EP1778905A1 - Kabliertes kohlenstofffasergarn - Google Patents

Kabliertes kohlenstofffasergarn

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EP1778905A1
EP1778905A1 EP04765445A EP04765445A EP1778905A1 EP 1778905 A1 EP1778905 A1 EP 1778905A1 EP 04765445 A EP04765445 A EP 04765445A EP 04765445 A EP04765445 A EP 04765445A EP 1778905 A1 EP1778905 A1 EP 1778905A1
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EP
European Patent Office
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yarn
strands
carbon fibers
thread
radius
Prior art date
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EP04765445A
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English (en)
French (fr)
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EP1778905B1 (de
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Markus Schneider
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Teijin Carbon Europe GmbH
Original Assignee
Toho Tenax Europe GmbH
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Publication date
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/44—Yarns or threads characterised by the purpose for which they are designed
    • D02G3/46—Sewing-cottons or the like
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/26—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre with characteristics dependent on the amount or direction of twist
    • D02G3/28—Doubled, plied, or cabled threads

Definitions

  • the invention relates to a yarn of at least two, mutually wound strands of endless carbon fibers, a method for the manufacture and the use of such yarns.
  • textile preforms for example for technical applications, such as fiber composites, filter media, u.a. suitable sewing threads necessary.
  • These yarns are intended to fix the preform, but increasingly reinforce structurally, even at very high temperatures, as required for example in the production of fiber ceramics or when used as filter media in chemically and / or thermally highly loaded processes.
  • sewing threads have been developed which have a core of carbon fibers and are additionally covered with another yarn (see, for example, JP-A 2133632 or JP-A 1061527).
  • This sheathing can be done by various methods, for example by winding or crocheting. Since wrapping means a heavy burden on the yarn material, this z.
  • these yarns have a low composite adhesion to the plastic matrix and reduce the fiber volume fraction of carbon fibers in a fiber composite material by the proportion of Umwindegarne.
  • the core materials of the sewing yarns can not be placed close enough to the fabric because the bulky sheath is located therebetween.
  • glass twists, aramid or so-called PBO fibers are used for sewing, since they have a higher transverse strength than carbon fibers and in this way survive damage to the abrasive sewing process.
  • their printing properties or their mechanical properties in combination with a matrix, such as plastic are considerably lower than at Carbon fibers, so that a real structural reinforcement can not be achieved.
  • the filaments of filament yarn fibers are parallel in the yarn after production and thus form only a small cohesion to a closed yarn structure.
  • twists are introduced into filament yarns. This usually additional manufacturing step means a first damage to the filaments, which then in the subsequent sewing process cause further filament damage to Gamabriss.
  • the yarns should be better suited for use as sewing threads than those previously available on the market.
  • the object of the invention is achieved in that the yarn has at least two, mutually wound strands of endless carbon fibers, wherein the carbon fibers of the strands are arranged at least almost parallel to the yarn direction.
  • carbon fibers are understood to mean endless carbon fibers (carbon fiber filaments).
  • the arrangement of the carbon fiber in a single processing step which is selected almost parallel to the yarn axis, achieves that the loss of strength as a result of the filament breaks during the two-stage twisting process caused by the mutual winding of the strands in the two-stage twisting process Production or otherwise unavoidable skew of the filaments in the yarn in a single-stage twisting method significantly lower fails.
  • the yarns according to the invention can be produced by producing them by direct cabling of at least two carbon fiber strands.
  • This direct cabling has hitherto been used only for the production of tire cord (see, for example, WO 02/103097).
  • the Swiss Sea by which the strands used to produce the yarn according to the invention are wound around each other, in the region in which a contact with the strands, a radius of at least 4 mm, preferably 4 to 40 mm, especially preferably at least 6 to 12 mm.
  • each of the thread guiding elements used in a direct cabling machine has a radius of at least 4 mm, preferably 4 to 40 mm, in the region in which contact takes place with one or more of the strands or with the finished yarn , more preferably 6 to 12 mm.
  • the surface of the Caribbean classroom is coated with a plasma application in the composition 97% of AI2O3 and 3% of TiO2, which is subsequently polished.
  • the direct cabling of the precursor that is to say of the fibers which are further processed by oxidation and / or carbonization into carbon fibers, can also take place, after which the oxidation and / or carbonization takes place. It is also conceivable to withdraw all intermediate products of carbon fiber production from the process, to direct-cofacilitate and then to feed it back into the carbon fiber production at the removal point. In particular, the intermediates prior to carbonization are particularly suitable for this purpose.
  • the yarn according to the invention is characterized in particular by an average abrasion resistance of from 50 to 350, preferably from 175 to 300.
  • the abrasion resistance is measured by the following method:
  • a yarn G is clamped in a yarn clamp 7 and passed through a sewing needle 5 corresponding to the yarn course in FIG. 1 and loaded at the other, free yarn end with a weight 6 of 10 g.
  • a crosshead 1 with the sewing needle 5 cyclically and horizontally by a stroke of about 75 mm.
  • the cross member 1 is mounted on a bearing 2 via a bearing 4.
  • the stroke of about 75 mm is limited by stops 3 'and 3 ", which process about 60 strokes per minute.
  • the yarn G Since the one yarn end is fixed in the yarn clamp, the yarn G is - due to the ever-changing distance between the yarn clamp 7 and needle eye of the needle 5 - moved through the needle eye of the needle 5 and undergoes in this way a scrub stress.
  • the number of strokes executed until then is recorded. This measurement is performed on eight different yarn sections. At the end of the test, all eight values are averaged and rounded to an integer number. This integer number is given as a measure of the average rub resistance.
  • the measurement of the average abrasion resistance is excellent for judging the sewing properties of the tested yarn.
  • D is the turns of the strands per m
  • A takes values between 170 and -35.
  • K is the average knot strength in MPa
  • D is the turns of the strands per m
  • B takes values between 250 and 450.
  • the knot strength is measured according to DIN 53842, however, the yarn ends are fixed with cardboard hoppers before they are clamped in the tensile testing machine. In addition, no preload force is adjusted due to the brittleness of the material.
  • the yarn according to the invention is distinguished by the fact that the carbon fibers in the strands have a diameter of 3 to 10 ⁇ m, in particular 6 to 10 ⁇ m.
  • the cross - sectional opening of the merge loop has a curved course in the area where Game touches the merge loop, with the smallest radius of the curved course is about 15 mm.
  • the yarn inlet and outlet areas of the assembly eye are rounded to smaller radii in the range of 1 to 3 mm.
  • the other yarn guides in turn have a curved course in cross section, wherein the smallest radius is about 8 mm.
  • yarns B and C give the best results in terms of shear strength and knot strength. They are therefore also ideally suited as sewing threads.
  • the fiber-matrix connection is particularly important for the mechanical material potential.
  • a prepreg was prepared from yarns B and C in conjunction with a resin film, and the compressive strength was measured according to EN 2850-B2 and the apparent interlaminar shear strength according to EN 2563 , To carry out the test, the following steps are necessary: Firstly, a prepreg film (HexPly 6376 prepreg film from Hexcel Composite, Dagneux (US Pat. France)) with a basis weight of 72 g / m 2 applied.
  • the yarn is wound on this film with a laboratory winding machine perpendicular to the winding axis with a yarn tension of 500 cN and a winding speed of 23.1 mm / s so that a UD structure is formed.
  • the layers are again wound with a prepreg film having a basis weight of 72 g / m 2 .
  • This entire UD structure and the metallic core are heated in an oven - with constant rotation - in 20 minutes at 80 0 C, kept for 20 minutes below 80 0 C and cooled to room temperature in 60 minutes.
  • the resulting UD body is cut open at the eight edges, resulting in 8 platy preprep materials.
  • These prepreg materials are further processed according to the standards EN 2850-B2 and EN 2563 into multilayer laminates in an autoclave and a conventional vacuum structure and tested under standard conditions.
  • yarns B and C of the invention have similar high apparent interlaminar shear strength and compressive strength to conventional carbon fiber yarn E.
  • the cabling process of the present invention does not significantly deflect the filaments of the yarn from their orientation parallel to the yarn longitudinal axis otherwise the pressure characteristics would have dropped.
  • Comparative yarn F which has a core of carbon fiber filaments and a crocheted jacket of polyester yarn, exhibits significantly poorer compressive strengths.
  • the load-absorbing carbon fiber filaments are therefore no longer stretched along the yarn longitudinal axis and therefore fail faster at a pressure load.
  • the polyester sheath obstructs the necessary adhesion between load-bearing carbon fiber and matrix material.
  • the second comparative yarn G is outstandingly sewn on account of its high transverse strength and its ductile material behavior, it has very low shear and compressive strengths, so that a reinforcing effect in fiber composite materials is not to be expected.
  • test specimens are produced and tested in accordance with EN 6038. Notwithstanding EN 6038, the test specimen produced has a wall thickness of 4 mm, while the test was carried out with a span of 15 mm. To this end, four layers of quasi-isotropic, four-layered multiaxial layers (NCF, 267 g / m 2 fiber surface weight of the scrubland cell) are sutured. The sewing is done with the above-mentioned yarn C with a stitch length of 4 mm, a seam spacing of 3 mm and a stretched lower thread in the lockstitch (also yarn C).
  • the resulting textile preform with a square base area of 315 mm 2 and a wall thickness of 4 mm is impregnated with RTM6 resin from Hexcel in compliance with the resin manufacturer specifications so that a pore-free fiber composite material with a fiber volume fraction of 60 ⁇ 4% , Test specimens were sawn and tested from this plate according to the test standard EN 6038 (hereinafter referred to as "NCF sewn").
  • prepreg an analogously constructed prepreg laminate (16 layers each with 267 g / m 2 fiber surface weight of the prepreg single layer, mirror symmetrical to the median plane of a resin film (HexPly 6376 from Hexcel Composite, Dagneux (France)) and carbon fibers (Tenax HTS 5631 800tex Applicant's f12000 t ⁇ ) (hereinafter referred to as "prepreg").
  • Table 3 shows the results of the test (residual compressive strength after impact according to EN 6038 in [MPa]) with the yarn according to the invention (NCF sewn) compared to an unvarnished multiaxial fabric (NCF unwown) and an analogously constructed laminate (prepreg).
  • the yarn of the present invention can be used in virtually all matrices reinforced with fibers.
  • suitable matrix materials include polymers such as thermoplastics (e.g., polyethylenimine, polyetherketone, polyetheretherketone, polyphenylenesulfide, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polysulfone), duromers (e.g., epoxies), and elastomers, as well as rubbers.
  • thermoplastics e.g., polyethylenimine, polyetherketone, polyetheretherketone, polyphenylenesulfide, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polysulfone), duromers (e.g., epoxies), and elastomers, as well as rubbers.
  • ceramic materials e.g., silicon carbide or boron nitride
  • metallic materials e.g., steel (alloys), titanium
  • Thermoplastics and duromers are particularly suitable because the necessary fiber-matrix adhesion between these polymeric materials and the carbon fiber is particularly good.
  • the direct cabling of carbon fibers can be used not only for the production of sewing threads but also, for example, for the production of yarns for concrete reinforcement. For example, if strands are selected for direct cabling, of which one strand has a higher thread tension than the other strand, then in direct cabling the one or more strands having the lower thread tension will wrap around the strand or strands with the higher thread tension. In this way, a yarn with a kind of ribbing, as they have, for example, reinforcing bars for the reinforcement of reinforced concrete. Thus, a mechanical anchoring of the yarn in the concrete is possible.

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Abstract

Garn aus mindestens zwei, umeinander gewundenen Strängen von endlosen Kohlenstofffasern, wobei die Kohlenstofffasern der Stränge zumindest nahezu parallel zur Garnrichtung angeordnet sind. Garn aus mindestens zwei, umeinander gewundenen Strängen von endlosen Kohlenstofffasern, welches durch Direktkablieren hergestellt ist. Verfahren zur Herstellung eines solchen Garns wobei mindestens zwei Stränge, bestehend aus endlosen Kohlenstofffasern, über Direktkablieren umeinander gewunden werden, wobei als Zusammenführöse eine Öse eingesetzt wird, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit der Zusammenführöse in Berührung gebracht werden, einen Radius von mindestens 4 mm aufweist. Die erfindungsgemäßen Garne werden bevorzugt als Nähgarne oder als Garne zur Verstärkung von Polymeren, Elastomeren, Gummi oder Beton eingesetzt.

Description

Kabliertes Kohlenstofffasergarn
Beschreibung:
Gegenstand der Erfindung ist ein Garn aus mindestens zwei, umeinander gewundenen Strängen von endlosen Kohlenstofffasern, ein Verfahren zur Hersteffung und die Verwendung derartiger Garne.
Für die zunehmende Herstellung und Anwendung von sog. textilen Preforms, beispielsweise für technische Anwendungen, wie etwa Faserverbundwerkstoffe, Filtermedien, sind u.a. geeignete Nähgarne notwendig. Diese Garne sollen die Preform fixieren, aber zunehmend auch strukturell verstärken, auch unter sehr hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Faser- Keramiken oder beim Einsatz als Filtermedien in chemisch und/oder thermisch hoch belasteten Prozessen erforderlich sind.
Die mechanischen Eigenschaften wie auch die thermische und chemische Beständigkeit von Kohlenstofffasern machen dieses Material besonders geeignet für Nähgarne insbesondere für die oben genannte Anwendungen.
Aufgrund der vielen und vor allem starken Fadenumlenkungen während des Nähens wird das Nähgarn geschädigt und erreicht in der Regel im späteren Verbund nicht seine ursprünglichen mechanischen Festigkeiten. Vor allem spröde Kohlenstofffasern lassen sich nur bedingt vernähen. Die theoretisch möglichen mechanischen Eigenschaften der Fasern werden im Bauteil nach der Vemähung nicht erreicht. In der Vergangenheit existierte auf dem Markt ein Produkt der Fa. Toray mit der Bezeichnung Torayca T900, das sich ansatzweise vernähen läßt. Dieses Garn wird mit 1000 Filamenten oder aus zwei Komponenten mit jeweils 1000 Filamenten oder drei Komponenten mit jeweils 1000 Filamenten hergestellt. Die Garndrehung der einzelnen Komponenten beträgt etwa S222-224 t/m. Wenn zwei oder drei Komponenten als Stränge miteinander verbunden werden, sind diese Stränge mit ungefähr Z162-Z164 t/m umeinander gewunden. Die Herstellung dieses Zwirns ist in einem normalen Zwirnprozess mit vielen abrasiven Fadenumlenkungen vermutlich lediglich mit dünnen und somit bϊegeweichen Filamenten in einem Durchmesser von etwa 5,5 μm oder weniger möglich. Die Herstellung von Kohlenstofffasem mit einem Durchmesser von weniger als 6 μm ist jedoch sehr aufwendig, so dass diese Art von Garnen sehr teuer ist.
Alternativ wurden Nähgarne entwickelt, die einen Kern aus Kohlenstofffasern aufweisen und zusätzlich mit einem weiteren Garn ummantelt werden (siehe beispielsweise JP-A 2133632 oder JP-A 1061527). Diese Ummantelung kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Umwinden oder Umhäkeln. Da das Ummanteln eine starke Belastung für das Garnmaterial bedeutet, werden hierfür z. B. Polyester oder Polyamidgarne eingesetzt. Diese Garne weisen allerdings eine geringe Verbundhaftung zur Kunststoffmatrix auf und reduzieren den Faservolumenanteil an Kohlenstofffasern in einem Faserverbundwerkstoff durch den Anteil des Umwindegarne. Darüber hinaus können sich die Kernmaterialien der Nähgarne nicht eng genug an das Nähgut legen, da der voluminöse Mantel sich dazwischen befindet.
Parallel dazu werden Glaszwirne, Aramid- oder sog. PBO-Fasern zum Nähen eingesetzt, da sie eine höhere Querfestigkeit aufweisen als Kohlenstofffasern und auf diese Weise den abrasiven Nähvorgang schädigungsärmer überstehen. Allerdings sind ihre Druckeigenschaften oder ihre mechanischen Eigenschaften im Verbund mit einer Matrix, etwa Kunststoff, erheblich geringer als bei Kohlenstofffasern, so dass eine wirkliche strukturelle Verstärkung nicht erzielt werden kann.
In der Regel liegen die Filamente von Filamentgarnfasern nach der Herstellung parallel im Garn vor und bilden somit nur einen geringen Zusammenhalt zu einem geschlossenen Garnverband. Insbesondere für Nähgarne ist es allerdings wichtig, dass sie einen geschlossenen Garnverband aufweisen, da nur dann sichergestellt ist, dass eine einwandfreie Naht entsteht.
Um einen geschlossenen Garnverband zu erzielen, werden in Filamentgarne Drehungen eingebracht. Dieser in der Regel zusätzliche Herstellungsschritt bedeutet eine erste Schädigung der Filamente, die dann im nachfolgenden Nähvorgang Ursache für weitere Filamentschädigungen bis hin zum Gamabriss ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Game aus endlosen Kohlenstofffasern zur Verfügung zu stellen, bei denen die oben beschriebenen Nachteile zumindest reduziert sind. Insbesondere sollen die Garne besser für die Verwendung als Nähgarne geeignet sein als die bisher auf dem Markt erhältlichen.
Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Garn mindestens zwei, umeinander gewundene Stränge von endlosen Kohlenstofffasern aufweist, wobei die Kohlenstofffasern der Stränge zumindest nahezu parallel zur Garnrichtung angeordnet sind.
Unter Kohlenstofffasern werden im Sinne der vorliegenden Erfindung endlose Kohlenstofffasern (Kohlenstofffaser - Filamente) verstanden. Durch die nahezu parallel zur Garnachse gewählte Anordnung der Kohlenstofffaser in einem einzigen Verarbeitungsschritt wird erreicht, dass gegenüber der durch das Umeinanderwinden der Stränge im zweistufigen Zwirnverfahren erzeugte Festigkeitsverlust infolge der Filamentbrüche während der zweistufigen Herstellung oder der sonst unumgänglichen Schräglage der Filamente im Garn bei einem einstufigen Zwirnverfahren deutlich geringer ausfällt.
Die erfindungsgemäßen Garne lassen sich dadurch herstellen, dass sie durch Direktkablieren von mindestens zwei Kohlenstofffaser - Strängen erzeugt werden. Dieses Direktkablieren ist bisher lediglich zur Herstellung von Reifencord eingesetzt worden (siehe beispielsweise WO 02/103097). Allerdings ist es erforderlich, die heute auf dem Markt erhältlichen Direktkabliermaschinen zu verändern, um die erfindungsgemäßen Garne zu erhalten. Insbesondere ist es erforderlich, dass die Zusammenführöse, durch welche die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Garns eingesetzten Stränge umeinander gewunden werden, in dem Bereich, in dem eine Berührung mit den Strängen erfolgt, einen Radius von mindestens 4 mm, bevorzugt 4 bis 40 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 bis 12 mm aufweist. Auch hat es sich von besonderem Vorteil herausgestellt, dass jedes der in einer Direktkabliermaschine verwendeten Fadenführungselemente in dem Bereich, in dem eine Berührung mit einem odör mehreren der Stränge oder mit dem fertigen Garn stattfindet, einen Radius von mindestens 4 mm, bevorzugt 4 bis 40 mm, besonders bevorzugt 6 bis 12 mm aufweist. Bei Einhaltung dieser Maßnahme, kann mit dem normalen, zum Direktkablieren erforderlichen Fachwissen das erfindungsgemäße Garn hergestellt werden.
Um eine besonders filamentschonende Verarbeitung der Kohlenstofffasern zu ermöglichen, ist die Oberfläche der Zusammenführöse mit einer Plasma- Auftragung in der Zusammensetzung 97 % aus AI2O3 und zu 3 % aus TiO2 beschichtet, die nachträglich glanzpoliert wird.
Beim Direktkablieren werden in einem Arbeitsschritt zwei Stränge umeinander gewunden, ohne den einzelnen Strängen eine Drehung zu erteilen. Aufgrund der dann nahezu gestreckt und parallel vorliegenden Filamente sind gerade mit Kohlenstofffasern sehr hohe Garnfestigkeiten möglich. Darüber hinaus lassen sich die Fadenspannungen der beiden Stränge durch den sogenannten Cord- Regulator sehr genau einstellen, so dass zumindest nahezu gleich lange Stränge miteinander verbunden werden. Auf diese Weise nehmen beide Stränge gleich viel von der Gesamtbelastung auf. Eine maximale Ausnutzung beider Garnkomponenten wird möglich.
Ein weiterer Vorteil des Direktkablierens bei der Verarbeitung einer in der Regel spröden Kohlenstofffaser ist die geringe Anzahl der notwendigen Fadenführungselemente in diesem Prozeß, die allerdings an die oben angegebenen Dimensionen angepasst werden sollten. Die Filamente werden dann deutlich weniger geschädigt als bei dem bisher bekannten Verzwirnen.
Versuche haben ergeben, dass für die Herstellung der erfindungsgemäßen Garne sich als Ausgangsmaterial Kohlenstofffasern mit einem Filamentdurchmesser von 5 bis 8 μm und einer Filamentanzahl von 100 bis 2000, vorzugsweise von 500 bis 1000 Filamente besonders gut eignen. Wenn beim Direktkablieren eine Drehungszahl von 50 bis 1000 T/m, vorzugsweise von 150 bis 250 T/m eingestellt wird, ergeben sich besonders brauchbare Garne, die insbesondere als Nähgarne eingesetzt werden können. Drehungszahlen von 150 bis 400 T/m, insbesondere 160 bis 290 T/m haben sich hierbei besonders bewährt.
Auch kann das Direktkablieren des Precursors, also der Fasern, die durch Oxidation und/oder Karbonisation zu Kohlenstofffasern weiterverarbeitet werden, erfolgen, wonach die Oxidation und/oder Karbonisation erfolgt. Ebenso ist es denkbar, alle Zwischenprodukte der Kohlenstofffaser-Herstellung, dem Prozeß zu entziehen, direktzukablieren und dann am Entnahmepunkt wieder in die Kohlenstofffaser-Herstellung einzuspeisen. Insbesondere die Zwischenprodukte vor der Karbonisation eignen sich hierzu besonders.
Das erfindungsgemäße Garn zeichnet sich insbesondere durch eine durchschnittliche Scheuerfestigkeit von 50 bis 350, bevorzugt von 175 bis 300 aus. Die Scheuerfestigkeit wird hierbei nach folgendem Verfahren gemessen:
Zur Bestimmung der Garnscheuerfestigkeit wird ein Garne G in eine Garnklemme 7 eingespannt und entsprechend des Garnverlaufs in Figur 1 durch eine Nähnadel 5 geführt und am anderen, freien Garnende mit einem Gewicht 6 von 10 g belastet. Während der Scheuerprüfung bewegt sich eine Traverse 1 mit der Nähnadel 5 zyklisch und horizontal um einen Hub von ca. 75 mm. Hierzu ist die Traverse 1 über ein Lager 4 auf einer Führung 2 gelagert. Der Hub von ca. 75 mm ist durch die Anschläge 3' und 3" begrenzt. Es werden in jeder Minute ca. 60 Hubbewegungen ausgeführt.
Da das eine Garnende in der Garnklemme fixiert ist, wird das Garn G - aufgrund des sich ständig verändernden Abstands zwischen Garnklemme 7 und Nadelöhr der Nadel 5 - durch das Nadelöhr der Nadel 5 bewegt und erfährt auf diese Weise eine Scheuerbelastung. Nachdem ein Garn gerissen ist, wird die Anzahl der bis dahin ausgeführten Hübe festgehalten. Diese Messung wird an acht verschiedenen Garnabschnitten durchgeführt. Zum Abschluß der Prüfung werden alle acht Werte gemittelt und auf eine ganzzahlige Zahl gerundet. Diese ganzzahlige Zahl wird als Maß der durchschnittlichen Scheuerfestigkeit angegeben.
Da das Garn, ähnlich wie beim Nähprozess, unter Belastung und unter starker Biegung oftmals durch die Nähnadel geführt wird, ist die Messung der durchschnittlichen Scheuerfestigkeit ausgezeichnet dazu geeignet, die Näheigenschaften des getesteten Garns zu beurteilen.
Das erfindungsgemäße Garn zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es folgender Bedingung genügt:
S = - 35 MO"4 D2 + 2 D -A, wobei
S die durchschnittliche Scheuerfestigkeit und
D die Drehungen der Stränge pro m ist und
A Werte zwischen 170 und -35 einnimmt.
Das erfindungsgemäße Garn zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es folgender Bedingung genügt:
K = -105 MO"4 D2 + 590 D - B
wobei
K die durchschnittliche Knotenfestigkeit in MPa und
D die Drehungen der Stränge pro m ist und
B Werte zwischen 250 und 450 einnimmt.
Die Messung der Knotenfestigkeit erfolgt nach DIN 53842, allerdings werden die Garnenden mit Pappaufleimern fixiert, bevor sie in die Zugprüfmaschine eingespannt werdeη. Darüber hinaus wird aufgrund der Sprödigkeit des Materials keine Vorspannkraft eingestellt.
Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Garn dadurch aus, dass die Kohlenstofffasern in den Strängen einen Durchmesser von 3 bis 10 μm, insbesondere 6 bis 10 μm aufweisen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
Zwei Kohlenstofffaserstränge, Tenax HTA 5641 67tex f1000 Z15, ein auf dem Markt angebotenes Garn der Anmelderin, mit jeweils 1000 Kohlenstofffaser- Filamenten wurden mit Hilfe des Direktkablierens kabliert, wobei die Stränge mit unterschiedlichen Drehungen kabliert wurden. Die Querschnittsöffnung der Zusammenführöse weist einen kurvenförmigen Verlauf in dem Bereich auf, in die Game die Zusammenführöse berühren, wobei der kleinste Radius des kurvenförmigen Verlaufs ungefähr 15 mm beträgt. Die Garnein- und - auslaufbereiche der Zusammenführöse sind mit kleineren Radien im Bereich von 1 bis 3 mm gerundet. Die weiteren Fadenführer weisen wiederum einen kurvenförmigen Verlauf im Querschnitt auf, wobei der kleinste Radius etwa 8 mm beträgt.
Die Scheuerfestigkeit und die Knotenfestigkeit, die die auf diese Weise hergestellten Garne aufwiesen, sind in der Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Aus der Tabelle ist zu erkennen, dass die Garne B und C die besten Ergebnisse hinsichtlich Scherfestigkeit und Knotenfestigkeit liefern. Sie sind somit auch bestens als Nähgarne geeignet.
Neben der eigentlichen Vernähbarkeit eines Garns ist insbesondere zur dreidimensionalen Verstärkung von Faserverbundwerkstoffen die Faser-Matrix- Anbindung, vor allem im Bereich einer Naht, besonders wichtig für das mechanische Werkstoffpotential. Um die Faser-Matrix-Anbindung ohne störende Einflüsse (wie etwa durch einen Nähvorgang) nachzuweisen, wurde aus Garn B und C in Verbindung mit einem Harzfilm ein Prepreg hergestellt und die Druckfestigkeit gemäß EN 2850-B2 und die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit gemäß EN 2563 gemessen. Um die Prüfung durchzuführen, sind folgende Schritte notwendig: Auf einen metallischen Wickelkörper, der im Querschnitt eine achteckige Form mit einer Kantenlänge von jeweils 100 mm aufweist, wird zunächst ein Prepreg-Film (Prepreg-Film HexPly 6376 der Fa. Hexcel Composite, Dagneux (Frankreich)) mit einem Flächengewicht von 72 g/m2 aufgebracht. Auf diesen Film wird mit einer Laborwickelanlage das Garn senkrecht zur Wickelachse mit einer Fadenspannung von 500 cN und einer Wickelgeschwindigkeit von 23,1 mm/s so aufgewickelt, dass ein UD-Aufbau entsteht. Auf die Lagen wird erneut ein Prepreg-Film mit einem Flächengewicht von 72 g/m2 gewickelt.
Dieser gesamte UD-Aufbau und der metallische Kern werden in einem Ofen - unter ständigem Drehen - in 20 Minuten auf 800C aufgeheizt, 20 Minuten unter 800C gehalten und in 60 Minuten auf Raumtemperatur wieder abgekühlt. Der entstandene UD-Körper wird an den acht Kanten aufgeschnitten, so dass 8 plättchenförmige Preprep-Materialien entstehen. Diese Prepreg-Materialien werden entsprechend der Normen EN 2850-B2 und EN 2563 zu mehrschichtigen Laminaten in einem Autoklav und einem üblichen Vakuum- Aufbau weiterverarbeitet und im Normklima geprüft.
Zum Vergleich wurden auf dieselbe Weise weitere mehrschichtige Laminate hergestellt, wobei als Garne
- ein Kohlenstofffasergarn E (Tenax HTA 5131 400tex fδOOO tθ, ein bei der Anmelderin erhältliches Garn),
- mit Polyesterfasern umhäkelte Kohlenstofffasern F (Mit Polyesterfasern (PES 84 dtex f12) umhäkelte Kohlenstofffasern F (Tenax HTA 5641 67tex f1000 Z15) und
- PBO - Fasern G aus poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole, Handelsname PBO Fiber Zylon der Firma Toyobo, Osaka Japan hergestellt. Die Prüfergebnisse der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit (ILSF) gemäß EN 2563 und die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfung gemäß EN 2850-B2 sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Es ist gut zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Garne B und C eine ähnlich hohe scheinbare interlaminare Scherfestigkeit und Druckfestigkeit aufweisen wie ein konventionelles Kohlenstofffaserngarn E. Durch den erfindungsgemäßen Vorgang des Kablierens werden die Filamente des Garns nicht wesentliche aus ihrer Ausrichtung parallel zur Garnlängsachse abgelenkt, da sonst die Druckkennwerte abgefallen wären.
Im Gegensatz dazu zeigt das Vergleichsgarn F, das einen Kern aus Kohlenstofffaserfilamenten und einen umhäkelten Mantel aus Polyestergarn aufweist, wesentlich schlechtere Druckfestigkeiten. Die lastaufnehmenden Kohlenstofffaserfilamente liegen also nicht mehr gestreckt entlang der Garnlängsachse vor und versagen daher schneller bei einer Druckbelastung. Darüber hinaus behindert der Polyester-Mantel die notwendige Haftung zwischen lastaufnehmender Kohlenstofffaser und Matrixwerkstoff.
Das zweite Vergleichsgarn G ist aufgrund seiner hohen Querfestigkeit und seines duktilen Materialverhaltens zwar hervorragend vernähbar, weist aber sehr geringe Scher- und Druckfestigkeiten auf, so dass eine Verstärkungswirkung bei Faserverbundwerkstoffen nicht zu erwarten ist. Um den Vorteil einer Vernähung von Faserverbundwerkstoffen gerade bei Stoßbelastungen aufzuzeigen, werden gemäß EN 6038 Prüfkörper hergestellt und geprüft. In Abweichung von EN 6038 weist der hergestellte Prüfkörper eine Wandstärke von 4 mm auf, während die Prüfung mit einer Stützweite von 15 mm vorgenommen wurde. Hierzu werden vier Lagen von quasiisotropen, vierlagigen Multiaxialgelegen, (NCF, 267 g/m2 Faserflächengewicht der Gelegeeinzellage) vernäht. Die Vernähung erfolgt mit dem oben erwähnten Garn C mit einer Stichlänge von 4 mm, einem Nahtabstand von 3 mm und gestrecktem Unterfaden im Doppelsteppstich (ebenfalls Garn C).
Der auf diese Weise entstandene textile Vorformling mit einer quadratischen Grundfläche von 315 mm2 und einer Wandstärke von 4 mm wird mit RTM6- Harz der Fa. Hexcel unter Einhaltung der Harzherstellerangaben so getränkt, dass ein porenfreier Faserverbundwerkstoff mit einem Faservolumenanteil von 60 ±4 % entsteht. Aus dieser Platte wurden Prüfkörper entsprechend der Prüfnorm EN 6038 ausgesägt und geprüft (nachfolgend "NCF vernäht" bezeichnet).
Entsprechende Prüfkörper wurden unter Zuhilfenahme von dem oben erwähnten Multiaxialgelege (viermal vierlagig) ohne Vernähung (nachfolgend "NCF unvernäht" bezeichnet) und
von einem analog aufgebauten Prepreg-Laminat (16 Lagen mit jeweils 267 g/m2 Faserflächengewicht der Prepreg - Einzellage, spiegelsymetrisch zur Mittelebene aus einem Harzfilm (HexPly 6376 der Fa. Hexcel Composite, Dagneux (Frankreich)) und Kohlenstofffasern (Tenax HTS 5631 800tex f12000 tθ der Anmelderin) hergestellt (nachfolgend "Prepreg" bezeichnet).
In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Prüfung (Restdruckfestigkeit nach Schlagbeanspruchung gemäß EN 6038 in [MPa]) mit dem erfindungsgemäßen Garn (NCF vernäht) im Vergleich zu einem unvemähten Multiaxialgelege (NCF unvernäht) und einem analog aufgebauten Laminat (Prepreg) dargestellt. Tabelle 3
Deutlich zu erkennen ist, dass gerade bei höheren Stoßenergien die Vernähung zu einem fast konstanten Verlauf der Restdruckfestigkeit beiträgt. Hingegen weisen die konventionellen, unvernähten Vergleichslaminate eine hohe Abhängigkeit der Restdruckfestigkeit von der zuvor eingebrachten Stoßenergie auf. Dementsprechend mussten bislang Bauteile ohne Vernähung gegen diesen Belastungsfall ausreichend größer und damit schwerer dimensioniert werden.
Das erfindungsgemäße Garn kann praktisch in allen Matrices, die über Fasern verstärkt werden, eingesetzt werden. Als Matrixmaterialien kommen Polymere, wie etwa Thermoplaste (z.B. Polyethylenimin, Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyethersulfon, Polyetherethersulfon, Polysulfon), Duromere (z.B. Epoxide) und Elastomere sowie Gummi in Frage. Auch die Verwendung in keramischen Werkstoffen (z.B. Siliziumcarbid oder Bornitrid) oder metallischen Werkstoffen (z.B. Stahl(-Iegierungen), Titan) ist aufgrund der sehr guten Temperaturbeständigkeit von Kohlenstofffasern möglich.
Thermoplaste uhd Duromere eignen sich besonders, da die notwendige Faser- Matrix-Haftung zwischen diesen polymeren Werkstoffen und der Kohlenstofffaser besonders gut ist.
Aber auch die Verstärkung von Elastomeren und Gummi mit den erfindungsgemäßen Garnen ist vorteilhaft, da normalerweise Kohlenstofffasern zwar eine hohe Festigkeit aufweisen aber nicht die in diesen Werkstoffen üblichen Dehnungseigenschaften. Durch die Garnstruktur der erfindungsgemäßen Garne ist eine verbesserte Dehnfähigkeit möglich und auf diese Weise eine verbesserte Verstärkungswirkung auch in Elastomer- und Gummiwerkstoffen.
Das Direktkablieren von Kohlenstofffasern kann nicht nur für die Herstellung von Nähgarnen eingesetzt werden sondern auch beispielsweise für die Herstellung von Garnen für die Betonbewehrung. Wenn beispielsweise für das Direktkablieren Stränge ausgewählt werden, von denen der eine Strang eine höhere Fadenzugkraft aufweist als der andere Strang, legt sich beim Direktkablieren der oder die Stränge mit der geringeren Fadenzugkraft um den oder die Stränge mit der höheren Fadenzugkraft. Auf diese Weise entsteht ein Garn mit einer Art Verrippung, wie sie zum Beispiel auch Betonstähle für die Verstärkung von Stahlbeton aufweisen. Somit wird eine mechanische Verankerung des Garns im Beton möglich.
Für diese Garnkonstruktion wären verschiedene Komponenten interessant: Für den Kern, der aus einem oder mehreren gestreckten Strängen besteht, eignen sich Kohlenstofffasern mit einer Filamentanzähl von über 6000 Filamenten, vorzugsweise über 24.000 Filamenten. Für den äußeren Strang beziehungsweise die äußeren Stränge hingegen bieten sich feinere Garne an, die nicht notwendigerweise aus Kohlenstofffasem sein müssen. Der Drehungswert soll im Bereich von sehr wenigen Drehungen pro Meter liegen, vorzugsweise unter 10 T/m.

Claims

Kabliertes KohlenstofffasergarnPatentansprüche:
1. Garn aus mindestens zwei, umeinander gewundene Strängen von endlosen Kohlenstofffasern, wobei die Kohlenstofffasern der Stränge zumindest nahezu parallel zur Garnrichtung angeordnet sind.
2. Garn aus mindestens zwei, umeinander gewundenen Strängen von endlosen Kohlenstofffasern, welches durch Direktkablieren hergestellt ist.
3. Garn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, däss die Stränge mit 150 bis 400 Drehungen pro m umeinander gewunden sind.
4. Garn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge mit 160 bis 290 Drehungen pro m umeinander gewunden sind.
5. Garn nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eine durchschnittliche Scheuerfestigkeit von 50 bis 350 aufweist.
6. Garn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es eine durchschnittliche Scheuerfestigkeit von 175 bis 300 aufweist.
7. Garn nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es folgender Bedingung genügt:
S = - 35 MO"4 D2 + 2 D - A, wobei
S die durchschnittliche Scheuerfestigkeit und
D die Drehungen der Stränge pro m ist und
A Werte zwischen 170 und -35 einnimmt.
8. Garn nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es folgender Bedingung genügt:
K = -105 MO"4 D2 + 590 D - B
wobei
K die durchschnittliche Knotenfestigkeit in MPa und D die Drehungen der Stränge pro m ist und B Werte zwischen 250 und 450 einnimmt.
9. Garn nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern in den Strängen einen Durchmesser von 6 bis 10 μm aufweisen.
10. Garn nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Nähgarn ist.
11.Verfahren zur Herstellung eines Garns nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stränge, bestehend aus endlosen Kohlenstofffasern, über Direktkablieren umeinander gewunden werden, wobei als Zusammenführöse eine Öse eingesetzt wird, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit der Zusammenführöse in Berührung gebracht werden, einen Radius von mindestens 4 mm aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass als Zusammenführöse eine Öse eingesetzt wird, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit der Zusammenführöse in Berührung gebracht werden, einen Radius von 4 bis 40 mm aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusammenführöse eine Öse eingesetzt wird, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit der Zusammenführöse in Berührung gebracht werden, einen Radius von 6 bis 12 mm aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Fadenführer eingesetzt werden, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit dem Fadenführer in Berührung gebracht werden, einen Radius von mindestens 4 mm aufweisen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Fadenführer eingesetzt werden, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit dem Fadenführer in Berührung gebracht werden, einen Radius von mindestens 4 bis 40 mm aufweisen.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Fadenführer eingesetzt werden, die zumindest in dem Bereich, an dem die Stränge mit dem Fadenführer in Berührung gebracht werden, einen Radius von mindestens 6 bis 12 mm aufweisen.
17. Verwendung eines Garns gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 als Nähgarn.
18. Verwendung eines Garns gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 in Faserverbundwerstoffen, wie Thermoplasten, Duromeren, Elastomeren, insbesondere Gummi oder keramischen Werkstoffen.
19. Verwendung eines Garns gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 zur Verstärkung von Beton.
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