DE112016002135T5

DE112016002135T5 - Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung

Info

Publication number: DE112016002135T5
Application number: DE112016002135.6T
Authority: DE
Inventors: Maki Hamaguchi; Shohei Wada; Toshinori Inoue; Seong-Ho Yoon
Original assignee: Kyushu University NUC; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2018-01-25
Also published as: KR102070167B1; WO2016181929A1; KR20170131693A; CN107532086A; US20180142158A1; JP2016210925A; CN107532086B; JP6392701B2

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung als ein zu lösendes Problem ist Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung bereitzustellen, mit dem in der Zugfestigkeit ausgezeichnete Kohlefaser bei relativ niedrigen Kosten hergestellt werden kann. Das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass man dieses aus Kohle erhält, dass es eine Art von Pech zum Herstellen der Kohlefaser durch Schmelzspinnen ist, und dass es ein Anteilsverhältnis von Sauerstoff von 1,0 Masse-% oder mehr und ein Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil von 20 Masse-% oder mehr aufweist. Die Kohle ist vorzugsweise bituminöse Kohle oder sub-bituminöse Kohle. Das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung wird vorzugsweise durch Unterziehen einer in Lösungsmittel löslichen Komponente, die aus einem thermischen Zersetzungsprodukt von Kohle in einem Lösungsmittel durch eine Lösungsmittelextraktionsbehandlung bei einer Temperatur von weniger als 300°C abgetrennt worden ist, einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150°C oder mehr hergestellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung.
Technischer Hintergrund
Kohlefasern wurden zum Beispiel als ein Armierungsstoff für Baustoffe, wie Harz, Beton und Keramik, in großem Umfang verwendet. Darüber hinaus werden Kohlefasern zum Beispiel insbesondere auch als wärmeisolierendes Material, ein Rohmaterial für Aktivkohle, ein elektrisch leitfähiges Material, ein wärmeleitfähiges Material oder dergleichen verwendet.
Im Allgemeinen wird ein synthetisches Harz, wie Polyacrylnitril oder eine aus Erdöl oder Kohle erhaltene Art von Pech zu Garn gesponnen, um zu einer Faserform geformt zu werden und dieses Garn wird zum Herstellen von Kohlefasern Infusibilisation bzw. Unschmelzbarmachen (Luftoxidation) und Verkohlung unterzogen. Unter den vorstehend erwähnten Rohmaterialien ist Kohlepech ein Rest, der nach dem Destillieren von Kohleteer übrig geblieben ist, der eine flüssige Substanz darstellt, die während des Trockendestillierens von Kohle zum Herstellen von Koks zum Entfernen flüchtiger Komponenten, wie Naphthalin, zusätzlich hergestellt wurde und ist eine viskose schwarze Substanz. Ein solches Kohlepech ist ein Gemisch von vielen Arten von Verbindungen, größtenteils aromatische Verbindungen, die eine große Anzahl von Benzolringen in ihrem Gerüst enthalten.
Da Kohlepech auf 1000°C oder so bei der Herstellung von Koks erhitzt wird, besteht das Kohlepech insbesondere hauptsächlich aus polycyclischen aromatischen Verbindungen mit hohem Ringkondensationsgrad, und zum Beispiel weist das Kohlepech ein sehr geringes Anteilsverhältnis an Alkylseitenkette, wie eine Methylgruppe, eine Ethylgruppe und eine Propylgruppe, und ein sehr kleines Anteilsverhältnis an Sauerstoff-enthaltender Struktur, wie eine Etherbindung und eine Phenolgruppe, auf. Als Index für das Anteilsverhältnis solcher Strukturen kann ein Sauerstoff-Anteilsverhältnis verwendet werden und demnach ist das Sauerstoff-Anteilsverhältnis von Kohlepech 1 Masse-% oder weniger im Allgemeinen und 0,5 Masse-% oder weniger in vielen Fällen.
Da ein solches Kohlepech zu einer viskosen Flüssigkeit schmilzt, wenn es auf 100°C bis 200°C oder so erhitzt wird, kann diese aus einer Düse extrudiert werden, um zu Garn gesponnen zu werden. Jedoch enthält zum Beispiel Kohlepech verschiedene Komponenten, wie Metallverunreinigungen und eine Kohlenstoffkomponente im festen Zustand, wodurch das Verspinnen und anschließende Infusibilisation und Verkohlung gehemmt werden, weil das Kohlepech ein Nebenprodukt bei der Herstellung von Koks ist und eine Substanz ist, die als Rückstand gewonnen wird, wie vorstehend beschrieben. Aus diesem Grund ist es schwierig, Kohlefasern aus Kohlepech stabil und effizient herzustellen. Darüber hinaus können diese Verunreinigungen dazu führen, dass die hergestellten Kohlefasern Defekte aufweisen und können die Zugfestigkeit von den erhaltenen Kohlefasern vermindern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass Rohmaterialpech, das bei der Herstellung von Kohlefasern verwendet wird, bei einer konstanten Temperatur beim Spinnen gleichförmig schmilzt. Darüber hinaus ist der Erweichungspunkt von Rohmaterialpech vorzugsweise 150°C oder mehr, sodass die Temperatur einer Infusibilisations-Behandlung für die Formfestsetzung der durch Verspinnen des Rohmaterialpechs zu Garn erhaltenen Fasern erhöht werden kann und die Behandlung kann vereinfacht werden und ist vorzugsweise 350°C oder weniger, sodass das Rohmaterialpech bei einer Temperatur zu Garn gesponnen wird, die keine Wärmezersetzungsreaktion beim Spinnen verursacht.
Um Rohmaterialpech herzustellen, das diesen Erfordernissen genügt, wurde eine Technik zur Lösungsmittelextraktionsbehandlung der Kohle vorgeschlagen, um Pech zu erhalten, und zum Beispiel Behandeln des Pechs, wie die Einstellung der Komponenten und die Entfernung von Verunreinigungen zum Reformieren von Kohlepech (siehe zum Beispiel JP H07-15099 B ).
Jedoch wird die vorstehend erwähnte Reformierungs-Behandlung von solchem Kohlepech zu einem Faktor, der die Herstellungskosten der Kohlefaser anhebt.
Dokument des Standes der Technik
Patent-Dokument
Patent-Dokument 1: JP H07-15099 B
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Unzweckmäßigkeiten ausgeführt und eine Aufgabe davon als ein zu lösendes Problem ist Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung bereitzustellen, mit dem in der Zugfestigkeit ausgezeichnete Kohlefasern bei relativ niedrigen Kosten hergestellt werden können.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick zum Lösen des vorstehend erwähnten Problems ausgeführt und ist auf Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung gerichtet, das aus Kohle erhalten wurde, das eine Art von Pech zum Herstellen von Kohlefaser durch Schmelzspinnen ist, und ein Anteilsverhältnis von Sauerstoff von 1,0 Masse-% oder mehr und ein Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil von 20 Masse-% oder mehr aufweist.
Da das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung ein Anteilsverhältnis von Sauerstoff von 1,0 Masse-% oder mehr aufweist, bildet in einem Verkohlungsverfahren ein Sauerstoffatom eine Vernetzung zwischen Molekülen. Aus diesem Grund kann das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung die Entstehung gestapelter aromatischer Ringe hemmen, unter Unterdrücken des Wachstums von Kristallen. Mit diesem Ansatz wird die Zugfestigkeit der erhaltenen Kohlefaser erhöht, weil, wenn eine Belastung auf die Kohlefaser wirkt, kann die Belastungskonzentration auf einem Abschnitt zwischen Mikrokristallen entspannt werden. Da darüber hinaus das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung ein Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil, der aus Verbindungen mit einem relativ kleinen Molekulargewicht besteht, von 20 Masse-% oder mehr aufweist, ist das Rohmaterialpech in der Schmelzbarkeit und Spinnbarkeit ausgezeichnet, um in einem Schmelzspinnverfahren eingesetzt zu werden. Folglich können durch Anwenden des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung in der Zugfestigkeit ausgezeichnete Kohlefasern bei relativ niedrigen Kosten hergestellt werden.
Die vorstehend erwähnte Kohle ist vorzugsweise bituminöse Kohle oder sub-bituminöse Kohle. An sich kann, wenn die vorstehend erwähnte Kohle bituminöse Kohle oder sub-bituminöse Kohle ist, da die Ausbeute des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung relativ hoch wird, im Ergebnis nicht nur das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung, sondern es können auch Kohlefasern bei relativ niedrigen Kosten hergestellt werden.
Das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung wird vorzugsweise durch Unterziehen einer aus einem thermischen Zersetzungsprodukt von Kohle getrennten, in Lösungsmittel löslichen Komponente in einem Lösungsmittel durch eine Lösungsmittelextraktionsbehandlung bei einer Temperatur von weniger als 300°C einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150°C oder mehr hergestellt. An sich kann, wenn Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung durch Unterziehen einer aus einem thermischen Zersetzungsprodukt von Kohle getrennten, in Lösungsmittel löslichen Komponente in einem Lösungsmittel durch eine Lösungsmittelextraktionsbehandlung bei einer Temperatur von weniger als 300°C einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150°C oder mehr hergestellt wird, das Anteilsverhältnis von Sauerstoff und das Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil einfach und sicher in dem vorstehend erwähnten Bereich eingestellt werden. Folglich kann nicht nur das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung, sondern es können auch in der Zugfestigkeit ausgezeichnete Kohlefasern bei relativ niedrigen Kosten hergestellt werden.
In diesem Zusammenhang bedeutet ”das Anteilsverhältnis von Sauerstoff” ein Anteilsverhältnis an Sauerstoffatomen, das nicht nur ein Sauerstoffmolekül, sondern auch ein Sauerstoffatom gebunden an ein anderes Atom beinhaltet, und bedeutet insbesondere einen Wert, gemessen gemäß JIS-M8813 (2004). Darüber hinaus bezieht sich ”das Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil” auf einen Wert, gemessen gemäß JIS-K2207 (1996). Darüber hinaus bezieht sich ”bituminöse Kohle” und ”sub-bituminöse Kohle” auf die jeweiligen Arten von Kohle mit einer in JIS-M1002 (1978) vorgeschriebenen Kohlequalität.
Wirkung der Erfindung
Wie vorstehend ausgewiesen, können durch Anwenden des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung der vorliegenden Erfindung Kohlefasern bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Fließdiagramm, das den Ablauf von einem Verfahren zur Herstellung von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführungsform der Erfindung
Hierin anschließend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genauer mit Bezug auf die Zeichnung entsprechend beschrieben.
[Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung]
Das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird aus Kohle erhalten und ist eine Art von Rohmaterialpech zum Herstellen der Kohlefaser durch Schmelzspinnen.
Es ist bevorzugt, dass das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung eine Art von Pech ist, die aus einem thermischen Zersetzungsprodukt von Kohle in einem Lösungsmittel erhalten wird. Die Kohle enthält eine große Anzahl von Struktureinheiten, die ein Sauerstoffatom, wie eine Alkylseitenkette, enthalten und größtenteils einen in Toluol löslichen Anteil, verglichen mit Kohleteer und einem Rückstand bei dem Erdöl-Herstellungsverfahren, der bei einer relativ hohen Temperatur behandelt wurde. Aus diesem Grund kann das aus einem thermischen Zersetzungsprodukt von Kohle erhaltene Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung in einem Lösungsmittel mit einem nachstehend beschriebenen Merkmal bereitgestellt werden.
Die untere Grenze von dem Anteilsverhältnis von Sauerstoff in dem Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung ist 1,0 Masse-%, vorzugsweise 1,5 Masse-%, und bevorzugter 1,7 Masse-%. Andererseits ist die obere Grenze von dem Anteilsverhältnis von Sauerstoff vorzugsweise 5,0 Masse-%, bevorzugter 4,0 Masse-% und weiter bevorzugt 3,0 Masse-%. Wenn das Anteilsverhältnis von Sauerstoff weniger als die vorstehende untere Grenze ist, kann das Kristallwachstum bezüglich der Verkohlung nicht ausreichend unterdrückt werden und es besteht die Möglichkeit, dass die erhaltene Kohlefaser für Zerreißen auf Grund der Belastungskonzentration anfällig wird. Wenn andererseits das Anteilsverhältnis von Sauerstoff mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Herstellungskosten der Kohlefaser ansteigen, weil der Massenverminderungsgrad bezüglich der Verkohlung groß ist und die Ausbeute an Kohlefasern sinkt.
Die untere Grenze von dem Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil in dem Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung ist 20 Masse-%, vorzugsweise 30 Masse-% und bevorzugter 35 Masse-%. Andererseits ist die obere Grenze von dem Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil vorzugsweise 80 Masse-%, bevorzugter 60 Masse-% und weiter bevorzugt 50 Masse-%. Wenn das Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Schmelzbarkeit und Spinnbarkeit beim Schmelzspinnen unzureichend wird. Wenn andererseits das Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Herstellungskosten der Kohlefaser ansteigen, weil die Ausbeute der Kohlefasern sinkt.
Beispiele von Kohle als ein Rohmaterial von dem Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung schließen Anthrazitkohle, bituminöse Kohle, sub-bituminöse Kohle und Braunkohle und dergleichen ein, die in absteigender Reihenfolge von dem Verkohlungsgrad angeordnet sind, und von diesen ist bituminöse Kohle oder sub-bituminöse Kohle, die einen mittleren Verkohlungsgrad aufweist, bevorzugt. Da bituminöse Kohle und sub-bituminöse Kohle ein relativ hohes Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil und ein mittleres Sauerstoff-Anteilsverhältnis aufweisen, kann durch Übernehmen bituminöser Kohle oder sub-bituminöser Kohle als Rohmaterial-Kohle die Ausbeute des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung mit einem Sauerstoff-Anteilsverhältnis und einem in Toluol löslichen Anteilsverhältnis, die in dem vorstehend erwähnten Bereich eingestellt worden sind, erhöht werden. In diesem Zusammenhang weist Braunkohle, die in dem Verkohlungsgrad geringer als sub-bituminöse Kohle ist, den Nachteil auf, indem die Ausbeute von Kohlefaser aus Rohmaterialpech gering wird, weil das Sauerstoff-Anteilsverhältnis zu groß ist. Darüber hinaus weist Anthrazitkohle, die im Verkohlungsgrad höher als bituminöse Kohle ist, den Nachteil auf, indem das Rohmaterialpech nicht leicht Schmelzspinnen unterzogen werden kann, weil das Sauerstoff-Anteilsverhältnis und das in Toluol lösliche Anteilsverhältnis gering sind.
[Verfahren zur Herstellung von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung]
Anschließend wird ein Verfahren zur Herstellung von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung beschrieben.
Das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung kann durch das in 1 gezeigte Herstellungs-Verfahren hergestellt werden. Das in 1 gezeigte Verfahren zur Herstellung von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung enthält den Schritt zum Formen aschefreier Kohle, die ein thermisches Zersetzungsprodukt von Kohle durch thermische Zersetzung von Kohle in einem Lösungsmittel und einer Extraktions-Behandlung (Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts: Schritt S1) ist, den Schritt zum Trennen der in dem Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts erhaltenen aschefreien Kohle, in eine in Lösungsmittel lösliche Komponente und eine in Lösungsmittel unlösliche Komponente durch eine Lösungsmittelextraktionsbehandlung bei niederer Temperatur (Trennschritt: Schritt S2), und den Schritt zum Unterziehen der in dem Trennschritt erhaltenen, in Lösungsmittel löslichen Komponente einer Wärmebehandlung (Wärmebehandlungsschritt: Schritt S3).
<Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts>
In dem Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts von Schritt S1 wird eine Aufschlämmung, hergestellt durch Mischen der Rohmaterialkohle und eines Lösungsmittels auf eine Temperatur zur thermischen Zersetzung der Rohmaterialkohle oder höher erhitzt, eine in Lösungsmittel lösliche Komponente von der thermisch zersetzten Rohmaterialkohle wird mit dem Lösungsmittel extrahiert und eine bei der thermischen Zersetzungstemperatur in Lösungsmittel unlösliche Komponente wird entfernt, um aschefreie Kohle zu erhalten. In diesem Zusammenhang bezieht sich ”aschefreie Kohle” auf verbesserte Kohle, die durch Reformieren einer Art von Kohle hergestellt wird und bezieht sich auf jene, in der der Anteil von einer Asche-Komponente (Ascheanteil) 5% oder weniger, vorzugsweise 3% oder weniger und bevorzugter 1% oder weniger ist. In diesem Zusammenhang bedeutet ”der Ascheanteil” einen Wert, gemessen gemäß JIS-M8812 (2004).
Das vorstehend erwähnte Lösungsmittel ist nicht besonders begrenzt, solange wie das Lösungsmittel eine Eigenschaft zum Auflösen von Rohmaterial-Kohle aufweist, und zum Beispiel können monocyclische aromatische Verbindungen, wie Benzol, Toluol und Xylol, bicyclische aromatische Verbindungen, wie Naphthalin, Methylnaphthalin, Dimethylnaphthalin und Trimethylnaphthalin, tricyclische aromatische Verbindungen, wie Anthracen und dergleichen, verwendet werden. In diesem Zusammenhang enthalten Beispiele der vorstehend erwähnten bicyclischen aromatischen Verbindung eine Art von Naphthalin mit einer aliphatischen Kette und eine Art von Biphenyl mit einer langen aliphatischen Kette.
Unter den vorstehend erwähnten Lösungsmitteln ist auch eine bicyclische oder tricyclische aromatische Verbindung, die ein Kohlederivat darstellt, hergestellt durch Raffinieren eines trocken-destillierten Produkts von Kohle, bevorzugt. Die bicyclische aromatische Verbindung, die ein Kohlederivat darstellt, ist auch in einem erhitzten Zustand stabil und ist ausgezeichnet in der Affinität mit Kohle. Als solches kann durch Anwenden einer solchen bicyclischen aromatischen Verbindung als Lösungsmittel ein Anteil von einer Kohle-Komponente, die mit dem Lösungsmittel extrahiert wurde, erhöht werden und das Lösungsmittel kann leicht durch ein Verfahren, wie Destillation, die zirkulierend eingesetzt wird, gewonnen werden.
Die untere Grenze einer Heiztemperatur (thermische Zersetzungs-Extraktionstemperatur) der Aufschlämmung ist vorzugsweise 300°C, bevorzugter 350°C und weiter bevorzugt 380°C. Andererseits ist die obere Grenze einer Heiztemperatur der Aufschlämmung vorzugsweise 450°C und bevorzugter 420°C. Wenn die Heiztemperatur der Aufschlämmung weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht, da die Bindung zwischen den die Kohle aufbauenden Molekülen nicht ausreichend geschwächt wird, zum Beispiel in dem Fall des Anwendens von Kohle mit geringerer Qualität als Rohmaterial-Kohle, die Befürchtung, dass die Wiederverfestigungstemperatur der extrahierten aschefreien Kohle nicht hoch genug ist und die Befürchtung, dass das Herstellungs-Verfahren unwirtschaftlich wird, weil die Ausbeute vermindert ist. Wenn andererseits die Heiztemperatur der Aufschlämmung mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass das Sauerstoff-Anteilsverhältnis von aschefreier Kohle unzureichend wird, weil die Wärmezersetzungsreaktion von Kohle stark aktiviert wird und es besteht die Möglichkeit, dass die Extraktionsrate von aschefreier Kohle sinkt, weil Rekombination durch thermische Zersetzung erzeugter Radikale stattfindet.
Obwohl die Extraktionsrate (Ausbeute von aschefreier Kohle) aus Kohle in dem Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts von der Qualität der Kohle als Rohmaterial abhängt, ist in dem Fall von bituminöser Kohle oder sub-bituminöser Kohle die Extraktionsrate zum Beispiel 20 Masse-% oder mehr und 60 Masse-% oder weniger.
<Trennschritt>
In dem Trennschritt von Schritt S2 wird durch Unterziehen der aschefreien Kohle, die in dem Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts von Schritt S1 erhalten wurde, einer Nieder-Temperatur-Lösungsmittelextraktionsbehandlung die aschefreie Kohle in eine in Lösungsmittel lösliche Komponente, die bei einer niederen Temperatur Lösungsmittel-extrahiert wird und ein relativ geringes Molekulargewicht aufweist, und eine Lösungsmittel-unlösliche Komponente, die nicht Lösungsmittel-extrahiert wird und ein relativ hohes Molekulargewicht aufweist, getrennt. Mit diesem Aufbau wird eine schmelz-spinnbare, in Lösungsmittel lösliche Komponente erhalten.
Insbesondere wird zerstoßene aschefreie Kohle zur Herstellung der Aufschlämmung in einem Lösungsmittel dispergiert, wobei die Temperatur der Aufschlämmung über einen bestimmten Zeitraum in einem vorgeschriebenen Temperaturbereich gehalten wird, und dann wird die Aufschlämmung in einen festen Anteil, nämlich eine Lösungsmittel-unlösliche Komponente, und einen flüssigen Anteil, nämlich eine Lösung, in der eine in Lösungsmittel lösliche Komponente gelöst ist, getrennt.
Die untere Grenze von dem mittleren Teilchendurchmesser von in einem Lösungsmittel dispergierter aschefreier Kohle ist vorzugsweise 50 μm und bevorzugter 100 μm. Andererseits ist die obere Grenze von dem mittleren Teilchendurchmesser von in einem Lösungsmittel dispergierter aschefreier Kohle vorzugsweise 3 mm und bevorzugter 1 mm. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser von aschefreier Kohle, dispergiert in einem Lösungsmittel, weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass das Trennen der Aufschlämmung in einen flüssigen Anteil, der die extrahierte in Lösungsmittel lösliche Komponente enthält, und einen festen Anteil, der eine Lösungsmittel-unlösliche Komponente ist, schwierig wird. Wenn andererseits der mittlere Teilchendurchmesser von aschefreier Kohle, dispergiert in einem Lösungsmittel, mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Extraktionseffizienz von einer in Lösungsmittel löslichen Komponente sinkt. In diesem Zusammenhang bedeutet ”der mittlere Teilchendurchmesser” einen Teilchendurchmesser, bei dem der volumetrisch integrierte Wert in einer Teilchengrößenverteilung, gemessen durch ein Laserbeugungs-Streuungs-Verfahren, 50% wird.
Die untere Grenze der Mischrate von aschefreier Kohle zu dem Lösungsmittel in der vorstehend erwähnten Aufschlämmung ist vorzugsweise 3 Masse-% und bevorzugter 5 Masse-%. Andererseits ist die obere Grenze von der Mischrate von aschefreier Kohle zu dem Lösungsmittel vorzugsweise 40 Masse-% und bevorzugter 30 Masse-%. Wenn die Mischrate von aschefreier Kohle zu dem Lösungsmittel weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass das Herstellungs-Verfahren unwirtschaftlich wird, weil die Herstellungseffizienz sinkt. Wenn andererseits die Mischrate von aschefreier Kohle zu dem Lösungsmittel mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Handhabung der Aufschlämmung und die Trennung von der Lösungsmittel-unlöslichen Komponente daraus schwierig wird.
Ein Verfahren zum Trennen der Aufschlämmung in eine Lösung, in der eine in Lösungsmittel lösliche Komponente gelöst ist und eine Lösungsmittel-unlösliche Komponente ist nicht besonders begrenzt und Trenn-Verfahren, wie ein Filtrations-Verfahren, ein Zentrifugen-Trenn-Verfahren und ein Gravitations-Einsteil-Verfahren, sind bekannt und die Kombination von zwei Verfahren unter diesen kann eingesetzt werden. Unter diesen ist auch die Kombination von einem Zentrifugen-Trenn-Verfahren und einem Filtrations-Verfahren bevorzugt, was kontinuierlichen Betrieb zum Handhaben des Fluids ermöglicht, geringe Betriebskosten erfordert, zum Behandeln einer großen Menge des Fluids geeignet ist und der Lösungsmittel-unlöslichen Komponente ermöglicht, sicher entfernt zu werden.
Durch Entfernen des Lösungsmittels aus einer (Überstandsflüssigkeit) so von der Lösungsmittel-unlöslichen Komponente getrennten Flüssigkeit wird die in Lösungsmittel lösliche Komponente von aschefreier Kohle getrennt und gewonnen, und durch Entfernen des Lösungsmittels von einer konzentrierten Flüssigkeit mit festem Stoff wird die Lösungsmittel-unlösliche Komponente von aschefreier Kohle getrennt und gewonnen. Ein Verfahren zum Entfernen des Lösungsmittels aus jeder der vorstehend erwähnten Überstandsflüssigkeit und der konzentrierten Flüssigkeit mit festen Stoff ist nicht besonders begrenzt und ein allgemeines Destillations-Verfahren, ein allgemeines Verdampfungs-Verfahren und dergleichen können verwendet werden. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Entfernung des Lösungsmittels von der Lösungsmittel-unlöslichen Komponente durch Destillation ausgeführt wird, um das Lösungsmittel wiederzugewinnen und wiederzuverwenden.
Das in dem vorstehend erwähnten Trennschritt verwendete Lösungsmittel braucht nur eines zu sein, das eine Komponente mit niederem Molekulargewicht von aschefreier Kohle löst, und eines der für den vorstehend erwähnten Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts verwendeten Lösungsmittels kann verwendet werden. Als Lösungsmittel für den Trennschritt ist von diesen ein Lösungsmittel bevorzugt, mit dem eine ausreichende Extraktionsrate bei einer geringen Temperatur erreicht wird, vorzugsweise bei gewöhnlicher Temperatur, und Beispiele von einem solchen bevorzugten Lösungsmittel umfassen Pyridin, Methylnaphthalin, Tetrahydrofuran, Anthracen und dergleichen.
Hinsichtlich der Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur in dem Trennschritt variiert die optimale Temperatur mit der Art des Lösungsmittels. Jedoch ist die Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur im Allgemeinen vorzugsweise weniger als 300°C, bevorzugter 200°C oder weniger, und weiter bevorzugt 150°C oder weniger. Obwohl andererseits die untere Grenze der Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur nicht besonders begrenzt ist, ist die untere Grenze davon vorzugsweise eine gewöhnliche Temperatur, zum Beispiel 20°C. Wenn die Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Spinneffizienz während des Schmelzspinnens sinkt, weil das Molekulargewicht von einer zu extrahierenden in Lösungsmittel löslichen Komponente erhöht wird und die Erweichungstemperatur zu hoch wird. Wenn andererseits die Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Kosten unnötig ansteigen, weil Kühlen erforderlich ist.
Die untere Grenze der Extraktionszeit, nämlich der Zeitraum während dessen die vorstehend erwähnte Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur in dem Trennschritt gehalten wird, ist vorzugsweise 10 Minuten und bevorzugter 15 Minuten. Andererseits ist die obere Grenze der Extraktionszeit vorzugsweise 120 Minuten und bevorzugter 90 Minuten. Wenn die Extraktionszeit weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Komponente mit niederem Molekulargewicht von aschefreier Kohle nicht ausreichend gelöst wird. Wenn andererseits die Extraktionszeit mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Herstellungskosten unnötig ansteigen.
Die untere Grenze der Extraktionsrate von einer in Lösungsmittel löslichen Komponente aus aschefreier Kohle in dem Trennschritt ist vorzugsweise 10 Masse-%, bevorzugter 20 Masse-% und weiter bevorzugt 30 Masse-%. Andererseits ist die obere Grenze der Extraktionsrate von einer in Lösungsmittel löslichen Komponente aus aschefreier Kohle vorzugsweise 90 Masse-%, bevorzugter 70 Masse-% und weiter bevorzugst 50 Masse-%. Wenn die Extraktionsrate von einer in Lösungsmittel löslichen Komponente aus aschefreier Kohle in dem Trennschritt weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Herstellungskosten des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung ansteigen, weil die Ausbeuterate sinkt. Wenn andererseits die Extraktionsrate von einer in Lösungsmittel löslichen Komponente aus aschefreier Kohle in dem Trennschritt mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Spinneffizienz sinkt, weil die Erweichungstemperatur der in Lösungsmittel löslichen Komponente hoch wird.
<Wärmebehandlungsschritt>
Um vor dem Zersetzen entfernt zu werden, wird bei dem Wärmebehandlungsschritt von Schritt S3 durch Erhitzen einer in dem Trennschritt von Schritt S2 erhaltenen, in Lösungsmittel löslichen Komponente zum Verflüchtigen der Komponente mit niederem Molekulargewicht und zum thermischen Zersetzen einer Komponente bei einer niederen Temperatur, das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung erhalten. Hierzu wird, durch vorheriges Entfernen einer flüchtigen Komponente und einer zersetzbaren Komponente, die Schmelzspinnen hemmen können, das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung leicht Schmelzspinnen unterzogen und dies ermöglicht, in der Zugfestigkeit ausgezeichnete Kohlefasern bei relativ niedrigen Kosten herzustellen.
Mit Hinblick auf die vorstehend erwähnte Wärmebehandlung ist es bevorzugt, dass die in Lösungsmittel lösliche Komponente in einer nicht-oxidierenden Gasatmosphäre erhitzt wird. Dabei können durch Erhitzen der in Lösungsmittel löslichen Komponente in einer nicht-oxidierenden Gasatmosphäre zum Verhindern von Vernetzen durch Oxidation, Schwierigkeiten, wie ein Anstieg in der Erweichungstemperatur, verhindert werden. Obwohl das vorstehend erwähnte nicht-oxidierende Gas nicht besonders begrenzt ist, solange wie das Gas die Oxidation von Pech unterdrücken kann, ist vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit ein Stickstoffgas bevorzugter.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die vorstehend erwähnte Wärmebehandlung unter der Dekompressionsbedingung ausgeführt wird. Hierzu kann durch Ausführen der Wärmebehandlung unter der Dekompressionsbedingung der Dampf von einer flüchtigen Komponente und dem gasförmigen Stoff von einem thermischen Zersetzungsprodukt effizient aus dem Pech entfernt werden.
Die untere Grenze der Wärmebehandlungs-Temperatur in dem vorstehend erwähnten Wärmebehandlungsschritt ist vorzugsweise 150°C, bevorzugter 170°C und weiter bevorzugt 200°C. Andererseits ist die obere Grenze von der vorstehend erwähnten Wärmebehandlungs-Temperatur vorzugsweise 350°C, bevorzugter 320°C und weiter bevorzugt 280°C. Wenn die vorstehend erwähnte Wärmebehandlungs-Temperatur weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Spinneffizienz sinkt, weil die flüchtige Komponente in einer Lösungsmittel-unlöslichen Komponente nicht ausreichend entfernt werden kann und die Spinnfähigkeit des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung unzureichend wird. Wenn andererseits die vorstehend erwähnte Wärmebehandlungs-Temperatur mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Befürchtung, dass die Energiekosten unnötig ansteigen, eine Befürchtung, dass eine verwendbare Komponente thermisch zersetzt ist und die Herstellungseffizienz der Kohlefasern sinkt, und eine Befürchtung, dass Verkohlung weiterhin abläuft und die Spinnbarkeit sinkt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Wärmebehandlungs-Temperatur in dem Wärmebehandlungsschritt höher als die Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur in dem Trennschritt von Schritt S2 ist. Als solche kann durch Gestalten der Wärmebehandlungs-Temperatur höher als die Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur eine flüchtige Komponente mit einem Siedepunkt höher als die Lösungsmittelextraktionsbehandlungs-Temperatur aus Pech entfernt werden. Mit diesem Aufbau können durch Gestalten der flüchtigen Komponente, indem sie sich von dem Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung während des Spinnens herausbewegt, die Bildung von Poren und der Bruch von Filamentgarn verhindert werden kann.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Wärmebehandlungs-Temperatur in dem Wärmebehandlungsschritt höher als die Schmelzspinn-Temperatur ist. Hierzu kann durch Einstellen der Wärmebehandlungs-Temperatur höher als die Schmelzspinn-Temperatur in diesem Wärmebehandlungsschritt eine Komponente, die sich während des Schmelzspinnens thermisch zersetzen kann, hergestellt werden, um sich vorher thermisch zu zersetzen, um entfernt zu werden. Bei diesem Aufbau kann der Bruch von Filamentgarn, der durch Spinnen von Pech in Garn erhalten wird, was durch ein thermisches Zersetzungsprodukt, erzeugt während des Spinnens, verursacht wird und die Bildung von einem Defekt in der schließlich erhaltenen Kohlefaser, was durch das thermische Zersetzungsprodukt verursacht wird, verhindert werden.
Die untere Grenze der Wärmebehandlungszeit (der Zeitraum, während dessen die Temperatur bei der vorstehend erwähnten Wärmebehandlungs-Temperatur gehalten wird) in dem vorstehend erwähnten Wärmebehandlungsschritt ist vorzugsweise 10 Minuten und bevorzugter 15 Minuten. Andererseits ist die obere Grenze der Wärmebehandlungszeit in dem vorstehend erwähnten Wärmebehandlungsschritt vorzugsweise 120 Minuten und bevorzugter 90 Minuten. Wenn die Wärmebehandlungszeit in dem vorstehend erwähnten Wärmebehandlungsschritt weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Komponente mit niederem Molekulargewicht nicht ausreichend entfernt werden kann. Wenn andererseits die Wärmebehandlungszeit in dem vorstehend erwähnten Wärmebehandlungsschritt mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, das die Behandlungskosten unnötig ansteigen.
Die untere Grenze der Erweichungstemperatur des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung, die durch Unterziehen der in Lösungsmittel löslichen Komponente einer Wärmebehandlung erhalten wird, ist vorzugsweise 150°C und bevorzugter 170°C. Andererseits ist die obere Grenze der Erweichungstemperatur des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung vorzugsweise 280°C und bevorzugter 250°C. Wenn die Erweichungstemperatur des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Infusibilisations-Behandlung ineffizient wird, weil die Infusibilisations-Behandlungs-Temperatur nicht erhöht wurde. Wenn andererseits die Erweichungstemperatur des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung mehr als die vorstehende obere Grenze ist, muss die Schmelzspinntemperatur erhöht werden und es besteht die Möglichkeit, dass das Spinnen instabil wird und eine Befürchtung, dass die Kosten ansteigen. In diesem Zusammenhang bezieht sich ”die Erweichungstemperatur” auf einen Wert, gemessen durch ein Ring- und Kugel-Verfahren gemäß ASTM-D36.
Die untere Grenze der Ausbeute des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung aus der in Lösungsmittel löslichen Komponente, erhalten in dem vorstehend erwähnten Trennschritt in diesem Wärmebehandlungsschritt ist vorzugsweise 80 Masse-% und bevorzugter 85 Masse-%. Andererseits ist die obere Grenze der Ausbeute des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung von der in Lösungsmittel löslichen Komponente in dem Wärmebehandlungsschritt vorzugsweise 98 Masse-% und bevorzugter 96 Masse-%. Wenn die Ausbeute des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung von der in Lösungsmittel löslichen Komponente in dem Wärmebehandlungsschritt weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Ausbeuterate des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung unnötig sinkt. Wenn andererseits die Ausbeute des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung von der in Lösungsmittel löslichen Komponente in dem Wärmebehandlungsschritt mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Spinneffizienz sinkt, weil die Spinnbarkeit von Pech auf Grund der restlichen Komponenten, wie eine flüchtige Komponente und eine Komponente, die bei einer niederem Temperatur in dem Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung thermisch zersetzt wird, unzureichend wird.
[Verfahren zur Herstellung von Kohlefaser]
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefaser unter Verwendung des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung beschrieben.
Das Verfahren zur Herstellung von Kohlefaser unter Verwendung des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung enthält ein Verfahren zum Unterziehen des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung dem Schmelzspinnen, ein Verfahren zum Unterziehen von durch das Schmelzspinnen erhaltenem Filamentgarn der Infusibilisation und ein Verfahren zum Unterziehen des infusibilisierten Filamentgarns der Verkohlung.
<Schmelzspinnverfahren>
Bei dem Schmelzspinnverfahren wird unter Anwenden einer bekannten Spinnapparatur das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung dem Schmelzspinnen unterzogen. Das heißt, Rohmaterialpech wird in einem geschmolzenen Zustand durch eine Düse (Spinnerette) geleitet, um zu einer Filament-Form geformt zu werden und das Rohmaterialpech gekühlt, so dass die Form davon in der Filament-Form fixiert ist.
Als die bei dem Schmelzspinnen verwendete Düse kann eine bekannte verwendet werden und eine Düse mit einem Durchmesser von 0,1 mm oder mehr und 0,5 mm oder weniger und einer Länge von 0,2 mm oder mehr und 1 mm oder weniger kann verwendet werden. Zum Beispiel wird durch Schmelzspinnen von Rohmaterialpech in Garn erhaltenes Filamentgarn um eine Trommel mit einem Durchmesser von 100 mm oder mehr und 300 mm oder weniger oder so gewickelt.
Die untere Grenze der Schmelzspinn-Temperatur ist vorzugsweise 180°C und bevorzugter 200°C. Andererseits ist die obere Grenze der Schmelzspinn-Temperatur vorzugsweise 350°C und bevorzugter 300°C. Wenn die Schmelzspinn-Temperatur weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass stabiles Spinnen nicht ausgeführt werden kann, weil das Rohmaterialpech unzureichend geschmolzen ist. Wenn andererseits die Schmelzspinn-Temperatur mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass durch Spinnen des Rohmaterialpechs in Garn erhaltenes Filamentgarn gebrochen ist, weil eine Komponente in dem Rohmaterialpech thermisch zersetzt ist.
Obwohl die untere Grenze der linearen Geschwindigkeit während des Schmelzspinnens nicht besonders begrenzt ist, ist die untere Grenze der linearen Geschwindigkeit vorzugsweise 100 m/min und bevorzugter 150 m/min. Andererseits ist die obere Grenze der linearen Geschwindigkeit während des Schmelzspinnens vorzugsweise 500 m/min und bevorzugter 400 m/min. Wenn die lineare Geschwindigkeit während des Schmelzspinnens weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass Kohlefaser teuer wird, weil die Herstellungseffizienz sinkt. Wenn andererseits die lineare Geschwindigkeit während des Schmelzspinnens mehr als die vorstehende obere Grenze ist, ist die Herstellungseffizienz eher gesenkt, weil das Spinnen instabil wird und es besteht zudem die Befürchtung, dass Kohlefaser teuer wird.
Die untere Grenze des mittleren Durchmessers von durch Verspinnen zu Garn in dem Schmelzspinn-Verfahren erhaltenem Filamentgarn ist vorzugsweise 5 μm und bevorzugter 7 μm. Andererseits ist die obere Grenze des mittleren Durchmessers beim Spinnen zu Garn in dem Schmelzspinn-Verfahren erhaltenem Filamentgarn vorzugsweise 20 μm und bevorzugter 15 μm. Wenn der mittlere Durchmesser des Filamentgarns weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass das Spinnen nicht stabil ausgeführt kann. Wenn andererseits der mittlere Durchmesser des Filamentgarns mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Flexibilität von Filamentgarn unzureichend wird.
<Infusibilisations-Verfahren>
Bei dem Infusibilisations-Verfahren bzw. dem Verfahren zum Unschmelzbarmachen wird in dem Schmelzspinn-Verfahren erhaltenes Filamentgarn in einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, erhitzt, um vernetzt und infusibilisiert zu werden. Als die Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, wird im Allgemeinen Luft übernommen.
Die untere Grenze der Infusibilisations-Behandlungs-Temperatur ist vorzugsweise 150°C und bevorzugter 200°C. Andererseits ist die obere Grenze der Infusibilisations-Behandlungs-Temperatur vorzugsweise 300°C und bevorzugter 280°C. Wenn die Infusibilisations-Behandlungs-Temperatur weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Befürchtung, dass Infusibilisation unzureichend wird und eine Befürchtung, dass die Infusibilisations-Behandlung ineffizient wird, weil die Infusibilisations-Behandlungszeit länger ist. Wenn andererseits die Infusibilisations-Behandlungs-Temperatur mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass Filamentgarn schmilzt, bevor es aerob vernetzt ist.
Die untere Grenze der Infusibilisations-Behandlungszeit ist vorzugsweise 10 Minuten und bevorzugter 20 Minuten. Andererseits ist die obere Grenze der Infusibilisations-Behandlungszeit vorzugsweise 120 Minuten und bevorzugter 90 Minuten. Wenn die Infusibilisations-Behandlungszeit weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass Infusibilisation unzureichend wird. Wenn andererseits die Infusibilisations-Behandlungszeit mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Herstellungskosten der Kohlefaser unnötig ansteigen.
<Verkohlungs-Verfahren>
Bei dem Verkohlungs-Verfahren wird das in dem Infusibilisations-Verfahren infusibilisierte Filamentgarn erhitzt und karbonisiert, um Kohlefaser zu erhalten.
Insbesondere wird Filamentgarn in einer beliebigen Heiz-Einrichtung, wie ein Elektroofen, installiert und das Innere davon wird mit einem nicht-oxidierenden Gas ersetzt, wonach das Filamentgarn erhitzt wird, während ein nicht-oxidierendes Gas in die Heizapparatur geblasen wird.
Die untere Grenze der Wärmebehandlungs-Temperatur in dem Verkohlungs-Verfahren ist vorzugsweise 700°C und bevorzugter 800°C. Andererseits ist die obere Grenze der Wärmebehandlungs-Temperatur vorzugsweise 3000°C und bevorzugter 2800°C. Wenn die Wärmebehandlungs-Temperatur weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass Verkohlung unzureichend wird. Wenn andererseits die Wärmebehandlungs-Temperatur mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Herstellungskosten wegen der Erhöhung der Wärmebeständigkeit der Einrichtungen und des Brennstoffverbrauchs ansteigen.
Die Heizzeit in dem Verkohlungs-Verfahren braucht auch nur ungefähr auf die für ein Kohlematerial erforderlichen Eigenschaften eingestellt zu werden. Obwohl die Heizzeit nicht besonders begrenzt ist, ist die Heizzeit vorzugsweise 15 Minuten oder mehr und 10 Stunden oder weniger. Wenn die Heizzeit weniger als die vorstehende untere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Verkohlung unzureichend wird. Wenn andererseits die Heizzeit mehr als die vorstehende obere Grenze ist, besteht die Möglichkeit, dass die Leistungsfähigkeit von einem Kohlematerial sinkt.
Obwohl das vorstehend erwähnte nicht-oxidierende Gas nicht besonders begrenzt ist, solange wie die Oxidation von einem Kohlematerial unterdrückt wird, ist Stickstoffgas vom wirtschaftlichen Standpunkt bevorzugt.
[Andere Ausführungsformen]
Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung sollte nicht durch die vorstehend erwähnten Ausführungsformen begrenzt sein. Folglich sind basierend auf den Ansagen in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung und dem üblichen allgemeinen technischen Wissen das Weglassen, der Austausch und die Hinzufügung zu Bestandteilselementen in den jeweiligen Teilen der vorstehend erwähnten Ausführungsformen möglich und alle von jenen sollten als innerhalb der vorliegenden Erfindung aufgefasst werden.
Als ein Beispiel kann bei einem Verfahren zur Herstellung des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung ohne Abtrennen eines Aschegehalts und dergleichen in der Aufschlämmung aus aschefreier Kohle in dem Schritt zur Bildung des thermischen Zersetzungsprodukts der Aschegehalt und dergleichen zusammen mit einer Lösungsmittel-unlöslichen Komponente in aschefreier Kohle in dem anschließenden Trennschritt getrennt werden.
Darüber hinaus kann bei einem Verfahren zur Herstellung des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung der Wärmebehandlungsschritt weggelassen werden.
Beispiele
Hierin anschließend wird die vorliegende Erfindung auf der Basis von Beispielen genauer beschrieben, jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht auf der Basis der Beschreibung als auf diese Beispiele eingeschränkt aufgefasst werden.
<Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung>
Wie nachstehend in Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 beschrieben, wurden jeweilige Arten von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung, die in den Herstellungsbedingungen verschieden sind, experimentell hergestellt und Schmelzspinnen, Infusibilisation und Verkohlung unter der gleichen Bedingung der experimentell herzustellenden jeweiligen Arten von Kohlefaser unterzogen.
(Beispiel 1)
Als Rohmaterial-Kohle wurde australische bituminöse Kohle mit einem Sauerstoff-Anteilsverhältnis von 6,5 Masse-% in Bezug auf wasserfreie aschefreie Kohle verwendet. Zuerst wurde die vorstehend erwähnte bituminöse Kohle zu einer Größe von 1 mm oder weniger zerstoßen, 1 kg der bituminösen Kohle wurde mit 5 kg Methylnaphthalin vermischt, das Gemisch wurde in einem Autoklaven angeordnet, die innere Atmosphäre davon wurde gegen Stickstoff ersetzt, und die Innentemperatur davon wurde bei 400°C für 1 Stunde gehalten und dann unter Kühlen gesenkt, um ein thermisches Zersetzungsprodukt zu erhalten. Nun wurden zu diesem thermischen Zersetzungsprodukt weiter 5 kg Methylnaphthalin zugegeben, der Inhalt wurde für 1 Stunde bei einer Extraktionstemperatur von 60°C gerührt, um eine Methylnaphthalin-lösliche Komponente zu extrahieren und filtriert und das erhaltene Filtrat wurde unter vermindertem Druck destilliert zum Abtrennen der Methylnaphthalin-löslichen Komponente. Diese Methylnaphthalin-lösliche Komponente wurde einer Wärmebehandlung für 1 Stunde unter einer Stickstoff-Atmosphäre bei einer Wärmebehandlungs-Temperatur von 230°C unterzogen, um Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Beispiel 1 zu erhalten.
(Beispiele 2 bis 6)
In Beispiel 2 wurde Rohmaterialpech experimentell in der gleichen Weise wie jenes in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Extraktionstemperatur auf 80°C eingestellt wurde. In Beispiel 3 wurde Rohmaterialpech experimentell in der gleichen Weise wie jenes in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Extraktionstemperatur auf 100°C eingestellt wurde. In Beispiel 4 wurde Rohmaterialpech experimentell in der gleichen Weise wie jenes in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Extraktionstemperatur auf 250°C eingestellt wurde. In Beispiel 5 wurde Rohmaterialpech experimentell in der gleichen Weise wie jenes in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Extraktionstemperatur auf 80°C eingestellt wurde und die Wärmebehandlungs-Temperatur auf 250°C eingestellt wurde. In Beispiel 6 wurde Rohmaterialpech experimentell in der gleichen Weise wie jenes in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Extraktionstemperatur auf 100°C eingestellt wurde und die Wärmebehandlungs-Temperatur auf 250°C eingestellt wurde.
(Vergleichsbeispiel 1)
Wie in dem Fall von Beispiel 1 wurde bituminöse Kohle zu einer Größe von 1 mm oder weniger zerstoßen, 1 kg von der bituminösen Kohle wurde mit 5 kg Methylnaphthalin vermischt, das Gemisch wurde in einen Autoklaven gestellt, die Innenatmosphäre davon wurde gegen Stickstoff ersetzt, und die Innentemperatur davon wurde bei 400°C für 1 Stunde gehalten, der Inhalt wurde filtriert, um aschefreie Kohle zu erhalten, und die aschefreie Kohle wurde einer Wärmebehandlung für 1 Stunde unter einer Stickstoffatmosphäre bei einer Wärmebehandlungs-Temperatur von 200°C unterzogen, um Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Vergleichsbeispiel 1 zu erhalten.
(Vergleichsbeispiel 2)
Hinsichtlich des Rohmaterialpechs zur Kohlefaser-Herstellung von Vergleichsbeispiel 2 wurde kommerziell erhältliches Hartpech mit einem Sauerstoff-Gehalt von 0,9 Masse-% und einem in Toluol löslichen Anteil von 64 Masse-% hergestellt und das Hartpech wurde einer Wärmebehandlung für 20 Stunden unter einer Stickstoffatmosphäre bei einer Wärmebehandlungs-Temperatur von 350°C unterzogen, um Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Vergleichsbeispiel 2 zu erhalten.
<Komponentenanalyse>
Die jeweiligen Arten von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden hinsichtlich des Sauerstoff-Anteilsverhältnisses gemäß JIS-M8813 (2004) gemessen. Darüber hinaus wurden die jeweiligen Arten von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 hinsichtlich des in Toluol löslichen Anteilsverhältnisses gemäß JIS-K2207 (1996) gemessen.
<Kohlefaser>
Hinsichtlich der experimentellen Herstellung von Kohlefaser unter Verwendung der jeweiligen Arten von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden zuerst in einer Spinnmaschine mit einer Düse mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Länge von 0,4 mm Pech zum Spinnen zu Garn angeordnet und Schmelzspinnen bei 250°C unterzogen. Bei dieser Gelegenheit wurde Filamentgarn, erhalten durch Spinnen von Pech zu Garn, um eine Trommel mit einem Durchmesser von 100 mm gewickelt, welche bei 600 U/min (lineare Geschwindigkeit von etwa 190 m/min) rotiert wurde. Anschließend wurde das Filamentgarn für 1 Stunde bei 250°C an der Luft erhitzt, um infusibilisiert zu werden. Weiterhin wurde die unlösliche Faser bei 800°C karbonisiert. In diesem Zusammenhang konnte in Vergleichsbeispiel 1 die Kohlefaser nicht erhalten werden, weil Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Vergleichsbeispiel 1 nicht stabilem Schmelzspinnen unterzogen werden konnte, selbst wenn auf 350°C erhitzt wurde.
<Zugfestigkeit>
Entsprechende Arten von unter Verwendung der jeweiligen Arten von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 experimentell hergestellten Kohlefaser wurden hinsichtlich der Zugfestigkeit gemäß JIS-L1013 (2010) gemessen.

Das Sauerstoff-Anteilsverhältnis der jeweiligen Arten von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung von Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2, das in Toluol lösliche Anteilsverhältnis davon, die Ausbeute der Rohmaterial-Kohle (Hartpech in Vergleichsbeispiel 2) in Bezug auf wasserfreie aschefreien Kohle und die Zugfestigkeit von experimentell hergestellter Kohlefaser unter Verwendung davon werden in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

	Sauerstoff-Anteilsvhältnis (Masse-%)	In Toluol lösliches Anteilsverhältnis (Masse-%)	Ausbeute (Masse-%)	Zugfestigkeit (MPa)
Beispiel 1	2,2	56	26	1100
Beispiel 2	1,9	42	30	1200
Beispiel 3	1,8	36	32	1150
Beispiel 4	1,4	31	26	1150
Beispiel 5	1,7	28	28	1000
Beispiel 6	1,7	33	32	900
Vergleichsbeispiel 1	1,8	17	46	-
Vergleichsbeispiel 2	0,6	19	(92)	550

Hierzu wurde bestätigt, dass durch Herstellen von Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung mit einem Anteilsverhältnis von Sauerstoff von 1,0 Masse-% oder mehr und einem Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil von 20 Masse-% oder mehr in der Zugfestigkeit relativ ausgezeichnete Kohlefaser stabil hergestellt werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung der vorliegenden Erfindung wird bei der Herstellung von Kohlefasern geeignet angewendet.
Bezugszeichenliste

S1:

Thermischer Zersetzungsproduktbildungsschritt

S2:

Trennschritt

S3:

Wärmebehandlungsschritt

Claims

Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung, das aus Kohle erhalten wird, das eine Art von Pech zum Herstellen von Kohlefaser durch Schmelzspinnen ist, und ein Anteilsverhältnis von Sauerstoff von 1,0 Masse-% oder mehr und ein Anteilsverhältnis von einem in Toluol löslichen Anteil von 20 Masse-% oder mehr aufweist.
Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung nach Anspruch 1, wobei die Kohle bituminöse Kohle oder sub-bituminöse Kohle ist.
Rohmaterialpech zur Kohlefaser-Herstellung nach Anspruch 1 oder 2, das durch Unterziehen einer in Lösungsmittel löslichen Komponente, die aus einem thermischen Zersetzungsprodukt von Kohle in einem Lösungsmittel durch eine Lösungsmittelextraktionsbehandlung bei einer Temperatur von weniger als 300°C abgetrennt worden ist, einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150°C oder mehr hergestellt worden ist.