DE69628946T2

DE69628946T2 - Biegsame flammfeste Bikomponentenfaser und Gegenstände aus dieser Bikomponentenfaser

Info

Publication number: DE69628946T2
Application number: DE69628946T
Authority: DE
Inventors: Francis P Mccullough
Original assignee: McCullough Francis P West Columbia
Current assignee: McCullough Francis P West Columbia
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: US5700573A; EP0771371A2; US5776607A; CN1160490C; EP0949364A3; CA2189352A1; EP0771371B1; DE69610276D1; ES2152022T3; DE69610276T2; BR9606334A; CN1152342A; EP0949364B9; JPH09511802A; WO1996034134A3; AU693360B2; CA2189352C; JP3029872B2; US5763103A; ES2203006T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Offenbart ist eine biegsame, entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser, die von einer Vorläuferfaser mit bevorzugt einer homogenen Polymerzusammensetzung über den Querschnitt der Vorläuferfaser abgeleitet ist, wobei die entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser eine Innenkernregion aus einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung und einen umhüllenden Außenmantelbereich aus einem duroplastischen kohlenstoffhaltigen Material aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine zwei Regionen aufweisende Vorläuferfaser mit einem Innenkernbereich aus einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung und einem umhüllenden oxidationsstabilisierten Außenmantelbereich. Verfahren zur Herstellung der zwei Regionen aufweisenden Faser, und Gegenstände aus mehreren dieser zwei Regionen aufweisenden Fasern sind auch offenbart.
Sowohl in der zwei Regionen aufweisenden Vorläuferfaser als auch in der zwei Regionen aufweisenden Faser beträgt das Verhältnis (r : R) des Radius der Kernregion (r) zum Gesamtradius (R) der zwei Regionen aufweisenden Faser von 1 : 4 bis 1 : 1,05, bevorzugt von 1 : 3 bis 1 : 1,12. Bevorzugt besitzt die erfindungsgemäße zwei Regionen aufweisende Vorläuferfaser eine Dichte von 1,20 g/cm³ bis 1,32 g/cm³ und einen Torsionsbruchwinkel von etwa 17 bis etwa 23 Grad, wobei die erfindungsgemäße zwei Regionen aufweisende Faser entzündungsbeständig ist und einen LOI-Wert von mehr als 40 aufweist. Die zwei Regionen aufweisende Faser ist biegsam und ihr fehlt die Sprödigkeit, die normalerweise mit Kohlenstoff- und Graphitfasern aus dem bekannten Stand der Technik assoziiert ist. Die zwei Regionen aufweisende Faser hat einen Torsionsbruchwinkel von 4 bis 13 Grad, eine Dichte im Bereich von 1,45 bis 1,85 g/cm³ und bis zu 1,87 g/cm³, einen Biegespannungswert von größer 0,01 bis kleiner 50%, bevorzugt von 0,1 bis 30%, und ein Elastizitätsmodul von kleiner 1 MM psi (< 6,9 GPa) bis 50 MM psi (345 GPa), bevorzugt von 1 MM psi bis 30 MM psi (207 GPa).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elastische und biegsame lineare und nicht-lineare kohlenstoffhaltige Fasern sind in der Technik gut bekannt (siehe beispielsweise US-A-3639953). Repräsentativ für nicht-lineare kohlenstoffhaltige Fasern ist das US-Patent Nr. 4,837,076, erteilt am 6. Juni 1989 an McCullough et al. Die Fasern werden hergestellt durch Schmelzspinnen oder Nassspinnen von Fasern aus einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung und danach Stabilisieren der Fasern, indem sie für einen vorbestimmten Zeitraum in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und bei einer erhöhten Temperatur behandelt werden. Die Oxidationsstabilisierungsbehandlung der Fasern wird in einem solchen Ausmaß durchgeführt, dass die gesamte Polymerzusammensetzung der Fasern, bei Betrachtung im Querschnitt, oxidiert ist. Obwohl das Stabilisierungsverfahren in einem gewissen Ausmaß vom Durchmesser der Fasern, der Zusammensetzung der Polymervorläuferzusammensetzung, dem Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und der Behandlungstemperatur abhängt, ist das Verfahren, damit eine vollständige Stabilisierung der Fasern über ihren gesamten Querschnitt erreicht wird, äußerst zeitraubend und teuer.
Die Stabilisierungsbehandlung von Polymerfasern unter Sauerstoff erstreckt sich traditionell über mindestens mehrere Stunden bis zu mehr als 24 Stunden, um die Fasern vollständig mit Sauerstoff zu durchdringen und eine ausreichende Stabilisierung der Fasern zu erreichen, in Vorbereitung für eine nachfolgende Carbonisierung der stabilisierten Fasern, um kohlenstoffhaltige Fasern für kommerzielle Endanwendungen herzustellen. Die „Encyclopedia of Polymer Science and Engineering", Vol. 2, eine Wiley-Interscience Publikation, 1985, Seiten 641–659, schreibt, die "derzeitige Standardverarbeitungstechnologie benötigt 1 bis 2 Stunden für eine angemessene Stabilisierung" von Fasern, Seite 658. Es ist kein anderes Verarbeitungsverfahren offenbart, das für große oder "schwere" 320k Seile geeignet ist. Weiterhin berichtet "High Performance Fibers 11", herausgegeben von Battelle, insbesondere das Kapitel mit dem Titel "Process Technology – Oxidation/Stabilisation", Seite 149 und folgende, dass die Oxidation und Zyklisierung bei 150°C bis 300° stattfindet, und dass "die Reaktion über die gesamte Faser hinweg stattfinden muss und nicht auf die Faseroberfläche beschränkt sein darf." Dementsprechend verringert die langwierige, in derzeitigen Standardverfahren verwendete Stabilisierungsbehandlung den Produktionsausstoß an stabilisierten Fasern, erfordert erhebliche Kapitalinvestitionen, und ist daher äußerst teuer und ein Haupthinderungsgrund, um das Verfahren für eine stärkere kommerzielle Nutzung, d. h. stärkere kommerzielle Nutzung der Fasern zu niedrigen Kosten, attraktiv zu machen. Es ist ebenfalls angegeben, dass bei Verwendung von elektrisch beheizten Oxidationskammern die Kammern erheblich größer sein müssen als die in einem nachfolgenden Carbonisierungsschritt verwendeten Öfen, was infolgedessen einen erheblich höheren Kapitaleinsatz zur Folge hat.
In US-Patent Nr. 4,837,076 wird weiterhin gelehrt, dass die konventionell stabilisierten Fasern (stabilisierten Vorläuferfasern) danach durch Wirken oder Weben eines Faserseils zu einem Gewebe oder Tuch zu einer spiralähnlichen und/oder wellenartigen Form geformt werden. Das derart gebildete Gewirk wird danach in einem relaxierten und spannungsfreien Zustand und in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 525°C bis 750°C und während eines Zeitraums wärmebehandelt, welcher ausreichend ist um eine wärmeinduzierte Warmhärtungsreaktion zu erzeugen, wobei zusätzliche Vernetzung und/oder Interkettenzyklisierung zwischen den ursprünglichen Polymerketten auftritt. Die Carbonisierungsbehandlung der Fasern wird in einem solchen Ausmaß durchgeführt, dass das gesamte oxidationsstabilisierte Material der Vorläuferfasern, bei Betrachtung im Querschnitt, carbonisiert wird. In genaueren Worten bleibt kein Restanteil des oxidationsstabilisierten Fasermaterials in thermoplastischem Zustand. In Beispiel 1 des US-Patents Nr. 4,837,076 ist angegeben, dass Teile eines stabilisierten Gewirks über einen Zeitraum von 6 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 550°C bis 950°C warmgehärtet wurden. Die biegsamsten Fasern und Fasern, die bei Textilverarbeitung am wenigsten für Faserbruch aufgrund von Sprödigkeit anfällig sind, wurden mit denjenigen Fasern erhalten, die bei einer Temperatur von 525°C bis 750°C wärmebehandelt worden waren. Die resultierenden Faserseile, die durch Auftrennen des Tuchs erhalten werden, und welche die wärmegehärtete, d. h. duroplastische nicht-lineare Strukturkonfiguration aufweisen, können danach anderen in der Technik bekannten Behandlungsmethoden unterzogen werden, um ein Öffnen zu erzeugen, d. h. ein Vorgang, bei dem ein Garn oder die Faserstränge des Tuchs zu einem verhedderten, wollähnlichen flusigen Material aufgetrennt werden, in dem die individuellen Fasern ihre spiralähnliche oder wellenförmige Konfiguration beibehalten, wobei ein Flaumkörper oder Watte-ähnlicher Körper mit beträchtlichem Loft erhalten wird.
Das US-Patent Nr. 4,837,076 offenbart auch, dass die stabilisierten Vorläuferfasern bei einer Behandlungstemperatur von oberhalb 1000°C graphitisch und gut elektrisch leitfähig werden, bis zu dem Punkt, an dem sie beginnen, sich der Leitfähigkeit eines metallischen Leiters anzunähern. Diese graphitischen Fasern finden einen besonderen Nutzen bei der Herstellung von Elektroden für Energiespeichervorrichtungen. Da die Graphitisation der stabilisierten Fasern bei einer Temperatur und während eines Zeitraums durchgeführt wird, so dass das gesamte stabilisierte Polymermaterial der Faser, bei Betrachtung im Querschnitt, graphitiert wird, ist das Verfahren, insbesondere bei den höheren Temperaturen, äußerst zeit- und energieraubend und erfordert einen intensiven Anlageneinsatz, und ist daher sehr teuer.
Eine Graphitisation von oxidationsstabilisierten Fasern ist im allgemeinen wünschenswert, um in den Fasern höhere Zugfestigkeitsmodul-Eigenschaften zu erzeugen. In „High Performance Fibers II", herausgegebenen von Battelle, Copyright 1987, insbesondere das Kapitel mit dem Titel "Process Technology – Graphitization", Seiten 158 und 159, ist jedoch angegeben, dass "das Brechen der Fasern ein Problem darstellt, das noch nicht gelöst worden ist", und dass "der schwerwiegendste Nachteil dieser hochzugfesten Fasern deren niedriges Spannung-Defekt-Verhältnis ist, was bedeutet, dass sie sehr spröde sind." Darüber hinaus wird über das Verfahren auch ausgesagt, dass es teuer ist, aufgrund der "hohen Kapitalkosten für die Anlage und der großen Menge an elektrischer Energie, die erforderlich ist, um die für die Graphitisation der Fasern über deren gesamten Querschnitt erforderliche Temperatur (2000°C bis 3000°C) zu erreichen.
Fasern, die im allgemeinen als "Bikomponenten- oder Kompositfasern", "Bikonstituentenfasern", "Bilateralfasern" und "Mantel-Kern-Fasern" bezeichnet werden, sind in der Technik allgemein bekannt. Definitionen dieser Begriffe können in "Man-Made Fiber and Textile Dictionnary", Hoechst Celanese Corporation, 1990, Seiten 14, 15, 32 und 139 gefunden werden. Eine Bikomponenten- oder Kompositfaser ist definiert als eine Faser, welche aus zwei oder mehreren Polymertypen in einer Mantel-Kern- oder Seite-an-Seite(bilateralen) Beziehung zusammengesetzt ist. Bikonstituentenfasern sind definiert als Fasern, die aus einem homogenen Gemisch zweier verschiedener Polymere extrudiert sind, wobei solche Fasern die charakteristischen Eigenschaften der zwei Polymere in einer einzelnen Faser kombinieren. Bilateralfasern sind zwei generische Fasern oder Varianten der gleichen generischen Faser, extrudiert in einer Seite-an-Seite-Beziehung. Mantel-Kern-Fasern sind Bikomponentenfasern aus entweder zwei Polymertypen oder zwei Varianten des gleichen Polymers. Ein Polymer bildet einen Kern und das andere Polymer einer unterschiedlichen Zusammensetzung umhüllt es als ein Mantel.
Bikomponentenfasern sind auch allgemein im US-Patent Nr. 4,643,931, erteilt am 17. Februar 1987 an F. P. McCullough et al. offenbart worden. Diese Fasern sind Gemische einer geringen Menge von leitfähigen Fasern in einem Garn, worin sie als elektrostatisches Dissipationselement wirken. Faserhersteller stellen leitfähige Fasern routinemäßig auch dadurch her, indem sie in eine Hohlfaser einen Kern aus kohlenstoff- oder graphithaltigem thermoplastischem Verbundstoff einbauen oder eine Faser mit einem Mantel aus kohlenstoff- oder graphithaltigem thermoplastischem Verbundstoff beschichten.
Das US-Patent Nr. 5,260,124, erteilt am 9. November 1993 an J. R. Gaier, offenbart ein Hybridmaterial, umfassend ein Gewebe aus hochfesten Kohlenstoff- oder Graphitfasern, eine auf den Fasern angeordnete Schicht aus graphitiertem Kohlenstoff und ein Intercalat in der Schicht. Während des Herstellungsverfahrens wird Gaier's Gewebe aus hochfesten Kohlenstoff- oder Graphitfasern durch Dampfauftrag mit einer porösen Graphitschicht überzogen, wobei eine zweidimensionale gewebeähnliche Struktur gebildet wird. Im Gegensatz zu Gaier sind die erfindungsgemäßen Fasern, die aus den Vorläuferfasern erhalten werden, "biregional" und sind nicht vollständig carbonisiert oder graphitiert um eine hochfeste Faser zu bilden, noch sind die erfindungsgemäßen entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern mit einer Schicht aus graphitiertem Kohlenstoff überzogen, wodurch eine Verbundstoffstruktur gebildet wird. Der Kernbereich des erfindungsgemäßen Faservorläufers bleibt immer thermoplastisch, während der Mantelbereich der Faser oxidationsstabilisiert und thermoplastisch, oder kohlenstoffhaltig und duroplastisch ist. Darüber hinaus erfordert die erfindungsgemäße entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser, die aus den erfindungsgemäßen Vorläuferfasern erhalten wird, keine Intercalatbehandlung in der äußeren Graphitschicht.
Elektrische Energiespeichervorrichtungen, insbesondere Batterien, die Kohlenstoffaser- oder Graphitfaserelektroden verwenden und in einem nicht-wässrigen Elektrolyten bei Umgebungstemperatur betrieben werden, sind aus dem US-Patent Nr. 4,865,931, erteilt am 12. September 1989 an F. P. McCullough et al., bekannt. Das Patent offenbart allgemein eine Sekundärbatterie, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einer in dem Gehäuse untergebrachten Zelle, wobei jede Zelle ein Elektrodenpaar aus mehreren elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasern, einen siebartigen Elektrodenseparator, um die Elektroden vor Kontakt miteinander elektrisch zu isolieren, und einen Elektrolyten, umfassend ein ionisierbares Salz in einem nicht-wässrigen Fluid in jeder Zelle, umfasst.
Eine ähnliche elektrische Speichervorrichtung wird im US-Patent Nr. 4,830,938, erteilt am 16. Mai 1989 an F. P. McCullough et al., offenbart. Dieses Patent offenbart eine gemeinsame bipolare kohlenstoffhaltige Faserelektrode, die Strom aus einer Zelle zu einer benachbarten Zelle transportieren kann, ohne einen damit assoziierten Stromkollektrorrahmen. Keines der zuvor genannten Patente von McCullough et al. offenbart die Verwendung von entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern mit einem Innenkern aus einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung und einem umhüllenden Außenmantelbereich aus einem duroplastischen kohlenstoffhaltigen Material. Die erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Fasern können aus den erfindungsgemäßen Vorläuferfasen erhalten werden und sind insbesondere geeignet zur Verwendung als Elektroden in Sekundärenergiespeichervorrichtungen, in erster Linie aufgrund ihrer erheblich höheren Biegsamkeit und niedrigeren Kosten.
Die aus den erfindungsgemäßen Vorläuferfasern erhaltenen zwei Regionen aufweisende Fasern unterscheiden sich von den verschiedenen Fasertypen aus dem bekannten Stand der Technik im allgemeinen dadurch, dass die zwei Regionen aufweisende Faser aus einer homogenen Polymerzusammensetzung, d. h. einer einzelnen Polymerzusammensetzung, bevorzugt eines Acrylpolymers, hergestellt wird, wobei ein Außenbereich der Faser oxidationsstabilisiert wird und danach carbonisiert wird, wodurch zwei Bereiche in der Faser gebildet werden, die bei Betrachtung im Querschnitt visuell unterschiedlich sind, d. h. normalerweise ein durchscheinender oder hellgefärbter Innenkernbereich und ein schwarzer Außenmantelbereich. Bei einer zwei Regionen aufweisenden Vorläuferfaser umfasst die Faser einen thermoplastischen Innenkern und einen thermoplastischen stabilisierten Außen mantel, während bei einer entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser der Innenkern thermoplastisch ist und der Außenmantel duroplastisch und carbonisiert ist.
Bei Herstellung der aus einer erfindungsgemäßen Vorläuferfaser erhaltenen entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser aus einer homogenen Polymerzusammensetzung, bevorzugt einem Acrylpolymer, gibt es keine Grenze oder Diskontinuität zwischen dem Innenkern und dem oxidationsstabilisierten oder carbonisierten Außenmantel. Der hierin verwendete Begriff "homogene Polymerzusammensetzung" umfasst Homopolymere, Copolymere und Terpolymere und umfasst keine Fasern, welche zwei oder mehrere Polymere unterschiedlicher Zusammensetzungen und unterschiedlicher Kristallinitätskoeffizienten enthalten. Im Gegensatz dazu werden in zweilagigen Fasern oder Bikomponentenfasern, bei denen zwei Polymere verschiedener Zusammensetzungen in einer Seite-an-Seite- oder Mantel-Kern-Beziehung verwendet werden, Diskontinuitäten erzeugt. Solche Diskontinuitäten oder Grenzen treten zwischen den Lagen der verschiedenen Polymerzusammensetzungen auf, aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallinitätskoeffizienten. Dies trifft auch zu auf verschiedene Polymerzusammensetzungen, die miteinander vermischt werden.
Im Fall einer Kern/Mantel-Faser wird die Außenmantelschicht in Art einer Hautschicht ausgebildet und ist separat und verschieden vom Innenkern, wodurch eine physikalische Grenze oder Diskontinuität zwischen dem Innenkern und der Außenhautschicht gebildet wird. In genaueren Worten würde man bei Betrachtung einer Querschnittoberfläche einer zweilagigen oder Mantel-Kern-Faser (im allgemeinen coextrudiert) bei Inspektion der Oberfläche vom Außenumfang zur Mitte der Faseroberfläche von einem Polymerzusammensetzungstyp, der die Außenmantellage bildet, über eine Grenzschicht oder Diskontinuität zum Kern mit einer anderen Polymerzusammensetzung unterschiedlicher Kristallinität gelangen. Wie vorstehend angedeutet besitzen Polymere unterschiedlicher Zusammensetzungen auch unterschiedliche Kristallinitätskoeffizienten und Schmelzpunkte. Beispielsweise geht Polyacrylnitril bei einem Temperaturbereich von 320°C–330°C einen Schmelzpunktübergang ein. Dies stellt für Polymere einen relativ hohen Schmelzpunkt dar und ist charakteristisch für steife Ketten. Sowohl Nylon-6,6- als auch PET-Fasern schmelzen bei 265°C, und Polyolefine wie etwa Polyethylen und Polypropylen schmelzen bei etwa 135°C bzw. 165°C. Obwohl der Innenkern und der Außenmantel der erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Faser bei Betrachtung im Querschnitt zwei visuell unterschiedliche Bereiche ausbilden, bilden sie keine physikalische Grenze oder Diskontinuität zwischen dem Kern und dem Mantel aus, d. h. die Bereiche sind kontinuierlich.
Die einzelne homogene Polymerzusammensetzung, die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser bevorzugt verwendet wird, ist ein Standard-Acrylpolymer, d. h. Homopolymer, Copolymere und Terpolymere von Acrylnitril, wobei die Copolymere und Terpolymere mindestens 85 Molprozent Acryleinheiten und bis zu 15 Molprozent eines oder mehrerer damit copolymerisierter Vinylmonomere enthalten, oder gegebenenfalls ein Subacrylpolymer wie hierin nachstehend offenbart.
DEFINITIONEN
Die Begriffe "zwei Regionen aufweisende Faser", "entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser" und "BRF" („biregional fiber") werden hierin untereinander austauschbar verwendet und bezeichnen im allgemeinen eine Faser, die bevorzugt aus einer einzelnen homogenen Polymerzusammensetzung, z. B. Acrylpolymeren, umfassend Homopolymere, Copolymere und Terpolymere und dergleichen hergestellt ist, umfassend einen Innenkernbereich aus einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung und einen umhüllenden Außenmantelbereich aus einem warmgehärteten kohlenstoffhaltigen Material. Es ist jedoch jederzeit möglich, und ist dem Durchschnittskönnen des Fachmanns zuzurechnen, die zwei Regionen aufweisende Faser aus zwei oder mehreren Polymeren unterschiedlicher Zusammen setzungen und Kristallinitätskoeffizienten herzustellen, insbesondere wenn zusätzliche Leistungsmerkmale erwünscht werden. In genaueren Worten kann die zwei Regionen aufweisende Faser in einer Mantel-Kern-Konfiguration hergestellt werden, wobei der Mantel eine Acrylzusammensetzung oder eine andere geeignete carbonisierbare Vorläuferzusammensetzung ist, und der Kern aus einem kompatiblen Polymer zusammengesetzt ist, wie etwa Modacryl- oder Subacrylpolymer, PVC (Polyvinylchlorid), modifiziertem PVC und dergleichen. Vom Fachmann wird unschwer erkannt werden, dass Stabilisierung und Carbonisierung einer Mantel-Kern-Faser zu einem äußersten Bereich eines duroplastischen carbonisierten Materials, einem Zwischenübergangsbereich eines stabilisierten thermoplastischen Polymers, die beide von einer ersten Polymerzusammensetzung abgeleitet sind, und einem thermoplastischen Innenkern, der aus einer zweiten, von der ersten Polymerzusammensetzung verschiedenen Polymerzusammensetzung zusammengesetzt ist, führen kann. Diese Mantel-Kern-Faser könnte daher aus einem entzündungsbeständigen kohlenstoffhaltigen Außenmantel, einem Zwischenbereich, und einem Innenkern einer thermoplastischen Zusammensetzung, welcher der Faser Biegsamkeit und Zähigkeit vermittelt, bestehen.
Der Begriff "homogen" im Zusammenhang mit einer homogenen Polymerzusammensetzung bezeichnet eine Zusammensetzung, die durchwegs die gleiche ist, d. h. aus einer einzelnen Polymerzusammensetzung mit einem einzigen Kristallinitätskoeffizienten und Schmelzpunkt besteht.
Der Begriff "zwei Regionen aufweisende Vorläuferfaser" oder "BRPF" („biregional precursor fiber") wird hierin untereinander austauschbar verwendet und betrifft eine Faser, welche von einer einzelnen homogenen Polymerzusammensetzung abstammt, obwohl beabsichtigt ist, dass auch Gemische, umfassend eine homogene Polymerzusammensetzung mit inerten Submikrometerteilchen oder dergleichen, über die Zusammensetzung verteilt, vom Umfang der Erfindung umfasst werden sollen.
Die erfindungsgemäße BRPF unterscheidet sich gegenüber dem vorliegenden Stand der Technik durch eine innere Kernregion aus einer thermoplastischen Polymerzusammensetzung und einem oxidativ stabilisierten, umhüllenden Außenmantelbereich. Die äußere stabilisierte Mantelregion der Faser besitzt eine hohe Erweichungstemperatur bis hin zu keiner Erweichungstemperatur und kann den hohen Temperaturbedingungen der Carbonisierung ohne eine nachteilige Wirkung auf die Faser standhalten, d. h. die Carbonisierung der Faser beeinflusst nicht die Integrität der thermoplastischen Zusammensetzung des Innenkerns, da er durch die umhüllende stabilisierte äußere Mantelregion abgeschirmt ist. Die erfindungsgemäße BRPF unterscheidet sich weiterhin von vollständig oxidationsstabilisierten Fasern (OPF) des Standes der Technik durch den Anstieg des Torsionbruchwinkels, der von 17 bis 25 Grad reicht, ohne irgendeine Scherung zu zeigen. Im Gegensatz dazu zeigen Standard-OPF-Fasern eine Scherung bei einem Torsionsbruchwinkel von 15 bis 17 Grad.
Die erfindungsgemäße BRPF wird tatsächlich zu einer "zwei Regionen aufweisenden Vorläuferfaser", wie definiert, bei der Herstellung der BRF, d. h. einer entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser mit einem carbonisierten Außenmantelbereich. Oxidation und Zyklisierung der Polymerfaser findet im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen 150°C bis 350°C und während eines Zeitraums statt, der ausreichend ist um einen Außenmantel aus oxidationsstabilisiertem thermoplastischem Polymermaterial einer gewünschten Schichtdicke zu erzeugen (mehr als 5 Minuten aber normalerweise weniger als 180 Minuten). Es wird verstanden werden, dass eine Stabilisierung einer Polymerzusammensetzung durch andere Mittel als "Oxidation" bewirkt werden kann, wie beispielsweise durch chemische Oxidantien, welche bei niedrigeren Temperaturen angewandt werden.
Die hierin verwendeten Begriffe "entzündungsbeständig" („ignition resistant") oder "nicht-flammbar" bezeichnen im allgemeinen die Eigenschaft eines Teststücks, bei Aussetzen in Luft einer Zündquelle (einer Flammenquelle) bei einer Temperatur von 1000°C oder darüber, Verbrennung nicht zu unterhalten. Entzündungsbeständigkeit wird bestimmt mittels eines LOI-Tests, welcher auch als der "Sauerstoffindex-" oder "limitierte Sauerstoffindex-" (LOI, limited oxygen index) Test bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird die Sauerstoffkonzentration in O₂/N₂Gemischen bestimmt, bei denen ein vertikal befestigtes Teststück bei Entzündung an seinem oberen Ende die Verbrennung gerade unterhält. Die Größe des Teststücks beträgt 0,65–0,3 cm in der Breite und es hat eine Länge von 7 bis 15 cm. Der LOI-Wert wird berechnet nach der Gleichung
Der hierin verwendete Begriff "kohlenstoffhaltiger Mantelbereich" bezeichnet den resultierenden BRF-Außenmantelbereich, welcher hergestellt wird durch Carbonisierung mindestens eines Teils des stabilisierten Außenbereichs einer BROF, was in einer inerten Atmosphäre und bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt wird, und wobei die existierenden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen beibehalten werden und neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen geschaffen werden, während Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff aus der Molekularstruktur des Außenbereichs entfernt werden, und ohne eine vollständige Carbonisierung über den gesamten Querschnitt der Faser hervorzurufen. In Abhängigkeit von dem besonderen gewünschten Endverwendungszweck kann der kohlenstoffhaltige Außenmantelbereich der Faser auf einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 68 Gew.-% und bis zur Graphitierung, wobei der Kohlenstoffgehalt 98 Gew.-% übersteigt, carbonisiert werden.
Der Begriff "Kohlenstofffaser" ist bekannt und bezeichnet im allgemeinen eine Faser mit einem gleichförmigen Kohlenstoffgehalt über einen Faserquerschnitt von mehr als 92%, während der Begriff "Graphitfaser" oder "graphitische Faser" im allgemeinen auf eine Faser mit einem gleichförmigen Kohlenstoffgehalt über einen Faserquerschnitt von mehr als 98% angewandt wird. Hierin ist vorgesehen, dass der Begriff "kohlenstoffhaltig" den Außenmantelbereich der erfindungsgemäßen entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser BRF, der auf einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 68 Gew.-% carbonisiert worden ist, bezeichnet.
Der hierin verwendete Begriff "duroplastisch" bezeichnet Polymerzusammensetzungen, die eine wärmeinduzierte Vernetzungsreaktion der Molekularbestandteile durchgemacht haben, wobei das Polymer irreversibel „gehärtet" worden ist. Ein duroplastisches Polymer hat unter Carbonisierungsbedingungen im wesentlichen keine Tendenz zum Schmelzen oder Erweichen und zeigt kein Brechen des carbonisierten Außenbereichs der Faser bei beispielsweise Aussetzen der Faser einem Torsionswinkel von mehr als 5 Grad (wie nachstehend hierin definiert). Der Torsionsbruchwinkel variiert natürlich und ist abhängig vom Carbonisierungsgrad, d. h. dem Kohlenstoffgehalt des carbonisierten Außenmantels und der Tiefe der Carbonisierung in die Faser hinein. Die Torsionsbruchwinkel für verschiedene Typen erfindungsgemäßer zwei Regionen aufweisender Fasern sind nachstehend in Tabelle II angegeben.
Der Begriff "Biegespannung" („bending strain") wie hierin verwendet ist definiert in „Physical Properties of Textile Fibers" von W. E. Morton und J. W. S. Hearle, The Textile Institute, Manchester, England (1975), Seiten 407–409. Die prozentuale Biegespannung einer Faser kann bestimmt werden durch die Gleichung S = (r/R) × 100, worin S die prozentuale Biegespannung ist, r der wirksame Faserquerschnittradius ist, und R der Kurvenradius der Krümmung ist. Das bedeutet, wenn die Neutralebene in der Fasermitte bleibt, ist die maximale prozentuale Biegespannung, die auf der Außenseite der Krümmung positiv ist und auf der Innenseite der Krümmung negativ ist, gleich (r/R) × 100 bei einem zirkulären Faserquerschnitt.
Der hierin verwendete Begriff "biegsam" bezeichnet spezifisch BRFs mit einem Biegespannungswert von größer 0,01 bis kleiner 50%, bevorzugt von 0,1 bis 30%.
Der Begriff "Torsionsbruchwinkel α" („breaking twist angle α") wie hierin verwendet ist definiert in „Physical Properties of Textile Fibers" von W. E. Morton und J. W. S. Hearle, The Textile Institute, Manchester, England (1975), Seiten 421–425. Wenn eine Faser stark genug verdrillt wird, bricht sie schließlich. Der Punkt, an dem dieser Bruch auftritt, wird die "Bruchtorsion" genannt. Die Anzahl von Umdrehungen bis zum Bruch ist invers proportional zum Faserdurchmesser. Um eine charakteristische Eigenschaft des Fasermaterials zu erhalten, kann man den Torsionsbruchwinkel α verwenden. Dies ist der Winkel, über den die Außenlage bis zum Abscheren verdreht werden kann, und er ist gegeben durch die Formel: tanα = πdτb worin d = Faserdurchmesser und τ_b = Bruchtorsion in Umdrehungen pro Längeneinheit.
Der hierin verwendete Begriff "Scherempfindlichkeit" bezeichnet allgemein die Tendenz einer Faser, infolge von Kräften wie etwa den durch Verdrehen verursachten, entlang einer Ebene im Faserquerschnitt zu brechen. In der Praxis bedeutet dies, dass wenn Fasern bestimmten Textilarbeitsschritten ausgesetzt werden, wie etwa dem Einziehschritt in einem Garnmischverfahren, übt das Streckwerk eine erhebliche Scherung auf die einzuziehenden Fasern aus. Scherempfindliche Fasern zeigen eine erhebliche Schädigung, wenn nicht vollständigen Bruch, während scherbeständige Fasern in diesem Verfahrensschritt keinen nennenswerten Bruch zeigen.
Umgekehrt betrifft der Begriff "scherbeständig" Fasern, die nicht zu erheblichem Brechen neigen, wenn sie Textilarbeitsschritten, wie etwa Einziehen oder Verdrillen, welche erhebliche Scherbelastungen auf die zu verarbeitenden Fasern ausüben, ausgesetzt werden.
Der hierin verwendete Begriff "Massewiderstand" bezeichnet allgemein den Wirkwiderstand einer entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands der Zusammensetzung jedes Bereichs und des durch jeden Bereich repräsentierten Flächenanteils, d. h. dem besonderen Verhältnis (r : R), wie es für eine Faser mit vorbestimmten ausgewählten Eigenschaften zutrifft.
Der hierin verwendete Begriff "Polymerzusammensetzung" umfasst diejenigen Polymermaterialien wie in Hawley's Condensed Chemical Dictionary, elfte Auflage, Seite 938, definiert.
Der Begriff „Kräuselung" ("crimp"), wie hierin verwendet, bezeichnet die Welligkeit oder Nichtlinearität einer Faser oder eines Faserseils, wie in "Man Made Fiber and Textile Dictionary" von der Celanese Corporation definiert.
Der hierin verwendete Begriff "Faserzusammenstellung" betrifft mehrere BRPFs oder BRFs, die in Form eines Garns, eines wollähnlichen Flaums, einer Watte, einer Matte, eines Gewebes oder Filzes vorliegen; ein Gemisch der BRPFs oder BRFs mit anderen Natur- oder Polymerfasern, eine durch Kompression gebildete Lage, Platte oder Matte der Fasern, im allgemeinen mit einem niedrigen Prozentsatz von kleiner 10% eines Bindemittels, insbesondere Bindefasern, ein gewirktes oder gewebtes Tuch oder Gewebe, oder dergleichen.
Der hierin verwendete Begriff "Kohäsion" oder "Zusammenhalt" bezeichnet die Kraft, welche Fasern zusammenhält, insbesondere während der Herstellung von Garn. Sie ist eine Funktion der Art und Menge an verwendetem Gleitmittel und der Faserkräuselung.
Der Begriff "Längenverhältnis" ist hierin definiert als das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (l/d) einer Faser.
Sämtliche Prozentangaben hierin sind in "Gewichtsprozent" angegeben, sofern es nicht anders angegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt dahingehend eine erhebliche Abweichung vom derzeitigen Stand der Technik dar, dass es nicht länger erforderlich ist, Polymerfasern über ihren gesamten Querschnitt hinweg vollständig oxidativ zu stabilisieren, sondern dass derartige Fasern nunmehr als oxidativ stabilisierte zwei Regionen aufweisende Vorläuferfasern (BRPF) hergestellt werden können, indem das Ausmaß der Stabilisierung auf einen Außenbereich der Fasern begrenzt wird, so dass die zur wirksamen Stabilisierung der Fasern erforderliche Zeitdauer erheblich verringert wird, was eine erhebliche Verringerung der Herstellungskosten der BRPF zur Folge hat. Unter "wirksam stabilisiert" wird verstanden, dass die Faser die charakteristischen Eigenschaften einer vollständig stabilisierten Faser aufweist, und den höheren, im Carbonisierungsschritt verwendeten Temperaturen ausgesetzt werden kann.
Dementsprechend ist es im erfindungsgemäßen Verfahren nicht länger notwendig, die BRPFs vollständig zu carbonisieren, sondern die Carbonisierungsdauer kann verringert werden, indem mindestens ein Teil jeder Faser, der oxidativ stabilisiert worden ist, carbonisiert wird, wodurch der Zeit- und Energieaufwand für die Herstellung der BRFs verringert wird, während wichtige charakteristische Eigenschaften bezüglich des Leistungsverhaltens der Faser, insbesondere ihre Biegsamkeit, Dehnbarkeit und Scherempfindlichkeit verbessert werden. Es ist nicht essentiell, dass die Carbonisierung in einem Ausmaß durchgeführt wird, so dass sie exakt gleich mit dem Ausmaß der Stabilisierung ist. In anderen Worten kann die Carbonisierung der BRPF etwas geringer sein als das Ausmaß des stabilisierten Außenbereichs oder sie kann etwas größer sein als das Ausmaß des stabilisierten Außenbereichs. Es wurde festgestellt, dass im letzteren Fall eine Carbonisierung des nicht-stabilisierten thermoplastischen Innenkernbereichs keine exotherme Durchgangsreaktion zur Folge hat und in keiner Weise die Unversehrtheit der endgültigen Faser beeinflusst.
Es ist daher ein besonderer Gegenstand der Erfindung, eine Vorläuferfaser bereitzustellen, aus der eine biegsame entzündungsbeständige BRF abgeleitet werden kann, hergestellt aus einer einzelnen homogenen Polymerzusammensetzung abstammt, wobei die BRF einen Innenbereich aus einem thermoplastischen Polymerkern und einen umhüllenden Außenbereich aus einem duroplastischen kohlenstoffhaltigen Mantel aufweist.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine biegsame BRPF bereitzustellen, abgeleitet von einer homogenen Polymerzusammensetzung, wobei die Faser im Querschnitt einen Innenbereich aus einem thermoplastischen Polymerkern und einen umhüllenden Außenbereich aus einem oxidativ stabilisierten thermoplastischen Mantel besitzt.
Verschiedene Zusammenstellungen können aus einer Vielfalt der neuen erfindungsgemäßen Fasern, d. h. BRPF oder BRF oder aus Gemischen davon hergestellt werden, wobei die Zusammenstellungen Seile, nichtgewebte Zusammenstellungen wie etwa beispielsweise einen wollähnlichen Flaum, eine Watte, eine Matte, einen Filz und dergleichen, Gemische der zwei Regionen aufweisenden Fasern mit anderen Natur- oder Polymerfasern, eine durch Kompression gebildete oder verdichtete Lage oder Matte der zwei Regionen aufweisenden Fasern, welche üblicherweise einen niedrigen Prozentsatz von kleiner 10% eines Polymerbindemittels, insbesondere Bindefasern enthält, oder ein Gewirk oder Gewebe und dergleichen umfassen. In jeder dieser Zusammenstellungen oder Strukturen können die BRPF oder BRF linear oder gekräuselt oder ein Gemisch davon sein.
Mehrere gekräuselte erfindungsgemäße zwei Regionen aufweisende Fasern in Form eines wollähnlichen Flaums oder einer Watte mit beträchtlichem Loft können als eine entzündungsbeständige Wärmeisolierung für Gebäude, wie etwa Wohngebäude, Bürogebäude oder öffentliche Gebäude etc. verwendet werden. Obwohl diese Wärmeisolierungsfasern bevorzugt zwei Regionen aufweisende Fasern sind, können sie auch BRPF oder ein Gemisch aus den BRF und den BRPF sein. In Abhängigkeit vom Carbonisierungsgrad des Mantels der BRF, d. h. elektrisch nicht-leitfähig, semi-leitfähig oder leitfähig, können die Fasern auch für verschiedene andere Zwecke eingesetzt werden, wie etwa als ein antistatisches oder elektromagnetisch abschirmendes Material, als ein entzündungsbeständiges wärmeisolierendes und schallabsorbierendes Material in Flugzeugen oder als eine feuerbeständige Platte in Fahrzeugen wie etwa Kraftfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Schiffen, etc. Zwei Regionen aufweisende Fasern, die graphitiert und stark elektrisch leitfähig sind (BRF-B), sind besonders gut geeignet als Elektroden in sekundären Energiespeichervorrichtungen.
Die erfindungsgemäßen Fasern können mit anderen Natur- oder Polymerfasern gemischt werden. Diese Fasern sind besonders geeignet zur Herstellung von Garn für die Textilherstellung. Lineare oder nicht-lineare oder gekräuselte BRPFs oder BRFs im Gemisch mit anderen Natur- oder Synthesefasern sind geeignet in Form eines wollähnlichen Flaums, der in Kleidungsgegenständen wie etwa beispielsweise Jacken, Decken oder Schlafsäcken verwendet werden kann.
Die BRFs oder BRPFs können als ein Verstärkungsmaterial in einer Polymermatrix verwendet werden, wobei ein faserverstärkter Verbundstoff gebildet wird. Die Fasern können linear, nicht-linear oder ein Gemisch aus den linearen und nicht-linearen Fasern sein und können auf mindestens eine Oberfläche der Polymermatrix aufgebracht sein oder in der Polymermatrix verteilt sein. Wenn die BRFs auf die Oberfläche einer Polymerplatte wie beispielsweise einer Platte aus einem Polystyrolpolymer aufgebracht werden, vermitteln nur etwa 10 Gew.-% der Fasern, bezogen auf das Gesamtgewicht der Platte, der Platte Entzündungsbeständigkeit. Wenn die BRFs in der Polymerplatte verteilt sind, in einer Menge von bis zu 95 Gew.-%, liefern die Fasern einen Verbundstoff mit verbesserter Entzündungsbeständigkeit sowie Vibrations- und Schlagzähigkeit und Adhäsion.
Terminale und/oder bipolare Elektroden können für sekundäre Energiespeichervorrichtungen wie etwa Batterien einschließlich Lithiumionenzellen unter Verwendung der neuen erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Fasern hergestellt werden. Es können mehrere verschiedene Batteriearten hergestellt werden unter Verwendung mindestens einer der Elektroden und einer Lithiumionenbatterie unter Verwendung einer pseudo-bipolaren Elektrode, wobei die neuen erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Fasern verwendet werden, wobei ein Teil davon mit einem Lithiumsalz eines Metalloxids beschichtet ist.
Die erfindungsgemäße zwei Regionen aufweisende Faser kann mit einer konformen Silikonbeschichtung bereitgestellt werden, um die entzündungsbeständigen Eigenschaften der Faser zu verstärken.
Eine Zusammenstellung aus mehreren der erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Fasern kann bereitgestellt werden mit einer Beschichtung aus einem hydrophoben Material, um die Zusammenstellung schwimmfähig zu machen.
Mehrere der erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Fasern können in Form einer Watte, eines Gurtbands oder dergleichen als ein elektromagnetisch abschirmendes Material verwendet werden. Gegebenenfalls kann das Abschirmmaterial in eine Polymermatrix eingebaut werden um eine Platte zu bilden.
Weitere Gegenstände der Erfindung, die vorstehend hierin nicht spezifisch aufgeführt worden sind, werden beim Lesen der ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser mit einem im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt, erhalten aus einer erfindungsgemäßen Vorläuferfaser.
2 ist eine Querschnittsansicht eines bevorzugten dreiblättrigen Querschnitts einer erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Faser, erhalten aus einer erfindungsgemäßen Vorläuferfaser
3 ist eine Schemadarstellung eines Ablaufplans der Verfahrensschritte zur Herstellung der entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern, und verschiedener Endverwendungen.
AUSFOHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der Herstellung von kohlenstoffhaltigen Fasern wird eine Stabilisierung von Polymerfasern im allgemeinen durchgeführt in einer oxidierenden Atmosphäre und unter Zugspannung bei einer moderat erhöhten Temperatur von normalerweise 150°C bis zu 350°C für PAN- (Polyacrylnitril-) fasern und während eines Zeitraums, der ausreichend ist um eine vollständige Permeation von Sauerstoff über die gesamte Faser hinweg zu erreichen, und danach Wärmebehandeln der "oxidierten PAN-Faser" (OPF) in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, üblicherweise unter Zugspannung, bei einer Temperatur oberhalb 750°C, wobei eine Faser hergestellt wird, die über einen Querschnitt der Faser carbonisiert ist, d. h. über das gesamte Fasermaterial. Fasern, die bei einer Temperatur oberhalb 1500°C behandelt werden, haben normalerweise einen Kohlenstoffgehalt von größer 92% und sind als Kohlenstoff- oder Graphitfasern mit hoher Zugfestigkeit gekennzeichnet. Eine Stabilisierung der Fasern beinhaltet (1) eine oxidative Vernetzungsreaktion nebeneinander liegender Molekülketten sowie (2) eine Cyclisierungsreaktion von Nitratseitengruppen zu einer kondensierten heterocyclischen Struktur. Der Reaktionsmechanismus ist komplex und nicht leicht erklärbar. Es wird jedoch angenommen, dass diese beiden Reaktionen gleichzeitig und möglicherweise konkurrierend ablaufen. Die Cyclisierungsreaktion ist exothermer Natur und muss gesteuert werden, sofern die Fasernatur des Acrylpolymers, das die Stabilisierung durchmacht, bewahrt werden soll.
Da die Reaktionen stark exothermer Natur sind, ist die Gesamtmenge an freigesetzter Wärme derart groß, dass eine Temperatursteuerung schwierig ist. Es muss Sorgfalt aufgewandt werden, um nicht eine zu große Anzahl eng benachbarter Fasern zu prozessieren, was einen lokalisierten Hitzestau verursachen und Wärmetransfer an die Atmosphäre, welche die Fasern in der Faserzusammenstellung (z. B. ein Faserseil oder eine Gewebe oder Gewirk) umgibt, behindern würde. Tatsächlich hat die Oxidationsstabilisierung von Acrylfasern ein beträchtliches Potential für eine Durchgangsreaktion. Weiterhin werden während dieses Schritts Spurenmengen von Cyanwasserstoff erzeugt, und gegebenenfalls muss durch Injektion von Stickstoff verhindert werden, dass die Konzentration dieser Komponente in der Atmosphäre des Ofens in den explosiven Bereich gelangt. Dementsprechend überwinden Techniken aus dem bekannten Stand der Technik dieses Problem durch Erwärmen der Fasern bei einer moderaten Temperatur und einem gesteuerten Sauerstoffgehalt während vieler Stunden. Eine Steuerung der sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z. B. Luft, kann durch Verdünnen der Luft mit Stickstoff erreicht werden.
Da thermische Stabilisierung tendenziell übermäßig zeitraubend und kostenintensiv ist, sind auch verschiedene andere Ansätze vorgeschlagen worden um die gewünschte Reaktion zu beschleunigen, z. B. mittels der Verwendung von Stabilisations-fördernden Mitteln und/oder chemische Modifikation der Acrylfaser, bevor sie pyrolysiert werden kann. Diese Ansätze haben jedoch ebenfalls zu den Herstellungskosten beigetragen und den Zeitraum für die Bearbeitung der Fasern weiter verlängert.
Es wurde nunmehr herausgefunden, dass das Ausmaß der Oxidationsstabilisierung einer Polymerfaser wie etwa beispielsweise einer Acrylfaser erheblich verringert werden kann, indem nur ein Außenteil oder Außenbereich (bei Betrachtung im Querschnitt) der Faser oxidiert wird, während der Innenteil oder Innenkern der Faser in einem thermoplastischen und nicht-stabilisierten Zustand bleibt. Die Stabilisierung lediglich eines Außenbereichs einer Faser kann daher über einen viel kürzeren Zeitraum durchgeführt werden, in Abhängigkeit von der gewünschten Schichtdicke des stabilisierten Faseraußenmantels. Normalerweise beträgt das Verhältnis des Radius des Kerns zum Gesamtradius der Faser von 1 : 4 bis 1 : 1,05, bevorzugt von 1 : 3 bis 1 : 1,12. Bei einem Verhältnis von 1 : 4 kann berechnet werden, dass der Volumenprozentsatz, welcher durch den Kern dargestellt wird, etwa 6 Volumen-% beträgt, womit etwa 94% für den Außenmantel verbleiben. Bei einem Verhältnis von 1 : 1,05 beträgt der Volumenprozentsatz für den Kern etwa 91%, womit etwa 9% für den Außenmantel verbleiben. Es ist im allgemeinen bevorzugt, das Verhältnis bei einem Wert zu halten, bei dem das Volumen des Außenmantels relativ gering ist, bevorzugt weniger als 25%, was ein Verhältnis von 1 : 1,12 bis kleiner 1 : 1,15 bedeutet, um die Oxidationsdauer oder Carbonisierungsbehandlung auf einem Minimum zu halten ohne das vorgesehene kommerzielle Leistungsverhalten der Faser zu beeinträchtigen.
Es wird verstanden werden, dass das Verhältnis in Abhängigkeit vom Endgebrauch oder gewünschten physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Faser auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden kann. Beispielsweise wäre ein Verhältnis von 1 : 1,12 bis 1 : 1,16 zur Verwendung mehrerer der zwei Regionen aufweisenden Fasern als thermische Isolation für Baustrukturen völlig zufriedenstellend, während ein Verhältnis von 1 : 2 bis zu 1 : 3 für entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Fasern oder zur Verwendung als eine Elektrode für sekundäre Energiespeichervorrichtungen ausreichend wäre.
Die BRPFs werden wärmebehandelt in einer inerten Atmosphäre und während eines Zeitraums, der ausreichend ist um einen Außenbereich eines warmgehärteten kohlenstoffhaltigen Mantels zu bilden, der bevorzugt im wesentlichen die gleiche Schichtdicke aufweist wie der stabilisierte Außen mantel der Faser. Es wird jedoch verstanden werden, dass die Bearbeitungsbedingungen schwierig zu steuern und auf einen absolut exakten Grad einzuhalten sind, so dass eine präzise Übereinstimmung der Carbonisierung auf ausschließlich den oxidationsstabilisierten Bereich der Faser vorliegt. Es ist nunmehr herausgefunden worden, dass dies unkritisch ist und dass eine exakte Übereinstimmung der Bereiche nicht unbedingt erforderlich ist. In anderen Worten kann der oxidationsstabilisierte Bereich zu einem derartigen Ausmaß carbonisiert werden, dass die Carbonisierung in den thermoplastischen Kernbereich hinein reicht, ohne Schädigung des Faserinnenkerns oder der Faser an sich.
Es wurde auch überraschenderweise herausgefunden, dass die Oxidationsstabilisierung von Polymerfasern gesteuert, d. h. an jedem beliebigen Punkt angehalten werden kann, wobei zwei Bereiche erzeugt werden, die visuell und physikalisch voneinander verschieden sind, und dass diese BRPFs fähig sind, die nachfolgende Carbonisierungsbehandlung auszuhalten. Derzeit wird im bekannten Stand der Technik gelehrt, dass eine Oxidationsstabilisierung in einem derartigen Ausmaß durchgeführt werden muss, bis das gesamte Fasermaterial ausreichend oxidiert ist, um die Faser für eine nachfolgende Carbonisierung der Fasern zu stabilisieren, da davon ausgegangen wird, dass der thermoplastische Polymermaterialanteil einer partiell oxidierten Faser bei Temperaturen oberhalb 200°C höchst reaktiv ist (siehe „High Performance Fibers" 11, Seite 151). Es ist die Erwartung des Fachmanns, dass kohlenstoffhaltige Fasern ohne eine vollständige Stabilisierung der Fasern vor ihrer Behandlung bei einer höheren Temperatur und in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, um Carbonisierung zu bewirken, nicht hergestellt werden können. Es ist daher überraschend, dass eine Stabilisierung und dementsprechend Carbonisierung der Fasern nicht das gesamte Fasermaterial umfassen muss, sondern dass ohne eine Beeinträchtigung der Durchführung des Verfahrens an sich oder des Gesamtleistungsverhaltens der resultierenden Fasern für deren vorgesehenen Zweck eine derartige partielle Behandlung durchgeführt werden kann.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die typischen physikalischen Eigenschaften für verschiedene Fasertypen, einschließlich der erfindungsgemäßen Fasern (BRF und BRPF):
Tabelle I
Aus der Tabelle kann beispielsweise geschlossen werden, dass die erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Fasern in Abhängigkeit von ihrer besonderen Verwendung und der Umgebung, in die sie eingebracht werden, grob in drei Gruppen klassifiziert werden können.
In einer ersten Gruppe (BRF-1) kann die zwei Regionen aufweisende Vorläuferfaser (BRPF) zu einem Ausmaß carbonisiert werden, wobei der kohlenstoffhaltige Außenmantel der Faser partiell carbonisiert ist und einen Kohlenstoffgehalt größer 68 Gew.-% aber kleiner 85 Gew.-% hat, elektrisch nicht leitfähig ist und keine elektrostatisch ableitenden Eigenschaften hat. Eine Faserzusammenstellung aus mehreren solchen Fasern hat geringes Gewicht, ist nicht-entzündlich und hervorragend waschbar, und kann beispielsweise in Kleidungsstücken wie etwa Jacken, Decken, Schlafsäcken oder dergleichen verwendet werden. Die zwei Regionen aufweisenden Fasern können auch beispielsweise zu einer Watte oder zu einem Gurtband ausgebildet werden, die bzw. das mit anderen Synthese- oder Naturfasern, umfassend Baumwolle, Wolle, Polyester, Polyolefin, Nylon, Reyon etc., gemischt sein kann. Mischfasern oder Garn sind nicht-entzündlich und hervorragend zur Verwendung in Geweben, Teppichen etc. geeignet. Es sollte bemerkt werden, dass die BRPF als ein kommerzielles Produkt geeignet ist und für jede der vorstehend hierin angegebenen Endverwendungen verwendet werden kann. Bei Verwendung der BRPFs beispielsweise als Wärmeisolationsmaterial erfüllen sie auch die Funktion eines flammhemmenden Mediums, da ein Ausbruch eines Feuers den oxidationsstabilisierten Außenbereich der Faser in einen kohlenstoffhaltigen Bereich überführen wird, während Sauerstoff vom Kontakt mit dem thermoplastischen polymeren Innenkernbereich der Faser abgehalten wird, aufgrund thermischer Abschirmung durch den stabilisierten Außenbereich.
Der Begriff elektrisch nicht-leitfähig, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, bezeichnet eine Faser mit einem Massewiderstand von 10² bis 10⁸ Ohm-cm. Es wurde herausgefunden, dass für eine von einer Acrylfaser abgeleitete BRF-1 ein Stickstoffgehalt des kohlenstoffhaltigen Außenmantels von 22 Gew-% oder darüber zu einer elektrisch nicht-leitfähigen Faser führt. BRF-1 dieser Gruppe haben normalerweise eine Dichte von 1,45 bis 1,60 g/cm³, ein Elastizitätsmodul von kleiner 1 MM psi, eine Bruchdehnung von 4% bis 12% und einen Torsionsbruchwinkel von 9 bis 13 Grad. Die Faser ist nicht messbar scherempfindlich und kann auf Standard-Textilanlagen leicht verarbeitet werden, einschließlich scherintensiven Arbeitsgängen wie etwa Einzieharbeitsgängen. Wenn diese Fasern einem Torsionswinkel von etwa 9 Grad ausgesetzt werden, bricht der Außenmantel, aber der Innenkern bleibt intakt und daher bricht die Faser nicht. Bei einem Torsionswinkel größer als etwa 9 bis 13 Grad bricht die Faser tatsächlich. Dies steht in ausgeprägtem Gegensatz zu vollständig carbonisierten oder graphitierten Fasern des derzeitigen Standes der Technik, die bei Aussetzen gegenüber einem Torsionswinkel von größer 3 Grad brechen.
In einer zweiten Gruppe (BRF-2) kann die Faser zu einem Ausmaß carbonisiert werden, so dass der kohlenstoffhaltige Außenmantel der Faser eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist, d. h. die Faser ist partiell elektrisch leitfähig und hat elektrostatisch ableitende Eigenschaften. Der kohlenstoffhaltige Außenmantel hat einen Kohlenstoffgehalt größer 68 Gew.-% aber kleiner 85 Gew.-%. Niedrige Leitfähigkeit bedeutet, dass die Faser einen Massewiderstand von 10³ bis 10⁰ Ohm-cm aufweist. Fasern dieser Gruppe haben normalerweise eine Dichte von 1,50 bis 1,65 g/cm³, ein Elastizitätsmodul von 1 bis 2 MM psi (6,9 bis 13,8 GPa), eine Bruchdehnung von 3% bis 9% und einen Torsionsbruchwinkel von 8 bis 10 Grad. Diese entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser weist eine geringe Scherempfindlichkeit auf, schneidet jedoch gut ab im Vergleich mit Fasern, die vollständig carbonisiert oder graphitiert sind und normalerweise stark scherempfindlich sind und bei Aussetzen an Torsionswinkel von größer 2 Grad brechen.
Eine Faserzusammenstellung aus mehreren BRF-2 ist nicht entzündlich und hervorragend geeignet zur Verwendung als beispielsweise Isolation für Raumfahrzeuge oder als Isolation in Bereichen, in denen die öffentliche Sicherheit von Bedeutung ist. Die aus mehreren BRF-2 gebildete Faserzusammenstellung besitzt ein geringes Gewicht, eine geringe Dampfabsorption, eine gute Abriebbeständigkeit, zusammen mit gutem Aussehen und Griff.
In einer dritten Gruppe (BRF-3) werden die Fasern zu einem Ausmaß verarbeitet, so dass der kohlenstoffhaltige Außenmantel der Faser elektrisch leitfähig ist und einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 85 Gew.-% aber kleiner 92 Gew.-%, und einen Stickstoffgehalt größer 5 Gew.-% aufweist. BRF-3 ist gekennzeichnet durch hohe elektrische Leitfähigkeit, das bedeutet, die Fasern haben einen Massewiderstand kleiner 10⁰ Ohm-cm. Fasern dieser Gruppe haben normalerweise eine Dichte von 1,65 bis 1,85 g/cm³, ein Elastizitätsmodul von 2 bis 18 MM psi (13,8 bis 124,2 GPa), eine Bruchdehnung von 3% bis 7%. Die Fasern weisen eine geringe Scherempfindlichkeit auf und können ohne zu brechen einen Torsionsbruchwinkel von 7 bis 9 Grad aushalten, was eine erhebliche Verbesserung darstellt, im Vergleich mit vollständig carbonisierten Fasern, die normalerweise extrem scherempfindlich sind und einen Torsionsbruchwinkel α von 1 bis 2 Grad aufweisen. Eine Watte aus mehreren solchen Fasern hat infolge deren höheren Kohlenstoffgehalts hervorragende Wärmeisolations- und Schallabsorptionseigenschaften. Eine derartige Watte zeigt auch gute Komprimierbarkeit und Elastizität, unter Beibehaltung verbesserter Wärmeisolationseffizienz. Die Watte findet besondere Verwendung bei der Isolation von Öfen und Bereichen großer Hitze und hohen Lärms.
Die nachfolgende Tabelle II zeigt die typischen Torsionsbruchwinkel in Grad für verschiedene Fasertypen einschließlich der erfindungsgemäßen Fasern:
Tabelle II
In einer vierten Gruppe (BRFB) kann die Faser zu einem Ausmaß carbonisiert werden, so dass der kohlenstoffhaltige Außenmantel der Faser stark elektrisch leitfähig ist und einen Kohlenstoffgehalt von größer 92 Gew.-% bis zu 99 Gew.-% hat. Umfangreiche Kategorien der herkömmlichen Fasern, die unter diese Gruppe fallen, sind in "Encyclopedia", siehe oben, Seite 641, offenbart und werden im allgemeinen als "hochfeste" und "Hochmodul-" Fasern definiert, bei denen die Behandlungstemperaturen im Bereich von 1000°C bis 2500°C liegen. BRF-B mit einem Kohlenstoffgehalt größer 92% im Außenmantel ist gekennzeichnet durch einen Massewiderstand kleiner 10^–2 Ohm-cm. Fasern dieser Gruppe haben normalerweise eine Dichte von etwa 1,70 bis 1,87 g/cm³, ein Elastizitätsmodul kleiner 1 MM psi (< 6,9 GPa) bis 30 MM psi (207 GPa), das aber auch bis zu 50 MM psi (345 GPa) betragen kann, in Abhängigkeit vom Carbonisierungsgrad, d. h. dem Kohlenstoffgehalt und der Schichtdicke des graphitischen Außenmantelbereichs. Diese Fasern haben eine Bruchdehnung von 2% bis 5% und sind etwas scherempfindlich, obwohl sie im Vergleich mit herkömmlichen Kohlenstoff- oder Graphitfasern, die normalerweise extrem scherempfindlich sind, immer noch gut abschneiden. Die Fasern sind besonders gut geeignet zur Verwendung in Elektroden in sekundären Energierspeichervorrichtungen, insbesondere Batterien. Die Fasern können ohne zu brechen einen Torsionsbruchwinkel von 4 bis 8 Grad aushalten, was eine erhebliche Verbesserung darstellt, im Vergleich mit vollständig carbonisierten und graphitierten Fasern des derzeitigen Standes der Technik, die extrem scherempfindlich sind und normalerweise einen Torsionsbruchwinkel α von 1 bis 2 Grad aufweisen.
Es wird verstanden werden, dass das Elastizitätsmodul für jede der vorstehend beschriebenen entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern etwas höher als angegeben sein kann, da das Elastizitätsmodul in hohem Maß vom Carbonisierungsgrad des Außenmantels und der Carbonisierungstiefe der Faser an sich, d. h. der radialen Schichtdicke des carbonisierten Außenbereichs der Faser abhängt.
Polymermaterialien, die hierin geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern verwendet werden können, umfassen jedes der bekannten Polymere, die stabilisiert und carbonisiert werden können, wobei die Fasern gebildet werden. Beispielhaft für solche Polymermaterialien sind Copolymere und Terpolymere von Polyacetylen, Polyphenylen und Polyvinylidenchlorid. Andere gut bekannte Polymermaterialien umfassen aromatische Polyamide (Kevlar^TM), Polybenzimidharz, Saran^TM und dergleichen. Mesomorphes Pech (Steinöl- oder Kohleteer), enthaltend teilchenförmige Verunreinigungen oder Zusätze, kann ebenfalls zweckmäßig verwendet werden. Bevorzugt ist die Polymerzusammensetzung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern ein Acryl- oder Subacrylpolymer (wie hierin nachstehend definiert).
Es ist in der Technik bekannt und ein akzeptierter, von der Federal Trade Commission geschaffener Standard, dass der Begriff "Acryl" alle langkettigen synthetischen Polymere bezeichnet, die aus mindestens 85 Molprozent Acrylnitrileinheiten und weniger 15 Molprozent eines anderen Polymers zusammengesetzt sind. Fasern aus diesen Acrylzusammensetzungen werden üblicherweise naßgesponnen und sind auf Fasern mit kreisförmigem Querschnitt beschränkt. Acrylpolymere, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern die Materialien der Wahl sind, werden ausgewählt aus einem oder mehreren der nachfolgenden: Homopolymeren auf Acrylnitril-Basis, Copolymeren auf Acrylnitril-Basis und Terpolymeren auf Acrylnitril-Basis. Die Copolymere enthalten normalerweise mindestens etwa 85 Molprozent Acrylnitrileinheiten und bis zu 15 Molprozent einer oder mehrerer Monovinyleinheiten, welche mit Acrylnitril copolymerisierbar sind, umfassend beispielsweise Methacrylsäureester und Acrylsäureester wie etwa Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat, Butylmethacrylat, Methylacrylat und Ethylacrylat; Vinylester wie etwa Vinylacetat und Vinylpropionat; Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure und deren Salze; Vinylsulfonsäure und ihre Salze.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, die erfindungsgemäßen Fasern aus einem Subacrylpolymer, wie in der ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung, Anmeldung Nr. 95202056.8, eingereicht am 27. Juli 1995 im Namen von F. P. McCullough beschrieben, herzustellen, welches aus einem langkettigen Polymer besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Copolymeren und Terpolymeren, enthaltend weniger als 85 Molprozent Acryleinheiten, aber mehr als 15 Molprozent der vorstehend erwähnten Monovinyleinheiten, damit copolymerisiert. Die Menge an Monovinyleinheiten, die in einem Subacrylpolymer vorhanden sein kann, beträgt bevorzugt von größer 15 Gew.-% bis 25 Gew.-%. Es können jedoch bis zu 35 Molprozent der Monovinyleinheiten mit den Acryleinheiten vermischt werden, wobei das Gemisch leichter durch eine oder mehrere Extrusionsdüsen schmelzextrudierbar gemacht wird, während das Polymergemisch in einem wärmeerweichten Zustand vorliegt. Der derart extrudierte wärmeerweichte Faden kann unter Druck gestreckt und verfeinert werden, wobei ein feinerer Faden (d. h. bei dem die Einheitslänge der Faser bezogen auf das Gewicht erhöht ist) mit einem relativ kleineren Durchmesser, verglichen mit extrudierten Fasern aus einem Standard-Acrylharz, gebildet wird. Das erfindungsgemäße Subacrylpolymer kann bevorzugt bei der Extrusion eines Fadens mit nicht-kreisförmigem Querschnitt verwendet werden.
Ein Weichmacher kann zugegeben werden oder mit einem hohen Polymer vermischt werden, um die Bearbeitung zu vereinfachen und die Biegsamkeit und Zähigkeit des Endprodukts durch interne Modifikation (Solvatisierung) des Polymermoleküls zu erhöhen. Geeignete Weichmacher können jede organische Verbindung sein, umfassend beispielsweise Vinylchlorid, Methylacrylat, Methylmethacrylat, Polyvinylchlorid und Celluloseester, Phthalate, Adipate und Sebacinsäureester, Polyole wie etwa Ethylenglykol und dessen Derivate, Trikresylphosphat, Castoröl, etc.
Die physische Gestalt der Polymerfasern, die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen oxidationsstabilisierten oder carbonisierten entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern zweckmäßig verwendet werden kann, kann diejenige der üblichen Faser mit einem im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt, mit einem Längenverhältnis von größer 100 : 1 sein.
Die erfindungsgemäßen Fasern haben bevorzugt eine nicht-kreisförmige Querschnittform, wie in Modern Textiles, 2. Auflage, 1982, von D. S. Lyle, John Wiley & Sons, beschrieben. In dem Kapital mit dem Titel "Fiber Properties", Seiten 41–63, sind verschiedene Natur- und Polymerfasern mit verschiedenen Oberflächenkonturen beschrieben, d. h. glatt, rauh, gezahnt, etc, von denen angegeben ist, dass sie Kohäsion, Elastizität, Loft und Dicke beeinflussen. Polymerfasern mit verschiedenen nicht-kreisförmigen Oberflächenformen sind in Tabelle 2–9 auf den Seiten 52 und 53 beschrieben und umfassen rohrförmig, dreieckig, unregelmäßig, gestreift, oval, etc. Auf Fasern mit nicht-kreisförmigem Querschnitt und deren Verwendung in Elektroden wird auch in der ebenfalls anhängigen U.S. Patentanmeldung Serial No. 08/372,446, eingereicht am 13. Januar 1995 in Namen von Francis P. McCullough, Bezug genommen. Die erfindungsgemäßen Fasern mit nicht-kreisförmigem Querschnitt sind bevorzugt mehrblättrig im Querschnitt, z. B. dreiblättrig oder fünfblättrig.
Die erfindungsgemäßen Fasern können einfacher und zu erheblich niedrigeren Herstellungskosten hergestellt werden aus einer unfiltrierten Polymerzusammensetzung wie etwa beispielsweise einem Acryl- oder Subacrylpolymer, welche von 0,0001 bis 5 Gew.-% teilchenförmige Anteile enthalten kann, wobei die einzelnen Teilchen einen Durchmesser von kleiner 0,1 Mikrometer, bevorzugt kleiner 0,001 Mikrometer aufweisen. Submikrometerteilchen sind in jeder Polymerzusammensetzung natürlicherweise vorhanden und sind somit auch in Polymerzusammensetzungen vorhanden, die extrudiert werden, um Fasern zu bilden, zur Verwendung beispielsweise bei der Herstellung von Textilgegenständen. Diese Teilchen sind im allgemeinen organische oder anorganische Materialien, die in einer Polymerschmelze oder der Spinnschmelze unlöslich sind. Der hierin verwendete Begriff "unfiltriert" bezeichnet Polymerzusammensetzungen, die im geschmolzenen Zustand und während der Herstellung nicht dem üblichen Mikrofiltrationsverfahren unterzogen werden, um Verunreinigungen, wie etwa nicht-polymere Einschlüsse, aus den Polymerzusammensetzungen zu entfernen.
Es ist auch vorgesehen und innerhalb des Umfangs der Erfindung, eine zusätzliche Menge Submikrometer-Teilchenmaterial wie beispielsweise etwa Quarzstaub, Calciumoxid und verschiedene andere anorganische Materialien wie etwa Silikate in die Polymerzusammensetzung einzubringen. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von 0,01 bis 2%, bevorzugt von 0,1 bis 1% dieser Submikrometerteilchen in die Polymerzusammensetzung die Bildung eines hohen Ordnungsgrads oder einer hohen Kristallinität in der Polymerzusammensetzung der Spinnfaser verringert. Wenn die BRPF anschließend erwärmt und in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre carbonisiert wird, fehlt ihr die Steifigkeit, die Sprödigkeit und das hohe Modul, welche normalerweise mit herkömmlichen Kohlenstoff- oder Graphitfasern assoziiert sind, während sie immer noch einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und eine gute gleichmäßige und zusammenhängende Oberflächenstruktur, frei von den Leerstellen, Poren und Vertiefungen, welche normalerweise mit adsorptiven Kohlenstoffmaterialien assoziiert sind, aufweist. Diese charakteristischen Eigenschaften unterschieden die erfindungsgemäßen BRFs von absorptiven Kohlenstoffmaterialien mit hoher Oberfläche.
Die erfindungsgemäßen Fasern sind im wesentlichen kontinuierlich, d. h. sie können in jeder gewünschten Länge hergestellt werden, sie können im wesentlichen linear oder nicht-linear sein (d. h. nicht-linear bedeutet gekräuselt in einer herkömmlichen Weise in einem Luftstrom, Stopfkasten oder Zahnradkräuselmechanismus), und weisen einen hohe Grad an Biegsamkeit auf, was sich darin äußert, dass die Faser eine erheblich höhere Beständigkeit gegenüber Scherung hat, nicht spröde ist und einen Biegespannungswert von größer 0,01 bis kleiner 50%, bevorzugt von 0,1 bis 30% hat. Diese Eigenschaften gestatten es, die erfindungsgemäßen Fasern zu einer Vielzahl von Zusammenstellungen oder Konfigurationen zur Verwendung in vielen verschiedenen Anwendungsarten, wie etwa Watten, Geweben, etc., auszubilden. Im Gegensatz dazu beträgt der Biegespannungswert einer herkömmlichen Kohlenstoff- oder Graphitfaser mit beispielsweise einem hohen Modul deutlich weniger als 0,01% und häufig weniger als 0,001%. Darüber hinaus ist die nicht-kreisförmige Querschnittform mehrerer erfindungsgemäßer nicht-linearer Fasern besonders vorteilhaft, z. B. insbesondere in Watten, da sie eine stark verschlungene Faserstruktur mit einem höheren thermischen R-Wert bei einer gegebenen Dichte ausbilden können als eine Watte, die Fasern mit einer im wesentlichen runden Querschnittform enthält. Dies liegt vorwiegend an Oberflächenwechselwirkungen zwischen den Fasern und etwas verstärkten Knudsen-Wirkungen. In Mischgarnen zeigt der nicht-kreisförmige Querschnitt der erfindungsgemäßen Fasern im Vergleich zu einer herkömmlichen Faser mit rundem Querschnitt auch größere Biegsamkeit und bruchfreie Entspannung nach Verbiegen, hauptsächlich aufgrund des kleineren scheinbaren Durchmessers der nicht-kreisförmigen Faserform. Obwohl die erfindungsgemäßen Fasern einen Durchmesser von bis zu 30 Mikrometern aufweisen können, ist es bevorzugt, die Fasern mit einem relativ kleinen Durchmesser von 2 bis 15 Mikrometern, bevorzugt von 4 bis 8 Mikrometern zu bilden, da der Durchmesser der Faser im allgemeinen proportional zu deren Oberfläche ist. In genaueren Worten haben zwei Fasern mit einem im allgemeinen runden oder kreisförmigen Querschnitt und einem Durchmesser von 5 Mikrometern etwa das 4-fache der Oberfläche einer einzelnen Faser mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern.
Wenn die BRF zur Verwendung als eine Elektrode für eine sekundäre Energiespeichervorrichtung vorgesehen ist, hat der carbonisierte Außenmantel der Faser bevorzugt eine Oberfläche von größer 1 bis 150 m²/g, bevorzugt von größer 5 m²/g und stärker bevorzugt von 10 bis 50 m²/g, solange das zur Erhöhung der Oberfläche verwendete Verfahren die Unversehrtheit der Oberflächenstruktur der Faser bewahrt. Die Oberfläche der nicht-kreisförmigen Faser ist erheblich höher als die einer im bekannten Stand der Technik gelehrten kreisförmigen Faser, welche im allgemeinen eine geringere Oberfläche bevorzugen, als man mit absorbierender Aktivkohle assoziieren würde (die eine Oberfläche von 50 bis 2000 m²/g hat). Absorbierende Aktivkohle hat bekanntermaßen eine sehr poröse und unregelmäßige Oberfläche und eine Oberfläche, die nicht im wesentlichen zusammenhängend, d. h. ohne Vertiefungen und Poren, ist. Der Grund für die Verwendung der erfindungsgemäßen BRFs mit einer zusammenhängenden Oberfläche und dennoch mit einer relativ großen Oberfläche liegt darin, das die Querschnittsgeometrie von dem typischen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt aus dem bekannten Stand der Technik zu dem hierin vorstehend beschriebenen nicht-kreisförmigen Querschnitt geändert wird, was die Oberfläche der Faser für einen gegebenen Durchmesser erhöht, während die Eigenschaften der unversehrten Oberflächenstruktur erhalten bleiben.
Bezugnehmend insbesondere auf 1 ist eine erfindungsgemäße entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Faser mit einem im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Die Faser wird allgemein bezeichnet durch Bezugszeichen 10 und sie umfasst einen Innenkernbereich 12 aus einem thermoplastischen Polymer und einen umhüllenden Außenbereich eines thermoplastischen stabilisierten Mantels oder eines duroplastischen kohlenstoffhaltigen Mantels. Die Faser hat einen nominalen Querschnittsdurchmesser, wenn sie durchgeschnitten wird, welcher die lineare Entfernung von einem beliebigen Punkt an der Faseraußenoberfläche durch die Fasermitte zu einem gegenüberliegenden Punkt an ihrer Außenoberfläche ist. Dementsprechend ist der nominale Durchmesser der kreisförmigen Faser gleichzeitig ihr "wirksamer" Durchmesser. Die erfindungsgemäße BRPF hätte im wesentlichen die gleiche Konfiguration, außer dass der Außenbereich der Faser oxidationsstabilisiert wäre.
Bezugnehmend auf 2 ist eine Faser, allgemein bezeichnet durch Bezugszeichen 20, mit einer im allgemeinen dreiblättrigen Querschnittsform dargestellt, was für einen gegebenen nominalen Außendurchmesser im Vergleich zu der kreisförmigen Faser von 1 eine größere Oberfläche bedeutet. Die Faser hat einen Innenkernbereich 22 aus einem thermoplastischen Polymer und einen oxidationsstabilisierten oder duroplastischen kohlenstoffhaltigen Mantel, dargestellt durch den dunkel hinterlegten Bereich 24. In der Faser mit dreiblättrigem Querschnitt wird der nominale Faseraußenradius bezeichnet durch den Pfeil Rn, der auf die äußerste gestrichelte Linie 26 zeigt, welche die Faser umgibt und im allgemeinen tangential entlang der Außenkanten der Blätter des Mantels verläuft. Der wirksame Faserradius ist bezeichnet durch den Pfeil Re, der auf die gestrichelte Linie 28 entlang der Täler der dreiblättrigen Faser zeigt. Der nominale Radius des Kerns ist bezeichnet durch den Pfeil Cn, der auf die gestrichelte Linie 30 zeigt, welche allgemein tangential entlang der Außenkanten der Blätter des Kerns 22 verläuft. Somit ist bei einer dreiblättrigen Faser der nominale Durchmesser dem nominalen Durchmesser einer Faser mit im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt äquivalent, aber ihr wirksamer Durchmesser Re, wie durch die gestrichelte Linie 28 dargestellt, ist erheblich kleiner. Der kleinere wirksame Durchmesser der dreiblättrigen Faser vermittelt der Faser nicht nur höhere Biegsamkeit, sondern eine solche Biegsamkeit wird auch dadurch verstärkt, dass der wirksame Radius des Kerns kleiner ist als der nominale Radius des Kerns, und zusätzlich dadurch, dass der Kern ein thermoplastisches Polymermaterial ist, mit einer inhärent höheren Biegsamkeit als der einer stabilisierten Faser, welche über ihren gesamten Querschnitt carbonisiert worden ist. Die verbesserte Biegsamkeit der entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser macht sich bemerkbar durch eine erheblich verringerte Scherempfindlichkeit der Faser, obwohl wie vorstehend angegeben die Scherempfindlichkeit der Faser hauptsächlich vom Verhältnis (r : R) und ihrer Massendichte bestimmt wird, d. h. die Scherempfindlichkeit steigt mit einer Erhöhung der Schichtdicke des kohlenstoffhaltigen Außenmantels und dessen Carbonisierungs- oder Graphitierungsgrad. Der Biegespannungswert der Faser beträgt im allgemeinen weniger als 50%, was dahingehend höchst vorteilhaft ist, dass relativ scharfe Knicke in der Faser gebildet werden können, ohne Brechen der Faser. Auch hier wird dadurch, dass die Faser nicht-kreisförmig ist und die zwei Regionen aufweisenden Konstruktion hat, der Biegespannungswert weiter verbessert.
Gegebenenfalls können die erfindungsgemäßen Fasern auch in Form einer hohlen oder im allgemeinen rohrförmigen Faser vorliegen, oder können mit einem oder mehreren zentralen Durchgängen in Längsrichtung des Faserkerns versehen sein. Diese Fasertypen sorgen für eine Einsparung hinsichtlich der Menge der verwendeten Polymerzusammensetzung, ohne Einbußen im Leistungsverhalten. Zusätzlich machen der bzw. die Innendurchgänge die Faser sogar noch biegsamer. Es wird verstanden werden, dass eine Faser mit rohrförmigem Querschnitt konzentrische Bereiche eines duroplastischen oder kohlenstoffhaltigen Außenbereichs und eines thermoplastischen ringförmigen Innenkerns aufweisen würde.
Die hierin dargestellte Faser mit dreiblättriger Querschnittskonfiguration ist lediglich für einen Typ von Querschnittskonfiguration repräsentativ und es wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass die Faser bei ihrer Herstellung in jeder beliebigen Querschnittsform hergestellt werden kann, und dass eine solche Form lediglich eingeschränkt ist durch Einschränkungen bezüglich der Herstellung einer Extrusionsdüse, zur Extrudierung einer Polymerzusammensetzung durch die Düse, der Zusammensetzung des Polymers, der Temperatur, etc. Die Anzahl von Blättern einer Faser ist lediglich dadurch beschränkt, dass das durch eine Düse extrudierte wärmeerweichte Polymer zum Fließen neigt, wodurch die Querschnittform verwaschen wird und sich wieder einer nahezu kreisförmigen Querschnittform annähert. In Bezug auf weitere Querschnittformen von Polymerfasern wird auf „Modern Textiles" von D. S. Lyle, insbesondere auf die Seiten 52 und 53 verwiesen.
Bevorzugt sollte die erfindungsgemäße zwei Regionen aufweisende Faser die nachfolgenden physikalischen Merkmalskriterien haben:

(1) Ein Verhältnis (r : R) des Radius des Kernbereichs (r) zum Gesamtradius (R) der Faser von 1 : 4 bis 1 : 1,05, bevorzugt von 1 : 3 bis 1 : 1,12. Dieses Verhältnis ist natürlich sowohl auf die BRPF als auch auf die BRF anwendbar. Das Verhältnis des Kernvolumens zum Gesamtvolumen einer BRF hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsmerkmale. Somit ergibt, wenn Entzündungsbeständigkeit gewünscht wird, ein Verhältnis (r : R) von 1 : 1,05 bis 1 : 1,2 akzeptables Leistungsverhalten, während für feuerbeständiges Leistungsverhalten ein Verhältnis von 1 : 1,2 bis 1 : 4 wünschenswert ist.
(2) Eine Dichte von 1,20 bis 1,32 g/cm³ für die BRPF, bevorzugt von 1,24 bis 1,28 g/cm³. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Dichte der Faser vom Verhältnis (r : R) des Radius des Kerns (r) zum Durchmesser (R) der Faser abhängt. Wenn beispielsweise das Verhältnis 1 : 1,05 ist, wobei der oxidierte Mantel einen sehr kleinen Teil des Faservolumens ausmacht, nähert sich die Dichte der Faser der einer Polymerfaser an. Wenn die Polymerfaser von einer Acrylfaser abgeleitet ist, beträgt die Dichte normalerweise von 1,15 bis 1,19 g/cm³, so dass die Dichte der BRF mit einem Verhältnis von 1 : 1,05 geringfügig höher ist.
(3) Eine Dichte von 1,45 g/cm³ bis 1,85 g/cm³ für die BRF. Typische Dichten liegen im Bereich von 1,45 bis 1,60 g/cm³ für Fasern, bei denen der kohlenstoffhaltige Außenmantel nicht elektrisch leitfähig ist, d. h. BRF-1 von 1,50 bis 1,70 g/cm³, wenn der kohlenstoffhaltige Mantel elektrostatisch ableitende Eigenschaften aufweist, BRF-2 von 1,65 bis 1,85 g/cm³, wenn der kohlenstoffhaltige Außenmantel elektrisch leitfähig ist, BRF-3, und bis zu etwa 1,87 g/cm³, wenn der Außenmantel der entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Faser graphitisch und stark leitfähig ist, d. h. BRF-B. Normalerweise können die Dichten der BRF etwas höher sein als vorstehend angegeben, beispielsweise wenn die zur Herstellung der Fasern verwendete Polymerzusammensetzung unfiltriert ist und/oder einen hohen Prozentsatz an zugegebenem anorganischen teilchenförmigen Material enthält.
(4) Ein Elastizitätsmodul von kleiner 1 MM psi (6,9 GPa), aber größer 0,3 MM psi (2,07 GPa), bis zu 50 MM psi (345 GPa), normalerweise bis zu 30 MM psi (207 GPa). Ein Modul von bis zu 50 MM psi (345 GPa) ist erhältlich, wenn der kohlenstoffhaltige Faseraußenmantel überwiegt, d. h. bei einem Verhältnis von etwa 1 : 4 (1 MM psi entspricht 1.000.000 psi).
(5) Ein Längenverhältnis von größer 100 : 1 (das Längenverhältnis ist hierin definiert als das Verhältnis l/d von Länge zu Durchmesser der Faser), und ein Faserdurchmesser von 1 bis 30 Mikrometern (μm), bevorzugt von 1 bis 15 Mikrometern und stärker bevorzugt von 4 bis 12 Mikrometern.
(6) Eine Oberfläche, bezogen auf die BRF, von größer 1 m²/g und bis zu 150 m²/g, bevorzugt von größer 5 m²/g und stärker bevorzugt von 10 bis 50 m²/g. Es wird verstanden, dass die kohlenstoffhaltige Oberfläche der Faser derart niedrig wie 0,1 m²/g sein kann, aber eine derart geringe Oberfläche wird in bezug auf Speicherkapazität oder coulometrische Wirksamkeit bei Verwendung der Faser als eine Elektrode für eine sekundäre Speichervorrichtung nicht das Optimum bereitstellen.
(7) Der carbonisierte Außenmantel der BRF sollte einen Kohlenstoffgehalt von normalerweise größer 68 Gew.-% und bis zu 99 Gew.-% aufweisen. Der Kohlenstoffgehalt des Faseraußenmantels ist ein wenig vom Typ der verwendeten Polymervorläuferzusammensetzung abhängig. Wenn die Polymervorläuferzusammensetzung beispielsweise bis zu 2% eines inerten teilchenförmigen Materials enthält, wird der maximale Kohlenstoffgehalt kleiner als 98% sein.
(8) Spezifische Widerstände für die Fasern, die im allgemeinen für elektrisch nicht leitfähige BRF im Bereich von größer 10⁸ Ohm-cm liegen, bis kleiner 10⁰ Ohm-cm für elektrisch leitfähige BRF-3, und bis kleiner 10^–2 Ohm-cm für stark leitfähige, d. h. graphitische BRF-B.
(9) Ein Biegespannungswert von größer 0,01% bis kleiner 50%, bevorzugt von 0,1 bis kleiner 30%.
(10) Ein Torsionsbruchwinkel von 17 bis 23 Grad für BRPFs, und von Untergrenze 4 für BRF-Bs bis Obergrenze 13 für BRF-1.
(11) Bei Graphitfasern, die für Elektroden in sekundären Energiespeichervorrichtungen besonders geeignet sind, ist es bevorzugt, dass der kohlenstoffhaltige Außenmantel von BRF-B eine zusammenhängende Oberfläche aufweist, welche im wesentlichen frei von Vertiefungen und Poren ist und Mikroporen aufweist, welche weniger als 5% der Gesamtoberfläche der Faser ausmachen.

Unter besonderer Bezugnahme auf 3 ist dort ein Ablaufplan dargestellt, welcher allgemein ein Verfahren zur Überführung eines Acrylnitrilpolymers zu BRPFs und BRFs sowie deren verschiedene Endverwendungen zeigt. Die Verfahrensbedingungen zum Spinnen oder Coextrudieren von Polymerfasern der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Zusammensetzungen sind in der Technik allgemein bekannt. Es ist bevorzugt, dass das Polymer aus einem Standard-Acryl- oder Subacrylpolymer, wie hierin offenbart, ausgewählt wird, und dass die Fasern einen nicht-kreisförmigen Querschnitt haben. Die Polymerfaser wird danach in einer Stabilisierungskammer bei einer Temperatur von 150° bis 300°C in einer oxidierenden Atmosphäre oxidativ stabilisiert. Die Oxidationsdauer für die erfindungsgemäßen Fasern ist jedoch erheblich verringert, auf unter 1 Stunde, bevorzugt unter 30 Minuten. Die derart hergestellte oxidationsstabilisierte zwei Regionen aufweisende Faser (BRPF) wird visuell deutlich unterscheidbare Bereiche eines durchscheinenden oder hellfarbigen Innenkerns aus einem thermoplastischen Polymer und eines schwarzen Außenbereichs aus einem thermoplastischen oxidierten Mantel aufweisen. Bei Begutachtung eines Faserendes (im Querschnitt) unter einem Mikroskop konnte keine Grenze oder Diskontinuität zwischen dem Innenkernbereich und dem Außenmantelbereich erkannt werden. Tatsächlich war die Faseroberfläche, bei Betrachtung im Querschnitt, von einer Außenoberfläche zur Kernmitte kontinuierlich.
Die BRPF wird danach bei einer höheren Temperatur und in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, wie allgemein in der Technik gelehrt, einer Carbonisierungsbehandlung unterzogen. Diesbezüglich wird auf "High Performance Fibers" von Battelle verwiesen. Die Carbonisierungsdauer für eine BRPF ist jedoch erheblich verringert, von 30 min, wie in US-Patent Nr. 4,837,076 gelehrt, auf weniger als 3 min, bevorzugt von 45 sec bis 3 min, in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie etwa dem Faserdurchmesser etc., und dem gewünschten Carbonisierungsgrad. Vor der Carbonisierung kann die BRPF gekräuselt werden und danach in einem relaxierten und ungespannten Zustand durch den Carbonisierungsofen geführt werden, so dass die Fasern ihre gekräuselte Konfiguration beibehalten. Auch hier konnte bei Begutachtung eines BRF-Faserendes unter einem Mikroskop keine Grenze oder Diskontinuität zwischen dem Innenkernbereich und dem kohlenstoffhaltigen Außenmantelbereich erkannt werden. Tatsächlich war die Faseroberfläche, nach Durchschneiden und bei Betrachtung im Querschnitt, von einer Außenoberfläche zur Kernmitte kontinuierlich.
Entzündungsbeständige zwei Regionen aufweisende Fasern mit den physikalischen Eigenschaften von BRF-1 oder BRF-2, wie in Tabelle 1 gezeigt, können beispielsweise in einen wollähnlichen Flaum oder eine Watte mit hohen R-Werten für Wärmeisolation überführt werden. Diese Fasern können als Isolation für Baustrukturen, als Füllungen für Jacken oder Schlafsäcke, und dergleichen verwendet werden. BRF-2 können beispielsweise auch als elektrostatisch ableitende Fasern für Teppiche oder zur EMP-Abschirmung für empfindliche elektronische Anlagen verwendet werden. Fasern mit den Eigen schaften von BRF-3, die auch einen elektrisch leitfähigen Außenbereich aufweisen, können zweckmäßig in flammhemmenden (FR, fire retarding) und schalldämpfenden Zusammenstellungen zur Verwendung in verschiedenen Fahrzeugtypen, wie etwa Luftfahrzeugen, Kraftfahrzeugen oder Schiffen verwendet werden.
Jede der BRF-1, -2 und -3 Fasern kann zu verschiedenen unterschiedlichen Zusammenstellungen verarbeitet werden, wie etwa Mischungen, bei denen die Fasern mit anderen Natur- oder Polymerfasern vermischt werden, wobei entzündungsbeständige und flammhemmende Zusammenstellungen gebildet werden, Verbundstoffe, bei denen die Fasern in eine Polymermatrix eingebettet werden, wobei den Verbundstoffen flammhemmende Eigenschaften vermittelt und die Festigkeit des Verbundstoffs erhöht wird. BRF-3 sind bei Kompressionsformung mit einem Bindemittel zur Verwendung als eine feuerbeständige Lage oder Platte besonders geeignet. Jede dieser Fasern oder Zusammenstellungen kann auch mit verschiedenen Beschichtungen versehen werden, umfassend ein Organosilikonpolymer, welches die Fasern oder Zusammenstellung synergistisch erheblich stärker feuerhemmend macht, oder eine hydrophobe Beschichtung, um die Zusammenstellung schwimmfähig zu machen und/oder die Wasseraufnahme zu erniedrigen.
BRF-B sind besonders geeignet zur Verwendung in Elektroden in sekundären Energiespeichervorrichtungen, wie etwa Batterien mit nicht-wässrigem Elektrolyten für Umgebungstemperatur, oder in einer Elektrode, umfassend bipolare Elektroden, zur Verwendung in Lithiumionenbatterien. Die verschiedenen Endanwendungen sind im Ablaufplan von 3 klarer dargestellt.
Bevorzugte Faserzusammenstellungen, die aus mehreren der erfindungsgemäßen Fasern bestehen, können in Form von statistisch verschlungenen Fasern in Form eines wollähnlichen Flaums, einer im allgemeinen ebenen nicht-gewebten Matte, eines Vlieses oder einer Watte, einer kompressionsgeformten Matte, einem Gewebe oder Gewirk oder dergleichen vorliegen. Beispielhaft für eine bevorzugte Faserzusammenstellung ist ein im allgemeinen ebener lagenartiger Artikel, wie etwa eine Watte, aus mehreren einzelnen nicht-linearen (d. h. gekräuselten) erfindungsgemäßen Fasern. In einem bevorzugten Herstellungsverfahren für eine Watte wird ein schweres Seil aus 320.000 (320 K) Polymerfasern verwendet. Bei Seilen, die eine kleinere Anzahl von Fasern enthalten, z. B. bis zu 40.000 Fasern, können die kleineren Seile zu einem gewirkten oder gewobenen Tuch-ähnlichen Produkt verarbeitet werden.
Es ist bevorzugt, die Polymerfasern vor Carbonisierung zu der gewünschten Form (Gewirk, Gewebe, Lage oder Filz) zu formen, bevorzugt in einem stabilisierten Zustand.
Die nicht-linearen BRF aus kontinuierlichen BRPF oder Schnittfaser-BRPF in Form eines Vlieses, Filzes oder einer Watte, sind besonders geeignet zur Verwendung als Wärmeisolation. Diese Fasern sind bevorzugt nicht-leitfähig, haben eine Dichte von 1,45 bis 1,60 g/cm³, haben einen spezifischen Widerstand von 10⁸ bis 10² Ohm-cm, ein Elastizitätsmodul kleiner 1 MM psi (6,9 GPa) und eine Bruchdehnung von 4 bis 12%. Diese Fasern sind im Vergleich zu vollständig carbonisierten elektrisch nicht-leitfähigen Fasern vergleichbarer Dichte nicht scherempfindlich. Bevorzugt haben die nicht-linearen BRF eine nicht-kreisförmige Querschnittform, um eine Watte mit höherer Flexibilität und Loft sowie höheren Wärmeisolationseigenschaften mit höheren R-Werten bereitzustellen. Im Vergleich zu Watten, welche Fasern mit kreisförmigem Querschnitt enthalten, erzeugt die nicht-kreisförmige Querschnittform der Fasern insbesondere in Watten bei gegebenen Dichten höhere thermische IR-Werte, hauptsächlich aufgrund von Oberflächenwechselwirkungen und etwas verbesserten Knudsen-Wirkungen in den Tälern der nicht-kreisförmigen Fasern.
Typisch für die Herstellung von Wärmeisolationszusammenstellungen aus nicht-linearer BRF sind die in den US-Patenten Nr. 4,868,037 und Nr. 4,898,783, erteilt an F. P. McCullough et al. beschriebenen Verfahren. Die Isolationszusammenstellungen, welche die BRF verwenden, sind elastisch, formelastisch, haben geringes Gewicht und sind nicht-entflammbar, haben eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohe Wärmeisolationseigenschaften, sind waschbar, haben niedrige Dampfaufnahme, hohen Loft und Volumenerhalt und hohe Kohäsion.
Die vorliegende Erfindung sieht auch die Herstellung von feuerhemmenden oder feuerbeständigen Zusammenstellungen vor, in einer Weise, ähnlich zu den im USPatent Nr. 4,879,168, erteilt am 7. November 1989 an F. P. McCullough et al., beschriebenen allgemeinen Verfahren. Verschiedene hierin verwendete Begriffe wie etwa "feuerbeständig" beziehen sich auf eine beliebige der Eigenschaften feueranhaltend, feuerhemmend, feuerabweisend und feuerbeständig.
Ein Gegenstand wird als feuerhemmend erachtet, wenn nach Unterbrechen des Kontakts einer Zündflamme mit unverbrannten Teilen eines Textilgegenstands, der Gegenstand die inhärente Fähigkeit aufweist, eine weitere Propagation der Flamme in seinem unverbrannten Bereich zu unterbinden, wodurch der interne Verbrennungsvorgang angehalten wird. Anerkannte Tests zu Bestimmung, ob ein Textilgegenstand feuerhemmend ist, sind unter anderem die „American Association of Textile Chemists and Colorists Test Method 34-1966" und der „National Bureau of Standards Test", beschrieben in DOC FF 3-71.
Ein Gegenstand wird "feuerabweisend" erachtet, wenn er fähig ist, Flammen und deren Strahlung in einer ähnlichen Weise wie Aluminiumbeschichtete Schutzkleidung, die in der Technik bekannt ist, abzulenken.
Feuerbeständige Materialien haben die Fähigkeit, nicht entzündlich zu sein, feuerabweisend zu sein, und haben Wärmeisolationseigenschaften.
Gemäß den allgemeinen Lehren des US-Patents Nr. 4,879,168 können mindestens 7,5 Gew.-% mehrerer nicht-linearer elastischer, formelastischer BRF mit Natur- oder Synthesefasern vermischt werden, um eine feuerab weisende Mischung zu bilden. Die elastischen und formelastischen Eigenschaften von BRF sind zu einem gewissen Maß vom Carbonisierungsgrad und dem Verhältnis (r : R) abhängig. Wenn beispielsweise das Verhältnis anzeigt, dass der kohlenstoffhaltige Mantel einen Großteil der Faser ausmacht und der Carbonisierungsgrad anzeigt, dass der Außenmantel graphitisch ist und eine Dichte größer 1,85 g/cm³ hat und einen Massewiderstand kleiner 10^–2 Ohm-cm hat, ist die Elastizität der Faser, relativ gesehen, kleiner als die einer Faser, bei der der kohlenstoffhaltige Außenmantel einen kleinen Teil ausmacht oder das Verhältnis (r : R) der Faser klein ist und der Carbonisierungsgrad niedrig ist, d. h. bei der der Außenmantel nicht elektrisch leitfähig ist.
Die Naturfasern können beispielsweise aus Baumwolle, Wolle, Flachs, Seide oder Gemischen von einer oder mehreren daraus mit erfindungsgemäßen BRF ausgewählt werden. Die Polymerfasern können beispielsweise aus Cellulose, Polyester, Polyolefin, Aramid, Acryl, Fluoroplast, Polyvinylalkohol und Glas, oder Gemischen von einer oder mehreren daraus mit den erfindungsgemäßen entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern ausgewählt werden. Bevorzugt sind die BRF in einer Menge von 10% bis 40% in dem Gemisch vorhanden, sind elektrisch nicht-leitfähig, antistatisch oder leitfähig, haben einen spezifischen Widerstand von 10⁸ bis kleiner 10⁰ Ohm-cm, eine Dichte von 1,45 bis 1,85 g/cm³ und eine Dehnbarkeit von 3 bis 12%. Diese BRF sind im Vergleich zu vollständig carbonisierten Fasern mit einem ähnlichen spezifischen Widerstand, und die scherempfindlich sind, nicht scherempfindlich oder höchstens leicht scherempfindlich. Größere Mengen der BRF in den Gemischen verbessern die feuerbeständigen und feuerabweisenden Eigenschaften des Gemisches. Es ist jedoch wünschenswert, eine den herkömmlichen Gemischen ähnliche Fasercharakteristik beizubehalten, um ein wünschenswertes ästhetisches Aussehen und Griff zu haben.
Die vorliegende Erfindung sieht auch die Herstellung von feuerhemmenden oder feuerbeständigen Zusammenstellungen vor, in einer Weise, ähnlich zu den im US-Patent Nr. 4,980,233, erteilt am 5. Dezember 1990, und im US-Patent Nr. 4,997,716, erteilt am 5. März 1991, beide an F. P. McCullough et al., beschriebenen allgemeinen Verfahren. Nach einem solchen Verfahren kann beispielsweise eine aus einem Polystyrolpolymer geformte Platte oder Lage, oder eine Platte, umfassend einen kompressionsgeformten Verbundstoff aus einem thermoplastischen oder warmhärtenden Polymer, und umfassend von 10 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundstoffs, mehrerer nicht-linearer, elastischer, formelastischer BRF bereitgestellt werden. Die Fasern können in einer Menge von 10% oder mehr auf der Oberfläche der Platte konzentriert werden, oder sie können in einer Menge von bevorzugt 20% bis 75% über die Polymermatrix verteilt sein. Gegebenenfalls können die Fasern auf der Oberfläche aufgebracht und über die Polymermatrix verteilt sein. Entflammbarkeitstests für die Struktur werden gemäß dem „Ohio State Burn Test" durchgeführt und müssen den in FAR 25.853 festgelegten Standard erfüllen.
Vorteilhafterweise kann die Leitfähigkeit von BRF zur Verwendung in feuerhemmenden und feuerabweisenden Zusammenstellungen im Bereich von elektrisch nichtleitfähig bis leitfähig mit einem spezifischen Widerstand von 10⁸ bis kleiner 10⁰ Ohm-cm liegen, mit einer Dichte von 1,45 bis 1,85 g/cm³ und einer Dehnbarkeit von 3 bis 12%. Diese Fasern sind nicht scherempfindlich, wenn sie elektrisch nicht-leitfähig sind, werden aber mit zunehmendem Carbonisierungsgrad von nicht-leitfähig zu leitfähig allmählich scherempfindlicher. Angesichts dessen, dass die BRF immer einen Kern aus einem thermoplastischen Polymer umfassen, wird die Scherempfindlichkeit der Fasern verglichen mit den vollständig carbonisierten Fasern aus dem bekannten Stand der Technik jedoch erheblich niedriger sein. Entsprechend sind die BRF geringfügig scherempfindlich, wenn sie leicht leitfähig oder leitfähig werden, werden aber empfindlicher werden, wenn die Fasern graphitisch werden. Im allgemeinen erzeugt eine niedrige Scherempfindlichkeit weniger Faserbruch und sorgt somit für eine höhere Population langer Fasern in allen Textilarbeitsschritten, umfassend die Herstellung von nicht gewebten Zusammenstellungen wie etwa Watten, von Gurtbändern oder dergleichen. Niedrige Scherempfindlichkeit wird insbesondere kritisch beim Spinnen von Garn aus einer Fasermischung, bei der Herstellung von Teppichen, Geweben und dergleichen. Beim Garnspinnen gibt es mehrere Einziehschritte, welche stark scherende Arbeitsschritte sind. Herkömmliche kohlenstoffhaltige Fasern zeigen während dieser Herstellungsschritte erheblichen Faserbruch, sofern die Betriebsgeschwindigkeit der Herstellungsanlage nicht erheblich verringert wird.
Die Oxidationsbeständigkeit und thermische Stabilität der BRF können synergistisch verbessert werden gemäß den in US-Patent Nr. 5,024,877, erteilt am 18. Juni 1991 an F. P. McCullough et al. beschriebenen allgemeinen Verfahren. Gemäß einem solchen Verfahren werden die BRF mit 0,5 bis 90 Gew.-% eines Organosilikonpolymers, welches abgeleitet ist von dem hydrolisierten partiellen Kondensationsprodukt einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus R_xSi(OR')_4–x und R_xSi(OOR')_4–x, worin R ein organischer Rest ist und R' ein Niederalkyl- oder Phenylrest ist, und x mindestens 1 und kleiner 4 ist, vermischt. Bevorzugt ist das Organosilikonpolymer aus der Gruppe, bestehend aus Trimethoxymethylsilan und Trimethoxyphenylsilan ausgewählt. Wenn BRF mit nur 0,5% des Organosilikonpolymers überzogen sind, zeigen sie eine erheblich verbesserte Flammhemmung. Verbundstoffe, in denen das Organosilikonpolymer in einer Menge von bis zu 90 Gew.-% des Verbundstoffs vorhanden ist, sind in Anwendungen wie beispielsweise etwa Dichtungen geeignet.
Es kann ein Verbundstoff hergestellt werden, welcher ein synthetisches Harz wie etwa ein thermoplastisches oder warmhärtendes Harz umfasst, welches mit einer Watte aus den BRF verpresst ist. Vor dem Komprimieren wird die Watte mit einem Organosilikonpolymer in einer Menge, um erhöhte Entzündungsbeständigkeit zu vermitteln, behandelt. Im allgemeinen werden bis zu etwa 20 Gew.-%, bevorzugt etwa 10 Gew.-% eines polymerisierbaren Silikonharzes verwendet. Ein derartiger Verbundstoff ist insbesondere geeignet zur Herstellung von feuerbeständigen oder feuerabweisenden Bauplatten zur Verwendung in Fahrzeugen und Installationen, insbesondere in Luftfahrzeugen.
In einer anderen Ausführungsform können von 10 bis 90 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 75 Gew.-% der BRF in Kombination mit einem synthetischen Harz zur Herstellung eines Verbundstoffs verwendet werden. Das in den Verbundstoffen verwendete synthetische Harz kann aus jedem der Polymermaterialien herkömmlichen Typs, wie etwa thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren ausgewählt werden. Verbundstoffe mit einer höheren BRF-Menge sind insbesondere geeignet zur Herstellung von feuerbeständigen Bauplatten zur Verwendung in Fahrzeugen und Installationen, insbesondere in Schiffen und Luftfahrzeugen.
Viele Verbundstoffe und Strukturen sind möglich und sie hängen bei Herstellung für eine spezifische Anwendung von den vom Endverbraucher gewünschten mechanischen Eigenschaften ab. Allgemein ist herausgefunden worden, dass BRF-Mengen von 10 bis 75 Gew.-%, in Kombination mit den Binderharzen und/oder Organosilikonpolymer oder -harz, bei der Herstellung von biegsamen Platten bevorzugt sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin schwimmfähige Faserzusammenstellungen, wie im US-Patent Nr. 4,897,303, erteilt am 30. Januar 1990 an F. P. McCullough et al., offenbart, unter Verwendung von BRF. Besonders bevorzugt sind die nicht-kreisförmigen BRF, welche eine größere Oberfläche und höhere Flexibilität bereitstellen. Mehrere dieser Fasern können eine Watte oder Füllung bilden, die eine bessere Kohäsion hat und worin die Fasern kleinere Zwischenräume bilden, welche der Watte verbesserte Schwimmfähigkeit vermitteln. Zusätzlich weist die schwimmfähige Zusammenstellung ein geringes Gewicht auf und stellt eine gute Wärmeisolation bereit, hat eine geringe Wasseraufnahme und ist flammhemmend. Die BRF werden nach dem im US-Patent Nr. 4,897,303 offenbarten Verfahren mit einer wasserunlöslichen hydrophoben Zusammensetzung überzogen, die aus jeder härtbaren oder aushärtbaren Zusammensetzung mit geringem Gewicht bestehen kann, die mittels Sprühen, Tauchen und dergleichen abgelagert werden kann, so dass sie an den Fasern haftet. Geeignete Zusammensetzungen umfassen Wachse mit hohem Molekulargewicht, halogenaliphatische Harze, duroplastische und thermoplastische Harze, Ionomere, Silikonprodukte, Polysiloxane und dergleichen. Bevorzugte Beschichtungen umfassen Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid, etc. Die schwimmfähige Zusammenstellung unter Verwendung der BRF ist insbesondere nützlich in Gegenständen wie etwa Füllstoff für persönliche Gebrauchsgegenstände, z. B. Jacken, Schlafsäcke, schwimmfähige Ausrüstung und dergleichen.
Die erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen BRF sind besonders angepasst für eine Verwendung in Elektroden in sekundären Energierspeichervorrichtungen, insbesondere Batterien. Die BRF-B haben eine Dichte von 1,70 g/cm³ bis 1,87 g/cm³, einen log spezifischen Widerstand kleiner 10^–2 Ohm-cm, ein Elastizitätsmodul von 3 bis 30 Millionen psi (20,7 bis 207 GPa), eine Dehnbarkeit von 2% bis 5% und einen Biegespannungswert von 0,1 bis 30%. Diese elektrisch leitfähigen BRFs haben aufgrund der Gegenwart des thermoplastischen Innenkerns eine größere Biegsamkeit als kommerziell verfügbare elektrisch leitfähige Kohlenstoff- oder Graphitfasern, die über ihren gesamten Querschnitt carbonisiert sind. Verschiedene Elektrodentypen, umfassend bipolare Elektroden und pseudo-bipolare Elektroden, können unter Verwendung der linearen oder nicht-linearen BRF-B hergestellt werden. Verschiedene Typen von Batterien, in denen die BRF-B Anwendung finden, sind im US-Patent Nr. 4,830,938 und Nr. 4,865,931 von McCullough et al. offenbart.
Die biegsame zwei Regionen aufweisende Graphitfaser-Elektrode kann auch leicht an andere Batteriesysteme angepasst werden, insbesondere an Lithiumionenzellen, wie es in der anhängigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/372,446, eingereicht am 13. Januar 1995 offenbart wird, worin eine pseudo-bipolare Elektrode einen Teil davon mit einem Lithiumsalz eines Metalloxids beschichtet hat. In der Lithiumionenzelle wird die Lithiummetallelektrode durch eine Anode ersetzt, welche auf einem kohlenstoffhaltigen Material, das mit den Lithiumionen Interkalationsverbindungen bildet, basiert. Die Ausgangsquelle der Lithiumionen ist das Kathodenmaterial, welches ein Lithiummetalloxid (lithiumhaltiges Metalloxid), wie beispielsweise etwa LiCoO₂, LiNiO₂ und LiMn₂O₄ sein kann. Während des normalen Betriebs gibt es in der Lithiumionenzelle niemals metallisches Lithium und demgemäss sind Lithiumionenzellen inhärent sicherer als Zellen, die metallisches Lithium enthalten. Während Beladung und Entladung wandern die Lithiumionen durch einen organischen nicht-wässrigen Elektrolyten zwischen den Elektroden, während elektrische Energie durch einen externen Stromkreis zugeführt oder abgeführt wird. In genaueren Worten gibt während des Beladungszyklus das Metalloxid ein Elektron an die Elektrode aus kohlenstoffhaltigem Material ab, während Lithiumionen von der Kathode zu der Elektrode aus kohlenstoffhaltigem Material wandern, wobei C^–Li⁺ gebildet wird. Derzeit werden zerkleinerte Hochmodul-Pechfasern, die mit einem Bindemittel zusammen gehalten werden verwendet, um Flexibilität der Elektrode zu erreichen. Obwohl dies eine gewisse Freiheit bei der Herstellung der Elektrodenform zulässt, geschieht dies zu den Kosten, dass die Elektrode aufgrund des hohen Kontaktwiderstands bei jedem Kontakt zwischen den zerkleinerten Kohlenstofffasern einen hohen Innenwiderstand erhält. Die Verwendung der erfindungsgemäßen kontinuierlichen biegsamen BRF-B liefert sowohl die Freiheit, die Elektrode in einer Reihe von Konfigurationen verschiedener Form herzustellen, während der Innenwiderstand der Elektrode um mehrere Größenordnungen gesenkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird die terminale Elektrode einer Lithiumionenzelle, bestehend aus einer im wesentlichen Planaren elektrisch leitfähigen Kollektorsiebplatte oder -blech mit einer Metalloxidbeschichtung versehen. Ein leitfähiges Sieb kann aus jedem elektrisch leitfähigen Metall sein, bevorzugt Nickel, kann aber auch aus Kohlenstoff oder Graphit sein, der mit einem leitfähigen Metall beschichtet ist. Das Sieb wird mit einer Beschichtung aus einem Lithiumsalz eines Metalloxids der empirischen Formel Li(MO₂)_n versehen, worin M ein Metall ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus VIIb und VIIIb. Die Metalle werden normalerweise aus der Gruppe, bestehend aus Co, Ni und Mn ausgewählt, wobei n = 1 für Co und Ni und n = 2 für Mn.
Eine terminale Elektrode, umfassend mehrere der BRF-13, ist in der üblichen Weise in einer terminalen Zelle angeordnet. Eine interne Zellseparatorwand unterteilt die Innenkammer des Gehäuses in das Paar terminaler Zellen. Eine pseudo-bipolare Elektrode ist mit einem Mittenstück davon in die Separatorwand selbst eingebettet oder in einem Vergießharz eingebettet, welches in der Separatorwand vorgesehen ist um die pseudo-bipolare Elektrode in der Wand abzudichten und um Kriechen des Elektrolyten von einer Zelle in die benachbarte Zelle zu verhindern. Die pseudo-bipolare Elektrode ist gefaltet, so dass Teile davon in jeder der terminalen Zellen angeordnet sind, um Gegenelektroden zu den terminalen Elektroden zu bilden.
Die pseudo-bipolare Elektrode ist aus mehreren BRF-B gebildet. Ein Teil der Elektrodenfasern ist mit einer Beschichtung aus einem Lithiumsalz eines Metalloxids der empirischen Formel Li(MO₂)_n versehen, worin M ein Metall ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus VIIb und VIIIb. Bevorzugt sind die Metalle aus der Gruppe, bestehend aus Co, Ni und Mn ausgewählt, wobei n = 1 für Co und Ni und n = 2 für Mn. Auch hier ist die Metalloxidbeschichtung bevorzugt aus der Gruppe, bestehend aus CoO₂, NiO₂und Mn₂O₄ ausgewählt. Jede der terminalen Elektroden ist von ihrer Gegenelektrode durch einen elektrisch nicht-leitfähigen, Ionen-permeablen Planaren, blechähnlichen Elektrodenseparator getrennt, jede terminale Elektrode ist mit einem Stromkollektor und einem Abschluss versehen, und die Zellen sind mit einem nicht-wässrigen organischen Elektrolyten versehen.
Andere Energiespeichervorrichtungen, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen sollen, sind diejenigen mit einer im allgemeinen zylindrischen Form, und die mindestens ein Paar biegsamer Kohlenstoffelektroden enthalten, welche zu einer spiralartigen Konfiguration oder zu einer Konfiguration vom Typ einer Geleerolle (jelly roll) aufgerollt sind, oder die in einer konzentrischen Beziehung innerhalb des zylindrischen Gehäuses positioniert sind, wie es in den 4, 5 und 7 der ebenfalls anhängigen EP-Anmeldung, Anmeldung Nr. 95202056.8, eingereicht am 27. Juli 1995 von F. P. McCullough, dargestellt ist.
Beispiel 1
Ein 40k Seil (1k = 1000 Fasern) aus Acrylfasern, enthaltend annähernd 94% Acrylnitril, 4% Methacrylat und annähernd 2% Itaconsäure wird durch das herkömmliche Nassspinnverfahren hergestellt. Die Acrylfasern haben einen mittleren Durchmesser von 11 Mikrometern. Das Faserseil wird danach in Luft unter Zugspannung für 20 Minuten bei einer Temperatur von 224°C oxidationsstabilisiert. Die Dichte der oxidationsstabilisierten Faser beträgt 1,25 g/cm³. Die Faser wird durchgeschnitten und unter einem Mikroskop unter polarisiertem Licht analysiert und zeigt eine klare Differenzierung zwischen einem schwarzen oxidationsstabilisierten thermoplastischen Außenmantel und einem durchscheinenden bis hellfarbigen nichtoxidierten thermoplastischen Innenkern. Der oxidierte Außenmantel der Faser ist bei Betrachtung im Querschnitt nicht durch eine Grenze oder Diskontinuität von dem nicht-oxidierten Kern getrennt. Das Verhältnis des Radius des Kerns zum Radius der Faser wird gemessen und als 1 : 1,29 bestimmt. Der Torsionsbruchwinkel wurde als 18,5 bestimmt.
Die stabilisierten Vorläuferfasern werden danach in einem dynamischen Luftstrom texturiert und in einem Röhrenofen bei einer Temperatur von 550°C unter einem Strom einer O₂-freien N₂-Atmosphäre in einem relaxierten und ungespannten Zustand für 1,5 Minuten wärmebehandelt. Die resultierenden zwei Regionen aufweisenden Fasern haben ein Längenverhältnis von größer 10.000 : 1 und einen nominalen Faserdurchmesser von 9,5 Mikrometern. Die Fasern sind entzündungsbeständig, nicht-entzündlich und biegsam, haben einen Biegespannungswert von 0,1%, eine Dichte von 1,54 g/cm³, ein Elastizitätsmodul von 1 MM psi, eine Oberfläche von 3 m²/g , einen Massewiderstand von 10⁶ Ohm-cm, einen Torsionsbruchwinkel von 8,5 und einen LOI größer als 47. Eine Analyse der Querschnittsfläche einer einzelnen Faser unter einem Mikroskop unter polarisiertem Licht zeigt eine klare visuelle Unterscheidung zwischen einem schwarzen duroplastischen kohlenstoffhaltigen Außenmantel und einem durchscheinenden bis hellfarbigen nicht-oxidierten thermoplastischen Innenkern. Der carbonisierte Außenmantel der Faser ist kontinuierlich und bei Betrachtung im Querschnitt nicht durch eine Grenze oder Diskontinuität physikalisch von dem thermoplastischen Kern getrennt.
Die LOI-Werte für verschiedene Materialien wurden ermittelt und mit der erfindungsgemäßen zwei Regionen aufweisenden Vorläuferfaser und entzündungsbeständigen biegsamen zwei Regionen aufweisenden Fasern verglichen. Die Ergebnisse sind nachstehend angegeben:
Das obige Beispiel wurde wiederholt unter Verwendung von Acrylfasern, die durch das herkömmliche Nassspinnverfahren hergestellt worden waren und annähernd 94% Acrylnitril, 4% Methacrylat und mindestens 0,01% Submikrometer-Verunreinigungen enthielten, d. h. Teilchen, welche nicht durch Mikrofiltration entfernt werden. Es wurden ähnliche Ergebnisse erhalten, außer dass die Fasern etwas weniger steif waren als die Fasern, die so hergestellt worden waren, dass sie weniger als 0,01% Submikrometer-Verunreinigungen enthielten. Die Fasern sind entzündungsbeständig, nicht-brennbar und biegsam, und haben einen Torsionsbruchwinkel von 8,0 Grad und einen LOI von 48.
Beispiel 2
Verschiedene Proben eines 6 k Seils von Fasern mit einem Durchmesser von 12 bis 13 Mikrometern und der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 wurden oxidationsstabilisiert und danach bezüglich Dichte und des Verhältnisses (r : R) des Kerns zu der Faser analysiert. Die analytischen Ergebnisse der Tests sind in der nachstehenden Tabelle III angegeben:
Tabelle III
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die Dichte und der Oxidationsgrad der Faser mit der Verweilzeit ansteigt. Probe A ist kein erfindungsgemäßes Beispiel, da der prozentuale Volumenanteil des Kerns nicht ausreichend war, um die Faser wirksam von vollständig oxidierten Fasern zu unterscheiden. Bei einem Verhältnis von 1 : 6,25 macht der Kern lediglich etwa 2,6 Volumen-% des Fasergesamtvolumens aus, was nicht ausreichend ist, um der Faser die gewünschten Eigenschaften der zwei Regionen aufweisenden Faser zu vermitteln. Bei einem Verhältnis von 1 : 4 steigt der Volumenprozentanteil für den Kern auf etwa 51%, mit einer entsprechenden Abnahme der Faserdichte. Aus den Daten in der Tabelle kann auch geschlossen werden, dass eine Erhöhung von Verweilzeit und Temperatur zu einer Dichteerhöhung führt. Die Proben B, C und D zeigen bei mikroskopischer Begutachtung einen klaren Unterschied hinsichtlich Textur und Farbe zwischen den Kernbereichen und den schwarz oxidierten Außenmantelbereichen, zeigen aber keine Grenze oder Diskontinuität zwischen den Bereichen.
Beispiel 3
Ein Seil aus dreiblättrigen Subacrylfasern, umfassend 83% Acrylnitril-, 14% Vinylchlorid- und 3% Itaconsäure-Einheiten, wird durch die herkömmliche Schmelzspinntechnik hergestellt, und die Fasern haben den in 2 gezeigten dreiblättrigen Querschnitt. Die Fasern werden während des Extrudierens gestreckt, um die Fasern zu verfeinern und werden danach nach dem in Beispiel 1 angegebenen Verfahren oxidativ stabilisiert. Die stabilisierten Fasern werden danach in einem Röhrenofen bei einer Temperatur von 950°C unter einem Strom einer O₂-freien N₂-Atmosphäre für 1,5 Minuten carbonisiert. Die resultierenden Fasern sind nicht-entzündlich, haben einen nominalen Faserdurchmesser von 8,0 Mikrometern, einen wirksamen Faserdurchmesser von 4 Mikrometern und ein Längenverhältnis von größer 10.000 : 1 und einen LOI von 47. Das Verhältnis des Radius des Kerns zum Radius der Faser wird gemessen und als 1 : 1,5 bestimmt. Die Fasern sind biegsam und haben einen Biegespannungswert von 0,2%, einen Torsionsbruchwinkel von 7, eine Oberfläche von 1 1 m²/g , eine Dichte von 1,7 g/cm³, ein Elastizitätsmodul von 4 MM psi und einen Massewiderstand von 0,085 Ohm-cm. Die Oberfläche der Fasern zeigt bei Betrachtung im Querschnitt unter einem Mikroskop unter polarisiertem Licht keine Grenze oder Diskontinuität zwischen den Bereichen.

Claims

Eine zwei Regionen aufweisende Vorläufer-Faser, die von einer homogenen Polymer-Zusammensetzung abstammt, umfassend eine innere Region eines thermoplastischen Polymer-Kerns und eine umgebende äußere Region einer Oxidations-stabilisierten thermoplastischen Polymer-Hülle, wobei die Vorläufer-Faser einen Bruch-Verdrehwinkel hat, der im Bereich von 17 bis 25 Grad liegt.
Faser nach Anspruch 1, wobei die Vorläufer-Faser von einem homogenen Acrylpolymer abstammt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Homopolymeren, Copolymeren und Terpolymeren von Acrylnitril, wobei die Copolymere und Terpolymere wenigstens 85 Mol-Prozent Acryleinheiten und bis zu 15 Mol-Prozent eines oder mehrerer damit copolymerisierter Vinyl-Monomere enthalten.
Faser nach Anspruch 1, wobei die mit Acrylnitril copolymerisierbaren Vinyl-Monomere Methacrylsäureester und Acrylsäureester wie etwa Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat, Butylmethacrylat, Methylacrylat und Ethylacrylat; Vinylester wie etwa Vinylacetat und Vinylpropionat; Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure und die Salze davon, Vinylsulfonsäure und die Salze davon einschließen.
Faser nach Anspruch 1 mit einer Dichte von 1,20 bis 1,32 g/cm³.
Faser nach Anspruch 1, wobei die Vorläufer-Faser von einem Acrylpolymer abstammt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Homopolymeren, Copolymeren und Terpolymeren von Acrylnitril, wobei die Copolymere und Terpolymere weniger als 85 Mol-Prozent Acryleinheiten und mehr als 15 Mol-Prozent eines oder mehrerer damit copolymerisierter Weichmacher-Polymere enthalten.
Faser nach Anspruch 5, wobei die Copolymere und Terpolymere bis zu 35 Mol-Prozent eines oder mehrerer Weichmacher-Polymere enthalten.
Faser nach Anspruch 5, wobei das Weichmacher-Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Vinylchlorid, Methylacrylat, Methylmethacrylat, Polyvinylchlorid, Celluloseestern, Phthalaten, Adipinsäureestern und Sebacinsäureestern, Polyolen wie etwa Ethylenglycol und seinen Derivaten, Tricresylphosphat, Rizinusöl und Mischungen davon.
Faser nach Anspruch 1, wobei die Polymer-Faser von einem ungefilterten Acrylpolymer abstammt, das von 0,0001 bis 5 Gewichts-% partikuläre Bestandteile mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer enthält.
Faser nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis (r : R) des Radius der inneren Kernregion (r) in Bezug zum Gesamt-Radius der Faser (R) von 1 : 4 bis 1 : 1,105 ist.
Faser nach Anspruch 1 mit einer Beschichtung eines siliciumorganischen Polymers, das vom hydrolisierten Teilkondensationsprodukt einer Verbindung abstammt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus R_xSi(OR')_4–x und R_xSi(OOR')_4–x, wobei R ein organischer Rest und R' ein niederer Alkyl- oder Phenylrest ist und x mindestens 1 und weniger als 4 ist.
Faser nach Anspruch 1 mit einer Beschichtung einer wasserunlöslichen hydrophoben Zusammensetzung umfassend eine härtbare oder vernetzungsfähige Zusammensetzung, ausgewählt aus Wachsen von hoher relativer Molekülmasse, haloaliphatischen Harzen, duroplastischen und thermoplastischen Harzen, Ionomeren, Siliconprodukten und Polysiloxanen.
Faseraggregat umfassend eine Vielzahl der zwei Regionen aufweisenden Fasern nach Anspruch 1 in Form eines Faser-Towgarns, eines Fasergewebes, einer Watte, Schicht oder Pappe, gesponnenen Garns oder eines gewebten oder geknüpften Stoffes.
Faseraggregat umfassend eine Vielzahl der zwei Regionen aufweisenden Fasern nach Anspruch 1, vermengt mit anderen natürlichen oder Polymer-Fasern, wobei die zwei Regionen aufweisenden Fasern in einer Menge von 10 bis 90% in der Mischung vorhanden sind.
Entzündungsbeständiger oder feuerfester Verbundstoff umfassend eine Vielzahl der zwei Regionen aufweisenden Fasern nach Anspruch 1, vermengt mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer, wobei die zwei Regionen aufweisenden Fasern in einer Menge von 10 bis 90 Gewichts-Prozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundstoffes, in dem Verbundstoff vorhanden sind.
Schwimmfähiges, offenzelliges, faseriges Aggregat umfassend eine Vielzahl der zwei Regionen aufweisenden Fasern nach Anspruch 1, wobei die entzündungsbeständigen zwei Regionen aufweisenden Fasern nicht-linear sind und eine Form einer Wolle aufweisen, wie Flocken, Watte, Filz oder Gewebe, wobei das faserige Aggregat eine Beschichtung eines wasserunlöslichen hydrophoben, vernetzten oder gehärteten Polymer-Materials aufweist.
Aggregat nach Anspruch 15, wobei die Beschichtung ein Polymer umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Ionomer, duroplastischen Harz, thermoplastischen Harz, haloaliphatischen Harz, Siliconelastomer, Silicongummi, Polysiloxan und Wachs von hoher relativer Molekülmasse.