DE2027130C

DE2027130C - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- oder Graphitfilz

Info

Publication number: DE2027130C
Application number: DE19702027130
Authority: DE
Inventors: Peter-Ludwig Dipl.-Ing.Dr.; Pongratz Willibald; 8901 Meitingen; Schnappauf Manfred 8906 Gersthofen Reiser
Original assignee: Sigri Elektrographit Gmbh, 8901 Meitingen
Filing date: 1970-06-03
Publication date: 1973-07-26

Description

Die Frfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- oder Graphilfiizen durch kontinuierliches oder stufenweise·' Erhitzen \en Filzen aus Fasern aus pohmeren Kunststoffen oder aus natür- -,α l'-.hen Fasern im Temperaturbereich derZyklisierungs- und Dehydrierungsreaktionen und sodann im Karbonisiei dngs- und gegebenenfalls Graphitierungsbereii.!i in inerter oder reduziertei Atmosphäre.

Als Ausgangsmaterialien fiir d·:· Herstellung von Kohle.'stoff- oder Graphitfilzen sind zahlreiche natürliche und künstliche Faserstoffe, wie z.B. Wolle. Zellwolle. Polyacrylnitril und Polyester, bekanntgeworden. Die in Form von gewalkten oder genadelten Filzen vorliegenden Ausgangsmatcriaüen werden einer Pyroi\«e unterworfen, wobei zunächst durch Zyklisierungs- und Dehydrierungsreaktionen vernetzte Molekülanordnungen entstehen. Der ersten Py roh se stufe im Temperaturbereich zwischen etwa 80 und 3(K) C folgt eine Karbonisierungs.stufe. die bis etwa ItXK) bis 12(X) C reicht, und durch weiteres Erhitzen bis auf etwa 3000 C kann der karbonisierte Filz in Graphit umgewandelt werden Die Temperaturbehandlung erfolgt kontinuierlich oder stufenweise.

Kohlenstoff- und Graphitfilze werden vorzugsweise für thermische Isolationen. Filter. Katalysatorträger und kunstharzimprägniert zur Auskleidung von chemischen Apparaten verwendet. Die geringe mechanische Festigkeit von Kohlenstoff- und Graphitfilzen erschwert jedoch ihre Handhabung, and häufig sind aufwendige Stützkonstiuktionen notwendig, die zudem wegen schlechterer Korrosions- und Temperaturbeständigkeit die Verwendung von Filzen einschränken.

Aus der britischen Patentschrift I 110 791 ist es bekannt, die Festigkeit von Kohlenstoff- und Graphitfaden durch Streckung während der Temperaturbehandlung zu erhöhen. An den Fäden angelegte Zugspannungen bewirken eine Orientierung der Fasermoleküle in der Spannungsrichtung, wodurch Reißfestigkeit und Elastizitätsmodul zunehmen. Filze bestehen jedoch aus lockeren, weilgehend ungeordneten Vliesen, die unter Zugspannungen zerfasern, und bei der Herstellung von Kohlenstoff- und Graphitofen wurden entsprechend durch geeignete Vorrichtungen, wie etwa Siebbänder. Zugbeanspruchungen während der Temperaturbehandlung vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Festigkeit von Kohlenstoff- und Oraphittüzen zu verbessern, ohne dabei die Wärmeiciiiahmkeit durch Verdichtung der Filze zu erhöhen

Die Aufgabe nach der Erfindung wird bei dem e:niianis angegebenen Verfahren überraschend dadurch tieiöst. daß die Fiize zumindest während der Temperaturbehandlung in einem der Abschnitte unter /·.._- -pannunaen gehalten werden, die 25 bis 75'\ ,-._·- /uafes'iiTkjit'des Filzes im jeweiligen Tempern..--bereich betrauen. Nach der Erfindung werden al>₍ ■· Fiize im Bereich der Zyklisierungs- und Deh;.,^: runesreaktiiinen oder im Karbonisierunes- oder (. phifierungsi-ereich. Zugspannungen ausgesetzt ^: . Temperature", 'iegen dabei vorteilhaft zwischen und V¹X' C. ,'wr-s-hen .··>'■! ";»d lOuO C und <λ·λ, '!KKt und 3(HVi C" N.Kh einer weiteren Ausgc-iaii der Erfindung werden Filze in mindestens / ■ Temperatur bereichen Zugspannungen ausgesetzt

Die Lbcui.chend,- Festigkeitszunahme nach d erfindungsuemäßen \ erfahren wird durch ehe ; ticlle Orientierung von Haaren bzv,·. Stapelfaser den Filzen parallel zur Spannungsrichtung bed,: wobei mn fortschreitender Pyrolyse die gegensei: Haftung der Faserelemente größe·· wird, so daß . zulässiye Spannung gesteigert werden kann, wouii: wiederum der Orientierungsgrad zunimmt.

Wenn e< auch bereits bekannt ist, d;.ß an F;u v, -,hrend ικτ Temperaturbehandlung angelegte Z. spannungen deren Reißfestigkeit und Elastiziiätsmo,.i erhöhen, so war nicht zu erwarten, daß auch an FiI/. mit ihren locker und ungeordnet enthaltenen Fa^ Zugspannungen eine Zunahme des Orientierung grades der Fa;erelemente bewirken. Das erfindtm..· uemäße N'erfahre'i war daher aus dem Stand c Technik nicht nahegeleg'. und der erzielte Effekt : überraschend.

Die Voiteile des erfindungsgemäßen Verfall rc,■ bestehen insbesondere in der Herstellung von Koliiei stoff- und Graphitfilzen mit hoher mechanisch. Festigkeit. Die 'Dichte von nach der Erfindung hei gestellten Kohlenstoff- und Graphitfilzen ist trri tier Festigkeitssteigertmg nahezu unverändert, so dar die guten Isoliereigenschafien vo„ Filz erhalten bleiben. Erh'ndungsgemäß hergestellte Filze eignen sich besonders für mechanisch beanspruchte thermische Isolationen, katalysatorträger und Filter, wobei Stützkonstruktionen in vielen Fällen nicht erforderlich sind.

Die Erfindung wird in den folgenden Ausrührungsbeispielen näher erläutert:

Beispiel !

! m breite Filzsireifen aus Cellulose. Polyacrylnitril und Wolle, deren Zugfestigkeiten 0,12, 0.38 und 0,30 kp/cm² betrugen, wurden in einem elektrisch beheizten Ofen auf 300"C erhitzt. Die Aufheizgeschwindigkeiten betrugen 40"C/h zwischen 20 und 200 C und 15 C, h zwischen 2(X) und 3C0'C. Ein Teil der frei hängenden Filzbahnen wurde durch Anhängen von Gewichten mit den in Tabellel aufgerührten Zugspannungen beaufschlagt.

Die Filze wurden dann in einem zweiten Ofen spannungsfrei auf 1000 C erhitzt. Dichte, Zugfestigkeit

and Reißdehnung der teilweise unter Zugspannungen thermisch behandelten Filze sind ebenso wie die entsprechenden Eigenschaften von spannungsfrei erhitzten Filzen der Tabelle 1 zu entnehmen.

Tabelle I

	Celli:	0.08	lose j i	P,	lyacrjbi·	..ri!	_.	t	Wolle	—
Zugfestigkeit (kp cm²) . .	0.1	; 0.060			0.3S		0.08	I	0.30	0.16
Zugspannung Ikρ cm²). . .	! 0.54		0.15		0.7-t	i 0.15	ι	6.2
Dichte (g. cm³)	^; 8.x	0.057 ;	0.09			0.16		11.0
Zugfestigkeit ('<p cm²) . .	0.35	1.8		: 6.8	I
Reißdehnune ('Ί. ι	14.5	4.R		^ 5.9	I

Be i

pie!

Fslze aus :.-:n gleichen Ausgang-materiellen wie ■ m Beispie! 1 wurden ohne iuliere Zug-pannun^cn

bis 300 C erhitz! und dann über zwei Walzen mii :o bewegt. Die E'genschafien eier Füze sind der Taver-chiedenen Drenzahlen durch einen zweiten Ofen belleΪΙ zu entnehmen.

gezogen. Die maximale Temperatur betrug 1000 C. die Verweilzeii im Ofen 30 Minuten. Zum Vergleich wurden Filze aus den gleicher. Ausgangsmaterialien aiii einem Siebbanü spannungsfrei durch den Ofen

r .u,Ji- I I

Ausganr Γ: iienal

Zugfestigkeit (kp m²) . Zugspannung Λρ cm^;)

Dichte ig, cm³}

Zugfestigkeit (kp or.'ι ReißdehnunaCo)

(VK .Ii r

0.0

0.14

0.4S

	0.36
0.055 ;	0.082
".40	1.28
!6 \	3.4

0.076
0.75

0.22 12.0

2.7

Wolle

!.30

υ. r

6.1 13.1

Beispiel 3

Temperatur 27(KVC betrug. Die Durchlaufgeschuindickeit war etwa 100 m Ti. die Verweiizeit über 2500 C

20 cm breite aus Cellulose. Prlsacrylnitri! und betrug 30 Sekunden.

Wolle ohne Anwendung von Zugspannungen her- Dichte. Zugfestigkeit urJ Reißdehnung der mii

gestellte Kohlenstoff-Filze wurden über Rollen d-irch und ohne äußere Zugspannungen graphitierten Filze

einen Graphitierungsofen gezogen, dessen maximale 4° sind in der Tabelle 111 zusammengestellt.

Tabelle III

Ausgangsmalerial

Zugfestigkeit (kp cm²) Zugspannung (kp cm²)

Dichte (g/cm³)

Zugfestigkeit (kp cnr) Reißdehnuna ("„)

Cellulose

Po!\acr\lnitr\:

0.24 0.076 3.0 1.6

0.35

0.073 0.40 12.5

0.33
0.072
0.60
1.9

0,50

0.072

0.47

4.3

0.90 0.15 2.1 1.5

Wolle

1.20

0.15 1.5 36

Beispiel 4 Tabelle IV

F.in 25 cm breiter Streifen aus Cellulosefilz wurde
unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispie- ι ErimJuncsgcmäß

lcn I bis i erhitzt. Der Filz wurde mit folgenden Zug- I

spannungen beaufschlagt — in der Zyklisierungs- und ι

Dehydrierungsstufe mit 0,08 kp/cm², in der Karbo- 6o Dichte (gcm^J) j 0,098

nisierungsstufe mit 0,10kp/cnr und in der Graphi- ,

tierungsstufe mit 0.35kp/cm². Dichte. Zugfestigkeit Zugfestigkeit (kp cm²). .j 7.4 und Reißdehnung sind in der Tabelle IV mit einem :

ohne äußere Zugspannung erhitzten Filz verglichen. Reißdehnunv (%) i 1,1

Ohne Zut:- spanniingen

i_

0.072 0.39 12.0

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- oder Graphitfilzen durch kontinuierliches oder : stufenweises Erhitzen von Filzen aus Fasern aus polymeren Kunststoffen oder natürlichen Fasern irr. Temperaturbereich der Zyklisierungs- und Dehydrierungsreaktionen und sodann im Karbonisierungs- und gegebenenfalls Graphitierungs- _IC bereich in inerter oder reduzierender Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß die Filze zumindest nährend der Temperaturbehandlung in einem der Abschnitte unter Zugspannungen gehalten werden, die 25 bis 75°o der Zugfestigkeit ■ ; des Fil/es im jeweiligen Temperaturbereich betragen.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß Filze zwischen 200 und .W) C und oder 3(K¹ urJ KMι C" und ixjcr zwischen !'Ή*-· -_: und 3(HK) C" den Zugspannungen ausgesetzt werden