DE2024063A1

DE2024063A1 - Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffasern

Info

Publication number: DE2024063A1
Application number: DE19702024063
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha, Tokio
Priority date: 1969-05-17
Filing date: 1970-05-16
Publication date: 1970-12-10
Also published as: GB1293900A; DE2024063B2; US3666417A

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reiche!
Bipl-Ing. Woligang Reichel

6 Ficmkiuri a. M. 1

Paiksiraße 13 6262

KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokyo-To, Japan

Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffasern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffasern aus einem neuen Ausgangsmaterial, nämlich Polymethylvinylketon.

Kohlenstoffasern können durch Carbonisierung verschiedener organischer Fasern hergestellt v/erden, zu denen Hochpolymere,, z.B. Polyacrylnitril und Polybutadien sowie Rayonfasern gehören. Man war bisher der Ansicht, daß man bei der Herstellung von Kohlenstoffasern von bestimmten Materialien auszugehen habe. Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß Polymethylvinylketon, welches bisher als Ausgangsstoff für die Herstellung von Kohlenstoffasern als ungeeignet betrachtet wurde, nicht nur geeignet ist, Kohlenstoffasern herzustellen, sondern daß man unter bestimmten Bedingungen auch Kohlenstoffasern ganz besonders günstiger Eigenschaften erzielen kann.

Die Kohlenstoffasern, die aus der Carbonisierung von PoIymethylvinylketonfasern "erhalten werden, haben eine sehr

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günstige Gleichförmigkeit, sowohl hinsichtlich ihrer · Eigenschaften als auch ihrer Form, weil die Polymethylvi™ nylketonfasern so denaturiert .sijid, .daß. sie eine, ausreichende Y/ärmebeständigkeit haben, um die Carbonisierungsbehandlung ohne unzulässige Entgasung oder Formänderungen über sich ergehen zu lassen. Der Ausdruck "Carbonisierungsbehandlung" soll einen Verfahrensschritt bezeichnen, der bei einer Temperatur durchgeführt wird, die 2000 schreitet.

C nicht über

Polymethylvinylketon kann leicht cyclisiert werden, indem man es durch Kontaktreaktion mit ammoniakalischen, alkalischen, sauren oder entsprechenden organischen Lösungsmitteln, z.B. Lösungen von Alkohol und Tetrahydrofuran dehydriert, wobei man Wärme und/oder ultraviolette Strahlen zur Beschleunigung der Reaktion anwenden kann oder indem man die Dehydrierung durch Erhitzung bewirkt. Die Kontaktreaktion mit den genannten Reagenzien kann durchgeführt v/erden, indem man sie in einem gasförmigen Zustand benutzt, wie z.B. Ammoniak oder in flüssigem Zustand im Falle von Alkalien oder Säuren. Die Dehydrierungsreaktion kann durch, die folgenden Strukturformeln dargestellt., werden.

CHp CH,
CH

CH₂ CH₂

CE

CH

₀ .

CH

^H2°

CH

(D

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Die auf diese Weise dehydrierten und cyclisierten PoIymethylvinylketonfasern oder modifizierten Polymethylvinylketonfasern, die dadurch erhalten werden, daß man die Polymethylvinylketonfasern mit ein oder mehreren oxydierenden Gasen, z.B. Ozon, Sauerstoff, Luft, Stickstoffoxiden, SO, und halogenen Gasen, bei einer Temperatur unterhalb 350 ⁰C in Berührung bringt, so daß sie oxydiert und dehydriert werden, um eine genügende^Wärmefestigkeit zu haben, die sich in Kohlenfasern umwandeln lassen, ohne daß es zu einer unzulässigen Entgasung oder Formänderung kommt.

Diese Behandlung kann gleichzeitig mit der oben erwähnten" Cyclisierung durch Dehydrierung stattfinden. Anders ausgedrückt kann durch eine Erhitzung der Fasern in Gegenwart des oxydierenden Gases gleichzeitig die Cyclisierung und Oxydierung durchgeführt werden. Wenn gasförmiges Ammoniak benutzt wird, zusammen mit ein oder mehreren der oxydierenden Gase, die nicht direkt reagieren, z.B. Sauerstoff, Ozon und Luft, kann man Kohlenfasern mit hoher Kohlenstoffausbeute erhalten. (Die Kohlenstoffausbeute kann dadurch dargestellt werden, daß die Gewichtsprozente des restlichen Kohlenstoffatoms in dem Erzeugnis festgestellt werden).

Die von dem Ammoniak herbeigeführte Wirkung muß noch aufgeklärt werden. Es wurde jedoch durch Messungen, z.B. Elementaranalysen und Infrarotspektraluntersuchungen, gefunden, daß das in die behandelten Fasern eingeführte Stickstoffatom zur Beschleunigung der Vernetzung beiträgt und den Erweichungspunkt der zu behandelnden Substanz erhöht. ■

Es wurde ferner festgestellt, daß, je höher die Isotaktizität des Polymethylvinylketones ist und je höher der Grad der Kristallorientierung der Fasern ist, umso bessere Cyclisierung der Verbindung erreicht wird, was we-

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sentlich zur Verbesserung der Carbonisierungsausbeute und der Elastizität des endgültigen Erzeugnises beiträgt. Daher ist Polymethylvinylketon mit seinen ihm einwohnenden Eigenschaften ein sehr vielversprechendes Material» das sich für die Herstellung von Kohlenstofffasern eignet.

Bei dem Verfahren der Erfindung wird daher zur Herstellung von Kohlenstoffasern besonders guter Eigenschaften von Polymethylvinylketon ausgegangen^ das bisher als langeeignetes Material, betrachtet wurde.

Dabei wird gemäß der Erfindung so vorgegangen, daß Polymethylvinylketon vor der Carbonisierung hinsichtlich der Faserstruktur cyclisiert wird, so daß die Entgasung auf ein Minimum reduziert wird und daß beim Carbonisieren keine Formveränderungen der Fasern auftreten, die in die gewünschten Kohlenstoffasern umgewandelt werden.

V/eitere Einzelheiten, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung v/erden nun im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, -

Polymethylvinylketonfasern, die in die gewünschten Kohlensfcoffasern umgewandelt werden können„ erhält man z.B'. durch Spinnen und Streckorientierung, wie dies bei Fa- ~ sern üblich ist, die aus gewöhnlichen hochpolymeren Substanzen gebildet werden." Die oben erwähnte Cyclisierungsbehandlung kann an dem Polymethylvinylketonausgongsmaterial an einer beliebigen Stelle der genannten zwei Prosesse durchgeführt werden,, obwohl es zur glatten Durchführung des Gesamtverfahrens vorgezogen wird, die Cyclisierung im Zeitpunkt der Straekorientierung durch·» EUfUhren» wenn das Material schon die gewünschte Form hat. Es wurde ,jedoch festgestellt, daß die Cyelisierungs-

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behandlung vorzugsweise hauptsächlich an den Fasern gleichzeitig mit der Streckorientierung durchgeführt werden sollte, um den Elastizitätsmodul des carbonisierten Kohlenstoffasererzeugnisses zu verbessern.

Das Polymethylvinylketonausgangsmaterial, dessen Schmelzpunkt infolge der Cyclisierung und der Vernetzung zwischen den Molekülen vor dem Spinnvorgang erhöht ist und. welches daher für Schmelzspinnen nicht geeignet ist, kann trockengesponnen oder naßgesponnen werden, indem ein entsprechend ausgewähltes Lösungsmittel, z.B. Ameisensäure, Tetrahydrofuran und Fyridin, benutzt wird. Die Cyclisierung des Polymethylvinylketonmaterials kann auch mit der Absicht durchgeführt werden, die Carbonisierungsbehandlung nach der Formgebung in rascherer und vollständiger Weise durchzuführen und um auch Fasern verschiedenen Querschnitts zu erzeugen. Die Cyclisierung des Polymethylvinylketonmaterials kann durch Verwendung verschiedener Reagenzien, z.B. Phosphorsäure^ Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd, Cälciumhydroxyd, Bariumhydroxyd und alkalischen Metallen erfolgen. Die hier in Frage kommenden Arten der Phosphorsäure sind Orthophosphorsäure, Metaphosphorsäure, Pyrophosphorsäure und Polyphosphorsäure.

Die auf diese Weise cyclisierten und wärmebeständig gemachten Polymethylvinylketonfasern werden in Kohlenstofffasern umgewandelt, indem man sie einer Carbonisierungsbehandlung unterwirft, die in einer nichtreagierenden Atmosphäre ausgeführt wird. Die carbonisieren Fasern können weiter in hochqualifizierte Graphitfasern umgewandelt werden, indem man sie einem Graphitisierungsprozeß in einer inaktiven Atmosphäre bei einer Temperatur von mehr als 2000 ⁰C unterwirft.

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Die Überlegenheit dieser Fasern wird auf die Graphitstruktur der Fasern zurückgeführt, die nicht nur durch die Hauptkohlenstoffkette in dem Polymethylvinylketon erreicht wird, welches in axialer Richtung der Fasern durch die Streckorientierung orientiert ist, sondern auch durch die zweite Hauptkohlenstoffkette, welche aus Methyl- und Carbonylgruppen besteht und durch die Cyclisierung gebildet wird, wobei diese Ketten genügende Länge haben und durch die Graphitisierung weder gebrochen noch beschädigt werden. Die Überlegenheit des Polymethylvinylketons als Ausgangsstoff für die Herstellung von Kohlenstoff- und Graphitfasern kann daraus abgeleitet werden, daß die Moleküle des Verbundmaterials ein Paar von langen Hauptkohlenstoffketten oder eine leiterartige Ringstruktur bilden, und daß diese Kohlenstoffstrukturen die Eigenschaft haben, in der Kohlenstoffaserstruktur als Matrix für die Graphitkristalle zu verbleiben. Der erwähnte Punkt wird als Hauptunterschied der Kohlenstoffasern betrachtet, die gemäß der Erfindung aus einem Polymethylvinylketonausgangsmaterial hergestellt werden, im Gegensatz zu den üblichen Kohlenstoffasern · aus hochpolymeren Stoffen. Ein wesentliches Kennzeichen der vorliegenden·Erfindung liegt daher in der Verwendung dieses Materials zur Herstellung von Kohlenstoffasern«,

Die Fasern, die ein derartiges Paar von Hauptkohlenstoffketten als Matrix für die Graphitkristalle enthalten, können hinsichtlich der Elastizität noch verbessert werden-, indem man sie einer Streckorientierurig während des Graphitierungsverfahrens unterwirft. Da jedoch die Graphitkristalle in den Fasern von Anfang an genügend in axialer Richtung orientiert sind, ohne sie zu strecken, ist. die Elastizität der Graphitfasarn genügend groß, " ;

Im folgenden werden nun Beispiele beschrieben, ohne daß .jedoch die Erfindung auf dies© Beispiele beschränkt ist,

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Beispiel 1

Ein isotaktisches Polymethylvinylketonausgangsmaterial wurde durch Schmelzspinnen bei einer Temperatur von 195 ⁰C (383 ⁰F) in Faserform gebracht, wonach die Fasern einer Dehydrierung und Cyclisierung für eine Stunde unterworfen wurden. V/ährend sie in einer 15?iigen wäßrigen Lösung von Polyphosphorsäure bei einer Temperatur von 75 ⁰C (167 ⁰F) streckorientiert wurden., wodurch dunkelbraune cyclisierte Polymethylvinylketonfaserii von etwa 12 Mikron Durchmesser erhalten wurden. Die Faser zeigte keinen bestimmten Schmelzpunkt, obwohl durch Elementaranalyse, Infrarotanalyse und andere Untersuchungen festgestellt wurde, daß eine genügende Cyclisierung in dem Aufbau stattgefunden hatte.

Wenn nach einer Trocknung die auf diese Weise denaturierten Polyraethylvinylketonfasern in Stickstoff bei einer Temperatur von Raumtemperatm^v bis zu 1400 ⁰C (2252 ⁰F) mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 3 ⁰C (37,4 ⁰F) pro Minute wärraebehandelt wurden, gingen sie in hochglänzende Kohlenstoffasern über. Die Kohlenstoffausbeute des ursprünglichen Polymethylvinylketons mit Bezug auf die Kohlenstoffesera betrug 81%.

Die Kohlenstoffasern wurden dann in Argongas bei Temperaturen von bis zu 2000 ⁰C (3650 ⁰F) bei einer Anstiegstemperatur von 50 ⁰C (122 ⁰F) pro Minute wärmebehandelt, worauf sie weiter bei Temperaturen bis zu 2800 ⁰C (5072 ⁰F) während 15 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wurden, wobei Graphitfasern entstanden. Die Fasern zeigten einen durchschnittlichen Durchmesser von 8,2 Mikron, eine Zugfestigkeit von 16 t/cm und ein Elastizitätsmodul von 2300 t/cm . Bei einer RÖntgenstrahlenbetrachtung konnte die Orientierung der Graphitkristalle in axialer Richtung der Fasern klar erkannt werden.

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Beispiel 2

Fasern _t die durch Schmelzspinnen bei einer Temperatur von 120 ⁰C (228 ⁰F) aus einem Polymethylvinylketon erhalten wurden, das durch Wärme radikalpolymerisiert wurde, hatten weniger Isotaktizität, und dies v/ird auf eine partielle thermische Cyclisierung der Struktur zurückgeführt. Die Fasern wurden streckorientiert in axialer Richtung in einem Wasserbad von 40 ⁰C (105 ⁰F), wodurch leicht gelbe Fasern von etwa 10 Mikron.Durchmesser erhalten wurden.

Bei einer Behandlung der Fasern in konzentrierter Schwefelsäure bei Raumtemperatur während 20 Minuten zur Dehydrierung und Cyclisierung, erhielt man tiefbraune Fasern. Die Fasern wurden·genügend gespült und-dann'für die Oxydierung und Dehydrierung in Luft mit 3% NO₂ bei einer Temperatur von 150 ⁰C (303 ⁰F) behandelt, wodurch schwarze modifizierte Polymethylvinylketonfasern erhalten wurden. Diese Fasern wurden in Stickstoffgas anfänglich bei Temperaturen von 300 ⁰C (573 ⁰F) bis 650 ⁰C (1203 ⁰F) bei einem Temperaturanstieg von 2 ⁰C (36,6 ⁰F) pro Minute erhitzt und carbonisiert und dann weiter von 650 ⁰C bis 1000 ⁰C (1833 ⁰F ) mit einer Steigungsrate von 10 ⁰C (51 ⁰F) pro Minute behandelt. Die Kohlenstoffasern, die auf diese Weise erhalten wurden, waren biegsam bei der Bertihrung, hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 7,2 Mikron und eine Zugfestigkeit von 9 t/cm . Die Kohlenstoffausbeute des ursprünglichen Polymethylvinyl» ketons in bezug auf die Kohlenstoffagern betrug 72%.

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Beispiel 3

Die schraelzgesponnenen und streckorientierten Fasern des Beispiels 2 wurden mit einer Atmosphäre von 80% Ammoniak und 20% Sauerstoff bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis zu 220 ⁰C mit einem Temperaturanstieg von 1 ⁰C pro Minute in Berührung gebracht. Durch Elementaranalyse sowie durch infrarote Spektralanalyse wurde festgestellt, daß 6,05% Stickstoff und 12,73% Sauerstoff in die Fasern eingeführt wurden. Nach dieser Cyclisierungsbehandlung wurden orangefarbene Fasern erhalten. Die Fasern wurden dann einer Carbonisierung in Stickstoffgas bei erhöhten Temperaturen von 1000 ⁰C mit einem Temperaturanstieg von 1 ⁰C pro Minute behandelt. Die Kohlenstoffausbeute war in diesem Fall 90%. Die Kohlenstoffasern hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 15 Mikron, eine Zugfestigkeit von 8 t/cm und eine Streckung von 2%. ·

Beispiel 4

Die schmelzgesponnenen und streckorientierten Fasern des Beispiels 1 wurden mit 100% NH, bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 200 ⁰C mit einem Temperaturanstieg von 1 ⁰C pro Minute behandelt. Die auf diese Weise cyclisierten Fasern wurden mit Luft in Berührung gebracht, die ein Volumenprozent Νθ£ bei einer Temperatur von 110 ⁰C enthielt und zwar während zehn Minuten. Durch Elementaranaiyse sowie durch infrarote Spektralanalyse, wurde gefunden, daß 7,03% Stickstoff und 13,29% Sauerstoff in die Fasern eingedrungen waren. Die Fasern wurden dann in Stickstoffgas bis zu 1500 ⁰C mit einem Temperaturanstieg von 10 ⁰C pro Minute carbonisiert. Die Kohlenstoffausbeute in diesem Zeitpunkt betrug 98%. Die Kohlenstoffasern hatten einen durchschnittlichen Durohmes-

ο ser von 15 Mikron, eine Zugfestigkeit von 8,5 t/cm und eine Dehnung von 2%. Die Kohlenstoffasern wurden weiter

Temperatur von 2800 ⁰C während 10 Minuten gebracht wurden«

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Die Graphitfasern hatten eine Zugfestigkeit von 18 t/cm

und einen Elastizitätsmodul von 2500 t/cm .

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffasern, dadurch gekennzeichnet, daß Polymethylvinyl als Ausgangsmaterial durch Schmelzspinnen zu Fasern geformt wird, daß die Fasern in axialer Richtung streckorientiert werden und daß die Fasern dehydriert und cyclisiert und die cyclisierteri Fasern carbonisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern nach der Cyclisierung zur Oxydierung und Dehydrierung auf eine Temperatur bis zu 350 ⁰C in einer Gasatmosphäre erhitzt werden, die mindestens ein oxydierendes Gas der aus Ozon, Sauerstoff, Luft, Stickstoffoxid, Schwefeltrioxid und Halogen bestehenden Gruppe . ausgewählt ist.

3« Verfahren nach Anspruch' 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclisierungsbehandlung mit Hilfe eines Stoffes durchgeführt wird, der aus der Gruppe von gasförmigem Ammoniak, Ammoniaklösung, Alkalien und Säuren ausgewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclisierung und Dehydrierung gleichzeitig durch Erwärmung in Gegenwart eines Gasgemisches durchgeführt wird, das Ammoniak und Sauerstoff bei einer Temperatur von 350 ⁰C entiält, während die Polymethylvinylketonfasern oxydiert und dehydriert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclisierungsbehandlung gleichzeitig mit der Streckorientierung der Polymethylvinylketonfasern durchgeführt wird. ' _A · * 009850/2012 Re/Gu