DE1952388B2 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF CARBON OR. GRAPHITE FIBERS - Google Patents

PROCESS FOR THE PRODUCTION OF CARBON OR. GRAPHITE FIBERS

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DE1952388B2 DE19691952388 DE1952388A DE1952388B2 DE 1952388 B2 DE1952388 B2 DE 1952388B2 DE 19691952388 DE19691952388 DE 19691952388 DE 1952388 A DE1952388 A DE 1952388A DE 1952388 B2 DE1952388 B2 DE 1952388B2
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Description

In der Literatur sind zahlreiche Vorschläge zur Herstellung von Kohlenstoffasern gemacht worden. Allgemein geschieht die Herstellung in der Weise, daß ein organisches, in Faserform vorliegendes Ausgangsmaterial durch Temperaturbehandlung unter Inertgas carbonisiert wird. Die Überführung der so gewonnenen Kohlenstoffasern in Graphitfasern erfolgt durch weiteres Erhitzen auf Temperaturen bis etwa 30000C.Numerous proposals for the manufacture of carbon fibers have been made in the literature. In general, the production takes place in such a way that an organic starting material present in fiber form is carbonized by heat treatment under inert gas. The carbon fibers obtained in this way are converted into graphite fibers by further heating to temperatures of up to about 3000 ° C.

An die Ausgangsfasern müssen für die Herstellung von festen und flexiblen Kohlenstoffasern neben leichter Zugänglichkeit folgende wichtige Anforderungen gestellt werden:In addition to the output fibers for the production of strong and flexible carbon fibers easy accessibility, the following important requirements are made:

a) Das Material darf bei der Carbonisierung keinen fluiden Zustand durchlaufen, da sonst die Fasern unter Verlust ihrer Flexibilität untereinander zusammenkleben.a) The material must not pass through a fluid state during carbonization, otherwise the fibers stick together, losing their flexibility.

b) Der Kohlenstoffrückstand sollte möglichst hoch sein.b) The carbon residue should be as high as possible.

c) Zur Erzielung hoher Raum-Zeit-Ausbeuten beim Herstellungsprozeß muß die Ausgangsfaser eine möglichst schnelle Temperatursteigerung ohne Verlust an Festigkeit und Flexibilität der resultierenden Kohlenstoffaser aushalten können. Das Ausgangsmaterial muß leicht in Faserform verfügbar sein. Das Ausgangsmaterial sollte sich durch einen niedrigen Preis auszeichnen.c) To achieve high space-time yields in the manufacturing process, the starting fiber must have a Rapid temperature increase without loss of strength and flexibility of the resulting Can withstand carbon fiber. The starting material must be readily available in fiber form be. The starting material should be characterized by a low price.

Es sind zahlreiche Ausgangsmaterialien vorgeschlagen worden, doch erfüllt keines völlig die gestellten Bedingungen. Im einzelnen wurden Kohlenstoff- und Graphitfasern durch Carbonisierung und gegebenenfalls Graphitierung natürlicher oder regenerierter Cellulose-, Polyacrylnitril-, Polyvinylalkohol-, Polyvinylchlorid- und speziell vorbehandelter Wollfasern erhalten (O. Vohler, E. Sperk: Ber. Dtsch. Keram. Ges. 43 [1966], S. 199-208). Gemäß der britischen Patentschrift 1111 299 werden Kohlenstoffasern durch Carbonisierung von Ligninfasern bzw. Mischfasern aus Ligninderivaten mit Polyinylalkohol, Polyacrylnitril oder Viskose beschrieben. Auch wurde bereits versucht, den Einsatz hochwertiger, hochpolymerer durch Dispergierung von Kohlenstoffstaub in den zu carbonisierenden Polymerfasern zu reduzieren (japanische Patentschrift 20 609/1963).Numerous starting materials have been proposed, but none fully meet the requirements Conditions. Specifically, carbon and graphite fibers were made by carbonization and optionally Graphitization of natural or regenerated cellulose, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride and specially pretreated wool fibers (O. Vohler, E. Sperk: Ber. Dtsch. Keram. Ges. 43 [1966], pp. 199-208). According to British patent specification 1111 299, carbon fibers are through Carbonization of lignin fibers or mixed fibers from lignin derivatives with polyinyl alcohol, polyacrylonitrile or viscose. Attempts have also been made to use high-quality, highly polymeric materials by dispersing them to reduce carbon dust in the polymer fibers to be carbonized (Japanese patent 20 609/1963).

In der französischen Patentschrift 14 65 030 werden Bitumen- oder Teerpechschmelzen bei 2400C und darüber zu Fasern versponnen, die dann als Ausgangsfasern für die Herstellung von Kohlenstoff- und Graphitfasern dienen. Mit diesem Verfahren sollte erreicht werden, daß außer den obenerwähnten teuren Fasermaterialien auch ein normalerweise nicht in Faserform verfügbares, sehr billiges Produkt als Ausgangsmaterial für Kohlenstoffasern verwendet werden kann. Das Verfahren hat neben der Verspinnung bei hoher Temperatur vor allem die Nachteile, daßIn French patent specification 14 65 030, bitumen or tar pitch melts are spun into fibers at 240 ° C. and above, which then serve as starting fibers for the production of carbon and graphite fibers. With this method it should be achieved that, in addition to the above-mentioned expensive fiber materials, a very cheap product which is normally not available in fiber form can also be used as a starting material for carbon fibers. In addition to spinning at high temperature, the process has the main disadvantages that

juoächs das Ausgangsmaterial in einem eigenen Verfahrensschritt auf ein ganz bestimmtes C/H-Verhältnis gebracht werden muß und die Teerfasern vor der Carbonisierung mit Ozon oder Peroxiden und anschliejjgjjde Luftoxydation zuerst unschmelzbar gemacht werden müssen.juoächs the source material in its own Process step to a very specific C / H ratio must be brought and the tar fibers before carbonization with ozone or peroxides and then Air oxidation must first be made infusible.

Aus der Vielzahl der Kohlenstoffverbindungen kommen also nur sehr wenige Substanzen als Ausgangsmaterialien für Kohlenstoffasern in Betracht. Sicht zuletzt scheiterte bisher die Verwendung )0 aussichtsreicher Substanzen an dem Umstand, daß sie nicht in Faserform zugänglich sind. Soll eine Substanz aus fluider Phase nach den üblichen Methoden der Kunstfaserindustrie zu Fäden versponnen werden, so ist die Verspinnbarkeit der fluiden Phase die Voraussetzung für den Spinnprozeß. Die Verspinnbarkeit äußerst sich dadurch, daß beim Eintauchen und herausziehen eines Glasstabes aus einer solchen Lösung die Flüssigkeit als mehr oder weniger langer Faden ■mitgezogen wird und nicht, wie es normalerweise der Fall ist, abtropft Die Verspinnbarkeit stellt einen ganz speziellen Zustand dar. Dementsprechend ist auch die Zahl der verspinnbaren Substanzen beschränkt und umfaßt im wesentlichen die bekannten Fasermaterialien der Kunstfaserindustrie. 2S From the large number of carbon compounds, only very few substances come into consideration as starting materials for carbon fibers. Overview Date failed so far to use) 0 promising substances to the fact that they are not accessible in fiber form. If a substance from a fluid phase is to be spun into threads according to the usual methods of the synthetic fiber industry, the spinnability of the fluid phase is the prerequisite for the spinning process. The spinnability is expressed by the fact that when a glass rod is immersed and withdrawn from such a solution, the liquid is drawn along as a more or less long thread and does not drip off, as is normally the case. The spinnability is a very special condition also the number of spinnable substances is limited and essentially comprises the known fiber materials of the synthetic fiber industry. 2S

Dabei soll hier und im folgenden unter dem Begriff Carbonisierung die thermische Behandlung einer organischen Substanz bis zu Temperaturen unterhalb 20003C, bevorzugt um etwa 10000C, verstanden werden, wobei die Erhitzung mindestens oberhalb etwa 4000C unter Inertgas bei Normaldruck oder vermindertem Druck durchgeführt wird. Unter Graphitierung soll eine Temperaturbehandlung zwischen 2000 und etwa 3000° C unter Schutzgas verstanden werden.The aim is here and hereinafter, the term carbonization, the thermal treatment of an organic substance to temperatures below 2000 3 C, preferably at about 1000 0 C, to be understood, wherein the heating at least above about 400 0 C under an inert gas at normal pressure or reduced pressure is carried out. Graphitization should be understood to mean a temperature treatment between 2000 and about 3000 ° C. under protective gas.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft hier Abhil- ?e, da es in einfacher Weise die Herstellung verspinnbarer Lösungen einer Vielzahl von Substanzen ermöglicht, die als solche rieht verspinnbar sind, aber die sonstigen Bedingungen für die Herstellung von Kohlenstoffasern erfüllen.The method according to the invention provides a remedy here, since it is easy to produce spinnable Solutions of a multitude of substances are made possible, which as such can be spinnable, but the others Conditions for the production of carbon fibers fulfill.

Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- bzw. Graphitfasern durch Carbonisierung und gegebenenfalls Graphitierung von durch Verspinnen von Lösungen organischer Substanzen gewonnenen Ausgangsfasern ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu verspinnenden Lösungen eine oder mehrere in dem Lösungsmittel lösliche fadenbildende linearpolymere Substanzen mit einem Polymerisationsgrad von oberhalb 2000 in Konzentrationen von 0,001 bis 10 Gewichtsprozent und zumindest eine organische durch Carbonisierung zu Kohlenstoff zersetzbare Substanz mit geringerem Polymerisationsgrad und mit einem Schmelz- oder Erweichungspunkt oberhalb etwa 8O0C als Kohlenstoffquelle in einer Konzentration von 5 bis 60 Gewichtsprozent enthalten.The proposed process for the production of carbon or graphite fibers by carbonization and optionally graphitization of starting fibers obtained by spinning solutions of organic substances is characterized in that the solutions to be spun contain one or more thread-forming linear polymeric substances which are soluble in the solvent and have a degree of polymerization of above 2000 in concentrations of 0.001 to 10 weight percent and containing at least one organic decomposable by carbonization into carbon substance with a lower degree of polymerization and having a melting or softening point above about 8O 0 C as a carbon source in a concentration of 5 to 60 weight percent.

Zur Messung der Verspinnbarkeit wird im Rahmen dieser Patentschrift ein Verfahren angewandt, das in der Literatur beschrieben ist und sich an das beim Trockenspinnen übliche Verfahren anlehnt. Die zu untersuchende Flüssigkeit wird unter Druck aus einer Düse ausgepreßt und die Länge des ununterbrochenen Flüssigkeitsfadens in cm, gemessen bis zu dem Punkt, wo er in einzelne Tropfen zerfällt, als Maß für die Verspinnbarkeit herangezogen (Kolloid-Zeitschrift, 61 [1932], S. 258). Bei den vorliegenden Messungen wurden die Lösungen bei Zimmertemperatur unter einem Druck von 0,5 atü aus einer Düse mit 400 Micron und einer Düsenkanallänge von 17 mm ausgepreßt.To measure the spinnability, a method is used in the context of this patent that is described in the Literature is described and is based on the method customary in dry spinning. The to liquid to be examined is squeezed out of a nozzle under pressure and the length of the uninterrupted Liquid thread in cm, measured to the point where it breaks up into individual drops, as a measure of the Spinnability used (Kolloid-Zeitschrift, 61 [1932], p. 258). In the present measurements were the solutions at room temperature under 0.5 atmospheric pressure from a 400 micron nozzle and a nozzle channel length of 17 mm.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß Lösungen organischer Substanzen, die als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Kohlenstoffasern dienen können, d. h. durch eine Carbonisierungsbehandlung zu Kohlenstoff zersetzbar sind, aber als solche keine Sninnbarkeit aufweisen, im folgenden als Kohlenstoffquelle bezeichnet, in einfacher Weise durch iHe Anwesenheit kleiner Mengen hochmolekularer, aus Kettenmolekülen aufgebauter Substanzen (nachfolgend als Fadcnbildner bezeichnet) verspinnbar gemacht werden können. Die Fadenbildner werden in Mengen von 0,001 bis 10, vorzugsweise von 0,01 bis 5 Gewichtsprozent zugesetzt In allen praktisch vorkommenden Fällen reichen diese Konzentrationen zur Erzielung der Verspinnbarkeit aus. Darüber hinaus ist es eines der Kennzeichen der Erfindung, daß die Verspinnung billiger organischer Neben- oder Abfallprodukte mit nur einem geringen Zusatz einer hochpolymeren Substanz ermöglicht wird. Der volle wirtschaftliche Vorteil ist aber nur dann gegeben, wenn die Verspinnbarkeit durch kleine Zusätze erreicht wird.It was surprisingly found that solutions of organic substances used as starting materials for the production of carbon fibers can serve, d. H. by a carbonization treatment are decomposable to carbon, but as such do not show any sensibility, hereinafter referred to as carbon source referred to in a simple manner by iHe Presence of small amounts of high molecular weight substances composed of chain molecules (hereinafter referred to as thread former) can be made spinnable. The thread formers are in quantities from 0.001 to 10, preferably from 0.01 to 5 percent by weight added in all practically occurring In some cases, these concentrations are sufficient to achieve spinnability. In addition, it is one of the characteristics of the invention that the spinning of cheap organic by-products or waste products is made possible with only a small addition of a high polymer substance. The full one However, there is only an economic advantage if the spinnability is achieved through small additions.

Die Konzentration der Kohlenstoffquelle in der Lösung kann in weiten Grenzen schwanken. Es ist möglich, 5- bis 60%ige Lösungen zu verwenden, im allgemeinen werden jedoch Lösungen versponnen, deren Konzentration der Kohlenstoffquelle zwischen 10 und 40 Gewichtsprozent liegt.The concentration of the carbon source in the solution can vary within wide limits. It is possible to use 5 to 60% solutions, but in general solutions are spun, whose concentration of the carbon source is between 10 and 40 percent by weight.

Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Kohlenstoff- und Graphitfasern aus einer Vielzahl organischer Ausgangsmaterialien zu gewinnen, deren Verwendung bisher nicht möglich war, weil sie nicht in Faserform gewonnen werden konnten. So ist es auch möglich, billige Neben- oder Abfallprodukte natürlicher oder synthetischer Herkunft zu Fasern zu verarbeiten, aus denen dann Kohlenstoff- und Graphitfasern gewonnen werden können. Voraussetzung für die Eignung eines organischen Materials ist ein genügend hoher Kohlenstoffrückstand bei der Carbonisierung. Zweckmäßig sollte er mindestens 10 Gewichtsprozent des Ausgangsmaterials betragen. Außerdem darf das Material im Verlauf der Carbonisierung keine fluide Phase durchlaufen. Dies ist immer dann gewährleistet, wenn der Schmelzpunkt wesentlich über der Zersetzungstemperatur liegt.The process opens up the possibility of producing carbon and graphite fibers from a large number of organic fibers Obtaining starting materials, the use of which was previously not possible because they are not in fiber form could be won. So it is also possible to use natural or cheap by-products or waste products of synthetic origin to be processed into fibers, from which carbon and graphite fibers are then obtained can be. A sufficiently high carbon residue is a prerequisite for the suitability of an organic material in carbonization. Appropriately, it should be at least 10 percent by weight of the starting material be. In addition, the material must not pass through a fluid phase in the course of carbonization. This is always guaranteed when the melting point is significantly above the decomposition temperature lies.

Aus der großen Zahl der nach diesen Angaben für einen Fachmann infrage kommenden Ausgangsmaterialien seien folgende beispielhaft genannt: Stärke, teilweise abgebaute oder oxydierte Stärke, Dextrin, Hemicellulose, Cellulosederivate, wie z. B. Methylcellulose, polymere Zuckerabkömmlinge, wie Pektin, Pektinsäure oder Alginsäure, Eiweißstoffe, wie Casein, Gelatine oder Fischleim, zur inneren Salzbindung befähigte organische Säurederivate, wie Glykokoll oder Betain, Sulfonsäuren, deren Substitutionsprodukte und deren Salze, insbesondere Ammoniumsalze, Lignin, Ligninsulfonsäure und deren Salze, insbesondere Ammoniumligninsulfonat. From the large number of starting materials which are suitable for a person skilled in the art according to this information the following are mentioned as examples: starch, partially degraded or oxidized starch, dextrin, Hemicellulose, cellulose derivatives, such as. B. methyl cellulose, polymeric sugar derivatives such as pectin, pectic acid or alginic acid, protein substances such as casein, gelatin or isinglass, for internal salt binding Capable organic acid derivatives, such as glycocolla or betaine, sulfonic acids, their substitution products and their salts, especially ammonium salts, lignin, ligninsulphonic acid and their salts, especially ammonium ligninsulphonate.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es außerdem jedoch auch möglich, Substanzen als Kohlenstoffquellen zu verwenden, deren Schmelz- oder Erweichungspunkt unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur liegt, sofern man die daraus gesponnenen Fasern vor der eigentlichen Carbonisierung unschmelzbar macht. In diesem Fall sollte der Schmelz- oder Erweichungspunkt der als Kohlenstoffquelle verwendeten Substanzen zweckmäßig nicht unterhalb von etwa 80°C liegen. Aus der Literatur sind bereits zahlreicheAccording to the method according to the invention, however, it is also possible to use substances as Use carbon sources whose melting or softening point is below their decomposition temperature if the fibers spun from it are infusible before the actual carbonization power. In this case, the melting point or softening point should be that of that used as the carbon source Substances are expediently not below about 80 ° C. There are already numerous from the literature

Maßnahmen bekannt geworden, durch die vor ihrer Zersetzung erweichende Fasermaterialien umschmelzbar gemacht werden können.Measures become known by which fiber materials, which soften before they decompose, can be remelted can be made.

In der deutschen Auslegeschrift 12 55 629 wird ein Verfahren beansprucht, aus wollhaltigem Ausgangsmaterial Kohlenstoff- oder Graphit-Fasermaterial herzustellen. Da der wollhaltige Ausgangsstoff bei einer Temperaturbehandlung seine Faserstruktur verlieren würde, muß dies durch besondere Maßnahmen vermieden werden, die darin bestehen, daß das Ausgangsmate- ι ο rial unter Luftzutritt bis etwa 200° C bei einem Temperaturanstieg von 5 bis 50°/h erwärmt, darauf unter gedrosselter Luftzufuhr bis etwa 300° C bei einem Temperaturanstieg von 1 bis 10°/h weiter erhitzt und alsdann unter Luftabschluß bis etwa 1000° C bei einem Temperaturanstieg von 10 bis 100°/h aufgeheizt wird, und daß die Erhitzung wenigstens teilweise in einer Formaldehyd, Ammoniak und/oder Kohlendioxid enthaltenden Atmosphäre ausgeführt wird.In the German Auslegeschrift 12 55 629 a method is claimed, from a wool-containing starting material Manufacture carbon or graphite fiber material. Since the wool-containing raw material in a If the temperature treatment would lose its fiber structure, this must be avoided by taking special measures which consist in the fact that the starting material ι ο rial heated to about 200 ° C with a temperature increase of 5 to 50 ° / h with the admission of air, then with reduced air supply to about 300 ° C with a temperature increase of 1 to 10 ° / h and heated further then with the exclusion of air up to about 1000 ° C at one Temperature rise of 10 to 100 ° / h is heated, and that the heating is at least partially in one Containing formaldehyde, ammonia and / or carbon dioxide Atmosphere is running.

Nach der bereits zitierten französischen Patentschrift 14 65 030 werden Teerfasern durch eine Behandlung mit Ozon oder Peroxiden and anschließende Luftoxydation unschmelzbar gemacht In der belgischen Patentschrift 7 18 561 werden Fasern aus Vinylchlorid-Mischpolymeren, Polyvinylalkohol-Derivaten und/oder Polyvinylalkohol durch eine Behandlung mit Hilfe saurer Kondensationsmittel unterhalb der Erweichungstemperatur der Fasern unschmelzbar gemacht Als Kondensationsmittel werden dabei vorzugsweise konzentrierte Schwefelsäure, Difluor- und Hexafluorphosphorsäure verwendet Polyvinylalkohol, der unter inertgas bei ca. 230° C schmilzt kann allein schon durch Voroxydation mit Luft unschmelzbar gemacht werden. A. S h i η d ο et al. (Polymer Preprints, 9, Nr. 2 [1968], S. 1327) fanden darüber hinaus, daß voroxydierter Polyvinylalkohol einen wesentlich höheren Kohlenstoffrückstand liefert, wenn die Pyrolyse in Gegenwart von HCI-Gas vorgenommen wird, als wenn die Pyrolyse unter Inertgas durchgeführt wird.According to the French patent 14 65 030 already cited, tar fibers are treated with Ozone or peroxides and subsequent air oxidation made infusible In the Belgian patent specification 7 18 561 are fibers made of vinyl chloride copolymers, Polyvinyl alcohol derivatives and / or polyvinyl alcohol by treatment with acidic condensation agents below the softening temperature of the fibers made infusible. Concentrated condensation agents are preferred Sulfuric acid, difluoric and hexafluorophosphoric acid use polyvinyl alcohol, which is inert gas at approx. Melting at 230 ° C can be made infusible simply by pre-oxidation with air. A. S h i η d ο et al. (Polymer Preprints, 9, No. 2 [1968], p. 1327) also found that pre-oxidized polyvinyl alcohol A significantly higher carbon residue is obtained when the pyrolysis is carried out in the presence of HCl gas is carried out as if the pyrolysis is carried out under an inert gas.

Aus der großen Zahl von Ausgangsmaterialien, die bei Erhitzung erweichen oder schmelzen und deshalb vor der Carbonisierung unschmelzbar gemacht werden müssen, seien folgende beispielhaft angeführt: Polyvinylalkohol, Polyvinylacylate, Polyvinylchlorid, Polyolefine, Polyester, Polyäther, Polyanhydride, Polyure thane. Polyamide, Polyharnstoffe, Phenol-Formaldehydharze, sowohl als reine Polymere als auch in Form ihrer Copolymerisate, Pfropfpolymerisate und ihre Derivate. Diese als Kohlenstoffquellen verwendbaren Polymeren brauchen im Gegensatz zu den Fadenbildnern keine linearpolymere Struktur aufzuweisen und unterscheiden sich von den Fadenbildnern weiterhin dadurch, daß ihr Polymerisationsgrad unter dem der Fadenbildner liegt. Durch Zusatz eines Fadenbildners wird auch hier Spinnbarkeit auf die Lösung dieser Polymere übertragen. From the large number of starting materials that soften or melt when heated and therefore must be made infusible before carbonization, the following are examples: polyvinyl alcohol, Polyvinyl acylates, polyvinyl chloride, polyolefins, polyesters, polyethers, polyanhydrides, polyures thane. Polyamides, polyureas, phenol-formaldehyde resins, both as pure polymers and in the form of their copolymers, graft polymers and their derivatives. These polymers which can be used as carbon sources, in contrast to the thread formers, do not need any to have linear polymer structure and differ from the thread formers further in that their Degree of polymerization below which the thread former is. By adding a thread former, here too Transferred spinnability to the solution of these polymers.

Als Kohlenstoffqjelle im Sinne dieser Patentanmeldung gelten demnach alle nieder- oder höhermolekularen organischen Substanzen, deren Schmelz- oder Erweichungspunkte oberhalb etwa 8O0C liegen, die in einem Lösungsmittel löslich sind und die durch eine Carbonisierungsbehandlung zu Kohlenstoff zersetzbar sind. Insbesondere sollen solche Substanzen darunter fallen, die außer den genannten Merkmalen als 100/oige Lösungen eine Verspinnbarkeit von weniger als 10 cm aufweisen. Der Kohlenstoffrückstand bei der Carbonisierung sollte mindestens etwa 10 Gewichtsprozente der Kohlenstoffquelle betragen.As Kohlenstoffqjelle the purposes of this patent application therefore all low or high molecular weight organic substances whose melting or softening points are above about 8O 0 C, which are soluble in a solvent and which are decomposable by a carbonization treatment to carbon apply. In particular, such substances are excluded, which have in addition to the mentioned features than 10 0 / o solutions a spinnability of less than 10 cm. The carbon residue from carbonization should be at least about 10 percent by weight of the carbon source.

Es muß besonders betont werden, daß das erfindungi gemäße Verfahren erstmalig die Möglichkeit eröffne molekulardisperse Lösungen und solche von niederpo lymeren Verbindungen, insbesondere mit Poiymerisa tionsgraden unterhalb 50, durch einen Trockenspinn prozeß (die Bezeichnung der Spinnverfahren erfolg hier und im folgenden nach Ulimanns Er.cyklopädie de technischen Chemie, 7 [1956J S. 263) zu Fasern zi verarbeiten und damit als Ausgangsmaterialien füi Kohlenstoffasern nutzbar zu machea Derartige Verbin düngen haben häufig vor makromolekularen Substan zen den Vorteil der besseren Löslichkeit und gestatter daher, höhere Lösungskonzentrationen anzuwenden.It must be particularly emphasized that the process according to the invention opens up the possibility for the first time molecularly disperse solutions and those of low polymer compounds, especially with Poiymerisa tion degrees below 50, through a dry spinning process (the designation of the spinning process success here and in the following from Ulimann's Er.cyklopädie de technical chemistry, 7 [1956J p. 263) to process fibers zi and thus füi as starting materials Carbon fibers can be used to make such compounds fertilize often before macromolecular substances zen have the advantage of better solubility and therefore allow higher solution concentrations to be used.

Die Fadenbildner, die erfindungsgemäß verwende) werden, sind außer durch ihre linearpolymere Struktui durch die Höhe ihres Polymerisationsgrades bzw Molgewichts charakterisiert Erst oberhalb eines gewissen Polymerisationsgrades zeigen Lösungen von Hochpolymeren bei Konzentrationen unter 5% die Eigenschaft der Verspinnbarkeit Die Auswahl dler Fadenbildner richtet sich nach dem verwendeten Lösungsmittel. Für wäßrige Lösungen werden wasserlösliche Hochpolymere eingesetzt vorzugsweise Polyäthylenoxid, Polyacrylamid oder Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisate. In organischen Medien können außer den genannten Substanzen noch andere Hochpolymere, wie z. B. Polystyrol, Polyisobutylen, Polymethylmethacrylat oder Polyisopren angewandt werden.The thread formers that are used according to the invention are not only due to their linear polymeric structure Characterized by the level of their degree of polymerization or molecular weight only above a certain level The degree of polymerization shows solutions of high polymers at concentrations below 5% the property spinnability The choice of thread formers depends on the solvent used. For aqueous solutions, water-soluble high polymers are used, preferably polyethylene oxide, polyacrylamide or acrylic acid / acrylamide copolymers. In addition to the substances mentioned, other high polymers, such as. B. Polystyrene, polyisobutylene, polymethyl methacrylate or polyisoprene can be used.

Lösungen linearpolymerer Substanzen werden bei Spinnprozessen in der Kunstfaserindustric schon seit langem verwendet Auch diese Lösungen zeigen die Eigenschaft der Verspinnbarkeit jedoch sind die Molekulargewichte bzw. Polymerisationsgrade der dort verwendeten Substanzen bei weitem nicht so hoch wie bei den erfindungsgemäß verwendeten Substanzen; eine ausreichende Verspinnbarkeit wird erst in den Konzentrationsbereichen von 25 bis 45% erreicht. So wird z. B. zur Herstellung von Polyacrylnitrilfasern eine 25%ige Lösung eines Polyacrylnitrile mit einem Molgewicht von 35 000 bis 50 000, was einem Polymerisationsgrad von 660 bis 950 entspricht, in Dimethylformamid versponnen (Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie, 7 [1956]). Werden von solchen Substanzen 0.01- bis 5%ige Lesungen in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt, so sind diese jedoch nicht verspinnbar; beim Auslaufen aus einer Düse entsteht nur eine Folge von Tropfen, aber kein zusammenhängender Faden.Solutions of linear polymer substances have been used in spinning processes in the synthetic fiber industry since Used for a long time These solutions also show the property of being spinnable, but they are Molecular weights or degrees of polymerization of the substances used there are nowhere near as high as in the substances used according to the invention; Sufficient spinnability is only achieved in the concentration ranges achieved by 25 to 45%. So z. B. for the production of polyacrylonitrile fibers a 25% Solution of a polyacrylonitrile with a molecular weight of 35,000 to 50,000, which has a degree of polymerization of 660 to 950, spun in dimethylformamide (Ulimann's Encyklopadie der technischen Chemie, 7 [1956]). If 0.01 to 5% readings are made of such substances in a suitable solvent, however, these cannot be spun; when leaking from a nozzle there is only a sequence of Drops, but not a cohesive thread.

Die Verspinnbarkeit von hochpolymeren Lösungen so geringer Konzentration, wie sie gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, hängt entscheidend vom Polymerisationsgrad der verwendeten Substanz ab. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes werden die Verhältnisse in wäßrigen und organischen Medien an einigen Beispielen erläutert.The spinnability of high polymer solutions as low in concentration as they are according to the Process of the present invention used depends critically on the degree of polymerization the substance used. To clarify this fact, the relationships in aqueous and organic media explained using a few examples.

2%ige wäßrige Lösungen von Polyäthylenoxid können je nach der Höhe des Molgewichts bzw. Polymerisationsgrades verschiedene Werte der Verspinnbarkeit erreichen. Die Lösung eines Polyäthylenoxids A mit einem Polymerisationsgrad .P von 5450 erreicht nur 30 cm, die Lösung eines Polyäthylenoxids B (P= 17 000) erreicht 130 cm, Polyäthylenoxid C (P=68 200) 225 cm und die Verspinnbarkeit eines Polyäthylenoxids D mit P= 136 400 liegt bereits weit über 300 cm. Zur genaueren Charakteriüierung der Substanzen ist noch die Grenzviskosität [η], gemessen in H2O bei 35°C bei einer Scherspannung von r = 12,5 dyn/cm2 angegeben (Tab. 1).2% aqueous solutions of polyethylene oxide can achieve different values of the spinnability depending on the level of the molecular weight or degree of polymerization. The solution of a polyethylene oxide A with a degree of polymerization .P of 5450 only reaches 30 cm, the solution of a polyethylene oxide B (P = 17,000) reaches 130 cm, polyethylene oxide C (P = 68,200) 225 cm and the spinnability of a polyethylene oxide D with P. = 136 400 is already well over 300 cm. For a more precise characterization of the substances, the limiting viscosity [η], measured in H2O at 35 ° C. with a shear stress of r = 12.5 dyn / cm 2, is given (Tab. 1).

Tabelle ITable I.

/9 52 388/ 9 52 388

Präparatpreparation

Grenzviskosität \i)\ 35°C, Polymcrisalionsgrad H2O. r=12.5dyn/cm2 P Limiting viscosity \ i) \ 35 ° C, degree of polymerisation H2O. r = 12.5dyn / cm2 P

Verspinnbarkeil von 2%igen Lösungen cmSpinnable wedge of 2% Solutions cm

Polyäthylenoxid APolyethylene oxide A 2,02.0 Polyäthylenoxid BPolyethylene oxide B 4,814.81 Polyäthylenoxid CPolyethylene oxide C 7,17.1 Polyäthylenoxid DPolyethylene oxide D 9.159.15

Bei einem Polymerisationsgrad von 136 400 ([ij]=9,15) zeigt bereits eine 1,5%ige wäßrige Polyäthylenoxidlösung eine Verspinnbarkeit von 300 cm. Sind 1,5% dieses Polyäthylenoxtds in der Lösung einer Kohlenstoffquelle, die als solche keine Spinnbarkeit aufweist, enthalten, so hat auch diese eine Verspinnbarkeit von mehreren Metern. Die Verspinnbarkeit des hochmolekularen Polyäthylenoxids ist auf die jeweilige Lösung übertragen worden. Will man ähnlich hohe Werte der Verspinnbarkeit mit einem Polyäthylenoxid niedrigeren Polymerisationsgrades erreichen, muß dessen Konzentration entsprechend höher sein. So wird z. B. eine Verspinnbarkeit von 300 cm auch von einem Polyäthylenoxid vom Polymerisationsgred 6800 erreicht, wenn die wäßrige Lösung 23% enthältAt a degree of polymerization of 136,400 ([ij] = 9.15) even a 1.5% aqueous polyethylene oxide solution shows a spinnability of 300 cm. Are 1.5% of this Polyäthylenoxtds in the solution of a carbon source, which as such no spinnability contains, this also has a spinnability of several meters. The spinnability of the High molecular weight polyethylene oxide has been transferred to the respective solution. If you want similarly high If the spinnability values with a polyethylene oxide reach a lower degree of polymerisation, its concentration must be correspondingly higher. So will z. B. a spinnability of 300 cm also from one Polyethylene oxide from Polymerisationsgred 6800 is achieved when the aqueous solution contains 23%

Für wäßrige Systeme sind auch Polyacrylamide bzw. Acrylamid/Acrylsäure-Copolymerisate und deren Salze geeignet So hat z. B. ein Acrylamid/Acrylsäure-Copolymerisat das zu 85% aus Polyacrylamid besteht und einen Polymerisationsgrad von 14 080 aufweist, als l,7%ige wäßrige Lösung eine Verspinnbarkeit von 300 cm. Ein höhermolekulares Produkt mit einem Polymerisationsgrad von 70 400 hat bereits als 0,25%ige Lösung in Wasser eine Verspinnbarkeit von 300 cm. DerPolyacrylamides or acrylamide / acrylic acid copolymers and their salts are also suitable for aqueous systems suitable. B. an acrylamide / acrylic acid copolymer which consists of 85% polyacrylamide and has a degree of polymerization of 14 080, as a 1.7% aqueous solution a spinnability of 300 cm. A higher molecular weight product with a degree of polymerization of 70,400 already has a strength of 0.25% Solution in water has a spinnability of 300 cm. Of the

Tabelle 2Table 2

5 4505 450 3030th 1700017000 130130 68 20068 200 225225 136 400136 400 mehr als 300more than 300

Viskositätswert ln''r (bestimmt in H2O, 25°C, pH =7;Viscosity value In '' r (determined in H 2 O, 25 ° C, pH = 7;

0,05%ige Lösung mit 0,l%NaCl bei τ = 0,98 dyn/cm*.0.05% solution with 0.1% NaCl at τ = 0.98 dyn / cm *.

wobei c die Konzentration in Gramm/100 ml Lösungsmittel bedeutet) dieses Produktes beträgt 35. Das Verhältnis von Acrylamid zu Acrylsäure in den Copolymerisaten kann dabei beliebige Werte zwischen 0 :1 und 1 :0 annehmen. Auch ein Copolymerisat mitwhere c is the concentration in grams / 100 ml of solvent) of this product is 35. Das The ratio of acrylamide to acrylic acid in the copolymers can be any value between Accept 0: 1 and 1: 0. Also a copolymer with

2,5% Acrylamid (97,5% Acrylsäure) hat als 0,8%ige Lösung eine Verspinnbarkeit von 210 cm. Eine ähnlich gute Verspinnbarkeit wird auch dann erreicht wenn die Acrylsäure des Copolymerisats durch Salzbildung neutralisiert wird. Als Salze kommen die Li-, Na-, K- und2.5% acrylamide (97.5% acrylic acid) is 0.8% Solution a spinnability of 210 cm. A similarly good spinnability is also achieved if the Acrylic acid of the copolymer is neutralized by salt formation. The salts are Li, Na, K and

insbesondere die NH4- oder substituierten Ammoniumsalze infrage.in particular the NH 4 - or substituted ammonium salts are suitable.

An 3%igen Lösungen des Polystyrols in CH2Cl2 sind folgende Erscheinungen zu beobachten: Die Verspinnbarkeit wird bei Polymerisationsgraden oberhalb etwaThe following phenomena can be observed in 3% solutions of the polystyrene in CH 2 Cl 2 : The spinnability is at degrees of polymerization above about

10 000 deutlich und steigt mit dem Polymerisationsgrad an. Bei besonders hochmolekularen Produkten, wie z. B. Polystyrol F, mit einem Polymerisationsgrad von 125 000 kann eine Verspinnbarkeit von mindestens 300 cm schon mit einer 0,15%igen Lösung in CH2Cl2 10,000 significantly and increases with the degree of polymerization. In the case of particularly high molecular weight products, such as B. Polystyrene F, with a degree of polymerization of 125,000, a spinnability of at least 300 cm can be achieved with a 0.15% solution in CH 2 Cl 2

erreicht werden (Tab. 2).can be achieved (Tab. 2).

Präparatpreparation

PolymerisationsgradDegree of polymerization

Konzentration Gewichtsprozent in CHiCbconcentration Weight percent in CHiCb

VerspinnbarkeitSpinnability

cmcm

Polystyrol A Polystyrol B Polystyrol C Polystyrol D Polystyrol E Polystyrol FPolystyrene A Polystyrene B Polystyrene C Polystyrene D Polystyrene E. Polystyrene F

1038
20 200
25 000
27 900
34 600
125 000
1038
20 200
25,000
27 900
34 600
125,000

3
3
3
3

3
3
3
0.15
3
3
3
0.15

110110

300300

] Ähnliche Verhältnisse bestehen auch bei anderen Hochpolymeren, wie z. B. Lösungen von Polyisobutylen in 1 Trichloräthylen {Tab. 3). ] Similar conditions exist with other high polymers, such as. B. Solutions of polyisobutylene in 1 trichlorethylene {Tab. 3).

t Tabelle 3t Table 3

Präparatpreparation

PolymcrisatiomgradPolymcrisatiomgrad

Konzentration Gewichtsprozent m Trichtaräthylenconcentration Weight percent m Funnel-shaped ethylene

VerspmnbarkeilSickness wedge

cmcm

Polyisobutylen APolyisobutylene A 69006900 33 44th Polyisobutylen BPolyisobutylene B 23 60023 600 33 2020th Polyisobutylen CPolyisobutylene C 49 00049,000 33 6060 Polyisobutylen DPolyisobutylene D 85 50085 500 1.51.5 300300

Die 3%ige Lösung eines Porymethacrylsäuremethylesiers vom Polymerisationsgrad 3600 in CH2Cl2 zeigt eine Verspinnbarkeit von 10 cm, bei einem Polymerisationsgrad von 15 000 ah 2%ige Lösung in CH2CIj bcrem MO cm Fbcmo <md 3%ige Lösungen desThe 3% solution of a Porymethacrylsäuremethylesiers with a degree of polymerization of 3600 in CH 2 Cl 2 shows a spinnability of 10 cm, with a degree of polymerization of 15,000 ah 2% solution in CH 2 Clj bcrem MO cm Fbcmo <md 3% solutions des Polyisoprens z, B. in Toluol oder Trichloräthylen verspinnbar (Polymerisationsgrad P= 25 000).Polyisoprene can be spun e.g. in toluene or trichlorethylene (degree of polymerization P = 25,000).

Polyäthylenoxid, das in wäßriger Lösung verspinnbar ist zeigt diese Eigenschaft auch in organischen Lösungsmittcia r. B. CH2Cl2. Auch hier beobachtet manPolyethylene oxide, which can be spun in aqueous solution, also shows this property in organic solvents . B. CH 2 Cl 2 . Here, too, one observes

6ö9 585 3786ö9 585 378

\o\O

ein Ansteigen der Verspinnbarkeit mit dem Polymerisationsgrad. Die Wirksamkeit in CH2CI2 ist sogar noch höher als in Wasser. Das Polyäthylenoxid mit dem Polymerisationsgrad 6800 erreicht eine Verspinnbarkeit von 300 cm schon als 0,2%ige Lösung.an increase in spinnability with the degree of polymerization. The effectiveness in CH2CI2 is even higher than in water. The polyethylene oxide with that Degree of polymerisation 6800 achieves a spinnability of 300 cm even as a 0.2% solution.

Diese Erscheinungen lassen sich auch mit anderen Hochpolymeren mit Kettenstruktur hervorrufen. Hierunter fallen z. B. Vinylpolymerisate und -Copolymerisate, Diolefinpolymerisate, Polydiene, substituierte PoIyäther und Thioäther, Polyester, Polyamide, Polypeptide, Polysaccharide, Polysiloxane usw.. sowie Mischungen dieser Substanzen. Dabei können die Grenzen für das Auftreten der Verspinnbarkeit je nach der Natur des Hochpolymeren und des verwendeten Lösungsmittels etwas verschoben sein. In jedem Fall beobachtet man jedoch bei solchen Substanzen im Bereich hoher Grenzviskositäten [η] bzw. hoher Polymerisationsgrade eine Verspinnbarkeit in Lösungen sehr niedriger Konzentration, die sich auf Lösungen von Kohlenstoffquellen übertragen läßt. Dagegen konnte durch Heranziehen polymerer Substanzen mit niedrigem Polymerisationsgrad, wie er in den meisten handelsüblichen Produkten vorliegt, in verdünnter Lösung keine Verspinnbarkeit hervorgerufen werden, ähnlich wie dies mit einem Polyäthylenoxid unterhalb eines Polytnei isationsgrades von 2000 nicht möglich war.These phenomena can also be caused with other high polymers with a chain structure. This includes B. vinyl polymers and copolymers, diolefin polymers, polydienes, substituted polyethers and thioethers, polyesters, polyamides, polypeptides, polysaccharides, polysiloxanes, etc .. and mixtures of these substances. The limits for the occurrence of spinnability can be shifted somewhat depending on the nature of the high polymer and the solvent used. In any case, however, in the case of such substances in the range of high intrinsic viscosities [η] or high degrees of polymerization, a spinnability in solutions of very low concentration is observed, which can be transferred to solutions of carbon sources. On the other hand, by using polymeric substances with a low degree of polymerization, as found in most commercial products, no spinnability could be achieved in dilute solution, as was not possible with a polyethylene oxide below a degree of polymerization of 2000.

Fadenbildner im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung sind demnach organische hochpolymere, lösliche Verbindungen mit linearpolymerer Struktur. Vorzugs .veise weisen sie Polymerisationsgrade oberhalb etwa 2000 auf.Thread formers within the meaning of the present patent application are therefore organic high-polymer, soluble compounds with a linear polymer structure. They preferably have degrees of polymerization above around 2000 on.

Als Lösungsmittel können die handelsüblichen verwendet werden. Ihre Auswahl richtet sich nach der Löslichkeit der Kohlenstoffquelle. Zweckmäßig verwendet man Lösungsmittel, deren Siedepunkte unter 200c C liegen. Bevorzugt wird Wasser als Lösungsmittel verwendet.Commercially available solvents can be used as solvents. Your selection depends on the solubility of the carbon source. Solvents whose boiling points are below 200 ° C. are expediently used. Water is preferably used as the solvent.

Bei der Herstellung der Spinnlösungen wird so verfahren, daß die Losungen der Kohlenstoffquelle mit einer Lösung des Fadenbildners versetzt wird, bis eine ausreichende Verspinnbarkeit auftritt, was besonders im Bereich zwischen 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Fadenbild ner. bezogen auf die Gesamtlösung, der Fall isi. Die Kohlenstoffquelle kann auch direkt in der Lösung des Fadenbildners gelöst werden. Dabei kann die Konzentration der Kohlenstoffquelle in weiten Grenzen variiert werden. Bei hoher Konzentration ist im allgemeinen eine geringere Fadenbildnerkonzentration erforderlich, bei niedriger Konzentration an kohlenstoffliefernder Substanz müssen größere Mengen an Fadenbildner angewandt werden. Die Menge hängt auch von der Beschaffenheit der Lösung ab; im allgemeinen benötigen viskosere Lösungen weniger Fadenbildner als dünnflüssige.In the preparation of the spinning solutions, the procedure is that the solutions of the carbon source with a solution of the thread former is added until sufficient spinnability occurs, which is particularly important in the Range between 0.01 to 2 percent by weight of thread formation. based on the overall solution, the case isi. the The carbon source can also be dissolved directly in the solution of the thread former. Concentration can do this the carbon source can be varied within wide limits. At high concentration is generally a lower concentration of thread former is required, if the concentration of carbon-generating substance is low, larger amounts of thread-forming agent are required can be applied. The amount also depends on the nature of the solution; generally need more viscous solutions have fewer thread-forming agents than less fluid ones.

In einigen Fällen hat es sich als zweckmäßig erwiesen. die Spinnlösung auf einen bestimmten pH-Wert einzustellen, sei es, weil die Löslichkeit der Kohlenstoffquelle dadurch erhöht wird, sei es. weil die Viskosität der Spinnlösung vor" pH aönängt. In manchen Fällen kann die Verfestigung des Fadens im Schacht durch eine pH-Änderung beschleunigt werden. So ist z. B. eine ammoniakalische Lösung von Ammonhimligninsulfonat. die Polyäthylenoxid enthalt gut fließfähig, während dieselbe Lösung im neutralen Bereich wesentlich viskoser ist Beim Verspinnen der ammoniakaüschen Lösung sinkt durch verdampfendes NHj der pH-Wert im Faden, wodurch die Viskosität ansteigt; dies führt zusammen mit der Konrentretiofwrhnbung durchIn some cases it has been found useful. the spinning solution to a certain pH cease, be it because of the solubility of the carbon source is thereby increased, be it. because the viscosity of the Spinning solution before pH aönangs. In some cases it can the solidification of the thread in the shaft can be accelerated by changing the pH. So is z. Legs ammoniacal solution of ammonium lignin sulfonate. which contains polyethylene oxide while flowing well the same solution in the neutral area is much more viscous when spinning the ammonia frills The solution decreases the pH value in the thread due to the evaporating NHj, whereby the viscosity increases; this leads to together with the competition for approval

verdampfende Lösungsmittel zur Verfestigung des Fadens. Zur Erzielung eines pH-Wertes unter 7 können die bekannten anorganischen Säuren, insbesondere Haiogenwasserstoffsäuren, zugesetzt werden. Vorzugsweise werden jedoch organische Mono- und Polycarbonsäuren verwendet, wie z. B. Ameisensäure, Essigsäure oder Oxalsäure, wobei Mengen von 1 bis 60% vorteilhaft sind.evaporating solvents to solidify the thread. To achieve a pH value below 7 you can the known inorganic acids, in particular hydrofluoric acids, are added. Preferably however, organic mono- and polycarboxylic acids are used, such as. B. formic acid, acetic acid or oxalic acid, amounts of 1 to 60% being advantageous.

Die auf diese Weise gewonnenen Spinnlösungen weisen eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften auf, Neben der guten Spinnbarkeit ist dies vor allem die relativ geringe Viskosität und die damit verbundene leichte Handhabung. Die Viskosität dieser Lösungen kann zwischen 0,1 und 100 Poise betragen, vorzugsweise jedoch 1 bis 10 Poise; sie liegt damit unter den Werten wie man sie sonst für Spinnprozesse benötigt. Die Spinnlösungen sind daher leicht filtrierbar, leicht zu entgasen und lassen sich leicht durch die Zuleitunger pumpen.The spinning solutions obtained in this way have a number of desirable properties, In addition to the good spinnability, this is above all the relatively low viscosity and the associated one easy handling. The viscosity of these solutions can be between 0.1 and 100 poise, preferably but 1 to 10 poise; it is therefore below the values that are otherwise required for spinning processes. the Spinning solutions are therefore easy to filter, easy to degas and can easily be pumped through the supply line.

Als Spinnprozeß kommen Naß- und Trockenspinn verfahren infrage. Bevorzugt wird jedoch ein konven tionelles Trockenspinnverfahren angewandt. Die Lösungen werden dabei im wesentlichen bei Temperatu ren unterhalb des Siedepunktes des verwendeter Lösungsmittels aus einem mit einer Vielzahl von Düser versehenen Spinnkopf versponnen. Die Fäden durchlau fen einen Spinnschacht der, abhängig vom verwendeter Lösungsmittel, bis auf mehrere Hundert Grad aufge heizt und in üblicher Weise von Luft oder einen Inertgas durchströmt werden kann. Im Schacht werder die Fasern bis zu einem Durchmesser von etwa 50 bi: etwa 1 Micron verzogen. Gleichzeitig wird bereits dei größte Teil des Lösungsmittels entfernt. Der zunächs dünnflüssige Faden wird dabei konzentriert und geh über einen dickflüssigen in den Gelzustand über. Ir diesem Stadium können die Fäden noch etwa: Lösungsmittel enthalten. Nach Verlassen des Spinn Schachts werden die Fäden aufgespult. Diese Fäder stellen nun das eigentliche Ausgangsmaterial für du Herstellung der Kohlenstoff- und Graphitfäden dar.Wet and dry spinning processes come into question as the spinning process. However, a conventional one is preferred tional dry spinning process applied. The solutions are essentially at temperature Ren below the boiling point of the solvent used from one with a variety of nozzles provided spinning head. The threads run through a spinning shaft, depending on the one used Solvent, heated up to several hundred degrees and in the usual way by air or one Inert gas can be flowed through. In the shaft, the fibers up to a diameter of about 50 bi: warped about 1 micron. At the same time, most of the solvent is already removed. The first thin thread is concentrated and goes over a thick thread into the gel state. Ir At this stage the threads can still: contain solvents. After leaving the spinning The threads are wound up in the shaft. These faders now provide the actual starting point for you Manufacture of carbon and graphite threads.

Das faserförmige Ausgangsmaterial wird nun ii bekannter Weise kontinuierlich oder diskontinuierlich durch Temperaturerhöhung bis auf etwa 1000 C in in wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Fasen überführt wobei die Erhitzung mindestens oberhail etwa 400° C im Inertgasstrom erfolgen muß. Gegebe nenfalls werden die Ausgangsfasern vor der eigentli chen Carbonisierung einer Vorbehandlung unterzogen die z. B. in einer speziellen Gasbehandlung, etwa durcl HCL Cl2. NO2. SO3 oder O3. zur Verbesserung de: Carbonisjerungsverhaltens oder zu ihrer Unschmelz bannachung bestehen kannThe fibrous starting material is then, in a known manner, continuously or discontinuously, by increasing the temperature up to about 1000 ° C., into fibers consisting essentially of carbon, the heating having to take place at least above about 400 ° C. in an inert gas stream. If necessary, the starting fibers are subjected to a pretreatment prior to the actual carbonization, the z. B. in a special gas treatment, for example by HCL Cl 2 . NO 2 . SO3 or O 3 . to improve the carbonization behavior or to prevent it from melting

Im einzelnen richtet sich die Temperaturbehaidlunj nach der verwendeten, kohlenstoffliefernden Ausgangs substanz. Als Anhaltspunkte für eine erfolgreich! Carbonisierung können die Maßnahmen der bekanntet Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern. wi( sie in der Patentliteratur beschrieben sind, dienen.The temperature behavior is determined in detail according to the used, carbon-generating output substance. As a guide to being successful! Carbonization can be the action of the well-known Process for the production of carbon fibers. wi (they are described in the patent literature, serve.

Durch eine Temperaturbehandlung unter Schutzg* oberhalb 20000C bis etwa 30(XTC können di< Kohlenstoffasern gegebenenfalls graphitiert werdca* Above 2000 0 C to about 30 (XTC di <carbon fibers can be prepared by a temperature treatment under Schutzg optionally graphitized werdca

Die erfindungsgemäß hergestellten Kohlenstoff- um Graphitfasern sind für zahlreiche Einsatz/wecke ver wendbar. Durch konventionelle Arbeitsverfahren kön nen daraus Garne. Gewebe, Filze, Watte und dergle* chen hergestellt werden, die beispielsweise als Hocfc temperaturisolation, als Filter fßr heiße, asgressa« vjase und Flüssigkeiten. als Verstärkungskomponente«The carbon and graphite fibers produced according to the invention can be used for numerous uses. Yarns can be made from them using conventional working processes. Fabrics, felts, wadding and the like are produced, for example, as high temperature insulation, as filters for hot, aggressive gases and liquids. as a reinforcement component "

1T 1 T

Verbundwerkstoffen, als Katalysatoren und Katalysatorträger verwendet werden.Composite materials, can be used as catalysts and catalyst carriers.

Die folgenden Beispiele sollen die Anwendungsbreite des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen:The following examples are intended to show the breadth of application of the process according to the invention:

Beispiel 1example 1

300 g wäßrige, 40%ige Ammoniumligninsulfonatlösung (SAP/N der Firma Zellstoff Waldhof) wurden mit 100 g einer 2%igen wäßrigen Polyäthylenoxidlösung (WSR 301 de- Firma UCC mit [)j]=9,15) und 45 g Wasser gemischt. Unter Einleiten von Ammoniakgas bis zum pH-Wert 10 wurde die Lösung homogenisiert Die filtrierte Spinnlösung mit 27% Ammoniumligninsulfonat und 0,4'>% Polyäthylenoxid wurde in einen Schacht, der auf 80° C geheizt war und mit trockener Luft bespült wurde, veraponnen und die Fäden auf einer rotierenden Trommel aufgewickelt. Der von der Trommel abgenommene Spinnkuchen wurde innerhalb einer Stunde von 100° auf 250°C an Luft erhitzt. Danach wurden die Fäden im Stickstoffstrom zunächst bis 400° C mit einer Steigerungsrate von 40°/h und schließlich bis 10000C mit einer Steigerungsrate von 150°/h erhitzt Es resultierten flexible Kohlenstoffasern (Kohlenstoffausbeute: 36%). Ein Teil der Kohlenstoffasern wurde durch zweistündiges Erhitzen auf 26000C unter Argon einer Graphitierungsbehandlung unterworfen.300 g aqueous 40% ammonium lignosulfonate solution (SAP / N from Zellstoff Waldhof) were mixed with 100 g of a 2% aqueous polyethylene oxide solution (WSR 301 de- company UCC with [) j] = 9.15) and 45 g water. The solution was homogenized with the introduction of ammonia gas up to pH 10. The filtered spinning solution with 27% ammonium lignosulfonate and 0.4% polyethylene oxide was evaporated into a shaft which was heated to 80 ° C. and flushed with dry air the threads are wound on a rotating drum. The spinning cake removed from the drum was heated from 100 ° to 250 ° C. in air over the course of one hour. Thereafter, the filaments in a nitrogen stream initially up to 400 ° C with a growth rate of 40 ° / h and finally heated to 1000 0 C with a growth rate of 150 ° / h were to result in flexible carbon fibers (carbon yield: 36%). A part of the carbon fibers was subjected to a graphitization treatment by heating for two hours at 2600 ° C. under argon.

Entsprechend hergestellte 40 und 27%ige Ammoniumligninsulfonatlösungen weisen ohne Zusatz von Polyäthylenoxid keine meßbare Verspinnbarkeit auf.Appropriately prepared 40 and 27% ammonium lignosulfonate solutions have no measurable spinnability without the addition of polyethylene oxide.

Beispiel 2Example 2

300 g Dextrin, 300 g Eisessig und 300 g Wasser wurden bis zur völligen Auflösung gekocht 430 g der filtrierten Lösung wurden auf 320 g eingeengt und iiiit 214 g einer 2%igen wäßrigen Lösung eines Acrylsäure/ Acrylamid-Copolymerisats (Praestol 2935 der Firma300 g dextrin, 300 g glacial acetic acid and 300 g water were boiled until completely dissolved. 430 g of the filtered solution were concentrated to 320 g and iiiit 214 g of a 2% strength aqueous solution of an acrylic acid / acrylamide copolymer (Praestol 2935 from the company

S'.ockhausen mit n''r =35,0) zu einer SpinnlösungS'.ockhausen with n '' r = 35.0) to a spinning solution

vermischt, die 24% Dextrin und 0,8% Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisat enthielt und wie in Beispiel 1 beschrieben versponnen wurde. Die Dextrinfäden wurden 5 Stunden bei 220" C unter Stickstoff gehalten. Anschließend wurden die Fasern im Stickstoff st rom bis ^00 C mit einer Steigerungsrate von 10°/h und danach bis 10000C mit einer Steigerungsrate von 150°/h erhitzt. Es resultierten flexible Kohlenstoffasern (Kohlenstoffausbeute·. 18%). Wird in gleicher Weise eine 24%ige Dextrinlösung ohne Fadenbildung hergestellt, so beträgt ihre Vtrspinnbarkeit nur 3 cm.mixed, which contained 24% dextrin and 0.8% acrylic acid / acrylamide copolymer and was spun as described in Example 1. The Dextrinfäden were maintained for 5 hours at 220 "C under nitrogen. Then, the fibers were in nitrogen rom st to ^ 00 C with a growth rate of 10 ° / h and then heated to 1000 0 C with a growth rate of 150 ° / h. flexible carbon fibers resulted (carbon yield · 18%) If a 24% strength dextrin solution is prepared in the same way without thread formation, its spinnability is only 3 cm.

Beispiel 3Example 3

100 g Fischleimlösung mit 56% Trockensubstanz (Standard der Firma O. Ring & Co.) wurden mit 190 g Eisessig und 122 g einer 2J%igen wäßrigen Polyäthykmoxidlöüung (WSR 301 der Firma UCC mit [17]=9.15) versetzt isnd durch längeres Rühren homogenisiert Die Lösung wurde wie in Betspiel 1 zu Fäden aus Fischleim versponnen und daraus durch Carbonisierung wie in Beispiel 2 beschrieoen Kohlenstoffasern erhalten (Kohlenstoffansbeute: 15%).100 g isinglass solution with 56% dry matter (standard from O. Ring & Co.) were 190 g Glacial acetic acid and 122 g of a 2J% strength aqueous polyether oxide solution (WSR 301 from UCC with [17] = 9.15) added isnd homogenized by prolonged stirring The solution became threads of isinglass, as in Betspiel 1 spun and obtained therefrom by carbonization as described in example 2 carbon fibers (carbon yield: 15%).

Ohne Polyäthylenoxidzusatz weist die Fischleimlösung kemertei Verspinnbarkeit auf.Without the addition of polyethylene oxide, the isinglass solution kemertei spinnability.

Beispiel 4Example 4

300 g (Platine wurden «n 300 g heißem Wasser gelöst und unter Rühren mit 300 g Eisessig und bOOg einer 2%igen wäßrigen Lösung eines Acrylsäure/Acrylamidr™oU,-ieris3t« {Praesto? W> der Firma Stockhausen mit ln ''r = 35.0) vermischt. Die Lösung, die aeben 20%300 g (plate were dissolved in 300 g of hot water and, while stirring, with 300 g of glacial acetic acid and 100 g of a 2% aqueous solution of an acrylic acid / acrylamide oU, -ieris3t "{Praesto? W> from the company Stockhausen with ln " r = 35.0) mixed. The solution that is 20%

Gelatine 0,8% Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisa* enthielt, wurde wie in Beispiel I zu Gelatinefäden versponnen. Durch Carbonisierung im Stickstoffstrom (5 Stunden bei 2200C, mit 30° Temperatursteigerung je Stunde bis 400° C und mit 150° /h bis 1000° C) wurden die Gelatinefasern in Kohlenstoffasern überführt (Kohlenstoffausbeute: 21%). Eine analog hergestellte 10%ige ίο Gelatinelösung zeigt ohne Fadenbildner keine Verspinnbarkeit Gelatine containing 0.8% acrylic acid / acrylamide copolymer * was spun into gelatine threads as in Example I. (/ H up to 1000 ° C for 5 hours at 220 0 C, with 30 ° increase in temperature per hour to 400 ° C and 150 °) (carbon yield: 21%) gelatin fibers were converted into carbon fibers by carbonization in a nitrogen stream. A 10% gelatin solution prepared analogously shows no spinnability without a thread former

Beispiel 5Example 5

Eine Spinnlösung mit 8,8% Alginsäure und 03% ι s Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisat wurde durch Lösen von 120 g Alginsäure in 560 g Formamid und nach guter Homogenisierung mit 680 g einer l%igen Lösung des in Beispiel 2 und 4 verwendeten Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisats in Formamid erhalten und wie in den vorstehenden Beispielen zu Alginsäurefäden ver spönnen. Daraus konnten durch Carbonisierung analog dem Beispiel 2 Kohlenstoffasern erhalten werden. Ohne Fadenbildner hat eine 8,8%ige Alginsäurelösung in Formamid keine VerspinnbarkeitA spinning solution with 8.8% alginic acid and 03% acrylic acid / acrylamide copolymer was obtained by dissolving of 120 g of alginic acid in 560 g of formamide and, after thorough homogenization, with 680 g of a 1% solution of the acrylic acid / acrylamide copolymer used in Examples 2 and 4 obtained in formamide and ver as in the preceding examples to alginic acid threads have fun. From this it was possible to obtain carbon fibers analogously to Example 2 by carbonization. Without For the thread former, an 8.8% alginic acid solution in formamide cannot be spun

Beispiel 6Example 6

33 g Stärke (amylium solubile der Firma Merck), 33 g Wasser und 33 g Eisessig wurden in der Siedehitze auf 62 g eingeengt. Nach Zugabe von 153 g Wasser, 82,5 g 2%iger wäßriger Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisatlösung (vergleiche Beispiel 2 und 4) und 5 g Eisessig enthielt die Spinnlösung 20% Stärke und 1% Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisat, woraus wie in Beispiel 1 Stärkefäden gesponnen werden konnten. Die Carbonisierung analog Beispiel 2 lieferte flexible Kohlenstofffasern (Kohlenstoffausbeute: 21%). Wird eine 20%ige Stärkelösung ohne Zusatz von Fadenbildner in entsprechender Weise hergestellt, so weist sie keinerlei Veispinnbarkeit auf.33 g starch (amylium solubile from Merck), 33 g Water and 33 g of glacial acetic acid were concentrated to 62 g at the boiling point. After adding 153 g of water, 82.5 g 2% aqueous acrylic acid / acrylamide copolymer solution (Compare example 2 and 4) and 5 g of glacial acetic acid, the spinning solution contained 20% starch and 1% acrylic acid / acrylamide copolymer, from which, as in Example 1, starch threads could be spun. The carbonization analogous to example 2 yielded flexible carbon fibers (carbon yield: 21%). Will be a 20% Starch solution prepared in a corresponding manner without the addition of thread-forming agents, so it does not have any Spinability on.

Beispiel 7Example 7

27 g Casein wurden in verdünntem wäßrigem Ammoniak gelöst und auf eine Konzentration von 20% gebracht. Durch Zugabe von 373 g 2%iger wäßriger Polyäthylenoxidlösung des gleichen Polyäthylenoxids wie in Beispiel 1 und 3 erhielt man eine Spinnlösung mit 123% Casein und 0.75% Polyäthylenoxid, die analog Beispiel 1 zu Caseinfäden versponnen wurde. Daraus wurden durch Carbonisierung wie in Beispiel 2 beschrieben Kohlenstoffasern erhalten (Kohlenstoffausbeute: 22%). Eine analog hergestellte Lösung mit 123% Casein, jedoch ohne Zusatz von Potyäthytenoxid hat keinerlei Verspinnbarkeit.27 g casein were dissolved in dilute aqueous ammonia and reduced to a concentration of 20% brought. By adding 373 g of 2% aqueous polyethylene oxide solution of the same polyethylene oxide as in Example 1 and 3, a spinning solution with 123% casein and 0.75% polyethylene oxide was obtained, which was analogous Example 1 was spun into casein threads. From this, carbonization as in Example 2 described carbon fibers obtained (carbon yield: 22%). A solution made in the same way with 123% casein, but without the addition of potassium oxide has no spinnability whatsoever.

Beispiel 8Example 8

Aus Polyvinylacetat mit einem Polymerisationsgrad von etwa 430 wurde eine 30%ige Lösung in Methytenchlorid hergestellt Diese Lösung hatte keinerlei Fadenztehvermögea Durch Zugabe von 20 g einer 3%igen Lösung von Polymethacrylsäurernethytester (Polymerisationsgrad P= 15 000) in Methylenchlorid za 100 g der Polyvinylacetatlösung wurde eine Spinnlosung mit 25% Polyvinylacetat und 05% Polymethaicryl· säuremethylester erhalten, die wie in Beispiel 1 zn Potyvinylacetatfäden versponnen wurde. Da Polyvinylacetat oberhalb etwa 1000C schmilzt, mußten <fie A 30% solution in methylene chloride was prepared from polyvinyl acetate with a degree of polymerization of about 430. This solution had no thread tensile strength Spinning solution with 25% polyvinyl acetate and 05% polymethaicrylic acid methyl ester was obtained, which was spun as in Example 1 into vinyl acetate threads. Since polyvinyl acetate melts above about 100 0 C, had to <fie

versponnenen Fäden zunächst unschmelzbar gemacht werden. Zu diesem Zweck wurde ein Teil der Fasern 2 Stunden bei Raumtemperatur mit einem Stickstoffslrom von 10 l/h behandelt, der vor dem Eintritt in den Reaktionsraum durch 60%iges Oleum geleitet und dabei mit SO3 beladen worden war. Die durch die SO3-Behandlung schwarzgefärbten Fasern wurden im Stickstoffstrom innerhalb von 3 Stunden auf 10000C erhitzt. Die Kohlenstoffausbeute betrug dabei 19%, ganz im Gegensatz zu Polyvinylacetat, das ohne vorherige SO3-Behandlung unter Stickstoff auf 10000C erhitzt worden war, wobei die Kohlenstoffausbeute nur 5,3% betrug.spun threads are first made infusible. For this purpose, some of the fibers were treated for 2 hours at room temperature with a nitrogen flow rate of 10 l / h which, before entering the reaction chamber, had been passed through 60% oleum and was charged with SO3. The fibers, which had been colored black by the SO 3 treatment, were heated to 1000 ° C. within 3 hours in a stream of nitrogen. The carbon yield was 19%, in contrast to polyvinyl acetate, which had been heated to 1000 ° C. under nitrogen without prior SO 3 treatment, the carbon yield being only 5.3%.

Beispiel 9Example 9

35 g" Naphthol-1-disulfonsäure-(3,8) wurden in 65 g 9%iger Ammoniaklösung gelöst Die Lösung hatte keinerlei Verspinnbarkeit. Durch Zusatz von 41 g einer 2%igen wäßrigen Polyäthylenoxidlösung des gleichen Polyäthylenoxids wie in Beispiel 1, 3 und 7 wurde eine Spinnlösung mit 24,8% Naphthol-1-disulfonsäure (3,8) und 0,57% Polyäthylenoxid erhalten, die analog Beispiel 1 zu Fäden versponnen wurde. Die Carbonisierung unter Stickstoff (Heizrate bis 4000C: 57°/h und zwischen 400° und 10000C: 170°/h) lieferte flexible Kohlenstoffasern (Kohlenstoffausbeute: 40%).35 g of "naphthol-1-disulfonic acid (3.8)" were dissolved in 65 g of 9% ammonia solution. The solution had no spinnability whatsoever. By adding 41 g of a 2% aqueous polyethylene oxide solution of the same polyethylene oxide as in Examples 1, 3 and 7, a spinning solution was 24.8% naphthol-1-disulfonic acid (3.8) and 0.57% polyethylene oxide obtained analogously to example 1 was spun into filaments the carbonization under nitrogen (heating rate to 400 0 C. 57 ° / h and between 400 ° and 1000 0 C, 170 ° / h) afforded flexible carbon (carbon yield: 40%).

Claims (10)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffbzw. Graphitfasern durch Carbonisierung bzw. gegebenenfalls Graphitierung von durch Verspinnen von Lösungen organischer Substanzen gewonnenen Ausgangsfasern, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verspinnenden Lösungen eine oder mehrere in dem Lösungsmittel lösliche fadenbildende linearpolymere Substanzen mit einem Polymerisationsgrad von oberhalb 2000 in Konzentrationen von 0,001 bis 10 Gewichtsprozent und zumindest eine organische durch Carbonisierung zu Kohlenstoff zersetzbare Substanz mit geringerem Polymerisationsgrad und mit einem Schmelz- oder Erweichungspunkt oberhalb etwa 800C als Kohlenstoffquelle in einer Konzentration von 5 — 60 Gew.-% enthalten.1. Process for the production of carbon or Graphite fibers by carbonization or optionally graphitization of starting fibers obtained by spinning solutions of organic substances, characterized in that the solutions to be spun contain one or more thread-forming linear polymeric substances soluble in the solvent with a degree of polymerization of above 2000 in concentrations of 0.001 to 10 percent by weight and at least an organic substance which can be decomposed to carbon by carbonization and has a lower degree of polymerization and a melting or softening point above about 80 ° C. as a carbon source in a concentration of 5-60% by weight. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffquelle organische Substanzen verwendet werden, deren Verspinnbarkeit als 10%ige Lösung höchstens etwa 10 cm beträgt.2. The method according to claim I, characterized in that the carbon source is organic Substances are used whose spinnability as a 10% solution is at most about 10 cm amounts to. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch 2$ gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffquelle wasserlösliche organische Substanzen verwendet werden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in $ 2, that are used as a carbon source water-soluble organic substances. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffquelle niederpolymere organische Verbindungen angewandt werden, deren Polymerisationsgrad zwischen 1 und etwa 50 liegt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that low polymers as the carbon source Organic compounds are used, the degree of polymerization between 1 and about 50 lies. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Kohlenstoffquelle 10 bis 40 Gewichtsprozent beträgt.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the concentration of the carbon source 10 to 40 percent by weight. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch6. The method according to claim 1 to 5, characterized gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffquelle organische Substanzen verwendet werden, deren Kohlenstoffrückstand bei der Carbonisierung mindestens etwa 10 Gewichtsprozent des Ausgangsmaterials beträgtcharacterized in that the carbon source is organic Substances are used whose carbon residue during carbonization is at least is about 10 percent by weight of the starting material 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffquelle organische Substanzen verwendet werden, die bei der Carbonisierung keine fluide Phase durchlaufen oder die vor der Carbonisierung in an sich bekannter Weise unschmelzbar gemacht werden.7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the carbon source is organic Substances are used that do not pass through a fluid phase during carbonization or which are made infusible in a manner known per se prior to carbonization. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenbildnei in der zu verspinnenden Lösung in einer Konzentration von 0,01 bis 5 Gewichtsprozent vorhanden sind.8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that the Fadenbildnei in to spinning solution are present in a concentration of 0.01 to 5 percent by weight. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Fadenbildner ein Polyäthylenoxid mit einem Polymerisationsgrad oberhalb etwa 2000, was einer Grenzviskosität [η] von 0,76 (gemessen bei 35"C, τ=\2,5 dyn/cm2) entspricht, oder ein Polyacrylamid bzw. Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerisate bzw. deren Salze (Li-, Na-, K-, NH4-, substituierte Ammoniumsalze) mit einem Viskositätswert -"— über 4 (gemessen bei der Schubspannung τ = 0,98 dyn/cm*,25°C, pH 7,0,05%ige Lösung mit 0,1% NaCl) oder Polystyrol mit einem Polymerisationsgrad oberhalb etwa 10 000 oder Polyisobutylen mit einem Po'ymerisationsgrad oberhalb 5000 oder Polymethacrylsäuremethylester mit einem Polymerisationsgrad oberhalb 2000 oder Polyisopren mit einem Polymerisationsgrad oberhalb 10 000 verwendet wird.9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that the thread former is a polyethylene oxide with a degree of polymerization above about 2000, which has an intrinsic viscosity [η] of 0.76 (measured at 35 "C, τ = \ 2.5 dynes / cm 2 ) , or a polyacrylamide or acrylic acid / acrylamide copolymers or their salts (Li, Na, K, NH 4 , substituted ammonium salts) with a viscosity value - "- above 4 (measured at the shear stress τ = 0.98 dynes / cm *, 25 ° C, pH 7.0.05% solution with 0.1% NaCl) or polystyrene with a degree of polymerization above about 10,000 or polyisobutylene with a degree of polymerization above 5000 or polymethacrylic acid methyl ester with a Degree of polymerization above 2000 or polyisoprene with a degree of polymerization above 10,000 is used. 10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Spinnverfahren ein Trokkenspinnverfahren angewandt wird.10. The method according to claim 1 to 9, characterized in that a dry spinning process is used as the spinning process is applied.
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