DE3602330A1 - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING GRAPHITE FIBERS - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING GRAPHITE FIBERSInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von G-raphitfasern Process and device for the production of graphite fibers
Die Erfindung bezieht sich auf graphitisierte Polyacrylnitril (PAN) -Fasern und insbesondere auf PAN-Fasern, die einen beträchtlich erhöhten Elastizitätsmodul aufweisen.The invention relates to graphitized polyacrylonitrile (PAN) fibers and more particularly to PAN fibers which have a considerably increased modulus of elasticity.
Graphitisierte PAN-Fasern werden benutzt, um mit anderen Materialien Verbundkörper zu erzeugen, und zwar insbesondere für Anwendungsfälle, wo ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte und ein hohes Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte gefordert wird. Diese Anwendungen sind jedoch durch die Endfestigkeit, durch den Elastizitätsmodul und den Durchmesser der graphitisierten PAN-Fasern begrenzt. Demgemäß sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um die Festigkeit und insbesondere den Elastizitätsmodul von PAN-Fasern zu erhöhen.Graphitized PAN fibers are used to create composites with other materials, in particular for applications where a high strength to density ratio and a high modulus of elasticity ratio too density is required. These applications are, however, due to the ultimate strength, due to the modulus of elasticity and limits the diameter of the graphitized PAN fibers. Accordingly, numerous attempts have been made has been used to increase the strength and especially the modulus of elasticity of PAN fibers.
Die gegenwärtig üblichen Verfahren zur Herstellung von Graphitfasern auf PAN-Basis benutzen eine Verspinnung des PAW, dem eine Oxydation, eine Carbonisierung und schließlich eine Graphit!serung der sich ergebenden PAN-Fasern folgt. Das Acrylnitrilmonomer kann durch verschiedene bekannte Verfahren erzeugt werden einschließlich direkter katalytischer Addition von Wasserstoffcyanid zu Acetylen oder Zusatz von HCN zu Äthylenoxid, um Äthylencyanohydrin zu erzeugen, wonach eine Dehydrierung folgt. Die Polymerisation wird gewöhnlich in einer wäßrigen LösungThe currently used processes for the production of Graphite fibers based on PAN use a spinning of the PAW, which is an oxidation, a carbonization and finally a graphite solution of the resulting PAN fibers follows. The acrylonitrile monomer can be produced by various known methods including direct ones catalytic addition of hydrogen cyanide to acetylene or addition of HCN to ethylene oxide to form ethylene cyanohydrin to produce, followed by dehydration. The polymerization is usually carried out in an aqueous solution
durchgeführt, wobei das Polymer aus dem System als feines weißes Puder ausfällt.carried out, the polymer precipitating out of the system as a fine white powder.
Reines Polyacrylnitril ist schwierig zu verspinnen, weil es in vielen organischen Lösungsmitteln nicht genügend löslich ist, und weil seine Fasern nicht schnell trocknen- Infolgedessen werden andere Polymere als reine PAN-Homopolymere gewöhnlich kommerziell hergestellt. So kann eine PAN-Faser tatsächlich ein acrylitisch.es Polymer sein, welches primär aus wiederholenden Acrylnitril-Einheiten erzeugt wurde, die mit einem kleineren Anteil von Methylmethacrylat, Vinylpyridin, Vinylchlorid und dergleichen zu einem Mischpolymerisat vereinigt werden. Diese Mischpolymerisate haben zahlreiche Eigenschaften, die ähnlich sind einem Acrylnitril-Homopolymer. Konventionell wird eine Faser, die nicht mehr als ungefähr 15 % Fremdmaterial enthält, als Polyacrylnitril bezeichnet, und wenn sie mehr als 15 % besitzt, dann wird sie als modifizierte Acrylnitrilfaser gekennzeichnet. Beispiele solcher Mischpolymerisate schließen PAN-Fasern ein, die unter den folgenden Warenzeichen vertrieben werden: Orion (E. I. DuPont de Nemours), Courtelle SAF (Courtaulds Ltd.) und Acrilan (Chemstrand).Pure polyacrylonitrile is difficult to spin because it is not sufficiently soluble in many organic solvents and because its fibers do not dry quickly. As a result, polymers other than pure PAN homopolymers are usually made commercially. Thus, a PAN fiber can actually be an acrylitic polymer, which was primarily produced from repeating acrylonitrile units which are combined with a smaller proportion of methyl methacrylate, vinyl pyridine, vinyl chloride and the like to form a copolymer. These copolymers have numerous properties that are similar to an acrylonitrile homopolymer. Conventionally, a fiber that contains no more than about 15 % foreign matter is referred to as polyacrylonitrile, and if it has more than 15% it is referred to as modified acrylonitrile fiber. Examples of such copolymers include PAN fibers sold under the following trademarks: Orion (EI DuPont de Nemours), Courtelle SAF (Courtaulds Ltd.) and Acrilan (Chemstrand).
TJm eine Umwandlung der PAN-Fasern in Kohlenstoffasern zu bewirken, werden die PAN-Fasern zunächst oxydiert und dabei auf ungefähr 220 0C erhitzt, wobei sie gleichzeitig Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen, wie beispielsweise Luft, Stickstoffoxiden und Schwefeldioxid ausgesetzt werden. Die Erhitzung bewirkt die Erzeugung des Leiteraufbaus durch eine zyklische Reaktion, wobei einige der CHg-Gruppen oxydiert werden und HCN entwickeltTo bring about a conversion of the PAN fibers into carbon fibers, the PAN fibers are first oxidized and heated to approximately 220 ° C., while at the same time being exposed to oxygen or gases containing oxygen, such as air, nitrogen oxides and sulfur dioxide. The heating causes the creation of the conductor structure by a cyclic reaction, whereby some of the CHg groups are oxidized and HCN evolved
Die PAN-Fasern können weiter bei höheren Temperaturen bis herauf zu 3OO C oxydiert werden. Danach werden die oxydierten PAN -Fasern auf Temperaturen von 3OO 0C bis 800 °G in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium oder Wasserstoff, erhitzt, um eine Carbonisierung zu bewirken. Während dieser Stufe werden HCK" und andere Produkte der Zerfallsreaktion von PAN und etwas Sauerstoff, der bei der Oxydation adsorbiert wurde, ebenfalls als Gase freigesetzt. Diese Freisetzung findet zugleich mit dem Aufbau der Fasern zu Bändern statt, die zum großen Teil aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einem aromatischen Ringaufbau angeordnet sind.The PAN fibers can be further oxidized at higher temperatures up to 300C. Thereafter, the oxidized PAN fibers at temperatures of 3OO be 0 ° C to 800 G in a non-oxidizing atmosphere, such as nitrogen, argon, helium or hydrogen, is heated to effect carbonization. During this stage, HCK and other products of the decomposition reaction of PAN and some of the oxygen that was adsorbed during the oxidation are also released as gases. which are arranged in an aromatic ring structure.
Die Festigkeit und der Modul dieser carbonisierten Fasern steigt rapide bis auf 1400 0C an. Eine weitere Erhitzung über 1400 0C bewirkt eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls, jedoch wird die Zugfestigkeit vermindert, anscheinend weil die Struktur der carbonisierten Fasern mehr repräsentativ wird für reinen Graphit. Infolgedessen werden konventionelle Fasern gewöhnlich in einer carbonisierten Form mit niedrigem Elastizitätsmodul und hoher Festigkeit angeboten, oder in graphitisierter Form mit hohem Elastizitätsmodul aber geringer Zugfestigkeit.The strength and the modulus of these carbonized fibers increases rapidly up to 1400 ° C. A further heating above 1400 ° C. causes an increase in the modulus of elasticity, but the tensile strength is reduced, apparently because the structure of the carbonized fibers becomes more representative of pure graphite. As a result, conventional fibers are usually offered in a carbonized form with low elastic modulus and high strength, or in graphitized form with high elastic modulus but low tensile strength.
Das Vorhandensein von Sauerstoff in der oxydierten Faser, der während der Oxydation adsorbiert wurde, läßt die Bildung von dem graphitkristallinen Aufbau bei der Carbonisierung und Graphitisierung fortschreiten. Bei der Carbonisierung und Graphitisierung werden Sauerstoff undThe presence of oxygen in the oxidized fiber, which was adsorbed during the oxidation, leaves the formation of the graphite-crystalline structure during the carbonization and graphitization progress. During carbonization and graphitization, oxygen and
Kohlenstoff enthaltende Verbindungen während der Erzeugung der Mikro-Faserstruktur freigesetzt, die den Graphitfasern mit hohem Modul zugeordnet ist. Ein großer Anteil von Sauerstoff wird oberhalb der 1400 0C Carbonisierungstemperatur freigesetzt. Eine direkte Hochtemperatur-Graphitisierung einer 14O0-°C-Kohlenstoffaser resultiert in einer Sauerstoffeliminierung während der Bildung des Faseraufbaus mit hohem Modul. Die Gesamtwirkung ist ein Abbau der Faser und des Ofenaufbaus. Im Hinblick auf die relativ hohen benutzten Temperaturen sind hohe Energieeingänge erforderlich, um eine graphitisierte Faser mit gegebenem Elastizitätsmodul zu erhalten.Carbon-containing compounds are released during the creation of the micro-fiber structure associated with the high modulus graphite fibers. A large proportion of oxygen is released above 1400 0 C carbonization. Direct high temperature graphitization of a 140 ° C carbon fiber results in oxygen elimination during the formation of the high modulus fiber structure. The overall effect is a breakdown of the fiber and the furnace structure. In view of the relatively high temperatures used, high energy inputs are required to obtain a graphitized fiber with a given modulus of elasticity.
Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte Graphitfaser aus einem PAN-Vorläufer zu schaffen und ein Verfahren zu entwickeln, um die verbesserte Graphitfaser zu erzeugen.Accordingly, the object of the invention is to provide an improved graphite fiber made from a PAN precursor to create and develop a method for making the improved graphite fiber.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine graphitisierte PAN-Faser mit einem hohen Elastizitätsmodul zu schaffen.Another object of the invention is to provide a graphitized PAN fiber with a high elastic modulus to accomplish.
Eine weitere spezifische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Graphitfasern mit hohem Elastizitätsmodul zu schaffen, und zwar ausgehend von acrylitischen Polymeren, die hauptsächlich aus wiederkehrenden Acrylnitril-Einheiten bestehen.Another specific object of the invention is to provide an improved method of making To create graphite fibers with a high modulus of elasticity, starting from acrylitic polymers that consist mainly of recurring acrylonitrile units.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, durch das ein hoher Elastizitätsmodul bei Verfahrenstemperaturen erhalten werdenAnother object of the invention is to provide an improved method by which a high modulus of elasticity can be obtained at process temperatures
kann, die niedriger liegen als die gegenwärtig zur Erzeugung einer graphitisieren Paser benutzten Temperaturen, wobei im wesentlichen der gleiche Elastizitätsmodul aus dem gleichen Ausgangsmaterial erhalten wird.that are lower than the current generation a graphitized Paser temperatures used, with essentially the same modulus of elasticity the same starting material is obtained.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung die Fasertemperatur über mehrere Graphitisierungsstufen zyklisch wiederholt, um den Sauerstoff zu entfernen und die Faser zu reinigen, woraus sich ein Faserprodukt mit einem höheren Nodul ergibt und der Ofen eine längere Lebensdauer erhält. Die erfindungsgemäße Technik mit Mehrfach-Graphitisierungsstufen führt zu einer reineren Atmosphäre während der End-Graphitisierung mit hoher Temperatur. Es tritt eine geringere Erosion der Oberflächenschichten der Fasern in dieser reineren Atmosphäre im Vergleich mit den herkömmlichen Ein-Stufen-Graphitisierungen auf und dies führt dazu, daß die Graphitfasern eine höhere Festigkeit und einen größeren Elastizitätsmodul erhalten.According to the invention, to solve the problem the fiber temperature over several graphitization stages repeated cyclically to remove the oxygen and purify the fiber, resulting in a fiber product with a higher nodule and the furnace a Maintains longer service life. The technique according to the invention with multiple graphitization stages leads to a cleaner one Atmosphere during the final high temperature graphitization. There is less erosion of the surface layers of the fibers in this cleaner atmosphere compared to the conventional one-step graphitization and this leads to the graphite fibers having a higher strength and a greater modulus of elasticity obtain.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit der folgenden Beschreibung. Die Erfindung umfaßt somit Verfahren mit mehreren Stufen und die Relation und Ordnung mehrerer solcher Behandlungsstufen in Verbindung mit Eigenschaften und Beziehungen zu Elementen, die sich aus der folgenden Beschreibung ergeben.Further refinements of the invention emerge in connection with the following description. The invention thus comprises methods with several stages and the relation and order of several such treatment stages in Associations with properties and relationships with elements that emerge from the description below.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung (Fig. 1) zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. The only figure of the Drawing (Fig. 1) shows a schematic representation of the process sequence.
Gemäß Fig. 1 werden PAN-Fasern oder Fäden in Form eines aus vielen Fäden bestehenden Blattes, Bandes oder Taues 20 von der Faservorratsspule 22 durch eine "bekannte mit konstanter Geschwindigkeit arbeitende Vorrichtung J4 abgesogen. Eine Spannvorrichtung bekannter Bauart, die üblicherweise Walzen 29, 30 "und 31 umfaßt und mit einer Aufwickelvorrichtung 32 zusammenwirkt, dient dazu, das mehrfasrige Blatt, Tau oder Band unter einer genügend gleichförmigen Spannung zu halten, um die PAN-Fasern zu strecken, und zwar in einem Ausmaß, wie es für die Oxydation erwünscht ist. Das Fasertau 20 wird unter Spannung durch eine Oxydationskammer, beispielsweise einen Gradientenofen 35» geführt, wo die Temperatur zwischen 240 0C und 275 °C gehalten wird. Das Tau wird dann durch den Ofen 35 in eine oxydierende Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit abgezogen, die ausreicht, um eine genügende Verweilzeit im Ofen zu erhalten und eine ausreichende Oxydation zu gewährleisten, d. h. es wird 10 bis 11 Gew.-% Sauerstoffgehalt in den Fasern abgelagert, wenn diese den Ofen verlassen.1, PAN fibers or threads in the form of a sheet, tape or rope 20 made up of many threads are drawn off from the fiber supply spool 22 by a "known constant-speed device J4 "and 31, and cooperating with a winder 32, serves to keep the multifilamentary sheet, rope or ribbon under sufficient uniform tension to stretch the PAN fibers to the extent desired for oxidation . The fiber tow 20 is passed under tension through an oxidation chamber, such as a gradient 35 "where the temperature is between 240 0 C and 275 ° C. The dew is then drawn off through the oven 35 into an oxidizing atmosphere at a rate sufficient to obtain sufficient residence time in the oven and to ensure adequate oxidation, ie 10 to 11% by weight oxygen content is deposited in the fibers when they leave the oven.
Der Ofen 35 kann im typischen Fall mehrere Heizzonen umfassen, vorzugsweise in Temperaturbereichen von ungefähr 200 0C bis ungefähr 260 0C, die aber von etwa 180 0G am Eingang bis 300 0C am Austritt des Ofens schwanken können. Natürlich könnten auch mehrere getrennte öfen mit einer oder mehreren Heizzonen benutzt werden, um eine Reihe von Temperaturstufen zu erzeugen. In gleicher Weise könnte ein Ofen mit einer einzigen Heizstufe vorgesehen werden, die auf einer speziellen Temperatur gehalten wird, wobei die Ofenanordnung sich nach den Endeigenschaften des Faserprodukts richtet.The furnace 35 may comprise a plurality of heating zones in the typical case, preferably in the temperature range of about 200 0 C to about 260 0 C, but can vary from about 0 180 G at the entrance to 300 0 C at the outlet of the furnace. Of course, several separate ovens with one or more heating zones could also be used to produce a series of temperature levels. Likewise, an oven could be provided with a single heating stage maintained at a particular temperature, the oven arrangement depending on the final properties of the fiber product.
Über eine Leitung 36 wird dem Ofen 35 ein Oxydationsmittel zugeführt, welches Sauerstoff und Sauerstoff enthaltende Gase, beispielsweise Luft, Stickoxide und Schwefeldioxid, enthält. Gemäß der zeichnerischen Darstellung wird das Oxydationsmittel nur dem Einlaß des Ofens 35 zugeführt, jedoch kann dieses Oxydationsmittel auch an verschiedenen Punkten längs des Bewegungspfades der Fasern bei ihrer Oxydation eingespritzt werden.An oxidizing agent is supplied to the furnace 35 via a line 36 supplied, which oxygen and oxygen-containing gases, for example air, nitrogen oxides and sulfur dioxide, contains. According to the drawing, the oxidizing agent is only fed to the inlet of the furnace 35, however, this oxidizing agent can also be used at various points along the path of travel of the fibers be injected when they are oxidized.
Durch Entlüftung des Ofens 35 durch eine Leitung 38 kann eine Druckverminderung und Rezirkulation der Oxydationsreaktion und der thermischen Zerfallsprodukte von PIlT erreicht werden.By venting the furnace 35 through a line 38 can A pressure reduction and recirculation of the oxidation reaction and the thermal decomposition products of PIIT are achieved will.
Beim Verlassen des Ofens 35 wird das oxydierte Tau 20 durch einen Carbonisierungsοfen 40 geführt. Während der Carbonisierung werden die oxydierten PAN-Fäden oder -Fasern in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium oder Wasserstoff, auf Temperaturen erhitzt, die bei etwa 300 0C bis zu ungefähr 900 0C betragen, und diese Erhitzung erfolgt in dem Carbonisierungsofen 40. Die Festigkeit und der Modul der oxydierten Fasern steigt während dieser Stufe rapide an, wenn Kohlenstoffdioxid, Wasser, Kohlenstoffmonoxid, HCN, NH^ und andere Produkte freigesetzt werden und der aromatische Ringaufbau von Kohlenstoff erzeugt wird. Dann wird die Faser in einen zweiten Carbonisierungsofen 41 eingeführt, um die Carbonisierung bei einer Temperatur von etwa 1400 0C zu vollenden.When leaving the furnace 35, the oxidized rope 20 is passed through a carbonization furnace 40. During the carbonization, the oxidized PAN threads or fibers are heated in a non-oxidizing atmosphere, for example nitrogen, argon, helium or hydrogen, to temperatures ranging from approximately 300 ° C. to approximately 900 ° C., and this heating takes place in the carbonization furnace 40. The strength and modulus of the oxidized fibers increase rapidly during this stage as carbon dioxide, water, carbon monoxide, HCN, NH3 and other products are released and the aromatic ring structure of carbon is produced. Then the fiber is introduced into a second carbonization furnace 41, in order to complete the carbonization at a temperature of about 1400 0 C.
Die carbonisierten Fasern werden abgekühlt und können zur weiteren Behandlung gespeichert oder direkt unter einemThe carbonized fibers are cooled and can be stored for further treatment or directly under one
inerten Gas bei einer Temperatur unter 1400 0C graphitisiert werden. Gemäß der Erfindung wird die Graphitisierung zyklisch über nicht weniger als zwei oder mehr als vier Erhitzungszyklen durchgeführt, bei denen die Faser vorzugsweise rapide (beispielsweise zwischen 2 bis 5 Minuten) von einer vergleichsweise niedrigeren Temperatur (beispielsweise Raumtemperatur oder von einer anderen in zweckmäßiger Weise aufrechterhaltenen Temperatur, typischerweise unter der Carbonisierungstemperatur) auf eine Graphitisierungstemperatur erhitzt wird (beispielsweise auf etwa 1800 0C bis auf etwa 2800 0C). Die Fasern werden dann sehr kurz bei dieser Graphitisierungstemperatur belassen (beispielsweise weniger als eine halbe Minute und vorzugsweise etwa 15 bis 20 Sekunden), und dann werden sie schnell (beispielsweise innerhalb weniger Sekunden) auf die ursprüngliche niedrige Temperatur abgekühlt. Zweckmäßigerweise kann dieses "Verfahren dadurch durchgeführt werden, daß die auf Raumtemperatur befindlichen Fasern mit etwa 30 bis 60 cm/min durch eine schmale (beispielsweise 8 cm breite) Zone und dann zurück in die Umgebung mit Raumtemperatur bewegt werden. So liegt die Durchschnittsverweilzeit in der heißen Zone bei etwa 10 Sekunden und die Temperaturgradienten von kalt auf heiß und von heiß auf kalt sind extrem steil. Noch bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn die maximalen Graphitisierungstemperatur en, die in jedem aufeinanderfolgenden Zyklus erreicht werden, größer sind als die maximale Temperatur des vorherigen Zyklus, so daß der letzte Zyklus mit der höchsten Temperatur durchgeführt wird.inert gas at a temperature below 1400 0 C are graphitized. According to the invention, the graphitization is carried out cyclically over not less than two or more than four heating cycles, in which the fiber preferably rapidly (for example between 2 to 5 minutes) from a comparatively lower temperature (for example room temperature or from another temperature which is suitably maintained , typically below the carbonization temperature) is heated to a graphitization temperature (for example to about 1800 0 C to about 2800 0 C). The fibers are then left at this graphitization temperature for a very short time (for example less than half a minute and preferably about 15 to 20 seconds) and then they are quickly cooled (for example within a few seconds) to the original low temperature. Conveniently, this "process can be carried out by moving the fibers at room temperature at about 30 to 60 cm / min through a narrow (for example 8 cm wide) zone and then back into the room temperature environment. The average residence time is thus in the hot zone at about 10 seconds and the temperature gradients from cold to hot and from hot to cold are extremely steep. Even better results are achieved if the maximum graphitization temperatures reached in each successive cycle are greater than the maximum temperature of the previous one Cycle so that the last cycle with the highest temperature is carried out.
Die Graphitisierungszyklen werden jeweils innerhalb eines Graphitisierungsofens 4-2 in einer gesteuerten, nichtThe graphitization cycles are each within a graphitization furnace 4-2 in a controlled, not
oxydierten Atmosphäre (beispielsweise Argon, Stickstoff usw.) durchgeführt, der wahlweise noch einen Graphitisierungskatalysator wie beispielsweise eine Mischung von Triäthylenboran und Wasserstoff, eine Mischung von Diboran und Methan oder dergleichen enthalten kann. Der Katalysator verbessert die Erhöhung des Moduls offenbar durch Ausheilung von Fehlstellen oder Löchern, die in dem ursprünglichen Faseraufbau während der Behandlung verblieben sind. Es ist wichtig, daß die Faser während der Graphitisierung an einem Schrumpfen gehindert wird, indem die Faser unter Spannung gehalten wird, wenn sie von der Zuführungsspule abgewickelt wird. Wenn man die Faser schrumpfen lassen würde, dann würde dies zu einem ■un gleichförmigen Graphitaufbau führen, und man könnte nicht den größtmöglichen Modul bei einer gegebenen Graphitisierungstemperatur erhalten.oxidized atmosphere (for example argon, nitrogen, etc.) carried out, which can optionally also contain a graphitization catalyst such as a mixture of triethylene borane and hydrogen, a mixture of diborane and methane or the like. The catalyst apparently improves the increase in modulus by healing defects or holes that have remained in the original fiber structure during the treatment. It is important that the fiber be prevented from shrinking during graphitization by maintaining tension on the fiber as it is unwound from the supply spool. Shrinking the fiber would result in non-uniform graphite build-up and the maximum modulus possible could not be obtained at a given graphitization temperature.
Der Ofen 42 enthält im typischen Falle mehrere im Abstand zueinander angeordnete heiße Zonen 44, 46 und 48, die durch auf Raumtemperatur gehaltene Zonen getrennt sind, und jede heiße Zone weist Steuermittel auf, die allgemein bei 50» 52 und 54- dargestellt sind, um die Temperatur einzustellen. Stattdessen kann der Ofen 42 aus mehreren getrennten Einzelöfen bestehen, von denen jeder mit einer entsprechenden Hitzesteuerung ausgestattet ist. Mittel in Form einer Aufwickelvorrichtung 62 üben einen vorbestimmten Zug auf die Fasern aus, wenn diese durch den Ofen 42 geführt werden.The furnace 42 typically includes a plurality of spaced apart hot zones 44, 46 and 48, the are separated by zones maintained at room temperature, and each hot zone has control means, generally at 50 »52 and 54- are shown to be the temperature to adjust. Instead, the oven 42 may consist of several separate individual ovens, each with one is equipped with appropriate heat control. Means in the form of a winder 62 exercise a predetermined Pull on the fibers as they pass through the oven 42.
Die zyklische Graphitisierung ermöglicht die Entfernung des Sauerstoffs und anderer flüchtiger Verbindungen, bevor die Endgraphitisierung stattfindet. Dies ist imThe cyclic graphitization allows the removal of oxygen and other volatile compounds before the final graphitization takes place. This is in
wesentlichen ein Reinigungsprozeß mit dem Ziel der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts der Paser von 95 auf 100 %. Die besten Ergebnisse werden bei einer reinen Kohlenstoffaser vor der Erzeugung des Graphitaufbaus mit hohem Modul erhalten und eine hochfeste Faser mit hohem Modul sowie eine verbesserte Ofenlebensdauer resultieren aus einer verminderten Erosion durch Säuerstoffverunreinigung. essentially a cleaning process with the aim of increasing the carbon content of the fibers from 95 to 100 %. Best results are obtained with a pure carbon fiber prior to the creation of the high modulus graphite structure, and a high strength, high modulus fiber and improved furnace life result from reduced erosion from oxygen contamination.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung und die hierdurch erlangten Vorteile. Diese Beispiele werden allein zur Veranschaulichung aufgeführt, so daß die Erfindung nicht auf die speziellen Bedingungen der Beispiele beschränkt ist. Um Basismessungen durchzuführen, wurde ein Versuch mit einer Paser, basierend auf PAKT, durchgeführt, die ursprünglich bei 1400 0C carbonisiert und dann direkt bei 2800 C in einer Atmosphäre von Stickstoff, Wasserstoff oder Triäthylboran graphitisiert wurde. Die sich ergebenden Eigenschaften wurden wie folgt gemessen: 391 522 · 106 Pa (56.8 χ 106 psi) für den EIastizitätsmodul und 172,25 kp/mm (24-5 χ 10^ psi) für die Zugfestigkeit.The following examples illustrate the invention and the advantages obtained thereby. These examples are presented for the purpose of illustration only, so that the invention is not limited to the specific conditions of the examples. In order to perform baseline measurements, a test with a Paser based on PACT, carried out originally carbonized at 1400 0 C and then graphitized directly at 2800 C in an atmosphere of nitrogen, hydrogen or Triäthylboran was. The resulting properties were measured as follows: 391,522 x 10 6 Pa (56.8 10 6 psi) for the modulus of elasticity and 172.25 kp / mm (24-5 χ 10 -4 psi) for the tensile strength.
Eine auf PAN basierende Vorläufer-Kohlenstoffaser (die vorher bis auf 1400 C aufgeheizt worden war), die identisch jenen Kohlenstoffasern war, welche zur Erlangung der Grundmessungen benutzt wurden, wurde für etwa 15 bis 20 Sekunden bei 2300 0C graphitisiert und sogleich einer Raumtemperaturkühlung ausgesetzt. Danach folgte eineA PAN-based precursor carbon fiber (which had previously been heated to 1400 ° C.), which was identical to the carbon fibers used to obtain the basic measurements, was graphitized for about 15 to 20 seconds at 2300 ° C. and immediately subjected to room temperature cooling . Then one followed
Graphitisierung auf 2800 C und dann eine schnelle Abkühlung auf Raumtemperatur. Bei den beiden erhöhten Temperaturen enthielt die Atmosphäre des Ofens Stickstoff, Wasserstoff und TriäthyIbοran. Die gemessenen Eigenschaften für die behandelten Fasern waren bei der jeweiligen Temperatur wie folgt:Graphitization to 2800 C and then a quick cool down to room temperature. At the two elevated temperatures, the furnace atmosphere contained nitrogen, Hydrogen and TriäthyIbοran. The measured properties for the treated fibers were as follows at the respective temperature:
1400 0C1400 0 C
Modul 275 790 · TO6 Pa (40 χ 106 psi)Module 275 790 TO 6 Pa (40 χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 351,54 kp/mm2 (500 χ 105 psi)Tensile strength 351.54 kp / mm 2 (500 χ 10 5 psi)
2500 °C2500 ° C
Modul 348 874 · 106 Pa (50.6 χ 106 psi)Module 348 874 10 6 Pa (50.6 χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 274,20 kp/mm2 (390 χ 10^ psi)Tensile strength 274.20 kp / mm 2 (390 χ 10 ^ psi)
2800 0C2800 0 C
Modul 479 185 · 106 Pa (69-5 x 106 psi)Module 479 185 10 6 Pa (69-5 x 10 6 psi)
Zugfestigkeit 258,73 kp/mm2 (368 χ 105 psi)Tensile strength 258.73 kp / mm 2 (368 χ 10 5 psi)
Natürlich war der Elastizitätsmodul, der durch Behandlung bei der Endtemperatur erlangt wurde, beträchtlich gegenüber den Grundmessungen verbessert.Of course, the elastic modulus obtained by treatment at the final temperature was markedly opposite the basic measurements improved.
Auf PAN basierende vorbehandelte Kohlenstoffasern, die identisch jenen waren, welche im Beispiel I Anwendung fanden, wurden in drei Zyklen graphitisiert, indem diePre-treated carbon fibers based on PAN, the were identical to those used in Example I were graphitized in three cycles by using the
Fasern von Raumtemperatur auf die Behandlungstemperaturen und schnell zurück auf Raumtemperatur gebracht wurden, wobei diese Zyklen eine Aufheizung auf 1800 0C, 2300 0C und 2800 0C umfaßten, wobei die Aufheizung jeweils 15 bis 20 Sekunden lang andauerte. Die Ofenatmosphäre bei allen drei Temperaturen enthielt Stickstoff, Wasserstoff und Triäthylboran. Die Eigenschaften bei 1800 0G wurden nicht gemessen, sondern jene bei 2300 0C und 2800 0C, die sich wie folgt ergaben:Fibers were brought from room temperature to the treatment temperatures and quickly back to room temperature, these cycles comprising heating to 1800 ° C., 2300 ° C. and 2800 ° C., the heating lasting 15 to 20 seconds in each case. The furnace atmosphere at all three temperatures contained nitrogen, hydrogen and triethylborane. The properties at 1800 0 G were not measured, but those at 2300 0 C and 2800 0 C, which resulted as follows:
2300 °C2300 ° C
Modul 407 480 - 106 Pa (59-1 χ 106 psi)Module 407 480 - 10 6 Pa (59-1 χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 284,74 kp/mra2 (405 x 10^ psi)Tensile strength 284.74 kp / mra 2 (405 x 10 ^ psi)
28002800
Modul 496 422 · 106 Pa (72.0 χ 106 psi)Module 496 422 10 6 Pa (72.0 χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 259,43 kp/mm2 (369 χ 105 psi)Tensile strength 259.43 kp / mm 2 (369 χ 10 5 psi)
Es ist bemerkenswert, festzustellen, daß durch den zusätzlichen ersten Aufheizzyklus auf 1800 0C eine merkliche Verbesserung des Elastizitätsmoduls gegenüber den Produkten gemäß Beispiel I erzielt werden konnte.It is noteworthy that the additional first heating cycle to 1800 ° C. made it possible to achieve a noticeable improvement in the modulus of elasticity compared with the products according to Example I.
Die gleiche Art von PAN-Kohlenstoffasern wurde zyklisch graphitisiert, und zwar jeweils bei 1800 0C, 2300 °C und 2800 0C, je für 15 bis 20 Sekunden. Die OfenatinosphäreThe same type of PAN carbon fiber was graphitized cyclically, in each case at 1800 0 C, 2300 ° C and 2800 0 C, each for 15 to 20 seconds. The furnace atosphere
bei 1800 0C bestand nur aus Stickstoff, und bei 2300 0C und 2800 °0 enthielt die Atmosphäre Stickstoff, Wasserstoff und Triäthylboran. Die gemessenen Ergebnisse für alle drei Verfahrenstetnperaturen ergaben sich wie folgt:at 1800 0 C consisted only of nitrogen, and at 2300 0 C and 2800 0 the atmosphere contained nitrogen, hydrogen and triethylborane. The measured results for all three process temperatures were as follows:
1800 0C1800 0 C
Modul 350 611 · 105 Pa (4-3.6- χ 106 psi)Module 350 611 10 5 Pa (4-3.6- χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 232,01 kp/mm2 (330 χ 105 psi)Tensile strength 232.01 kp / mm 2 (330 χ 10 5 psi)
2300 °C2300 ° C
Modul 381 969 · 106 Pa (.55.4- χ 106 psi)Module 381 969 10 6 Pa (.55.4- χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 209,51 kp/mm2 (298 χ 10^ psi)Tensile strength 209.51 kp / mm 2 (298 χ 10 ^ psi)
2800 0C2800 0 C
Modul 530 896 * 106 Pa (77-0 χ 106 psi)Module 530 896 * 10 6 Pa (77-0 χ 10 6 psi)
Zugfestigkeit 213,73 kp/mm2 (304- χ 10^ psi)Tensile strength 213.73 kp / mm 2 (304- χ 10 ^ psi)
Da gewisse Abwandlungen bei dem obigen Verfahren durchgeführt werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, sollen die vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele nicht als beschränkend angesehen werden. Since certain modifications can be made in the above method without departing from the scope of the invention, the embodiments discussed above should not be viewed as limiting.
Claims (1)
vorbereiteten, auf Polyacrylnitril (PAN") basierenden carbonisierten Pasern, dadurch ge1. Process for the production of graphite fibers from
prepared carbonized fibers based on polyacrylonitrile (PAN "), thereby ge
Graphitisierungstemperaturen und relativ kühleren Temperaturen über wenigstens zwei Zyklen erhitzt und abgekühlt werden.a non-oxidizing atmosphere between
Graphitization temperatures and relatively cooler temperatures are heated and cooled for at least two cycles.
mehr als vier Zyklen durchgeführt werden.Method according to claim 1, characterized in that the cyclical heating and the cyclical cooling over not
more than four cycles are performed.
wurden.Process according to Claim 1, characterized in that the relatively cooler temperature is below the carbonization temperature at which the carbonized fibers are produced
became.
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Legal Events
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