EP0443431A2 - Kohlenstoff-Hohlfasern - Google Patents
Kohlenstoff-Hohlfasern Download PDFInfo
- Publication number
- EP0443431A2 EP0443431A2 EP19910102053 EP91102053A EP0443431A2 EP 0443431 A2 EP0443431 A2 EP 0443431A2 EP 19910102053 EP19910102053 EP 19910102053 EP 91102053 A EP91102053 A EP 91102053A EP 0443431 A2 EP0443431 A2 EP 0443431A2
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- carbon fibers
- ring
- fibers according
- weight
- fibers
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
- D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
- D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
- D01F9/20—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
- D01F9/21—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
- D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
- D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
- D01D5/253—Formation of filaments, threads, or the like with a non-circular cross section; Spinnerette packs therefor
Definitions
- the invention relates to hollow carbon fibers based on polyacrylonitrile precursor fibers and their use for the production of high-performance composite materials.
- Hollow carbon fibers based on pitch fibers and polyacrylonitrile fibers are known.
- the cross-sectional area of the fibers is generally in the form of a uniform, closed ring.
- High-performance composite materials that have been produced with such hollow fibers have the advantage of better fiber / matrix adhesion and higher compressive strength, based on the fiber weight, compared to those based on compact fibers.
- it has been shown that the damage tolerance of such composite materials still needs improvement for some applications.
- the invention was therefore based on the object of providing hollow carbon fibers which give high-performance composite materials with improved damage tolerance.
- EP-A 232 051 describes carbon fibers with a cross-sectional area in the form of a ring that is not completely closed, the carbon fibers being produced from pitch fibers.
- the explanations in this publication give the impression that carbon fibers shaped in this way cannot be produced from polyacrylonitrile fibers.
- the hollow carbon fibers according to EP-A 232 051 have a diameter of more than 30 ⁇ m. Such fibers are not suitable for the production of high-performance composite materials because they do not have a sufficiently reinforcing effect in the composite.
- EP-A 232 051 are correct insofar as it is not possible to produce carbon fibers with a cross-sectional area in the form of a not completely closed ring from the usual solution-spun polyacrylonitrile fibers using the processes described therein.
- the preferred process for producing the hollow carbon fibers according to the invention is therefore based on melt-spun polyacrylonitrile precursor fibers.
- Such fibers are e.g. in the as yet unpublished European patent application 89 11 5373.6 and in the publications cited therein.
- the underlying polyacrylonitrile preferably consists of at least 85% by weight of acrylonitrile units; it can contain up to 15% by weight of units of conventional comonomers, e.g. Contain methyl acrylate, styrene, methyl methacrylate or itaconic acid.
- this acrylonitrile polymer 100 parts by weight of this acrylonitrile polymer are mixed with 10-30 parts by weight of water, 5-30 parts by weight of acetonitrile or nitromethane, and optionally other organic liquids, e.g. 1-10 parts by weight of a C1-C4 alkanol mixed and melted.
- the melt is pressed out through a nozzle head which has C-shaped nozzle openings.
- a spatial extension is expediently provided at one end of the C-shaped nozzle opening (see FIG. 1) and serves as a reservoir for the polyacrylonitrile melt during the subsequent stretching.
- the nozzles can have a diameter between 50 and 200 microns.
- the hollow carbon fibers obtained preferably have an outer diameter of 5 to 20 ⁇ m and a wall thickness of 0.5 to 5 ⁇ m.
- the distance between the ends of the non-closed ring depends on the size of the reservoir described above and on the stretching conditions.
- the ring can either be completely open (FIG. 2), the distance between the ring ends being a maximum of 2 ⁇ m, preferably 0.1-1 ⁇ m, or the ring ends, which are rounded, can touch, so that the point of contact has a reduced wall thickness has (Figure 3).
- polyacrylonitrile fibers are oxidized in a conventional manner at 200-300 ° C and carbonized at 1000-2000 ° C. It has been shown that these processes run much faster if the cross section of the stretched polyacrylonitrile fiber is in the form of an open ring. The fiber does not change its shape significantly during oxidation and carbonization, i.e. the shape of the cross-sectional area is retained.
- the carbon hollow fibers according to the invention are outstandingly suitable for the production of specifically light, high-strength and rigid composite materials.
- they are used in the form of rovings using customary methods thermosetting plastics, such as epoxy resins, bismaleimide resins or cyanate resins, or impregnated with thermoplastic plastics, such as polyether sulfones, polyether ketones or polyimides.
- thermosetting plastics such as epoxy resins, bismaleimide resins or cyanate resins
- thermoplastic plastics such as polyether sulfones, polyether ketones or polyimides.
- the composite materials are characterized by particularly high resistance to buckling and buckling and have a higher damage tolerance than comparable composite materials based on carbon hollow fibers with a cross-sectional area in the form of a closed ring, that is to say the composite material can absorb higher loads without causing a load Damage comes. In terms of numbers, this is expressed in an increased fracture energy G 1c .
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
- Artificial Filaments (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft Kohlenstoff-Hohlfasern auf Basis von Polyacrylnitril-Precursorfasern, sowie ihre Verwendung zur Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen.
- Kohlenstoff-Hohlfasern auf der Basis von Pechfasern und von Polyacrylnitrilfasern sind bekannt. Die Querschnittsfläche der Fasern hat im allgemeinen die Form eines gleichmäßigen, geschlossenen Rings. Hochleistungsverbundwerkstoffe, die mit derartigen Hohlfasern hergestellt wurden, haben gegenüber solchen auf Basis von kompakten Fasern den Vorteil der besseren Faser/Matrix-Haftung und der höheren Druckfestigkeit, jeweils bezogen auf das Fasergewicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Schadenstoleranz solcher Verbundwerkstoffe für manche Anwendungszwecke noch verbesserungsbedürftig ist.
- Der Erfindung lag also die Aufgabe zugrunde, Kohlenstoff-Hohlfasern bereitzustellen, die Hochleistungsverbundwerkstoffe mit verbesserter Schadenstoleranz ergeben.
- Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird durch Kohlenstoff-Fasern mit einer Querschnittsfläche in Form eines Rings, der nicht ganz geschlossen ist, wobei die Kohlenstoff-Fasern aus schmelzgesponnenen Polyacrylnitril-Fasern hergestellt wurden.
- Die EP-A 232 051 beschreibt Kohlenstoff-Fasern mit einer Querschnittsfläche in Form eines Rings, der nicht ganz geschlossen ist, wobei die Kohlenstoff-Fasern aus Pechfasern hergestellt wurden. Die Ausführungen dieser Druckschrift erwecken den Eindruck, daß aus Polyacrylnitril-Fasern derartig geformte Kohlenstoff-Fasern nicht hergestellt werden können. Die Kohlenstoff-Hohlfasern nach EP-A 232 051 haben einen Durchmesser von mehr als 30 µm. Solche Fasern sind zur Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen nicht geeignet, da sie im Verbund nicht eine ausreichend verstärkende Wirkung aufweisen.
- Die Ausführungen der EP-A 232 051 sind insoweit richtig, als es nicht möglich ist, nach den dort beschriebenen Verfahren aus üblichen, lösungsgesponnenen Polyacrylnitril-Fasern Kohlenstoff-Fasern mit einer Querschnittsfläche in Form eines nicht ganz geschlossenen Rings herzustellen.
- Bei dem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Hohlfasern geht man also von schmelzgesponnenen Polyacrylnitril-Precursorfasern aus. Solche Fasern sind z.B. in der noch nicht veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 89 11 5373.6 sowie in den dort zitierten Druckschriften beschrieben. Das zugrundeliegende Polyacrylnitril besteht vorzugsweise zu mindestens 85 Gew.-% aus Acrylnitril-Einheiten, es kann bis zu 15 Gew.-% Einheiten von üblichen Comonomeren, wie z.B. Methylacrylat, Styrol, Methylmethacrylat oder Itaconsäure enthalten. 100 Gew.-Teile dieses Acrylnitril-Polymeren werden mit 10-30 Gew.-Teilen Wasser, 5-30 Gew.-Teilen Acetonitril oder Nitromethan, sowie ggf. weiteren organischen Flüssigkeiten, z.B. 1-10 Gew.-Teilen eines C₁-C₄-Alkanols vermischt und geschmolzen. Die Schmelze wird durch einen Düsenkopf ausgepreßt, der C-förmige Düsenöffnungen aufweist. Zweckmäßigerweise ist an einem Ende der C-förmigen Düsenöffnung eine räumliche Erweiterung vorgesehen (siehe Figur 1), die als Reservoir für Polyacrylnitril-Schmelze beim anschließenden Verstrecken dient. Die Düsen können einen Durchmesser zwischen 50 und 200 µm aufweisen. Die Extrusion durch den Düsenkopf erfolgt bei etwa 140-190°C, anschließend werden Wasser und die organischen Flüssigkeiten verdampft und die gesponnenen Fäden werden mindestens um das Fünffache, vorzugsweise um das Acht- bis Zwanzigfache verstreckt. Einzelheiten dieser Verfahrensschritte sind in der europäischen Patentanmeldung 89 11 5373.6 beschrieben.
- Die erhaltenen Kohlenstoff-Hohlfasern weisen vorzugsweise einen äußeren Durchmesser von 5 bis 20 µm und eine Wandstärke von 0,5 bis 5 µm auf.
- Der Abstand zwischen den Enden des nicht geschlossenen Rings hängt von der Größe des oben beschriebenen Reservoirs sowie von den Verstreckungsbedingungen ab. Der Ring kann entweder ganz offen sein (Figur 2), wobei der Abstand zwischen den Ringenden maximal 2 µm, vorzugsweise 0,1-1 µm beträgt, oder die Ringenden, die abgerundet sind, können sich berühren, so daß die Berührungsstelle eine verminderte Wandstärke aufweist (Figur 3). Im Anschluß an den Streckprozeß werden Polyacrylnitril-Fasern auf übliche Weise bei 200-300°C oxidiert und bei 1000-2000°C carbonisiert. Es hat sich gezeigt, daß diese Prozesse wesentlich schneller ablaufen, wenn der Querschnitt der gestreckten Polyacrylnitril-Faser die Form eines offenen Rings aufweist. Während der Oxidation und Carbonisierung verändert die Faser ihre Form nicht wesentlich, d.h., die Form der Querschnittsfläche bleibt erhalten.
- Die erfindungsgmäßen Kohlenstoff-Hohlfasern sind hervorragend geeignet zur Herstellung von spezifisch leichten, hochfesten und steifen Verbundwerkstoffen. Dazu werden sie in Form von Rovings nach üblichen Methoden mit duromeren Kunststoffen, wie z.B. Epoxidharzen, Bismaleinimidharzen oder Cyanatharzen, oder mit thermoplastischen Kunststoffen, wie z.B. Polyethersulfonen, Polyetherketonen oder Polyimiden imprägniert. Die Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch besonders hohe Beul- und Knickfestigkeit aus und weisen eine höhere Schadenstoleranz auf als vergleichbare Verbundwerkstoffe auf Basis von Kohlenstoff-Hohlfasern mit einer Querschnittsfläche in Form eines geschlossenen Rings, d.h., der Verbundwerkstoff kann höhere Lasten aufnehmen, ohne daß es zu einer Schädigung kommt. Zahlenmäßig drückt sich das in einer erhöhten Bruchenergie G1c aus.
Claims (7)
- Kohlenstoff-Fasern mit einer Querschnittsfläche in Form eines Rings, der nicht ganz geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern aus schmelzgesponnenen Polyacrylnitril-Fasern hergestellt wurden.
- Kohlenstoff-Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen äußeren Durchmesser von 5 bis 20 µm aufweisen.
- Kohlenstoff-Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rings 0,5 bis 5 µm beträgt.
- Kohlenstoff-Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring offen ist und der Abstand zwischen den Ringenden bis zu 2 µm beträgt.
- Kohlenstoff-Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring abgerundete Enden aufweist, welche sich berühren, so daß die Brührungsstelle eine verminderte Wandstärke aufweist.
- Verfahren zur Herstellung der Kohlenstoff-Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze, enthaltend 100 Gew.-Teile eines Acrylnitril-Polymeren, 10-30 Gew.-Teile Wasser und 5-30 Gew.-Teile Acetonitril oder Nitromethan aus einem Spinnkopf mit C-förmigen Düsenöffnungen auspreßt, die Fäden um mindestens das Fünffache verstreckt, und auf übliche Weise stabilisiert und carbonisiert.
- Verwendung der Kohlenstoff-Fasern nach Anspruch 1 in Form von Faserbündeln, zusammen mit duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen, zur Herstellung von spezifisch leichten, hochfesten und steifen Verbundwerkstoffen.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904005530 DE4005530A1 (de) | 1990-02-22 | 1990-02-22 | Kohlenstoff-hohlfasern |
DE4005530 | 1990-02-22 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP0443431A2 true EP0443431A2 (de) | 1991-08-28 |
EP0443431A3 EP0443431A3 (en) | 1992-02-19 |
Family
ID=6400695
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP19910102053 Withdrawn EP0443431A3 (en) | 1990-02-22 | 1991-02-14 | Hollow carbon fibres |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0443431A3 (de) |
DE (1) | DE4005530A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002000973A1 (en) * | 2000-06-29 | 2002-01-03 | R-R & D Centre N.V. | Synthetic fibre, nozzle and method for manufacturing the same and thereof |
WO2006010401A1 (de) * | 2004-07-23 | 2006-02-02 | Wabco Gmbh & Co. Ohg | Faden für akustisches dämmmaterial, insbesondere für geräuschdämpfer in drucklufteinrichtungen |
US8006801B2 (en) | 2004-07-24 | 2011-08-30 | Wabco Gmbh | Noise damper for a compressed air device |
US8215448B2 (en) | 2008-06-20 | 2012-07-10 | Wabco Gmbh | Sound damper for vehicle compressed air systems |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2945739A (en) * | 1955-06-23 | 1960-07-19 | Du Pont | Process of melt spinning |
EP0232051A2 (de) * | 1986-01-21 | 1987-08-12 | Clemson University | Schmelzgesponnene Kohlenstoffasern von hoher Festigkeit und Verfahren zu deren Herstellung |
EP0355762A2 (de) * | 1988-08-25 | 1990-02-28 | BASF Aktiengesellschaft | Herstellung von schmeltzgesponnenen Acrylfasern |
-
1990
- 1990-02-22 DE DE19904005530 patent/DE4005530A1/de not_active Withdrawn
-
1991
- 1991-02-14 EP EP19910102053 patent/EP0443431A3/de not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2945739A (en) * | 1955-06-23 | 1960-07-19 | Du Pont | Process of melt spinning |
EP0232051A2 (de) * | 1986-01-21 | 1987-08-12 | Clemson University | Schmelzgesponnene Kohlenstoffasern von hoher Festigkeit und Verfahren zu deren Herstellung |
EP0355762A2 (de) * | 1988-08-25 | 1990-02-28 | BASF Aktiengesellschaft | Herstellung von schmeltzgesponnenen Acrylfasern |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002000973A1 (en) * | 2000-06-29 | 2002-01-03 | R-R & D Centre N.V. | Synthetic fibre, nozzle and method for manufacturing the same and thereof |
WO2006010401A1 (de) * | 2004-07-23 | 2006-02-02 | Wabco Gmbh & Co. Ohg | Faden für akustisches dämmmaterial, insbesondere für geräuschdämpfer in drucklufteinrichtungen |
CN1989036B (zh) * | 2004-07-23 | 2011-06-22 | 威伯科有限公司 | 用于隔音材料的热塑性材料纤维 |
US8006801B2 (en) | 2004-07-24 | 2011-08-30 | Wabco Gmbh | Noise damper for a compressed air device |
US8215448B2 (en) | 2008-06-20 | 2012-07-10 | Wabco Gmbh | Sound damper for vehicle compressed air systems |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4005530A1 (de) | 1991-08-29 |
EP0443431A3 (en) | 1992-02-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE1660651C3 (de) | Verfahren zur Herstellung eines mehrkernigen Verbundfadens | |
DE3586788T2 (de) | Aus mehreren bestandteilen bestehendes seil und seine herstellung. | |
DE2156346C3 (de) | Thermoplastisches Kohlenstoffaser-Verbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung | |
DE3132784C2 (de) | ||
DE3540444C2 (de) | ||
DE2137614B2 (de) | Verfahren zur Herstellung von Graphitfasern | |
DE102012202969B4 (de) | Verfahren zum Herstellen von hohlen Kohlenstofffasern und diese Fasern enthaltender Kohlenstofffaser-Verbund | |
DE1646828B2 (de) | Kohlenstoffasern mit erhoehter haftfaehigkeit sowie deren herstellung und verwendung fuer faserverstaerkte verbundmaterialien | |
CH621857A5 (en) | Screw of a composite material containing carbon fibres | |
EP0031078B2 (de) | Feinsttitrige Synthesefasern und -fäden und Trockenspinnverfahren zu ihrer Herstellung | |
DE69033221T2 (de) | Kohlenstoffasern mit nichtrundem Querschnitt, Verfahren zu deren Herstellung und damit hergestellter Verbundwerkstoff | |
EP0443431A2 (de) | Kohlenstoff-Hohlfasern | |
DE69027850T2 (de) | Verfahren zur herstellung einer kohlenstoffschicht | |
DE3855003T2 (de) | Graphitfaser | |
DE68921658T2 (de) | Pechkohlenstoffaser mit hoher Zugfestigkeit und hohem Elastizitätsmodulus. | |
DE2042798B2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Bündels aus feinen Fäden mit Fibrillen | |
DE2506344A1 (de) | Verfahren zur herstellung von kohlefasern | |
DE3145828C2 (de) | Verfahren zur Herstellung von Endlosgarn hoher Reißfestigkeit aus Polyäthylen | |
DE2836075B2 (de) | Kohlenstoffasern und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE2713456A1 (de) | Verfahren zur herstellung von hydrophilen fasern | |
DE2704836A1 (de) | Zusammengesetzte saite, insbesondere fuer sportschlaeger, musikinstrumente und dergleichen | |
DE69707748T2 (de) | Faserstruktur für faserverstärktes Verbundmaterial und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundmaterials | |
DE68928911T2 (de) | Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern, oder ihren Ausgangsfasern, mittels Vorstreckung | |
EP0283831A1 (de) | Verfahren zur Herstellung von Garnen durch das Schmelzspinnen von Polyethylenterephthalat | |
DE2211639A1 (de) | Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-faeden |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): CH DE FR GB IT LI NL SE |
|
RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: FITZER, ERICH, PROF.DR. Inventor name: METZLER,WOLFGANG |
|
PUAL | Search report despatched |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A3 Designated state(s): CH DE FR GB IT LI NL SE |
|
17P | Request for examination filed |
Effective date: 19920813 |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN |
|
17Q | First examination report despatched |
Effective date: 19931105 |
|
18W | Application withdrawn |
Withdrawal date: 19931029 |