DE2038784A1

DE2038784A1 - Verfahren zur Herstellung von Baendern aus in Laengsrichtung ausgerichteten Kohlenstoff-Fasern

Info

Publication number: DE2038784A1
Application number: DE19702038784
Authority: DE
Inventors: White Edward Bailey; Whitney Ian Bole Hill; Rowland Michael Roger
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-08-04
Filing date: 1970-08-04
Publication date: 1971-02-18
Also published as: BE754321A; US3700511A; CH513771A; FR2056490A5; GB1286534A

Description

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OipUnQ.C-Wallach

Dipl. Ing. G..Koch ^

Dr. T. Haibach

8 München 2

Kaufingerstr. 8.TeI.240276 12 ?85 - Fk/fci

ROLLS-ROYCE LIMITED, Derby / England

Verfahren sur Herstellung von Bändern aus in Längerichtung ausgerichteten Kohlenstoff-Fasern

Die Erfindung besieht sieh auf ein Verfahren sur Herstellung von Bindern aus in LKngsriohtung ausgerichteten Kohlenstofffasern,

Bei verschiedenen Aufwlokelprozeeeen zur Herstellung von gegenständen aus faserverstärkten Materialien wurde oft festgestellt, daß die sweokmäfilgste Form für das aufzuwickelnde Fasernaterial die eines Bandes von in Längsrichtung ausgerichteten Fasern ist. In den letzten Jahren wurden Kohlenstofffasern als faserförmlge Verstärkungen eingeführt und der Bedarf an SQlehen Fasern in Bandform 1st gewachsen«

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren sur Herstellung Boloher Bänder aus Kohlenstoffasern dar.

Das erfindungageoifle Verfahren sur Herstellung von Bändern aus in Längsrichtung ausgerichteten Kohlenstoffasern uafafit

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die Pyrolyse einer Bahn von in Längsriohtung ausgerichteten Polyaorylnitril-Pmsern und die darauf folgende Teilung der Bahn in mehrere Bänder.

Vorzugsweise geht der Pyrolyse ein Voroxydationssohritt, in dem die Pasern in Luft erhitzt werden, voran*

Auf die Pyrolyse folgt vorzugsweise ein Harzlmprägnierungssohritt, in dem die Paserbahn mit einem Harz-Grundmaterial imprägniert wird» wobei die Teilung vorzugsweise nach der Imprägnierung erfolgt.

Die Voroxydations-Wärmebehandlung kann bei einer Aufheizung der Paser auf etwa 150 ⁰C bis 300 ⁰C erfolgen.

Die Teilung kann duroh mehrere Schlitzräder mit Messerkanten erreloht werden; die Räder können zwei oder mehrere getrennte Sätze bilden« die die gewünschte Aufspaltung in zwei oder mehr Stufen bewirken»

Im folgenden werden Ausftlhrungsbeisplele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigens

Pig. 1 ein Schema einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Pig. 2 eine perspektivische Ansicht der Bahnsohlitzvorrichtung naoh Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Spulenaggregat mit mehreren Spulengestellen 11 bezeichnet» die Stränge aus Polyaorylnitril-Paeern von 1 1/2 Denier tragen. In diesem Spulenaggregat 1st eine (nicht dargestellte) bahnformende und -aufnehmende Vor-

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riohtung enthalten« wie z.B. von der in dem Patent

(deutsche Patentanmeldung P 17 85 36I.I/86C der gleichen Anmelderin) beschriebenen Art* Das Spulenaggregat erzeugt Bahnen, die duroh in AbstKnden in die Kettfasern eingeführte Sohußfäden zusammengehalten werden, wobei jede Bahn ungefähr 18 Zoll (46 cm) breit 1st und jeweils 50 Stränge enthält,

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die ihrerseits jeweils 10 Fasern enthalten. Die acht Bahnen werden in einem gegenseitigen Abstand von etwa 3 Zoll (6,62 ora) Übereinanderliegend gehalten und einem insgesamt mit 12 bezeichneten Walzenaggregat zugeführt. Das Antrlebswalzenaggregat 12 umfaßt acht getrennte Sätze von je vier Walzen, von denen eine mit 13 bezeichnet ist. Diese Walzensätze sind derart zueinander parallel angeordnet, daß jedem Walzensatz eine einzelne Bahn zugeführt wird, die dann um die vier den Walzensatz bildenden angetriebenen Walzen läuft und dann horizontal zu der Eintrittsstelle aus dem Antriebsaggregat austritt.

Beim Austreten aus dem Antriebsaggregat 12 werden die acht Bahnen, wie bei 14 gezeigt, näher zusammengeführt und laufen bei 15 duroh dioht passende Öffnung in den Voroxydationsofen 16. Innerhalb des Ofens wird mit Hilfe eines Qebläsesystems und (nicht dargestellter} Heizvorrichtungen eine derartige Atmosphäre aufreoht erhalten, daß Innerhalb des Ofens eine auf etwa 220 ⁰C aufgeheizte Luftumgebungsatmosphäre besteht. Bin Oebläsesystem 17 ist zur Erzielung einer kontrollierten Luftströmung in dem Ofen vorgesehen.

Innerhalb des Ofens l6 befinden sich mehrere mit 18 bezeichnete Walzensätze» Die acht Bahnen laufen über diese Walzen und werden duroh diese im Ofen längs eines meanderfurmigen Weges geführt, woduroh sich eine große Weglänge (40 PuS -

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102,6 cm) Innerhalb eines relativ kompakten Ofens ergibt; die Bahnen sind so angeordnet, daß sie für den Durchlauf des Ofens etwa 7 Stunden benötigen.

Die Bahnen werden daher während ihres Aufenthalts im Ofen voroxydiert, d.h., zur Stabilisation ihrer Struktur findet ein gewisser Grad einer Modifikation zwischen den einzelnen Molekülen statt.

Nach dem Verlassen des Ofens durch dicht pessende Offnungen bei 19 laufen die Fasern, die noch in ihrer .Bahnform sind, in ein zweites Antriebsaggregat 20, das von gleicher Art wie das bei 12 gezeigte Antriebsaggregat ist. Durch die Anordnung der Antriebsaggregate 12 und 20 an beiden Enden des Ofens 16 können die Fasern während der VorOxydation unter Spannung gehalten werden. Das verhindert das sonst während dieses Verfahreneschrittes auftretende Schrumpfen.

Nach dem Verlassen des Antriebsaggregates 20 werden die Bahnen zur Bildung eines einzigen Bündels zusammengebracht und laufen über ein Abdichtwalzenaggregat 22 in einen Verkohlungsofen 21. Für dieses Abdichtwalzenaggregat werden jeweils

Paare von Abdichtwalzen der In dem Pat on t (Patent-

anraeldung 18 05 9010-45 der gleichen Anmelderin) beschriebenen Art verwendet, die ein nennenswertes Ausströmen aus oder in den Ofen 21 verhindern. Die Faserbahnen werden auf dieser Stufe kompaktiert,um die erforderliche Energie zu verringern und das System zu vereinfachen, woil es In dieser Stufe unnötig 1st, den Zwischenraum aufrecht zu erhalten, der in den vorhergehenden Stufen erforderlich war, um die Abfuhr von Reaktionsprodukten und die wärmeabfuhr zu gewährleisten. ·

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In dem Ofen 21 wird eine Stiofcstoffatraosphäre aufrecht erhalten, wobei ein Eintritterohr für die Stiokstoffzufuhr und ein Austrittsrohr für den Auetritt von Stickstoff und Abfallgasen vorgesehen ist. Innerhalb des Ofens 21 werden die Bahnen Über einen (nicht gezeigten) Boden geführt. Innerhalb des Ofens steigt die Temperatur stetig von Raumtemperatur im Bereich des Abdichtaggregats 22 auf etwa 1000 ⁰C bei einem Punkt 25 an. Die Abmessungen des Ofens sind so gewählt, daß die Pyrolyse der Fasern am Punkt 25 zum überwiegenden Teil erfolgt 1st; wenn dies der Fall ist, so ist keine zusätzliche Reinigung von Reaktionsprodukten im Verlauf der nachfolgenden Behandlung erforderlich.

Die kompaktierten Fasern durchlaufen als nächstes einen Ofenteil 26 mit höherer Temperatur. Es ist zu beachten, daß die Querschnittsfläche dieses Ofenteils durch Heizvorrichtungen enthaltende Wandanordnungen 27 verringert ist, diese Querschnittsverringerung trägt dazu bei, die zur Erzielung dieser höheren Temperatur erforderliche Leistung herabzusetzen« Im Abschnitt 26 werden die Fasern weiter auf eine Temperatur im Bereich von 1600 ⁰C erhitzt.

Zum Schlug verlassen die kompaktlerten Fasern den Ofen 21 über ein zweite« Abdlohtaggregat 28,für das wiederum Abdientwalzen verwendet werden.

Nach dem Verlassen der Abdiohteinheit 28 laufen die Fasern in einen weiteren Ofen 29· Dieser Ofen 1st nur aus Zeiohnungsgründen von dem Ofen 21 getrennt gezeigt, in Wlrkllohkelt ist er Jedooh direkt mit der Abdichtung verbunden und dl· getarnte Apparatur bildet eine linear« Anordnung. In Wirlcliohk«lt teiltj dl« Abdichtung 28 dl« Atmosphäre innerhalb des Ofens 21 Ton der in Ofen 29. Innerhalb des Ofen« 29 wird «in«

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Argon-Atmosphäre aufrecht erhalten, und zwar wird wiederum über ein Eintritterohr 30 Argon zugeführt, während ein Austrittsrohr 31 den Austritt von Argon und Irgendwelchen Reaktionsprodukten ermöglioht. In dem Ofen 29 wird die Faser, die noch in kompaktlerter Form 1st, auf eine Temperatur von in diesem Fall 2500 ⁰C erhitzt, die jedooh auch im Bereich oberhalb 1500 ⁰C liegen kann. In dieser Stufe wird die Struktur dar Kohlenstoffasern mehr pseudo-graphitisch gemacht* Diese Stufe kann in der Praxis völlig weggelassen werden und es ist möglich, brauchbare Kohlenstoffasern mit Hilfe eines die Fasern nur auf eine Temperatur von 1000 ⁰C bis 1200 ⁰C aufheizenden Ofens zu erzeugen.

Die Faser verläßt den Ofen 29 nach einer Verweildauer von etwa einer halben Stunde über ein Abdichtaggregat 32, das wiederum gleich dem Abdichtaggregat 28 1st, und das ein starkes Entweichen von Oasen aus dem Ofen 29 verhindert. Unmittelbar nach dem Verlassen der Abdichteinheit 32 laufen die kompakt!erten Fasern zwischen einem Paar von angetriebenen Walzen 33 hindurch und werden nach Durchlaufen dieser Walzen wieder In ihre acht einzelnen Bahnen aufgetrennt und einer insgesamt mit 34 bezeichneten Harz-Imprägnierungsvorrichtung zugeführt. Die Harz-Imprägnierungeeinheit 34 ist von der Art,

wie sie in dem Patent · (britische Patenanmeldung 199/69

der gleiohen Anmelderin) beschrieben ist, und verwendet beschichtetes Papier ale übertragungsmittel für ein Bpoxy. Novolak-Harz. Der Einfaohhelt halber wird der Verlauf einer einzelnen Bahn beschrieben; die Übrigen Bahnen folgen genau dem gleiohen Verlauf.

Die betrachtete oberste Bahn verläuft nach Eintritt in die Vorrichtung 34 »unäohat zwischen zwei Haspeln 35 und 36 alt

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harsbesohlohtetta Trennpapier. Dae Trennpapier selbst 1st mit einem Trennmittel Imprägniert, das eine bleibende Haftung des Harzes an dem Papier verhindert. Um das besohlchtete Papier leichter handhaben zu können, sind die Haspeln 35 und 36 innerhalb einer gekühlten Kammer 37 angeordnet, so daß das Harz in einem nicht klebrigen Zustand gehalten wird.

Das Papier von den Haspeln 35 und 36 wird je einer Seite der Paserbahn so zugeführt, daß die beschichtete Seite des Papiers an den Fasern liegt. Das derart geformte "Sandwich" läuft von der Kammer 37 in eine zweite Kammer 38 und zwischen ein Paar von geheizten Walzen 39. Bei Durchlaufen dieser Walzen bewirkt die gemeinsame Anwendung von WKrme und Druck die übertragung des Harses vom Trennpapier auf die Faserbahn, woduroh die Bahn mit Harz imprägniert wird.

Jede Bahn durchläuft dann eine getrennte Schlitzvorrichtung, wobei lediglich die Vorrichtung für die Bahn, die durch die Walzen 40 läuft, in der Zeichnung gezeigt und Insgesamt mit bezeichnet ist.

Die Schlitzvorrichtung 41 umfaßt zwei Walzenpaare 42 und 43, erste und zweite Schlitzradsätze 44 und 45, die mit Hilfe von (nicht gezeigten) Antriebsmitteln gedreht werden, und eine Aufwickelrolle 46. Die Bahn läuft zwischen den Walzenpaaren 42 und 43 hindurch, die ihre Bahnform aufrecht erhalten, und zwischen diesen Rollen 1st der erste Schlitzradsatz 44 so montiert, daß die mit Sägezähnen versehenen Räder die Bahn zerteilen, im vorliegenden Beispiel in drei gleiche längsgeriohtete Abschnitte.

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Die β «nit geteilte Bahn läuft durch die Walzen 43 und wird dann welter durch die Sohlitzräder 45 geteilt. In vorliegenden Fall sind die Räder 45 so angeordnet, daß sie die (bereite in drei Teile geteilte) Bahn in sechs Bänder aufteilen.

Ua ein Verkleben der Schlitzräder mit dem zur Imprägnierung der fasern verwendeten Harz zu verhindern« wird kalte Luft auB einen Wirbelrohr so zugeführt, daß sie in der Nachbarschaft aller Schlitzräder zirkuliert.

Die Bahn wird somit in sechs Streifen umgeformt, die dann auf die Aufwickelrolle 46 aufgerollt werden, und sechs Bandhaspeln auf einer einzelnen Rolle bilden. Die Holle kann dann zur Lagerung der Bänder verwendet werden, oder kann in sechs je eine Bandhaspel tragende Teile ser-legfc werden.

Die so erzeugte Bandhaspel kann auf verschiedene Arten verwendet werden, insbesondere zur Aufschichtung von zusammengesetzten Artikeln durch Wickelverfahren«

Die Schlitzvorrichtung 41 kann an einer beliebigen Stelle des oben beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung der Kohlenstofffaser verwendet, werden, jedoch nachfolgend auf die Verkohlungs· stufe, die In o.em Ofen 21 stattfindet. Wenn die Vorrichtung an einer pass erden Stolle vor der Imprägni «rungs einheit J54 eingesetzt wird, ist es erforderlich, die 'Trennung der Bänder während der «es·«nten weiteren Beisiindlungsstufen aufrecht zu ten,, wtr,/ schwierig »ein kann.

Zur He.rpl-.»rh:j-g wiIaTrMipüi?rtar BHndc*r werden die trockenen faKffpii dJrßisJ- vor dar Im^Hgnierimgsstuff) auf einer Haspel ge-

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sammelt und darauf folgend durch stehende Messer in der Einheit 41 aufgespalten und auf kleinere Haspeln gewickelt, von denen es dann wieder durch die Schlitzvorrichtung 41 gefUhrt werden kann, um noch schmalere Streifen, z.B. 10.000 Fäden, zu erhalten. Derartige feststehende Hesser haben vorzugsweise einen solchen Winkel zur Längsachse der Bahn, daß Knoten, die nicht direkt durch das Messer geschnitten werden, bewirken, daß die Bahn auf das Messer hinaufläuft und damit die Schwerkraft zur Schneidwirkung addiert wird«

Die Vorrichtung 41 stellt wiederum nur eine Möglichkeit zur Zerteilung der Bahnen in Bänder dar, es können genau so verschiedene Formen von feststehenden oder bewegten Messern oder andere Teilvorrichtungen verwendet werden, und die Aufrollanordnung könnte beispielsweise eine oder mehrere Waisen oder weitere Quertrennungsvorrlohtungen umfassen, die Stapel von Streifen mit einer vorbestimmten Länge erzeugen. Es 1st natürlich möglich, andere Harze als Epoxyd zu verwenden, wobei es bei Verwendung bestimmter Harze unnötig sein kann, die Sohneidvorrichtungen, die nicht sägezahnförmig sein können, zu kühlen.

Obwohl das beschriebene Auaftihrungsbeisplel die Schlitzmaschine 41 als integrierten Teil des Herateilungsweges zeigt, 1st es natürlich möglich, die Vorrichtung 41 getrennt anzuordnen. In diesem Fall wird jede Bahn nach Verlassen der Rollen 39 auf eine Haspel gewickelt, wobei das untere Trennpapier abgezogen wird und nur die Fasern mit dem oberen Trennpapier aufgewickelt werden. Die Faser wird so aufgewickelt, dafl sie unter den Trennpapier liegt.

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Die Haspel mit der Ψλβφτ und dem Trennpapier wird dann einer getrennten Sohlitzosasoitine zugeführt.

In dieser Stufe kann ee «weckmäßig sein« das Trennpapier durch ein anderes Papier oder einen Plastikfilm asu ersetzen, der leicht ausdehnbar und aueamraenpreßbar und 2.B* wellig oder geprägt ist. Diese Ausdehnbarkelt erleichtert das Wickeln« während die Xusammenpreßbarkeit die Kompensation von Veränderungen in der BahnstKrke erleichtert. Die Auf« wioklung erfolgt vorsugsweiee mit einer lokenleere, um ein® genau rechteckige Rolle zu erzeugen« und um den Sohlitzvorgang genauer zu machen.

Patentansprücheι

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Claims

Patentansprüche s

1. Verfahren zur Herstellung von Bändern aus In Längsrichtung ausgerichteten Kohlenstoffaß em, gekennzeichnet durch die Pyrolyse einer Bahn von in Längsrichtung ausgerichteten Polyacrylnitril-Fasern und die darauf folgende Teilung der Bahn in mehrere Streifen»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Pyrolyse ein Voroxydationsschritt vorausgeht₀ bei de« die Fasern in Luft auf eine Temperatur zwischen 150 ⁰C und 300 °o erhitzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Faserbahn nach der Pyrolyse mit einem Harzmaterial imprägniert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet« daß die Imprägnierung durch die Übertragung von Harz von einem harzbeschichteten Trennpapier auf die Faserbahn erfolgt.

5» Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung nach der Imprägnierung stattfindet und daß das Trennpapier zusammen mit der Faserbahn geteilt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung alttele mehrerer Sohlit«- rltder erfolgt·

7« Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß «wei Sätze von die Bahnen schrittweise In scheelere Streifen «erteilenden Sohlltzrädern vorgesehen sind.

8. Verfahren nach Anspruoh 1« dadurch g e k e η η zeiohnet, daß die Pyrolyse in einen kontinuierlichen Verfahren erfolgt und daß die Paeerbahn nach der Pyrolyse aufgewickelt und einer getrennten Schlitzmaschine zugeführt wird.

9· Verfahren nach Anspruch 8, daduroh gekennzeichnet, daß die aufgewickelten Faserbahnen duroh ein Trennpapier getrennt sind.

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