DE2363415C3 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Kohlenstoff-Fasern - Google Patents
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Kohlenstoff-FasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Kohlenstoff-Fasern, und sie bezieht
sich insbesondere auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von ICohlenstoff-Fasern, durch das diesen
Kohlenstoff-Fasern eine gute Affinität zu einer Polymerisat-Matrix verliehen wird, die zusammen mit
Füllstoffen, z. B. Fasern, als Formmasse verwendet 4s
wird.
Kohlenstoff-Fasern erweisen sich in der Beziehung als vorteilhaft, als sie hohe mechanische Festigkeitseigenschaften und Elastizität sowie ein niedriges spezifisches
Gewicht zusammen mit anderen hervor- so ragenden Eigenschaften wie zum Beispiel Hitzebeständigkeit,
chemische Beständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Selbst-Sctiinierlahigkeit und dergleichen aufweisen.
In jüngster Zeit sind viele Untersuchungen auf Kohlenstoff-Fasern als Verstärkungsmaterial ge- <ö
richtet worden. Bei der Herstellung einer Formmasse aus einem Polymerisat und Füllstoffen (d. ti. eines
faserverstärkten Kunststoffes) wurden Kohlenstoff-Fasern
in Form langer Fasern oder kurzer Fasern oder als ein gewebtes oder ein nichtgewebtes Faser-
<,o crzeugnis in Kombination mit einer Matrix aus einem
Polymerisat verwendet, einschließlich eines thermoplastischen Harzes wie zum Beispiel eines Polyacetat-Harz.es.
eines Polyamid-Harzes, eines Polyester-Harzes, eines Polyolefin-I lar/cs. eines Polyacryl-llarz.es, eines (,s
lluoihaltigen Harzes, eines Polyvinylchlorid-Harzes oder dergleichen und eines wiirmchärtcndcn Harzes.
wie zum Beispiel eines Epoxy-IIarz.cs, eines ungesättigten
Polyester-Harzes, eines Phenol-Harzes, eines Polyimid-Harzes oder dergleichen, um dem zusammengesetzten
Material vielseitige Verwendungsmöglichkeit als ein Strukturmaterial, ein wärmebeständiges
Material, ein elektrisch leitlahiges Material, ein reibungsbeständiges Material und dergleichen zu verleihen.
Es traten jedoch Schwierigkeiten auf, die darin lagen, daß die Kohlenstoff-Faser im allgemeinen eine
geringe Affinität zu einem synthetischen Harz besitzt, so daß, wenn sie mit einer synthetischen Harzmatrix
vermischt wird, es schwierig ist, ein zusammengesetztes
Material mit zufriedenstellenden physikalischen oder mechanischen Eigenschaften zu erhalten,
da die KohlenstofT-Faser eine geringe Adhäsion zu der Matrix oder geringe Benetzbarkeit mit der Matrix
besitzt.
Dementsprechend ist es allgemeine Praxis, bei der Herstellung von Formmassen aus einem Polymerisat
und Füllstoffen, die Oberflächen einer Kohlenstoff-Faser so vorzubehandeln, daß die Affinität der Kohlenstoff-Faser
zu einem synthetischen Harz verbessert wird, /um Beispiel wird in einem gut bekannten
Oxydationsverfahren die Kohlenstoff-Faser in Flüssigkeits- oder Gasphase allgemein oxydiert (vgl. die
US-PS 36 60 140), um auf den Oberflächen der Kohlenstoff-Faser sauerstoffhaltige funktioneile Gruppen,
wie zum Beispiel Carboxyl-Gruppen, Carbonyl-Gruppen, Lacton-Gruppen und/oder Hydroxyl-Gruppen
zu bilden und gleichzeitig die Oberflächengröße der Kohlenstoff-Faser zu erhöhen. Jedoch ist die
oxydierte Kohlenstoff-Faser noch immer unzulänglich in der Affinität zu einem synthetischen Harz, und
die gebildete Formmasse aus Polymerisat und Füllstoff, bei der die oxydierte KohlenstofT-Faser verwendet
wird, wjist eine nachteilig niedrige Beständigkeit gegen Wasser auf, da die auf den Oberflächen der
Kohlenstoff-Faser gebildeten funktioneilen Gruppen hydrophile Gruppen sind. Weiterhin kann die Kohlenstoff-Faser,
ueren Oberflächen durch die erzeugten funktionelien Gruppen mehr oder weniger angesäuert
sind, eine synthetische Harzmatrix während der Herstellung eines zusammengesetzten Materials angreifen.
Insbesondere wenn ein Polyacetal-Harz, welches einem
Angreifen durch eine Säure leicht nachgibt, als eine Matrix verwendet wird, weisen das Matrixpolymerisat
und das daraus gebildete Endprodukt verschlechterte physikalische oder mechanische Eigenschaften auf.
Dementsprechend bestand eine starke Nachfrage nach einem Verfahren zur Behandlung von Oberflächen
von Kohlenstoff-Fasern, um diesen eine verbesserte Affinität und hervorragende Adhäsion zu
einer Polymerisat-Matrix zu verleihen, ohne daß das daraus entstehende Produkt Nachteile aufweist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Koh-IcnstofT-Fascr
zu schaffen, um deren Affinität zu einem Polymerisat zu verbessern.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Kohlenstoff-Faser
zu schaffen, durch das die Oberfläche der KohlenstofT-Faser mit verbesserter Adhäsionsfähigkcil
zu einer Polymer-Matrix ausgestattet werden.
Andere Gegenstände, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus iler folgenden
Beschreibung.
Ausgehend von der Annahme, daß, wenn die Kohlenstoff-Fasern
oxydiert werden, um sauersloffhalligc funktinnellc Gruppen auf den gesamten Oberflächen
der Fasern wie oben beschrieben zu bilden, und dann die funktionellen Gruppen mit einer geeigneten Verbindung
zur Reaktion gebracht werden, um ein Produkt mit einer guten Affinilät zu einem synthetischen
.Harz zu liefern, es möglich werden würde, die Nachteile zu vermeiden, die dem bekannten Oxydationsverfahren
innewohnen, führten die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine ausgedehnte Untersuchung
durch, um eine Verbindung zu suchen, die mit den funktionellen Gruppen reagiert und die in der Lage
ist, auf den Oberflächen der Kohlenstoff-Fasern chemische Strukturen zu erzeugen, die eine hervorragende
Affinität zu einem synthetischen Harz aufweisen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß eine Verbindung wie
Ammoniak, ein organisches Amin, ein Lactam oder eine Amino-Carbonsäure für diese Zwecke dienen
kann. Das heißt, ein Produkt, das durch Wechselwirkung zwischen einer der eben genannten Verbindungen
und den funktionellen Gruppen erhallen wird, besitzt bei einer Temperatur von 100 bis 500 C
eine äußerst hervorragende Affinität zu einem synthetischen Harz.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Kohlenstoff-Faser
geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß sauerstoffhaltige funktioneile Gruppen aus den Oberflächen
der Kohlenstoff-Faser durch eine Oxydationsbehandlung gebildet werden und die funktionellen
Gruppen mit einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ammoniak, einem organischcn
Amin, einem Lactam, einer Aminocarbonsäure und Benzoesäureamid bei einer Temperatur von
100 bis 500C zur Reaktion gebracht werden. Die entstehende Kohlenstoff-Faser weist hervorragende Adhäsion
zu einer synthetischen Harzmatrix auf, die üblicherweise bei der Herstellung eines zusammengesetzten
Materials verwendet wird, und kann auf diese Weise zur Erzeugung eines zusammengesetzten
Materials mit optimalen physikalischen und mechanischen Eigenschaften beitragen.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Kohlenstoff-Faser
zuerst oxydiert, um sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen auf den Oberflächen derselben zu
bilden. Die Oxydation kann durch irgendein bekanntes Verfahren durchgeführt werden, einschließlich
eines Oxydationsverfahrens in nüssiger Phase unter Verwendung einer wäßrigen Salpetersäurelösung, einer
wäßrigen Chromsäurelösung, einer wäßrigen Chromatlösung,
einer wäßrigen Bichromatlösung, einer wäßrigen Permangansäurelösung, einer wäßrigen Permanganatlösung,
einer wäßrigen Unterchlorigesäurelösung, einer wäßrigen I lypochloritlösung oder eines wäßrigen
Wasserstoffperoxyds; eines anodischen Oxydationsverfahrens unter Anwendung von Elektrolyse und eines
Oxydationsverfahrens in der Gasphase unter Verwendung von Wasserdampf, Luft, Sauerstoff, Ozon oder
StickstolToxyd.
Auf den Oberflächen der so behandelten Kohlenstoff-Fasern werden sauerstolThaltige funktionell
Gruppen, wie zum Beispiel Carboxyl-Gruppen, Carbonyl-Gruppcn,
Lacton-Gruppen und/oder Hydroxylgruppen gebildet. Ls ist überflüssig /u bemerken,
daß die Oxidationsbehandlung die Kohlenstoff-Faser selbst nicht verschlechtern und keine Verringerungen
in den mechanischen Fesligkeitseigenscliaftcn der <^
Faser bewirken sollte.
Die funktionellen Gruppen, die auf den Oberflächen der Kohlenstoff-Fasern gebildet worden sind, werden
mit einer Verbindung, ausgewählt aus Ammoniak, einem organischen Amin, einem Laciam, einer Aminocarbonsäure
oder Benzoesäureamid, unter erhöhten Tempsraturbedingungen zur Reaktion gebracht. Das
bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbare organische Amin schließt zum Beispiel
ein Amin wie Anilin, Triethylamin, Pyridin, Chinolin, Äthylendiamin, Hexamethylendiamin oder dergleichen
oder ein Aminosilan wie a-minopropyltriäthoxysilan,
n-trimethoxysilylpropyläthylendiamin
oder dergleichen ein. Dagegen schließen Beispiele für das Lactam Verbindungen mit einer Lactamstruktur
ein, wie zum Beispiel r-Caprolactam, Butyrolactam, c-Caprylactam und dergleichen. Die Amino-Carbonsäure
ist zum Beispiel eine aliphatische Aminosäure wie Aminobuttersäurc, Aminovaleriansäure, Aminocapronsäure
oder dergleichen oder eine aromatische Aminosäure wie Aminomethylbenzoesäure, Aminobenzoesäure,
D/aminobenzoesäure oder dergleichen.
Wenn Ammoniak für die Reaktion verwendet wird, werden die oxydierten Kohlenstoff-Fasern zuerst in
einen Ofen mit 100 bis 500 C eingeführt, und dann wird Ammoniakgas, das mit Wasserdampf oder Luft
oder einem inerten Gas wie Stickstoff oder Argon verdünnt ist, oder 100%iges Ammoniak dem Ofen
zugeführt.
Dabei wird bei einem organischen Amin, einem Lactam oder einer Aminocarbonsäure die oxydierte
Kohlenstoff-Faser zuerst in einen Ofen mit 100 bis 500 C eingeführt, und dann wird das organische Amin,
Lactam oder die Aminocarbonsäure, die unter geeigneten Sublimationstemperatur- und Dampfdruckbedingungen
erhitzt und vergast worden sind und die, wenn es notwendig ist, mit einem inerten Trägergas wie
zum Beispiel Stickstoff oder Argon gemischt sind, zur Kontaktierung mit der Kohlenstoff-Faser in den
Ofen eingeführt. Alternativ dazu kann das organische Amin, das Lactam oder die Aminocarbonsäure in
einem Lösungsmittel wie Wasser oder einem Alkohol gelöst werden, und die oxydierte Kohlenstoff-Faser
wird in die entstehende Lösung eingetaucht, um so das organische Amin, das Lactam oder die Aminocarbonsäure
auf den Oberflächen der Fasern in einer Menge von etwa 0,01 bis 10Gew.-%, bezogen auf die
Kohlenstoff-Faser, niederzuschlagen. Die so eingetauchten Kohlenstoff-Fasern werden dann in einem
Ofen mit 100 bis 500"C zur Reaktion angeordnet. In dieser Hinsicht sei bemerkt, wenn die Reaktionstemperaturen
über 500 C liegen, wird kein Reaktionsprodukt erhalten, oder wenn es doch ei halten wird, wird
das Produkt sofort thermisch zersetzt. Andererseits würde, wenn die Reaktionstemperaturen unter 100'C
eingestellt werde, die Reaktion nicht in einer zufriedenstellenden Weise fortschreiten. Dementsprechend
sollten die Reaktionstemperaturen innerhalb eines Bereiches zwischen 100 und 500 C, vorzugsweise
100 bis 400'C, liegen. Weiterhin ist die Reaktionszeit nicht kritisch, aber sie liegt üblicherweise
innerhalb eines Bereiches von einer Minute bis fünf Stunden, vorzugsweise zwischen 10 und 60 Minuten.
Fs wird bevorzugt, die Reaktion in einer Atmosphäre aus Luft oder einem inerten Gas wie zum Beispiel
Stickstoff oder Argon durchzuführen.
Das Verfuhren der vorliegenden Erfindung ist auf last alle Kohlenstoff-Fasern, einschließlich Graphit-Fasern,
anwendbar. Weiterhin besitzt die Kohlenstoff-Faser, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
behandelt worden ist, eine Affinität /u den
meisten synthetischen Harzen. Insbesondere, wenn die behandelte KohlenstofT-Faser als eine Verstärkung für
ein zusammengesetztes Material verwendet wird, das als Matrixharz ein Polyacetalharz, e.n Polyimidharz
oder ein Epoxyharz inkorporie1"! enthält, kann ein
zusammengesetztes Material erhalten werden, das äußerst hervorragend in seinen physikalischen und
mechanischen Eigenschaften ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun in den folgenden Beispielen spezieller dargestellt, die jedoch in keiner
Weise als Begrenzung der vorliegenden Erlindung, die in den Patentansprüchen beschrieben ist. aufgefaßt
werden sollen.
100 g Kohlenstoff-Fasern, die aus Pechfasern durch übliches Carbonisieren erhalten und in eine mittlere
Länge von 3 mm geschnitten worden waren, wurden in etwa I Liter einer 1 %igen wäßrigen Natriumhypochlorillösung
mit einem pH-Wert von 5,5 bei einer Temperatur von 25 C eine Stunde lang eingetaucht,
worauf ausreichendes Waschen und Trocknen folgte. Dann wurden die so getrockneten Kohlenstoff-Fasern
15 Minuten lan;.' bei 300 C in einen Ofen gebracht, in den Stickstollgas, das 30Volumen-% Ammoniak
enthielt, mit einer Durchflußrate von ^ Liter pro Minute zur Reaktion mit den Fasern eingeführt wurde.
Danach wurden 100 g Polyacetalharzpulver als eine Harzmatrix mit 25 g der behandelten Kohlenstoff-Fasern
mittels eines Mischers ausreichend gemischt. In dieser Verfahrensstufe besaßen die Kohlenstoff-Fasern
eine durchschnittliche Faserlänge von weniger als 0,5 mm. Die entstandene Mischung wurde vollständig
getrocknet und in eine Form eingefüllt, die eine Größe von 10 cm (Breite) χ 10 cm (Länge) χ 3 mm
(Dicke) besaß. Die Form wurde mittels einer Heißpreßmaschinc auf 200 C erhitzt, um unter einem Druck
von 180 kg/cm2 den Formpreßvorgang durchzuführen, wenn die Heiztemperatur 200 C erreicnte.
Das entstandene Preßstück wurde in Teststücke geschnitten, von denen jedes eine Größe von 3 mm
(Dicke) χ 12,7 mm (Breite) χ 100 mm (Länge) besaß, die der Messung der »3-Punkt-Biegefestigkeit« durch
das in ASTM-D 790 vorgeschriebene Verfahren und der Izod-Schlagfesligkeit gemäß dem in ASTM-D 256
vorgeschriebenen Verfahren unterworfen wurden.
Für Vcrgleichszwecke wurden zwei verschiedene Preßlinge in der gleichen Weise wie oben erwähnt
hergestellt, wobei jedoch unbehandelte Kohlenstoff-Fasern und mit Natriumhypochlorit behandelte Kohlenstoff-Fasern
verwendet wurden. Die zwei Arten von Preßlingen wurden in Teststücke gerchnitten, die
die gleiche Größj besaßen, und dem gleichen Meßvorfahren wie oben beschrieben unterworfen.
Die Testergebnisse sind nachstehend angegeben.
Wenn nur die Oxydationsbehandlung, d. h. die Behandlung mit Natriumhypochlorit allein, vorgenommen
wurde, wurde das als Harzmatrix verwendete Polyacetalharz thermisch zersetzt, ohne daß das gewünschte
zusammengesetzte Material erzeugt wurde.
Dann wurde das oben angegebene Verfahren und das Vergleichsverfahren mit der Ausnahme wiederholt,
daß das Polyacetalharz durch ein Nylonhar/ ersetzt wurde. Die entstandenen drei Arten von Preßlingen
wurden zu entsprechenden Teststücken ausgeformt, deren mechanische Festigkeitseigenschaften in
der gleichen Weise wie oben beschrieben bestimmt wurden. Die Testergebnisse sind nachfolgend angegeben.
KohlenstofT-Iaser
Biegefestigkeit l/od-Kerb-Schlagfestigkcil
(kg/cnr ) (kg ■ cm/cm ι
Unbehandelt 1350
Oxydiert 1550
Behandeil durch das 1630
Verfahren der Erfindunu
Verfahren der Erfindunu
5.5
5.0
5.9
5.0
5.9
Aus den vorstehenden Testergebnissen gehl klar
hervor, daß uie Oberflächenbehandlung gemäß der
vorliegenden Erfindung zur Stabilisierung der Matrixharze und zur Verbesserung der Adhäsion der Kohlenstoff-Faser
an den Harzmatrizen beiträgt, was zu einem bemerkenswerten Anwachsen der mechanischen
Festigkeitseigenschaften der zusammenge-
IS setzten Materialien führt.
Die gleiche Art und Menge Kohlenstoff-Fasern.
wie sie in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde drei
Stunden lang in einer Atmosphäre aus Luft in einem Ofen bei 350 C" oxydiert, wozu dann Stickstoffgas.
das 10 VnI.-% Ammoniak enthielt, mit einer Durchflußrate
von 3 l/Min, zur Kontaktierung mit den Fasern 30 Minuten lang bei 250 C eingeführt wurde.
Die entstandenen Fasern wurden mit einem als Harzmatrix verwendeten Polyacetalharz in der gleichen
Menge wie in Beispiel 1 gemischt, das dann in der gleichen Weise wie in Beispiel I beschriebenen Weise
verformt und zu Testslücken ausgeformt wurde. Die Teststücke wurden den gleichen Tests aus Beispiel 1
unterworfen. Die Testergebnisse warin wie folgt:
Kohlensloft"-I;aser
Biegefestigkeit Izod-Schlagfcstigkeil
ungckcrbt
ungckcrbt
(kg/crrr: (kg ■ cm/cmi
KohlcnstoH-I-aser
Biegefestigkeit Izod-Schlag-
lestigkeit. (>o Unbehandelt
(kg/cm?)
ungekerbl
(k2 cm/cm)
(k2 cm/cm)
llnbehandell 820 15.8
Oxydiert
Behandelt durch das 1250 30.4
Verfahren der Erfindunc
Oxydiert
Behandelt durch das
Verfahren der Erfindung
Verfahren der Erfindung
820
118(1
15.8
31.5
Bei der Lultoxydations-Behandlung wurde das PoIvacelalhar/
thermisch /erset/t. und das gewünschte zusammengesetzte Material konnte nicht erhallen
werden. Daher war die Luttoxydation für die Oberflächenbehandlung von Kohlenstoff-Fasern ungeeignet.
Die gleiche Art und Menge Kohlenstoff-Fasern, die in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde in einer
Atmosphäre aus Argon weiter auf 2000 C erhitzt, und die entstandenen Fasern wurden auf eine durchschnittliche
Länge von 3 mm geschnitten. Die derart geschnittenen Fasern waren eine Stunde lang bei 30 C"
in eine wäßrige 2%ige Natriumhypochloritlösung mit einem pH-Wert von 5,5 eingetaucht, worauf ausreichendes
Waschen und Trocknen folgte.
Dann wurden die so getrockneten Kohlenstoff-Fasern in einen Ofen eingebracht, dem zur Kontaktierung
mit den Fasern 40 Minuten lang bei 250 C durch Stickstoffträgergas getragenes Triäthylamin zugeführt
wurde.
Die entstandenen Fasern wurden in der in Beispiel 1 angegebenen Menge mit einer Harzmatrix aus einem
Polyacetalharz gemischt, das dann in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gepreßt und zu Teststücken
ausgeformt wurde. Die Teststücke wurden der Messung von mechanischen Festigkeitseigenschaften, wie in
Beispiel 1 angegeben, unterworfen.
Das oben angegebene Verfahren wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß jeweils unbehandelte Kohlenstoff-Fasern
und nur oxydierte Kohlenstoff-Fasern verwendet wurden.
Die Testergebnisse sind nachfolgend angegeben.
Kohlcnsioff-Faser
Biegefestigkeit
(kg/cnr)
Izod-Schlagfestigkeil
ungekerbt
(kg- cm/cm)
ungekerbt
(kg- cm/cm)
Unbehandelt 850 16.5
Oxydiert
Behandelt durch das 1270 29,5
Verfahren der Erfindung
Weiterhin wurden die drei entsprechenden Arten von Kohlenstoff-Fasern, das heißt die unbehandelten,
die oxydierten und die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelten Kohlenstoff-Fasern,
mit einer Harzmatrix aus einem Epoxyharz unter ausreichendem Rühren in einer Konzentration von
50 Vol.-% gemischt, und die entstandenen Mischungen wurden bei 180 C formgepreßt. Die entstandenen
Preßlinge wurden jeweils in Teststücke ausgeformt, um die Biegefestigl· eit zu bestimmen. Die Testergeb
wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 oxydiert und in eine wäßrige 0,l(gewichts)%igc tr-Aminopropyltriäthoxysilan-Lösung
eingetaucht. Dann wurden die eingetauchten Fasern aus der Lösung herausgezogen, und die Lösung wurde aus den Fasern so
abgepreßt, daß das Gesamtgewicht der Fasern und Hintauchlösung auf 200 g gebracht wurde. Dann wurden
die Kohlenstoff-Fasern in einem Ofen in einer Atmosphäre aus Luft drei Stunden lang bei 100 C"
ίο thermisch behandelt.
Danach wurde das Verfahren nach Beispiel I wiederholt, wobei als Harzmatrix ein Polyacetalharz verwendet
wurde.
Für Vergleichszwecke wurde das oben angegebene Verfahren mit der Ausnahme wiederholt, daß jeweils
entsprechende unbehandelte und nur oxydierte Kohlenstoff-Fasern verwendet wurden.
Die Testergebnisse waren wie folgt:
| KohlenslolT-Faser | Biegefestigkeit | Izod-Schlag- |
| fesligkeit | ||
| ungekcrbt | ||
| (kg/cm2) | (kg · cm/cm) | |
| Unbehandelt | 850 | 16,5 |
| Oxydiert | - | - |
| Behandelt durch dai | ;■ 1300 | 33,0 |
| Verfahren der Erfindung | ||
| Beispiel 5 |
Die gleiche Art und Menge Kohlenstoff-Fasern, die in Beispiel 1 verwendet worden waren, wurde
in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 oxydiert und in 1 Liter einer wäßrigen 5(gewichts)%igen f-Caprolactam-Lösung
eingetaucht. Nach ausreichendem Eintauchen wurden die Kohlenstoff-Fasern aus der Lösung
herausgezogen, und die Lösung wurde aus den Fasern abgepreßt, um das gesamte Gewicht auf 200 g
einzustellen. Dann wurden die Kohlenstoff-Fasern 40 Minuten lang in einen Ofen zur Behandlung in
einer Atmosphäre aus Stickstoff bei 270 C eingeführt.
Dann wurde das Verfahren von Beispiel 1 wiederholt, wobei ein Polyacetalharz als Harzmatrix verwendet
wurde.
Für Vergleichszwecke wurde das oben angegebene Verfahren mit der Ausnahme wiederholt, daß jeweils
entsprechend unbehandelte und nur oxydierte Kohlenstoff-Fasern verwendet wurden.
Die Testergebnis.se waren wie folgt:
| nisse waren wie | folgt: | der | Biegefestigkeit (kg/cm2) |
KohlenstofT-Faser 55 |
Biegefestigkeit Izod-Schlag- festigkeit ungekerbt (kg/cm2) (kg cm/cm] |
15,8 |
| Kohlenstoff-Faser | 4 | 890 | to Unbehandelt | 820 | - | |
| Unbehandelt | 970 | Oxydiert | - | 29,5 | ||
| Oxydiert | 1090 | Behandelt durch das Verfahren der Erfindung |
1265 | oben angegebene Verfahre! | ||
| Behandelt durch Erfindung |
das Verfahren | ft.s Weiterhin wurde das | ||||
| Beispiel | ||||||
100g der gleichen Art und Menge Kohlenstoff-Fasern wie sie in Beispiel 1 verwendet worden waren.
unter Verwendung eines Nylonharzes als Harzmatri; zusammen mit unbehandelten Kohlenstoff-Fasern
oxydierten Kohlenstoff-Fasern und gemäß dem erfin
dungsgemäßen Verfahren behandelten Kohlenstoff-Fasern wiederholt.
Die Testergebnisse waren wie folgt:
Die Testergebnisse waren wie folgt:
| Kohlcnsioll-Kaser | Biegefestigkeit | Izod-Kerb- |
| Schlugfeslig- | ||
| keit | ||
| (kg/cm2) | (kg · cm/cm) | |
| Unbehandelt | 1350 | 5,5 |
| Oxydiert | 1550 | 5,0 |
| Behandelt durch das | 1700 | 5,9 |
Verfahren der Erfindung
Aus der Tabelle ist klar ersichtlich, daß die Oberflächenbehandlung
gemäß der Erfindung bemerkenswerte Wirksamkeit im Vergleich zu der bloßen Oxydationsbehandlung
zeigt.
Die gleiche Art und Menge Kohlenstoff-Fasern, wie sie in Beispiel 1 verwendet worden waren, wurde'
in einem Ofen in einer Atmosphäre aus Luft bei 350 C drei Stunden lang oxydiert. Dann wurde ,
pulverförmiges f-Caprolactam auf eine Heizplatte mit
300'C mit einer Rate von lg/Min, zur Sublimation
tropfen gelassen und mit Stickstoffgas gemischt. Der sublimiertes Lactam enthaltende Stickstoff wurde dem
Ofen bei 300 C mit einer Durchflußrate von 1 l/Min, zur Behandlung der Kohlenstoff-Faser 30 Minuten lang
zugeführt.
Das Verfahren von Beispiel 1 wurde dann wiederholt, wobei ein Polyacetalharz als eine Harzmatrix
verwendet wurde.
Die Testergebnisse waren wie folgt:
KohlenstofT-Faser
Biegefestigkeit Izod-Schlagfestigkeit
ungekerbt
ungekerbt
40
(kg/cm')
(kg- cm/cm)
Unbehandelt 820 15,8
Oxydiert
Behandelt durch das 1285 31,7
Verfahren der Erfindung
Bei der Luftoxydation wurde das Polyacetalharz thermisch zersetzt, und dementsprechend konnte keine
gewünschte Formmasse erhalten werden, was zeigt, daß die Oxydation zur Verwendung als Oberflächenbehandlung
ungeeignet ist.
55
Die gleiche Art und Menge Kohlenstoff-Fasern, die in Beispiel 3 verwendet worden war, wurde in
der gleichen Weise wie in Beispiel 3 weiter oxydiert. Die entstandenen Kohlenstoff-Fasern wurden ausreichend
in eine 2(gewichts)%ige p-Aminomethylbenzoesäure-Methanol-Lösung
eingetaucht. Dann wurden die Kohlenstoff-Fasern aus der Lösung herausgezogen, und die Lösung wurde aus den Kohlenstoff-Fasern
abgepreßt, bis das Gewicht der abgepreßten Lösung gleich dem der Kohlenstoff-Fasern wurde. Dann wurden
die Kohlenstoff-Fasern in einen Ofen gebracht und in einer Atmosphäre aus Stickstoff bei 320C
30 Minuten lang behandelt.
Danach wurde das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 wiederholt, wobei ein Polyacetalharz zum Ausformen
und zur Bildung von Teststücken verwendet wurde, worauf die Bestimmung der mechanischen
Festigkeitseigenschaften der Teststücke erfolgte.
Für Vergleichszwecke wurde das oben angegebene Verfahren mit der Ausnahme wiederholt, daß jeweils
entsprechend unbehandelte Kohlenstoff-Fasern und oxydierte Kohlenstoff-Fasern verwendet wurden.
Die Testergebnisse waren wie folgt:
Kohlenstoff-Faser
Biegefestigkeit Izod-Schlagfestigkeit
ungekerbt
ungekerbt
(kg/crn^)
(kg -cm/cm)
Unbehandelt 850 16,5
Oxydiert
Behandelt durch das 1190 28,3
Verfahren der Erfindung
Weiterhin wurde das oben angegebene Verfahren mit der Ausnahme wiederholt, daß die oben angegebenen
drei Kohlenstoff-Faserarten entsprechend mit einem als Harzmatrix verwendeten Epoxyharz in
einem Äquivalenten Volumenverhältnis gemischt wurden, und die Mischungen bei 180C ausgeformt.
Die entstandenen entsprechenden Preßlinge wurden zur Bestimmung der Biegefestigkeit, wie oben erwähnt,
zu Teststücken ausgeformt.
Die Testergebnisse waren wie folgt:
Kohlenstoff-Faser
Biegefestigkeit (kg/cm2)
Unbehandelt 890
Oxydiert 970
Behandelt durch das Verfahren der 1060
Erfindung
Erfindung
Claims (5)
1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von
Kohlenstoff-Fasern unter Ausbildung funktioneller s Gruppen durch Behandlung mit reaktiven Verbindungen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern oxydiert werden, um sauerstoffhaltige
funktionell Gruppen auf den Oberflächen dieser Kohlenstoff-Fasern zu bilden, und daß
diese sauerstoffhaltigen funktioneilen Gruppen bei einer Temperatur von 100 bis 500 C" mit Ammoniak,
einem organischen Amin, einem Lactam, einer Amino-Carbonsäure oder Benzoesäureamid
zur Reaktion gebracht werden. is
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, bei welcher die
oxidierten Kohlenstoflasem behandelt werden, innerhalb eines Bereiches von 100-400 C" lieg!.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Amin, Anilin, Triäthylamin,
Pyridin, Chinolin, Äthylendiamin, Hexamethylendiamin, y-aminopropyltriäthoxysilan oder
n-trimethoxysilylpropyl-äthylendiamin verwendet
wird. 2s
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lactam f-Caprolactam, Butyrolactam
oder r-Capryluctam verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß AminoCarbonsäure Aminobuttersäure,
Aminovaleriansäure, Aminocapronsäure, AminoiTiethylbenzoesäure, Aminobenzoesäure
oder Diaminobenzoesäure verwendet wird.
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