DE1921777C - Verfahren zur Herstellung thermofixierter Kohlefaden oder Kohlefadenprodukte - Google Patents

Description

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 spulenförmige, spiralige, gewellte oder andere geometrische Endgestalt bringt und dann 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 R₁ 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 T₂ ⁰ C unterzogen, die größer als die Temperatur T₁ ist. Obgleich sich schon bei einer Differenz T₂ bis T₁ von 100° C eine spürbare Wirkung ergibt, sollte die Differenz so groß wie möglich sein. Differenzen zwischen 500 und 1000° C werden in Betracht gezogen. Die für die 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. Verschlingung und großer Massendichte.

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

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

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren ist es während des Verzwirnungsschrittes 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 Ausgangsmaterial 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 Kohlcfasern gestellte Gegenstände anwenden. Beispielsweise kann die Behandlung auch auf die Herstellung von Fäden angewendet werden, 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.

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

ίο gekrümmte Gder gewinkelte Gestalt gegeben werden kann.

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

t5 Durch die Erfindung wird es daher ermöglicht, Kohlefäden und aus solchen hergestellte Gegenstände oder Formkörper herzustellen, denen auf Grund der oben beschriebenen Entdeckung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften gegeben werden können,

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

Beispiel 1

as 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 Luft unterworfen, um ihn unschmelzbar zu machen, und anschließend in Stickstoff auf 1000° C erhitzt, wodurch man ein Kohlefadenbündel ähnlich einer Spulen wicklung 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 wärmebehandelt. Man erhält so ein Kohlefadenbündel, dessen verdrillter Zustand selbst dann erhalten bleibt, wenn seine beiden F.nden freigegeben werden. Die Bruchfestigkeit des Zwirns beträgt 3,5 kg.

Beispiel 2

Die gleiche pechartige Masse wie in Beispiel 1 wird als Ausgangsmaterial zum Spinnen eines Fadens verwendet, der auf eine AufnahmcroUc von 20 cm Durchmesser aufgewickelt und so in ein Pcchfadcnbündcl von 62 cm Länge verwandelt wird, das zum Unschmelzbarmachen und Verkohlen im aufgewikkclten Zustand in normaler Weise auf 1000° C erhitzt 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 Bünder 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 1000¹¹C und thcrmofixicrt bei 1700⁰C) 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 wärmcbchandelt, wobei sich -eine stabile Konfiguration ergibt.

B e i s ρ i c 1 4

liin durch Flammenzeisei/ung von Naphtha erhaltenes Pech wird nach einem Verfahren versponnen (Drehzylinder mit Düsen), bei dem Zentrifugalkräfte angewendet werden. Das erhaltene Garn wird bei Temperaturen bis 1000 C auf übliche Weise unschmelzbar gemacht und verkohlt, so daß sich ein baumwollähnlichcs Kohlegarn ergibt. Von diesem Garn, 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 Thermofixicrung einer Wärmebehandlung von sechzig Sekunden bei 1500° C unterworfen wird, erhält man ein gesponnenes Kohlcgarn mit stabiler Form und einer Bruchfestigkeit von 350 g.

Beispiel 5

Ein Kohlefadenbünde] von 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 durchgelcitct wird.

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

Claims (3)

ι 2 Verfahren zur Herstellung von Kohlefaden sind Patentansprüche: aus den belgischen Patentschriften 678 679, 701081 und 705 299 bekannt, bei denen man von organi-

1. Verfahren zur Herstellung thermofixierter sehen Fasermaterialien, wie Cellulose, Polyester, Po-Kohlefäden oder Kohlefadenprodukte, welche 5 lyamid, Polyacrylnitril oder Polyacrylnitnl-Mischpoaus einem Pech als Ausgangsmaterial erhalten lymerisat ausgeht und die faserförmigen Ausgangswerden, indem man das Pech zu einem Einzelfa- materialien bei etwa 1000° C in Kohlefasern umwanden schmelzverspinnt und den Pechfaden un- delt und bei etwa 2500° C bis 3000° C graphitierL schmelzbar macht und verkohlt, dadurch ge- Ein Thermofixieren des Kohlefadenproduktes unter kennzeichnet, daß man den aus Pech als io Festhalten in einer erwünschten endgültigen Gestalt, Ausgangsmaterial erhaltenen Kohlefaden in die bis diese Gestalt auch nach Freigabe des Produktes Form eines Bündels aus mehreren Fäden, eines dauerhaft ist, erfolgt jedoch nicht. Aus der japani-Zwirns, einer verdrillten Schnur, eines verdrillten sehen Auslegeschrift 893/68.. referiert in Derwant Ja-Seils, einer Borte, eines Gewebes oder Gewirkes, panese Patent Report 1968, Nr. 2, ist auch bekannt, eines Netzes, einer Matte oder eines nicht geweb- 15 organisches Material bej 300 bis 500° C der Schmelzten Stoffes überführt und gegebenenfalls noch in verspinnung zu unterwerfen, anschließend die erhaleine andere gekrümmte oder gewinkelte geometri- tenen Fäden bei Raumtemperatur mit Sauerstoff oder sehe Form bringt oder den erhaltenen Kohlefaden Ozon zu behandeln und sie danach zu verkohlen in spulenförmige, spiralige, gewellte oder andere Ähnlich hat man auch bereits Kohlefäden hoher Fegeometrische Endgestalt bringt und dann den so ao stigkeit dadurch hergestellt, daß als Ausgangsmategeformten Kohlefaden oder das Kohlefadenpro- rialien verwendete Peche zu Fäden versponnen und dukt unter Festhalten in dieser erwünschten end- die Fäden dann zum Unschmelzbarmachen und Kargültigen Gestalt einige Sekunden bis einige Minu- bonisieren einer Wärmebehandlung unterworfen werten lang in einer nichtoxidierenden Atmosphäre den. Bei diesem Verfahren sind jedoch die Fäden vor bei einer Temperatur, die mindestens 100° C höher 25 der Karbonisierung sehr zerbrechlich, wodurch die als die bisher auf den Kohlefaden oder das Kohle- Verarbeitung der in diesem Zustand befindlichen Fafadenprodukt angewendete Temperatur ist, einer den zu einem Zwirn, einem Gewebe oder einem Stoff Wärmebehandlung unterzieht. sehr erschwert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Im allgemeinen weisen Kohlefäden eine sehr ge kennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei 30 ringe Duktilität und einen hohen Elastizitätsmodul einer Temperatur vorgenommen wird, die um 500 auf und sind daher nicht nachgiebig bzw. geschmeibis 1000° C größer als die bisher auf das Kohlefa- dig. Außerdem besitzen Kohlefaden einen geringen denprodukt ausgeübte Temperatur ist. Reibungskoeffizienten. Daher ist bei Verwendung der

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch bekannten Kohlefäden, selbst solchen hoher Festiggekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des 35 keit, zur Herstellung von Produkten wie Zwirnen Kohlefadenproduktes, während es in der er- oder Matten, in denen die Verflechtung der Fäden wünschten endgültigen Gestalt festgehalten wird, miteinander sehr wichtig ist, nicht nur die Verflechdurch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes tung unzureichend, sondern auch die gegenseitige vorgenommen wird. Haltefestigkeit sehr gering. Es ist daher bisher für un-

40 möglich 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

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von 45 von Kohlefadenprodukten von stabiler endgültiger Kohlefadenprodukten hoher mechanischer Festigkeit Form zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, und stabiler Form. durch das solche stabile Kohlefadenprodukte herge-

Bisher werden Kohlefadenprodukte wie Stoffe und stellt werden können.

Zwirne (verdrillte Garne) allgemein dadurch herge- Es wird zwar allgemein angenommen, daß Kohlestellt, daß ihnen die erwünschte Form zu einer Zeit 50 fäden thermisch sehr stabil sind und keiner Thermofigegeben wird, während der sich das Ausgangsmate- xierung unterworfen werden können. Langwierige rial noch im organischen Faserzustand befindet, und Versuche betreffend die Karbonisierung und Graphidaß sie anschließend zur Verkohlung des Fasermate- tierung von Kohlefaden haben jedoch zu der Entdekrials wärmebehandelt werden. kung geführt, daß sogar aus Kohlefaden, die bereits

Dieses Verfahren ist jedoch in mancher Hinsicht mit 55 verkohlt worden sind, durch Wärmebehandlung bei Schwierigkeiten verbunden. Ein normaler Faden aus einer höheren Temperatur als der Karbonisierungseiner organischen Verbindung weist einen geringen temperatur die inneren Faserspannungen entfernt Verkohlungsgrad auf, wenn unter »Verkohlungs- werden können und daß es möglich ist, sie in der ergrad« diejenige Ausbeute verstanden wird, mit der wünschten Form zu fixieren.

die Umwandlung der Ausgangsfäden in Kohlefäden 60 Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur stattfindet. Außerdem enthalten solche Fäden große Thermofixierung von Kohlefaden oder Kohlefaden-Mengen an flüchtigen Bestandteilen. Infolgedessen produkten, welche aus einem Pech als Ausgangsmaergibt sich bei der Wärmebehandlung eine relativ terial erhalten werden, indem man das Pech zu einem starke Schwindung des ϊ"" solchen Fäden bestehen- Pechfaden schmelzverspinnt und den Pechfaden unden Produktes. Bei einem Zwirn wird außerdem die 65 schmelzbar macht und verkohlt, das dadurch gekenn-Verflechtung der Fäden merklich gelockert, wodurch zeichnet ist, daß man den aus Pech als Ausgangsmadie mechanische Festigkeit der verdrillten Kohlcfä- terial erhaltenen Kohlefaden in die Form eines Bünden stark herabgesetzt wird. dels aus mehreren Fäden, eines Zwirns, einer verdrill-