DE60216084T2

DE60216084T2 - Aktivierte bikomponentenfasern und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE60216084T2
Application number: DE60216084T
Authority: DE
Inventors: Francis P. Angleton McCullough
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: ATE345407T1; EP1392899B1; DE60216084D1; WO2002086210A1; US6413633B1; JP2004529278A; JP4160404B2; EP1392899A1; MXPA03009518A; CA2447024A1; JP2008169541A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine entzündungsbeständige, aktivierte Bikomponentenfaser(n) mit einer inneren Komponente aus einem thermoplastischen polymeren Kern und einem aktivierten äußeren Mantel.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer aktivierten Bikomponentenfaser(n), umfassend eine innere Komponente aus einem thermoplastischen polymeren Kern, welcher durch eine äußere Mantelkomponente aus einem aktivierten kohlenstoffhaltigen Material umgeben ist. Die aktivierte Bikomponentenfaser ist von einer oxidationsstabilisierten Bikomponentenfaser(n) abgeleitet, welche eine innere Komponente aus einem thermoplastischen polymeren Kern und eine oxidationsstabilisierte äußere Mantelkomponente umfasst. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser einem Aktivierungsgas bei einer relativ hohen Temperatur und für einen Zeitraum, welcher ausreicht, die äußere Mantelkomponente zu aktivieren, unterzogen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer aktivierten Bikomponentenfaser(n), welche von einer Bikomponentenfaser(n) abgeleitet ist, welche eine innere Komponente aus einem thermoplastischen polymeren Kern und eine äußere Komponente aus einem kohlenstoffhaltigen Mantel umfasst. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die kohlenstoffhaltige Bikomponentenfaser einem Aktivierungsgas bei einer relativ hohen Temperatur und für einen Zeitraum, welcher zur Aktivierung der äußeren Mantelkomponente ausreichend ist, unterzogen. Die aktivierte Bikomponentenfaser(n) weist eine innere Komponente aus einem thermoplastischen polymeren Kern und eine äußere Mantelkomponente aus einem aktivierten kohlenstoffhaltigen Material auf.
Hintergrund der Erfindung
Eine oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser(n) und ihr Herstellungsverfahren sind aus dem US-Patent Nr. 5,763,100, welches am 9. Juni 1998 für Francis P. McCullough erteilt wurde, bekannt. Dieses Patent offenbart eine oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser(n), welche aus einer homogenen polymeren Mischung hergestellt wird, in welcher ein äußerer Mantelabschnitt der Faser oxidationsstabilisiert wird, während der innere Kern der Faser in einem thermoplastischen polymeren Zustand verbleibt. Das Patent ist eine Teilanmeldung der Anmeldung mit der Seriennummer 428,691, welches nun das Patent Nr. 5,700,573 ist, welches am 23. Dezember 1997 erteilt wurde.
Das US-Patent Nr. 5,700,573, welches am 23. Dezember 1997 für Francis P. McCullough erteilt wurde, offenbart eine kohlenstoffhaltige Bikomponentenfaser(n), welche aus einer homogenen polymeren Zusammensetzung hergestellt wird, in welcher ein äußerer Faserabschnitt des polymeren Materials oxidationsstabilisiert wird und anschließend zur Bildung einer Faser mit einem thermoplastischen inneren Kern und einem wärmegehärteten oder karbonisierten äußeren Mantel karbonisiert wird.
Ein Verfahren zur Herstellung aktivierter Kohlenstofffasern wird auch in US-A-4285831 offenbart.
Definitionen
Der Ausdruck „Bikomponentenfaser" oder „Bikomponentenfasern", wie er hierin verwendet wird, ist allgemein anwendbar auf Fasern mit einem inneren Kern aus einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung und einem umgebenden äußeren Mantel, welcher oxidationsstabilisiert oder karbonisiert werden kann, in Übereinstimmung mit den Verfahren, welche in den Patenten, welche McCullough zuerkannt wurden, beschrieben sind und auf welche hierin oben spezifisch Bezug genommen wird. Die breite Definition für die oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser und die kohlenstoffhaltige Bikomponentenfaser ist auch auf die aktivierte Bikomponentenkohlenstofffaser(n) der Erfindung anwendbar, in welcher der innere Kern auch eine thermoplastische polymere Zusammensetzung umfasst, während der umgebende äußere Mantel aber ein aktiviertes kohlenstoffhaltiges Material umfasst.
Der Ausdruck „aktiviert", wie er hierin verwendet wird, betrifft ein kohlenstoffhaltiges Material mit einer stark vergrößerten Oberfläche. Das Material verhält sich ähnlich wie ein „Aktivkohle"-material, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es für viele Gase, Dämpfe und kolloidale Feststoffe ein hohes Absorptionsvermögen aufweist. Siehe Hawley's Condensed Chemical Dictionary, 11. Auflage. Insbesondere wird Aktivkohle, welche im Fachbereich bekannt ist, karbonisiert und aktiviert durch den ganzen Partikel oder die ganze Faser hindurch, wohingegen die aktivierte Bikomponentenfaser(n) der vorliegenden Erfindung eine große Oberfläche aufweist und eine Porosität im Mantel, aber im Kern weder aktiviert noch karbonisiert ist. Entsprechend verhält sich die aktivierte Faser der Erfindung ähnlich zu der aus Aktivkohle, d.h. weist ein Absorptionsvermögen auf, aber ist hinsichtlich der kinetischen Geschwindigkeit sehr viel schneller, da die Fasern sehr viel kleiner sind als Aktivkohlekörnchen und eine leichter kontaktierbare verteilte Oberfläche pro Gewichtseinheit präsentieren. Noch wichtiger ist, dass die aktivierte Faser(n) der Erfindung sehr flexibel ist und nicht spröde ist, wie Aktivkohlenfasern des Fachbereichs, da die Faser der Erfindung zwei Komponenten mit einem inneren Kern aus der thermoplastischen polymeren Zusammensetzung aufweist.
Alle hierin angegebenen Prozentangaben sind, soweit nichts anderes beschrieben ist, in „Gewichtsprozent",
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bikomponentenfaser(n) bereitzustellen, in welcher die Außenoberflächenkomponente einer oxidationsstabilisierten oder karbonisierten Bikomponentenfaser(n) aktiviert ist, um so eine hoch poröse Struktur mit einer extrem großen Oberfläche von 50 m²/g (Quadratmeter pro Gramm) bis zu größer als 2000 m²/g, in Abhängigkeit vom Durchmesser der Faser, bereitzustellen, und wie in Anspruch 1 spezifiziert.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung bereitzustellen, in welchem eine oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser(n) auf einer äußeren Komponente aktiviert wird (Mantelkomponente) zur Bildung einer Faser mit einer inneren Kernkomponente aus einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung, welche umgeben ist von einer äußeren Mantelkomponente aus aktiviertem kohlenstoffhaltigen Material und wie es in Anspruch 8 spezifiziert ist.
Es liegt ebenfalls im Bereich der vorliegenden Erfindung, eine Bikomponentenfaser(n) zu aktivieren, in welcher die äußere Komponente der Faser teilweise oder vollständig karbonisiert worden ist und wie es in Anspruch 9 spezifiziert ist. Eine Aktivierung kann unter den gleichen Bedingungen erreicht werden, wie sie im Zusammenhang mit der oxidationsstabilisierten Bikomponentenfaser(n) beschrieben sind.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Bereichs der Erfindung, eine Bikomponentenfaser zu aktivieren, umfassend 2 oder mehr coextrudierte kompatible polymere Zusammensetzungen, in welchen eine thermoplastische polymere Zusammensetzung als ein innerer Kern extrudiert ist und eine andere kompatible polymere Zusammensetzung extrudiert ist, so dass sie den Kern umgibt, um einen äußeren Mantel der Faser zu bilden. Die polymere Bikomponentenfaser wird anschließend oxidationsstabilisiert und aktiviert oder gegebenenfalls karbonisiert und anschließend aktiviert.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl der aktivierten Bikomponentenfasern zu Herstellungsgegenständen zu formen, in Form eines wollähnlichen Flausches, eines/einer im allgemeinen ebenen ungewebten (non-woven) Bogens, Vlieses, Filzes oder Watte, einer druckgeformten Platte, einer gewebten oder gestrickten Ware etc. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Fasern in Form eines Filzes vor, der besonders zur Verwendung für die Lagerung von Gasen angepasst ist, beispielsweise für die Lagerung von Wasserstoff für Brennstoffzellen. Eine andere Endverwendung für den Filz ist die Trennung eines Gemisches von Gasen.
Darüber hinaus liegt es auch im Bereich der Erfindung, die aktivierten Fasern mit beliebigen Agenzien der vielen Agenzien zur Steigerung der Aktivität, welche dem Fachmann bekannt sind, zu behandeln, wie beispielsweise Metallsalze, wie beispielsweise Silbersalze, und andere Übergangsmetallionensalze, Halogene, organische Verbindungen einschließlich quarternärer Salze, Organosilikonverbindungen zur Steigerung der Aktivität der aktivierten Bikomponentenfasern der Erfindung.
Weitere Aufgaben der Erfindung, welche oben hierin nicht spezifisch zitiert sind, werden beim Lesen der ausführlichen Beschreibung der Erfindung offensichtlich.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Es ist nun bekannt, dass das Ausmaß der Oxidationsstabilisierung einer Acrylfaser wesentlich verringert werden kann, durch Oxidation nur eines äußeren Bereichs oder einer äußeren Komponente (wenn im Querschnitt betrachtet), während der Innenbereich oder Kern der Faser in einem thermoplastischen und nicht stabilisierten Zustand verbleibt. Ein Erreichen der Stabilisierung von nur einer äußeren Komponente einer Faser kann deshalb über einen sehr viel kürzeren Zeitraum durchgeführt werden in Abhängigkeit vom Ausmaß der Sauerstoffpenetration in die Faser und der gewünschten Dicke des stabilisierten äußeren Fasermantels. Typischerweise ist das Verhältnis des Radius des Kerns im Hinblick auf den Gesamtradius der Faser von etwa 1:4 bis zu etwa 1:1,05, vorzugsweise von etwa 1:3 bis zu etwa 1:1,12 und hängt vollständig von den gewünschten physikalischen Eigenschaften und der beabsichtigten Verwendung der Faser ab. Bei einem Verhältnis von 1:4 kann berechnet werden, dass der Prozentanteil des Volumens, welches durch den Kern dargestellt wird, etwa 6 Volumen-% beträgt, wobei etwa 94 % für den äußeren Mantel übrig bleiben. Bei einem Verhältnis von 1:1,05 beträgt der Prozentanteil des Volumens, welcher durch den Kern dargestellt wird, etwa 91 %, wobei etwa 9 % für den äußeren Mantel verbleiben. Es ist im Allgemeinen bevorzugt, das Verhältnis bei einem Wert zu halten, bei welchem das Volumen des äußeren Mantels vorzugsweise weniger als 25 % beträgt, wobei dies ein Verhältnis von etwa 1:1,12 bis zu weniger als 1:1,15 repräsentiert, um die Zeit für die Oxidierungs- oder Karbonisierungsbehandlung minimal zu halten.
Wie in den oben anerkannten Patenten, welche auf F.P. McCullough erteilt wurden, offenbart ist, werden die oxidativ stabilisierten Fasern in einer Inertatmosphäre wärmebehandelt und für einen Zeitraum, welcher ausreichend ist, eine äußere Komponente aus einem kohlenstoffhaltigen Mantel zu bilden, wodurch eine kohlenstoffhaltige Bikomponentenfaser gebildet wird.
Wie aus den zuvor erwähnten US-Patenten von McCullough bekannt ist, umfassen polymere Materialien, welche geeigneterweise zur Herstellung oxidationsstabilisierter oder karbonisierter Bikomponentenfasern verwendet werden können, alle beliebigen gut bekannten Polymere, welche zur Bildung flexibler Bikomponentenfasern stabilisiert und karbonisiert werden können. Beispiele für derartige polymere Materialien sind Copolymer und Terpolymere aus Polyacetylen, Polyphenylen, Polyvinylidenchlorid und Polyacrylnitril. Andere, wohl bekannte polymere Materialien umfassen Polyamide (KEVLAR^®Marke p-aramid), Polybenzimidharz, SARAN^® und dergleichen. Mesophasepech (Petroleum oder Kohleteer), welches teilchenförmige Unreinheiten oder Additive enthält, kann ebenfalls geeignetermaßen verwendet werden, so lange die thermische Behandlung keine extraktierbaren polynukleären Aromaten zurücklässt. Vorzugsweise ist das polymere Vorläufermaterial ein acrylisches oder subacrylisches Polymer (wie hierin im Folgenden definiert).
Es ist im Fachbereich bekannt und akzeptierter Standard, welcher von der Bundeshandelskommission (Federal Trade Commission) eingeführt wurde, dass der Ausdruck „acrylisch" beliebige langkettige synthetische Polymere bezeichnet, welche aus wenigstens 85 Mol-%, bezogen auf das Gewicht von Acrylnitrileinheiten, und weniger als 15 Mol-% aus anderen Polymeren zusammengesetzt sind. Fasern aus diesen acrylischen Materialien werden im Allgemeinen nass gesponnen und sind beschränkt auf Fasern mit einem kreisförmigen Querschnitt. Acrylische Polymere, welche bei der Herstellung der Bikomponentenfasern die Materialien der Wahl darstellen, werden aus einem oder mehreren der im Folgenden beschriebenen ausgewählt: Homopolymere auf Basis von Acrylnitril, Copolymere auf Basis Acrylnitril und Terpolymere auf Basis von Acrylnitril. Die Copolymere enthalten typischerweise wenigstens 85 Mol-% an Acrylnitrileinheiten und bis zu 15 Mol-% von einer oder mehreren Monovinyleinheiten, welche mit Acrylnitril copolymerisierbar sind, einschließlich beispielsweise Methacrylsäureester und Acrylsäureester, wie beispielsweise mit Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat, Butylmethacrylat, Methylacrylat und Ethylacrylat; Vinylester, wie beispielsweise Vinylacetat und Vinylpropionat; Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure und die Salze davon; Vinylsulfonsäure und die Salze davon.
Eine flexible Bikomponentenfaser(n) kann auch aus einem subacrylischen Vorläuferpolymer hergestellt werden, welches aus einem langkettigen Polymer besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche besteht aus Copolymeren und Terpolymeren, die weniger als 85 Mol-% Acryleinheiten, aber mehr als 15 Mol-% der oben beschriebenen Monovinyleinheiten, welche damit copolymerisiert sind, enthalten. Die Menge an Weichmacher, welche in einem subacrylischen Polymer vorliegen kann, ist vorzugsweise von größer als 15 Gew.- bis etwa 25 Gew.-%. Es können aber so viel wie 35 Mol-% der Monovinyleinheiten mit den Acryleinheiten gemischt werden, um das Gemisch leichter schmelzextrudierbar durch eine Extrusionsdüse oder -düsen zu machen, während sich das Polymergemisch in einem wärmeerweichten Zustand befindet. Das so extrudierte, wärmeerweichte Filament kann gestreckt und verdünnt werden, während es unter Spannung steht, zur Bildung eines feineren Denierfilaments (d.h. in welchem die Einheitenlänge der Faser in Bezug auf das Gewicht erhöht ist) mit einem relativ kleineren Durchmesser im Vergleich zu extrudierten Fasern, welche aus einem Standardacrylharz hergestellt werden. Das subacrylische Polymer kann vorzugsweise beim Extrudieren eines Filaments mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt verwendet werden.
Der Weichmacher kann eine beliebige organische Verbindung sein, welche zugegeben oder gemischt werden kann mit einem hochpolymeren Kunststoff, um die Verarbeitung zu erleichtern und um die Flexibilität und Belastbarkeit des Endprodukts durch Innenmodifikation (Solvatisierung) des Polymermoleküls zu erhöhen. Geeignete Weichmacher umfassen beispielsweise Vinylchlorid, Methylacrylat, Methylmethacrylat, Polyvinylchlorid und Zelluloseester, Phthalate, Adipate und Sebacatester, Polyole wie beispielsweise Ethylenglycol und seine Derivate, Tricresylphosphat, Castoröl etc.
In Übereinstimmung mit der Vorgehensweise, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, werden oxidationsstabilisierte Bikomponentenfasern, wie es beim Verfahren getan wird, welches im US-Patent mit der Serien-Nr. 5,763,103 von McCullough offenbart ist, durch einen Hochtemperaturofen geleitet, welcher ein Aktivierungsgas enthält. Der Ofen wird bei einer Temperatur von 600 ° bis 1000 °C gehalten. Die Fasern verbleiben für eine Zeitspanne im Ofen, welche ausreichend ist, wenigstens einen Teil der äußeren oxidationsstabilisierten Komponente der Fasern zu aktivieren, wodurch eine poröse, z.B. Honigwaben-artige Struktur mit einer extrem großen Innenoberfläche von 50 m²/g (Quadratmeter pro Gramm) bis größer als 2000 m²/g in Abhängigkeit vom Durchmesser der Faser gebildet wird. Die Temperatur und die Dauer der Behandlung sind einigermaßen abhängig vom Durchmesser der Fasern und dem Gas(en), welches (welche) zur Aktivierung ausgewählt ist (sind). Es kann ein beliebiges Aktivierungsgas, welches im Fachbereich zur Herstellung von Aktivkohlematerialien als geeignet bekannt ist, verwendet werden, um die aktivierten Bikomponentenfasern der Erfindung herzustellen. Das Aktivierungsgas ist vorzugsweise ausgewählt aus Dampf, Kohlendioxid oder Gemischen davon. Die Auswahl des Aktivierungsgases ist abhängig von der Art der gewünschten porösen Innenoberfläche. Daher ist die Mehrheit der Poren relativ klein, wenn das Aktivierungsgas Kohlendioxid (CO₂) ist und liegt in der Größenordnung von 6 Angström oder weniger im Durchmesser. Für den Fall, dass das Aktivierungsgas Dampf ist, liegen größere Poren in der Größenordnung von 6 bis 20 Angström vor und sogar eine signifikante Anzahl an Poren im Bereich von 20 bis 1000 Angström. Wenn ein Gemisch der beiden Gase verwendet wird, tritt eine komplexe Verteilung der Poren auf, welche aus einer Vielzahl von Poren mit kleinem Durchmessern besteht, welche zwischen den größeren Poren verteilt sind, so dass eine Kombination von Porendurchmessern gebildet wird. Andere Aktivierungsgase, wie sie beispielsweise im Fachbereich wohl bekannt sind, können im erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls verwendet werden. Beispiele anderer gut bekannter Gase umfassen CO und Sauerstoff.
Die aktivierte Bikomponentenfaser(n) der Erfindung kann in einem Chargen- oder vorzugsweise in einem kontinuierlichen Verfahren gebildet werden, in welchen der dynamische Strom des Aktivierungsgases und die Zeit und die Temperatur, die Gesamtoberfläche und die relative Verteilung, die Größe und die Art der Poren, welche beim Aktivierungsverfahren erzeugt werden beeinflusst. Die Aktivierung kann an einzelnen Fasern oder an Faseranordnungen durchgeführt werden, wobei Beispiele dafür Stoffe, Filze, Watte oder Vliese und dergleichen sind. Falls eine kontinuierliches Verfahren verwendet wird, wird die Aktivierung der äußeren Komponente der Faser(n) leichter kontrolliert, während die innere Kernkomponente in einem unbeeinflussten Zustand gehalten wird, d.h. in einem thermoplastischen Zustand. Gegenwärtig werden aktivierte Partikel oder Fasern ganz und gar kohlenstoffaktiviert, so dass sie extrem spröde sind und leicht brechen oder krümeln, wenn sie unsanft behandelt werden, insbesondere wenn es erwünscht ist, die Fasern zu verarbeiten, beispielsweise in einer Textilmaschine. Bei einfacher Verwendung verschlechtern sie sich auch leicht. Entsprechend ermöglichen die aktivierten Bikomponentenfasern der Erfindung die Herstellung eines Gewebes in einer Textilmaschine ohne Brechen der Fasern aufgrund des Vorliegens eines flexiblen inneren Kerns aus dem thermoplastischem Material (Zusammensetzung) in der Faser.
Aktivierte Bikomponentenfasern können nicht nur aus oxidationsstabilisierten Bikomponentenfasern hergestellt werden, sondern auch aus karbonisierten oder teilweise karbonisierten Bikomponentenfasern, in denen welchen innere Kern aus einer thermoplastischen Zusammensetzung besteht, während die äußere Mantelkomponente teilweise oder vollständig karbonisiert ist. Als vollständig karbonisiert wird bezeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der äußeren Komponente größer als 96 % ist, dort wo es graphitisch ist, aber aufgrund des Vorliegens des inneren thermoplastischen Kerns noch immer flexibel bleibt. Die aktivierten Bikomponentenkohlenstofffasern der Erfindung weisen eine Dichte von etwa 0,5 bis etwa 1,8 g/cm³ auf.
Die aktivierten Bikomponentenfasern der Erfindung können in einer Vielzahl von Herstellungsartikeln verwendet werden, wie beispielsweise Textilien für Arbeitskleidung, umfassend gewebte oder nicht gewebte Gewebe, Maschenware oder Filze, als verschiedene Arten von Filtern, wie beispielsweise bei der Luft- und Wasserreinigung, wie zum Beispiel bei der Entfernung von giftigen Gasen aus Rauchgasen, bei der Lösungsmittelgewinnung, als Katalysator für die Reinigung von Erdgas, bei der Galvanisierung, bei der Klimatisierung etc.
Ein grundlegender Vorteil der aktivierten Bikomponentenfasern der Erfindung ist es, dass sie im Vergleich zu Körnchen aufgrund des kleinen Faserdurchmessers, wie beispielsweise 4 bis 50 Mikrometer, sehr schnelle Kinetiken aufweisen. Ein weiterer Vorteil der aktivierten Bikomponentenfasern ist der, dass sie nicht entflammbar und nicht toxisch sind, falls sie inhaliert werden.
Es wird auch daran gedacht und liegt innerhalb des Bereichs der Erfindung, zwei oder mehr Polymere mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zu coextrudieren, so dass der Kern der Faser aus einem Polymer gebildet wird, während der äußere Mantel der Faser von einem anderen Polymer gebildet wird. Der äußere Mantel einer derartigen bipolymeren Faser kann anschließend oxidativ stabilisiert oder karbonisiert werden und anschließend aktiviert werden in Übereinstimmung mit dem Arbeitsverfahren der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann das innere polymere Kernmaterial ausgewählt werden aus einer Vielzahl an Polymeren, welche im Fachbereich bekannt sind, wie beispielsweise Kevlar^TM, Polybenzimidazol (PBI), Polycarbonat, Polypropylen, Ethylenacrylsäure, Polyester, Polytetrafluorethylen (PTFE), zur Bereitstellung der Faser mit einer gewünschten physikalischen Eigenschaft, wie beispielsweise hohe Festigkeit, Transparenz etc. Eine Vorraussetzung für die Herstellung einer Bipolymerfaser ist es, dass die verschiedenen Polymere kompatibel sind, einen ähnlichen Schmelzindexwert aufweisen und dass sie an ihren Kontaktoberflächen aneinander anhaften. Wenn die Schmelzindexwerte verschieden sind, kann eine Zwischenschicht aus einem kompatibel machenden Polymer zwischen die Polymere des inneren Kerns und des äußeren Mantels coextrudiert werden. Die so coextrudierte Faser kann anschließend oxidativ stabilisiert werden und zur Karbonisierung des äußeren Mantels wärmebehandelt werden.
Die flexible Bikomponentenfaser(n) kann auch leichter und mit wesentlich niedrigeren Herstellungskosten aus einem unfiltrierten polymeren Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem acrylischen oder subacrylischen Polymer, welche von etwa 0,0001 bis etwa 5 Gew.-% teilchenförmige Stoffe mit einem Durchmesser von weniger als etwa 0,1 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 0,001 Mikrometer enthalten können. Submikrometerpartikel liegen natürlicherweise in jeglichem polymeren Material vor, liegen daher auch in den polymeren Materialien vor, welche zur Bildung der Fasern, beispielsweise zur Verwendung bei der Herstellung von Textilartikeln, extrudiert werden. Diese Partikel sind im Allgemeinen organische oder anorganische Materialien, welche in der polymeren Schmelze oder Spinnlösung unlöslich sind. Der Ausdruck „unfiltriert", wie hierin verwendet, bezieht sich auf polymere Materialien, welche, wenn sie in einer Schmelze oder während der Herstellung vorliegen, nicht dem üblichen Mikrofiltrationsverfahren zur Entfernung von Unreinheiten, wie beispielsweise nicht polymeren Einschlüssen, aus dem polymeren Material unterzogen werden.
Die aktivierte Bikomponentenfaser der Erfindung ist im wesentlichen kontinuierlich, d.h. kann zu jeglicher gewünschten Länge hergestellt werden, sie kann im wesentlichen linear oder nicht linear sein (d.h. auf herkömmliche Art und Weise gekräuselt) und besitzt ein hohes Maß an Flexibilität, was sich selbst in einer Faser manifestiert, welche eine sehr viel größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Reißen aufweist, welche nicht spröde ist und welche einen Biegedehnungswert von größer als 0,01 bis weniger als 50 %, vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 30 % aufweist. Diese Eigenschaften ermöglichen es der aktivierten Bikomponentenfaser aus einer Vielzahl von Anordnungen oder Konfigurationen zur Verwendung in vielen verschiedenen Arten von Anwendungen gebildet zu werden, wie beispielsweise Watte, Vliese etc. Im Gegensatz dazu beträgt der Biegedehnungswert einer herkömmlichen Kohlenstoff- oder Graphitfaser mit einem hohen Modulus wesentlich weniger als 0,01 % und oftmals weniger als 0,001 %. Obwohl die aktivierte Bikomponentenfaser der Erfindung einen Durchmesser so groß wie 50 Mikrometer aufweisen kann, ist es bevorzugt, die Faser(n) mit einem relativ kleinen Durchmesser von etwa 6 bis etwa 30 Mikrometer, vorzugsweise von etwa 15 bis etwa 25 Mikrometer zu bilden, da der Durchmesser der Faser im allgemeinen proportional zu ihrer Oberfläche ist. Die aktivierten Bikomponentenfasern der Erfindung weisen vorzugsweise einen Bruchverdrehungswinkel von 4 bis 20 Grad auf, wobei dies größer ist als der Bruchverdrehungswinkel, welcher für Glas und traditionelle Kohlenstofffasern festgestellt wird und sehr viel größer als der Bruchverdrehungswinkel, welcher für Aktivikohlefasern aus dem Stand der Technik gefunden wird, welcher typischerweise weniger als 2 Grad beträgt.
Die aktivierte Bikomponentenfaser(n) der Erfindung sollte(n) vorzugsweise die folgenden physikalischen Eigenschaftskriterien aufweisen:

(1) Ein Verhältnis (r:R) des Radius der Kernkomponente (r) im Bezug auf den Gesamtradius der Faser (R) von etwa 1:4 zu etwa 1:1,05, vorzugsweise von etwa 1:3 zu etwa 1:1,12.
(2) Eine typische Dichte von etwa 0,5 bis etwa 1,8 g/cm³. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass die Dichte der Faser abhängig ist vom Verhältnis (r:R) des Radius des Kerns (r) im Bezug auf den Durchmesser der Faser (R).
(3) Ein Längenverhältnis größer als 100:1 (das Längenverhältnis ist hierin definiert als das Verhältnis von Länge zu Durchmesser 1/d der aktivierten Bikomponentenkohlenstofffaser) und einen Faserdurchmesser von etwa 1 bis etwa 50 Mikrometer, vorzugsweise von etwa 6 bis etwa 30 Mikrometer, stärker bevorzugt von etwa 15 bis etwa 25 Mikrometer.
(4) Eine Innenoberfläche im Bezug auf die aktivierte Oberfläche der Bikomponentenfaser von 50 m²/g bis größer als 2000 m²/g, wobei dies einigermaßen vom Durchmesser der aktivierten Faser abhängig ist.
(5) Die Mehrzahl der Porenstrukturen der aktivierten Bikomponentenfaser weisen Durchmesser von größer als 0 bis 20 Angström auf.
(6) Die Verfahrensbedingungen zum Spinnen polymerer Fasern aus den Zusammensetzungen, welche in der vorliegenden Anmeldung offenbart sind, sind im Fachbereich allgemein bekannt. Im Allgemeinen wird die polymere Faser(n) oxidativ stabilisiert in Stabilisierungskammer bei einer Temperatur von etwa 150 ° bis 300 °C in einer oxidierenden Atmosphäre. Die Oxidationszeit der Fasern beträgt weniger als 1 Stunde, vorzugsweise weniger als 30 Minuten. Die so hergestellte oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser weist verschiedene visuell erkennbare Komponenten aus einem inneren Kern aus einem thermoplastischen Polymer und einer äußeren Komponente aus einem oxidierten Mantel auf.
(7) Die Faser ist entzündungsbeständig mit einem LOI von größer als 40 und ist nicht entflammbar.
(8) Ein Bruchverdrehungswinkel von etwa 4 bis etwa 20 Grad.
(9) Ein Biegedehnungswert von etwa 0,01 bis etwa 50 %, vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 30 %.

In Übereinstimmung mit bekannten Arbeitsverfahren wird die oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser(n) gegebenenfalls einer Karbonisierungsbehandlung bei einer höheren Temperatur und in einer nicht oxidierenden Atmosphäre unterzogen. Die Zeit zur Karbonisierung der oxidationsstabilisierten Bikomponentenfasern beträgt weniger als etwa 5 min, vorzugsweise von etwa 45 sec bis 3 min, abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise dem Durchmesser der Fasern und dem Grad der gewünschten Karbonisierung.
Aktivierte Bikomponentenfasern der Erfindung können zu verschiedenen Anordnungen geformt werden, welche aus einer Vielzahl von zufällig verschränkten Fasern bestehen, in Form eines wolleähnlichen Flausches, eines im allgemeinen ebenen ungewebten Bogens, Vlieses oder Watte, einer druckgeformten Platte, einer gewebten oder gestrickten Ware und dergleichen.
Mit der Porengrößenverteilung, der Oberfläche, der Stabilität bei hoher Temperatur und der schnellen Kinetik mit Gasen können die aktivierten Fasern der Erfindung verwendet werden in Verfahren zur Trennung von Gasgemischen, wie es beispielsweise gegenwärtig mittels Zeolite und Kohlenstoffmolekularsieben getan wird, und zur Lagerung von Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff für Brennstoffzellanwendungen, um zu einer verbesserten Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit zu führen.
Beispiel 1
Ein 400 k (1 k = 1000 Fasern) Endlosband aus Acrylfasern, welche etwa 94 % Acrylnitril, 4 % Methacrylat und etwa 2 % Itaconsäure enthalten, wird durch das herkömmliche Nassspinnverfahren hergestellt. Die Acrylfasern weisen einen durchschnittlichen Denier von 4,5 und einen Durchmesser von 21,5 Mikrometern auf. Das Faserendlosband wird anschließend oxidationsstabilisiert in einem dynamischen Luftstrom, während es sich unter Spannung befindet bei einer Temperatur und für eine Zeit, welche ausreichend sind, den Außenteil der Faser zu oxidieren und eine Bikomponentenfaser zu bilden. Die Dichte der sich ergebenden oxidationsstabilisierten Bikomponentenfaser beträgt 1,34 g/cm³. Die Faser wird geschnitten und unter einem Mikroskop mit polarisiertem Licht analysiert und zeigt eine deutliche Unterscheidung zwischen einem schwarzen oxidationsstabilisierten thermoplastischen äußeren Mantel und einem transluzenten bis leicht gefärbten inneren, nicht oxidierten thermoplastischen Kern. Der oxidierte äußere Mantel der Faser ist vom nicht oxidierten Kern nicht physikalisch getrennt durch eine Grenze oder eine Diskontinuität, wenn er im Querschnitt betrachtet wird. Das Verhältnis des Radius des Kerns zum Radius der Faser wird gemessen und zu 1:1,22 bestimmt. Der Bruchverdrehungswinkel wurde zu 15,5 bestimmt. Das Faserendlosband wurde in einer Dampfkräuselungsvorrichtung gekräuselt und zu 75 mm Stapellänge geschnitten. Die geschnittene oxidationsstabilisierte Bikomponentenfaser wird kandiert und zu einem 4oz/yd² Nadelfilz (Needle punched felt) („NPF") vernadelt.
Es werden zwei Aktivierungsverfahren auf den oben beschriebenen Filz angewandt:

(a) Der Filz wird außerhalb der erwärmten Zone eines Röhrenofens bei Raumtemperatur unter einer O₂-freien N₂-Atmosphäre für 10 Minuten platziert, anschließend durch Einführen des Filzes in die erwärmte Kammer in einem dynamischen Strom von CO₂ bei einer Temperatur von 820 °C aktiviert, während er sich in einem entspannten und unbelasteten Zustand befindet, für einen Zeitraum von etwa 30 Minuten. Der sich ergebende aktivierte Filz aus aktivierten Bikomponentenfasern enthält Fasern mit einer stickstoffgemessenen Oberfläche von 500 m²/g, mit einem Gesamtquecksilberporenvolumen (20–1000 Angström Weite) von 0,220 cc/g, einem Mikroporenvolumen (größer als 0 bis 20 Angström Weite) von 0,208 cc/g, bestehend aus engen Mikroporen (größer als 0 bis 6 Angström Weite) von 0,193 cc/g und breiten Mikroporen (6–20 Angström) von 0,015 cc/g. Die aktivierten Bikomponentenfasern weisen ein Längenverhältnis von größer als 10.000:1 sowie einen nominalen Faserdurchmesser von 20 Mikrometer auf. Die Fasern sind entzündungsbeständig, nicht entflammbar und flexibel und weisen einen Biegedehnungswert von 0,1 %, eine Dichte von 0,8 g/cm³, einen Bruchverdrehungswinkel von 5,5 und einen LOI von größer als 40 auf. Eine Analyse des Querschnittbereichs einer einzelnen Faser unter einem Mikroskop mit polarisiertem Licht zeigt eine deutliche visuelle Unterscheidung zwischen einem schwarzen wärmegehärteten kohlenstoffhaltigen äußeren Mantel und einem transluzenten bis leicht gefärbten inneren, nicht oxidierten thermoplastischen Kern. Der karbonisierte äußere Mantel der Faser ist kontinuierlich und nicht durch eine Grenze oder eine Diskontinuität physikalisch vom thermoplastischen Kern getrennt, wenn der Querschnitt betrachtet wird.
(b) In einem anderen Experiment wird der Nadelfilz (NPF) in einem dynamischen Strom von CO₂ bei einer Temperatur von 875 °C in einem Röhrenofen für einen Zeitraum von etwa 25 Minuten aktiviert. Der sich ergebende Filz aus Bikomponentenfasern enthält Fasern mit einer stickstoffgemessenen Oberfläche von 800 m²/g, mit einem Gesamtquecksilberporenvolumen (20–1000 Angström Weite) von 0,348 cc/g, einem Mikroporenvolumen (größer als 0 bis 20 Angström Weite) von 0,331 cc/g, bestehend aus engen Mikroporen (größer als 0 bis 6 Angström Weite) von 0,290 cc/g und breiten Mikroporen (6–20 Angström) von 0,041 cc/g.

Beispiel 2
Der Nadelfilz (NPF) aus Beispiel 1 wird einer Aktivierung mit einem dynamischen Strom von Dampf bei 860 °C für 5 Minuten unterzogen. Der sich ergebende Filz aus Bikomponentenfasern enthält Fasern mit einer stickstoffgemessenen Oberfläche von 525 m²/g. Das Gesamtporenvolumen betrug 0,254 cc/g, das Mikroporenvolumen (größer als 0 bis 20 Angström) betrug 0,225 cc/g, mit 0,188 cc/g an engem Porenvolumen (größer als 0 bis 6 Angström) 0,037 cc/g an breitem Porenvolumen (6 bis 20 Angström) und Mesoporen (20–500 Angström Weite) von 0,029 cc/g.

Claims

Entzündungsbeständige aktivierte Bikomponentenfaser mit einem LOI von größer als 40, wobei die Faser einen inneren Kern einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung und einen umgebenden äußeren Mantel, der eine aktivierte poröse kohlenstoffhatige Struktur aufweist, umfasst, wobei die Struktur eine innere Oberfläche von 50 m²/g bis größer als 2000 m²/g aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierte Bikomponentenfaser dadurch erzielt werden kann, dass eine oxidationsstabilisierte und/oder karbonisierte Bikomponentenfaser, die einen inneren Kern einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung und eine oxidationsstabilisierte und/oder karbonisierte äußere Mantelkomponente umfasst, einem Aktivierungsgas bei einer Temperatur von 600 °C bis 1000 °C für eine Zeitdauer ausgesetzt wird, die ausreicht, die äußere Mantelkomponente der oxidationsstabilisierten und/oder karbonisierten Bikomponentenfaser zu aktivieren.
Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Faser von 0,5 bis 1,8 g/cm³ reicht.
Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in der aktivierten äußeren Komponente der Faser eine Größe von kleiner als 2 bis 18 Angström haben.
Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser flexibel ist und einen Biegedehnungswert von größer als 0,01 bis kleiner als 50 % hat.
Faser nach Anspruch 1 mit einer im Allgemeinen kreisförmigen oder nicht kreisförmigen Querschnittsform.
Faser nach Anspruch 1 mit einem Durchmesser von größer als 4 bis 45 Mikrometer.
Faser nach Anspruch 1 mit einem Bruchverdrehungswinkel von 4 bis 20 Grad.
Verfahren zur Herstellung aktivierter Bikomponentenfaser(n) aus oxidationsstabilisierten Bikomponentenfasern mit einem inneren Kern einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung und einer äußeren Mantelkomponente einer oxidationsstabilisierten duroplastischen Zusammensetzung, mit dem Schritt der Aussetzung der Faser(n) gegenüber einem Aktivierungsgas bei einer Temperatur von ab 600 °C bis 1000 °C für eine Zeitdauer, die ausreicht, um mindestens einen Abschnitt des oxidationsstabilisierten äußeren Mantels der Faser(n) zu aktivieren, um eine aktivierte poröse kohlenstoffhaltige Struktur zu bilden, die eine innere Oberfläche von 50 m²/g bis größer als 2000 m²/g hat, umfasst.
Verfahren zur Herstellung aktivierter Bikomponentenfaser(n) aus Bikomponentenfasern mit einem inneren Kern einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung und einer äußeren karbonisierten Mantelkomponente, mit dem Schritt der Aussetzung der Faser(n) gegenüber einem Aktivierungsgas bei einer Temperatur von ab 600 °C bis 1000 °C für eine Zeitdauer, die ausreicht, um mindestens einen Abschnitt des karbonisierten äußeren Mantels der Faser(n) zu aktivieren, um eine aktivierte poröse kohlenstoffhaltige Struktur zu bilden, die eine innere Oberfläche von 50 m²/g bis großer als 2000 m²/g hat, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsatmosphäre Kohlendioxid ist, das eine poröse kohlenstoffhaltige Struktur in dem äußeren Mantel der Faser(n) bildet, in der die Poren eine Große von 6 Angström oder kleiner haben.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsatmosphäre Dampf ist, der eine poröse kohlenstoffhaltige Struktur in dem äußeren Mantel der Faser(n) bildet, in der die Poren eine Größe von größer als 6 Angstrom haben.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bikomponentenfaser(n) in einer Atmosphäre erhitzt werden, die ein Gemisch von Kohlendioxid und Dampf aufweist, um die äußere Komponente der Faser(n) zu aktivieren, die eine poröse Struktur bilden, in der die Poren eine komplexe Verteilung von Poren haben, in der die Poren eine Größe von größer als 0 bis 20 Angström haben.
Herstellungsgegenstand, der eine Vielzahl von zufällig verwickelten aktivierten Bikomponentenfaser(n) nach Anspruch 1 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand In der Form eines wollähnlichen Flausches, eines/einer im Allgemeinen ebenen Nonwoven-Bogens, Vlieses, Filzes oder Watte, einer druckumgeformten Platte, einer gewebten oder gestrickten Ware ist.
Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von aktivierten Bikomponentenfaser(n) ein Filz für den Gebrauch bei der Trennung von Gasgemischen und für die Speicherung von Gasen, wie etwa Wasserstoff für Brennstoffzellen, ist.