FR2512076A1 - PROCESS FOR THE PREPARATION OF CARBON FIBERS WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE AND HIGH MODULE FROM BRAI - Google Patents

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    • 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

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Abstract

PROCEDE POUR PREPARER DES FIBRES DE CARBONE DE HAUTE QUALITE. ON FOND ET ON FILE UN BRAI EN MESOPHASE CONTENANT 1 A 40 EN POIDS D'UNE MESOPHASE, ON REND LA FIBRE OBTENUE INFUSIBLE DANS L'AIR ET ON LA CARBONISE EN ATMOSPHERE DE GAZ INERTE. LE BRAI EN MESOPHASE PEUT LUI-MEME ETRE OBTENU PAR HYDROGENATION ET TRAITEMENT THERMIQUE D'UN BRAI ORDINAIRE PRESENTANT UN INDICE D'AROMATICITE NON INFERIEUR A 0,6. LES FIBRES DE CARBONE OBTENUES ONT UNE RESISTANCE DE 200 A 350KGMM ET UN MODULE D'ELASTICITE DE 10 A 40TONNESMM.PROCESS FOR PREPARING HIGH QUALITY CARBON FIBERS. A MESOPHASE BRAI CONTAINING 1 TO 40 BY WEIGHT OF A MESOPHASE IS MELTED AND THREADED, THE FIBER OBTAINED IS RENDERED INFUSIBLE IN THE AIR AND CARBONIZED IN AN INERT GAS ATMOSPHERE. MESOPHASE BRAI CAN ITSELF BE OBTAINED BY HYDROGENATION AND THERMAL TREATMENT OF ORDINARY BRAI WITH AN AROMATICITY INDEX OF NOT LESS THAN 0.6. THE CARBON FIBERS OBTAINED HAVE A RESISTANCE OF 200 TO 350KGMM AND A MODULE OF ELASTICITY OF 10 TO 40TONNESMM.

Description

1207612076

Procédé de préparation de fibres de carbone à haute  Process for the preparation of high carbon fibers

résistance mécanique et haut module.  mechanical resistance and high modulus.

La présente invention se rapporte à un procédé de  The present invention relates to a method of

préparation de fibres de carbone à haute résistance méca-  preparation of high strength carbon fiber

nique et haut module à partir de brais en mésophase déri-  high modulus from mesophase pitches

vant de brais à haut degré d'aromaticité.  of pitch with a high degree of aromaticity.

Selon leur résistance mécanique, les fibres de car- bone peuvent être classées en deux groupes: les fibres de carbone pour usages généraux ("'general performance", "GP") et fibres de carbone de haute qualité ("high performance",  According to their mechanical strength, the carbon fibers can be classified into two groups: general purpose carbon fibers ("general performance", "GP") and high-quality carbon fibers ("high performance").

"HP")."HP").

Les fibres de carbone GP ont une résistance de 70  GP carbon fibers have a resistance of 70

à 140 kg/mm 2 et un module de 3 à 5 tonnes/mm et sont pré-  at 140 kg / mm 2 and a module of 3 to 5 tonnes / mm and are

parées couramment à partir de brais optiquement isotropes.  commonly adorned with optically isotropic pitches.

Parmi les applications principales des fibres de carbone  Among the main applications of carbon fibers

GP, on citera des matières abrasives, des matières isolan-  GP, abrasive materials,

tes de la chaleur, des matières antistatiques, des matières  heat, antistatic materials,

glissantes, des filtres, des garnissages et des applica-  slippery, filters, packings and applica-

tions analogues Ces applications exploitent certaines  Similar applications These applications exploit certain

propriétés du carbone à l'état de fibres et, dans la plu-  properties of carbon in the form of fibers and, in most

part des cas, n'exigent pas des fibres de carbone à haute  of the cases, do not require high carbon fiber

résistance et haut module.resistance and high module.

D'autre part, les fibres de carbone HP ont une haute résistance, de 200 à 350 kg/mm 2 et un haut module,  On the other hand, HP carbon fibers have a high strength, from 200 to 350 kg / mm 2 and a high modulus,

de 10 à 40 tonnes/mm 2 et sont couramment préparées à par-  from 10 to 40 tonnes / mm 2 and are commonly prepared for

tir d'un polyacrylonitrile Les applications principales  shot of a polyacrylonitrile The main applications

des fibres de carbone HP résident dans des matières compo-  HP carbon fibers are contained in

sites obtenues par combinaison de ces fibres avec des rési-  sites obtained by combining these fibers with residues

nes et des substances analogues Ces matières composites obtenues à partir de fibres de carbone HP, comparativement  These composite materials obtained from HP carbon fibers, compared

à d'autres matières industrielles, ont à la fois une excel-  other industrial materials, have both an excellent

lente résistance mécanique et un excellent module par uni-  slow mechanical resistance and an excellent module by

té de poids et sont par conséquent utilisées comme matériaux spéciaux pourla fabrication de pièces de fusées et d'aéronefs et dans des articles de sport tels que les clubs de golf, les raquettes de tennis et les cannes à pêche On pense que dans le futur, la demande en fibres de carbone HP pour des matériaux de construction d'automobiles, de bâtiiments et dans des applications analogues, augmentera dans une  are used as special materials for the manufacture of rocket and aircraft parts and in sports articles such as golf clubs, tennis rackets and fishing rods. It is expected that in the future, the demand for HP carbon fibers for automotive, building and similar building materials will increase in a

mesure marquée.marked measure.

Toutefois, du fait que les fibres de carbone HP  However, because the HP carbon fiber

produites à partir d'un polyacrylonitrile sont très coû-  produced from polyacrylonitrile are very costly

teuses, les matières composites contenant ces fibres de  the composite materials containing these

carbone sont rarement utilisées dans des applications in-  are rarely used in indoor applications.

dustrielles ordinaires, malgré la haute résistance méca-  ordinary industries, despite the high mechanical resistance

nique Il serait donc tout à fait souhaitable de trouver un procédé permettant de préparer des fibres de carbone  It would therefore be highly desirable to find a process for preparing carbon fibers.

HP à bas prix.HP at a low price.

Un certain nombre de procédés de préparation des  A number of processes for the preparation of

fibres de carbone HP à bas prix à partir de brais en mé-  low-priced HP carbon fiber from metal pitches

sophase obtenus par traitement thermique de brais peu coûteux, ont déjà été proposés dans les demandes de brevet japonais publiées sous les N O 8634/74, 7533/78, 1810/79 et les demandes de brevet JA mises à la disposition du public n' 55 625/79 et il 330/79 Selon ces procédés, on peut préparer des fibres de carbone HP en traitant un brai à une température relativement basse, voisine de 400 'C, pendant une durée allant de plusieurs heures à plusieurs dizaines d'heures, formant ainsi un brai en mésophase, contenant de 40 à 100 % en poids d'une mésophase, qu'on fond et qu'on file; on obtient alors une fibre brute dans laquelle la mésophase est orientée le long de l'axe de la fibre, on rend la fibre brute infusible dans l'air, on carbonise la fibre infusible et, si on le désire, on  sophase obtained by heat treatment of inexpensive pitches, have already been proposed in Japanese patent applications published under No. 8634/74, 7533/78, 1810/79 and JA patent applications made available to the public No. 55 According to these processes, HP carbon fibers can be prepared by treating a pitch at a relatively low temperature, close to 400.degree. C., for a duration ranging from several hours to several tens of hours, thus forming a mesophase pitch containing from 40 to 100% by weight of a mesophase, which is melted and spun; a crude fiber is obtained in which the mesophase is oriented along the axis of the fiber, the raw fiber is rendered infusible in the air, the infusible fiber is carbonized and, if desired,

soumet la fibre carbonisée à graphitisation.  subject the charred fiber to graphitization.

Toutefois, la préparation d'un brai en mésophase  However, the preparation of a pitch in mesophase

dans les procédés décrits ci-dessus comporte l'accéléra-  in the processes described above includes accelerating

tion de la polycondensation du brai par traitement à la chaleur durant de plusieurs heures à plusieurs dizaines d'heures, de sorte que le degré de condensation de la mésophase formée dans les premiers stades du traitement  polycondensation of the pitch by heat treatment for several hours to several tens of hours, so that the degree of condensation of the mesophase formed in the early stages of treatment

à la chaleur est plus forte que celui de la mésophase pro-  the heat is stronger than that of the mesophase pro-

duite dans les derniers stades du traitement Par suite, le  in the later stages of treatment.

degré de condensation de la mésophase présente une distri-  degree of condensation of the mesophase has a distribution

bution très large, conduisant à une diminution de l'aptitu- de du brai en mésophase à une fusion uniforme Le cas chéant, on observe également une diminution de l'aptitude au filage du brai en mésophase En outre, lorsque le brai est traité  It is a very broad solution, which leads to a decrease in the ability of the mesophase pitch to uniform melting. In the case of interest, there is also a decrease in the mesophase pitchability. In addition, when the pitch is treated

à une température de 430 'C ou au-dessus, la polycondensa-  at a temperature of 430 ° C or above, polycondensa-

tion de la mésophase est souvent accélérée au point que le  the mesophase is often accelerated to the point where the

haut degré de condensation auquel on parvient rend impossi-  high degree of condensation that is achieved renders

ble la fusion du brai en mésophase Il peut alors être  the fusion of mesophase pitch can then be

nécessaire d'éliminer une telle mésophase insoluble et in-  necessary to eliminate such an insoluble and intractable mesophase

fusible du brai en mésophase avant filage.  fuse of pitch in mesophase before spinning.

On peut donc constater que le procédé de la techni-  It can therefore be seen that the process of the technical

que antérieure pour préparer un brai en mésophase est loin de constituer le meilleur procédé de préparation d'une  than earlier to prepare a mesophase pitch is far from being the best method of preparing a

matière première pour fibres de carbone HP.  raw material for HP carbon fiber.

La présente invention a pour but de fournir un pro-  The object of the present invention is to provide a

cédé perfectionné pour préparer des fibres de carbone HP.  perfected to prepare HP carbon fibers.

L'invention a également pour but de fournir un pro-  The invention also aims to provide a

cédé amélioré de préparation de fibres de carbone HP dans le"uel on utilise un brai en mésophase dont la teneur en mésophase est inférieure à celle des brais en mésophase utilisés antérieurement et qui, par suite, possède une  improved process for the preparation of HP carbon fibers in which mesophase pitch is used, the mesophase content of which is lower than that of mesophase pitches previously used and which, therefore, has a higher

excellente aptitude au filage.excellent spinning ability.

L'invention a encore pour but de fournir un procédé amélioré pour préparer des fibres de carbone HP, comprenant la préparation préalable d'un brai en mésophase tel que  Still another object of the invention is to provide an improved process for preparing HP carbon fibers, comprising pre-preparing a mesophase pitch such as

décrit ci-dessus.described above.

Le procédé selon l'invention pour préparer des fi-  The method according to the invention for preparing

bres de carbone HP est caractérisé en ce qu'il comprend les stades opératoires suivants: on fond et on file un  HP carbon particles is characterized in that it comprises the following operating stages: one melts and spins a

brai en mésophase contenant de l à 40 % en poids d'une mé-  mesophase pitch containing from 1 to 40% by weight of a

sophase, on rend la fibre filée infusible dans l'air, on carbonise la fibre infusible dans une atmosphère de gaz inerte et le cas échéant on soumet la fibre carbonisée à graphitisation. L'expression "teneur en mésophase" telle qu'elle est utilisée dans la présente demande, désigne la teneur en matière insoluble dans la quinoléine, telle que déter- minée par le mode opératoire de la norme industrielle  The spun fiber is rendered infusible in the air, the infusible fiber is carbonized in an inert gas atmosphere and, if appropriate, the charred fiber is subjected to graphitization. The term "mesophase content" as used in this application refers to the content of quinoline-insoluble material as determined by the procedure of the industry standard.

japonaise JIS K-2425.Japanese JIS K-2425.

Le brai en mésophase utilisé comme matière premiè-  Mesophase pitch used as raw material

re dans le procédé selon l'invention a une faible teneur en mésophase, de 1 à 40 % en poids, contrairement aux brais en mésophase utilisés dans les procédés de la technique antérieure.  In the process according to the invention, the mesophase content is 1 to 40% by weight, unlike the mesophase pitches used in the prior art processes.

Ainsi, le brai en mésophase selon l'invention possè-  Thus, the pitch in mesophase according to the invention possesses

de une aptitude nettement améliorée au filage.  a significantly improved ability to spin.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-  Other features and advantages of the invention

tion ressortiront plus clairement de la description détail-  more clearly from the detailed description of the

lée donnée ci-après en référence aux figures du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une microphotographie optique d'un brai en mésophase utilisé dans le procédé selon l'invention; la figure 2 est une microphotographie optique d'une fibre brute obtenue par filage à l'état fondu du brai en mésophase de la figure 1; et la figure 3 est une microphotographie-électronique  FIG. 1 is an optical microphotograph of a mesophase pitch used in the process according to the invention; Fig. 2 is an optical microphotograph of a crude fiber obtained by melt spinning the mesophase pitch of Fig. 1; and Figure 3 is an electron photomicrograph

d'une fibre de carbone préparée par le procédé selon l'in-  carbon fiber prepared by the process according to the invention.

vention. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise comme matière première pour la préparation des brais en mésophase des brais à haut degré d'aromaticité, par exemple du carbone dépolymérisé, du goudron de houille, du brai de goudron de houille, du brai de pétrole obtenu en culot de distillation de l'éthylène, etc L'expression "charbon dépolymérisé" telle qu'elle est utilisée dans la présente demande, s'applique à toute matière analogue à un brai qu'on obtient en dépolymérisant du charbon dans un solvant hydrocarboné sous pression d'hydrogène puis en  vention. In a preferred embodiment of the invention, high-aromatic pitches, for example depolymerized carbon, coal tar, coal tar pitch, are used as the raw material for the preparation of mesophase pitches. ethylene distillate oil pitch, etc. The term "depolymerized coal" as used in the present application applies to any pitch-like material obtained by depolymerizing the coal in a hydrocarbon solvent under hydrogen pressure and then in

éliminant un résidu éventuellement non dissous et le sol-  eliminating a possibly undissolved residue and the sol-

vant du produit obtenu, On soumet un tel brai fortement aro-  of the product obtained, such a highly aromatic pitch is

matique à hydrogénation dans un solvant hydrocarboné en  hydrogenation in a hydrocarbon solvent

présence d'un catalyseur d'hydrogénation.  presence of a hydrogenation catalyst.

Dans la pratique de l'invention, il ne suffit pas de soumettre simplement le brai à hydrogénation: il eÉt important d'améliorer le degré d'hydrogénation du brai et, en même temps, de supprimer sa polycondensation En outre,  In the practice of the invention, it is not sufficient merely to subject the hydrogenation pitch: it is important to improve the degree of hydrogenation of the pitch and, at the same time, to suppress its polycondensation.

la teneur en hydrogène du brai hydrogéné doit être supé-  the hydrogen content of the hydrogenated pitch must be higher than

rieure d'au moins 10 %, et de préférence de 15 à 50 %, à cel-  less than 10%, and preferably 15 to 50%,

le du brai de départ, et au moins 90 % du brai hydrogéné doit avoir un poids moléculaire dans l'intervalle de 400 à 600 Le "poids moléculaire" dont il est question ici est déterminé par chromatographie avec gel de pernéation Le choix  the starting pitch, and at least 90% of the hydrogenated pitch should have a molecular weight in the range of 400 to 600. The "molecular weight" referred to herein is determined by chromatography with a pernhalation gel.

de conditions d'hydrogénation appropriées et d'un cataly-  appropriate hydrogenation conditions and catalytic

seur approprié est essentiel si l'on veut répondre à ces exigences A partir du mélange de réaction obtenu dans l'hydrogénation décrite cidessus, on élimine les matières  It is essential to meet these requirements. From the reaction mixture obtained in the hydrogenation described above, the materials are removed.

solides insolubles provenant du brai de départ, et le sol-  insoluble solids from the starting pitch, and the sol-

vant hydrocarboné On peut aussi éliminer les matières  It is also possible to eliminate

solides insolubles provenant du brai de départ avant l'hy-  insoluble solids from the starting pitch before the

drogénation en faisant appel à des techniques appropriées telles que la filtration à l'état fondu, la centrifugation,  by using appropriate techniques such as melt filtration, centrifugation,

l'extraction par solvant et des techniques analogues.  solvent extraction and similar techniques.

Le brai hydrogéné est ensuite traité à température élevée et  The hydrogenated pitch is then treated at elevated temperature and

sous vide pendant une courte durée Ce traitement à la cha-  under vacuum for a short time This treatment with

leur est de préférence effectué dans les conditions suivan-  is preferably carried out under the following conditions:

tes: la température n'est pas inférieure à 480 'C; la du-  the temperature is not less than 480 ° C; the du-

rée pendant laquelle on maintient le brai à cette tempéra-  during which the pitch is maintained at this temperature.

ture ne dépasse pas 30 mn, et la pression absolue ne dépas-  ture does not exceed 30 minutes, and the absolute pressure does not exceed

se pas 40 mm Hg On obtient alors un brai en mésophase  it is not 40 mm Hg We obtain then a pitch in mesophase

contenant de 1 à 40 % en poids d'une mésophase.  containing from 1 to 40% by weight of a mesophase.

Comme on l'a indiqué ci-dessus, le traitement  As noted above, the treatment

thermique du brai hydrogéné est réalisé à température éle-  of the hydrogenated pitch is carried out at a high temperature

vée et sous vide pendant une courte durée de sorte que la formation d'une mésophase se déroule de manière intensive  evacuated for a short time so that the formation of a mesophase takes place intensively

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pendant une courte durée, conduisant à une mésophase à un  for a short time, leading to a mesophase at a

degré de condensation très uniforme En outre, les compo-  degree of condensation very uniform In addition,

sants isotropes du point de vue optique du brai hydrogéné,  isotropic from the optical point of view of the hydrogenated pitch,

qui ne peuvent pratiquement pas être convertis en une méso-  which can hardly be converted into a meso-

phase et ne peuvent pas former une masse fondue homogène  phase and can not form a homogeneous melt

avec la mésophase, sont éliminés sous forme d'une huilé dis-  with the mesophase, are removed as an oil

tillée Ainsi donc, le brai en mésophase qu'on obtient dans ces conditions peut être fondu uniformément et possède en  Thus, the mesophase pitch obtained in these conditions can be uniformly melted and

outre une excellente aptitude au filage D'autre part, se-  in addition to excellent spinning ability On the other hand, se-

lon l'invention, la teneur en mésophase du brai en mésopha-  the invention, the mesophase content of the pitch in mesopha-

se peut être abaissée à un niveau nettement inférieur à  can be lowered to a level much lower than

celles, allant de 40 à 100 % en poids, des brais en mésopha-  those, ranging from 40 to 100% by weight, of mesophase pitches

se utilisés dans les procédés de la technique antérieure.  are used in the processes of the prior art.

Cela également contribue dans une grande mesure à l'amélio-  This also contributes to a great extent to the improvement

ration de l'aptitude au filage du brai en mésophase.  ration of spinnability in mesophase pitch.

Le brai en mésophase préparé par le procédé décrit ci-dessus est fondu et filé; la fibre filée est ensuite  The mesophase pitch prepared by the method described above is melted and spun; the spun fiber is then

rendue infusible dans l'air La fibre infusible est carbo-  made infusible in the air The infusible fiber is carbon

nisée en atmosphère de gaz inerte et, si on le désire, sou-  inert gas atmosphere and, if desired,

mise à graphitisation subséquente On obtient alors une fibre de carbone HP dont la résistance n'est pas inférieure à 200 kg/mm 2 et le module n'est pas inférieur à 10 tonnes/mm 2  Subsequent graphitisation This gives an HP carbon fiber whose strength is not less than 200 kg / mm 2 and the modulus is not less than 10 tonnes / mm 2

Ainsi donc, les brais en mésophase servant de ma-  Thus, the mesophase pitches serving as

tière première à la préparation de fibres de carbone HP à haute résistance et haut module peuvent être préparés à partir de brais tout à fait courants et peu coûteux, et ceci sans faire appel à un quelconque solvant, réactif ou  of high-strength, high-modulus HP carbon fibers can be prepared from quite common and inexpensive pitches without the use of any solvent, reagent or

technique particuliers.particular techniques.

Dans le procédé selon l'invention, on utilise comme matière première un brai à haut degré d'aromaticité Parmi les brais qui conviennent, on citera le charbon dépolymérisé,  In the process according to the invention, a high aromatic degree pitch is used as raw material. Among the suitable pitches are depolymerized carbon,

le goudron de houille, le brai de goudron de houille (déri-  coal tar, coal tar pitch (derived from

vant de la houille) ainsi que les brais de pétrole obtenus en culot de distillation de l'éthylène (et dérivant donc du pétrole) On peut également préparer des brais à haut degré d'aromaticité en traitant une huile lourde riche en hydrocarbures aliphatiques à une température de 350 à 450 'C  coal) as well as the ethylene (and therefore oil-derived) petroleum pitches. It is also possible to prepare high aromatic degree pitches by treating a heavy oil rich in aliphatic hydrocarbons with a high degree of aromaticity. temperature of 350 to 450 ° C

pendant une durée allant de 15 mn à 10 heures, puis en éli-  for a period of 15 minutes to 10 hours, then to

minant les matières solides insolubles éventuelles Les brais qu'on peut utiliser avantageusement comme matière première dans le procédé selon l'invention ont un indice d'aromaticité qui n'est pas inférieur à 0,6 L"'indice d'aromaticité" dont il est question est un paramètre qui a été proposé par Takeya et collatorateurs, (Journal of the Japan Fuel Society, 46, 927 ( 1967)) et qui est défini par l'équation suivante: indice d'aromaticité = C/H Ha/x Ho/y C/H dans laquelle C est le nombre total d'atomes de carbone, H est le nombre total d'atomes d'hydrogène, Ha est le nombre d'atomes d'hydrogène placés dans les positions a et Ho est  The pitches which can advantageously be used as raw material in the process according to the invention have an aromaticity index which is not less than 0.6 L "aromaticity index" of which it is question is a parameter that has been proposed by Takeya and collators, (Journal of the Japan Fuel Society, 46, 927 (1967)) and which is defined by the following equation: aromaticity index = C / H Ha / x Ho / y C / H where C is the total number of carbon atoms, H is the total number of hydrogen atoms, Ha is the number of hydrogen atoms placed in positions a and Ho is

le nombre d'atames d'hydrogène placés dans les positions X ou au-  the number of hydrogen atoms placed in positions X or

dessus Pour les buts de l'invention, on suppose que x et y  above For the purposes of the invention, it is assumed that x and y

sont égaux à 2.are equal to 2.

Les brais ayant un indice d'aromaticité inférieur  Pitches with a lower aromaticity index

à 0,6 ne conviennent pas parce qu'ils donnent un bas ren-  at 0.6 are not suitable because they give a low return

dement en brai en mésophase, lequel est moins apte à une fusion uniforme, avec un produit final, c'est-à-dire une  mesophase pitch, which is less capable of uniform melting, with a final product, ie a

fibre de carbone HP, dont la résistance mécanique est amoin-  HP carbon fiber, the mechanical strength of which is

drie, sans parler d'autres inconvénients.  drie, not to mention other disadvantages.

Il n'y a pas de limitation particulière à la nature du solvant hydrocarboné qu'on utilise dans le procédé selon  There is no particular limitation to the nature of the hydrocarbon solvent used in the process according to

l'invention et on peut utiliser un solvant quelconque capa-  the invention and any one of

ble de dissoudre pratiquement la matière première décrite  practically dissolve the described raw material

ci-dessus Les solvants à haut degré d'aromaticité convien-  above Solvents with a high degree of aromaticity

nent à cet effet et on citera par exemple des huiles lour-  for this purpose, for example, heavy oils

des provenant de la houille, par exemple une huile absor-  from coal, for example an absorbing oil

bante, l'huile de créosote, l'huile moyenne de goudron,  bante, creosote oil, medium tar oil,

l'huile anthracénique, etc, ainsi que des fractions légè-  anthracene oil, etc., as well as slight fractions of

res d'huiles lourdes dérivant du pétrole comme l'huile de culot d'éthylène, l'huile de craquage FCC, etc Les solvants riches en hydrocarbures aliphatiques ne conviennent pas parce qu'ils ne sont pas capables de dissoudre suffisamment la matière première selon l'invention et ne permettent pas  oil-based heavy oils such as ethylene pellet oil, FCC cracking oil, etc. Aliphatic hydrocarbon-rich solvents are unsuitable because they are not capable of sufficiently dissolving the raw material according to the invention and do not allow

de réaliser une hydrogénation régulière.  to perform a regular hydrogenation.

La quantité de solvant hydrocarboné qu'on utilise est de préférence choisie de manière que le rapport de poids entre le brai de départ et le solvant hydrocarboné soit de 1:2 ou au-dessus et se situe de préférence dans l'intervalle de 1:3 à 1:10 Si le rapport de poids entre le brai de départ et le solvant hydrocarboné est inférieur  The amount of hydrocarbon solvent used is preferably selected such that the weight ratio of starting pitch to hydrocarbon solvent is 1: 2 or above and is preferably in the range of 1: 3 to 1:10 If the weight ratio between the starting pitch and the hydrocarbon solvent is lower

à 1:2, il est difficile de séparer le catalyseur et les ma-  at 1: 2, it is difficult to separate the catalyst and the

tières solides insolubles du mélange de réaction obtenu  insoluble solids of the resulting reaction mixture

à l'hydrogénation.to hydrogenation.

Les conditions préférées pour l'hydrogénation dans le procédé selon l'invention sont une température dans l'intervalle de 400 à 5000 C, et de préférence de 430 à  The preferred conditions for the hydrogenation in the process according to the invention are a temperature in the range of 400 to 5000 C, and preferably 430 to

480 'C, une pression manométrique d'hydrogène dans l'inter-  480 ° C, a manometric pressure of hydrogen in the

valle de 50 à 300 bars ( 50 à 300 kg/cm 2 G) et de préférence  range from 50 to 300 bar (50 to 300 kg / cm 2 G) and preferably

de 70 à 200 bars ( 70 à 200 kg/cm 2 G), et une durée de main-  from 70 to 200 bar (70 to 200 kg / cm 2 G), and a duration of

tien à cette température qui ne dépasse pas 240 mn et se  at this temperature which does not exceed 240 mn and

situe de préférence dans l'intervalle de 5 à 60 mn L'apti-  preferably within the range of 5 to 60 minutes.

tude au filage du brai en mésophase obtenu dans ces condi-  spinning study of the mesophase pitch obtained under these conditions.

tions est améliorée lorsque l'hydrogénation est effectuée  tions is improved when the hydrogenation is carried out

à une température plus élevée pendant une durée plus courte.  at a higher temperature for a shorter time.

Si la température d'hydrogénation est inférieure à 400 'C et la pression manométrique d'hydrogène inférieure à 50 bars ( 50 kg/cm 2 G), le brai de départ n'est pas entièrement  If the hydrogenation temperature is below 400 ° C. and the hydrogen pressure is less than 50 bar / cm 2 G, the starting pitch is not entirely

hydrogéné et il devient difficile d'obtenir un brai hydro-  hydrogenated and it becomes difficult to obtain a hydro-

-géné possédant les propriétés voulues pour l'utilisation  -generate possessing the properties desired for use

dans le procédé selon l'invention D'autre part, si la tem-  In the process according to the invention, on the other hand, if the temperature

pérature d'hydrogénation est supérieure à 5000 C et la durée  hydrogenation temperature is greater than 5000 C and the duration

supérieure à 240 mn, le brai de départ subit une polycon-  greater than 240 minutes, the starting pitch undergoes a polycon-

densation excessive et il devient difficile d'obtenir un  excessive densification and it becomes difficult to get a

brai hydrogéné possédant les propriétés voulues pour l'u-  hydrogenated pitch having the properties desired for

tilisation dans le procédé selon l'invention En outre, le brai en mésophase préparé à partir de ce brai hydrogéné est difficle à fondre uniformément De plus, si la pression manométrique d'hydrogène est supérieure à 300 bars ( 300 kg/cm 2 G), le brai hydrogéné qu'on obtient n'est pas très supérieur,  In addition, the mesophase pitch prepared from this hydrogenated pitch is difficult to melt uniformly. Moreover, if the hydrogen pressure is greater than 300 bar (300 kg / cm 2 G). the hydrogenated pitch that is obtained is not much higher,

pour la préparation d'un brai en mésophase, aux brais hy-  for the preparation of a mesophase pitch, with

drogénés obtenus à une pression manométrique d'hydrogène  drogenes obtained at a hydrogen pressure

ne dépassant pas 300 bars ( 300 kg/cm 2 G).  not exceeding 300 bar (300 kg / cm 2 G).

La teneur en hydrogène du brai hydrogéné obtenu par hydrogénation dans les conditions décrites ci-dessus est supérieure d'au moins 10 %, et de préférence de 15,à 50 %, à celle du brai de départ, et au moins 90 % du brai hydrogéné  The hydrogen content of the hydrogenated pitch obtained by hydrogenation under the conditions described above is greater by at least 10%, and preferably from 15 to 50%, than that of the starting pitch, and at least 90% of the pitch. hydrogen

ont un poids moléculaire dans l'intervalle de 400 à 600.  have a molecular weight in the range of 400 to 600.

Si le brai de départ est hydrogéné dans des condi-  If the starting pitch is hydrogenated under conditions

tions autres que celles décrites ci-dessus et-si le brai hydrogéné ne satisfait pas à toutes les exigences indiquées ci-dessus, le brai en mésophase préparé à partir du brai  other than those described above and-if the hydrogenated pitch does not meet all the requirements set out above, the mesophase pitch prepared from pitch

hydrogéné est difficile à fondre uniformément Il en résul-  hydrogenated is difficult to uniformly melt.

te non seulement une diminution de l'aptitude au filage du  not only a decrease in the spinning ability of the

brai en mésophase mais également une diminution de la ré-  pitch in mesophase but also a decrease in the

sistance mécanique de la fibre de carbone obtenue en pro-  mechanical resistance of carbon fiber obtained in

duit final.final duit.

Naturellement, si le brai de départ n'est pas hydro-  Naturally, if the starting pitch is not hydro-

géné mais traité directement à la chaleur dans le procédé selon l'invention, on obtient un brai en mésophase qui ne  generated but treated directly with heat in the process according to the invention, a pitch in mesophase is obtained which does not

peut pas être fondu uniformément et qui est totalement dé-  can not be uniformly melted and is totally

pourvu de l'aptitude au filage Par conséquent, l'hydrogé-  provided with the ability to spin.

nation est essentielle pour la préparation de brais en mé-  nation is essential for the preparation of

sophase convenant à l'utilisation dans le procédé selon l'invention.  sophase suitable for use in the process according to the invention.

Le catalyseur d'hydrogénation utilisé dans le pro-  The hydrogenation catalyst used in the

cédé selon l'invention contient de préférence au moins un composant choisi dans le groupe formé par le fer, le cobalt,  assigned according to the invention preferably contains at least one component selected from the group consisting of iron, cobalt,

le molybdène, le cuivre, le tungstène, le nickel, le pla-  molybdenum, copper, tungsten, nickel,

tine et le rhodium, et les oxydes et sulfures de ces métaux.  tine and rhodium, and the oxides and sulphides of these metals.

Le catalyseur d'hydrogénation est de préférence ajouté au brai de départ en proportions de 1 à 20 % en poids et mieux encore de 2 à 10 % en poids Si la quantité de catalyseur ajoutée est inférieure à 1 % en poids, la durée d'hydrogénation est trop longue et si elle est supérieure  The hydrogenation catalyst is preferably added to the starting pitch in amounts of 1 to 20% by weight and more preferably 2 to 10% by weight. If the amount of catalyst added is less than 1% by weight, the duration of hydrogenation is too long and if it is superior

à 20 % en poids, on n'en tire aucun avantage supplémentaire.  at 20% by weight, no additional benefit is obtained.

Lorsqu'on a réalisé l'hydrogénation dans les condi-  When the hydrogenation has been carried out under the conditions

tions décrites ci-dessus, on élimine du mélange de réac- tion le catalyseur d'hydrogénation et les matières solides  As described above, the reaction mixture is removed from the hydrogenation catalyst and the solids.

insolubles provenant du brai de départ, par exemple par fil-  insoluble material from the starting pitch, for example by

tration ou centrifugation On élimine ensuite le solvant hydrocarboné, par exemple par distillation sous vide, et on obtient un brai hydrogéné convenant à l'utilisation dans le  Spraying or centrifugation The hydrocarbon solvent is then removed, for example by vacuum distillation, and a hydrogenated pitch suitable for use in the reaction is obtained.

procédé selon l'invention Il n'y a pas de limitation par-  method according to the invention There is no limitation

ticulière aux conditions observées pour l'élimination du solvant hydricarboné, et il n'est pas nécessaire d'éliminer la totalité du solvant hydrocarboné mis en oeuvre Toutefois, si l'on veut s'assurer que le brai hydrogéné possède les propriétés décrites ci-dessus, on peut choisir les conditions de distillation de manière que la température de culot se  the conditions observed for the removal of the hydro-carbonated solvent, and it is not necessary to eliminate all the hydrocarbon solvent used. However, if it is desired to ensure that the hydrogenated pitch has the properties described above. above, it is possible to choose the distillation conditions so that the base temperature is

situe dans l'intervalle de 200 à 300 'C et la pression abso-  in the range of 200 to 300 ° C and the absolute pressure

lue dans l'intervalle de 5 à 20 mm Hg.  read in the range of 5 to 20 mm Hg.

Le brai hydrogéné obtenu dans ces conditions est ensuite traité à température élevée et sous vide pendant une courte durée, pour formation d'un brai en mésophase contenant de 1 à 40 % en poids, et de préférence de 5 à 30 % en poids, d'une mésophase Les conditions de traitement à la chaleur doivent être choisies de manière que le brai en mésophase obtenu contienne de 1 à 40 % en poids d'une mésophase Cette opération est de préférence effectuée dans les conditions suivantes: la température n'est pas  The hydrogenated pitch obtained under these conditions is then treated at elevated temperature and under vacuum for a short time, to form a mesophase pitch containing from 1 to 40% by weight, and preferably from 5 to 30% by weight, by weight. A mesophase The heat treatment conditions must be chosen so that the mesophase pitch obtained contains from 1 to 40% by weight of a mesophase. This operation is preferably carried out under the following conditions: the temperature is not

inférieure à 480 'C et se situe de préférence dans l'inter-  less than 480 ° C and is preferably located in the

valle de 500 à 550 OC, la durée du maintien à cette tempé-  from 500 to 550 OC, the duration of the maintenance at that temperature

rature ne dépasse pas 30 mn et se situe de préférence dans  erage does not exceed 30 minutes and is preferably

l'intervalle de 2 à 15 mn, et la pression absolue ne dépas-  interval of 2 to 15 minutes, and the absolute pressure does not exceed

se pas 40 mm Hg et se situe de préférence dans l'intervalle de 3 à 20 mm Hg Si la teneur en mésophase est inférieure à 1 % en poids, il est impossible de parvenir à partir du brai en mésophase, par le mode opératoire classique, à une fibre de carbone HP, et si elle est supérieure à 40 % en poids, le brai en mésophase présente une diminution marquée  The mesophase content is less than 1% by weight, it is impossible to obtain from the mesophase pitch by the standard operating procedure. , to an HP carbon fiber, and if it is greater than 40% by weight, the pitch in mesophase has a marked decrease

de son aptitude au filage En outre, si la température ob-  Moreover, if the temperature ob-

servée au traitement thermique est inférieure à 48 Q'C, si la durée du maintien à cette température est supérieure à mn et si la pression absolue est supérieure à 40 mm'Hg, il est impossible d'obtenir un brai en mésophase apte à une fusion uniforme et possédant une excellente aptitude au filage. Lorsqu'on observe le brai en mésophase obtenu par le traitement thermique décrit ci-dessus au microscope à lumière polarisée réfléchie, on constate qu'au-moins 60 %  When the heat treatment is less than 48 ° C, if the duration of the maintenance at this temperature is greater than min and if the absolute pressure is greater than 40 mmHg, it is impossible to obtain a mesophase pitch suitable for uniform melting and excellent spinning ability. When the mesophase pitch obtained by the heat treatment described above is observed using a reflected polarized light microscope, it is found that at least 60%

du brai en mésophase sont optiquement anisotropes.  pitch in mesophase are optically anisotropic.

Ainsi donc, dans le stade de traitement thermique intervenant dans le procédé selon l'invention, on traite à  Thus, in the heat treatment stage involved in the process according to the invention,

température élevée pendant un court moment un brai hydrogé-  high temperature for a short time a hydrogen pitch

né qui a été préparé dans des conditions spéciales d'hydro-  which has been prepared under special conditions of hydro-

génétion et en outre la durée nécessaire pour porter le brai hydrogéné à une température déterminée est très courte, de  the duration necessary to bring the hydrogenated pitch to a given temperature is very short,

l'ordre de 1 ou 2 mn, de sorte que la formation d'une méso-  order of 1 or 2 minutes, so that the formation of a meso-

phase se déroule dé manière intensive pendant une courte  phase takes place intensively during a short

durée On empêche ainsi la formation d'une mésophase inso-  This prevents the formation of an inactive mesophase

luble et infusible et on obtient un brai en mésophase fon-  luble and infusible and we obtain a pitch in mesophase

dant de manière uniforme et possédant une excellente apti-  uniformly and with excellent

tude au filage.spinning study.

Le brai en mésophase, contenant de 1 à 40 % en poids d'une mésophase, est ensuite fondu et filé à une température de 320 à 400 'C Son aptitude au filage est aussi bonne que celle des brais optiquement isotropes qu'on utilise pour  The mesophase pitch, containing from 1 to 40% by weight of a mesophase, is then melted and spun at a temperature of 320 to 400 ° C. Its spinnability is as good as that of the optically isotropic pitches used for

la préparation des fibres de carbone GP En outre, le dia-  the preparation of carbon fiber GP In addition, the di-

mètre de la fibre brute formée est très uniforme le long de l'axe de la fibre, ce qui indique la bonne fusibilité  meter of the formed raw fiber is very uniform along the axis of the fiber, indicating good fuse

du brai en mésophase selon l'invention.  pitch in mesophase according to the invention.

Quoique moins de 40 % de brai en mésophase selon  Although less than 40% of mesophase pitch according to

l'invention soient optiquement isotropes, ce brai en méso-  the invention are optically isotropic, this pitch in meso

phase peut être fondu uniformément En outre, au cours du filage, la mésophase est orientée le long de l'axe de la fibre et cette orientation est conservée dans la fibre de  In addition, during spinning, the mesophase is oriented along the axis of the fiber and this orientation is retained in the fiber of the fiber.

carbone ou de graphite formée.carbon or graphite formed.

La fibre brute obtenue est ensuite rendue infusible dans l'air L'opération est de préférence effectuée dans les conditions suivantes: la température se situe dans l'intervalle de 260 à 3400 C, et de préférence de 270 à 320 'C, la durée du maintien à cette température ne dépasse pas mn et se situe de préférence dans l'intervalle de 5 à 30 mn, et la vitesse de réchauffage ne dépasse pas 3,30 C/mn  The resulting raw fiber is then rendered infusible in air. The operation is preferably carried out under the following conditions: the temperature is in the range of 260 to 3400 C, and preferably 270 to 320 ° C, the duration the maintenance at this temperature does not exceed mn and is preferably in the range of 5 to 30 min, and the heating rate does not exceed 3.30 C / min

et se situe de préférence dans l'intervalle de 0,5 à 2,00 C/mn.  and is preferably in the range of 0.5 to 2.00 C / min.

Si la température est inférieure à 2600 C, la fibre brute ne devient pas suffisamment infusible Par suite, les fibres fondent ou frittent ensemble au cours de la carbonisation  If the temperature is below 2600 C, the raw fiber does not become sufficiently infusible. As a result, the fibers melt or sinter together during carbonization.

subséquente, et l'on n'obtient pas une fibre de carbone HP.  subsequent, and one does not obtain an HP carbon fiber.

Si la température est supérieure à 3400 C et la durée du maintien à cette température supérieure à 60 mn, la fibre est trop oxydée et la fibre de carbone obtenue a perdu de  If the temperature is higher than 3400 C and the duration of the maintenance at this temperature greater than 60 minutes, the fiber is too oxidized and the carbon fiber obtained has lost

sa résistance mécanique.its mechanical resistance.

La fibre infusible est ensuite carbonisée dans une  The infusible fiber is then carbonized in a

atmosphère de gaz inerte.inert gas atmosphere.

Cette opération est de préférence effectuée dans  This operation is preferably performed in

les conditions suivantes: la température n'est pas infé-  the following conditions: the temperature is not below

rieure à 800 'C et se situe de préférence dans l'intervalle  below 800 ° C and is preferably in the mean

de 1 000 à 1 500 'C, la durée du maintien à cette températu-  1,000 to 1,500 ° C, the duration of maintenance at that temperature.

re n'est pas inférieure à 5 mn et se situe de préférence  re is not less than 5 minutes and is preferably

dans l'intervalle de 10 à 30 mn, et la vitesse de réchauf-  10 to 30 minutes, and the rate of reheating

fage ne dépasse pas 70 C/mn et se situe de préférence dans  fage does not exceed 70 C / min and is preferably

l'intervalle de 2 à 50 C/mn Si la température est inférieu-  the range from 2 to 50 C / min If the temperature is below

* re à 8000 C et la durée du maintien en température inférieu-* re at 8000 C and the duration of temperature maintenance lower than

re à 5 mn, la fibre n'est pas complètement carbonisée et l'on n'obtient pas une fibre de carbone à haute résistance mécanique Si la vitesse de réchauffage est supérieure à C/mn, la fibre de carbone subit une fusion partielle et  At 5 minutes, the fiber is not completely carbonized and a high strength carbon fiber is not obtained. If the heating rate is greater than C / min, the carbon fiber undergoes a partial melting.

par conséquent une diminution de'sa résistance mécanique.  therefore a decrease in its mechanical strength.

En outre, si l'on désire accroître le module de la fibre  In addition, if one wishes to increase the fiber modulus

de carbone, on la soumet à graphitisation dans une atmos-  of carbon, it is subjected to graphitization in an atmosphere

phère de gaz inerte, de préférence à une température de  inert gas, preferably at a temperature of

2.000 à 3 000 C.2,000 to 3,000 C.

Les fibres de carbone (y compris les fibres graphi-  Carbon fibers (including graphite fibers)

tisées) préparées par le procédé selon l'invention ont une résistance mécanique de 200 à 350 kg/mm 2 et un module de à 40 tonnes/mm Ainsi, elles se comparent favorablement  made by the process according to the invention have a strength of 200 to 350 kg / mm 2 and a modulus of 40 tonnes / mm Thus, they compare favorably

aux fibres de carbone HP obtenues à partir d'un polyacrylo-  HP carbon fibers obtained from a polyacryloid

nitrile, à la fois par l'aspect extérieur et par la résis-  nitrile, both in appearance and resistance

tance mécanique Mais le procédé selon l'invention permet de préparer des fibres de carbone HP à partir de brais eux-mêmes peu coûteux et d'un approvisionnement facile, avec un bas prix de revient, de la facilité, et sans faire appel à de quelconques solvants, réactifs ou techniques  However, the process according to the invention makes it possible to prepare HP carbon fibers from pitches that are themselves inexpensive and easy to supply, with a low cost price, ease of use, and without resorting to any solvents, reagents or techniques

spéciaux.special.

Les exemples qui suivent illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée; dans ces exemples, les indications de parties et de % s'entendent en poids  The examples which follow illustrate the invention without, however, limiting its scope; in these examples, the indications of parts and% are by weight

sauf mention contraire.unless otherwise stated.

Exemple 1.Example 1

On broie à une dimension de particule de 1,41 mm ou au-dessous un brai de goudron d'huile de houille (contenant 91,43 % de carbone, 4,68 % d'hydrogène, 0,97 % d'azote, 1,09 % de  A pitch of coal tar (containing 91.43% carbon, 4.68% hydrogen, 0.97% nitrogen, 1.09% of

soufre et 1,83 % d'oxygène à l'analyse selon le mode opé-  sulfur and 1.83% oxygen in the analysis according to the

ratoire de la norme japonaise JIS M-8813, avec un indice d'aromaticité de 0,95) et on ajoute 5 % d'un oxyde de fer  Japanese standard JIS M-8813, with an aromaticity index of 0.95) and 5% of an iron oxide

catalyseur et 3 fois le poids du brai d'une huile absor-  catalyst and 3 times the weight of the pitch of an oil absorbing

bante Après mélange intime, on hydrogène à une températu-  After thorough mixing, hydrogen is heated to a temperature

re de 4600 C sous une pression manométrique d'hydrogène de 100 bars ( 100 kg/cm 2 G) en maintenant à cette température  re 4600 C under a hydrogen pressure of 100 bars (100 kg / cm 2 G) while maintaining this temperature

pendant 10 mn On élimine du mélange de réaction par fil-  for 10 minutes. The reaction mixture is removed by filtration.

tration le italyseur et les matières solides insolubles provenant du brai de goudron de houille On distille le  silicate and insoluble solids from coal tar pitch.

filtrat à une température de culot de 2500 C sous une pres-  filtrate at a bottom temperature of 2500 C under a pressure of

sion absolue de 10 mm Hg; on obtient ainsi un brai hydro-  absolute pressure of 10 mmHg; this gives a hydro-pitch

géné constitué de 91,97 % de carbone, 5,61 % d'hydrogène,  gene consisting of 91.97% carbon, 5.61% hydrogen,

0,88 % d'azote, 0,41 % de soufre et 1,13 % d'oxygène, c'est-  0.88% nitrogen, 0.41% sulfur and 1.13% oxygen, that is,

à-dire que sa teneur en hydrogène a augmenté d'environ 20 % par rapport à celle du brai de goudron de houille utilisé  that is, its hydrogen content has increased by about 20% compared to that of coal tar pitch used

comme matière première On détermine également la réparti-  as a raw material The distribution is also determined

tion des poids moléculaires par chromatographie à perméa- tion de gel en utilisant comme solvant la quinoléine; on trouve que 92 % du braihydrogéné ont un poids moléculaire  molecular weight determination by gel permeation chromatography using quinoline as a solvent; it is found that 92% of the braihydrogen has a molecular weight

dans l'intervalle de 400 à 600.in the range of 400 to 600.

On immerge ce brai hydrogéné dans un bain de sel à 5100 C, on expose immédiatement à une pression absolue de  This hydrogenated pitch is immersed in a salt bath at 5100 ° C., immediately exposed to an absolute pressure of

mm Hg et on maintien à cette température pendant 10 mn.  mm Hg and maintained at this temperature for 10 minutes.

On obtient un brai en mésophase, à une teneur en mésophase  Mesophase pitch is obtained with a mesophase content

de 27,6 %.27.6%.

On fond et on file ce brai en mésophase à une tem-  This mesophase pitch is melted and spun at a time

pérature de 3500 C et à une vitesse d'étirage de 800 m/mn -  3500 C and at a drawing speed of 800 m / min -

On rend la fibre brute obtenue infusible par chauffage dans l'air à une température de 280 'C avec une vitesse de  The resulting raw fiber is rendered infusible by heating in air at a temperature of 280.degree.

réchauffage de 1,00 C/mn et en maintenant à la même tempéra-  heating up to 1.00 C / min and maintaining the same temperature

ture pendant 5 mn On obtient une fibre infusible qu'on chauffe en atmosphère d'argon à une température de 1 0000 C à une vitesse de réchauffage de 50 C/mn en maintenant à 1.0000 C pendant 15 mn On obtient une fibre de carbone avec  For 5 minutes, an infusible fiber is obtained, which is heated in an argon atmosphere at a temperature of 1500 ° C. at a heating rate of 50 ° C./min while maintaining at 1.0000 ° C. for 15 minutes. A carbon fiber is obtained with

un rendement de 88,9 % par rapport à la fibre brute.  a yield of 88.9% compared to the raw fiber.

La fibre de carbone obtenue a un diamètre moyen de 12,8 microns, une résistance mécanique de 235 kg/mm 2 et un module de 16,2 tonnes/mm  The carbon fiber obtained has an average diameter of 12.8 microns, a mechanical strength of 235 kg / mm 2 and a modulus of 16.2 tons / mm

Exemple 2.Example 2

On traite le brai hydrogéné obtenu dans l'exemple 1 à la chaleur comme décrit dans cet exemple, mais à une température de 520 'C et avec une durée de maintien à cette température de 5 mn On obtient un brai en mésophase à une  The hydrogenated pitch obtained in Example 1 is treated with heat as described in this example, but at a temperature of 520 ° C. and with a holding time at this temperature of 5 minutes. A mesophase pitch at a temperature of

teneur en mésophase de 17,5 %.mesophase content of 17.5%.

On file ce brai en mésophase à une température de 350 'C et à une vitesse d'étirage de 1 000 m/mn; on obtient une fibre brute qu'on traite ensuite comme décrit dans  This mesophase pitch is spun at a temperature of 350 ° C. and a drawing speed of 1000 m / min; a raw fiber is obtained which is then treated as described in

l'exemple 1 On obtient une fibre de carbone avec un rende-  Example 1 gives a carbon fiber with a yield of

ment de 88,2 % par rapport à la fibre brute.  88.2% of the raw fiber.

La fibre de carbone obtenue a un diamètre moyen de 11,2 microns, une résistance de 288 kg/mm et un module de 14,9 tonnes/mm  The carbon fiber obtained has an average diameter of 11.2 microns, a resistance of 288 kg / mm and a modulus of 14.9 tons / mm

Exemple 3.Example 3

On traite le brai hydrogéné obtenu dans l'exemple 1  The hydrogenated pitch obtained in Example 1 is treated

à la chaleur comme décrit dans cet exemple mais à une tem-  to heat as described in this example but at a

pérature de 530 'C et avec une durée de maintien à cette température de 4 mn On obtient un brai en mésophase à une  at a temperature of 530 ° C. and with a holding time at this temperature of 4 minutes. A mesophase pitch at a temperature of

teneur en mésophase de 11,6 %.mesophase content of 11.6%.

On file ce brai en mésophase à une-température de 3450 C et à une vitesse d'étirage de 1 400 m/mn; on obtient une fibre brute qu'on traite comme décrit dans l'exemple 1 pour transformation en fibre de carbone Le rendement en la fibre de carbone s'élève à 89,4 % par rapport à la fibre brute. La fibre de carbone obtenue a un diamètre moyen de ,1 microns, une résistance de 310 kg/mm 2 et un module de 17,9 tonnes/mm Une comparaison des résultats obtenus dans les exemples 1 à 3 montre que l'aptitude au filage d'un brai en mésophase (qui peut être évaluée par le diamètre de la fibre et la vitesse d'étirage) et la résistance mécanique de la fibre de carbone finale sont améliorées lorsqu'on augmente la température du traitement thermique (à laquelle le brai hydrogéné est traité sous vide) et qu'on diminue  This mesophase pitch is spun at a temperature of 3450 ° C and a drawing speed of 1400 m / min; a crude fiber is obtained which is treated as described in Example 1 for conversion into carbon fiber. The yield of carbon fiber is 89.4% relative to the raw fiber. The carbon fiber obtained has an average diameter of 1 micron, a resistance of 310 kg / mm 2 and a modulus of 17.9 tonnes / mm. A comparison of the results obtained in Examples 1 to 3 shows that the spinning ability mesophase pitch (which can be evaluated by fiber diameter and draw speed) and mechanical strength of the final carbon fiber are improved when increasing the temperature of the heat treatment (at which the pitch is hydrogenated is vacuum treated) and is

la durée du traitement à la chaleur.  the duration of the heat treatment.

Exemple 4.Example 4

On soumet la fibre de carbone obtenue dans l'exem-  The carbon fiber obtained is subjected to the example

ple 3 à une graphitisation par chauffage en atmosphère  ple 3 to graphitization by heating in atmosphere

d'argon à une température de 2 800 'C à une vitesse de ré-  of argon at a temperature of 2800 ° C at a rate of

chauffage de 10 OC/mn et maintien à la température de 2 800 'C pendant 5 mm La fibre de graphite est obtenue avec un  heating 10 OC / min and maintaining at a temperature of 2800 ° C for 5 mm The graphite fiber is obtained with a

rendement de 85,9 % par rapport à la fibre brute.  85.9% yield compared to the raw fiber.

La fibre de graphite obtenue a un diamètre moyen de 9,8 microns, une résistance de 210 kg/mm et un module de 38,5 tonnes/mm,  The graphite fiber obtained has an average diameter of 9.8 microns, a resistance of 210 kg / mm and a modulus of 38.5 tons / mm.

Exemple 5.Example 5

On broie un lignite d'Australie à une dimension de particule de 250 microns ou au-dessous et on ajoute 3 fois son poids d'une huile moyenne de goudron On chauffe lé mé-  An Australian lignite is ground to a particle size of 250 microns or below and its weight is added to an average tar oil 3 times.

lange à une température de 4100 C sous une pression manomé-  at a temperature of 4100 C under pressure

trique d'hydrogène de 50 bars ( 50 kg/cm 2 G) et on maintien  hydrogen bar of 50 bar (50 kg / cm 2 G) and maintained

à cette température pendant 60 mn afin de dissoudre complè-  at this temperature for 60 minutes in order to completely dissolve

tement les composants du lignite qui sont solubles dans le solvant On élimine les résidus éventuels non dissous du mélange de réaction par filtration et on distille le filtrat sous vide;  The lignite components which are soluble in the solvent are removed. Any undissolved residues of the reaction mixture are removed by filtration and the filtrate is distilled under vacuum;

on obtient ainsi du charbon dépolymérisé Cette distilla-  This produces distilled coal which is distilled.

tion est effectuée à une température de culot de 350 'C  It is carried out at a bottom temperature of 350 ° C.

sous une pression absolue de 10 mm Hg Le charbon dépolymé-  under an absolute pressure of 10 mm Hg

risé se compose de 89,27 % de carbone, 5,14 % d'hydrogène, 0,96 % d'azote, 0,34 % de soufre et 4,29 % d'oxygène et il a  risé consists of 89,27% carbon, 5,14% hydrogen, 0,96% nitrogen, 0,34% sulfur and 4,29% oxygen and it has

un indice d'aromaticité de 0,80.an aromaticity index of 0.80.

A ce charbon dépolymérisé, on ajoute 2 % d'un cata-  To this depolymerized charcoal is added 2% of a

lyseur au cobalt-molybdène et 3 fois son Doids d'une frac-  cobalt-molybdenum lysate and 3 times its Doids by a fraction

tion légère d'huile de culot d'éthylène Après mélange intime, on hydrogène en chauffant à une température de 450 'C sous une pression manométrique d'hydrogène de 150 bars  After thorough mixing, the mixture is hydrogenated by heating at a temperature of 450 ° C. under a hydrogen pressure of 150 bar.

( 150 kg/cm 2 G) et en maintenant à cette température pen-  (150 kg / cm 2 G) and keeping at this temperature

dant 10 mn Après séparation des phases solide et liquide par filtration, on distille le filtrat à une température de culot de 2000 C sous une pression absolue de 10 mm Hg; on obtient ainsi un brai hydrogéné composé de 89,41 % de carbone, 6,24 % d'hydrogène, 1,04 % d'azote, 0,28 % de soufre et 3,03 % d'oxygène, c'est-à-dire que sa teneur en hydrogène a augmenté d'environ 21 % par rapport à celle du charbon dépolymérisé utilisé comme matière première D'autre part, la répartition de poids moléculaires a été mesurée par  After 10 minutes After separating the solid and liquid phases by filtration, the filtrate is distilled at a bottom temperature of 2000 ° C. under an absolute pressure of 10 mmHg; a hydrogenated pitch of 89.41% of carbon, 6.24% of hydrogen, 1.04% of nitrogen, 0.28% of sulfur and 3.03% of oxygen is obtained. that is, its hydrogen content increased by about 21% compared to that of the depolymerized carbon used as a raw material. On the other hand, the molecular weight distribution was measured by

chromatographie à perméation de gel avec la quinoléine ser-  gel permeation chromatography with quinoline serine

vant de solvant; on trouve que 91 % du brai hydrogéné ont  solvent; it is found that 91% of the hydrogenated pitch has

un poids moléculaire dans l'intervalle de 400 à 600.  a molecular weight in the range of 400 to 600.

On immerge ce brai hydrogéné dans un bain de sel à 520 C, on expose immédiatement à une pression absolue de  This hydrogenated pitch is immersed in a salt bath at 520 ° C., immediately exposed to an absolute pressure of

mm Hg et on maintient à cette température pendant 5 mn.  mm Hg and maintained at this temperature for 5 minutes.

On obtient un brai en mésophase à une teneur en mésophase  Mesophase pitch is obtained at a mesophase content

de 7,1 %.7.1%.

On file ce brai en mésophase à une température de 335 C et à une vitesse d'étirage de 1 400 m/mn On rend la  This mesophase pitch is spun at a temperature of 335 ° C and a drawing speed of 1400 m / min.

fibre brute infusible en la chauffant dans l'air à une tem-  infusible raw fiber by heating it in the air at a time

pérature de 300 C et à une vitesse de réchauffage de 2,0 C/mn et en la maintenant à 300 C pendant 5 mn On obtient une fibre infusible qu'on réchauffe en atmosphère d'argon à une température de 1 000 C à une vitesse de réchauffage de 5 C/mn et qu'on maintient à 1 000 C pendant 15 mn; on obtient une fibre de carbone avec un rendement de 87,4 % par rapport à  300 C at a heating rate of 2.0 C / min and maintaining it at 300 ° C. for 5 minutes. An infusible fiber is obtained which is heated in an argon atmosphere at a temperature of 1000 ° C. to a temperature of 1000 ° C. heating rate of 5 C / min and maintained at 1000 C for 15 minutes; a carbon fiber is obtained with a yield of 87.4% compared to

la fibre brute.the raw fiber.

La fibre de carbone obtenue a un diamètre de 10,0 microns, une résistance de 262 kg/mm 2 et un module de 21,2 tonnes/mm 2  The carbon fiber obtained has a diameter of 10.0 microns, a resistance of 262 kg / mm 2 and a modulus of 21.2 tons / mm 2

Exemple 6.Example 6

A un brai de pétrole de culot d'éthylène débarras-  At a petroleum pitch of ethylene pellet riddled with

sé des fractions légères (et qui est composé de 94,26 % de carbone, 5,53 % d'hydrogène, 0,00 % d'azote, 0,07 % de soufre et 0,14 % d'oxygène, avec un indice d'aromaticité de 0,76) on ajoute 7 % d'un oxyde de fer catalyseur et 3 fois son  light fractions (consisting of 94.26% carbon, 5.53% hydrogen, 0.00% nitrogen, 0.07% sulfur and 0.14% oxygen, aromaticity index of 0.76) 7% of a catalyst iron oxide and 3 times its

poids d'huile anthracénique Après mélange intime, on hydro-  weight of anthracene oil After thorough mixing,

gène en chauffant à une température de 470 C sous une pres-  gene by heating at a temperature of 470 C under a pressure of

sion manométrique d'hydrogène de 100 bars ( 100 kg/cm 2 G) et en maintenant à 470 C pendant 5 mn On sépare le catalyseur et  hydrogen pressure of 100 bar (100 kg / cm 2 G) and maintaining at 470 C for 5 min. The catalyst is separated and

les matières solides insolubles du mélange de réaction par fil-  the insoluble solids of the reaction mixture by

tration et on distille le filtrat à une température de culot de 300 C sous une pression absolue de 10 mm Hg; on obtient ainsi un brai hydrogéné qui se compose de 92,89 % de carbone, 6,91 % d'hydrogène, 0,05 % d'azote, 0,03 % de soufre et 0,12 % d'oxygène, c'est-à-dire que sa teneur en hydrogène a augmenté d'environ 25 % par rapport à celle du brai de pétrole de culot d'éthylène débarrassé-des fractions légères On a également mesuré la répartition des poids moléculaires par chromatographie à perméation de gel en utilisant la quinoléine comme solvant; on trouve que 95 % du brai hydrogéné ont un poids moléculaire dans  and the filtrate is distilled at a bottom temperature of 300 ° C. under an absolute pressure of 10 mmHg; a hydrogenated pitch is thus obtained which consists of 92.89% of carbon, 6.91% of hydrogen, 0.05% of nitrogen, 0.03% of sulfur and 0.12% of oxygen. that is, its hydrogen content increased by about 25% over that of ethylene pellet oil stripped of light fractions. The molecular weight distribution was also measured by gel permeation chromatography. using quinoline as the solvent; it is found that 95% of the hydrogenated pitch has a molecular weight in

l'intervalle de 400 à 600.the range of 400 to 600.

On immerge ce brai hydrogéné dans un bain desel à 530 'C, on expose immédiatement à une pression absolue de  This hydrogenated pitch is immersed in a bath at 530 ° C, immediately exposed to an absolute pressure of

mm Hg et on maintient à cette température pendant 4 mn.  mm Hg and maintained at this temperature for 4 minutes.

On obtient un brai en mésophase, à une teneur en mésophase  Mesophase pitch is obtained with a mesophase content

de 13,1 %.13.1%.

On file ce brai à une température de 3400 C et à une vitesse d'étirage de 1 200 m/mn; on obtient une fibre brute qu'on traite ensuite comme décrit dans l'exemple 1 pour conversion en fibre de carbone& Le rendement en fibre  This pitch is spun at a temperature of 3400 C and at a drawing speed of 1200 m / min; a raw fiber is obtained which is then treated as described in Example 1 for conversion into carbon fiber & the fiber yield

de carbone est de 89,6 %.of carbon is 89.6%.

La fibre de carbone obtenue a un diamètre moyen de 11,4 microns, une résistance mécanique de 239 kg/mm 2 et un module de 14,2 tonnes/mm Dans la plupart des cas, le brai en mésophase selon l'invention ne consiste pas entièrement en une structure optiquement anisotrope et contient également une structure  The carbon fiber obtained has an average diameter of 11.4 microns, a mechanical strength of 239 kg / mm 2 and a modulus of 14.2 tons / mm. In most cases, the mesophase pitch according to the invention does not consist of not entirely in an optically anisotropic structure and also contains a structure

optiquement isotrope.optically isotropic.

En fait, tous les brais en mésophase décrits dans les exemples 1 à 6 consistent en partie en une structure  In fact, all the mesophase pitches described in Examples 1 to 6 consist in part of a structure

optiquement isotrope mais ils peuvent être fondus uniformé-  optically isotropic but they can be uniformly fused

ment Au cours du filage, la mésophase est orientée le long de l'axe de la fibre et cette orientation est transférée dans la fibre de carbone finale A titre d'exemple, le brai en mésophase représenté dans la figure 1 contient environ à 15 % de structure optiquement isotrope Or la fibre brute obtenue par filage de brai en mésophase présente une orientation le long de l'axe de la fibre, comme illustré dans la figure 2 En outre, on peut constater à l'examen de la figure 3 que l'orientation de la fibre brute a été  During spinning, the mesophase is oriented along the axis of the fiber and this orientation is transferred into the final carbon fiber. For example, the mesophase pitch shown in Figure 1 contains about 15% With an optically isotropic structure, the raw fiber obtained by spinning mesophase pitch has an orientation along the axis of the fiber, as illustrated in FIG. 2. In addition, it can be seen from the examination of FIG. orientation of the raw fiber has been

transférée dans la fibre de carbone.  transferred into the carbon fiber.

Claims (15)

REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation de fibres de carbone de haute qualité, caractérisé en ce qu'il comprend les stades  Process for the preparation of high quality carbon fibers, characterized in that it comprises the stages suivants: on fond et on file un brai en mésophase conte-  following: one melts and spins a pitch in mesophase nant de 1 à 40 % en poids d'une mésophase, on rend la fibre  From 1 to 40% by weight of a mesophase, the fiber is made filée infusible dans l'air, et on carbonise la fibre in-  spun infusible in the air, and the carbon fiber fusible dans une atmosphère de gaz inerte, formant ainsi  fuse in an inert gas atmosphere, thereby forming la fibre de carbone recherchée.the sought carbon fiber. 2 Procédé de préparation de fibres de carbone HP, caractérisé par les étapes suivantes:  Process for the preparation of HP carbon fibers, characterized by the following steps: a) on hydrogène un brai présentant un indice d'aromati-  a) a pitch having an aromatic index is hydrogenated; cité non inférieur à 0,6 dans un solvant hydrocarboné en présence d'un catalyseur d'hydrogénation, et on élimine  not less than 0.6 in a hydrocarbon solvent in the presence of a hydrogenation catalyst, and eliminates le catalyseur, les matières solides insolubles et le sol-  the catalyst, the insoluble solids and the sol- vant hydrocarboné du mélange de réaction pour obtenir un brai hydrogéné; b) on traite le brai hydrogéné à la chaleur sous vide pour obtenir un brai en mésophase contenant de 1 à 40 % en poids d'une mésophase; c) on fait fondre et on file le brai en mésophase; d) on rend la fibre filée infusible dans l'air; et e) on carbonise la fibre infusible résultante dans une  hydrocarbon derivative of the reaction mixture to obtain a hydrogenated pitch; b) treating the hydrogenated pitch with heat under vacuum to obtain a mesophase pitch containing from 1 to 40% by weight of a mesophase; (c) the pitch is melted and spun into mesophase; d) making the spun fiber infusible in the air; and e) the resultant infusible fiber is carbonized in a atmosphère de gaz inerte.inert gas atmosphere. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac-  The process according to claim 1 or 2, wherein térisé en ce que, après la carbonisation de la fibre infu-  in that, after the carbonisation of the sible dans une atmosphère de gaz inerte, on soumet la fibre  in an inert gas atmosphere, the fiber is subjected to carbonisée à graphitisation.charred graphitization. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, carac-  4. Process according to claim 2 or 3, characterized térisé en ce que le catalyseur d'hydrogénation contient au moins un composant choisi dans le groupe formé par le fer, le cobalt, le molybdène, le cuivre, le tungstène, le nickel,  characterized in that the hydrogenation catalyst contains at least one component selected from the group consisting of iron, cobalt, molybdenum, copper, tungsten, nickel, le platine et le rhodium, leurs oxydes et sulfures.  platinum and rhodium, their oxides and sulphides. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le catalyseur est utilisé en quantité de 1 à 20 %  Process according to Claim 4, characterized in that the catalyst is used in an amount of 1 to 20% en poids par rapport au brai de départ.  by weight relative to the starting pitch. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions 2 à 5, caractérisé en ce que l'hydrogénation du brai de départ est effectuée à une température dans l'intervalle  2 to 5, characterized in that the hydrogenation of the starting pitch is carried out at a temperature in the range de 400 à 500 'C avec une durée de maintien à cette tempéra-  400 to 500 ° C with a hold time at this temperature. ture qui ne dépasse pas 240 mn et sous une pression manomé-  no more than 240 minutes and under pressure trique d'hydrogène dans l'intervalle de 50 à 300 bars.  hydrogen scale in the range of 50 to 300 bar. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions 2 à 6, caractérisé en ce que la teneur en hydrogène du brai hydrogéné est supérieure d'au moins 10 % à celle du brai de départ et en ce que 90 % au moins du brai hydrogéné  2 to 6, characterized in that the hydrogen content of the hydrogenated pitch is at least 10% greater than that of the starting pitch and at least 90% of the hydrogenated pitch ont un poids moléculaire dans l'intervalle de 400 à 600.  have a molecular weight in the range of 400 to 600. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions 2 à 7, caractérisé en ce que le brai hydrogéné est traité à la chaleur à une température non inférieure à 4800 C, sous une pression absolue ne dépassant pas 40 mm Hg,  2 to 7, characterized in that the hydrogenated pitch is heat-treated at a temperature of not less than 4800 C, at an absolute pressure not exceeding 40 mm Hg, avec une durée de maintien à cette température qui ne dépas-  with a holding time at this temperature which does not exceed se pas 30 mn.it's not 30 minutes. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions 2 à 8, caractérisé en ce que le brai ayant un indice  2 to 8, characterized in that the pitch having a subscript d'aromaticité non inférieur à 0,6 est choisi dans le grou-  of not less than 0.6 is chosen in the group pe formé par le charbon dépolymérisé, le goudron de houille, le brai de goudron de houille et le brai de pétrole de  formed by depolymerized coal, coal tar, coal tar pitch and coal oil pitch culot d'éthylène.ethylene pellet. Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions 2 à 9, caractérisé en ce quepouk l'hydrogénation du brai de départ, on utilise le brai à un indice d'aromaticité non  2 to 9, characterized in that the hydrogenation of the starting pitch is used, the pitch is used at a non-aromaticity index. inférieur à 0,6 et le solvant hydrocarboné dans des propor-  less than 0.6 and the hydrocarbon solvent in proportions tions relatives en poids de 1:2 ou plus.  relative weight ratios of 1: 2 or more. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions 2 à 10, caractérisé en ce que, après hydrogénation, le solvant hydrocarboné est éliminé par distillation dans des conditions telles que la température de culot de la zone de distillation se situe dans l'intervalle de 200 à 300 'C et la pression absolue dans l'intervalle de 5 à  2 to 10, characterized in that, after hydrogenation, the hydrocarbon solvent is removed by distillation under conditions such that the bottom temperature of the distillation zone is in the range of 200 to 300 ° C and the absolute pressure in the range of 5 to 20 mm Hg.20 mm Hg. 12 Procédé selon la revendication 8, caractérisé  Process according to Claim 8, characterized en ce que le traitement à la chaleur est réalisé à une tem-  in that the heat treatment is carried out at a time pérature de 500 à 550 'C sous une pression absolue de 3 à  from 500 to 550 ° C under an absolute pressure of 3 to mm Hg en une durée de 2 à 15 mn.mm Hg in a period of 2 to 15 minutes. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions précédentes, caractérisé en ce que le brai en méso-  tions, characterized in that the pitch in meso- phase est fondu et filé à une température de 320 à 4000 C.  phase is melted and spun at a temperature of 320 to 4000 C. 14 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions précédentes, caractérisé en ce que la fibre filée est  tions, characterized in that the spun fiber is rendue infusible à une vitesse de réchauffage ne dépas-  rendered infusible at a reheating speed sant pas 3,30 C/mn, une température dans l'intervalle de 260 à 340 'C et une durée de maintien à cette température  3.30 C / min, a temperature in the range of 260 to 340 ° C and a holding time at this temperature qui ne dépasse pas 60 mn.which does not exceed 60 minutes. Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions précédentes, caractérisé en ce que la fibre infusi-  tions, characterized in that the infusible fiber ble est carbonisée en atmosphère de gaz inerte à une vitesse de réchauffage ne dépassant pas 70 C/mn, à une température non inférieure à 8000 C et une durée de maintien à cette  is carbonized in an inert gas atmosphere at a reheating rate of not more than 70 C / min, at a temperature of not less than 8000 C and a holding time of température non inférieure à 5 mn.  temperature not less than 5 minutes. 16 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la graphitisation est réalisée à une température  Process according to Claim 3, characterized in that the graphitization is carried out at a temperature de 2 000 à 3 000 C.from 2,000 to 3,000 C. 17 Procédé selon l'une quelconque des revendica-  Process according to any one of the claims tions précédentes, caractérisé en ce que les fibres de carbone de haute qualité ont une résistance mécanique de à 350 kg/mm et un module d'élasticité de 10 à 40 tonnes/mm  characterized in that the high quality carbon fibers have a mechanical strength of 350 kg / mm and a modulus of elasticity of 10 to 40 tonnes / mm
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