DE2822428A1 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoff- und/oder graphitfasern - Google Patents
Verfahren zur herstellung von kohlenstoff- und/oder graphitfasernInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- und/oder
Graphitfasern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern aus Fasern, die
durch Spinnen von natürlichen organischen Stoffen, insbesondere Destillationsrückständen von Kohle oder Erdöl,
erhalten werden.
Die Verwendung von Kohlenstoff- oder Graphitfasern zur
Verstärkung gewisser Kunststoffe ermöglicht die Herstellung von Verbundmaterialien, die bessere mechanische
Eigenschaften, z.B. höhere Verhältnisse des Elastizitätsmoduls
und der Bruchfestigkeit zum spezifischen Gewicht, als Metalle haben.
Kohlenstoff- und Graphitfasern werden zur Zeit nach verschiedenen Verfahren hergestellt, insbesondere
a) durch Carbonisation und gegebenenfalls Gaphitisierung
eines bereits gesponnenen Produkts, das eine Polymervorstufe ist, beispielsweise Cellulose, Acrylsäurederivate,
insbesondere Polyacrylnitrile, und
b) durch Spinnen, Carbonisation und gegebenenfalls Graphitisierung eines geschmolzenen organischen
Produkts, z.B. Steinkohlenpeche, PVC-Pechs, Erdölderivate und Asphalte.
Die Carbonisation wird durch thermische Behandlung unter einer inerten Atmosphäre erreicht, wobei das anfängliche
organische Material in Kohlenstoff umgewandelt wird. Um Graphitfasern zu erhalten, wird diese Behandlung
durch eine strengere thermische Behandlung (bis 280O0C)
ergänzt, die es ermöglicht, sehr starke Fasern zu erhalten.
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Gewisse Materialien können bekanntlich durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Hochfrequenzwellen, insbesondere
mit Mikrowellen erhitzt werden. Der Temperaturanstieg rührt aus verschiedenen Abbauprozessen der
auf die Materialien zur Einwirkung gebrachten Hochfrequenzenergie her. Die Verluste durch dipolare
Relaxation nehmen bei gewöhnlicher Temperatur mit der Frequenz zu und sind bei Anwendung von Mikrowellen
maximal. Wenn die Temperatur steigt, nehmen die Verluste durch Leitung, die an die thermische Aktivität
der freien Ladungen gebunden sind, schneller zu als die Verluste durch dipolare Relaxation und werden dann bei
Mikrowellen sogar überwiegend.
Das Ziel einer thermische Behandlung unter Verwendung von Mikrowellen (Wellenlängen von einigen mm bis 10 cm)
ist die Erreichung eines schnellen Temperaturanstiegs ■ sowohl im Innern als auch am Umfang des zu behandelnden
Gegenstandes.
Im Falle von Kohlenstoff-Fasern ist die Anwendung von
Mikrowellen besonders vorteilhaft für die Erzielung einer homogenen Carbonisation der Ausgangsfasern und
damit für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der endgültigen Fasern. Die Anwendung von
Mikrowellen hat noch weit größere Vorteile für die Herstellung von Graphitfasern, da die Graphitisierungsbehandlungen
über 2000°C liegende Temperaturen erfordern, die von Stoffen, die mit Mikrowellen behandelt
werden, sehr schnell erreicht werden.
Die Anwendung von Mikrowellen für die Herstellung von Kohlenstoff-Fasern wurde bereits in der japanischen
Patentschrift 4 724 186 vorgeschlagen. Diese Behandlung
mit Mikrowellen wird jedoch auf synthetische Fasern, z.B. Polyacrylnitrilfasern, und nicht auf Fasern angewendet,
die aus natürlichen Produkten, beispielsweise
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Erdölrückständen oder Rückständen der Steinkohlendestillation erhalten werden.
Für die Zwecke der Erfindung werden als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kohlenstoff- und/oder
Graphitfasern Fasern aus natürlichen Produkten, beispielsweise
Destillationsrückständen der Kohle oder des Erdöls, verwendet, die viel billiger sind als das
klassische Ausgangsmaterial vom Typ des Polyacrylnitrile.
Es wurde jedoch gefunden, daß die durch Spinnen von Erdölrückständen oder Rückständen der Steinkohlendestillation
erhaltenen Fasern für das während der Bestrahlung mit Mikrowellen zur Einwirkung gebrachte elektromagnetische
Feld zu stark isolierend sind, um eine Wirkung auf sie ausüben zu können. Die Moleküle, aus denen
sie bestehen, sind nichtpolar.
Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern aus organischen Fasern zu erhalten,
die aus natürlichen Produkten wie Kohlen- oder Erdöldestillationsrückständen hergestellt worden sind,
indem die letzteren vor der Bestrahlung mit Mikrowellen einer thermischen Vorbehandlung bis zu einer Temperatur
zwischen 300° und 15000C unterworfen werden.
Die thermische Vorbehandlung bewirkt eine beginnende Carbonisation. Daraufhin wird eine Wechselwirkung
zwischen Mikrowellen und Fasern möglich.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern
aus natürlichen organischen Fasern, insbesondere Fasern, die aus Rückständen der Destillation von Steinkohle oder
Erdöl hergestellt worden sind, durch Behandlung mit Mikrowellen, wobei die Fasern vor der Bestrahlung mit
Mikrowellen einer thermischen Vorbehandlung in einer inerten Atmosphäre bis zu einer Temperatur zwischen
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300° und 1500°C, vorzugsweise zwischen 400° und 10000C,
unterworfen werden.
Die Erfindung umfaßt ferner die in dieser Weise hergestellten Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern.
Die natürlichen organischen Fasern können durch Spinnen eines geschmolzenen organischen Produkts hergestellt
werden. Als organische Produkte können beispielsweise Steinkohlenteerpeche, Peche, die aus Rückständen der Wasserdampfkrackung
von Erdölfraktionen erhalten werden und beispielsweise in der französischen Patentanmeldung
73 40152 beschrieben werden, oder Peche, die aus Rohölrückständen erhalten werden, in Frage.
Die Ausgangsfasern können einen KS-Erweichungspunkt (Kraemer-Sarnow) zwischen 100° und 25O°C, insbesondere
zwischen 180° und 25O°C haben. Ihr Conradson-Kohlenstoffgehalt,
bestimmt nach der NFT-Methode 60 116, kann unter 80 Gew.-% liegen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung von Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern kann eine oxydative
Vorbehandlung bis zu einer Temperatur von 100° bis 25O°C, vorzugsweise von 150° bis 25O0C einschließen.
Durch diese Oxydationsbehandlung wird die Oberflächenschicht der Fasern oxydiert und unschmelzbar gemacht,
so daß die Behandlung der Fasern bei hohen Temperaturen ohne Veränderung ihrer Form und ohne Verklebung zwischen
den Fasern möglich wird.
Die Oxydationsbehandlung kann mit einer Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von 0,1 bis O,5°C/Minute durchgeführt
werden.
Bei Fasern mit einem KS-Erweichungspunkt unter 1500C
kann die Oxydation in der Flüssigphase stattfinden, wobei es möglich ist, ein flüssiges Oxydationsmittel,
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beispielsweise Salpetersäure, Natriumhypochlorit, Wasserstoffperoxyd, Kaliumdichromat oder vorzugsweise
Kaliumpermanganat, zu wählen.
Bei Fasern mit einem KS-Erweichungspunkt oberhalb von 150°C, vorzugsweise oberhalb von 170°C, kann die Oxydation
mit einem gasförmigen Oxydationsmittel, beispielsweise
Sauerstoff, Ozon oder vorzugsweise Luft, durchgeführt werden.
An die Oxydationsbehandlung kann sich erfindungsgemäß
eine thermische Vorbehandlung der oxydierten Fasern in inerter Atmosphäre bis zu einer Temperatur zwischen
300° und 15000C, vorzugsweise zwischen 400° und 10000C,
anschließen. Die inerte Atmosphäre kann durch Verwendung eines Gases, das mit den Fasern nicht chemisch reagiert
und gegen die erreichten Temperaturen beständig ist, beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium oder Wasserstoff,
geschaffen werden.
Diese thermische Behandlung als Vorbereitung für die Bestrahlung kann nach der Oxydation vorgenommen werden,
indem die Gasatmosphäre ausgewechselt und die Temperatur auf 300° bis 15000C, vorzugsweise auf 400° bis
10OC0C, erhöht wird. Nach dieser vorbereitenden thermischen
Behandlung kann der Kohlenstoffgehalt nach Conradson über 83 Gew.-% liegen und vorzugsweise wenigstens
88 Gew.-% betragen.
Diese Wärmebehandlung wird vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von 0,5 bis 1°C/
Minute bis auf 42O°C, von 0,1 bis O,5°C/Minute von
420° bis 450°C und von 1° bis 5°C/Minute bis über 45O°C
hinaus durchgeführt. Es ist zu bemerken, daß zwischen 400° und 4500C die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung
erwünscht niedrig ist. Bei Verwendung von Pech als Ausgangsmaterial ist dieser Temperaturbereich der
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Bereich der Umwandlung des Pechs in die Mesophase, d.h.
die Zwischenphase vor der Carbonisation. Diese Umwandlung des Pechs in die Mesophase ist die Veränderung,
dia die Wechselwirkung zwischen den Mikrowellen und den Fasern auslöst.
Nach der vorbereitenden Wärmebehandlung werden die
hierbei erhaltenen Fasern einer Carbonisations- und/oder Graphitisierungsbehandlung durch Bestrahlung mit Mikrowellen
unterworfen. Auch diese Behandlung wird vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Die
Bestrahlung mit Mikrowellen kann unmittelbar nach der vorbereitenden Wärmebehandlung oder auch diskontinuierlich
durchgeführt werden, indem die thermisch vorbehandelten Fasern gelagert und später beispielsweise auf
einer Unterlage aus feuerfestem Werkstoff, der gegenüber Mikrowellen inert ist, bestrahlt werden. Die inerte
Atmosphäre kann in der gleichen Weise, wie vorstehend für die vorbereitende Wärmebehandlung beschrieben, geschaffen
werden. Die Carbonisations- und/oder Graphitisierungsbehandlung mit Mikrowellen wird bei Temperaturen
zwischen 400° und 28OO°C, vorzugsweise zwischen 1000° und 20000C durchgeführt.
Für die Bestrahlung mit Mikrowellen wird vorzugsweise elektromagnetische Strahlung verwendet, deren Frequenz
zwischen 900 und 30.000 MHz, vorzugsweise zwischen 2000 und 15.000 MHz liegt. Die Leistung kann zwischen
10 W und 30 kW, vorzugsweise zwischen 50 W und 10 kW liegen.
Es wurde gefunden, daß es durch Anwendung von Frequenzen oberhalb von 2000 MHz möglich ist, die Wirksamkeit der
Behandlung mit Mikrowellen zu verbessern. Der niedrigere Viert des elektrischen Feldes für eine gegebene zugeführte
Leistung' ermöglicht es, mit höherer Leistungszufuhr . zu arbeiten und daher höhere Temperaturen
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zu erreichen, ohne elektrische Entladungen zwischen den Fasern zu bewirken. Dies ist der Grund, weshalb
beim Verfahren die Anwendung der höchsten Frequenzen, beispielsweise über 5000 MHz, insbesondere über 8000 MHz
besonders bevorzugt wird.
Die Dauer der Bestrahlung mit Mikrowellen kann zwischen 10 Sekunden und 15 Minuten liegen und liegt vorzugsweise
zwischen 15 Sekunden und 3 Minuten.
Die Behandlung mit Mikrowellen kann durchgeführt werden, indem die Fasern in einen Hohlraum geführt werden, der
eine Mikrowellenstrahlung von ausreichender Frequenz, die vorzugsweise über 20C0 MHz liegt, aufzunehmen vermag.
Die Mikrowellen können mit einer Vorrichtung vom Typ des Magnetrons oder Klystrons oder mit einem be—
liebigen anderen Generator, der es ermöglicht, eine elektromagnetische Strahlung von genügender Frequenz
zu erzielen, erzeugt werden.
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen Fasern können Bruchfestigkeiten zwischen 98 und 980 N/mm
haben. Unter Berücksichtigung des niedrigen Preises des Ausgangsmaterials im Vergleich zu einem klassischen
Ausgangsmaterial vom Typ des Polyacrylnitrile ist es hierdurch möglich, verhältnismäßig billige Verbundwerkstoffe
mit stark verbesserter mechanischer Festigkeit herzustellen. In der Praxis haben die beim Verfahren
gemäß der Erfindung als Ausgangsmaterial verwendeten Fasern sehr niedrige Bruchfestigkeiten zwischen 19,6
und 147 N/mm .
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.
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Als Ausgangsmaterial diente ein Garn aus Fasern, die durch Spinnen eines durch thermische Behandlung eines
Rückstandes aus der Dampfkrackung von Schwerbenzin erhaltenen Pechs hergestellt worden war. Dieses Pech
hatte die folgenden Kennzahlen:
Dichte bei 200C 1,23
KS-Erweichungspunkt
(Kraemer-Sarnow) 183-185°C
ß-Harze (in Toluol oder Benzol
unlöslich, aber in Chinolin oder
Anthracenöl unlöslich) 31 Gew.-%
α-Harze (in Chinolin oder einem
Anthracenschnitt löslich) weniger als 0,1 Gew._%
in Hexan unlösliche Bestandteile (α + ß-Harze) 70,5%
Verkokungsrückstand nach
Conradson 63,6 Gew.-%
Dieses Fasergarn wurde eine Stunde einer Oxydationsbehandlung an der Luft bis zu einer Temperatur von
25O°C unterworfen. Die oxydierten Fasern wurden in eine gegen Mikrowellen indifferente Auflage aus feuerfestem
Material eingeführt, die aus einem Siliciumdioxydrohr bestand, das in einem Hohlleiter-Bestrahlungstubus
angeordnet war. Die durch die Probe geleitete Energie wurde durch Kurzschluß zur Probe selbst zurückgeführt.
Die Probe war so angeordnet, daß die Fasern sich in einer Energieschleife befanden. Der Absorptionskoeffizient der Fasern (ROS, d.h. das Verhältnis der
stehenden Wellen) wurde In Abhängigkeit von der Frequenz graphisch dargestellt.
Das Verhältnis der stehenden Wellen lag ohne Rücksicht auf die Frequenz immer über 20, d.h. die Wechselwirkung
zwischen den Mikrowellen und den Fasern war immer schlecht, wodurch die Auslösung der Carbonisation
unmöglich gemacht wurde.
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_ 13 _
Ein Garn aus Pechfasern wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt. Das Fasergarn wurde
eine Stunde einer Oxydationsbehandlung an der Luft bis zu einer Temperatur von 25O°C und dann 4 Stunden
einer Wärmebehandlung unter Stickstoff bis zu einer Temperatur von 10000C unterworfen. Das für diese
wärmebehandelten Fasern bestimmte Verhältnis der stehenden Wellen lag immer unter 6.
Die oxydierten und thermisch vorbehandelten Fasern wurden auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise in eine
gegen Mikrowellen indifferente Auflage aus feuerfestem Material gegeben.
Als Mikrowellengenerator wurde ein Magnetron verwendet, das Wellen von 2450 MHz emittierte und eine maximale
Leistung von 1 kW hatte. Der Ausgang des Mikrowellengenerators wurde durch einen Zirkulator in den Bestrahlungstubus
eingespeist. Die Pechfasern wurden mit einem Strom von 80 W bestrahlt. Die Bestrahlungsdauer
betrug 3 Minuten.
Die Fasern wurden sehr schnell erhitzt, bis sie eine Temperatur von etwa 17000C erreichten. Die erhaltenen
Kohlenstoff-Fasern hatten eine Bruchfestigkeit von 294 N/mm2.
Ein Garn aus Pechfasern wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt. Die Oxydationsbehandlung
und die thermische Vorbehandlung wurden auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise durchgeführt.
Die Fasern wurden in einen Bestrahlungstubus gelegt, der nach den gleichen Grundsätzen wie in Beispiel 2
arbeitete. Als Mikrowellengenerator wurde ein Klystron
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-U-
verwendet, das Mikrowellen mit einer Frequenz von 10 GHz (Band X) erzeugte.
Die Fasern erreichten eine Temperatur von wenigstens 1700°C, erkennbar am Schmelzen des als Auflage
dienenden Siliciumdioxyds.» Die Bestrahlung wurde für
eine Zeit von 3 Minuten bei einer Leistung von 500 W vorgenommen. Die erhaltenen Kohlenstoff-Fasern hatten
eine Bruchfestigkeit von 441 N/mm .
Ein Garn von Pechfasern,das auf die in Beispiel 1 beschriebene
Weise hergestellt worden war, wurde einer Oxydationsbehandlung und einer vorbereitenden Wärmebehandlung
unter den in Beispiel 2 genannten Bedingungen unterworfen, wobei jedoch die thermische Vorbehandlung
abgebrochen wurde, sobald die Fasern eine Temperatur von 45O°C erreicht hatten.
Die oxydierten und thermisch vorbehandelten Fasern wurden einer Bestrahlung mit Mikrowellen mit einer
Frequenz von 10 GHz in der in Beispiel 2 beschriebenen Vorrichtung unterworfen. Die Bestrahlung wurde unter den
folgenden Bedingungen durchgeführt:
1) Zugeführte Leistung: 1 kW Bestrahlungsdauer: 80 Sekunden
Bruchfestigkeit der erhaltenen Kohlenstoff-Fasern: 98 N/mm
2) Zugeführte Leistung: .. 700 W Bestrahlungsdauer: 3 Minuten
Bruchfestigkeit der erhaltenen Kohlenstoff-Fasern: 196 N/mm
Claims (19)
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- und/oder
Grar>hitfasern aus organischen Fasern durch Bestrahlung
mit Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, daß man als organische Fasern natürliche organische Fasern verwendet,
die vorzugsweise aus den Rückständen der Destillation von Steinkohle oder Erdöl erhalten worden sind,
und die Fasern vor der Bestrahlung mit Mikrowellen einer vorbereitenden Wärmebehandlung in inerter Atmosphäre
bis zu einer Temperatur zwischen 300° und 1500°C unterwirft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man die vorbereitende Wärmebehandlung bis zu einer Temperatur zwischen 400° und 1OOO°C durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbehandelten Fasern einen Verkokungsrückstand nach Conradson von mehr als 83 Gew.-%,
vorzugsweise von wenigstens 88 Gew.-% haben.
809849/0751
Telefon: (02 21) 23 45 41 - 4 ■ Telex: 888 2307 dopa d ■ Telegramm: Dompatent Köln
ORIGINAL INSPECTED
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die vorbereitende Wärmebehandlung mit einer
Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von 0,5° bis 1°C/Minute bis zu 4200C, von 0,1° bis O,5°C/Minute von
420° bis 45O°C und von 1° bis 5°C/Minute oberhalb von
45O°C durchführt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die vorbereitende Wärmebehandlung in Gegenwart
von Stickstoff, Argon, Helium oder Wasserstoff durchführt .
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man natürliche organische Fasern verwendet, die
durch Spinnen eines geschmolzenen organischen Produktes aus Steinkohlenteerpech, Pechen aus den Rückständen
der Wasserdampfkrackung von Erdölfraktionen und/
oder Pechen aus den Rückständen von Roherdöl erhalten worden sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man natürliche organische Fasern verwendet, die einen
Kraemer-Sarnow-ErweichungsDunkt zwischen 100° und 25O°C, vorzugsweise zwischen 180° und 25O°C, und einen
Verkokungsrückstand nach Conradson von weniger als
80 Gew.-% haben.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß man zur Bestrahlung mit Mikrowellen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen 9OO und
30.000 MHz, vorzugsweise zwischen 2000 und 15.000 MHz verwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der angewendeten elektromagnetischen
Strahlung über 5000 MHz, vorzugsweise über 80O0 MHz liegt.
eo mg/0751 —
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistung der angewendeten elektromagnetischen Strahlung zwischen 10 W und 30 kW, vorzugsweise zwischen
50 W und 10 kW liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Bestrahlung mit Mikrowellen 10 Sekunden bis 15 Minuten, vorzugsweise 15 Sekunden
bis 3 Minuten beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Behandlung mit Mikrowellen
erreichte Temperatur zwischen 400° und 28OO°C, vorzugsweise zwischen 1000° und 20000C liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Bestrahlung mit Mikrowellen in einer inerten Atmosphäre durchführt.
14. Verfahren nach Anspruch nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Bestrahlung mit Mikrowellen in einer Stickstoff-, Argon-, Helium- oder Wasserstoffatmosphäre
durchführt.
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Fasern vor der vorbereitenden Wärmebehandlung einer Oxydationsbehandlung bis zu einer
Temperatur im Bereich von 100° bis 25O°C, vorzugsweise von 150° bis 25O°C unterwirft.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxydationsbehandlung mit einer Geschwindigkeit
der Temperaturerhöhung von 0,1° bis O,5°C/Minute durchführt
.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
daß man bei Verwendung von Fasern mit einem Erweichungspunkt von weniger als 150°C die Oxydationsbehandlung in der Flüssigphase in Gegenwart eines aus
Salpetersäure, Natriumhypochlorit, Wasserstoffperoxyd, Kaliumdichromat und vorzugsweise Kaliumpermanganat
ausgewählten Oxydationsmittels durchführt.
809849707S1
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
daß man bei Verwendung von Fasern mit einem über 150°C liegenden Erweichungspunkt die Oxydationsbehandlung in der Gasphase in Gegenwart von Sauerstoff,
Ozon oder Luft durchführt.
19. Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern mit Bruchfestigkeiten
zwischen 9 8 und 960 N/mm , hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 19.
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