DE1619187C

DE1619187C - Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Fasern

Info

Publication number: DE1619187C
Authority: DE
Inventors: Wesley Alan Elyna Bacon Roger Olmsted Falls Ohio Schalamon (V St A )
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung - - höheren Elastizitätsmodul nach Young als die von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden nach den üblichen Verfahren hergestellten. Die so Fasern durch teilweise Verkohlung von Fasern aus gewonnenen, aus Kohlenstoff bestehenden Fasern Cellulose oder regenerierter Cellulose durch Erhitzen können mit ausgezeichnetem Erfolg in Graphit Überauf 100 bis 350° C, anschließende Verkohlung in 5 geführt werden.

inerter Atmosphäre und gegebenenfalls Überführung So hatten derartige aus zwei Strängen bestehende

in Graphit durch weiteres Erhitzen auf eine Tempera- und anschließend unter einer Zugspannung von 450 g

tür über 2000°C. in GraphitübergeführteFaserneinenYoung-Modulvon

Ein derartiges Verfahren ist aus der deutschen Aus- etwa 4 · 10" kg/cm² und eine Reißfestigkeit von etwa legeschriftl 242 551 bekannt. Dabei ermöglichtdasvor- io 2· 10* kg/cm². Um derartige Elastizitäten und Reißhergehende Tränken des zu erhitzenden Cellulose- festigkeiten bei dem bekannten Verfahren zu erhalten, materials mit Säuren' eine Einhaltung der niederen mußte während der Überführung in Graphit eine Erhitzungsbedingungen. Zugspannung von 1300 g angewendet werden..

Es ist andererseits auch bekannt, zur Herstellung von Zur teilweisen Verkohlung werden die Ausgangs-Textilien aus Kohlenstoff einen aus Cellulose bestehen- 15 fasern in inerter oder oxydierender Atmosphäre auf den Textilgegenstand in einer inerten Atmosphäre bei etwa 150 bis 350⁰C erhitzt. Man kann die teilweise stufenweise ansteigenden Temperaturen zu erhitzen, Verkohlung aber auch in Gegenwart von Stoffen bis die Cellulose praktisch vollständig verkohlt ist. durchführen, die, wie beispielsweise Phosphorsäure, Die nach den angeführten Verfahren erhaltenen End- die Verkohlung fördern. In diesem Falle erhitzt man produkte haben die chemischen und physikalischen 20 auf Temperaturen von etwa 100 bis etwa 350° C.
Eigenschaften der üblichen Gegenstände aus Kohlen- Man kann die so erhaltenen, aus Kohle bestehenden stoff und besitzen gleichzeitig die Flexibilitätund andere Fasern anschließend auf eine Temperatur über 2000° C, physikalische Eigenschaften der textlien Ausgangs- vorzugsweise auf etwa 2800° C, erhitzen, wodurchstoffe wie Gewebe. Graphit entsteht. Zweckmäßigerweise führt man das

Es ist ferner bekannt, zur Herstellung von Textilien 25 Erhitzen über 2000° C ebenfalls unter Zugspannung

aus Graphit ein Ausgangsmaterial auf Cellulose in durch.

einer inerten Atmosphäre bei stufenweise steigenden Die nachstehenden Beispiele erläutern einige AusTemperaturen auf etwa 900° C zu erhitzen und dann führungsformen der Erfindung,
das Erhitzen in einer schützenden Atmosphäre bei

höheren Temperaturen fortzusetzen, bis das Ausgangs- 30 Beispiell
material praktisch in Graphit übergeführt ist. Die so

erhaltenen Endprodukte haben die chemischen und Zum Strecken der kohlenstoffhaltigen Fasern oder

physikalischen Eigenschaften des üblicherweise ge- Garne bei.erhöhter Temperatur wurde eine Apparatur

wonnenen Graphits und gleichzeitig die Eigenschaften verwendet, die aus einem senkrecht angeordneten,

der als Ausgangsstoff verwendeten Textilien. 35 durch elektrische Widerstandsheizung erhitzten Rohr-

Es sind auch schon Graphitfasern mit einem hohen ofen mit einer Länge von etwa 60 cm und einem Durch-Elastizitätsmodulus und einer hohen Festigkeit auf messer von etwa 5 cm bestand,
dem Markt erschienen. Dieses Material wird so her- Ein Graphitstab war über das obere Ende des Rohrgestellt, daß man im wesentlichen ganz aus Kohle ofens gelegt. Es war ferner ein System zum Regeln der bestehende Fasern unter "Zugspannung auf solche 4° Atmosphäre in der heißen Zone des Ofens vorgesehen. Temperaturen erhitzt, daß sie in Graphit übergeführt Ein ,aus zwei Strängen bestehendes Garn aus regenewerden. ' rierter Cellulose mit 1650 Denier und 720 Fäden wurde

Diese Graphitfasern haben wertvolle Eigenschaften, durch Erhitzen auf etwa 250° C teilweise verkohlt, die bei ihrer Herstellung nach den früheren Verfahren Dieses teilweise verkohlte Garn wurde dann über den nicht erreicht werden konnten. Das Verfahren zu 45 Graphitstab gelegt und in den Ofen eingeführt. Die ihrer Herstellung ist aber schwierig durchzuführen. herabhängenden Enden wurden verbunden, und an Um eine maximale Festigkeit und einen hohen Elasti- ihnen wurde das gewünschte Gewicht (s. Tabelle 1) zitätsmodul zu erreichen, muß man die aus Kohlen- angebracht. Hierdurch erhielt das Garn eine Längsstoff bestehende Faser während der Überführung in spannung. Dann erhitzte man die Fasern stufenweise Graphit unter einer hohen Zugspannung halten. Um 50 auf Verkohlungstemperaturen. Hierbei steigerte man optimale Festigkeit und Elastizitäten zu erhalten, muß die Temperatur von Raumtemperatur auf 900° C im man eine Zugspannung anwenden, die der Reißfestig- Laufe von etwa I¹I₂ Stunden. Hierauf folgte eine keit der aus Kohle bestehenden Fasern sehr nahe liegt. sofortige Abkühlung mit einer anfänglichen Abküh-Das Verfahren ist daher technisch schwierig durch- lungsgeschwindigkeit von etwa 400° C je Stunde. Diese zuführen. 55 Abkühlungsgeschwindigkeit verringerte sich später,

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung so daß für das Abkühlen von 900° C auf Raumtempera-

von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden tür etwa 16 Stunden benötigt wurden. Während des

Fasern, die sich durch eine erhöhte Zugfestigkeit und Erhitzens und Abkühlens wurde in dem Ofen eine

Elastizität auszeichnen. Atmosphäre aus Argon aufrechterhalten. Die Strek-

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß bei dem eingangs 60 kung .während des Verkohlens wurde mit einem

angegebenen Verfahren dadurch erreicht, daß man die Präzisions-Kathetometer gemessen,

teilweise verkohlten Fasern unter einer Zugspannung, Es sei hier bemerkt, daß teilweise verkohltes. CeIIu-

die eine Streckung von wenigstens 5°/o bewirkt, in der losematerial beim vollständigen Verkohlen schrumpft,

inerten Atmosphäre bei 250 bis 900°C verkohlt. Die in Prozenten ausgedrückte wirksame Streckung

Eine Streckung von wenigstens 5°/o bedeutet, daß 65 nach Tabelle 1 wird so bestimmt, daß man den Längendie Fasern eine wenigstens 5°/₀ größere Länge hat als unterschied zwischen einem unter Zugspannung verentsprechende Fasern, die ohne Zugspannung verkohlt kohlten Material und einem Material, das ohne Zugworden sind. Die so hergestellten Fasern haben einen spannung verkohlt war, mißt und die gemessenen

Längen dann in Prozenten, bezogen auf das Zugspannung verkohlte Material, ausgedrückt.

Tabelle 1"

ohne

Muster
Nr.

Zugkraft auf	5	Wirksame
zwei Strängen	250	Streckung
g	400	7o
500	0,05
20
35
50

Young-Modul 106. kg/cm²

0,41 0,56 0,71 0,73

Zugfestigkeit kg/cm²

5100 4300 5800 5000

Das Gewicht von 5 g beim Muster 1 in der Tabelle 1 diente lediglich dazu, die Faser im Ofen während der Verkohlung gerade zu halten. Diese geringe Gewichts übte keine bemerkenswerte Zugspannung auf das Garn Weitere nicht in der Tabelle 1 enthaltenen Versuchsdaten haben gezeigt, daß eine wirksame Streckung von wenigstens 5°/₀ erreicht werden muß, um den so behandelten Fasern verbesserte Eigenschaften zu verleihen. Bei einer wirksamen Streckung von 5 % wurden Fasern gewonnen, die einen Young-Modul von wenigstens 0,4 · 10^e kg/cm² hatten.

B e i s ρ i e 1- 2

ίο Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren und mit der dort beschriebenen Vorrichtung und demselben Ausgangsmaterial wurden "Fasern unter einer Zugspannung von 400 g durch Erhitzen auf etwa 900⁰C verkohlt. Diese verkohlten Fasern wurden dann ohne Zugspannung durch Erhitzen auf 2800⁰C in Graphit übergeführt. Die Eigenschaften der so gewonnenen Fasern sind in der Tabelle 2 wieder-• gegeben. Um nach den bekannten Verfahren Graphitfasern gleicher Eigenschaften zu erhalten, mußte man

aus. Der Young-Modul und die Zugfestigkeit beim

Muster 1 entsprechen also denen, die beim Verkohlen 20 eine Zugspannung anwenden, die doppelt so groß war von Garn nach den üblichen Verfahren erhalten werden. wie die bei erfindungsgemäßen Verfahren.

Tabelle

Verfahren

Zugspannung
auf die Fasern

Temperaturbereich
⁰C

Young-Modul 10^s · kg/cm²

Zugfestigkeit kg/cm²

Verkohlen unter Zugspannung, gefolgt von einer Überführung in Graphit bei 2800° C ohne Zugspannung

Überführung in Graphit unter Zugspannung nach dem bekannten Verfahren

400
800

250 bis 900
1000 bis 2800

1,65 1,60

12 500 12 200,

Die Tabelle 2 zeigt, daß man beim erfindungsgemäßen Verfahren Fasern einer hohen Elastizität erhält, ohne daß man während der Überführung in Graphit eine hohe Zugspannung anzuwenden braucht.

B ei s pi el 3

Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren und unter Verwendung der dort beschriebenen Vorrichtung und des gleichen Ausgangsmaterials wurden Fasern unter einer Zugspannung Von 450 g durch Erhitzen auf 900⁰C verkohlt. Diese verkohlten Fasern wurden dann unter Zugspannung in Graphit übergeführt, wobei eine Zugspannung von 400 g und eine Temperatur von etwa 2900⁰C angewendet wurden. Die Eigenschaften der so erhaltenen Fasern sind in der Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle

Methode

Zugspannung '
g

Temperaturbereich

⁰C.

Young-Modul 10⁸ · kg/cm²

Zugfestigkeit kg/cm²

Unter Zugspannung verkohlt

und anschließend unter Zugspannung in Graphit übergeführt

Unter Zugspannung nach dem bekannten Verfahren in Graphit übergeführt

450
400

1300

250 bis 900
900 bis 2900

1000 bis 2800

3,6 3,85

19 500 20000

Die Tabelle 3 zeigt, daß man die Zugspannung beim Überführen in Graphit wesentlich herabsetzen kann, wenn man in einem vorhergehenden Verfahrensschritt das Garn unter Zugspannung verkohlt hat.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Fasern durch teil-• weise Verkohlung von Fasern aus Cellulose oder regenerierter Cellulose durch Erhitzen auf 100 bis 350° C, anschließende Verkohlung in inerter Atmosphäre und gegebenenfalls Überführung in Graphit durch weiteres Erhitzen auf eine Temperatur über 2000⁰C, dadurchgekennzeichnet, daß man die teilweise verkohlten Fasern unter einer Zugspannung, die eine Streckung von wenigstens 5°/₀ bewirkt, in der inerten Atmosphäre bei 250 bis 900° C verkohlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß teilweise verkohlte Fasern, die aus

Fasern aus Cellulose oder regenerierter Cellulose durch Erhitzen auf 100 bis 350° C in Gegenwart eines die.Verkohlung fördernden Stoffes,-vorzugsweise Phosphorsäure, erhalten worden sind, unter der Zugspannung verkohlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Erhitzen auf Temperaturen über 2000° C zur Gewinnung von aus Graphit bestehenden Fasern ebenfalls unter Zugspannung durchführt.