DE2900938A1 - Verfahren zum herstellen nicht gewebter stoffsubstrate fuer mit kohlenstofffasern verstaerkte zusammengesetzte gebilde - Google Patents

Verfahren zum herstellen nicht gewebter stoffsubstrate fuer mit kohlenstofffasern verstaerkte zusammengesetzte gebilde

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DE2900938A1
DE2900938A1 DE19792900938 DE2900938A DE2900938A1 DE 2900938 A1 DE2900938 A1 DE 2900938A1 DE 19792900938 DE19792900938 DE 19792900938 DE 2900938 A DE2900938 A DE 2900938A DE 2900938 A1 DE2900938 A1 DE 2900938A1
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Description

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DiPL-ING. W. NIEMANN D-β O O O MÖNCH EN 2
. 4-3 365/78 12/Ld . * 11. Januar 1979
. DUNLOP LIMITED
London (Großbritannien)
Verfahren zum Herstellen nicht gewebter Stoffsubsträte für mit Kohlenstoffasern verstärkte zusammengesetzte Gebilde
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von nicht gewebten Stoffsubstraten für mit Kohlenstoffasern verstärkte zusammengesetzte Kohlenstoffgebilde.
Ein Beispiel eines solchen zusammengesetzten Gebildes ist eine vollständig aus Kohlenstoff bestehende Bremsscheibe, die dadurch gebildet ist, daß eine Kohlenstoffmatrix an einem Stoffsubstrat angelagert oder auf dieses niedergeschlagen wird, dessen 3?asermaterial karbonisiert bzw. verkohlt ist, um die
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Kohlenstoffmatrix mit Kohlenstoffasern zu verstärken. Das Anlagern oder Niederschlagen von Kohlenstoff an dem Stoffsubstrat wird durch Spalten eines organischen Gases (Kohlenstoffdampf nieder schlagung) oder dadurch ausgeführt, daß das Stoffsubstrat wiederholt mit Harz imprägniert wird und danach verkohlt wird, um eine Kohlenstoffmatrix an dem karbonisierten oder verkohlten Stoffsubstrat zu verdichten (Mehrfachimprägnierung).
Ein bevorzugtes Material für das Substrat sind Polyacrylnitrilfasern, die, insbesondere wenn Kohlenstoffdampfniederschlagung angewendet werden soll, sich vorzugsweise in "oxidiertem" Zustand befinden, welcher die nachfolgende Verkohlung oder Karbonisierung erleichtert. Dieses Material ist als ein nicht gewebter Stoff oder als Filz vorhanden, der sich kreuzende Lagen aus kontinuierlichen Fäden aufweist, wobei die Lagen beispielsweise mittels Stoßnadelung, d»h» mittels Verwendung von Stoßnadeln oder Stempelnadeln, vereinigt sind»
Werden vollständig aus Kohlenstoff bestehende Bremsscheiben als ein Beispiel angenommen, so werden aus der parallele Seiten aufweisenden Bahn aus Polyacrylnitril-Fasern Ringkörper ausgeschnitten und dann gestapelt, um ein Substrat der gewünschten Dicke zu bilden«, Diese Arbeitsweise führt zu beträchtlichem Abfall der teuren Polyacrylnitrilbahn, weil das abgeschnittene Material nicht zu einem Material mit kontinuierlichen Fasern, um eine neue Bahn zu bilden, wieder verarbeitet werden kann»
Das Material kann zu einem Material mit Stapelfasern weiterverarbeitet oder wieder verarbeitet werden, indem die übrigen Fasern zu relativ kurzen Fasern zerkleinert und die "Kettfasern" von den "Schußfasern" getrennt werden. Jedoch bestand
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bisher praktisch kaum Veranlassung, dies auszuführen, da die Hauptverwendung für oxidierte Polyacrylnitrilfasern die Verwendung für zusammengesetzte Substrate war, wobei sowohl die "Kettfasern" als auch die "Schußfasern" aus kontinuierlichen Fäden oder Fasern bestehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Stoff mit zweckentsprechenden Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und des Faservolumens erhalten werden, indem sich kreuzende Lagen verwendet werden, von denen eine aus gekräuselten Stapelfasern besteht. Dies führt zu dem wesentlichen Vorteil, daß ein Substrat, welches aus dem Stoff gebildet worden ist, während eines nachfolgenden Kohlenstoffniederschlagungsverfahrens leichter durchdrungen bzw. infiltriert wird. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Stapelfasern in dem Stoffsubstrat eine beträchtliche Ersparnis der Verwendung von oxidierten Polyacrylnitrilfasern, weil wenigstens ein Teil, wenn nicht überhaupt die Gesamtheit des abgeschnittenen Materials wiederverwendet werden kann.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren geschaffen, mittels welchem aus karbonisierbarem bzw. verkohlbarem Fasermaterial, welches vorbehandelt wird, um seine chemische Zusammensetzung zu ändern, um nachfolgende Verkohlung zu erleichtern, eine Bahn aus nicht gewebtem Stoff gebilder wird zur Verwendung als Substratmaterial in einem mit Kohlenstoffasern verstärkten zusammengesetzten Kohlenstoffgebilde, und das Verfahren umfaßt die Schritte, daß eine im wesentlichen in einer Richtung ausgerichtete Anordnung von kontinuierlichen Fasern quer zur (durchschnittlichen Richtung kardierter Stapelfasern angeordnet wird, und daß die Fasern und die Fäden unter Verwendung von Stoßnadeln verdichtet bzw. zusammengedrückt werden, um eine Stoffbahn zu bilden.
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Die kontinuierlichen Fäden werden während der Verdichtung unter Verwendung von Stoßnadeln vorzugsweise in Längsrichtung gehalten.
Das vorbehandelte verkohlbare Fasermaterial, welches verwendet wird, ist vorzugsweise oxidiertes Polyacrylnitril-Faser™ material.
Vorzugsweise wird eine Bahn aus parallel angeordneten Stapelfasern von einer Kardiermaschine zu einer Querlegevorrichtung geführt, welche die Bahn in Lagen verlegt, um eine dickere Bahn zu erzeugen, in welcher die durchschnittliche Sichtung der Stapelfasern quer zu der Bahn verläuft» Die dickere Bahn wird durch eine Stoßnadelvorrichtung geführt, welche die dickere Bahn, zu einem Pilz verdichtetο Der Filz und eine Seihe von im wesentlichen parallelen Tauen oder Lunten aus kontinuierlichen Fäden werden so gelegt, daß die durchschnittliche Sichtung der Stapelfasern in dem Filz quer zu den Tauen verläuft« Der Filz und die Taue werden dann sum Bilden eines Stoffes vereinigt, und zwar unter Verwendung von mit Widerhaken versehenen Stoßnadeln»
Filze aus Stapelfasern können auf "beiden gegenüberliegenden Seiten der Fadenbahn angeordnet werden, so daß die letztere zwischen den Stapelfaserfilzen angeordnet ist, in denen die durchschnittliche Sichtung der Stapelfasern jeweils quer zu der Sichtung der kontinuierlichen Fäden verläuft, und die Bahn und die beiden Filze können zum Bilden eines Stoffes vereinigt werden, und zwar unter Verwendung mit Widerhaken versehener Stoßnadeln«.
Ein Substrat vorbestimmter Gestalt kann -aus der Stoffbahn ausgeschnitten werden, und das abgeschnittene Stoffbahnmaterial kann zu Stapelfaserform überführt werden,,' Das abgeschnittene Stoffbahnmaterial kann aufeinaDäerfolgead. durch eine Verkleinepungsvorriehtüng und durch, eine Irenavorrichtung geführt
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werden, um es in die Gestalt von Stapelfasern zu überführen. Die aus dem abgeschnittenen Stoffbahnmaterial erhaltenen Stapelfasern können bei der Herstellung weiteren Stoffbahnmaterials verwendet werden.
Es können Ringkörper aus der Stoffbahn ausgeschnitten und dann gestapelt werden, um ein Substrat für eine vollständig aus Kohlenstoff bestehende Bremsscheibe zu bilden. Die gestapelten Ringkörper können mit Stoßnadeln behandelt werden, um sie zusammenzuhalten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Pig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Bandes von Stapelfasern.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, in welcher das Band aus Stapelfasern mit Tauen aus kontinuierlichen Fäden kombiniert wird, um eine Stoffbahn zu bilden.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer Stoßnadelvorrichtung, die bei den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 verwendet werden kann.
Fig. 4 ist eine im vergrößerten Maßstab gehaltene Ansicht einer der Stoßnadeln der Stoßnadelvorrichtung gemäß Fig. 3-
Fig. 5 ist eine Ansicht einer mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 2 hergestellten Bahn, nachdem Ringkörper aus ihr ausgeschnitten oder ausgestanzt sind.
Fig. 6 ist eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene Ansicht des Bereiches VI der Bahn gemäß Fig. 5i wobei die Ausrichtung der kontinuierlichen Fäden und der Stapelfasern, welche die Bahn darstellen, gezeigt ist.
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'^~ 290Ö938
Bei einer "bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Polyacrylnitrilfasern im "oxidierten" Zustand verwendet, wenn sie ausreichend faltbar sind, um textlien Verarbeitungsvorgängen unterworfen zu werden. Kontinuierliche Fäden aus oxidiertem Polyacrylnitril werden bei einer Temperatur zwischen 220 Ms 300° C behandelt und' durch in der Textiltechnik bekannte Vorrichtungen zu der Form gekräuselter Stapelfasern verarbeitet. Vorzugsweise werden sie durch Dehnung bis zum Brechen, Kräuseln, Lunte-zu-Kammzug-Umwandlung und Wollwolfbehandlung zu "Kammzug" umgewandelt»
Die Stapelfasern werden durch eine Kardiermaschine 10 geführt, um ein dünnes leichtes Band 11 aus parallel angeordneten lasern zu bilden, was bedeutet, daß die mittlere oder durchschnittliche Erstreckungsrichtung des Großteiles der Fasern (Fig. 6) parallel zu dem Abnahmeförderer 13 der Kardiermaschine 10 verläuft« Das Band 11 wird von dem Abnahmeförderer 1$ zu einer Querlegeeinrichtung 14 geführt, welche das dünne Band 11 rückwärts und vorwärts auf einen Bandförderer 15 legt, der sich im rechten Winkel zu dem Bandförderer 13 bewegt, um ein dickes bauschiges Band 16 zu erzeugen, in welchem die durchschnittliche Erstreckungsrichtung der parallel gelegten Stapelfasern im rechten Winkel zu dem Förderband 15 verläuft«
Das Förderband 15 führt das dicke Band 16 durch eine Stoßnadeleinrichtung 17A, welche das dicke Band 16 zu einem Filz verdichtet, und zwar durch die Wirkung ihrer mit Widerhaken versehenen Nadeln 19 (Fig., 3 und ^), die sich durch den Filz 18 hin- und herbewegen, wenn dieser zwischen einer perforierten oberen Führungsplatte 20 und einer perforierter unteren Führungsplatte 21 hindurchgeht. Der verdichtete Filz 18 wird dann auf eine Rolle 22 gewickelt,
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Die "Kette" für den Stoff wird aus einer Anzahl von Tauen aus kontinuierlichen Fäden aus oxidiertem Polyacrylnitril gebildet, und die Taue werden von einem Gatter, einem Baum, einem plattierten Kasten, aus Kannen oder von einer anderen geeigneten Packung 23 (Fig. 2) abgelassen bzw. abgezogen. Jedes Tau kann aus zehntausend Fäden bestehen, oder es können auch schwere Taue aus annähernd 320.000 Fäden verwendet werden. Die Taue werden zusammengebracht, um eine Bahn 24 zu bilden, indem sie durch geeignete Einrichtungen zur Führung, zur Spannungssteuerung und zum Spreizen der Taue geführt werden. Diese Einrichtungen sind in ihrer Gesamtheit mit 25 bezeichnet. Ein Teil geeigneter Länge des zuvor hergestellten "Schußfilzes" 18 wird auf die Bahn 24 gelegt, und "beide zusammen werden durch eine weitere Stoßnadeleinrichtung 17B geführt, die der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Einrichtung ähnlich sein kann, um eine verdichtete nicht gewebte 'Stoffbahn 26 zu erzeugen, die auf eine Rolle 27 gewickelt werden kann.
Wahlweise kann die Stoffbahn 26 mehr als eine "Kettlage" oder mehr als eine "Schußlage" aufweisen, und bei einer bevorzugten mehrlagigen Ausführung befindet sich die "Kettbahn" 24 zwischen zwei "Schußfilzen" 18, die über und unter die Kettbahn 24 gelegt sind, wobei das gesamte Gebilde mittels Stoßnadeln zusammengebracht oder verdichtet ist.
Ein Substrat für eine Bremsscheibe wird dadurch hergestellt, daß ähnliche Ringkörper aus der Stoffbahn 26 ausgeschnitten und gestapelt werden, bis die gewünschte Dicke erhalten wird, wobei die Fasern benachbarter Ringkörper sich in einer ausgewählten Winkelausrichtung befinden. Der Stapel aus den Ringkorpern wird vorzugsweise unter Verwendung von Stoßnadeln verdichtet bzw. zusammengehalten, um die Handhabung zu erleichtern und um eine Unterstützung dahingehend zu erhalten, eine Entschichtung des fertiggestellten Produktes oder
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Erzeugnisses zu verhindern. Das Gesamtsubstrat wird dann in Abwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur über 1000 C erhitzt, um die Verkohlung der Fasern zu vervollständigen« Die Scheibe' wird dann zu einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Gebilde umgewandelt, und zwar entweder durch Kohlenstoffdampfniederschlagung oder durch Harzverkohlung» Da die Fasern keine Verdrehung haben und die Leerräume innerhalb des Stoffes gleichmäßiger sind als im Fall von aus Garnen hergestellten Stoffen, ergibt sich eine Verkürzung der Zleit, die erforderlich ist oder verstreicht, um das Substrat zu durchdringen» Diese Zeitverkürzung kann 60% oder mehr betragen»
Fig. 5 zeigt das Material der Stoffbahn 26, welches übrigbleibt, wenn die Ringkörper ausgeschnitten worden sind, und Fig» 6 zeigt,' daß dieses übrigbleibende Material aus parallelen kontinuierlichen Fäden 30, die sich in Längsrichtung der Bahn 26 erstrecken, und aus Stapelfasern 12 besteht, die ' zufolge der "Parallelisierung" in der Kardiermaschine 10 eine durchschnittliche Erstreckungsrichtung haben, die quer zur Erstreckungsrichtung der kontinuierlichen Fäden 30 verläuft, die jedoch in gewissem Ausmaß -willkürlich ausgerichtet und mit den kontinuierlichen Fäden 30 vermischt sind, und zwar durch die Wirkung der Stoßnadeleinrichtungen 1?A und 17B»
Gemäß der Erfindung kann das übrigbleibende Material der Stoffbahn 26 aufeinanderfolgend durch eine Zerkleinerungsmaschine, in welcher die Länge der kontinuierlichen Fäden 30 grob auf die Länge der Stapelfasern 12 verringert wird, und durch eine Trennmaschine geführt werden, in welcher die sich kreuzenden Fasern getrennt werden* Die erhaltenen Stapeifa= sern können in einem geeigneten Anteil (bis zu 50% oder mehr) mit neuen Polyacrylnitril=Stapelfasern gemischt werden, und das Gemisch kann zu der Kardiermaschine 10 geführt werden, um ein Schußbanä bzw» Schußfils 18 zu erzeugen, wie ©s zuvor beschrieben worden ist«.
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Mittels der Erfindung können überschüssige Beste, die von verringerter Qualität sind, noch in Stapelfaserform überführt und in neu hergestellte Stapelfasern eingemischt werden. Das auf diese Weise erhaltene Fasermaterial kann dann kardiert und mit Stoßnadeln behandelt werden, um einen Kohlenstoff-Filz zu erzeugen, der für weniger präzisionsbedürftige Zwecke als für Bremsscheiben verwendet werden kann, beispielsweise für Wärmeisolierung oder für Verarbeitung zu zusammengesetzten Kohlenstoffgebilden, die in Produkten im Wettbewerb zu hochqualitativen oder hochgradigen Graphiten verwendet werden.
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Claims (10)

2300938 Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer nicht gewebten Stoffbahn zur Verwendung als Substratmaterial in einem mit Kohlenstofffasern verstärkten zusammengesetzten Kohlenstoffgebilde aus verkohlbarem Fasermaterial, welches vorbehandelt ist, um seine chemische Zusammensetzung zu ändern, um nachfolgende Verkohlung zu erleichtern, wobei in einer Richtung verlaufende Anordnungen des Fasermaterials in rechtem Winkel zueinander angeordnet und mittels Stoßnadeln zusammengebracht oder verdichtet werden, um eine Stoffbahn zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß für eine der in einerRichtung verlaufenden Anordnungen kontinuierliche Fäden, und für die andere dieser Anordnungen Stapelfasern verwendet werden«,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlichen laden während der Behandlung mit den Stoßnadeln in Längsrichtung gehalten werden»
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als vorbehandeltes karbonisierbares Fasermaterial oxidiertes Polyacrylnitril-Fasermaterial verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß ein Band aus parallel gelegten Stapelfasern von einer Kardiermaschine zu einer Legeeinrichtung geführt wird, welche das Band in Lagen legt, um ein dickeres Band zu erzeugen, in welchem die durchschnittliche Erstreckungsrichtung der Stapelfasern quer zu dem Band verläuft, das dickere Band durch eine Stoßnadeleinrichtung hindurchgeführt wird, in welcher es zu einem Pilz verdichtet oder zusammengebracht
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wird, der Pilz und eine Anordnung oder Reihe von im wesentlichen parallelen Tauen aus kontinuierlichen Fäden derart gelegt werden, daß die durchschnittliche Erstreckungsrichtung der Stapelfasern in dem Filz quer zur Erstreckungsrichtung der Taue verläuft, und daß der Filz und die Taue unter Verwendung von mit Widerhaken versehenen Stoßnadeln vereinigt werden, um einen Stoff zu erzeugen.
5· Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß Filze aus Stapelfasern auf gegenüberliegenden Seiten der Fadenbahn derart angeordnet werden, daß die letztere zwischen den Stapelfaserfilzen angeordnet ist, in beiden Filzen die mittlere oder durchschnittliche Erstreckungsrichtung der Stapelfasern quer zur Erstreckungsrichtung der kontinuierlichen Fäden verläuft, und daß die Fadenbahn und die beiden Filze unter Verwendung von mit Widerhaken versehenen Stoßnadeln vereinigt werden, um einen Stoff zu bilden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Stoffbahn ein Substrat vorbestimmter Gestalt ausgeschnitten wird, und daß das übrige Stoffbahnmaterial in Stapelfaserform überführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelfasern, die von dem übriggebliebenen Stoffbahnmaterial erhalten werden, bei der Herstellung weiteren Stoffbahnmaterials verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß das übriggebliebene Stoffbahnmaterial aufeinanderfolgend durch eine Zerkleinerungsmaschine und eine Trennmaschine geführt wird, um es zu Stapelfasern umzuwandeln.
9· Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Hingkörper aus der Stoffbahn ausgeschnitten
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und gestapelt werden, um ein Substrat für eine vollständig aus Kohlenstoff bestehende Bremsscheibe zu bilden»
10. Verfahren nach Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet, daß die gestapelten Ringkörper einer Behandlung mit Stoßnadeln unterworfen werden, um sie zusammenzuhalten.
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