DE19749475A1 - Verfahren zur Carbonisierung von Fasern, Faser und Faserverbundwerkstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Carbonisierung von Fasern, insbesondere Naturfasern, eine Faser, die nach diesem Verfahren carbonisiert ist, sowie einen Faserverbundwerkstoff, der zumindest teilweise aus der Faser besteht, die nach diesem Verfahren carbonisiert ist. Unter Carbonisierung ist an dieser Stelle eine Verkohlung zu verstehen.

Faserverbundwerkstoffe gelangen in vielfältiger Form zur Anwendung. Zur Gewinnung der Faserverbundwerkstoffe werden Fasern in großen Mengen benötigt. Dabei werden meist preiswerte Fasern, wie zum Beispiel Glasfasern eingesetzt, welche jedoch verschiedene Nachteile aufweisen. So sind Glasfasern bezüglich ihrer Recyclingfähigkeit problematisch und zudem relativ schwer. Kohlefasern, welche diese Nachteile nicht aufweisen, sind hingegen für einen breiten Einsatz in Faserverbundwerkstoffen zu teuer.

Aus diesem Grunde wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahren entwickelt, um preisgünstige Fasern, wie zum Beispiel Naturfasern, zu veredeln.

Ein solches Verfahren zur Veredelung von Pflanzenfasern ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 39 12 615 A1 bekannt. Dabei werden Pflanzenfasern mit einer wäßrigen Lösung mindestens einer Metallverbindung vorbehandelt, anschließend gewaschen und mit einem anorganischen oder organischen Bindemittel behandelt oder die nicht gewaschenen Pflanzenfasern mit einer Mineralsäure neutralisiert oder die nicht vorbehandelten Pflanzenfasern unter kontrollierter Luftzufuhr thermisch behandelt, so daß eine Verkohlung der Fasern erfolgt. Gemäß der ersten und zweiten Alternative des Verfahrens kommen jedoch eine Reihe von umweltbelastenden Substanzen zum Einsatz und gemäß der dritten Alternative des Verfahrens werden die Pflanzenfasern thermisch sowie mechanisch stark geschädigt.

Ferner ist aus der Druckschrift DE 40 24 352 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrochemischen Oberflächenbehandlung von faserförmigen Materialien bekannt, wobei die Fasern in einem Elektrolytbad durch einen Bereich hoher Feldstärke und anschließend durch einen Bereich niedriger Feldstärke geführt werden. Bei einem solchen Elektrolytbad kommen jedoch ebenfalls stark umweltbelasten­ de Substanzen zum Einsatz.

Ausgehend von dem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung ein umweltschonendes Verfahren zur Carbonisierung von Fasern, insbesondere Naturfasern, eine Faser, die nach diesem Verfahren carbonisiert ist, sowie einen Faserverbundwerkstoff, der wenigstens teilweise aus der Faser besteht, die nach diesem Verfahren carbonisiert ist, zu konzipieren.

Gelöst wird die verfahrensgemäße Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Indem die Fasern einer Plasmabehandlung unterzogen werden, ist es möglich, die Fasern je nach Bedarf teilweise oder vollständig zu carbonisieren. Im Gegensatz zum Stand der Technik kommen dabei keine die Umwelt belastenden Stoffe zur Anwendung und erleiden die Fasern keine thermische oder mechanische Schädigung, so daß insbesondere Naturfasern ihre bionische Struktur beibehalten. Dies ist deswegen von Vorteil, da die bionische Struktur der Naturfasern bei geringster Massenbelegung optimale Festigkeitseigenschaften aufweist und der synthetischen Struktur von Kunstfasern somit weit überlegen ist.

Zur Plasmabehandlung kann ein mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes oder ein mittels einer Hochspan­ nung ionisiertes Arbeitsgas verwendet werden, wobei insbesondere ein mittels Mikrowellen erzeugtes Plasma verwendet werden sollte, da die Erzeugung des Plasmas dann besonders effektiv ist.

Zweckmäßig wird das Arbeitsgas in einer zuvor evakuierten Arbeits­ kammer ionisiert. Dadurch kann eine Verunreinigung des Arbeitsgases vermeiden werden und können für die Plasmabehandlung definierte Bedingungen geschaffen werden. Zudem können die zu carbonisieren­ den Fasern mittels Schleusen kontinuierlich durch die Arbeitskammer hindurchgeführt werden.

Vorteilhaft steht das Arbeitsgas unter Unterdruck. Denn der Druck des Arbeitsgases wirkt sich auf die Temperatur des Plasmas und somit auf die Geschwindigkeit der Carbonisierung der Fasern aus, wobei ein geringer Druck eine langsame und schonende Carbonisierung und ein hoher Druck eine schnelle und derbe Carbonisierung bewirkt. Der Unterdruck des Arbeitsgases sollte hierbei Werte zwischen 0.01 und 2.0 Millibar annehmen, damit ein kaltes Plasma vorliegt. Ein solches kaltes Plasma hat auf die Fasern stets auch eine reinigende Wirkung, da hierbei flüchtige Verunreinigungen abgesaugt und Keime abgetötet werden.

Besonders vorteilhaft wird der Druck des Arbeitsgases während der Plasmabehandlung verändert, denn so kann die Carbonisierung der Fasern zum Beispiel bei geringem Druck und geringer Temperatur schonend eingeleitet und bei etwas höherem Druck und leicht höherer Temperatur zügig beendet werden. Dabei sollte jedoch darauf geachtet werden, daß die höhere Temperatur nicht so hoch gewählt wird, daß es zu einer thermischen Schädigung der Struktur der Fasern kommt. In bestimmten Fällen kann sich auch ein Pulsieren des Druckes des Arbeitsgases als günstig erweisen, um eine Schädigung der Struktur auszuschließen.

Die Dauer der Plasmabehandlung wird in Abhängigkeit von der in das Arbeitsgas eingespeisten Energie und/oder von dem Druck des Arbeitsgases geregelt, um je nach Anforderung einen definierten Carbonisierungsgrad bzw. eine definierte Stärke der carbonisierten Schicht der verwendeten Fasern zu erzielen. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren über die Dauer der Plasmabehandlung so optimiert werden, daß bei einer kontinuierlichen Zufuhr von zu carbonisierenden Fasern ein maximaler Durchsatz erreicht wird.

In einer ersten Ausführung der Erfindung wird als Arbeitsgas ein inertes Gas oder eine Mischung verschiedener inerter Gase verwendet. Als inerte Gase bieten sich hierzu Argon und/oder Stickstoff an. Mittels dieses Arbeitsgases werden die Fasern gereinigt und allmählich carbonisiert.

Und in einer zweiten Ausführung der Erfindung wird als Arbeitsgas ein nicht inertes Gas oder eine Mischung verschiedener nicht inerter Gase verwendet. Hierzu kann zum Beispiel Sauerstoff und/oder Wasserstoff verwendet werden. Mittels dieses Arbeitsgases werden die Fasern in erster Linie oxidiert bzw. carbonisiert und auf diese Weise von Verunreinigungen befreit.

Bevorzugt wird in einer dritten Ausführungsform der Erfindung als Arbeitsgas eine Mischung aus inertem Gas bzw. inerten Gasen und aus nicht inertem Gas bzw. nicht inerten Gasen verwendet. Denn mittels einer solchen Mischung können die Fasern sowohl gereinigt als auch carbonisiert werden.

Bei allen drei Ausführungsformen des Verfahrens sollte die verwendete Mischung des Arbeitsgases jeweils auf die Art der zu carbonisierenden Faser abgestimmt werden.

Besonders bevorzugt wird die Zusammensetzung des Arbeitsgases dabei während der Reinigung bzw. Carbonisierung der Fasern verändert. Wird die Plasmabehandlung beispielsweise mit einem Arbeitsgas begonnen, wobei zunächst ein rein inertes Gas verwendet wird und erst allmählich ein nicht inertes Gas zugesetzt wird, so werden die Fasern in einer ersten Phase hauptsächlich gereinigt und in einer darauffolgenden zweiten Phase carbonisiert. Diese zweistufige Plasmabehandlung erweist sich als besonders vorteilhaft, da somit keine Verunreinigungen, welche gegebenenfalls schwer zu carbonisie­ ren wären, in die Matrix eines Faserverbundwerkstoffes eingeschleust werden können.

Gemäß Patentanspruch 11 wird eine Faser bereitgestellt, die nach dem beschriebenen Verfahren carbonisiert ist. Im Vergleich zu einer Glasfaser, einer herkömmlichen Kohlefaser bzw. einer chemisch aufbereiteten Naturfaser ist diese Faser erstens einfach recycelbar und leicht, zweitens preiswert und von hoher Festigkeit bzw. drittens umweltfreundlich herstellbar. Natürlich kann diese Faser auch in Form einer Faserbahn bzw. Fasermatte vorliegen.

Und gemäß Patentanspruch 12 wird ein Faserverbundwerkstoff bereitgestellt, der zumindest teilweise aus einer Faser besteht, die nach dem beschriebenen Verfahren carbonisiert ist. Auf diesen Faserverbundwerkstoff übertragen sich die Vorteile der erfindungsge­ mäßen Faser.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beispielhaft eine Arbeitskammer mit 1000 Liter Volumen verwendet. In der Arbeitskammer herrscht ein Unterdruck von 0.1 bis 2 Millibar. Als Arbeitsgas wird eine Mischung aus 60% inertem Argon und 40% nicht inertem bzw. reaktivem Sauerstoff verwendet.

Innerhalb der Arbeitskammer befindet sich eine 2 Meter lange Mikrowellenantenne. An den Enden der Antenne werden elektroma­ gnetische Wechselfelder im Frequenzbereich von 50 Megaherz bis 10 Gigaherz eingekoppelt. Die typische Leistung einer solchen Anlage beträgt dabei an jedem Ende der Antenne 2 Kilowatt. Die elektroma­ gnetische Energie führt zur Zündung eines Plasmas längs der Antenne wobei der typische Wirkungsradius bei 10 bis 50 Zentimetern liegt.

Als zu carbonisierende Naturfasern werden Hanffasern ausgewählt. Diese Fasern werden aus dem unter Atmosphärendruck befindlichen Außenbereich in die Arbeitskammer hineingeschleust und für die Dauer von ca. 150 Sekunden plasmabehandelt und dadurch carbonisiert. Die auf diese Weise carbonisierten Fasern werden aus der Arbeitskammer wieder in den unter Atmosphärendruck befindlichen Außenbereich herausgeschleust, wo sie schließlich zu einem Faserverbundwerkstoff weiterverarbeitet werden können.

Claims (12)

1. Verfahren zur Carbonisierung von Fasern, insbesondere Naturfasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einer Plasmabehandlung unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Plasmabehandlung ein mittels eines hochfrequenten elektroma­ gnetischen Wechselfeldes oder ein mittels einer Hochspannung ionisiertes Arbeitsgas verwendet wird

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in einer zuvor evakuierten Arbeitskammer ionisiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas unter Unterdruck steht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druck des Arbeitsgases während der Plasma­ behandlung verändert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dauer der Plasmabehandlung in Abhängigkeit von der in das Arbeitsgas eingespeisten Energie und/oder in Abhängigkeit von dem Druck des Arbeitsgases geregelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Arbeitsgas ein inertes Gas oder eine Mischung verschiedener inerter Gase verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn-­ zeichnet, daß als Arbeitsgas ein nicht inertes Gas oder eine Mischung verschiedener nicht inerter Gase verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Arbeitsgas eine Mischung aus inertem Gas bzw. inerten Gasen und aus nicht inertem Gas bzw. nicht inerten Ga­ sen verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusammensetzung des Arbeitsgases während der Carbonisierung der Fasern verändert wird.

11. Faser, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 carbonisiert ist.

12. Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest teilweise aus der Faser besteht, die durch das Verfah­ ren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 carbonisiert ist.