WO2016046103A1 - Verwendung eines carbonfaservliesstoffs als isoliermaterial - Google Patents

Verwendung eines carbonfaservliesstoffs als isoliermaterial Download PDF

Info

Publication number
WO2016046103A1
WO2016046103A1 PCT/EP2015/071540 EP2015071540W WO2016046103A1 WO 2016046103 A1 WO2016046103 A1 WO 2016046103A1 EP 2015071540 W EP2015071540 W EP 2015071540W WO 2016046103 A1 WO2016046103 A1 WO 2016046103A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nonwoven fabric
carbon fiber
fiber nonwoven
fibers
insulating material
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/071540
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Valentina Mass
Birger Lange
Ulrich Schneider
Marcel Hofmann
Original Assignee
Carl Freudenberg Kg
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 Carl Freudenberg Kg filed Critical Carl Freudenberg Kg
Priority to EP15781031.8A priority Critical patent/EP3198069B1/de
Publication of WO2016046103A1 publication Critical patent/WO2016046103A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • D04H1/4274—Rags; Fabric scraps
    • 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
    • D04H1/44—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 the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling
    • D04H1/46—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 the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling by needling or like operations to cause entanglement of fibres

Definitions

  • the invention relates to the use of a carbon fiber nonwoven fabric with a high purity as insulating material, for example for the insulation of a high-temperature furnace and / or vacuum furnace.
  • Carbon fiber nonwovens are known in principle and are used for various purposes, for example in the field of fiber-reinforced plastics for the production of components, for the dissipation of static charges and the production of electrical conductivity, as components in energy storage.
  • carbon fiber felts ie needled nonwovens with a needle density of well over 100 stitches / cm 2 .
  • Carbon fiber felts are usually formed by the needling of precursor fibers into a sheet, which is then carbonized and optionally modified with other additives. An important application for carbon fiber felts is thermal insulation.
  • carbon fiber felts are often not sufficiently carbonized, which leads to the fact that the application in the heat exhaust gases and deposits form when the felts are used without pretreatment.
  • carbon fiber felts although already solidified by needling, typically contain binders, resins and / or adhesives, particles or auxiliary fibers. The addition of these aggregates is made necessary by the special manufacturing process for carbon fiber felts in which the needlepunched Precursorvlies, ie precursor felt is carbonized. In the conversion of precursor to carbon fibers, the fibers shrink, creating cavities that must be compacted by additional treatment with various additives. The use of such additives has the disadvantage that they can decompose on heating.
  • a lack of purity of the carbon fiber felts is also disadvantageous because it is accompanied by increased dust release during use. Further, upon heating, thermal degradation products can form that are undesirably deposited or released as exhaust gases.
  • DE 1020 ⁇ 9048422 ⁇ 1 describes a composite comprising at least one layer of soft felt and at least one layer of carbon fiber hard felt, wherein the at least one layer of soft felt is bonded to the at least one layer of carbon fiber hard felt via a binder.
  • DE102010020193A1 describes a cured thermal insulation material with carbon fibers for a high temperature furnace.
  • a manufacturing method comprising the steps of: (a) selecting short carbon fibers, opening the short carbon fibers and needling the carbon fibers to form a web; (b) forming the web by needle punching into a prefabricated body, (c) densifying the prefabricated body obtained in step (b) by chemical vapor deposition and graphitizing to produce a blank of thermal insulating material; (d) placing the blank of thermal insulating material obtained in step (c). The vapor deposition in step (c) consumes foreign particles.
  • the invention was based on the object to provide an insulating material, in particular a thermal insulating material, which is characterized by ease of use and good mechanical and chemical resistance and can also be prepared with a simple process and by a low particle release in use, for example in a high-temperature vacuum and / or protective gas furnace, characterized.
  • This object is achieved according to the invention by the use of a carbon fiber nonwoven fabric which has a proportion of carbon fibers of at least 98% by weight and can be produced by needling carbonized precursor fibers in the stretched state, as insulating material.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is characterized by high purity and advantageously has a proportion of foreign materials of less than 2 wt.% On.
  • foreign materials are materials which are not carbon fibers, for example materials which are usually added to nonwovens, such as additives, binders, auxiliary fibers, polymers, fillers.
  • a carbon fiber is understood as meaning a fiber which consists of at least 92% carbon.
  • Carbon fibers can be obtained by charring fibers from synthetic and natural sources. Preference is given to fibers which have been stretched and carbonized under tension in a single-stage or multi-stage process at temperatures of from 1000 to 2500.degree. As a result, fibers with particularly good strength properties can be obtained.
  • a carbon fiber nonwoven fabric which was produced from carbonized precursor fibers in the stretched state and has a low proportion of foreign materials, can be used excellently as an insulating material. This distinguishes the carbon fiber nonwoven from the previously used felts made by carbonizing precursor fiber felts become.
  • a disadvantage of this production method is that the fibers are not stretched in the carbonization process, which leads to a lower strength of the individual fibers and, consequently, to an increased brittleness of the fibers and an increased release of dust.
  • the carbon fiber nonwoven described here is characterized by high stability and integrity. Due to this, the use of a filler or binder can be dispensed with and the nonwoven fabric can be produced with a very high purity.
  • the high purity of the nonwoven fabric combined with its integrity means that it is particularly sturdy barm. This is particularly advantageous, for example, when used as an insulating material in a high-temperature vacuum and / or protective gas furnace, since only a few particles are emitted, and therefore can be dispensed with a time-consuming and costly thermal pretreatment and the contamination of the treated workpieces can be reduced.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is characterized in that a specimen of the carbon fiber nonwoven fabric submitted at atmospheric pressure, at a temperature of 23 ° C, humidity of 50% with the dimensions of (B * L * H) 100 * 100 * 7 mm when passing through an air stream at a suction pressure of 0.88 bar, measured on the surface of the test specimen, for a period of 30 seconds, a mass loss of less than 1.5% by weight, preferably from 0.01% by weight to 1, 3% by weight, more preferably 0.03% by weight to 0.7% by weight, even more preferably 0.05% by weight to 0.5% by weight, more preferably from 0.08% by weight to 0.3 Weight% shows.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is characterized by a very low dust release during use.
  • the invention thus also encompasses the use of the carbon fiber nonwoven fabric described here as a thermal insulating material, in particular for the insulation of a high-temperature furnace and / or a vacuum furnace.
  • a carbon fiber nonwoven fabric with the high purity according to the invention can be produced in a simple process, and that such a nonwoven fabric also has surprisingly good mechanical properties, such as high fiber integrity Low release of dust, exhaust gases and deposits in use, as well as good drapability is characterized.
  • the carbon fiber nonwoven fabric has very good thermal properties, such as excellent thermal insulation capability.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is excellent as a thermal insulating material, especially for a high-temperature furnace, such as a Hochtemperaturinertgasofen and / or vacuum furnace.
  • the carbon fiber nonwoven fabric has proven to be a thermal insulating material in ovens for growing crystals, since in this area special purity is required. Due to the high purity and thermal stability of the carbon fiber nonwoven undesirable flaws in the crystals can be avoided.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is further distinguished by a particularly homogeneous pore size distribution over the surface.
  • the carbon fiber nonwoven fabric has such a homogeneous pore size distribution over the surface that the deviation of the mean pore diameters of three arbitrarily taken circular samples having a test specimen diameter of 18.5 mm from the mean value of the average pore diameters of the three specimens is 0%. to 15%, more preferably 0% to 10%, even more preferably from 0% to 8%.
  • the average pore diameter is determined by the method Porolux 1000 from IB-FT in accordance with ASTM E 1294-89, with pore filing being used as the wetting liquid.
  • Another advantage of using the carbon fiber nonwoven fabric described above is that due to the use of already carbonized fibers in its manufacture, the shrinking problem discussed above does not occur. This makes it possible to dispense with the use of aggregates for further densification and / or solidification.
  • the carbon fiber nonwoven fabric described here because of its high purity, allows it to be used directly without thermal pretreatment.
  • the nonwoven fabric is also characterized by its easy handling, chemical resistance and a very good high-temperature resistance of up to 600 ° C in the air. In addition, it shows in particular better product properties than known carbon fiber felts containing foreign substances, such as impurities, additives or binders. Due to its good mechanical stability, the carbon fiber nonwoven fabric can be designed both rollable and free-standing. In addition, it was found that the high-purity carbon fiber nonwoven fabric shows excellent flame resistance.
  • the carbon fiber nonwoven fabric according to a preferred embodiment of the invention is used as an insulating material against the propagation of flames.
  • the carbon fiber nonwoven is also characterized by excellent acoustic insulation properties. Particularly good acoustic properties can be obtained if the carbon fiber nonwoven fabric has an average surface weight of 200 g / m 2 to 1000 g / m 2 , measured according to DIN EN 29073-1, preferably from 400 g / m 2 to 800 g / m 2 , still more preferably 600 g / m 2 to 800 g / m 2 .
  • the acoustic properties can be further improved.
  • fibers having a mean fiber diameter of from 2 ⁇ m to 15 ⁇ m, preferably from 2 ⁇ m to 12 ⁇ m, in particular from 2 ⁇ m to 9 ⁇ m has proven to be suitable. Also suitable is the setting of a flow resistance to values of 500 to 1500 Pa * s / m, measured according to DIN EN 29053-A, preferably from 600 to 1200 Pa * s / m, particularly preferably 700-1 100 Pa * s / m proven.
  • the carbon fiber nonwoven fabric Due to its high carbon content, the carbon fiber nonwoven fabric has a high chemical resistance. In combination with the nonwovens inherent very good compressibility and drapability, the carbon fiber nonwoven fabric is thus very well suited as a fluid-tight insulating material, which can be used for example for corrosive media. Another preferred application of the carbon fiber nonwoven fabric is as an insulating material against electromagnetic radiation. Due to its good thermal and acoustic properties and high stability, the carbon fiber nonwoven fabric is also suitable for applications where high demands are placed on the materials, such as aerospace and / or rail transport. According to a preferred embodiment of the invention, the carbon fiber nonwoven fabric has a low content of foreign matters preferably less than 1.
  • a high purity of the carbon fiber nonwoven fabric may be effected, for example, by the carbon fiber nonwoven fabric containing the carbon fibers in a proportion of at least 98% by weight, preferably 98.2% by weight to 100% by weight, more preferably 99% by weight to 100% by weight .% And in particular of about 100 wt.% Contains.
  • the carbon fiber nonwoven fabric has a carbon content of 92% by weight to 100% by weight, more preferably from 95% by weight to 100% by weight, even more preferably from 98% by weight to 100% by weight, and especially from 99% by weight to 100% by weight. According to the invention, therefore, very pure, stretched carbon fibers are used. This is advantageous in that they show a high stability, which has a favorable effect on the integrity of the nonwoven fabric.
  • the average thickness of the carbon fiber nonwoven fabric is adjusted depending on the intended use and is usually in the range from 1 mm to 10 mm, more preferably from 4 mm to 10 mm. The average thickness is tested according to DIN EN ISO 9073-2.
  • the carbon fibers contained in the carbon fiber nonwoven fabric can basically be produced by high-temperature treatment of a wide variety of precursor fibers, for example polyacrylonitrile fibers, cellulose fibers, lignin fibers, pitch-based and / or phenolic resin-based fibers.
  • Suitable fiber raw materials are thus, for example, natural fiber raw materials such as cellulose and / or lignin, pitch-based and / or phenolic resin-based fiber raw materials, provided that they can be used to produce a carbon fiber nonwoven having the high purity according to the invention.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is characterized by a sulfur content of at most 0.5% by weight, more preferably from 0% by weight to 0.1% by weight, even more preferably from 0% by weight to 0.05% by weight .%, More preferably from 0 wt.% To 0.01 wt.%, Each based on the total weight of the carbon fiber nonwoven fabric.
  • sulfur deposits can be avoided when using the carbon fiber nonwoven fabric as a thermal insulating material, for example in high-temperature furnaces, without a previous heating of the insulating material to remove the sulfur content is necessary.
  • carbon fibers As carbon fibers, a variety of fibers can be used, provided they have the required purity. According to the invention, preference is given to carbon fibers which originate from a recycling process, since this reduces the production costs and allows an environmentally friendly product to be obtained.
  • recycled fibers are understood to be finite fibers which are obtained as products in a textile and / or chemical process for processing used carbon fiber-containing materials.
  • the used fibers may be derived from any used carbon fiber-containing material, such as fabrics, knits, knits or knits, mats, filaments, filaments, non-wovens or carbon fiber composites. Recycled fibers which have been obtained from reinforcing fibers are particularly preferred since these fibers are usually distinguished by a high degree of purity and strength.
  • the carbon fibers have a length between 20 mm and 200 mm, more preferably a length between 30 mm and 150 mm, most preferably a length between 50 mm and 100 mm.
  • the carbon fibers may also be present as mixtures of carbon fibers of different lengths.
  • carbon fibers are used which have a specific heat capacity below 0.8 J / gK. As a result, an undesirably high absorption of heat when used in high-temperature furnace can be prevented.
  • carbon fibers are used which have a thermal conductivity of less than 20 W / mK, preferably in the range of 8 W / mK to 20 W / mK.
  • the density of the carbon fibers is usually in the range of 1.76 g / cm 3 to 2.00 g / cm 3 , more preferably 1.76 g / cm 3 to 1.81 g / cm 3 . It has been found that these fibers can be used to produce nonwovens having particularly good integrity.
  • the carbon fiber nonwoven fabric contains carbon fibers which have been produced by high-temperature treatment of polyacrylnitrile fibers (PAN fibers) in the stretched state as precursor fibers.
  • PAN fibers polyacrylnitrile fibers
  • the PAN fibers are usually subjected to a preoxidation step in a first step. Subsequently, the preoxidized PAN fibers are carbonized at the particular desired temperature under train.
  • the carbonization temperatures are usually in the range from 1000 ° C to 2500 ° C. It has been found that at temperatures above 1000 ° C, sufficient carbonation of the preoxidized PAN fiber can already be achieved. In the range above about 1800 ° C also graphitization processes can take place. These processes should also be encompassed within the meaning of the invention by the term carbonization.
  • the carbon content increases, for example, from about 67% by weight in the treatment at temperatures of below 1000 ° C. to about 99% by weight in the treatment at temperatures of more than 2000 ° C.
  • PAN fibers are used, which have been treated with a maximum temperature in the range of 1000 ° C to 1750 ° C.
  • the carbon fiber nonwoven fabric preferably contains more than 50% by weight, more preferably from 60% by weight to 100% by weight, even more preferably from 70% by weight to 100% by weight, more preferably from 80% by weight to 100% by weight. , and in particular from 90% to 100% by weight of carbon fibers produced by high temperature treatment of PAN fibers.
  • the insulating material consists essentially entirely of carbon fibers made by high temperature treatment of PAN fibers.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is further characterized by a low thermal conductivity of at most 0.1 W / mK, for example, from 0.01 W / mK to 0.1 W / mK, or from 0.02 W / mK to 0.09 W / mK , or from 0.03 W / mK to 0.08 W / mK at room temperature of 23 ° C and air measured in accordance with DIN standard 52 612, with the following differences: The investigation was carried out in an air-conditioned room at 23 ° C and 50% humidity, the sample was previously stored for 24 hours in this room, the heating plates have a dimension of 80 * 80 mm, the investigation was carried out in a two-plate process.
  • a low thermal conductivity is advantageous for the use according to the invention in the high-temperature furnace, since unwanted heat losses can be avoided.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can be brought into the desired shape depending on the desired field of use.
  • the carbon fiber nonwoven fabric may be formed as a plate or cladding such as a hollow cladding.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can be used as a single layer, as a multilayer and / or in combination with other layers.
  • the carbon fiber nonwoven fabric is used as a composite of a plurality of carbon fiber nonwoven fabric layers.
  • the number of layers can be selected according to the desired insulating properties.
  • the individual layers can also be arranged loosely on each other or joined together, for example by sewing.
  • the use of the carbon fiber nonwoven fabric in combination with other layers for example as a laminate with heat-reflecting metal foils. It is also conceivable that the metallic layers are applied by vapor deposition.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can also be equipped with adhesive compositions and / or with pressure-sensitive adhesives, so-called Pressure Sensitive Adhesives or PSA, to simplify the processing.
  • the solidification steps of the nonwoven fabric to nonwoven fabric without Exposure of foreign substances, for example, without binders and binder fibers, are performed.
  • the needling has proven to be advantageous in practical experiments, as this nonwoven fabrics can be obtained with a relatively large pore volume.
  • a large pore volume is particularly advantageous in view of the preferred use of the nonwoven fabric as a thermal insulating material.
  • the total pore volume is calculated using the thickness measured according to DIN EN ISO 9073-2.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can be produced, for example, by a process comprising the following steps: a) providing carbon fibers in a proportion of at least 98% by weight, which have been prepared by carbonizing precursor fibers in the stretched state and which have a carbon content of more than 92% by weight .% exhibit;
  • the nonwoven fabric for example its porosity, stiffness, thickness and / or basis weight. Furthermore, a very uniform product can be obtained.
  • the carbon fibers are carded before being deposited into a nonwoven web.
  • the carbon fiber nonwoven fabric can be produced by the aerodynamic nonwoven formation, which can be processed into carbon fiber nonwoven fabric.
  • EXAMPLE 1 Production of a Carbon Fiber Nonwoven Fabric
  • the starting material used is the extracted edge portions (so-called hoover waste) produced during the carbon clay production.
  • the fibers used were carbonized in the stretched state and have a length distribution of 50 mm to 100 mm.
  • the fibers are formed into a web formation process to the web and then needled.
  • the needled product has an average basis weight of 400 g / m 2 and an average thickness of about 4 mm.
  • Example 2 Preparation of a carbon fiber nonwoven fabric
  • the starting material described in Example 1 is formed by a web-forming process and subsequent needling to a slightly needled semi-finished product.
  • the second step a doubling of the semi-finished products and another needling takes place.
  • the product obtained in this case has an average basis weight of 800 g / m 2 and an average thickness of about 7 mm.
  • Example 3 Determination of Relevant Properties of the Carbon Fiber Nonwoven Fabric with Respect to its Use as a Thermal Insulating Material
  • the carbon fiber nonwoven fabric produced in Example 2 was subjected to the following tests, which confirm its suitability as an insulating material, in particular as a thermal insulating material:
  • the determination of the thermal conductivity was carried out under air in an air-conditioned room with 50% humidity and room temperature of 23 ° C.
  • the specific thermal conductivity is 0.06 W / mK. Materials with such low thermal conductivity are suitable as insulation materials. manageability
  • the carbon fiber nonwoven fabric is very easy to cut or stamp, with little dust development can be observed. Therefore, the carbon fiber nonwoven meets the handling requirements set in the field of thermal insulation.
  • the carbon fiber nonwoven fabric was evaluated for its area shrinkage. For this 100 * 100 mm pieces were punched out and measured with a ruler (accuracy ⁇ 1 mm). The height and width of the pieces were each 100 mm. These pieces of carbon fiber nonwoven fabric were stored at 1950 ° C for one hour under argon. After the cooling process, the samples were removed from the oven and repeatedly measured with the ruler. The height and width of the pieces were each 100 mm. No shrinkage could be detected.
  • An advantage of non-shrinking materials is that when used as insulation material in the oven, the formation of non-isolated areas can be avoided. This is advantageous because non-isolated areas not only reduce the insulating effect of the material, but can also lead to malfunction of the furnace.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs mit einem Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.%, herstellbar durch Vernadeln von im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern, als Isoliermaterial.

Description

Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs als Isoliermaterial
Beschreibung
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs mit einer hohen Reinheit als Isoliermaterial, beispielsweise für die Isolation eines Hochtemperaturofens und/oder Vakuumofens. Carbonfaservliesstoffe sind grundsätzlich bekannt und werden für die unterschiedlichsten Zwecke, beispielsweise im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe zur Herstellung von Bauteilen, für die Ableitung statischer Aufladungen und die Herstellung elektrischer Leitfähigkeit, als Komponenten in Energiespeichern eingesetzt. Ebenfalls bekannt sind Carbonfaserfilze, d.h. genadelte Vliese mit einer Nadeldichte von deutlich mehr als 100 Stiche/cm2. Carbonfaserfilze werden üblicherweise durch die Vernadelung von Precursorfasern zu einem Flächengebilde geformt, welches anschließend carbonisiert und gegebenenfalls mit anderen Zuschlagstoffen modifiziert wird. Ein wichtiges Einsatzgebiet für Carbonfaserfilze ist die thermische Isolierung.
Nachteilig an vielen Carbonfaserfilzen ist, dass diese oftmals nicht ausreichend carbonisiert sind, was dazu führt, dass sich durch die Anwendung in der Hitze Abgase und Ablagerungen bilden, wenn die Filze ohne Vorbehandlung eingesetzt werden. Dazu kommt, dass Carbonfaserfilze, obwohl sie durch Nadeln bereits verfestigt wurden, in der Regel Bindemittel, Harze und/oder Klebstoffe, Partikel oder Hilfsfasern enthalten. Die Zugabe dieser Zuschlagstoffe wird durch das spezielle Herstellungsverfahren für Carbonfaserfilze notwendig gemacht, bei dem das genadelte Precursorvlies, d.h. Precursorfilz, carbonisiert wird. Bei der Umwandlung von Precursor- zu Carbonfasern schrumpfen die Fasern, wodurch Hohlräume entstehen, die durch zusätzliche Behandlung mit diversen Zuschlagstoffen verdichtet werden müssen. Die Verwendung solcher Zuschlagstoffe hat den Nachteil, dass sich diese beim Erhitzen zersetzen können.
Eine mangelnde Reinheit der Carbonfaserfilze ist ferner deshalb nachteilig, weil mit ihr eine erhöhte Staubfreisetzung bei der Verwendung einhergeht. Ferner können sich beim Erhitzen thermische Abbauprodukte bilden, die in unerwünschter Weise abgelagert oder als Abgase freigesetzt werden.
Die DE 1020Ό9048422Α1 beschreibt einen Verbundwerkstoff umfassend wenigstens eine Schicht aus -Weichfilz und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz, wobei die wenigstens eine Schicht aus -Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden ist.
Wie oben diskutiert, ist die Verwendung des Bindemittels nachteilig, da es sich beim Erhitzen zersetzen kann. Die DE102010020193A1 beschreibt ein ausgehärtetes thermisches Isoliermaterial mit Carbonfasern für einen Hochtemperaturofen. Zur Herstellung des Materials wird ein Herstellungsverfahren mit folgenden Schritten beschrieben: (a) Auswählen von kurzen Carbonfasern, Öffnen der kurzen Carbonfasern und Vornadeln der Carbonfasern zum Bilden eines Webs; (b) Formen des Webs durch Nadel-Stoßen zu einem vorfabrizierten Körper, (c) Verdichten des vorfabrizierten Körpers, der in Schritt (b) erhalten wird, durch chemische Aufdampfung und Graphitisieren zum Erzeugen eines Rohlings aus thermischem Isoliermaterial; (d) Platzieren des Rohlings aus thermischem Isoliermaterial, der in Schritt (c) erhalten wird. Durch die Aufdampfung im Schritt (c) werden Fremdpartikel eingebraucht. Dies ist nachteilig, da wie oben diskutiert, diese Partikel beispielsweise beim Einsatz in einem Hochtemperaturvakuum emittiert werden können. Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde ein Isoliermaterial, insbesondere ein thermisches Isoliermaterial, bereitzustellen, welches sich durch einfache Handhabung und eine gute mechanische und chemische Beständigkeit auszeichnet und das zudem mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann und sich durch eine geringe Partikelfreisetzung im Einsatz, beispielsweise in einem Hochtemperaturvakuum- und/oder Schutzgasofen, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäli gelöst durch die Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs, der einen Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.% aufweist und durch Vernadeln von im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern hergestellt werden kann, als Isoliermaterial.
Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich durch hohe Reinheit aus und weist vorteilhafter Weise einen Anteil an Fremdmaterialien von weniger als 2 Gew.% auf.
Dabei sind unter Fremdmaterialien erfindungsgemäß Materialien zu verstehen, die keine Carbonfasern sind, beispielsweise Materialien, die Vliesstoffen üblicherweise zugesetzt werden, wie Additive, Binder, Hilfsfasern, Polymere, Füllstoffe.
Unter einer Carbonfaser wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Faser verstanden, welche zu wenigstens 92% aus Kohlenstoff besteht. Carbonfasern können durch Verkohlung von Fasern aus synthetischen und natürlichen Quellen erhalten werden. Bevorzugt werden Fasern, die unter Zug in einem ein- oder mehrstufigen Prozess bei Temperaturen von 1.000 bis 2.500 °C verstreckt und carbonisiert wurden. Hierdurch können Fasern mit besonders guten Festigkeitseigenschaften erhalten werden.
Überraschend wurde festgestellt, dass ein Carbonfaservliesstoff, der aus im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern hergestellt wurde und der einen geringen Anteil an Fremdmaterialien aufweist, hervorragend als Isolationsmaterial eingesetzt werden kann. Dies unterscheidet den Carbonfaservliesstoff von den bisher verwendeten Filzen, die durch Carbonisieren von Precursorfaserfilzen hergestellt werden. Nachteilig an diesem Herstellungsverfahren ist, dass die Fasern im Carbonisierprozess nicht verstreckt werden, was zu einer geringeren Festigkeit der einzelnen Fasern und damit einhergehend zu einer erhöhten Brüchigkeit der Fasern und einer erhöhten Staubfreisetzung führt. Der hier beschriebene Carbonfaservliesstoff zeichnet sich dagegen durch eine hohe Stabilität und Integrität aus. Aufgrund dessen kann auf die Verwendung eines Füllstoffes oder Bindemittels verzichtet werden und der Vliesstoff mit einer sehr hohen Reinheit hergestellt werden. Die hohe Reinheit des Vliesstoffes in Verbindung mit seiner Integrität führt dazu, dass er besonders stau barm ist. Dies ist besonders vorteilhaft beispielsweise beim Einsatz als Isoliermaterial in einem Hochtemperaturvakuum und/oder Schutzgasofen, da hier nur wenige Partikel emittiert werden, und mithin auf eine zeit- und kostenintensive thermische Vorbehandlung verzichtet werden kann bzw. die Verunreinigung der behandelten Werkstücke verringert werden kann. Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung ist der Carbonfaservliesstoff dadurch gekennzeichnet, dass ein Probekörper des Carbonfaservliesstoffs vorgelegt bei Normaldruck, bei einer Temperatur von 23°C, Luftfeuchtigkeit von 50% mit den Abmessungen von (B*L*H) 100*100*7 mm beim Durchströmen mit einem Luftstrom bei einem Ansaugdruck von 0,88 bar, gemessen auf der Oberfläche des Probekörpers, für eine Dauer von 30 sek einen Masseverlust von weniger als 1,5 Gew.%, vorzugsweise von 0,01 Gew.% bis 1 ,3 Gew.%, noch bevorzugter 0,03 Gew.% bis 0,7 Gew.%, noch bevorzugter 0,05 Gew.% bis 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0,08 Gew.% bis 0,3 Gew.% zeigt. Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich mithin durch eine äußerst geringe Staubfreisetzung beim Einsatz aus.
Die Erfindung umfasst somit auch die Verwendung des hier beschriebenen Carbonfaservliesstoffs als thermisches Isoliermaterial, insbesondere für die Isolation eines Hochtemperaturofens und/oder Vakuumofens. Im Rahmen von praktischen Versuchen wurde gefunden, dass ein Carbonfaservliesstoff mit der erfindungsgemäßen hohen Reinheit in einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann, und dass sich ein solcher Vliesstoff zudem durch überraschend gute mechanische Eigenschaften, wie eine hohe Faserintegrität, eine geringe Freisetzung von Staub, Abgasen und Ablagerungen im Einsatz, sowie eine gute Drapierbarkeit auszeichnet. Darüber hinaus weist der Carbonfaservliesstoff sehr gute thermische Eigenschaften, wie eine hervorragende thermische Isolationsfähigkeit, auf. Somit eignet sich der Carbonfaservliesstoff hervorragend als thermisches Isoliermaterial insbesondere für einen Hochtemperaturofen, wie beispielsweise einen Hochtemperaturinertgasofen und/oder Vakuumofen.
Als ebenfalls hervorragend geeignet hat sich der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isoliermaterial in Öfen zur Züchtung von Kristallen erwiesen, da in diesem Bereich besondere Reinheit erforderlich ist. Aufgrund der hohen Reinheit und thermischen Stabilität des Carbonfaservliesstoffs können unerwünschte Fehlstellen in den Kristallen vermieden werden.
Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich ferner durch eine besonders homogene Porengrößenverteilung über die Fläche aus. So weist der Carbonfaservliesstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine derart homogene Porengrößenverteilung über die Fläche auf, dass die Abweichung der mittleren Porendurchmesser von drei willkürlich genommenen kreisförmigen Proben mit einem Prüfkörperdurchmesser von 18,5 mm von dem Mittelwert der mittleren Porendurchmesser der drei Proben 0% bis 15% beträgt, besonders bevorzugt 0% bis 10%, noch bevorzugter von 0% bis 8%. Erfindungsgemäß wird der mittlere Porendurchmesser mit der Methode Porolux 1000 der Firma IB-FT nach ASTM E 1294-89 bestimmt, wobei Porefil als Benetzungsflüssigkeit benutzt wurde. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des oben beschriebenen Carbonfaservliesstoffs ist, dass aufgrund des Einsatzes von bereits carbonisierten Fasern bei seiner Herstellung das oben diskutierte Problem des Schrumpfens nicht auftritt. Dies ermöglicht es auf den Einsatz von Zuschlagstoffen zur weiteren Verdichtung und/oder Verfestigung zu verzichten.
Der hier beschriebene Carbonfaservliesstoff ermöglicht es aufgrund seiner hohen Reinheit, dass er direkt, ohne thermische Vorbehandlung, eingesetzt werden kann. Der Vliesstoff zeichnet sich darüber hinaus durch eine einfache Handhabung, chemische Beständigkeit sowie eine sehr gute Hochtemperaturbeständigkeit von bis zu 600°C in der Luft aus. Darüber hinaus zeigt er insbesondere bessere Produkteigenschaften als bekannte Carbonfaserfilze, die Fremdstoffe, wie Verunreinigungen, Additive oder Binder enthalten. Aufgrund seiner guten mechanischen Stabilität kann der Carbonfaservliesstoff sowohl rollbar als auch freistehend ausgestaltet sein. Zudem wurde gefunden, dass der hochreine Carbonfaservliesstoff eine hervorragende Flammmfestigkeit zeigt. Somit wird der Carbonfaservliesstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Isoliermaterial gegen die Ausbreitung von Flammen eingesetzt. Darüber hinaus wurde gefunden, dass der Carbonfaservliesstoff sich zudem durch hervorragende akustische Isolationseigenschaften auszeichnet. Besonders gute akustische Eigenschaften können erhalten werden, wenn der Carbonfaservliesstoff ein mittleres Flächengewicht von 200 g/m2 bis 1000 g/m2, gemessen nach DIN EN 29073- 1 , vorzugsweise von 400 g/m2 bis 800 g/m2, noch bevorzugter 600 g/m2 bis 800 g/m2 aufweist. Durch eine Erhöhung der Faserfeinheit und/oder die Optimierung des Strömungswiderstandes können die akustischen Eigenschaften weiter verbessert werden. Vor diesem Hintergrund hat sich die Verwendung von Fasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von 2 μιτι bis 15 [im, vorzugsweise von 2 μιη bis 12 [im, insbesondere von 2 [im bis 9 [im als geeignet erwiesen. Als geeignet hat sich ferner die Einstellung eines Strömungswiderstandes auf Werte von 500 bis 1500 Pa*s/m, gemessen nach DIN EN 29053-A, vorzugsweise von 600 bis 1200 Pa*s/m, besonders bevorzugt 700-1 100 Pa*s/m erwiesen.
Aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts weist der Carbonfaservliesstoff eine hohe chemische Beständigkeit auf. In Kombination mit der Vliesstoffen inhärenten sehr guten Kompressibilität und Drapierbarkeit eignet sich der Carbonfaservliesstoff somit sehr gut als fluiddichtendes Isoliermaterial, das beispielsweise auch für korrosive Medien eingesetzt werden kann. Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet des Carbonfaservliesstoffs ist als Isoliermaterial gegen elektromagnetische Strahlung. Aufgrund seiner guten thermischen und akustischen Eigenschaften und hohen Stabilität eignet sich der Carbonfaservliesstoff zudem für Einsatzgebiete bei denen hohe Anforderungen an die Materialien gestellt werden, wie beispielsweise Luft-, Raumfahrt und/oder Schienentransport. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Carbonfaservliesstoff einen geringen Gehalt an Fremdmaterialien bevorzugt von weniger als 1 ,8 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 1 ,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 1 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,3 Gew.%, und insbesondere von etwa 0 Gew.% auf.
Eine hohe Reinheit des Carbonfaservliesstoffs kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der Carbonfaservliesstoff die Carbonfasern in einem Anteil von mindestens 98 Gew.%, vorzugsweise von 98,2 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 99 Gew.% bis 100 Gew.% und insbesondere von etwa 100 Gew.% enthält.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Carbonfaservliesstoff einen Kohlenstoffgehalt von 92 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 95 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 98 Gew.% bis 100 Gew.% und insbesondere von 99 Gew.% bis 100 Gew.% auf. Erfindungsgemäß werden somit sehr reine, verstreckte Carbonfasern eingesetzt. Hieran ist vorteilhaft, dass diese eine hohe Stabilität zeigen, was sich günstig auf die Integrität des Vliesstoffs auswirkt.
Die mittlere Dicke des Carbonfaservliesstoffs wird in Abhängigkeit von dem gewünschten Verwendungszeck eingestellt und bewegt sich üblicherweise im Bereich von 1 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 4 mm bis 10 mm. Die mittlere Dicke wird nach DIN EN ISO 9073-2 geprüft.
Die im Carbonfaservliesstoff enthaltenen Carbonfasern können grundsätzlich durch Hochtemperaturbehandlung der verschiedensten Precursorfasern, beispielsweise Polyacrylnitrilfasern, Cellulosefasern, Ligninfasern, pechbasierten und/oder phenolharzbasierten Fasern hergestellt werden. Geignete Faserrohmaterialien sind somit beispielsweise natürliche Faserrohmaterialien wie Cellulose und/oder Lignin, pechbasierte und/oder phenolharzbasierte Faserrohmaterialien, sofern aus ihnen ein Carbonfaservlies mit der erfindungsgemäßen hohen Reinheit hergestellt werden kann.
Vorteilhafterweise werden Faserrohmaterialien eingesetzt, die es ermöglichen Carbonfasern mit einem geringen Schwefelgehalt herzustellen. Somit ist der Carbonfaservliesstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gekennzeichnet durch einen Schwefelgehalt von höchstens 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,1 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,05 Gew.%, noch bevorzugter von 0 Gew.% bis 0,01 Gew.%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Carbonfaservliesstoffs. Hierdurch können Schwefelablagerungen beim Einsatz des Carbonfaservliesstoffs als thermisches Isoliermaterial beispielsweise in Hochtemperaturöfen vermieden werden, ohne dass ein vorheriges Ausheizen des Isoliermaterials zur Entfernung des Schwefelanteils notwendig ist.
Als Carbonfasern können die verschiedensten Fasern eingesetzt werden, sofern sie die erforderliche Reinheit aufweisen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Carbonfasern die einem Recyclingprozess entstammen, da hierdurch die Herstellungskosten reduziert und ein umweltfreundliches Produkt erhalten werden kann. Unter Recyclingfasern werden im Sinne der vorliegenden Erfindung endliche Fasern verstanden, die als Produkte in einem textilen und/oder chemischen Prozess zur Aufarbeitung von gebrauchten carbonfaserhaltigen Materialien enstehen. Die gebrauchten Fasern können dabei aus jedem beliebigen gebrauchten carbonfaserhaltigen Material stammen, wie beispielsweise aus Geweben, aus Maschenware, wie Gestricken oder Gewirken, aus Gelegen, aus Fasermatten, aus Filamentsträngen, aus Filzen, aus Vliesen oder aus Carbonfaserverbundwerkstoffen. Besonders bevorzugt sind dabei Recyclingfasern, die aus Verstärkungsfasem gewonnen wurden, da diese Fasern sich üblicherweise durch eine hohe Reinheit und Festigkeit auszeichnen. Vorzugsweise weisen die Carbonfasern eine Länge zwischen 20 mm und 200 mm, besonders bevorzugt eine Länge zwischen 30 mm und 150 mm, ganz besonders bevorzugt eine Länge zwischen 50 mm und 100 mm auf. Die Carbonfasern können auch als Mischungen von Carbonfasern unterschiedlicher Länge vorliegen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Carbonfasern eingesetzt, die eine spezifische Wärmekapazität unterhalb von 0,8 J/gK haben. Hierdurch kann eine unerwünscht hohe Aufnahme von Wärme beim Einsatz im Hochtemperaturofen verhindert werden. Weiter vorteilhaft werden Carbonfasern eingesetzt, die eine thermische Leitfähigkeit von unterhalb von 20 W/mK, bevorzugterweise im Bereich von 8 W/mK bis 20 W/mK aufweisen. Hierdurch kann eine unerwünscht hohe Ableitung von Wärme beim Einsatz im Hochtemperaturofen verhindert werden. Die Dichte der Carbonfasern liegt üblicherweise im Bereich von 1 ,76 g/cm3 bis 2,00 g/cm3, besonders bevorzugt 1 ,76 g/cm3 bis 1 ,81 g/cm3. Es wurde gefunden, dass mit diesen Fasern Vliesstoffe mit einer besonders guten Integrität hergestellt werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Carbonfaservliesstoff Carbonfasern, die durch Hochtemperaturbehandlung von im verstreckten Zustand vorliegenden Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern) als Precursorfasem hergestellt wurden. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der PAN basierten Carbonfaser hängt im Wesentlichen von der Höchsttemperatur ab, mit der die Faser behandelt wurde. Bei der Herstellung werden die PAN-Fasern in einem ersten Schritt üblicherweise einem Preoxidierungsschritt unterworfen. Anschließend werden die preoxidierten PAN-Fasern bei der jeweils gewünschten Temperatur unter Zug carbonisiert. Die Carbonisierungstemperaturen liegen üblicherweise im Bereich von 1000°C bis 2500°C. Es wurde gefunden, dass bei Temperaturen oberhalb von 1000°C bereits eine ausreichende Carbonisierung der preoxidierten PAN-Faser erzielt werden kann. Im Bereich oberhalb von etwa 1800°C können auch Graphitisierungsvorgänge stattfinden. Diese Vorgänge sollen im Sinne der Erfindung ebenfalls durch den Begriff Carbonisierung umfasst werden. Der Kohlenstoffanteil steigt z.B. von ca. 67 Gew.% bei der Behandlung bei Temperaturen von unter 1000°C auf etwa 99 Gew.% bei der Behandlung bei Temperaturen von über 2000°C. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden PAN-Fasern eingesetzt, die mit einer Höchsttemperatur im Bereich von 1000°C bis 1750°C behandelt wurden.
Vorteilhaft an der Verwendung von PAN-Fasern als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Carbonfasern ist, dass die dadurch erhaltenen Fasern im Wesentlichen schwefelfrei sind, sowie hervorragende Festigkeitswerte zeigen. Die vorgenannten Effekte sind umso höher je höher der Anteil an PAN-Fasern im Ausgangsmaterial für die Herstellung der Carbonfasern ist. Somit enthält der Carbonfaservliesstoff vorzugsweise mehr als 50 Gew.%, noch bevorzugter von 60 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 70 Gew.% bis 100 Gew.%, noch bevorzugter von 80 Gew.% bis 100 Gew.%, und insbesondere von 90 Gew.% bis 100 Gew.% Carbonfasern, die durch Hochtemperaturbehandlung von PAN-Fasern hergestellt wurden. Besonders bevorzugt besteht das Isoliermaterial im Wesentlichen vollständig aus Carbonfasern, die durch Hochtemperaturbehandlung von PAN-Fasern hergestellt wurden. Zur Erhöhung der Stabilität von Vliesstoffen ist es üblich verdrehte oder gekräuselte Fasern einzusetzen. Erfindungsgemäß wurde jedoch gefunden, dass es möglich ist, gestreckte, das heißt gerade, Fasern als Carbonfasern einzusetzen und dennoch einen Carbonfaservliesstoff mit einer guten mechanischen Stabilität zu erhalten. Somit ist es erfindungsgemäß nicht notwendig verdrehte oder gekräuselte Fasern, deren Herstellung mit einem zusätzlichen Verfahren verbunden ist, einzusetzen um die erwünschte mechanische Stabilität zu erreichen. Der Carbonfaservliesstoff zeichnet sich femer durch eine niedrige thermische Leitfähigkeit von höchstens 0,1 W/mK, beispielsweise von 0,01 W/mK bis 0,1 W/mK, oder von 0,02 W/mK bis 0,09 W/mK, oder von 0,03 W/mK bis 0,08 W/mK bei Raumtemperatur von 23 °C und Luft gemessen in Anlehnung an DIN-Norm 52 612, mit folgenden Unterschieden: Die Untersuchung erfolgte in einem klimatisierten Raum bei 23°C und 50% Luftfeuchtigkeit, die Probe wurde vorher 24 Stunden in diesem Raum gelagert, die Heizplatten haben eine Abmessung von 80*80 mm, die Untersuchung erfolgte in einem Zweiplattenverfahren. Eine niedrige thermische Leitfähigkeit ist für die erfindungsgemäße Verwendung im Hochtemperaturofen von Vorteil, da unerwünschte Wärmeverluste vermieden werden können.
Der Carbonfaservliesstoff kann in Abhängigkeit von dem erwünschten Einsatzgebiet in die jeweils gewünschte Form gebracht werden. Wenn der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isolationsmaterial verwendet wird, kann er als Platte oder Mantel, beispielsweise Hohlmantel, geformt sein.
Der Carbonfaservliesstoff kann einschichtig, mehrschichtig und/oder in Kombination mit weiteren Schichten eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Carbonfaservliesstoff als Verbund aus mehreren Carbonfaservliesstoffschichten eingesetzt. Die Anzahl der Schichten kann nach den gewünschten Isoliereigenschaften ausgewählt werden. Die einzelnene Schichten können ferner lose auf einander angeordnet oder beispielsweise durch Vernähen miteinander verbunden werden. Denkbar ist auch die Verwendung des Carbonfaservliesstoffs in Kombination mit anderen Schichten, beispielsweise als Laminat mit wärmereflektierende Metallfolien. Denkbar ist auch, dass die metallischen Schichten durch Bedampfung aufgebracht werden.
Der Carbonfaservliesstoff kann zur Vereinfachung der Verarbeitung auch mit Haftmassen und/oder mit drucksensitiven Klebstoffen, sogenannten Pressure Sensitve Adhesives oder PSA, ausgerüstet werden.
Um die erfindungsgemäße hohe Reinheit des Carbonfaservliesstoffs zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn die Verfestigungsschritte des Vlieses zum Vliesstoff ohne Einwirkung von Fremdsubstanzen, beispielsweise ohne Bindemittel und Bindefasern, durchgeführt werden. Als besonders geeignet hat sich vor diesem Hintergrund erwiesen, das Carbonfaservlies zum Vliesstoff zu vernadeln. Die Vernadelung hat sich in praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch Vliestoffe mit einem verhältnismäßig großen Porenvolumen erhalten werden können. Ein großes Porenvolumen ist insbesondere im Hinblick auf die bevorzugte Vewendung des Vliesstoffs als thermisches Isoliermaterial von Vorteil. Als besonders günstig hat sich in diesem Zusammenhang die Einstellung des Gesamtporenvolumens auf Werte von 89 Vol.% bis 98 Vol.%, vorzugsweise von 91 Vol.% bis 96 Vol.%, insbesondere von 93 Vol.% bis 95 Vol.% erwiesen. Dabei wird das Gesamtporenvolumen unter Verwendung der nach DIN EN ISO 9073-2 gemessenen Dicke berechnet.
Der Carbonfaservliesstoff kann beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt werden, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen von Carbonfasern in einem Anteil von mindestens 98 Gew.%, die durch Carbonisieren von Precursorfasern im verstreckten Zustand hergestellt wurden und die einen Gehalt an Kohlenstoff von mehr als 92 Gew.% aufweisen;
b) Ablegen der Carbonfasern zu einem Vlies;
c) Vernadeln des Vlieses zu einem Vliesstoff.
Dieses Verfahren erlaubt es auf eine einfache und wirtschaftliche Art die gewünschten Eigenschaften des Vliesstoffs, beispielsweise seine Porosität, Steifigkeit, Dicke und/oder Flächengewicht einzustellen. Femer kann ein sehr einheitliches Produkt erhalten werden. Vorzugsweise werden die Carbonfasern, bevor sie zu einem Vlies abgelegt werden, kardiert.
Ferner kann das Carbonfaservlies durch die aerodynamische Vliesbildung erzeugt werden, welches zum Carbonfaservliesstoff verarbeitet werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Beispiele näher erläutert. Beispiel 1 : Herstellung eines Carbonfaservliesstoffs Als Ausgangsmaterial werden die bei der Carbongelegeherstellung anfallenden abgesaugten Rand abschnitte (sogenanntes hoover waste) eingesetzt. Die eingesetzten Fasern wurden im verstreckten Zustand carbonisiert und weisen eine Längenverteilung von 50mm bis 100 mm auf. Die Fasern werden in einem Vliesbildungsprozess zum Vlies gebildet und anschließend vernadelt. Das genadelte Produkt weist ein mittleres Flächengewicht von 400 g/m2 und eine mittlere Dicke von ca. 4 mm auf.
Beispiel 2: Herstellung eines Carbonfaservliesstoffs
Im ersten Schritt wird das im Beispiel 1 beschriebene Ausgangsmaterial durch einen Vliesbildungsprozess und anschließende Vernadelung zu einem leicht vernadelten Halbzeug geformt. Im zweiten Schritt erfolgt eine Doublierung der Halbzeuge und eine weitere Vernadelung. Das hierbei erhaltene Produkt weist ein mittleres Flächengewicht von 800 g/m2 und eine mittlere Dicke von ca. 7 mm auf.
Beispiel 3: Bestimmen relevanter Eigenschaften des Carbonfaservliesstoffs im Hinblick auf seinen Einsatz als thermisches Isolationsmaterial Der in Beispiel 2 hergestellte Carbonfaservliesstoff wurde folgenden Tests unterzogen, die seine Eignung als Isolationsmaterial, insbesondere als thermisches Isolationsmaterial, bestätigen:
Thermische Leitfähigkeit
Die Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit erfolgte unter Luft in einem klimatisierten Raum mit 50% Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur von 23°C. Die bestimmte thermische Leitfähigkeit beträgt 0,06 W/mK. Materialien mit einer solch geringen thermischen Leitfähigkeit eignen sich als Isolationsmaterialien. Handhabbarkeit
Der Carbonfaservliesstoff ist sehr gut schneidbar oder stanzbar, wobei kaum Staubentwicklung beobachtet werden kann. Daher erfüllt der Carbonfaservliesstoff die Anforderungen an die Handhabung, die im Bereich der thermischen Isolation gestellt werden.
Flächenschrumpf
Der Carbonfaservliesstoff wurde auf seinen Flächenschrumpf beurteilt. Hierzu wurden 100*100 mm Stücke ausgestanzt und mit einem Lineal nachgemessen (Genauigkeit ±1 mm). Die Höhe und Breite der Stücke betrugen jeweils 100 mm. Diese Stücke des Carbonfaservliesstoffs wurden bei 1950°C eine Stunde unter Argon gelagert. Nach dem Abkühiprozess wurden die Proben aus dem Ofen entnommen und wiederholt mit dem Lineal nachgemessen. Die Höhe und Breite der Stücke betrug jeweils 100 mm. Dabei konnte kein Schrumpf festgestellt werden. Vorteilhaft an nicht schrumpfenden Materialien ist, dass bei der Verwendung als Isolationsmaterial im Ofen die Entstehung nicht isolierter Bereiche vermieden werden kann. Dies ist vorteilhaft, da nicht isolierte Bereiche nicht nur die isolierende Wirkung des Materials herabsetzen, sondern auch zur Funktionsstörungen des Ofens führen können.

Claims

Patentansprüche
Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs mit einem Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.% als Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff durch Vernadeln von im verstreckten Zustand carbonisierten Precursorfasern herstellbar ist.
Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Probekörper des Carbonfaservliesstoffs vorgelegt bei Normaldruck, bei einer Temperatur von 23°C, Luftfeuchtigkeit von 50% mit den Abmessungen von (B*L*H) 100*100*7 mm beim Durchströmen mit einem Luftstrom bei einem Ansaugdruck von 0,88 bar, gemessen auf der Oberfläche des Probekörpers, für eine Dauer von 30 sek einen Masseverlust von weniger als 1 ,5 Gew.%, vorzugsweise von 0,01 Gew.% bis 1 ,3 Gew.%, noch bevorzugter 0,03 Gew.% bis 0,7 Gew.%, noch bevorzugter 0,05 Gew.% bis 0,5 Gew.%, noch bevorzugter von 0,08 Gew.% bis 0,3 Gew.% zeigt.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Carbonfaservliesstoff einen Gehalt an Kohlenstoff von mehr als 92 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Carbonfaservliesstoffs aufweist.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern einem Recyclingprozess entstammen.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff Carbonfasern enthält, die durch Hochtemperaturbehandlung von PAN-Fasern als Precursofasern hergestellt wurden.
6. Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Carbonfaservliesstoff enthaltenden Fasern einen Schwefelgehalt von höchstens 0,5 Gew. % aufweisen.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff durch Vernadeln eines Fasermaterials hergestellt wurde, das einen Anteil an Carbonfasern von mindestens 98 Gew.% aufweist.
Verwendung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohfasermaterial vor dem Vernadeln kardiert und/oder aerodynamisch behandelt wurde.
Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff als thermisches Isoliermaterial eingesetzt wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
Carbonfaservliesstoff als thermisches Isoliermaterial für einen Hochtemperaturofen und/oder Vakuumofen verwendet wird.
Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonfaservliesstoff als akustisches Isoliermaterial, als Isoliermaterial gegen elektromagnetische Strahlung, als fluiddichtendes Isoliermaterial, als Isoliermaterial gegen Flammausbreitung, als Isoliermaterial in Leichtbauanwendungen eingesetzt wird.
PCT/EP2015/071540 2014-09-24 2015-09-21 Verwendung eines carbonfaservliesstoffs als isoliermaterial WO2016046103A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15781031.8A EP3198069B1 (de) 2014-09-24 2015-09-21 Verwendung eines carbonfaservliesstoffs als thermisches isoliermaterial

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014013867.4 2014-09-24
DE102014013867.4A DE102014013867A1 (de) 2014-09-24 2014-09-24 Verwendung eines Carbonfaservliesstoffs als Isoliermaterial

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016046103A1 true WO2016046103A1 (de) 2016-03-31

Family

ID=54325510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/071540 WO2016046103A1 (de) 2014-09-24 2015-09-21 Verwendung eines carbonfaservliesstoffs als isoliermaterial

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3198069B1 (de)
DE (1) DE102014013867A1 (de)
WO (1) WO2016046103A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112226898A (zh) * 2020-10-13 2021-01-15 嘉兴纳科新材料有限公司 一种水刺工艺的碳纤维无纺布制备方法
US20230294379A1 (en) * 2021-01-08 2023-09-21 Miller Scientific Inc. High Temperature Flexible Insulation For Extreme Environments

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2012671A (en) * 1978-01-12 1979-08-01 Dunlop Ltd An improved method of making non-woven fabric substrates for carbon fibre reinforced composites
FR2626294A1 (fr) * 1988-01-26 1989-07-28 Carbone Ind Procede de fabrication d'une structure fibreuse tridimensionnelle en vue de la realisation ulterieure d'une piece en un materiau composite et machine pour sa mise en oeuvre
US5268158A (en) * 1987-03-11 1993-12-07 Hercules Incorporated High modulus pan-based carbon fiber
JP2003221770A (ja) * 2002-01-24 2003-08-08 Toho Tenax Co Ltd ポリアクリロニトリル系炭素繊維不織布、及びその製造方法
US20080118427A1 (en) * 2006-11-22 2008-05-22 Leon Y Leon Carlos A Carbon fibers having improved strength and modulus and an associated method and apparatus for preparing same
DE102009023529A1 (de) * 2009-05-30 2010-12-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Recyclingverfahren
DE102010020193A1 (de) 2009-05-12 2011-01-20 Hunan Kingbo Carbon-Carbon Composites Co. Ltd., Yiyang Ausgehärtetes thermisches Isoliermaterial mit Karbonfaser für einen Hochtemperaturofen und ein Herstellungsverfahren dafür
DE102009048422A1 (de) 2009-10-06 2011-04-07 Sgl Carbon Se Verbundwerkstoff aus Carbonfaser-Weichfilz und Carbonfaser-Hartfilz
US20130192434A1 (en) * 2010-12-24 2013-08-01 Toray Industries, Inc Method for producing carbon fiber aggregate, and method for producing carbon fiber-reinforced plastic

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2077130C (en) * 1991-09-04 2003-04-29 Edward Lee Morris Carbon fiber reinforced carbon/carbon composite and method of its manufacture
US20110159767A1 (en) * 2008-06-12 2011-06-30 Teijin Limited Nonwoven fabric, felt and production processes therefor

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2012671A (en) * 1978-01-12 1979-08-01 Dunlop Ltd An improved method of making non-woven fabric substrates for carbon fibre reinforced composites
US5268158A (en) * 1987-03-11 1993-12-07 Hercules Incorporated High modulus pan-based carbon fiber
FR2626294A1 (fr) * 1988-01-26 1989-07-28 Carbone Ind Procede de fabrication d'une structure fibreuse tridimensionnelle en vue de la realisation ulterieure d'une piece en un materiau composite et machine pour sa mise en oeuvre
JP2003221770A (ja) * 2002-01-24 2003-08-08 Toho Tenax Co Ltd ポリアクリロニトリル系炭素繊維不織布、及びその製造方法
US20080118427A1 (en) * 2006-11-22 2008-05-22 Leon Y Leon Carlos A Carbon fibers having improved strength and modulus and an associated method and apparatus for preparing same
DE102010020193A1 (de) 2009-05-12 2011-01-20 Hunan Kingbo Carbon-Carbon Composites Co. Ltd., Yiyang Ausgehärtetes thermisches Isoliermaterial mit Karbonfaser für einen Hochtemperaturofen und ein Herstellungsverfahren dafür
DE102009023529A1 (de) * 2009-05-30 2010-12-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Recyclingverfahren
DE102009048422A1 (de) 2009-10-06 2011-04-07 Sgl Carbon Se Verbundwerkstoff aus Carbonfaser-Weichfilz und Carbonfaser-Hartfilz
US20130192434A1 (en) * 2010-12-24 2013-08-01 Toray Industries, Inc Method for producing carbon fiber aggregate, and method for producing carbon fiber-reinforced plastic

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014013867A1 (de) 2016-03-24
EP3198069A1 (de) 2017-08-02
EP3198069B1 (de) 2019-03-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1852252B2 (de) Hochtemperaturbeständiger Verbundwerkstoff
EP0864548B1 (de) Mit Graphitkurzfasern verstärkter Siliciumcarbidkörper
DE60205733T2 (de) Ringförmiger vorkörper für bremsen aus kohlenstofffasern und herstellungsverfahren
WO2011042246A1 (de) Verbundwerkstoff aus carbonfaser-weichfilz und carbonfaser-hartfilz
EP2147776A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Fasergelege-verstärkten Verbundwerkstoffs, sowie Fasergelege-verstärkte Verbundwerkstoffe und deren Verwendung
DE102004009264B4 (de) Herstellung eines Vorformlings durch Verstärken einer faserartigen Struktur und/oder Verbinden von faserartigen Strukturen untereinander und Anwendung bei der Herstellung von Teilen aus Verbundwerkstoff
DE60022065T2 (de) Partikel enthaltender schaum auf basis von pech
DE2853397B2 (de)
DE68916086T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen.
DE2826114A1 (de) Kohlenstoff-kohlenstoff-verbundmaterialien und verfahren zu deren herstellung
DE69120690T2 (de) Kohlenstoffaserstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung
EP3368304A1 (de) Carbonfaserverstärktes carbidkeramisches verbundbauteil
DE102016007652A1 (de) Keramische Verbundwerkstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102010042349B4 (de) Textiles Halbzeug, insbesondere Prepreg, auf Basis von aus Recyclingfasern zusammengesetztem Carbonfaservlies, Verfahren zur Herstellung und Verwendung des textilen Halbzeugs sowie Carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoff
EP3198069B1 (de) Verwendung eines carbonfaservliesstoffs als thermisches isoliermaterial
DE112015002016T5 (de) Zylindrisches Wärmeisoliermaterial und Verfahren zu dessen Herstelllung
DE102016209244B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Garnes, Verfahren zur Herstellung eines Vlieses und Vlies
DE102009022112A1 (de) Bremsbelag, Verfahren zur Herstellung eines solchen Bremsbelags sowie Bremseinheit umfassend einen solchen Bremsbelag
EP3305520A1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauelements und bauelement
WO2018087402A1 (de) Neuartiger c/c verbundwerkstoff
DE202009000573U1 (de) Carbonisierte Fläche und carbonflächenverstärkter Kunststoff
DE112022000159T5 (de) Befestigungsschrauben aus einem durch Laminieren anisotroper Vliesstoffe hergestellten, zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
DE2315207C3 (de) Verfahren zum Herstellen von mehrschichtigen Kohlenstoffkörpern
EP3864210A1 (de) Hohlzylindrisches carbonfasergebilde
AT525455A4 (de) Vormaterial zur Verwendung zum Herstellen eines Faser-Keramik-Verbundes

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15781031

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015781031

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015781031

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE