DE3610375A1 - Verfahren zur herstellung eines kohlenstoffaser-vorprodukts und daraus hergestellte kohlenstoffasern - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines kohlenstoffaser-vorprodukts und daraus hergestellte kohlenstoffasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Kohlenstoffaser-Vorprodukts aus
Steinkohlenteerpech und die daraus nach an sich
bekannten Verfahren hergestellten Kohlenstoffasern.
Nach dem Stand der Technik werden die meisten
Kohlenstoffasern durch Carbonisieren und Graphitieren
von Fasern aus Polyacrylnitril hergestellt. Diese
Kohlenstoffasern haben eine hohe Festigkeit und einen
hohen Elastizitätsmodul. Ein Nachteil ist jedoch, daß
das Ausgangsprodukt teuer ist und die
Carbonisierungsausbeute gering ist.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, andere
Einsatzprodukte mit hohem Verkokungsrückstand auf ihre
Verwendbarkeit für die Herstellung von
Kohlenstoffasern zu untersuchen. Es wurden vor allem
kohle- und mineralölstämmige Peche vorgeschlagen, die
für die Herstellung hochanisotroper Kokse bekannt
sind.
Die Spinntemperaturen liegen etwa 60 bis 130°C über
dem Erweichungspunkt des verwendeten Pechs. Bei hohen
Spinntemperaturen tritt bereits eine Zersetzung des
Pechs auf, wobei das Pech zumindest teilweise in die
Halbkoksstufe übergeht und erhebliche Gasmengen
entstehen. Dies stört den Spinnprozeß. Es entstehen
häufige Fadenbrüche, die ein kontinuierliches
Verspinnen unmöglich machen. Um dies zu vermeiden sind
Peche mit möglichst niedrigem Erweichungspunkt
erforderlich. Solche Peche haben einen geringen Gehalt
an in Chinolin oder Pyridin unlöslichen Bestandteilen.
Ihr mittleres Molekulargewicht ist verhältnismäßig
gering bei einer breiten Molekulargewichtsverteilung.
Dadurch wird der Verfahrensschritt, um die Pechfaser
vor der Carbonisierung unschmelzbar zu machen,
schwieriger.
In der DE-OS 35 09 861 wird ein Verfahren zur
Herstellung geeigneter Kohlenstoffaser-Vorprodukte aus
aromatischen, mineralölstämmigen Rückstandsölen
beschrieben. Nach dem Abdestillieren der Leichtöle
wird der Rückstand einer zweistufigen Wärmebehandlung
unter Drücken von 0,13 bis 65 mbar in einem
Fallfilmverdampfer unterworfen. Die Temperaturen,
insbesondere bei der zweiten Behandlungsstufe, liegen
mit 450 bis 500°C so hoch, daß die partielle
Ausbildung von Koksstrukturen nicht verhindert werden
kann. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von
Dünnschichtverdampfern mit rotierenden Einbauten, die
von den Pechen benetzt werden, so daß die
Verweilzeiten eines Teiles des Einsatzpechs
unkontrollierbar werden. Wegen der unterschiedlichen
Reaktivität der Peche und der Notwendigkeit, die nicht
in anisotropes Pech umgewandelten Pechbestandteile aus
dem Kohlenstoffaser-Vorprodukt entfernen zu müssen,
sind die bekannten Verfahren sehr aufwendig und oft
nur unter Laborbedingungen durchführbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Pechmaterial
für die Kohlenstoffaser-Herstellung zu erzeugen, das
eine ausgezeichnete Verspinnbarkeit besitzt, das in
kurzer Zeit unschmelzbar gemacht werden kann, und aus
dem Kohlenstoffasern hoher Festigkeit bei hohem
Elastizitätsmodul hergestellt werden können, wobei die
geschilderten Nachteile und Probleme bei der
Herstellung des Pechmaterials nicht auftreten.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein
Steinkohlenteerpech durch Extraktion bei erhöhter
Temperatur und erhöhtem Druck in einem überkritischen
Gas in Gegenwart eines Schleppmittels mit Ausnahme der
in Chinolin unlöslichen Bestandteile gelöst wird,
durch Absenken des Druckes oder/und Temperaturerhöhung
die in Chinolin lösliche Fraktion oder/und die in
Toluol lösliche Fraktion abgeschieden werden, eine
dieser Fraktionen oder ein Gemisch aus beiden
Fraktionen bei 380 bis 450°C unter Inertgas oder
einem nicht-oxidierenden Gas unter Atmosphärendruck
thermisch behandelt wird, bis daß 40 bis 65 Vol.-% in
Mesophasen umgewandelt sind, und daß das isotrope Pech
durch Extrahieren des Mesophasen enthaltenden Pechs
mit einem überkritischen Gas unter Verwendung eines
Schleppmittels abgetrennt wird, um ein anisotropes
Pech mit einem Mesophasengehalt von mindestens
75 Vol.-%, einem Gehalt an Pyridinunlöslichem von 20
bis 50 Gew.-%, einem mittleren Molekulargewicht
zwischen 900 und 1200 und einem Schmelzpunkt von 330
bis 360°C zu erhalten.
Als überkritisches Gas können folgende Verbindungen
oder ihre Gemische verwendet werden: ein aliphatischer
Kohlenwasserstoff, vorzugsweise mit 2 bis
5 Kohlenstoffatomen und ein halogenhaltiger
Kohlenwasserstoff mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen.
Geeignete Schleppmittel sind ein- oder mehrkernige
Kohlenwasserstoffe, die gegebenenfalls mit
Alkylgruppen, insbesondere mit 1 bis
2 Kohlenstoffatomen oder einer Aminogruppe,
substituiert sind und sowohl aromatisch als auch ganz
oder teilweise hydriert sein können, ein- oder
zweikernige heterocyclische Verbindungen, Alkylester
aromatische Säuren mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen in
der Alkoholkomponente oder deren Gemisch.
Die Extraktionsstufen werden bei Temperaturen zwischen
80 und 300°C, vorzugsweise zwischen 120 und 250°C,
bei Drücken von 80 bis 300 bar, vorzugsweise von 150
bis 250 bar, durchgeführt.
Das erhaltene Kohlenstoffaser-Vorprodukt wird mittels
eines Doppelwellen-Schneckenextruders mit einer
Spinndüsenplatte, deren Lochdurchmesser 0,2 bis 0,4 mm
beträgt, bei einer Temperatur von 10 bis 50 K oberhalb
des Schmelzpunktes, mit einer Abzugsgeschwindigkeit
zwischen 500 und 1200 m/min, vorzugsweise 800 bis
1000 m/min, versponnen. Die Pechfasern werden in einem
sauerstoffhaltigen Gas wie beispielsweise Luft mit
einer Aufheizrate von 15 bis 30 K/min von 250 auf
350°C erhitzt und die Endtemperatur mindestens 3 min
gehalten. Die so unschmelzbar gemachten Pechfasern
werden in einem Inertgasstrom 10 bis 20 min bei 1300
bis 1700°C carbonisiert und gegebenenfalls
anschließend bei 2000 bis 2500°C graphitiert.
Die Temperaturen für die thermische Behandlung sind
einerseits hoch genug, um eine ausreichende
Reaktionsgeschwindigkeit zu gewährleisten,
andererseits aber so niedrig, daß sich keine zur
Verfestigung neigende Bulkmesophase bildet. Die
nachfolgende Extraktionsstufe zur Abtrennung eines
überwiegenden Teils des isotropen Pechmaterials findet
ebenfalls bei so niedrigen Temperaturen statt, bei
denen sich die Pechmesophase nicht verändert.
Da die Mesophasen nur aus plastisch leicht
verformbaren Sphärulen bestehen, die erst durch die
Scherkräfte im Extruder zusammenfließen, kann die
Differenz zwischen Schmelztemperatur und
Spinntemperatur auf 10 bis 50 K gesenkt werden, ohne
daß dabei die Abzugsgeschwindigkeit vermindert werden
muß.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele
näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
100 Gew.-Teile Normalpech mit einem Gehalt an
Aschebildnern von 0,23 Gew.-%, einem Gehalt an
Chinolinunlöslichem (QI) von 5,8 Gew.-%, einem Gehalt
an Toluolunlöslichem (TI) von 22,8 Gew.-% und einem
Erweichungspunkt (EP) von 70°C nach Kraemer-Sarnow
(K.-S.) werden in einen Rührautoklaven gegeben, der
auf 150°C aufgeheizt ist. Sodann wird bei einem Druck
von 180 bar ein Gemisch aus 30 Gew.-% Propan und
70 Gew.-% Toluol als Extraktions- bzw. Schleppmittel
unter Rühren durch den Autoklaven geleitet. Das unter
diesen Bedingungen überkritische Extraktionsmittel
löst bis zu einer Konzentration von 13 Gew.-% Pech auf
und transportiert es aus dem Autoklaven heraus. Das
mit Pech beladene Extraktionsmittel wird in zwei
aufeinanderfolgende Regenerieautoklaven übergeführt
und stufenweise bis auf einen Druck von 50 bar
entspannt. Die Temperatur bei der Regenerierung
beträgt 150°C. Die bei der Entspannung wegen des
Joule-Thomson-Effektes eintretende Abkühlung wird
durch Wärmezufuhr ausgeglichen. Das regenerierte
Gemisch aus Extraktions- und Schleppmittel wird im
Kreislauf geführt. In dem Regenerierautoklaven werden
nach einer Extraktionszeit von 5 h folgende
Pechfraktionen gewonnen:
Die Fraktion wird bei 400°C unter Stickstoff bei
Normaldruck 1,5 Stunden lang unter Rühren thermisch
behandelt. Dabei entstehen 50 Vol.-%
Mesophasensphärulen. Das Mesophasenpech wird nach
Abkühlen auf 150°C bei einem Druck von 130 bar mit
einem Gemisch aus 30 Gew.-% Propan und 70 Gew.-%
Toluol extrahiert. Dabei verbleibt als Rückstand ein
Pech mit einem Mesophasengehalt von 80 Vol.-%, einem
Gehalt von Pyridinunlöslichem (PI) von 32 Gew.-%,
einem Schmelzpunkt von 342 °C und einem mittleren
Molekulargewicht von etwa 1000. Dieses Pech wird bei
370°C über einen Extruder mit einer Spinndüsenplatte
mit einem Lochdurchmesser von 0,3 mm mit einer
Abzugsgeschwindigkeit von 1000 m/min versponnen. Die
Pechfaser wird in Luft mit einer Aufheizrate von
20 K/min von 250 auf 350°C erhitzt. Die Endtemperatur
wird 5 min gehalten, um die Faser unschmelzbar zu
machen. Anschließend wird die Faser bei 1500°C im
Inertgasstrom 15 min carbonisiert. Die Kohlenstoffaser
mit einem Durchmesser von 9 µm hat eine Festigkeit von
2,47 kN/mm², einen Elastizitätsmodul von 158 kN/mm²
und eine Bruchdehnung von 1,2%.
100 Gew.-Teile Normalpech (EP (K.-S.) = 72°C,
Aschebildner = 0,23 Gew.-%, QI = 5,8 Gew.-%, TI =
22,7 Gew.-%) werden in einen Rührautoklaven gegeben.
Der Autoklav wird auf eine Temperatur von 190°C
aufgeheizt. Bei einem Druck von 200 bar wurde ein
Gemisch aus 50 Gew.-% Waschbenzol und 50 Gew.-%
Flüssiggas (LPG) als Extraktions- bzw. Schleppmittel
unter Rühren durch den Autoklaven geleitet. Während
der Extraktionszeit von etwa 70 min beträgt die
mittlere Beladung des Extraktionsmittels etwa
15 Gew.-%. Das mit Pech beladene Extraktionsmittel
wird in zwei aufeinanderfolgenden Regenerierautoklaven
überführt und stufenweise auf einen Druck von 50 bar
entspannt. Die Temperatur im Regenerierautoklaven wird
auf 190°C gehalten. Das regenerierte Gemisch aus
Waschbenzol und LPG wird in den Rührautoklaven
zurückgeführt. Es werden folgende Pechfraktionen
erhalten:
Die Fraktion 3 wird bei 430°C unter Stickstoff bei
Normaldruck eine Stunde lang unter Rühren thermisch
behandelt. Dabei entstehen 60 Vol.-%
Mesophasensphärulen. Nach Abkühlen auf 190°C wird das
Mesophasenpech bei einem Druck von 130 bar mit dem
gleichen Gemisch wie in der ersten Extraktionsstufe
extrahiert. Dabei verbleibt als Rückstand ein Pech mit
einem Mesophasengehalt von 87 Vol.-% mit einem Gehalt
an Pyridinunlöslichem von 44 Gew.-%, einem
Schmelzpunkt von 357°C und einem mittleren
Molekulargewicht von etwa 1100. Dieses Pech wird, wie
im Beispiel 1 beschrieben, bei 380°C versponnen,
unschmelzbar gemacht und carbonisiert. Die
Kohlenstoffaser mit einem Durchmesser von 7 µm hat
eine Festigkeit von 2,58 kN/mm², einen
Elastizitätsmodul von 153 kN/mm² und eine Bruchdehnung
von 1,0%.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffaser-Vorprodukts
aus Steinkohlenteerpech, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Steinkohlenteerpech durch
Extraktion bei erhöhter Temperatur und erhöhtem
Druck in einem überkritischen Gas in Gegenwart
eines Schleppmittels mit Ausnahme der in Chinolin
unlöslichen Bestandteile gelöst wird, durch
Absenken des Drucks oder/und Temperaturerhöhung
die in Chinolin lösliche Fraktion oder/und die
Toluol lösliche Fraktion abgeschieden werden,
eine dieser Fraktionen oder ein Gemisch aus
beiden Fraktionen bei 380 bis 450°C unter
Inertgas oder einem nicht-oxidierenden Gas unter
Atmosphärendruck thermisch behandelt wird, bis
daß 40 bis 65 Vol.-% in Mesophasen umgewandelt
sind, und daß das isotrope Pech durch Extrahieren
des Mesophasen enthaltenden Pechs mit einem
überkritischen Gas unter Verwendung eines
Schleppmittels abgetrennt wird, um ein
anisotropes Pech mit einem Mesophasengehalt von
mindestens 75 Vol.-% einem Gehalt an
Pyridinunlöslichem von 20 bis 50 Gew.-%, einem
mittleren Molekulargewicht von 900 bis 1200 und
einem Schmelzpunkt von 330 bis 360°C zu
erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als überkritisches Gas eine
der folgenden Verbindungen oder ihrer Gemische
oberhalb ihrer kritischen Temperatur und ihres
kritischen Druckes verwendet wird:
ein aliphatischer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise
mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen, ein olefinischer
Kohlenwasserstoff, vorzugsweise mit 2 bis
5 Kohlenstoffatomen, ein halogenhaltiger
Kohlenwasserstoff, insbesondere mit 1 bis
4 Kohlenstoffatomen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als überkritisches Gas ein
Flüssiggas (LPG) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Schleppmittel ein- oder
mehrkernige Kohlenwasserstoffe, die
gegebenenfalls mit Alkylgruppen, insbesondere mit
1 bis 2 Kohlenwasserstoffatomen oder einer
Aminogruppe substituiert sind und sowohl
aromatische als auch ganz oder teilweise hydriert
sein können, ein- oder zweikernige
heterocyclische Verbindungen, insbesondere
stickstoffhaltige heterocyclische Verbindungen,
bei denen ein Kern oder beide Kerne
heterocyclisch sind, Alkylester aromatischer
Säuren mit vorzugsweise 1 bis 6 Kohlenstoffatomen
in der Alkoholkomponente oder deren Gemische
verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Schleppmittel Waschbenzol
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Pech bei
Temperaturen im Bereich von 80°C bis 300°C,
vorzugsweise von 120 bis 250°C, mit einem
Gemisch aus einem überkritischen Gas und einem
unterkritischen Schleppmittel behandelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Pech bei Drücken
im Bereich von 80 bis 300 bar, vorzugsweise 150
bis 250 bar mit einem Gemisch aus einem
überkritischen Gas und einem unterkritischen
Schleppmittel behandelt wird.
8. Kohlenstoffaser, dadurch gekennzeichnet, daß sie
aus dem nach den Ansprüchen 1 bis 7 erzeugten
anisotropen Pech bei Spinntemperaturen von 10 bis
50 K oberhalb der Schmelztemperatur des Pechs in
an sich üblicher Weise gesponnen, unschmelzbar
gemacht, carbonisiert und gegebenenfalls
graphitiert sind.
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