DE1921777B2 - Verfahren zur herstellung thermofixierter kohlefaeden oder kohlefadenprodukte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von *5 Kohlefadenproduktcn hoher mechanischer Festigkeit |]nd stabiler Form.

Bisher werden Kohlefadciiprodukte wie Stoffe und fcwirnc (verdrillte Garne) allgemein dadurch hcrgc-Itellt. dal.i ihnen die erwünschte Form zu einer Zeit fcgcben wird, während der sich das Ausgangsmatclial noch im organischen Fascrzustancl befindet, und <laß sie anschließend zur Verkohlung des Fasermatcrials wärmebehandelt werden.

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

Verfahren zur Herstellung von Kohlefaden sind aus den belgischen Patentschriften 678 679, 701081 und 705 299 bekannt, bei denen man von organischen Fasermaterialten, wie Cellulose, Polyester, Polyamid, Polyacrylnitril oder Polyacrylnitril-Mischpolymerisat ausgeht und die faserförmigen Ausgar.gsmaterialien bei etwa 1000° C in Kohlefasern umwandelt und bei etwa 2500° ⁿ bis 3000° C graphitierte Ein Thermofixieren des Kohlefadenproduktes unter Festhalten in einer erwünschten endgültigen Gestalt, bis diese Gestalt auch nach Freigabe des Produktes dauerhaft ist, erfolgt jedoch nicht. Aus der japanischen Auslegeschrift 893/68, referiert in Oerwant Japanese Patent Report 1968, Nr. 2, ist auch bekannt, organisches Material bei 300 bis 500° C der Schmelzverspinnung zu unterwerfen, anschließend die erhaltenen Fäden bei Raumtemperatur mit Sauerstoff oder Ozon zu behandeln und sie danach zu verkohlen. Ähnlich hat man auch bereits Kohlefaden hoher Festigkeit dadurch hergestellt, 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 Kohlefäden eine sehr geringe Duktilität und einen hohen Elastizitätsmodul auf und sind daher nicht nachgiebig bzw. geschmeidig. Außerdem besitzen Kohlefaden einen geringen Reibungskoeffizienten. Daher ist bei Verwendung der bekannten Kohlefaden, 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 vor Kohlefadenprodukten von stabiler endgültiger Form zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, durch das solche stabile Kohlcfadcnprodukte hergestellt werden können.

Es wird zwar allgemein angenommen, daß Kohlefaden thermisch sehr stabil sind und keiner Thermofixierung unterworfen werden können. Langwierige Versuche betreffend die Karbonisicrung und Graphitierung von Kohlefaden haben jedoch zu der Entdekkung geführt, daß sogar aus Kohlefaden, die bereits verkohlt worden sind, durch Wärmebehandlung bei einer höheren Temperatur als der Karbonisierungstemperatur die inneren Faserspannungen entfernt werden können und daß es möglich ist, sie in der erwünschten Form zu fixieren.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Thermofixierung von Kohlefäden oder Kohlefadenprodukten, welche aus einem Pech als Atisgangsmaierial erhalten werden, indem man das Pech zu einem Pechfaden schmelzverspinnt und den Pechfaden unschmelzbar macht und verkohlt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den aus Pech als Ausgangsmaterial erhaltenen Kohlefaden in die Form eines Bündels aus mehreren Fäden, eines Zwirns, einer verdrill-

ten Schnur, eines verdrillten Seils, einer Borte, eines Gewebes oder Gewirkes, eines Netzes, einer Matte oder eines nicht gewebten Stoffes überführt und gegebenenfalls noch in andere gekrümmte oder gewinkelte geometrische Form bringt oder den erhaltenen Kohlefaden in spuienförmige, spiralige, gewellte oder andere geometrische Endgestalt bringt und darm den so geformten Kohlefaden oder das Kohlefadenprodukt unter Festhalten in dieser erwünschten endgültigen Gestalt einige Sekunden bis einige Minuten lang in einer nichtoxidierten Atmosphäre bei einer Temperatur, die mindestens 100° C höher als die bisher auf den Kohlefaden oder das Kohlefadenprodukt angewendete Temperatur ist, einer Wärmebehandlung unterzieht.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Kohlezwirn (aus Kohlefaden verdrilltes Garn) als Ausführungsbeispiel beschrieben. Es werden kurze oder lange Kohlefaden verwendet, die durch Verkohlung bei einer Temperatur von T₁-C erhalten werden. Für die Temperatur /?, eignet sich im allgemeinen ein Wert von 700 bis 1200° C. Während diese Fäden verdrillt sind, werden sie bei bestimmter Verdrillung zur Thermofixierung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur T„° C unterzogen, die größer als die Temperatur T₁ ist. Obgleich sich schon bei einer Differenz 7., bis T₁ von 100° C eine spürbare Wirkung ergibt, sollte d\-, Diffe ;nz so groß wie möglich sein. Differenzen zwischen 500 und 1000° C werden in Betracht gezogen. Die für ..ie Thermofixierung erforderliche Zeit ist sehr kurz und beträgt etwa einige Sekunden bis einige Minuten. Darauf sind die Kohlefaden thermofixiert und bilden einen Zwirn stabiler Form mit fester Verflechtung bzw. Vcrschlingung und großer Massendichte.

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 Hindurchlciten eines elektrischen Stroms erhitzt werden.

Die Zahl der vorgenommenen Vcrdrillungcn ist von den erwünschten Eigenschaften des Zwirns und den Längen der als Ausgangsmatcrial verwendeten Kohlefaden abhängig. Zur Herstellung von Zwirn mit großer Festigkeit ist es erwünscht, die Zahl der Verdrillungcn zu vergrößern, wenn das Ausgangsmaterial kurze Elcmentarfäden aufweist.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren ist es während des Vcrzwirnungsschrittes oder in einem nachfolgenden Schritt, während dem das Garn im verdrillten Zustand festgehalten wird, auch möglich, gesponnenes Garn in stabiler Form aus langen oder kurzen Kohlefaden als Ausgangsmatcrial herzustellen. Daher gibt es eine Anzahl von Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Herstellung von Kohlezwirn.

Die zur Thermifixierung dienende Wärmebehandlung ist nicht auf Zwirne beschränkt, sondern läßt sich ebenfalls auf andere Kohlefadenprodukte oder auf aus Kohlefaden oder Kohlefasern gestellte Gegenstände anwenden. Beispielsweise kann die Behandlung auch auf die Herstellung von Fäden angewendet werden, die in Form von Sptilenwicklungen, 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 ver- «i'lltc Fäden durch die Wärmebehandlung in stabile Form gebracht werden und eine erhöhte Festigkeit erhalten sollen.

Weiterhin kann die beschriebene Wärmebehandlung auch auf die Herstellung von Formkörpern 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

\a gekrümmte oder gewinkelte Gestalt gegeben werden kann.

Die auf diese Weise hergestellten Fonnkörper oder Gegenstände können für die gleichen Zwecke wie normale Kohlefaden verwendet werden.

Durch die Erfindung wird es daher ermöglicht, Kohlefaden und aus solchen hergestellte Gegenstände oder Formkörper herzustellen, denen auf Grund der oben beschriebenen Entdeckung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften gegeben werden können,

d. h. die durch die oben beschriebene Wärmebehandlung thermofixiert bzsv. in stabile Form gebracht werden können.

Beispiel 1

Es werden 500 g pulverförmiges Polyvinylchlorid in Stickstoff auf 400° C erhitzt und sechzig Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wodurch sich eine pechartige Masse ergibt. Diese pechartige Masse wird zu einem Faden versponnen, der mittels einer Aufnahmerolle von 4 cm Durchmesser aufgenommen und aufgewickelt wird.

Der Faden wird dann, während er auf der Aufnahmerolle aufgewickelt ist, einer normalen Oxidationsbehandlung mit Ozon und Luf< unterworfen, um ihn unschmelzbar zu machen, und anschließend in Stickstoff auf 1000° C erhitzt, wodurch man ein Kohlefadenbündel ähnlich einer Spulenwicklung erhält. Es ist möglich, aus diesem Kohlefadenbündel einen Zwirn zu ziehen, der eine Durchschnittsgröße von 900 Denier und 40 cm Länge aufweist, wenn ihm pro Zentimeter zwei Verdrillungen gegeben werden.

Zur Aufrechterhaltung der Verdrillung des Zwirns ist es jedoch notwendig, seine beiden Enden festzuhalten. Beim Freigeben der festgehaltenen Enden entwickeln sich die meisten Verdrillungen wieder, d. h., der verdrillte Zustand des Zwirns kann nicht aufrechterhalten werden.

Daher werden nach diesem Beispiel die beiden Zwirnenden zunächst im verdrillten Zustand festgehalten. Anschließend wird der Zwirn 30 Sekunden lang in Stickstoff bei 2000° C wärmcbchandelt. Man erhält so ein Kohlcfadcnbündel, dessen verdrillter Zustand selbst dann erhallen bleibt, wenn seine beiden Enden freigegeben werden. Die Bruchfestigkeit des Zwirns beträgt 3,5 kg.

Beispiel 2

Die gleiche pechartige Masse wie in Beispiel 1 wird als Allsgangsmaterial zum Spinnen eines Fadens ver-

wendet" der auf eine Aufnahmerolle von 20cm Durchmesser aufgewickelt und so in ein Pechfadenbündel von 62 cm Länge verwandelt wird, das zum Unschmelzbarmachen und Verkohlen im aufgewikkelten Zustand in normaler Weise auf 1000° C erhitzt

6g wird. Man erhält hierdurch gerade Kohlefaden von etwa 50 cm Länge,

Von diesen Fäden wird ein Fadenbündel von etwa 1000 Denier gewonnen, dem eine Verdrillung pro

Zentimeter gegeben wird, indem beide Enden festgehalten werden, Anschließend wird das Bündel 60 Sekunden in Stickstoff bei 1700⁰C wärmebehandelt. Man erhält einen Zwirn mit stabiler Form und einer Bruchfestigkeit von 5,6 kg.

Beispiel 3

Es werden nach dem Verfahren nach Beispiel 2 fünf Litzen oder Stränge aus Zwirn (erhitzt auf 1000⁰C und thermofixiert bei 1700° C) von 50 cm Länge und durchschnittlich 500 Denier hergestellt, aus denen dann eine Borte (bzw. ein Geflecht) hergestellt wird, deren Form in freiem Zustand nicht erhalten bleibt. Die Borte wird zwei Minuten lang bei 1900 C wärmebehandelt. wobei sich eine stabile Konfiguration ergibt.

Beispiel 4

Ein durch Fiammenzersetzung von Naphtha erhaltenes Pech wird nach einem Verfahren versponnen (Drehzylinder mit Düsen), bei dem Zentrifugalkräfte angewendet werden. Das erhaltene Garn wird bei Temperaturen bis K)Ol)'- C auf übliche Weise unschmelzbar gemacht und verkohlt, se daß sich ein baiimwollähnliches Kohlcgarn ergibt. Von diesem Gam, das kurze und lange Fäden aufweist, wird dann durch Spinnen mit der Drossel- oder Ringspinnmaschine ein Garn von durchschnittlich 1500 Denier gezogen, dem drei Verdrillungen 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 zur Thermofixierung einer Wärmebehandlung von sechzig Sekunden bei 1500° C unterworfen wird, erhält man ein gesponnenes Kohlegarn mit stabiler Form und einer Bruchfestigkeit von 350 g.

Beispiel 5

Ein Kohlefadenbündel vo,. etwa 1000 Denier nach Beispiel 2 wird vor der Thermofixierung um ein Porzellanrohr von 1 cm Durchmesser und 5 cm Länge gewickelt und drei Minuten in einem Argonstrom bei 1800 C behandelt, indem ein elektrischer Strom üurchgelcitct wird.

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

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung thermofixierter Kohlefaden oder Kohlefadenprodukte, welche aus einem Pech als Ausgangsmaterial erhalten werden, indem man das Pech zu einem Einzelfaden schmelzverspinnt und den Pechfaden unschmelzbar macht und verkohlt, dadurch nekennzeichnet, daß man den aus Pet., als Ausgangsmaterial erhaltenen Kohlefaden in die Form eines Bündels aus mehreren Fäden, eines Zwirns, einer verdrillten Schnur, eines verdrillten Seils, einer Borte, eines Gewebes oder Gewirkes, eines Netzes, einer Matte oder eines nicht gewebten Stoffes überführt und gegebenenfalls noch in eine andere gekrümmte oder gewinkelte geometrische Form bringt oder den erhaltenen Kohlefaden in spulenförmise, spiralige, gewellte oder andere geometrische Endgestalt bringt und dann den so geformten Kohlefaden oder das Kohlefadenprociukt unter Festhalten in dieser erwünschten endgültigen Gestalt einige Sekunden bis einige Minuten lang in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur, die mindestens 100° C höher als die bisher auf üen Kohlefaden oder das Kohlefadenprodukt angewendete Temperatur ist einer Wärmebehandlung unterzieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur vorgenommen wird, die um 500 bis 1000° C größer als die bisher auf das Kohlefadenprodukt ausgeübte Temperatur ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des Kohlefadenproduktes, während es in der erwünschten endgültigen Gestalt festgehalten wird, durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes vorgenommen wird.

40