NL8301239A

NL8301239A - Werkwijze en inrichting voor het doorlopend produceren van koolstofvezels.

Info

Publication number: NL8301239A
Application number: NL8301239A
Authority: NL
Original assignee: Toho Beslon Co
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1984-11-01
Also published as: FR2543982B1; FR2543982A1

Description

' *

Werkwijze en inrichting voor het doorlopend produceren van koolstof-vezels.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het doorlopend produceren van koolstofvezels, en een vertikale verkolingsinrichting voor het uitvoeren van de werkwijze.Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze, waar-5 bij gebruik wordt gemaakt van een vertikale verkolingsoven, door welke oven een vezeluitgangsmateriaal naar beneden wordt geleid en die in de verkolingskamer is voorzien van althans een inspuitgat voor inert gas voor het vormen van een gordijn van het inerte gas, alsmede een ander gat, aangebracht nabij het inspuitgat en waar-10 door een gas uit de verkolingskamer wordt gezogen, en op een inrichting voor het op een dergelijke wijze produceren van koolstofvezels.

De produktie van koolstofvezels bestaat in het algemeen uit het in een oxyderende atmosfeer vooroxyderen van organische vezels (bijvoorbeeld polyacrylonitrilvezels of cellulose-15 vezels) om ze vlamvertragend te maken, en het in een verkolingsoven voeren van de voorgeoxydeerde vezels, waar zij in een inerte gasatmosfeer of een niet-oxyderende atmosfeer bij een temperatuur van 300°C of hoger worden verkoold. In deze verkolingsstap worden de voorgeoxydeerde organische vezels thermisch ontleed tot koolstof-20 vezels. Het verkolen wordt gewoonlijk tot stand gebracht bij een temperatuur tussen 300°C en 1500°C, soms hoger dan 1500°C, en indien nodig bij de temperatuur van 2000°C of hoger waarbij grafiet wordt gevormd (zie de Amerikaanse octrooischriften 4.073.870 en 4.321.446).

25 De met de bovenbeschreven gebruikelijke werk wijze geproduceerde koolstofvezels hebben een zeer kleine sterkte en rekbaarheid, niet alleen als gevolg van inwendige gebreken door microholten, maar ook als gevolg van oppervlaktegebreken, zoals barsten. Voor het produceren van koolstofvezels van hoge kwaliteit 30 moet derhalve de aanwezigheid van oppervlaktegebreken tot een minimum worden beperkt. In de verkolingsstap geven de voorgeoxydeerde vezels verschillende ontledingsprodukten af wanneer zij bij 3301239

-- I - - V

2 i t toenemende temperaturen worden verkoold, waarbij het bekend is dat het afgeven van de meeste ontledingsprodukten plaatsvindt in een temperatuurbereik van 300 - 900°C. De in dit temperatuurbereik gevormde ontledingsprodukten, bijvoorbeeld HCN, NH^, CO, H^, 1^0, 5 CH^, CO2 en verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen met een hoger molekuulgewicht en voorzien van 3-7 koolstofatomen zijn in de temperatuuromstandigheden, waarin zij worden geproduceerd, gasvormig. In een vertikale verkolingsoven echter, waarin voorgeoxydeer-de vezels naar beneden worden geleid door een verwarmingskamer, 10 waarin de temperatuur vanaf de bovenkant naar de onderkant toeneemt, worden de gasvormige ontledingsprodukten (hierna ontledingsgassen genoemd) door de opstijgende gasstroom meegedragen tot in de lage temperatuurzone van de oven, waar de koolwaterstoffen met een hoger molekuulgewicht worden gekoeld voor het vormen van een teemevel.

15 Een deel van de ontledingsprodukten, thans in de vorm van een teer-nevel, wordt afgezet op het binnenoppervlak van de ovenwand of de vezeloppervlakken. De kleverige teernevel op de wandoppervlakken vangt in de oven zwevend vezelpluis en groeit tijdens doorlopend ovenbedrijf. Uiteindelijk komt de nevel in aanraking met het opper-20 vlak van de door de oven gaande vezels en beschadigt dit of verstopt gedeeltelijk de doorgang van de vezels voor het verstoren van de regelmatige stroming van de gasstroom. Indien de aanraking tussen de vezels en de teernevel zeer sterk is, kleven de afzonderlijke vezels aan elkaar, en de opbouw van teernevel bij verhoogde tempera-25 turen veroorzaakt oppervlaktegebreken, die de sterkte en rekbaarheid van de koolstofvezels sterk verminderen. Verder verlagen ontledingsgassen, zoals Ë^O, CC>2 en CO de vezelsterkte aanzienlijk wanneer zij in de hoge temperatuurzone van de oven in aanraking komen met de vezels.

30 Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een werkwijze voor het doorlopend produceren van koolstofvezels met een hoge kwaliteit.

Een ander doel is het verschaffen van een inrichting, die doorlopend koolstofvezels met een hoge kwaliteit kan 8301239 « ΐ 3 produceren.

De onderhavige vinding is tot stand gebracht als gevolg van onderzoekingen voor het ontwikkelen van een doeltreffende werkwijze en inrichting voor het verwijderen van ontledings-5 gassen (die tussen 300°C en 900°C zijn geproduceerd) uit een verti-kale verkolingsoven van de bovenbeschreven soort, waarbij voor-geoxydeerde vezels van boven worden ingevoerd en worden verkoold wanneer zij in hoofdzaak vertikaal door de oven worden geleid.

Het doel kan worden bereikt door een werkwijze, 10 die het gebruik maken omvat van een vertikale verkolingsoven, voorzien van een verwarmingskamer, het zodanig verwarmen van de kamer dat de temperatuur vanaf het bovenste einde naar het onderste einde van de verwarmingskamer geleidelijk toeneemt, het vanuit een vezelinlaat, aangebracht bij het bovenste einde van de kamer in-15 voeren van een te verkolen vezel, het vanuit een gasinlaat, aangebracht bij het onderste einde van de kamer inbrengen van een inert gas voor het in de kamer handhaven van een niet-oxyderende atmosfeer, het vanuit althans een gedeelte tussen de vezelinlaat en de gasinlaat inspuiten van een inert gas voor het vormen van een gordijn daarvan 20 over de verwarmingskamer voor het voorkomen van het opstijgen van in de verwarmingskamer gevormde ontledingsgassen, het vanuit althans een gasuitlaat, aangebracht bij het onderste gedeelte van het in-spuitgedeelte voor inert gas afvoeren van de ontledingsgassen met het inerte gas, en het vanuit een vezeluitlaat, aangebracht bij het 25 onderste gedeelte van de verwarmingskamer, winnen van verkoolde vezel.

De onderhavige werkwijze kan worden uitgevoerd door het gebruikmaken van een inrichting, die een vertikale verkolingsoven omvat, voorzien van een verwarmingskamer voor het verkolen van 30 vezels, welke oven aan het bovenste einde van de kamer een vezelinlaat bevat, aan het onderste einde van de oven een luchtdicht afgedichte vezeluitlaat, een in de wand van de kamer en boven de vezeluitlaat aangèbrachte inlaat voor inert gas, althans een gedeelte voor het inspuiten van inert gas en gevormd in de wand van de kamer,

_____J

8301239 » * 4 welk gedeelte een gordijn van het inerte gas over de verwarmingskamer kan vormen en zich bevindt tussen de gasinlaat en de vezelin-laat, althans een gasuitlaat, aangebracht aan het onderste gedeelte van het inspuitgedeelte vooir inert gas, en een verwarmingsdeel, dat 5 de temperatuur in de verwarmingskamer zodanig kan sturen, dat de temperatuur vanaf het bovenste einde naar het onderste einde van de verwarmingskamer geleidelijk toeneemt.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: 10 fig. 1 een schematische doorsnede toont van een uitvoeringsvorm van de inrichting, fig. 2 een ruimtelijk aanzicht is op vergrote schaal van het inspuitgedeelte voor inert gas, de gasuitlaat en het nabijliggende gebied van een andere uitvoeringsvorm van de inrichting, 15 en fig. 3 schematisch een doorsnede toont van nog een andere uitvoeringsvorm.

, Wanneer voorgeoxydeerde vezels met de onderhavige werkwijze worden verkoold of in de onderhavige inrichting worden 20 verkoold, kan het in de lagere temperatuurzone stromen van de in de hogere temperatuurzone geproduceerde ontledingsgassen worden voorkomen of verminderd voor het zodoende tevens voorkomen of verminderen van teemevelafzetting op het binnenwandoppervlak of de vezel-oppervlakken. Verder is het ook mogelijk het in aanraking komen met 25 het oppervlak van de vezels, die worden verkoold, van de ontledingsgassen te voorkomen of te verminderen. Dus kunnen koolstofvezels met een constante goede kwaliteit over een verlengde tijdsduur worden geproduceerd. De onderhavige inrichting wordt doeltreffend gebruikt voor het verkolen van voorgeoxydeerde vezels in een temperatuur-30 bereik van 300 - 900 °C, waarbij de vorming van thermische ontledingsgassen bijzonder merkbaar is.

Voorbeelden van vezels, die doeltreffend met de onderhavige werkwijze of inrichting kunnen worden behandeld bevatten voorgeoxydeerde vezels, verkregen uit acryl- of cellulosevezels, 35 die thermische ontledingsgassen ontwikkelen wanneer zij worden onder- 8301239 < % 5 worpen aan de gebruikelijke verkolingsstap. Deze vezels worden gewoonlijk in de vorm van een streng of werk, bestaande uit 100 - 500.000 vezels of in de vorm van een weefsel of vlies toegevoerd aan de verwarmingskamer. Een willekeurig aantal strengen of werken 5 kan tezelfdertijd door een enkele verwarmingsoven worden geleid.

Wanneer vezels worden geleverd als strengen, kan de onderhavige inrichting de strengafstand vergroten tot ongeveer tweemaal de grootte, die toelaatbaar is met een inrichting, die geen inspuitgedeelte voor inert gas heeft noch een gasuitlaat, aangebracht onder het gas-10 inspuitgedeelte.

De onderhavige werkwijze en inrichtingen worden onderstaand gedetailleerder beschreven aan de hand van de tekening. Fig. 1 toont schematisch een doorsnede van een uitvoeringsvorm van de inrichting. Te behandelen vezels 1 worden in een verwarmingskamer 15 2 gevoerd voor het verkolen van de vezels. De binnenruimte van de verwarmingskamer 2 dient als een verkolingskamer en als de doorgangsweg voor de vezels. Het bovenste einde van de verwarmingskamer is voorzien van een vezelinlaat 3 en is open naar de lucht. Het onderste einde van de verwarmingskamer is voorzien van een vezeluitlaat 7, 20 die in verbinding staat met een afdichtmechanisme (niet weergegeven).

De verwarmingskamer 2 wordt omgeven door verwarmingselementen 4a, 4b en 4c.

Aan het bovenste einde van de verwarmingskamer brengt een opstijgende gasstroom een afdichting tot stand voor het 25 voorkomen van de invoer van de atmosfeer in de kamer. Het verdient de voorkeur een gasuitlaat 5 aan te brengen onder de vezelinlaat 3 aan het bovenste gedeelte van de kamer. De functie van deze gasuitlaat 5 is het handhaven van een inerte gasatmosfeer in het inwendige van de verwarmingskamer 2 door het verplaatsen van uitwendige gassen 30 (bijvoorbeeld lucht en waterdamp, die de kamer zijn binnengegaan door de vezelinlaat samen met de vezels) met de opstijgende stroming van het gas, dat van onder in de kamer is gebracht. Wanneer de opstijgende stroming van gas, dat van onder in de oven is gebracht, uit het stelsel wordt afgevoerd door de vezelinlaat 3, wordt het gas in de 35 oven geblust bij de inlaat 3 en het nabij liggende gebied, waardoor 8301239 4 » 6 de ontledingsgassen in het ovengas een teemevel vormen, die zich ophoopt op het oppervlak van de vezels of de vezelinlaat voor het veroorzaken van verschillende gebreken, zoals het breken van de vezels of de hechting tussen vezels. Dit kan doeltreffend worden 5 voorkomen door het aanbrengen van de gasuitlaat 5 tussen de vezelinlaat 3 en het eerste verwarmingselement 4a, dat zich daaronder bevindt. De gasuitlaat 5 is op een zodanige plaats aangebracht (dat wil zeggen de afstand vanaf de vezelinlaat 3), dat de hiervoor vermelde twee doeleinden worden bereikt: 1) het grootste gedeelte 10 van de ontledingsgassen in de verwarmingskamer wordt door de uitlaat 5 uit het stelsel afgevoerd, en 2) de lucht in de bundel vezels, welke bundel in de verwarmingskamer is gebracht, is in hoofdzaak volledig vervangen door een inert gas op het moment dat de vezels vanaf de vezelinlaat 3 naar de gasuitlaat 5 zijn bewogen. Indien 15 nodig kan de vezelinlaat 3 worden verwarmd voor het voorkomen van het in dat gebied zich ophopen van de teernevel.

Het onderste einde van de verwarmingskamer is voorzien van een vezeluitlaat 7, die in verbinding staat met een afdichtmechanisme (niet weergegeven). Boven de vezeluitlaat 7 is 20 een inert gasinlaat 6 aangebracht. Een inert gas wordt gewoonlijk geleverd met de snelheid van 0,02 - 0,50 Nm/s (berekend op de snelheid in de gebruikelijke toestand). Voorgeoxydeerde vezel wordt aan de verwarmingskamer met de bovenbeschreven constructie geleverd, waar de vezel in de binnenruimte (verkolingskamer) wordt verkoold en ver-25 volgens door het afdichtmechanisme aan het onderste einde wordt gewonnen. Het afdichtmechanisme kan een willekeurige geschikte vorm hebben, zoals een vloeistofafdichting, een rollenafdichting of een afdichting in de vorm van een inert gasgordijn. De uit de verkolingskamer komende vezels worden gewonden op een opneemrol of doorlopend 30 geleverd aan een andere oven, die op hogere temperaturen wordt gehouden. De verwarmingselementen 4a, 4b en 4c zijn zodanig ontworpen, dat de temperatuur in de verwarmingskamer in de bewegingsrichting van de vezels geleidelijk toeneemt. De stroom inert gas (die niet wordt verwijderd uit de kamer) stroomt in de verwarmingskamer in de 35 richting tegengesteld aan de bewegingsrichting van de vezels.

83 0 1 23 S

* V

7

In deze uitvoeringsvorm van de inrichting zijn inspuitgedeelten 8a en 8b voor inert gas aangebracht tussen de inert gasinlaat 6 aan de onderkant van de verwarmingskamer, en de gas-uitlaat 5 aan het bovenste gedeelte. Elk der inspuitgedeelten voor 5 inert gas kan bestaan uit een enkel gat (gewoonlijk in de vorm van een horizontaal langwerpige sleuf) of kan bestaan uit een aantal sleufvormige openingen, horizontaal naast elkaar opgesteld, zoals weergegeven in fig. 2. Het inspuitgedeelte voor inert gas kan zijn aangebracht in slechts één van de twee tegenover elkaar liggende 10 vlakken van de verwarmingskamerwand of kan zijn gevormd in beide wanden, zoals weergegeven in fig. 1 en 2. Een doeltreffender verwijderen van ontledingsgassen en de verplaatsing van het ovengas door een inert gas kan tot stand worden gebracht door het aanbrengen van nog een inspuitgedeelte 8c boven en dichtbij de gasuitlaat 5, 15 zoals weergegeven in fig. 1. Fig. 2 is een ruimtelijk aanzicht op vergrote schaal van de inspuitgedeelten 8 en 8' voor inert gas, de gasuitlaten 10 en 10' en het naburige gebied.

Geschikte inerte gassen zijn bijvoorbeeld stikstof, argon, helium en mengsels daarvan.

20 Het inerte gas wordt door 8a en 8b ingespoten na te zijn verwarmd door voorverwarmingselementen 9a en 9b (en 9c indien ook het inspuitgedeelte 8c is voorzien) tot de temperatuur in de oven of een hogere temperatuur, maar niet meer dan 200°C hoger dan de temperatuur in de oven. Het in de verwarmingskamer door de in-25 spuitgedeelten voor inert gas ingespoten inerte gas gaat door de verwarmingskamer voor het vormen van een gordijn inert gas om elke vezel voor het zodoende verschaffen van een scherm tegen de gasstroom, die vanuit het onderste deel van de verwarmingskamer naar boven komt. Het opstijgende inwendige gas, belemmerd door het gordijn inert gas, 30 wordt uit het stelsel verwijderd door de gasuitlaten 10a en 10b (en 5 wanneer 8c is voorzien). Het inwendige van de verwarmingskamer wordt gewoonlijk op een druk gehouden van ongeveer 19,6 - 980 Pa, zodat de druk in de verwarmingskamer door het verbinden van de gasuitlaten 10a, 10b en 5 met drukregelkleppen 11a, 11b en 11c, gelijk 35 kan worden gehouden wanneer het gas uit deze uitlaten wordt gesto- 8301239 # % 8 ten. Dienovereenkomstig wordt door de vezelinlaat 3 geen lucht in de kamer gezogen. Evenals het inspuitgedeelte voor inert gas of de inspuitgedeelten voor inert gas, kan de gasuitlaat of kunnen de uitlaten zijn voorzien in één van de tegenover elkaar liggende eind-5 vlakken van de kamerwand (zoals in fig. 1) of in beide wanden (zoals in fig. 2). In het eerste geval kan de uitlaat of kunnen de uitlaten zijn aangebracht onder en dichtbij het inspuitgedeelte voor inert gas of zij kunnen zijn gevormd in een gebied van de kamerwand, dat de tegenoverliggende zijde is ten opzichte van de wand, waar de 10 inspuitgaten zijn gevormd, en dat zich onder en dichtbij de inspuit-gaten bevindt. De gasuitlaten zijn bij voorkeur aangebracht op een plaats zo dicht mogelijk bij de inspuitgaten. Indien de te verkolen vezels in een vorm zijn met een zeer grote dichthei (strengafstand in het geval van een streng) in de verwarmingskamer, is de in fig.

15 2 weergegeven gatuitvoering geschikt, waarbij indien de dichtheid klein is, een willekeurige uitvoering kan worden gebruikt.

Verwijzende naar fig. 2, vormt het inerte gas, ingespoten door de inspuitgedeelten 8, 8' naar de vezels 1, een gasvormig gordijn om elke vezel voor het belemmeren van de stroming 20 van het opstijgende gas, dat door de uitlaten 10 en 10' uit de oven wordt verwijderd. Althans een laag (gewoonlijk meer dan een laag) van een inspuitgedeelte voor inert gas is gevormd in de verwarmingskamer , en een aan het aantal lagen met inspuitgedeelten gelijk aantal gasvormige gordijnen wordt gevormd. Een laag met een inspuitge-25 deelte is gewoonlijk gevormd tussen elk der verwarmingselementen 4a, 4b en 4c in de oven, en althans twee lagen met inspuitgedeelten zijn bij voorkeur gevormd. Het gestelde doel wordt op bevredigende wijze bereid door niet meer dan vijf lagen met inspuitgedeelten.

Gewoonlijk worden in een vertikaal vlak aangebrach-30 te vezels geleverd aan de kamer. Wanneer vezels aan de kamer worden geleverd als strengen, is de strengafstand (aantal strengen per meter breedte van het vezelvlak) gewoonlijk 50 - 400 strengen/m (vooropgesteld dat strengen van 1000 - 50.000 vezels/streng worden gebruikt), waarbij wanneer vezels worden geleverd als werken, zij 35 gewoonlijk zijn uitgespreid tot 222 - 1111 ktex/m. Wanneer vezels 8301239

0 V

9 ♦ worden geleverd als een weefsel of een vlies van niet meer dan 500 g/m2 kunnen zij doeltreffend worden behandeld in de inrichting.

De vezels bewegen door de verwarmingskamer onder een trekkracht, die althans voldoende is om te voorkomen dat de vezels in aanraking 5 komen met de wand van de kamer. De trekkracht ligt gewoonlijk tussen 1 en 600 mg/d, bij voorkeur tussen 50 en 300 mg/d. De bewegings-snelheid van de vezels is afhankelijk van de lengte van de verwarmingskamer en de temperatuur in die kamer. De snelheid ligt gewoonlijk tussen 0,02 en 0,20 m/s. Het inerte gas wordt ingespoten met een 10 stromingssnelheid, die voldoende is om het mogelijk te maken het opstijgende gas door de gasuitlaten te verwijderen uit de oven, zodat de concentratie van de ontledingsprodukten in het opstijgende gas bij voorkeur wordt verminderd tot minder dan ongeveer 50 %. Wanneer het inerte gas vanaf beide zijden van de wanden van de kamer wordt 15 ingespoten, in welke kamer strengen naast elkaar zijn opgesteld, ligt de stromingssnelheid van het inerte gas in de richting loodrecht op het vezeloppervlak voor dit doel in het algemeen tussen 0,3 en 3 Nm/s, bij voorkeur tussen 0,5 en 1,5 Nm/s. Het inerte gas wordt bij voorkeur in een zodanige richting ingespoten, dat een horizontaal 20 gasvormig gordijn in de verwarmingskamer wordt gevormd, zodat het dus horizontaal of enigszins naar beneden in de verwarmingskamer wordt geleid. Een deel van het ingebrachte inerte gas wordt samen met de ontledingsgassen uit de oven verwijderd, waarbij de rest in de oven opstijgt. In de inrichting worden de vezels verkoold door ver-25 warming in een temperatuur, die geleidelijk wordt verhoogd van ongeveer 300°C tot een temperatuur van niet meer dan ongeveer 950°C, gewoonlijk ongeveer 900°C.

Wanneer de inrichting wordt gebruikt voor het produceren van koolstofvezels, kunnen de in de verwarmingskamer 30 gevormde ontledingsgassen worden afgevoerd uit de oven met een verkleinde kans van het in aanraking komen met de vezels, die worden verkoold of het gas in het bovenste deel van de oven, dat in de lagere temperatuurzone is. Als gevolg is de hoeveelheid ontledingsgassen, die zich als een teemevel ophoopt op het oppervlak van de 35 vezels of de wand van de oven zodanig verkleind, dat koolstofvezels 8301239 10 met een goede kwaliteit constant over een verlengde tijdsduur kunnen worden geproduceerd.

Een uitvoeringsvorm, waarbij koolstofvezels worden geproduceerd van acrylonitrilvezels met de inrichting volgens 5 fig. 1, wordt thans beschreven. Een streng of werk van voorgeoxydeer-de acrylonitrilvezels met een gebonden zuurstofgehalte van 6-15 gew.%, bij voorkeur 8-12 gew.%, wordt door de inlaat 3 die bij voorkeur is voorverwarmd tot 250 - 350°C voor het voorkomen van teer-afzetting, toegevoerd aan de oven. De vezels gaan door het bovenste 10 deel van de verwarmingskamer, dat door het verwarmingselement 4a gewoonlijk wordt verwarmd tot ongeveer een temperatuur met een helling van 300 - 500°C, en op het moment dat zij de gasuitlaat 5 bereiken, is het in de bundel vezels zich bevindende gas, in het bijzonder lucht, vervangen door het inwendige gas, dat aanwezig was 15 in de verwarmingskamer, en vervolgens door de uitlaat 5 uit het stelsel afgevoerd. De vervanging van de ingesloten lucht door het inwendige gas moet grondig zijn voor de vezels, die gewoonlijk worden geleverd in de vorm van een bundel, die 100 - 500.000 vezels omvat. De vezels gaan dan door een zone, waar een gordijn van een 20 inert gas, zoals stikstof, argon of helium, is gevormd. Daarna gaan zij een tweede hete zone binnen, die door het verwarmingselement 4b gewoonlijk wordt verwarmd om een helling van de temperatuur te hebben van 500 - 700°C. Het inerte gas wordt voorverwarmd tot de temperatuur van de zone onder de gasinlaat of een hogere temperatuur, 25 die de bedoelde temperatuur met niet meer dan 200°C overschrijdt.

Het doel van dit voorverwarmen is het voorkomen van het blussen van de ontledingsgassen door het ingevoerde inerte gas voor het vormen, van een nevel, en voor het tot een minimum beperken van de schommeling van de temperatuur in de oven. Het inerte gas moet voorzichtig 30 tegen de vezels worden geblazen voor het voorkomen van de vorming van vezelpluis of dons.

In de tweede hete zone worden de vezels onderworpen aan een warmtebehandeling bij 500 - 700°C gedurende een tijd van 10 - 60 s. Daarna worden zij geleid door nog een gordijn van 35 inert gas, en dan naar een derde hete zone, die door het verwarmings- 8301239 •ψ 11 element 4c gewoonlijk wordt verwarmd tot een temperatuur met een helling van 750 - 900°C of hoger, maar niet hoger dan 950°C. De vezels worden gedurende 5 - 40 s in deze zone gehouden. De door de verwarmingselementen 4a, 4b en 4c verschafte temperaturen veranderen 5 stapsgewijs, maar de temperatuur in de verwarmingskamer neemt vanaf de bovenkant naar de onderkant geleidelijk toe. Tenslotte worden de vezels uit het stelsel gewonnen door de vezeluitlaat 7 en een afdichtmechanisme. Een voorkeursafdichtmechanisme is de combinatie van een gordijn van stikstofgas en een rollenafdichting. De gewonnen 10 vezels, die in kleine mate zijn verkoold (zogenoemde voorverkoling) worden dan gevoerd naar een oven, die op een hogere temperatuur van 900 - 1500°C in een inerte gasatmosfeer wordt gehouden, en door het in die oven houden van de vezels gedurende een tijd van 35 - 200 s, worden koolstofvezels met de volgende eigenschappen verkregen.

15 Pijnheid 790 - 810 tex

Elasticiteitsmodulus bij trek 23.900 - 25.000 kg/ram2 uiteindelijke treksterkte 415 - 450 kg/mm2 20 variatiecoefficient (CV) = 4 % of minder

Rek bij breuk 1,72 - 1,86 %

De inrichting kan doorlopend worden bedreven, bijvoorbeeld gedurende 480 uur, waarbij 300 bundels met 12000 voorge-25 oxydeerde vezels gelijktijdig worden toegevoerd. De verkregen koolstofvezels hebben een hoge kwaliteit, doordat zij weinig pluis en samenhangende vezels hebben, en regelmatige sterkte-eigenschappen.

Als een ander voordeel kunnen in de inrichting gevormde ontledings-gassen in een hoge concentratie worden teruggewonnen, zodat het 30 uitstootgas uit de inrichting gemakkelijk in een vuilverbrandings-oven kan worden weggewerkt.

Wanneer dezelfde inrichting doorlopend wordt bedreven gedurende ongeveer 320 uur zonder het spuiten van een inert gas in de verwarmingskamer en zonder het door een aantal uitlaten 35 uit de oven verwijderen van het inwendige gas, wordt de oven gedeel- 8301239 12 telijk verstopt door de vezelpluizen en teernevel, afgezet op de wand van de zone, verwarmd tot temperaturen tussen 300°C en 700°C.

Het verkregen produkt is pluizig, heeft een treksterkte van minder dan 350 kg/mm2 (CV = 9 % of meer) en is niet regelmatig in sterkte.

5 Fig. 3 toont een andere uitvoeringsvorm van de inrichting. Deze inrichting is dezelfde als die, weergegeven in fig. 1, behalve dat de inrichting volgens fig. 3 een aanvullende verwarmingskamer 12 heeft, die naar beneden in aanraking met de verwarmings-kamer 2 is opgesteld. In de verwarmingskamer 12 wordt een verdere 10 verkoling van de vezel uitgevoerd. In de verwarmingskamer 12 wordt de temperatuur hoger gehouden dan in de verwarmingskamer 2. De vezels, die in de verwarmingskamer 2 zijn verwarmd tot een temperatuur van 900 - 950°C worden doorlopend door de verwarmingskamer 12 geleid.

In de verwarmingskamer 12 worden de vezels verwarmd in een atmos-15 feer van een inert gas en op een temperatuur, die een helling heeft vanaf een temperatuur hoger dan de temperatuur van de verwarmingskamer 2 tot een temperatuur van niet meer dan 1500°C. De zodoende verkoolde vezels worden uit de uitlaat 7 gewonnen.

Voorbeeld I

20 Een streng (die 12000 vezels omvatte) met vezels, bereid van een copolymeer, bestaande uit 98 gew.% acrylonitril en 2 gew.% methylacrylaat en met een afzonderlijke fijnheid van 0,1 tex werd voorgeoxydeerd in de lucht bij 265°C gedurende 0,38 uur, bij 275°C gedurende 0,20 uur en bij 283°C gedurende 0,15 uur onder een 25 zodanige trekkracht, dat krimp van de vezel 50 % bereikte van de vrije krimp bij die temperatuur. De zodoende verkregen voorgeoxy-deerde vezels hadden een geboden zuurstofgehalte van 9,8 gew.%.

Het werk met voorgeoxydeerde vezels werd verkoold onder gebruikmaking van de in fig. 1 weergegeven inrichting.

30 De streng werd aan de oven toegevoerd door de inlaat 3, die was voorverwarmd tot 350eC. De strengafstand was 140 strengen/m. De temperatuur van de bovenste zone was verwarmd tot een helling vanaf 300°C tot 500°C door het verwarmingselement 4a, waarbij de middelste zone op dezelfde wijze door het verwarmingselement 4b werd verwarmd 35 tot 500 - 700°C en de onderste zone door het verwarmingselement 4c 8301239 13 tot 700 - 900°C. Stikstofgas werd gebruikt als het inerte gas. Het gas, dat vanuit de gasinlaat 6 werd binnengebracht, werd verwarmd tot 600°C, waarbij de gassen, ingespoten vanuit 8c, 8a en 8b, werden verwarmd tot respectievelijk 400°C, 600°C en 750°C. De stromings- 5 snelheid van het gas in de kamer 2 was 0,15 Nm/s. De stromingssnelheden bij de vezeloppervlakken bij 8c, 8a en 8b waren respectievelijk 1,00 Nm/s, 0,75 Nm/s en 0,50 Nm/s. De verkoling van de vezel werd uitgevoerd onder een trekkracht van 80 mg/d. De snelheid van de vezel was 0,11 m/s, en de verblijfstijd was 66 s.

10 De inwendige druk van de verwarmingskamer werd gehandhaafd op 29,4 - 68,6 Pa, en ontledingsgassen werden afgevoerd uit de gasuitlaten 10a, 10b en 5. De gewonnen vezels, die waren verkoold (voorverkoold), werden vervolgens toegevoerd aan een oven, die werd verwarmd tot een temperatuur met een helling van 900 - 1420°C, 15 en die onder een Nj-gasatmosfeer werd gehouden, waarbij de vezels gedurende 60 s in die oven werden gehouden.

Ter vergelijking werd hetzelfde onderzoek uitgevoerd behalve dat het inerte gas niet vanuit 8a, 8b en 8c werd ingespoten, en het ontledingsgas niet werd afgevoerd uit 10a en 10b.

20 De zodoende verkregen koolstofvezels hadden de volgende eigenschappen, zoals weergegeven in de volgende tabel.

Uitvinding_Vergelijking treksterkte 450 350 (kg/mm2) 25 elasticiteitsmodulus bij trek (kg/mm2) 24,0 24,0 x 10^ rek bij breuk 1,88 1,46 tijdsduur van doorlopende, stabiele vervaardiging 30 (Tijdsduur waarin doorlopende meer dan ongeveer 200 uur vervaardiging van koolstofvezels 480 uur kan worden uitgevoerd zonder pluizige strengen of het breken van vezels te veroorzaken) 35 Het is duidelijk, dat veranderingen en verbe- 8301239 0 14 teringen kunnen worden aangebracht zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

8301239

Claims

1. Inrichting voor het produceren van koolstof-vezels, gekenmerkt door een vertikale verkolingsoven met daarin een verwarmingskamer voor het verkolen van de vezels, welke oven is 5 voorzien van een vezelinlaat aan het bovenste einde van de kamer, van een luchtdicht afgedichte vezeluitlaat aan het onderste einde, van een in de wand van de kamer boven de vezeluitlaat aangébrachte inlaat voor inert gas, van althans een inspuitgedeelte voor inert gas, aangebracht in de wand van de kamer voor het vormen van een 10 gordijn inert gas door de verwarmingskamer, waarbij het inspuitge-deelte is aangebracht tussen de gasinlaat en de vezelinlaat, van althans een gasuitlaat, aangebracht aan het onderste gedeelte van het inspuitgedeelte voor inert gas, en van een verwarmingsdeel voor het zodanig sturen van de temperatuur in de verwarmingskamer, dat 15 deze vanaf het bovenste einde naar het onderste einde geleidelijk toeneemt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een aanvullende gasuitlaat is aangebracht in de wand van het bovenste gedeelte van de verwarmingskamer op een 20 plaats tussen de vezelinlaat en het verwarmingsdeel.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het inspuitgedeelte voor inert gas bestaat uit een laag met althans een sleuf vormige opening, horizontaal aangebracht in de wand van de kamer.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de oven een aantal lagen met een inspuitgedeelte voor in het gas in de vorm van althans een sleufvormige opening omvat voor het vormen van een aantal inspuitgedeelten, dat gordijnen met inert gas kan vormen.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het aantal lagen bestaat uit twee tot vijf lagen met sleuf vormige openingen voor het vormen van gasgordijnen.

6. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verwarmingsdeel de verwarmingskamer kan 35 verwarmen tot een temperatuur met een helling van 300°C tot ten 8301239 hoogste 950°C.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een aanvullende verwarmingskamer boven de inlaat voor inert gas is aangebracht en naar beneden is verbonden 5 met de verwarmingskamer, welke aanvullende verwarmingskamer een verwarmingsdeel heeft voor het verwarmen daarvan tot een temperatuur met een helling van 900°C tot tën hoogste 1500°C.

8. Werkwijze voor het produceren van koolstof-vezels onder gebruikmaking van de inrichting volgens één der voor- 10 gaande conclusies, gekenmerkt door het zodanig verwarmen van de kamer, dat de temperatuur vanaf het bovenste einde naar het onderste einde geleidelijk toeneemt, het vanuit een aan het bovenste einde van de kamer voorziene vezelinlaat inbrengen van een te verkolen vezel, het vanuit een aan het onderste einde voorziene gas- 15 inlaat inbrengen van een inert gas voor het niet-oxyderend maken van de atmosfeer in de kamer, het vanuit althans een gedeelte tussen de vezelinlaat en de gasinlaat inspuiten van een inert gas voor het vormen van een gordijninertgas door de verwarmingskamer voor het voorkomen van het opstijgen van in de verwarmingskamer 20 gevormde ontleidingsgassen, het vanuit althans een uitlaat, voorzien aan het onderste gedeelte van elk inspuitgedeelte voor inert gas afvoeren van de ontledingsgassen met het inerte gas, en het vanuit een vezeluitlaat, aangebracht aan het onderste gedeelte van de verwarmingskamer, winnen van verkoolde vezel.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de vezels door de verwarmingskamer bewegen onder een trekkracht, die althans voldoende is om het in aanraking van de wand met de kamer komen van de vezels te voorkomen.

10. Werkwij2e volgens conclusie 9, 30 met het kenmerk, dat de trekkracht tussen 1 en 600 mg/d ligt.

11. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de vezels door de verwarmingskamer bewegen met een snelheid die'ligt tussen 0,02 en 0,20 m/s.

12. Werkwijze volgens conclusie 8, 35 met het kenmerk, dat de vezels in de verwarmingskamer worden gebracht 8301239 in de vorm van een streng, werk, weefsel of vlies.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de streng of het werk bestaat uit 100 - 500.000 vezels.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat een aantal strengen of werken in de verwar-mingskamer wordt gébracht.

15. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat strengen of werken in een vertikaal vlak zijn 10 aangebracht, waarbij een inert gas vanuit beide zijwanden van de verwarmingskamer wordt ingespoten.

16. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de strengen 1000 - 50.000 vezels omvatten, en zijn aangebracht met een strengafstand van 50 - 400 strengen/m. 15

17. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de stromingssnelheid van het inerte gas in de richting loodrecht op de vezel 0,3 - 3 Nm/s is.

18. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de werken zijn uitgespreid tot een mate van 20 222-1111 ktex/m.

19. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de vezels worden toegevoerd in de vorm van een weefsel of een vlies tot 500 g/m2.

20. Werkwijze volgens conclusie 8, 25 met het kenmerk, dat de vezels voorgeoxydeerde vezels zijn, verkregen van vezels, gekozen uit de groep, bestaande uit acryl·vezels en cellulosevezels.

21. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de verwarmingskamer wordt verwarmd tot een 30 temperatuur met een helling van 300°C tot ten hoogste 950°C.

22. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het inerte gas een gas is, gekozen uit de groep, bestaande uit stikstof, argon, helium en mengsels daarvan.

23. Werkwijze volgens conclusie 21, 35 met het kenmerk, dat de vezels verder worden behandeld in een tem- 8301239 * 18 » peratuur tot 1500°C onder een atmosfeer van een inert gas.

24. Inrichting in hoofdzaak zoals in de beschrijving beschreven en in. de tekening weergegeven.

25. Werkwijze in hoofdzaak zoals' in de be-5 schrijving beschreven en in de tekening weergegeven. 8301239