DE3339756A1

DE3339756A1 - Aktivkohle

Info

Publication number: DE3339756A1
Application number: DE19833339756
Authority: DE
Inventors: Ferdinand v. Prof. Dipl.-Chem. Dr. 8901 Biberbach Sturm
Original assignee: Sigri Elektrographit 8901 Meitingen GmbH; Sigri GmbH
Current assignee: Rain Carbon Germany GmbH
Priority date: 1983-11-03
Filing date: 1983-11-03
Publication date: 1985-05-15
Also published as: DE3339756C2

Description

Aktivkohle
Die Erfindung betrifft eine faserförmige Aktivkohle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Pulver- und granulatförmige durch Carbonisieren und Aktivieren körniger und stückiger kohlenstoffhaltiger Materialien, wie Kohle, Holz und dgl., hergestellte Aktivkohle wird in der Regel in Form von Schüttungen oder Packungen verwendet, deren Dichte sich durch die '.wirkung von Beschleunigungskräften ändern kann. Besonders lr bewegten Filter schichten wird die Packung örtlich verdichtet, wodurch die Adsorptionskapazität sinkt und Durchbruchskanäle für das Adsorptiv entstehen können. im wesentlichen aus aktivierten Kohlenstoffasern oder Aktivkohlefasern bestehende Schichten weisen derartige Mängel nicht auf. Zur Herstellung von Aktivkohlefasern werden kohlenstoffhaltige Fasern, z.B. regenerierte Cellulose, Wolle, Phenolharzfasern, Polyacrylnitrilfasern oder Pecnfasern, gegebenenfalls nach einer die thermische Stabilität der Faser fördernden Vorbehandlung durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre carbonisiert und dann einer der für körnige oder granulatförmige Aktivkohle üblichen Aktivierungsbehandlung unterworfen (DE-OS 2 345 297). Es ist ebenfalls bekannt, die thermisch stabilisierten Fasern in Gegenwart eines Aktivierungsgases zu carbonisieren und den Aktivierungsprozeß durch den Zusatz dehydrierender Stoffe, wie Zinkchlorid, Phosphorsäure oder Kaliumsulfid, zu beschleunigen (DE-PS 27 15 486). Die Aktivierung ist nicht auf Filamente oder Garne aus Kohlenstoff beschränkt, sondern schließt alle textilen Flächengebilde ein, wie Bänder, Gewebe, Filze oder Vliese.
Aus Aktivkohlefasern, etwa in der Form von Gewebe- oder Filzschichten, bestehende Filter haben bei gleicher Absorptionskapazität einen kleineren Strömungswiderstand als Filter aus granulierter Aktivkohle (GB-PS 1 301 101).
Die Faserschichten sind zudem flexibel und eignen sich entsprechend sehr gut für Körperschutzkleiduna lr. Verbindung mit den üblichen Textilgeweben oder Schutzfolien.
Weniger befriedigend ist die vergleichsweise geringe Festigkeit der Aktivkohlefasern, vor allem eine Folge des Masseverlusts durch die Aktivierung, der naturgemäß mit der Größe der erzeugten Oberfläche, d.h., mit steigender Wirksamkeit der Faser wächst. Die Kohlenstoffasern büßen bei der Aktivierung auch einen Teil ihrer ursprünglIchen Flexiblität ein und sind dann wegen der kleinen Biege- und Knickfestigkeit, der Beanspruchung in Schutzkleidungen in der Regel nicht gewachsen. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Faser ist vorgeschlagen worden, Schichten aus Aktivkohlefasern mit Schichten aus einer Fasersorte zu vernadeln, die unter den Verwendungsbedingungen wesentlich fester als die Aktivkohlefaser ist (US-PS 4 181 513). Für niedrigere Verwendungstemperafraren eignen sich besonders Synthetikfasern, z.B. Fasern aus Polypropylen oder Polyester, für höhere Temperaturen Glasfasern, keramische Fasern oder auch Metallfasern. Nach einem anderen bekanntgewordenen Verfahren werden aus Aktivkohlefasern bestehenden Flächengebilden Verstärliuncsfasern der genannten Gattungen direkt beigemischt und auf diese Weise aus alternierenden Schichten aufgebaute Strukturen vermieden oder man stellt zunächst Aktivkohlefasern und Verstärkungsfasern enthaltende Mischgarne her, die dann durch Weben, Nadeln oder dgl. zu Flächengebilden verarbeitet werden (DE-OS 30 37 582). Die Herstellung von Mischgarnen gelingt wegen der großen Sprödigkeit der Aktivkohlefaser nur mit erheblichem technischen Aufwand und obgleich durch die Verwendung von hochfesten Fasern als Zusatz, wie Polyimid, Glas oder Graphit, die Festigkeit des Flächengebildes für fast jeden Zweck den Anforderungen angepaßt werden kann, ändert sich die unzurelchende Flexibilität der Aktivkohlefaser selbst nicht und der Verlust besonders bei Biegebeanspruchungen ist vergleichsweise groß.
Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde eine Aktivkohlefaser mit größerer Festigkeit zu schaffen, die gegen Knick- und Biegebeanspruchungen weitgehend beständig ist und in Form eines textilen Flächengebildes sich besonders für die Herstellung von Schutzkleidung eignet.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Faser, die aus einem flexiblen Kern und einer den Kern umschließenden aktivierten Kohlenstoff schicht besteht.
Mit Aktivkohle beschichtete Körper und Verfahren zu ihrer Herstellung sind durch die DE-PS 620 455 bekannt. Der Kern oder Träger der Aktivkohle ist dabei eine starre Kohlenstoffelektrode für elektrische Elemente, wohingegen die Erfindung ein flexibles textiles Gebilde betrifft.
Es ist ebenfalls bekannt, Kohlenstoffasern mit Oberzügen aus Kohlenstoff zu versehen, z.B. durch Abscheidung des Kohlenstoffs aus der Gasphase oder durch Beschichten der Fasern mit einer harzhaltigen Dispersion oder Lösung und Zersetzung des Harzes durch Pyrolyse (DE-OS 26 42 7781.
Diese Schichten sollen die Kohlenstoffaser gegen Oxidation schützen. Die Kohlenstoffschichten sind entsprechend dicht und impermeabel und eignen sich offensichtlich nicht zur Herstellung der erfindungsgemäßen Aktivkohlefaser.
Der flexible Kern der faserförmigen Aktivkohle besteht aus Fasern, die bei den zur Carbonisierung und Sktlvierung der Beschichtung nötigen Temperaturen stabil sind, in diesem Temperaturbereich nicht mit Kohlenstoff reacieren und von Aktivierungsmitteln nicht angegriffen werden. 3eispiele sind Glasfasern, Keramikfasern einschließlich Sillciumcarbidfasern, Borfasern, Metallfasern und eingeschränkt auch Graphitfasern, die gegen die Aktivierungsmittel zwar nicht vollständig inert sind, ihre Reaktivität ist aber erheblich kleiner als die der Kohlenstoffschicht, so daß nachteilige Schäden im Kontakt mit dem Aktivierungsinittel beschränkt bleiben und die mechanischen Eigenscate nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Bevorzugt werden wegen der überlegenen Stabilität Glas- und Keramikfasern.
Zur Herstellung der den flexiblen Kern umschließenden aktivierten Kohlenstoffschicht werden die Fasern in die Schmelze einer carbonisierbaren Substanz oder in eine diese Substanz enthaltende Lösung der Dispersion getaucht oder die Substanz wird durch andere an sich bekannte verfahren, wie Spritzen, Pinseln und dgl. auf die Faseroberfläche aufgebracht. Geeignete Substanzen sind beispielsweise Teerpeche, Duroplaste wie Phenolformaldehydharze oder Furanharze, Thermoplaste wie Pol:i~rLnylchlorid oder Polyacrylnitril, Kohlehvdrate wie Cellulose oder Zucker.
Im Einzelnen wird man Substanzen wählen, deren Gewichtslust bei der Carbonisierungsbehandlung gering ist und die mit kleinem Aufwand aktiviert werden können. Wegen der einfachen und schnellen Aktivierbarkeit sind Kohlehydrate besonders günstig. Wässerige Lösungen oder Dispersionen dieser Stoffe werden durch Zusätze von Verdickungsmltteln, wie Alginate, auf eine für die Beschichtung der Faser günstige Viskosität eingestellt. Nach einer bevorzugter. Ausführung des Verfahrens wird in der Schmelze, Lösung oder Dispersion der zur Beschichtung verwendeten Substanz ein dehydratisierender Stoff aus der Gruppe Zinkchlorid, aonesiumchlorid, Calciumchlorid, Phosphorsäure, Schwefel- säure gelöst, der den Aktivierungsprozeß in an sich bekannter eise beschleunigt. Zur Verbesserung der Haftung des Überzugs ist die Oberfläche der Kernfaser aufzurauhen, beispielsweise durch Ätzen, oder mit einer Schlichte zu versehen.
Die zum Beschichten der Fasern verwendeten Substanzen, schmelzen beim Erwärmen oder bilden durch dreidimensionale Vernetzung ein unschmelzbares Produkt. Die Substanzen der ersten Gruppe, zu denen Thermoplasten gehören, werden zweckmäßig vor der Erhitzung auf die Carbonisierungstemperatur einer thermischen Behandlung in Gegenwart eines Cyclisierungsmittels unterworfen. Die beschichteten Fasern werden zu diesem Zweck beispielsweise in Luft oder einem anderen Oxidationsmittel auf etwa 200 bis 300 0C erhitzt.
Nach der Behandlung ist die Schicht unschmelzbar und kann ohne Verluste durch Abtropfen carbonisiert werden.
Zur Carbonisierung der Beschichtung werden die Fasern in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt, wobei die Aufheizgeschwindigkeit etwa 100 bis 1000 K/h und die Maximaltemperatur etwa 800 bis 1100 0C betragen. Das kohienstoffhaltige Beschichtungsmaterial pyrolisiert unter diesen Bedingungen unter Bildung flüchtiger Produkte und einer Kohlenstoffschicht, die mit dem -aserkern fest verbunden ist. Zur Aktivierung des Kohlenstoffs erhitzt man die mit einem Kohlenstoffüberzug versehene Faser anschließend in Gegenwart von Sauerstoff, Ammoniak, t4asserdampf oder Kohlendioxid oder Gemischen dieser Gase, z.3. in Wasserdampf und Kohlendioxid enthaltenden Bauchgasen, Die Behandlungstemperatur wird durch die Reaktivität der Aktiv vierungsgase bestimmt, sie beträgt wenigstens 750 OC, ifl bekannter Weise kann man dabei die AktivIerung durch wässerige Lösungen von Zinkchlorid, Phosphorsäure oder Schwefelsäure beschleunigen, die man auf die Faseroherfläche aufträgt. Die Größe der spezifischen Oberflache und die Porengrößenverteilung in der sich bildenden akç vierten Kohlenstoff schicht kann wie üblich durch die Wahl der Aktivierungsmittel und der Aktivierungsbedingungen in weiten Grenzen der Anwendung der faserförmigen Aktivkohle angepaßt werden. Die spezifische Oberfläche beträgt bevor-2 zugt 300 bis 3000 m /g. Carbonisierung und Aktivierung der Faserbeschichtung werden zweckmäßig zu einem einzigen Verfahrensschritt zusammengefaßt. Man erhitzt dabei Fasern mit einem nichtschmelzenden überzug in Gegenwart eines Aktivierungsmittels auf die Carbonisierungstemperatur.
Zur Erzielung besonderer Absorptionseffekte ist es schließlich in bekannter Weise möglich, in die aktivierte Kohlenstoffschicht Katalysatoren wie Platinmetalle oder Verbindungen der Platinmetalle einzulagern (DE-OS 23 45 297).
Die Katalysatoren oder thermisch zersetzbaren Verbindungen werden zu diesem Zweck vorteilhaft in der kohlenstoffhaltigen Beschichtungssubstanz gelöst und mit dieser auf die Faseroberfläche aufgebracht. Bei einem anderen Verfahren imprägniert man die aktivierte Kohlenstoffschicht mit dem Katalysator.
Verwendet werden die aktivierten Kohlenstoffasern vorzugsweise in Form textiler Flächengebilde, ie Geweben, Bänder, Filzen, Vliesen oder dgl. Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden die in Form von textilen Flächengebilden vorliegenden Kernfasern mit dem kohlenstoffhaltigen Material beschichtet, nach einer anderen Ausführungsform beschichtet man Monofilamente, Garne oder Kurzschnittfasern aus dem Kernmaterial und verarbeitet die Faserformen nach der thermischen Stabilisierung des überzugs zu textilen Flächengebilden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen faserförmigen Aktivkohle ist die ausgezeichnete Beständigkeit gegen Biege- und Knickbeanspruchungen. Von besonderer Bedeutung sind diese Eigenschaften für Körperschutzkleidungen, die durch Bewegungen ihrer Träger vor allem Beanspruchungen dieser Art ausgesetzt sind. Die Verwendung der faserförmigen Aktivkohle ist natürlich nicht auf Körper schutzkleidungen beschränkt, andere vorteilhafte Verwendungsarten sind beispielsweise Filter und Elektroden für elektrochemische Zellen.

Claims

Patentansprüche: 1. Faserförmige Aktivkohle, g e k e n n z e i c h n e t durch einen flexiblen Kern und eine den Kern umschiessende aktivierte Kohlenstoffschicht.
2. Faserförmige Aktivkohle nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der flexible Kern aus einer temperaturbeständigen, gegen Aktivierungsstoffe beständigen Faser besteht.
3. Faserförmige Aktivkohle nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der flexible Kern aus einer Faser aus der Gruppe Glasfasern, Keramikfasern besteht.
4. Faserförmige Aktivkohle nach Anspruch 1 bis 3, daduron g e K e fl n z e i c h n e t , daß die spezifische Oberfläche der aktivierten Kohlenstoff schicht 300 bis 2 3000 m /g beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer faserförmigen Aktivsohle nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine temperaturbeständige Faser mit einer einen carbonisierbaren Stoff enthaltenden Schmelze oder Lösung beschichtet, zur Carbonisierung der Schicht in einer inerten Atmosphäre und zur Aktivierung der Schicht in einer aktivierende Gase enthaltenden Atmosphäre erhitzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein aus temperafrurbeständiaen Fasern bestehendes FlächengebIlde mit einer carbonlsierbare Stoffe enthaltenden Schmelze oder Lösung seschichtet, zur Carbonisierung der Schicht in einer inerten Atmosphäre und zur Aktivierung der Schicht in einer aktivierende Gase enthaltenden Atmosphäre erhitzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Oberfläche der Faser vor der Beschichtung aufgerauht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß in der fluiden Beschicntur,gsmasse ein Dehydrierungsmittel gelöst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5 bis 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß in der fluiden Beschichtungsmasse Katalysatoren gelöst werden.
10. Verfahren nach Anspruch 5 bis 9, dadurch g e : r. -z e i c h n e t , daß die beschichtete Faser in einer aktivierende Gase enthaltenden Atmosphäre carbcnlslert wird.