DE3600063C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung von Gegenständen aus Kohlenstoff oder
Graphit in Form von Fasern oder Folien, die hohe
Anisotropie besitzen, durch Auswahl einer Substanz als
Kohlenstoffvorprodukt, die eine bestimmte chemische
Struktur und bestimmte Eigenschaften besitzt. (Im
folgenden werden die Gegenstände aus Kohlenstoff und
Graphit allgemein als Kohlenstofformkörper
bezeichnet).
Zur Herstellung von Kohlenstofformkörpern,
insbesondere von Kohlenstoffasern, sind bereits
verschiedene Verfahren bekannt. Bei einem davon werden
Fasern aus natürlichen oder künstlichen hochpolymeren
Materalien, wie Polyacrylnitril, Polybenzimidazol,
Cellulose usw., carbonisiert, bei einem anderen
wird Pech als Ausgangsmaterial durch Schmelzspinnen in
Faserform gebracht und anschließend einer
Unschmelzbarmachung und Carbonisierung unterworfen.
Das zweite Verfahren eignet sich zur Herstellung von
Produkten, die eine gleichmäßige Qualität und
hinreichende Festigkeit besitzen. Andererseits
besitzen Kohlenstoffasern, die nach diesem Verfahren
hergestellt wurden, charakteristischerweise eine
isotrope Struktur, aus der heraus Wachstum und
Orientierung von Graphitkristallen selbst bei
Einwirkenlassen von hohen Temperaturen nur unter
Schwierigkeiten ablaufen. Demzufolge war es bisher
schwierig, Kohlenstoffasern mit einem hohen
Elastizitätsmodul herzustellen, ohne sie einer
Wärmebehandlung bei Graphitierungstemperaturen oder
einem Temperaturbereich in der Nähe davon unter
gleichzeitigem Einwirkenlassen von starken Zugkräften
zu unterwerfen.
Ein Grund hierfür liegt darin, daß das
Molekulargewicht des Rohmaterials Pech, das sich zum
Verspinnen eignet, im Vergleich zu dem von
Hochpolymeren, wie beispielsweise Polyacrylnitril
usw., außerordentlich niedrig ist und daß darüber
hinaus die Moleküle als ganze nicht eben genug sind,
so daß es mit Hilfe von herkömmlichen Verfahren kaum
möglich ist, Pechfasern mit hoher molekularer
Orientierung zu erhalten. Außerdem verursacht das
Unschmelzbarmachen bei niedriger Temperatur eine
dreidimensionale Vernetzung zwischen den Molekülen,
wodurch den Pechfasern eine schlechte Graphitierbarkeit
verliehen wird, die eine weitere Schwierigkeit
darstellt.
In der DE-OS 20 15 175 wird ein Verfahren zur
Herstellung von Kohlenstofformkörpern beschrieben. Das
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein
Ausgangsmaterial in die gewünschte Form bringt, das
aus folgenden Verbindungen besteht:
- a) kondensierten polycyclischen Verbindungen, die durch Kondensation von mindestens sieben Ringen als Grundgerüst gebildet sind und eine im hohen Maße ebene Molekülstruktur besitzen,
- b) Verbindungen, in denen Einheiten der erwähnten kondensierten polycyclischen Struktur miteinander durch eine einzelne Brücke verbunden sind,
- c) Verbindungen, in denen Einheiten von kondensierten Ringen, die aus mehr als zwei Ringen bestehen, durch zwei Brücken, die mindestens eines der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel enthalten, zu einem neuen Ringsystem verbunden sind, und
- d) einem Gemisch der unter a) bis c) genannten Verbindungen, die eine hochgradig ebene kondensierte Ringstruktur, eine gleichmäßige Schmelze sowie eine Schmelzviskosität von 0,04 bis 70 Pa · s bei der Verformtemperatur aufweisen, ausgewählt sind, und die Verkohlung und Graphitierung des Formkörpers durchführt, ohne während dieser Behandlungen eine Zugspannung auf den Formkörper einwirken zu lassen.
Das mittlere Molekulargewicht des Kohlenstoffaser-
Vorprodukts ist mit 400 bis 3000 angegeben und seine
Viskosität bei Temperaturen zwischen 320 und 480°C
mit 0,04 bis 70 Pa · s. Die Bereiche sind sehr weit
gefaßt. Üblicherweise liegen die mittleren
Molekulargewichte für verspinnbare Mesophasenpeche
unter 1000 und bei Viskositäten zwischen 1 und 20
Pa · s.
Der Elastizitäts-(E)-Modul der aus diesen Kohlenstoffvorprodukten
hergestellten Kohlenstoffaser liegt zwischen 137 und
314 kN/mm². Die Fasern sind folglich der Klasse der
Hochfest-Kohlenstoffasern zuzuordnen. Hochmodul-
Kohlenstoffasern haben einen E-Modul zwischen 350 und
450 kN/mm² und werden fast ausschließlich aus
Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Im Gegensatz zur
linearen Struktur der PAN-Moleküle haben
Pechmesophasen eine flächige Molekülstruktur. Hierin
kann der Grund für die geringere Elastizität der
Kohlenstoffasern auf Pechbasis gesehen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung von Kohlenstofformkörpern, insbesondere
von Kohlenstoffasern aus polycyclischen Aromaten zu
entwickeln, die einen mindestens ebenso hohen E-Modul
wie solche aus PAN haben.
Die Aufgabe wird entsprechend dem Anspruch 1 gelöst.
Ausgangsrohstoffe sind nur in β-Stellung
substituierte linear anellierte Aromaten der
allgemeinen Formel
mit n zwischen 0 und 4, die in einer oder mehreren
β-Stelungen ( β, β′, β″, β′′′ ) beliebig substituiert
sein können. Es hat sich gezeigt, daß diese Aromaten
ausschließlich zu linear kondensierten Verbindungen
polymerisieren. Bevorzugt sind vor allem mit Alkyl-,
Hydroxy- oder Aminogruppen substituierte Aromaten,
insbesondere in β- oder β′-Stellung und β″- oder
β′′′-Stellung mindestens zweifach subtituierte
Aromaten wie beispielsweise 2,6-Dimethylnaphthalin,
2,7-Dimethylnaphthalin, 2-Hydroxy-6-methyl-naphthalin,
2,7-Dimethylanthracen, 2,6-Dimethylanthracen,
2,3-Dimethylanthracen, 2-Amino-6-methyl-naphthalin.
Die Aromaten können einzeln oder im Gemisch
polymerisiert werden, es ist jedoch, insbesondere bei
höher kondensierten Aromaten sinnvoll, Verbindungen
mit gleicher Ringzahl zu polymerisieren, da durch den
größeren Molekulargewichtssprung die Fraktionierung
erleichtert wird.
Die Polymerisation wird im allgemeinen bei
Temperaturen zwischen 350 und 470°C durchgeführt. Ein
erhöhter Druck ist vorteilhaft, insbesondere bei
Verbindungen, deren Siedepunkt unterhalb oder nur
wenig über der Polymerisationstemperatur liegt. Nach
Beendigung der Polymerisation können durch
Flashdestillation die niedrigsiedenden Mono- und
Polymere aus dem Reaktionsprodukt entfernt werden.
Der Rückstand wird mit einem überkritischen Gas aus
niedrigsiedenden aliphatischen Kohlenwasserstoffen,
gegebenenfalls unter Verwendung eines Schleppmittels
extrahiert und der Extrakt durch stufenweise
Temperaturerhöhung oder Druckabsenkung aus der fluiden
Phase ausgeschieden.
Dabei sollten mindestens drei Fraktionen gewonnen
werden, von denen die mittlere vorzugsweise nicht mehr
als 5 linear anellierte Aromaten mit bis zu 6 Ringen
enthält und als Precursor für
die Herstellung der Kohlenstofformkörper verwendet
wird.
Ein Gemisch aus 500 g 2,6-Dimethylanthracen und 500 g
2,7-Dimethylanthracen wird 3 h bei 450°C in einem
Autoklaven unter Stickstoff bei einem Druck von 5 bar
polymerisiert. Dabei entstehen etwa 10 Gew.-%, bezogen
auf das Einsatzgemisch, eines methanreichen Gases.
Anschließend wird der Autoklav über einen Kondensator
auf einen Druck von 50 mbar entspannt. Es werden etwa
5 Gew.-% eines Öls erhalten, das überwiegend aus
Anthracen besteht. Der Rückstand (85 Gew.-% vom
Einsatz) wird mit Propan bei 150°C unter einem Druck
von 180 bar extrahiert, und aus dem beladenen
Extraktionsmittel werden durch stufenweises Entspannn drei
pechartige Fraktionen gewonnen. Die in einer Ausbeute
von 65 Gew.-%, bezogen auf das Einsatzgemisch, erhaltene
mittlere Fraktion hat eine Molekulargewichtsverteilung
im Bereich zwischen 550 und 1100 bei einem mittleren
Molekulargewicht von 800. Die Viskosität bei 350°C
beträgt 8,2 Pa · s. Bei Beobachtung der polierten
Oberfläche der erkalteten Fraktion unter einem
Polarisationsmikroskop ist die vollständige
Anisotropie der Substanz sichtbar.
Sie wird bei 350°C mit einer Abzugsgeschwindigkeit
von 5 m/s mittels eines Extruders und eines
Spinndüsenkopfes zu Fasern mit einem Durchmesser von 8
µm versponnen, ohne daß Faserbrüche entstehen.
Anschließend werden die Fasern bei etwa 200°C in Luft
2 h und danach noch 1 h bei 300°C oxidiert. Die so
unschmelzbar gemachten Fasern werden in einer
Stickstoffatmosphäre mit 2 K/min bis auf 600°C, mit
10 K/min bis auf 1400°C und anschließend mit 20 K/min
bis auf 3000°C erhitzt.
Der Elastizitätsmodul der so erhaltenen Graphitfasern
beträgt 410 kN/mm² und die Zugfestigkeit 2900 N/mm².
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines
Kohlenstofformkörpers mit den Schritten
- a) Polymerisation von in β-Stellung substituierten linear anellierten Aromaten mit nicht mehr als 6 Ringen zu linear kondensierten polycyclischen Verbindungen,
- b) fraktionierte Extraktion der nach a) erhaltenen Verbindungen, mit einem überkritischen Gas, wobei als Kohlenstoffvorprodukt ein Gemisch polycyclischer Aromaten mit einer engen Molekulargewichtsverteilung mit Molekulargewichten im Bereich zwischen 500 und 1200 erhalten wird,
- c) Extrudieren des Kohlenstoffvorprodukts zu Folien oder Verspinnen zu Fasern in an sich bekannter Weise,
- d) Unschmelzbarmachen der Folien und Fasern in an sich bekannter Weise und
- e) Carbonisieren und/oder Graphitieren der Folien und Fasern nach bekannten Verfahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Polymerisation in
β-Stellung mit Alkylgruppen, Hydroxylgruppen oder
Aminogruppen ein- oder mehrfach substituierte
linear anellierte Aromaten mit 2 bis 4 Ringen
verwendet werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß linear anellierte Aromaten
mit gleicher Ringzahl zu linear kondensierten
polycyclischen Verbindungen polymerisiert werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die linear kondensierten
Verbindungen mit einem überkritischen Gas aus
niedrigsiedenden aliphatischen
Kohlenwasserstoffen, gegebenenfalls unter
Verwendung eines Schleppmittels, extrahiert
werden und durch stufenweise Temperaturerhöhung
oder Druckabsenkung in mindestens drei Fraktionen
aufgeteilt werden, wobei als mittlere Fraktion
das Kohlenstoffvorprodukt für die
Kohlenstofformkörper erhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffvorprodukt
linear kondensierte polycyclische Verbindungen
aus nicht mehr als 5 in β-Stellung substituierten
linear anellierten Aromaten mit bis zu 6 Ringen
eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß aus den linear kondensierten
polycyclischen Verbindungen vor der Extraktion
die Mono- und Polymere mit weniger als 5 Ringen
abdestilliert werden.
Priority Applications (4)
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DE19863600063 DE3600063A1 (de) | 1986-01-03 | 1986-01-03 | Verfahren zur herstellung von kohlenstofformkoerpern hoher anisotropie |
GB8630347A GB2185010B (en) | 1986-01-03 | 1986-12-19 | Process for preparing carbon moulded articles of high anisotropy |
NL8603289A NL8603289A (nl) | 1986-01-03 | 1986-12-23 | Werkwijze voor de vervaardiging van koolstofvormlichamen met hoge anisotropie. |
FR8700002A FR2592647B1 (fr) | 1986-01-03 | 1987-01-02 | Procede pour la preparation de corps moules en carbone a anisotropie elevee. |
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FR (1) | FR2592647B1 (de) |
GB (1) | GB2185010B (de) |
NL (1) | NL8603289A (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4123534C2 (de) * | 1990-07-16 | 1998-10-29 | Agency Ind Science Techn | Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3535081A (en) * | 1968-09-09 | 1970-10-20 | Atomic Energy Commission | Method for making graphite |
US4014980A (en) * | 1972-07-27 | 1977-03-29 | Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing graphite whiskers using condensed polycyclic hydrocarbons |
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1986
- 1986-01-03 DE DE19863600063 patent/DE3600063A1/de active Granted
- 1986-12-19 GB GB8630347A patent/GB2185010B/en not_active Expired
- 1986-12-23 NL NL8603289A patent/NL8603289A/nl not_active Application Discontinuation
-
1987
- 1987-01-02 FR FR8700002A patent/FR2592647B1/fr not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE4123534C2 (de) * | 1990-07-16 | 1998-10-29 | Agency Ind Science Techn | Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB8630347D0 (en) | 1987-01-28 |
DE3600063A1 (de) | 1987-07-09 |
FR2592647B1 (fr) | 1992-11-13 |
GB2185010A (en) | 1987-07-08 |
NL8603289A (nl) | 1987-08-03 |
GB2185010B (en) | 1989-10-25 |
FR2592647A1 (fr) | 1987-07-10 |
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