DE19749475A1

DE19749475A1 - Fibers, especially natural fibers for producing carbon fiber composites

Info

Publication number: DE19749475A1
Application number: DE1997149475
Authority: DE
Inventors: Helfried Dr Urban; Rudolf Dr Emmerich; Peter Dr Elsner; Dieter Gittel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-11-08
Filing date: 1997-11-08
Publication date: 1999-05-20

Abstract

Fibers, especially natural fibers, are carbonized by plasma treatment. Independent claims are also included for (i) a fiber produced by the above carbonizing process; and (ii) a fiber composite material consisting at least partially of fibers produced by the above carbonizing process.

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.The present invention relates to a method for carbonizing Fibers, especially natural fibers, a fiber made after this Process is carbonized, as well as a fiber composite material consists at least in part of the fiber made by this method is carbonized. There is one under carbonization at this point To understand charring.

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.Fiber composite materials are used in a variety of forms. In order to obtain the fiber composite materials, fibers are made in large Quantities needed. Mostly inexpensive fibers, such as Example glass fibers used, but which have various disadvantages exhibit. This is how glass fibers are in terms of their recyclability problematic and also relatively difficult. Carbon fibers which these Disadvantages do not have, however, for a wide use in Fiber composite materials too expensive.

Aus diesem Grunde wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahren entwickelt, um preisgünstige Fasern, wie zum Beispiel Naturfasern, zu veredeln.Because of this, different ones have been used in the past Process designed to use inexpensive fibers, such as Natural fibers to refine.

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.Such a process for the refinement of plant fibers is known for example from the publication DE 39 12 615 A1. Here are plant fibers with an aqueous solution of at least one Pretreated metal compound, then washed and with treated with an inorganic or organic binder or the neutralized plant fibers neutralized with a mineral acid or the untreated vegetable fibers under controlled Air supply treated thermally, so that charring of the fibers he follows. According to the first and second alternative of the method however, there are a number of environmentally harmful substances Use and according to the third alternative of the method, the Plant fibers are severely damaged thermally and mechanically.

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.Furthermore, from the document DE 40 24 352 A1 a method and a device for the electrochemical surface treatment of fibrous materials known, the fibers in one Electrolyte bath through an area of high field strength and then be led through an area of low field strength. At a such electrolytic baths, however, also have a high environmental impact de substances used.

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.Based on the prior art, it is the task of the present the invention an environmentally friendly method for carbonization of fibers, especially natural fibers, a fiber made after this Process is carbonized, as well as a fiber composite material consists at least in part of the fiber obtained by this method is carbonized to conceive.

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.The procedural task is solved by a procedure with the features of claim 1. By the fibers of a To undergo plasma treatment, it is possible to use the fibers each to partially or completely carbonize as required. In contrast the state of the art does not impose a burden on the environment Fabrics to use and the fibers do not suffer thermal or mechanical damage, so that natural fibers in particular Maintain bionic structure. This is an advantage because the bionic structure of natural fibers with minimal mass occupancy has optimal strength properties and synthetic Structure of synthetic fibers is thus far superior.

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. For plasma treatment, one can use a high-frequency alternating electromagnetic field or by means of a high voltage ionized working gas can be used, in particular a plasma generated by microwaves should be used because the Generation of the plasma is then particularly effective.

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.The working gas is expedient in a previously evacuated work chamber ionized. This can contaminate the working gas can be avoided and can be defined for plasma treatment Conditions are created. They can also carbonize the fibers continuously through the working chamber by means of locks be passed through.

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.The working gas is advantageously under negative pressure. Because the pressure of Working gas affects the temperature of the plasma and thus the rate of carbonization of the fibers, with a low pressure a slow and gentle carbonization and a high pressure causes rapid and coarse carbonization. Of the Negative pressure of the working gas should have values between 0.01 and Accept 2.0 millibars so that there is a cold plasma. Such one cold plasma always has a cleaning effect on the fibers, since this removes volatile impurities and kills germs become.

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.The pressure of the working gas during the Plasma treatment changed because the carbonization of the Fibers for example at low pressure and low temperature initiated gently and at slightly higher pressure and slightly higher Temperature should be ended quickly. However, care should be taken be that the higher temperature is not chosen so high that it thermal damage to the structure of the fibers occurs. In In certain cases there may also be a pulsation in the pressure of the Working gas prove to be beneficial to damage the structure to exclude.

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. The duration of the plasma treatment is dependent on that in the Working gas fed energy and / or from the pressure of the Working gas regulated to a defined depending on the requirement Degree of carbonization or a defined strength of the carbonized To achieve layer of fibers used. It can also Process according to the invention over the duration of the plasma treatment be optimized so that with a continuous supply of carbonizing fibers a maximum throughput is achieved.

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.In a first embodiment of the invention, a is used as the working gas inert gas or a mixture of different inert gases. Argon and / or nitrogen are suitable as inert gases for this purpose. Means this working gas, the fibers are cleaned and gradually carbonized.

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.And in a second embodiment of the invention is a working gas non-inert gas or a mixture of various non-inert gases used. For example, oxygen and / or hydrogen be used. Using this working gas, the fibers are in primarily oxidized or carbonized and in this way from Free of impurities.

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.In a third embodiment of the invention it is preferred as Working gas is a mixture of inert gas or gases and from non-inert gas or gases. Because by means of such a mixture the fibers can be both cleaned and can also be carbonized.

Bei allen drei Ausführungsformen des Verfahrens sollte die verwendete Mischung des Arbeitsgases jeweils auf die Art der zu carbonisierenden Faser abgestimmt werden.In all three embodiments of the method, the one used should be Mixing the working gas in each case on the type of carbonized Fiber to be matched.

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.The composition of the working gas is particularly preferred while cleaning or carbonizing the fibers changed. For example, if the plasma treatment is performed with a Working gas started, initially using a purely inert gas and a non-inert gas is gradually added, so the fibers are mainly cleaned in a first phase and in a subsequent second phase carbonized. This two stage Plasma treatment proves to be particularly advantageous since no impurities, which may be difficult to carbonize would be introduced into the matrix of a fiber composite material can be.

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.According to claim 11, a fiber is provided, which after described process is carbonized. Compared to one Glass fiber, a conventional carbon fiber or a chemical processed natural fiber, this fiber is firstly easy to recycle and light, secondly inexpensive and of high strength or thirdly can be manufactured in an environmentally friendly manner. Of course, this fiber can also be in shape a fiber web or fiber mat.

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.And according to claim 12 is a fiber composite material provided, which consists at least partially of a fiber that is carbonized by the process described. On this Fiber composite material transfer the advantages of Invention moderate fiber.

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.An example of how to carry out the method according to the invention is given used a working chamber with a volume of 1000 liters. In the Working chamber there is a negative pressure of 0.1 to 2 millibars. As Working gas does not become a mixture of 60% inert argon and 40% inert or reactive oxygen used.

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.Inside the working chamber there is a 2 meter long one Microwave antenna. At the ends of the antenna are electroma alternating magnetic fields in the frequency range from 50 megahertz to 10 Gigahertz coupled. The typical performance of such a system is 2 kilowatts at each end of the antenna. The Elektroma genetic energy leads to the ignition of a plasma along the antenna the typical radius of action is 10 to 50 centimeters.

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.Hemp fibers are selected as natural fibers to be carbonized. These fibers are made from those under atmospheric pressure Outside in the work chamber and for the duration plasma treated for approx. 150 seconds and thereby carbonized. The in this way carbonized fibers become the working chamber back to the outside area under atmospheric pressure ejected out, where it eventually becomes a fiber composite can be processed further.

Claims

1. A process for carbonizing fibers, in particular natural fibers, characterized in that the fibers are subjected to a plasma treatment.

2. The method according to claim 1, characterized in that for Plasma treatment using a high frequency electroma alternating magnetic field or one using a high voltage ionized working gas is used

3. The method according to claim 2, characterized in that the Working gas is ionized in a previously evacuated working chamber becomes.

4. The method according to any one of claims 2 or 3, characterized characterized in that the working gas is under negative pressure.

5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized records that the pressure of the working gas during the plasma treatment is changed.

6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized records that the duration of the plasma treatment is dependent of the energy fed into the working gas and / or Depending on the pressure of the working gas is regulated.

7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized records that an inert gas or a mixture as the working gas various inert gases is used.

8. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized records that a non-inert gas or a Mixture of different non-inert gases is used.

9. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized records that a mixture of inert gas or inert gases and from non-inert gas or Ga sen is used.

10. The method according to any one of claims 2 to 9, characterized records that the composition of the working gas during the carbonization of the fibers is changed.

11. fiber, characterized in that it by the method is carbonized according to any one of claims 1 to 10.

12. Fiber composite material, characterized in that it consists at least partially of the fiber, which by the procedure ren is carbonized according to any one of claims 1 to 10.