DE2118489A1 - Moldings containing boron and carbon and process for their production - Google Patents

Moldings containing boron and carbon and process for their production

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DE2118489A1 DE19712118489 DE2118489A DE2118489A1 DE 2118489 A1 DE2118489 A1 DE 2118489A1 DE 19712118489 DE19712118489 DE 19712118489 DE 2118489 A DE2118489 A DE 2118489A DE 2118489 A1 DE2118489 A1 DE 2118489A1
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2118489 FARBENFABRIKEN BAYER AG2118489 FARBENFABRIKEN BAYER AG

LEVERKUSEN-BayerwerkLEVERKUSEN-Bayerwerk

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Bor und Kohlenstoff enthaltende Formkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung Moldings containing boron and carbon and process for their production

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere Fasern, Fäden, Folien, Blättchen, Überzügen und Schaumkörper aus Borcarbid und aus Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen. Fasern, Fäden und Blättchen aus diesem Material sind hitze- und oxydationsbeständig und daher auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften sehr gut für die Verstärkung von Kunststoffen, Gläsern, keramischen Materialien und Metallen geeignet. Borcarbid-Überzüge eignen sich zur Auskleidung von Apparateteilen, die gegen Korrosion bei hohen Temperaturen zu schützen sind, während Schaumkörper aus Borcarbid bzw. Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen vorteilhaft als temperaturbeständiges Isoliermaterial oder als Filtermaterial für heiße, agressive Gase verwendet werden können.The invention relates to a method for producing Shaped bodies, in particular fibers, threads, foils, flakes, coatings and foam bodies made from boron carbide and from boron carbide-carbon mixtures. Fibers, threads and leaflets made from this material are resistant to heat and oxidation therefore, due to their physical properties, very good for the reinforcement of plastics, glasses, ceramics Suitable for materials and metals. Boron carbide coatings are suitable for lining apparatus parts that protect against corrosion are to be protected at high temperatures, while foam bodies made of boron carbide or boron carbide-carbon mixtures Advantageously used as a temperature-resistant insulating material or as a filter material for hot, aggressive gases can be.

Es ist bereits bekannt, Borcarbid-Whisker dadurch herzustellen, daß man die Reaktion von Bortrichlorid und Methan gegebenenfalls unter Zusatz von Wasserstoff Lei einer Temperatur von 1500° C - 2000° C auf geeigneten Substratoberflächen ablaufen läßt (Brit. Patentschrift 974.539). Die schlechte Raum-Zeit-Ausbeute erlaubt jedoch kein wirtschaftliches Verfahren. EsIt is already known to make boron carbide whiskers by that the reaction of boron trichloride and methane, optionally with the addition of hydrogen Lei at a temperature of 1500 ° C - 2000 ° C on suitable substrate surfaces lets (British Patent 974,539). The poor space-time yield, however, does not allow an economical process. It

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' ist weiterhin bekannt, Borcarbid-Fasern dadurch herzustellen, daß man herkömmlich hergestelltes, pulverförmiges Borcarbid bei einer Temperatur von 20000C - 2500° C im Vakuum erhitzt und somit dampfförmiges Borcarbid auf geeigneten Substraten in Form von Whiskern niederschlägt (A. Gatti et al, Sei. Tech. Aerospace Rept. 3 (3) 455, 1965).'Is further known to produce boron carbide fibers, characterized in that boron carbide at a temperature of 2000 0 C conventionally prepared powdery - heated 2500 ° C in vacuum and thus vaporous boron carbide on appropriate substrates in the form of whiskers reflected (A. Gatti et al , Sci. Tech. Aerospace Rept. 3 (3) 455, 1965).

Borcarbid-Endlosfäden lassen sich nach einem bekannten Verfahren dadurch· herstellen, daß ein nach herkömmlichem Verfahren hergestellter Kohlenstoff-Faden bei einer Temperatur von 2000° C mit einem Gemisch von Bortrichlorid und Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird (D.J. Beerntsen et al, ^ Polymer Preprints, Atlantic City Meeting Sept. 68, Vol. 9, Nr. 2, S. 1456). Nach einem weiteren bekannten Verfahren lassen sich Borcarbid-Endlosfasern dadurch herstellen, daß ein Wolfram-Faden mit Borcarbid beschichtet wird, welcher sich auf der bei 1100 - 1200° C gehaltenen Wolfram-Oberfläche durch die Reaktion von Bortrichlorid mit Methan und Wasserstoff bildet (J.B. Higgins et al, J.Electroehem. Soc. 116 (1969) 137).Boron carbide filaments can be produced by a known method by using a conventional method produced carbon thread at a temperature of 2000 ° C with a mixture of boron trichloride and hydrogen is made to react (D.J. Beerntsen et al, ^ Polymer Preprints, Atlantic City Meeting Sept. 68, Vol. 9, No. 2, p. 1456). According to another known method Boron carbide continuous fibers can be produced by coating a tungsten thread with boron carbide, which on the tungsten surface, which is kept at 1100 - 1200 ° C, through the reaction of boron trichloride with methane and hydrogen forms (J.B. Higgins et al, J.Electroehem. Soc. 116 (1969) 137).

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Borcarbid oder Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Lösung oder die Schmelze einer Bor-Wasserstoff- \ Verbindung und einer polymeren organischen, bei erhöhter Temperatur Kohlenstoff liefernde Verbindung, gegebenenfalls unter Zusatz von Hilfsstoffen, zu entsprechenden Formkörpern verarbeitet und diese anschließend unter Inertgas auf Temperaturen zwischen 800° C und 2350° C erhitzt.The present invention relates to a process for the production of shaped articles of boron carbide or boron carbide-carbon mixture, which is characterized in that the solution or melt of a boron-hydrogen \ compound and a polymeric organic, delivered at elevated temperature carbon compound optionally with the addition of auxiliaries, processed into corresponding shaped bodies and these are then heated to temperatures between 800 ° C. and 2350 ° C. under an inert gas.

Es ist bereits bekannt, daß Mischungen aus einer Borkomponente und einer Kohlenstoff-Komponente durch geeignete Temperaturbehandlung in Borcarbid überführt werden können.It is already known that mixtures of a boron component and a carbon component can be converted into boron carbide by suitable heat treatment.

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Die Borkomponente bestand jedoch stets aus Verbindungen mit Bor-Sauerstoff-Bindungen wie zum Beispiel Orthoborsäure, Metaborsäure oder Bortrioxid, während als Kohlenstoff komponente meist elementarer Kohlenstoff in Form von Holzkohle, Ruß oder Petrolkoks verwendet wurde. Die für die Reaktion erforderliche Temperatur lag im Bereich zwischen 2400° C und 2600° C. Das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht die Herstellung von Borcarbid derart, daß zur Bildung von Borcarbid bereits Temperaturen unter 2400° C, insbesondere zwischen 800° C und 2350° C ausreichen. Das vereinfachte Verfahren wird dadurch ermöglicht, daß als Borkomponente keine Verbindung mit Bor-Sau^rstoff-Bindung verwendet wird, sondern eine solche, die mindestens eine Bor-Wasserstoff-Bindung im Molekül enthält.However, the boron component always consisted of compounds with boron-oxygen bonds such as orthoboric acid, Metaboric acid or boron trioxide, while the carbon component is mostly elemental carbon in the form of charcoal, Soot or petroleum coke was used. The temperature required for the reaction was in the range between 2400 ° C and 2600 ° C. The inventive method simplifies the production of boron carbide in such a way that the formation of boron carbide temperatures below 2400 ° C, in particular between 800 ° C and 2350 ° C, are sufficient. The simplified procedure is made possible by the fact that no compound with a boron-oxygen bond is used as the boron component, but rather one that contains at least one boron-hydrogen bond in the molecule.

Die zu verwendende Bcr-Wasserstoff-Verbindung kann sowohl salzartigen wie auch kovalenten Charakter haben. Bei den salzartigen Verbindungen kann als Kation vorteilhaft das Ammoniumion, das Tetraalkyl-, I etraallyl-, Tetraaryl-Ammoniumion,die organosubstituierten Ammoniumionen /RNHy > /R2NH2Z+, /r3NH7+, wobei R = Alkyl, Allyl, Aryl ist, das Hydryzoniumion, das Hydroxylammoniumion, ferner auch die Ionen der Alkali- und Erdalkalielemente verwendet werden.The Bcr-hydrogen compound to be used can have both salt-like and covalent character. In the case of the salt-like compounds, the ammonium ion, the tetraalkyl, tetraallyl, tetraaryl ammonium ion, the organosubstituted ammonium ions / RNHy> / R 2 NH 2 Z + , / r 3 NH7 + , where R = alkyl, allyl, can advantageously be used as the cation Aryl, the hydryzonium ion, the hydroxylammonium ion, and also the ions of the alkali and alkaline earth elements can be used.

Das Anion der saizartigen Borkomponente kann im Falle ausschließlicher Bor-Wasserstoff-Bindung beispielsweise aus folgenden Ionen bestehen:The anion of the salt-like boron component can in the case of exclusive Boron-hydrogen bonds consist, for example, of the following ions:

2"" /BH 2 "" / bra

, /B5H10Z", /B5H1 ^, / B 5 H 10 Z ", / B 5 H 1 ^

/B10H10Z » Zb10H13Z , /B10H14Z , /B11H14Z/ B 10 H 10 Z »Zb 10 H 13 Z, / B 10 H 14 Z, / B 11 H 14 Z

/B20H18Z2", wobei die Ionen /B10H10/2" und/ B 20 H 18 2 Z ", in which the ion / B 10 H 10/2" and

bevorzugt verwendet werden, da das Gerüst der Boratome in diesen Ionen dem des Borcarbids sehr nahekommt. Weiterhin kann das Anion der salzartigen Borkomponente aus Ionen bestehen, bei denen ein oder mehrere Wasserstoff-Atomeare preferred because the structure of the boron atoms in these ions is very similar to that of boron carbide. Furthermore, the anion of the salt-like boron component can consist of ions in which one or more hydrogen atoms

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des Boranations substituiert sind, ζ. B. durch Halogenatome, Nitrogruppen oder Trifluormethylgruppen, wie die folgenden Beispiele zeigen: /B10H3Br7J2", /B10H9NO2/2", /B12H11CF3/2".of the boranate ion are substituted, ζ. As demonstrated by halogen atoms, nitro groups or trifluoromethyl groups, such as the following examples: / B 10 H 3 Br J 7 2 "/ B 10 H 9 NO 2/2 '/ B 12 H 11 CF 3/2".

Als Borkomponente mit kovalenter Bindung lassen sich bevorzugt höher molekulare Borane, d. h. reine Bor-Wasserstoff-Verbindungen, einsetzen. Besonders geeignet sind die Verbindungen B10H12, B10H14, B12H14, B14H22, B18H22 sowie besonders vorteilhaft ihre Addukte mit Aminen, Amiden, Nitrilen und Sulfiden, wie Triäthylamin, Pyridin, Dimethylazetamid, Dimethylformamid, Azetonitril und Dimethylsulfid. Beispiele derartiger Addukte sind: B10H12 · 2(CH3)2S, B12H14 . 2(C2HHigher molecular weight boranes, ie pure boron-hydrogen compounds, can preferably be used as the boron component with a covalent bond. The compounds B 10 H 12 , B 10 H 14 , B 12 H 14 , B 14 H 22 , B 18 H 22 and particularly advantageously their adducts with amines, amides, nitriles and sulfides, such as triethylamine, pyridine, dimethylazetamide, are particularly suitable. Dimethylformamide, acetonitrile and dimethyl sulfide. Examples of such adducts are: B 10 H 12 · 2 (CH 3 ) 2 S, B 12 H 14 . 2 (C 2 H

Die erfindungsgemäß verwendete Kohlenstoff-Komponente besteht aus einer polymeren organischen Verbindung, die bei Temperaturbehandlung unter Inertgas unter Kohlenstoff-Abscheidung pyrolysierbar ist.The carbon component used in the present invention consists from a polymeric organic compound, which upon temperature treatment under inert gas with carbon deposition is pyrolyzable.

Voraussetzung für die Eignung eines organischen Materials als Kohlenstoff-Lieferant ist ein genügend hoher Kohlenstoff-Rückstand bei der Pyrolyse unter Inertgas. Dieser sollte mindestens 10 Gewichtsprozent des Ausgangsmaterials betragen. Aus der Vielzahl der als Kohlenstoff-Komponente für Borcarbid möglichen organischen Kohlenstoff-Verbindungen lassen sich solche Verbindungen besonders gut verwenden, die im Verlauf der Pyrolyse unter Inertgas keine fluide Phase durchlaufen. Dies ist in der Regel dann gewährleistet, wenn der Schmelzpunkt wesentlich über der' Zersetzungstemperatur liegt. So lassen sich beispielsweise verwenden: Stärke, teilweise abgebaute oder oxydierte Stärke, Dextrin, Hemicellulose, Cellulosederivate, wie ζ. B. Methylcellulose, polymere Zucker abkömmlinge, wie Pektin, Pektinsäure oder Alginsäure, Eiweißstoffe, wie Casein, Gelatine oder Fischleim, zur inneren Salzbildung befähigte organische Säurederivate, wie Glykokoll oder Betain, Sulfonsäuren, deren Substitutionsprodukte undA prerequisite for the suitability of an organic material as a carbon supplier is a sufficiently high carbon residue during pyrolysis under inert gas. This should be at least 10 percent by weight of the starting material. From the multitude of as a carbon component for boron carbide possible organic carbon compounds, such compounds can be used particularly well, which in the course the pyrolysis under inert gas does not pass through a fluid phase. This is usually guaranteed when the melting point is significantly above the 'decomposition temperature. For example, you can use: strength, partially degraded or oxidized starch, dextrin, hemicellulose, cellulose derivatives, such as ζ. B. methyl cellulose, polymeric sugars derivatives such as pectin, pectic acid or alginic acid, proteins such as casein, gelatine or isinglass for the internal Organic acid derivatives capable of salt formation, such as glycocolla or betaine, sulfonic acids, their substitution products and

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Salze, insbesonere Ammoniumsalze, Lignin, Ligninsulfonsäure und deren Salze, wie Ammoniumligninsulfonat.Salts, in particular ammonium salts, lignin, ligninsulphonic acid and their salts such as ammonium lignin sulfonate.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es aber auch möglich, Substanzen als Kohlenstoff-Komponente zu verwenden, deren Schmelz- oder Erweichungspunkt unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur liegt, sofern man das Material vor der eigentlichen Pyrolyse unschmelzbar macht. Aus der großen Zahl von möglichen Kohlenstoff-Komponenten seien folgende beispielhaft aufgeführt: Polyvinylpolymere, wie -Polyvinylalkohol, insbesondere Polyacrylnitril sowie seine Copolymeren mit Butadien und Styrol sowie Methylmethacrylat, Polyolefine, Polyester, Polyäther, Polyanhydride, Polyurethane, Polyamide, Polyharnstoffe, Phenol-Formaldehydharze, sowohl als reine Polymere als auch in Form ihrer Pfropfpolymerisate und ihrer Derivate. Besonders bevorzugt sind im Rahmen dieser Erfindung solche polymeren organischen Verbindungen, die keinen Sauerstoff im Molekül gebunden enthalten.According to the method according to the invention, however, it is also possible To use substances as carbon components whose melting or softening point is below their decomposition temperature, provided that the material is used before the actual Makes pyrolysis infusible. From the large number of possible carbon components, the following are exemplary listed: polyvinyl polymers, such as polyvinyl alcohol, in particular Polyacrylonitrile and its copolymers with butadiene and styrene as well as methyl methacrylate, polyolefins, polyester, Polyethers, polyanhydrides, polyurethanes, polyamides, polyureas, Phenol-formaldehyde resins, both as pure polymers and in the form of their graft polymers and their derivatives. In the context of this invention, polymeric organic compounds which do not contain oxygen are particularly preferred Molecule included.

Die Mischung der Borkomponente und der Kohlenstoffkomponente kann in Form einer homogenen Schmelze oder einer Suspension der Borkomponente in der geschmolzenen Kohlenstoffkomponente zu entsprechenden Formkörpern verarbeitet werden. Andererseits läßt sich die Mischung beider Komponenten vorteilhaft in geeigneten Lösungsmitteln auflösen und in dieser Form verarbeiten. Als Lösungsmittel können beispielsweise Acetonitril, Nitromethan, Dimethylformamid,N-Methy !pyrrolidon, Tetramethylharnstoff, Dimethylsulfoxid und Tetramethylensulfon verwendet werden. So löst sich beispielsweise die Mischung aus unterschiedlichen Teilen aus Diammoniumdodekaboranat und Polyacrylnitril bis zu hohen Konzentrationen in Dimethylformamid und kann in dieser Form he_vorragend zu Formkörpern wie etwa Folien oder Fasern verarbeitet werden.The mixture of the boron component and the carbon component can be in the form of a homogeneous melt or a suspension of the boron component in the molten carbon component be processed into corresponding moldings. On the other hand, the mixture of the two components can be advantageous Dissolve in suitable solvents and process in this form. As a solvent, for example, acetonitrile, Nitromethane, dimethylformamide, N-methy! Pyrrolidone, Tetramethylurea, dimethyl sulfoxide and tetramethylene sulfone be used. For example, the mixture of different parts of diammonium dodecaboranate and Polyacrylonitrile up to high concentrations in dimethylformamide and can in this form he_vorragend to moldings how foils or fibers are processed.

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Besteht die Kohlenstoffkomponente aus einem linearen Hochpolymeren, so ist die Mischung mit der Borkomponente in einem geeigneten Lösungsmittel meist direkt zu Fasern verspinnbar. Dies ist beispielsweise bei hochmolekularen Polymeren wie Polyvinylalkohol, Polyacrylnitril oder Polystyrol möglich. Um jedoch deren Spinneigenschaften zu verbessern und auch die Vielzahl niedermolekularer Kohlenstoff-liefernder Polymere für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen zu können, ist es vorteilhaft, der Lösung beider Komponenten linearpolymere hochmolekulare Hilfsstoffe mit Polymerisationsgraden über 10.000 in einer Konzentration von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent zuzusetzen. Als linear polymere Substanzen können Vinylpolymerisate, Viny!copolymerisate, Diolefinpolymerisate, Polyäther, Polythioäther, Polyester, Polyamide und Polypeptide verwendet werden. Als besonders geeignet haben sich Polyäthylenoxid, Polyacrylamid, Acrylamid-Acrylsäure-Copolymerisate oder deren Salze, Polyisobutylen, Polymethylmethacrylat, Polyisopren und Polystyrol erwiesen. Für die Herstellung von Blättchen, Überzügen und Schaumkörpern sind derartige Hilfsstaffe nicht notwendig, können aber ohne Schaden der Mischung zugesetzt werden.If the carbon component consists of a linear high polymer, so the mixture with the boron component can usually be spun directly into fibers in a suitable solvent. This is possible, for example, with high molecular weight polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile or polystyrene. However, in order to improve their spinning properties and also the large number of low molecular weight carbon-supplying polymers for To be able to use the process according to the invention, it is advantageous to add linear polymeric high molecular weight to the solution of the two components Auxiliaries with degrees of polymerisation over 10,000 to be added in a concentration of 0.01 to 2 percent by weight. Vinyl polymers, Vinyl copolymers, diolefin polymers, polyethers, polythioethers, Polyesters, polyamides and polypeptides can be used. Polyethylene oxide, polyacrylamide, Acrylamide-acrylic acid copolymers or their salts, polyisobutylene, polymethyl methacrylate, polyisoprene and polystyrene proven. Such auxiliary stuffs are not necessary for the production of papers, coatings and foam bodies. but can be added to the mixture without damage.

Im Falle der Herstellung von Fasern kann die Konzentration der Spinnlösung zwischen 10 und 40 Gewichtsprozent bezogen auf die Bor- und Kohlenstoffkomponente liegen, sie liegt vorzugsweise zwischen 18 und 28 Gewichtsprozent. Die Viskosität der Lösungen liegt zwischen 0,1 und 800 Poise.In the case of the production of fibers, the concentration of the spinning solution can be between 10 and 40 percent by weight based on the Boron and carbon components, it is preferably between 18 and 28 percent by weight. The viscosity of the solutions is between 0.1 and 800 poise.

Läßt sich die Borkomponente in einer geeigneten schmelzbaren Kohlenstoffkomponente lösen oder suspendieren, so können derartige Mischungen vorteilhaft aus der Schmelze versponnen werden. Die Herstellung von Fasern aus geeigneten Spinnlösungen kann nach einem Naßspinnvei fahren oder einem Trockenspinnprozeß erfolgen. Beim ersten werden die Fäden in ein geeignetes Fällbad versponnen und nach erfolgter Koagulation getrocknet. Beim Trockenspinnprozeß durchlaufen die aus demIf the boron component can be dissolved or suspended in a suitable fusible carbon component, so can such mixtures are advantageously spun from the melt. The production of fibers from suitable spinning solutions can be done according to a wet spinning process or a dry spinning process. The first will turn the threads into one spun in a suitable precipitation bath and dried after coagulation. In the dry spinning process go through from the

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Spinnkopf austretenden Fäden einen geheizten Spinnschacht und werden unter Verzug auf eine Spule gewickelt. Anschließend können die Fäden unter geeigneten Bedingungen verstreckt werden. Die Spinnlösungen können ferner nach einem Düsenblasverfahren oder einem Zentrifugalspinnverfahren zu Stapelfaser versponnen werden.Threads emerging from the spinning head enter a heated spinning shaft and are wound onto a bobbin with a delay. Afterward the threads can be drawn under suitable conditions. The spinning solutions can also be made by a jet blowing process or a centrifugal spinning process into staple fibers.

Gegebenenfalls müssen die Fasern vor der eigentlichen Pyrolyse einer Vorbehandlung unterzogen werden, die aus einer Oxydation bestehen kann und den Zweck hat, das Kohlenstoff-lief ernde Polymere unschmelzbar zu machen. Bei einer anschließenden Temperaturbehandlung werden die noch im Faden verbliebenen Lösungsmittelreste ausgetrieben und durch eine gezielte Pyrolyse alle flüchtigen Bestandteile abgespalten. Dazu werden die Fasern unter einem Inertgasstrom, wie z. B. Stickstoff, Argon oder Wasserstoff, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 800 - 1200° C erhitzt. Im einzelnen richtet sich die Temperaturbehandlung nach der verwendeten Kohlenstoffliefernden Ausgangssubstanz und der Borkpmponente. Die Fasern bestehen bei einer Sinterendteeoeratur von etwa 1200° C aus röntgenamorphem Lorcarbid und gegebenenfalls aus röntgenamorphem Kohlenstoff. Bei weiterer Erhitzung beginnt die Bildung von kristallisiertem Borcarbid, welches bei einer Temperatur von 1600° C eine röntgenographisch ermittelte Kristallitgröße von 150 Angstrom und bei 2000° C eine solche von 400 Sngström aufweist.If necessary, the fibers must be subjected to a pretreatment, which results from an oxidation, before the actual pyrolysis can exist and has the purpose of making the carbon-yielding polymer infusible. In a subsequent The remaining solvent residues in the thread are driven out and through a targeted heat treatment Pyrolysis split off all volatile components. For this purpose, the fibers are under a stream of inert gas, such as. B. nitrogen, Argon or hydrogen, heated to a temperature in the range of about 800 - 1200 ° C. In detail, the Temperature treatment according to the used carbon-supplying starting substance and the boron component. The fibers consist of a sintering temperature of around 1200 ° C X-ray amorphous lorocarbide and optionally from X-ray amorphous Carbon. With further heating the formation of crystallized boron carbide begins, which at a temperature a crystallite size of 150 angstroms determined by X-ray analysis at 1600 ° C and a crystallite size of 400 angstroms at 2000 ° C having.

Zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften der Fasern, wurden Messungen der Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls durchgeführt. Hierfür wurde eine handelsübliche Mikrozerreißmaschine (Tecam Tensile Testing Machine der Firma Techne) herangezogen. Nach dem Aufheizen de. Fasern auf eine Temperatur von etwa 1200° C weisen sie bereits sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Die Zugfestigkeit beträgt hierbei 140 160 kp/mm und der Elastizitätsmodul 27.000 - 29.000 kp/mm .To assess the mechanical properties of the fibers, measurements of the tensile strength and the modulus of elasticity were made carried out. A commercially available micro-tearing machine was used for this (Tecam Tensile Testing Machine from Techne). After heating up de. Fibers at one temperature from around 1200 ° C they already have very good mechanical properties. The tensile strength here is 140 160 kp / mm and the modulus of elasticity 27,000 - 29,000 kp / mm.

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Der Elastizitätsmodul kann noch gesteigert werden, wenn man die Fasern für kurze Zeit unter Argon auf höhere Temperaturen bis 2350° C bringt.The modulus of elasticity can be increased if the fibers are heated to higher temperatures under argon for a short time up to 2350 ° C.

Die derart erhaltenen Fasern aus Borcarbid bzw. aus Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen sind gegen Oxydation unempfindlich bzw. wesentlich oxydationsbeständiger als herkömmliche Kohlenstoff-Fasern. Sie können bis zu sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden und lassen sich auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften sehr gut für die Verstärkung von Kunststoffen, Gläsern, Keramik und Metallen verwenden. Weiterhin sind derart erhaltene Fasern in hervorragendem Maße für Hochtemperaturisolation und als Filtermaterial für heiße, korrosive Gase oder Schmelzen geeignet.The fibers obtained in this way made of boron carbide or of boron carbide-carbon mixtures are insensitive to oxidation or significantly more resistant to oxidation than conventional carbon fibers. They can be used up to very high temperatures and can be based on their mechanical properties Use very well for reinforcing plastics, glasses, ceramics and metals. Furthermore are like that fibers obtained in excellent measure for high-temperature insulation and as filter material for hot, corrosive gases or melting.

Zur Herstellung von Überzügen aus Borcarbid bzw. Borcarbid-r Kohlenstoff-Mischungen kann der mit einem Überzug zu schütz- . ende Apparateteil mit einer geeigneten Lösung aus Bor- und Kohlenstoffkomponente getränkt bzw. angestrichen und anschließend der Temperaturbehandlung unterworfen werden. Es ergeben sich festhaftende, gasdichte Schutzschichten von der gewünschten Stärke, die gegen Korrosion bei hohen Temperaturen unempfindlich sind.For the production of coatings from boron carbide or boron carbide-r Carbon mixtures can be coated with a protective coating. The end of the apparatus is soaked or painted with a suitable solution of boron and carbon components and then be subjected to the temperature treatment. Firmly adhering, gas-tight protective layers of of the desired strength, which are insensitive to corrosion at high temperatures.

Hochfeste, porenfreie und flexible Folien oder Blättchen aus Borcarbid bzw. Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen können durch Auswalzen oder Ausstreichen der Lösung der Bor- und Kohlenstoff-Komponente auf einer geeigneten Unterlage, nachfolgendes Trocknen und Abziehen und anschließender geeigneter Temperung hergestellt werden.High-strength, pore-free and flexible foils or flakes made of boron carbide or boron carbide-carbon mixtures can pass through Roll out or spread the solution of the boron and carbon components onto a suitable surface, as follows Drying and peeling and subsequent suitable tempering can be produced.

Schaumkörper werden erhalten, wenn uan die Lösung der Bor- und Kohlenstoff-Komponente gegebenenfalls unter Zusatz eines herkömmlichen Treibmittels wie beispielsweise Ammoniumcarbonat,Foam bodies are obtained when the solution of the boron and carbon component, optionally with the addition of a conventional blowing agent such as ammonium carbonate,

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durch geeignete Erhitzung in einer entsprechenden Form aufschäumt und anschließend auf 800 bis 2350° C erhitzt. Derart erhaltene Schaumkörper besitzen ein außerordentlich geringes Raumgewicht und eignen sich hervorragend für Isolationszwecke bei sehr hohen Temperaturen.foams by suitable heating in an appropriate mold and then heated to 800 to 2350 ° C. Like that The foam bodies obtained have an extremely low volume weight and are outstandingly suitable for insulation purposes at very high temperatures.

Die hergestellten Formkörper, die aus Borcarbid und Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen bestehen, können einen Borgehalt von 78,3 bis 5 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffgehalt von 21,7 bis 95 Gewichtsprozent aufweisen, wobei die Summe der Gewichtsprozente an Bor und Kohlenstoff mindestens 90 % betragen soll.The molded bodies produced, which consist of boron carbide and boron carbide-carbon mixtures, can have a boron content of 78.3 to 5 percent by weight and a carbon content of 21.7 to 95 percent by weight, the sum of the percentages by weight of boron and carbon being at least 90 % target.

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. 40 . 40

Beispiel 1.Example 1.

Beim Auflösen von 18,5 g Polyacrylnitril (Homopolymerisat), 31»5 g Diammoniumdodekaboranat und 2,8 g Polyäthylenoxid (Polymerisationsgrad 136.400) in 225,2 g Dimethylformamid wird eine Spinnlösung erhalten, die 6,7 % Polyacrylnitril, 11,3% Diammoniumdodekaboranat und 1 % Polyäthylenoxid enthält. Bei einer Temperatur von 95° C wird die Spinnlösung nach einem herkömmlichen Trockenspinnverfahren, wobei der Düsenquerschnitt 0,7 mm, die Schachteingangstemperatur 250° C und die·Schachtausgangstemperatur 220° C beträgt, mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 180 m/min zu Fäden mit einem Durchmesser von 16 /um versponnen. Sie werden anschließend unter Stickstoff 12 Stunden" bei 190° C getempert und innerhalb von 7 Stunden auf eine Temperatur von 1200° C gebracht. Die entstehenden Fasern bestehen aus röntgenamorphem Borcarbid und besitzen eine Zugfestigkeit von 140 kp/mm und einen Elastizitätsmodul von 29.000 kp/mm . Sie werden innerhalb von 2 Stunden unter Argon auf 1800° C erhitzt, wobei ihr Elastizitätsmodul weiter ansteigt. Das Röntgendiagramm.ergibt die Linien von B-C, die Kristallitgröße beträgt 300 Sngström.When 18.5 g of polyacrylonitrile (homopolymer), 31 »5 g of diammonium dodecaboranate and 2.8 g of polyethylene oxide (degree of polymerization 136,400) are dissolved in 225.2 g of dimethylformamide, a spinning solution is obtained which contains 6.7 % polyacrylonitrile, 11.3% diammonium dodecaboranate and contains 1 % polyethylene oxide. At a temperature of 95 ° C, the spinning solution is converted into threads with a diameter of 180 m / min using a conventional dry spinning process, the nozzle cross-section 0.7 mm, the shaft inlet temperature 250 ° C and the shaft outlet temperature 220 ° C, at a take-off speed of 180 m / min spun from 16 / um. They are then tempered under nitrogen for 12 hours at 190 ° C. and brought to a temperature of 1200 ° C. within 7 hours. The resulting fibers consist of X-ray amorphous boron carbide and have a tensile strength of 140 kp / mm and a modulus of elasticity of 29,000 kp / They are heated to 1,800 ° C under argon within 2 hours, their modulus of elasticity increasing further.

Beispiel 2Example 2

Durch Lösen von 25 g Polyacrylnitril (Homopolymerisat), 25 g Diammoniumdodekaboranat und 0,75 g Polyäthylenoxid (Polymerisationsgrad 136.400) in 199,25 g Dimethylformamid wird eine Spinnviskose hergestellt, die 10 % Polyacrylnitril, 10 % Diammoniumdodekaboranat und 0,3 % Polyäthylenoxid enthält. Bei 80° C wird die Viskose nach einem herkömmlichen Trockenspinnprozeß, wobei der Düsenquerschnitt 0,5 mm, die Schachteingangstemperatur 230° C und die Schachtausgangstemperatur 180° C beträgt, mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 210 m/min zu Fäden mit einem Durchmesser von 20/um versponnen. Sie werden anschließend bei 180° C auf ihreBy dissolving 25 g of polyacrylonitrile (homopolymer), 25 g of diammonium dodecaboranate and 0.75 g of polyethylene oxide (degree of polymerization 136,400) in 199.25 g of dimethylformamide, a spinning viscosity is produced which contains 10 % polyacrylonitrile, 10 % diammonium dodecaboranate and 0.3 % polyethylene oxide. At 80 ° C., the viscose becomes threads with a diameter of 20 μm at a take-off speed of 210 m / min using a conventional dry spinning process, the nozzle cross section being 0.5 mm, the duct inlet temperature 230 ° C. and the duct outlet temperature 180 ° C. spun. They are then at 180 ° C on their

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achtfache Länge verstreckt und unter Stickstoff 25 h bei 250° C getempert. Dabei werden sie unschmelzbar und können im Verlauf von 7 h auf 1200° C unter Stickstoff erhitzt werden. Es resultieren blau-schwarze, glänzende Fäden, die eine Zugfestigkeit von I6o kp/mm und einen Elastizitätsmodul von 28.000 kp/mm aufweisen. Die derart erhaltenen Fasern bestehen aus 80 % Borcarbid, welches in amorpher Form vorliegt, und 20 % Kohlenstoff.stretched eight times its length and heat-treated at 250 ° C. under nitrogen for 25 h. They become infusible and can be heated to 1200 ° C under nitrogen over the course of 7 hours. The result is blue-black, shiny threads which have a tensile strength of 160 kgf / mm and a modulus of elasticity of 28,000 kgf / mm. The fibers obtained in this way consist of 80 % boron carbide, which is in amorphous form, and 20 % carbon.

Beispiel 3Example 3

Eine Lösung für kohlenstoffreiche Borcarbid-Fäden erhält man durch Lösen von 37,5 g Polyacrylnitril (Homopolymerisat) und 12,5 g Diammoniumdodekaboranat in 128,8 g Dimethylformamid, Die Spinnlösung enthält 21 % Polyacrylnitril und 7 % Diammoniumdodekaboranat. Auf Grund ihres hohen Anteils an Polyacrylnitril ist sie ohne Verwendung von Polyäthylenoxid als Spinnhilfsstoff verspinnbar. Die Viskose wird bei 110° C nach einem herkömmlichen Trockenspinnprozeß versponnen, wobei der Düsenquerschnitt 0,2 mm, o-e Schachteingangstemperatur 260° C, die Scaachtausgangstemperatur 190° C und die Abzugsgeschwindigkeit 270 m/min beträgt. Die Fäden werden anschließend bei einer Temperatur von 110° C auf einen Fadenquerschnitt von 13/um verstreckt und bei 170 C 2 Stunden unter Luft getempert. Im Verlauf von 8 Stunden werden die Fäden unter Stickstoff auf 1200° C erhitzt und danach unter Argon auf 2000° C in 1 Stunde. Die Fäden haben schwarzes, glänzendes Aussehen und besitzen eine Zugfestigkeit von 160 kp/mm und einen Elastizitätsmodul von 27.500 kp/mm . Sie enthalten 51 % amorphen Kohlenstoff und 49 % Borcarbid mit einer Kristallitgröße von 50 Sngström-.A solution for carbon-rich boron carbide threads is obtained by dissolving 37.5 g of polyacrylonitrile (homopolymer) and 12.5 g of diammonium dodecaboranate in 128.8 g of dimethylformamide. The spinning solution contains 21 % polyacrylonitrile and 7 % diammonium dodecaboranate. Due to its high polyacrylonitrile content, it can be spun without using polyethylene oxide as a spinning aid. The viscose is spun at 110 ° C. using a conventional dry spinning process, the nozzle cross section being 0.2 mm, the duct inlet temperature 260 ° C., the duct outlet temperature 190 ° C. and the take-off speed 270 m / min. The threads are then stretched at a temperature of 110 ° C. to a thread cross section of 13 μm and tempered in air at 170 ° C. for 2 hours. In the course of 8 hours, the threads are heated to 1200 ° C. under nitrogen and then to 2000 ° C. in 1 hour under argon. The threads have a black, shiny appearance and have a tensile strength of 160 kp / mm and a modulus of elasticity of 27,500 kp / mm. They contain 51 % amorphous carbon and 49 % boron carbide with a crystallite size of 50 Sngström-.

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Beispiel 4Example 4

Zur Herstellung einer Folie a\is Borcarbid wird die Lösung aus 18,5 g Polyacrylnitril (Homopolymerisat) und 31,5 g Diammoniumdodekaboranat in 122,5 g Dimethylformamid, die eine Konzentration von 10,7 % Polyacrylnitril und 18,3 % Diammoniumdodekaboranat hat, auf eine tefIonisierte Metallfläche aufgewalzt und bei 170° C unter Stickstoff getrocknet. Die Folie wird von der Unterlage abgezogen und bei 220° C unter Stickstoff 8 Stunden getempert. Anschließend wird die Folie innerhalb von 5 Stunden auf 1200° C erhitzt. Man erhält eine flexible, blauschwarze Folie aus amorphem Bor-P carbid, die eine Stärke von 20/um besitzt.To produce a boron carbide film, the solution of 18.5 g of polyacrylonitrile (homopolymer) and 31.5 g of diammonium dodecaboranate in 122.5 g of dimethylformamide, which has a concentration of 10.7% polyacrylonitrile and 18.3 % diammonium dodecaboranate, is rolled onto a tefionized metal surface and dried at 170 ° C. under nitrogen. The film is peeled off the base and heated at 220 ° C. under nitrogen for 8 hours. The film is then heated to 1200 ° C. within 5 hours. A flexible, blue-black film made of amorphous boron-P carbide and having a thickness of 20 μm is obtained.

Beispiel 5Example 5

Ein Schaumkörper aus Borcarbid läßt sich dadurch herstellen', daß die Lösung analog Beispiel 4 in einer Schicht von ca.A foam body made of boron carbide can be produced by applying the solution in a layer of approx.

1 cm Stärke in ein Porzellanschiffchen gebracht wird und unter Stickstoff bei einer Temperatur von 180° C 5 Stunden getrocknet wird. Die erhaltene glasige, durchsichtige, spröde Masse wird anschließend unter Stickstoff innerhalb1 cm thickness is placed in a porcelain boat and under nitrogen at a temperature of 180 ° C for 5 hours is dried. The resulting glassy, transparent, brittle mass is then inside nitrogen

2 Stunden auf 1200° C erhitzt. Dabei schäumen die entstehenden Pyrolysegase den Körper auf das 1Ofache seines ursprünglichen Volumens auf. Der erhaltene feinporigeHeated to 1200 ° C for 2 hours. The resulting foam foam Pyrolysis gases increase the body to 10 times its original volume. The fine-pored

P Schaumkörper aus Borcarbid ist in hervorragendem Maße für die Hochtemperaturisolation zu verwenden.P foam body made of boron carbide is excellent for high-temperature insulation.

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Claims (14)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Borcarbid oder Borcarbid-Kohlenstoff-Mischungen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung oder die Schmelze einer Bor-Wasserstoff-Verbindung und einer polymeren organischen, thermisch zu Kohlenstoff zersetzbaren Verbindung, gegebenenfalls unter Zusatz von Hilfsstoffen, zu entsprechenden Pormkörpern verarbeitet und diese anschließend unter Inertgas auf Temperaturen zwischen 800° C und 2350° C erhitzt.1. Process for the production of shaped bodies from boron carbide or boron carbide-carbon mixtures, characterized in that the solution or the melt of a boron-hydrogen compound and a polymeric organic compound thermally decomposable to carbon, optionally under Addition of auxiliaries to the corresponding porous bodies processed and then heated under inert gas to temperatures between 800 ° C and 2350 ° C. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Fasern ein Trockenspinnprozeß angewandt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a dry spinning process is used for the production of fibers will. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsstoffe gelöste linear polymere organische Substanzen mit Polymerisationsgraden über 10.000 verwendet werden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that dissolved linear polymeric organic substances as auxiliaries with degrees of polymerisation above 10,000 can be used. 4.· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die linear polymeren hochmolekularen Substanzen in einer Konzentration von 0,01 bis 2 Gew.-?6 verwendet werden.4. · The method according to claim 3, characterized in that the linear polymeric high molecular weight substances in one Concentration of 0.01 to 2 wt .-? 6 can be used. 5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als linear polymere hochmolekulare Substanzen Vinylpolymerisate und -Copolymerisate, Diolefinpolymerisäte, Polyäther, Polythioäther, Polyester, Polyamide und Polypeptide verwendet werden.5. The method according to claim 3 and 4, characterized in that the linear polymeric high molecular weight substances are vinyl polymers and copolymers, diolefin polymers, polyethers, Polythioethers, polyesters, polyamides and polypeptides are used will. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als linear polymere hochmolekulare Substanzen Polyäthylenoxid, Polypropylenoxid, Polyacrylamid, Acrylamid-Acrylsäure-Copolymerisate oder deren Salze, Polyisobutylen, Polymethylmethacrylat, Polyisopren und Polystyrol verwendet werden.6. The method according to claim 5, characterized in that the linear polymeric high molecular weight substances polyethylene oxide, Polypropylene oxide, polyacrylamide, acrylamide-acrylic acid copolymers or their salts, polyisobutylene, polymethyl methacrylate, polyisoprene and polystyrene can be used. Le A 13 701 - 13 - Le A 13 701 - 13 - 209844/1136209844/1136 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Borverbindungen Boranate verwendet werden, insbesondere Diammoniumdecaboranat, Diammoniumdode car boranat bzw. ihre Alkyl-, Allyl- und Ary!-Ammoniumverbindungen.7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that boranates are used as boron compounds, in particular Diammonium decaboranate, diammonium dodecarboranate or their alkyl, allyl and ary! Ammonium compounds. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoff liefernde organische Verbindungen solche verwendet werden, die keinen Sauerstoff im Molekül gebunden enthalten.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the carbon supplying organic Compounds used are those that do not contain any oxygen bound in the molecule. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß9. The method according to claim 8, characterized in that ^ ■ als Kohlenstoff liefernde organische Verbindungen Polyacryl- ^ nitril sowie seine Copolymere mit mindestens 85 % Polyacrylnitril oder Mischpolymerisate aus Polyacrylnitril mit Butadien oder mit Butadien und Styrol verwendet werden.^ ■ polyacrylonitrile and its copolymers with at least 85 % polyacrylonitrile or copolymers of polyacrylonitrile with butadiene or with butadiene and styrene are used as carbon-supplying organic compounds. 10. Verfahren nach Anspruch 7 und 9, .dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Borverbindung und der Kohlenstoff liefernden organischen Verbindung gelöst in Dimethylformamid versponnen wird.10. The method according to claim 7 and 9, characterized. that the mixture of the boron compound and the carbon-supplying organic compound dissolved in dimethylformamide is spun. 11. Pasern, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10.11. Paving, produced according to any one of claims 1 to 10. 12. Fasern mit einem Gehalt an12. Fibers containing ™ Bor von 78,3 bis 5 Gew.-% und Kohlenstoff von 21,7 bis 95 Gew.-96, wobei die Summe der Gew.-% Bor und Kohlenstoff mindestens 90 % beträgt.™ Boron from 78.3 to 5% by weight and carbon from 21.7 to 95% by weight, the sum of the% by weight boron and carbon being at least 90 % . 13. Verwendung der Fasern gemäß Anspruch 11 und 12 zu . Verstärkungs- und Isolierzwecken.13. Use of the fibers according to claim 11 and 12 to . Reinforcement and insulation purposes. 14. Formkörper, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis14. Shaped body produced according to one of claims 1 to Le A 13 701* - 14 - Le A 13 701* - 14 - 209844/1136209844/1136
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