DE3622092A1

DE3622092A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kohlefasermatten

Info

Publication number: DE3622092A1
Application number: DE19863622092
Authority: DE
Inventors: Tamotsu Miyamori; Iwao Kameyama; Takeo Abe
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1987-01-08
Also published as: GB8615613D0; DE3622092C2; FR2584105B1; GB2177733B; GB2177733A; JPH0823088B2; US4762652A; CA1315052C; FR2584105A1; JPS6233823A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefasermatten und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zum Schmelzspinnen von Pech für die Herstellung von Kohlefasern aus Pech wurden bisher entweder das Fixspinnverfahren oder das Zentrifugalspinnverfahren angewandt, wobei gewöhnlicherweise mit einer Geschwindigkeit von mehr als einigen 100 m/min gesponnen wurde, insbesondere beim Zentrifugalspinnverfahren mit einer Geschwindigkeit von etwa 2000 m/min.

Da jedoch während der Nachbehandlung, die insbesondere die Infusion umfaßt, die Reaktionsgeschwindigkeit sehr gering ist und die gesponnene Pechfaser extrem zerbrechlich ist und bei Krafteinwirkung leicht abreißen kann, wurden folgende Verfahren eingesetzt:
(1) Nach Garnbildung der gesponnenen Fasern werden diese auf einer Stange an der Oberseite eines U-förmigen Troges aufgehängt und in jedem Trog behandelt,
(2) die gesponnenen Fasern werden auf einem Maschengurt aufgeschichtet, oder
(3) die gesponnenen Fasern werden einmal um eine Spule gewickelt und anschließend wieder abgewickelt, wodurch sie als Endlosfasern kontinuierlich bearbeitet werden.

Dennoch ist es beim Garnverfahren schwierig, die Garnbildung zu steuern, insbesondere dann, wenn die gesponnenen Fasern zu Garn zusammengedreht werden, wobei eine Zentrifugalspinnmaschine mit einer Drehachse senkrecht zur horizontalen Ebene verwendet wird, auf die Maschine gestellt ist (- diesbezüglich sei auf die US-PS 37 76 669 verwiesen). Da während der Infusion und der Kalzinierung das Verhältnis vom Produktvolumen zum Gerätevolumen sehr gering sein muß, ist die Produktionsleistung gering und der Energieverbrauch groß. Weitere Nachteile des Garnverfahrens bestehen darin, daß der lang andauernde Betrieb der Vorrichtung durch auf Teer und Staub beruhende Verunreinigungen behindert wird und es dabei schwierig ist, die Vorrichtung abzuschalten.

Beim Maschengurtverfahren ist die Produktionsleistung gering, weil die Fasern nur aufgeschichtet werden und im Falle des Anwachsens des Gewichts-Flächen-Verhältnisses die aufgeschichteten Fasern durch stärkere Ventilation zerstört werden können. Zusätzlich gibt es häufig mechanische Probleme mit dem Hochgeschwindigkeits-Schiebetisch, und ebenfalls ist es schwierig, eine gleichmäßige Qualität zu erhalten.

Auch bei kontinuierlicher Bearbeitung als Endlosfaser ist die Produktionsleistung gering, da die Handhabung der Endlosfasern, bei welcher ein Abknicken der Fasern vermieden werden soll, sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Außerdem ist es schwierig, dieses Verfahren häufig neu einzurichten.

Wie aufgeführt wurde, haben sämtliche bekannten Verfahren eine geringe Produktionsleistung, so daß eine Herstellung von Kohlefasern zu hohen Produktionskosten unvermeidlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefasermatten aus Pech zu schaffen, welches eine hohe Produktionsleistung und einen geringen Energieverbrauch hat, wobei die Öfen hoch ausgenutzt werden, und durch welches eine Kohlefasermatte hergestellt wird, die direkt als Hitzeisoliermaterial verwendbar oder leicht in Kunstseide o. ä. weiterverarbeitbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung von Kohlefasermatten gelöst, das sich auszeichnet durch Schmelzspinnen von faserbildendem Pech durch eine Zentrifugalspinnmaschine mit horizentaler Drehachse, durch Strecken der schmelzgesponnenen Pechfasern, durch Abschneiden der gestreckten Fasern durch mindestens ein Schneidmesser, das auf einer Streckplatte der Zentrifugalspinnmaschine angebracht ist, durch Aufschichten der abgeschnittenen Fasern auf einem horizontalen Förderband einer Fördereinrichtung, die unterhalb der Spinnmaschine angeordnet ist, sich in einer Richtung parallel zur Drehachse hin- und herbewegt und in einer Richtung rechtwinklig zur Drehachse läuft, wodurch eine Pechfasermatte gebildet wird, und durch Nachbehandeln der aus aufgeschichteten Pechfasern gebildeten Matte durch Infusion in NO₂ enthaltender Luft und durch Kalzinierung in einer inerten Atmosphäre, um die Kohlefasermatte zu erhalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Nachteile herkömmlicher Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern vermieden. Dabei werden die Verfahrensschritte zur Herstellung der Kohlefasermatte, nämlich Spinnen, Infusion und Kalzinierung kontinuierlich ausgeführt, wodurch die Produktionsleistung und die Energieausbeute merkbar verbessert ist.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch Schaffung einer Vorrichtung zur Herstellung von Kohlefasermatten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, welche sich auszeichnet durch eine Zentrifugalspinnmaschine, deren Drehachse horizontal liegt und die mindestens ein Schneidmesser zum Abschneiden von Pechfasern auf einer Streckplatte und ferner eine erste Fördereinrichtung mit einem horizontalen Förderband aufweist, das sich in einer Richtung parallel zur Drehachse hin- und herbewegt und in einer Richtung rechtwinklig zur Drehachse läuft, durch eine zweite Fördereinrichtung zum Transport der Pechfasermatte, durch einen Infusionsofen, durch eine dritte Fördereinrichtung zum Transport der infundierten Matte und durch einen vertikal angeordneten Kalzinierungsofen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Zentrifugalspinnmaschine und eine Fördereinrichtung in Vorderansicht;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Zentrifugalspinnmaschine und die Fördereinrichtung entlang der Linie A-A′ aus Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Gesamtansicht der Vorrichtung; und

Fig. 4 eine Gesamtansicht einer herkömmlichen Vorrichtung.

Das Verfahren zur Herstellung von Kohlefasermatten weist folgende Schritte auf:
(1) Schmelzspinnen von Pech mit faserbildender Eigenschaft mit Hilfe einer Zentrifugalspinnmaschine mit einer horizontalen Drehachse und anschließend Strecken der schmelzgesponnenen Pechfasern durch Einwirkung von Zentrifugalkraft und Blasluft,
(2) Abschneiden der gestreckten Pechfasern durch mindestens ein Schneidmesser, das an einer Streckplatte der Spinnmaschine angebracht ist,
(3) Aufschichten der abgeschnittenden Pechfasern auf einem horizontalen Förderband einer Fördereinrichtung, das unterhalb der Spinnmaschine angeordnet ist, sich in einer Richtung parallel zur Drehachse der Spinnmaschine hin- und herbewegt und in Richtung senkrecht zur Drehachse läuft, wodurch eine Pechfasermatte entsteht, und
(4) Nachbildung der so gebildeten Pechfasermatte durch Infusion und Kalzinierung, um eine Kohlefasermatte zu erhalten.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die im folgenden beschrieben werden soll:

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird das erhitzte und geschmolzene Pech von einer Zahnradpumpe 9 durch eine Versorgungsleitung 8 innerhalb eines Spinnzylinders 1, dessen Achse mit der Drehachse 1′ der Spinnmaschine übereistimmt, in einen rotierenden Behälter 2 gepumpt, an dessen Umfang viele Düsen 3 in einer oder doppelter Linie oder in mehrfachen Linien angeordnet sind. Das geschmolzene Pech wird aus den Düsen 3 durch die Zentrifugalkraft bei Rotation des Behälters 2 als gesponnene Fasern herausgespritzt.

Die so gesponnenen Fasern werden entlang der Außenfläche einer den Spinnzylinder 1 umgebenden Streckplatte 4 unter Einwirkung von Zentrifugalkraft und Blasluft gestreckt, welche von einer Blasvorrichtung 5 erzeugt und gleichmäßig aus einer Austrittsdüse 6 in unmittelbarer Nähe zu den Düsen 3 in Spinnrichtung ausgeblasen wird, so daß die Blasluft um den Spinnzylinder 1 herumstreicht.

Die gestreckten Pechfasern werden bei Berührung mit mindestens einem Schneidmesser 7 auf der Streckplatte 4 bei jeder Umdrehung des rotierenden Behälters 2 abgeschnitten. Dadurch werden bei jeder Umdrehung des rotierenden Behälters 2 abgeschnitten Fasern von etwa gleicher konstanter Länge in einer Anzahl erzeugt, die der Anzahl der Düsen 3 entspricht.

Die abgeschnittenen Pechfasern werden auf einem ersten Förderband 11 aufgeschichtet, wobei sie miteinander zu einem Endlosgarn verzwirnt werden und sich in einer Weise unter Einwirkung der Blasluft, der Gravitation und gegebenenfalls von Luft, die von der unteren Seite des Förderbandes 11 auf auf die gegenüberliegende, obere Seite mit den aufgeschichteten Fasern gesogen wird.

Das erste Förderband 11 transportiert die abgeschnittenen Pechfasern in Streckrichtung und bewegt sich gleichzeitig in einer Richtung senkrecht zur Streckrichtung mit einer mindestens doppelt so hohen Geschwindigkeit wie die Transportgeschwindigkeit hin und her, so daß eine gleichmäßige Matte aus Pechfasern mit konstanter Breite, konstanter Dicke und ausreichender Festigkeit gebildet wird, wobei sie noch einer Nachbehandlung unterworfen werden muß.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird die so gleichmäßig geformte Matte 17 direkt vom ersten Förderband 18, das zur Bildung der Matte dient, über ein zweites Förderband 19 zum Eingang 20 eines Infusionsofens transportiert. Anschließend wird die Matte auf eine Stange 22 gehängt, nachdem sie einen einfachen Vorhang oder eine Doppelrolle 21 durchlaufen hat, welche zur Isolierung des Innenraums des Ofens gegenüber der umgebenen Atmosphäre dient.

Die Stange 22 läuft mit gleichmäßiger Geschwindigkeit um, die sich nach der Geschwindigkeit der Fördereinrichtung, dem Abstand zwischen den einzelnen Stangen und der Länge des hängenden Abschnitts der Matten bestimmt. Dabei wird die Pechfasermatte gleichmäßig behandelt, wobei sie vorsichtig aufgehängt wird, indem der Abstand der Stangen in Abhängigkeit vom Flächengewicht und der Dicke der Matte gesteuert wird.

Im Infusionsofen wird die Luft, die etwa 0,1 bis 10 Vol.% NO₂ enthält, auf einer Temperatur von 100° bis 400°C gehalten. Zwischen einer und vier Stunden verweilt die Pechfasermatte im Infusionsofen und wird der Infusion unterworfen.

Der Infusionsofen ist so aufgebaut, daß sich die Temperatur des Gases innerhalb des Ofens langsam vom Eingang zum Ausgang erhöht, wozu mehrere Blasvorrichtungen in geeigneten Abständen angeordnet sind, damit das Gas senkrecht zur räumlichen Ausrichtung der Pechfasern der Matte hineingeblasen wird und zirkulieren kann.

Die infundierte Matte wird über eine dritte Fördereinrichtung 24 zu einem Kalzinierungsofen transportiert, nachdem sie einen Luftvorhang oder eine Doppelrolle 23 durchlaufen hat, welche den Eintritt von Umgebungsluft verhindern. Am Eingang und am Ausgang des Kalzinierungsofens sind derselbe Vorhang aus Stickstoff oder dieselbe Doppelrolle 25 wie beim Infusionsofen vorgesehen.

Die Atmosphäre innerhalb des Kalzinierungsofens besteht aus gasförmigen Stickstoff, der auf einer Temperatur im Bereich von 300° bis 900°C gehalten wird. Die infundierte Matte befindet sich während 5 bis 30 Minuten im Kalzinierungsofen und wird der Kalzinierung unterworfen. Da die in den Kalzinierungsofen beförderte Matte eine ausreichende Festigkeit besitzt, wird die Matte so behandelt, indem sie nicht auf eine Stange gehängt wird, sondern aufgrund ihres eigenen Gewichtes herabhängt.

Aus der karbonisierten Fasermatte kann leicht Kunstseide, Gurte u. a. hergestellt werden. Ebenfalls kann die Kohlefasermatte direkt als Hitzeisoliermaterial eingesetzt werden

Das für das erfindungsgemäße Verfahren benuzte Pech sollte 89 bis 97 Gew.% Kohlenstoff enthalten und ein durchschnittliches Molekulargewicht von 400 bis 5000 haben. Mesophasisches Pech mit einer hohen Fließschmelztemperatur kann verwendet werden, wenn es auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der es dem Zentrifugalspinnen unterworfen werden kann.

Obwohl es verschiedene Arten von Zentrifugal-Schmelzspinnmaschinen wie beispielweise mit rotierendem Zylinder und rotierenden Düsen gibt, kann jede dieser Maschinen für das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wird, bei welchem eine Zentrifugalspinnmaschine benutzt wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine solche Maschine beschränkt.

Der Durchmesser des rotierenden Behälters 2 der Zentifugalspinnmaschine sollte vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 mm liegen. Ist der Durchmesser kleiner als 100 mm, würde die Produktionsleistung zu gering werden; und wenn andererseits der Durchmesser über 500 mm liegt, würden mechanische Probleme als Folge der Ungleichmäßigkeit der Temperatur auftreten.

Die Geschwindigkeit der Blasluft beträgt vorzugsweise 80 bis 120 m/sec. Die Drehzahl des rotierenden Behälters hängt von der Form der Drüsen und der Menge des austretenden Pechs ab und wird so eingestellt, daß auch im Fall von Schwankungen der Spinntemperatur ein zufälliges Abtrennen des Pechs nicht möglich ist.

Der Durchmesser der Düsenöffnung sollte nicht kleiner als 0,6 mm sein, um ein Verstopfen der Düsen zu vermeiden und das Reinigen der Düsen zu erleichtern. Um zufälliges Abtrennen des Pechs zu vermeiden, sollte der Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 0,6 bis 1,0 mm liegen.

Das Flächengewicht und die Dicke der so präparierten Kohlefasermatte hängt wahlweise von der Kapazität und der Zahl der Spinnmaschinen sowie von der Geschwindigkeit und der Breite des Förderbandes ab, werden jedoch durch die Effektivität der Nachbehandlungsschritte begrenzt, die eine Kühlung und eine Erhitzung umfassen. Falls das Flächengewicht und die Dicke der Matte gering ist, ist auch die Produktionsleistung gering. Falls jedoch das Flächengewicht und die Dicke zu groß werden, ist es schwierig, die Reaktion im Infusionsschritt zu kontrollieren, und außerdem wird viel Zeit benötigt, um die Temperatur der Matte im Kalzinierungsschritt auf den gewünschten Wert ansteigen zu lassen. Vorzugsweise sollte das Flächengewicht im Bereich von 0,2 bis 5 kg/m² und die Dicke im Bereich von 10 bis 100 mm liegen.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte die Vorrichtung folgende Einstellungen aufweisen:
(1) Die Anzahl der Düsenöffnungen auf dem rotierenden Behälter sollte im Bereich von 200 bis 2000 liegen;
(2) die Drehzahl des rotierenden Behälters sollte 300 bis 1000 betragen;
(3) die Geschwindigkeit des Förderbandes bei der Hin- und Herbewegung parallel zur Drehachse sollte im Bereich von 1 bis 50 m/min liegen; und
(4) die Transportgeschwindigkeit der Matte sollte 0,1 bis 6 m/min betragen.

Die Breite der Matte bestimmt sich nach der Querbreite des Förderbandes, sollte jedoch aus Gründen einer einfachen Handhabung bei der Nachbehandlung nicht größer als 3 m sein.

Die Breite des Förderbandes kann ebenfalls wahlweise bestimmt werden. Dennoch sollte beachtet werden, daß das belüftbare Band zum Tragen und zum sanften Aufschichten der Pechfasern benutzt wird und daß Luft von der gegenüberliegenden, unteren Seite des Förderbandes zur die aufgeschichteten Fasern tragenden Seite geblasen wird.

Ein wichtiges Merkmal beim Einsatz einer Zentrifugalspinnmaschine ist, daß die Drehachse horizontal und die rotierende Fläche vertikal (also senkrecht zur Ebene, auf der die Spinnmaschine steht) angeordnet sind. Dabei zeigt sich der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß eine Pechfasermatte aus orientierten Fasern kontinuierlich hergestellt wird und eine gewünschte Dicke, ein entsprechendes Flächengewicht und eine bestimmte Breite sowie eine ausreichende Festigkeit aufweist.

Dadurch weden folgende Effekte erziehlt:

(i) Der Einsatz von Vorrichtungen ist unnötig, bei denen sonst Garne auf Stangen aufgehängt werden, wenn diese von herkömmlichen Spinnmaschinen aus Pechfasern gesponnen worden sind, und eine Füllvorrichtung das Garn senkrecht zu den Stangen transportiert und gleichzeitig in Richtung der Stangen hin- und herführt.

(ii) Die Beseitigung der Reaktionswärme erfolgt wirkungsvoll aufgrund der vorteilhaften Ausrichtung der Mattenfasern, so daß die Behandlungsdichte erhöht und dadurch die Produtionsleistung des Ofens verbessert werden kann.

(iii) Die Infusion kann kontinuierlich durchgeführt werden, da eine weitaus längere Matte als vergleichsweise die herkömmlichen Garne aufgrund der besseren thermischen Behandlung bearbeitet werden kann, welche auf der bereits erwähnten Orientierung der Fasern beruht. Deshalb sind herkömmliche Tröge nicht notwendig, und ebenfalls braucht keine Energie zur Erwärmung solcher Tröge aufgewendet zu werden. Außerdem kann der Ofen verkleinert werden, was eine Reduzierung des Wärmeverlustes und eine Erhöhung der Energieausbeute und der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung bewirkt.

(iv) Da die Behandlung der Matte im Kalzinierungsofen derart erfolgt, daß sie nicht auf einer Stange aufgehängt ist, sondern aufgrund ihres eigenen Gewichts selbst hängt, kann die Bearbeitungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erhöht werden, bei denen Hängestangen und U-förmige Tröge verwendet werden. Außerdem kann die Zeit zur gleichmäßigen Erwärmung der Außenseite und Innenseite der Matte reduziert werden, wodurch ebenfalls die Produktionseffektivität merkbar verbessert wird.

Außerdem kann der Kalzinierungsofen selbst auch verkleinert werden. Ebenfalls entfällt die Erwärmung von Trögen, da diese nicht mehr vorgesehen sind, und der Wärmeverlust an der Oberfläche des Ofens wird erheblich reduziert, wodurch der Energieverbrauch sinkt.

(v) Obwohl der Eintritt von gasförmigem Wasserstoff und Kohlendioxid, die im Niedertemperaturbereich des Kalzinierungsofen entstehen, in dessen Hochtemperaturbereich gewöhnlich zu einer Verschlechterung der Fasereigenschaften führt, da der Abstand zwischen der Innenwand des Kalzinierungsofens und der Matte weniger als einige Zentimeter beträgt, kann dies durch Einsatz einer kleinen Menge von Trägergas verhindert werden.

(vi) Eine gleichmäßige Infusion kann leicht erreicht werden, da die gewünschte Dicke und das Flächengewicht der Matte leicht bestimmt werden können.

(vii) Da die Matte kontinuierlich behandelt wird, können die Verschlüsse des Infusions- und des Kalzinierungsofens als Doppelrolle oder Nippelrolle vorgesehen werden. Ebenfalls braucht deshalb kein großer Innenraum zum Einfüllen von Atmosphäre vorgesehen zu werden.

Außerdem können folgende Effekte bezüglich des Spinnschrittes erreicht werden:

(1) Die Stabilität beim Spinnen wird verbessert, und die Beendigung des Spinn-Schrittes kann leicht ausgeführt werden.

(2) Da die gesamte Vorrichtung vereinfacht wurde, verringern sich auch die Probleme beim Betrieb.

(3) Da es nicht notwendig ist, einen Kamm beim Spinnen vorzusehen, wird nur wenig Staub erzeugt, und da der Staub zurückgehalten und der Matte zugegeben wird, wird der Verlust der Fasern beim Spinnen merklich verringert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen und zugehörigen Vergleichsbeispielen weiter erläutert.

Beispiel 1:

Ein sogenanntes Ethylen-Sumpföl, eine hochsiedene Rückstandsfraktion, die aus thermischem Cracking von Erdöl und aus franktionierter Rückgewinnung von Olefinen wie Ethylen, Propylen etc. entsteht, wird auf 380°C erhitzt und anschließend bei 320°C unter einem Druck von 10 mmHg destilliert, wodurch Rückstandspech mit einem Kohlegehalt von 94,5 Gew.%, einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 620 und einer Fließschmelztemperatur von 170°C gewonnen wurde.

Das so gewonnene Pech wurde schmelzgesponnen, wobei drei Zentrifugalspinnmaschinen der horizontalen Type mit 350 Düsen und mit einem Durchmesser des rotierenden Behälters von 200 mm eingesetzt wurden und parallel zu einer Fördereinrichtung angeordnet waren. 13,2 kg/Stunde Pech wurden von jeder Maschine hergestellt, wobei die Drehzahl der Maschinen 800 und die Geschwindigkeit der ausgeblasenen Luft zum Strecken 100 m/sec. betrug.

Die so schmelzgesponnenen Fasern wurden anschließend von einem Schneidemesser abgeschnitten und auf einer Fördereinrichtung mit einem metallenen, maschigen Förderband aus 40 Maschen aufgeschichtet, welches sich fünf mal pro Minute in Querrichtung hin- und herbewegte und mit einer Geschwindigkeit von 0,44 m/min. lief. Die Matte hatte eine effektive Breite von 2 m, ein Flächengewicht von 0,75 kg/m², eine Dicke von 50 mm und eine Dichte von 15 kg/m³ und konnte wie eine Endlosfaser behandelt werden, obwohl die Matte aus einer Aufschichtung von kurzen Fasern bestand.

Die so hergestellte Matte wurde in einem Infusionsofen mit einer Gesamtfläche von 10 m einer Infusion unterworfen, wobei die Matte in Längen von 1,5 m auf Stangen von 2 m Breite aufgehängt wurde, welche innerhalb des Ofens mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,044 m/min. umliefen und in Abständen von 300 mm zueinander angeordnet waren. Gleichzeitig zirkulierte Luft, das 2% NO₂ enthielt, in einer Richtung senkrecht zur räumlichen Ausrichtung der Matte innerhalb des Ofens mit einer Geschwindigkeit (entsprechend der Geschwindigkeit an der Oberfläche in einer Säule) von 0,5 m/sec., um die Reaktionshitze der Infusion abzuführen. Dabei wurde die Matte durch Erhitzen von 100°C auf 250°C innerhalb von 3 Stunden infundiert. Die benötigte Energie (nämlich die gesamte Energie für die Erwärmung und für die Blasvorrichtung) für die Infusion betrug 136 kwh elektrische Leistung.

Anschließend wurde die Matte in einen Kalzinierungsofen der vertikalen Type mit einer Gesamtlänge von 14,8 m und einer Breite von 2 m geführt, der einen Kühlabschnitt aufweist, wobei die Matte nicht auf eine Stange aufgehängt wurde, sondern durch ihr eigenes Gewicht herunterhing und durch Erhitzen auf 850°C während 15 Minuten kalziniert wurde. Nachdem die so kalzinierte Matte auf 200°C heruntergekühlt wurde, wurde die gekühlte Matte aus dem Ofen herausgeleitet. Die Menge des Trägergases Stickstoff betrug 90 Nm³/Stunde (bemessen an Normalbedingungen mit einer Temperatur von 0° und einem Druck von einer atm). Die benötigte Energie (zum Erhitzen) bei der Kalzinierung betrug 64 kwh und die Ofenleistung 13,4 kg/m³ · h.

Als die so hergestellte Matte durch ein Schneidmesser in Längen von 10 mm abgeschnitten wurde, erhielt man sehr gleichmäßige kurze Fasern. Die Länge der Fasern schwankte im Bereich von 6 bis 20 mm mit einer Standardabweichung von 1 mm. Die gewalkten Artikel und die Hitzeisolierung, die aus den so gewonnenen, kurzen Fasern hergestellt wurden, haben dieselbe Qualität, verglichen mit herkömmlich hergestellten.

Die so hergestellten Kohlefasern zeigten in vorteilhafter Weise keine Adhesion zwischen den Fasern und hatten einen Durchmesser von 18 µm, um eine Festigkeit von 70 kg/mm² und einen Elastizitätsmodul von 3180 kg/mm² (bei einer Dehnung von 2,2%).

Beispiel 2:

Das Pech, wie es auch in Beispiel 1 benutzt wurde, wurde schmelzgesponnen, wobei zwei horizontale Zentrifugalspinnmaschinen mit 584 Düsen und einem Behälter, der einen Durchmesser von 330 mm hatte und mit 600 UpM rotierte, verwendet wurden und 21,6 kg Pech pro Stunde verarbeiteten, wobei die Geschwindigkeit der Blasluft 100 m/sec. betrug.

Beim Aufschichten der gesponnenen Pechfasern auf einem Förderband mit einer Breite von 2 m, welches sich sechs mal pro Minute in Querrichtung hin- und herbewegte und mit einer Geschwindigkeit von 0,88 m/min. lief, wurde eine Matte mit einem Flächengewicht von 0,4 kg/m², einer Dicke von 45 mm und einer Dichte von 9,1 kg/m³ hergestellt. Da die Matte aus Pechfasern in derselben Weise durch einen Infusionsofen und einen Kalzinierungsofen wie in Beispiel 1 geleitet wurde, zeigte die Matte aus Kohlefasern dieselben Eigenschaften wie in Beispiel 1.

Beispiel 3:

Dasselbe Pech wie in Beispiel 1 wurde schmelzgesponnen, wobei 3 horizontale Zentrifugalspinnmaschinen mit 500 Düsen und einem Behälter verwendet wurden, der einen Durchmesser von 200 mm besaß und mit 900 UpM rotierte. Dabei wurden von jeder Maschine 10,8 kg pro Stunde Pech verarbeitet, wobei die Geschwindigkeit der Blasluft 105 m/sec. betrug. Die so hergestellten Pechfasern wurden auf einem Förderband mit einer Breite von 2 m und einer Transportgeschwindigkeit von 0,75 m/min. aufgeschichtet, wobei das Förderband sich sechs mal pro Minute in Querrichtung hin- und herbewegte. Dadurch erhielt man eine Matte mit einem Flächengewicht von 0,36 kg/m², einer Dicke von 60 mm und einer Dichte von 6 kg/m³.

Anschließend wurde die so hergestellte Pechfasermatte in demselben Infusionsofen und Kalzinierungsofen wie in Beispiel 1 einer Nachbehandlung unterworfen. Damit wurden Kohlefasern mit einem Durchmesser von 12,7µm, einer Festigkeit von 80 kg/mm² und einem Elastizitätsmodul von 3640 kg/mm² (bei einer Dehnung von 2,2%) in vorteilhafter Weise ohne jegliche Probleme gewonnen.

Vergleichsbeispiel:

Hierbei wurde dasselbe Pech wie in Beispiel 1 verarbeitet. Jedoch wurden Garne aus Pechfasern in einer herkömmlichen Spinnmaschine der vertikalen Type (mit vertikaler Drehachse) hergestellt und anschließend infundiert und kalziniert, wobei die Garne in einem U-förmigen Trog angeordnet wurden.

Im Gegensatz zur Erfindung wurden jedoch folgende Vorrichtungsteile benötigt:

(1) Die Spinnmaschine war mit einem rotierenden Kamm versehen (, wobei die Anzahl der Maschinen dieselbe wie bei der Erfindung war).

(2) Eine Vorrichtung zum Aufhängen der Garne im Trog und zum Transport des Troges mußte vorgesehen werden.

(3) Ferner wurde ein Raum mit ausreichendem Platz zum Einführen der Tröge am Eingang und am Ausgang der Öfen benötigt.

Während der Infusion der gesponnenen Fasern, wobei dieselben Bedingungen wie beim Beispiel 1 herrschten, nämlich der NO₂-Gehalt 2%, die Verweilzeit 3 Stunden (bei einer Länge des Ofens von 27 m) und die Geschwindigkeit des zirkulierenden Gases 0,5 m/sec. betrug, war eine Zykluszeit des Troges von 16 Minuten und eine Füllmenge von 10,6 kg/Trog für die Reaktionssteuerung am günstigsten, wobei der Trog eine Breite von 1,6 m, eine Länge von 0,9 m und eine Höhe von 1,6 m besaß.

Die Leistung des Ofens betrug 1,01 kg/m³ · h bei einem Energieverbrauch von 189 kWh.

Unter diesen Bedingungen war bei der Kalzinierung und der anschließenden Kühlung in einem Ofen mit einer Länge von 17,6 m eine Verweilzeit von 2 Stunden notwendig.

Die Leistung des Kalzinierungsofens betrug 1,56 kg/m³ · h mit einem Energieverbrauch von 285 kWh, wobei Trägergas (Stickstoff) mit einer Menge von 200 Nm³/h eingesetzt wurde.

Die Werte im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel sind im folgenden aufgelistet:

Schneidevorgang

Die folgende Tabelle zeigt die Produktionsleistungsfähigkeit und den Energieverbrauch im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel:

Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine bemerkenswerte Verbesserung der Produktionsleistung und eine Herabsetzung des Energieverbrauchs während der Infusion und der Kalzinierung erreicht. Denn die Produktionsleistung erhöht sich um 32% im Infusionsofen und um 759% im Kalzinierungsofen. Dabei konnte der Energieverbrauch um 28% im Infusionsofen und um 78% im Kalzinierungsofen herabgesetzt werden. Wie diese Daten zeigen, konnten die Verbesserungen hauptsächlich beim Kalzinierungsofen erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kohlefasermatten, gekennzeichnet durch
- Schmelzspinnen von faserbildenden Pech durch eine Zentrifugalspinnenmaschine mit horizontaler Drehachse:
- Strecken der schmelzgesponnenen Pechfasern:
- Abschneiden der gestreckten Fasern durch mindestens ein Schneidemesser, das auf einer Streckplatte der Zentrifugalspinnmaschine angebracht ist;
- Aufschichten der abgeschnittenen Fasern auf einem horizontalen Förderband einer Fördereinrichtung, die unterhalb der Spinnmaschine angeordnet ist, sich in einer Richtung parallel zur Drehachse hin- und herbewegt und in einer Richtung rechtwinklig zur Drehachse läuft, wodurch eine Pechfasermatte gebildet wird; und durch
- Nachbehandeln der aus aufgeschichteten Pechfasern gebildeten Matte durch Infusion in NO₂ enthaltender Luft und durch Kalzinierung in einer inerten Atmosphäre, um die Kohlfasermatte zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faserbildene Pech, das als Anfangsmaterial verwendet wird, einen Kohle-Anteil von 89 bis 97% des Gewichtes und ein durchschnittliches Molekulargewicht von 400 bis 5000 hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugalspinnmaschine rotierende Düsen aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugalspinnmaschine einen Drehbehälter mit einem Durchmesser von 100 bis 500 mm aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen einen Durchmesser von 0,6 bis 1,0 mm aufweisen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strecken durch Blasluft erfolgt, die mit einer Geschwindigkeit von 80 bis 120 m/sec ausgeblasen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzgesponnenen Fasern in ungefähr konstanter Länge abgeschnitten werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht im Bereich von 0,2 bis 5 kg/m² und die Dicke der Kohlefasermatte im Bereich von 10 bis 100 mm liegen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querbreite des Förderbandes, das als Trägerfläche für die aufzuschichtenden und schmelzgesponnenen Fasern dient, nicht größer als 3 m ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderband, das als Trägerfläche für die aufzuschichtenden, schmelzgesponnenen Fasern dient, gasdurchlässig ist und Luft von der gegenüberliegenden Seite des Förderbandes auf die die aufgeschichteten Fasern tragende Seite gesaugt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der Infusion in einem Ofen atmoshärisches Gas in einer Richtung rechtwinklig zur räumlichen Ausrichtung der gesponnenen Pechfasern durchläuft und innerhalb des Infusionsofens zirkuliert.

12. Vorrichtung zur Herstellung von Kohlefasermatten mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch
- eine Zentrifugalspinnmaschine, deren Drehachse (1′) horizontal liegt und die mindestens ein Schneidemesser (7) zum Abschneiden der Pechfasern auf einer Streckplatte (4) und ferner eine erste Fördereinrichtung mit einem horizontalen Föderband (11; 18) aufweist, das sich in einer Richtung paralell zur Drehachse (1′) hin- und herbewegt und in einer Richtung rechtwinkeling zur Drehachse (1′) läuft;
- eine zweite Fördereinrichtung (19) zum Transport der Pechfasermatte (17);
- einen Infusionsofen;
- eine dritte Fördereinrichtung (24) zum Transport der infundierten Matte (17); und durch
- einen vertikal angeordneten Kalzinierungsofen.