DE2221707A1

DE2221707A1 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern bzw. -faeden

Info

Publication number: DE2221707A1
Application number: DE19722221707
Authority: DE
Inventors: Romovacek George Richard
Original assignee: Koppers Co Inc
Current assignee: Beazer East Inc
Priority date: 1971-05-05
Filing date: 1972-05-04
Publication date: 1972-11-09
Also published as: JPS5312607B1; FR2135128A1; FR2135128B1; US4066737A

Description

PATENTANWÄLTE

dr. W. Schalk · dipl.-ing, P. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEI N HOLD ' DR. D. GUDEL

6 FRANKFURTAM MAIN GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

Oase 7OT387
Wd/CW 621

Koppers Company, Inc. Pittsburgh, Pa. 15219 U. S. A.

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern \)zvr, -fäden.

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Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlefasern (Kohlenstofffasern) und ein Verfahren zur Herstellung derselben aus flüssigen Fraktionen von Kohleteerdestillaten.

Kohlefasern sind seit 1880 bekannt, als Thoraas Edison als Erster eine Kohlefaser als Glühlampenfaden verwendete. Heutzutage werden Kohlefasern in andere Materialien, wie beispielsweise Metalle, Polymere,Kohlenstoff,Graphit, keramische Materialien und dergl., einverleibt, um mit Kohlefasern verstärkte Verbundstoffe mit verbesserten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften herzustellen. Derartige Verbundstoffe v/erden speziell in der gegenwärtigen Luft- bzw.RaumfahrtIndustrie als thermisch stabile Materialien und Abtragungsmaterialien (ablative materials') verwendet.

Es werden zwei grundsätzlich verschiedene Fäden aus Kohlenstoff hergestellt. Eine Art ist als Kohlefaser bekannt und wird durch Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Materialien bei relativ niedrigen Temperaturen (etwa 1 000⁰C) hergestellt, und die zweite Art ist als Graphitfaser bekannt und wird durch Erwärmen von Kohlefasern auf relativ hohe Temperaturen (etwa 2 500⁰C oder höher) hergestellt. Die Graphitfasern sind stärker als Kohlefasern. Graphitfasern besitzen eine Zugfestigkeit von etwa 17500 bis 35000 kg/cm und einen Elastizitätsmodul von etwa 3,5 bis 7,0 χ 10 kg/cm , und Kohlefasern besitzen eine Zugfestigkeit von etwa 5600 bis 11200 kg/cm und einen Elastizitätsmodul von etwa 42 bis 56 χ 10 kg/cm .

Kohlefasern sind bisher aus festen Materialien, wie z.B. aus Hochpolymeren, wie beispielsweise Polyvinylchlorid und Polyacrylnitril oder Niedrigpolymeren, wie beispielsweise Erdölpech, Kohle und Kohleteerpech hergestellt worden. In der Patentschrift. 3 392 216 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern beschrieben, wobei zuerst derartige Feststoffe in einer inerten Atmosphäre in Gegenwart eines inerten Gases auf eine Temperatur von etwa 300 bis 500 C erhitzt v/erden, dieser.

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Material dann auf Formgebungstemperatur unterhalb dieser anfänglichen Temperatur gebracht wird, um das Material zu einem stranggepreßten Faden zu verarbeiten, danach der stranggepreßte Faden mit einem Oxydationsgas bei Formgebungstemperatur oder darunter in Kontakt gebracht und schließlich der stranggepreßte Faden bei einer Temperatur über 500⁰C verkohlt wird.

Es wurde" nun überraschenderweise gefunden, daß Kohle- oder Graphitfasern aus einem anfänglich flüssigen Kohle-teerdestillat hergestellt werden können. Der Ausdruck "Kohle-teer" bezieht sich auf eine große Anzahl an schwarzen viskosen Flüssigkeiten, die bei der trockenen Destillation von Kohle erhalten werden. Der Ausdruck "Kohle-teerdestillat" betrifft Destillatsubstanzen, die bei der Destillation von Kohlenteer erhalten werden.

Es ist bekannt, daß die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Kohle-teer beträchtlich schwanken können, was von den Kohlenarten, von welchen sie sich ableiten, den Temperaturen, bei denen die Kohle verkohlt worden ist und dergl. abhängt. Auch können die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kohle -teerdestillate beträchtlich schwanken, was von dem Ursprung und der Natur des zu destillierenden Kohlenteers, der Temperatur, auf welche der Kohlenteer erhitzt worden ist, der Zeitdauer, während welcher der Kohle-teer Krack- oder Polymerisationsbedingu.ilgen ausgesetzt wird, dem Ausmaß an Druck, der während dem Destillation sverfahren aufrechterhalten wird und dergl. abhängt.

Heute werden überschüssige Mengen an Kohle-teerdestillaten und insbesondere an Kohle-teerdestillaten, die die Mittelöl- und Schwerölfraktionen darstellen, z.B. das Destillat des Kohleteers, der im Bereich von etwa 200 bis 400⁰C destilliert, hergestellt. Es treten folglich einige Schwierigkeiten hinsichtlich der wirtschaftlichen Ausnutzung oder Verwendung der überschüssigen Mengen derartiger Destillate auf.

Es sind Versuche unternommen worden, um die überschüssigen Mengen einiger Kohlenteerdestillate· noch wirtschaftlicher zu verwenden.

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Beispielsweise in der US-Patentschrift 3 304 191 wird die Verarbeitung eines aromatischen Restölrückstandes zu einem Bestandteil in einem Teerstraßenbelag und in der US-Patentschrift 3 304 191 die Verarbeitung eines aromatischen Restölrückstandes zu einem Bestandteil in Dachbelagsmaterial beschrieben.

Es wurde nun überraschenderweise ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern aus flüssigen aromatischen Destillaten gefunden. Die so hergestellten Kohlefasern besitzen Eigenschaften, die denjenigen der Kohlefasern, die aus kostspieligen Polymeren oder festen^Destillationsrückständen hergestellt worden sind, wobei letztere sich von Kohleteer oder Erdölquellen ableiten, entsprechen oder besser sind als diese.

Die vorliegende Erfindung betrifft Kohle- oder Graphitfasern und ein Verfahren zur Herstellung von Kohle- oder Graphitfasern aus einem aromatischen Kohleteerdestillat, bei dem das aromatische Kohle-teerdestillat mit einem elementaren Sauerstoff enthaltenden Gas bei Reaktionstei-iperaturen von etwa 250 bin 420⁰C in innigen Kontakt gebracht wird, bis das Destillat zu einer teerartigen Substanz, die nach darauffolgender Verkohlung bei Temperaturen über 800⁰C isotropen Kohlenstoff ergibt, umgewandelt wird, beispielsweise bis etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter an elementarem Sauerstoff mit 454 g des Destillats unter Bildung einer pechartigen Substanz umgesetzt wird, wonach aus der pechartigen Substanz ein Faden hergestellt und darm der Faden in einer inerten Atmosphäre auf Temperaturen über 800⁰C unter Bildung einer Kohlefaser erhitzt wird.

Die Zeichnung erläutert schematisch eine Ausführungsform einer zur erfindunesgernäßen Durchführung anzuwendenden Vorrichtung.

Erfindungsgemäß wird das ausgewählte aromatische Kohleteerdestillat von einer Substanz mit öliger Beschaffenheit zu einer Substanz mit pechartigen Eigenschaften umgewandelt, indem dus Destillat mit einem elementaren Sauerstoff enthaltenden Gas unter Reaktionsbedingungen bei erhöhten Temperaturen und bei Drückers

die ausreichen, die Verdampfung des Destillats bei den erhöhten Temperaturen zu unterdrücken^ bis sich das Destillat zu einer pechartigen Substanz verwandelt, die nach Verkohlung in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 800⁰C isotropen Kohlenstoff ergibt, in Kontakt gebracht wird; gewöhnlich werden mindestens etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter elementarer Sauerstoff mit 454 g des Destillats umgesetzt. Danach werden die niedrig-siedenden Bestandteile des oxydierten Destillats aus dem oxydierten Destillat abdestilliert. Die bei einer solchen Destillation zurückbleibende Substanz mit den pechartigen Eigenschaften wird zu einem Faden strangepreßt, und seine Tendenz, zu schmelzen oder zu sintern wird unterdrückt, sodaß der Faden seine Form bei nachfolgender Verkohlung beibehält. Der Faden "wird nachfolgend in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 800⁰C unter Bildung eines isotropen Kohlefadens verkohlt.

Die bevorzugten erfindungsgemäß zu verwendenden Destillate sind die Destillatöle, die einen Siedepunkt von etwa 200 bis 400⁰C besitzen und gewöhnlich die sogenannten leichten, mittleren und schweren Teerölfraktionen umfassen. Derartige Fraktionen sind leicht und wirtschaftlich aus einer Anzahl an Quellen" erhältlich. Die physikalischen Eigenschaften eines typischen aromatischen Destillats in dem ursprünglichen nicht-oxydierten Stadium und in einem oxydierten Stadium zur erfindungsgemäßen Verwendung sind in der Tabelle unten angegeben:

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Physikalische -Eigenschaften

Erweichungspunkt (Ring &

Kugel)

in 3enzol unlösl. Material in Chinolin unlösl. Material "Conradson CV."

Destillation (ASTM D246) AnfangsSiedepunkt Kumulatives Destillat bis 210⁰C bis 235⁰C.

bis 27O⁰C bis 315⁰C bis 355⁰C Rest über 355°C

Γ1 eir.entar analyse Kohlenstoff Wasserstoff Sauerstoff Schwefel

Aromatisches Destillat

Stickstoff

	Spuren
	Spuren
	2-5%
	etwa 200⁰C
	0 %
etwa	2,Λ%
etwa	12,6#
etwa	36,3%
etwa	80,2#
etwa	19,296

Oxydiertes aromatisches Destillat

etwa 80 -120⁰C

etwa 20,0- 40,0Gew.-%

etwa 0,3- O,5Gew.-96

etwa 30 - 50 Gew. -%

etwa 3,3%
etwa 38,2%
etwa 55,0-70,0%

etwa 89,0-94,0 Gew.-96 etwa 90,0-92,0 Gew.-%

etwa 4.0- 7,0 Gew.-% etwa 4,0- 5,0 Gew.-^

etwa 1,0- 2,0 Gew.-% etwa 2,0- 4,0 Gew.-96

etwa 0,2- 0,8 Gew.-96 etwa 0,2- 0,6 Gew.-96

etwa 1,0- 2,5 Gew.-96 etwa 1,0- 1,5 Gew.-%

Luft ist das bevorzugte sauerstoff haltige Gas, das zum erfindungsgemäßen Kontakt mit dem Kohleteerdestillat verwendet wird.'

Man nimmt an, daß die Grenzmenge an elementarem Sauerstoff, der sich mit dem Kohleteerdestillat unter Bildung der pechartigen Substanz umsetzt, ein wichtiges Merkmal der Erfindung darstellt. Es ist gefunden worden, daß ein Minimum von etwa 0,0142 Normal-Kubikmetern an elementarem Sauerstoff pro 454 g Kohleteerdestillat bei der Kontaktreaktion mit dem Kohleteerdestillat umgesetzt werden sollte, um eine pechartige Substanz,.die einen zufriedenstellenden Vorläufer zur Herstellung von isotropem Kohlenstoff darstellt, herzustellen. Bei einer Reaktion von weniger als etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter Sauerstoff pro 454 g Destillat führt das entstandene Produkt nach darauffolgender Verkohlung zu anisotropem Kohlenstoff, und ein derartiges Produkt schmilzt bevor es sich thermisch zersetzt. Solche Produkte können daher ihre Form bei nachfolgender Verkohlung nicht beibehalten. Wenn das aromatische Destillat mit dem Minimum von etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter umgesetzt worden ist, ergibt das entstandene Produkt bei nachfolgender Verkohlung isotropen Kohlenstoff, und ein solches Produkt zersetzt sich thermisch bevor es schmilzt. Der Verbrauch an elementarem Sauerstoff wird zweckmäßig als Sauerstoffbilanz gemessen, d.h. die Differenz der Menge an elementarem Sauerstoff, mit welcher das Kohleteerdestillat beschickt worden ist, und der Menge an elementarem Sauerstoff, die von dem Kohleteerdestillat wieder abgegeben wird.

Boi der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Luft gleichmäßig in dem gesamten aromatischen Destillat dispergiert, indem Luft bei Temperaturen von etwa 250 bis 420⁰C in das aromatische" Destillat geblasen wird; der bevorzugte Temperaturbereich liegt jedoch zwischen etwa 350 und 37O°C. Bei diesem bevorzugten Temperaturbereich ist die Geschwindigkeit der Umsetzuuf: von eXepentarcm Sauerstoff mit dem aromatischen Destillat so schnell, daß die Konzentration des in den Abgasen zurückbleibenden Sauerstoffs unter der unteren Explosionsgrenze der Abgase, die mit den Kohlenwasserstoffdämpfen gesättigt sind, ge-

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halten werden kann. Um die Verdampfung des aromatischen Destillats bei diesen Temperaturen zu unterdrücken, sollte das Einblasen von Luft unter Druck, vorzugsweise etwa mit 5,6 bis 7 kg/cm , durchgeführt werden. Die Luft sollte in dem gesamten aromatischen Destillat in einer feinen und innigen Dispersion dispergiert werden, um eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen.

Nach dem erfindungsgemäßen Jnkontaktbringen der Luft mit dem aromatischen Destillat verändert das aromatische Destillat seinen Charakter von einer öligen Flüssigkeit^ feu einer pechartigen Substanz. "Die pechartige Substanz besitz¹! physikalische Eigenschaften, die sie zu einem guten Vorläufer fmr rf#rstellung von isotropem Kohlenstoff machen. Typische Eigenschaften der pechartigen Substanz sind in der Tabelle oben ingegeben. Das aromatische Destillat besitzt ursprünglich Spüren βη in Benzol unlöslichem Material, aber nachdem ·8 töit Sauerstoff in Kontakt gebracht worden ist, nimmt das in Benzol,Unlöiliehe Material zu.

Auf welche Weise das flüssige aromatische j)estillat zu einer pechartigen Substanz umgewandelt Wirc^ Hann nicht eindeutig erklärt werden. Man nimmt jedoch an, daß jfter Sauerstoff die Bildung der freien Radikale aus Kohlenwasserstoffmolekülen anstößt, wobei das MolekulargewicRt dee aromatischen Destillats vergrössert wird. Fast der gesamte Sauerstoff, der sich mit dem aromatischen Destillat umgesetzt hat* entweicht nachfolgend von diesem in den Abgasen als Wasserdampf, wobei Jedoch ein Teil des Sauerstoffs in der hochmolekularen pechartigen Substanz verbleibt, wodurch die Graphitbildung der pechartigen Substanz verhindert wird, wenn sie in einer inerten Atmosphäre pyrolysiert wird.

In den meisten Fällen umfaßt das rohe oxydierte aromatische Destillat einen Hauptanteil an relativ hoher siedenden oxydierten Bestandteilen und einen kleineren .Anteil an relativ niedrig siedenden nicht-oxydierten Bestandteilen. Es ist notwendig, daß diese niedriger siedenden Bestandteile aus dem rohen oxydierten aromatischen Destillat, vorzugsweise durch herkömmliche Destil-

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lationsmethoden, entfernt werden, um die Viskosität und den Erweichungspunkt des oxydierten aromatischen Destillats zu erhöhen, sodaß es nachfolgend ohne Schwierigkeit verarbeitet werden kann. . .

Der Erweichungspunkt ("cube in air") des destillierten oxydierten Destillats sollte nach der Destillation etwa 100 bis 200⁰C betragen. Wenn aber der Erweichungspunkt über 200⁰C liegt, darin ist das destillierte oxydierte aromatische Destillat für nachfolgende Formbehandlungen zu starr und steif.

Das oxydierte aromatische Destillat oder die pechartige Substanz wird dann zu einem Faden oder einer Faser geformt, indem das oxydierte aromatische Destillat durch eine Spinndüse oder Buchse ("bushing") mit einer großen Anzahl an Formaus- \ trittsöffnungen bei Temperaturen von etwa 120 bis 300⁰C Stranggepreßt wird. Die Temperatur des oxydierten aromatischen Destillats wird gewöhnlich etv/a 50⁰C über seinem Erweichungspunkt gehalten, sodaß das oxydierte aromatische Destillat gute Spinneigenschaften besitzt. Vorzugsweise werden die Fäden von jeder AustrittsÖffnung gesammelt und sind mit einer Hochgeschwindigkeitsaufwicklungsvorrichtung verbunden, die die Fäden durch die Spinndüse zieht und die Fäden auf eine Spule, die von der Aufwicklungsvorrichtung getragen wird, aufgewickelt. Folglich stehen die Fäden unter einer Zugbeanspruchung, und diese Zugbeanspruchung vermindert den Fadendurchmesser zu einem Durchmesser, der viel kleiner ist als der Durchmesser der Austrittsöffnungen. Der Durchmesser der Fasern kann daher durch Regelung der Temperaturen des oxydierten aromatischen Destillats, der Größe der AustrittsÖffnung der Spinndüse und der Geschwindigkeit, mit welcher die Fasern von der Aufwicklungsvorrichtung aus den AustrittsÖffnungen gezogen werden, genau eingestellt werden.

Nachdem das oxydierte aromatische Destillat zu einem Faden goformt worden ist, sollte es so behandelt werden, daß es seine Form nach darauffolgender Verkohlung beibehält. Dazu wird der ·

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Erweichungspunkt der behandelten Oberfläche des Fadens erhöht,indem direkt auf die Oberfläche des Fadens ein Gas, vorzugsweise ein relativ heißer Luftstrom mit einer Temperatur von etwa 130 bis 15O⁰C, geleitet wird. Vorzugsweise umströmt das Gas den Faden, da man annimmt, daß der heiße Luftstrom, der auf die Oberfläche. . des Fadens geleitet wird, von der Oberfläche sämtliche daran enthaltenen Bestandteile mit niedrigerem Siedepunkt mechanisch entfernt und die Bildung der freien Radikale anstößt, was bereits oben beschrieben wurde, die sich mit anderen Kohlenwasserstoffmolekülen in dem Faden umsetzen, und die Menge des in dem Faden eingebauten Sauerstoffs vergrößert.

Die Fasern werden durch Erhitzen auf mindestens etwa 80O⁰C in einer inerten Atmosphäre während eines kurzen Zeitraums verkohlt. Die so verkohlten Fasern besitzen physikalische Eigenschaften, die sie für die oben beschriebenen Anwendungsbereiche wertvoll machen. Typische Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Kohlefasern sind;

Durchmesser 5-15 Mikron

Dehnung beim Bruch 1,2-2,0%

Elastizitätsmodul 42-48 χ 10^ kg/cm²

Zugfestigkeit 7000-12600 kg/cm²

Elementaranalyse Kohlenstoff Wasserstoff Sauerstoff Schwefel Stickstoff

Es sollte beachtet werden, daß die so hergestellten Kohlcfasern keinen graphitischen Kohlenstoff enthalten. Sind graphitische Fasern gewünscht, so sollten die Kohlefasefn bei Temperaturen von etwa 2500-3000 C, vorzugsweise unter Belast-ungDbedi']>;un£en, wärmebehandelt werden. Der Grund hierfür besteht darin, elf;!': -wenn das oxydierte aromatische Destillat bei Temperaturen unto;¹ etwa 1100-1200⁰C verkohlt wird - der darin verbliebene Sautrr-

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	93,	0-97,	0%
	0,	2- 0,	6%
	2,	5- 4,	0%
unter		0,6%
unter		0.296

stoff die Kohlenstoffmoleküle davon abhält, Graphit zu bilden. Wenn das Erhitzen der Kohlefasern mit Temperaturen in der Grössenordnung von etwa 2500-3000⁰C fortgesetzt wird und vorzugsweise, wenn die Kohlefasern gleichzeitig Belastungsbedingungen unterworfen werden, kann eine Graphitstruktur gebildet werden,-da der darin verbliebene Sauerstoff unter diesen extremen Bedingungen entfernt wird.

Die Zeichnung stellt eine Vorrichtung dar, die bei der Durchführung der Erfindung angewendet wird. Die Vorrichtung umfaßt in der Hauptsache einen Vorerhitzer 11, einen Druckkessel 13, eine Destillationseinheit 15, eine Faden- oder Faserstrangpresse 17 und eine AufWicklungsvorrichtung 19»

Der Vorerhitzer 11 ist eine übliche Vorrichtung, die das rohe aromatische Destillat auf eine Temperatur von etwa 250 bis 400°i bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorerhitzt.

Der Kessel 13 ist ein üblicher Drucktank. Der Vorerhitzer 11 ist mit dem Boden des Kessels 13 durch eine Leitung 21 verbunden. Der Kessel 13 ist am Boden durch eine Leitung 23( wie es in der Zeichnung abgebildet ist) mit einer Luftquelle verbunden. Der Luftstrom gelangt durch Leitung 23 in den Kessel und wird durch einen Regler 25 und ein Ventil 27 geregelt.

Am Oberteil des Kessels 13 führt eine Leitung 29 die Abgase aus dem Kessel 13 in einen Wärmeaustauscher 31, und derartige Gase werden gegebenenfalls durch ein Ventil 33 in die Atmosphäre entlassen. Ein Sauerstoffanalysator 35 bestimmt die Konzentration des elementaren Sauerstoffe in den Abgasen, die durch die Leitung 29 gelangen, sodaß Explosionsbedingungen in dem Kessel 13 vermieden werden. Der Kessel 13 besitzt eine übliche Tcinperaturmeßvorrichtung 37 und eine übliche Druckmeßvorrichtung zur Aufzeichnung der Temperatur und des Drucks in dem Kessel

Am Boden des·Kessels 13 befindet sich eine Leitung 41 und ein Ventil 43 zum Abziehen des oxydierten aromatischen Destillats

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aus dem Kessel 13. Das oxydierte aromatische Destillat wird einem Lagerungskessel 45 und nachfolgend der Destillationseinheit 15 zugeführt. Der Erweichungspunkt des rohen oxydierten aromatischen Destillats wird durch übliche Destillation in Einheit 15 auf etwa 100 bis 200⁰C eingestellt. Die Destillate v/erden aus der Einheit abgezogen und, wie beschrieben, rückgeführt, und der Rückstand von einer solchen Destillation wird in einer Strangpresse 17 weiter verarbeitet.

Die Strangpresse 17 enthält eine Vorrichtung, z.B. einen elektrischen Ofen (nicht gezeigt^ zum Erhitzen und Aufrechterhalten der Temperatur des oxydierten aromatischen Destillats auf etwa 120 bis 300⁰C. Am Boden der Strangpresse 17 ist eine übliche Spinndüse 51 mit mindestens einer, und vorzugsweise einer grossen Anzahl an Austrittsöffnungen mit einem Durchmesser von etwa 500 Mikron, durch welche das oxydierte aromatische Destillat unter Bildung des Fadens F stranggopreßt wird, vorgesehen. Die Strangpresse umfaßt eine übliche Temperaturmeßvorrichtung 53 und eine übliche Druckmeßvorrichtung 55 zur Aufzeichnung der Temperatur und des Drucks in der Strangpresse. Eine Druckerzeugungsvorrichtung 57 steht mit der Strangpresse durch eine Leitung 59 zur Schaffung des Drucks,der zum Strangpressen des oxydierten aromatischen Destillats durch die Spinndüse 51 benötigt wird, in Verbindung. Vorzugsweise steht die Druckerzeugungsvorrichtung unter dem Druck von Stickstoffges.

Unter der Strangpresse 17'ist eine Aufwicklungsvorrichtung 19, die eine Spule 61 und einen Motor 63 zum Drehen der Spule 61'umfaßt, vorgesehen. Der Faden F wird auf die Spule 61 aufgewickelt. wie es gezeigt wird.

Erfindungsgemäß wird ein aromatisches Destillat in dem Vorerhitzer 11 erhalten uiid auf eine; Temperatur von etwa 350 bis 370⁰C in diesem erhitzt, und nachfolgend wird der Kessel 13 durch die Leitung 21 (siehe Zeichnung) damit beschickt. Der Druck in dem Kessel wird auf etwa 6 bis 7 kg/cm" erhöht, was ausreicht, die Verdampfung des aromatischen Destillats bei seiner erhöhten Temperatur zu unterdrücken. Luft wird in den Boden des Kessels 1.·;

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durch eine Leitung 23 in eine große Anzahl von Öffnungen (nicht in der Zeichnung abgebildet) eingeleitet, um ein inniges Vermischen der Luft mit dem aromatischen Destillat zu gewährleisten. Der Luftstrom in den Kessel wird durch einen Flußregler 25 bei einer bevorzugten Geschwindigkeit von etwa 0,0056-0,0708 Normal-Kubikmeter Luft pro Stunde pro Gramm Destillat eingestellt. Wenn Luft in das Destillat am Boden des Kessels einströmt, perlt es aufwärts durch das Destillat und wandelt es zu einer pechartigen Substanz um. Die Gase aus dem Kessel 13 gelangen durch die Leitung 29 und strömen in den Wärmeaustauscher 31, wo sie' abgekühlt werden^und von da zu dem Analysator 35, wo sie auf ihren Sauerstoffgehalt hin analysiert werden. Die Konzentration des Sauerstoffs in den Gasen sollte bei Werten unterhalb der Explosionsgrenze in dem Kessel 13 gehalten werden. Wenn Luft aufwärts durch das aromatische Destillat in dem Kessel perlt, nimmt seine Viskosität mit der Zeit zu, und die Menge an in Benzol unlöslichen Materialien in dem aromatischen Destillat wächst auch mit der Zeit an. Wenn die Viskosität des aromatischen Destillats etwa 10 Saybolt-Sekunden bei 100⁰C erreicht, und die in Benzol unlöslichen Materialien etwa 30,0 Gew.-% erreichen, ist das aromatische Destillat zu einer pechartigen Substanz, die einen geeigneten Vorläufer zur Herstellung von isotropen Kohlefasern darstellt, umgewandelt worden. In der Praxis ist jedoch die Menge an verbrauchtem Sauerstoff der entscheidende Faktor, ob das aromatische Destillat genügend behandelt worden ist. Wenn 0,0142 Normal-Kubikmeter elementarer Sauerstoff pro Gramm Destillat verbraucht worden sind, wird der Luftstrom durch das Ventil 27 unterbrochen, und der Druck wird in dem Kessel 13 durch das Ventil 33 vermindert. Der Inhalt des Kessels wird durch Leitung 41 in einen Lagerungskessel 45 entleert und danach in die Destillationseinheit, v/o die niedriger siedenden Bestandteile entfernt werden, und man erhält .einen Rückstand, der den gewünschten Erweichungspunkt besitzt.

Beim Strangpressen der Fäden (F) in der Zeichnung wird das oxydierte aromatische Destillat durch die Austrittsöffnung der Spinndüse 51 stranggepreßt. Zu Beginn des Betriebs wird das

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Ende des Fadens an der Spule 61 befestigt. Beim Betrieb dreht der Motor 63 die Spule 61 mit einer solchen Geschwindigkeit, daß der Faden im Querschnitt durch Zug von 500 Mikron - Größe des Fadens am Anfang - auf 10 bis 15 Mikron reduziert wird.

Nachfolgend wird die Spule 61 von der Aufwicklungsvorrichtung entfernt; die Fäden auf der Spule werden mit heißer Luft in Beerührung gebracht und danach bei Temperaturen über 800⁰C verkohlt. Die entstandene verkohlte Faden ist unschmelzbar, leuchtend schwarz, hart und besitzen im allgemeinen die Eigenschaften, wie sie in der Tabelle oben angegeben worden sind.

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Claims

Patentans pr ü c h e

1." Verfahren zur Herstellung von Kohlefaden "bzw. -fasern aus einem aromatischen Destillat, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:

a) inniges Inkontaktbringen des Destillats mit einem elementaren Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer Temperatur von etwa 250 bis 420⁰C bis das Destillat zu einem pechartigen Material umgewandelt wurde, das nach Verkohlung bei Temperaturen über etwa 80O⁰C isotropen Koh- . lenstoff ergibt; .

b) Bildung einer Faser bzw. eines Fadens aus diesem pech- ■ artigen Material und

c) Verkohlung des Fadens des Fadens bzw. der Faser bei Temperaturen über etwa 800⁰C.

2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Destillat mit dem Gas in Kontakt gebracht wird bis wenigstens etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter (0,5 scf) an elementarem Sauerstoff je 454 g an Destillat verbraucht worden ist.

3· Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß als Destillat ein solches mit einem Siedepunkt von etwa 200 bis 400⁰C eingesetzt \tfird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als elementaren Sauerstoff enthaltendes Gas Luft verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Graphitfäden bzw.- fasern auf eine Temperatur über etwa 2 500⁰C erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Behandlung des Destillats mit dem elementaren Sauerstoff enthalten Gas pechartige Substanz destilliert wird, um ihr einen geeigneten ,Erweichungspunkt und eine geeignete Vis-

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kosität zu vermitteln, ironach sie zur Herstellung eines Fadens vorzugsweise durch eine Spinndüse bei einer Temperatur von etwa bis 280⁰G 'stranggepreßt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweichungspunkt der destillierten Substanz auf etwa 100 bis 200⁰C gebracht wird.

8. Isotrope Kohlefasern bzw. -fäden, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen bestehen aus:

etwa 93,0 - 97,0 <fo Kohlenstoff

etwa 0,2 - 0,6 <fo Wasserstoff

etwa 2,5 - 4,0 56 Sauerstoff

weniger als 0,6 fo Schwefel

weniger-als 0,2 # Stickstoff

und die folgenden physikalischen Eigenschaften aufweisen:

Durchmesser etwa 5 Mikron oder größer

. Dehnung beim Bruch etwa 1,2 - 2,0 $

Elastizitätsmodul . etw_n 42 - 48 χ ΙΟ⁴ kg/cm²

Zugfestigkeit " ' etwa 7.000 - 12.600 kg/cm

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