diesem vollständig umströmbar ist. Unter „Verteilung des Plasmas“ ist insbesondere die Geometrie und Dichte des Plasmas zu verstehen. Unter „vollständig umströmbar“ ist zu verstehen, dass das Plasma in einem Längenabschnitt der Kohlenstofffaser deren gesamte Oberfläche erreicht. Dies hat den Vorteil, dass es nicht wie bei bisher bekannten Plasmavorrichtungen zu einer Abschattung des Plasmas gegenüber einer Seite des zu beschichtenden Substrats oder Gegenstands kommt.
Beispielsweise können die AD-Plasmadüse, insbesondere deren Düsenkopf sowie der Reflektor auch so ausgestaltet sein, dass eine turbulente Plasmaströmung erzeugbar ist. Unter einer turbulenten Strömung, im Gegensatz zur laminaren Strömung, ist allgemein eine Bewegung eines Gases oder Fluids zu verstehen, bei der Verwirbelungen über einen weiten Bereich von Größenskalen auftreten. Diese Strömungsform ist gekennzeichnet durch ein meist dreidimensionales Strömungsfeld mit einer zeitlich und räumlich scheinbar zufällig variierenden Komponente. Eine Turbulenz führt zu verstärkter Durchmischung. So ist gewährleistet, dass auch bei der Beschichtung eines ganzen Filamentbunds von Kohlenstofffasern keine Abschattung einzelner Oberflächenbereiche erfolgt. In dieser beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die AD-Plasmadüse statisch angeordnet sein.
Die Funktionsweise einer Plasmadüse beruht im Wesentlichen auf einer Hochspannungsentladung im Bereich von 5 kV bis ca. 15 kV bei einer Wechselspannung zwischen 10 kHz und 100 kHz. Es wird ein gepulster Lichtbogen erzeugt, der ein Prozessgas, das entlang einer Entladungsstrecke strömt, anregt und in den Plasmazustand überführt. Daher wird das Prozessgas auch als Ionisationsgas bezeichnet. Dieses Plasma gelangt anschließend durch einen Düsenkopf, welcher das Plasma auf die zu behandelnde Oberfläche ausströmt. Insbesondere liegt der Düsenkopf dabei auf Massepotential und bestimmt die Geometrie des austretenden Plasmastrahls.
Insbesondere gewährleistet die Durchführungsvorrichtung eine konzentrische Durchführung der Kohlenstofffaser durch die AD-Plasmadüse, so dass der Austritt der Kohlenstofffaser zentral aus dem Düsenkopf vorgesehen ist. Die Kohlenstofffaser wird dazu also entlang der Entladungsstrecke geführt, wo sie jedoch zunächst, im Inneren der Plasmadüse, durch einen Isolatormantel vor Übertritt eines elektrischen Lichtbogens geschützt ist. Bei Austritt aus der Plasmadüse wird die Kohlenstofffaser vollkommen rotationssymmetrisch von dem Plasma umgeben und somit wird eine homogene Beschichtung der gesamten Faser oder des gesamten Faserbunds gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern eine rotierbare AD-Plasmadüse, welche so gelagert ist, dass eine Rotation um ihre Längsachse Achse ausführbar ist, wobei die Durchführungsvorrichtung eine Durchführung der Kohlenstofffaser entlang dieser Längsachse vorgibt. Unter der Längsachse der Plasmadüse ist die Achse zu verstehen, die quasi zentral durch den von der Ringelektrode gebildeten Zylindermantel der Düse und entlang der Entladungsstrecke verläuft. Der Effekt, dass so die Kohlenstofffaser vollkommen rotationssymmetrisch von dem Plasma umgeben ist und somit eine homogene Beschichtung der gesamten Faser oder des gesamten Faserbunds bewirkt wird, wird durch die Rotation noch verstärkt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern eine Dielectric-Barrier-Discharge-Plasmavorrichtung sowie eine Durchführungsvorrichtung, die eine konzentrische Durchführung der Kohlenstoffaser durch die Plasmavorrichtung gewährleistet. Die Durchführungsvorrichtung weist dabei einen elektrischen Kontakt auf, mit dem die Kohlenstofffaser elektrisch kontaktiert werden kann, so dass die Kohlenstofffaser selbst als Gegenelektrode verschaltbar ist. Die Dielectric-Barrier-Discharge-Plasmavorrichtung weist insbesondere einen zylinderförmigen Aufbau auf. Die Durchführungsvorrichtung sieht eine Durchführung der Kohlenstofffaser mittig durch diesen zylinderförmigen Aufbau vor. In einem äußeren Gehäußemantel liegt zunächst die zylinderförmige Elektrode, nach innen hin gefolgt von einer Dielektrikumsschicht, welche die Barriere zur elektrischen Entladung gegenüber der Gegenelektrode darstellt. Als Gegenelektrode agiert die zentral durch den Zylinder und von dem Dielektrikum umfassten Hohlraum geführte Kohlenstofffaser, so dass in eben diesem Hohlraum um die Carbonfaser herum das Plasma entsteht.
Die erfindungsgemäße Kohlenstofffaser oder der Kohlenstofffaserbund, welche nach einem beschriebenen Verfahren bzw. mittels einer der beschriebenen Vorrichtungen hergestellt wird, weist eine chemisch aktive Oberfläche auf. Insbesondere weist die Oberfläche der so verbesserten Kohlenstofffaser zumindest eine der folgenden funktionellen Gruppen auf, die an der Kohlenstofffaseroberfläche chemisch angebunden oder darauf adsorbiert ist: eine Hydroxygruppe(-OH), die funktionelle Gruppe der Alkohole und Phenole, eine Carboxygruppe(-COOH), die funktionelle Gruppe der Carbonsäuren, eine Carboxylatgruppe(-COOR), eine deprotonierte Carboxygruppe (R-COO^–), wobei R für einen beliebigen weiteren Substituenten steht, oder eine dissoziierte Oberflächengruppen wie -SiO, -OSi oder -OSiH.
Eine derartig chemisch aktive Oberflächenschicht auf einer Kohlenstofffaser ermöglicht ein sehr breites Spektrum an Verbundharzen auf diese Kohlenstofffaseroberfläche oder auf die Oberfläche eines so vorbereiteten Rovings aufzubringen bzw. so aktivierte Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffrovinge in ein Verbundharz einzubringen. Nicht nur der nasschemische Prozess der Beschlichtung kann ersetzt werden, sondern die so verbesserte Kohlenstofffaser ermöglicht mit ihrer chemisch aktiven Oberfläche neue bessere chemische Eigenschaften, ist vielfältiger ansteuerbar und mit einer chemisch angebundenen Schutzoberfläche für Folgeverarbeitungsprozesse robuster. Die Oberflächenbeschichtung ist auch auf die Folgeanwendung abstimmbar, z.B. sind für manche Anlagen gerade im textilen Weiterverarbeitungsprozess, in dem häufig die Materialien über Umlenkrollen laufen, glatte Oberfläche zu bevorzugen. Für die Weiterverarbeitung durch Beschichtung mit einem Verbundharz, z.B. silikonhaltigen Harze oder anderen Materialien, sind aufgeraute Oberflächen herstellbar. Wird beispielsweise mit silanhaltigen Präkursoren gearbeitet, kann die Oberfläche für ganz spezielle Folgebehandlungen ansteuerbar sein. Auch gerade die Anwendung silikonhaltiger Harze wird dadurch erst ermöglicht.
Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 3 der angehängten Zeichnung beschrieben:
1 zeigt eine statische Atmosphärendruckplasmadüse mit Reflektor,
2 zeigt eine rotierende Atmosphärendruckplasmadüse und
3 zeigt eine atmosphärische Dielectric-Barrier-Discharge-Plasmavorrichtung.
In der 1 ist eine senkrecht nach unten gerichtete Plasmadüse 14 gezeigt, aus deren Düsenkopf 4 ein Plasma 13 ausgeströmt wird, welches von einem konkaven Reflektor 16 so zwischen Düsenkopf 4 und Reflektor 16 gehalten wird bzw. zurückgeströmt wird, dass eine turbulente Umströmung der Carbonfaser 15 geschieht, welche entlang der Wölbungsachse des Reflektors 16 durchgeführt wird. Der Plasmajet 14 weist einen ersten Einlass für das Prozessgas 11 und einen zweiten Einlass für den Precursor 12 auf.
In der 2 ist dann ein Plasmajet 14 im Querschnitt gezeigt. Dieser weist wieder den Prozessgas- 11 und einen Precursoreinlass 12 auf. Um die Entladungsstrecke 7, in der das Plasma 13 erzeugt wird, liegt eine Ringelektrode 28 vor, welche durch einen ringförmigen bzw. zylinderförmigen Isolator 27 vom Plasmaraum getrennt ist. Als Gegenelektrode ist zentral eine Stiftelektrode 18 angeordnet. Der spiralförmig verlaufende Pfeil zeigt den Strömungsverlauf 1 des Prozessgases 11 an, welches so in den Plasmajet 14 eingeleitet wird und darin so gelenkt wird, dass es mit in einer Art Wirbel durch den Plasmajet 14 verläuft. Die Stiftelektrode 18 ist in diesem Fall wieder eine Art Ringelektrode, welche zentral um einen weiteren Isolator 17 angeordnet ist, der einen Teil der Carbonfaserdurchführungsvorrichtung 5 darstellt. In diesem Isolator 17 ist ein Hohlraum vorgesehen, in dem die Carbonfaser 15 geführt werden kann, zentral durch den Plasmajet 14 hindurch.
Das Plasma 13 tritt in diesem Fall aus einem ringförmigen Auslass aus dem Düsenkopf 4 aus. Mit einem Pfeil 19 ist die Rotierbarkeit des Plasmajets 14 in der 2 angezeigt. Typischerweise ist der Mantel des Plasmajets 14 geerdet. In der Entladungsstrecke 7 ist eine Wechselspannungsquelle 18 vorgesehen, welche die beiden Elektroden 18, 28 entsprechend auf das Wechselspannungspotential legt. Der Isolator 17 stellt einen Schutz für die Carbonfaser 15 vor elektrischen Lichtbögen dar. Die zentrische Durchführung der Carbonfaser 15 durch die rotierende AD-Plasmadüse 14 ermöglicht eine ganzflächige Beschichtung der Carbonfaser 15 oder eines so geführten Carbonfaserbunds.
3 zeigt schließlich noch ein Ausführungsbeispiel mit Dielectric-Barrier-Discharge-Plasmavorrichtung (DBD-Plasmavorrichtung) 24. Auch hier erfolgt eine zentrische Durchführung der Carbonfaser 15 oder des Carbonfaserrovings durch die Plasmavorrichtung 24. Es sind wieder zumindest ein Einlass für ein Prozessgas 11 und ein Einlass für einen Precursor 12 vorgesehen. Ein Mantel fasst eine außenliegende Ringelektrode 28 ein, die durch einen dielektrischen Zylinder 20 von dem innenliegenden Hohlraum getrennt ist, in dem das Plasma 13 erzeugt wird. Als Gegenelektrode 18 agiert in diesem Fall die Carbonfaser 15 oder der Carbonfaserbund selbst. Dazu ist in der Durchführungsvorrichtung eine Kontaktierung der Carbonfaser 15 vorgesehen, die diese mit der Spannungsquelle 8 verbindet.

Claims

Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) in dem ein Plasma erzeugt wird und wenigstens eine Kohlenstofffaser (15) in dem Plasma (13) vorliegt, in dieses eingebracht wird oder durch dieses hindurchgeführt wird, und in dem Plasma (13) eine Beschichtung der wenigstens einen Kohlenstofffaser (15) erfolgt.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach Anspruch 1 bei dem das Plasma (13) ein Atmosphärendruckplasma (AD-Plasma) ist.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach Anspruch 1 oder 2 bei dem für das Plasma (13) zumindest ein Anteil an einem Prozessgas (11) und ein Anteil an einem Präkursor (12) eingesetzt werden.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem ein siliziumhaltiger Präkursor, insbesondere – Hexamethyl-di-siloxan, – Methyltrimethoxysilan, – Tetraethoxysilan oder – 3-Giycidoxypropyl-trimethoxysilan eingesetzt wird.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3 bei dem als Präkursor (12) ein kurzkettiger Kohlenwasserstoff, insbesondere Acetylen (C₂H₂), Methan (CH₄) oder Ethen (C₂H₄) oder ein flourhaltiger Kohlenwasserstoff, insbesondere Octafluoro-cyclo-butan oder Octafluoro-cyclo-penten eingesetzt wird.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem die wenigstens eine Kohlenstofffaser (15) vor der Beschichtung auf eine Temperatur von mehr als 100°C, insbesondere mehr als 200°C gebracht wird.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem in dem Verfahrensschritt zur Beschichtung Partikel mit abgeschieden werden.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem einzelne Kohlenstoffasern (15) zu einem Faserbund zusammengefasst werden und anschließend die Oberflächenbeschichtung des Faserbunds vorgenommen wird.
Beschichtungsverfahren für Kohlenstofffasern (15) nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem wenigstens eine Kohlenstofffaser (15), insbesondere ein Kohlenstofffaserbund in einem Endlosprozess durch das Plasma (13) geführt wird.
Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern (15) mit einer Atmosphärendruck-Plasmavorrichtung (14) und einer Durchführungsvorrichtung (5) für zumindest eine Kohlenstofffaser (15), die so angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Kohlenstofffaser (15) durch das AD-Plasma (13) durchführbar ist.
Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern (15) nach Anspruch 10 mit einer Atmosphärendruck-Plasmadüse (AD-Plasmadüse) (14) und einem Reflektor (16), der so gegenüber der AD-Plasmadüse (14) angeordnet und ausgestaltet ist, dass ein aus der AD-Plasmadüse (14) austretender Plasmastrahl daran reflektiert wird und wobei der Düsenkopf (4) der AD-Plasmadüse (14) sowie der Reflektor (16) so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Verteilung des AD-Plasmas (13) zwischen der AD-Plasmadüse (14) und dem Reflektor (16) so einstellbar ist, dass die wenigstens eine Kohlenstofffaser (15) im AD-Plasma (13) von diesem vollständig umströmbar ist.
Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern (15) nach Anspruch 11 deren Durchführungsvorrichtung (5) eine konzentrische Durchführung der Kohlenstofffaser (15) durch die AD-Plasmadüse (14) gewährleistet, so dass der Austritt der Kohlenstofffaser (15) zentral aus dem Düsenkopf (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern (15) nach Anspruch 12 mit einer um ihre Längsachse rotierbaren AD-Plasmadüse (14), wobei die Durchführungsvorrichtung (5) eine Durchführung der Kohlenstofffaser (15) durch die AD-Plasmadüse (14) entlang dieser Längsachse vorgibt.
Vorrichtung zur Plasmabeschichtung von Kohlenstofffasern (15) nach Anspruch 10 mit einer Dielectric-Barrier-Discharge-Plasmavorrichtung (24) und einer Durchführungsvorrichtung (5), die eine konzentrische Durchführung der Kohlenstofffaser (15) durch die Plasmavorrichtung gewährleistet, wobei die Durchführungsvorrichtung einen elektrischen Kontakt zur Kontaktierung der Kohlenstofffaser (15) aufweist, so dass die Kohlenstofffaser (15) selbst als Gegenelektrode verschaltbar ist.
Kohlenstofffaser (15) oder Kohlenstofffaserbund mit chemischer aktiver Oberfläche, welche zumindest eine der folgenden Gruppen aufweist, die kovalent an die Oberfläche angebunden oder darauf adsorbiert sind: – Hydroxygruppe(-OH), – Carboxygruppe(-COOH), – Carboxylatgruppe(-COOR), wobei R für einen Substituenten steht, – SiO-Gruppe, – OSi-Gruppe oder – OSiH-Gruppe.