DE1921777A1 - Verfahren zur Thermofixierung von Kohlefadenprodukten - Google Patents

Description

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KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, lokyo-To, Japan

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Verfahren zur Shermofixierung von Kohlefadenprodukten

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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Kohlefadenprodukten hoher mechanischer Festigkeit und stabiler Form.

Bisher werden Kohlefadenprodukte wie Stoffe und Zwirne (verdrillte Garne) allgemein dadurch hergestellt, daß ihnen die erwünschte Form zu einer Zeit gegeben wird, während der sich das Ausgangsmaterial noch im organischen Faserzustand befin- * det, und daß sie anschließend zur Verkohlung des Fasermaterials wärmebehandelt werden.

Dieses Verfahren ist jedoch in mancher Hinsicht mit Schwierigkeiten verbunden. Ein normaler Faden aus einer organischen Verbindung weist einen geringen Verkohlungsgrad auf, wenn unter "Verkohlungsgrad" diejenige Ausbeute verstanden wird, mit der die Umwandlung der Ausgangsfäden in Kohlefäden stattfindet« Außerdem enthalten solche Fäden große Mengen an flüchtigen Bestandteilen. Infolgedessen ergibt sich bei de» Wärmebehandlung eine relativ starke Schwindung des aus solchen Fäden bestehenden Produktes« Bei einem Zwirn wird außerdem die Verflechtung der Fäden merklich gelockert ι wodurch die mechanische Festigkeit der verdfilXte« Kohlefaden stark; herab«

Es ist. auch bereits vorgeschlagen worden» Kohlefäden hoher Festigkeit dadurch herzustellen, daß als Ausgangsmaterialien verwendete Peche zu Fäden versponnen und die Fäden dann zum Unschmelzbarmachen und Karbonisieren einer Wärmebehandlung unterworfen werden, Bei diesem Verfahren sind jedoch die Fäden vor der Karbonisierung sehr zerbrechlich, wodurch die Verarbeitung der in diesem Zustand befindlichen Fäden zu einem Zwirn, einem Gewebe oder einem Stoff sehr erschwert wird.

Im allgemeinen weisen Kohlefaden eine sehr geringe Duktilität und einen hohen Elastizitätsmodul auf und sind daher nicht nachgiebig bzw. geschmeidig. Außerdem besitzen Kohlefäden einen geringen Reibungskoeffizienten. Daher ist bei Verwendung der bekannten Kohlefäden, selbst solchen hoher Festigkeit, zur Herstellung von Produkten wie Zwirnen oder Matten, in denen die Verflechtung der Fäden miteinander sehr wichtig ist, nicht nur die Verflechtung unzureichend, sondern auch die gegenseitige Haltefestigkeit sehr gering. Es ist daher bisher für unmöglich gehalten worden, Kohlefadenprodukte stabiler Form und hoher Festigkeit ohne Verwendung von Pasten herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile bei der Herstellung von Kohlef adenprodukten zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, durch das Kohlefadenprodukte hoher Festigkeit und stabiler Form hergestellt werden können. *

Es wird zwar allgemein angenommen, daß= Kohlefäden thermisch sehr stabil sind und keiner fherraofixierung unterworfen werden können. langwierige Versuche betreffend die Karbonisierung und Graphitierung von Kohlefaden haben jedoch zu de:r Entdeckung geführt» daßsogar aus Kohlefaden* die bereits verkohlt worden sind, durch. Wärmebehandlung kei eine? höheren temperatur als der Karbonieierungstemperatur die inneren Faserspannungen ent·* fernt werden können und daß es aöglioli ist* sie in dea* er-

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Die Erfindung besteht daher darin, daß das Kohlefadenprodukt, während es in der erwünschten endgültigen Gestalt festgehalten wird, in einer nichtoxidierenden Atmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei die Temperatur größer, vorzugsweise mindestens etwa „100 ⁰O größer als die größte auf das ursprüngliche Kohlefadenprodukt ausgeübte Temperatur ist und wobei die Behandlung so lange fortgesetzt wird, bis die erwünschte endgültige Gestalt auch nach Freigeben des Kohlefadenproduktes dauerhaft erhalten bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Kohlezwirn (aus Kohlefaden verdrilltes Garn) als Ausführungsbeispiel beschrieben. Es werden kurze oder lange Kohlefäden verwendet, die durch Verkohlung bei einer Temperatur von T.. ⁰C erhalten werden. Während diese Fäden verdrillt sind, werden sie bei bestimmter Verdrillung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur T₂ ⁰C unterzogen, die größer als die Temperatur T₁ ist, worauf die Kohlefäden thermofixiert sind und ein Zwirn stabiler Form mit fester Verflechtung bzw. Verschlingung und großer Massendichte bilden.

Die für die Thermofixierung erforderliche Zeit ist sehr kurz und beträgt etwa einige Sekunden bis einige Minuten» Für die Temperatur T.. eignet sich im allgemeinen ein Wert von 700 bis 1 200 ⁰C. Die Wirkung der Wärmebehandlung stellt sich ein, wenn die Temperatur T« größer als die Temperatur T- ist. Obgleich sich schon bei einer Differenz Tp - T- von etwa 100 ⁰O eine spürbare Wirkung ergibt, sollte die Differenz so groß ' wie möglich sein. Differenzen zwischen 500 und 1 000 ⁰O werden in Betracht gezogen.

Zur Erwärmung während dieser Wärmebehandlung kann natürlich ein gewöhnlicher Ofen verwendet werden. Es ist jedoch auch eine Methode geeignet, bei der die Fäden durch direktes Hin-, durohleiten eines elektrischen Stroms erhitzt werden.

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Die Zahl der vorgenommenen Verdrillungen ist von den erwünschten Eigenschaften des Zwirne'und den Längen der als Ausgangsmaterial verwendeten Kohlefäden abhängig. Zur Herstellung von Zwirn mit großer Festigkeit ist es erwünscht, die ; Zahl der Verdrillungen zu vergrößern» wenn das Ausgangsmaterial kurae EletDentarfäden aufweist. .

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es / während des VerewirnungsschritteB oder in einem nachfolgenden Schritt, während dem das Garn im verdrillten Zustand festgehalten wird, auch BJÖglieh, geeponneneß Garn in stabiler Pora aus langen oder kureen Kohlefäden als Auegangematerial herzu-βteilen. Daher gibt es eine Ansah1 von Möglichkeiten zur wirteohaftliöhen KerVtellung v^nKöhlezwirn. ; _; V

Die sur !Ühermofixierung dienende Wärmebehandlung ist nicht auf .Zwirne beschränkt, sondern läßt sich ebenfalls auf andere Kohlefadenprodukte oder auf aus Kohlefäden oder Kohlefasern hergestellte Gegenstände anwenden» Beispielsweise kann die Behandlung auch auf die Herstellung von Paden angewendet die in Form von Spulenwicklungen, Spiralen, Wellen oder anderen geometrischen Formen fixiert werden sollen oder zu dem Zweck, Spannungen in Produkten aus irgendwie gewickelten Fäden zu •beseitigen, in denen Fadenbündel oder verdrillte Fäden durch die Wärmebehandlung in stabile Form-gebracht werden und eine erhöhte Festigkeit erhalten sollen» . ^v< " ; '

Weiterhin kann die beschriebene Wärmebehandlung auch auf die Herstellung von Forinkörpern oder Materialien in Gestalt von Stoffen oder Matten mit stabiler Form, hohem Verflechtungsgrad und hohen Massendichten angewendet werden, so daß diesen Formkörpern oder Materialien eine bleibend zylindrische oder wellenförmige oder irgendeine andere gekrümmte oder gewinkelte Gestalt gegeben werden kann*

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OBiGiNALlNSPECTED

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Die auf diese Weise hergestellten formkörper oderGegenstand· können für die gleichen Zwecke wie normale Kohlefäden verwendet werden. -

Durch die vorliegende Erfindung wird es daher ermöglicht, Kohlefäden und aus solchen hergestellte Gegenstände oder Formkörper herzustellen, denen aufgrund der oben beschriebenen Entdeckung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften gegeben werden können, d.h. die durch die oben beschriebene Wärnebehandlung thermofixiort baw, in stabile Form gebracht werden können.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeiapiele, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist, ausführlich beschrieben·

Beispiel 1

Bb werden 500 g pulverförmiges Polyvinylchlorid in Stickstoff auf 400 ⁰O erhitzt und βechaig Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wodurch sich eine ρeohartige Hasse ergibt« Diese pechartige Masse wird au einem Baden versponnen» der mittels einer Aufnahmerolle von 4 ojt Durahaeeeer aufgenommen und auf« gtwiofctl* wird· ;: ' - ^ .,;";. -i .-■ .. _ -^: ;_:':: _: ^:- ■■,'.[. [)_:

Der Paden wird dann, während er auf der Aufnahmerolle aufgewickelt iet, einer normalen Oxidationebehandlung mit OBon und Luft unterworfen, um ihn unsahmelabar au machen, und anschließend in Stickstoff auf 1 000 ⁰O erhitzt, wodurch man ein Kohlefad enbündel ähnlich einer Spulenwicklung erhält. Es ist möglich, aus diesem Kohlefadenbündel einen Zwirn zu ziehen, der eine Durchschnittsgröße von 900 Denier und 40 cm IÄnge aufweist, wenn ihm pro Zentimeter ftwei Verdrillungen gegeben werden. ■"■'.,-. . ι.-'.' ' ; · ..■■-■ ;■ _: "■'■■■■

Zur Aufreohterhaltung der Verdrillung des Zwirns ist es jedoch notwendig, seine'beiden Enden festzuhalten* Beim Freigeben der

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festgehaltenen Enden entwickeln sich die mtioten VerdrilXungen wilder, d.h. der verdrillte Zustand de» Zwirne kann nicht aufrechterhalten werden.

Daher werden naoh dieeem Beispiel die beiden Zwirnenden zunächst im verdrillten Zustand festgehalten. Anschließend wird der Zwirn 30 Sekunden lang in Stickstoff bei 2 000 ⁰G warmebehände It. Man erhält so ein Kohltfadenbündel, dessen verdrillter Zustand βelbet dann erhalten bleibt, wenn «eine beiden Enden ' freigegeben werden. Die Bruchfestigkeit dee Zwirns betigt 3,5 /

Beispiel 2

Die gleiche pechartige Kasse wie in Beispiel 1 wird als Auegangematerial zum Spinnen eines Itedena verwendet» der auf eine Aufmhroerolle von 20 cm Surenmesser aufgewickelt und so in ein Pechfadenbündel von 62 cm Länge verwandelt wird ι das im aufgewickelten Zustand in normaler Weise auf 1 QOO ⁰C erhitzt wird. Man erhält hierdurch gerade Kohlefäden von etwa 50 ca Länge.

Von diesen Pad en wird ein Fadenbündel von etwa 1 000 Denier gewonnen, dem eine Verdrillung pro Zentimeter gegeben wird, inde· beide inden festgehalten werden. Anschließend wird da»

Man erhält einen Zwirn Bit rfcabilerJora und einer BruohXe* etigkiit fön 1,6 kg»

Beispiel 5 _ , \ · . ::

Ea werden nach dem Verfahren.nach Beispiel. 2 fUnf Litzen oder Strange aus Zwirn (erhitzt auf 1 000 ⁰C und thermofixiert bei 1 700 ⁰O) von 50 cm Länge und durohsohnittlloh 500 Benier gestelltf aus denen dann eine Borte (bzw, ein Geflecht} gestellt wird, deren Torrn in freiem Zustand nicht erhalten bleibt. Die Borte wird zwei Minuten lang bei 1 900 °0^; wärmebehandelt, wobei sich eine stabile Konfiguration ergibt. __

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Beispiel 4

Ein durch Flammenzersetzung von Naphtha erhaltenes Pech wird nach einem Verfahren versponnen (Brehzylinder mit Düsen), bei dem Zentrifugalkräfte angewendet werden· Das erhaltene Garn wird bei Temperaturen bis 1 000 ⁰C auf übliche Welse verkohlt» so daß sich ein baumwollähnliches Kohlegarn ergibt. Von'dieβ·π Garn, das kurze und lange Fäden aufweist, wird dann durch Spinnen mit der Drossel'·· oder Ringspinnmaschine ein Garn von durchschnittlich 1 500 Denier gezogen, dem drti Verdrilltingen pro Zentimeter gegeben Werden«

Dieses gesponnene Garn weist in diesem Zustand nicht die Festigkeit eines Zwirns auf, wenn die beiden Enden losgelassen werden· Wenn dieses gesponnene Garn jedoch im oben beschriebenen verdrillten Zustand ssur Thermofixierung einer Wärmebehandlung von sechzig Sekunden bei 1 500 ⁰O unterworfen wird, erhält man ein gesponnenes Kohlegarn mit stabiler Form und einer Bruchfestigkeit von 35Og.

Beispiel 5

Ein Kohlefadenbündel von etwa 1 000 Denier nach Beispiel 2 wird vor der Thermofixierung um ein Porzellanrohr von 1 cm Durohmesser und .5 cm Länge gewickelt und drei Hinuten in einem Argonetrom bei 1 800 ⁰C behandelt, indem ein elektrischer Strom durchgeleitet wird.

Das Bündel behält nach seiner Entfernung vom Porzellanrohr seine gewickelte Gestalt. Im Gegensatz hierzu behält ein ähnliches· fadenbündel, das nicht thermofixiert wird, seine Wicklungsform nicht bei. .

Beispiel 6 - · .

Es wird ein Kohlefadentuch dadurch hergestellt, daß ein Rayontuch mit leinwandbindung auf übliche Weise in einer Stickstoffströmung auf 800 ⁰C erhitzt wird· Dieses Tuch wird dann auf ein Porzellanrohr von 10 cm Durchmesser gewickelt/Während das

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ORIGINAL IMSPECTED

Kohlefadentuch in diesem Zustand gehalten wird, wird es dann vier Minuten lang unter Stickstoff bei 1 500 ⁰C behandelt.

Das so behandelte Tuch behält nach seiner Entfernung vom Porzellanrohr seine zylindrische Form bei und weist bei Verformungen äußerer Kräfte eine elastische Rückstellung auf·

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Claims (5)

1. Pat entänsprüche

   /1. Verfahren zur Thermofixierung eines Kohlefadenproduktes, dadurch gekennzeic h η et, daß das Kohlefadenprodukt, während es in der erwünschten endgültigen Gestalt festgehalten wird, in einer nichtoxidierenden Atmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei die Temperatur

   ,größer, vorzugsweise mindestens etwa TOO ⁰C größer als die größte auf das ursprüngliche Kohlefadenprodukt ausgeübte Temperatur ist und wobei die Behandlung so lange fortgesetzt wird, .bis die erwünschte endgültige Gestalt auch nach Freigeben des Kohlefadenproduktes dauerhaft erhalten bleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Kohlefadenprodukt vorher durch Verspinnen eines Pechs als Ausgangsmaterial zu einem Pechfaden und durch Unschmelzbarmachen und Verkohlung des Pechfadens hergestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch T oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur vorgenommen wird, die um 500 bis 1 000 ⁰C größer als die vorher auf das Kohlefadenprodukt ausgeübte Temperatur ist. '
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, . dadurch gekennzeichnet , daß das Kohlefadenprodukt in seiner erwünschten Gestalt dadurch einer Wärmebehandlung unterzogen wird, daß man einen elektrischen Strom durchleitet.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Kohlefadenprodukt aus einem einzigen faden, einem Bündel aus mehreren Fäden, aus Zwirn, aus einer verdrillten Schnur, einem verdrillten Seil, einer Borte, einem gewebten Stoff, einem gestrickten oder gewirkten Stoff, einem Netz, einer Matte oder_; einem nicht gewebten Stoff besteht» 9098 46/1118