DE1928194C3 - Process for the production of carbon fibers - Google Patents

Process for the production of carbon fibers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstof fasern.The invention relates to a method of manufacture of carbon fibers.

Es ist bereits bekannt, Kohlenstoffasem durch Pyrolyse verschiedener Augangsmaterialien herzustellen, insbesondere unter Verwendung von Polyacrylnitril oder Mischpolymerisaten hiervon. Hierbei wiederum ist es bekannt, eine Voroxydationsstufe anzuwenden, in der die Ausgangsfasern in einer oxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 250° C erhitzt wird. Diese Voroxydationsstufe verleiht dem Ausgangsmaterial wenigstens die Charakteristiken kreuzweise gebundenen Materials, und dadurch wird es gegenüber einer Entpolymerisicrung widerstandsfähiger, so daß die darauf folgende Pyrolyse schneller durchgeführt werden kann. Ein Nachteil der bekannten Voroxydationsbehandlung liegt in der exothermischen Charakterstik, welche zu einer beträchtlichen Wärmeentwicklung führt, was die Gefahr mit sich bringt, daß die Reaktion in umgekehrter Richtung verläuft und daß die Faser explodiert oder verkohlt.It is already known to produce carbon fibers by pyrolysis produce various starting materials, in particular using polyacrylonitrile or copolymers thereof. Here again it is known to use a pre-oxidation stage, in which the starting fibers in an oxidizing atmosphere to a temperature of about 250 ° C is heated. This pre-oxidation stage gives the starting material at least the characteristics cross-bonded material, and thereby it is opposed to depolymerization more resistant, so that the subsequent pyrolysis can be carried out more quickly. A disadvantage the known pre-oxidation treatment lies in the exothermic character, which leads to a leads to considerable heat generation, which brings with it the risk that the reaction in reverse Direction and that the fiber explodes or charred.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei welchem die exothermischen Charakteristiken der Voroxydation so geändert werden, daß sie sehr viel leichter steuerbar bzw. überwachbar sind.The invention is based on the object of creating a method in which the exothermic Characteristics of the pre-oxidation are changed so that they can be controlled or monitored much more easily are.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern durch Voroxydationsbehandlung und anschließende Pyrolyse von Fasern aus Polyacrylnitril dadurch gelöst, daß die Pclyacrylnitrilfaser zunächst in einer ersten Stufe in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 200 und 300° C erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten wird, bis die exotherme Reaktion infolge einer Kreuzbindung oder eines ringförmigen Zusammenschlusses der Polymer-Moleküle vorüber ist, dann in einer zweiten Stufe dieAccording to the invention, this object is achieved in a method for producing carbon fibers by pre-oxidation treatment and subsequent pyrolysis of fibers made of polyacrylonitrile thereby solved that the Pclyacrylonitrilfaser first in a first stage in an inert atmosphere a temperature between 200 and 300 ° C is heated and held at this temperature until the exothermic reaction as a result of a cross bond or a ring-shaped amalgamation of the polymer molecules is over, then in a second stage the

ίο Faser einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 150 und 250° C ausgesetzt wird, bis die exotherme Reaktion der teilwejscn Dehydrierung der Faser und der resultierenden Sauerstoffabsorption stattgefunden hat, und daßίο fiber an oxygen-containing atmosphere at a Temperature in the range between 150 and 250 ° C is exposed until the exothermic reaction of the Teilwejscn Dehydration of the fiber and the resulting oxygen absorption has occurred, and that

is danach die Fasern in bekannter Weise durch Erwärmen in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 800 und 15000C pyrolysiert und danach gegebenenfalls graphitisiert werden.The fibers are then pyrolyzed in a known manner by heating in an inert atmosphere to a temperature between 800 and 1500 ° C. and then optionally graphitized.

Es ist zwar bereits bekannt, eine zweistufige Wärmebchandlung bei der Herstellung von Kohlenstofffasern vorzunehmen, wobei als zweite Stufe eine Erwärmung in einer oxydierenden Atmosphäre stattfindet. Im bekannten Falle wird die Wärmebehandlung in der oxydierenden Atmosphäre jedoch nach der Py-Although it is already known, a two-stage heat treatment in the production of carbon fibers to undertake, whereby the second stage is heating in an oxidizing atmosphere. In the known case, the heat treatment in the oxidizing atmosphere is, however, according to the Py-

rolyse vorgenommen und muß so durchgeführt werden, daß eine Ätzung der Oberfläche der Kohlenstofffaser erfolgt, was nach der Erfindung nicht der Fall ist. Andererseits ist die Voroxydationsstufe bei den bekannten Verfahren ein einstufiges Verfahren, das in einer oxydierenden Atmosphäre gemäß den herkömmlichen Stufen durchgeführt wird, und diese bekannte Veriahrensvorschrift konnte daher keine Anregung geben, die Voroxydation in zwei Stufen durchzuführen. rolysis carried out and must be carried out so that an etching of the surface of the carbon fiber takes place, which is not the case according to the invention. On the other hand, the pre-oxidation stage is in the known method a one-step process, which in an oxidizing atmosphere according to the conventional Stages is carried out, and this known procedure specification could therefore not provide any suggestion give to carry out the pre-oxidation in two stages.

Die Voroxydationsbehandlung besteht vorzugsweise darin, zuerst eine Erhitzung in Stickstoff vorzunehmen, und als zweite Stufe erfolgt eine Erhitzung in Luft. Die erste Erhitzungsstufe in Stickstoff kann drei Stunden lang bei 210° C, dann zwei Stunden beiThe pre-oxidation treatment preferably consists of first heating in nitrogen, and the second stage is heating in air. The first stage of heating in nitrogen can for three hours at 210 ° C, then two hours at

220° C und abschließend zwei Stunden bei 250° C in Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, wobei die darauffolgende zweite Stufe sieben Stunden bei 220° C in Luft durchgeführt wird.220 ° C. and finally two hours at 250 ° C. in a nitrogen atmosphere, wherein the subsequent second stage is carried out in air for seven hours at 220 ° C.

Bei praktisch durchgeführten Versuchen wurde beiIn tests carried out in practice,

der Voroxydation von aus Polyacrylnitril bestehenden Fasern eine Technik benutzt, die als »thermische Differentialanalyse« bezeichnet wird. Bei dieser Technik wird die Erhitzung des Materials bei einem konstanten Temperaturanstieg (6° C pro Minute) bis aufthe pre-oxidation of polyacrylonitrile Fibers uses a technique called "differential thermal analysis". With this technique the material is heated at a constant temperature increase (6 ° C per minute) up to

ungefähr 500° C durchgeführt, und es wird genau die Temperaturdifferenz zwischen diesem Versuchsgegenstand und einem inerten Bezugsmaterial gemessen. Jede Differenz in der Temperatur zwischen dem Polyacrylnitril-Versuchskörper und dem Bezugskörper zeigt entweder einen exothermen oder einen endothermen Vorgang an, je nachdem, ob die PoIyacrylnitril-Faser auf einer höheren oder einer niedrigeren Temperatur steht als der Bezugskörper.about 500 ° C, and the temperature difference between this test object and an inert reference material is precisely measured. Any difference in temperature between the polyacrylonitrile test body and the reference body indicates either an exothermic or an endothermic process, depending on whether the polyacrylonitrile fiber is at a higher or lower temperature than the reference body.

Bei der Durchführung dieser Technik bei einer Polyacrylnitril-Faser, die in Luft erwärmt wurde, zeigte es sich, daß die sich ergebende Reaktion zwei exotherme Spitzenwerte bei etwa 250 bzw. 3100C ergab. Es ist klar, daß bei den bekannten Voroxydationsprozessen diese beiden exothermen Vorgänge zu der Endenergieerzeugung der Reaktion beitrugen und demgemäß zu einer wahrscheinlichen Umkehrung des Prozesses.In performing this technique on a polyacrylonitrile fiber that was heated in air, it was found that the resulting reaction gave two exothermic peaks at about 250 and 310 ° C., respectively. It is clear that in the known pre-oxidation processes, these two exothermic processes contributed to the final energy generation of the reaction and, accordingly, to a likely reversal of the process.

Weitere Versuche wurden durchgeführt, wobei dieFurther experiments were carried out, with the

Polyacrylnitril-Faser in einer inerten Atmosphäre erhitzt wurde, und hierbei zeigte sich, daß die untere Temperatur sogar unter inerten Bedingungen exotherm bleibt. Es wird angenommen, daß diese untere Temperaturexothenne durch die Umwandlung der Nitrilgruppe in dem ursprünglichen Polymer durch Kreuzbindung veranlaßt wird, oder statt dessen durch eine Ringbindung längs der Polymermolekülkette, während die höhere Temperaturreaktion, die das Vorhandensein von Sauerstoff voraussetzt, zu einer Dehydrierung und Sauerstoffabsorption durch die Faser führt. Diese Reaktionen sind beide nützlich, um die notwendige Stabilität der Faser zu erzielen und die Depolymerisation zu vermindern und die Möglichkeit zu schaffen, bei der folgenden Pyrolyse eine schnelle Erwärmung durchführen zu können.Polyacrylonitrile fiber heated in an inert atmosphere and it was found that the lower temperature was exothermic even under inert conditions remains. It is believed that this lower temperature exotherm is caused by the transformation of the Nitrile group in the original polymer is caused by cross-bonding, or instead by cross-bonding a ring bond along the polymer molecular chain, while the higher temperature reaction that the Presence of oxygen presupposes dehydration and oxygen absorption by the Fiber leads. Both of these reactions are useful in achieving the necessary stability of the fiber and to reduce the depolymerization and to create the possibility in the following pyrolysis to be able to perform rapid heating.

Diese Hypothese wurde überprüft, indem zunächst die Fasern in Stickstoff und dann in Luft behandelt wurden, und es hat sich durch die thermische Differentialanalyse bestätigt, daß, wie erwartet, jede Behandlung eine einzige exotherme Reaktion geringerer Intensität erzeugte, als die kombinierte Reaktion, die nur bei Erhitzung in Luft auftritt.This hypothesis was tested by treating the fibers first in nitrogen and then in air, and it was confirmed by differential thermal analysis that, as expected, each treatment produced a single exothermic reaction of lesser intensity than the combined reaction, which was only occurs when heated in air.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß durch Erhitzung der Polyacrylnitril-Faser zunächst in Stickstoff und dann in einer sauerstoffenthaltenden Atmosphäre, wie dies durch die Erfindung vorgeschlagen wird, die beiden exothermen Reaktionen getrennt werden und so eine Stabilisierung des Polymers erreicht werden kann, wobei die Gefahr einer Umkehrung der Reaktion sehr viel kleiner ist.From the above it follows that by heating the polyacrylonitrile fiber initially in nitrogen and then in an oxygen-containing atmosphere as provided by the invention it is proposed that the two exothermic reactions be separated and so a stabilization of the polymer can be achieved, the risk of reversing the reaction being much smaller is.

Bei einem beispielsweisen Verfahren der Erfindung wurden Fasern eines Polyacrylnitril-Misclipoiymerisates in Stickstoff drei Stunden, lang bei 210° C einer Wärmebehandlung unterzogen, dann zwei Stunden bei 220° C und darauf 2 Stunden bei 250° C. Die Fasern wurden dann in eine Luftatmosphäre überführt und auf 220° C sieben Stunden lang belassen. Die sich hieraus ergebenden Fasern wurden dann einer Pyrolyse unterworfen, indem sie auf 10000C in einer inerten Atmosphäre gebracht und etwa 3 Stunden lang in dieser Atmosphäre belassen wurden. Dann wurde die sich hieraus ergebende Faser durch die üblichen Verfahren geprüft, um den Wert des Elastizitätsmoduls und die endgültige Zugfestigkeit zu erlangen. Diese Werte wurden dann mit den Werten verglichen, die bei einem Material erlangt wurden, das dadurch voroxydiert wurde, daß es nur in Luft sieben Stunden lang auf 220° C gebracht wurde, und das dann einer Pyrolyse in einer Stickstoffatmosphäre während der gleichen Zeitdauer und unter gleichen Temperaturbedingungen unterworfen wurde wie bei den Fasern, die gemäß der Erfindung vorbehandelt waren.In an exemplary method of the invention, fibers of a polyacrylonitrile misclipping agent were heat treated in nitrogen for three hours at 210 ° C., then for two hours at 220 ° C. and then for 2 hours at 250 ° C. The fibers were then placed in an air atmosphere and left at 220 ° C for seven hours. The resulting fibers were then subjected to pyrolysis by bringing them to 1000 ° C. in an inert atmosphere and leaving them in this atmosphere for about 3 hours. Then the resulting fiber was tested by the usual methods to obtain the value of the elastic modulus and the final tensile strength. These values were then compared with the values obtained for a material which had been pre-oxidized by bringing it to 220 ° C only in air for seven hours and then pyrolysis in a nitrogen atmosphere for the same period of time and below was subjected to the same temperature conditions as for the fibers which were pretreated according to the invention.

Bei den gemäß der Erfindung vorbehandelten Fasern ergab sich ein mittlerer Wert für den Elastizitätsmodul von 2,18 · 10" kg/cm2, und die durchschnittliche Zugfestigkeit betrug 15,46 · 10s kg/cm2. Bei Fasern, die nicht gemäß der Erfindung vorbehandelt waren, ergab sich ein Elastizitätsmodul von 1,97 · 10e kg/cm2 und eine Zugfestigkeit von 18,28· 10:i kg/cm-. Wie ersichtlich sind die Abweichungen der Werte von Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit relativ gering und liegen noch innerhalb der Streuung von Werten, wie sie bei bekannten Verfahren beobachtet wurden. Die Versuche zeigen demgemäß, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren Fasern erzeugt werden können, die die gleiche Zugfestigkeit und einen gleichen Elastizitätsmodul besitzen, wie die durch bekannte Verfahren hergestellten Fasern. Das erfuidungsgemäße Verfahren ergibtIn the case of the fibers pretreated according to the invention, the mean value for the modulus of elasticity was 2.18 × 10 7 "kg / cm 2 and the average tensile strength was 15.46 × 10 7 s kg / cm 2 Invention were pretreated, resulted in a modulus of elasticity of 1.97 · 10 e kg / cm 2 and a tensile strength of 18.28 · 10 : i kg / cm- As can be seen, the deviations in the values of the modulus of elasticity and tensile strength are relatively small and lie The tests accordingly show that the process according to the invention can produce fibers which have the same tensile strength and the same modulus of elasticity as the fibers produced by known processes Procedure results

jedoch gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, daß die Gefahr einer Explosion beträchtlich vermindert ist. Außerdem hat sich gezeigt, daß bei Benutzung der Zweistufen-Wärmebehandlung nach der Erfindung die Temperatur der zweiten Stufehowever, compared to conventional methods, the advantage that the risk of an explosion is considerably reduced. It has also been found that when using the two-stage heat treatment according to the invention, the temperature of the second stage

ao (d. h. die Erwärmung in einer sauerstoffenthaltenden Atmosphäre) wirksam bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden kann, als dies mit bekannten Vorbehandlungen möglich war. und dadurch wird eine weitere Verbesserung der Oberwachbarkeit bzw. Steuerbarkeit der Vorbehandlung erreicht und möglicherweise eine Verkürzung der Gesamtbehandlungszeit. ao (i.e. the heating in an oxygen-containing Atmosphere) can be carried out effectively at a lower temperature than known Pretreatments was possible. and thereby a further improvement of the monitorability or controllability of the pretreatment achieved and possibly a shortening of the total treatment time.

Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben unter Bezugnahme auf eine spezielle Wärmebehandlung.The invention has been described above with reference to a specific heat treatment.

Es wäre jedoch möglich, die Bedingungen der Wärmebehandlung beträchtlich zu ändern. Es kann jegliche Temperatur innerhalb des Bereiches zwischen 200 und 300° C für die erste Stufe der Erhitzung innerhalb einer inerten Atmosphäre benutzt werden, ebenso jede Temperatur im Bereich zwischen 150 und 250° C in der zweiten Erwärmungsstufe in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre. Aus den verschiedenen Sauerstoff enthaltenden Atmosphären, die für die zweite Stufe nützlich sind, hat sich Luft als außerordentlich zweckmäßig erwiesen, da sie leicht zur Verfügung steht, und diese Vorteile überwiegen jegliche anderen Erwägungen. Die folgende Pyrolyse der Faser kann bei jeder Temperatur im Bereich zwischen 800 und 1500° C durchgeführt werden, und es kann sich eine Graphitisierungsstufe anschließen, die bei jeglicher Temperatur, beginnend von der Pyrolysetemperatur bis herauf zu etwa 3500° C durchgeführt werden kann, je nach den erforderlichen Endeigenschaften der Faser.However, it would be possible to change the conditions of the heat treatment considerably. It can any temperature within the range between 200 and 300 ° C for the first stage heating can be used within an inert atmosphere, as can any temperature in the range between 150 and 250 ° C in the second heating stage in an oxygen-containing atmosphere. From the various oxygen containing atmospheres useful for the second stage, Air has proven to be extremely useful because it is readily available, and this Benefits outweigh any other considerations. The subsequent pyrolysis of the fiber can occur in any Temperature in the range between 800 and 1500 ° C can be carried out, and it can be a graphitization stage connect that at any temperature starting from the pyrolysis temperature up to up to about 3500 ° C, depending on the final properties required Fiber.

Auf diese Weise erzeugte Kohlenstoff-Fasern können in der Technik viele Anwendungen finden. Ihre am weitesten verbreitete und zweckmäßigste Benutzung ist diejenige als Verstärkungsmaterial innerhalb einer aus Kunstharz bestehenden Matrix. Derartige faserverstärkte Kunstharzwerkstoffe werden in großem Umfang bei der Herstellung von Gasturbinenstrahltriebwerken, Lagern usw. benutzt.Carbon fibers produced in this way can find many uses in technology. your its most widespread and useful use is as reinforcement material within a matrix made of synthetic resin. Such fiber-reinforced synthetic resin materials are widely used Extent used in the manufacture of gas turbine jet engines, bearings, etc.

Claims (3)

Patentac Sprüche:Patentac sayings: 1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern durch Voroxydationsbehandlung und anschließende Pyrolyse von Fasern aus Polyacrylnitril, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyacrylnitrilfasern zunächst in einer ersten Stufe in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 200 und 300° C erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten wird, bis die exotherme Reaktion infolge einer Kreuzverbindung oder eines ringförmigen Zusammenschlusses der Polymer-Moleküle vorüber ist, dann in einer zweiten Stufe die Faser einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich zwischen 150 und 250° C ausgesetzt wird, bis die exotherme Reaktion der teilweisen Dehydrierung der Faser und der resultierenden Sauerstoffabsorption stattgefunden hat, und daß danach die Fasern in bekannter Weise durch Erwärmen in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 800 und 1500° C pyrolysiert und danach gegebenenfalls graphitisiert werden.1. Process for the production of carbon fibers by pre-oxidation treatment and then Pyrolysis of fibers made of polyacrylonitrile, characterized in that the polyacrylonitrile fibers are initially used in a first stage heated in an inert atmosphere to a temperature between 200 and 300 ° C and on this Temperature is maintained until the exothermic reaction due to a cross-link or a The ring-shaped association of the polymer molecules is over, then in a second stage the fiber in an oxygen-containing atmosphere at a temperature in the range between 150 and exposed to 250 ° C until the exothermic reaction of partial dehydration of the fiber and the resulting oxygen absorption has taken place, and that thereafter the fibers in known Way by heating in an inert atmosphere to a temperature between 800 and 1500 ° C and then optionally graphitized. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Erwärmungsstufc die Faser drei Stunden lang auf einer Temperatur von 210° C, dann zwei Stunden auf einer Temperatur von 220° C und anschließend zwei Stunden lang auf einer Temperatur von 250° C in einer aus Stickstoff bestehenden Atmosphäre gehalten wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in the first Heizungsstufc the fiber for three hours at a temperature of 210 ° C, then two hours at one Temperature of 220 ° C and then for two hours at a temperature of 250 ° C is maintained in an atmosphere composed of nitrogen. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Erwärmungsstufe die Faser innerhalb einer aus Luft bestehenden Atmosphäre auf eine Temperatur von 220° C gebracht und sieben Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten wird.3. The method according to claim 1, characterized in that in the second heating stage, the fiber within a consisting of air Atmosphere brought to a temperature of 220 ° C and seven hours at this Temperature is maintained.
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