DE2159987A1 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern

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Description

Patenrji.w-alt
Karl A. B r ο s e
Dipi.-I.-ig·
D-8023 München - Pullach
Wienerslr.2,I.Mdm.7930570.7931782
DBr/By München-Pullach, den 2.Dezember 1971
3119/GER
COAL INDUSTRY (PATENTS) LIMITED, Hobart House, Grosvenor Place, London S.W.1, England.
Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasern, Fäden und Folien, die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen.
Es ist bereits bekannt, Fasern, Fäden oder Folien, die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, dadurch herzustellen, dass bestimmte organische Stoffe, hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen bestehende, zum Formen einer Faser, eines Fadens oder einer Folie stranggepresst oder versponnen werden, die Faser, der Faden oder die Folie oxydiert wird, wodurch der Faden, die Fnser oder die Folie für eine Wärmebehandlung stabilisiert ist und die str-biliniorte Faser, Faden oder Folie anschliessend karbonisiert wird, wodurch eine im wesentlichen aus Kohlenstoff
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BAD ORIGINAL
bestehende Faser, Faden oder Folie gebildet wird.
In der Britischen Patentschrift 1 071 400 ist ein derartiges Verfahren beschrieben, wobei das organische Material, das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen besteht, durch einen Stoff gebildet ist, der einen geschmolzenen Zustand aufgrund eines Backvorganges in einer sauerstoffreien Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 300 und 500° C zeigt, wobei dieser organische Stoff aus der aus natürlichen oder synthetischen organischen Stoffen bestehenden Gruppe gewählt ist, die den erwähnten geschmolzenen Zustand als Ergebnis des Backvorganges gewährleistet. Beispiele der natürlichen oder synthetischen organischen Substanzen, die zur Verwendung bei dem Verfahren gemäss der Britischen Patentschrift 1 071 400 geeignet sein sollen, schliessen synthetische hochpolymere Stoffe, wie beispielsweise Polyvinylchlorid und Polyakrylonitril, natürliche organische Substanzen, wie beispielsweise Petroleumpech, Kohle und Kohlenpech und Peche und Teere ein, die durch Destillation oder Pyrolyse bei der Herstellung bestimmter organischer Verbindungen anfallen.
In der Britischen Patentschrift 1 091 890 ist ein dem in der Britischen Patentschrift 1 071 400 beschriebenen Verfahren ähnliches Verfahren beschrieben, bei dem das organische Material, das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen besteht, durch ein Pech oder eine pechähnliche Substanz gebildet ist, welche ein C/H-Atomverhältnis zwischen 0,85 und 1,60 und ein mittleres Molekulargewicht nicht unter 400 aufweist. Derartige Peche oder pechähnliche Stoffe können Erdölpeche, Steinkohlenteerpeche und Peche einschliessen, die als Nebenprodukte bei verschiedenen industriellen Verfahren anfallen. Peche, welche die erforderlichen Eigenschaften aufweisen, können durch Transformation anderer Peche, beispielsweise durch Erhitzen gegebenenfalls in der Anwesenheit von Zuschlagsstoffen wie beispielsweise organischer Halogenide, zum Beispiel Aluminiumtrichlorid oder organischer Peroxyde, beispielsweise Dikumylperoxyd, hergestellt werden.
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In der schwebenden deutschen Patentanmeldung P 20 42 194.7 ist ein dem vorangegangenen verwandtes Verfahren beschrieben, bei dem das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende organische Material durch eine Kohlelösung oder Kohleauszug gebildet ist. Durch den Ausdruck "Kohlelösung oder Kohleauszug" sollen diejenigen Erzeugnisse eingeschlossen sein, welche durch Behandlung von Kohlen mit aromatischen Lösungsmitteln hohen Siedepunktes hergestellt werden, jedoch können andere Lösungsmittel, beispielsweise Chloroform und Pyridin, gleichfalls verwendet werden. Durch den Ausdruck "aromatische Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt" sollen diejenigen Lösungsmittel eingeschlossen sein, die einen Siedepunkt oberhalb 200° C aufweisen und mindestens einen aromatischen Ring enthalten. Zweckdienliche Lösungsmittel schliessen polynukleare aromatische Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Phenanthren, ein und Mischungen aus Kohlenwasserstoffen mit hohem Siedepunkt, die aus Kohle hergestellt sind, sind insbesondere geeignet, wie beispielsweise die Anthrazenöle. Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anwendbar, wobei jedes organische Material, das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen besteht, verwendet wird. Es soll hervorgehoben werden, dass derartige Materialien einschliesslich Kohleauszügen und Kohlelösungen, Peche, pechähnliche Materialien und Teere, insbesondere wenn sie aus Kohle hergestellt sind, Verbindungen enthalten, die keine Kohlenwasserstoffe sind, insbesondere heterozyklische aromatische Verbindungen wie beispielsweise Pyridine, Pyrole und Derivative derselben mit verschmolzenen Ringen, und Phenole im allgemeinen in Gehalten unter 15% des Gesamtgewichtes des organischen Materiales. Um jeden Zweifel zu vermeiden, ist festzustellen, dass Materialien dieser Art, die Mengenanteile nicht kohlenwasserstoffartiger Stoffe enthalten, wie sie in Materialien der beschriebenen Art gefunden werden können, innerhalb der Erfindung als organische Materialien, die im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehen, aufgefasst werden sollen.
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In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung können Modifikationen des im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden organischen Materials Verwendung finden. Zuschlagsstoffe können mit dem im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden organischen Material gemischt werden und das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende organische Material kann dadurch hergestellt sein, dass ein in diese Klasse fallendes Material einer chemischen Behandlung unterzogen wurde.
In der schwebenden deutschen Patentanmeldung P 21 44 403.1 ist ein derartiges Verfahren beschrieben und beansprucht, bei dem als Zuschlagstoff zu dem im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden organischen Material zwischen 0,5 bis 20 Gewichts-% einer oder mehrerer Verbindungen Verwendung finden, die aus der Gruppe der Amine, Amide, Alkohole und Karboxylsäuren gewählt sind, welche mit dem organischen Material verträglich sind, keine aromatischen Gruppen aufweisen und mindestens 8 und vorzugsweise zwischen 12 bis 30 Kohlenstoffatome in ununterbrochener Kette enthalten.
In der schwebenden deutschen Patentanmeldung P 21 44 404.2 ist gleichfalls ein derartiges Verfahren beschrieben und beansprucht, in dem als Zuschlagstoff zu dem organischen, im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Material zwischen 0,05 bis 30 Gewichts-% ein Stoff verwendet wird, der aus einem oder mehreren Polymeren besteht, die mit dem organischen Material verträglich sind und mit diesem innig vermischt sind, vorausgesetzt dass das Polymer, falls aromatisch, ein Molekulargewicht oberhalb 5000 aufweist, was auf jeden Fall bevorzugt ist.
In der schwebenden deutschen Patentanmeldung P 21 44 336.3 ist eine Abwandlung der eingangs beschriebenen Verfahren beschrieben und beansprucht, bei dem anstelle mindestens eines
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Teiles des im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden organischen Materials ein modifiziertes organisches Material Verwendung findet, welches durch Reaktion eines aromatischen Kohlenwasserstoffmaterials mit mindestens zwei verschmolzenen Ringen mit einem Quervernetzungsmittel gebildet wird, wobei das Quervernetzungsmittel mindestens zwei Gruppen aufweist, die aus Gruppen gewählt sind, die mit den aromatischen Kohlenwasserstoffringen reagieren und diese substituieren.
Die vorliegende Erfindung befasst sich insbesondere mit dem Verfahrensschritt der Stabilisierung der im Vorangegangenen beschriebenen Verfahren. Es ist bekannt, die gesponnene oder stranggepresste Faser, Faden oder Folie zu oxydieren, wodurch die Faser, Faden oder Folie für eine Wärmebehandlung mittels molekularen Sauerstoff enthaltenden Gasen, beispielsweise Sauerstoff, Ozon und Luft, stabilisiert ist. Diese Art der Behandlung weist den Nachteil auf, dass die Oxydationsgeschwindigkeit vergleichsweise niedrig ist. Es wird angenommen, dass ein grösserer Anteil der Kosten von Kohlenstoff-Fasern, -Fäden und -Folien in den Kapitalkbsten der Heizeinrichtungen zu sehen ist, und es ist folglich von Vorteil, diese Kosten pro Ausstosseinheit zu minimieren, indem beispielsweise die Heizzeit verringert wird. Es wurde beispielsweise in einem anlässlich der achten Kohlekonferenz in Buffalo, New York, im Jahre 1967 ausgegebenen Aufsatz von T.Ishikawa undVfOior2sna?ary eine Pechfaser mit Chlor in der Dampfphase zu oxydieren und anschliessend in Luft,um die Faser für die weitere Wärmebehandlung unschmelzbar zu machen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass ein derartiges Verfahren vergleichsweise langsam ist und die Schwierigkeiten bei der Verwendung gasförmigen Chlors derart sind, dass es für ein wirtschaftliches Verfahren nicht ökonomisch ist.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses Problem zu lösen und ein Verfahren zu schaffen, bei dem kürzere Erwärmungs-
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zeiten zur Stabilisierung möglich sind.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, dass die gesponnene oder stranggepresste Faser, Faden oder Folie, die im wesentlichen aus dem organischen Material besteht, für die Wärmebehandlung stabilisiert wird, indem sie entweder in einer wässrigen Lösung von Brom oder in einer wässrigen Lösung von Salpetersäure, die mindestens 25%f vorzugsweise mindestens 40 Gewichts-% an HNO^ über mindestens eine ausreichende Zeit zur Stabilisierung der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie für eine Wärmebehandlung zur Reaktion gebracht wird. Die hierdurch stabilisierte Faser, Faden oder Folie kann, falls erforderlich, weiter noch für die Wärmebehandlung mittels Oxydation unter Verwendung eines oxydierenden Gases stabilisiert werden, vorzugsweise eines Gases, welches molekularen Sauerstoff enthält, wobei im allgemeinen bei erhöhter Temperatur gearbeitet wird.
Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens zur Stabilisierung ist es möglich, eine extrem schnelle Stabilisierung der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie, die aus dem organischen Material besteht, durchzuführen. Reaktionszeiten in der Grössenordnung von einer Sekunde oder sogar weniger können bei Umgebungstemperatur verwendet werden. Dies stellt einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil dar, da es hierdurch möglich ist, eine Art Fliessbandstabilisierung durchzuführen, ohne Vorrichtungen zu grosser Länge, Kompliziertheit oder Grosse zu verwenden. Es wird angenommen, dass eine derartig schnelle Stabilisierung unter Verwendung einer wässrigen Lösung und einer derartigen Temperatur für Salpetersäure und Brom spezifisch ist, mindestens derartige Stabilisierungsgeschwindigkeiten erreichbar sind, wie sie zuvor beschrieben wurden. Andere Oxydationsmittel, beispielsweise Wasserstoffperoxyd, Natriumhypochlorid und Schwefelsäure ergeben keine merkbare Stabilisierung in wässriger Lösung.
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Die Stabilisierungsgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab einschliesslich der Natur des organischen Materiales der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie, der Temperatur, bei der sie mit der wässrigen Lösung von Brom oder Salpetersäure behandelt wird und von der Konzentration der Lösung. Es soll hervorgehoben werden, dass der erforderliche Stabilisierungsgrad davon abhängt, ob eine weitere Stabilisierungsbehandlung erfolgen soll, und weiterhin von dem Grad der Wärmebehandlung, welcher die stabilisierte Faser, Faden oder Folie aushalten soll und bei der sie stabil bleiben soll. Es kann zweckdienlich sein, die durch die Behandlung nach der vorliegenden Erfindung stabilisierte Faser, Faden oder Folie weiter zu stabilisieren, indem sie mit Luft bei einer Temperatur zwischen 200° C und 300° C oxydiert wird. Diese Oxydation in Luft kann zweckdienlich über eine kurze Zeitspanne, beispielsweise unter 15 Minuten, erfolgen.
Es ist bekannt, dass Salpetersäure mit Kohle und ähnlichen Materialien unter Zersetzung der Kohle reagiert. Es wird angenommen, dass die Reaktion der Salpetersäure mit der Kohle ein Oberflächeneffekt ist, wobei die Salpetersäure unter bestimmten Umständen mit der Kohle heftig oder sogar explosionsartig reagiert. Falls zugelassen wird, dass die Salpetersäure über eine zu grosse Zeitspanne mit der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie aus dem organischen Material reagiert, kann die Salpetersäure mit der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie aus organischem Material in einer derartigen Weise reagieren, um deren Zersetzung zu bewirken. In dem Falle, in dem das organische Material eine Kohlelösung oder Kohleauszug der oben definierten Art ist, wird angenommen, dass die Salpetersäure mit der Kohlelösung oder dem Kohleauszug reagieren kann und die grossen Moleküle des Kohleauszugs oder der Kohlelösung spaltet, wodurch bewirkt wird, dass die Kohlelösung oder der Kohleauszug kleinere Moleküle enthält. Dies
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kann die Wirkung einer Verringerung der Festigkeit der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie aus Kohlelösung oder Kohleauszug oder der aus Kohlenstoff bestehenden Faser, Faden oder Folie, die hieraus hergestellt sind, bewirken. Folglich sollte eine Reaktion der gesponiHHi oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie, unabhängig ob sie aus Kohlelösung oder Kohleauszug oder einem anderen organischen Material besteht, mit der wässrigen Lösung von entweder Brom oder Salpetersäure, über eine derartige Zeitspanne nicht zugelassen werden, die die Eigenschaften der stabilisierten Faser, Faden oder Folie oder der hieraus hergestellten Kohlenstoff-Faser, -Faden oder -Folie nachteilig beeinflusst. Es soll hervorgehoben werden, dass die maximale Zeitspanne für die Behandlung der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie mit der wässrigen Lösung von Salpetersäure oder Brom unter anderem sowohl von der Konzentration der Salpetersäure oder Brom in der Lösung und der Temperatur als auch von der Grosse und Form der Faser, Faden oder Folie abhängt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger nicht einschränkender Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Eine Kohlelösung oder Kohleauszug wurde durch Behandlung eines Gewichtsteiles einer Kohle der National Coal Board-Kohleklassierungsstufe 702 mit einem Aschegehalt von 2,3 Gewichts-% auf trockener Basis mit fünf Gewichtsteilen Anthrazenöl bei 400°C in inerter Atmosphäre eine Stunde lang bei 520 kN/m hergestellt. Die Lösung oder der Auszug wurde danach gefiltert und das überschüssige Anthrazenöl bei ungefähr 3000C und 13 torr Druck abdestilliert, um einen Kohleauszug zu erhalten, der ungefähr gleiche Anteile an Anthrazenöl und Kohle enthält und
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einen Erweichungspunkt von 199 C (Ring und Kugel) aufweist. Die Kohlelösung oder Kohleauszug wurde bei 240°C durch ein 380 μ m-Gesenk bei einer Ziehgeschwindigkeit von 600 m/min versponnen, um eine Faser mit 30 ^m Durchmesser zu bilden. Abgeschnittene Längen dieser Faser wurden bei Umgebungstemperatur in eine aus 50 Gewichts-% Salpetersäure, (als HNO,) in Wasser bestehende Lösung eingetaucht (Temperatur ungefähr 20 C). Die Fasern wurden mit Wasser gewaschen und in einem senkrecht stehenden Ofen aufgehängt, in dem sie in Stickstoff auf ungefähr 2600C bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 300°C/Stunde erwärmt wurden. Nach Erreichen dieser Temperatur wurde der Stickstoff durch Sauerstoff 5 Minuten lang ersetzt. Die Fasern wurden dann in Stickstoff bei einer Geschwindigkeit von 80°C/ Stunde auf 10000C erhitzt und diese Temperatur eine Stunde lang gehalten. Dieses Verfahren erzeugte karbonisierte Fasern ohne dass die Fasern während der Erhitzung ungeachtet der hohen Erhitzungsgeschwindigkeiten geschmolzen wurden.
Beispiel 2 x
Eine Kohlelösung oder Kohleauszug wurde durch Behandlung eines Gewichtsteiles einer Kohle des National Coal Board-Gütekodes im Bereich zwischen 802 und 902 mit einem Aschegehalt von ungefähr 6,7 Gewichts-% auf trockener Basis, mit vier Teilen Anthrazenöl eine Stunde lang bei 4000C und einem Druck von 410 kN/m hergestellt. Die Kohlelösung oder Kohleauszug wurde gefiltert und das überschüssige Lösungsmittel bei bis zu 340°C und 20 torr abgedampft, um als Rückstand eine Lösung oder Auszug der Kohle zu ergeben, welcher ein Verhältnis von Kohle zu Anthazenöl von 56:44 und einen Erweichungspunkt von ungefähr 2290C (Ring und Kugel) aufwies. Die Kohlelösung oder Kohleauszug wurde bei 265°C durch ein 380 /Am-Gesenk mit einer Ziehgeschwindigkeit von 600 m/min versponnen, um eine Faser mit 30 um Durchmesser zu erzielen.
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Abgeschnittene Längen dieser Faser wurden in eine aus 0,5 Gewichts-96 Brom in Wasser bestehende Lösung bei Umgebungstemperatur eingetaucht. Die Fasern wurden mit Wasser gewaschen und in einem senkrecht stehenden Ofen aufgehängt, wo sie in inerter Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 50°C/Stunde auf 100O0C erhitzt wurden und diese Temperatur eine Stunde lang gehalten wurde. Dieses Verfahren erzeugte karbonisierte Fasern, ohne dass die Fasern ungeachtet der relativ hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten und dem Fehlen der Voroxydation schmolzen.
Beispiel 3
Ein Kohleauszug,der wie in Beispiel 2 hergestellt warde, wurde durch ein 380/am-Gesenk mit einer Ziehgeschwindigkeit zwischen 30 m/min und 75 m/min bei einer Spinntemperatur von ungefähr 285°C versponnen. Die gesponnene Faser wurde durch ein Bad von 0,25 m Länge geleitet, das eine 0,5 Gewichts-%-ige Lösung von Brom in Wasser enthielt und Umgebungstemperatur aufwies, wobei das Bad o,5 m unterhalb des Gesenkes angeordnet war. Die Faser wurde dann auf eine Spule aufgewickelt, mit Wasser gewaschen und trocknen gelassen. Abgeschnittene Längen der Faser wurden in Sauerstoff auf 23O0C mit einer Geschwindigkeit von 5°C/min und anschliessend in Stickstoff auf 10000C mit einer Geschwindigkeit von 50°C/Stunde erhitzt. Die Temperatur von 10000C wurde eine Stunde lang gehalten und die Fasern, die ohne zu schmelzen karbonisiert waren, wurden abkühlen gelassen. Die Kohlenstoff-Fasern wiesen die folgenden Eigenschaften auf:
Durchmesser (Bereich) 17//m - 26 //m Zugfestigkeit 0,7 GN/m2
Elastizitätsmodul 37 GN/m2
Ähnliche Fasern, die nicht mit der wässrigen Lösung von Brom behandelt waren, schmolzen während der Erwärmung bei diesen
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Geschwindigkeiten.
Sämtliche der in der Beschreibung erwähnten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.
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Claims (9)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Fasern, Fäden oder Folien, die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen", bei dem ein im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehendes organisches Material zum Formen einer Faser, Faden oder Folie aus dem organischen Material versponnen oder stranggepresst wird, die versponnene oder stranggepresste Faser, Faden oder Folie für eine Wärmebehandlung stabilisiert und die stabilisierte Faser, Faden oder Folie karbonisiert wird, wodurch eine Faser, Faden oder Folie, die im wesentlichen aus Kohlenstoffen besteht, hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet ύ dass die gesponnene oder stranggepresste Faser, Faden oder Folie für die Wärmebehandlung stabilisiert wird, indem sie entweder mit einer wässrigen Lösung von Chrom oder einer wässrigen Lösung von Salpetersäure, die mindestens 25 Gewichts-% von HNCU enthält, für mindestens eine zur Stabilisierung der gesponnenen oder stranggepressten Faser, Faden oder Folie für die Wärmebehandlung ausreichende Zeit zur Reaktion gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung von Salpetersäure mindestens 40 Gewichts-% an HNO3 enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stabilisierte Faser, Faden oder Folie für die Wärmebehandlung weiter stabilisiert wird, indem die stabilisierte Faser, Faden oder Folie mit einem oxydierenden Gas oxydiert wird.
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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oxydierende Gas molekularen Sauerstoff enthält.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende Material eine Kohlelösung oder Kohleauszug ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch-gekennzeichnet, dass das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende Material ein aus Kohle gewonnenes Pech oder Teer ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende Material ein Petroleumpech oder Bitumen oder Asphalt ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende organische Material ein Nebenprodukt-Pech, der in einem industriellen Verfahren durch Degradation hergestellt ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehende Material vor dem Spinnen oder Strangpressen des im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Materials mittels einer chemischen Behandlung modifiziert wird.
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