DE202015004713U1 - Continuously fiber-reinforced non-woven fabrics of activated carbon fibers - Google Patents

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Abstract

Aktivierte textile Flächenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine komplexe Bauweise mit mindestens einer Schicht aus aktivierten Kohlenstofffasern in Form eines Vliesstoffes (aktivierte Schicht), mindestens einer Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters und mindestens einem strukturstabilisierenden Wirkfadensystem aufweist.Activated textile surface structure, characterized in that it has a complex construction with at least one layer of activated carbon fibers in the form of a nonwoven fabric (activated layer), at least one reinforcing layer in the form of a textile lattice and at least one structure-stabilizing knitting yarn system.

Description

Technisches SachgebietTechnical subject area

Gegenstand der Erfindung sind endlosfaserverstärkte Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern. Diese weisen im Vergleich zu den Vliesen ohne zusätzliche Verstärkung deutlich höhere Zug- und Reißfestigkeiten auf.The invention relates to continuous fiber-reinforced nonwovens made of activated carbon fibers. These have in comparison to the nonwovens without additional reinforcement significantly higher tensile and tear strengths.

Stand der TechnikState of the art

Aktivierte Kohlenstofffasern (AKF) stellen eine Sonderform der aktivierten Kohlen dar. Diese finden eine breite Anwendung bei der Produktion verschiedener Filter, Atemschutzmasken, Schutzbekleidung, technische Thermo- und Hitzeisolationen usw. Die aktivierten Kohlenstofffasern besitzen einen Faserdurchmesser zwischen 5 und 30 μm. Die Mikroporen auf der Faseroberfläche sind ca. 15–20 Å groß. Dank dieser Mikroporen weisen die Fasern, im Vergleich zu Kohlenstoffpulver mit einer Korngröße im Bereich zwischen 500 und 5000 μm, eine um Faktor 20 größere spezifische Oberfläche auf. Dank der realisierten Aktivfläche von ca. 700–2500 m2/g sind mit den Fasern besonders hohe Absorptions-Desorptionsgraden und Geschwindigkeiten zu erreichen. Diese einzigartigen Eigenschaften der aktivierten Kohlenstofffasern in Kombination mit deren hervorragenden Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit macht sie unersetzlich in zahlreichen Anwendungen, wie Heißgasfiltration, Luft- und Wasserfiltration sowie bei der Rückgewinnung organischer Substanzen und Lösungsmitteln.Activated carbon fibers (AKF) represent a special form of activated carbon. These are widely used in the production of various filters, respirators, protective clothing, technical thermal and heat insulation, etc. The activated carbon fibers have a fiber diameter between 5 and 30 microns. The micropores on the fiber surface are about 15-20 Å in size. Thanks to these micropores, compared to carbon powder having a grain size in the range between 500 and 5000 μm, the fibers have a factor of 20 greater specific surface area. Thanks to the realized active surface area of approx. 700-2500 m 2 / g, the fibers can achieve particularly high absorption desorption rates and speeds. These unique properties of activated carbon fibers combined with their excellent temperature and chemical resistance make them irreplaceable in many applications, such as hot gas filtration, air and water filtration, and the recovery of organic substances and solvents.

Wichtiger Vorteil der aktivierten Kohlenstofffasern stellt ihr textiler Charakter dar. Die AKF lassen sich leicht und ohne zusätzliche Modifikationen auf konventionellen Textilmaschinen zu verschiedenen Textilstrukturen, wie Garne, Geweben, Vliesstoffe, und Filze verarbeiten. Die realisierten Zwischenprodukte sind ihrerseits leicht durch Schneiden, Nähen, Kleben usw., zu komplexeren Halbzeugen zu konfektionieren.An important advantage of the activated carbon fibers is their textile character. The AKF can be processed easily and without additional modifications on conventional textile machines to various textile structures, such as yarns, fabrics, nonwovens, and felts. The realized intermediates are in turn easily made by cutting, sewing, gluing, etc., to form more complex semi-finished products.

Die Produktion von aktivierten Kohlenstofffasern erfolgt nach bereits bekannten technischen und technologischen Verfahren. In US4401588 , DE2715486 und in DE2345298 werden verschiedene Technologien für die Produktion von AKF ausführlich beschrieben.The production of activated carbon fibers takes place according to already known technical and technological processes. In US4401588 . DE2715486 and in DE2345298 various technologies for the production of AKF are described in detail.

Ausgangsmaterial für die Produktion von AKF sind meistens Zellulose- oder Acrylfasern, die bei hohen Temperaturen und in geeigneter Prozessgasatmosphäre zuerst oxidiert und anschließend carbonisiert werden. Die Aktivierung der Fasern erfolgt in einem weiteren Prozessschritt, bei dem unter Einwirkung von Wasserdampf, N2, CO2 oder anderer Chemikalien Mikroporen auf der Faseroberfläche gebildet werden.The starting material for the production of AKF are usually cellulose or acrylic fibers, which are first oxidized at high temperatures and in a suitable process gas atmosphere and then carbonized. The activation of the fibers takes place in a further process step in which micropores are formed on the fiber surface under the action of water vapor, N 2 , CO 2 or other chemicals.

Die Produktion von textilen Halbzeugen aus aktivierten Kohlenstofffasern erfolgt mittels verschiedener Technologien. Weit verbreitet sind die Produktionsverfahren, die in DE-OS2345297 , DE69809718 , JP62133124 , DE6922055 , EP199150 und US4565727 beschrieben werden. Bei allen diesen Technologien wird zuerst ein textiles Halbzeug, wie z. B. Geweben, Gewirk oder Gestrick, Vlies oder Filz, erzeugt, das anschließend thermisch stabilisiert und aktiviert wird. Ausgangsrohstoffe dafür sind meistens Zellulose, Polyacrylnitril, Pech usw. Die thermische Stabilisierung beinhaltet die Prozessschritte der Oxidation und der Karbonisation. Die Aktivierung erfolgt in einem separaten Prozessschritt, in einer Wasserdampf-, Stickstoff- oder CO2-Atmosphäre oder in einem Chemikalienbad. Eine Anwendung findet ebenfalls ein Produktionsverfahren, das in DE19729642 beschrieben wird. Bei diesem werden die Prozesse der thermischen Stabilisierung und der Aktivierung in einem einzigen Verfahrensschritt realisiert.The production of semi-finished textile products from activated carbon fibers takes place by means of various technologies. Widespread are the production methods used in DE-OS2345297 . DE69809718 . JP62133124 . DE6922055 . EP199150 and US4565727 to be discribed. In all these technologies, a semi-finished textile product, such as. As woven, knitted or knitted fabric, fleece or felt, which is then thermally stabilized and activated. Raw materials for this are usually cellulose, polyacrylonitrile, pitch, etc. The thermal stabilization includes the process steps of oxidation and carbonization. The activation takes place in a separate process step, in a steam, nitrogen or CO 2 atmosphere or in a chemical bath. An application also finds a production process that works in DE19729642 is described. In this process, the thermal stabilization and activation processes are realized in a single process step.

Je nach Rohstoff, Aufmachungsform der Fasermaterialien und Art der textilen Konstruktion unterscheiden sich die erzeugten aktivierten Halbzeuge voneinander in ihren mechanischen Eigenschaften und in ihren spezifischen Oberflächen und damit auch in ihren Absorption- und Desorptionseigenschaften. Die Geweben aus AKF zeichnen sich in Folge der Überkreuzung von Kett- und Schussfäden durch gute Zug- und Reiseigenschaften aus, weisen aber strukturbedingt eine niedrigere äußere aktive Oberfläche auf. Ähnliche Zusammenhänge werden ebenfalls bei den Gewirken und Gestricken aus AKF beobachtet. Im Gegensatz zu den Geweben, Gewirken und Gestricken besitzen die Vliese, Filze und andere Non-wovens besonders große aktive Oberfläche, jedoch auch deutlich niedrigere Zug- und Reißfestigkeiten.Depending on the raw material, packaging form of the fiber materials and type of textile construction, the activated semi-finished products produced differ from one another in their mechanical properties and in their specific surfaces and thus also in their absorption and desorption properties. As a result of the crossing of warp and weft threads, the fabrics of AKF are characterized by good tensile and travel properties, but have a structurally lower outer active surface area. Similar relationships are also observed with AKF knits and crocheted fabrics. In contrast to the woven, knitted and crocheted fabrics, the nonwovens, felts and other non-wovens have a particularly large active surface, but also significantly lower tensile and tear strengths.

In der Technik existierend unterschiedliche Strategien und Einstätze zur Verbesserung der Zug- und Reißfestigkeiten der Vliese und Filze und der anderen nicht gewebten Strukturen bei gleichzeitigen Beibehaltung der aktiven Oberfläche.Different strategies and approaches exist in the art to improve the tensile and tear strengths of the nonwovens and felts and other nonwoven structures while maintaining the active surface area.

In DE3346174 wird z. B. eine Technologie beschrieben, bei denen Zellulosefasern als Rohmaterial für die Produktion der aktivierten Kohlenstofffasern dienen. Zusätzlich werden mindestens 5% Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern) beigemischt, die zur Verfestigung der Struktur dienen. In diesem Fall, wird die Zug- und Reißfestigkeit der Struktur durch die Zugfestigkeit der PAN-Fasern bestimmt und limitiert. Nach einem anderen Verfahren, beschrieben in DE3339756 , werden zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge Hybridgarne eingesetzt. Dabei besteht das Kern des Hybridgarns aus hoch festen Glas- oder Keramikfasern und der Garnmantel aus karbonisiertem und aktiviertem Polymer. Nachteil dieser Technologie sind die hohen Prozesskosten für die Produktion der Hybridgarne sowie die relativ niedrige aktive Oberfläche der Struktur, da der aktivierte Kohlenstoff in Form eines Films und nicht in Form von Fasern vorliegt.In DE3346174 is z. B. describes a technology in which cellulose fibers serve as a raw material for the production of activated carbon fibers. In addition, at least 5% polyacrylonitrile (PAN) fibers are added, which serve to solidify the structure. In this case, the tensile and tear strength of the structure is determined and limited by the tensile strength of the PAN fibers. After another procedure, described in DE3339756 , are used to improve the mechanical properties of semi-finished hybrid yarns. This is the core of the hybrid yarn made of high-strength glass or ceramic fibers and the yarn jacket of carbonized and activated polymer. Disadvantages of this technology are the high process costs for the production of the hybrid yarns and the relatively low active surface area of the structure, since the activated carbon is in the form of a film and not in the form of fibers.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, Zug- und Reißfeste Vliese aus aktivierten Kohlenstofffasern zu schaffen, um damit neue Anwendungsbereiche und Einsatzmöglichkeiten für diese Produkte im Bereich der Technik zu erschließen. Dabei sollen in Folge der Armierung der Struktur keine Nachteile in Bezug auf die Filtrationseigenschaften des Materials entstehen.The invention is based on the object to create tensile and tear-resistant nonwovens made of activated carbon fibers in order to develop new applications and applications for these products in the field of technology. As a result of the reinforcement of the structure, there should be no disadvantages with regard to the filtration properties of the material.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.The invention is solved by the features of the main claim. The dependent claims give advantageous embodiments again.

Bei den zug- und reißfesten Vliesstoffen aus aktivierten Kohlenstofffasern handelt es sich um komplexe Halbzeuge mit einer Schichtbauweise, die auf einer bi- oder multiaxialen Kettenwirkmaschine mit parallelem Schusseintrag hergestellt werden. Dabei sind in dem Halbzeug eine oder mehrere aktiven Schichten und eine oder mehrere Armierungsschichten gleichzeitig enthalten.The tensile and tear-resistant nonwoven fabrics of activated carbon fibers are complex semi-finished products with a layered construction, which are produced on a biaxial or multi-axial warp knitting machine with parallel weft insertion. In this case, one or more active layers and one or more reinforcing layers are contained in the semifinished product at the same time.

Als aktivierte Schicht dienen Vliesstoffe mit einem Flächengewicht von 10 bis 5.000 g/m2. Diese bestehen aus aktivierten Kohlenstofffasern mit einer Länge zwischen 3 und 150 mm und einem Faserdurchmesser von 5 bis 40 μm. Die aktivierten Schichten werden von Rollen abgewickelt und auf das Transportband der Maschine abgelegt.The activated layer is made up of nonwovens having a weight per unit area of 10 to 5,000 g / m 2 . These consist of activated carbon fibers with a length between 3 and 150 mm and a fiber diameter of 5 to 40 μm. The activated layers are unwound from rolls and placed on the conveyor belt of the machine.

Als Armierungsschicht dient eine Gitterstruktur, die durch gerichtetes ablegen von endlosen Filamentgarnen aus Glas, Carbon, Keramik, Basalt oder Metall mit Hilfe der Schusseintragssystemen der multiaxialen Kettenwirkmaschine gebildet wird. Das Gitter weißt eine bevorzugte Maschenweite zwischen 2 und 200 mm auf. Die Armierungsgarne, die dabei eingesetzt werden, weisen eine Garnfeinheit zwischen 5 und 5000 tex auf. Um die o. g. Gitterstruktur abzubilden, werden die Armierungsgarne in zwei oder mehreren Lagen übereinander abgelegt. Dabei weisen die Armierungsgarne eine bevorzugte Orientierung auf, die über den einzelnen Schichten des Armierungsgitters unterschiedlich sein kann. Bevorzugte Orientierungswinkel liegen zwischen 0° und ±90°The reinforcing layer used is a lattice structure which is formed by directed deposition of endless filament yarns of glass, carbon, ceramic, basalt or metal with the aid of the weft insertion systems of the multiaxial warp knitting machine. The grid has a preferred mesh size between 2 and 200 mm. The Armierungsgarne, which are used, have a yarn count between 5 and 5000 tex. To the o. G. Depict grid structure, the Armierungsgarne be stored in two or more layers one above the other. In this case, the reinforcing yarns have a preferred orientation, which may be different over the individual layers of the reinforcing grid. Preferred orientation angles are between 0 ° and ± 90 °

Die Rheinfolge der aktiven Schichten und der Armierungsgitter im Halbzeug kann beliebig variiert werden. Zwei bevorzugte Varianten des Strukturaufbaus sind in 1 und 2 schematisch dargestellt. Bei Variante 1 (1) wird ein Armierungsgitter (2) zwischen zwei aktivierten Schichten (1) abgelegt. Bei Variante 2 (2) wird im Gegenteil eine aktivierte Schicht zwischen zwei Armierungsgitter abgelegt.The Rhine sequence of the active layers and the reinforcing grid in the semi-finished product can be varied as desired. Two preferred variants of the structure structure are in 1 and 2 shown schematically. In variant 1 ( 1 ) is a reinforcing grid ( 2 ) between two activated layers ( 1 ) filed. In variant 2 ( 2 On the contrary, an activated layer is deposited between two reinforcing meshes.

Die Stabilisierung und Fixierung des Halbzeugs erfolgt mittels Wirkfäden (3), die zur Maschenbildung in der Wirkeinheit der Kettenwirkmaschine eingesetzt werden. Bevorzugt werden dazu glatte oder texturierte Filamentgarne aus Polyester, Polyamid, Polypropylen oder Glas mit einer Garnfeinheit zwischen 3 und 500 tex verwendet.The stabilization and fixation of the semifinished product takes place by means of knitting threads ( 3 ), which are used for stitch formation in the active unit of the warp knitting machine. For this purpose, smooth or textured filament yarns of polyester, polyamide, polypropylene or glass with a yarn count of between 3 and 500 tex are preferably used.

Die endlosfaserverstärkten Vliesstoffe aus aktivierten Kohlenstofffasern vereinigen in sich die Vorteile der existierenden herkömmlichen Geweben und Vliese. Im Vergleich zu den Geweben aus aktivierten Kohlenstofffasern, weisen die endlosfaserverstärkten Vliesstoffe eine um ca. 20–30% größere aktive Oberfläche aus. Dadurch weisen die Endprodukte (z. B. Industriefilter oder Schutzbekleidung) auf Basis der endlosfaserverstärkten Vliesstoffe deutlich bessere Gebrauchseigenschaften auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Vliesen aus aktivierten Kohlenstofffasern weisen die endlosfaserverstärkten Strukturen eine um mindestens 50% höhere Zugfestigkeit auf. Damit werden die Einsatztauglichkeit und die Lebensdauer des Endprodukts deutlich erhöht. Durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften der aktivierten Vliese sollten aber auch neue Anwendungsfelder im Bereich der Technik erschlossen werden.The continuous fiber reinforced nonwoven fabrics of activated carbon fibers combine the advantages of existing conventional fabrics and nonwovens. In comparison to the fabrics made of activated carbon fibers, the continuous fiber-reinforced nonwovens have an approximately 20-30% larger active surface. As a result, the end products (eg industrial filters or protective clothing) based on the continuous fiber-reinforced nonwovens have significantly better service properties. Compared to conventional activated carbon fiber webs, the continuous fiber reinforced structures have at least 50% higher tensile strength. This significantly increases the suitability for use and the lifetime of the end product. The improved mechanical properties of the activated nonwovens should, however, also open up new fields of application in the field of technology.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (8)

Aktivierte textile Flächenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine komplexe Bauweise mit mindestens einer Schicht aus aktivierten Kohlenstofffasern in Form eines Vliesstoffes (aktivierte Schicht), mindestens einer Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters und mindestens einem strukturstabilisierenden Wirkfadensystem aufweist.Activated textile surface structure, characterized in that it has a complex construction with at least one layer of activated carbon fibers in the form of a nonwoven fabric (activated layer), at least one reinforcing layer in the form of a textile lattice and at least one structure-stabilizing knitting yarn system. Aktivierte textile Flächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schichtbauweise aufweist, bei der entweder eine Armierungsschicht zwischen zwei aktivierten Schichten gemäß 1 vorliegt oder eine aktivierte Schicht zwischen zwei Armierungsschichten gemäß 2 vorliegt.Activated textile surface structure according to claim 1, characterized in that it has a layer construction in which either a reinforcing layer between two activated layers according to 1 or an activated layer between two reinforcing layers according to 2 is present. Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierte Schicht in Form eines Vliesstoffes ein Flächengewicht zwischen 10 und 5.000 g/m2 aufweist und aus aktivierten Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 40 μm und einer Länge von 3 bis 150 mm aufgebaut ist.Activated textile surface structure according to one of the preceding claims, characterized in that the activated layer in the form of a nonwoven fabric has a basis weight between 10 and 5,000 g / m 2 and of activated carbon fibers having a diameter of 5 to 40 microns and a length of 3 to 150 mm is constructed. Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsschicht in Form eines textilen Gitters mit mindestens zwei unterschiedlich orientierten Fadensystemen aus Glas-, Carbon-, Keramik-, Basalt- oder metallischen Filamentgarnen, die eine Garnfeinheit von 5 bis 5000 tex aufweisen, aufgebaut ist.Activated textile surface structure according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcing layer in the form of a textile grid with at least two differently oriented thread systems of glass, carbon, ceramic, basalt or metallic filament yarns, a yarn count of 5 to 5000 tex have, is constructed. Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentgarne beider Fadensysteme des Armierungsgitters eine bevorzugte Orientierung mit einem Winkel von 0° bis ± 90° (gemessen von der Produktionsrichtung der Maschine) aufweisen.Activated textile surface structure according to one of the preceding claims, characterized in that the filament yarns of both thread systems of the reinforcing grid have a preferred orientation at an angle of 0 ° to ± 90 ° (measured from the production direction of the machine). Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen das verwendete Armierungsgitter eine bevorzugte Länge und Breite zwischen 2 und 200 mm aufweisen.Activated textile surface structure according to one of the preceding claims, characterized in that the cells have the reinforcing grid used a preferred length and width between 2 and 200 mm. Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihre aktivierten und armierenden Schichten anhand von über Kettenwirktechnologie gebildeten Maschen zueinander fixiert sind.Activated textile surface structure according to one of the preceding claims, characterized in that their activated and reinforcing layers are fixed to one another by means of stitches formed by warp knitting technology. Aktivierte textile Flächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Stabilisierung der Struktur eingesetzten Wirkfäden eine Garnfeinheit zwischen 3 und 500 tex aufweisen und in Form von glatten oder texturierten Filamentgarne aus Polyester, Polyamid, Polypropylen oder Glas vorliegen.Activated textile fabric structure according to one of the preceding claims, characterized in that the warp threads used to stabilize the structure have a yarn count between 3 and 500 tex and are in the form of smooth or textured filament yarns of polyester, polyamide, polypropylene or glass.
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