DE2038785C3 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern

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DE2038785C3
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Philip George Winshill Burton-On-Trent Staffordshire Rose (Grossbritannien)
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HYFIL Ltd AVONMOUTH BRISTOL (GROSSBRITANNIEN)
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    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern durch Pyrolyse von Fasern aus Acrylniirilpolymerisat, bei dem die Polymerisatfasern zunächst zur Stabilisierungsmodifikation der Molekularstruktur einer Wärmevorbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 300 ( und sodann der eigentlichen Karbonisierungswärmebehandlung in inerter Atmosphäre bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von 700 bis 1500 C unterworfen werden.
Ein derartiges Verfahren ist aus der britischen Patentschrift 11 10791 und in ähnlicher Weise beispielsweise aus der belgischen Patentschrift 7 11817 und aus »Design Engineering Series Carbon Fibres«, 1970, S. 70 bekannt. Auf diese Weise lassen sich Kohlenstolfasern hoher Qualität mit verhältnismäßig guten Werten des Elastizitätsmoduls und/oder der endgültigen Zugfestigkeit des Endprodukts erhalten. Derartige Kohlenstoffasern haben auf den verschiedensten Gebieten der Technik, insbesondere als Verstärkungseinlagen für Verbundwerkstoffe u. dgl. weit verbreitete Anwendung gefunden.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Verfahrens zugrunde, das eine noch weitere Verbesserung der Eigenschaften der Kohlenstoffasern, insbesondere ihres Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit erbringt
Zu diesem Zweck ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Karbonisierungswärmebehandlung in einer 5 bis 500 ppm Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre vorgenommer, wird.
Während nach dem Stand der Technik die Karbonisierung durchweg in rein inerter Atmosphäre durchgeführt wurde, liegt der Erfindung die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich eine noch weitere Verbesserung der für die Anwendungszwecke der Kohlenstoffasern wesentlichen Eigenschaften, insbesondere ihres Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit erreichen läßt, wenn die eigentliche Pyrolysierungs- bzw. Karbonisierungswärmebehandlung bei der erhöhten Temperatur in einer einen gewissen SauerstofTanteil enthaltenden inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Karbonisierungswärmebehandlung in einer 50 bis 250 ppm Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre und vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen 900 und 1500 C durchgeführt wird.
Nach weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, daß die Stabilisierungs-Wärmevorbehandlung in Luft vorgenommen wird, und vorzugsweise 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 210 C, 2 Stunden lang bei 220 C und 3 Stunden lang bei 250 ( erfolgt. Vorzugsweise findet die Karbonisierungswärmebehandlung in einer ein in Bewegung befindliches Reinigungs- bzw. Spülgas enthaltenden Gasatmosphäre statt, wobei das Reinigungs- bzw. Spülgas vorzugsweise als inerte Komponente Argon enthält
Die Bezeichnung »Acrylnitrilpolymerisat« für das Ausgangsmaterial soll die Homo- und Kopolymerisate von Acrylnitril umfassen, wie sie etwa üblicherweise in der textiltechnischen Definition der Bezeichnung Polyacrylnitril mitumfaßt sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert:
Hierbei wurde ein Polyacrylnitril-Fasermaterial zunächst in einer Luftatmosphäre zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 210 C, zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 220 C und zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 250 C wärmebehandelt Sodann wurde das Fasermaterial in einen zweiten Ofen verbracht, wo es über eine Zeitdauer von etwa 7 Stunden auf eine Temperatur von etwa 1000 C erhitzt wurde. Während der ersten Wärmebehandlung wird die Molekularstruktur der Faser durch eine Vernetzung bzw. Verkettung zu einer stabileren Struktur modifiziert, während in dem zweiten Verfahrensschritt das Fasermaterial zu einem im wesentlichen ganz aus Kohlenstoff bestehenden Rückstand pyrolysiert wird.
Zur Veranschaulichung der Erfindung wurde das Spülgas für den Ofen in dem zweiten Wärmebehandlungsschritt hinsichtlich seines Sauerstoffgehaltes variiert. Das Spülgas besteht aus Argon mit S;.uerstoffzusätzen in bestimmten Mengen. Es wurden Fasern mit unterschiedlichen Sauerstoffgehalten in dem Spülgas hergestellt und das hierbei erhaltene Fasermaterial nach Standardverfahren hinsichtlich seines Elastizitätsmoduls und der endgültigen Zugfestigkeit untersucht
Dabei erhielt man folgende Ergebnisse:
Sauerstoffgehalt Endgültige
des Spülgases Zugfestigkeit
(ppm) (N/mm2)
2,8 1,447 X 103
18 1,999 X 103
35 2,068 X 103
50 2,137 x 103
110 2,185 X 103
170 2,171 X 103
330 1,461 x 103
430 1,240 X 103
650 0,820 X 103
800 0,744 X 103
1500 0,792 X 103
Elastizitätsmodul
(N/mm2)
1,516 X 10s 1,516 X 105 1,62 X 10s 1,72 X 10s 2,13 X 10s 1,86 X 10s 1,516 X 10s 1,654 X 105 1,551 X 105 1,551 X 105 1,551 x 105
Wie ersichtlich zeigen die Eigenschaften des erhaltenen Fasennaterials fur Werte des Sauerstoffgehalts im Bereich zwischen 5 und 500 ppm einen ausgeprägten Anstieg; in dem bevorzugten Bereich von 50 bis 250 ppm Sauerstoffgehalt erreichen die genannten Eigenschaften ein Optimum.
Selbstverständlich eignen sich verschiedenartige Fasermaterialien, die im Rahmen dertextiltechnischen Definition von Polyacrylnitril liegen, zur Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und die Wärmebehandlung kann innerhalb der eingangs erwähnten Grenzen variiert werden.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern durch Pyrolyse von Fasern aus Acrylnitril- polymerisat, bei dem die Polymerisatfasern zunächst zur Stabilisierungsmodifikation der Molekularstruktur einer Wärmevorbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 300 C und sodann i<> der eigentlichen Karbonisierungswärmebehandlung in inerter Atmosphäre bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von 700 bis 1500 C unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonisierungswärmebehandlung in einer 5 bis 500 ppm Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonisierungswärmebehandlung in einer 50 bis 250 ppm Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonisierungswärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 900 und 1500 C" erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungswärmevorbehandlung in Luft erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- so zeichnet, daß die Stabilisierungswärmevorbehandlung zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 210 C, zwei Stunden lang bei 220 C und drei Stunden lang bei 250 C erfolgt
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Jr> zeichnet, daß die Karbonisierungs-Wärmebehandlung in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, welche ein in Bewegung befindliches Reinigungsbzw. Spülgas enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das Reinigungs- bzw. Spülgas als inerte Komponente Argon enthält
DE2038785A 1969-08-04 1970-08-04 Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern Expired DE2038785C3 (de)

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DE2038785A1 DE2038785A1 (de) 1973-08-23
DE2038785B2 DE2038785B2 (de) 1978-11-09
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SE368811B (de) 1974-07-22
GB1283733A (en) 1972-08-02
BE754322A (fr) 1971-01-18
US3660018A (en) 1972-05-02
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