DE2253898B2 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffäden - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffäden

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Description

Von Umgebungstemperatur Ws 250QC
Von 250 bis
7000C
Von 700 bis 10000C
in Anwesenheit mit von
Luft
in Anwesenheit von
Stickstoff mit
ohne Sauerstoff
in Gegenwart
von Stickstoff
mit ohne
Sauerstoff
0,5°C/min, d, h.
7,5 h
0,5°C/min, d, h.
15 h
2°C/min, d, h. 2,5 h
insgesamt: 25 h
Anschließend wurde der Ofen natürlich abkühlen gelassen. Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Kohlenstoffäden wurden mit Hilfe eines Instron-Prüfgeräles unter den folgenden Bedingungen gemessen:
Länge des Probestückes 50 mm
Ziehgeschwindigkeit 0,05 cm/min
Dabei wurde eine mittlere Zugfestigkeit von 64 kg/mm2 und ein Youngscher Modul von 4000 kg/ mm2 für einen mittleren Durchmesser von 13,3 μπι gemessen.
Diese Werte sind Mittelwerte aus 100 Messungen, welche an verschiedenen Fäden durchgeführt wurden. Die Gesamiausbeute der die Filtration, das Befreien von flüchtigen Stoffen, dac Versonnen, die Oxidation und die Verkohlung umfassenden Arbeitsgänge betrug 65%.
Vergleich:
Die Arbeitsbedingungen des Beispiels 1 wurden wiederholt, doch enthielt das Teerpech in diesem Fall keinerlei Zusatz.
Die Spinntemperatur betrug 23O0C.
An den Kohlenstoffäden wurde eine mittlere Zugfestigkeit von 25 kg/mm2 und ein mittlerer Youngscher Modul von 2800 kg/mm2 bei einem mittleren Durchmesser von 20,48 μιη gemessen.
Beispiel 2
Die Arbeitsbedingungen waren identisch mit denen aus Beispiel 1, nur wurde das Phenolformaldehydharz durch ein nicht vernetztes Polyesterharz in Styrollösung ersetzt; der Polyester war ein Polypropylenglykolmaleat.
Die SpinntemperatUT betrug 275" C,
An den Kohlenstoffaden wurde eine mittlere Zugfestigkeit von 40 kg/mm* und ein mittlerer Youngscher Modul von 3000 kg/mm" bei einem mittleren Durchmesser von 15,25 μπι gemessen.
Beispiel 3
no Die Arbeitsbedingungen waren identisch mit denen aus Beispiel 1, nur wurde das Phenolfoimaldehydharz durch ein nicht vernetztes Polyesterharz in Styrollösung ersetzt; das Polyesterharz war ein Gemisch 3US Polypropylenglykolmaleat und Polydiäthylen glykolmaleat
Die Spinntemperatur betrug 2700C. An den Kohlenstoffäden wurde eine mittlere Zugfestigkeit von 48 kg/mm2 und ein miUierci Youngscher Modul von 4000 kg/mm2 bei einem mittleren Durch-
ao messer von 17,37 μηι gemessen.
Beispiel 4
Die Arbeitsbedingungen waren identisch mit denen
aus Beispiel 1, nur wurde das Phenolformaldehydharz
s; durch ein nicht vernetztes Polyesterharz in Styrollösung ersetzt; das PolyeKterharz war ein Gemisch aus PoIydiäthylenglykolmaleat und Polydiäthylenglykoladipat.
Die Spinntemperatur betrug 2700C.
An den Kohlenstoffäden wurde eine mittlere Zugfestigkeit von 36 kg/mm2 und ein mittlerer Youngscher Modul von 3800 kg/mm2 bei einem mittleren Durchmesser von 17,16 μιη gemessen.
Beispiel 5
Es wird nach der im Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise verfahren, wobei man jedoch 10% eines Epoxyharzes zusetzt. Man erhält Fäden mit einer mittleren Zugfestigkeit von 40 kg/mm2 und einem mittleren Youngschen Modul von 4000 kg/mm2.
Ύ~ Beispiele
Es wird die im Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wiederholt, wobei 10% Polyoxymethylen zugesetzt werden. Die einzige Ausnahme besteht darin, daß die ♦5 Verspinnungstemperatur auf 2700C eingestellt wird. Die erhaltenen Fäden besitzen eine mittlere Zugfestigkeit von 41 kg/mm2 sowie einen mittleren Youngschen Modul von 3500 kg/mm8.

Claims (3)

1 2 auf Orund dar eingesetzten Ausgajigsmaterialien Patentansprüche: relativ teuer sind. v . . Gemäß dem Verfahren der Erfindung setzt man
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- diesen stark aromalischen Teerpechen während oder fäden aus einem stark aromatischen Destillations- S vor der thermischen Behändlungsphase, die dem Verrückstand, wie Steinkohlenteerpech, wobei man spinnen vorausgeht, ein sauerstoffhaltiges Polymerisat den Destillationsrückstand einer thermischen Be- zu. Unter den Polymeren, die gute Ergebnisse gezeigt handlung bei mäßiger Temperatur unterwirft, haben, lassen sich die Phenolformaldehydbarze, insdann das so behandelte Produkt verspinnt und die besondere die Harze der ersten Kondensationsstufe, erhaltenen Fäden einer Oxidation und dann einer io wie die Novolake, die Polyester usw. nennen.
Verkohlung unterwirft, dadurch gekenn- Gemäß einer Variante des Verfahrens erhitzt man zeichnet, daß-man dem Ausgangsmaterial das lediglich filtrierte, stark aromatische Teerpech vor oder während der thermischen Behandlungs- unter solchen Temperatur-, Zeit- und Rührbedingunphase, die dem Verspinnen vorangeht, ein sauer- gen, daß das erhaltene Material nur wenig oder gar kein stoffhaltiges Polymerisat zusetzt. ' 15 anisotropes Material enthält. Die Anwesenheit eines
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- solchen anisotropen Materials kann leicht durch kennzeichnet, daß man als sauerstoffhaltiges Poly- Prüfung im optischen Mikroskop im polarisierten merisat ein Phenol-Formaldehydpolymerisat vom Licht nachgewiesen werden (s. M. I h η a t ο w i c z, Novolaktyp oder einen Polyester verwendet. P. C hie he, J. De du it, S. Pregermain
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ao und R. Tournant, Carbon 4 [1966], S. 41). kennzeichnet, daß man die thermische Behandlung, Diese thermische Behandlung kann in einem mit die dem Verspinnen vorausgeht, vor dem Auftreten einem Rührwerk und Gasspülung ausgestatteten der anisotropen Phase oder zu Beginn des Auf- Reaktionsgefäß durchgeführt werden.
tretens der anisotropen Phase abbricht. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt Fäden,
35 welche Eigenschaften derselben Art aufweisen, wie sie nach dem Verfahren gemäß der DT-OS 2 124 636
der Anmelderin erhalten werden. Jedoch kann das
Verspinnen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer wesentlich erhöhten Temperatur durch-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung 30 geführt werden, wobei die späteren Verfahrensschritte von Kofclenstoffäden aus Steinkohlenteerpech oder in starkem Maße erleichtert werden,
anderen stark aromatischen Destillationsrückständen. Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele
Man hat bereits ICohlenstoffäden mit ausgezeichne- näher erläutert,
ten mechanischen Eigenschaften durch Oxidation und Beispiel 1
thermische Umwandlung von Fäden organischer 35 . rr , ., . , ,, ,
Polymerer, wie beispielsweise Polyacrylnitril und Es wurde ein Hochtemperatur-Stemkohlenteerpech
Kunstseide, erhalten. Auf Grund der Kosten der Aus- mit den foteenden Kenndaten eingesetzt:
gangsmaterialien und der geringen Kostenstoff ausbeute Kraemer-Sarnow-Punkt 8O0C
haben die so erhaltenen Fäden jedoch einen hohen Dichte 1,32 g/cm3
Selbstkostenpreis. Man hat auch Fäden aus Stein- 40 Flüchtige Anteile (nach der Norm
kohlenteerpech erhalten, indem man das Teerpech ATIC-02-60) 64,3%
einer thermischen Behandlung bei mäßiger Temperatur Elementaranalyse in Gewichtsprozent
und gegebenenfalls anderen Behandlungen oder Kondi- ν ui tt
tionierungen unterworfen und dann das so behandelte w° °ff ?'!
Teerpech bei einer Temperatur in der Größenordnung 45 Wasserstoff 4,5
von 300° C zu Fäden versponnen hat. Die so erhaltenen ^"erstoff ^i
Fäden wurden einer Oxidation unterworfen, um sie Stickstoff 0,7
unschmelzbar zu machen, und dann an der Luft Schwefel U,4
verkohlt. Diese Verfahren liefern jedoch Fäden von Dieses Teerpech war zuvor bei 19O0C über ein
einer Qualität, die derjenigen der aus Textilfaden 50 Bronzefilter mit einer mittleren Porenöffnung von erhaltenen Fäden sehr unterlegen ist. 2 μπι filtriert worden, um die natürlich enthaltenen,
Die vorliegende Erfindung umfaßt nun ein Ver- festen und pseudofesten Teilchen abzutrennen,
fahren, das es erlaubt, die Qualitäten der aus einem Zu diesem Teerpech werden 10 Gewichtsprozent
Steinkohlenteerpech oder einer stark aromatischen, eines Novolakharzes, welches durch Reaktion von dem Steinkohlenteerpech ähnlichen Substanz erhal- 55 Phenol mit Formaldehyd in saurem Medium erhalten tenen Fäden zu verbessern. wurde, zugesetzt, wobei dieses Harz ein mittleres
In der DT-OS 1 948 415 wird ein Verfahren zur Molekulargewicht von 500 bis 700 und einen Tropf-Herstellung von Kohlenstoffasern beschrieben, welches punkt von 78 bis 8O0C besaß, dann wurde das Gemisch darin besteht, daß ein verschmelzbares Harz herge- auf 4070C unter konstantem Rühren bei einer Ergestellt wird, das im wesentlichen aus einem Novolak 60 hitzungsgeschwindigkeit von 2,2°C/min gebracht. Die besteht, worauf das Harz zum Schmelzen gebracht sich entwickelnden flüchtigen Stoffe wurden mit einem wird und Fasern aus ihm gezogen werden. Diese Stickstoffstrom bei einem Durchsatz von 1 l/min Fasern werden ausgehärtet und durch einen Ofen mitgenommen.
Kit einer nicht oxydierenden Atmosphäre geleitet, Das erhaltene Produkt wurde bei 2620C mit einer
wobei sie in dem Ofen unter solchen Bedingungen 65 Ziehgeschwindigkeit von 330 m/min versponnen,
bezüglich Zeit und Temperatur gehalten werden, Die erhaltenen Fäden wurden in einem Ofen an-
daß sie sich in Kohlenstoff umwandeln. Nachteilig geordnet und den folgenden Betriebsbedingungen hei diesem Verfahren ist, daß die hergestellten Fäden unterworfen:
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