WIE STELLT MAN KOHLEFASER HER?

Kohlefaser, die aus Kombinationen unterschiedlicher Materialien (Faser und Harz) besteht, zeichnet sich durch ihre Variabilität und damit ihre Anpassbarkeit aus. Als Metallersatz bieten Kohlefaserverbundwerkstoffe die zehnfache Festigkeit von Stahl. Kohlefaserhersteller stellen Produkte her, die zwar ähnlich, aber nicht identisch sind. Kohlefaser unterscheidet sich im Zugmodul (oder der Steifigkeit, die als Verformung unter Belastung gemessen wird) sowie in der Zug-, Druck- und Dauerfestigkeit.

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PAN-basierte Kohlenstofffasern sind heutzutage in den Ausführungen mit niedrigem Modul (weniger als 32 Millionen lbf/in² oder Msi), Standardmodul (33 bis 36 Msi), mittlerem Modul (40 bis 50 Msi), hohem Modul (50 bis 70 Msi) und ultrahohem Modul (70 bis 140 Msi) erhältlich.
Vereinfacht ausgedrückt entsteht Kohlenstofffaser durch die Umwandlung organischer Vorläuferfasern in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 982,22 °C. Die Herstellung von Kohlenstofffasern ist jedoch ein komplexes Unterfangen.

Polymerisation und Spinnen

Polymerisation

Der Prozess beginnt mit einem chemischen Ausgangsstoff, dem sogenannten Präkursor, der das molekulare Rückgrat der Faser bildet. Heute bestehen etwa 100 Prozent der hergestellten Kohlenstofffasern aus stoff- oder pechbasierten Präkursoren, der Großteil jedoch aus Polyacrylnitril (PAN), das aus Nitrit hergestellt wird, und Nitrit wiederum stammt aus den Industriechemikalien Propan und Ammoniak.

Typischerweise beginnt die Vorläuferformulierung mit einer Nitritverbindung, die in einem Reaktor mit einem plastifizierten Acryl-Comonomer und einem Katalysator wie Säure, Dioxid, Vitriol oder Säure kombiniert wird. Durch die kontinuierliche Mischung werden die Inhaltsstoffe miteinander verbunden, wodurch Konsistenz und Reinheit gewährleistet werden und die Bildung freier Radikale in der Molekülstruktur des Nitrits initiiert wird. Diese Modifikation führt zu einem chemischen Prozess, der langkettige Polymere erzeugt, aus denen Acrylfasern entstehen. Details des chemischen Prozesses, wie Temperatur, Atmosphäre, spezifische Comonomere und Katalysatoren, sind urheberrechtlich geschützt. Nach dem Waschen und Trocknen wird das pulverförmige Nitrit in einem organischen Lösungsmittel wie Dimethylsulfid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAC) oder Dimethylformamid (DMF) oder einem flüssigen Lösungsmittel wie Chlorid und Rhodaminsalzen gelöst. Organische Lösungsmittel tragen dazu bei, die Kontamination durch Spurenmetallpartikel zu vermeiden, die die thermische aerophile Stabilität des Verfahrens beeinträchtigen und die Wärmeleistung der fertigen Faser verlangsamen könnten. In diesem Stadium hat die Pulver- und Lösungsmittelsuspension bzw. die Vorläuferbeschichtung die Konsistenz eines Sirups. Die Auswahl des Lösungsmittels und der Grad der Kontrolle der Bösartigkeit der Beschichtung (durch Tiefenfiltration) sind für den Erfolg der nächsten Phase der Faserbildung von entscheidender Bedeutung.
Spinnen
PAN-Fasern werden im Nassspinnenverfahren hergestellt. Die Beschichtung wird in ein flüssiges Naturfaserbad getaucht und durch eine Öffnung einer Spinndüse aus wertvollem Material extrudiert. Die Öffnung ist auf die gewünschte Filamentanzahl der PAN-Faser abgestimmt (z. B. 12.000 Öffnungen bei 12K-Kohlefaser). Diese vergleichsweise dicke und spröde nassgesponnene Faser wird durch eine Walze gezogen, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen, anschließend getrocknet und gestreckt, um die Ausrichtung der PAN-Verbindung beizubehalten. Form und innerer Querschnitt der Filamente werden dabei durch das Eindringen des gewählten Lösungsmittels und des Mittels in die Vorläuferfasern, die angewandte Spannung und die relative Dehnung der Filamente bestimmt. Letztere ist herstellerspezifisch. Eine Alternative zum Nassspinnen ist ein kombiniertes Trockenstrahlen-/Nassspinnenverfahren, bei dem ein vertikaler Luftspalt zwischen den Fasern und dem Naturfaserbad entsteht. Dies führt zu einer glatten, kugelförmigen PAN-Faser, die die Faser-Matrix-Kolophonium-Grenzfläche im Verbundwerkstoff verbessert. Der letzte Schritt bei der Herstellung von PAN-Vorläuferfasern ist die Verwendung von Veredelungsölen, um die Verklumpung viskoser Filamente zu verhindern. Die weißen PAN-Fasern werden anschließend erneut getrocknet und auf eine Spule gewickelt.

Oxidation und Karbonisierung

Oxidation

Diese Spulen werden in den Korb geladen. In der längsten Produktionsphase, der Oxidationsphase, werden die PAN-Fasern durch eine Reihe spezieller Öfen geführt. Bevor sie in das Hauptgerät gelangen, werden die PAN-Fasern zu einem Strang oder einer Bahn, dem sogenannten Kettfaden, geformt. Die Kammertemperatur liegt zwischen ca. 200 °C und 300 °C.

Um eine unkontrollierte Wärmefreisetzung (geschätzte Enthalpiefreisetzung während der Oxidation, berechenbar auf 2.000 kJ/kg, entspricht der tatsächlichen Brandgefahr) zu vermeiden, verwenden Küchengerätehersteller verschiedene Luftströmungsarten zur Wärmeableitung und Temperaturregulierung. Die Oxidationszeit variiert je nach chemischer Vorstufe. Littler schätzt jedoch, dass das 24K-Faserkabel auf einer überdimensionierten Produktionsstraße mit mehreren Oxidationsöfen mit einer Geschwindigkeit von etwa 13 Metern pro Minute umgewandelt wird. Die umgewandelten (stabilisierten) PAN-Fasern enthalten schließlich etwa 500 bis 65 Kohlenstoffmoleküle, der Rest ist Gas, eine Mischung aus Atomzahl 7 und O.
Verkohlung
Die Karbonisierung erfolgt in einer inerten (sauerstofffreien) Atmosphäre in einer Reihe speziell entwickelter Öfen, wobei die Prozesstemperatur schrittweise erhöht wird. Am Wasser- und Auslassende jeder Kammer verhindert die Entwicklungskammer das Eindringen von Sauerstoff, da jedes Sauerstoffmolekül, das das Gerät passiert, einen Teil der Fasern entfernt. Dies kann den Verlust von Kohlenstoff verhindern, der bei dieser Hitze entsteht. In Abwesenheit von Sauerstoff werden ausschließlich Nicht-Kohlenstoffmoleküle, einschließlich Verbindungen und anderer flüchtiger organischer Verbindungen (stabilisiert auf einem Konzentrationsniveau von 40 bis 80 ppm) sowie Partikel (wie z. B. teilweise abgelagerte Faserfragmente) entfernt und zur Nachbehandlung in einem umweltkontrollierten Ofen aus dem Gerät ausgetragen. Die Karbonisierung beginnt in einer Temperaturkammer, erhitzt die Fasern auf 700–800 °C (1292–1472 °F) und endet in einer Wärmekammer auf 1200–1500 °C (2192–1500 °F). Die Anzahl der Kammern richtet sich nach dem gewünschten Modul der Kohlenstofffaser. Der vergleichsweise hohe Preis von Kohlenstofffasern mit hohem und extrem hohem Modul ist teilweise auf die Dauer und die Temperatur zurückzuführen, die im Wärmeofen erreicht werden müssen. Obwohl die Dauer proprietär ist und jede Kohlenstofffasersorte anders ist, wird die Oxidationsdauer in Stunden berechnet, die Karbonisierungsrate jedoch um eine Größenordnung in Minuten. Sobald die Faser ihren Zustand ändert, nehmen Gewicht und Volumen ab, die Länge wird um 5 bis 100 % verkürzt und der Durchmesser verringert sich. Tatsächlich liegt das quantitative Umwandlungsverhältnis des PAN-Vorläufers zur PAN-Kohlenstofffaser bei etwa 2:1, und die Verdrängungskapazität ist kleiner als 2, d. h. es gelangt deutlich weniger Material in den Prozess. Dieses Verfahren verbindet Sauerstoffmoleküle aus der Luft mit PAN-Fasern im Kettfaden und initiiert die Vernetzung der Verbindungsketten. Dadurch erhöht sich die Faserdichte von ~1,18 g/cm³ auf 1,38 g/cm³.

Oberflächenbehandlung und Leimung

Oberflächenbehandlung und Leimung
Der nächste Schritt ist entscheidend für die Faserleistung und unterscheidet neben den Vorläufern die Produkte eines Lieferanten optimal von denen der Konkurrenz. Die Haftung zwischen der organischen Matrixverbindung und den Kohlenstofffasern ist für die Verstärkung des Verbundwerkstoffs entscheidend. Während des gesamten Kohlenstofffaserherstellungsprozesses wird eine Oberflächenbehandlung durchgeführt, um diese Haftung zu verbessern.

Beitragszeit: 01.11.2018

Wie stellt man Kohlefaser her?

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Polymerisation und Spinnen

Oxidation und Karbonisierung

Oberflächenbehandlung und Leimung