DE69007941T2 - Mesophase pitch for the production of carbon materials. - Google Patents

Mesophase pitch for the production of carbon materials.

Info

Publication number
DE69007941T2
DE69007941T2 DE1990607941 DE69007941T DE69007941T2 DE 69007941 T2 DE69007941 T2 DE 69007941T2 DE 1990607941 DE1990607941 DE 1990607941 DE 69007941 T DE69007941 T DE 69007941T DE 69007941 T2 DE69007941 T2 DE 69007941T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pitch
mesophase
carbon
mesophase pitch
fibers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE1990607941
Other languages
German (de)
Other versions
DE69007941D1 (en
Inventor
Isao Mochida
Hiroyuki Ohtsuka
Yukio Sakai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP27230090A external-priority patent/JP2917486B2/en
Application filed by Mitsubishi Gas Chemical Co Inc filed Critical Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Publication of DE69007941D1 publication Critical patent/DE69007941D1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE69007941T2 publication Critical patent/DE69007941T2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10CWORKING-UP PITCH, ASPHALT, BITUMEN, TAR; PYROLIGNEOUS ACID
    • C10C3/00Working-up pitch, asphalt, bitumen
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/145Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues
    • D01F9/15Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues from coal pitch
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/145Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues
    • D01F9/155Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues from petroleum pitch

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Working-Up Tar And Pitch (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mesophasenpech zur Verwendung bei der Herstellung von Hochleistungskohlenstoffasern und weiteren Kohlenstoffmaterialien.The present invention relates to a mesophase pitch for use in the production of high performance carbon fibers and other carbon materials.

Hochleistungskohlenstoffasern werden kommerziell hauptsächlich aus PAN (Polyacrylnitril) hergestellt. PAN ist jedoch teuer und weist keine hohe Ausbeute bei der Carbonisierung auf. Jüngst wurde festgestellt, daß Kohlenstoffasern, die Eigenschaften aufweisen, die mit denjenigen der aus PAN hergestellten vergleichbar sind oder diese (sogar) übertreffen, aus billigem Pech hergestellt werden können. Daraufhin wurden umfangreiche Anstrengungen durchgeführt, dieses Verfahren zu kommerzialisieren.High performance carbon fibers are produced commercially mainly from PAN (polyacrylonitrile). However, PAN is expensive and does not have a high carbonization yield. Recently, it has been discovered that carbon fibers with properties comparable to or (even) better than those made from PAN can be produced from inexpensive pitch. Subsequently, extensive efforts have been made to commercialize this process.

Zwei Pechtypen können als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Kohlenstoffmaterialien verwendet werden: isotropes Pech und aniosotropes Pech.Two types of pitch can be used as starting materials for the production of carbon materials: isotropic pitch and anisotropic pitch.

Aus isotropem Pech hergestellte Kohlenstoffasern sind billig, kranken jedoch auf Grund einer geringen Molekülorientierung an einer niedrigen Festigkeit. Folglich können aus isotropem Pech keine Hochleistungskohlenstoffprodukte hergestellt werden. Im Gegensatz dazu weisen aus anisotropem Pech, sog. "Mesophasenpech", hergestellte Kohlenstoffasern einen höheren Grad an Molekülorientierung auf und zeigen verbesserte mechanische Eigenschaften in Form von Festigkeit und Elastizitätsmodul. Folglich werden in Anbetracht einer Herstellung von Hochleistungskohlenstoffasern umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Herstellung von Mesophasenpech aus katalytisch gecracktem Erdölpech, Erdölteerpech oder Kohleteerpech durchgeführt. Wenn Fasern durch ein Schmelzspinnverfahren unter Verwendung von Mesophasenpech hergestellt werden, werden die entwickelten aromatischen planaren Moleküle mit der Faserachse gleichgerichtet, indem beim Durchtreten des Pechs durch Düsenlöcher eine Scherkraft ausgeübt wird. Diese orientierte Struktur wird, ohne zerstört zu werden, während der nachfolgenden "Stabilisierungs"- Stufe, in der die Oberfläche der Fasern durch stufenweises Erwärmen unter einem Luftstrom oxidiert wird, und während der "Carbonisierungs"-Stufe, in der die stabilisierten Fasern in einer Inertgasatmosphäre bei Temperaturen nicht unter 1000ºC wärmebehandelt werden, beibehalten. Es wurde durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt, daß diese Wirkung zur Herstellung hochorientierter, hochleistungsfähiger Kohlenstoffasern beiträgt.Carbon fibers made from isotropic pitch are inexpensive but suffer from low strength due to low molecular orientation. Consequently, high performance carbon products cannot be made from isotropic pitch. In contrast, carbon fibers made from anisotropic pitch, so-called "mesophase pitch", have a higher degree of molecular orientation and exhibit improved mechanical properties in terms of strength and elastic modulus. Consequently, with a view to producing high performance carbon fibers, extensive research is being conducted on the production of mesophase pitch from catalytically cracked petroleum pitch, petroleum tar pitch or coal tar pitch. When fibers are produced by a melt spinning process using mesophase pitch, the developed aromatic planar molecules aligned with the fiber axis by applying a shearing force as the pitch passes through nozzle holes. This oriented structure is maintained without being destroyed during the subsequent "stabilization" stage, in which the surface of the fibers is oxidized by gradual heating under an air stream, and during the "carbonization" stage, in which the stabilized fibers are heat-treated in an inert gas atmosphere at temperatures not lower than 1000ºC. It has been confirmed by numerous studies that this effect contributes to the production of highly oriented, high-performance carbon fibers.

Der Anteil an Pech, das eine optisch anisotrope Phase aufweist (dieser Teil wird im folgenden als "Mesophase" bezeichnet), ist in polaren Lösungsmitteln, beispielsweise Chinolin und Pyridin, unlöslich, wobei bisher davon ausgegangen wurde, daß die Mesophase mit der Komponente, die in polaren Lösungsmitteln unlöslich ist, identisch ist. Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß der Anisotropie zeigende Teil bei Beobachtung unter einem polarisierenden Mikroskop nicht notwendigerweise dem unlöslichen Gehalt entspricht, sondern daß die Mesophase sowohl Bestandteile, die in polaren Lösungsmitteln unlöslich sind, als auch Bestandteile, die in den Lösungsmitteln löslich sind, enthält. Folglich bedeutet der Ausdruck "Mesophase", der hier verwendet wird, daß ein Teil einer Phase, die bei Beobachtung unter einem polarisierenden Mikroskop optische Anisotropie zeigt, und der von der Fläche dieser optisch anisotropen Phase bei Beobachtung mit einem polarisierenden Mikroskop eingenommene Anteil als "der Gehalt einer Mesophase" oder einfach "der Mesophasengehalt" bezeichnet werden soll.The portion of pitch exhibiting an optically anisotropic phase (this portion is hereinafter referred to as "mesophase") is insoluble in polar solvents, such as quinoline and pyridine, and it has been previously assumed that the mesophase is identical with the component insoluble in polar solvents. However, recent studies have shown that the portion exhibiting anisotropy does not necessarily correspond to the insoluble content when observed under a polarizing microscope, but that the mesophase contains both components insoluble in polar solvents and components soluble in the solvents. Consequently, the term "mesophase" as used herein means that a portion of a phase which exhibits optical anisotropy when observed under a polarizing microscope, and the portion occupied by the area of this optically anisotropic phase when observed with a polarizing microscope shall be referred to as "the content of a mesophase" or simply "the mesophase content".

Ist der Mesophasengehalt von Pech gering, trennen sich die anisotrope Phase und die isotrope Phase in erschmolzenem Pech unter Störung des Spinnvorgangs. Folglich beträgt der Mesophasengehalt von Pech mindestens 90, vorzugsweise 100%. Eine Erhöhung des Mesophasengehalts bedingt jedoch im allgemeinen eine Erhöhung des Erweichungspunkts und der Viskosität des Pechs und macht eine Durchführung eines Spinnens mit gleichbleibenden Ergebnissen schwierig. Ein hoher Erweichungspunkt und eine hohe Viskosität machen ein Spinnen bei erhöhten Temperaturen notwendig. In diesem Fall neigt das Pech jedoch zu einer thermischen Zersetzung oder Kondensation, wobei die erhaltenen Gase und unschmelzbaren hochmolekularen Substanzen die Fortsetzung der Spinnvorgänge über eine längere Zeit hinweg mit gleichbleibenden Ergebnissen schwierig macht.If the mesophase content of pitch is low, the anisotropic phase and the isotropic phase in molten pitch will separate, disrupting the spinning process. Consequently, the mesophase content of pitch is at least 90%, preferably 100%. An increase in the mesophase content However, this generally causes an increase in the softening point and viscosity of the pitch and makes it difficult to carry out spinning with consistent results. A high softening point and high viscosity make spinning at elevated temperatures necessary. In this case, however, the pitch is prone to thermal decomposition or condensation, with the resulting gases and infusible high molecular weight substances making it difficult to continue spinning operations for a long time with consistent results.

Zur Lösung dieser Probleme mit Mesophasenpech wurden die verschiedensten Verfahren vorgeschlagen. Die US-A-4 472 265 schlägt ein Verfahren vor, bei dem das Mesophasenpech teilweise hydriert wird, um den Stapelgrad seiner Moleküle auf einen geeigneten Grad zu reduzieren, worauf das erhaltene "isotrope Pech" versponnen wird. Die JP-A-18421/1983 gibt ein Verfahren an, das durch die Verwendung einer einzigen Art von Pech oder "Premesophasen"- Pech, das während eines Spinnens isotrop ist, während einer Carbonisierung jedoch anisotrop wird, gekennzeichnet ist. Die US-A-4 208 267 gibt ein Verfahren an, bei dem ein isotropes Pech einer Lösungsmittelextraktion unterworfen wird, worauf das unlösliche Material auf 230 bis 400ºC erwärmt wird. Die JP-A-136835/1983 gibt ein Verfahren an, bei dem isotropes Pech wärmebehandelt wird, worauf die erhaltene Mesophase abfiltriert und das verbleibende Pech einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen wird. Die US-A-4 533 461 gibt ein Verfahren an, bei dem Pech zur Einstellung des Mesophasengehalts auf einen Bereich von 20 bis 80% wärmebehandelt wird, worauf ausgefällt und die Mesophase gewonnen wird.To solve these problems with mesophase pitch, various methods have been proposed. US-A-4,472,265 proposes a method in which the mesophase pitch is partially hydrogenated to reduce the degree of stacking of its molecules to an appropriate level, and then the resulting "isotropic pitch" is spun. JP-A-18421/1983 discloses a method characterized by the use of a single type of pitch or "premesophase" pitch which is isotropic during spinning but becomes anisotropic during carbonization. US-A-4,208,267 discloses a method in which an isotropic pitch is subjected to solvent extraction, and then the insoluble material is heated to 230 to 400°C. JP-A-136835/1983 discloses a process in which isotropic pitch is heat-treated, the resulting mesophase is filtered off and the remaining pitch is subjected to further heat treatment. US-A-4 533 461 discloses a process in which pitch is heat-treated to adjust the mesophase content to a range of 20 to 80%, precipitated and the mesophase recovered.

Obwohl diese Verfahren in der einen oder anderen Weise bezüglich der Verwendung von Mesophasenpech verbessert sind, sind sie immer noch mit den im folgenden beschriebenen Problemen behaftet und vermögen noch keine vollständig zufriedenstellenden Ergebnisse zu liefern.Although these methods have been improved in one way or another with regard to the use of mesophase pitch, they still suffer from the problems described below and are not yet able to provide completely satisfactory results.

In den in der US-A-4 472 265 und JP-A-18421/1983 beschriebenen Verfahren wird ein nicht hoch orientiertes isotropes Pech versponnen. Somit ist die Molekülorientierung in den Fasern nicht so hoch wie in den aus einem anisotropen Pech versponnenen Fasern und die Faserleistungsfähigkeit in Belangen wie Festigkeit und Elastizitätsmodul eher gering. Darüber hinaus ist das Verfahren, bei dem eine Hydrierung von hochviskosem Pech, bei der die polymerisierten Moleküle einer kondensierten polycyclischen aromatischen Verbindung aufeinander gestapelt werden, durchgeführt wird, kompliziert und für industrielle Anwendungen nicht günstig. In the processes described in US-A-4 472 265 and JP-A-18421/1983, an isotropic pitch which is not highly oriented is spun. Thus, the molecular orientation in the fibers is not as high as in the fibers spun from an anisotropic pitch and the fiber performance in terms of strength and elastic modulus is rather low. In addition, the process in which hydrogenation of high-viscosity pitch in which the polymerized molecules of a condensed polycyclic aromatic compound are stacked on one another is carried out is complicated and not favorable for industrial applications.

In dem in der US-A-4 208 267 beschriebenen Verfahren wird nur eine geringe Menge des unlöslichen Materials mit einem Lösungsmittel extrahiert, so daß die Ausbeute an Mesophasenpech gering ist. Das in der JP-A- 136835/1983 beschriebene Verfahren ist mit dem Nachteil eines komplexen Filtrationsvorgehens, das nach der Wärmebehandlung durchzuführen ist, behaftet. Das in der US-A-4 533 461 beschriebene Verfahren ist mit technischen Schwierigkeiten bei der Gewinnung der Mesophase behaftet und krankt an einer geringen Ausbeute bei der Carbonisierung.In the process described in US-A-4,208,267, only a small amount of the insoluble material is extracted with a solvent, so that the yield of mesophase pitch is low. The process described in JP-A-136835/1983 has the disadvantage of a complex filtration procedure that has to be carried out after the heat treatment. The process described in US-A-4,533,461 has technical difficulties in obtaining the mesophase and suffers from a low yield in the carbonization.

Wie bereits erwähnt, muß der Mesophasengehalt von Mesophasenpech zur Verwendung bei der Herstellung von Kohlenstoffmaterialien erhöht werden, um in Belangen wie Festigkeit und Elastizitätsmodul eine hohe Leistungsfähigkeit zu erreichen. Der Mesophasengehalt des Pechs muß ferner zur Erleichterung der Spinnvorgänge bei der Herstellung von Kohlenstoffasern erhöht werden. Zusätzliche Anforderungen sind hohe Wärmestabilität während der Spinnvorgänge, hohe Stabilisierungsreaktivität der versponnenen Fasern und hohe Ausbeute bei der Carbonisierung. Im Falle der Herstellung von Kohlenstoffmaterialien muß die Ausbeute an durch Carbonisierung des Pechs hergestelltem Kohlenstoffmaterial auch hoch sein.As mentioned above, the mesophase content of mesophase pitch for use in the production of carbon materials must be increased to achieve high performance in terms of strength and elastic modulus. The mesophase content of the pitch must also be increased to facilitate spinning operations in the production of carbon fibers. Additional requirements are high thermal stability during spinning operations, high stabilization reactivity of the spun fibers and high carbonization yield. In the case of the production of carbon materials, the yield of carbon material produced by carbonization of the pitch must also be high.

Folglich muß das Mesophasenpech zur Verwendung bei der Herstellung von Kohlenstoffmaterialien die folgenden Bedingungen erfüllen:Consequently, the mesophase pitch for use in the production of carbon materials must meet the following conditions:

(1) hoher Mesophasengehalt,(1) high mesophase content,

(2) hohe Wärmestabilität während der Spinnvorgänge,(2) high thermal stability during the spinning processes,

(3) hohe Stabilisierungsreaktivität und(3) high stabilization reactivity and

(4) hohe Ausbeute bei der Carbonisierung. (4) high carbonization yield.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß Mesophasenpech mit einem merklichen Polymerisationsgrad, bei dem große Teile der Gesamtkohlenstoffatome durch Methylgruppen und aromatische Ringstrukturen besetzt sind, eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit zeigt und den obengenannten vier Anforderungen genügt. Es eignet sich somit zur Verwendung bei der Herstellung von Hochleistungskohlenstoffprodukten und läßt sich in einfacher und vereinbarer Weise zu Fasern verspinnen. Des weiteren können die versponnenen Fasern wirksam stabilisiert werden, wobei sie den zusätzlichen Vorteil einer hohen Ausbeute bei der nachfolgenden Carbonisierung aufweisen. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis dieser Erkenntnisse vollendet.The present inventors have found that mesophase pitch having a significant degree of polymerization in which large portions of the total carbon atoms are occupied by methyl groups and aromatic ring structures exhibits excellent performance and satisfies the above-mentioned four requirements. It is thus suitable for use in the production of high-performance carbon products and can be spun into fibers in a simple and consistent manner. Furthermore, the spun fibers can be effectively stabilized, with the additional advantage of high yield in subsequent carbonization. The present invention has been completed on the basis of these findings.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Mesophasenpech zur Verwendung bei der Herstellung von Kohlenstoffmaterialien, wobei das Pech ein durchschnittliches Molekulargewicht von mindestens 1000 und ein Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von 0,5 bis 1,0 bei einem aromatischen Kohlenstoffanteil (fa) von mindestens 0,7, einen Methylkohlenstoffgehalt von mindestens 4 % der Gesamtkohlenstoffatome, einen Naphthen (d.h. Cycloparaffin)-Kohlenstoffgehalt von weniger als 7 % der Gesamtkohlenstoffatome und mindestens 90 % einer optisch anisotropen Phase aufweist. The present invention relates to a mesophase pitch for use in the production of carbon materials, the pitch having an average molecular weight of at least 1000 and a hydrogen/carbon atomic ratio of 0.5 to 1.0 with an aromatic carbon content (fa) of at least 0.7, a methyl carbon content of at least 4% of the total carbon atoms, a naphthenic (i.e. cycloparaffin) carbon content of less than 7% of the total carbon atoms and at least 90% of an optically anisotropic phase.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bereits früher ein Mesophasenpech aus einem kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoff, der Naphthen (d.h. Cycloparaffin)-Kohlenstoff in einer Menge von mindestens 7 % Gesamtkohlenstoffatome enthielt, erhalten. Da dieses Pech den oben beschriebenen vier Bedingungen genügt, haben die Erfinder darauf eine Patentanmeldung eingereicht, bei der es sich um die US-A-4 891 126 handelt. Als Ergebnis ihrer weiteren Untersuchungen bezüglich Mesophasenpech haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß bei Polymerisieren von Naphthalinderivaten, beispielsweise Methylnaphthalin mit mindestens einer Methylgruppe, ein weniger als 7 % Naphthenkohlenstoffatome und noch dazu hohe Leistungsfähigkeit aufweisendes Mesophasenpech hergestellt werden könnte, wenn der Methylkohlenstoffgehalt weniger als 4 % der gesamten Kohlenstoffatome beträgt. Insbesondere weist dieses Mesophasenpech eine höhere Stabilisierungsreaktivität auf als das in der US-A-4 891 126 beschriebene.The inventors of the present invention have previously obtained a mesophase pitch from a condensed polycyclic hydrocarbon containing naphthenic (ie, cycloparaffin) carbon in an amount of at least 7% of total carbon atoms. Since this pitch satisfying the four conditions described above, the inventors filed a patent application therefor, which is US-A-4,891,126. As a result of their further investigations on mesophase pitch, the inventors of the present invention found that when polymerizing naphthalene derivatives, for example methylnaphthalene having at least one methyl group, a mesophase pitch containing less than 7% naphthenic carbon atoms and still having high performance could be produced when the methyl carbon content is less than 4% of the total carbon atoms. In particular, this mesophase pitch has a higher stabilization reactivity than that described in US-A-4,891,126.

Das durchschnittliche Molekulargewicht des erfindungsgemäßen Mesophasenpechs wird mit Hilfe eines Dampfdruckosmometers unter Verwendung von Chloroform als Lösungsmittel bestimmt. Der in Lösungsmittel lösliche Teil des.Pechs löst sich in Chloroform, wobei sein Molekulargewicht mit einem Dampfdruckosmometer bestimmt wird. Der unlösliche Teil wird durch eine Hydrierungsreaktion bei milden Bedingungen unter Verwendung von metallischem Lithium und Ethylendiamin löslich gemacht, worauf sein Molekulargewicht mit demselben Dampfdruckosmometer bestimmt wird. Die Ergebnisse der beiden Bestimmungen wurden zur Bestimmung des durchschnittlichen Molekulargewichts des Mesophasenpechs verwendet. Das erfindungsgemäße Mesophasenpech weist ein durchschnittliches Molekulargewicht von mindestens 1000, vorzugsweise 1000 bis 1700 bei Bestimmung im Rahmen des oben beschriebenen Verfahrens auf. Liegt das durchschnittliche Molekulargewicht unter etwa 1000, ist der erreichbare Polymerisationsgrad zur Herstellung von Pech mit hohem Mesophasengehalt zu gering. The average molecular weight of the mesophase pitch of the present invention is determined using a vapor pressure osmometer using chloroform as a solvent. The solvent-soluble portion of the pitch is dissolved in chloroform and its molecular weight is determined using a vapor pressure osmometer. The insoluble portion is made soluble by a hydrogenation reaction under mild conditions using metallic lithium and ethylenediamine and its molecular weight is determined using the same vapor pressure osmometer. The results of the two determinations were used to determine the average molecular weight of the mesophase pitch. The mesophase pitch of the present invention has an average molecular weight of at least 1000, preferably 1000 to 1700 when determined using the method described above. If the average molecular weight is below about 1000, the achievable degree of polymerization is too low to produce pitch with a high mesophase content.

Der Gehalt an Kohlenstoff und Wasserstoff des erfindungsgemäßen Mesophasenpechs wird mit Hilfe einer automatischen Analysiervorrichtung (CHN Codiervorrichtung) unter Verwendung einer Nachweistechnik, die die thermische Leitfähigkeit von Verbrennungsgasen mißt, bestimmt. Der Anteil an aromatischem Kohlenstoff (fa) wird durch eine IR-Absorbtionstechnik und der Gehalt an Methylkohlenstoff durch NMR bestimmt.The carbon and hydrogen content of the mesophase pitch of the invention is determined by means of an automatic analyzer (CHN coding device) using a detection technique that uses thermal conductivity of combustion gases. The proportion of aromatic carbon (fa) is determined by an IR absorption technique and the content of methyl carbon by NMR.

Das Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff des Mesophasenpechs zur Verwendung bei der Herstellung von Kohlenstoffmaterialien der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich von 0,5 bis 1,0, vorzugsweise 0,6 bis 1,0. Bei einem Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von weniger als etwa 0,5 krankt das erhaltene Pech an einer übermäßigen Dehydrierung, verglichen mit einer Polymerisation, und sein Erweichungspunkt ist so stark erhöht, daß ein nachfolgendes Spinnen und weitere Behandlungsvorgänge schwierig werden. Bei einem Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von mehr als etwa 1,0 weist das erhaltene Pech infolge eines unzureichenden Polymerisationsgrades einen niedrigen Orientierungsgrad auf, so daß es unmöglich wird, Kohlenstoffasern oder weitere Kohlenstoffmaterialien mit der gewünschten Leistungsfähigkeit in den Belangen wie Festigkeit und Elastizitätsmodul zu erhalten.The hydrogen/carbon atomic ratio of the mesophase pitch for use in producing carbon materials of the present invention is in the range of 0.5 to 1.0, preferably 0.6 to 1.0. With a hydrogen/carbon atomic ratio of less than about 0.5, the resulting pitch suffers from excessive dehydration as compared with polymerization, and its softening point is so greatly increased that subsequent spinning and other treatments become difficult. With a hydrogen/carbon atomic ratio of more than about 1.0, the resulting pitch has a low degree of orientation due to an insufficient degree of polymerization, making it impossible to obtain carbon fibers or other carbon materials having desired performance in such matters as strength and elastic modulus.

Der aromatische Kohlenstoffanteil (fa) ist das Verhältnis der Zahl der Kohlenstoffatome in aromatischen Ringstrukturen zur Gesamtzahl an vorhandenen Kohlenstoffatomen. Das erfindungsgemäße Pech weist einen fa von mindestens 0,7, vorzugsweise zwischen 0,75 und 0,87 auf. Bei einem fa-Wert von weniger als etwa 0,7 weisen die die Mesophase bildenden Moleküle keinen hohen Grad an planarer Struktur auf, wobei eine gleichbleibende Herstellung von Pech mit einem hohen Gehalt an einer optisch anisotropen Phase schwierig wird.The aromatic carbon content (fa) is the ratio of the number of carbon atoms in aromatic ring structures to the total number of carbon atoms present. The pitch of the invention has a fa of at least 0.7, preferably between 0.75 and 0.87. At a fa value of less than about 0.7, the molecules forming the mesophase do not have a high degree of planar structure, making consistent production of pitch with a high content of an optically anisotropic phase difficult.

Der Methylkohlenstoffgehalt des erfindungsgemäßen Pechs beträgt mindestens 4 %, vorzugsweise mindestens 5 % der vorliegenden Gesamtkohlenstoffatome. Bei einem Methylkohlenstoffgehalt von weniger als etwa 4 % ist die Stabilisierungsreaktivität so gering, daß die Vollendung der Stabilisierungsbehandlung eine unzumutbar lange Zeit in Anspruch nimmt, wobei zwischen den stabilisierten Fasern mit erhöhter Wahrscheinlichkeit eine Verschmelzung auftritt.The methyl carbon content of the pitch according to the invention is at least 4%, preferably at least 5% of the total carbon atoms present. At a methyl carbon content of less than about 4%, the stabilization reactivity is so low that the completion of the stabilization treatment takes an unreasonably long time, with a difference between the stabilized Fibers are more likely to fuse.

Wie bereits erwähnt, wird die optisch anisotrope Phase (Mesophase) des erfindungsgemäßen Pechs mit einem polarisierenden Mikroskop bestimmt. Das erfindungsgemäße Pech weist einen Mesophasengehalt von mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % auf. In besonders bevorzugter Weise besteht im wesentlichen das gesamte Pech aus einer Mesophase. Bei einem Mesophasengehalt des Pechs von weniger als etwa 90 % weisen die daraus gebildeten Kohlenstoffasern oder weiteren Kohlenstoffmaterialien in Belangen wie Festigkeit und Elastizitätsmodul nur eine geringe Leistungsfähigkeit auf. Unter dem Gesichtspunkt des Verspinnens muß ferner der Mesophasengehalt mindestens etwa 90 % betragen.As already mentioned, the optically anisotropic phase (mesophase) of the pitch according to the invention is determined using a polarizing microscope. The pitch according to the invention has a mesophase content of at least 90%, preferably at least 95%. In a particularly preferred manner, substantially all of the pitch consists of a mesophase. If the mesophase content of the pitch is less than about 90%, the carbon fibers or other carbon materials formed therefrom have only a low performance in terms of strength and elastic modulus. From the point of view of spinning, the mesophase content must also be at least about 90%.

Das erfindungsgemäße Mesophasenpech kann durch Polymerisieren von Naphthalinderivaten mit mindestens einer Methylgruppe in Gegenwart von Fluorwasserstoff und Bortrifluorid hergestellt werden. Beispiele für als Ausgangsmaterialien verwendbare Naphthalinderivate sind Methylnaphthalin, Dimethylnaphthalin und Mischungen davon. Diese Naphthalinderivate enthaltende Materialien sind auch verwendbar. Beispiele dafür sind die verschiedensten Erdölfraktionen, das aus Erdölbehandlungsstufen stammende Restöl und Kohleteerfraktionen.The mesophase pitch of the present invention can be prepared by polymerizing naphthalene derivatives having at least one methyl group in the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride. Examples of naphthalene derivatives that can be used as starting materials are methylnaphthalene, dimethylnaphthalene and mixtures thereof. Materials containing these naphthalene derivatives can also be used. Examples of these are various petroleum fractions, residual oil from petroleum treatment stages and coal tar fractions.

Wie oben erwähnt, wird als Katalysator zur Polymerisierung dieser Naphthalinderivate ein Fluorwasserstoff/Bortrifluorid-Katalysator verwendet. In dieser Hinsicht handelt es sich bei besonders geeigneten Augangsmaterialien um die, die niedrige Gehalte an stickstoff-, schwefel- und sauerstoffhaltigen Verbindungen aufweisen, wobei alle diese Verbindungen basische Verbindungen sind, die stark an den Fluorwasserstoff/Bortrifluorid-Katalysator binden. Der Polymerisationskatalysator wird vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 20 Mol Fluorwasserstoff und 0,05 bis 1,0 Mol Bortrifluorid pro Mol Naphthalinderivat verwendet. Selbst bei mehr als 20 Mol Fluorwasserstoff oder mehr als 1,0 Mol Bortrifluorid kommt es zu keiner entsprechenden Erhöhung der Reaktionsrate. Im Gegensatz dazu wird die Zirkulation des Katalysators erhöht, was zur notgedrungenen Verwendung eines großdimensionierten Reaktors führt. Bei weniger als etwa 0,1 Mol Fluorwasserstoff oder weniger als etwa 0,05 Mol Bortrifluorid läßt sich kein Mesophasenpech mit einem Mesophasengehalt von mindestens 90 % erhalten. Fluorwasserstoff oder Bortrifluorid alleine als Polymerisationskatalysator ist nicht wirksam, so daß sie erfindungsgemäß in Kombination eingesetzt werden müssen.As mentioned above, a hydrogen fluoride/boron trifluoride catalyst is used as the catalyst for polymerizing these naphthalene derivatives. In this respect, particularly suitable starting materials are those having low contents of nitrogen, sulfur and oxygen-containing compounds, all of which are basic compounds that bind strongly to the hydrogen fluoride/boron trifluoride catalyst. The polymerization catalyst is preferably used in an amount of 0.1 to 20 moles of hydrogen fluoride and 0.05 to 1.0 moles of boron trifluoride per mole of naphthalene derivative. Even with more than 20 moles of hydrogen fluoride or more than 1.0 mole of boron trifluoride, there is no corresponding increase in the reaction rate. On the contrary, the circulation of the catalyst is increased, which necessarily leads to the use of a large-sized reactor. With less than about 0.1 mole of hydrogen fluoride or less than about 0.05 mole of boron trifluoride, mesophase pitch having a mesophase content of at least 90% cannot be obtained. Hydrogen fluoride or boron trifluoride alone is not effective as a polymerization catalyst, so that they must be used in combination according to the invention.

Fluorwasserstoff (HF) bildet bei gemeinsamer Verwendung von Bortrifluorid (BF&sub3;) eine starke Protonensäure, die mit dem basischen Naphthalinderivat unter Bildung eines Komplexes reagiert.Hydrogen fluoride (HF) when used together with boron trifluoride (BF3) forms a strong protic acid which reacts with the basic naphthalene derivative to form a complex.

Die Temperatur zur Gewinnung der gewünschten Mesophase durch Polymerisationsreaktion liegt im Bereich von 180 bis 400ºC, vorzugsweise 250 bis 320ºC. Bei einer Temperatur über etwa 400ºC läuft eine übermäßige Polymerisation ab, wodurch das erhaltene Pech einen übermäßig hohen Erweichungspunkt aufweist. Bei einer Temperatur unter 180ºC läßt sich kein Mesophasenpech mit einem Mesophasengehalt von mindestens 90 % erhalten.The temperature for obtaining the desired mesophase by polymerization reaction is in the range of 180 to 400°C, preferably 250 to 320°C. At a temperature above about 400°C, excessive polymerization occurs, causing the resulting pitch to have an excessively high softening point. At a temperature below 180°C, mesophase pitch having a mesophase content of at least 90% cannot be obtained.

Die zur Vollendung der Polymerisationsreaktion erforderliche Zeit schwankt mit der Art des verwendeten Ausgangsmaterials, der Temperatur und der Menge des verwendeten Katalysators, typischerweise liegt sie jedoch in einem Bereich von 5 bis 300 min, vorzugsweise 30 bis 240 min. Der Druck bei der Polymerisationsreaktion liegt im allgemeinen in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 100 bar, vorzugsweise etwa 20 bis etwa 50 bar.The time required to complete the polymerization reaction varies with the type of starting material used, the temperature and the amount of catalyst used, but typically it is in the range of 5 to 300 minutes, preferably 30 to 240 minutes. The pressure in the polymerization reaction is generally in the range of about 5 to about 100 bar, preferably about 20 to about 50 bar.

Die Polymerisationsreaktion wird durch Vermischen und Rühren des in einen mit einem Rührer ausgerüsteten korrosionsbeständigen Reaktor eingebrachten Ausgangsmaterials und Katalysators durchgeführt. Die Reaktion kann chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden.The polymerization reaction is carried out by mixing and stirring the starting material and catalyst charged in a corrosion-resistant reactor equipped with a stirrer. The reaction can be carried out batchwise or continuously.

Das als Ausgangsmaterial eingetragene Naphthalinderivat (Nd) bildet bei Vermischen mit dem Katalysator einen Komplex und erfährt eine rasche Polymerisation unter Bildung eines Polymer in Komplexform gemäß dem folgenden Schema:The naphthalene derivative (Nd) introduced as starting material forms when mixed with the catalyst a complex and undergoes rapid polymerization to form a polymer in complex form according to the following scheme:

HF + BF&sub3; + (Nd)n < -> H&spplus;(Nd)nBF&sub4;- (1)HF + BF3 + (Nd)n < -> H+(Nd)nBF₄- (1)

Das erhaltene Polymer in Komplexform liegt, wie in Gleichung (1) dargestellt, im Gleichgewicht vor, so daß nach Beendigung der Polymerisation die flüchtigen Bestandteile, HF und BF&sub3;, bei der Polymerisationstemperatur abdestilliert und als Katalysatorkomponenten wiedergewonnen werden. Gleichzeitig werden einige flüchtige Fraktionen wiedergewonnen und das polymerisierte Pech getrennt.The obtained polymer in complex form is in equilibrium as shown in equation (1), so that after completion of the polymerization, the volatile components, HF and BF3, are distilled off at the polymerization temperature and recovered as catalyst components. At the same time, some volatile fractions are recovered and the polymerized pitch is separated.

Spezielle Vorgehensweisen zur Abtrennung und Wiedergewinnung des Katalysators aus dem Pech sind die folgenden:Specific procedures for separating and recovering the catalyst from the pitch are the following:

Eine Katalysatorabtrennung durch ein Chargensystem besteht aus einen Halten der Polymerisationstempera tur nach Beendigung der Polymerisationsreaktion und Entfernen von HF und BF&sub3; als eine Dampfphase aus dem Reaktor, wobei das Polymer als aufgeschmolzenes Pech gewonnen wird. Bei dem zu diesem Zweck duchgeführten Erwärmen kann es sich um indirektes Erwärmen (externes Erwärmen durch einen Mantel usw.) oder direktes Erwärmen (durch Einführen von erwärmtem Dampf eines Verdünnungsmittels, beispielsweise Benzol, Toluol oder eines halogenierten Kohlenwasserstoffs, das gegenüber dem Katalysator relativ inert ist) handeln.Catalyst separation by a batch system consists of maintaining the polymerization temperature after completion of the polymerization reaction and removing HF and BF3 as a vapor phase from the reactor, recovering the polymer as molten pitch. The heating used for this purpose can be indirect heating (external heating through a jacket, etc.) or direct heating (by introducing heated vapor of a diluent, e.g. benzene, toluene or a halogenated hydrocarbon that is relatively inert to the catalyst).

Eine Katalysatorabtrennung kann ferner durch ein kontinuierliches Verfahren in einer Destillationskolonne durchgeführt werden, wobei das unter Rückfluß gehaltene Verdünnungsmittel, das mit der Polymerisationsreaktionslösung zur Extraktion der HF- und BF&sub3;-Dämpfe aus der Oberseite der Kolonne kontinuierlich zugeführt wird, mit dem Pech aus dem Boden der Kolonne in Form einer Lösung in dem Verdünnungsmittel wiedergewonnen wird.Catalyst separation can also be carried out by a continuous process in a distillation column, wherein the refluxed diluent continuously fed with the polymerization reaction solution for extracting the HF and BF3 vapors from the top of the column is recovered with the pitch from the bottom of the column in the form of a solution in the diluent.

Welches Verfahren auch immer verwendet wird, die zur Wiedergewinnung des Katalysators notwendige Temperatur entspricht der Polymerisationstemperatur, wohingegen der Druck für die Katalysatorwiedergewinnung im allgemeinen im Bereich von etwa 0 bis etwa 30 Atmosphären, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 5 Atmosphären liegt. Whatever process is used, the temperature required to recover the catalyst corresponds to the polymerization temperature, whereas the pressure for catalyst recovery generally in the range of about 0 to about 30 atmospheres, preferably about 1 to about 5 atmospheres.

Das nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltene Pech ist durch einen hohen Mesophasengehalt und die Anwesenheit von zahlreichen Kohlenstoffatomen in aromatischen Ringstrukturen sowie in Methylgruppen gekennzeichnet. Dieses Pech weist ferner einen niedrigen Erweichungspunkt, der im Bereich von 200 bis 250ºC bei Bestimmung im Rahmen eines Mikroschmelzpunktverfahrens liegt, auf.The pitch obtained by the process described above is characterized by a high mesophase content and the presence of numerous carbon atoms in aromatic ring structures and methyl groups. This pitch also has a low softening point, which is in the range of 200 to 250ºC when determined by a micromelting point method.

Bei dem oben beschriebenen Pech handelt es sich um ein Mesophasenpech, das im wesentlichen kein HF und BF&sub3; enthält und eine anisotrope Phase von mindestens etwa 90 % aufweist. Es kann als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Kohlenstoffasern und weiteren Kohlenstoffmaterialien verwendet werden, ohne irgendeiner speziellen Behandlung unterworfen werden zu müssen. Beispieisweise kann dieses Mesophasenpech ohne Schwierigkeiten bei einer Spinntemperatur von etwa 280 bis etwa 340ºC zu Fasern versponnen werden. Die versponnenen Pechfasern weisen eine derart hohe Stabilisierungsreaktivität auf, daß sie durch Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 300ºC bei einer Rate von etwa 7ºC/min unter einem Luftstrom in ausreichender Weise stabilisiert werden können. Diese einfache Stabilisierung läßt sich dem hohen Gehalt an von Methyl abgeleiteten Kohlenstoffatomen im Pech zuschreiben.The pitch described above is a mesophase pitch which contains essentially no HF and BF3 and has an anisotropic phase of at least about 90%. It can be used as a raw material for producing carbon fibers and other carbon materials without being subjected to any special treatment. For example, this mesophase pitch can be spun into fibers without difficulty at a spinning temperature of about 280 to about 340°C. The spun pitch fibers have such a high stabilization reactivity that they can be sufficiently stabilized by heating to a temperature of about 300°C at a rate of about 7°C/min under an air stream. This easy stabilization can be attributed to the high content of methyl-derived carbon atoms in the pitch.

Aus dem erfindungsgemäßen Pech können Kohlenstoffasern wie folgt hergestellt werden: Das Pech wird zuerst durch eine Düse (ca. 0,25 um) in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von etwa 1 bis etwa 3 bar und einer Temperatur von etwa 280 bis etwa 340ºC extrudiert, worauf die Fasern um eine Rolle bei einer Aufwickelge schwindigkeit von beispielsweise etwa 500 m/min aufgewikkelt werden. Anschließend werden die Fasern durch Erwärmen von Raumtemperatur auf eine Temperatur von zwischen etwa 200 und etwa 350ºC mit einer typischen Rate von etwa 1 bis 7ºC/min unter einem Luftstrom stabilisiert. Schließlich werden die stabilisierten Fasern durch Erwärmen auf etwa 1000ºC oder mehr mit einer typischen Rate von etwa 10ºC/min in einem Inertgasstrom, beispielsweise Stickstoff, carbonisiert oder graphitisiert.Carbon fibres can be produced from the pitch of the invention as follows: The pitch is first extruded through a die (ca. 0.25 µm) in a nitrogen atmosphere at a pressure of about 1 to about 3 bar and a temperature of about 280 to about 340°C, whereupon the fibres are wound around a reel at a winding speed of, for example, about 500 m/min. The fibres are then dried by heating from room temperature to a temperature of between about 200 and about 350°C at a typical rate of about 1 to 7ºC/min under a stream of air. Finally, the stabilized fibers are carbonized or graphitized by heating to about 1000ºC or more at a typical rate of about 10ºC/min in a stream of inert gas, e.g. nitrogen.

Das erfindungsgemäße Mesophasenpech weist die folgenden Vorzüge auf:The mesophase pitch according to the invention has the following advantages:

(1) Das erfindungsgemäße Mesophasenpech kann ohne irgendwelche komplexen und kostspieligen Stufen, beispielsweise Filtration des unschmelzbaren Materials hoher Temperatur und Lösungsmittelextraktion davon, stabilisiert werden. Das erfindungsgemäße Pech besteht aus einer im wesentlichen homogenen Mesophase. Es läßt sich bei einer Temperatur zwischen etwa 280 und etwa 340ºC, die merklich unter dem üblicherweise verwendeten Temperaturbereich liegt, zu Kohlenstoffasern verspinnen.(1) The mesophase pitch of the present invention can be stabilized without any complex and expensive steps such as filtration of the high temperature infusible material and solvent extraction thereof. The pitch of the present invention consists of a substantially homogeneous mesophase. It can be spun into carbon fibers at a temperature between about 280 and about 340°C, which is significantly lower than the temperature range commonly used.

(2) Das erfindungsgemäße Mesophasenpech kann bei einer Temperatur, die deutlich unter dem Punkt, bei dem eine merkliche thermische Zersetzung oder Polykondensation auftritt (400ºC), liegt, zu Fasern versponnen werden. Folglich ist die Spinnfähigkeit des Pechs gut genug, um einer Beeinträchtigung während eines Verspinnens zu widerstehen. Ferner können Kohlenstoffasern einer gleichbleibenden Qualität hergestellt werden.(2) The mesophase pitch of the present invention can be spun into fibers at a temperature significantly lower than the point at which significant thermal decomposition or polycondensation occurs (400°C). Consequently, the spinnability of the pitch is good enough to resist deterioration during spinning. Furthermore, carbon fibers of consistent quality can be produced.

(3) Ohne die Freisetzung irgendwelcher Zersetzungsgase oder die Bildung eines unschmelzbaren Materials kann das erfindungsgemäße Pech mit hoher Geschwindigkeit versponnen werden, wobei die versponnenen Pechfasern so wenige Defekte aufweisen, daß Kohlenstoffasern hoher Festigkeit hergestellt werden können. (3) Without releasing any decomposition gases or forming an infusible material, the pitch of the present invention can be spun at a high speed, and the spun pitch fibers have so few defects that high-strength carbon fibers can be produced.

(4) Das erfindungsgemäße Mesophasenpech weist einen hohen Gehalt an anisotroper Phase von mindestens etwa 90 % auf, so daß aus diesem Pech hergestellte Kohlenstoffasern durch eine wohlentwickelte Orientierung in Richtung der Faserachse gekennzeichnet sind und einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen.(4) The mesophase pitch of the present invention has a high anisotropic phase content of at least about 90%, so that carbon fibers made from this pitch are characterized by a well-developed orientation in the direction of the fiber axis and have a high elastic modulus.

(5) Trotz dieses hohen Gehalts an anisotroper Phase weist das erfindungsgemäße Mesophasenpech ein hohes H/C-Atomverhältnis auf, wobei der Anteil an Methylkohlenstoff am Gesamtkohlenstoffgehalt hoch genug ist, um die Anpassungsfähigkeit des Pechs an eine Stabilisierung zu erhöhen. Dadurch lassen sich in einer kürzeren Zeit vollständig unschmelzbare (stabilisierte) Fasern erhalten.(5) Despite this high anisotropic phase content, the mesophase pitch of the present invention has a high H/C atomic ratio, with the proportion of methyl carbon in the total carbon content being high enough to increase the adaptability of the pitch to stabilization. As a result, completely infusible (stabilized) fibers can be obtained in a shorter time.

(6) Das erfindungsgemäße Mesophasenpech gewährleistet auf Grund seines hohen Polymerisationsgrades eine hohe Ausbeute bei der Carbonisierung.(6) The mesophase pitch according to the invention ensures a high carbonization yield due to its high degree of polymerization.

Auf Grund dieser Merkmale (1) bis (6) bietet die vorliegende Erfindung einen großen industriellen Nutzen. Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung weiter veranschaulichen, sie jedoch in keiner Weise begrenzen.Due to these features (1) to (6), the present invention offers great industrial utility. The following examples are intended to further illustrate the present invention, but are not intended to limit it in any way.

Beispiel 1example 1

Ein säurebeständiger, 0,5 l fassender Autoklav wurde mit &alpha;-Methylnaphthalin (1 Mol), HF (0,5 Mol) und BF&sub3; (0,2 Mol) beladen. Nach Erhöhung der Tempeatur in dem Autoklaven auf 270ºC wurde eine Reaktion 4 h lang durchgeführt. Danach wurde das Freisetzungsventil auf dem Autoklaven geöffnet, so daß im wesentlichen das gesamte eingetragene HF und BF&sub3; in Gasform bei Atmosphärendruck wiedergewonnen werden konnte. Danach wurde Stickstoff zur Entfernung der niedrigsiedenden Komponenten in den Autoklaven eingeblasen. Die Ausbeute an Pech betrug 76 Gew.%, bezogen auf das eingesetzte &alpha;-Methylnaphthalin. Bei Beobachtung mit einem polarisierenden Mikroskop wurde festgestellt, daß dieses Pech zu 100 % aus anisotropem Mesophasenpech mit einem Erweichungspunkt von 240ºC, einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 1360, einem Atomverhältnis H/C von 0,65 und einem aromatischen Kohlenstoffanteil (fa) von 0,82 bestand, wobei der Gehalt an Methylkohlenstoff 6 % der gesamten Kohlenstoffatome betrug. Der Naphthenkohlenstoffgehalt dieses Pechs betrug 3 % des Gesamtkohlenstoffs. Alle diese Parameter mit Ausnahme des Gehalts an Naphthenkohlenstoff wurden nach den oben beschriebenen Verfahren bestimmt. Der Gehalt an Naphthenkohlenstoff wurde durch eine NMR-Spektrum-Technik bestimmt.An acid-resistant autoclave of 0.5 liter capacity was charged with α-methylnaphthalene (1 mole), HF (0.5 mole) and BF3 (0.2 mole). After raising the temperature in the autoclave to 270°C, a reaction was carried out for 4 hours. Thereafter, the release valve on the autoclave was opened so that substantially all of the charged HF and BF3 could be recovered in gaseous form at atmospheric pressure. Nitrogen was then blown into the autoclave to remove the low boiling point components. The yield of pitch was 76% by weight based on the charged α-methylnaphthalene. When observed with a polarizing microscope, this pitch was found to be 100% anisotropic mesophase pitch with a softening point of 240ºC, an average molecular weight of 1360, an atomic ratio H/C of 0.65 and an aromatic carbon content (fa) of 0.82, with the methyl carbon content being 6% of the total carbon atoms. The naphthenic carbon content of this pitch was 3% of the total carbon. All of these parameters except the naphthenic carbon content were measured according to the method described above. The naphthenic carbon content was determined by an NMR spectrum technique.

Dieses Mesophasenpech konnte bei 310ºC und einer Aufnahmegeschwindigkeit von 500 m/min zu Fasern versponnen werden, ohne daß irgendeine Faser während des Verspinnens brach. Die Fasern konnten durch Erwärmen auf 300ºC bei einer Rate von 7ºC/min ohne Schwierigkeiten stabilisiert werden. Die stabilisierten Fasern wiesen keinerlei Verschmelzung auf.This mesophase pitch could be spun into fibers at 310ºC and a take-up speed of 500 m/min without any fiber breaking during spinning. The fibers could be stabilized without difficulty by heating to 300ºC at a rate of 7ºC/min. The stabilized fibers showed no fusion.

Die stabilisierten Fasern wurden mit einer Rate von 100/min in einer Inertgasatmosphäre zur Herstellung von Kohlenstoffasern eines Durchmessers von 10 ,im auf 1000ºC erwärmt. Die Ausbeute bei der Carbonisierung betrug 90 %, wobei die gebildeten Kohlenstoffasern eine Zugfestigkeit von 2747 N/mm² (280 kgf/mm²) und einen Elastizitätsmodul von 215,8 kN/mm² (22 tf/mm²) aufwiesen.The stabilized fibers were heated to 1000°C at a rate of 100/min in an inert gas atmosphere to produce carbon fibers of 10 μm diameter. The carbonization yield was 90%, and the resulting carbon fibers had a tensile strength of 2747 N/mm² (280 kgf/mm²) and a modulus of elasticity of 215.8 kN/mm² (22 tf/mm²).

Beispiel 2Example 2

Ein säurebeständiger, 3 l fassender Autoklav wurde mit einem Gemisch aus 60 % &alpha;-Methylnaphthalin und 40 % &beta;-Methylnaphthalin (7 Mol), HF (3 Mol) und BF&sub3; (1,0 Mol) beladen. Anschließend wurde 5 h lang bei einer erhöhten Temperatur von 265ºC eine Reaktion durcfrgeführt. Durch Wiederholen der nachfolgenden Vorgänge gemäß Beispiel 1 wurde in einer Ausbeute von 76 Gew.%, bezogen auf das zugeführte Methylnaphthalingemisch, Pech erhalten. Bei Beobachten mit einem polarisierenden Mikroskop wurde festgestellt, daß dieses Pech zu 100 % aus einem anisotropen Mesophasenpech bestand. Es wies einen Erweichungspunkt von 212ºC, eine durchschnittliches Molekulargewicht von 1220, ein Atomverhältnis H/C von 0,68 und einen fa von 0,81 auf, wobei der Gehalt an Methyl- und Naphthenkohlenstoff 7 % bzw. 4 % der Gesamtkohlenstoffatome betrug. Alle Bestimmungen erfolgten nach den Verfahren gemäß Beispiel 1.An acid-resistant 3-liter autoclave was charged with a mixture of 60% α-methylnaphthalene and 40% β-methylnaphthalene (7 moles), HF (3 moles) and BF3 (1.0 mole). A reaction was then carried out at an elevated temperature of 265°C for 5 hours. By repeating the following procedures in Example 1, pitch was obtained in a yield of 76% by weight based on the charged methylnaphthalene mixture. When observed with a polarizing microscope, this pitch was found to be 100% anisotropic mesophase pitch. It had a softening point of 212°C, an average molecular weight of 1220, an H/C atomic ratio of 0.68 and a fa of 0.81, with methyl and naphthenic carbon contents of 7% and 4% of the total carbon atoms, respectively. All determinations were carried out according to the procedures of Example 1.

Dieses Mesophasenpech konnte bei 280ºC und einer Aufnahmegeschwindigkeit von 500 m/min zu Fasern versponnen werden, ohne daß irgendeine Faser während des Verspinnens brach. Die Fasern konnten duch Erwärmen auf 280ºC mit einer Rate von 7ºC/min ohne Schwierigkeiten stabilisiert werden. Die stabilisierten Fasern wiesen keinerlei Verschmelzung auf.This mesophase pitch could be spun into fibers at 280ºC and a take-up speed of 500 m/min without any fiber breaking during spinning. The fibers could be stabilized without difficulty by heating to 280ºC at a rate of 7ºC/min. The stabilized fibers did not show any fusion.

Die stabilisierten Fasern wurden mit einer Rate von 10º/min in einer inerten Gasatmosphäre zur Herstellung von Kohlenstoffasern eines Durchmessers von 8 ,im auf 1000ºC erwärmt. Die Ausbeute bei der Carbonisierung betrug 90 %, wobei die gebildeten Kohlenstoffasern eine Zugfestigkeit von 3139 N/mm² (320 kgf/mm²) und einen Elastizitätsmodul von 196,2 kN/mm² (20 tf/mm²) aufwiesen.The stabilized fibers were heated to 1000°C at a rate of 10°/min in an inert gas atmosphere to produce carbon fibers of 8 µm diameter. The carbonization yield was 90%, and the resulting carbon fibers had a tensile strength of 3139 N/mm² (320 kgf/mm²) and a modulus of elasticity of 196.2 kN/mm² (20 tf/mm²).

Beispiel 3Example 3

Ein säurebeständiger, 3 l fassender Autoklav wurde mit einem Gemisch aus 60 % 2,6-Dimethylnaphthalin und 40 % 1,4-Dimethylnaphthalin (7 Mol), HF (3,5 Mol) und BF&sub3; (1,4 Mol) beladen. Anschließend wurde 5 h lang bei einer erhöhten Temperatur von 275ºC eine Reaktion durchgeführt. Durch Wiederholen der nachfolgenden Vorgänge gemäß Beispiel 1 wurde in einer Ausbeute von 68 Gew.%, bezogen auf das zugeführte Dimethylnaphthalingemisch, Pech erhalten. Bei Beobachten mit einem polarisierenden Mikroskop wurde festgestellt, daß dieses Pech zu 100 % aus einem anisotropen Mesophasenpech bestand. Es wies einen Erweichungspunkt von 230ºC, ein durchschnittliches Molekulargewicht von 1330, ein Atomverhältnis H/C von 0,70 und einen fa von 0,80 auf, wobei der Gehalt an Methyl- und Naphthenkohlenstoff 9 % bzw. 3 % der Gesamtkohlenstoffatome betrug.An acid-resistant 3-liter autoclave was charged with a mixture of 60% 2,6-dimethylnaphthalene and 40% 1,4-dimethylnaphthalene (7 moles), HF (3.5 moles) and BF3 (1.4 moles). A reaction was then carried out at an elevated temperature of 275°C for 5 hours. By repeating the subsequent procedures of Example 1, pitch was obtained in a yield of 68% by weight based on the dimethylnaphthalene mixture charged. When observed with a polarizing microscope, this pitch was found to be 100% anisotropic mesophase pitch. It had a softening point of 230ºC, an average molecular weight of 1330, an H/C atomic ratio of 0.70 and a fa of 0.80, with the methyl and naphthenic carbon contents being 9% and 3% of the total carbon atoms, respectively.

Dieses Mesophasenpech konnte bei 310ºC und einer Aufnahmegeschwindigkeit von 500 m/min zu Fasern versponnen werden, ohne daß irgendeine Faser während des Verspinnens brach. Die Fasern konnten duch Erwärmen auf 270ºC mit einer Rate von 7ºC/min ohne Schwierigkeiten stabilisiert werden. Die stabilisierten Fasern wiesen keinerlei Verschmelzung auf.This mesophase pitch could be spun into fibers at 310ºC and a take-up speed of 500 m/min without any fiber breaking during spinning. The fibers could be stabilized without difficulty by heating to 270ºC at a rate of 7ºC/min. The stabilized fibers showed no fusion.

Die stabilisierten Fasern wurden mit einer Rate von 100/min in einer inerten Gasatmosphäre zur Herstellung von Kohlenstoffasern eines Durchmessers von 10 um auf 1000ºC erwämt. Die Ausbeute bei der Carbonisierung betrug 90 %, wobei die gebildeten Kohlenstoffasern eine Zugfestigkeit von 2845 N/mm² (290 kgf/mm²) und einen Elastizitätsmodul von 225,6 kN/mm² (23 tf/mm²) aufwiesen.The stabilized fibers were heated to 1000°C at a rate of 100/min in an inert gas atmosphere to produce carbon fibers of 10 µm diameter. The carbonization yield was 90%, and the carbon fibers formed had a tensile strength of 2845 N/mm² (290 kgf/mm²) and an elastic modulus of 225.6 kN/mm² (23 tf/mm²).

Vergleichsbeispiel 1Comparison example 1

Ein säurebeständiger, 3 l fassender Autoklav wurde mit &alpha;-Methylnaphthalin (1 Mol), HF (3 Mol) und BF&sub3; (0,5 Mol) beladen. Anschließend wurde 3 h lang bei einer erhöhten Temperatur von 80ºC eine Reaktion durchgeführt. Danach wurde das Freisetzungsventil auf dem Autoklaven geöffnet und stufenweise auf 180 bis 200ºC bei einer Atmosphäre erwärmt, so daß im wesentlichen das gesamte eingetragene HF und BF&sub3; in Gasform wiedergewonnen werden konnte. Danach wurde das Pech in erschmolzenem Zustand aus dem Autoklaven ausgetragen. Dieses Pech wies einen Erweichungspunkt von 72ºC auf und enthielt keine Mesophase.An acid-resistant 3-liter autoclave was charged with α-methylnaphthalene (1 mole), HF (3 moles) and BF3 (0.5 moles). A reaction was then carried out at an elevated temperature of 80°C for 3 hours. The release valve on the autoclave was then opened and gradually heated to 180-200°C at one atmosphere so that substantially all of the charged HF and BF3 could be recovered in gaseous form. The pitch was then discharged from the autoclave in a molten state. This pitch had a softening point of 72°C and contained no mesophase.

Dieses Pech wurde zuerst 50 min lang bei 1 bar und 47sac, anschließend 30 min bei einem verminderten Druck von 133,3 mbar und 420ºC wärmebehandelt, wobei in einer Ausbeute von 50 %, bezogen auf &alpha;-Methylnaphthalin, 100 % Mesophasenpech (Erweichungspunkt 250ºC) erhalten wurde.This pitch was first heat treated for 50 min at 1 bar and 47 sac, then for 30 min at a reduced pressure of 133.3 mbar and 420ºC to give 100% mesophase pitch (softening point 250ºC) in a yield of 50% based on α-methylnaphthalene.

Das erhaltene Mesophasenpech wies ein durchschnittliches Molekulargewicht von 900, ein Atomverhältnis H/C von 0,51 und einen fa von 0,93 auf, wobei der Gehalt an Methyl- und Naphthenkohlenstoff 2 % bzw. 6 % der Gesamtkohlenstoffatome betrug.The obtained mesophase pitch had an average molecular weight of 900, an H/C atomic ratio of 0.51 and a fa of 0.93, with the methyl and naphthenic carbon contents being 2% and 6% of the total carbon atoms, respectively.

Dieses Pech konnte bei einer Aufnahmegeschwindigkeit von 300 m/min und bei 360ºC, jedoch nicht bei einer höheren Aufnahmegeschwindigkeit von 500 m/min zu Fasern versponnen werden. Die durch Verspinnen bei einer Aufnahmegeschwindigkeit von 300 m/min erhaltenen Pechfasern konnten duch Erwärmen auf 270ºC mit einer Rate von 5ºC/min nicht stabilisiert werden.This pitch could be spun into fibres at a take-up speed of 300 m/min and at 360ºC, but not at a higher take-up speed of 500 m/min. The pitch fibres obtained by spinning at a take-up speed of 300 m/min could not be stabilized by heating to 270ºC at a rate of 5ºC/min.

In diesem Vergleichsbeispiel wurde &alpha;-Methylnaphthalin in Gegenwart eines HF/BF&sub3;-Katalysators polymerisiert, worauf das erhaltene Pech durch nachfolgende Wärmebehandlungen in ein Mesophasenpech verwandelt wurde. Es zeigte sich jedoch, daß dieses Pech sich nicht für ein Hochgeschwindigkeitsspinnen und eine Stabilisierung eignet, da es ein niedriges durchschnittliches Molekulargewicht und einen niedrigen Methylkohlenstoffgehalt aufwies.In this comparative example, α-methylnaphthalene was polymerized in the presence of an HF/BF3 catalyst, and the resulting pitch was converted into a mesophase pitch by subsequent heat treatments. However, this pitch was found to be unsuitable for high-speed spinning and stabilization because it had a low average molecular weight and a low methyl carbon content.

Claims (8)

1. Mesophasenpech zur Verwendung bei der Herstellung von Kohlenstoffmaterialien, wobei das Pech ein durchschnittliches Molekulargewicht von mindestens 1000, ein Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff von 0,5 bis 1,0, einen Anteil an aromatischen Kohlenstoffatomen von mindestens 0,7, einen Methylkohlenstoffgehalt von mindestens 4 % der gesamten Kohlenstoffatome, einen Naphthenkohlenstoffgehalt von mindestens 7 % der gesamten Kohlenstoffatome aufweist und mindestens 90 % einer optisch anisotropen Phase enthält. 1. Mesophase pitch for use in the production of carbon materials, the pitch having an average molecular weight of at least 1000, a hydrogen/carbon atomic ratio of 0.5 to 1.0, a proportion of aromatic carbon atoms of at least 0.7, a methyl carbon content of at least 4% of the total carbon atoms, a naphthenic carbon content of at least 7% of the total carbon atoms and containing at least 90% of an optically anisotropic phase. 2. Mesophasenpech nach Anspruch 1, wobei das durchschnittliche Molekulargewicht in einem Bereich von 1000 bis 1700 liegt.2. Mesophase pitch according to claim 1, wherein the average molecular weight is in a range of 1000 to 1700. 3. Mesophasenpech nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Atomverhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff in einem Bereich von 0,6 bis 1,0 liegt. 3. Mesophase pitch according to claim 1 or claim 2, wherein the hydrogen/carbon atomic ratio is in a range of 0.6 to 1.0. 4. Mesophasenpech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an aromatischen Kohlenstoffatomen in einem Bereich von 0,75 bis 0,87 liegt.4. Mesophase pitch according to one of the preceding claims, wherein the proportion of aromatic carbon atoms is in a range from 0.75 to 0.87. 5. Mesophasenpech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Methylkohlenstoffgehalt mindestens 5 % der Gesamtkohlenstoffatome beträgt.5. Mesophase pitch according to any one of the preceding claims, wherein the methyl carbon content is at least 5 % of the total carbon atoms. 6. Mesophasenpech nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Erweichungspunkt im Bereich von 200 bis 250ºC.6. Mesophase pitch according to any one of the preceding claims having a softening point in the range of 200 to 250°C. 7. Mesophasenpech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens 95 % einer optisch anisotropen Phase enthält.7. Mesophase pitch according to any one of the preceding claims, which contains at least 95% of an optically anisotropic phase. 8. Mesophasenpech nach Anspruch 7, wobei der Gehalt an einer optischen anisotropen Phase im wesentlichen 100 % beträgt.8. The mesophase pitch according to claim 7, wherein the content of an optically anisotropic phase is substantially 100%.
DE1990607941 1989-11-29 1990-11-29 Mesophase pitch for the production of carbon materials. Expired - Fee Related DE69007941T2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP30948289 1989-11-29
JP27230090A JP2917486B2 (en) 1989-11-29 1990-10-12 Mesoface pitch for carbon materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69007941D1 DE69007941D1 (en) 1994-05-11
DE69007941T2 true DE69007941T2 (en) 1994-08-11

Family

ID=26550133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1990607941 Expired - Fee Related DE69007941T2 (en) 1989-11-29 1990-11-29 Mesophase pitch for the production of carbon materials.

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0430689B1 (en)
DE (1) DE69007941T2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04321559A (en) * 1991-04-23 1992-11-11 Mitsubishi Gas Chem Co Inc Composition for carbon material, composite carbon material and their production
EP0575748B1 (en) * 1992-06-19 1996-03-20 Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc. Self-adhesive carbonaceous grains and high density carbon artifacts derived therefrom
JP3337043B2 (en) * 1994-07-11 2002-10-21 三菱瓦斯化学株式会社 Pitch with improved spinning fuming properties and method for producing the same
US5944980A (en) * 1996-09-06 1999-08-31 Mitsubishi Gas Chemical Company Co., Inc. Method for producing isotropic pitch, activated carbon fibers and carbon materials for non-aqueous secondary battery anodes

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1262007A (en) * 1984-09-14 1989-09-26 Ikuo Seo Process for producing carbon fibers and the carbon fibers produced by the process
US4891126A (en) * 1987-11-27 1990-01-02 Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc. Mesophase pitch for use in the making of carbon materials and process for producing the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP0430689B1 (en) 1994-04-06
EP0430689A1 (en) 1991-06-05
DE69007941D1 (en) 1994-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69308134T2 (en) METHOD FOR PRODUCING SOLVENT-CONTAINING PECH AND CARBON ITEMS THEREFORE
DE2829288C2 (en)
DE3012627C2 (en)
DE3330575C2 (en)
DE2457991B2 (en) Process for the production of carbon fibers
DE3881058T2 (en) METHOD FOR MESOPHASE-PECHE PRODUCTION.
DE3116606C2 (en)
DE3532785C2 (en)
DE2457970B2 (en) METHOD OF MANUFACTURING CARBON FIBERS
DE2822425A1 (en) PROCESS FOR MANUFACTURING CARBON OR GRAPHITE FIBERS FROM PETROLEUM PECH
DE3242629C2 (en)
DE3873520T2 (en) GRAPHITE STRUCTURES AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF.
DE68919283T2 (en) Process for the production of carbon-containing fibers with improved physical printing properties.
DE68910803T2 (en) Process for producing mesophase pitch from isotropic pitch.
DE3509861C2 (en) Pitch material for a carbon-containing molded body and process for its manufacture
US5182010A (en) Mesophase pitch for use in the making of carbon materials
DE3546205A1 (en) PECH FOR THE PRODUCTION OF CARBON FIBERS
DE68901908T2 (en) METHOD FOR PRODUCING MESOPHASEPECH.
DE3305055C2 (en)
DE69007941T2 (en) Mesophase pitch for the production of carbon materials.
EP0238787A2 (en) Process for producing a carbon fiber precursor
DE3231682A1 (en) METHOD FOR PRODUCING CARBON FIBERS WITH HIGH STRENGTH AND HIGH MODULE
DE2527943C2 (en) Process for converting pitch to crystalloid pitch
DE68908651T2 (en) Manufacture of elastic graphite materials.
DE3314154C2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee