WO2014096350A1 - Kompositwerkstoff und verfahren zum herstellen eines solchen - Google Patents
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
- D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
- D21B1/04—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres
- D21B1/06—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres by dry methods
Definitions
- the invention relates to a method for producing a composite material, in particular for the production of a structural component.
- the present invention further relates to a composite material usable, for example, for the production of a structural component.
- the high fiber brittleness and the associated susceptibility to breakage disturb the individual 6-7 ⁇ m thin individual filaments, of which up to 1,000 pieces per strand can be counted.
- the strands are often oxidized and then carbonized at 1,500 degrees Celsius.
- silicon carbide For automotive use, they are then combined with silicon carbide.
- Woven fabrics are woven mechanically from the fibers, and around 500,000 fibers can be interwoven into each other per square inch. These tissue mats are made in several Layers one above the other to components, for example, in the autoclave process baked at about 150 degrees.
- the present invention relates to a process for producing carbon fibers, in particular for producing a composite material, characterized in that bamboo generated in particular fiber-enriched peel and / or cleavage products exclusion of air at temperatures in a range of> 400 to ⁇ 1400 ° C. in particular, using heating rates and cooling rates in a range of ⁇ 100 ° C per minute, in particular wherein the process temperature hold time of the temperature of> 400 ° C to ⁇ 1400 ° C is in a range of ⁇ 1 h, wherein the thermal heat treatment is divided in particular into up to three temperature ranges, a temperature range comprising a drying and preheating zone in a temperature range T before > 20 ° C.
- a temperature range a reaction zone in a temperature range TR ea k of> 400 - ⁇ 1400 ° C and a third Tempe Temperature range comprises a cooling zone in a temperature range of ⁇ 400 ° C in particular to> 20 ° C.
- the present invention relates to a method for producing carbon fibers, which is particularly applicable in a composite material for the production of structural components, and equally an arrangement for carrying out such a method.
- the method is used in particular for the production of finely divided carbon fibers and is characterized in that made of carbonized bamboo by known treatment methods with equally well-known process for Rohbamboo preparation of fiber-enriched raw material peel and / or cleavage products, for example, with feed lengths of > 50-60 mm, before being subjected to exclusion of air, in particular in the absence of oxygen, at temperatures in the range of 400-1400 ° C continuously or stepwise thermal treatment with or without pretreatment to improve their mechanical properties and then subjected to the previously described heat treatment so be that the necessary possibly different heating and cooling rates in ranges of ⁇ 100 ° C per minute, the necessary process temperature retention time ⁇ 1400 ° C of ⁇ 1 h in up to 3 temperature ranges for a drying and preheating with T before ⁇ 400 ° C, for the reaction zone with TR eak
- the cooled raw fibers can be applied to a preferably multi-stage wind classification process for dividing the carbon fibers produced from bamboo into the fiber length fractions lp ⁇ 2 mm, 2 mm ⁇ lp ⁇ 50 mm and lp> 50 mm and then their further processing with known per se Method and also known machine systems of plastics and / or textile processing are supplied.
- Fiber-enriched peel and / or cleavage products are in particular bamboo-made products, which are fiber-enriched, for example, by separating non-fibrous components. These products are thus cleaved or peeled, for example.
- a separation of fibrous constituents can be realized by defibering with classification or separation of non-fibrous constituents.
- Peeling can be realized, for example, by means of a tensioning and rotating device acting on the end faces of the bamboo straw pieces or the bamboo raw material, which preferably surrounds the blank, which rotates slowly at speeds of 10-100 min 1, with an edge engaging the circumference Knife-to-rotary-like designed peeling device with or without Axialvorschubterrorism, but advantageously with the use of a well-known Radialvorschub raised dry or with water addition or can peel.
- a cleavage product may be a product of defibering, which is basically known to a person skilled in the art, by means of, for example and not limitation, a cross-wound roller mill comprising at least two counter-rotating rollers which are to be regulated separately in terms of contact pressure and rotational speed.
- a cross-wound roller mill comprising at least two counter-rotating rollers which are to be regulated separately in terms of contact pressure and rotational speed.
- an optionally multi-stage printing and jagging can be used by way of example.
- a composite material may be understood as meaning, in particular, a material which is produced from at least two components which are present next to one another, namely the reinforcing fibers and a matrix material accommodating the reinforcing fibers.
- the matrix material may be any material that can absorb the bamboo fibers as reinforcing fibers.
- Matrix material may be a resin, such as an epoxy resin, or a thermoplastic or thermosetting plastic.
- the composite material in the context of the present invention is particularly suitable for the production of a structural component.
- a structural component is in particular such a component which has a defined structure and in particular can absorb forces without suffering damage.
- a structural component may be understood as meaning a carrier or a housing or other, fiber-reinforced components, which in particular should have high stability.
- the rod-shaped bamboo blanks are optionally subjected to an additional fiber cell treatment prior to the heat treatment which can be set in the residence time and temperature level and optionally after coarse comminution, for example by means of a cutting unit or the like.
- bamboo-based carbon fibers can be expected, which are then largely isolated due to the thermal parenchymal degradation and can be used much better than the traditional carbon fibers with textile techniques to practical textile and useful fabrics or as reinforcing fibers in composite materials, if necessary with further refinement, as is generally known to the person skilled in the art of carbon fibers.
- the production costs can often be easily below a limit of 50 € / kg.
- a Feinzerfaserung the preferably carbonized fiber bundles can provide fiber fractions for the reinforcement of thermosetting and thermosetting plastics, for the production of non-dense fiber mats from short and over the fine grain fraction particles and longer thin fibers with diameters in the range of 10-20 ⁇ , by means of Spinning and subsequent field-forming methods adapted to the intended use, such as, in particular, spinning or shaping into fibrous structures, such as nonwovens, such as textile technology are processed.
- a technological coupling of pretreatment and thermal process can yield advantageous effects, since it may be advantageous to subject ready-made bamboo fiber technical fabrics to carbonization in a continuous process, and then further subjecting them to existing traditional systems and systems for the most extensive automated production of high load capacity Driving and / or aircraft components in plants developed for the use of carbon fiber, as they are known in principle for the processing of carbon fibers.
- a deficit of previous carbon fiber applications in the form of potential susceptibility of the carbon fiber composite material or composite material against shock and / or impact load can be advantageously eliminated with the special type of carbonization in the form of limited conversion of organic carbon compounds and the proportionate conservation of elastic material properties.
- a defined temperature treatment of bamboo as explained above, due to the design of bamboo, can afford advantages in terms of the mechanical properties of the resulting carbon fibers.
- the costs of acquiring and operating such a component, such as a vehicle can be kept low and, for example, in accident situations, the technical safety including the safety of the vehicle occupants can be reliably predetermined.
- the invention may relate to a process for producing finely divided carbon fibers from carbonized bamboo, wherein the fiber-enriched peel and / or cleavage products for their pretreatment to improve their mechanical properties, for example by means of known per se or roller shears in advantageous fiber-oriented feed pieces with lengths of> 50 - 60 mm are decomposed, in particular wherein the feed pieces thereafter at atmospheric pressure and compared to room temperature (20 ° C) elevated process temperatures ⁇ 85 - 90 ° C in a heated agitator up to 3 h or in a stirrer autoclave at pressures up to 12 bar and at elevated compared to room temperature (20 ° C) process ⁇ 140 ° C for up to 45 minutes with a tailored to the respective bamboo species to be processed their composition and in particular adjusted to a pH of
- the pretreated and optionally also untreated peel and / or cleavage products can undergo a multistage drying known per se, which consists of the likewise known and successive process stages and equipment of a mechanical dehydration, a process heat-heated drum.
- the feed material by exhaust gas-tight and thermally stable to 400 ° C per se known discharge and transfer devices in the likewise preferably designed as a rotary kiln reaction zone with TR ea k> 400 - ⁇ 1400 ° C can be abandoned and optionally gas-tight for the technological loading itself can be designed multi-stage waste heat recovery facilities as well as for a discharge in the intended subsequent cooling zone.
- the cooling zone that is about the third temperature zone, can be equipped with a known waste heat recovery device, down to a normal temperature of approximately 20 ° C., in process and plant technology.
- the non-fibrous particulate matter arising from the transport processes taking place in the high-temperature range from> 400 ° C. to ⁇ 1400 ° C., ie preferably the spatial transport, of the heated peel and / or cleavage products or the fragments resulting therefrom during the course of the process can be approximately
- the fiber length fractions ⁇ 2 mm, 2 mm ⁇ lp ⁇ 50 mm and lp> 50 mm are deposited, for example using an air sifter operated with ambient air at ambient temperature, and then for further processing / marketing of their further processing separated and optionally packaged known processes.
- the fiber length fraction lp ⁇ 2 mm after cooling to a normal temperature of about 20 ° C optionally interim stored dry in a known silo system and handed over a likewise known per se filling system with loosening device to a silo vehicle or by means of bagging and weighing in airtight plastic bags for sale and ready for despatch.
- Such fibers in particular as known per se for carbon fibers, can be distributed in a matrix material, such as a resin, for example, to form structural components.
- the fibers applied planarly on a flat (if applicable movable) work surface may be mechanically or electro-statically aligned with or without fiber.
- pedde surface compaction for the production of a fiber-reinforced surface-forming potting compound or for the production of a paper to cardboard-like fiber matrix to be impregnated then used.
- net-like structures, such as nonwovens, for example, for incorporation into a matrix system can be configured.
- the fiber mass present as random fibers can be subjected to a careful fiber orientation process (carding) known for a long time, so that a resulting nonwoven is mechanically broken up into a plurality of partial webs, as a result slowly wound into rovings for further processing by means of a known spinning process and then, depending on the requirement, spun into threads for further processing into technical textiles.
- a careful fiber orientation process carding
- such fibers can be supplied in particular to a textile use.
- the above applications are not limiting, since in principle all separated areas for different applications of textile processing or for the production of composite materials may be suitable.
- the raw bamboo is supplied as wood chips with piece sizes d K ⁇ 5 cm a task laundry.
- the washed feed material passes into a coarse fiberization upstream wet-steamed plasticization, which may be formed, for example, as a continuous reactor and gives up directly in the task area of the subsequent Komplexzermaschineung.
- this process stage which is preferably carried out with a modified extrusion principle or a transverse-loaded roller mill comprising at least 2 counter-rotating and separately regulated with regard to contact pressure and rotational speed.
- Lierenden rollers to be realized with each known type of machine is heated by the pressing action of the screws or rollers, the abandoned moist material to temperatures> 100 ° C, so that stored in the plant cells water begins to boil and by the vapor pressure increase and as a result
- the drive system imposed from the outside shear action on the material located between the screw and housing wall or between the rollers running at different speeds a material along the firmer fiber cell walls in the sense of exposure of fibers and / or fiber bundles in the sense of coarse shredding optionally with a first Zerfase - Level of bamboo is done.
- the pre-shredded material is fed to a working under exclusion of air vertical reaction shaft system, while one or more horizontally located at the upper end of the shaft and cooled to ⁇ 150 ° C flue gas indirectly heated drying surfaces, to be then abandoned via known distribution baskets the reaction shaft or to be retained by a hydraulic slide below the distributor plates, for example in starting situations until reaching the operating temperature in the vertical reaction shaft.
- the hydraulic slide is opened and filled the reaction tube with dried chips. In this case, the continuous operation is ensured by a closing the tube, acting as a trigger cell rotary valve.
- the reaction tube around a heating system is installed, which begins above the rotary valve and the fresh air at about 20 ° C is supplied.
- the lower reaction tube area eg limited to the lower third, serves as a cooling zone and in it the feed material to be thermally cooled after the Karbonmaschinesbe- rich in the upper two-thirds of the tube from about ⁇ 1,400 ° C to ⁇ 50 ° C.
- the fresh air is heated through the heat- and scale-resistant metallic pipe walls to values of> 1,000 ° C, before natural gas-heated burners installed at the end of the cooling zone continue to heat up the heated fresh air to values of max. times around 1,600 ° C and thus create the basis for the ingangschibuz and thermally targeted expiration of the carbonization.
- the flue gas exiting at the upper end of the reaction tube heating jacket with temperatures of approx. 150 ° C. is fed partly to the distributor plates and partly to the feed material drying, then taken out and disposed of via a common exhaust gas channel or chimney.
- the carbonated feedstock is then subjected to a per se known crushing machine, e.g. supplied in the form of a dry-applied edge mill or a roller mill, further shredded length-sparing and then abandoned a power sifter for the separation of different particle length classes.
- a per se known crushing machine e.g. supplied in the form of a dry-applied edge mill or a roller mill, further shredded length-sparing and then abandoned a power sifter for the separation of different particle length classes.
- a textile-technical further processing with spiders and subsequent production of large-sized textile fabrics for any load situations will be provided.
- Short-form carbonation products are analogous to the known use of such materials e.g. for reinforcing mats or for strengthening, e.g. of thermoplastics for technical consumer goods such as valve bodies u.a.m. intended.
- a horizontal or horizontal configuration of the reaction shaft can be provided, for example by means of a known per se temperature-stable conveyor, which passes the bamboo to be carbonized at a suitable speed through the different temperature zones. From the constructive side is oriented to a horizontal arrangement of the tunnel-shaped reaction region to be executed, which technologically follows the same principle as described in detail in the first embodiment.
- a vibrating conveyor system in which the reactor is thermally insulated mounted on a spring assembly and in which by horizontal horizontally acting vibrator due to inertia, the horizontal conveyance of the treated material through all temperature ranges is carried out.
- the second embodiment conditions for achieving a finely divided finished product with lp ⁇ 1.0 mm are given special consideration.
- the outer layer peeled off from the bamboo straw pieces with a length lges 1 to 2 m in length is preferably used.
- the finely divided material obtained from the interior can be separated, for example by means of rod basket air classifier into fiber-rich and fiber-rich batches, the latter a known for the thermal treatment within the described thermal limits known Wirbelbel Anlagenapparat with indirect heating by a flue gas partial stream from the treatment area of the longer Fibers is supplied and after the targeted thermal treatment incl.
- the carbon fibers After the carbon fibers have been obtained, as mentioned above, they can be processed further by spinning, for example by processes known from the textile sector, or incorporated into matrix systems, for example in the molten state, to obtain composite material or structural components.
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern, insbesondere zum Herstellen eines Kompositwerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass aus Bambus erzeugte insbesondere faserangereicherte Schäl- und/oder Spaltprodukte unter Luftausschluss bei Temperaturen in einem Bereich von ≥ 400 bis ≤ 1400 °C thermisch behandelt werden, insbesondere unter Verwendung von Aufheizgeschwindigkeiten und Abkühlgeschwindigkeiten in einem Bereich von ≤ 100°C pro Minute, insbesondere wobei die Prozesstemperaturhaltezeit der Temperatur von ≥ 400°C bis ≤ 1400 °C in einem Bereich von ≤ 1 h liegt, wobei sich die thermische Wärmebehandlung insbesondere in bis zu drei Temperaturbereiche aufteilt, wobei ein Temperaturbereich eine Trocknungs- und Vorwärmzone in einem Temperaturbereich Tvor von ≥ 20 °C ≤ 400 °C umfasst, ein Temperaturbereich eine Reaktionszone in einem Temperaturbereich TReak von ≥ 400 bis ≤ 1400 °C umfasst und ein dritter Temperaturbereich eine Abkühlzone in einem Temperaturbereich von ≤ 400 °C insbesondere bis ≥ 20 °C umfasst.
Description
KOMPOSITWERKSTOFF UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN
EINES SOLCHEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kompositwerkstoffs insbesondere für die Herstellung eines Strukturbauteils. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kompositwerkstoff, der beispielsweise für die Herstellung eines Strukturbauteils verwendbar ist.
Für die Herstellung von stabilen Werkstoffen, wie etwa von Kompositmaterialien, werden in großem Umfang synthetische Fasern als Verstärkungsfasern verwendet, die man in unterschiedliche Matrixsysteme einlagert. Alle diese Verstärkungsfasern beziehungsweise ihre Verarbeitung sind kostenaufwendig, teilweise zeitaufwendig und kompliziert handhabbar. Als Beispiel sei die Herstellung von Glas- und/oder Kohlenstoff-Faserverstärkungen in unterschiedlichen Kunstharz-Matrixsystemen genannt.
Bei Kohlenstoff-Fasern beziehungsweise bei Carbon-Fasern stören die hohe Fasersprödigkeit und die damit verbundene Bruch-Anfälligkeit bei den einzelnen 6 - 7 μιη dünnen Einzelfäd- chen, von denen je Strang bis zu 1.000 Stück zu zählen sind. Um sie für den Einsatz im Fahrzeugbau zu veredeln, werden die Stränge oftmals oxidiert und dann bei 1.500 Grad Celsius karbonisiert. Für den automobilen Einsatz werden sie anschließend mit Siliciumcarbid kombiniert. Aus den Fasern werden maschinell Gewebe geflochten, rund 500.000 Fasern können dabei pro Quadratzoll ineinander verflochten sein. Diese Gewebematten werden in mehreren
Lagen übereinander zu Bauteilen beispielsweise im Autoklav- Verfahren bei ca. 150 Grad gebacken.
Bezüglich einer Faserverstärkung insbesondere für Kompositwerkstoffe gibt es jedoch noch Verbesserungspotential.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Kompositwerkstoffs und einen verbesserten Kompositwerkstoff zu schaffen, der für die Herstellung eines Strukturbauteils besonders vorteilhaft geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoff-Fasern insbesondere zum Herstellen eines Kompositwerkstoffs gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese Aufgabe wird ferner durch einen Kompositwerkstoff gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die im Weiteren beschriebenen Ausgestaltungen und Merkmale können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern, insbesondere zum Herstellen eines Kompositwerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass aus Bambus erzeugte insbesondere faserangereicherte Schäl- und/oder Spaltprodukte unter Luftaus schluss bei Temperaturen in einem Bereich von > 400 bis < 1400 °C thermisch behandelt werden, insbesondere unter Verwendung von Aufheizgeschwindigkeiten und Abkühlgeschwindigkeiten in einem Bereich von < 100°C pro Minute, insbesondere wobei die Prozess- temperaturhaltezeit der Temperatur von > 400°C bis < 1400 °C in einem Bereich von < 1 h liegt, wobei sich die thermische Wärmebehandlung insbesondere in bis zu drei Temperaturbereiche aufteilt, wobei ein Temperaturbereich eine Trocknungs- und Vorwärmzone in einem Temperturbereich Tvor von > 20 °C < 400 °C umfasst, ein Temperaturbereich eine Reaktionszone in einem Temperaturbereich TReak von > 400 - < 1400 °C umfasst und ein dritter Tempe-
raturbereich eine Abkühlzone in einem Temperaturbereich von < 400 °C insbesondere bis > 20 °C umfasst.
Im Detail betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Karbonfasern, welche insbesondere in einem Kompositwerkstoff zur Herstellung von Strukturbauteilen einsetzbar ist, und gleichermaßen eine Anordnung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens. Das Verfahren dient insbesondere zur Herstellung von feinteiligen Kohlenstoff-Fasern und ist dadurch gekennzeichnet, dass aus karbonisiertem Bambus nach an sich bekannten Aufbereitungsverfahren mit ebenso bekannten Verfahrens schritten zur Rohbambus-Aufbereitung von als faserangereicherte Rohware hergestellte Schäl- und/oder Spaltprodukte, beispielsweise mit Aufgabestücklängen von > 50 - 60 mm, vor ihrer unter Luftabschluss, insbesondere unter Sauerstoffausschluss, bei Temperaturen im Bereich von 400 - 1400 °C kontinuierlich oder schrittweise stattfindenden thermischen Behandlung mit oder ohne Vorbehandlung zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften und danach der vorher beschriebenen Wärmebe- handlung so unterzogen werden, dass die notwendigen ggfs. unterschiedlichen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten sich in Bereichen von < 100 °C pro Minute, die notwendige Pro- zesstemperaturhaltezeit mit < 1400 °C von < 1 h sich in bis zu 3 Temperaturbereichen für eine Trocknungs- und Vorwärmzone mit Tvor < 400 °C, für die Reaktionszone mit TReak > 400 - < 1400 °C sowie eine Abkühlzone bis auf Normaltemperatur von ca. 20 °C gegebenenfalls pro- zess- und anlagentechnisch mit an sich bekannten Abwärmeverwertung seinrichtungen ausgestattet sind und die benötigte Gesamtprozessdauer von < 2 h bei nach technischtechnologischen Vorgaben der Endverbraucher für die gewünschten/erreichbaren Gebrauchseigenschaften der feinteiligen Kohlenstoff-Fasern aus karbonisiertem Bambus eingestellt werden. Dabei können die abgekühlten Rohfasern einem vorzugsweise mehrstufig ablaufen- den Windsichtungsprozess zur Aufteilung der aus Bambus hergestellten Kohlenstoff-Fasern in die Faserlängenfraktionen lp < 2 mm, 2 mm < lp < 50 mm und lp > 50 mm aufgegeben und danach ihrer Weiterverarbeitung mit an sich bekannten Verfahren und ebenso bekannten Maschinensystemen der Kunststoff- und/oder der Textilverarbeitung zugeführt werden.
Faserangereichterte Schäl- und/oder Spaltprodukte sind dabei insbesondere aus Bambus hergestellte Produkte, welche etwa durch ein Abtrennen von nicht faserigen Bestandteilen faserangereichert sind. Dabei sind diese Produkte somit beispielsweise gespalten oder geschält. Eine Abtrennung faserhaltiger Bestandteile kann dabei realisierbar sein durch eine Zerfaserung mit Klassierung beziehungsweise Abtrennung nicht faseriger Bestandteile.
Ein Schälen kann beispielsweise realisierbar sein durch eine an den Stirnseiten der insbesondere mit Längen < 2000 mm bezogenen Bambushalmstücke beziehungsweise des Bambus- rohmaterials angreifende Spann- und Drehvorrichtung, die den vorzugsweise langsam mit Drehzahlen von 10 - 100 min 1 umlaufenden Rohling mit einer am Umfang angreifenden messer- bis drehmeißelartig gestalteten Schälvorrichtung mit oder ohne Axialvorschubbewegung, aber vorteilhaft mit Benutzung einer ebenfalls bekannten Radialvorschubeinrichtung trocken oder unter Wasserzugabe zerspanen beziehungsweise schälen kann.
Ein Spaltprodukt kann insbesondere ein Produkt einer dem Fachmann grundsätzlich bekannten Zerfaserung sein, wobei eine Zerfaserung insbesondere realisierbar sein kann durch beispielsweise und nicht beschränkend einem querbeaufschlagten Walzenstuhl aus mindestens zwei gegenläufig rotierenden und getrennt hinsichtlich Anpreßdruck und Drehzahl zu regulie- renden Walzen. Grundsätzlich kann beispielhaft eine gegebenenfalls mehrstufige Druck- und Scherzerfaserung verwendet werden.
Unter einem Kompositwerkstoff kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden ein Werkstoff, der aus wenigstens zwei nebeneinander vorliegenden Kom- ponenten hergestellt ist, nämlich den Verstärkungsfasern und einem die Verstärkungsfasern aufnehmenden Matrixmaterial. Das Matrixmaterial kann dabei jegliches Material sein, welches die Bambusfasern als Verstärkungsfasern aufnehmen kann. Beispielsweise kann das
Matrixmaterial ein Harz, wie etwa ein Epoxidharz, oder auch ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff sein.
Dabei ist der Kompositwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere für die Herstellung eines Strukturbauteils geeignet. Dabei ist ein Strukturbauteil insbesondere ein derartiges Bauteil, welches eine definierte Struktur aufweist und insbesondere Kräfte aufnehmen kann, ohne eine Beschädigung zu erleiden. Beispielhaft und nicht beschränkend kann unter einem Strukturbauteil ein Träger oder ein Gehäuse oder andere, faserverstärkte Bauteile verstanden werden, welche insbesondere eine hohe Stabilität aufweisen sollen.
Je nach den gewünschten Elastizitätseigenschaften werden die beispielsweise stabförmigen Bambus-Rohlinge gegebenenfalls vor der in Verweilzeit und Temperaturhöhe einstellbaren thermischen Behandlung und gegebenenfalls nach einer Grobzerkleinerung, etwa mittels einem Schneidwerk oder ähnlichem, einer zusätzlichen Faserzellenbehandlung unterzogen. Nach der Wärmebehandlung können bambusbasierte Kohlefasern erwartet werden, die wegen des thermischen Parenchym- Abbaus dann weitgehend vereinzelt vorliegen und sich deutlich besser als die traditionellen Carbon-Fasern mit textiltechnischen Verfahren zu praktisch einsetz- und nutzbaren textilen Flächengebilden oder als Verstärkungsfasern in Kompositwerkstoffen verwenden lassen, gegebenenfalls unter weiterer Veredelung, wie dies dem Fachmann für Karbonfasern grundsätzlich bekannt ist. Dabei können die Herstellungskosten oftmals problemlos unterhalb einer Grenze von 50€/kg liegen.
Eine Feinzerfaserung der vorzugsweise karbonisierten Faserbündel kann Faserfraktionen für die Verstärkung thermo- und duroplastischer Kunststoffe liefern, für die Herstellung unver- dichteter Fasermatten aus kurzen und über der Feinkornfraktion liegenden Partikeln und längere dünne Fasern etwa mit Durchmessern im Bereich von 10 - 20 μιη, die mittels Spinnen und anschließende dem Verwendungszweck angepasste Flächenbildungsverfahren, wie insbesondere Spinnen oder Formen zu Fasergebilden, wie etwa Vliesen, etwa textiltechnisch weiter
verarbeitet werden. Dabei kann insbesondere eine technologische Kopplung von Vorbehandlung und thermischem Prozess vorteilhafte Effekte ergeben, da es vorteilhaft sein kann, fertig konfektionierte technische Bambusfasertextilien in einem Durchlaufverfahren der Karbonisierung zu unterziehen und diese anschließend weiter in bestehenden traditionellen Anlagen und Systemen für die weitgehende automatisierte Fertigung von hoch belastbaren Fahr- und/oder Flugzeug-Bauteilen in für den Carbonfaser-Einsatz entwickelten Anlagen zu verarbeiten, wie diese grundsätzlich für die Verarbeitung von Kohlefasern bekannt sind. Ein Defizit bisheriger Carbonfaser-Anwendungen in Gestalt potentieller Anfälligkeit des Carbonfaser- Verbundmaterials beziehungsweise Kompositmaterials gegen Stoß- und/oder Schlagbelastung kann vorteilhaft mit der speziellen Art der Karbonisierung in Gestalt begrenzter Umwandlung organischer Kohlenstoffverbindungen und der anteiligen Erhaltung elastischer Materialeigenschaften behoben werden. In anderen Worten kann insbesondere eine definierte Temperaturbehandlung von Bambus, wie diese vorstehend erläutert ist, aufgrund der Ausgestaltung von Bambus Vorteile bezüglich der mechanischen Eigenschaften der so entstehenden Kohlefasern erlauben.
In Abhängigkeit der konkreten Karbonisierung kann dabei ferner ermöglicht werden, die Sprödigkeit der Kohlenstoff-Faserverbunde zu beheben oder zumindest zu reduzieren und das Splitterverhalten von Carbonfaser- Verbundstoffen in Crash-Situationen durch eine bessere und preiswerte Alternative zu optimieren. Somit kann insbesondere in Kompositmaterialien beziehungsweise Verbundmaterialien in der Fahrzeugindustrie, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, eine deutliche Verbesserung erzielt werden.
Erfindungsgemäß können somit die Kosten für den Erwerb und den Betrieb eines solchen Bauteils, wie beispielsweise Fahrzeugs, gering gehalten werden und beispielsweise in Unfallsituationen die technische Sicherheit einschließlich der Sicherheit der Fahrzeuginsassen sicher vorherbestimmt werden.
In einer Ausgestaltung kann die Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung von fein- teiligen Kohlenstoff-Fasern aus karbonisiertem Bambus, wobei die faserangereicherten Schäl- und/oder Spaltprodukte für ihre Vorbehandlung zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften beispielsweise mittels an sich bekannter Rollen- oder Schlagscheren in vorteilhaft faserrichtungsoriente Aufgabestücke mit Längen von > 50 - 60 mm zerlegt werden, insbesondere wobei die Aufgabestücke danach bei atmosphärischem Druck und bei gegenüber Raumtemperatur (20°C) erhöhten Prozesstemperaturen < 85 - 90 °C in einem beheizbaren Rührwerk bis zu 3 h oder in einem Rührwerks autoklaven bei Drücken bis 12 bar und bei gegenüber Raumtemperatur (20°C) erhöhten Prozesstemperaturen < 140 °C bis zu 45 Minuten mit einer auf die jeweils zu verarbeitende Bambusart ihrer Zusammensetzung nach abgestimmten und insbesondere auf einen pH-Wert von ~ 10 eingestellten Silicierungslösung, insbesondere umfassend flüssiges Silizium, suspendiert und vorwiegend satzweiser Betrieb der oben genannten Vorbehandlungsaggregate für die Einlagerung siliciumhaltiger Dünnschichten auf der äußeren Oberfläche ganz oder teilweise frei liegender Bambusfasern vorgesehen wird. In an- deren Worten kann grundsätzlich eine Silizierung der Fasern insbesondere bezüglich der mechanischen Stärke beziehungsweise der mechanischen Eigenschaften vor und/oder nach einer Karbonisierung von Vorteil sein.
In einer weiteren Ausgestaltung können die vorbehandelten und gegebenenfalls auch unbe- handelten Schäl- und/oder Spaltprodukte eine an sich bekannte mehrstufige Trocknung durchlaufen, die aus den ebenfalls bekannten und aufeinander folgenden Prozess-Stufen und Ausrüstungen einer mechanischen Entwässerung, einem mit Prozessabwärme beheizten Trom- mel-trockner inklusive der zugehörigen Abluftentsorgungs- und -Verwertungseinrichtung und einem mit mehreren getrennt steuerbaren Heizabschnitten bis 400 °C arbeitenden Trom- melaggregat, das seinerseits das Aufgabegut durch abgasdichte und thermisch bis 400 °C dauerbelastbare an sich bekannte Austrags- und Übergabeeinrichtungen in die ebenfalls vorzugsweise als Drehrohrofen gestaltete Reaktionszone mit TReak > 400 - < 1400 °C aufgeben werden kann und gegebenenfalls gasdicht für die technologische Beaufschlagung an sich be-
kannter mehrstufiger Abwärme- Verwertungseinrichtungen sowie für eine Austragsvorrich- tung in die vorgesehene nachfolgende Abkühlzone ausgelegt sein kann.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Abkühlzone, also etwa die dritte Temperaturzone, bis auf Normaltemperatur von ungefähr 20 °C prozess- und anlagentechnisch mit an sich bekannten Abwärmeverwertung seinrichtungen ausgestattet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann bei den im Hochtemperaturbereich von > 400°C bis < 1400 °C ablaufenden Transportprozessen, also vorzugsweise dem räumlichen Transportieren, der aufgeheizten Schäl- und/oder Spaltprodukte beziehungsweise der daraus im Prozessverlauf entstehenden Bruchstücke hieraus anfallender nichtfasriger Feinstaub, der etwa nach Abwärmenutzung bei der Abluftentsorgung entsteht, etwa unter Verwendung in einer mit Fremdluft bei Umgebungstemperatur betriebenen Windsichtung die Faserlängenfraktionen < 2 mm, 2 mm < lp < 50 mm und lp > 50 mm abgeschieden und danach zwecks unterschiedli- eher Verarbeitung/Vermarktung ihrer Weiterverarbeitung mit an sich bekannten Verfahren getrennt und gegebenenfalls verpackt werden.
Dabei kann die Faserlängenfraktion lp < 2 mm nach der Abkühlung bis auf Normaltemperatur von ca. 20 °C gegebenenfalls in einem an sich bekannten Silosystem trocken zwischengela- gert und über ein ebenfalls an sich bekanntes Abfüllsystem mit Auflockerungseinrichtung an ein Silofahrzeug übergeben oder mittels Absackvorrichtung und Verwiegung in luftdicht verschlossenen flexiblen Kunststoffsäcke Verkaufs- und versandbereit gemacht werden. Derartige Fasern können insbesondere beispielhaft wie für Karbonfasern an sich bekannt in einem Matrixmaterial, wie etwa einem Harz, verteilt werden zur Ausbildung von Strukturbauteilen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann bei karboniertem Bambus mit Faserlängen von 2 mm < 1F < 50 mm die flächenhaft auf eine ebene (ggfs. bewegliche)Arbeitsfläche aufgebrachten Fasern nach mechanischer und/oder elektro-statischer Faserausrichtung mit oder ohne anschlie-
ßende Flächenverdichtung zur Herstellung einer faserarmierten flächenbildenden Vergussmasse oder zur Herstellung einer anschließend zu imprägnierenden papier- bis pappeartigen Fasermatrix zum Einsatz kommen. Somit können mit diesen Fasern insbesondere netzartige Gebilde, wie etwa Vliese, etwa zur Einarbeitung in ein Matrixsystem, ausgestaltet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann bei karbonisiertem Bambus mit Faserlängen von lp > 50 - 60 mm die als Wirrfasern vorliegende Fasermasse einem seit langer Zeit bekannten behutsamen Faserausrichtungsprozess (Krempeln) unterzogen werden, so dass ein dabei entstehendes Vlies mechanisch in mehrere Teilbahnen aufgelöst, in der Folge langsam zu Rovings für die Weiterverarbeitung mittels bekanntem Spinnprozess aufgespult und danach je nach Anforderung zu Fäden für eine Weiterverarbeitung zu Technischen Textilien versponnen werden. Somit können derartige Fasern insbesondere einer textilen Verwendung zugeführt werden. Dabei sind die vorstehenden Anwendungen nicht einschränkend zu verstehen, da grundsätzlich sämtliche abgetrennte Bereiche für verschiedene Anwendungen der Textilverarbeitung beziehungsweise zur Herstellung von Kompositmaterialien geeignet sein können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wo- bei die Erfindung nicht auf die nachfolgende Beschreibung begrenzt ist.
Im ersten Ausführungsbeispiel wird der Rohbambus als Hackschnitzel mit Stückgrößen dK ^ 5 cm einer Aufgabegutwäsche zugeführt. Das gewaschene Aufgabegut gelangt in eine der Grobzerfaserung vorgeschaltete mit Nassdampf beaufschlagte Plastifizierung, die beispiels- weise als Durchlaufreaktor ausgebildet sein kann und direkt in den Aufgabebereich der anschließenden Komplexzerfaserung aufgibt. In dieser Prozess-Stufe, die vorzugsweise mit einem modifizierten Extrusionsprinzip oder einem querbeaufschlagten Walzenstuhl aus mindestens 2 gegenläufig rotierenden und getrennt hinsichtlich Anpreßdruck und Drehzahl zu regu-
lierenden Walzen mit jeweils an sich bekannter Maschinenbauart realisiert werden soll, wird durch die Presswirkung der Schnecken bzw. Walzen das aufgegebene feuchte Material auf Temperaturen > 100 °C erwärmt, so dass in den Pflanzenzellen eingelagertes Wasser zu sieden beginnt und durch den Dampfdruckanstieg sowie infolge der durch das Antriebssystem von außen aufgezwungenen Scherwirkung auf das zwischen Schnecken- und Gehäusewand bzw. zwischen den mit unterschiedlicher Drehzahl laufenden Walzen befindliche Material ein Aufschluss entlang der festeren Faserzellwände im Sinne von Freilegung von Fasern und/oder Faserbündeln im Sinne einer Grobzerkleinerung gegebenenfalls mit einer ersten Zerfase- rungsstufe des Bambus erfolgt.
Das vorzerkleinerte Material wird einem unter Luftabschluß arbeitenden senkrechten Reaktionsschacht-System zugeführt, passiert dabei eine oder mehrere horizontale am oberen Schachtende befindliche und mit auf < 150 °C abgekühltem Rauchgas indirekt beheizte Trocknungsflächen, um danach über an sich bekannte Verteilerböden dem Reaktions Schacht aufgegeben zu werden oder noch durch einen Hydraulikschieber unterhalb der Verteilerböden beispielsweise in Anfahrsituationen bis zum Erreichen der Betriebstemperatur im senkrechten Reaktionsschacht zurückgehalten zu werden. Nach dem Aufheizen des für Rauchgasbetriebstemperaturen von < 1.600 °C ausgelegten Reaktorschachtes auf z.B. 1.000 °C wird der Hydraulikschieber geöffnet und das Reaktionsrohr mit getrockneten Hackschnitzeln gefüllt. Dabei wird der kontinuierliche Betrieb durch eine das Rohr abschließende, als Abzugsorgan wirkende Zellradschleuse sichergestellt. Um das Reaktionsrohr herum ist ein Aufheizsystem installiert, das oberhalb der Zellradschleuse beginnt und dem Frischluft mit ca. 20 °C zugeführt wird. Der untere Reaktionsrohrbereich, z.B. auf das untere Drittel beschränkt, dient als Kühlzone und in ihm soll das thermisch zu behandelnde Aufgabegut nach dem Karbonisierungsbe- reich in den oberen zwei Dritteln des Rohres von etwa < 1.400 °C auf < 50 °C abkühlen. Gleichzeitig erwärmt sich die Frischluft durch die hitze- und zunderbeständigen metallischen Rohrwandungen hindurch bis auf werte von > 1.000 °C, bevor am Ende der Kühlzone installierte mit Erdgas beheizte Brenner die aufgeheizte Frischluft weiter bis auf Werte von maxi-
mal etwa 1.600 °C erwärmen und so die Grundlage für das Ingangkommen und thermisch gezielte Ablaufen der Karbonisierung schaffen. Das mit Temperaturen von ca. 150 °C am oberen Ende des Reaktionsrohrheizmantels austretende Rauchgas wird teils den Verteilerböden und teils der Aufgabeguttrocknung zugeführt, danach gefasst und über einen gemeinsa- men Abgaskanal oder -Schornstein entsorgt.
Das karbonisierte Aufgabegut wird danach einer an sich bekannten Zerkleinerungsmaschine z.B. in Gestalt eines trocken beaufschlagten Kollerganges oder einer Wälzmühle zugeführt, darin weiter längenschonend zerfasert und anschließend einem Stromsichter zur Abscheidung unterschiedlicher Partikellängenklassen aufgegeben. Für die Langfasern mit Partikellängen wird eine textiltechnische Weiterverarbeitung mit Spinnen und anschließender Herstellung von großformatigen textilen Flächengebilden für beliebige Belastungs-Situationen vorzusehen sein. Kurzformatige Karbonisierungsprodukte werden analog der bekannten Verwendung solcher Materialien z.B. für Verstärkungsmatten oder zur festigkeitsseitigen Aufwertung z.B. von Thermoplasten für technische Gebrauchsgüter wie Armaturengehäuse u.a.m. vorgesehen.
Entsprechend kann auch eine horizontale beziehungsweise waagerechte Ausgestaltung des Reaktionsschachts vorgesehen sein, etwa mittels eines an sich bekannten temperaturstabilen Förderer, welcher den zu karbonisierenden Bambus mit einer geeigneten Geschwindigkeit durch die unterschiedlichen Temperaturzonen leitet. Von der konstruktiven Seite wird auf eine waagerechte Anordnung des tunnelförmig auszuführenden Reaktionsbereiches orientiert, die technologisch dem gleichen Prinzip folgt wie im ersten Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben. Anstelle der dort sich ergebenden Schwerkraftförderung wird an ein Schwingfördersystem gedacht, bei dem der Reaktor wärmeisoliert auf einem Federanordnung gelagert ist und bei dem durch äußere horizontal wirkende Schwingungsgeber trägheitsbedingt die waagerechte Förderung des behandelten Gutes durch alle Temperaturbereiche hindurch erfolgt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel werden Bedingungen für die Erzielung eines feinteiligen Fertigproduktes mit lp < 1,0 mm besonders berücksichtigt. Dazu sind vor allem ein höherer Plastifizierungsgrad (Dampfdruck 6 bar und Prozesstemperaturen mit ca. 150 °C), eine nachfolgende an sich bekannte Schäleinrichtung für das Abtrennen der faserreichen äußeren 50 Masse- -Schicht von den plastifizierten Aufgabegutstammabschnitten und der Einsatz einer der Schäleinrichtung nachgeschalteten Zerkleinerungsstufe erforderlich, die z.B. eine schnelllaufende Scheibenmühle oder eine weiterzerspanende Schälmaschine sein kann. Die Anordnung eines der Zerkleinerung nachgeschalteten Stromtrockners mit Grobgutabtrennung und dessen Rückführung zur letzten vorgeschalteten Zerkleinerungsmaschine, hier allerdings für \γ > l mm auszulegen, schließt das System ab. Ggf. kann anstelle der Maschinenkombination aus feinzerfasernder Scheibenmühle und nachgeschaltetem Stromtrockner auch eine Wälzmühle mit innerem Stabkorb-Windsichterkreislauf genutzt werden, indem für die behutsame Trocknung des Mahlgutes das an sich bekannte Mahltrocknungsprinzip genutzt wird. Für die Karbonisierung wird vorzugsweise die von den Bambushalmstücken mit einer Länge lges = 1 bis 2 m Länge abgeschälte äußere Schicht eingesetzt. Das aus dem Innenbereich gewonnene feinteiligere Gut lässt sich beispielsweise mittels Stabkorbwindsichter in faserarme und faserreichere Partien trennen, wobei die letztere einem für die thermische Behandlung innerhalb der beschriebenen wärmetechnischen Grenzen ausgelegten an sich bekannten Wir- belschichtapparat mit indirekter Aufheizung durch einen Rauchgasteilstrom aus dem Behandlungsbereich der längeren Fasern zugeführt wird und nach erfolgter zielführender thermischer Behandlung incl. Abkühlung dem für die Gesamtanlage gemäß zweitem Ausführungsbeispiel zu installierenden Windsichter für die karbonisierten Fasern zugeführt werden soll. Nach Erhalt der Karbonfasern können diese, wie oben erwähnt, durch aus dem Textilbereich bekannte Verfahren etwa spinnend weiterverarbeitet werden oder in Matrixsysteme, etwa in geschmolzenem Zustand vorliegendem Kunststoff, eingearbeitet werden zum Erhalt von Kompositmaterial beziehungsweise Strukturbauteilen.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern, insbesondere zum Herstellen eines Kompositwerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass aus Bambus erzeugte insbesondere faser- angereicherte Schäl- und/oder Spaltprodukte unter Luftaus schluss bei Temperaturen in einem Bereich von > 400 bis < 1400 °C thermisch behandelt werden, insbesondere unter Verwendung von Aufheizgeschwindigkeiten und Abkühlgeschwindigkeiten in einem Bereich von < 100°C pro Minute, insbesondere wobei die Prozesstemperaturhaltezeit der Temperatur von > 400°C bis < 1400 °C in einem Bereich von < 1 h liegt, wobei sich die thermische Wärmebe- handlung insbesondere in bis zu drei Temperaturbereiche aufteilt, wobei ein Temperaturbereich eine Trocknungs- und Vorwärmzone in einem Temperaturbereich Tvor von > 20 °C bis < 400 °C umfasst, ein Temperaturbereich eine Reaktionszone in einem Temperaturbereich TReak von > 400 bis < 1400 °C umfasst und ein dritter Temperaturbereich eine Abkühlzone in einem Temperaturbereich von < 400 °C insbesondere bis > 20 °C umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgekühlten Fasern einem Sichtungsprozess, vorzugsweise einem mehrstufig ablaufenden Windsichtungsprozess, zur Aufteilung der aus Bambus hergestellten Kohlenstoff-Fasern in die Faserlängenfraktionen lp < 2 mm, 2 mm < 1F < 50 mm und 1F > 50 mm aufgegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserangereicherten Schäl- und/oder Spaltprodukte vor der thermischen Behandlung einer Vorbehandlung unterzogen werden, wobei die Vorbehandlung ein Zerlegen des Bambusmaterials in insbesondere faserrichtungsoriente Aufgabestücke mit Längen von > 50 - 60 mm umfasst, und/oder wobei die Vorbehandlung umfasst eine Behandlung der Aufgabestücke mit einem Silizierungsrea- genz, insbesondere bei Prozesstemperaturen in einer Temperatur in einem Bereich von < 140 °C, insbesondere mit einer auf einen pH- Wert von ~ 10 eingestellten Silizierungslösung.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäl- und/oder Spaltprodukte eine thermische Trocknung durchlaufen in einem bis < 400 °C arbeitenden Trommelaggregat, wobei das so getrocknete Produkt in die Reaktionszone mit TReak in einem Bereich von > 400 bis < 1400 °C aufgeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlzone mit einer Abwärmeverwertungseinrichtung ausgestattet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den im Hochtemperaturbereich von > 400 bis < 1400 °C ablaufenden Transportprozessen der aufgeheizten Schäl- und/oder Spaltprodukte oder der daraus im Prozessverlauf entstehenden Bruchstücke anfallender nichtfasriger Feinstaub und entstandene Kohlenstoff-Fasern die Faserlängenfraktionen < 2 mm, 2 mm < 1F < 50 mm und 1F > 50 mm abgeschieden werden.
7. Verwendung von Bambus zur Herstellung von Kohlefasern zur Herstellung eines textilen Materials.
8. Verwendung von Bambus zur Herstellung von Kohlefasern zur Herstellung eines faserverstärkten Kompositwerkstoffs.
9. Faserverstärkter Kompositwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff karbonisiertes Bambus, insbesondere karboniserte Bambusfasern, aufweist.
10. Anordnung, ausgestaltet zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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| DE15602C (de) * | 1879-11-04 | 1881-12-30 | Thomas Alva Edison | Neuerungen an elektrischen Lampen |
| EP1486602A1 (de) * | 2002-03-20 | 2004-12-15 | Osaka Gas Company Limited | Carbonfaserfilze sowie wärmeisolierende materialien |
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