EP2588658B1 - Nähgarn und verfahren zum herstellen eines nähgarns - Google Patents

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EP2588658B1
EP2588658B1 EP11730604.3A EP11730604A EP2588658B1 EP 2588658 B1 EP2588658 B1 EP 2588658B1 EP 11730604 A EP11730604 A EP 11730604A EP 2588658 B1 EP2588658 B1 EP 2588658B1
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EP
European Patent Office
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staple
sewing thread
fibres
fibers
yarn
Prior art date
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Active
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EP11730604.3A
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EP2588658A2 (de
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Heide SCHMIDT
Birgit DENKEL
Florian Gojny
Reiner Bode
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SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
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Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
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Application granted granted Critical
Publication of EP2588658B1 publication Critical patent/EP2588658B1/de
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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
    • D02G3/02—Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • D02G3/16—Yarns or threads made from mineral substances
    • 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
    • D02G3/02—Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • 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
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12—Carbon; Pitch

Definitions

  • the present invention relates to a sewing thread and a method for producing a sewing thread.
  • the present invention relates to a sewing yarn in the form of a staple fiber yarn made of carbon and in particular to a corresponding production method.
  • the present invention further relates to measures for improving the properties of CF rovings and CF staple fiber yarns, in particular for use in embedding in elastomers, thermoplastics and / or thermosets, e.g. Phenolic resins.
  • EP-A-2 147 776 shows a sewing yarn (ie, attachment yarn) formed as a spun yarn from a staple fiber material of staple fibers formed with or from carbon fiber materials and coated or impregnated with one or more coating materials and / or impregnating materials.
  • EP-A-2,160,072 shows a similar sewing thread.
  • US-A-2007/0148455 describes a yarn which can also be used for sewing, which is formed as spun yarn from a staple fiber material, which is formed with or from carbonized PAN fibers.
  • the invention is based on the object of specifying a sewing thread and corresponding production method, in which a constant and constant profile of the sewing thread can be ensured in a simple and nevertheless reliable manner and in particular with simple processability.
  • a sewing thread is provided, which is formed as a spun yarn from a staple fiber material with or from staple fibers - and which is formed with or from one or more carbon fiber materials.
  • Carbon fibers have proven to be particularly advantageous in chemical and physical process engineering and in many technical applications proved, because they can be adjusted in their property profile in a particularly suitable and constant manner and as such in terms of their mechanical, thermal, chemical and electrical properties of particular advantage in many applications.
  • the staple fibers as individual fibers are wholly or partly coated or impregnated in their entirety with one or more coating materials and / or impregnating materials.
  • the staple fiber yarn may be wholly or partly obtained from a multifilament yarn or roving, in particular from a Multifilamentcarbonroving or be.
  • the staple fiber yarn may in particular be wholly or partly obtained from a stretch-broken and / or cut multifilament yarn or roving, in particular from a stretch-broken multifilament carbon roving.
  • the staple fiber yarn may also be wholly or partially obtained from a textile fabric, a scrim, in particular a carbon fabric, a woven fabric, in particular a carbon fabric, and / or combinations thereof.
  • the staple fiber yarn may be formed with or from filaments or filament sections having a length in the range of about 10 mm to about 250 mm.
  • All aspects are of course also applicable to multifilament yarns or multifilament rovings and their transformation, e.g. their introduction into a surrounding matrix material, e.g. of an elastomer, thermoplastic and / or thermoset, e.g. a phenolic resin, wherein in particular an impregnation and / or coating, e.g. by precipitation or in the manner of a coating, aspects of the static and / or dynamic loading, the internal and / or external friction and / or the embedding in and interaction with the embedding matrix material and thus the transmission of force, thrust and pressure are advantageous to develop.
  • a surrounding matrix material e.g. of an elastomer, thermoplastic and / or thermoset, e.g. a phenolic resin
  • the staple fiber yarn may be formed with or from filaments or filament portions based on glass material fibers, acrylic material fibers, polyester fibers, polyamide fibers, basalt material fiber and / or combinations thereof, as one or a hybrid type, preferably having a carbon fiber content in the range greater than 10 %.
  • the coating and / or the impregnation with the coating material or the impregnating material can be or are formed by etching and in particular as a coating.
  • the basic principles provided according to the invention are also applicable to fiber types other than carbon fibers and staple fibers, in particular with regard to coating and / or impregnation.
  • the present invention thus also provides a method for producing a sewing thread, in which the sewing thread is formed as a spun yarn from a staple fiber material with or from staple fibers and wherein the sewing thread is formed with or from one or more carbon fiber materials.
  • the staple fibers are wholly or partially coated or impregnated as single fibers in their entirety with one or more coating materials and / or impregnating materials.
  • the staple fiber yarn can be obtained procedurally wholly or partly from a multifilament yarn or roving, in particular a Multifilamentcarbonroving.
  • the staple fiber yarn can be wholly or partly obtained from a stretch-torn and / or cut multifilament yarn or roving, in particular a stretch-torn and / or cut multifilament carbon roving, wherein the process of stretch ripping and / or cutting can be designed to be integrated in particular in the process.
  • the staple fiber yarn can be wholly or partly obtained from a textile fabric, a scrim, in particular a carbon web, a fabric, in particular a carbon fabric, and / or combinations thereof, e.g. also as part of a recycling process.
  • the filaments or filament sections for the staple fiber yarn may be formed to have a length in the range of about 10 mm to about 250 mm.
  • the staple fiber yarn may be formed with or from filaments or filament portions based on glass material fibers, acrylic material fibers, polyester fibers, polyamide fibers, and / or combinations thereof, as one or a hybrid type, preferably having a carbon fiber content in the range of more, besides carbon-based materials than 10%.
  • the coating and / or impregnation with the coating material or the impregnating material can be formed by quenching and in particular as a coating.
  • the present invention relates to staple fiber yarns of carbon and their manufacture, and to methods and possibilities for improving the properties of CF rovings and CF staple yarns, in particular also for use in elastomers, thermoplastics and thermosetting plastics, eg in phenolic resins.
  • the surface can be increased, this rotation is used to protect the yarn composite.
  • the processing is limited.
  • the filament yarns have a very high strength, but a low elongation.
  • Spun yarn 10 of staple fibers 20 of limited length so can produce a yarn 10 with higher elongation.
  • a carbon roving with a high filament number can be used as a raw material for the stretch-broken staple fiber yarn.
  • Carbon fibers have a high strength, but unfortunately also a low ductility. For this reason, carbon fibers in textile processes can only be processed comparatively slowly and at relatively high cost.
  • the improvement can be measured by fiber abrasion, the number of strand breaks and the processing speed become. In this case, an improvement is then achieved in consequence also in the sewing and knitting processes. Such sized yarns can be woven more effectively, resulting, among other things, in higher productivity.
  • An embodiment of the surface treatment can be based on the following aspects according to the invention:
  • the use of an elastic sizing with a low glass transition temperature to coat fibers 20 and yarns 10 results in a more suitable surface which ensures improved processability.
  • This procedure is also suitable for the treatment of all fiber types, but especially of carbon and ceramic fibers.
  • impregnation, coating and / or wrapping improved incorporation of a CF roving, CF staple fiber yarn or respective monofilaments in matrix systems, e.g. made of rubber, thermoplastic and / or duroplast, possible. Furthermore, an improvement of the transmission of force, thrust and / or pressure can be achieved by such impregnation, embedding and / or coating.
  • thermoplastic fibers 20 and / or materials into continuous rovings or filament yarns are described for this purpose. Since such processes can also take place with the supply of heat, it is achieved in such embodiments that the thermoplastic melts and completely incorporates the CF filaments. The complete incorporation and protection of the filaments 20 or filament sections 20 reduces the internal friction among each other and thus increases the dynamic strength of the product.
  • An impregnation 40 and / or coating 30 of the fibers 20, fiber groups 25 or the yarn 10 as a whole reduce or prevent on the one hand the formation of dust by abrasion, but on the other hand also the adhesion resulting or existing dust on the fibers 20, the fiber groups 25 or the yarn 10th as a whole.
  • Fig. 1A to 1D describe in schematic cross-sectional view various embodiments of a sewing thread 10.
  • Fig. 1A is a schematic cross-sectional view of a group 25 or a bundle 25 of individual filaments 20 or fibers 20 of a fiber material 20 'shown, which form a group 10 or bundle 25 after a corresponding spinning process, a yarn 10 and in particular a sewing thread 10.
  • the actual fibers 20 are staple fibers, ie fiber or filament sections of finite length, which are or are spun together by a spinning process.
  • the material 20 'of the underlying fibers 20 or filaments 20 is a carbon material or carbon material so that the filaments 20 or fibers 20 may be referred to as carbon fibers or carbon fibers in a narrower or broader sense.
  • the individual fibers or filaments 20 are formed on their surface 20a, that is to say the lateral surface 20a of the fibers 20 or filaments 20, with a coating 30 of a coating material 30 '.
  • the individual fibers 20 or filaments 20 are formed over their surface 20a, that is to say over their lateral surface 20a with an impregnation 40 with an impregnating material 40 '. That is, the impregnating material 40 'penetrates or penetrates the surface 20a of the fibers 20 or filaments 20 to effect surface modification there.
  • the representations of the Fig. 1B with the coating 30 and the Fig. 1C with impregnation 40 represent extreme perspectives of the conditions expected in reality. As a rule, mixing processes will take place as soon as possible a coating material 30 'or an impregnating material 40' is applied to the surface 20a of any fiber 20 or any filament 20. This means that the applied materials 30 ', 40' on the one hand realize or effect a coating 30, but on the other hand also an impregnation 40.
  • the group 25 or bundle 25 of the plurality of fibers 20 or fiber segments 20 is embedded in an embedding 50 with or of an embedding material 50 'such that the fibers 20 or fiber sections 20 no longer individually or individually with their surface 20a in Appear appearance.
  • aspects 50 are also combined with the embedding 50, for example, by embedding fibers 20 or fiber sections 20 formed as a group 25 with a coating 30 or an impregnation 40 overall in an embedding 50.
  • the Fig. 2 shows in the manner of a schematic flow diagram aspects of an embodiment of the method according to the invention for producing a sewing thread 10 according to the invention.
  • an intermediate processing step S2 the provided staple fiber material is optionally processed between, for example, to dissolve or produce a certain order of the staple fibers or to perform a surface treatment or the like.
  • this step of intermediate processing S2 is optional and only provided in certain embodiments of the manufacturing method according to the invention, that is not mandatory in each embodiment of the invention.
  • the resulting product is considered a roving, e.g. is still surface-treated and / or introduced into an embedding 50.
  • the final step S5 ends the process.
  • the Fig. 3 shows partial aspects of step S1 of providing the staple fibers or the staple fiber material.
  • first a roving e.g. in the sense of a multifilament roving on the basis of a carbon fiber material or carbon fiber material, but optionally also based on other fiber materials, provided in a first substep T1.
  • fiber section material which is e.g. from a recycling process and fibrous waste, e.g. used in a felt-like way.
  • Fig. 4 shows partial aspects of the optional intermediate processing step S2.
  • a first substep U1 the basic staple fiber material provided is dissolved and / or parallelized, by means of a so-called carding machine.
  • the actual production of the sewing thread 10 takes place in the context of a spinning process of the underlying staple fiber material, e.g. using a ring spinning machine, a rotor spinning machine or a friction spinning machine.
  • the basic yarn obtained can be regarded as a roving and subjected to a twisting process, in order, for example, to apply a twisting process. to produce a double thread or the like.
  • a textile structure is formed with or out of the sewing thread 10, in particular by means of a weaving process, preferably as one or two-dimensional textile type, one or in the manner of a woven, laid, braided, knitted, knitted fabric and / or or their combinations.

Landscapes

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  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)
  • Treatments For Attaching Organic Compounds To Fibrous Goods (AREA)
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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nähgarn sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Nähgarns. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Nähgarn nach Art eines Stapelfasergarns aus Carbon und insbesondere ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren auch Maßnahmen zur Verbesserung der Eigenschaften von CF-Rovings und CF-Stapelfasergarnen, insbesondere für den Einsatz in Einbettung in Elastomeren, Thermoplasten und/oder Duroplasten, z.B. Phenolharzen.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei der Herstellung, Verarbeitung und Verwendung von Garnen und insbesondere von Nähgarnen, also von Garnen, die in Nähprozessen eingesetzt und verwendet werden, treten aufgrund der zu Grunde liegenden Ausgangsmaterialien und deren Eigenschaften häufig Beschränkungen und andere Umstände auf, die nicht toleriert werden können.
  • Dies betrifft Aspekte der statischen und/oder dynamischen Belastbarkeit und der inneren und äußeren Reibung sowie damit im Zusammenhang stehende Folgeerscheinungen, z.B. aufgrund von innerer und äußerer Reibung sich ergebende Beeinflussungen des Garns oder Nähgarns hinsichtlich Struktur und Eigenschaften selbst, aber auch Aspekte der mit der Reibung in Zusammenhang stehenden Kontamination des Garns oder der Anwendungsumgebung durch Abrieb und dergleichen. EP-A-2 147 776 zeigt ein Nähgarn (d.h. Anbringungsfaden) welches als Spinnfasergarn aus einem Stapelfasermaterial aus Stapelfasern ausgebildet ist, welches mit oder aus Carbonfasermaterialien ausgebildet ist und bei welchem die mit einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien und/oder Imprägniermaterialien beschichtet bzw. imprägniert sind. EP-A-2 160 072 zeigt ein ähnliches Nähgarn. US-A-2007/0148455 beschreibt ein Garn, der auch zum Nähen verwendet werden kann, welches als Spinnfasergarn aus einem Stapelfasermaterial ausgebildet ist, welches mit oder aus carbonisierte PAN Fasern ausgebildet ist.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Nähgarn sowie entsprechende Herstellungsverfahren anzugeben, bei welchen auf einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise und insbesondere bei einfacher Verarbeitbarkeit ein möglichst konstantes Eigenschaftenprofil des Nähgarns gewährleistet werden kann.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Nähgarn erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, sowie bei einem Verfahren zum Herstellen eines Nähgarns erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Nähgarn geschaffen, welches als Spinnfasergarn aus einem Stapelfasermaterial mit oder aus Stapelfasern - ausgebildet ist und welches mit oder aus einem oder mehreren Carbonfasermaterialien ausgebildet ist.
  • Es ist somit ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Nähgarn dadurch mit einem besonders konstanten Eigenschaftenprofil auszubilden, dass dieses auf der Grundlage eines oder nach Art eines Stapelfasergarns ausgebildet ist oder wird, wobei dieses Stapelfasergarn und letztlich das Nähgarn selbst mit oder aus einem oder mehreren Carbonfasermaterialien ausgebildet ist bzw. wird.
  • Carbonfasern haben sich in der chemischen und physikalischen Verfahrenstechnik und auf vielen technischen Anwendungsgebieten als besonders vorteilhaft erwiesen, weil sie in ihrem Eigenschaftenprofil auf besonders geeignete und konstante Art und Weise eingestellt werden können und als solche hinsichtlich ihrer mechanischen, thermischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften von besonderem Vorteil in vielen Einsatzgebieten sind.
  • Die Stapelfasern als Einzelfasern sind in ihrer Gesamtheit ganz oder teilweise mit einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien und/oder Imprägniermaterialien beschichtet bzw. imprägniert.
  • Das Stapelfasergarn kann ganz oder teilweise aus einem Multifilamentgarn oder -roving, insbesondere aus einem Multifilamentcarbonroving gewonnen sein oder werden.
  • Das Stapelfasergarn kann dabei insbesondere ganz oder teilweise aus einem streckgerissenen und/oder geschnittenen Multifilamentgarn oder -roving, insbesondere aus einem streckgerissenen Multifilamentcarbonroving gewonnen sein oder werden.
  • Ferner kann das Stapelfasergarn auch ganz oder teilweise aus einem textilen Flächengebilde, einem Gelege, insbesondere einem Carbongelege, einem Gewebe, insbesondere einem Carbongewebe, und/oder deren Kombinationen gewonnen sein oder werden.
  • Denkbar ist dabei insbesondere die Verwendung recycelter Materialien.
  • Darüber hinaus kann das Stapelfasergarn mit oder aus Filamenten oder Filamentabschnitten mit einer Länge im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 250 mm gebildet sein.
  • Es bieten sich also verschiedene Möglichkeiten an, auf deren Grundlage des zu Grunde liegende Stapelfasergarn für ein Nähgarn weitergebildet werden kann.
  • Sämtliche Aspekte sind natürlich auch auf Multifilamentgarne oder Multifilamentrovings und deren Umgestaltung, z.B. deren Einbringung in ein umgebendes Matrixmaterial, z.B. aus einem Elastomer, Thermoplast und/oder Duroplast, z.B. einem Phenolharz anwendbar, wobei insbesondere eine Imprägnierung und/oder Beschichtung, z.B. durch Beschlichten oder nach Art einer Beschlichtung, geeignet sind, Aspekte der statischen und/oder dynamischen Belastung, der inneren und/oder äußeren Reibung und/oder der Einbettung in sowie Wechselwirkung mit dem einbettenden Matrixmaterial und somit der Übertragung von Kraft, Schub und Druck vorteilhaft zu entwickeln.
  • Das Stapelfasergarn kann mit oder aus Filamenten oder Filamentabschnitten auf der Grundlage von Glasmaterialfasern, Acrylmaterialfasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern, Basaltmaterialfaser und/oder deren Kombinationen ausgebildet sein oder werden, als ein oder nach Art eines Hybrids, vorzugsweise mit einem Carbonfaseranteil im Bereich von mehr als 10 %.
  • Die Beschichtung und/oder die Imprägnierung mit dem Beschichtungsmaterial bzw. dem Imprägniermaterial kann durch Beschlichten und insbesondere als Beschlichtung ausgebildet sein oder werden.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehenen Grundprinzipien sind auch auf andere Fasertypen als Carbonfasern und Stapelfasern anwendbar, insbesondere hinsichtlich der Beschichtung und/oder Imprägnierung.
  • Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung werden die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien auch bei entsprechenden Herstellungsverfahren in vorteilhafter Weise eingebracht.
  • Die vorliegende Erfindung schafft also einerseits auch ein Verfahren zum Herstellen eines Nähgarns, bei welchem das Nähgarn als Spinnfasergarn aus einem Stapelfasermaterial mit oder aus Stapelfasern - ausgebildet wird und bei welchem das Nähgarn mit oder aus einem oder mehreren Carbonfasermaterialien ausgebildet wird.
  • Dabei werden die Stapelfaser als Einzelfasern in ihrer Gesamtheit ganz oder teilweise mit einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien und/oder Imprägniermaterialien beschichtet bzw. imprägniert.
  • Das Stapelfasergarn kann verfahrensmäßig ganz oder teilweise aus einem Multifilamentgarn oder -roving, insbesondere einem Multifilamentcarbonroving gewonnen werden.
  • Dabei kann das Stapelfasergarn ganz oder teilweise aus einem streckgerissenen und/oder geschnittenen Multifilamentgarn oder -roving, insbesondere einem streckgerissenen und/oder geschnittenen Multifilamentcarbonroving gewonnen werden, wobei der Vorgang des Streckreißens und/oder Schneidens insbesondere in das Verfahren integriert ausgebildet sein kann.
  • Andererseits kann das Stapelfasergarn ganz oder teilweise aus einem textilen Flächengebilde, einem Gelege, insbesondere einem Carbongelege, einem Gewebe, insbesondere einem Carbongewebe, und/oder deren Kombinationen gewonnen werden, z.B. auch im Rahmen eines Recyclingprozesses.
  • Die Filamente oder Filamentabschnitte für das Stapelfasergarn können mit einer Länge im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 250 mm ausgebildet werden.
  • Das Stapelfasergarn kann - neben den carbonbasierten Materialien - mit oder aus Filamenten oder Filamentabschnitten auf der Grundlage von Glasmaterialfasern, Acrylmaterialfasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern und/oder deren Kombinationen ausgebildet werden, als ein oder nach Art eines Hybrids, vorzugsweise mit einem Carbonfaseranteil im Bereich von mehr als 10 %.
  • Verfahrensmäßig können die Beschichtung und/oder Imprägnierung mit dem Beschichtungsmaterial bzw. dem Imprägniermaterial durch Beschlichten und insbesondere als Beschlichtung ausgebildet werden.
  • Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
    • Fig. 1A - D
    zeigen in schematischer und geschnittener Querschnittsansicht verschiedene Ausführungsformen des Nähgarns.
    Fig. 2
    ist ein schematisches Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Nähgarns zeigt.
    Fig. 3, 4
    sind schematische Blockdiagramme, die Detailaspekte von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Nähgarns erläutern.
    DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
  • Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
  • Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Stapelfasergarne aus Carbon und deren Herstellung sowie Verfahren und Möglichkeiten zur Verbesserung der Eigenschaften von CF-Rovings und CF-Stapelfasergarne, insbesondere auch für den Einsatz in Elastomeren, Thermoplasten und Duroplasten, z.B. in Phenolharzen.
  • Dies führt im Prozess zu Zugkräften, die sich negativ auf das fertige Produkt auswirken können. Durch die Belastungen können die Filamente 20 beschädigt und somit die mechanischen Festigkeiten herabgesetzt werden. Es können sich auch Prozessstörungen herausbilden, z.B. im Zusammenhang mit einem Garnriss oder dergleichen.
  • Mit Hilfe einer Drehung im Garn 10 kann die Oberfläche vergrößert werden, diese Drehung dient zum Schutz des Garnverbundes. Jedoch ist auch hier die Verarbeitung nur eingeschränkt möglich. Die Filamentgarne haben eine sehr hohe Festigkeit, jedoch eine niedrige Dehnung. Stellt man hingegen ein Stapelfasergarn her, d.h. Spinnfasergarn 10 aus Stapelfasern 20 mit begrenzter Länge, so lässt sich ein Garn 10 mit höherer Dehnung herstellen.
  • Als Rohstoff für das streckgerissene Stapelfasergarn kann ein Carbonroving mit hoher Filamentanzahl verwendet werden. Die Herstellung eines 1K-Rovings mit einem Filamentdurchmesser von oder unter 6 µm ist dagegen sehr kostenintensiv.
  • Kohlenstofffasern weisen eine hohe Festigkeit, aber leider auch eine geringe Duktilität auf. Aus diesem Grund können Kohlenstofffasern in textilen Prozessen nur vergleichsweise langsam und unter vergleichsweise hohem Aufwand verarbeitet werden.
  • Es ist unter anderem auch ein Ziel der Erfindung, eine Beschichtung für Kohlenstofffasern 20, Garne 10 aus streckgerissenen Fasern 20 oder Panox 20, sowie weiterer spröder Fasern anzugeben, die die Verarbeitungseigenschaften verbessern.
  • Die Verbesserung kann unter anderem auch anhand des Faserabriebs, der Anzahl an Fandenbrüchen, sowie der Verarbeitungsgeschwindigkeit gemessen werden. Hierbei wird dann in Folge auch bei den Näh- und Wirkprozessen eine Verbesserung erzielt. Derartig beschlichtete Garne können effektiver Verwoben werden, was unter anderem einen höhere Produktivität zur Folge hat.
  • Eine Ausführungsform eines möglichen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann folgende Schritte aufweisen:
    • 1. Streckreißen und/oder Schneiden eines Multifilamentrovings, z.B. eine Rovings von über 48K, oder von textilen Flächengebilden, z.B. Recyclingmaterial aus Carbongelege oder -gewebe zu Filamenten, die eine Länge im Bereich von 10 - 250 mm haben.
    • 2 Auflösen, Parallelisieren in einer Karde.
    • 3. Herstellung eines Bandes in einer Strecke.
    • 4. Gegebenenfalls und in Abhängigkeit von einem einzusetzenden Spinnverfahren, Weiterverarbeitung zu einer Flyerlunte.
    • 5. Garnherstellung durch Spinnen, z.B. mit Hilfe einer Ringspinnmaschine, Rotorspinnmaschine oder einer Friktionspinnmaschine.
    • 6. Zwirnherstellung, z.B. zu einem Zweifachzwirn.
    • 7. Optionale Avivierung mit Textilhilfsmittel zur Verbesserung des Haft-/Gleitverhaltens, der Herabsetzung der statischen Reibung, der Erhöhung der dynamischen Reibung, dem thermischen Schutz sowie der Verbesserung des Faserreibverhaltens und Erhöhung der Dehnung.
  • Eine Ausführungsform der Oberflächenbehandlung kann erfindungsgemäß auf folgenden Aspekten beruhen:
    Die Verwendung einer elastischen Schlichte mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur zur Beschichtung von Fasern 20 und Garnen 10 führt zu einer geeigneteren Oberfläche, die eine verbesserte Verarbeitbarkeit gewährleistet.
  • Als besonders geeignet haben sich unter anderem selbstvernetzende carboxylierte Styrol-Butadien-Copolymere erwiesen, die in einem thermischen Trocknungsprozess vernetzen.
  • Neben einer sehr glatten Oberfläche, stellt insbesondere die elektrische Kontaktierbarkeit der Fasern eine interessante Eigenschaft dar. Hier ist der Einsatz als Heizleiter in Fördereinrichtungen, als oder bei Schläuchen, Förderbändern, heizbaren Flächengebilden, usw. denkbar.
  • Aufgrund der Flexibilität wird eine sanfte Schubübertragung zwischen den Fasern 20 und damit eine gute Krafteinleitung in den gesamten Strang 10 oder das gesamt Garn 10 gewährleistet.
  • Dieses Vorgehen eignet sich gleichfalls zur Behandlung aller Fasertypen, insbesondere aber von Kohlenstoff- und Keramikfasern.
  • Weiterhin kann so auch eine gute Kompatibilität zu Elastomermatrizen gewährleistet werden.
  • Im Hinblick auf die Verbesserung von Eigenschaften von CF-Rovings und CF-Stapelfasergarnen, insbesondere für den Einsatz in Elastomeren oder Thermoplasten, wird insbesondere die Verbesserung der Prozesseigenschaften durch Abriebverminderung und/oder Abriebvermeidung realisiert, insbesondere bei Strukturen, die Entstehen durch Flechten, Nähen, Weben oder dergleichen.
  • Die Vermeidung von Reibung zwischen Einzelfilamenten, die auch als innere Reibung bezeichnet wird, wird ermöglicht durch eine teilweise oder vollständige Beschichtung, Imprägnierung und/oder Umhüllung eines jeweiligen Einzelfilaments oder Abschnitts eines Einzelfilaments mit einem Thermoplast oder einem entsprechenden anderen Material, welches die Reibung vermindert. Dadurch wird eine verbesserte Standfähigkeit erreicht, insbesondere bei dynamischer Beanspruchung. Dies kann in der Anwendung z.B. Aufzugseile, Treibriemen, Förderbänder oder dergleichen betreffen.
  • Des Weiteren ist durch die Imprägnierung, Beschichtung und/oder Umhüllung auch eine verbesserte Einbindung eines CF-Rovings, CF-Stapelfasergarns oder der jeweiligen Einzelfilamente in Matrixsystemen, z.B. aus Gummi, Thermoplast und/oder Duroplast, möglich. Ferner kann durch eine derartige Imprägnierung, Einbettung und/oder Beschichtung auch eine Verbesserung der Übertragung von Kraft, Schub und/oder Druck erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß werden dazu entsprechende Verfahren des Einbringens thermoplastischer Fasern 20 und/oder Materialien in Endlosrovings oder Filamentgarne beschrieben. Da derartige Prozesse auch unter Zuführung von Wärme ablaufen können, wird bei derartigen Ausführungsformen erreicht, dass der Thermoplast schmilzt und die CF-Filamente komplett einbindet. Die komplette Einbindung und der Schutz der Filamente 20 oder Filamentabschnitte 20 verringert die innere Reibung untereinander und erhöht somit die dynamische Festigkeit des Produkts.
  • Eine Imprägnierung 40 und/oder Beschichtung 30 der Fasern 20, Fasergruppen 25 oder des Garns 10 als Ganzes reduzieren oder verhindern einerseits die Staubentstehung durch Abrieb, andererseits aber auch die Anhaftung entstehenden oder vorhandenen Staubs an den Fasern 20, den Fasergruppen 25 oder dem Garn 10 als Ganzes.
  • Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
  • Die Fig. 1A bis 1D beschreiben in schematischer Querschnittsansicht verschiedene Ausführungsformen eines Nähgarns 10.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 1A (nicht erfindungsgemäß) ist in schematischer Querschnittsansicht eine Gruppe 25 oder ein Bündel 25 einzelner Filamente 20 oder Fasern 20 aus einem Fasermaterial 20' dargestellt, die als Gruppe 25 oder Bündel 25 nach einem entsprechenden Spinnprozess ein Garn 10 und insbesondere ein Nähgarn 10 bilden.
  • Dabei ist erfindungswesentlich, dass es sich bei den eigentlichen Fasern 20 um Stapelfasern handelt, also um Faser- oder Filamentabschnitte mit endlicher Länge, die über einen Spinnprozess miteinander versponnen sind oder werden. Das Material 20' der zugrunde liegenden Fasern 20 oder Filamente 20 ist ein Kohlenstoffmaterial oder Carbonmaterial, so dass die Filamente 20 oder Fasern 20 als Kohlenstofffasern oder Carbonfasern in engerem oder weiterem Sinne bezeichnet werden können.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 1B sind die einzelnen Fasern oder Filamente 20 an ihrer Oberfläche 20a, also der Mantelfläche 20a der Fasern 20 oder Filamente 20, mit einer Beschichtung 30 aus einem Beschichtungsmaterial 30' ausgebildet.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 1C sind die einzelnen Fasern 20 oder Filamente 20 über ihre Oberfläche 20a, also über ihre Mantelfläche 20a mit einer Imprägnierung 40 mit einem Imprägniermaterial 40' ausgebildet. Das bedeutet, dass das Imprägniermaterial 40' in die Oberfläche 20a der Fasern 20 oder Filamente 20 eindringt oder eingedrungen ist, um dort eine Oberflächenmodifikation zu bewirken.
  • Die Darstellungen der Fig. 1B mit der Beschichtung 30 und der Fig. 1C mit der Imprägnierung 40 stellen extreme Sichtweisen der in der Realität zu erwartenden Verhältnisse dar. In der Regel werden Mischvorgänge ablaufen, sobald ein Beschichtungsmaterial 30' oder ein Imprägniermaterial 40' auf die Oberfläche 20a einer jeglichen Faser 20 oder eines jeglichen Filaments 20 aufgebracht wird. Das bedeutet, dass die aufgebrachten Materialien 30', 40' einerseits eine Beschichtung 30, andererseits aber auch eine Imprägnierung 40 realisieren oder bewirken werden.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 1D (nicht erfindungsgemäß) ist die Gruppe 25 oder das Bündel 25 der Mehrzahl Fasern 20 oder Fasersegmente 20 in einer Einbettung 50 mit oder aus einem Einbettungsmaterial 50' eingebettet, so dass die Fasern 20 oder Faserabschnitte 20 nicht mehr individuell oder einzeln mit ihrer Oberfläche 20a in Erscheinung treten.
  • Selbstverständlich können die im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der Fig. 1B und 1C diskutierten Aspekte auch mit der Einbettung 50 kombiniert werden, indem z.B. mit einer Beschichtung 30 oder einer Imprägnierung 40 ausgebildete Fasern 20 oder Faserabschnitte 20 als Gruppe 25 insgesamt in einer Einbettung 50 eingebettet werden.
  • Die Fig. 2 zeigt nach Art eines schematischen Flussdiagramms Aspekte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Nähgarns 10.
  • Nach einem vorbereitenden Schritt S0 werden in einem Folgeschritt S1 Stapelfasern oder ein Stapelfasermaterial bereitgestellt.
  • In einem Zwischenverarbeitungsschritt S2 wird das bereitgestellte Stapelfasermaterial optional zwischen verarbeitet, um z.B. eine bestimmte Ordnung der Stapelfasern aufzulösen oder herzustellen oder eine Oberflächenbehandlung oder dergleichen durchzuführen. Dieser Schritt des Zwischenverarbeitens S2 ist jedoch optional und nur bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorzusehen, d.h. nicht bei jeder Ausführungsform der Erfindung zwingend.
  • Danach folgt der Schritt des eigentlichen Herstellens des Nähgarns 10, nämlich ein Prozess des Spinnens S3 der bereitgestellten und gegebenenfalls zwischen verarbeiteten oder zwischen behandelten Stapelfasern.
  • Es kann sich dann ein Nachverarbeitungsschritt anschließen, bei welchem das sich so ergebende Produkt als Vorgarn aufgefasst, z.B. noch oberflächenbehandelt und/oder in eine Einbettung 50 eingebracht wird.
  • Der abschließende Schritt S5 beendet das Verfahren.
  • Die Fig. 3 zeigt Teilaspekte des Schritts S1 des Bereitstellens der Stapelfasern oder des Stapelfasermaterials.
  • Dabei wird bei der hier vorgestellten Ausführungsform zunächst ein Roving, z.B. im Sinne eines Multifilamentrovings auf der Grundlage eines Kohlenstofffasermaterials oder Carbonfasermaterials, gegebenenfalls aber auch auf der Grundlage anderer Fasermaterialien, in einem ersten Teilschritt T1 bereitgestellt.
  • Dann schließt sich ein Prozess T2 des so genannten Streckreißens und/oder Schneidens an, bei welchem die an sich endlosen Einzelfilamente des Rovings in mehr oder weniger definierter Art und Weise in Faser- oder Filamentsegmente oder -abschnitte unterteilt wird. Dieses unterteilte Material bildet dann das Ausgangsmaterial für die Weiterverarbeitungsprozesse.
  • Alternativ dazu kann z.B. auch bereits vorgelegtes Faserabschnittsmaterial vorgesehen werden, welches z.B. aus einem Recyclingprozess stammt und Fasermaterialabfälle, z.B. in filzartiger Art und Weise verwendet.
  • Fig. 4 zeigt Teilaspekte des optionalen Zwischenverarbeitungsschritts S2.
  • Bei dieser Ausführungsform wird in einem ersten Teilschritt U1 das bereitgestellte grundlegende Stapelfasermaterial aufgelöst und/oder parallelisiert, und zwar mittels einer so genannten Karde.
  • Es schließt sich dann ein zweiter Teilschritt U2 der Herstellung eines Bandes in einer Strecke an.
  • Darauf folgt dann als dritter Teilschritt U3 die Zwischenverarbeitung zu einer so genannten Lunte oder Flyerlunte.
  • Wie oben bereits beschrieben wurde, erfolgt die eigentliche Herstellung des Nähgarns 10 im Rahmen eines Spinnprozesses des zugrunde liegenden Stapelfasermaterials, z.B. unter Verwendung einer Ringspinnmaschine, einer Rotorspinnmaschine oder einer Friktionsspinnmaschine.
  • Zur Verbesserung der Eigenschaften und insbesondere zur Steigerung der Stabilität des Nähgarns 10 kann das erhaltene grundlegende Garn als Vorgarn aufgefasst und einem Zwirnprozess unterzogen werden, um z.B. einen Zweifachzwirn oder dergleichen zu erzeugen.
  • Davor und optional danach erfolgt ein Avivierungsprozess im Sinne einer Beschichtung, Beschlichtung, Imprägnierung und/oder Einbettung.
  • Die folgenden Tabellen zeigen Eigenschaften von Ausführungsformen erfindungsgemäß gefertigter Nähgarne 10. Ausführungsbeispiel 1:
    Physikalische Größe Maßeinheit Numerischer Mittelwert
    Zugfestigkeit (impregnated) MPa 2.750
    Zugfestigkeit (trocken) MPa 1.000
    Garnfestigkeit N 43
    Youngmodul (Zug) GPa 220
    Ausdehnung impregnated) % 1,1
    Dichte g/cm3 1,79
    Knot tensile strength N 2,2
    Loop tensile strength N 14,4
    Elektrischer Widerstand Ω/m gemittelt 405 bzw. 430
    Spezifischer Elektrischer Widerstand Ω/µm 16,7
    Stapelfaserlänge mm Average: 123
    Max: 220
    Min: 15
    Twist Tpm 310 S/230 T
    Ausführungsbeispiel 2:
    Physikalische Größe Maßeinheit Numerischer Mittelwert
    Zugfestigkeit (impregnated) MPa 2.950
    Zugfestigkeit (trocken) MPa 820
    Garnfestigkeit N 90
    Youngmodul (Zug) GPa 200
    Ausdehnung impregnated) % 1,4
    Dichte g/cm3 1,79
    Knot tensile strength N 2,7
    Loop tensile strength N 60
    Elektrischer Widerstand Ω/m gemittelt 140
    Spezifischer Elektrischer Widerstand Ω/µm 16,0
    Stapelfaserlänge mm gemittelt: 123
    maximal: 220
    minimal: 15
    Twist Tpm 310 S/230 T
  • Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahren wird mit oder aus dem Nähgarn 10 ein textiles Gebilde ausgebildet, insbesondere mittels eines Webprozesses, vorzugsweise als ein oder nach Art eines zweidimensionalen Textils, als ein oder nach Art eines Gewebes, Geleges, Geflechts, Gewirks, Gestricks und/oder deren Kombinationen.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Garn, Nähgarn
    20
    Faser
    20'
    Fasermaterial
    25
    Gruppe von Fasern, Fasergruppe
    30
    Beschichtung
    30'
    Beschichtungsmaterial
    40
    Imprägnierung
    40'
    Imprägniermaterial
    50
    Einbettung
    50'
    Einbettungsmaterial

Claims (7)

  1. Nähgarn (10),
    welches als Spinnfasergarn aus einem Stapelfasermaterial aus Stapelfasern (20) ausgebildet ist,
    welches mit oder aus Carbonfasermaterialien (20') ausgebildet ist und
    bei welchem die Stapelfasern (20) als Einzelfasern (20) und in ihrer Gesamtheit ganz oder teilweise mit einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien (30') und/oder Imprägniermaterialien (40'), beschichtet bzw. imprägniert sind.
  2. Nähgarn (10) nach Anspruch 1, mit einem Gehalt des oder der Beschichtungsmaterialien (30') und/oder Imprägniermaterialien (40') im Bereich von 0,1 % bis 50 %.
  3. Nähgarn (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Stapelfasern eine Länge im Bereich von 10 mm bis 250 mm aufweisen.
  4. Nähgarn (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher Stapelfasern auf der Grundlage von Glasmateriaffasern, Acrylmaterialfasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern und/oder deren Kombinationen umfasst, als Hybrid mit einem Carbonfaseranteil im Bereich von mehr als 10 %.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Nähgarns (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches als Spinnfasergarn aus einem Stapelfasermaterial aus Stapelfasern (20) ausgebildet ist, umfassend die folgenden Schritte:
    a) Bereitstellen eines Stapelfasermaterials mit oder aus Carbonfasermaterialien (20')
    b) Beschichten und/oder Imprägnieren der Stapelfasern (20) als Einzelfasern (20) in ihrer Gesamtheit ganz oder teilweise
    c) Spinnen des Stapelfasermaterials.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Stapelfasergarn aus Einzelfasern (20) mit einer Länge im Bereich von 10 mm bis 250 mm gebildet wird.
  7. Verwendung des Nähgarns (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Herstellung eines Gewebes, Geleges, Geflechts, Gewirks, Gestricks und/oder deren Kombinationen.
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