Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern sowie eine Vorrichtung zu deren Herstellung.

Kohlefasern - oder auch Kohlenstoff- bzw. Carbonfasern genannt - finden Verwendung zur Verstärkung von Kunststoffbauteilen aller Art. Insbesondere in der Luftfahrt, aber auch in verstärktem Maße in der Automobilindustrie wird dieser Werkstoff eingesetzt, um besonders leichte und dennoch sehr robuste Bauteile zu schaffen.

Die Herstellung der Kohlefasern erfolgt in einer komplexen Prozesskette. Stark vereinfacht dargestellt, beginnt der Herstellungsprozess mit der Erzeugung des sogenannten„Precusors", der als Eingangsmaterial für den eigentlichen Herstellungsprozess der Kohlefaser dient und üblicherweise ein texti- les Garn beschreibt, das eine große Anzahl an Einzelfilamenten umfasst. Der Precursor wird bei einem Precursorhersteller erzeugt und nach seiner Hersteilung üblicherweise auf Transportspulen aufgewickelt, um diese zur Weiterverarbeitung bei einem Kohlefaserproduzenten zu transportieren. Die Weiterverarbeitung durch den Kohiefaserproduzenten erfolgt in speziellen Produktionslinien und umfasst eine Oxidationsbehandlung, welcher der Precursor unterzogen wird. Hierzu wird der Precursor zunächst von den Transportspulen abgewickelt und durchläuft anschließend eine erste Wärmebehandlung in einem Ofen (Oxidationsofen), in dem der Precursor wechselweise erhitzt und anschließend abgekühlt wird. Nachfolgend wird der Precursor im Rahmen der sogenannten „Karbonisierung" einer zweiten Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen 1600 und 1900°C unterzogen, um durch chemische Umwandlung aus dem Precursor ein Kohlefaserbündel zu erzeugen.

Üblicherweise wird im Rahmen der Herstellung des Precursors ein sogenanntes„Entanglement", also eine Verwirbelung der Einzelfilamente des Precursors, vorgenommen. Hierbei wird die in der Regel stark parallele Ausrichtung der Einzelfilamente zueinander gezielt„verwirbelt, um den

Precursor zur besseren Verarbeitbarkeit mechanisch zu stabilisieren. Der Grad der Verwirbelung der Einzelfilamente hat großen Einfluss auf eine stabile Verarbeitbarkeit bei der Herstellung der Kohlefasern und stellt somit eine wichtige Einflussgröße für die Kohlefasern und die daraus erzeugten Produkte dar.

Aus diesem Grunde werden große Anstrengungen unternommen, um die mechanische Stabilisierung trotz mehrfacher Umlenkung des Precursors bei der Herstellung und beim anschließenden Aufwickeln auf die Transportspulen, beim Verpacken und Transportieren von dem Precursorhersteller zu dem Kohlefaserproduzenten nach Möglichkeit weitestgehend zu erhalten. Ziel ist es den Effekt des mechanischen Stabilisierens nicht aufzuheben, sondern eine stabile Verarbeitbarkeit bei der Herstellung der Kohlefaser zu ermöglichen. Gleiches gilt für das spätere Abwickeln und Zuführen in den

Karbonisierungsprozess zur Erzeugung der Kohlefaserbündel aus dem abgewickelten Precursor.

Eine entscheidende Rolle für den Grad der verbleibenden mechanischen Stabilisierung bei Einleitung in den Karbonisierungsprozess spielen in besonderem Maße Prozessparameter des Precursorherstellers und die mechanische Beanspruchung während der genannten Verarbeitungsschritte.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Prozess der Kohlefaserherstellung zu vereinfachen und eine mechanische Stabilisierung des Precursors zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.

Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlefaserbündels mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

- Bereitstellen mindestens eines Precursors,

- Mechanisches Stabilisieren des mindestens einen Precursors, und

- Anschließendes Einleiten des mechanisch stabilisierten Precursors in mindestens eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Umwandlung des mindestens einen Precursors in mindestens ein Kohlefaserbündel.

Ein oder mehrere Precursor werden also zunächst mechanisch stabilisiert und einem oder mehreren Wärmebehandlungsvorrichtungen zugeführt. Dies ist derart zu verstehen, dass diese beiden Schritte aneinander anschließend, also innerhalb derselben Produktionslinie aufeinanderfolgend, durchgeführt werden. Auf diesem Weg kann einerseits sichergestellt werden, dass der Precursor in ausreichender Weise mechanisch stabilisiert in die Wärmebe- handlungsvorrichtung eingeleitet wird und somit für eine nachfolgende Kar- bonisation vorbereitet ist.

Als besonderer Vorteil erweist sich, dass durch die Schrittkombination des mechanischen Stabilisierens und des anschließenden Einleitens der

Precursor individuell auf die nachfolgende Verarbeitung angepasst werden kann. Es ist daher möglich, unabhängig von einer eventuell durchgeführten Vorbehandlung des Precursors bei dessen Herstellung, die mechanischen Stabilisierungsbedingungen bedarfsgerecht anzupassen und gegebenenfalls zu variieren, so dass eine adaptive Steuerung und eine gezielte Anpassung hinsichtlich späterer Prozess- und Produkteigenschaften möglich ist. Es kann somit auf eine mechanische Stabilisierung im Rahmen der Herstellung des Precursors verzichtet, oder eine im Rahmen dessen bereits erfolgte Stabilisierung nachträglich angepasst und verbessert werden.

Als Wärmebehandlungsvorrichtungen sind beispielsweise ein oder mehrere Oxidationsofen zum Oxidieren des Precursors und/oder mindestens eine Karbonisierungsvorrichtung zum Karbonisieren des Precursors zu verstehen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens ein Abwickeln des mindestens einen Precursors von mindestens einer Spule. Mit anderen Worten wird also der Precursor auf einer Spule für das Verfahren bereitgestellt und anschließend von dieser abgewickelt und dem nachfolgenden Stabilisierungsschritt unterzogen, bevor der Precursor im Oxidationsofen oxidiert bzw. in der Karbonisierungsvorrichtung karbonisiert wird.

Vorzugsweise kann der Schritt des mechanischen Stabilisierens unmittelbar vor dem anschließenden Einleiten in die mindestens eine Wärmebehandlungsvorrichtung erfolgen. Als„unmittelbar" ist hierbei eine räumlich und zeitlich direkt aufeinanderfolgende Schrittfolge zu verstehen, sodass keine wesentlichen Zwischenschritte zur Bearbeitung des Precursors vorgesehen sind. Selbstverständlich sind hiervon zwischengeschaltete Umlenkungen des Precursors nicht ausgeschlossen.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des mechanischen Stabilisierens ein Verwirbeln von Einzelfilamenten des Precursors umfassen. Durch ein Verwirbeln der Einzelfilamente, beispielsweise durch einen Luftstrahl, können - wie bereits voranstehend dargestellt - die Eigenschaften des Precursors verändert werden. Insbesondere ermöglicht die Verwirbelung eine stabilere Verarbeitbarkeit bei der Herstellung der Kohlefaserbündel, als dies bei nicht-verwirbelten Einzelfilamenten des Precursors der Fall ist. Zusätzlich ergibt sich eine gleichmäßigere Verarbeitbarkeit des erzeugten Kohlefaserbündels im Rahmen einer textilen Weiterverarbeitung und ein verbessertes Injektionsverhalten für die Injektion einer Matrix.

Es kann also mittels des beschriebenen Verfahrens kurz vor der Einleitung in den Oxidationsofen entscheidend und in gezielter Weise Einfluss auf die späteren Eigenschaften des erzeugten Kohlefaserbündels genommen werden.

Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Kohlefaserbündels bereitgestellt, mit

- mindestens einem Oxidationsofen und

- einer nachfolgenden Karbonisierungsvorrichtung zum Karbonisieren eines Precursors zu dem Kohlefaserbündel,

dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Oxidationsofen eine Stabilisierungsvorrichtung zum mechanischen Stabilisieren des in den Oxidationsofen eingeleiteten Precursors vorgeschaltet ist.

Die Vorrichtung stellt also zumindest einen Teil einer Produktionslinie dar, mit der das voranstehend beschriebene Verfahren durchgeführt und auf diese Weise - wie voranstehend dargelegt - gezielt Einfluss auf die späteren Eigenschaften des erzeugten Kohlefaserbündels genommen werden kann. Beispielsweise kann die Stabilisierungsvorrichtung unmittelbar vor dem mindestens einen Oxidationsofen angeordnet sein (bezogen auf eine Förderrichtung der Vorrichtung). Die Stabilisierungsvorrichtung ist also in direkter räumlicher Nähe zu dem Oxidationsofen positioniert, so dass auch eine zeitlich direkt aufeinanderfolgende Schrittfolge ohne weitere Zwischenschritte ermöglicht wird. Selbstverständlich sind hierdurch zwischengeordnete Umien- kungen nicht ausgeschlossen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 10 zum Hersteilen eines Kohlefaserbündels 11 mit zwei Wärmebehandlungsvorrichtungen 12,13 in Form eines Oxidationsofens 12 und einer nachfolgenden Karbonisierungsvorrichtung 13 zum Karbonisieren eines Precursors 14 zu einem Kohlefaserbündel 11 , wobei der Precursor 14 in der dargestellten Ausführungsform auf einer Spule 15 bereitgestellt und von dieser abgewickelt wird.

Dem Oxidationsofen 12 ist eine Stabilisierungsvorrichtung 16 zum mechanischen Stabilisieren des in den Oxidationsofen 12 eingeleiteten Precursors 14 derart vorgeschaltet, dass die Stabilisierungsvorrichtung 16 unmittelbar vor dem Oxidationsofen 12 (und somit nachfolgend zur Bereitstellung des Precursors 14) angeordnet ist.

Es ist somit möglich, ein mechanisches Stabilisieren des Precursors 14 unmittelbar vor dem anschließenden Einleiten des Precursor 14 vorzunehmen und diesen somit individuell auf die nachfolgende Verarbeitung anzupassen. Selbstverständlich kann die Vorrichtung 10 zum Herstellen des Kohlefaserbündels 11 weitere Komponenten (nicht dargestellt) umfassen, insbesondere zur Weiterverarbeitung der erzeugten Kohlefaserbündel 11.