EP3015576A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen - Google Patents

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EP3015576A1
EP3015576A1 EP14190488.8A EP14190488A EP3015576A1 EP 3015576 A1 EP3015576 A1 EP 3015576A1 EP 14190488 A EP14190488 A EP 14190488A EP 3015576 A1 EP3015576 A1 EP 3015576A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon fiber
carbon
carbon fibers
vortex
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Withdrawn
Application number
EP14190488.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Chokri Prof. CHERIF
Rolf-Dieter Dr. HUND
Anwar ABDKADER
Stefan TREICHEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to EP14190488.8A priority Critical patent/EP3015576A1/de
Priority to PCT/EP2015/074822 priority patent/WO2016066621A1/de
Publication of EP3015576A1 publication Critical patent/EP3015576A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01G—PRELIMINARY TREATMENT OF FIBRES, e.g. FOR SPINNING
    • D01G9/00—Opening or cleaning fibres, e.g. scutching cotton
    • D01G9/08—Opening or cleaning fibres, e.g. scutching cotton by means of air draught arrangements
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4209—Inorganic fibres
    • D04H1/4242—Carbon fibres

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for the production of carbon fiber semi-finished carbon fiber yarns.
  • Another object of the invention is a carbon fiber tape obtainable by the method and its use.
  • carbon fiber wefts and / or flakes are processed by a carding process and provided as a card sliver.
  • the purpose of the carding process is the dissolution of the carbon fiber wefts and / or flakes into individual fibers or fiber bundles and their orientation along the fiber axis.
  • the fibers are largely oriented and are suitable for further processing up to the desired end product.
  • the WO 2011/134995 in turn, describes a hybrid yarn for making molded articles consisting of a core of rectilinear staple fibers and a sheath of staple fibers wound around the core.
  • the staple fibers each consist of reinforcing fibers embedded in a thermoplastic matrix.
  • a method for producing a sewing thread from carbon fiber materials is described.
  • the fibers of the sewing thread described are staple fibers of finite length of stretched or cut multifilament yarns which are spun together to form a yarn and coated or impregnated.
  • the recycled carbon fibers can come from different sources and are obtained by cutting a recycled carbon fiber material.
  • the method described comprises separating, digesting, blending, and spinning the carbon fibers into a yarn.
  • the EP 1 854 911 A1 describes a hybrid carbon fiber spun yarn having a core region and an outer region surrounding the core region. At least 20% by mass of the fibers in the core region are "long" carbon fibers having a length of 500 mm or more, and in the outer region at least 80% by mass of the fibers are “short” carbon fibers having a fiber length of less than 500 mm.
  • the EP 1 696 057 describes a method of making a carbon fiber ribbon starting from a mat of stacked, pitch-oriented oriented grain carbon fibers. The obtained carbon fiber ribbon is pulled and twisted to obtain a carbon fiber spun yarn having 50 to 400 primary twist / m and at least 3 wt% of fibers having a fiber length of at least 150 mm.
  • Carbon fibers also known as carbon fibers, are industrially produced fibers from carbonaceous organic feedstocks that are converted to graphitic carbon by pyrolysis. It is possible to distinguish isotropic and anisotropic types of carbon fibers.
  • the isotropic carbon fibers have only low strengths and less technical importance. Due to their chemical structure, the anisotropic carbon fibers show high strengths and stiffnesses with low elongation at break in the axial direction and are of great industrial significance. Due to these properties, carbon fibers are only extensible to a very small extent and are also susceptible to forces acting transversely to the fiber longitudinal axis. Processes known in the prior art for the production of carbon fiber semifinished products therefore usually lead to a significant reduction in the average fiber length and to loss of strength due to the process.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an improved process for the processing of carbon fiber entanglements, in which the aforementioned disadvantages are avoided.
  • a fiber-sparing preparation of carbon fiber worms is to be made available in which the structural and mechanical properties of the processed carbon fibers are preserved or only slightly damaged.
  • the average fiber length of the carbon fibers should be largely retained from the carbon fiber entanglements used.
  • the method should be procedurally simple to implement and with little structural effort.
  • carbon fiber worms can be separated in a technologically simple manner in a turbulent air stream into fiber bundles or individual fibers.
  • the thus separated carbon fibers can be stored with a high degree of orientation of the individual fibers or fiber bundles in the fiber longitudinal direction to a band.
  • a fiber band produced in this way can be subjected to a suitable binding agent and thus solidified for the purpose of fixing or connecting separated individual fibers to one another.
  • a sliver produced in this way can be profiled or shaped and provided for further processing steps.
  • the semi-finished carbon fiber products are obtained in or subsequent to step d).
  • processing means a recycling process by recycling for the reuse of Fasergewirren be processed in the defined waste streams or parts of Fasergewirren to recover from it again marketable secondary raw materials.
  • the intention is to exclude the use of energy and the preparation of materials intended for use as fuel or for backfilling.
  • fiber structures are understood to mean flat or spatial structures, such as scrims, woven fabrics, braids, knitted fabrics, knitted fabrics, flakes and any combination thereof.
  • the fiber wovens to be used according to the invention contain carbon fiber constituents of generally at least 1% by weight, for example in the range from 1 to 100% by weight, preferably at least 5% by weight, for example in the range from 5 to 100% by weight preferably at least 10 wt .-%, for example in the range of 10 to 100 wt .-%, in particular at least 15 wt .-%, for example in the range of 15 to 100 wt .-%.
  • carbon fiber semifinished products are band, line and / or thread-like structures made of carbon fibers.
  • the semi-finished carbon fiber products are obtained in or following step d).
  • they may be subjected to a fabrication in one or more further steps.
  • Carbon fiber semi-finished products obtained in accordance with the invention generally contain carbon fiber constituents of at least 50% by weight, for example in the range from 50 to 100% by weight, preferably at least 60% by weight, for example in the range from 60 to 100% by weight preferably at least 75 wt .-%, for example in the range of 75 to 100 wt .-%, in particular at least 90 wt .-%, for example in the range of 90 to 100 wt .-%.
  • carbon fibers here and hereinafter also referred to as carbon fibers
  • carbon fibers are industrially produced carbon-containing fibers organic starting materials, which are converted, for example by pyrolysis in graphitic carbon, understood. It may be both isotropic and anisotropic types of carbon fibers.
  • the isotropic carbon fibers have comparatively low strengths.
  • the anisotropic carbon fibers however, have due to their chemical structure high strength and stiffness with low elongation at break in the axial direction. At least partially anisotropic carbon fibers are preferably used in the context of the present invention.
  • the carbon fibers used in the present invention generally have a diameter in the micrometer range, for example in the range of 1 to 100 .mu.m, preferably in the range of 2 to 50 .mu.m, in particular in the range of 5 to 10 microns.
  • a carbon fiber bundle is understood to mean a bundle composed of carbon fibers.
  • a carbon fiber bundle may also comprise fibers other than carbon fibers.
  • such a carbon fiber bundle consists of 10 to 400,000 individual fibers, preferably from 10 to 100,000 individual fibers, in particular from 100 to 10,000 individual fibers.
  • fractionated carbon fibers or carbon fiber bundles are understood as meaning individual fibers or fiber bundles which are separated from a fiber tangle and have different properties, such as geometric dimensions, in particular length, diameter, area, shape, such as density, such as flow resistance, such as composition, etc., separated and optionally separated from impurities.
  • a vortex region is understood as meaning an area of a device or a device in which a fluid is fluidized.
  • swirling in the spinal area is non-invasive in a highly turbulent flow.
  • a turbulent flow is understood to mean the movement of fluids in which turbulences occur.
  • the turbulent flow is characterized by mostly three-dimensional, seemingly random, unsteady movements of fluid particles.
  • the fluctuation movement leads to increased diffusion, which is several orders of magnitude greater than the molecular diffusion.
  • air classification means the fractionation of the carbon fibers and / or carbon fiber bundles according to their geometric dimensions.
  • alignment region is understood as meaning a region of a device and / or device for increasing the orientation of the fibers in their longitudinal direction.
  • a laminar flow is understood to mean a movement of liquids and gases in which no visible turbulences, such as turbulences or crossflows, occur.
  • Liquids and gases are referred to here and below as fluids.
  • the fluid flows in laminar flow in layers that do not mix with each other. At a constant flow rate, a laminar flow is usually a steady state flow.
  • a carbon fiber tape is understood to mean a strip-shaped fabric or scrim made of isolated fibers with a limited width and a longitudinal axis.
  • a depositing area is an area of a device and / or device for the uniform collection of separated carbon fibers and / or carbon fiber bundles understood.
  • the carbon fibers are oriented in particular uniformly in their longitudinal direction.
  • the process according to the invention for the steps a) to d) particularly preferably comprises at least step g).
  • layering is understood to mean the stacking, in particular superimposition, unification of several carbon fiber ribbons.
  • profiling is understood to mean a shaping step.
  • the carbon fiber tape is passed through a device with a suitable profile tool, wherein the desired cross-sectional profile of the carbon fiber tape is configured.
  • the profiling may additionally comprise a surface treatment.
  • binder is understood to mean an additive and / or a composition for fixing the geometric arrangement of carbon fiber ribbons and their constituents, in particular filament geometries.
  • fixing is understood in particular to be the thermal solidification of a binder applied to carbon fiber ribbons and their constituents.
  • point and / or surface wetted carbon fiber ribbons are understood as meaning the application of binders to a profiled carbon fiber tape.
  • sizing is understood as meaning the application of sizing agents and / or sizing compositions to profiled and fixed carbon fiber ribbons.
  • the turbulent flow in the vortex region is generated pneumatically in step b).
  • the turbulent flow in the vortex region is generated in step b) by means of static and / or dynamic vortex elements arranged in the vortex region.
  • a whirl element is generally understood to mean a device which causes swirling of the fluid flow, here and hereinafter also referred to as whirl.
  • Vortexes can be forced by static vortex elements as well as by dynamic vortex elements.
  • static vortex elements are here and below rigid or stationary solids, which are flowed around by a fluid to be understood.
  • static vortex elements are all types of fixed baffles.
  • dynamic vortex elements here and below moving devices, which in turn make a fluid in motion, to be understood.
  • dynamic vortex elements are all types of stirrers.
  • the turbulent flow in the vortex region in step b) with compressed air in a range of 0.1 to 3 MPa absolute, preferably in a range of 0.15 to 2 MPa absolute, more preferably in a range of 0.2 to 1 MPa produced absolutely.
  • the turbulent flow in the vortex region in step b) is characterized by a Reynolds number greater than 1200.
  • the Reynolds number here and hereafter also referred to as Re-number or simply as Re, is a dimensionless index which represents the ratio of inertial to ductile forces.
  • the turbulence behavior of geometrically similar bodies is the same for a corresponding Reynolds number.
  • the characteristic length also referred to as reference length, can in principle be chosen freely. When comparing two flows, however, this length must be the same type.
  • the clear diameter of the pipe is chosen as the reference length. If the Reynolds number exceeds a system-dependent critical value Re crit , a laminar flow until then becomes susceptible to minute disturbances. Correspondingly, Re> Re crit is expected to undergo a transition from laminar to turbulent flow.
  • the turbulent flow in the vortex region in step b) is a stationary flow, a discontinuous flow, a pulsating flow and / or an alternating combination thereof.
  • a stationary flow is understood here and below to mean a flow without significant temporal change of the flow state.
  • a discontinuous flow is understood here and below as meaning a flow which undergoes a discontinuous, jerky and / or abrupt change in the flow state with respect to the time or the location.
  • a pulsating flow is understood as meaning a continuous, transient flow in which the speed and pressure at a fixed location change periodically.
  • Periodic transient flow processes can be treated as quasi-stationary processes if the frequency of the state changes is sufficiently small, since the same averaged flow state is present at all times as in a stationary flow.
  • the laminar flow in the alignment region in step e) is characterized by a Reynolds number in the range of 10 to 1200.
  • an alignment region is understood as meaning a region of a device and / or device for increasing the orientation of the fibers in their longitudinal direction.
  • the increase in the orientation of the fibers in their longitudinal direction in an alignment region is improved with a reduction in fluid velocity and the formation of a laminar flow.
  • the deposition area in step g) is subjected to a force field.
  • the force field generation is selected from a negative pressure, an electric field, a magnetic field, an adhesive force, combinations thereof.
  • the deposition area in step g) is subjected to a vacuum in a range of 50 to 70 hPa absolute.
  • the depositing area in step g) is subjected to an electrical voltage of more than 15 kV.
  • no torsional force is exerted on the effluent carbon fibers and / or carbon fiber bundles obtained in step f) and / or the carbon fiber strip obtained in step g).
  • torsional force is understood to mean a force for the twisting of a carbon fiber band along the longitudinal extension axis.
  • the layer formation in step h) takes place with a winding device which rotates in a direction coinciding with the longitudinal axis of the carbon fiber strip obtained in step g).
  • the layer formation in step h) takes place with its own longitudinal axis rotating take-up device and / or arranged at a right angle to the longitudinal axis of the carbon fiber strip obtained in step g).
  • a winding device is understood to mean a device for winding up a carbon fiber tape.
  • the winding device is a vacuum-loaded drum with a perforated surface on which a carbon fiber tape is wound.
  • the carbon fiber tape after profiling in step i) and / or in step k), has a cross-sectional profile according to the geometric shape of the profiling tool.
  • a profiling tool is understood to mean a tool giving shape to the carbon fiber tape.
  • the carbon fiber tape has a cross section with an oval, in particular an elliptical or round, a triangular, a quadrangular, in particular a rectangular or square, a regular polygonal shape or any combination of said forms.
  • Particularly suitable are convex cross-sectional shapes or a combination of two or more convex cross-sectional shapes to a non-convex inner cross-section, such as an angular or a T-profile.
  • non-convex cross-sections in a curved or round shape such as a sickle-shaped or annular cross-section.
  • the method according to the invention comprises at least step j) in addition to step g).
  • the application of the at least one binder in step j) is carried out by one of the method selected from dipping, sumping, immersing, spraying, impregnating, sprinkling, coating, curtain coating, transfer roll application, combinations thereof.
  • a vortex container is understood as meaning a mixing device which essentially comprises a container, a vessel or a chamber, in which a fluid is fluidized.
  • swirling in the spinal area is non-invasive.
  • vortex container inlet is understood to mean a device and / or device for supplying at least partially ununsulated fiber entanglements.
  • vortex container outlet is understood to mean an apparatus and / or device for a discharge of at least partially separated fiber entanglements, in particular singulated carbon fibers and / or carbon fiber bundles.
  • a vortex container outlet is designed as a diaphragm.
  • an alignment element is a device for aligning carbon fibers and / or carbon fiber bundles along their Longitudinal axis understood.
  • the alignment element can be traversed by carbon fibers and / or carbon fiber bundles and has a longitudinal axis and a clear diameter.
  • the alignment element is a tube.
  • an outflow element is understood to be a device and / or device for a discharge of at least partially separated fiber worms, in particular singulated carbon fibers and / or carbon fiber bundles, which is arranged downstream of the discharge element.
  • a discharge element is configured as a discharge nozzle, a diffuser and combinations thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one alignment element and / or the at least one outflow element is selected from a pipe, a pipe, a hose or combinations thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one vortex container outlet is selected from a venturi, an orifice, a bore, a flap, a tube constriction, a valve, a slide, a diffuser, or combinations thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the ratio of the clear diameter of the alignment element to the clear diameter at the outlet of the discharge element is in the range of 1: 1 to 1:50.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one outflow element is selected from a conically tapered tube, a nozzle, a tube constriction or combinations thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one removal device is a take-up device, a rotating drum, a movable belt or a combination thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the depositing area has a perforated surface.
  • a perforated surface is understood as meaning a surface which is permeable to fluid media at least in some areas.
  • a perforated surface may be configured as perforated with slots, holes and combinations thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one first and / or second profile tool has an inner cross section with a point or axisymmetric geometry or a combination of two or more identical or different point or axisymmetric geometries.
  • the inner cross section of the respective profile tool has an oval, in particular an elliptical or round, a triangular, a quadrangular, in particular a rectangular or square, a regular polygonal shape or any combination of said shapes.
  • Particularly suitable are convex cross-sectional shapes or a combination of two or more convex cross-sectional shapes to a non-convex inner cross-section, such as an angular or a T-profile.
  • non-convex internal cross-sectional profiles in a curved or round shape such as a sickle-shaped or annular inner cross-section.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one application device is selected from an immersion bath, a spray applicator, an impregnation device, a spreader, a coater, a curtain applicator, transfer roll, or combinations thereof.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one fixing device is selected from a calender, a press, a forming roll, a thermal fixing device, a radiation dryer, a radiation hardener, a thermal dryer or combinations thereof.
  • the invention further relates to a carbon fiber tape which is obtainable by a process according to the invention and / or produced in a device according to the invention.
  • the carbon fiber tape according to the invention is a band- or thread-shaped carbon fiber yarn which is fixed, for example, bebindert or sizing.
  • the carbon fibers and / or carbon fiber bundles are arranged unidirectionally.
  • the carbon fibers and / or carbon fiber bundles can be arranged at least partially offset from one another.
  • the carbon fibers and / or carbon fiber bundles may additionally or alternatively be arranged at least partially overlapping one another. For this purpose, punctiform and / or flat bonding regions are then formed between two and / or more carbon fibers and / or carbon fiber bundles.
  • the invention also provides the use of a carbon fiber tape which is obtainable by a process according to the invention and / or produced in a device according to the invention. It is used in particular for the production of lightweight components for the aerospace and / or automotive industry and / or in mechanical engineering, for further processing in weaving processes, laying processes, in particular for the production of carbon fibers, woven fabrics, braids, knitted fabrics, knitted fabrics, carbon fiber-containing textile structures, fabrics used for combination with non-carbon fiber materials and / or materials or combinations thereof.
  • non-carbon-containing fiber materials and / or materials, fiber materials and / or materials are understood which in their composition do not contain carbon-containing organic constituent (s), which are converted by pyrolysis in graphitic carbon arranged to have.
  • the present invention is characterized in that a resolution and orientation of the carbon fiber worms and / or flakes, hereinafter referred to as flakes (2), takes place via a pneumatic process without damaging the carbon fibers.
  • Flakes (2) which are obtained, for example, fiber composite waste (1) are fed to a vortex vessel (12).
  • the flakes (2) via a compressed air nozzle (7) with a via a reducer (11) adjustable compressed air flow is applied. Due to induced shear forces, which are caused by the turbulent flow conditions, the flakes (2) are singulated into individual fibers (3) or fiber bundles (4).
  • the individual fibers (3) or individual fiber bundles (4) leave the vortex vessel (12) via the vortex container outlet (8).
  • an alignment element (9) can be connected. This leads to a largely laminar extraction flow and optimizes the alignment of the individual fibers (3) or isolated fiber bundles (4).
  • the alignment element (9) is not limited in its design to a cylindrical body, but may also be designed to reduce the speed in a conical shape.
  • the individual fibers (3) or individual fiber bundles (4) emerging from the alignment element (9) or the vortex container outlet (8) are fed to a forming unit for forming the strip (4), as sketched in FIG.
  • a forming unit for forming the strip (4) as sketched in FIG.
  • This consists in the case shown of a rotating drum (16), a motor (18) and an exhaust (15).
  • the drum (16) is designed in a region (17) with a mesh fabric as a shell material to ensure a suction.
  • the individual fibers (3) or fiber bundles (4) are deposited on the perforated surface (17) of the drum (16) through the suction (15).
  • the acceptance unit can be designed as a suctioned conveyor belt.
  • the shaped band (5) has a high degree of orientation of the individual fibers (3) or fiber bundles (4) in the fiber longitudinal direction.
  • a consolidation for warranty the textile processability of the product over the application of the belt (5) are achieved with a rotation.
  • the damage-free produced sliver (5) is applied via a padding process, as outlined in Figure 8, with a suitable binder.
  • suitable binder Suitable for this purpose are, for example, aqueous systems, such as polyurethane dispersions, styrene-butadiene dispersions, epoxy dispersions or polyacrylate dispersions. It is also possible to use solutions such as PU-DMF solutions for binding the tape (5).
  • nozzles (20; 21) can be used for the purpose of shaping. Excess binder is squeezed off after the dipping process via a pair of rollers (24).
  • the finishing of the finished product (6) is carried out on bobbins, which can then be a textile processing, for example, a surface formation on Multiaxiallegemaschinen, fed.
  • the binder content in the product (6) is essentially dependent on the parameters selected in the padding process, as exemplified in FIG. 8, especially on the chosen binder and its solution concentration.
  • Possible binder concentrations are between 0 wt.% And 99 wt.%, Preferably between 1 wt.% And 15 wt.%, Ideally between 2 wt.% And 8 wt.
  • a desized carbon fiber tangle is cut and presented to a mean length of 50 mm.
  • An amount of 1.00 g carbon fibers are removed from the tangle and fed to the vortex vessel (12).
  • the reducer (11) is set to 1 bar.
  • About the compressed air nozzle (7) a turbulent flow is generated in the vortex vessel (12), whereby the submitted carbon fiber tangle is isolated.
  • the individual fibers or fiber bundles emerge from the vortex vessel (12) via the vortex container outlet (8).
  • the separated carbon fibers pass through the alignment element (9) to the acceptance unit, which is designed as a rotating drum (16). Through the suction (15) and the rotational speed of the drum (15), the isolated carbon fibers lie in the direction of rotation on the perforated region (17) of the under-sucked drum (16).
  • a manufactured in the manner described carbon roving (6) of oriented fibers is ideal for textile fabrication and can be further processed via known processes to a fiber composite component.
  • the test specimens produced according to DIN EN ISO 527-5 have up to 86% of the tensile modulus of the starting material and up to 90% of the original tensile strength.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Fasergewirren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen, das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen von Fasergewirren wenigstens enthaltend Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel in einem Wirbelbereich; b) wenigstens teilweises Vereinzeln der Fasergewirre in einer turbulenten Strömung im Wirbelbereich unter Erhalt vereinzelter Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel; c) gegebenenfalls Windssichten der vereinzelten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel im Wirbelbereich unter Erhalt fraktionierter Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel; d) Austragen der in Schritt b) erhaltenen vereinzelten und/oder in Schritt c) fraktionierten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel aus dem Wirbelbereich in einen Ausrichtungsbereich, wobei die Carbonfaserhalbzeuge in oder im Anschluss an Schritt d) erhalten werden.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen aus Carbonfasergewirren. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Carbonfaserband erhältlich nach dem Verfahren und dessen Verwendung.
    • STAND DER TECHNIK
  • Verfahren zur Herstellung von Carbonstapelfasern sind im Stand der Technik bekannt. Hierbei werden Carbonfasergewirre und/oder -flocken durch einen Kardierungsprozess aufbereitet und als ein Kardenband bereitgestellt. Zweck des Kardierungsprozesses ist die Auflösung der Carbonfasergewirre und/oder -flocken zu Einzelfasern bzw. Faserbündeln sowie deren Orientierung entlang der Faserachse. Im dem so hergestelltem Kardenband liegen die Fasern weitgehend orientiert vor und sind zur Weiterverarbeitung bis zum gewünschten Endprodukt geeignet.
  • So beschreibt die DE 10 2009 023 529 beispielsweise ein Verfahren zur Wiederverwertung von Faserverbundabfällen aus ungetränkten Carbonfasern, bei dem die Faserverbundabfälle zerschnitten und mittels Schlagkörper aufgeschlossen werden. Die dabei erhaltenen Fasergewirre werden anschließend zu Faservliesen oder -floren umstrukturiert. Die Verbundabfälle werden in dem beschriebenen Verfahren unter einer hohen mechanischen Belastung zu Fasergewirren aufbereitet.
  • Die WO 2011/134995 wiederum beschreibt ein Hybridgarn zur Herstellung von Formteilen, das aus einem Kern aus geradlinig ausgerichteten Stapelfasern und einem Mantel aus um den Kern gewundenen Stapelfasern besteht. Die Stapelfasern bestehen jeweils aus in einer thermoplastischen Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern.
  • In der WO 2012/000827 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Nähgarns aus Carbonfasermaterialien beschrieben. Bei den Fasern des beschriebenen Nähgarns handelt es sich um Stapelfasern mit endlicher Länge aus streckgerissenen oder geschnittenen Multifilamentgarnen, die zu einem Garn miteinander versponnen und beschichtet oder imprägniert werden.
  • Aus der WO 2011/095826 ist ein gesponnenes Garn aus recycelten Kohlenstofffasern bekannt. Die recycelten Kohlefasern können aus verschiedenen Quellen stammen und werden durch Schneiden eines Recycling-Carbonfasermaterials erhalten. Das beschriebene Verfahren umfasst das Abtrennen, Aufschließen, Verschneiden und Verspinnen der Carbonfasern zu einem Garn.
  • Die EP 1 854 911 A1 beschreibt einen Hybrid-Kohlefaser-Spinnfaden mit einem Kernbereich und einem äußeren Bereich, der den Kernbereich umschließt. Dabei handelt es sich im Kernbereich zu mindestens 20 Masse-% der Fasern um "lange" Kohlenstofffasern mit einer Länge von 500 mm oder mehr und im äußeren Bereich zu mindestens 80 Masse-% der Fasern um "kurze" Kohlenstofffasern mit einer Faserlänge von weniger als 500 mm.
  • Die EP 1 696 057 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffaserbandes, bei dem von einer Matte aus gestapelten, Pech-basierten Kohlenstofffasern mit ausgerichtetem Faserverlauf ausgegangen wird. Das erhaltene Kohlenstofffaserband wird gezogen und verdreht, so dass man einen Kohlenfaser-Spinnfaden mit 50 bis 400 primären Verdrehungen/m und mindestens 3 Gew.-% Fasern mit einer Faserlänge von mindestens 150 mm erhält.
  • Carbonfasern, auch bekannt als Kohlenstofffasern, sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen organischen Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Es können isotrope und anisotrope Typen von Carbonfasern unterschieden werden. Die isotropen Carbonfasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung. Die anisotropen Carbonfasern zeigen aufgrund ihres chemischen Aufbaus hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung in axialer Richtung und haben große technische Bedeutung. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Carbonfasern nur in einem äußerst geringen Maße dehnbar und auch anfällig gegen quer zur Faserlängsachse wirkende Kräfte. Im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen führen daher prozessbedingt meist zu einer signifikanten Verringerung der mittleren Faserlänge und zu Festigkeitsverlusten.
  • Bekannte Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen beschreiben zumeist Herstellungsverfahren von Stapelfasern. Die bekannten Verfahren haben oft den Nachteil, dass sie zu einer Reduktion der mechanischen Eigenschaften der Einzelfasern führen. Insbesondere erfahren die Fasern bei Kardierungs- bzw. Kämmprozessen hohe Beschleunigungsraten und/oder eine starke Beanspruchung durch Scher- und Umlenkungskräfte, was beispielsweise in einer starken Reduktion der mittleren Faserlängen und somit verminderten Festigkeitseigenschaften resultiert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Aufarbeitung von Carbonfasergewirren bereitzustellen, bei dem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine faserschonende Aufbereitung von Carbonfasergewirren zur Verfügung gestellt werden, bei der die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der aufbereiteten Carbonfasern erhalten oder nur geringfügig geschädigt werden. Des Weiteren sollte die mittlere Faserlänge der Carbonfasern aus den eingesetzten Carbonfasergewirren weitgehend erhalten bleiben. Des Weiteren soll das Verfahren verfahrenstechnisch einfach und mit geringem bautechnischem Aufwand umzusetzen sein.
    • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass sich Carbonfasergewirre auf technologisch einfache Weise in einem turbulenten Luftstrom zu Faserbündeln bzw. Einzelfasern vereinzeln lassen. Die auf diese Weise separierten Carbonfasern können mit einem hohen Orientierungsgrad der Einzelfasern bzw. Faserbündel in Faserlängsrichtung zu einem Band abgelegt werden. Ein so hergestelltes Faserband kann zur Fixierung bzw. Verbindung von separierten Einzelfasern untereinander mit einem geeigneten Bindemittel beaufschlagt und so verfestigt werden. Des Weiteren kann ein derart hergestelltes Faserband profiliert oder geformt und für weitere Verarbeitungsschritte bereitgestellt werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Aufbereitung von Fasergewirren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen gelöst, das folgende Schritte umfasst:
    1. a) Bereitstellen von Fasergewirren wenigstens enthaltend Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel in einem Wirbelbereich;
    2. b) wenigstens teilweises Vereinzeln der Fasergewirre in einer turbulenten Strömung im Wirbelbereich unter Erhalt vereinzelter Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel;
    3. c) gegebenenfalls Windsichten der vereinzelten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel im Wirbelbereich unter Erhalt fraktionierter Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel; und
    4. d) Austragen der in Schritt b) erhaltenen vereinzelten und/oder in Schritt c) fraktionierten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel aus dem Wirbelbereich in einen Ausrichtungsbereich.
  • Dabei werden die Carbonfaserhalbzeuge in oder im Anschluss an Schritt d) erhalten.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Aufbereitung ein Recycling-Vorgang durch stoffliche Verwertung zur Wiederverwendung von Fasergewirren verstanden, bei dem definierte Abfallstoffströme oder Teile von Fasergewirren aufbereitet werden, um daraus wieder vermarktungsfähige Sekundärrohstoffe zu gewinnen. Ausgeschlossen werden soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung die energetische Verwertung sowie die Aufbereitung zu Materialien, die für die Verwendung als Brennstoff oder zur Verfüllung bestimmt sind.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Fasergewirren flächige oder räumliche Strukturen, wie beispielsweise Gelege, Gewebe, Geflechte, Gewirke, Gestricke, Flocken und beliebige Kombination hiervon, verstanden. Die erfindungsgemäß einzusetzenden Fasergewirre enthalten Carbonfaserbestandteile zu in der Regel wenigstens 1 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 1 bis 100 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 5 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 5 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 10 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 Gew.-%, insbesondere wenigstens 15 Gew.-% beispielsweise im Bereich von 15 bis 100 Gew.-%.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Carbonfaserhalbzeugen band-, linien- und/oder fadenförmige Strukturen aus Carbonfasern verstanden. Erfindungsgemäß werden die Carbonfaserhalbzeuge in oder im Anschluss an Schritt d) erhalten. Sie können zusätzlich zu der in Schritt d) erfolgten Ausrichtung in einem oder mehreren weiteren Schritt(en) einer Konfektionierung unterzogen werden. Erfindungsgemäß erhaltene Carbonfaserhalbzeuge enthalten Carbonfaserbestandteile in der Regel zu wenigstens 50 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 50 bis 100 Gew.-%, bevorzugt zu wenigstens 60 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 60 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 75 Gew.-%, beispielsweise im Bereich von 75 bis 100 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 90 Gew.-% beispielsweise im Bereich von 90 bis 100 Gew.-%.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Carbonfasern, hier und im Folgenden auch als Kohlenstofffasern bezeichnet, industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen organischen Ausgangsmaterialien, die beispielsweise durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden, verstanden. Es kann sich dabei sowohl um isotrope als auch um anisotrope Typen von Carbonfasern handeln. Die isotropen Carbonfasern besitzen vergleichsweise geringe Festigkeiten. Die anisotropen Carbonfasern dagegen weisen aufgrund ihres chemischen Aufbaus hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung in axialer Richtung auf. Bevorzugt werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung wenigstens teilweise anisotrope Carbonfasern verwendet. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Carbonfasern haben in der Regel einen Durchmesser im Mikrometer-Bereich, beispielsweise im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt im Bereich von 2 bis 50 µm, insbesondere im Bereich von 5 bis 10 µm.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Carbonfaserbündel ein aus Carbonfasern zusammengefasstes Bündel verstanden. Ein Carbonfaserbündel kann auch von Carbonfasern verschiedene Fasern umfassen. In der Regel besteht ein solches Carbonfaserbündel aus 10 bis 400.000 Einzelfasern, bevorzugt aus 10 bis 100.000 Einzelfasern, insbesondere aus 100 bis 10.000 Einzelfasern.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter fraktionierten Carbonfasern bzw. Carbonfaserbündeln Einzelfasern bzw. Faserbündel verstanden, die aus einem Fasergewirr vereinzelt und nach unterschiedlichen Eigenschaften, wie geometrischen Abmessungen, insbesondere Länge, Durchmesser, Fläche, Form, wie Dichte, wie Strömungswiderstand, wie Zusammensetzung, etc., aufgetrennt und gegebenenfalls von Störstoffen getrennt wurden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Wirbelbereich ein Bereich einer Vorrichtung oder eine Einrichtung verstanden, in der ein Fluid verwirbelt wird. Insbesondere erfolgt das Verwirbeln im Wirbelbereich nicht-invasiv in einer stark turbulenten Strömung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer turbulenten Strömung die Bewegung von Fluiden verstanden, bei der Verwirbelungen auftreten. Die turbulente Strömung ist durch meist dreidimensionale, scheinbar zufällige, instationäre Bewegungen von Fluidteilchen gekennzeichnet. Die Fluktuationsbewegung führt zu verstärkter Diffusion, die um mehrere Zehnerpotenzen über der molekularen Diffusion liegt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Windsichten das Fraktionieren der Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel nach ihren geometrischen Abmessungen verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Ausrichtungsbereich ein Bereich einer Vorrichtung und/oder Einrichtung zur Steigerung der Orientierung der Fasern in ihrer Längserstreckungsrichtung verstanden.
  • Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich wenigstens einen der folgenden Schritte:
    • e) Ausrichten der in Schritt d) ausgetragenen Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel in Strömungsrichtung einer laminaren Strömung im Ausrichtungsbereich, wobei die Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel entlang ihrer Längsachse gestreckt vorliegen;
    • f) Ausströmen der in Schritt d) ausgetragenen und gegebenenfalls in Schritt e) in Strömungsrichtung der laminaren Strömung ausgerichteten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel;
    • g) Ablegen der in Schritt d) ausgetragenen und gegebenenfalls in Schritt e) in Strömungsrichtung der laminaren Strömung ausgerichteten und/oder gegebenenfalls in Schritt f) erhaltenen ausströmenden Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel als ein Carbonfaserband in einem Ablegebereich.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer laminaren Strömung eine Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen verstanden, bei der keine sichtbaren Turbulenzen, wie Verwirbelungen oder Querströmungen, auftreten. Flüssigkeiten und Gase werden hier und im Folgenden auch als Fluide bezeichnet. Das Fluid strömt bei laminarer Strömung in Schichten, die sich nicht miteinander vermischen. Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit handelt es sich bei einer laminaren Strömung in der Regel um eine stationäre Strömung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Carbonfaserband ein streifenförmiges Gewebe oder Gelege aus vereinzelten Fasern mit begrenzter Breite und einer Längsachse verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Ablegebereich ein Bereich einer Vorrichtung und/oder Einrichtung zum gleichmäßigen sammeln von vereinzelten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln verstanden. Die Carbonfasern sind dabei insbesondere gleichmäßig in ihrer Längserstreckungsrichtung orientiert.
  • Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zu den Schritten a) bis d) wenigstens noch Schritt g).
  • Gemäß einer besonders geeigneten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich zu Schritt g) wenigstens einen der folgenden Schritte:
    • h) Lagenbilden des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes;
    • i) Profilieren des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes;
    • j) Aufbringen mindestens eines Bindemittels wenigstens auf Teilbereiche des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes mit einer Auftragsvorrichtung unter Ausbildung eines wenigstens in Teilbereichen mit dem mindestens einen Bindemittel punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbandes;
    • k) Profilieren des in Schritt j) erhaltenen, wenigstens in Teilbereichen mit dem mindestens einen Bindemittel punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbandes;
    • I) Fixieren des in einem der Schritte j) oder k) erhaltenen, wenigstens in Teilbereichen mit dem mindestens einen Bindemittel punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbandes; und/oder
    • m) Aufbringen einer Schlichte wenigstens auf Teilbereiche des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes mit einer Auftragsvorrichtung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Lagenbilden das Stapeln, insbesondere Übereinanderlegen, Vereinen mehrerer Carbonfaserbänder verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Profilieren ein Formgebungsschritt verstanden. Dazu wird das Carbonfaserband durch eine Vorrichtung mit einem geeigneten Profilwerkzeug geführt, wobei das gewünschte Querschnittsprofil des Carbonfaserbandes ausgestaltet wird. Das Profilieren kann zusätzlich eine Oberflächenbehandlung umfassen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Bindemittel ein Additiv und/oder eine Zusammensetzung zur Fixierung der geometrischen Anordnung von Carbonfaserbändern und deren Bestandteilen, insbesondere von Fadengeometrien verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Fixierung insbesondere das thermische Verfestigen eines auf Carbonfaserbänder und deren Bestandteile aufgetragenen Bindemittels verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbändern der Auftrag von Bindemittel auf ein profiliertes Carbonfaserband verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Schlichte eine Applikation von Schlichtestoffen und/oder Schlichtezusammensetzungen auf profilierte und fixierte Carbonfaserbänder verstanden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) pneumatisch erzeugt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) mittels im Wirbelbereich angeordneter statischer und/oder dynamischer Wirbelelemente erzeugt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Wirbelelement ganz allgemein eine Einrichtung verstanden, die Verwirbelungen der Fluidströmung, hier und im Folgenden auch als Wirbel bezeichnet, verursacht. Wirbel können sowohl durch statische Wirbelelemente als auch durch dynamische Wirbelelemente erzwungen werden. Unter statischen Wirbelelementen sollen hier und im Folgenden starre bzw. unbewegte Festkörper, die von einem Fluid umströmt werden, verstanden werden. Beispiele für statische Wirbelelemente sind alle Arten von fest installierten Stromstörern. Unter dynamischen Wirbelelementen sollen hier und im Folgenden bewegte Einrichtungen, die ihrerseits ein Fluid in Bewegung versetzen, verstanden werden. Beispiele für dynamische Wirbelelemente sind alle Arten von Rührern.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) mit Druckluft in einem Bereich von 0,1 bis 3 MPa absolut, vorzugsweise in einem Bereich von 0,15 bis 2 MPa absolut, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,2 bis 1 MPa absolut erzeugt.
  • Insbesondere ist die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) durch eine Reynolds-Zahl von größer als 1200 gekennzeichnet.
  • Die Reynolds-Zahl, hier und im Folgenden auch als Re-Zahl oder vereinfacht als Re bezeichnet, ist eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften abbildet. Das Turbulenzverhalten geometrisch ähnlicher Körper ist bei entsprechender Reynolds-Zahl gleich. Re = ρ * u * d η = u * d ν mit η = ν * ρ
    Figure imgb0001
  • Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:
    • ρ :
    Dichte des Fluids (kg m-3)
    u :
    relative Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (m s-1)
    d :
    charakteristische Länge des Gegenstandes (m)
    η :
    dynamische Viskosität des Fluids (kg s-1 m-1)
    v :
    kinematische Viskosität des Fluids (m2 s-1)
  • Die charakteristische Länge, auch als Bezugslänge bezeichnet, kann prinzipiell frei gewählt werden. Beim Vergleich zweier Strömungen muss diese Länge jedoch gleicher Art sein. Bei Rohrströmungen wird hier und im Folgenden der lichte Durchmesser des Rohres als Bezugslänge gewählt. Überschreitet die Reynolds-Zahl einen systemabhängigen kritischen Wert Rekrit, wird eine bis dahin laminare Strömung anfällig gegen kleinste Störungen. Entsprechend ist für Re > Rekrit mit einem Umschlag von laminarer in turbulente Strömung zu rechnen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) eine stationäre Strömung, eine diskontinuierliche Strömung, eine pulsierende Strömung und/oder eine wechselnde Kombination hiervon.
  • Unter einer stationären Strömung wird hier und im Folgenden eine Strömung ohne signifikante zeitliche Veränderung des Strömungszustandes verstanden.
  • Unter einer diskontinuierlichen Strömung wird hier und im Folgenden eine Strömung, die eine unstetige, stoßweise und/oder sprunghafte Änderung des Strömungszustandes, bezogen auf die Zeit oder den Ort erfährt, verstanden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer pulsierenden Strömung eine kontinuierliche, instationäre Strömung verstanden, bei der sich Geschwindigkeit und Druck an einem festen Ort periodisch ändern. Periodisch instationäre Strömungsvorgänge können bei ausreichend kleiner Frequenz der Zustandsänderungen als quasistationäre Vorgänge behandelt werden, da zu jedem Zeitpunkt der gleiche gemittelte Strömungszustand wie bei einer stationären Strömung vorliegt.
  • Insbesondere ist die laminare Strömung im Ausrichtungsbereich in Schritt e) durch eine Reynolds-Zahl im Bereich von 10 bis 1200 gekennzeichnet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Ausrichtungsbereich ein Bereich einer Vorrichtung und/oder Einrichtung zur Steigerung der Orientierung der Fasern in ihrer Längserstreckungsrichtung verstanden. Insbesondere wird die Steigerung der Orientierung der Fasern in ihrer Längserstreckungsrichtung in einem Ausrichtungsbereich verbessert bei einer Verringerung der Fluidgeschwindigkeit und der Ausbildung einer laminaren Strömung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Ablegebereich in Schritt g) mit einem Kraftfeld beaufschlagt. Dabei ist die Kraftfelderzeugung ausgewählt unter einem Unterdruck, einem elektrischen Feld, einem magnetischen Feld, einer Klebekraft, Kombinationen hiervon.
  • In einer geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Ablegebereich in Schritt g) mit einem Unterdruck in einem Bereich von 50 bis 70 hPa absolut beaufschlagt.
  • In einer ebenfalls geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Ablegebereich in Schritt g) mit einer elektrischen Spannung von mehr als 15 kV beaufschlagt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die in Schritt f) erhaltenen ausströmenden Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel und/oder das in Schritt g) erhaltene Carbonfaserband keine Torsionskraft ausgeübt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Torsionskraft eine Kraft für die Verdrehung eines Carbonfaserbandes entlang der Längsstreckungsachse verstanden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Lagenbilden in Schritt h) mit einer Aufwickelvorrichtung, die in einer mit der Längsachse des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes übereinstimmenden Richtung rotiert. Insbesondere erfolgt das Lagenbilden in Schritt h) mit einer um die eigene Längsachse rotierenden Aufwickelvorrichtung und/oder einer in einem rechten Winkel zu der Längsachse des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes angeordneten Aufwickelvorrichtung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Aufwickelvorrichtung eine Vorrichtung zur Aufwicklung eines Carbonfaserbandes verstanden. Insbesondere ist die Aufwickelvorrichtung eine mit Vakuum beaufschlagte Trommel mit einer perforierten Oberfläche, auf welcher ein Carbonfaserband aufgespult wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Carbonfaserband nach dem Profilieren in Schritt i) und/oder in Schritt k) ein Querschnittsprofil nach der geometrischen Form des Profilierungswerkzeuges auf.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Profilierungswerkzeug ein dem Carbonfaserband Form gebendes Werkzeug verstanden.
  • Insbesondere weist das Carbonfaserband einen Querschnitt mit einer ovalen, insbesondere einer elliptischen oder runden, einer dreieckigen, einer viereckigen, insbesondere einer rechteckigen oder quadratischen, einer regelmäßig polygonen Form oder eine beliebige Kombination der genannten Formen auf. Besonders geeignet sind konvexe Querschnittsformen oder eine Kombinationen von zwei oder mehreren konvexen Querschnittsformen zu einem nicht-konvexen Innenquerschnitt, wie beispielsweise ein winkelförmiges oder ein T-Profil. Ebenfalls geeignet sind nicht-konvexe Querschnitte in gebogener oder runder Form, wie beispielsweise ein sichel- oder ringförmiger Querschnitt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich zu Schritt g) wenigstens noch Schritt j).
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des mindestens einen Bindemittels in Schritt j) durch eine der Methode, die ausgewählt ist unter Tauchauftrag, Sumpfauftrag, Immersion, Sprühauftrag, Imprägnierung, Bestreuen, Beschichten, Vorhangauftrag, Übertragungswalzenauftrag, Kombinationen hiervon.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Fasergewirren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen, die
    • mindestens einen Wirbelbehälter;
    • mindestens einen Wirbelbehältereinlauf;
    • mindestens einen Wirbelbehälterauslauf;
    • mindestens ein Ausrichtungselement, wobei das Ausrichtungselement in Auslaufströmungsrichtung nach dem mindestens einen Wirbelbehälterauslauf angeordnet ist; und
    • mindestens ein Ausströmelement, wobei das Ausströmelement in Auslaufströmungsrichtung nach dem mindestens einen Ausrichtungselement angeordnet ist,
    umfasst. Dabei ist das Ausströmelement derart ausgestaltet, dass der lichte Durchmesser an seinem Einlauf größer ist als an seinem Auslauf.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Wirbelbehälter eine Mischeinrichtung verstanden, die im Wesentlichen ein Behältnis, ein Gefäß oder eine Kammer umfasst, worin ein Fluid verwirbelt wird. Insbesondere erfolgt das Verwirbeln im Wirbelbereich nicht-invasiv.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Wirbelbehältereinlauf eine Vorrichtung und/oder Einrichtung für eine Zufuhr von wenigstens teilweise unvereinzelten Fasergewirren verstanden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Fasergewirre zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen besonders faserschonend aufbereiten. Dabei werden die Carbonfasern bzw. Carbonfaserbündel
    • vereinzelt,
    • bezüglich der Ausrichtung linearisiert,
    • beruhigt und
    • abgelegt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Wirbelbehälterauslauf eine Vorrichtung und/oder Einrichtung für einen Austrag von wenigstens teilweise vereinzelten Fasergewirren, insbesondere von vereinzelten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln verstanden. Insbesondere ist ein Wirbelbehälterauslauf als eine Blende ausgestaltet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Ausrichtungselement eine Vorrichtung zum Ausrichten von Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln entlang ihrer Längsachse verstanden. Das Ausrichtungselement kann von Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln durchströmt werden und weist eine Längsachse und einen lichten Durchmesser auf. Insbesondere ist das Ausrichtungselement ein Rohr.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Ausströmelement eine Vorrichtung und/oder Einrichtung für einen Austrag von wenigstens teilweise vereinzelten Fasergewirren, insbesondere von vereinzelten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln verstanden, welche in Strömungsrichtung nach dem Ausströmelement angeordnet ist. Insbesondere ist ein Ausströmelement als eine Auslaufdüse, ein Diffusor und Kombinationen hiervon ausgestaltet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich wenigstens eine der folgenden Komponenten:
    • mindestens eine Abnahmevorrichtung mit einem Ablegebereich;
    • mindestens ein erstes Profilwerkzeug;
    • mindestens eine Auftragsvorrichtung;
    • mindestens ein zweites Profilwerkzeug, welches nach der mindestens einen Auftragsvorrichtung angeordnet ist;
    • mindestens eine Fixiervorrichtung.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausrichtungselement und/oder das mindestens eine Ausströmelement ausgewählt ist unter einem Rohr, einer Leitung, einem Schlauch oder Kombinationen hiervon.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wirbelbehälterauslauf ausgewählt ist unter einer Venturidüse, einer Blende, einer Bohrung, einer Klappe, einer Rohrverengung, einem Ventil, einem Schieber, einem Diffusor oder Kombinationen hiervon.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des lichten Durchmessers des Ausrichtungselementes zum lichten Durchmesser am Auslauf des Ausströmelementes im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 50 liegt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausströmelement ausgewählt ist unter einem konisch zulaufendem Rohr, einer Düse, einer Rohrverengung oder Kombinationen hiervon.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abnahmevorrichtung eine Aufwickelvorrichtung, eine rotierende Trommel, ein bewegliches Band oder eine Kombination hiervon ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Ablegebereich eine perforierte Oberfläche aufweist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer perforierten Oberfläche eine für fluide Medien wenigstens in Teilbereichen durchlässige Oberfläche verstanden. Insbesondere kann eine perforierte Oberfläche als mit Schlitzen, Löchern und Kombinationen hiervon perforiert ausgestaltet sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste und/oder zweite Profilwerkzeug einen Innenquerschnitt mit einer punkt- oder achsensymmetrischen Geometrie oder einer Kombination aus zwei oder mehr gleichen oder verschiedenen punkt- oder achsensymmetrischen Geometrien aufweist.
  • Insbesondere weist der Innenquerschnitt des jeweiligen Profilwerkzeugs eine ovale, insbesondere eine elliptische oder runde, eine dreieckige, eine viereckige, insbesondere eine rechteckige oder quadratische, eine regelmäßig polygone Form oder eine beliebige Kombination der genannten Formen auf. Besonders geeignet sind konvexe Querschnittsformen oder eine Kombination von zwei oder mehreren konvexen Querschnittsformen zu einem nicht-konvexen Innenquerschnitt, wie beispielsweise ein winkelförmiges oder ein T-Profil. Ebenfalls geeignet sind nicht-konvexe Innenquerschnittsprofile in gebogener oder runder Form, wie beispielsweise ein sichel- oder ringförmiger Innenquerschnitt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auftragsvorrichtung ausgewählt ist unter einem Tauchbad, einem Sprühauftragswerk, einer Imprägnierungsvorrichtung, einer Bestreuungsvorrichtung, einer Beschichtungsvorrichtung, einem Vorhangauftragswerk, Übertragungswalze oder Kombinationen hiervon.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fixiervorrichtung ausgewählt ist unter einem Kalander, einer Presse, einer Formwalze, einer thermischen Fixiervorrichtung, einem Strahlungstrockner, einem Strahlungshärter, einem thermischen Trockner oder Kombinationen hiervon.
  • Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus ein Carbonfaserband, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich und/oder in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Carbonfaserband handelt es sich um ein band- oder fadenförmiges Carbonfasergarn, das fixiert ist, beispielsweise bebindert oder geschlichtet.
  • Insbesondere handelt es sich um ein erfindungsgemäßes Carbonfaserband, bei dem die Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel unidirektional angeordnet sind. Dabei können die Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel wenigstens teilweise versetzt zueinander angeordnet sein. Die Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel können zusätzlich oder alternativ wenigstens teilweise überlappend zueinander angeordnet sein. Zu diesem Zweck sind dann zwischen zwei und/oder mehreren Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln punktuelle und/oder flächige Bindungsbereiche ausgebildet.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Carbonfaserbandes, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich und/oder in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist. Es wird insbesondere zum Herstellen von Leichtbauteilen für die Luftfahrt-, Raumfahrt- und/oder Automobilindustrie und/oder im Maschinenbau, zur Weiterverarbeitung in Webeverfahren, Legeverfahren, insbesondere zur Herstellung von Carbongelegen, Geweben, Geflechten, Gewirken, Gestricken, carbonfaserhaltigen textilen Gebilden, Flächengebilden, zur Kombination mit nicht carbonartigen Faserwerkstoffen und/oder Materialien oder Kombinationen hiervon verwendet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter nicht carbonhaltigen Faserwerkstoffen und/oder Materialien, Faserwerkstoffe und/oder Materialien verstanden, welche in Ihrer Zusammensetzung keine(n) kohlenstoffhaltige(n) organischen Bestandteil(e), der/die durch Pyrolyse in graphitartigen angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden, aufweisen.
    • FIGURENBESCHREIBUNG UND BEISPIELE
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 8 erläutert, ohne auf diese Ausführungen eingeschränkt zu sein.
    • Figuren 1 - 4
    zeigen verschiedene Formen von Carbonfaser-Anordnungen.
    Figur 5
    zeigt schematisch eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    Figur 6
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Ausströmelement.
    Figur 7
    zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abnahmevorrichtung.
    Figur 8
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Auftrags- und Fixiervorrichtung.
  • In den Figuren 1 bis 8 werden folgende Bezugszeichen verwendet:
    • 1
    Faserverbundabfall
    2
    Fasergewirr bzw. Flocken
    3
    Einzelfaser
    4
    Faserbündel
    5
    Faserband
    6
    Band aus gerichteten Fasern
    7
    Druckluftdüse
    8
    Wirbelbehälterauslauf
    9
    Ausrichtungselement
    10
    Ausströmelement
    11
    Reduzierer
    12
    Wirbelgefäß bzw. Wirbelzone
    13
    Beschickung
    15
    Absaugung
    16
    Rotierende Trommel
    17
    Perforierte Oberfläche
    18
    Motor
    20
    erste Düse zur Formgebung
    21
    zweite Düse zur Formgebung
    22
    Tauchbad
    23
    (Umlenk-)Walzen
    24
    Walzenpaar
  • Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflösung sowie Orientierung der Carbonfasergewirre und/oder -flocken, im Folgenden als Flocken (2) bezeichnet, über einen pneumatischen Prozess ohne Schädigung der Carbonfasern erfolgt. Flocken (2), die beispielsweise aus Faserverbundabfall (1) gewonnen werden, werden einem Wirbelgefäß (12) zugeführt. Im Wirbelgefäß (12) werden die Flocken (2) über eine Druckluftdüse (7) mit einer über einen Reduzierer (11) einstellbaren Druckluftströmung beaufschlagt. Aufgrund induzierter Scherkräfte, die durch die turbulenten Strömungsverhältnisse verursacht werden, werden die Flocken (2) zu Einzelfasern (3) bzw. Faserbündeln (4) vereinzelt. Die Einzelfasern (3) bzw. vereinzelten Faserbündel (4) verlassen das Wirbelgefäß (12) über den Wirbelbehälterauslauf (8). Unzureichend vereinzelte Flocken (2) werden aufgrund ihrer Größe am Austritt aus dem Wirbelgefäß (12) über den Wirbelbehälterauslauf (8) gehindert und durch die Luftströmung der Druckluftdüse (7) wieder der Strömung zugeführt. Am Wirbelbehälterauslauf (8) kann ein Ausrichtungselement (9) angeschlossen werden. Dieses führt zu einer weitestgehend laminaren Entnahmeströmung und optimiert die Ausrichtung der Einzelfasern (3) bzw. vereinzelten Faserbündel (4). Das Ausrichtungselement (9) ist in seiner Bauform nicht auf einen zylindrischen Grundkörper beschränkt, sondern kann zur Reduzierung der Geschwindigkeit ebenso in konischer Form ausgebildet sein.
  • Die aus dem Ausrichtungselement (9) oder dem Wirbelbehälterauslauf (8) austretenden Einzelfasern (3) bzw. vereinzelten Faserbündel (4) werden zur Formung des Bandes (4) einer Abnahmeeinheit, wie in Figur 7 skizziert, zugeführt. Diese besteht im dargestellten Fall aus einer rotierenden Trommel (16), einem Motor (18) sowie einer Absaugung (15). Die Trommel (16) ist dabei in einem Bereich (17) mit einem Gittergewebe als Mantelmaterial ausgeführt, um eine Absaugung zu gewährleisten. Die Einzelfasern (3) bzw. Faserbündel (4) legen sich durch die Absaugung (15) auf der perforierten Oberfläche (17) der Trommel (16) ab. Alternativ kann die Abnahmeeinheit als abgesaugtes Förderband gestaltet werden kann. Das geformte Band (5) weist einen hohen Orientierungsgrad der Einzelfasern (3) bzw. Faserbündel (4) in Faserlängsrichtung auf.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die Steigerung der Festigkeit des Bandes (5), die seine textile Verarbeitbarkeit gewährleistet, durch die Beaufschlagung eines anforderungsgerechten Bindemittels erreicht. Alternativ kann eine Verfestigung zur Gewährleistung der textilen Verarbeitbarkeit des Produktes über die Beaufschlagung des Bandes (5) mit einer Drehung erzielt werden.
  • Erfindungsgemäß wird das schädigungsfrei hergestellte Faserband (5) über einen Foulard-Prozess, wie in Figur 8 skizziert, mit einem geeigneten Bindemittel beaufschlagt. Dazu eignen sich beispielsweise wässrige Systeme, wie Polyurethan-Dispersionen, Styrol-Butadien-Dispersionen, Epoxy-Dispersionen oder Polyacrylat-Dispersionen. Möglich ist weiterhin der Einsatz von Lösungen, wie PU-DMF-Lösungen zur Bindung des Bandes (5). Vor und nach dem Tauchen des Bandes (5) können zur gezielten Formgebung Düsen (20; 21) zum Einsatz kommen. Überschüssiges Bindemittel wird nach dem Tauchprozess über ein Walzenpaar (24) abgequetscht.
  • Nach Abtrocknung des Bindemittels erfolgt die Konfektionierung des fertigen Produktes (6) auf Spulen, das dann einer textilen Verarbeitung, beispielsweise einer Flächenbildung auf Multiaxiallegemaschinen, zugeführt werden kann.
  • Der Bindemittelanteil im Produkt (6) ist wesentlich von den im, wie beispielhaft in Figur 8 skizzierten, Foulard-Prozess gewählten Parametern, speziell vom gewählten Bindemittel und dessen Lösungskonzentration abhängig. Möglich sind Bindemittelkonzentrationen zwischen 0 Gew.-% und 99 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 Gew.-% und 15 Gew.-%, idealerweise zwischen 2 Gew.-% und 8 Gew.-%.
    • Beispiele Beispiel 1:
  • Ein entschlichtetes Carbonfasergewirr wird beispielsweise auf eine mittlere Länge von 50 mm geschnitten und vorgelegt. Eine Menge von 1,00 g Carbonfasern werden dem Gewirr entnommen und dem Wirbelgefäß (12) zugeführt. Der Reduzierer (11) wird auf 1 bar eingestellt. Über die Druckluftdüse (7) wird im Wirbelgefäß (12) eine turbulente Strömung erzeugt, wodurch das vorgelegte Carbonfasergewirr vereinzelt wird. Die Einzelfasern bzw. Faserbündel treten über den Wirbelbehälterauslauf (8) aus dem Wirbelgefäß (12) aus. Die vereinzelten Carbonfasern gelangen über das Ausrichtungselement (9) zur Abnahmeeinheit, die als rotierende Trommel (16) ausgeführt ist. Durch die Absaugung (15) sowie die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel (15) legen sich die vereinzelten Carbonfasern in Rotationsrichtung auf dem perforierten Bereich (17) der untersaugten Trommel (16) ab.
  • Das so hergestellte, 1 m lange Band (5) aus gerichteten Carbonfasern wird mit 5%iger Butadien-Styrol Lösung foulardiert, bei 100 °C für 5 min vorgetrocknet und bei 175 °C für 2 min fixiert.
  • Ein auf die beschriebene Art und Weise hergestellter Carbonroving (6) aus gerichteten Fasern eignet sich hervorragend zur textiltechnischen Fabrikation und kann über bekannte Prozesse zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden. Die nach DIN EN ISO 527-5 hergestellten Prüfkörper weisen bis zu 86 % des Zugmoduls des Ausgangsmaterials sowie bis zu 90 % der ursprünglichen Zugfestigkeit auf.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Aufbereitung von Fasergewirren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen, das folgende Schritte umfasst:
    a) Bereitstellen von Fasergewirren wenigstens enthaltend Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel in einem Wirbelbereich;
    b) wenigstens teilweises Vereinzeln der Fasergewirre in einer turbulenten Strömung im Wirbelbereich unter Erhalt vereinzelter Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel;
    c) gegebenenfalls Windsichten der vereinzelten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel im Wirbelbereich unter Erhalt fraktionierter Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel;
    d) Austragen der in Schritt b) erhaltenen vereinzelten und/oder in Schritt c) fraktionierten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel aus dem Wirbelbereich in einen Ausrichtungsbereich,
    wobei die Carbonfaserhalbzeuge in oder im Anschluss an Schritt d) erhalten werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst:
    e) Ausrichten der in Schritt d) ausgetragenen Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel in Strömungsrichtung einer laminaren Strömung im Ausrichtungsbereich, wobei die Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel entlang ihrer Längsachse gestreckt vorliegen;
    f) Ausströmen der in Schritt d) ausgetragenen und gegebenenfalls in Schritt e) in Strömungsrichtung der laminaren Strömung ausgerichteten Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel;
    g) Ablegen der in Schritt d) ausgetragenen und gegebenenfalls in Schritt e) in Strömungsrichtung der laminaren Strömung ausgerichteten und/oder gegebenenfalls in Schritt f) erhaltenen ausströmenden Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel als ein Carbonfaserband in einem Ablegebereich.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das zusätzlich zu Schritt g) wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst:
    h) Lagenbilden des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes;
    i) Profilieren des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes;
    j) Aufbringen mindestens eines Bindemittels wenigstens auf Teilbereiche des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes mit einer Auftragsvorrichtung unter Ausbildung eines wenigstens in Teilbereichen mit dem mindestens einen Bindemittel punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbandes;
    k) Profilieren des in Schritt j) erhaltenen, wenigstens in Teilbereichen mit dem mindestens einen Bindemittel punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbandes;
    l) Fixieren des in einem der Schritte j) oder k) erhaltenen, wenigstens in Teilbereichen mit dem mindestens einen Bindemittel punktuell und/oder flächig benetzten Carbonfaserbandes;
    m) Aufbringen einer Schlichte wenigstens auf Teilbereiche des in Schritt g) erhaltenen Carbonfaserbandes mit einer Auftragsvorrichtung.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) mittels im Wirbelbereich angeordneter statischer und/oder dynamischer Wirbelelemente erzeugt wird.
  5. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 4, wobei die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) mit Druckluft in einem Bereich von 0,1 bis 3 MPa absolut, vorzugsweise in einem Bereich von 0,15 bis 2 MPa absolut, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,2 bis 1 MPa absolut erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die turbulente Strömung im Wirbelbereich in Schritt b) durch eine Reynolds-Zahl von größer als 1200 gekennzeichnet ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die laminare Strömung im Ausrichtungsbereich in Schritt e) durch eine Reynolds-Zahl im Bereich von 10 bis 1200 gekennzeichnet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ablegebereich in Schritt g) mit einem Kraftfeld beaufschlagt ist und wobei die Kraftfelderzeugung ausgewählt ist unter einem Unterdruck, einem elektrischen Feld, einem magnetischen Feld, einer Klebekraft oder Kombinationen hiervon.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die in Schritt f) erhaltenen ausströmenden Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel und/oder das in Schritt g) erhaltene Carbonfaserband keine Torsionskraft ausgeübt wird.
  10. Vorrichtung zur Aufbereitung von Fasergewirren zur Herstellung von Carbonfaserhalbzeugen, umfassend:
    - mindestens einen Wirbelbehälter;
    - mindestens einen Wirbelbehältereinlauf;
    - mindestens einen Wirbelbehälterauslauf;
    - mindestens ein Ausrichtungselement, wobei das Ausrichtungselement in Ausströmrichtung nach dem mindestens einen Wirbelbehälterauslauf angeordnet ist;
    - mindestens ein Ausströmelement, wobei das Ausströmelement in Ausströmrichtung nach dem mindestens einen Ausrichtungselement angeordnet ist,
    wobei das Ausströmelement derart ausgestaltet ist, dass der lichte Durchmesser an seinem Einlauf größer ist als an seinem Auslauf.
  11. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wirbelbehälterauslauf ausgewählt ist unter einer Venturidüse, einer Blende, einer Bohrung, einer Klappe, einer Rohrverengung, einem Ventil, einem Schieber, einem Diffusor oder Kombinationen hiervon.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des lichten Durchmessers des Ausrichtungselementes zum lichten Durchmesser am Auslauf des Ausströmelementes im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 50 liegt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausströmelement ausgewählt ist unter einem konisch zulaufendem Rohr, einer Düse, einer Rohrverengung oder Kombinationen hiervon.
  14. Carbonfaserband, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder hergestellt in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündel unidirektional, wenigstens teilweise versetzt zueinander und/oder wenigstens teilweise überlappend zueinander angeordnet sind und wobei zwischen zwei und/oder mehreren Carbonfasern und/oder Carbonfaserbündeln punktuelle und/oder flächige Bindungsbereiche ausgebildet sind.
  15. Verwendung eines Carbonfaserbandes, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder hergestellt in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 zum Herstellen von Leichtbauteilen für die Luftfahrt-, Raumfahrt- und/oder Automobilindustrie und/oder im Maschinenbau, zur Weiterverarbeitung in Webeverfahren, Legeverfahren, insbesondere zur Herstellung von Carbongelegen, Geweben, Geflechten, Gewirken, Gestricken, carbonfaserhaltigen textilen Gebilden, Flächengebilden, zur Kombination mit nicht carbonartigen Faserwerkstoffen und/oder Materialien oder Kombinationen hiervon.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019115358A1 (de) * 2019-06-06 2020-12-10 Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Vlieses sowie Anlage zur Herstellung von faserverstärkten Harzmatten
EP3744884A4 (de) * 2018-01-26 2021-12-15 Toray Industries, Inc. Verstärkungsfaserbündel

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3142869A (en) * 1961-05-04 1964-08-04 Johns Manville Process and apparatus for opening and cleaning fibrous material
DE2001886A1 (de) * 1969-01-17 1970-07-23 Kureha Chemical Ind Co Ltd Verfahren zum OEffnen von Fasern oder Faeden
US3975263A (en) * 1975-02-25 1976-08-17 Elo Heikki K Material separation apparatus and method
SU592879A1 (ru) * 1976-04-15 1978-02-15 Предприятие П/Я М-5409 Устройство дл разделени штапелированного углеродного волокна
WO2001068556A1 (en) * 2000-03-16 2001-09-20 Honeywell International Inc. Method and apparatus for forming fiber reinforced composite parts
EP1696057A1 (de) 2003-12-17 2006-08-30 Kureha Corporation Verfahren zur herstellung von faserband und spinngarn aus kohlefasern auf pechbasis
EP1854911A1 (de) 2005-02-22 2007-11-14 Kureha Corporation Hybridkohlefaserspinngarn und textiles hybridkohlefaserspinngarnflächengebilde damit
DE102009023529A1 (de) 2009-05-30 2010-12-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Recyclingverfahren
WO2011095826A2 (en) 2010-02-05 2011-08-11 University Of Leeds Carbon fibre yarn and method for the production thereof
WO2011134995A1 (de) 2010-04-30 2011-11-03 Deutsche Institute Für Textil- Und Faserforschung Denkendorf Hybridgarn zur herstellung von formteilen
WO2012000827A2 (de) 2010-06-30 2012-01-05 Sgl Carbon Se Garn oder nähgarn und verfahren zum herstellen eines garns oder nähgarns
DE102013106457B3 (de) * 2013-06-20 2014-09-04 Grimm-Schirp Gs Technologie Gmbh Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren und Dreidimensional-Vliesherstellungsverfahren sowie Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung und Faservlies

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3142869A (en) * 1961-05-04 1964-08-04 Johns Manville Process and apparatus for opening and cleaning fibrous material
DE2001886A1 (de) * 1969-01-17 1970-07-23 Kureha Chemical Ind Co Ltd Verfahren zum OEffnen von Fasern oder Faeden
US3975263A (en) * 1975-02-25 1976-08-17 Elo Heikki K Material separation apparatus and method
SU592879A1 (ru) * 1976-04-15 1978-02-15 Предприятие П/Я М-5409 Устройство дл разделени штапелированного углеродного волокна
WO2001068556A1 (en) * 2000-03-16 2001-09-20 Honeywell International Inc. Method and apparatus for forming fiber reinforced composite parts
EP1696057A1 (de) 2003-12-17 2006-08-30 Kureha Corporation Verfahren zur herstellung von faserband und spinngarn aus kohlefasern auf pechbasis
EP1854911A1 (de) 2005-02-22 2007-11-14 Kureha Corporation Hybridkohlefaserspinngarn und textiles hybridkohlefaserspinngarnflächengebilde damit
DE102009023529A1 (de) 2009-05-30 2010-12-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Recyclingverfahren
WO2011095826A2 (en) 2010-02-05 2011-08-11 University Of Leeds Carbon fibre yarn and method for the production thereof
WO2011134995A1 (de) 2010-04-30 2011-11-03 Deutsche Institute Für Textil- Und Faserforschung Denkendorf Hybridgarn zur herstellung von formteilen
WO2012000827A2 (de) 2010-06-30 2012-01-05 Sgl Carbon Se Garn oder nähgarn und verfahren zum herstellen eines garns oder nähgarns
DE102013106457B3 (de) * 2013-06-20 2014-09-04 Grimm-Schirp Gs Technologie Gmbh Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren und Dreidimensional-Vliesherstellungsverfahren sowie Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung und Faservlies

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3744884A4 (de) * 2018-01-26 2021-12-15 Toray Industries, Inc. Verstärkungsfaserbündel
DE102019115358A1 (de) * 2019-06-06 2020-12-10 Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Vlieses sowie Anlage zur Herstellung von faserverstärkten Harzmatten

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