DE202016001344U1

DE202016001344U1 - Vorlagematerialien für die Produktion von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern

Info

Publication number: DE202016001344U1
Application number: DE202016001344.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2026-03-03

Abstract

Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern, gekennzeichnet durch eine komplexe Schichtbauweise mit mindestens einer zu mehr als 50% bei Gewicht aus recycelten Kohlenstofffasern bestehenden Schicht, mindestens einer Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters und mindestens einem strukturstabilisierenden Wirkfadensystem.

Description

Technisches Sachgebiet
Gegenstand der Erfindung sind textile Vorlagematerialien (Precursoren) in Form von Vliesstoffen, Filzen oder Matten (in Weiterem zusammenfassend als Non-wovens bezeichnet), die für die Produktion von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern besonders geeignet sind. Die Precursoren zeichnen sich insbesondere dadurch, dass sie zu mehr als 50% bei Gewicht aus recycelten Kohlenstofffasern bestehen. Durch die Widerverwertung von bereits oxidierten und karbonisierten Fasern weisen die neuen Halbzeuge aus aktivierten Kohlenstofffasern im Vergleich zu den vorhandenen Produkten einen kleineren CO₂-Fußabdruck (Carbon footprint) sowie einen besseren Preis-Leistung-Verhältnis auf.
Darüber enthalten die Precursoren zusätzliche Armierungsfäden in Form eines Gitters, das die Zug- und Reißfestigkeit der Struktur und somit ihr Verarbeitungsverhalten im Aktivierungsprozess deutlich verbessert.
Stand der Technik
Aktivierte Kohlenstofffasern (AKF) stellen eine Sonderform der aktivierten Kohlen dar. Diese finden eine breite Anwendung bei der Produktion verschiedener Filter, Atemschutzmasken, Schutzbekleidung, technische Thermo- und Hitzeisolationen usw. Die aktivierten Kohlenstofffasern besitzen einen Faserdurchmesser zwischen 5 und 30 μm. Die Mikroporen auf der Faseroberfläche sind ca. 15–20 Å groß. Dank dieser Mikroporen weisen die Fasern, im Vergleich zu Kohlenstoffpulver mit einer Korngröße im Bereich zwischen 500 und 5000 μm, eine um Faktor 20 größere spezifische Oberfläche auf. Dank der realisierten Aktivfläche von ca. 700–00 m²/g sind mit den Fasern besonders hohe Absorptions- und Desorptionsgraden und Geschwindigkeiten zu erreichen. Diese einzigartigen Eigenschaften der aktivierten Kohlenstofffasern in Kombination mit deren hervorragenden Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit macht sie unersetzlich in zahlreichen Anwendungen, wie Heißgasfiltration, Luft- und Wasserfiltration sowie bei der Rückgewinnung organischer Substanzen und Lösungsmitteln.
Wichtiger Vorteil der aktivierten Kohlenstofffasern stellt ihr textiler Charakter dar. Die AKF lassen sich leicht und ohne zusätzliche Modifikationen auf konventionellen Textilmaschinen zu verschiedenen Textilstrukturen, wie Garne, Geweben, Vliesstoffe, und Filze verarbeiten. Die realisierten Zwischenprodukte sind ihrerseits leicht durch Schneiden, Nähen, Kleben usw., zu komplexeren Halbzeugen zu konfektionieren.
Die Produktion von aktivierten Kohlenstofffasern erfolgt nach bereits bekannten technischen und technologischen Verfahren. In US4401588 , DE2715486 und in DE2345298 werden verschiedene Technologien für die Produktion von AKF ausführlich beschrieben.
Ausgangsmaterial für die Produktion von AKF sind meistens Zellulose- oder Acrylfasern, die bei hohen Temperaturen und in geeigneter Prozessgasatmosphäre zuerst oxidiert und anschließend karbonisiert werden. Die Aktivierung der Fasern erfolgt in einem weiteren Prozessschritt, bei dem unter Einwirkung von Wasserdampf, N₂, CO₂ oder anderer Chemikalien Mikroporen auf der Faseroberfläche gebildet werden.
Die Produktion von textilen Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern erfolgt mittels verschiedener Technologien. Weit verbreitet sind die Produktionsverfahren, die in DE69809718 , EP199150 , US4401588 und US4565727 beschrieben werden. Bei allen diesen Technologien wird zuerst ein textiles Halbzeug, wie z. B. Gewebe, Gewirk, Gestrick, Vliesstoff oder Filz, erzeugt, das anschließend thermisch stabilisiert und aktiviert wird. Ausgangsrohstoffe dafür sind meistens Zellulose, Polyacrylnitril (PAN), Pech usw. Die thermische Stabilisierung beinhaltet die Prozessschritte der Oxidation und der Karbonisation. Die Aktivierung erfolgt in einem separaten Prozessschritt, in einer Wasserdampf-, Stickstoff- oder CO₂-Atmosphäre oder in einem Chemikalienbad. Eine Anwendung findet ebenfalls ein Produktionsverfahren, das in DE19729642 beschrieben wird. Bei diesem werden die Prozesse der thermischen Stabilisierung und der Aktivierung in einem einzigen Verfahrensschritt realisiert.
Zu Stand der Technik gehört ebenfalls die Wideraufbereitung von Abfällen aus Kohlenstofffasern mittels eines Krempels. So werden in DE102009023529 und in WO 2011/095826 Verfahren beschrieben mit deren Hilfe Kohlenstofffaserabfälle zu Vliesstoffen verarbeitet werden. Die Vliesstoffe aus recycelten Kohlenstofffasern weisen eine im Vergleich zu Geweben, Gestriken und Gelegen deutlich größere aktive Oberfläche, jedoch auch deutlich niedrigere Zug- und Reißfestigkeiten, auf.
In der Technik existieren unterschiedliche Strategien und Einstätze zur Verbesserung der Zug- und Reißfestigkeiten der Vliesstoffe, Filze und der anderen nicht gewebten Strukturen bei gleichzeitiger Beibehaltung der aktiven Oberfläche. In DE3339756 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge Hybridgarne eingesetzt. Dabei besteht das Kern des Garns aus hoch festen Glas- oder Keramikfasern und der Garnmantel aus karbonisiertem und aktiviertem Polymer.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde zug- und reißfeste Non-wovens (Vliesstoffe, Filze, oder Matten) zu schaffen, die zu mehr als 50% bei Gewicht (überwiegend) aus recycelten Kohlenstofffasern bestehen und die als Vorlagematerial für die wirtschaftliche, ressourcen- und energieeffiziente Herstellung von textilen Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern besonders geeignet sind.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Bei den zug- und reißfesten Vorlagematerialien handelt es sich um komplexe Strukturen mit einer Schichtbauweise, die auf einer Kettenwirkmaschine mit parallelem Schusseintrag hergestellt werden. Dabei sind in dem Precursorhalbzeug eine oder mehrere Non-woven-Schichten und eine oder mehrere Armierungsschichten gleichzeitig enthalten.
Die verwendeten Non-wovens bestehen zu mehr als 50% bei Gewicht aus recycelten Kohlenstofffasern. Sie können ebenfalls Anteile von Glas-, PAN-, und/oder Zellulosefasern enthalten. Die Länge der verwendeten recycelten Kohlenstofffasern liegt im Bereich zwischen 5 und 150 mm. Das Flächengewicht der Non-wovens variiert zwischen 20 und 5.000 g/m².
Als Armierungsschicht dient eine Gitterstruktur, die durch gerichtetes ablegen von endlosen Filamentgarnen aus Glas, Carbon, Keramik, Basalt oder Metall mit Hilfe der Schusseintragssysteme einer Kettenwirkmaschine gebildet wird. Das Gitter weißt eine bevorzugte Maschenweite zwischen 2 und 200 mm auf. Die Armierungsgarne, die dabei eingesetzt werden, weisen eine Garnfeinheit zwischen 5 und 5000 tex auf. Um die o. g. Gitterstruktur abzubilden, werden die Armierungsgarne in zwei oder mehreren Lagen übereinander abgelegt. Dabei weisen die Armierungsgarne eine bevorzugte Orientierung auf, die über den einzelnen Schichten des Armierungsgitters unterschiedlich sein kann. Bevorzugte Orientierungswinkel liegen zwischen 0° und ±90°.
Die Rheinfolge der Schichten aus überwiegend recycelten Kohlenstofffasern und der Armierungsgitter im Halbzeug kann beliebig variiert werden. Zwei bevorzugte Varianten des Strukturaufbaus sind in 1 und 2 schematisch dargestellt. Bei Variante 1 (1) wird ein Armierungsgitter (2) zwischen zwei Non-woven-Schichten (1) abgelegt. Bei Variante 2 (2) wird dagegen eine Non-woven-Schicht zwischen zwei Armierungsgittern abgelegt.
Die Stabilisierung und Fixierung des Precursorhalbzeugs erfolgt mittels Wirkfäden (3), die zur Maschenbildung in der Wirkeinheit der Kettenwirkmaschine eingesetzt werden. Bevorzugt werden dazu glatte oder texturierte Filamentgarne aus Polyester, Polyamid, Polypropylen oder Glas mit einer Garnfeinheit zwischen 3 und 500 tex verwendet.
Durch die Verstärkung anhand von endlosen Filamentgarnen erhalten die Precursorhalbzeuge die für ihre Weiterverarbeitung im Aktivierungsprozess erforderliche Zugfestigkeit. Darüber hinaus bewirkt die Verstärkung eine deutliche Verbesserung der Zug- und Reißfestigkeit der Non-wovens nach der Aktivierung. Dadurch weisen die Endprodukte (z. B. Industriefilter oder Schutzbekleidung) auf Basis der endlosfaserverstärkten aktivierten Non-wovens, im Vergleich zu herkömmlichen Vliesstoffen aus aktivierten Kohlenstofffasern, eine um mindestens 50% höhere Zugfestigkeit auf.
Durch die Kombination aus gutem Preis-Leistungs-Verhältnis und verbesserten mechanischen Eigenschaften der aktivierten Halbzeuge sollen zum einen neue Märkte und Anwendungsfelder im Bereich der Technik erschlossen werden. Des Weiteren wird durch die Widerverwertung von Abfallprodukten einen Beitrag zur nachhaltigen, energie- und ressourceneffizienten Produktion von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern geleistet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4401588 [0005, 0007]
DE 2715486 [0005]
DE 2345298 [0005]
DE 69809718 [0007]
EP 199150 [0007]
US 4565727 [0007]
DE 19729642 [0007]
DE 102009023529 [0008]
WO 2011/095826 [0008]
DE 3339756 [0009]

Claims

Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern, gekennzeichnet durch eine komplexe Schichtbauweise mit mindestens einer zu mehr als 50% bei Gewicht aus recycelten Kohlenstofffasern bestehenden Schicht, mindestens einer Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters und mindestens einem strukturstabilisierenden Wirkfadensystem.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht, die zu mehr als 50% bei Gewicht aus recycelten Kohlenstofffasern besteht (in Weiterem als Kohlenstoff-Non-woven-Schicht bezeichnet), in Form eines Vliesstoffes, Filzes oder einer Matte aufgebaut ist.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Schichtbauweise, bei der entweder eine Armierungsschicht zwischen zwei Kohlenstoff-Non-woven-Schichten gemäß 1 vorliegt oder eine Kohlenstoff-Non-woven-Schicht zwischen zwei Armierungsschichten gemäß 2 vorliegt.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Non-woven-Schicht ein Flächengewicht zwischen 20 und 5.000 g/m² aufweist und zu mehr als 50% bei Gewicht aus recycelten Kohlenstoffasern mit einer Länge von 5 bis 150 mm aufgebaut ist.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters mit mindestens zwei unterschiedlich orientierten Fadensystemen aus Glas-, Carbon-, Keramik-, Basalt- oder metallischen Filamentgarnen, die eine Garnfeinheit von 5 bis 5000 tex aufweisen, aufgebaut ist.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentgarne beider Fadensysteme des Armierungsgitters eine bevorzugte Orientierung mit einem Winkel von 00 bis ±90° (gemessen von der Produktionsrichtung der Maschine) aufweisen.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen des verwendeten Armierungsgitters eine bevorzugte Länge und Breite zwischen 2 und 200 mm aufweisen.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das die Kohlenstoff-Non-woven-Schichten und die armierenden Schichten anhand von über Kettenwirktechnologie gebildeten Maschen zueinander fixiert sind.
Vorlagematerial für die Herstellung von Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Stabilisierung der Struktur eingesetzten Wirkfäden eine Garnfeinheit zwischen 3 und 500 tex aufweisen und in Form von glatten oder texturierten Filamentgarnen aus Polyester, Polyamid, Polypropylen, Polyacrylnitril oder Glas vorliegen.