DE2326488C - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff -Fasern oder -Fäden - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff -Fasern oder -FädenInfo
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Description
45
Beispielsweise aus den DT-OS Ifi 46 445, Ki 46 794,
28 194 und 20 23 918 sind Verfahren zur Herstellung von Kohlcnstoff-Fascrn oder -Fäden durch Vorerhitzen
eines organischen Faser- oder Fadcnmaterials in einer Cktiven Atmosphäre, wie Luft, und anschl eßendes
Erhitzen des so hitzestabilisierten Faser- odei Fadenmaterials
in einem Carbonisierofen auf eine Maximaltemperatur im Bereich von 1000 bis 1600'C bekannt.
Bei den dnrt bevhnVhpnon Verfahren hokorrmt man
aber entweder Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften, wie Reißfestigkeit
und Elastizität, oder man bekommt gute mechanische Eigenschaften nur bei hohen Verweilzeiten
bzw. Caibonisierzciicn in dem Carbonisierofen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgab; besteht somit darin, Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden mit
hoher Festigkeit und hohem Young-Modul bei
möglichst kurzen Carbonisicrzeitcn zu bekommen.
Das erfindungsgcmäßc Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden durch Vorerhitzen
eines organischen Easer- oder Fadenmaterial in einer aktiven Atmosphäre und anschließendes
Erhitzen des so hitzestabilisierten Faser- oder Fadenmaterial in einem Carbonisierofen auf eine Maximaltemperatur
von 1000 bis 1600'"C ist dadurch gekennzeichnet,
daß man in dem Carbonisierofen derart erhitzt, daß in einer grafischen Darstellung beim
Auftragen der Ofentemperatur auf der Ordinate und einzelner Punkte entlang der Länge des Ofens auf der
Abszisse das Temperaturprofil von 8000C bis zur Maximaltemperatur geradlinig oder nach oben gewölbt
verläuft, daß bei mittiger Teilung des Temperaturprofils durch einen Strich parallel zur Ordinate die
Fläche auf der Seite des Ofenauslasses größer als die auf der Seite des Ofeneinlasses ist und die Maximaltemperatur
auf der Seite des Ofenauslasses liegt, und daß die mittlere Abkühlgeschwindigkeit größer
als die mittlere Aufheizgeschwindigkeit ist.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht somit in dem Temperaturprofil in dem verwendeten
Carbonisierofen, durch den das vorher hitzestabüisierle
Material gewöhnlich unter Zugspannung geführt wird.
Als organisches Faser- oder Fadenmaterial verwendet man zweckmäßig solches aus Polyacrylnitril,
Polyamid, Polybenzimidazol, Polyvinylalkohol, Cellulose oder Pech.
Als aktive Atmosphäre beim Vorerhitzen kann man beispielsweise Luft, Stickstoffmonoxid oder Schwefeldioxid
verwenden. Im Falle einer Verwendung von Luft erhitzt man zweckmäßig 4 bis 200 Minuten auf
200 bis 3200C, bei Verwendung von Stickstoffmonoxid
5 bis 40 Minuten auf 240 bis 35O! C, und bei Verwendung
von Schwefeldioxid 5 bis 40 Minuten auf 250 bis 3500C.
Für das anschließende Carbonisieren verwendet man gewöhnlich einen Carbonisierofen mil. einer
Gesamtlänge von etwa 1 bis 15 m. Durch diesen Ofen werden die hitzestabilisierten Faser- oder Fadenmaterialien
zweckmäßig mit einer Fadengeschwindigkeit von etwa 0,5 bis 65 m/Min, hindurchgeführt. Die
Maximaltemperatur im Carbonisierofen liegt vorzugsweise bei 1150 bis 1500cC, und weiterhin herrscht in
dem Carbonisierofen zweckmäßig eine inerte Atmosphäre, wie eine solche von Stickstoff, Argon, Helium,
Wasserstoff, Halogenen oder Chlorwasserstoff.
Die Temperatur wird im Carbonisierofen gewöhnlich so gesteigert, daß bei der mittigen Teilung des
Temperaturprofils die Fläche auf der Seite des Ofenauslasses 1,1- bis 2mal, zweckmäßig 1,2- bis l,8mal,
vorzugsweise 1,2- bis l,5mal, größer als diejenige auf der Seite des Ofeneinlasses ist.
Die mittlere Abkühlgeschwindigkeit ist gewöhnlich 2- bis 50mal, vorzugsweise 3- bis 30mal, größer als die
mittlere Aufheizgeschwindigkeit. Beim Aufheizen auf eine Temperatur über 1050"'C ist die Aufhcizgeschwindigkeit
zwischen 800 und 1050° C vorzugsweise 2- bis 15mal größer als die oberhalb 10500C.
In der Zeichnung bedeutet
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens und die
F i g. 2, 3 und 4 die in den nachfolgenden Beispielen 1 bis 9 verwendeten TempcraUirprofile in dem
Carbonisierofen.
Gemäß F i g. 1 wird ein organisches Fadenmaterial 1 durch Rollen 2 in einen Heizofen 3 geführt, in dem
die Hilzcslabilisierung erfolgt. Das hitzestabilisiertc Fadenmaterial wird dann über Rollen 4 in einen
Carbonisierofen 5 in der Form eines elektrischen
Widerstandsofens mit einer Graphitröhrc 6 geführt. Nach dem Verlassen des Carbonisierofens S werden
die resultierenden Kohlenstoff-Fäden über Rollen 7 zur Aufwickelrolle 8 geführt.
5 Beispiele 1 bis 8
Polyacrylnitrilfäden wurden verwendet, die m^hr
als 99 Gewichtsprozent Polyacrylnitril enthielten und eine TrockennHßfestigkeit von 43 g/den und eine
Elastizität von 110 g/den besaßen. Diese Fäden wurden in einer Luftatmosphäre oxydiert und dann mit einer
Heizgeschwindigkeit von 25OO°C/Min. bis zu 8000C
vorcarbonisiert. Bei der anschließenden Carbonisierung wurde bis zu 1300° C in einer Stickstoffatmosphäre
in einem Ofen von 2 m Länge erhitzt, wobei der Ofen die in den F ig. 2 A, B und C und
3 D gezeigten Temperaturprofile besaß. (Die Tempe- nüurprofile A, C und D sind Vergleichsbeispiele.)
Die Carbonisierung wurde mit 6 m/Min, in den Beispielen 1 bis 4 und mit 8 in/Min, in den Beispielen
5 bis 8 durchgeführt.
Die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Kohlenstoff-Fäden sind in der nachfolgenden Tabelle
aufgeführt. Es ist ersichtlich, daß die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Fäden, die mit dem
Temperaturprofil B hergestellt wurden, besser als die anderen waren.
Polyacrylnitrilfasern, die mehr als 99 Gewichtsprozent Polyacrylnitril enthielten und eine Trockenreißfestigkeit
von 4,3 g/den und eine Elastizität von 110 g/den besaßen, wurden in einer Luftatmosphärc
oxydiert und mit einer Ablaufgeschwindigkeit von 5 m/Min, in einem Carbonisierofen von 2 m Länge,
der das Temperaturprofil G in F i g. 4 besaß, carbonisiert. Die mechanischen F.igenschaften der resultierenden
Kohlenstoff-Fäden sind ebenfalls in der Tabelle aufgeführt.
| Beispiel | Garn- | Ofcnlcmperatur- | Mechanische Eigenschaften der | (i;mra!) |
| gcschwindigkcit | profil | resultierenden Kolilenstoffädcn | 20 | |
| Zerreißfestigkeit Yuung-Modul | 26 | |||
| (m/min) | (kg'mnv) | 23 | ||
| 1 | 6 | A | 190 | 18 |
| 2 | 6 | B | 350 | 15 |
| 3 | 6 | C | 250 | 24 |
| 4 | f. | D | 180 | 20 |
| 5 | 8 | A | 120 | 17 |
| 6 | 8 | B | 310 | 24 |
| 7 | 8 | C | 220 | |
| 8 | 8 | D | 130 | |
| 9 | 5 | G | 310 |
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern oder -Fäden durch Vorerhitzen eines
organischen Faser- oder Fadenmaterials in einer aktiven Atmosphäre und anschließendes Erhitzen
des so hitzestabilisierten Faser- oder Fadenmaterials in einem Carbonisierofen auf eine
Maximaltemperatur von 1000 bis 1600°C, dadurch
gekennzeichnet, daß man in dem Carbonisierofen derart erhitzt, daß im einer
graphischen Darstellung beim Auftragen der Ofentemperatur auf der Ordinate und einzelner
Punkte entlang der Länge des Ofens auf der Abszisse das Temperaturprof.l von 80O0C bis zur
Maximaltemperatur geradlinig oder nach oben gewölbt verläuft, daß bei mittiger Teilung des
Temperaturprofils durch einen Strich parallel zur Ordinate die Fläche auf der Seite des Ofen&uslasses
größer als die auf der Seite des Ofeneinlasses ist und die Maximaltemperatur auf der S.eite des
Ofenauslasses liegt, und daß die mittlere Abkühlgeschwindigkeit größer als die mittlere Aufheizgeschwindigkeit
ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur im Carbonisierofen
so steigert, daß bei der mittigen Teilung des Temperaturprofils die Fläche auf der Seite des
Ofenauslasses 1,2- bis l,5mal größer als diejenige auf der Seite des Ofeneinlasses ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Abkühlgcschwindigkeit
3- bis 30mal größer als die mittlere Aufheizgeschwindigkeit ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufheizen auf eine
Temperatur über 1050"C die Aufheizgeschwindigkeit zwischen 800 und 1050"C 2- bis 15mall größer
als die oberhalb 1050cC ist.
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