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DE1646805B2 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-faergewebe hoher festigkeit - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-faergewebe hoher festigkeit

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DE1646805B2
DE1646805B2 DE19671646805 DE1646805A DE1646805B2 DE 1646805 B2 DE1646805 B2 DE 1646805B2 DE 19671646805 DE19671646805 DE 19671646805 DE 1646805 A DE1646805 A DE 1646805A DE 1646805 B2 DE1646805 B2 DE 1646805B2
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DE
Germany
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fabric
threads
oxidized
carbon
fibers
Prior art date
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DE19671646805
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English (en)
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DE1646805A1 (de
DE1646805C3 (de
Inventor
William Farnborough Hampshire; Lloyd Thomas Farnham Surrey; McMullen Patrick Bentley; Moreton Roger Near Aldershot; Watt William Farnborough; Hampshire; Johnson (Großbritannien)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Research Development Corp UK
Original Assignee
National Research Development Corp UK
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Publication date
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Publication of DE1646805B2 publication Critical patent/DE1646805B2/de
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Expired legal-status Critical Current

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    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
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    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
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    • DTEXTILES; PAPER
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit ausgehend von Fäden aus Polymermaterial unter Erhitzen in oxydierender Atmosphäre unterhalb ihres Schmelzpunktes.
Der Begriff »Kohlenstoff« soll dabei hier auch Graphit einschließen.
Kohlenstoff- und Graphitgewebe ist aus Berichte der Deutschen Keramischen Ges. 43 (1966), S. 199 bis 208, bekannt und wird danach beispielsweise aus Polyacrylnitrilfasern hergestellt, die zunächst der Voroxydationsbehandlung und Verkohlung und die Kohlenstoff-Fasern dann der Verwebung unterworfen werden. Ein anderes Verfahren sieht dort vor, zunächst ein Fasergewebe herzustellen und dieses anschließend der Verkohlungsbehandlung zu unterwerfen.
Ein derart durch Verkohlung gewebten Fasermaterials aus Seidenstapelfasern hergestelltes Kohlenstoffgewebe hat z. B. eine Zugfestigkeit von etwa 4,45 kg/cm Dicke, und einzelne Fasern, die dem Kohlenstoffgewebe entnommen wurden, haben eine Zugfestigkeit von etwa 35,16 kg/mma und einen Elastizitäts-Modul von 3516 bis 6328 kg/mm3.
Nach der französischen Patentschrift 1 430 803 ist es bekannt, Kohlenstoff-Fasern mit sowohl hoher Zugfestigkeit als auch hohem Elastizitätsmodul herzustellen, wobei ebenfalls von einer Voroxydationsbehandlung Gebrauch gemacht wird, die bei 100 bis 25O0C stattfindet und bei der die Fasern gleichzeitig einer Zugspannung ausgesetzt werden. Damit war jedoch noch keine Möglichkeit gegeben, auch ein Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit herzustellen. Versuche, Kohlenstoff-Fasern nach der französischen Patentschrift 1430 803 nach herkömmlichen Webmethoden zu einem Kohlenstoffgewebe zu verarbeiten, waren nämlich nicht erfolgreich, da die Kohlenstoff-Fasern während der Verarbeitung brachen. Es war auch nicht möglich, eine Stapelfaser aus Kohlenstoff zu bilden, woraus das Gewebe gewebt werden konnte, da die Kohlenstoff-Fasern einen zu geringen Reibungskoeffizienten aufweisen.
ίο Auch der andere obengenannte Weg, zunächst ein Fasergewebe aus Polymerfasern herzustellen und das Gewebe zu verkohlen, führte nicht zu dem angestrebten Erfolg.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Herstellungsverfahren von Kohlenstoff-Fasergewebe so auszubilden, daß ein Kohlenstoff-Fasergewebe höherer Festigkeit als bisher erhältlich ist und die Verarbeitung der Fasern zum Gewebe trotzdem nach herkömmlichen Webmethoden erfolgen kann. Dabei sollen die Fasern zunächst einer üblichen Voroxydationsbehand-Iung unterworfen werden und nachher eine Verkohlungsbehandlung zu Fasern führen, die in hohem Grade kristallin sind und bei denen die C-Achse der Graphitkristallite vorzugsweise senkrecht auf der Faserlängsachse ausgerichtet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fäden aus Polymermaterial in üblicher Weise im Temperaturbereich von 100 bis 250° C unter Spannung oxydiert und dann zu einem gewebten Tuch aus oxydierten Fäden gewebt werden und das gewebte Tuch aus oxydierten Fäden durch Erhitzen in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 10000C in üblicher Weise verkohlt und in ein Kohlenstoff-Fasergewebe umgewandelt wird.
Vorteilhaft wird noch ein weiterer Verfahrensschritt angeschlossen, in welchem das Kohlenstoff-Fasergewebe weiter auf eine Temperatur im Bereich oberhalb der Verkohlungstemperatur und bis zu 30000C in einer nichtoxydierenden Atmosphäre wärmebehandelt wird.
Vorteilhaft wird das Gewebe auch während des weiteren Wärmebehandlungsschrittes unter Spannung gehalten.
In einem Beispiel gemäß der Erfindung wurden 1 Vg Denier starke, kontinuierliche Fasern von Polyacrylnitril mit geringen Gehalten anderer Stoffe erhitzt, während sie unter Spannung gehalten wurder, um ihre Länge konstant zu halten, und in und durch eine oxydierende Atmosphäre geführt wurden, um schwarze oxydierte Fäden zu ergeben. Die mechanischen Eigenschaften einzelner Fasern, die den oxydierten Fäden entnommen wurden, waren folgende:
55 Oxydationszeit bei Zerreißfestigkeit Dehnung beim
Zerreißen
kg/mms %
2 Stunden 28,61 19,6
60 4 Stunden 25,10 19,8
6 Stunden 23,69 16,3
8 Stunden 19,47 8,3
Man sieht aus diesen Angaben, daß die Ausdehnungseigenschaften dieser oxydierten Fasern solche sind, die es zulassen, daß die Fasern die Bearbeitungsbelastungen aushalten, welche während eines normalen Webprozesses auftreten, und so ermöglicht wird, ein
gewebtes Tuch aus oxydiertem Polymermaterial herzustellen.
Das Gewebe des Tuches sollte genügend offen sein, um ein Schrumpfen in der Größenordnung von 12% zuzulassen, und derart, daß ein Minimum von Biegungen in den Fasern auftritt, wo die Kett- und Einschußfäden einander kreuzen.
Die anschließende Verkohlungs- und Wärmebehandlung eines gewebten Tuches von oxydiertem Fasermaterial ergibt ein Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit auf Grund der hohen Festigkeit und des hohen Elastizitätsmoduls der einzelnen Kohlenstofffasern, die das Gewebe bilden.
In einem Beispiel wurden unter Verwendung I1Z2 De.iier starker. Polyacrylnitril-Materials das Fasermaterial zunächst unter genügender Spannung, um eine Schrumpfung zu verhindern, bei einer Temperatur von 220° C 4 Stunden oxydiert. Das oxydierte Fasermaterial wurde dann zu einem Gewebe verwebt und das Gewebe bei bis zu 100U0C verkohlt, wobei die Temperatur von 220 auf 10000C mn einer Geschwindigkeit von etwa 100° C pro Stunde gesteigert wurde.
20 einzelne Kohlenstofffasern wurden dem Kohlenstoff-Fasergewebe entnommen und hatten eine Durchschnittszerreißfestigkeit von 200 kg/mms und einen Durchschnitts-EIastizitätsmodul von 17 580 kg/mms.
Nach weiterer Wärmebehandlung des KoHenstoff-
S gewebes durch Erhitzen auf eine Temperatur von 2500° C in nichtoxydierender Atmosphäre wurden dem Kohlenstoff-Fasergewebe 20 einzelne Kohlenstoff-Fasern entnommen, die eine Durchschnittszerreißfestigkeit von 140,62 kg/inm2 und einen Durchschnitts-E'astizitätsmodul von 35 160 kg/mm2 aufwiesen.
Es ergibt sich daraus, daß ein Kohlenstoff-Fasergewebe, welches aus Kohlenstoff-Fasern mit einer so hohen Festigkeit und einem so hohen Elastizitätsmodul besteht, selbst stark und als ein Verstärkungselement in einem zusammengesetzten Material besonders brauchbar ist.
Es soll noch bemerkt werden, daß unter dem Begriff der hier verwendeten Polyacrylnitril-Fasern auch die Copolymeren oder Terpolymeren des Acrylnitril mit anderen Monomeren, z. B. Methylmethacrylat oder Vinylacetat, entweder allein oder unter Zusatz damit verträglicher Polymeren, z. B. Phenolharze oder Friedel-Crafts-Kondensate, fallen.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit ausgehend von Fäden aus Polymermaterial unter Erhitzen in oxydierender Atmosphäre unterhalb ihres Schmelzpunktes, d adurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Polymermaterial in üblicher Weise im Temperaturbereich von 100 bis 250° C unter Spannung oxydiert und dann zu einem gewebten Tuch aus oxydierten Fäden gewebt werden und das gewebte Tuch aus oxydierten Fäden durch Erhitzen in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1000r C in üblicher Weise verkohlt und in ein Kohlenstoff-Fasergewebe umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Verfahrensschritt, in welchem das Kohlenstoff-Fasergewebe weiter auf eine Temperatur im Bereich oberhalb der Verkohlungstemperatur und bis zu 3000 0C in einer nichtoxydierenden Atmosphäre wärmebehandelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe während des weiteren Wärmebehandlungsschrittes unter Spannung gehalten wird.
4. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Polymerfasern aus Polyacrylnitril verwendet werden.
DE19671646805 1966-07-08 1967-07-07 Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit Expired DE1646805C3 (de)

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FR (1) FR1539755A (de)
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