DE68912629T2 - Dense structures made of carbon fibers. - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verdichteten Faserstruktur aus einer Vielzahl von erstens nicht-brennbaren, nicht-linearen, elastischen, verlängerbaren, im wesentlichen irreversibel thermofixierten Kohlenstoff-Polvmerfasern durch Verbinden der Fasern mit zweiten Fasern eines Kohlenstoff-Polymer-Vorläufermaterials und anschließender Wärmebehandlung der gesamten Struktur zur Thermofixierung der zweiten Fasern.The present invention relates to a method for producing a compacted fiber structure from a plurality of firstly non-combustible, non-linear, elastic, extendable, essentially irreversibly heat-set carbon polymer fibers by joining the fibers to second fibers of a carbon polymer precursor material and subsequently heat-treating the entire structure to heat-set the second fibers.
Die erfindungsgemäße Faserstruktur findet in thermischen oder Lärm-Isolierungen und in der Filtration Anwendung. Die Strukturen sind verdichtet und durch einen guten Form- und Volumenerhalt gekennzeichnet und sind gegenüber zahlreichen Komprimierungs- und Dekomprimierungszyklen strukturell stabil. Diese Strukturen mit einer relative hohen Verdichtung (verglichen mit unverdichteten Strukturen) besitzen überraschenderweise ein Filz-artiges Erscheinungsbild und wenig gebrochene Fasern.The fiber structure according to the invention is used in thermal or noise insulation and in filtration. The structures are densified and characterized by good shape and volume retention and are structurally stable against numerous compression and decompression cycles. These structures with a relatively high densification (compared to non-densified structures) surprisingly have a felt-like appearance and few broken fibers.
Zur Herstellung von Woll-ähnlichem Flaum, Filz, Gewebe, Decken, Watte und dergleichen werden eine Vielzahl von Kohlenstoffasern verwendet. Diese werden nachstehend zur Abkürzung allgemein als eine "Faserstruktur" bezeichnet. Wo die Faserstruktur verdichtet ist, wie durch Implantieren einer zweiten Faser, wird die Struktur allgemein als "verdichtete Faserstruktur" oder einfach als "verdichtete Struktur" bezeichnet.A variety of carbon fibers are used to make wool-like fluff, felt, fabric, blankets, batting and the like. These are hereinafter referred to generally as a "fiber structure" for brevity. Where the fiber structure is densified, such as by implanting a second fiber, the structure is generally referred to as a "densified fiber structure" or simply a "densified structure."
Der hier allgemein verwendete Ausdruck "Implantieren" betrifft allgemein ein Verfahren zum Verhaken, Vermischen oder miteinander Verbinden von Fasern. Die Faseimstruktur der ersten Faser wird vorzugsweise durch Heftverbinden der Faserstruktur mit der zweiten Faser verdichtet.The term "implanting" as used herein generally refers to a process for interlocking, mixing or bonding fibers together. The fiber structure of the first Fiber is preferably densified by stitching the fiber structure to the second fiber.
Für viele Hochtemperatur-Isolierungsanwendungen ist es wünschenswert eine Faserstruktur, beispielsweise einen Wollähnlichen Flaum oder Watte, höherer Verdichtung herzustellen so daß sie ihre Integrität und ihre verdichtete Struktur bei längerem Aussetzen höherer Temperaturen beibehalten. Bei Temperaturen von über 400ºC sind verdichtete Strukturen nützlich und behalten ihre guten mechanischen und physischen Eigenschaften bei.For many high temperature insulation applications it is desirable to produce a fiber structure, such as a wool-like fluff or batting, of higher density so that it retains its integrity and densified structure during prolonged exposure to higher temperatures. At temperatures above 400ºC densified structures are useful and retain their good mechanical and physical properties.
Nicht-brennbare, nicht-lineare, elastische Kohlenstofffasern, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Faserstrukturen geeignet sind werden in EP-A-0 199 567, veröffentlicht am 29. Oktober 1986 mit dem Titel "Carbonaceous Fibers and Springlike Reversible Deflection and Method of Manufacture" von McCoulough et al., beschrieben. Vor der vorliegenden Erfindung war es nicht möglich eine Faserstruktur der vorstehend erwähnten nicht-linearen Kohlenstoffasern permanent zu verdichten und die Integrität der verdichteten Faserstruktur bei Temperaturen von über 400ºC aufrecht zu erhalten.Non-combustible, non-linear, elastic carbon fibers suitable for making the fibrous structures of the present invention are described in EP-A-0 199 567, published on October 29, 1986, entitled "Carbonaceous Fibers and Springlike Reversible Deflection and Method of Manufacture" by McCoulough et al. Prior to the present invention, it was not possible to permanently densify a fibrous structure of the above-mentioned non-linear carbon fibers and to maintain the integrity of the densified fibrous structure at temperatures above 400°C.
Bei Temperaturen von über 400ºC zersetzen sich Fasern aus dem vorstehend erwähnten Kohlenstoff-Polymermaterial (einschließlich nicht brennbarer p-Aramidfasern) worauf die Faserstruktur folglich ihre Integrität verliert. Es ist daher von beträchtlichem Vorteil in der Lage zu sein, eine Faserstruktur permanent zu verdichten und mit einer Polymerfaser zu verbinden, die ihre physikalischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen nicht verliert.At temperatures above 400ºC, fibers made of the above-mentioned carbon polymer material (including non-combustible p-aramid fibers) decompose and the fiber structure consequently loses its integrity. It is therefore of considerable advantage to be able to permanently densify and bond a fiber structure to a polymer fiber that does not lose its physical properties at elevated temperatures.
US-P-4 628 846 offenbart eine Vorrichtung, die zur Herstellung der verdichteten erfindungsgemäßen Strukturen verwendet werden kann.US-P-4,628,846 discloses an apparatus that can be used to produce the densified structures of the invention.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verdichtete Faserstruktur, die eine Vielzahl nicht-brennbarer, nicht-linearer, im wesentlichen irreversibel thermofixierter, ersten Kohlenstoff-Polymerfasern umfaßt, worin die ersten Fasern elastisch, Gestalt wiederannehmend und verlängerbar sind und ein reversibles Biegungsverhältnis von größer als 1,2:1 und eine Seitenverhältnis von größer als 10:1 besitzten und mindestens eine zweite nicht brennbare, im wesentlichen irreversibel thermofixierte Kohlenstoff-Polymerfaser, ein Garn oder Werggarn, die/das in einer verbindenden Art und Weise mit der ersten Faser zur Bildung einer verbundenen Faserstruktur implantiert ist.The present invention relates to a densified fiber structure comprising a plurality of non-combustible, non-linear, substantially irreversibly heat-set first carbon polymer fibers, wherein the first fibers are elastic, shape-recoverable and elongatable and have a reversible bend ratio of greater than 1.2:1 and an aspect ratio of greater than 10:1, and at least one second non-combustible, substantially irreversibly heat-set carbon polymer fiber, yarn or tow implanted in an interconnecting manner with the first fiber to form an interconnected fiber structure.
Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise eine Faserstruktur, bei der die ersten Kohlenstoffasern eine sinusförmige oder Knäul-förmige Konfiguration aufweisen und die Faserstruktur in Form mindestens einer Schicht eines nicht-verwobenen, Woll-ähnlichen Flaums, Watte oder Gewebes vorliegt und die zweite Kohlenstoffasern, Garne oder Werggarne eine lineare oder nicht-lineare Konfiguration besitzen und eine höhere Denierzahl aufweisen als die ersten Kohlenstoffasern.The present invention preferably relates to a fiber structure in which the first carbon fibers have a sinusoidal or coiled configuration and the fiber structure is in the form of at least one layer of a non-woven, wool-like fluff, batting or fabric and the second carbon fibers, yarns or tows have a linear or non-linear configuration and have a higher denier than the first carbon fibers.
Die zweiten verbindenden Kohlenstoffasern sind vorteilhafterweise den ersten Kohlenstoffasern der Faserstruktur chemisch ähnlich oder identisch.The second connecting carbon fibers are advantageously chemically similar or identical to the first carbon fibers of the fiber structure.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine verdichtete Faserstruktur mit einer Rohdichte von 4,8 bis 32 kg/m³.The invention further relates to a compacted fiber structure with a bulk density of 4.8 to 32 kg/m³.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur aus einer Vielzahl von nicht-brennbaren, nicht-linearen, im wesentlichen irreversibel thermofixierten, ersten Kohlenstoff-Polymerfasern, welches die Schritte umfaßt in die ersten Fasern mindestens ein nicht thermofixierte zweite Kohlenstoffaser, ein Garn oder Werggarn in einem verbindenden Verhältnis mit der ersten Faser zu implantieren und die Faserstruktur anschließend in einer inerten Atmosphäre mit Wärme zu behandeln, um die verbindende zweite Faser, das Garn oder das Werggarn zu thermofixieren.The present invention further relates to a method for producing a fibrous structure from a plurality of non-combustible, non-linear, substantially irreversibly heat-set, first carbon polymer fibers, which comprises the steps of implanting into the first fibers at least one non-heat-set second carbon fiber, yarn or tow in a connecting relationship with the first fiber and subsequently treating the fibrous structure with heat in an inert atmosphere in order to heat-set the connecting second fiber, yarn or tow.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem das Mischen der Faserstruktur der ersten Fasern mit zweiten Kohlenstoff-Polymer-Vorläuferfasern größeren Durchmessers, die bei der Implantation, beispielsweise einer Nadel-Stanzverfahren einen größeren Scherwiderstand aufweisen. Zur größeren mechanischen Festigkeit können auch Kohlenstoffasern mit einer relativ größeren Denierzahl zur Verfügung gestellt werden.The method according to the invention also enables the fiber structure of the first fibers to be mixed with second carbon polymer precursor fibers of larger diameter, which have a greater shear resistance during implantation, for example a needle punching process. Carbon fibers with a relatively larger denier number can also be provided for greater mechanical strength.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Faserstruktur der ersten thermofixierten, nicht-linearen, Kohlenstoffasern durch Nadelstanzen mit der zweiten Faser, dem Garn oder dem Werggarn, die aus einem Kohlenstoff-Vorläufermaterial hergestellt wurden, implantiert, um die Rohdichte und die mechanische Festigkeit der Faserstruktur zu erhöhen. Das Nadelstanzen bewirkt, daß die zweiten Fasern in der Faserstruktur Schleifen ausbilden.According to a preferred embodiment of the invention, a fiber structure of the first heat-set non-linear carbon fibers is implanted by needle punching with the second fiber, yarn or tow made from a carbon precursor material to increase the bulk density and mechanical strength of the fiber structure. The needle punching causes the second fibers to form loops in the fiber structure.
Die Hitzebehandlung der Faserstruktur verknüpft dann den Schleifen-Stich. Zur Bildung einer verdichteten Struktur, die nach der Wärmebehandlung ein Filz-artiges Gefühl und Erscheinungsbild besitzt, kann ein hohes Maß an Nadelstanzen verwendet werden.Heat treatment of the fiber structure then ties the loop stitch. A high degree of needle punching can be used to form a densified structure that has a felt-like feel and appearance after heat treatment.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können zwei oder mehrere Faserstrukturen, wie Watten, miteinander verbunden werden. Die Fasern der einen Watte können als verbindende Fasern für die anderen Fasern verwendet werden.According to another embodiment of the invention, two or more fiber structures, such as batting, can be connected to one another. The fibers of one batting can be used as connecting fibers for the other fibers.
Die ersten Kohlenstoffasern besitzen vorzugsweise eine sinusförmige oder Knäul-förmige Konfiguration oder eine kompliziertere strukturelle Kombination dieser beiden. Diese ersten Fasern können ebenfalls lineare, thermofixierte Kohlenstoff- Polymerfasern umfassen.The first carbon fibers preferably have a sinusoidal or coiled configuration or a more complex structural combination of the two. These first fibers may also comprise linear, heat-set carbon polymer fibers.
Die Kohlenstoffasern, die erfindungsgemäß verwendet werden, besitzen einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 65 %, einen Stickstoffgehalt von 5 bis 35 % und einen LOI-Wert von größer als 40. Bei der Bestimmung des bestimmten Gebrauchs, für den sie am geeignetesten sind, werden diese Fasern insbesondere durch ihr Ausmaß an Carbonification und/oder ihre Fähigkeit zu elektrischer Leitfähigkeit identifiziert.The carbon fibers used in accordance with the invention have a carbon content of at least 65%, a nitrogen content of 5 to 35% and a LOI value of greater than 40. In determining the specific use for which To determine the application for which they are most suitable, these fibres are identified in particular by their degree of carbonification and/or their ability to conduct electricity.
Die ersten Kohlenstoffasern oder die Matrixfasern werden durch Hitzebehandlung eines geeigneten, stabilisierten Kohlenstoff-Vorläufermaterials hergestellt, wie von auf stabilisiertem Polyacrylnitril (PAN) oder auf Pech basierenden Materialien, beispielsweise von Petroleum oder Kohleteer-Pech herrührenden Materialien oder von anderen polymeren Materialien, die in nicht-brennbare oder thermisch stabile Kohlenstofffasern oder Faserstrukturen umgewandelt werden können.The first carbon fibers or matrix fibers are prepared by heat treating a suitable stabilized carbon precursor material, such as stabilized polyacrylonitrile (PAN) or pitch-based materials, for example petroleum or coal tar pitch-derived materials, or other polymeric materials that can be converted into non-combustible or thermally stable carbon fibers or fiber structures.
Bei auf PAN-basierenden Fasern werden beispielsweise die Fasern durch Schmelzen oder Nassspinnen einer geeigneten Flüssigkeit eines Vorläufermaterials mit einem nominalen Durchmesser von 4 bis 25 um hergestellt. Die Fasern werden als eine Ansammlung einer Vielzahl kontinuierlicher Filamente in Garne gesammelt und mittels Oxidation stabilisiert, im Falle von auf PAN-basierenden Fasern in herkömmlicher Weise. Die stabilisierten Fasern, Garne oder Stapel-Garne (hergestellt von geschnittenen oder durch Streckung gebrochen Faserstapeln) werden anschließend in eine Knäul-ähnliche und/oder sinusförmige Form gebracht indem die Fasern, das Garn oder das Werggarn in ein Gewebe oder einen Stoff vereinigt werden (es ist klar, daß andere Stoff-formende und Knäul-bildende Verfahren verwendet werden können).For example, in PAN-based fibers, the fibers are prepared by melting or wet spinning a suitable liquid of a precursor material having a nominal diameter of 4 to 25 µm. The fibers are collected as a collection of a plurality of continuous filaments into yarns and stabilized by oxidation, in the case of PAN-based fibers in a conventional manner. The stabilized fibers, yarns or staple yarns (made from chopped or stretch-broken fiber staples) are then formed into a ball-like and/or sinusoidal shape by combining the fibers, yarn or tow into a fabric or cloth (it is clear that other cloth-forming and ball-forming processes may be used).
Das so gebildete Gewebe oder Stoff wird anschließend in einem relaxierten, Spannungs freien Zustand bei einer Temperatur von 525º bis 750ºC in einer inerten Atmosphäre für eine Zeitspanne mit Wärme behandelt, um eine Hitze induzierte Thermofixationsreaktion zu bewirken, bei der eine zusätzliche Vernetzungs- und/oder eine Inter-Ketten-Cyclisierungsreaktion zwischen der ursprünglichen Polymerkette abläuft. Bei dem tieferen Temperaturbereich von 150º bis 525ºC werden die Ketten mit einem unterschiedlichen Ausmaß an temporärer bis permanenter Fixierung versehen während die Fasern in dem oberen Bereich von 525º bis 750ºC mit einer im wesentlichen permanenten oder irreversiblen Thermofixierungs-Konfiguration versehen werden. Der Ausdruck "permanent" oder "irreversibel thermofixiert" bedeutet, daß die Kohlenstoffasern ein Maß an Irreversibilität besitzen, bei dem die nicht-linearen Fasern bei Dehnung in eine im wesentlichen lineare Gestalt ohne ihre interne Zugfestigkeit überzubeanspruchen, in ihre nicht-lineare Konfiguration zurückkehrt, wenn der Zug auf die Faser nicht mehr ausgeübt wird. Die Fasern, die gemäß dem vorstehenden Verfahren mit Wärme behandelt wurden können in eine im wesentliche lineare Konfiguration gedehnt werden und kehren bei Aufhebung der Beanspruchung in ihre Spannungs freie, nicht-lineare Konfiguration zurück. Ein derartiges Dehnen der Faser kann über viele Zyklen hinweg, ohne Bruch der Faser, durchgeführt werden, sogar wenn eine zusätzliche Spannung (ohne die Zugfestigkeit der Faser überzubeanspruchen) auf die Faser ausgeübt wird, wenn diese bereits in einer im wesentlichen linearen Konfiguration vorliegt.The fabric or material thus formed is then heat treated in a relaxed, stress-free state at a temperature of 525º to 750ºC in an inert atmosphere for a period of time to effect a heat-induced thermosetting reaction in which an additional cross-linking and/or an inter-chain cyclization reaction takes place between the original polymer chain. At the lower temperature range of 150º to 525ºC, the chains are provided with a varying degree of temporary to permanent fixation, while the fibers in the upper range from 525º to 750ºC to a substantially permanent or irreversible heat set configuration. The term "permanently" or "irreversibly heat set" means that the carbon fibers possess a degree of irreversibility such that the non-linear fibers, when stretched to a substantially linear configuration without exceeding their internal tensile strength, return to their non-linear configuration when the tension on the fiber is removed. Fibers heat treated according to the above process can be stretched to a substantially linear configuration and return to their stress-free, non-linear configuration when the stress is removed. Such stretching of the fiber can be carried out over many cycles without breaking the fiber, even when additional stress (without exceeding the tensile strength of the fiber) is applied to the fiber when it is already in a substantially linear configuration.
Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Fasern anfänglich bei einem höhereren Temperaturbereich mit Wärme behandelt werden können, vorausgesetzt daß die Wärmebehandlung unter einer inerten, nicht oxidierenden Atmosphäre und während sich die Knäul-ähnlichen oder sinusförmigen Fasern in einem relaxierten oder spannungsfreien Zustand befinden, durchgeführt wird. Als ein Ergebnis der Behandlung bei höheren Temperaturen von 525º bis 750ºC werden die Fasern, das Garn oder das Werggarn mit einer permanent fixierten, sinusförmigen oder Knäulähnlichen Konfiguration versehen. Die so erhaltenen Fasern, das Garn oder das Werggarn mit den nicht-linearen strukturellen Konfigurationen, die durch Auftrennen eines verwobenen Stoffes erhältlich sind, werden anderen, im Stand der Technik bekannten Verfahren unterworfen, um eine Öffnung zu bewirken, ein Verfahren, bei dem das Garn oder die Fasern des Gewebes in ein verwickeltes, wollähnliches, flaumartiges Material getrennt werden, in dem die einzelnen Fasern ihre Knäul-ähnliche oder sinusförmige Konfiguration beibehalten, was eine Faserstruktur mit einein beträchtlichen Freiraum ergibt.It will be understood, however, that the fibers may be initially heat treated at a higher temperature range, provided that the heat treatment is carried out under an inert, non-oxidizing atmosphere and while the skein-like or sinusoidal fibers are in a relaxed or stress-free state. As a result of treatment at higher temperatures of 525º to 750ºC, the fibers, yarn or tow are provided with a permanently fixed sinusoidal or skein-like configuration. The fibers, yarn or tow thus obtained, having the non-linear structural configurations obtainable by unravelling a woven fabric, are subjected to other processes known in the art to effect opening, a process in which the yarn or fibers of the fabric are separated into an entangled, wool-like, fluffy material in which the individual fibers retain their ball-like or sinusoidal configuration, resulting in a fiber structure with a considerable amount of open space.
Die durch beispielsweise Verbinden und anschließendem Erhitzen in einem relaxierten und Spannungs freien Zustand auf eine Temperatur von über 525ºC in ihrer gewünschten strukturellen Konfiguration permanent fixierten, stabilisierten Fasern behalten ihre elastischen und reversiblen Biegungseigenschaften bei. Es ist selbstverständlich, daß höhere Temperaturen von bis zu etwa 1500ºC verwendet werden können, wobei jedoch die meisten flexiblen Fasern und der geringste Verlust durch Faserbruch beim Streichen der Fasern zur Herstellung des Flaums bei den Fasern zu finden ist, die bei einer Temperatur von 525º bis 750ºC mit Wärme behandelt wurden.The stabilized fibers, permanently fixed in their desired structural configuration by, for example, bonding and then heating in a relaxed and stress-free state to a temperature above 525ºC, retain their elastic and reversible bending properties. It will be understood that higher temperatures of up to about 1500ºC may be used, but the most flexible fibers and the least loss due to fiber breakage when the fibers are coated to produce the fluff are found in fibers heat treated at a temperature of 525º to 750ºC.
Die zweiten Kohlenstoffasern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Fasern, die sich mit den ersten Fasern der vorstehend beschriebenen Faserstruktur verbinden und die den beschriebenen hohen Temperaturen widerstehen können. Die zweiten Fasern können von einem unterschiedlichen Faden herrühren, können Fasern einer ähnlichen Watte oder können in die ersten Fasern zur Bildung des Woll-ähnlichen Flaums oder der Watte gemischt und zur Verdichtung verwendet werden.The second carbon fibers used in the present invention include fibers that combine with the first fibers of the fiber structure described above and that can withstand the high temperatures described. The second fibers may be from a different thread, may be fibers of a similar batting, or may be mixed into the first fibers to form the wool-like fluff or batting and used for densification.
Die verbindenden zweiten Fasern können vorzugsweise aus einem ähnlichen Stabilisierten Kohlenstoff-Vorläufer-Polymermaterial wie die ersten Fasern hergestellt werden. Ein geeignetes stabilisiertes Vorläufermaterial kann beispielsweise unter auf PAN oder auf Pech-basierenden Materialien (beispielsweise Petroleum oder Kohleteer) oder anderen Polymeren Materialien, die bei den vorstehend beschriebenen hohen Temperaturen von Interesse thermisch stabil sind, ausgewählt werden, wie beispielsweise Aramidfasern, insbesondere die aromatischen Polyaramide, beispielsweise KEVLAR (ein Warenzeichen von E.I. du Pont de Nemours & Co., Inc.).The connecting second fibers may preferably be made from a similar stabilized carbon precursor polymer material as the first fibers. A suitable stabilized precursor material may be selected, for example, from PAN or pitch-based materials (e.g., petroleum or coal tar) or other polymeric materials that are thermally stable at the high temperatures of interest described above, such as aramid fibers, particularly the aromatic polyaramids, for example KEVLAR (a trademark of E.I. du Pont de Nemours & Co., Inc.).
Auf PAN-basierende Faser können als eine Ansammlung einer Vielzahl von kontinuierlichen Filamenten in Garnen gesammelt und durch Oxidation in herkömmlicher Art und Weise stabilisiert werden. Die stabilisierten zweiten Fasern, Garne oder Stapelgarne (hergestellt aus geschnittenen oder durch Streckung gebrochenen Stapelfasern) werden anschließend erfindungsgemäß in die erste Kohlenstoffaser-Struktur implantiert und bilden die Faserstruktur oder eine verdichtete Struktur aus.PAN-based fibers can be collected as a collection of a plurality of continuous filaments in yarns and stabilized by oxidation in a conventional manner. The stabilized second fibers, yarns or staple yarns (made from cut or stretch-broken staple fibers) are then implanted according to the invention into the first carbon fiber structure and form the fiber structure or a compacted structure.
Bei Implantierung in die Faserstruktur können die zweiten Kohlenstoffasern vor dem Thermofixieren der zweiten Faser als lineare oder nicht-lineare Fasern in die Struktur eingebaut werden.When implanted into the fiber structure, the second carbon fibers can be incorporated into the structure as linear or non-linear fibers before heat-setting the second fiber.
Die zweiten, nicht-linearen Fasern können in einer ähnlichen Art und Weise wie die ersten Fasern hergestellt werden indem die Fasern in einem relaxierten und spannungsfreien Zustand bei einem Temperaturbereich von 150º bis 525ºC durch Wärme-Behandlung in einer inerten Atmosphäre temporär fixiert werden. Die Fasern werden bei einem Anstieg der Temperatur in dem spezifizierten Temperaturbereich mit einem unterschiedlichem Grad an temporärer bis permanenter Fixierung versehen. Die Fasern werden dann durch chemische Behandlung oder durch Wärme-Behandlung der Faserstruktur nach dem Verbindungsschritt permanent fixiert. Die Wärme-Behandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 525ºC und höher durchgeführt, so daß die Fasern mit einer permanenten Fixierung versehen werden.The second, non-linear fibers can be manufactured in a similar manner to the first fibers by temporarily fixing the fibers in a relaxed and stress-free state at a temperature range of 150º to 525ºC by heat treatment in an inert atmosphere. The fibers are provided with a varying degree of temporary to permanent fixation as the temperature increases in the specified temperature range. The fibers are then permanently fixed by chemical treatment or by heat treatment of the fiber structure after the bonding step. The heat treatment is preferably carried out at a temperature of 525ºC and higher so that the fibers are provided with a permanent fixation.
Wenn die zweiten Kohlenstoffasern permanent thermofixiert sind besitzt die Faserstruktur eine Integrität und Handhabbarkeit, die die Kombination der ersten und zweiten Kohlenstofffasern umfaßt.When the second carbon fibers are permanently heat-set, the fiber structure has an integrity and handleability that encompasses the combination of the first and second carbon fibers.
Wie bei den ersten Fasern können zur Thermofixierung der zweiten Fasern Temperaturen von bis zu 1500ºC verwendet werden, wobei jedoch die am meisten flexiblen und der geringste Verlust durch Faserbruch bei den Fasern zu finden ist, die bei einer Temperatur von 525ºC bis 750ºC thermofixiert wurden.As with the first fibers, temperatures of up to 1500ºC can be used to heat set the second fibers, but the most flexible and the least loss due to fiber breakage are found in the fibers heat set at a temperature of 525ºC to 750ºC.
Die verbundene Faserstruktur wird bei thermischen Isolierungen bei hohen Temperaturen und bei Lärm absorbierenden Strukturen verwendet und kann je nach der bestimmten Verwendung und der Umgebung, in die die Strukturen gegeben werden in 3 Gruppen eingeteilt werden.The bonded fiber structure is used in thermal insulation at high temperatures and in noise absorbing structures and can be used depending on the specific use and the environment in which the structures are placed into 3 groups.
In einer ersten Gruppe sind die in der erfindungsgemäßen Faserstruktur verwendeten Kohlenstoffasern elektrisch nicht leitfähig. Der Ausdruck nichtleitfähig betrifft einen Widerstand von größer als 4x10&sup6; Ohm/cm bei Messung an einem 6K Werggarn von Fasern mit einem jeweiligen Durchmesser von 7 bis 20 um. Der spezifische Widerstand jeder Faser ist größer als etwa 10² Ohm/cm.In a first group, the carbon fibers used in the fiber structure of the invention are electrically non-conductive. The term non-conductive refers to a resistance of greater than 4x10⁶ ohm/cm when measured on a 6K tow of fibers each having a diameter of 7 to 20 µm. The resistivity of each fiber is greater than about 10⁶ ohm/cm.
In einer zweiten Gruppe werden die in der erfindungsgemäßen Faserstruktur verwendeten Kohlenstoffasern als teilweise leitfähig eingestuft (d.h. sie besitzen eine geringe elektrische Leitfähigkeit) und besitzen eine Kohlenstoffgehalt von weniger als 85%. Ist die stabilisierte Vorläuferfaser eine Acrylfaser, d.h. eine auf PAN-basierende Faser, beträgt der Stickstoffgehalt 5 bis 35%, vorzugsweise 16 bis 20%. Diese teilweise leitfähigen Fasern sind zur Isolierung von Flugzeugen sowie zur Isolierung von Bereichen, in denen die öffentliche Sicherheit eine Rolle spielt, ausgezeichnet geeignet. Die daraus gebildeten Strukturen sind leicht, absorbieren Feuchtigkeit nur in geringem Ausmaß, besitzen eine gute Abriebsfestigkeit und weisen ein gutes Erscheinungsbild und gute Handhabbarkeit auf.In a second group, the carbon fibers used in the fiber structure according to the invention are classified as partially conductive (i.e. they have a low electrical conductivity) and have a carbon content of less than 85%. If the stabilized precursor fiber is an acrylic fiber, i.e. a PAN-based fiber, the nitrogen content is 5 to 35%, preferably 16 to 20%. These partially conductive fibers are excellent for insulating aircraft and for insulating areas where public safety is a concern. The structures formed therefrom are light, absorb moisture only to a small extent, have good abrasion resistance and have a good appearance and good handleability.
Je höher der Gehalt an Kohlenstoff in der Kohlenstoffaser ist, desto größer ist die elektrische Leitfähigkeit. Derartige Fasern behalten ein wollähnliches Erscheinungsbild bei wenn sie in eine verdichtete Struktur eingebaut werden, insbesondere wenn die Mehrheit der Fasern nicht-lineare, d.h. Knäul-ähnliche Fasern sind. Zudem ist die Elastizität der Struktur umso größer, je höher der Prozentsatz der Knäul-ähnlichen Fasern in der Struktur ist. Als ein Ergebnis des höheren Kohlenstoff-Gehaltes besitzen Strukturen aus diesen teilweise leitfähigen Fasern auch größere Lärm absorbierende Eigenschaften und wirksamere thermische Isolierungseigenschaften bei höheren Temperaturen. Dies Fasern besitzen einen elektrischen Widerstand von 4x10&sup6; bis 4x10³ Ohm/cm bei Messung an einem 6K Werggarn von Fasern mit einem jeweiligen Durchmesser von 7 bis 20 um.The higher the carbon content in the carbon fiber, the greater the electrical conductivity. Such fibers retain a wool-like appearance when incorporated into a compacted structure, particularly when the majority of the fibers are non-linear, i.e., skein-like fibers. In addition, the higher the percentage of skein-like fibers in the structure, the greater the elasticity of the structure. As a result of the higher carbon content, structures made from these partially conductive fibers also have greater noise absorbing properties and more effective thermal insulation properties at higher temperatures. These fibers have an electrical resistance from 4x10⁶ to 4x10³ Ohm/cm when measured on a 6K tow of fibers with a respective diameter of 7 to 20 μm.
In einer dritten Gruppe sind Kohlenstoffasern mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 85%. Aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehaltes besitzen diese Fasern überlegene thermische Isolierungs- und Lärm absorbierende Eigenschaften. Die Knäulähnliche oder sinusförmige Gestalt der Fasern in der Faserstruktur liefert eine Isolierung, die gute Komprimierbarkeit und Elastizität liefert, während eine verbesserte thermische Isolierung erhalten bleibt. Die mit Fasern der dritten Gruppe hergestellte Faserstruktur ist besonders bei der Isolierung von Öfen und in Bereichen großer Hitze und hohen Geräuschpegels von großem Nutzen.In a third group are carbon fibers with a carbon content of at least 85%. Due to their high carbon content, these fibers have superior thermal insulation and noise absorbing properties. The coil-like or sinusoidal shape of the fibers in the fiber structure provides insulation that provides good compressibility and elasticity while maintaining improved thermal insulation. The fiber structure made with fibers of the third group is particularly useful in insulating furnaces and in areas of high heat and high noise levels.
Die Fasern der dritte Gruppe, die verwendet werden, stammen vorzugsweise von stabilisierten Acrylfasern ab und besitzten einen Stickstoffgehalt von weniger als 10%. Als ein Ergebnis des immer noch höheren Kohlenstoffgehaltes sind die Faserstrukturen elektrisch leitfähiger. D.h. der elektrische Widerstand beträgt weniger als 4x10³ Ohm/cm bei Messung an einem 6K Werggarn von Fasern mit einem jeweiligen Durchmesser von 7 bis 20 um.The fibers of the third group that are used are preferably derived from stabilized acrylic fibers and have a nitrogen content of less than 10%. As a result of the still higher carbon content, the fiber structures are more electrically conductive. This means that the electrical resistance is less than 4x10³ Ohm/cm when measured on a 6K tow of fibers with a respective diameter of 7 to 20 um.
Die stabilisierten Vorläufer-Acrylfasern, die vorteilhafterweise zur Herstellung der Faserstrukturen verwendet werden, werden unter Acrylnitril-Homopolymeren, Acrylnitril-Copolymeren und Acrylnitril-Terpolymeren ausgewählt. Die Copolymere enthalten vorzugsweise mindestens etwa 85 Mol-% Acrylnitril-Einheiten und bis zu 15 Mol-% von einer oder mehreren mit Styrol, Methylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylpyridin und dergleichen copolymerisierten Monovinyl-Einheiten. Die Acryl-Filamente können auch Terpolymere enthalten, bei denen die Acrylnitril-Einkeiten vorzugsweise mindestens etwa 85 Mol-% ausmachen.The stabilized precursor acrylic fibers advantageously used to make the fiber structures are selected from acrylonitrile homopolymers, acrylonitrile copolymers, and acrylonitrile terpolymers. The copolymers preferably contain at least about 85 mole percent acrylonitrile units and up to 15 mole percent of one or more monovinyl units copolymerized with styrene, methyl acrylate, methyl methacrylate, vinyl chloride, vinylidene chloride, vinylpyridine, and the like. The acrylic filaments may also contain terpolymers in which the acrylonitrile units preferably make up at least about 85 mole percent.
Es weiterhin selbstverständlich, daß die Kohlenstoff-Vorläufer-Ausgangsmaterialien diesen eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von metallischen Leitern verleihen können indem eine Faserstruktur auf eine Temperatur von oberhalb etwa 1000ºC in einer nicht oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird. Die elektrisch leitende Eigenschaft kann aus ausgewählten Ausgangsmaterialien erhalten werden, wie Pech (Petroleum oder Kohleteer), Polyacetylen, auf Acrylnitril basierenden Materialien, beispielsweise ein Polyacrylnitril-Copolymer (PANOX oder GRAFIL-01 ), Polyphenylen, Polyvinylidenchlorid (SARAN , Warenzeichen der Fa. Dow Chemicals) und dergleichen.It is further understood that the carbon precursor starting materials can impart electrical conductivity in the range of metallic conductors by heating a fibrous structure to a temperature above about 1000°C in a non-oxidizing atmosphere. The electrically conductive property can be obtained from selected starting materials such as pitch (petroleum or coal tar), polyacetylene, acrylonitrile-based materials, for example a polyacrylonitrile copolymer (PANOX or GRAFIL-01), polyphenylene, polyvinylidene chloride (SARAN, trademark of Dow Chemicals) and the like.
Erfindungsgemäß können antistatische Fasern, d.h. Fasern, die die Fähigkeit zur Entlastung elektrostatischer Ladung aufweisen, die zudem als verbindende und verdichtende Fasern dienen, in die Faserstruktur eingebaut werden.According to the invention, antistatic fibers, i.e. fibers that have the ability to relieve electrostatic charge and that also serve as connecting and compacting fibers, can be incorporated into the fiber structure.
Bevorzugte Vorläufermaterialien werden durch Schmelzspinnen oder Nasspinnen der Vorläufermaterialien in bekannter Art und Weise hergestellt und ergeben eine Monofilament-Faser oder ein Multifilament-Werggarn Die Fasern, das Garn oder das Werggarn werden dann mittels jeder der bekannten, im Handel erhältlichen Techniken in einen verwobenen Stoff oder ein verbundenes Gewebe eingebaut. Der Stoff oder das Gewebe wird anschließend auf eine Temperatur oberhalb 525ºC, vorzugsweise oberhalb 550ºC erhitzt, danach zerschnitten und gestrichen um den Woll-ähnlichen Flaum, der in der erfindungsgemäß Faserstruktur verwendet wird, herzustellen.Preferred precursor materials are prepared by melt spinning or wet spinning the precursor materials in a known manner to yield a monofilament fiber or multifilament tow. The fibers, yarn or tow are then incorporated into a woven fabric or bonded web using any of the known commercially available techniques. The fabric or web is then heated to a temperature above 525°C, preferably above 550°C, then cut and carded to produce the wool-like fluff used in the fiber structure of the present invention.
Wenn gewünscht kann die verdichtete Faserstruktur mit Wärme behandelt werden um Kohlenstoff- oder Graphit-Strukturen zu bilden. Das voliegende Verfahren erlaubt die Herstellung von Kohlenstoff- oder Graphit-Strukturen ohne komplizierte Verbindungsverfahren.If desired, the densified fiber structure can be treated with heat to form carbon or graphite structures. The present process allows the production of carbon or graphite structures without complicated joining processes.
Es ist klar, daß sich alle hierin verwendeten Prozentangaben auf Gewichtsprozent beziehen.It is clear that all percentages used herein refer to percentages by weight.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den folgenden Beispielen dargestellt.Particular embodiments of the present invention are illustrated in the following examples.
A. Ein nicht-lineares Faser-Werggarn, das auf 550ºC erhitzt worden war, wurde mit einem Shirley-Öffner geöffnet und mit 25 %iger, hundeknochenförmiger großer Denier OPF (oxidierte PAN-Faser), erhalten von RK Carbon Firbers Inc., Philadelphia, Pennsylvania, gemischt. Die hundeknochenförige OPF, die vor dem Mischen auf eine Temperatur von 200ºC gestellt wurde, besaß eine temporäre Kräuselung. Watten wurden zusammengefügt, durch eine Nadel-Stanz-Maschine laufen gelassen und von einer Dicke von 7.5 cm auf 1.8 cm mit denselben Vorläufer-Fasern verdichtet.A. A non-linear fiber tow heated to 550ºC was opened with a Shirley opener and blended with 25% large denier dogbone OPF (oxidized PAN fiber) obtained from RK Carbon Fibers Inc., Philadelphia, Pennsylvania. The dogbone OPF, which was heated to 200ºC prior to blending, had a temporary crimp. Batts were assembled, run through a needle punch machine and densified from 7.5 cm to 1.8 cm thickness with the same precursor fibers.
B. Die so erhaltene vedichtete Watte oder der Filz aus Teil A, die die hundknochenförmigen-OPF Steppstiche enthielt, wurde unter Stickstoff 60 Minuten bei 700ºC hitzebehandelt. Die so erhaltene verdichtete Watte oder Filz wies eine gute, permanente Integrität auf, und war bei Temperaturen bis über 400ºC stabil.B. The resulting densified batting or felt from Part A, containing the dogbone-shaped OPF stitches, was heat treated under nitrogen at 700ºC for 60 minutes. The resulting densified batting or felt had good permanent integrity and was stable at temperatures up to over 400ºC.
Gemäß dem Verfahren aus Beispiel 1A wurde eine verdichtete Watte hergestellt. Die so erhaltene Watte wurde dann 60 Minuten bei einer Temperatur von 1500ºC hitze-behandelt, um eine einheitliche Kohlenstoff-Struktur zu bilden, die als Lärm und Thermoisolierung geeignet war.A compacted cotton was prepared according to the procedure of Example 1A. The cotton thus obtained was then heat-treated at a temperature of 1500°C for 60 minutes to form a uniform carbon structure suitable for noise and thermal insulation.
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