DE3234393C2

DE3234393C2 -

Info

Publication number: DE3234393C2
Application number: DE3234393A
Authority: DE
Inventors: Yukiyoshi Ehime Jp Mori
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1981-09-16
Filing date: 1982-09-16
Publication date: 1993-01-07
Also published as: GB2108946B; JPS5846122A; FR2512849B1; JPH0112850B2; GB2108946A; FR2512849A1; US4466949A; DE3234393A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Erzeugen von Kohlenstoffasern von ausgezeichneter Anwendbarkeit und Produktivität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kohlenstoffasern sind bisher verschiedene Garne, wie Acrylfasern, Pechfasern (pitch fibres), Cellulosefasern und Polyvinylalkoholfasern, verwendet worden. Diese Ausgangsgarne werden dem Produktionsprozeß für Kohlenstoffasern gewöhnlich von einer Spule, auf die sie gewickelt sind, oder aus einem Kasten, in dem sie zusammengehalten werden und aufgeschichtet sind, zugeführt. Um deshalb solche Ausgangsgarne durch kontinuierliches Kalzinieren in Kohlenstoffasern überzuführen, ist es erforderlich, das hintere Ende des einen aufgewickelten oder aufgeschichteten Garnes mit dem vorderen Ende eines weiteren aufgewickelten oder aufgeschichteten Ausgangsgarnes direkt oder indirekt zu verbinden.

Die Verbindung der Enden von aufeinanderfolgenden Ausgangsgarnen geschieht gewöhnlich durch Verknoten. Es ist jedoch bekannt, daß der dadurch gebildete Knoten den Durchlauf der Ausgangsgarne durch die Kalzinierstufe erschwert und/oder Probleme verursacht, wie Reißen und Herausbrennen der Garne während des Kalzinierens infolge von übermäßiger Wärmestauung in dem Knoten. Um diese Probleme zu beseitigen und die Effektivität des Kohlenstoffaserherstellungsverfahrens zu verbessern, sind bisher verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, wie beispielsweise: die an ihren Enden miteinander verknoteten Ausgangsgarne werden oxidiert, und danach wird der Knoten herausgeschnitten, wonach die oxidierten Garne erneut an ihren Enden miteinander verknotet und dann verkohlt werden (vgl. japanische Patentanmeldung 53-23 411); eine nichtbrennbare Verbindung wird auf den verknoteten Teil der Ausgangsgarne aufgetragen (vgl. japanische Patentanmeldung 54-50 624); die hinteren und vorderen Enden der Ausgangsgarne werden zuvor wärmebehandelt und dann nach einer besonderen Knüpfmethode miteinander verknotet (vgl. japanische Patentanmeldung 56-37 315). Bei diesen Verfahren ist jedoch zum Verknüpfen der Ausgangsgarne Handarbeit erforderlich, was die Anwendbarkeit der Verfahren unvermeidlich verringert. Außerdem haben die Knoten oft eine ungleichmäßige Größe und Form, so daß, wenn eine Reihe von vielen Ausgangsgarnen nebeneinander kalziniert wird, einige Knoten herausgebrannt oder gebrochen werden oder der Durchlauf der Garne durch die Kalzinierstufe vermindert wird.

Aus "Internationales Textil Bulletin" 3/81, Seiten 281-312, sind darüber hinaus ein Splice-Verfahren und eine Splice-Vorrichtung zum Verbinden von Fasergarnen bekannt, wobei das knotenfreie Verbinden Fadenverdickungen und Masseschwankungen ausschalten und eine hohe Reißfestigkeit bei günstiger Produktivität erbringen soll. Die besondere Problematik jedoch, die sich beim kontinuierlichen Umwandeln von Faser in Kohlenstoffasern durch extremes Erhitzen ergibt, ist hier nicht angesprochen.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum kontinuierlichen Erzeugen von Kohlenstoffasern anzugeben, bei dem die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten ausgeschaltet sind, wobei Handarbeit zum Verbinden aufeinanderfolgender Ausgangsgarne weitgehend vermieden wird und die verbundenen Ausgangsgarne leicht die Kalzinierstufe durchlaufen können infolge der Tatsache, daß die Verbindungsbereiche eine einheitliche Festigkeit, Form und Größe haben. Außerdem soll das Verfahren eine ausgezeichnete Anwendbarkeit, Effektivität und Produktivität haben und besonders für die Massenproduktion von Kohlenstoffasern geeignet sein, indem die Verbindung der Fäden auch bei einer Reihe von vielen Ausgangsgarnen nebeneinander vorgenommen werden kann. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, bei dem Anzahl und Art der Ausgangsgarne mühelos ausgetauscht werden können.

Die vorstehenden der Erfindung gestellten Aufgaben werden durch ein kontinuierliches Verfahren zum Erzeugen von Kohlenstoffasern gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.

Durch die erfindungsgemäßen Maßgaben der Mindestzugfestigkeiten vor und nach der Oxidation im Zusammenhang mit dem Ausmaß und der Geometrie der Doppelungen und/oder Verschlingungen ist es unerwarteterweise möglich geworden, daß die Ausgangsgarne bei der kontinuierlichen Hitzebehandlung unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit die Oxidationsstufe und dann die Verkohlungsstufe durchlaufen.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen erläutert.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachstehend im einzelnen beschrieben. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf den Verbindungsbereich eines Ausgangsgarnes mit zwei verschlungenen Teilen,

Fig. 2 eine perspektivische schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen der Länge eines verschlungenen Teils bei einem gedoppelten und verschlungenen Garn,

Fig. 3 eine perspektivische schematische Ansicht einer Vorrichtung, mit der durch Einwirkung von Luft die Verschlingung durchgeführt werden kann,

Fig. 4 ein vertikaler Querschnitt durch die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung und

Fig. 5 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung können vorteilhaft organische Ausgangsgarne, wie Acrylfasern, Cellulosefasern und Polyvinylalkoholfasern, verwendet werden, da sie während der Kalzinierung, insbesondere während der Oxidation, eine große Wärmemenge entwickeln. Dadurch können die Verbindungsbereiche infolge von Wärmeanhäufung oder Bildung von Teerstoffen oft reißen. Erfindungsgemäß können jedoch auch andere Ausgangsgarne, wie solche aus verschiedenen Pechfasern (pitch fibres), verwendet werden, da bei dem Verfahren nach der Erfindung die Ausgangsgarne leicht miteinander verbunden werden können und der Durchlauf der Garne durch die Verfahrensstufen ausgezeichnet ist.

Der Einzelfadentiter und die Anzahl der Einzelfäden sind bei dem Ausgangsgarn nicht kritisch insofern, als die Garne durch die nachstehend noch erläuterte Strömungsmittelbehandlung verschlungen werden. Jedoch ist es im allgemeinen zu bevorzugen, daß der Einzelfadentiter nicht mehr als 5 dtex, insbesondere 0,1 bis 3 dtex, und die Anzahl der Einzelfäden mindestens 300, vorzugsweise 500 bis 30 000, betragen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung können die vorlaufenden Ausgangsgarne durch Doppeln des hinteren Endes des vorlaufenden Garns auf das vordere Ende des nachfolgenden Garns verbunden werden, wonach die Garne an den gedoppelten Stellen mittels einer Strömungsmittelstrahlbehandlung verschlungen werden. Das zum Verschlingen verwendete Strömungsmittel kann Luft, Wasser, Dampf od. dgl. sein, jedoch ist Luft aus wirtschaftlicher und technischer Sicht zu bevorzugen.

Das hintere Ende und das vordere Ende von aufeinanderfolgenden Ausgangsgarnen können direkt aufeinander gedoppelt werden. Alternativ können die aufeinanderfolgenden Ausgangsgarne indirekt durch Doppeln der hinteren und der vorderen Enden der Ausgangsgarne auf die jeweiligen Enden andersartiger Fasergarne verbunden werden, die sich zum Verschlingen eignen, vorzugsweise ein oxidiertes Fasergarn, das durch Erhitzen des andersartigen Fasergarnes in einer oxidierenden Atmosphäre erhalten worden ist.

Vorzugsweise hat der durch Doppeln und Verschlingen erhaltene Verbindungsbereich nach dem Oxidieren in Luft bei 230 bis 250°C während 100 bis 200 Minuten eine Zugfestigkeit von mindestens 0,8 g/dtex, vorzugsweise mindestens 1,0 g/dtex. Wenn die Zugfestigkeit weniger als 0,8 g/dtex beträgt, werden wegen der geringen Festigkeit der Verbindungsbereiche Handhabbarkeit und Verarbeitbarkeit der Ausgangsgarne verschlechtert, und insbesondere kann der Verbindungsbereich während der Oxidationsstufe (antiflaming step) oder der nachfolgenden Verkohlung reißen.

Wenn insbesondere die Enden aufeinanderfolgender Ausgangsgarne direkt aufeinander gedoppelt werden, kann die Zugfestigkeit der Verbindungsbereiche infolge der Oxidation der Ausgangsgarne durch Erhitzen gering werden. Somit ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungsbereiche nach dem Verschlingen eine Zugfestigkeit von mindestens 2,0 g/dtex haben. Wenn die Zugfestigkeit der Verbindungsbereiche vor der Oxidation mindestens 2,0 g/dtex beträgt, haben die Verbindungsbereiche nach dem Oxidieren üblicherweise eine Zugfestigkeit von mindestens 0,8 g/dtex.

Im Gegensatz dazu ist es möglich, daß die Enden aufeinanderfolgender Ausgangsgarne durch ein Verbindungsgarn mit niedriger Wärmeentwicklung und niedriger Schrumpfung während der Oxidationsstufe, wie ein oxidiertes Garn, auch indirekt miteinander verbunden werden. Selbst wenn ein solches oxidiertes Garn im allgemeinen eine geringe Zugfestigkeit hat, so daß die Verbindungsbereiche vor der Oxidation eine relativ niedrige Zugfestigkeit aufweisen, wird die Festigkeit der Verbindungsbereiche während des Oxidierens (antiflaming) nur geringfügig herabgesetzt, da die Wärmeentwicklung der Verbindungsbereiche klein ist und die Schrumpfung der Verbindungsbereiche einschließlich des genannten oxidierten Garns klein ist. Wenn folglich ein oxidiertes Garn als Verbindungsgarn verwendet wird, kann es ausreichend sein, daß die Verbindungsbereiche eine Zugfestigkeit von mindestens 0,8 g/dtex nach der Oxidation aufweisen. Vorzugsweise hat ein solches Garn eine Zugfestigkeit von 1,0 bis 4 g/dtex, eine Wichte von mindestens 1,3, vorzugsweise 1,3 bis 1,5, und eine bei der Oxidationsstufe so geringe wie mögliche Schrumpfbarkeit, vorzugsweise höchstens 10%. Außerdem hat ein solches oxidiertes Verbindungsgarn vorzugsweise einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,5 bis 10 Gew.-%.

Die Wichte eines oxidierten Garnes kann bestimmt werden, indem man etwa 1 g eines oxidierten Garnes in einem Luftofen bei 160°C 30 Minuten lang trocknet und das Gewicht W₁ des Garns in Luft mit einer geeigneten Waage (specific gravity balance) bestimmt. Dann wird die Garnprobe in Äthanol (25°C) getaucht, und das Gewicht W₂ in Äthanol wird gemessen. Die Wichte ρ von Äthanol wird separat mit einem Areometer gemessen. Die Wichte der oxidierten Garnprobe wird nach der folgenden Formel berechnet:

Andererseits kann der Feuchtigkeitsgehalt auch wie folgt gemessen werden: Eine oxidierte Garnprobe wird in einer Klimakammer (20°C, 65% RH) gehalten, und das Gewicht m₁ der Garnprobe wird gemessen. Dann wird die Garnprobe 2 Stunden lang in einem Ofen von 120°C getrocknet, und das Gewicht m₀ wird bestimmt. Der Feuchtigkeitsgehalt wird dann nach der folgenden Formel berechnet:

Zur Messung der Zugfestigkeit, wie sie hier gemeint ist, wird der maximale Spannungswert bestimmt, indem die gedoppelten und verschlungenen Ausgangsgarne 2 cm von den jeweiligen Enden des verschlungenen Teils entfernt festgeklemmt und bei Raumtemperatur und bei einer Geschwindigkeit von 20 cm/min gespannt werden, und indem der erhaltene maximale Spannungswert durch den durchschnittlichen Titerwert der den verschlungenen Teil bildenden Ausgangsgarne dividiert wird. Die ermittelte Zugfestigkeit stellt einen Durchschnittswert von mindestens 20 Proben dar. Für Ausgangsgarne mit Verschlingungen an mehreren Stellen wird die Messung durchgeführt, indem die Garne 2 cm von dem äußersten Ende des verschlungenen Bereichs festgeklemmt werden.

Die Konfiguration des verschlungenen Bereichs der erfindungsgemäß verbundenen Ausgangsgarne wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Fig. 1 zeigt eine Konfiguration eines Ausgangsgarn-Verbindungsbereiches mit zwei verschlungenen Teilen, welche durch Anwenden eines relativ hohen Luftdruckes auf die gedoppelten Ausgangsgarne verflochten wurden. In dem Fall, wo die Verflechtung mit einer gewöhnlichen Lufteinblasvorrichtung (wie sie in Fig. 3 dargestellt ist) bewirkt wird, wird üblicherweise eine starke Verschlingung der Einzelfäden an zwei Stellen 1 und 1′ erzeugt, aber in dem dazwischen liegenden Teil 2 können infolge der Wanderung der Fäden diese sehr schwach verschlungen werden. Somit kann die Zugfestigkeit der Verbindungsbereiche weitgehend von den hochgradig verschlungenen Teilen 1 und 1′ hergeleitet werden. Der verschlungene Bereich, wie er vorstehend definiert ist, besteht aus den hochgradig verschlungenen Teilen 1 und 1′ und aus dem dazwischen liegenden schwach verschlungenen Teil 2.

In Fig. 1 hat ein verschlungener Teil eine Länge l und der Zwischenraum zwischen zwei Teilen der Länge l′.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Strängen mit einem turbulenten Gasstrom ist in der japanischen Patentanmeldung 51-1 47 569 beschrieben. Dieses bekannte Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung sind jedoch nicht für Garne geeignet, die anschließend oxidativ wärmebehandelt werden, wie es bei der Erfindung der Fall ist. Bei dem Verfahren der Erfindung ist es für die Erzeugung der Kohlenstoffasern sehr wichtig, daß während der Oxidation der Ausgangsgarne die bei der Oxidationsreaktion gebildete Wärme gestreut wird. Von diesem Gewichtspunkt aus können die Länge des verschlungenen Teils, der Zwischenraum zwischen den verschlungenen Teilen u. dgl. in enger Beziehung mit der Möglichkeit stehen, die der Erfindung gestellten Aufgaben zu lösen.

Beispielsweise kann die Verschlingung mit einem Strömungsmittelstrahl über eine lange Zone ausgeführt werden, von beispielsweise etwa 5 bis 100 cm, vorzugsweise etwa 10 bis 50 cm, oder eine starke Verschlingung kann auf eine Vielzahl von kurzen Zonen angewendet werden, beispielsweise 1 bis 5 cm. Es ist jedoch besser, wenn die gedoppelten Enden der aufeinander folgenden Ausgangsgarne über eine Vielzahl von (z. B. mindestens zwei) kurzen Zonen verschlungen werden als über eine lange Zone, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der verschlungene Teil während der Oxidation der verschlungene Teile aufweisenden Ausgangsgarne infolge von Wärmeanhäufung herausgebrannt werden kann oder durch die Ablagerung von Teerstoffen versteift und brüchig wird. Wenn andererseits die Enden der aufeinander folgenden Ausgangsgarne durch ein oxidiertes Garn verbunden sind, hat jeder gedoppelte Teil vorzugsweise einen verschlungenen Teil, da die Entspannung des oxidierten Verbindungsgarnes während der Oxidation infolge der vorherrschenden Schrumpfung der Ausgangsgarne an den gedoppelten Stellen auftritt.

Die Länge des verschlungenen Teils kann nach Wunsch durch relative Verschiebung der Verschlingungsvorrichtung und der gedoppelten Ausgangsgarne oder durch Abänderung der Bauweise der Verschlingungsvorrichtung verändert werden.

Bei der Verschlingung der Ausgangsgarne durch einen Strömungsmittelstrahl ist es wünschenswert, daß der verschlungene Teil eine ausreichende Zugfestigkeit aufweist und daß der verschlungene Teil eine Konfiguration hat, die der eines Ausgangsgarnes so ähnlich wie möglich ist. Jedoch ist für die Ausgangsgarne für die Kohlenstoffasern ebenfalls wichtig, daß sie einen ausreichenden Durchlauf durch die nachfolgende Kalzinierstufe haben.

Wenn die Länge der hochgradig verschlungenen Teile 1 und 1′ zu groß ist, kann es leicht geschehen, daß die Teile infolge von Wärmeanhäufungen bei der Oxidation herausgebrannt werden oder daß Rillen in die Walzen eingeschnitten werden oder daß die Führungen der Ausgangsgarne infolge der Steifheit der Teile durch Ablagerung von Teerstoffen beschädigt werden. Wenn andererseits die Länge der hochgradig verschlungenen Teile zu klein ist, können die verschlungenen Teile durch den Schlupf der gedoppelten Garne infolge der durch Schrumpfen der Garne während des Kalzinierens erzeugten Spannungskräfte reißen. Um deshalb einen guten Durchlauf der verbundenen Garne durch die Kalzinierstufe zu erreichen, ist es wünschenswert, daß die Verschlingung in einer Vielzahl von kurzen Zonen mit Zwischenräumen von vorbestimmter Länge angebracht werden.

Die Zwischenräume zwischen den verschlungenen Teilen haben vorzugsweise eine Länge von mindestens 2 cm. Wenn die Länge zu gering ist, können die verbundenen Garne einen geringen Durchlauf durch die Kalzinierstufe haben, weil Rillen in die Walzen eingeschnitten werden oder die Ausgangsgarne reißen, da die während der Oxidation erzeugten Teerstoffe nicht hinreichend verteilt werden und die versteiften Teile dicht beieinander liegen. Wenn die Länge zu groß ist, d. h. mindestens 30 cm beträgt, kann die Verarbeitbarkeit unerwünscht herabgesetzt werden.

Die Länge der verschlungenen Teile bezieht sich auf einen Wert, der wie folgt gemessen wird: Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine Last 7 von ¹/₆₀ g pro Gesamttiter an ein Ende der gedoppelten und verschlungenen Ausgangsgarne 3 und 3′ geklemmt und an diesem aufgehängt. Ein Haken 5 aus Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer glatten Oberfläche mit einer weiteren Last 6 von ¹/₃₀₀ g pro Gesamttiter wird zwischen die un verschlungenen Ausgangsgarne eingehängt. Dann wird die Position, bei der der aufgehängte Haken 5 zur Ruhe kommt, markiert. Danach werden die Garnproben kopfüber umgedreht, und dasselbe Verfahren wird wiederholt. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen den beiden markierten Positionen gemessen, wodurch die Länge des verschlungenen Teils erhalten wird. Die Länge wird durch einen Durchschnittswert von mindestens 20 Proben angegeben, mit Ausnahme der Maximal- und Minimalwerte.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung können die aufeinander folgenden Ausgangsgarne vorteilhaft verbunden werden, indem ihre Enden gedoppelt und die Garne an den gedoppelten Stellen mit Hilfe einer Strömungsmittelstrahldüse zum Verflechten verschlungen werden. Als derartige Strömungsmittelstrahldüse können viele bekannte Düsen verwendet werden, beispielsweise in den japanischen Patentanmeldungen 36-10 511 und 37-1 175 beschrieben. Ein Beispiel für derartige Düsen ist in den Fig. 3 bis 5 erläutert.

In diesen Fig. 3 bis 5 bezeichnet 8 einen Behandlungshohlraum, 9 eine Garnzuführung und 10 Löcher, durch die Luft eingepreßt wird. Die gedoppelten Ausgangsgarne 3 und 3′, die verbunden werden sollen, werden durch die Garnzuführung 9 in den Behandlungshohlraum 8 eingeführt und verflochten, indem ein Luftstrom durch die Löcher 10 mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen wird. Der Behandlungsraum hat eine glatte innere Oberfläche, damit die Garne nicht flusen, und üblicherweise eine rechteckige Parallelröhrenform. Die Form des Behandlungsraumes ist jedoch nicht auf diese genannte Form beschränkt.

Die Lufteinblaslöcher müssen nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt haben, wie es in den Figuren dargestellt ist, sondern können auch schlitzförmig sein. Die Luft kann nicht nur senkrecht zu der Garnachse eingeblasen werden, sondern auch mehr oder weniger im Winkel. Außerdem ist es günstiger, wenn die Kanten der Garnzuführung abgerundet sind, um die Garneinführung zu erleichtern.

Wenn auf die vorstehend erläuterte Weise verflochten wird, ist es wichtig, daß der gedoppelte Teil der Ausgangsgarne innerhalb der Verflechtungszone sich in entspanntem Zustand befindet, vorteilhaft bei einem Entspannungsprozentsatz von 5 bis 60%, vorzugsweise 10 bis 40%. Der Entspannungsprozentsatz wird berechnet aus der Länge der gedoppelten Garne in entspanntem Zustand unter Bezug auf die Originallänge der gedoppelten Garne. Um beispielsweise einen Entspannungsprozentsatz von 20 zu erreichen in einer Verflechtungsvorrichtung, die einen verflochtenen oder verschlungenen Teil mit einer Länge von 2 cm schafft, sollten die gedoppelten Ausgangsgarne in entspanntem Zustand so in die Verflechtungsvorrichtung eingegeben werden, daß ein 2,4 cm langes Stück Ausgangsgarn auf eine Länge von 2,0 cm verflochten wird. Beim praktischen Betrieb kann es jedoch angebracht sein, daß verflochten wird, indem die gedoppelten Ausgangsgarne an Positionen 1 bis 2 cm von den jeweiligen Enden des zu verflechtenden Teils weg festgeklemmt werden. Somit wird in dem Fall, wo die gedoppelten Ausgangsgarne an Positionen 2 cm von den Enden der zu verflechtenden Teile entfernt festgeklemmt werden, ein Entspannungsprozentsatz von 20% erreicht, indem ein 6,4 cm langes Stück Ausgangsgarn zwischen den Klammern mit einem Abstand von 6 cm festgeklemmt wird. Es ist aus Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten äußerst vorteilhaft, daß die auf die entspannten Garne zu setzenden Klammern direkt an der Verflechtungsvorrichtung vorgesehen und wahlweise so geformt sind, daß der Entspannungsprozentsatz automatisch wie gewünscht eingestellt werden kann.

Der Entspannungszustand der zu verflechtenden gedoppelten Ausgangsgarne kann ohne Anwendung mechanischer Mittel von Hand erreicht werden, indem die Garne mit der Hand gehalten werden, während empirisch der Schlupfprozentsatz gesteuert wird. Allerdings können die auf diese Weise von Hand hergestellten verflochtenen Teile einen unerwünscht ungleichmäßigen Verschlingungsgrad aufweisen.

Bevor die miteinander verbundenen aufeinanderfolgenden Ausgangsgarne der Oxidationsstufe zugeführt werden, sollten die Enden der jeweils außerhalb des verschlungenen Teils befindlichen Garne durch Zurichten in ihrem Durchlauf durch die nachfolgende Stufe verbessert werden. Nachdem die aufeinanderfolgenden Aus gangsgarne miteinander verbunden sind, werden die Enden der Garne gewöhnlich auf eine Länge gedoppelt, die um ein gutes Teil größer ist als die Länge die für die Verschlingung not wendig ist, so daß freie Enden der gedoppelten Ausgangsgarne außerhalb des verschlungenen Teils in einer Länge von einigen Zentimetern bis zu 20 cm verbleiben. Deshalb sollten die freien Enden der gedoppelten Garne nach dem Verschlingen auf eine Länge von 0,2 bis 0,5 cm über dem verschlungenen Teil abgeschnitten werden, beispielsweise mit einer Schere, um unerwünschte Schwierigkeiten zu vermeiden, beispielsweise, daß sich das Garn um die Walze wickelt od. dgl.

Der geeignete Luftdruck der durch die Strahldüse eingeblasenen Luft kann schwanken in Abhängigkeit von dem Einzelfadentiter der das Garn bildenden Fäden, der Anzahl der Einzelfäden des Garnes, dem Zustand des angewendeten Avivagemittels, der Form der Lufteinspritzdüsen u. dgl. Im allgemeinen ist es jedoch angebracht, dem Lufteinlaßteil der Düse Preßluft zuzuführen. Wenn der Luftdruck zu niedrig ist, kann der verschlungene Teil eine zu geringe Festigkeit haben. Wenn der Luftdruck zu hoch ist, können einige der Einzelfäden im verschlungenen Teil reißen, so daß sich das Garn in der nachfolgenden Stufe um die Walze wickeln kann und ähnliche Probleme auftreten.

Die auf diese Weise verbundenen Ausgangsgarne werden kalziniert, wobei jedes beliebige Verfahren zum Erzeugen von Kohlenstoffasern angewendet werden kann, um die Garne in Kohlenstoff- oder Graphitfasern umzuwandeln. Beispielsweise werden die Ausgangsgarne in einer oxidierenden Gasatmosphäre bei etwa 200 bis 400° erhitzt, wobei oxidierte Filamentgarne gebildet werden, welche dann in einer Inertgasatmosphäre von etwa 800 bis 1500°C verkohlt werden; wahlweise werden die verkohlten Filamentgarne in einer Inertgasatmosphäre von noch höherer Temperatur unter Bildung von Graphitfasern verkohlt.

Durch das Verfahren nach der Erfindung können die Nachteile und Probleme der konventionellen Verfahren, wie sie eingangs erläutert wurden, überwunden werden, und außerdem ergeben sich die folgenden ausgezeichneten Wirkungen:

1. Die Effektivität des Verfahrens kann infolge der Verbesserung des Durchlaufs des Garns durch die Kalzinierstufe verbessert werden, da Dicke und Fadendichte der verbundenen Teile im Vergleich zu denen bei konventionellen Verfahren, bei denen die aufeinanderfolgenden Ausgangsgarne durch Verknoten ihrer Enden miteinander verbunden und dann kontinuierlich kalziniert werden, extrem niedrig sind.
2. Der Durchlauf des Garns durch die Verkohlungsstufe ist ausgezeichnet infolge der Verbesserung der Biegefestigkeit der verbundenen Teile, während die Biegebeständigkeit und -festigkeit der verbundenen Teile bei konventionellen Verfahren während der Oxidationsstufe verschlechtert wird, so daß auch der Durchlauf des Garns durch die Verkohlungsstufe leidet.
3. Der Garngesamttiter des Ausgangsgarns in der kontinuierlichen Kalzinierstufe ist mit dem Titer der Ausgangsgarne vergleichbar. Dies soll heißen, daß die Enden von zwei Ausgangsgarnen mit unterschiedlichen Gesamttitern gedoppelt und verschlungen werden können, um die Garne hintereinander zu verbinden, ohne daß die Unterschiede in der Dicke der Garne berücksichtigt werden müßten.
4. Die Effektivität des Verfahrens kann durch die Verbesserung der Biegefestigkeit des Garns in der Verkohlungsstufe verbessert werden, da die jeweiligen verschlungenen Teile durch Ausbildung einer Vielzahl von verschlungenen Teilen, wie in Fig. 1 dargestellt, sehr kurz sein können, so daß die verschlungenen Teile eine geringe Wärmeakkumulation und eine geringe Ablagerung von Teerstoffen während der Kalzinierung haben.
5. Die erhaltenen Kohlenstoffasern haben konstante physikalische Eigenschaften, da Festigkeit, Form, Größe u. dgl. der verbundenen Teile infolge der mechanischen Verknüpfung durch einen Strömungsmittelstrahl konstant sind, und somit können die verbundenen Ausgangsgarne unter konstantem Zug kalziniert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen im einzelnen erläutert, die jedoch keinerlei Einschränkung des Erfindungsbereiches bedeuten.

Beispiel 1

Acrylfilamentgarne mit 3000 und 12 000 Einzelfäden mit einem Einzelfadentiter von 1,0 dtex und einer Zugfestigkeit von etwa 6 g/dtex wurden jeweils unter Verwendung einer Vorrichtung der in Fig. 3 gezeigten Art gedoppelt und verschlungen, unter Änderung des Luftdruckes, des Entspannungsprozentsatzes des Garns beim Verflechten und der Anzahl der Einzelfäden, um verschiedene verbundene Garnproben zu erhalten. Der verbundene Bereich jeder Probe hat einen verschlungenen Teil, und die Länge des verschlungenen Teils betrug 2 cm.

Eine Reihe dieser Proben wird mittels eines geeigneten Geräts auf Zugfestigkeit geprüft. Eine weitere Reihe der unter den vorstehenden Bedingungen hergestellten Proben wurde bei einer Geschwindigkeit von 1,0 m/min in einen oxidierenden (antiflaming) Ofen eingegeben, in dem heiße Luft von 240°C zirkulierte. Die Proben wurden 150 Minuten lang in dem Ofen belassen, indem sie über Walzen geführt wurden, die an der Ober- und der Unterseite des Ofens in Zickzackbauweise angeordnet waren; dann wurden sie aus dem Ofen entnommen, wobei die Zugfestigkeit der verbundenen Teile und der Durchlauf der Garnproben durch die Oxidationsstufe bestimmt wurden.

Dann wurden die Proben mit einer Geschwindigkeit von 1,0 /min in einen Verkohlungsofen mit einer Haupterhitzungszone mit einer Temperaturverteilung von 500 bis 1400°C eingegeben und dort eine Minute lang einer Hitzebehandlung unterzogen, während der Durchlauf der Garnproben durch die Verkohlungsstufe bestimmt wurde.

Der erwähnte Durchlauf ist durch den Probensatz der Garnproben mit verbundenen Bereichen angegeben, die ohne Bruch die Oxidationsstufe oder die Verkohlungsstufe durchlaufen, wenn die Proben diesen Stufen zugeführt und wärmebehandelt werden.

Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Beispiel 2

Ein Garn aus 3000 Einzelfäden mit einem Einzelfadentiter von 1,0 dtex, wie in Beispiel 1, wurde unter Einsatz der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung gedoppelt und verflochten, unter Änderung des Entspannungsprozentsatzes des Garns während des Verflechtens, um verbundene Garnproben mit jeweils einem verschlungenen Teil zu erhalten. In der Ver schlingungsvorrichtung wurde Preßluft verwendet. Die erhaltenen Proben wurden dann auf Zugfestigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Beispiel 3

Acrylfilamentgarne aus 1000, 3000, 6000 und 12 000 Einzelfäden (Einzelfadentiter 1,0 dtex) wurden unter Anwendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 3 gedoppelt und verflochten, jedoch mit anderen Maßen, wobei Preßluft als Strömungsmittel verwendet wurde und der Entspannungsprozentsatz 20% betrug. Die Länge der verschlungenen Teile war verändert. Die erhaltenen Proben besaßen jeweils einen verschlungenen Teil.

Eine Reihe der Proben wurde auf Zugfestigkeit geprüft, und eine weitere Reihe von Proben wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise oxidiert und verkohlt, wobei der Durchlauf durch die Oxidations- und die Verkohlungsstufe bestimmt wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3

Beispiel 4

Das in Beispiel 3 verwendete Garn wurde mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit einer Düse, die einen verschlungenen Teil mit einer Länge von 2 cm schafft, unter der Verwendung von Preßluft als Strömungsmittel und einem Entspannungsprozentsatz von 20% gedoppelt und verflochten. Der verbundene Teil jeder Probe bestand aus mehreren verschlungenen Teilen, und jeder verschlungene Teil war an den Enden stark und im Mittelteil schwach verschlungen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Eine Reihe der Proben wurde auf Zugfestigkeit geprüft, und weitere Reihen von Proben wurden unter den in Beispiel 1 angegebenen Bedingungen der Oxidation und Verkohlung unterworfen, wobei der Durchlauf durch die Oxidations- und die Verkohlungsstufe bestimmt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

Tabelle 4

Beispiel 5

Die in Beispiel 3 verwendeten Garne wurden auf die in Beispiel 1 verschriebene Weise oxidiert. Die erhaltenen oxidierten Garne hatten eine Zugfestigkeit von 2,5 g/dtex, eine Hitzeschrumpfung von 0% und einen Feuchtigkeitsgehalt von 6,2%. Jedes oxidierte Garn wurde mit einem Garnmaterial, das eine Beschaffenheit hatte wie das erstere Garn vor der Oxidation, gedoppelt und dann unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, bei Verwendung von Preßluft als Strömungsmittel und einem Entspannungsprozentsatz von 20% verflochten. Der verbundene Teil jeder erhaltenen Probe hatte einen verschlungenen Teil. Die erhaltenen Proben wurden auf Zugfestigkeit der verbundenen Teile geprüft. Außerdem wurden die Proben unter den in Beispiel 1 angegebenen Bedingungen oxidiert und verkohlt, und der Durchlauf durch die Oxidations- und die Verkohlungsstufe wurde bestimmt.

Zum Vergleich wurde jedes der vorstehend erläuterten Materialien durch feste Doppelknoten verbunden; mit diesen Proben wurden die vorstehenden Auswertungen vorgenommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

Tabelle 5

Claims

1. Verfahren zum kontinuierlichen Erzeugen von Kohlenstoffasern, bei dem das hintere Ende eines vorhergehenden Ausgangsgarnes mit dem vorderen Ende eines nachfolgenden Ausgangsgarnes verbunden und die fortlaufend verbundenen Ausgangsgarne in einer aktiven Atmosphäre kontinuierlich oxidiert werden, wobei das hintere Ende und das vordere Ende aufeinander gedoppelt werden, so daß die aufeinanderfolgenden Ausgangsgarne durch einen gedoppelten Bereich bestimmter Länge miteinander verbunden werden, oder daß das hintere Ende und das vordere Ende jeweils auf das Ende eines anderen weiteren Fasergarnes gedoppelt werden, das oxidierbar oder bereits oxidiert ist, so daß die aufeinanderfolgenden Ausgangsgarne über dieses andere Garn durch einen gedoppelten Bereich bestimmter Länge verbunden werden, und daß die Garne an den gedoppelten Bereichen zum festen Verbinden der aufeinanderfolgenden Ausgangsgarne durch Strömungsmittelbehandlung verschlungen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der gedoppelte und verschlungene Bereich eine Länge von 5 bis 100 cm hat und/oder die Garne an diesem gedoppelten Bereich mittels verschlungener Teile von unterschiedlichem Verschlingungsgrad verbunden sind, wobei die verschlungenen Teile eine Länge von 1 bis 5 cm haben und an mindestens zwei Stellen mit einem Abstand von 2 bis 30 cm ausgebildet sind, und daß die Zugfestigkeit des gedoppelten und verschlungenen Bereiches vor der Oxidation mindestens 2,0 g/dtex und die Zugfestigkeit an den gedoppelten und verschlungenen Teilen nach der Oxidation in Luft während 200 Minuten bei 230 bis 250°C mindestens 0,8 g/dtex beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des gedoppelten und verschlungenen Bereiches 10 bis 50 cm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfestigkeit des gedoppelten und verschlungenen Bereiches vor der Oxidation 2 bis 5 g/dtex beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere weitere Fasergarn ein oxidiertes Fasergarn mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 3,5 bis 10 Gew.-% und einer Zugfestigkeit von 1,0 bis 4,0 g/dtex ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel Preßluft ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Garne in dem gedoppelten Bereich in entspanntem Zustand bei einem Schlupfprozentsatz von 5 bis 60% verschlungen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Ausgangsgarne sich in bezug auf Einzelfadentiter und/oder Anzahl der Einzelfäden unterscheiden.