DE102012004118A1 - Carbon fibers, carbon fiber precursors and their production - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von hochfesten Endlosfilamentgarnen mit kompakter, besonders homogener Strukturmorphologie auf der Basis von Polyacrylnitril für Carbonfaser-Precursoren, die auf Basis dieses Verfahrens hergestellt werden, sowie Carbonfasern, die nach Carbonisierung der Carbonfaser-Precursoren erhältlich sind. Die Faserbildung erfolgt im Rahmen eines Nass- oder Trockennass-Verfahrens aus Polymerlösungen in ionischen Flüssigkeiten. Bei der Herstellung von Garnen und Filamenten erfolgt unmittelbar nach Ausfällung in einem organischen Lösungsmittel bzw. einer verdünnten wässrigen Lösung der betreffenden ionischen Flüssigkeit oder in einer Sattdampfzone ein Nachverstrecken der frisch gesponnenen Formkörper. Die erhaltenen Precursor-Garne und -Filamente besitzen vorrangig erhöhte Reißfestigkeit bei gleichzeitig ausreichender Dehnung, einen runden Querschnitt sowie eine kompakte, besonders homogene Fasermorphologie und sind zur Weitererarbeitung und Herstellung von hochfesten Carbonfasern für technische Anwendungen in Verbundstoffen besonders gut geeignet. Derart hergestellte Carbonfasern zeichnen sich darüber hinaus durch eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 3,0 bis 8,5 GPa, eine Bruchdehnung im Bereich von etwa 0,5 bis 3,0%, einen Elastizitätsmodus von zwischen etwa 100 und 350 MPa, einen Titer von etwa 0,2 bis 1,5 dtex sowie einen Dichtestrukturparameter von etwa 1.700 bis 1.900 g/cm3 aus.The present invention relates to a process for the continuous production of high-strength continuous filament yarns with a compact, particularly homogeneous structural morphology based on polyacrylonitrile for carbon fiber precursors, which are produced on the basis of this process, and carbon fibers, which are obtainable after carbonization of the carbon fiber precursors. The fiber formation takes place in the context of a wet or dry wet process from polymer solutions in ionic liquids. In the production of yarns and filaments, immediately after precipitation in an organic solvent or a dilute aqueous solution of the relevant ionic liquid or in a saturated steam zone, a re-stretching of the freshly spun moldings takes place. The resulting precursor yarns and filaments primarily have increased tensile strength at the same time sufficient elongation, a round cross-section and a compact, particularly homogeneous fiber morphology and are particularly well suited for further processing and production of high-strength carbon fibers for technical applications in composites. Such produced carbon fibers are further characterized by a tensile strength in the range of about 3.0 to 8.5 GPa, an elongation at break in the range of about 0.5 to 3.0%, a modulus of elasticity of between about 100 and 350 MPa, a titer from about 0.2 to 1.5 dtex and a density structure parameter of about 1700 to 1900 g / cm3.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Carbonfasern sowie von Precursoren solcher Carbonfasern auf Basis von Polyacrylnitrilpolymeren, die unter Einbeziehung ionischer Flüssigkeiten hergestellt und durch anschließende Carbonisierung und gegebenenfalls Graphitisierung in Carbonfasern umgewandelt werden.The present invention relates to the field of carbon fibers and of precursors of such carbon fibers based on polyacrylonitrile polymers, which are prepared with the inclusion of ionic liquids and are converted into carbon fibers by subsequent carbonization and optionally graphitization.
Stand der TechnikState of the art
Angesichts steigender Rohstoff- und Energiekosten werden Carbonfasern aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen und funktionellen Eigenschaften zunehmend als Substitutionsmaterialien traditioneller Werkstoffe nachgefragt. Dies begründet sich im Energieeinsparungspotential der daraus hergestellten carbonfaserverstärkten Strukturbauteil, die eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen. Vor allem die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie stellen hohe Anforderungen an die Qualität und Verarbeitungsmerkmale der in Strukturbauteilen verwendeten Carbonfasern.In view of rising raw material and energy costs, carbon fibers are increasingly in demand as substitutes for traditional materials due to their unique mechanical and functional properties. This is due to the energy-saving potential of the carbon fiber-reinforced structural component produced therefrom, which has a very high strength and at the same time low weight. In particular, aerospace and the automotive industry place high demands on the quality and processing characteristics of the carbon fibers used in structural components.
Carbonfasern werden kommerziell durch Pyrolyse von Polyacrylnitril-Copolymerisaten und Celluloseregeneraten sowie Pech gewonnen und haben je nach Herstellungsprozessparametern unterschiedliche Eigenschaften. Für den industriellen Einsatz sind Polyacrylnitril-Copolymerisate als Ausgangspolymere für die Herstellung von Carbonfasern besonders geeignet.Carbon fibers are obtained commercially by pyrolysis of polyacrylonitrile copolymers and cellulose regenerates and pitch and have different properties depending on the manufacturing process parameters. For industrial use, polyacrylonitrile copolymers are particularly suitable as starting polymers for the production of carbon fibers.
Da Carbonfasern in immer größeren Anwendungsfeldern zu Einsatz kommen, müssen diese eine höhere Zugfestigkeit als bisher aufweisen. Zur weiteren Ausdehnung der Anwendungsfelder von Carbonfasern müssen diese billiger und umweltfreundlicher hergestellt werden können.Since carbon fibers are used in ever larger fields of application, they must have a higher tensile strength than before. To further extend the application of carbon fibers, they must be cheaper and more environmentally friendly can be made.
Polyacrylnitril (PAN) zersetzt sich bei Temperaturen oberhalb von 350°C, ohne zu schmelzen, so dass Fasern nur über den Lösungszustand hergestellt werden können. Allerdings ist die Löslichkeit des Polyacrylnitrils infolge der starken Nebenvalenzkräfte zwischen den Makromolekülen sehr gering. Ein lösen von Polyacrylnitril ist nur in Lösemitteln mit hohem Dipolmoment, wie Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid und Ähnlichem, möglich. Die meisten dieser Lösemittel erlauben die Herstellung von Polyacrylnitrilfasern sowohl nach dem Nass- als auch nach dem Trocken-Spinnverfahren.Polyacrylonitrile (PAN) decomposes at temperatures above 350 ° C without melting, so that fibers can only be produced via the solution state. However, the solubility of the polyacrylonitrile is very low due to the strong secondary valence forces between the macromolecules. Dissolution of polyacrylonitrile is only possible in high dipole moment solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide and the like. Most of these solvents allow the production of polyacrylonitrile fibers by both the wet and dry spinning processes.
Die im Stand der Technik angewendeten Verfahren zur Auflösung, Lagerung und Verarbeitung von PAN-basierten Polymeren aus konventionellen Lösungsmitteln haben technologische oder ökologische Nachteile. So müssen diese Prozesse verfahrensbedingt bei Temperaturen über 80°C durchgeführt werden, wobei eine Freisetzung flüchtiger Lösungsmitteln nicht vollständig unterbunden werden kann. Eine Rückgewinnung der Lösungsmittel sowohl aus wässrigen Bädern als auch aus der Abluft ist mit großen Aufwendungen verbunden. Meist existieren neben den dazu notwendigen komplizierten technischen und energetisch aufwendigen Verfahren Umweltemissionen sowie Anforderungen zur Gewährleistung des Gesundheitsschutzes des Bedienpersonals der Faserproduktion.The methods used in the prior art for the dissolution, storage and processing of PAN-based polymers from conventional solvents have technological or ecological disadvantages. For process-related reasons, these processes must be carried out at temperatures above 80 ° C., whereby the release of volatile solvents can not be completely prevented. Recovery of the solvents from both aqueous baths and from the exhaust air is associated with great expense. In most cases, in addition to the complicated technical and energy-consuming procedures required for this, environmental emissions as well as requirements for ensuring the health protection of the operating personnel of the fiber production exist.
Weiterhin werden beim Nassspinnverfahren aus verfahrenstechnischen Gründen relativ stark verdünnte Polymerlösungen versponnen. Dabei werden in der Regel poröse Faserstrukturen erzeugt, die eine geringe Festigkeit aufweisen. Außerdem garantieren die meist nieren- oder hantelförmigen Faserquerschnitte nicht die notwendige enge und stabile Verbindung zwischen Faser und Matrix. Die herkömmlichen Techniken zur Verbesserung der Zugfestigkeit von Carbonfasern zielen auf eine Verringerung von Makrodefekten, beispielsweise auf eine Verringerung von Verunreinigungen, die in den einzelnen Filamenten, aus denen die Carbonfasern bestehen, enthalten sind, oder auf eine Hemmung der Bildung von Makrohohlräumen, die in den einzelnen Filamenten gebildet werden und auf eine Hemmung der Bildung von Defekten, die an den Oberflächen der einzelnen Filamente gebildet werden, ab (
Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Makrodefekten wird die Festigkeit auch durch Mikrohohlräume oder Mikrodefekte beeinträchtigt. Eine Technik zur Erhöhung der Dichte von nicht verstreckten Fasern, bei der die Bedingungen des Koagulationsbades optimiert werden, ist im Japanischen Patent mit der Offenlegungsnr.:
Die trocken gesponnenen Fasern weisen dagegen trotz der kompakten Morphologie und runder Querschnittsflächen eine weniger gleichmäßige Struktur auf und sind daher als Carbonfaserprecursoren weniger geeignet. Darüber hinaus wird das Trockenspinnverfahren verfahrensbedingt bei hohen Temperaturen durchgeführt, so dass bei der Verwendung von leichtflüchtigen Lösungsmitteln der Spinnprozess nur unter einem hohen technischen Aufwand durchgeführt werden kann.In contrast, the dry-spun fibers, despite the compact morphology and round cross-sectional areas, have a less uniform structure and are therefore less suitable as carbon fiber precursors. In addition, the process of dry spinning is carried out at high temperatures, so that when using volatile solvents, the spinning process can be carried out only with great technical effort.
Für die industrielle Umsetzung haben sich ionische Flüssigkeiten (IL) als vielversprechende Lösungsmittel für Polymere herausgestellt. Ionische Flüssigkeiten sind Salze, die bei Temperaturen unter 100°C im flüssigen Aggregatzustand vorliegen. Die heute am intensivsten untersuchten Verbindungen basieren auf Imidazolium- und Pyridinium-Kationen und Anionen, wie Halogenide bzw. komplexere Anionen, wie Acetate, Amide, Borate, Phosphate, Imide und Sulfate.For industrial applications, ionic liquids (IL) have proven to be promising solvents for polymers. Ionic liquids are salts which are in liquid state at temperatures below 100 ° C. The most intensively investigated compounds today are based on imidazolium and pyridinium cations and anions, such as halides or more complex anions, such as acetates, amides, borates, phosphates, imides and sulfates.
Ionische Flüssigkeiten zeichnen sich durch eine Reihe interessanter Eigenschaften aus: Sie sind thermisch stabil, schwer entzündlich, haben einen sehr niedrigen Dampfdruck und verfügen über spezielle hochselektive Lösungseigenschaften. Darüber hinaus besitzen ionische Flüssigkeiten ein hervorragendes Lösevermögen für zahlreiche faserbildende Polymere, so dass die technisch nutzbaren Polymerkonzentrationen in der Lösung deutlich erhöht werden können (
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Bei der Herstellung von Precursoren für Carbonfasern auf Basis von PAN besteht ein Bedarf nach Lösungssystemen und auf diesen aufbauenden Verfahren, welche Faserstoffe mit hohen Festigkeiten bei gleichzeitig ausreichender Dehnung liefern, die für den Einsatz in Verbundstoffen besonders gut geeignet sind. Weiterhin sollten die auf diese Art erhaltenen Fasern optimale Oberflächeneigenschaften aufweisen.In the preparation of PAN-based carbon fiber precursors, there is a need for solution systems and methods based thereon which provide high-strength, yet sufficiently high-elongation, fibers which are particularly well-suited for use in composites. Furthermore, the fibers obtained in this way should have optimum surface properties.
Überraschenderweise wird diese Aufgabe gelöst durch Carbonfasern, die gekennzeichnet sind durch eine Zugfestigkeit (nach
Bevorzugt weist die Zugfestigkeit einen Wert (nach
Die dieser technischen Anweisung folgenden Carbonfasern sind dann besonders vorteilhaft, wenn deren Morphologie möglichst geringe strukturelle Unterschiede zwischen den Innen- und Außenschichten von jedem einzelnen Filament aufweisen als herkömmliche Kohlenstofffasern, erhalten durch AMF (Rastersondenmikroskopie) und RAMAN-Mikroskopie. Zudem sind diese Carbonfasern dann als besonders vorteilhaft zu bezeichnen, wenn deren Morphologie eine möglichst geringere Anzahl von Makrodefekten von jedem einzelnen Filament als herkömmliche Carbonfaserprecursoren aufweist, erhalten durch REM-Aufnahmen von Filamentquerschnitten, die mit Hilfe eines Gallium-Ionenstrahls (Focused Ion Beam) freigelegt wurden. Es sei hierzu auf die REM-Aufnahmen gemäß
Die oben beschriebenen Carbonfasern zeichnen sich durch eine exzellente Rundheit, gemessen durch das L/B-Verhältnis, aus. Beim L/B-Verhältnis handelt es sich um das Verhältnis von Länge zu Breite des Faserquerschnitts. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäßen Carbonfasern ein L/B-Verhältnis von 2,0 bis 1,0, insbesondere von 1,5 bis 1,0, auf.The carbon fibers described above are characterized by excellent roundness, as measured by the L / B ratio. The L / B ratio is the ratio of length to width of the fiber cross-section. The carbon fibers according to the invention preferably have an L / B ratio of 2.0 to 1.0, in particular 1.5 to 1.0.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit besonderem Vorteil durch Carbonfasern in graphitisierter Form gelöst, die gekennzeichnet sind durch a) eine Zugfestigkeit (nach
Die oben beschriebenen Carbonfasern bzw. Carbonfasern in graphitisierter Form lassen sich aus Carbonfaser-Precursoren herstellen, die in Form von Precursor Garnen und Filamenten eine erhöhte Reißfestigkeit bei gleichzeitig ausreichender Dehnung, einen runden Querschnitt sowie eine kompakte Fasermorphologie aufweisen und zur Weiterverarbeitung und Herstellung von hochfesten Carbonfasern für technische Anwendungen in Verbundstoffen besonders gut geeignet sind. Insbesondere sind solche Carbonfaserprecursoren zur Herstellung von Carbonfasern, die im Vorstehenden beschrieben sind, durch Stabilisierung, Carbonisierung und gegebenenfalls anschließende Graphitisierung geeignet. Die hier beschriebenen Carbonfaserprecursoren basieren auf Polyacrylnitril und sind gekennzeichnet durch a) eine Zugfestigkeit (nach
Das verwendete Polyacrylnitril kann durch kationische, anionische oder radikalische Polymerisation, bevorzugt durch radikalische Polymerisation, hergestellt werden. Für die Polymerisation kann jedes herkömmliche Polymerisationsverfahren, wie zum Beispiel eine Lösungspolymerisation, eine Suspensionspolymerisation oder eine Emulsionspolymerisation, angewendet werden.The polyacrylonitrile used can be prepared by cationic, anionic or free-radical polymerization, preferably by free-radical polymerization. For the polymerization, any conventional polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization or emulsion polymerization may be employed.
Das verwendete Polyacrylnitril kann sowohl ein Homopolymer als auch ein Copolymer sein. Wird als Polyacrylnitril ein Copolymer verwendet, so sollte der Anteil an Polymerisat-Copolymeren im Polyacrylnitril bei etwa 10,0% oder weniger als liegen, insbesondere im Bereich von etwa 1 bis 6 Mol-% und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 2 bis 5 Mol-%. Als Copolymere zu Acrylnitril können zweckmäßig Acrylamid, Acrylsäure, Butylacrylat, Ethylacrylat und Methyl-methacrylat, Methacrylsäure, Itaconsäure, Vinylacetat, Vinylbromid, Vinylchlorid oder Gemische davon eingesetzt werden.The polyacrylonitrile used may be both a homopolymer and a copolymer. If a copolymer is used as the polyacrylonitrile, the proportion of polymer copolymers in the polyacrylonitrile should be about 10.0% or less, in particular in the range of about 1 to 6 mol% and particularly preferably in the range of about 2 to 5 mol -%. As the copolymers to acrylonitrile, acrylamide, acrylic acid, butyl acrylate, ethyl acrylate and methyl methacrylate, methacrylic acid, itaconic acid, vinyl acetate, vinyl bromide, vinyl chloride or mixtures thereof can be suitably used.
Hinsichtlich des Molekulargewichtes unterliegt das für den Carbonfaser-Precursor verwendete Polyacrylnitril keinen relevanten Beschränkungen. Das durchschnittliche Molekulargewicht des Polyacrylnitrils in den Carbonfaser-Precursoren beträgt bevorzugt etwa 50.000 bis 300.000, insbesondere etwa 80.000–250.000 und besonders bevorzugt etwa 120.000–190.000. Ein höherer Polymerisationsgrad ist unter denselben Spinn- und Reckbedingungen wirkungsvoller bei der Verbesserung der Zugfestigkeit und der Dehnung der Vorläuferfasern. Andererseits steigt die Viskosität des Polymers mit zunehmendem Polymerisationsgrad an, was mit einer Verschlechterung der Verarbeitungsfähigkeit beim Spinnen und Recken verbunden ist. Somit ist es bevorzugt, den Polymerisierungsgrad unter Berücksichtigung eines Ausgleichs zwischen diesen Eigenschaften auszuwählen. Wenn der Polymerisationsgrad niedrig ist, verbessert sich die Verarbeitungsfähigkeit beim Spinnen und Recken. Da aber die Wärmebeständigkeit des Produktes abnimmt, treten Verschmelzungen zwischen den einzelnen Filamenten im Spinn- und Reckverfahren und im Karbonisierungsverfahren häufiger auf.With regard to the molecular weight, the polyacrylonitrile used for the carbon fiber precursor is not subject to any relevant restrictions. The average molecular weight of the polyacrylonitrile in the carbon fiber precursors is preferably about 50,000 to 300,000, more preferably about 80,000 to 250,000, and most preferably about 120,000 to 190,000. A higher degree of polymerization under the same spinning and stretching conditions is more effective in improving the tensile strength and elongation of the precursor fibers. On the other hand, the viscosity of the polymer increases with increasing degree of polymerization, which is associated with a deterioration of the processability in spinning and drawing. Thus, it is preferable to select the degree of polymerization taking into account a balance between these properties. When the degree of polymerization is low, the processability in spinning and drawing improves. However, as the heat resistance of the product decreases, merging between the individual filaments occurs more frequently in the spinning and stretching processes and in the carbonization process.
Die Polydispersität des Acrylnitrilpolymers, ermittelt durch Gelpermeationschromatographie, liegt zweckmäßig im Bereich zwischen etwa 1,5 und 3,5, bevorzugt zwischen etwa 1,8 und 3,0, und besonders bevorzugt zwischen etwa 1,8 und 2,8. Eine engere Verteilung der relativen Molekülmassen ermöglicht eine verbesserte Reckfähigkeit im Spinn- und Reckverfahren und verbessert die Festigkeit der erhaltenen Carbonfasern. Es ist daher bevorzugt, die Verteilung der relativen Molekülmassen einzuengen.The polydispersity of the acrylonitrile polymer, as determined by gel permeation chromatography, is suitably in the range between about 1.5 and 3.5, preferably between about 1.8 and 3.0, and more preferably between about 1.8 and 2.8. A narrower molecular weight distribution enables improved stretchability in the spinning and stretching process and improves the strength of the resulting carbon fibers. It is therefore preferred to narrow the distribution of molecular weights.
Die beschriebenen Carbonfaser-Precursoren bestehen nicht notwendigerweise ausschließlich aus Polyacrylonitril oder Copolymeren davon, wie oben beschrieben, sondern können neben Polyacrylnitril weitere Polymere enthalten, insbesondere in Form von Cellulose, Aramiden, Lignin, Polyetheresterketonen und/oder Polyethersulphonen. Solche zusätzlichen Polymere sind vorzugsweise in einer Menge von bis zu 50 Gew.-%, bezogen auf den Carbonfaser-Precursor, in diesem enthalten.The described carbon fiber precursors do not necessarily consist exclusively of polyacrylonitrile or copolymers thereof, as described above, but may contain, in addition to polyacrylonitrile, other polymers, in particular in the form of cellulose, aramides, lignin, polyetherester ketones and / or polyethersulphones. Such additional polymers are preferably contained in an amount of up to 50 wt .-%, based on the carbon fiber precursor in this.
Darüber hinaus weisen auch die Carbonfaserprecursoren eine möglichst hohe Rundheit auf, die vorzugsweise charakterisiert ist durch ein L/B-Verhältnis im Bereich von 2 bis 1,0, insbesondere von 1,5 bis 1,0. Alternativ oder zusätzlich zu diesen Eigenschaften weisen die Carbonfaserprecursoren vorzugsweise eine Porosität bestimmt nach der Methode der Jod-Absorption von 1,5 bis 0,1%, insbesondere von 0,8 bis 0,15% auf.In addition, the carbon fiber precursors also have the highest possible roundness, which is preferably characterized by an L / B ratio in the range from 2 to 1.0, in particular from 1.5 to 1.0. Alternatively or in addition to these properties, the carbon fiber precursors preferably have a porosity determined by the method of iodine absorption of 1.5 to 0.1%, in particular from 0.8 to 0.15%.
Die obiger technischer Anweisung folgenden Carbonfaser-Precursoren sind dann als besonders vorteilhaft zu bezeichnen, wenn deren Morphologie eine möglichst geringe Porosität bei jedem einzelnen Filament als herkömmliche CarbonfaserPrecursoren aufweist, erhalten durch Porositätsmessungen. Alternativ oder zusätzlich zu diesen Eigenschaften weisen die Carbonfaser-Precursoren vorzugsweise eine Porosität, bestimmt nach der Methode der Jodabsorption von etwa 1,5 bis 0,1%, insbesondere von etwa 0,8 bis 0,15%, auf. Die Messmethode der Jodabsorption erfolgt, wie sie in der
Die erfindungsgemäßen Carbonfaser-Precursoren können durch ein im Folgenden beschriebenes Verfahren hergestellt werden. Nach diesem Verfahren wird ein Homo- oder Copolymer von Polyacrylnitril, gegebenenfalls zusammen mit einem zusätzlichen anderen Polymer, wie vorstehend beschrieben, in einer ionischen Flüssigkeit gelöst, wobei die Konzentration des Polyacrylnitrils gegebenenfalls zusammen mit einem weiteren Polymer, in der ionischen Flüssigkeit mindestens etwa 5 Gew.-%, insbesondere etwa 10 bis 25 Gew.-%, wobei unlösliche flüssige oder feste Additive weitgehend ausgeschlossen sind, beträgt, diese Lösung in einem Fällungsmedium nassversponnen wird und die anfallenden Fasern gereckt werden.The carbon fiber precursors according to the invention can be prepared by a process described below. According to this method, a homo- or copolymer of polyacrylonitrile, optionally together with an additional other polymer as described above, dissolved in an ionic liquid, wherein the concentration of the polyacrylonitrile optionally together with another polymer, in the ionic liquid at least about 5 wt %, in particular about 10 to 25 wt .-%, wherein insoluble liquid or solid additives are largely excluded, is that this solution is wet-spun in a precipitation medium and the resulting fibers are stretched.
Bei Verwendung von konventionellen Lösungsmitteln nimmt mit steigender Polymerkonzentration das Lösevermögen ab und die Viskosität der Lösung zu, so dass die Temperaturen erhöht werden müssen, um eine Gelbildung in der Spinnlösung zu vermeiden bzw. um die Prozessparameter kontinuierlich zu gestalten. Dadurch werden die Minimaltemperaturen, die für die problemlose Auflösung, Lagerung und Verarbeitung der Polymerlösungen erforderlich sind, erhöht bzw. sie dürfen 80 bis 90°C nicht unterschreiten. Durch den hohen Dampfdruck der herkömmlichen Lösungsmittel führt dies zur Bildung von Inhomogenitäten an der Grenze zwischen der Polymerlösung und Umgebung. Ionische Flüssigkeiten besitzen nahezu keinen Dampfdruck, daher können Polymerlösungen in ionischen Flüssigkeiten problemlos auch bei höheren Temperaturen hergestellt und weiterverarbeitet werden.When conventional solvents are used, as the polymer concentration increases, the solubility decreases and the viscosity of the solution increases, so that the temperatures must be increased in order to avoid gel formation in the spinning solution or to make the process parameters continuous. As a result, the minimum temperatures required for the problem-free dissolution, storage and processing of the polymer solutions are increased or they must not fall below 80 to 90 ° C. Due to the high vapor pressure of conventional solvents, this leads to the formation of inhomogeneities at the boundary between the polymer solution and the environment. Ionic liquids have virtually no vapor pressure, which is why polymer solutions in ionic liquids can be produced and processed without problems even at higher temperatures.
Beim Nassverspinnen der Lösung kann das angewandte Spinnverfahren ein Nassverspinnen oder Trocken-Nassverspinnen sein. Unter diesen ist Trocken-Nassverspinnen bevorzugt, da eine Erhöhung der Faserdichte leichter gewährleistet und Fasern mit höherer Festigkeit einfacher erhalten werden können. Bei diesem Verfahren können die an der Düse austretenden Filamente einen bis zu 10 cm langen Luftspalt durchlaufen, bevor sie in einem darunter liegenden Fällmedium ausgefällt werden.In wet spinning the solution, the spinning process used may be wet spinning or dry wet spinning. Among them, dry-wet spinning is preferable since an increase in fiber density can be more easily ensured, and fibers having higher strength can be obtained more easily. In this process, the filaments exiting the die can pass through an air gap of up to 10 cm before they are precipitated in an underlying precipitation medium.
Die Verarbeitung von Polymerlösungen mit Hilfe des Nass-Spinnverfahren wird sehr stark durch die Strömungs- und Druckverhältnisse der Polymerlösung an der Düse beeinflusst. Daher wird die Verarbeitung von stark strukturierten Polymerlösungen unter anderem durch ihre hohe Viskosität begrenzt. Im oben angegebenen Molekulargewichtsbereich der PAN-basierten Polymere können Polymerlösungen im Konzentrationsbereich zwischen 10 und 18 Gew.-% Polymer in IL verarbeitet werden.The processing of polymer solutions using the wet-spinning process is very much influenced by the flow and pressure conditions of the polymer solution at the nozzle. Therefore, the processing of highly structured polymer solutions is limited, among other things, by their high viscosity. In the above molecular weight range of the PAN-based polymers, polymer solutions in the concentration range between 10 and 18% by weight polymer in IL can be processed.
Ein Verspinnen höher konzentrierter Lösungen kann nach dem Trocken-Nassspinnprozess erfolgen. Im oben angegebenen Molekulargewichtsbereich der PAN-basierten Polymere können mit diesem Verfahren Polymerlösungen im Konzentrationsbereich zwischen etwa 15 und 30 Gew.-% Polymer in ionischen Flüssigkeiten verarbeitet werden.Spinning higher concentration solutions can be done after the dry-wet spinning process. In the above-mentioned molecular weight range of the PAN-based polymers, this method can be used to process polymer solutions in the concentration range between about 15 and 30% by weight of polymer in ionic liquids.
Die Viskosität der das Polyacrylnitril enthaltenden Spinnlösung im Nassspinnprozess beträgt vorzugsweise etwa 20 bis 200 Pas, insbesondere etwa 50 bis 120 Pas, im Trocken-Nassspinnprozess hingegen vorzugsweise etwa 500 bis 50.000 Pas, insbesondere etwa 1.000 bis 20.000 Pas.The viscosity of the spinning solution containing the polyacrylonitrile in the wet spinning process is preferably about 20 to 200 Pas, in particular about 50 to 120 Pas, in the dry-wet spinning process, however, preferably about 500 to 50,000 Pas, in particular about 1,000 to 20,000 Pas.
Eine Lösung des Polyacrylnitrils in der ionischen Flüssigkeit kann entweder durch direktes Auflösen des Polyacrylnitrils in der ionischen Flüssigkeit erhalten werden oder durch Suspendieren des Polyacrylnitrils in einer verdünnten wässrigen bzw. organischen Lösung der ionischen Flüssigkeit, wobei anschließend Entfernen das Wasser bzw. das organischen Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur mit oder ohne Einwirkung eines Vakuums aus der Suspension entfernt wird. Dabei wandelt sich die zunächst erhaltene Suspension in eine Lösung um.A solution of the polyacrylonitrile in the ionic liquid can be obtained either by directly dissolving the polyacrylonitrile in the ionic liquid or by suspending the polyacrylonitrile in a dilute aqueous solution of the ionic liquid, then removing the water or organic solvent at elevated temperature Temperature is removed with or without the action of a vacuum from the suspension. In this case, the suspension initially obtained is converted into a solution.
Die Polyacrylnitrillösung wird vorzugsweise mit Hilfe einer Spinndüse in ein Fällungsmedium eingebracht. Als Spinndüse wird zweckmäßig eine Spinndüse mit kreisförmigen Löchern verwendet, um koagulierte Fasern mit einer kreisförmigen oder Kreisform-ähnlichen Querschnittsform zu erhalten. Koagulierte Fasern mit einer Querschnittsform, die sich von der Kreisform unterscheidet, wie zum Beispiel mit einer Querschnittsform in Form eines Dreieck, Vierecks oder Fünfecks, können erhalten werden, indem eine Vielzahl von Filamenten kombiniert wird, die aus einem Schlitzsatz oder einem Satz mit kleinen kreisrunden Löchern erhalten werden.The polyacrylonitrile solution is preferably introduced by means of a spinneret into a precipitation medium. As the spinneret, a spinneret with circular holes is suitably used to obtain coagulated fibers having a circular or circular-like cross-sectional shape. Coagulated fibers with A cross-sectional shape different from the circular shape, such as a triangular, quadrangular or pentagonal cross-sectional shape, can be obtained by combining a plurality of filaments obtained from a slit set or a set of small circular holes ,
Es ist bevorzugt, dass die Spinndüsenplatte einen Durchmesser von etwa 160 μm oder weniger aufweist. Insbesondere beträgt der Durchmesser bevorzugt sind etwa 100 μm oder weniger und besonders bevorzugt sind etwa 40 μm oder weniger.It is preferable that the spinneret plate has a diameter of about 160 μm or less. In particular, the diameter is preferably about 100 μm or less, and more preferably about 40 μm or less.
Bei der Auswahl der ionischen Flüssigkeit unterliegt die vorliegende Erfindung keinen relevanten Beschränkungen. So kommen ganz allgemein solche ionischen Flüssigkeiten in Frage, wie sie in der
Die bevorzugten ionischen Flüssigkeiten weisen die allgemeine Form [Q+]n[Z–]n auf, wobei das Kation [Q+]n ein quartäres Ammonium-[R1R2R3R4N+], Phosphonium-[R1R2R3R4P+] oder ein tertiäres Sulfonium-[R1R2R3S+]-Kation oder ein analoger quaternierter Stickstoff-, Phosphor- oder ein tertiärer Schwefel-Heteroaromat der folgenden Formeln (I), (II), (III), (IV), (V) und (VI) darstellt. Bei den Resten R1, R2, R3, R4 bzw. R1 bis R8 in den Formeln (I) bis (VI) handelt es sich unabhängig voneinander um lineare, zyklische, verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, mono- oder polycyclische, aromatische, heteroaromatische Reste oder mit weiteren funktionellen Gruppen substituierte Derivate dieser Reste, wobei R1, R2, R3 und R4 bzw. R1 bis R8 in den Formeln (I) bis (VI) untereinander verbunden sein können. Bei dem Anion [Z]n– handelt es sich vorzugsweise um ein Halogenid, Pseudohalogenid, Amid, insbesondere Dicyanamid, Imid, eine Phosphorbindung oder eine Nitroverbindung.The preferred ionic liquids have the general form [Q +] n [Z-] n where the cation [Q +] n is a quaternary ammonium [R1R2R3R4N +], phosphonium [R1R2R3R4P +] or tertiary sulfonium [R1R2R3S +] cation or an analogous quaternized nitrogen, phosphorus or a tertiary sulfur heteroaromatic of the following formulas (I), (II), (III), (IV), (V) and (VI) represents. The radicals R1, R2, R3, R4 or R1 to R8 in the formulas (I) to (VI) are each independently linear, cyclic, branched, saturated or unsaturated alkyl radicals, mono- or polycyclic, aromatic, heteroaromatic Rests or substituted with further functional groups derivatives of these radicals, wherein R1, R2, R3 and R4 or R1 to R8 in the formulas (I) to (VI) may be interconnected. The anion [Z] n- is preferably a halide, pseudohalide, amide, in particular dicyanamide, imide, a phosphorus bond or a nitro compound.
Bei den Halogeniden oder Pseudohalogeniden kann es sich insbesondere um solche mit der Formel F–, Cl–, Br–, I–, BF4 –, BF6 –, AlCl4 –, Al2Cl7 –, Al3Cl10 –, AlBr4, FeCl4 –, BCl4 –, SbF6 –, AsF6 –, ZnCl3 –, SnCl3 –, CuCl2 –, CF3SO3 –, (CF3SO3)2N–, CF3CO2 –, CCl3CO2 –, CN–, SCN–, OCN– handeln. Als Phosphorverbindungen sind zweckmäßig Phosphate gemäß der chemischen Formel PO43–, HPO4 2–, H2PO4–, R1PO4 2–, HR1PO4 –, R1R2PO4 –, Phosphonate und Phosphinate gemäß den Formeln R1HPO3 –, R1R2PO2 –, R1R2PO3 –, Phosphate gemäß den Formeln PO33–, HPO3 2–, H2PO3 –, R1PO3 2–, R1HPO3 –, R1R2PO3 –, sowie Phosphonite und Phosphinite der Formeln R1R2PO2 –, R1HPO2 –, R1R2PO–, R1HPO– einzubeziehen.The halides or pseudohalides may in particular be those having the formula F - , Cl - , Br - , I - , BF 4 - , BF 6 - , AlCl 4 - , Al 2 Cl 7 - , Al 3 Cl 10 - , AlBr 4 , FeCl 4 - , BCl 4 - , SbF 6 - , AsF 6 - , ZnCl 3 - , SnCl 3 - , CuCl 2 - , CF 3 SO 3 - , (CF 3 SO 3 ) 2 N - , CF 3 CO 2 -, CCl 3 CO 2 -, CN -, SCN -, OCN - act. Suitable phosphorus compounds are phosphates according to the chemical formula PO 4 3 - , HPO 4 2- , H 2 PO 4- , R 1 PO 4 2- , HR 1 PO 4 - , R 1 R 2 PO 4 - , phosphonates and phosphinates according to the formulas R 1 HPO 3 - , R 1 R 2 PO 2 - , R 1 R 2 PO 3 - , phosphates according to the formulas PO 3 3 - , HPO 3 2- , H 2 PO 3 - , R 1 PO 3 2- , R 1 HPO 3 - , R 1 R 2 PO 3 - , as well as phosphonites and phosphinites of the formulas R 1 R 2 PO 2 - , R 1 HPO 2 - , R 1 R 2 PO - , R 1 HPO - include.
Bei den in den oben bezeichneten Kationen gegebenenfalls enthaltenen Alkylresten handelt es sich vorzugsweise um C1-18-Alkylreste, insbesondere Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, 1-Propyl, 2-Propyl-, 1-Butyl-, 2-Butylreste, cyclische Alkylreste mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere in Form von Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl- sowie Cyclohexyl-Resten, ungesättigte Alkylreste in Form von Vinyl, 2-Propenyl, 3-Butenyl, cis-2-butenyl, trans-2-butenyl-Resten, aromatische Reste in Form von Phenyl oder Naphthyl-Resten, die mit 1 bis 3 Halogenatomen, Alkylresten mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Phenyl-Resten substituiert sein können, und heteroaromatische Reste in Form von O-, S- oder Kn-Enthaltenden heterocyclischen Resten mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen oder Gemische davon.The alkyl radicals optionally contained in the above-mentioned cations are preferably C 1-18 -alkyl radicals, in particular alkyl radicals having from 1 to 4 carbon atoms, such as, preferably Methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl radicals, cyclic alkyl radicals having 3 to 10 carbon atoms, in particular in the form of cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl and cyclohexyl radicals, unsaturated Alkyl radicals in the form of vinyl, 2-propenyl, 3-butenyl, cis-2-butenyl, trans-2-butenyl radicals, aromatic radicals in the form of phenyl or naphthyl radicals containing 1 to 3 halogen atoms, alkyl radicals having 1 to 4 carbon atoms or phenyl radicals, and heteroaromatic radicals in the form of O, S or Kn-containing heterocyclic radicals having 2 to 5 carbon atoms or mixtures thereof.
Die molekulare Struktur der polymeren Moleküle der Homo- und Copolymeren des Polyacrylnitrils führt zu starken Dipolwechselwirkungen zwischen den Ketten. Für das Aufbrechen der starken Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten eignen sich insbesondere ionische Flüssigkeiten, die aus Kationen und Anionen mit hoher Ladungsdichte bestehen (s. HSAB-Konzept).The molecular structure of the polymeric molecules of the homo- and copolymers of polyacrylonitrile leads to strong dipole interactions between the chains. Particularly suitable for disrupting the strong interactions between the polymer chains are ionic liquids consisting of cations and anions with high charge density (see HSAB concept).
Die nachfolgend bezeichneten ionischen Flüssigkeiten erweisen sich für die erfindungsgemäße Verarbeitung als besonders gut geeignet.
1-Ethyl-3-methylimidazolium-chlorid [EMIM] [Cl],
1-Butyl-3-methylimidazolium-chlorid [BMIM] [Cl],
1-Ethyl-3-methylimidazolium-bromid [EMIM] [Br],
1-Butyl-3-methylimidazolium-bromid [BMIM] [Br],
1-Ethyl-3-methylimidazolium-thiocyanat [EMIM] [SCN],
1-Butyl-3-methylimidazolium-thiocyanat [BMIM] [SCN],
1-Ethyl-3-methylimidazolium-cyanat [EMIM] [OCN],
1-Butyl-3-methylimidazolium-cyanat [BMIM] [OCN],
1-Ethyl-3-methylimidazolium-dicyanamid [EMIM] [DCA],
1-Butyl-3-methylimidazolium-dicyanamid [BMIM] [DCA],
1,3-Dimethylimidazolium-dimethylphosphat [MMIM] [DMP],
1-Ethyl-3-methylimidazolium-diethylphosphat [EMIM] [DEP],
1-Butyl-3-methylimidazolium-dibutylphosphat [BMIM] [DBP].The ionic liquids described below prove to be particularly suitable for the processing according to the invention.
1-ethyl-3-methylimidazolium chloride [EMIM] [Cl],
1-butyl-3-methylimidazolium chloride [BMIM] [Cl],
1-ethyl-3-methylimidazolium bromide [EMIM] [Br],
1-butyl-3-methylimidazolium bromide [BMIM] [Br],
1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate [EMIM] [SCN],
1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate [BMIM] [SCN],
1-ethyl-3-methylimidazolium cyanate [EMIM] [OCN],
1-butyl-3-methylimidazolium cyanate [BMIM] [OCN],
1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide [EMIM] [DCA],
1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide [BMIM] [DCA],
1,3-dimethylimidazolium dimethyl phosphate [MMIM] [DMP],
1-ethyl-3-methylimidazolium diethyl phosphate [EMIM] [DEP],
1-butyl-3-methylimidazolium dibutyl phosphate [BMIM] [DBP].
Für die mit der Erfindung angestrebten Effekte sind besonders folgende konkrete Verbindungen von Wert: [EMIM] [Cl], [EMIM] [DCA] (DCA = Dicyanamid = ΘN(CN)2), [MMIM] [DMP] und/oder [EMIM] [SCN].The following concrete compounds are of particular value for the effects sought with the invention: [EMIM] [Cl], [EMIM] [DCA] (DCA = dicyanamide = ΘN (CN) 2 ), [MMIM] [DMP] and / or [ EMIM] [SCN].
Unter Berücksichtigung der vorstehend gegebenen konkreten Angaben zur vorliegenden Erfindung ist es dem Fachmann leicht möglich, hier geeignete Optimierungen vorzunehmen, so beispielsweise durch die Variation der Kationen und Anionen der ionischen Flüssigkeit, wodurch die resultierenden Strukturparameter und die weiteren Eigenschaften der Precursorfasern begünstigt werden. Infolgedessen kann durch die Verwendung bestimmter ionischer Flüssigkeit das Erfindungsziel in optimaler Form erreicht werden, wobei insbesondere der Fadenbildungsprozess an der Düse bzw. im Luftspalt optimal steuerbar ist. Auch können unterschiedliche wünschenswerte Eigenschaften der Precursorfasern erhalten werden, indem die Diffusionsprozesse bei der Regeneration/Koagulation des Fadens und die Reckbedingungen vorteilhaft gesteuert werden.Taking into account the specific details given above for the present invention, it is readily possible for the person skilled in the art to carry out suitable optimizations here, for example by varying the cations and anions of the ionic liquid, which favors the resulting structural parameters and the further properties of the precursor fibers. As a result, the invention can be achieved in an optimal form by the use of certain ionic liquid, in particular, the thread formation process at the nozzle or in the air gap is optimally controlled. Also, different desirable properties of the precursor fibers can be obtained by favorably controlling the diffusion processes in the regeneration / coagulation of the thread and the stretching conditions.
Die während des Fällens bzw. der Koagulation der Polyacrylnitrilfäden gewählte Bedingungen haben einen großen Einfluss auf die Struktur und die Zugfestigkeitseigenschaften der Precursorfasern und der aus diesen herstellbaren Carbonfasern. Es ist daher bevorzugt, diese Bedingungen unter Berücksichtigung sowohl der Zugfestigkeitseigenschaften als auch der Produktivität festzulegen. Um insbesondere dichte Precursorfasern mit wenigen Hohlräumen zu erhalten, ist eine geringere Koagulationsgeschwindigkeit bevorzugt, was sich durch Koagulieren bei niedriger Temperatur und bei hoher Konzentration erreichen lässt.The conditions chosen during precipitation or coagulation of the polyacrylonitrile filaments have a great influence on the structure and tensile properties of the precursor fibers and the carbon fibers which can be produced therefrom. It is therefore preferable to set these conditions in consideration of both the tensile properties and the productivity. In order to obtain in particular dense precursor fibers with few cavities, a lower coagulation rate is preferred, which can be achieved by coagulation at low temperature and at high concentration.
Dabei ist vorzugsweise eine Temperatur der Spinnlösung von etwa 100°C oder weniger bevorzugt, besonders bevorzugt etwa 60°C oder weniger und insbesondere etwa 40°C oder weniger einzustellen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Temperatur des Koagulationsmediums etwa 100°C oder niedriger ist. Besonders bevorzugt sind etwa 60°C oder niedriger und noch mehr bevorzugt sind etwa 20°C oder niedriger.In this case, preferably a temperature of the spinning solution of about 100 ° C or less preferred, more preferably about 60 ° C or less and in particular about 40 ° C or less. Further, it is preferable that the temperature of the coagulating medium is about 100 ° C or lower. More preferably about 60 ° C or lower, and even more preferably about 20 ° C or lower.
Die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten, wie oben beschrieben, zusammen mit einem verdampfbaren Lösungsmittel hat den Vorteil, dass die ionische Flüssigkeit aus dem Koagulationsmedium zurückgewonnen werden kann. Das Verfahren wird demnach zweckmäßigerweise so geführt, dass die ionische Flüssigkeit aus dem herangezogenen Koagulationsmedium zurückgewonnen wird. Der Einsatz von Wasser als Koagulationsmedium ist in diesem Zusammenhang mit besonderen Vorteilen verbunden. Insbesondere kann Wasser mit einer einbezogenen Menge eines weiteren Lösungsmittels, verwendet werden, um die Koagulationsgeschwindigkeit zu optimieren. Vorzugsweise verbleibt eine zur Optimierung der Koagulationsgeschwindigkeit angepasste Menge an ionischer Flüssigkeit im Koagulationsmedium.The use of ionic liquids, as described above, together with a vaporizable solvent has the advantage that the ionic liquid can be recovered from the coagulation medium. The process is therefore suitably carried out so that the ionic liquid is recovered from the coagulation medium used. The use of water as a coagulation medium is associated with particular advantages in this context. In particular, water with an included amount of another solvent can be used to optimize the coagulation rate. Preferably, an amount of ionic liquid adapted to optimize the coagulation rate remains in the coagulation medium.
Wenn die Konzentration des Polymers, das zum Spinnen verwendet wird, höher ist, wird die Menge, die durch ein Lösungsmittel und durch ein Fällmittel während der Koagulation ersetzt wird, niedriger, wodurch die Dichte der Precursorfasern erhöht werden kann. Dies führt insbesondere beim Trocken-Nassspinnverfahren zur Ausbildung einer kompakten Morphologie bei den resultierenden Precursorfasern. Auf der anderen Seite jedoch nimmt wegen der höheren Polymerspinnlösungsviskosität die Verarbeitungsfähigkeit beim Spinnen und Recken ab, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass es bei der Verarbeitung der Polymerlösung zu Gelbildung kommt und dass die Spinnfähigkeit beeinträchtigt wird. When the concentration of the polymer used for spinning is higher, the amount to be replaced by a solvent and a precipitant during coagulation becomes lower, whereby the density of the precursor fibers can be increased. This leads to the formation of a compact morphology in the resulting precursor fibers, especially in dry-wet spinning. On the other hand, because of the higher polymer spinning solution viscosity, the processability in spinning and drawing decreases, making it more likely to gel in the processing of the polymer solution and impairing the spinning ability.
Die Herstellung von Fasern bzw. den Carbonfaser-Precursoren erfolgt unmittelbar nach Ausfällung in einem organischen Lösungsmittel bzw. mehr oder weniger stark verdünnten wässrigen Lösungen der betreffenden ionischen Flüssigkeit (Nichtlöser). Es ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung des Koagulationsbades im Nassspinnprozess das Verhältnis von Nichtlöser/ionische Flüssigkeit zwischen 60:40 und 100:0 beträgt.The production of fibers or the carbon fiber precursors takes place immediately after precipitation in an organic solvent or more or less dilute aqueous solutions of the relevant ionic liquid (non-solvent). It is preferred that the composition of the coagulation bath in the wet spinning process be the ratio of non-solvent / ionic liquid between 60:40 and 100: 0.
Wenn der Koagulationsvorgang abgeschlossen ist, können die nach dem Nassverspinnen erhaltenen Fasern, vorzugsweise mit Wasser, gewaschen und gereckt werden, wobei beides vorzugsweise gleichzeitig erfolgt. Gegebenenfalls kann zusätzlich eine Säurebehandlung durchgeführt. Dabei ist die Temperatur beim Recken für die Beschleunigung der Verdichtung von hoher Bedeutung. So ist es zweckmäßig, wenn die Höchsttemperatur beim Recken in Bädern etwa 60 bis 100°C beträgt. Ein bevorzugter Bereich ist etwa 70 bis 100°C und ein besonders bevorzugter Bereich ist etwa 80 bis 100°C. Gegebenenfalls können die aus dem Koagulationsmedium abgezogenen Fasern auch getrocknet werden, insbesondere in einem Umluftofen, und ein Recken kann anschließend in trockenem Zustand durchgeführt werden.When the coagulation process is complete, the fibers obtained after wet spinning may be washed and stretched, preferably with water, both preferably simultaneously. Optionally, an additional acid treatment may be carried out. The temperature during stretching for the acceleration of the compression is of great importance. So it is useful if the maximum temperature when stretching in baths is about 60 to 100 ° C. A preferred range is about 70 to 100 ° C and a most preferred range is about 80 to 100 ° C. Optionally, the fibers withdrawn from the coagulation medium may also be dried, in particular in a convection oven, and stretching may then be carried out in a dry state.
Es ist bevorzugt, dass das Recken in zwei oder mehr Bädern durchgeführt wird, da so die Festigkeit der erhaltenen Fasern verbessert werden kann. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass innerhalb der Bäder ein Temperaturprofil, von einer niedrigen Temperatur hin zu einer höheren Temperatur, aufgebaut wird und dass der Temperaturunterschied zwischen den aneinandergrenzenden Bädern bei 20°C oder niedriger liegt. Durch diese Maßnahme kann eine Verschmelzung zwischen den einzelnen Fasern gehemmt werden.It is preferable that the stretching is carried out in two or more baths because the strength of the obtained fibers can be improved. It is also preferable that a temperature profile from a low temperature to a higher temperature is established inside the baths and that the temperature difference between the adjacent baths is 20 ° C or lower. By this measure, a fusion between the individual fibers can be inhibited.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Gesamtreckverhältnis beim Recken in Bädern 1,5- bis 8-fach, besonders bevorzugt 2- bis 5-fach beträgt.It is further preferred that the total stretch ratio when stretched in baths is 1.5 to 8 times, more preferably 2 to 5 times.
Als Gesamtreckverhaltnis im Spinn- und Reckverfahren, einschließlich des Reckens in heißen Wasserbädern, ist 7-fach oder mehr bevorzugt, und 10-fach oder mehr ist besonders bevorzugt, um die Orientierung der Carbonfaser-Precursoren zu verbessern und um auch die Produktivität beim Spinnen und Recken zu verbessern. Im Hinblick auf die Qualität, wie zum Beispiel das Ausfransen, ist eine geeignete obere Grenze des Gesamtreckverhältnisses im Spinn- und Reckverfahren 20-fach oder weniger. Dies ermöglicht eine Verwendung von Hochtemperatur-Wärmeträgern wie Glycol und Ähnlichem. Wenn notwendig, wird nach der Vollendung des Reckens in Dampf unter Druck oder unter Zuhilfenahme des Hochtemperaturwärmeträgers ein Decköl auf die Vorläuferfasern angewendet.As the overall stretching ratio in the spinning and stretching method, including stretching in hot water baths, 7 times or more is preferred, and 10 times or more is particularly preferable for improving the orientation of the carbon fiber precursors and also for productivity in spinning and stretching To improve stretching. In terms of quality, such as fraying, a suitable upper limit of the total stretch ratio in the spinning and stretching method is 20 times or less. This allows use of high temperature heat carriers such as glycol and the like. If necessary, after the completion of stretching in steam under pressure or with the aid of the high-temperature heat carrier, a covering oil is applied to the precursor fibers.
Im Hinblick auf die Produktivität ist es bevorzugt, dass die Feinheit der einzelnen Fasern in Form der Carbonfaser-Precursoren etwa 0,6 dtex oder mehr beträgt, besonders bevorzugt etwa 1,1 dtex oder mehr. Wenn die Feinheit der einzelnen Filamente, bei gleichbleibender Anzahl der Filamente, zu groß ist, ist der Wärmewert in Wärmebehandlungsverfahren, insbesondere im Stabilisierungsverfahren zu hoch und die Stabilisierungstemperatur kann nicht erhöht werden, wodurch sich die Produktivität vermindert. Somit ist es bevorzugt, dass die obere Grenze der Feinheit bei etwa 2,2 dtex oder weniger liegt, insbesondere bei etwa 1,9 dtex oder weniger.From the viewpoint of productivity, it is preferable that the fineness of the individual fibers in the form of the carbon fiber precursors is about 0.6 dtex or more, more preferably about 1.1 dtex or more. If the fineness of the individual filaments is too large while the number of filaments is the same, the heat value in heat treatment processes, especially in the stabilization process, is too high and the stabilization temperature can not be increased, thereby lowering the productivity. Thus, it is preferable that the upper limit of fineness is about 2.2 dtex or less, more preferably about 1.9 dtex or less.
Die Anzahl der einzelnen Filamente, aus denen die Carbonfaser-Precursoren aufgebaut sind, ist nicht eingeschränkt. Im Hinblick auf die Produktivität ist eine Zahl von etwa 1.000 Filamenten oder mehr bevorzugt, insbesondere von etwa 10.000 oder mehr und besonders bevorzugt von etwa 20.000 oder mehr. Die vorliegende Erfindung kann auch wirkungsvoll auf einen dicken Strang von etwa 500.000 Filamenten oder mehr angewendet werden. Für die Spinndüse ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Spinnlöcher pro Spinndüse bei etwa 3.000 oder höher, insbesondere bei etwa 6.000 oder höher liegt. Die geeignete obere Grenze der Anzahl der Löcher liegt bei etwa 100.000 oder weniger, da eine sehr große Spinndüse die Einfachheit bei der Handhabung verschlechtert.The number of individual filaments constituting the carbon fiber precursors is not limited. From the viewpoint of productivity, a number of about 1,000 filaments or more is preferable, particularly about 10,000 or more, and more preferably about 20,000 or more. The present invention can also be effectively applied to a thick strand of about 500,000 filaments or more. For the spinnerette, it is preferred that the number of spinning holes per spinnerette is about 3,000 or higher, more preferably about 6,000 or higher. The suitable upper limit of the number of holes is about 100,000 or less, because a very large spinnerette deteriorates the ease of handling.
Überraschenderweise zeichnen sich die derartig erhaltenen Fasern bzw. Filamente neben einer erhöhten Reißfestigkeit und ausreichender Dehnung durch eine sehr kompakte Fasermorphologie bei einem runden Querschnitt aus. Diese Eigenschaften sind vor allem bei einer Weiterverarbeitung der erhaltenen PAN-Faser bzw. Faserkabel zur Erzeugung von Kohlenstoff- bzw. Graphitfasern von immensem Vorteil.Surprisingly, the fibers or filaments obtained in this way, in addition to an increased tensile strength and sufficient elongation, are characterized by a very compact fiber morphology in a round Cross section off. These properties are of immense advantage especially in a further processing of the PAN fiber or fiber cable obtained for the production of carbon or graphite fibers.
Wenn die Faserdichte, wie vorstehend beschrieben, erhöht wird, werden dichte Carbonfaser-Precursoren erhalten, die keine Mikrohohlräume in der Außenschicht von jedem einzelnen Filament aufweisen. Wenn jedoch die Dichte höher ist, wird die Sauerstoffdurchlässigkeit in die Innenschicht beim Stabilisierungsverfahren geringer, wodurch die Innenschicht ungenügend stabilisiert wird; dadurch wird der strukturelle Unterschied zwischen den Innen- und Außenschichten der erhaltenen Carbonfasern vergrößert. Als Ergebnis entstehen Probleme, wie zum Beispiel eine Abnahme der Festigkeit, eine Abnahme des Moduls und Faserbruch im Carbonisierungsverfahren.As the fiber density is increased as described above, dense carbon fiber precursors having no microvoids in the outer layer of each individual filament are obtained. However, when the density is higher, the oxygen permeability to the inner layer in the stabilization process becomes lower, whereby the inner layer is insufficiently stabilized; This increases the structural difference between the inner and outer layers of the obtained carbon fibers. As a result, problems arise such as a decrease in strength, a decrease in modulus and fiber breakage in the carbonization process.
Wenn die Dichte der Vorläuferfasern größer ist, ist eine Förderung der Sauerstoffdurchlässigkeit in die Carbonfaser-Precursoren wichtig, um die Festigkeit der erhaltenen Carbonfasern zu verbessern.When the density of the precursor fibers is larger, promotion of oxygen permeability into the carbon fiber precursors is important to improve the strength of the obtained carbon fibers.
Die Eigenschaften der hergestellten Carbonfaser-Precursoren bei ihrer Stabilisierung, Carbonisierung und Graphitisierung haben entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften der resultierenden Carbonfasern. Es ist bevorzugt, dass die Stabilisierungstemperatur etwa 200 bis 300°C beträgt. Die Stabilisierung wird in einer oxidierenden Atmosphäre, wie zum Beispiel in Luft, durchgeführt, aber im Hinblick auf eine höhere Produktivität ist eine Stabilisierung in einer Inertgasatmosphäre, wie zum Beispiel in Stickstoff, teilweise zu Beginn oder später während des Verfahrens wirkungsvoll. Da die Stabilisierung aus thermaler Cyclisierung und Ungesättigtheit durch Sauerstoff besteht, kann die Cyclisierung zur Sicherstellung einer höheren Produktivität in einer Inertatmosphäre bei einer höheren Temperatur durchgeführt werden, frei von einer außer Kontrolle geratenen Umsetzung, die ansonsten, möglicherweise durch die Gegenwart von Sauerstoff verursacht würde.The properties of the manufactured carbon fiber precursors in their stabilization, carbonization and graphitization have a decisive influence on the properties of the resulting carbon fibers. It is preferable that the stabilization temperature is about 200 to 300 ° C. The stabilization is carried out in an oxidizing atmosphere such as in air, but in view of higher productivity, stabilization in an inert gas atmosphere such as in nitrogen is partly effective at the beginning or later during the process. Since the stabilization of thermal cyclization and unsaturation is oxygen, the cyclization can be carried out to ensure higher productivity in an inert atmosphere at a higher temperature, free of any runaway reaction that would otherwise be caused by the presence of oxygen.
Die so erhaltenen stabilisierten Carbonfaser-Precursoren werden anschließend carbonisiert und darüber hinaus, wenn notwendig, graphitisiert, um Carbonfasern zu erhalten.The stabilized carbon fiber precursors thus obtained are then carbonized and, if necessary, graphitized to obtain carbon fibers.
Bei der Carbonisierung, die bei allmählich steigenden Temperaturen zwischen etwa 300 und 1500°C in der Stickstoffatmosphäre stattfindet, nimmt der Kohlenstoffgehalt stetig zu und erreicht etwa 95%. Durch die sich anschließende Graphitisierung lässt sich der Kohlenstoffgehalt der Fasern auf etwa 99% erhöhen. Die Graphitisierung erfolgt durch eine thermische Behandlung bei etwa 2400 bis 2600°C in einer Argonatmosphäre. Die graphisitierten Fasern weisen einen höheren Modul als herkömmlich carbonisierte Fasern auf.In carbonization, which occurs at gradually increasing temperatures between about 300 and 1500 ° C in the nitrogen atmosphere, the carbon content steadily increases and reaches about 95%. By the subsequent graphitization, the carbon content of the fibers can be increased to about 99%. The graphitization is carried out by a thermal treatment at about 2400 to 2600 ° C in an argon atmosphere. The graphitized fibers have a higher modulus than conventionally carbonized fibers.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung von Carbonfaser-Precursoren weist gegenüber dem Stand der Technik vielfältige Vorteile auf. So können Polyacrylnitrilpolymere in ionischen Flüssigkeiten in hohen Konzentrationen gelöst und die Spinnlösung durch eine Düse in ein Koagulationsbad gepresst werden. Nach Extrusion der Spinnlösung in das Koagulationsmedium, was vorzugsweise über einen Luftspalt erfolgt, und Ausfällung der Garne und Filamente können diese gewaschen, getrocknet und anschließend auf Galetten gewickelt werden. Darüber hinaus können die Eigenschaften der Spinnlösung mit Hilfe unterschiedlicher ionischer Flüssigkeiten präzise eingestellt werden und bieten unzählige Möglichkeiten zur Variation des Fadenbildungsprozesses. Diese beinhalten unterschiedliche Spinnverfahren, unterschiedliche Spinnbedingungen sowie Unterschiede im Koagulationsverhalten, was wiederum für die Auswahl des Koagulationsmediums und die Koagulationsbadzusammensetzung viele Vorteile bietet. Die vorliegende Technologie zur Herstellung von Precursoren für Carbonfasern auf der Basis von Polyacrylnitril mit Hilfe ionischer Flüssigkeiten zeichnen sich im Vergleich zu im Stand der Technik verwendeten Technologien der Faserherstellung mit herkömmlichen Lösungsmitteln durch ihre große Variationsbreite in der Prozessführung und damit der Möglichkeit, die Precursor-Fasereigenschaften in einem gewissen Bereich verändern zu können, aus.The process for producing carbon fiber precursors described above has many advantages over the prior art. Thus, polyacrylonitrile polymers can be dissolved in ionic liquids in high concentrations and the spinning solution can be forced through a nozzle into a coagulation bath. After extrusion of the spinning solution into the coagulation medium, which preferably takes place via an air gap, and precipitation of the yarns and filaments, these can be washed, dried and then wound on godets. In addition, the properties of the spinning solution can be precisely adjusted with the help of different ionic liquids and offer innumerable possibilities for varying the thread formation process. These include different spinning processes, different spinning conditions and differences in coagulation behavior, which in turn offers many advantages for the selection of the coagulation medium and the coagulation bath composition. The present technology for producing polyacrylonitrile based carbon fiber precursors using ionic liquids is characterized by its wide variation in process control, and hence the ability to control precursor fiber properties, compared to prior art fiber production technologies with conventional solvents in a certain range to be able to change.
Anhand der Angaben vorliegender Erfindung können mit Hilfe ionischer Flüssigkeiten Carbonfasern hergestellt werden, die eine besonders günstige Faserstruktur aufweisen, wobei geringe strukturelle Unterschiede zwischen den Innen- und Außenschichten von jedem einzelnen Filament vorliegen. Beispielsweise kann durch Verwendung sperriger Anionen in der ionischen Flüssigkeit der Spinnprozess der Regenerations-Coagulations-Prozesse verzögert werden, was eine optimale Diffusion des Lösungsmittels aus dem Faden ins Coagulationsbad bzw. des Fällmediums in den Fasern bewirkt und damit eine besonders homogene Faserstruktur erzeugt wird.By means of the present invention, carbon fibers can be produced with the aid of ionic liquids, which have a particularly favorable fiber structure, wherein there are slight structural differences between the inner and outer layers of each individual filament. For example, by using bulky anions in the ionic liquid, the spinning process of the regeneration-coagulation processes can be delayed, which causes optimum diffusion of the solvent from the thread into the coagulation bath or the precipitation medium in the fibers and thus produces a particularly homogeneous fiber structure.
Im Folgenden wird die vorstehend beschriebene Erfindung anhand von Beispielen eingehender illustriert, die jedoch nicht den Anwendungsumfang der vorstehenden Erfindung in irgendeiner Weise beschränken sollen.In the following, the invention described above will be illustrated in more detail by way of examples, which, however, are not intended to limit the scope of the present invention in any way.
Beispiel 1 example 1
Ein Copolymer, bestehend aus 98,0 Mol% Acrylnitril, 1,0 Mol% Methacrylsäure und 1,0 Mol% Itaconsäure wurde durch radikalische Polymerisation hergestellt, um eine Spinnlösung in [EMIM] [Cl] mit einer Konzentration von 22% zu erhalten. Die erhaltene Spinnlösung wurde bei kontrollierten 105°C unter Verwendung einer Spinndüse mit 32 Löchern, jeweils mit einem Durchmesser von 0,10 mm, mit einem Luftspalt von 50 mm versponnen, unter Einbeziehung eines auf 20°C temperierten Koagulationsbades einer wässrigen 20%-igen [EMIM] [Cl]-Lösung. Die koagulierten Filamente wurden mit Wasser gewaschen und in 90°C heißem Wasser in drei Bädern gereckt. Das Recken in den Bädern betrug 700%. Anschließend wurden die Filamente mit Hilfe beheizter Galetten bei 150°C zum Trocknen und Recken verwendet. Das Recken auf beheizten Galetten betrug 200%.A copolymer consisting of 98.0 mole% of acrylonitrile, 1.0 mole% of methacrylic acid and 1.0 mole% of itaconic acid was prepared by radical polymerization to obtain a spinning solution in [EMIM] [Cl] at a concentration of 22%. The spinning solution obtained was spun at a controlled 105 ° C using a spinneret with 32 holes, each with a diameter of 0.10 mm, with an air gap of 50 mm, including a 20 ° C tempered coagulation bath of an aqueous 20% [EMIM] [Cl] solution. The coagulated filaments were washed with water and stretched in 90 ° C hot water in three baths. Stretching in the baths was 700%. Subsequently, the filaments were used with the help of heated godets at 150 ° C for drying and stretching. Stretching on heated godets was 200%.
Es wurden Precursorfasern aus 32 Filamenten mit einer Einzelfilamentfeinheit von 1.1 dtex und einem kreisförmigen Querschnitt (L/B = 1) erhalten. Die Prozessendgeschwindigkeit betrug 65 m/min.Precursor fibers were obtained from 32 filaments with a single filament fineness of 1.1 dtex and a circular cross-section (L / B = 1). The final process speed was 65 m / min.
Die Bruchoberfläche der Vorläuferfasern wurde mit REM begutachtet. Es wurden keine Mikrohohlräume in den Faserquerschnitten von jedem einzelnen Filament vorgefunden.The fracture surface of the precursor fibers was observed by REM. No microvoids were found in the fiber cross sections of each individual filament.
Die Porosität der koagulierten Filamente betrug 29% und die Iodabsorptionsmessungen ergaben 0,17%.The porosity of the coagulated filaments was 29% and the iodine absorption measurements were 0.17%.
Um stabilisierte Fasern zu erhalten, wurden die Vorläuferfasern in einem Ofen bei Atmosphärendruck bei 250°C für 15 Minuten stabilisiert. Ferner wurde bei 270°C für 15 Minuten stabilisiert.To obtain stabilized fibers, the precursor fibers were stabilized in an oven at atmospheric pressure at 250 ° C for 15 minutes. Further, it was stabilized at 270 ° C for 15 minutes.
Die erhaltenen Faserbündel wurden in Luft bei allmählich steigenden Temperaturen zwischen 230 und 250°C bei einem Reckverhältnis von 0,90 stabilisiert. Die stabilisierten Fasern wurden in einer Stickstoffatmosphäre, bei einer Temperatur anstiegsgeschwindigkeit von 400°C/min, in einem Temperaturbereich zwischen 300 und 500°C und bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 500°C/min, in einem Temperaturbereich zwischen 1.000 und 1.200°C, bis zu 1.350°C, bei einem Reckverhältnis von 0,90 carbonisiert. Die Geschwindigkeit der Carbonisierung betrug 9 m/min.The resulting fiber bundles were stabilized in air at gradually increasing temperatures between 230 and 250 ° C at a draw ratio of 0.90. The stabilized fibers were in a nitrogen atmosphere, at a temperature increase rate of 400 ° C / min, in a temperature range between 300 and 500 ° C and at a temperature rise rate of 500 ° C / min, in a temperature range between 1,000 and 1,200 ° C, to to 1,350 ° C, carbonized at a draw ratio of 0.90. The rate of carbonation was 9 m / min.
Die so erhaltenen Kohlenstofffasern wiesen einen Einzelfilamentdurchmesser von 8,0 μm, eine Zugfestigkeit von 6,0 GPa, ein Elastizitätsmodul von 250 MPa und eine Bruchdehnung von 2,50% auf. Die erhaltenen Carbonfasern zeigen nur geringe strukturelle Unterschiede zwischen den Innen- und Außenschichten von jedem einzelnen Filament, erhalten durch RAMAN- und Rastersondenspektroskopie. REM-Aufnahmen von Filamentquerschnitten, die mit Hilfe eines Gallium-Ionenstrahls freigelegt wurden, zeigen keine Makrodefekte von jedem einzelnen Filament.The carbon fibers thus obtained had a single filament diameter of 8.0 μm, a tensile strength of 6.0 GPa, a modulus of elasticity of 250 MPa, and an elongation at break of 2.50%. The resulting carbon fibers show little structural difference between the inner and outer layers of each individual filament, obtained by RAMAN and scanning probe spectroscopy. SEM images of filament cross sections exposed by means of a gallium ion beam show no macrodefects from each individual filament.
Beispiel 2Example 2
Kohlenstofffasern wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben, erhalten, außer dass [EMIM] [SCN] als Lösungsmittel verwendet und die Verarbeitungstemperatur der Spinnlösung auf 110°C erhöht wurde. Die erhaltenen Kohlenstofffasern wiesen eine Zugfestigkeit von 5,9 GPa, ein Elastizitätsmodul von 240 GPa und eine Bruchdehnung von 2,6% auf.Carbon fibers were obtained as described in Example 1 except that [EMIM] [SCN] was used as the solvent and the processing temperature of the spinning solution was increased to 110 ° C. The obtained carbon fibers had a tensile strength of 5.9 GPa, a modulus of elasticity of 240 GPa and an elongation at break of 2.6%.
Beispiel 3Example 3
Kohlenstofffasern wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben, erhalten, außer dass ein Copolymer, bestehend aus 98,0 Mol% Acrylnitril und 2,0 Mol% Itaconsäure, durch radikalische Polymerisation hergestellt und eine Spinnlösung in [MMIM[ [DMP] mit einer Konzentration von 22% verwendet wurde.Carbon fibers were obtained as described in Example 1 except that a copolymer consisting of 98.0 mole percent acrylonitrile and 2.0 mole percent itaconic acid was prepared by free radical polymerization and a spinning solution in [MMIM [[DMP] at a concentration of 22% was used.
Die so erhaltenen Kohlenstofffasern wiesen eine Zugfestigkeit von 5,2 GPa, ein Modul von 230 MPa und eine Dehnung von 2,5% auf.The carbon fibers thus obtained had a tensile strength of 5.2 GPa, a modulus of 230 MPa and an elongation of 2.5%.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- JP 59-88924 [0007] JP 59-88924 [0007]
- JP 4-12882 [0007] JP 4-12882 [0007]
- JP 3-41561 [0007] JP 3-41561 [0007]
- JP 59-82420 [0008] JP 59-82420 [0008]
- JP 5-15722 [0008] JP 5-15722 [0008]
- CN 1752302 [0011, 0011] CN 1752302 [0011, 0011]
- CN 1752305 [0011, 0011] CN 1752305 [0011, 0011]
- WO 2007/128268 A2 [0011] WO 2007/128268 A2 [0011]
- WO 2007/128268 A3 [0011] WO 2007/128268 A3 [0011]
- DE 102009019120 A1 [0011] DE 102009019120 A1 [0011]
- DE 69828417 T2 [0025] DE 69828417 T2 [0025]
- DE 102006035830 A9 [0035] DE 102006035830 A9 [0035]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN 53816 [0013] DIN 53816 [0013]
- DIN 53816 [0013] DIN 53816 [0013]
- DIN 53816 [0013] DIN 53816 [0013]
- DIN 53816 [0014] DIN 53816 [0014]
- DIN 53816 [0014] DIN 53816 [0014]
- DIN 53816 [0014] DIN 53816 [0014]
- DIN 53816 [0017] DIN 53816 [0017]
- DIN 53816 [0017] DIN 53816 [0017]
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015200836A1 (en) * | 2015-01-20 | 2016-07-21 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Method for determining a surface structure change of at least one carbon fiber |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2018126669A (en) | 2015-12-31 | 2020-02-03 | ЮТи-БАТТЕЛЬ, ЭлЭлСи | METHOD FOR PRODUCING CARBON FIBERS FROM MULTIPURPOSE INDUSTRIAL FIBERS |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5982420A (en) | 1982-11-04 | 1984-05-12 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Production of carbon fiber |
JPS5988924A (en) | 1982-11-10 | 1984-05-23 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Preparation of acrylonitrile precursor for carbon fiber |
JPH0341561A (en) | 1989-07-10 | 1991-02-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Device for constituting library data |
JPH0412882A (en) | 1990-05-01 | 1992-01-17 | Mitsubishi Paper Mills Ltd | Color developing sheet for no-carbon required copying paper |
JPH0515722A (en) | 1991-07-11 | 1993-01-26 | Toyoda Gosei Co Ltd | Evaporative fuel treatment device |
DE69828417T2 (en) | 1997-08-27 | 2005-12-01 | Mitsubishi Rayon Co., Ltd. | Acrylonitrile precursor fiber for carbon fiber, production process and their use for the production of carbon fibers |
CN1752302A (en) | 2004-09-23 | 2006-03-29 | 中国石化上海石油化工股份有限公司 | Wet spinning method for polyacryl-nitrile fibre |
CN1752305A (en) | 2004-09-23 | 2006-03-29 | 中国石化上海石油化工股份有限公司 | Wet spinning method for polyacryl-nitrile fibre |
WO2007128268A2 (en) | 2006-05-10 | 2007-11-15 | Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. | Method for the production of multicomponent cellulose fibers |
DE102006035830A9 (en) | 2006-08-01 | 2008-11-06 | Basf Se | Solution system based on molten ionic liquids, its preparation and use for the production of regenerated carbohydrates |
DE102009019120A1 (en) | 2009-04-29 | 2010-11-04 | Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. | Polyacrylonitrile form body and method for its production from solution, comprise dissolving polyacrylonitrile in a solvent, spinning and precipitating in a hydrous setting bath, washing in further washing bath and drying the form body |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2888317A (en) * | 1953-04-10 | 1959-05-26 | Du Pont | Production of polyacrylonitrile filaments of high uniform density |
NL248550A (en) * | 1959-02-20 | |||
GB1324041A (en) * | 1969-10-31 | 1973-07-18 | Nippon Carbon Co Ltd | Method of producing carbon fibres |
JP2946779B2 (en) * | 1991-02-25 | 1999-09-06 | 東レ株式会社 | Manufacturing method of graphitized fiber |
IT1252680B (en) | 1991-11-13 | 1995-06-23 | Sviluppo Settori Impiego Srl | PROCEDURE FOR THE PRODUCTION OF POLYMERIC MATERIAL BODIES INCLUDING A CORE OF EXPANDED MATERIAL ENCLOSED BY AN EXTERNAL SHELL, AND A DEVICE USED IN SUCH PROCEDURE |
JP4533518B2 (en) * | 2000-08-31 | 2010-09-01 | 東邦テナックス株式会社 | Fiber reinforced composite material using high strength and high elongation carbon fiber |
CN101067214B (en) * | 2007-06-12 | 2012-02-01 | 东华大学 | Dry-jet wet-spinning technique for producing polyacrylonitrile fibre |
-
2012
- 2012-03-01 DE DE201210004118 patent/DE102012004118A1/en not_active Withdrawn
- 2012-03-01 DE DE202012013359.4U patent/DE202012013359U1/en not_active Expired - Lifetime
- 2012-10-25 WO PCT/EP2012/071179 patent/WO2013060792A1/en active Application Filing
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5982420A (en) | 1982-11-04 | 1984-05-12 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Production of carbon fiber |
JPS5988924A (en) | 1982-11-10 | 1984-05-23 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Preparation of acrylonitrile precursor for carbon fiber |
JPH0341561A (en) | 1989-07-10 | 1991-02-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Device for constituting library data |
JPH0412882A (en) | 1990-05-01 | 1992-01-17 | Mitsubishi Paper Mills Ltd | Color developing sheet for no-carbon required copying paper |
JPH0515722A (en) | 1991-07-11 | 1993-01-26 | Toyoda Gosei Co Ltd | Evaporative fuel treatment device |
DE69828417T2 (en) | 1997-08-27 | 2005-12-01 | Mitsubishi Rayon Co., Ltd. | Acrylonitrile precursor fiber for carbon fiber, production process and their use for the production of carbon fibers |
CN1752302A (en) | 2004-09-23 | 2006-03-29 | 中国石化上海石油化工股份有限公司 | Wet spinning method for polyacryl-nitrile fibre |
CN1752305A (en) | 2004-09-23 | 2006-03-29 | 中国石化上海石油化工股份有限公司 | Wet spinning method for polyacryl-nitrile fibre |
WO2007128268A2 (en) | 2006-05-10 | 2007-11-15 | Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. | Method for the production of multicomponent cellulose fibers |
DE102006035830A9 (en) | 2006-08-01 | 2008-11-06 | Basf Se | Solution system based on molten ionic liquids, its preparation and use for the production of regenerated carbohydrates |
DE102009019120A1 (en) | 2009-04-29 | 2010-11-04 | Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. | Polyacrylonitrile form body and method for its production from solution, comprise dissolving polyacrylonitrile in a solvent, spinning and precipitating in a hydrous setting bath, washing in further washing bath and drying the form body |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DIN 53816 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015200836A1 (en) * | 2015-01-20 | 2016-07-21 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Method for determining a surface structure change of at least one carbon fiber |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE202012013359U1 (en) | 2016-07-15 |
WO2013060792A1 (en) | 2013-05-02 |
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