DE2108126C3 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffäden - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von KohlenstoffädenInfo
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Description
— CH, — C — CH2 — CH
O C =
O C =
oder
-CH2-C- CH2 -CH-CH2
— O — C = O
worin R Wasserstoff oder den Methylrest darstellt, enthalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden während der Vorbehandlungsstufe
auf das 1,0- bis l,3fache der ursprünglichen Länge gestreckt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffäden durch Verkokung von Fäden
aus einem Acrylcopolymerisat durch Hitzebehandlung in einer Vorbehandlungsstufe, gegebenenfalls unter
Streckung der Fäden, und nachfolgende Carbonisierung und gegebenenfalls Graphitierung bei höheren
Temperaturen.
Die hergestellten Fäden zeigen bemerkenswert bessere Feuerbeständigkeit, Zugfestigkeit sowie besseren
Anfangselastizitätsmodul.
Es ist bekannt, daß Kohlenstoffasem, die manchmal auch als Kohlefaden oder Graphitfasern bezeichnet
werden, ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich Hitzebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und
elektrischer Leitfähigkeit besitzen und ganz allgemein auf weiten Gebieten, z. B. als Bauteile in elektrischen
Einrichtungen, wie Elektroden und elektrischen Widerständen, und als Materialien von Teilen von Luftfahrzeugen,
verwendet werden, bei welchen es erforderlich ist, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber
exothermen, durch den Luftwiderstand verursachten Erscheinungen zu besitzen.
Es ist bekannt, solche Kohlenfäden oder Graphitfäden in industriellem Maßstab herzustellen. So ist
z.B. in der USA.-Patentschrift 3 011981 die Herstellung
solcher Fäden aus celluloseartigen Fäden beschrieben und in den bekanntgemachten japanischen
Patentanmeldungen 8995/68 und 4405/62 aus PoIyacrylnitrilfäden. Auch aus den britischen Patentschriften
1 110 791 und 1 166252 sowie den Berichten
der deutschen keramischen Gesellschaft 43 (1966),
Heft 3, S. 203 und 204, ist es bekannt, Fasermaterial aus Acrylpolymeren in Kohlenstoffasem durch Hitzebehandlung
in einer Vorbehaudlungsstufe und nachfolgende Carbonisierung bzw. Verkokung bei höheren
Temperaturen zu überführen, wobei das Material
ι zweckmäßig in der Vorbehandlungsstufe unter Spannung
gehalten wird.
Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung von lactonisierten Acrylcopolymerisaten Fäden mit verbesserter
Eigenschaft erhalten werden.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffäden durch Verkokung
von Fäden aus einem Acrylcopolymerisat durch Hitzebehandlung in einer Vorbehandlungsstufe,
gegebenenfalls unter Streckung der Fäden, und nachfolgende Carbonisierung und gegebenenfalls Graphitierung
bei höheren Temperaturen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Fäden aus lactonisierten Acrylcopolymerisaten
verwendet werden, die 2 bis 40 Gewichtsprozent an Lactoneinheiten der allgemeinen
Formeln
oder
R
-CH2-C-CH2-CH-
-CH2-C-CH2-CH-
O C = Oj
-CH2-C- CH2 -CH-CH2
— O — C = O
worin R Wasserstoff oder den Methylrest darstellt, enthalten.
Solche Fäden zeigen verbesserte Zugfestigkeit und verbesserten Elastizitätsmodul.
Durch die Erfindung können auch die exothermen Vorgänge in der Anfangserhitzungsstufe, welche die
Vorbehandlung für die nachfolgende Carbonisierung bzw. Verkokung darstellt, leicht gesteuert werden,
und die Versprödung des Materials wird auf einem Minimum gehalten.
Vorzugsweise wird bei dem Erhitzen während der Vorbehandlungsstufe eine Spannung im Bereich vom
1,0- bis l,3fachen der ursprünglichen Länge des nichterhitzten Fadens aufrechterhalten.
Erfindungsgemäß wird also ein Acrylpolymerisat verwendet, in welchem die Sequenzlänge des Acrylnitrils
verkürzt ist. Damit wird die Versprödung des Fadens in der Erhitzungsstufe verhindert und auch die
Festigkeit und der Elastizitätsmodul des Produktes verbessert, und zwar auch gegenüber Arbeitsweisen,
wobei beispielsweise die Geschwindigkeit des Temperaturanstieges sehr niedrig gehalten wird, z. B. bei
etwa 50°C/Stunde, um die rasche exotherme Zersetzung in der Vorerhitzungsstufe vor der nachfolgenden
Carbonisierung zu verhindern, oder wo eine Bestrahlung des Copolymerisates mit Elektronenstrahlen
vorgenommen wird, wie gemäß der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung 4405/62, oder wo die
Durchführung der Graphitierung durch Erhitzen der Acrylfäden in Vakuum oder Inertgasatmosphäre wie
Stickstoff durchgefiihrt wird.
Es ist bekannt, daß eine Oxycarbonsäure im allgemeinen
einen Lactonring unter sauren Bedingungen bildet. Zum Beispiel ist in Kcbunshi Kagaku, Bd. 7
(1960), S. 142, beschrieben, daß ein Lactonring durch Verseifung eines Copolymerisates von Vinylacetat
<o und Methylacrylat mit Alkali und anschließender Behandlung mit einer Säurelösung gebildet wird. In
der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung 21 413/66 ist auch eine Methode zur selektiven Herstellung
eines Lactonrings der oben angegebenen Formel I oder II in einem Acrylcopolymerisat durch
Behandlung des Copolymerisates aus Acrylnitril und einem einen Hydroxylrest aufweisenden oder zur
Bildung eines Hydroxylrestes befänigten Monomeren in einem Medium mit einem pH-Wert von nicht mehr
als 2, welches eine Säure in einer Konzentration von nicht mehr als 40% enthält, gezeigt.
überraschenderweise ist das Vorliegen solcher Lactoneinheiten
bemerkenswert wirksam zur Verhinderung der mit den exothermen Vorbehandlungsstufen
und der Verkokung verbundenen auftretenden Schwierigkeiten bei der Herstellung von Graphitfäden und
führt zur Bildung von Fäden mit hoher Zugfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul.
Ein Acrylcopolymerisat, das eine Lactoneinheit enthält, wie sie erfindungsgemäß erforderlich ist, kann
erhalten werden, indem man Acrylnitril mit einem Monomeren, das einen Hydroxylrest aufweist oder
zur Bildung eines solchen befähigt ist, und gegebenenfalls weiter mit einem beliebigen anderen Vinylmononieren
copolymerisiert und das erhaltene Copolymerisat einer geeigneten Behandlung, beispielsweise einer
Säurebehandlung zur Lactonisierung unterworfen wird. Die Lactonisierung der Hauptkette bewirkt eine
Verminderung der Beweglichkeit oder Freiheit der Molekülkette, also eine Versteifung, und daher kann
sogar eine recht große Menge an Lactoneinheiten eingeführt werden, ohne daß ein abträglicher Effekt auftritt.
Durch die Verminderung der Sequenzlänge des Acrylnitril wird dem entstandenen Produkt eine
hohe Festigkeit gegen Versprödung erteilt, selbst wenn keine verhältnismäßig umständlichen Arbeitsweisen,
wie eine Bestrahlung mit Elektronenstrahlen oder Erhitzen in einer Inertgasatmosphäre angewandt
werden. Die mechanischen und physikalischen Eigenschäften des erhaltenen Fadens liegen also auch bei
technischen Herstellungsweisen höher als bei bekannten Arbeitsweisen.
Bei Mengen von weniger als 2 Gewichtsprozent an Lactoneinheiten kann die gewünschte Verbesserung
nicht erreicht werden.
Ein Acrylnitrilcopolymerisat, welches Lactoneinheiten enthält, kann in einer beliebigen, geeigneten
Weise hergestellt werden.
Jedoch wird im allgemeinen zuerst ein Acrylnitrilcopolymerisat
durch Copolymerisation von Acrylnitril (Hauptbestandteil), eines einen Hydroxylrest
aufweisenden oder zur Erzeugung eines Hydroxylrestes fähigen Monomeren und gegebenenfalls weiter
eines dritten, mit Acrylnitril copolymerisierbaren Monomeren hergestellt. Der dritte Bestandteil sollte
so sein, daß er die nachfolgende Lactonisierungsreaktion nicht abträglich beeinflußt, z. B. Allylsulfonsäure
oder Methaliylsulfonsäure oder deren Salze, Styrol, Halogen enthaltende Monomere, wie Vinylchlorid,
Vinylidenchlorid oder Vinylbromid. Die Copojymerisation kann in an sich bekannter Weise unter Verwendung
eines bekannten Polymerisatiunsinitiators oder -katalysators durchgeführt werden. Weiterhin
kann die Menge des einen Hydroxylrest aufweisenden oder zur Erzeugung eines Hydroxylrestes fähigen
Monomeren, welches mit Acrylnitril copolymerisiert werden soll, durch den gewünschten, in das Polymerisat
einzuführenden Gehalt an Lactoneinheit bestimmt werden. Dann wird das entstandene Copolymerisat
der Lactonisierungsreaktion unterworfen. Die Lactonisierung kann in geeigneter Weise durchgefiihrt
werden. So kann sie beispielsweise in einem sauren Medium, welches auf einen pH-Wert von nicht höher
als 2 eingestellt ist (wenn der pH-Wert höher als 2 liegt, wird der Ablauf der Lactonisierungsreaktion zu sehr
verlangsamt), mit einer anorganischen Säure, wie Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure
oder Phosphorsäure, oder einer organischen Säure, wie Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure oder Toluolsulfonsäure,
durchgefiihrt werden. Der Lactonisierungsgrad in dem Copolymerisat kann durch geeignete
Auswahl der Bedingungen der Säurebehandlung, wie der Temperatur und der Zeit, kontrolliert werden.
Es ist möglich, diese Säurebehandlung entweder auf ein einheitliches oder ein nichteinheiiliches System
anzuwenden. Es wird angenommen, daß die Strukturveränderung durch diese Lactonisierungsmethode wie
in den folgenden Gleichungen gezeigt ist:
— CH2 — CH — CH2 — CH -ΐ-
C = O
CH3
CH3
III
Säurebehandlung
—CHt CH CH2 CH
OH COOH
Zwischenform
-Η,Ο
C=O
Insbesondere wenn die obengenannte, direkte Säurebehandlungsmethode
angewandt wird, wird die Acrylnitrileinheit, welche zur Bildung des Lactonringes
nicht beiträgt, praktisch nicht hydrolysiert, und daher kann die Acrylnitrileinheit wirksam in dem Polymerisat
zurückbleiben. Obwohl das oben erläuterte Beispiel der Strukturveränderung die Bildung einer
Lactoneinheit eines 5gliedrigen Ringes aus einer Acrylnitrileinheit und einer Vinylacetateinheit wiedergibt,
sei darauf hingewiesen, daß die Bildung einer Lactoneinheit eines 6gliedrigen Ringes aus Allylalkohol
oder Methallylalkohol oder dessen Derivaten und einer Acrylnitrileinheit gleichfalls möglich ist.
Darüber hinaus kann nicht nur die oben beschriebene Lactonisierungsmethode, sondern ebenfalls jede an-
dere, beliebige Lactonisierungsmethode, durch welche
ein Lactonring in einem Acrylpolymerisat ausgebildet werden kann, zur Durchführung der Erfindung angenommen
werden.
Beispiele von Monomeren, die einen Hydroxylrest besitzen, sind Allylalkohol und Methallylalkohol.
Die Monomeren, welche zur Herstellung eines Hydroxylrestes in der Lage sind, sind solche, die mit
Acrylnitril copolymerisierbar und zur Erzeugung eines Hydroxylrestes fähig sind, wenn sie unter~den
Bedingungen der Lactonisierungsreaktion zersetzt werden. Beispiele hiervon sind:
Vinylmethyläther, Vinyläthytäther, Vinylpropyläther,
Vinylisopropyläther, Vinylbutyläther, Vinylisobutyläther, Vinyl-t-butyläther,
Vinyloctyläther, Vinylphenyläther, Allylmethyläther.
Allyläthyläther, Allylpropyläther, Allylisopropyläther, Allylbutyläther,
Allylisobutyläther, Allyl-t-butyläther,
Allyloctyläther, Allylphenyläther, Vinylformiat, Vinylacetat.
Vinylpropionat, Vinylbutyrat, Vinylcaproat, Vinylisocaproat, Vinylcaprylat,
Vinylpelargoat, Vinyl-2-äthylhexancarboxylat,
Vinylstearat, Vinyllevuliat, Äthylvinyloxalat, Vinylchloracetat, Vinyldichloracetat,
Vinylthiolacetat, Vinylbcnzoat, Vinylcyclohexancarboxylat, Vinylnorbonan-2-carboxylat,
Allylacetat,
Allylpropionat, Allylbutyrat, Allyllaurat,
Allylbenzoat, Allylcycloheptancarboxylat, Allylchloracetat, 2-Chlorallylaceiat,
Isopropenylacetat, Isopropenylbutyrat, Methallylformiat, Methallylacetat und Methallylpropionat.
Das so erhaltene Acrylpolymerisat, welches eine Lactoneinheit in sich enthält, wird zu einem Faden in einer
beliebigen, bekannten Weise verformt. In entsprechender Weise wie Fäden können auch Filme aus solche
Lactoneinheiten enthaltendem Acrylcopolymerisat hergestellt und für die Verkokung herangezogen
werden.
Gegebenenfalls kann eine Mischung des obengenannten, Lactoneinheit enthaltenden Acrylpolymerisates
und eines beliebigen anderen Acrylpolymerisates verwendet werden.
Dann wird der Fonnkörper der Erhitzung zur Karbonisierung bzw. Verkokung unterworfen. Das
Erhitzen gemäß der Erfindung bedeutet, daß ein
Iu Formkörper aus einem Acrylcopolymerisat, welches
eine Lactoneinheit enthält, einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur oberhalb 2000C unterworfen
wird, während der Körper in einem unbelasteten Zustand oder unter der obengenannten Spannung
gehalten wird, und daß ebenfalls der entstandene, vorkarbonisierte Körper auf eine höhere Temperatur,
z.B. auf eine Temperatur oberhalb etwa 500°C für die Carbonisierung bzw. Verkokung oder auf eine
Temperatur oberhalb 15000C zur Graphitierung weiter
erhitzt wird.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Beispielen erläutert; hierin beziehen sich alle Angaben
in Prozent und Teilen (TIn.) auf Gewicht, falls nichts anderes angegeben ist.
Jedes der Copolymerisate, welche durch Copolymerisation von Acrylnitril und Vinylacetat in den entsprechenden
Verhältnissen von 80:20 und 90:10 erhalten worden waren, wurde in einem Gemisch aus
3% p-'i oluolsulfonsäure und 20% Schwefelsäure suspendiert und 5 Stunden auf 100° C für die Lactonisierung
erhitzt. Auf diese Weise wurden lactonisierte Acrylcopolymerisate mit Lactongehalten von 18 bzw.
i0% hergestellt. Jedes der lactonisierten Copolymerisate wurde mit Wasser gewaschen und dann in einer
konzentrierten, wäßrigen Lösung von Natriumthiocyanat aufgelöst. Die Lösung wurde durch eine Spinndüse
in ein Fällmedium in üblicher Weise zur Bildung von Einzelfäden ausgepreßt (die erhaltenen Fäden
werden als Fäden A bzw. B im folgenden bezeichnet).
Weiterhin wurde zum Vergleich jedes der Polymerisate, die aus nur 100% Acrylnitril und einem Copolymerisat
aus Acrylnitril und Methalacrylat (Gewichtsverhältnis 90:10) bestanden, in einer konzentrierten,
wäßrigen Lösung von Natriumthiocyanat aufgelöst, und die Lösung wurde zu Einzelfäden in der gleichen
Weise verformt. Die erhaltenen Fäden werden im folgenden als C bzw. D bezeichnet.
Dann wurden 0,3 g jeder dieser Fäden auf einen Metallrahmen aufgewickelt und, während ihre Länge
unverändert gehalten wurde, 45 Stunden in einem Strom aus erhitzter Luft bei einer Geschwindigkeit
von 1,5 l/Min, und einer Temperatur von 2300C zur
Vorkarbonisierung erhitzt. Diese Fäden A bis D zeigten eine bemerkenswerte Flammenfestigkeit. Insbesondere
die Fäden A und B besaßen viel bessere mechanische Eigenschaften als die Kontrollfäden C
und D, und es wurde gefunden, daß die Versprödung infolge der exothermen Umwandlung, welche Acrylfäden
zu eigen ist, merklich im Falle der Fäden A und B verhindert wurde.
Die physikalischen/mechanischen Eigenschaften dieser Fäden nach der obengenannten Erhitzung sind
in der folgenden Tabelle I aufgeführt.
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffaden durch Verkokung von Fäden aus einem
Acrylcopolymerisat durch Hitzebehandlung in einer Vorbehandlungsstufe, gegebenenfalls unter
Streckung der Fäden, und nachfolgende Carbonisierung und gegebenenfalls Graphitierung bei
höheren Temperaturen, dadurch gekennzeichnet,
daß Fäden aus lactonisierten Acrylcopolymerisaten verwendet werden, die 2 bis
40 Gewichtsprozent an Lactoneinheiten der allgemeinen
Formeln
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |