WO2018145924A1 - Vorrichtung und verfahren zur karbonisierung oder graphitisierung von kohlenstoff enthaltenden fasern oder einem mit kohlenstoff enthaltenden fasern gebildeten textilen gebilde - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur karbonisierung oder graphitisierung von kohlenstoff enthaltenden fasern oder einem mit kohlenstoff enthaltenden fasern gebildeten textilen gebilde Download PDF

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WO2018145924A1
WO2018145924A1 PCT/EP2018/051977 EP2018051977W WO2018145924A1 WO 2018145924 A1 WO2018145924 A1 WO 2018145924A1 EP 2018051977 W EP2018051977 W EP 2018051977W WO 2018145924 A1 WO2018145924 A1 WO 2018145924A1
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WO
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fibers
heating
rollers
continuous furnace
pair
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Application number
PCT/EP2018/051977
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Kaskel
Beata Lehmann
Gerrit Mäder
Tilo KÖCKRITZ
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Technische Universität Dresden
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
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    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/32—Apparatus therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for the carbonization or graphitization of carbon-containing fibers or a textile structure formed with carbon-containing fibers. Depending on the final temperature reached, carbon fibers or graphitized fibers can be produced.
  • fibers with a higher tensile modulus are used (IM (intermediate modulus) / or HM (high modulus)) / possibly with a negative coefficient of thermal expansion, the production of which requires higher carbonization temperatures (IM type: 1,500 ° C to 1,800 ° C, HM type: 1800 ° C to 3,000 ° C).
  • IM type 1,500 ° C to 1,800 ° C
  • HM type 1800 ° C to 3,000 ° C
  • Carbonation process can be achieved by up to 25%.
  • a major disadvantage of the use of carbon fibers namely the high price - reduced and the fibers can be better matched in their mechanical properties / thermal expansion coefficients to the product requirements.
  • the most commonly used precursors are polyacrylic nitrile fibers (PAN).
  • PAN polyacrylic nitrile fibers
  • polyolefins such as polyethylene, cellulose,
  • Lignin polyvinyl chloride, phenols and their copolymers can be used.
  • Carbonization by means of electrical resistance heating Heating by applying an electrical voltage, as is the case with electrical resistance heating, requires a minimum electrical conductivity of the fibers to be further heated, which is not present after stabilization of conventional precursors (electrical conductivity in the ⁇ - Area). It is therefore an upstream first carbonation zone up to a temperature of at least 600 ° C (PAN).
  • Precursoren required to achieve electrical resistances of the fibers in the lower kQ range, which allow a sufficient electrical conductivity.
  • the electrical resistance for PAN precursor fibers can be reduced in the range up to 1200 ° C.
  • the carbonization temperature is the crucial process variable, while the carbonization atmosphere (N2, H2, Ar, vacuum) and bias of the fibers during stabilization are only of secondary importance.
  • N2, H2, Ar, vacuum the carbonization atmosphere
  • bias of the fibers during stabilization are only of secondary importance.
  • an atmosphere must be maintained in which inert conditions for the carbon are maintained.
  • the electrical conductivity increases to about 1300 ° C. This then remains almost constant at higher temperatures. This means that electrical resistance can only be used as a parameter for online quality control up to a temperature of 1300 ° C.
  • Precursorpolymer typ, fiber fineness, presentation form (filament cable, sheets)
  • the electrical resistance is always temperature-dependent (Arrhenius equation).
  • Claim 9 relates to a method. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.
  • the at least one heating zone is formed with at least one pair of rollers or at least one pair of heating elements, which are in electrically conductive contact with fibers.
  • a roller or a heating element to a pole of an electrical voltage source and the connection of the respective other roller or the respective other heating element of the respective pair of rollers or heating element to the respective other pole of the electrical voltage source is an electrical resistance heating of the fibers.
  • the rollers of a pair of rollers or the heating elements of a heating element pair are arranged at a distance from each other.
  • the temperature increase of fibers achieved by means of electrical resistance heating leads to a further carbonization, possibly even to graphitization of the fibers.
  • the fibers or a textile structure are thereby moved in a suitable form both by the continuous furnace, as well as by the device with the at least one heating zone. By appropriate measures, the feed rate can be kept constant throughout the thermal treatment.
  • the device should be flanged directly to the continuous furnace or connected directly to the continuous furnace so that a reduction in the maximum temperature of Fibers that has been achieved during the partial carbonization in the continuous furnace is avoided or that, however, at least this maximum temperature only by a maximum 5%, preferably by a maximum of 3% is exceeded, before a further increase in the temperature takes place by electrical resistance heating.
  • the heating zone which is directly connected to the continuous furnace, should be formed with a hollow cylindrical or hollow polygonal housing so that this housing to the geometry of the connection to the continuous furnace and to the area where the electrical resistance heating with rollers or heating elements arranged are, with its geometry adapted.
  • This housing is preferably provided on its inner surface, particularly preferably on the entire inner surface with heat radiation in the interior of the housing reflective elements.
  • a system for spreading untwisted fibers can be arranged in front of the inlet into the continuous furnace and / or in front of the heating zone arranged immediately after the continuous furnace.
  • This system should be designed so that juxtaposed fibers are fanned at a distance from one another and brought into contact with the respective surfaces of the rollers or heating elements.
  • a thermal shock of the partially carbonized fibers and a leading cooling of the fibers can be avoided. Without the measures against the reduction of the temperature of the fibers, due to the production-related large surface of the continuous carbonation in the partially carbonized fibers, cool very quickly at a great rate, in a thermal shock fibers could even be destroyed or significantly damaged. In general, however, the production-related large surfaces would be damaged by leaking from the interior of fibers gases, so that the mechanical properties are drastically deteriorated, which can be avoided with the invention.
  • fiber is to be used and also understood to mean a textile structure formed from these fibers, such as, for example, a woven fabric, knitted fabric, scrim or braid.
  • measuring rollers or measuring contacts can act on fibers with which the electrical conductivity of fibers for regulating the heating of the fibers can be determined.
  • the control can be carried out for all used modules of the system.
  • the feed rate of the fibers can also be controlled.
  • the fibers are guided between pairs of rollers and two successively arranged in the feed direction of the fibers roller pairs each connected to a pole of an electrical voltage source.
  • the fibers are guided around oppositely arranged surface areas of at least two rollers arranged in the feed movement direction of the fibers and the two rollers are each connected to a pole of an electrical voltage source.
  • the at least two rollers can be moved parallel to each other, whereby the way the fibers travel between the respective two rollers in the advancing movement and the time required for this can be changed. It can thus be additionally influenced on the heating of the fibers, without the electric power and in particular the electric current in the electrical resistance heating must be changed necessarily.
  • the mutually parallel axes of rotation of the at least two rollers can be arranged in different planes, so that they can be arranged offset from one another in at least two axes.
  • the fiber (s) can be passed through the thermally insulated heating elements.
  • a plurality of heating zones for successive heating of the fibers in the feed movement direction may be present.
  • the heating zones can be combined with each other in series and combined in an advantageous order, wherein the respective device can be constructed horizontally, vertically or U-shaped.
  • the precursor material to be carbonized (in particular preoxidized material in the form of fibers, one or more parallel adjacent continuous filament yarns or rovings (fiber cable) or textile fabrics) is led out on one end side of the device and on the other end side.
  • the inert gases customary for carbonation should be used.
  • the precursor material may be conventionally prepared fiber material as known in the art.
  • the process of the present invention can be configured variably for all three fiber classes (Table 1).
  • an electric resistance heating electrical direct or alternating electrical current can flow through the fibers to be heated.
  • a heating zone which may preferably consist of graphite and outside a tube (eg quartz glass, graphite) are cold - an electrical voltage can be applied, is heated by the electrical current flow through the fibers, the fiber material ,
  • the fiber material should rest as completely and homogeneously as possible on the roll surfaces in order to keep the electrical contact resistances as small as possible.
  • systems for aligning and positioning the fibers, in particular spreader rolls may be used in front of the heating rollers or heating elements. orders be.
  • the top rollers can be placed on the electric current-carrying bottom rollers with a constant line pressure, z. B.
  • the roll or heater spacing may be changed between the respective pairs connected to an electrical power source.
  • the yarn tension of the fibers can be adjusted separately in the continuous furnace and preferably in each heating zone, for example by selecting the rotational speeds of the respective input and output roller pair.
  • pipe lining can be carried out by means of temperature-resistant reflectors / mirrors.
  • An electrical resistance heater can be controlled and / or regulated online. This allows you to set the carbonation or graphitization levels defined.
  • the control and / or regulation can preferably be carried out in the last heating zone in each case in the feed direction of the fibers.
  • the measuring roller pair or the measuring contact pair for the control can be arranged in front of spreader rollers.
  • a measuring roller or measuring contact pair for controlling the feed rate and / or the electric current for the electrical resistance heating of the fibers can advantageously be arranged immediately after the exit of a heating zone, preferably the last heating zone in the advancing movement direction.
  • the measuring rollers or measuring contacts can detect the electrical resistance of the electrically conductive fibers and, based on this, emit a control or regulating signal for changing the amperage (voltage) characteristic on the heated rollers or heating elements, so that in the case of deviations of the electrical resistance from the desired value directly in the process can be intervened to ensure a constant degree of carbonation or grapitis.
  • This is readily possible up to a carbonization temperature of, for example, about 1300 ° C. (PAN precursors) and beyond.
  • the carbonization or Graphitization can be carried out here up to a constant electrical resistance (a constant degree of carbonization or graphitization), possibly fluctuations of the fiber diameter and resulting different electrical resistances can be compensated.
  • the electrical resistance heating can also be used at
  • Carbonisation or graphitization temperatures are safely used up to 2450 ° C and even up to 3000 ° C.
  • the process control can, for example, indirectly via a temperature measurement, e.g. by pyrometer or by measurement with thermal imaging camera through viewing window done.
  • Pre-stabilized fiber material as a precursor material can first be passed through a development through a continuous furnace in which the fiber material is heated by radiation and convection and made more electrically conductive. This reduces the electrical resistance, so that the partially carbonized fibers can be further carbonized by electrical resistance heating and even graphitized.
  • measuring points for determining the electrical conductivity of fibers can advantageously be present. Measuring parts do not have to attack all fibers. It may be sufficient to determine the electrical conductivity only on one or more selected fibers and to use this for controlling the process of carbonization or graphitization.
  • a lubrication device In the advancing movement direction, a lubrication device can be arranged after the device before winding.
  • the device can be extended by an additional module for stabilization.
  • This should preferably consist of a microwave plasma module in 02 atmosphere.
  • the heating of the fibers with stationary rollers which do not rotate, take place.
  • the non-rotating rollers can be moved translationally, so that the respective axis of the respective central longitudinal axis of the respective roller can be moved.
  • the distance between the middle longitudinal axes and thus also the distance of the surfaces of two juxtaposed rolls are changed.
  • the distance between heating elements of at least one heating element pair can be varied so that the changed distance of rollers or heating elements of a pair is also a controlled variable in addition to the electrical current and / or the electrical voltage.
  • other suitable means may be used, such as roller pairs, between which the fibers are transported, may be.
  • the electrical voltage used for heating can not be effective at points, but on the entire surface of rollers or heating elements over which the fiber materials (fiber optic cable, filament yarn, flexible surface) are guided, be effective.
  • a stationary roller may consist of a flexible heating band (hollow roller).
  • One of the two rollers of a roller pair (or both) can be mounted vertically displaceable in order to adjust the fiber length between the two rollers and thus additionally to be able to influence the heat energy transferred into the fiber.
  • the structure can be modular.
  • a combined control and regulation of the electrical current (voltage) can be integrated, as has already been described above.
  • a pair of rollers for transporting the material can also be a feed-in table, which is adapted to the material engraving, z. B. grooves, may have, are used.
  • the design of the heating elements can also be carried out in the case of fibers and in particular flexible surfaces of small width such that the materials are not guided along the surface of the heating surfaces but through the interior of heating elements which provide electrical contacts for the connection of electrical current are. These contacts can be arranged one after the other in the advancing movement direction. Several such rollers or heating elements can be arranged one after the other and with several contacts by electrical resistance heating a gradual heating of the fibers can be achieved.
  • Heating elements may have a different geometry, e.g. have a circular or semi-circular cross-section, so that the translationally moving fibers from the Schuelementwandung, which is preferably thermally insulated, are at least partially enclosed and the fibers are passed through small arranged on the end faces of the heating elements openings through the heating elements.
  • the length can be adjusted to the desired feed rate of the fiber (s) (the longer the heating elements are, the higher the feed rate can be).
  • additional fiber guiding elements e.g. with spring force imprinted, due to the contact force itself rotating rollers, are used.
  • the structure can be modular.
  • a combined control and regulation of the current (voltage) can be integrated, as already described above.
  • the heat energy remains in the heating element and thus in a limited volume. This results in a higher efficiency and the reduction of required heating energy.
  • the cost of heat insulation can be reduced. It can be a quartz glass tube instead of a graphite tube also at
  • Carbonization temperatures above 1250 ° C are used.
  • the feed rate at which the fibers are moved through individual heating zones can be regulated or controlled in the individual heating zones.
  • buffers should be provided for the fibers between heating zones, which are arranged one after the other in the feed movement direction.
  • the fibers can be rolled up and stored in rolled form before they are arranged one below
  • Heating zone to be supplied This is usually the case when, in the advancing direction of movement, a heating zone operating at a higher feed rate is arranged in front of a heating zone through which the fibers are moved at a lower feed rate.
  • the energy requirement can be significantly reduced, so that even for the entire modification of the precursor fibers used to finished fiber can be achieved in a significantly reduced time.
  • the required space can be reduced, since a shortening of the length of the device is possible.
  • defined heating rates may also be maintained without intermediate cooling.
  • the controllability of the entire process as well as the degree of carbonation or graphitization and thus the structural or mechanical properties in defined, precursor-dependent temperature windows can be achieved by improved online process control.
  • differently configured carbon fibers can be manufactured with a device modified in this way.
  • Figure 1 in schematic form an example of a device with three
  • Figure 2 shows in schematic form another example of a device with two heating zones for electrical resistance heating
  • FIG. 3 in schematic form another example with two heating zones for electrical resistance heating.
  • FIG. 1 of a device according to the invention with a continuous furnace 1 which is connected to a device which has three heating zones for electrical resistance heating, fibers 3 in the continuous furnace 1 are partially carbonized, thereby increasing their electrical conductivity.
  • the fibers 3 are conveyed by means of two pairs of rollers 12.
  • each pair of rollers 12 Between the two pairs of rollers 12 at a distance from each other two pairs of rollers 2 are arranged, of which in each case at least one roller 2 of a pair of rollers in which between the rollers 2, 2 ', 2 "fibers 3 are guided and with the roller surfaces in touching contact
  • the example shown is in each case an electric DC voltage source, in which a pole at one or both in the direction of advance movement of the fibers 3 front and a pole to the rollers arranged thereafter 2, 2 'and 2 ", so that an electric current sufficiently large enough to be heated flows through the fibers 3 between the rollers 2 or 2 ', 2", the temperature increase achievable thereby being influenced by the electric current and the electrical conductivity of the fibers 3.
  • the fibers 3 are heated in the continuous furnace 1 due to convection and thermal radiation to a temperature of about 700 ° C and thereby partially carbonized.
  • the electrical resistance of the partially carbonized fibers 3 reached about 100 ⁇ / cm.
  • an inlet and an outlet for an inert gas, in particular nitrogen is present, at temperatures above 2000 ° C should argon be supplied as inert gas.
  • the precursor fibers introduced into the continuous furnace 1 are oxidation stabilized polyacrylonitrile (PAN) fibers.
  • PAN oxidation stabilized polyacrylonitrile
  • heating zones 1 to 3 are arranged one after the other in the feed movement direction, so that a stepwise increase in temperature can be achieved. It is observed in the heating zones 1 and 2 in a nitrogen atmosphere, since here the
  • heating zone 3 is a
  • Argon atmosphere maintained at carbonation temperatures above 2000 ° C.
  • the gas flow can take place both in the advancing direction of movement of the fibers 3 and at an obliquely inclined angle or perpendicularly with respect to the advancing movement direction of the fibers 3.
  • the electrical heating zones 1 to 3 are located in a housing with thermal insulation 16.
  • a heating zone 1 with an electrical voltage of 20 to 50 V and an electric current of 2.5 A to 20 A can be worked on the rollers 2 at a feed rate of greater than 6 m / h.
  • examinations with fibers stabilized in this way could be carried out while maintaining an electrical voltage of 30 V and an electrical current flow of 16 A at a distance of the contact surfaces of the fibers 3 with the rollers of the roller pair 2 of the heating zone 1 of 50 mm, in which a
  • the heating zone 3 was at the same distance of the contact surfaces of the fibers 3 with the rollers of the roller pair 2 "of the heating zone 3 of 50 mm when applying an electrical voltage of 40 V and an electrical current flow of 35 A, a temperature of 2400 ° C at a power consumption reached from 1430 W.
  • At least one fiber formed from a polymeric material is introduced into a heating device via an inlet lock element and can be carried out from the heating device via an outlet lock element.
  • a traction device With a traction device a predetermined voltage of at least one fiber is maintained.
  • the heating device is designed such that a successively higher temperature results from the inlet lock element to the outlet lock element. There is an inert atmosphere in the heater complied with.
  • FIG. 2 shows a further example of a device with a device for electrical resistance heating of fibers 3. It was dispensed with the presentation of the continuous furnace 1.
  • the device can be flanged as in the example of Figure 1 to the continuous furnace or integrated into the continuous furnace.
  • fibers 3 are guided over in this example measuring rollers 11, with which an electrical current pick-up for the determination of the electrical conductivity of the fibers 3 can take place. But also sliding contacts, which are pressed against the fibers 3 are used.
  • a feed roller pair 12 in the advancing movement direction of which the fibers 3 are connected via the surfaces of two successively arranged rollers 13 and 13 ', which form a pair of rollers of a heating zone and are each connected to a pole of an electrical DC voltage source (not shown).
  • an electrical current flow via the electrically conductive surfaces of the rollers 13 and 13 'and the fibers 3 take place, due to the electrical resistance of the fibers 3 to a heating of the fibers 3 in the region of the rollers 13 and 13' from the first contacting contact of the fibers 3 with the surface of the forward direction of movement of the fibers 13 front roller 13 and the last contacting contact of the fibers 3 with the surface of the behind arranged roller 13 'can be achieved.
  • the fibers 3 are hereby guided around the surfaces of the rollers 13 and 13 'such that they are guided by oppositely arranged surfaces and are in contact therewith. Thereby, the surface of fibers 3, which are simultaneously in direct contact with the electrically conductive surface of the rollers 13 and 13 ', can be increased, thereby improving the electrical current flow and the electric resistance heating with the between two rollers 13 and 13'. flowing electric current achievable increase in temperature of the fibers 3 are increased.
  • the axes of rotation or central longitudinal axes of the rolls 13 and 13 'of a pair of rolls can each be arranged in different planes, so that the contact surface between the roll surface and the fibers 3 can be further increased.
  • rollers 13 and / or 13 'in this example can be moved translationally here vertically, whereby an adjustment of the feed rate, the respective length of the fibers 3, which is influenced by the electrical resistance heating, and / or the tensile stress with which the fibers 3 can be acted upon, can be achieved.
  • take-off roll system 14 here with three rolls, one of which serves for deflecting and the pair of rolls for conveying the fibers 3.
  • a measuring roller pair 11 is again arranged, with which determines the electrical conductivity of the fibers 3 together with the front in the feed direction of the pair of measuring rollers 11 and can be used for controlling the electric current and / or the feed rate of the fibers 3.
  • the rollers 13 and 13 ' may be fixed so that they do not rotate. However, there is the optional possibility that they can be moved in translation. The feed movement of the fibers 3 can then be realized alone with the roller pairs 12 and 14. By changing the distance of the central longitudinal axes of juxtaposed rollers 13 and 13 ', the path the fibers 3 travel back can be changed, so that the time in which the fibers 3 are influenced by the electric current flow, can be varied.
  • the device can also be flanged to the continuous furnace as in the example of Figure 1 or integrated into the continuous furnace.
  • a pair of measuring rollers 11 which can be used again in conjunction with the pair of measuring rollers 11 at the very end to determine the electrical conductivity of the fibers 3 is again arranged in the advancing direction of movement of the fibers 3.
  • Heating element pairs 15 and 15 ' with which a uniform feed movement of the fibers 3 can be achieved.
  • the rollers 11, 12 and the heating elements 15 and 15 ' are rigidly fixed. This is also the case with all rolls of the example according to FIG.
  • the heating elements 15 and 15 'of at least one pair of heating elements can be designed so that the distance between the heating elements 15 and 15' changes and this as a control variable for the heating and carbonization or
  • Graphitization of the fibers 3 can be used.
  • FIG. 3 also shows sectional views through heating elements 15 or 15 'from which it becomes clear how the electrical contacting of the fibers 3 takes place and how the thermal insulation 16 can be formed.
  • Cyclized (stabilized) polyacrylonitrile (PAN), as is known in the art, can be used as the starting material for carbonization. Properties of this polymer are listed below:

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Karbonisierung oder Graphitisierung von Kohlenstoff enthaltenden Fasern, bei der Fasern durch einen Durchlaufofen geführt werden, in dem eine teilweise Vorkarbonisierung erfolgt. Innerhalb des Durchlaufofens oder unmittelbar im Anschluss an den Durchlaufofen ist mindestens eine eine Heizzone aufweisende Einrichtung angeordnet, durch die die Fasern im Anschluss an die erreichte teilweise Vorkarbonisierung geführt sind. Die mindestens eine Heizzone ist mit mindestens einem Walzenpaar oder mindestens einem Heizelementepaar gebildet, die mit Fasern in elektrisch leitendem Kontakt stehen und infolge des Anschlusses einer Walze oder eines Heizelements an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle und des Anschlusses der jeweils anderen Walze oder des jeweils anderen Heizelements des jeweiligen Walzen- oder Heizelementepaares an den jeweils anderen Pol der elektrischen Spannungsquelle eine elektrische Widerstandsbeheizung der Fasern erfolgt und die Walzeneines Walzenpaars oder die Heizelemente eines Heizelementepaares in einem Abstand zueinander angeordnet sind, die zu einer weiteren Karbonisierung der Fasern führt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Karbonisierung oder Graphitisierung von Kohlenstoff enthaltenden Fasern oder einem mit Kohlenstoff enthaltenden Fasern gebildeten textilen Gebilde
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Karbonisierung oder Graphitisierung von Kohlenstoff enthaltenden Fasern oder einem mit Kohlenstoff enthaltenden Fasern gebildeten textilen Gebilde. Dabei können je nach erreichter Endtemperatur Kohlenstofffasern oder graphitisierte Fasern hergestellt werden.
Bei der herkömmlichen Herstellung von Kohlenstofffasern verringert sich der Wirkungsgrad der konventionellen Karbonisierungsdurchlauföfen mit steigender Temperatur, wodurch die Prozess- und damit die Herstellungskosten für Kohlenstofffasern steigen. Um die Faserkosten einigermaßen wettbewerbsfähig gegenüber alternativen Leichtbaumaterialien zu machen, werden insbesondere im Automobilbau HT (high tenacity)-Fasern eingesetzt, deren maxi- male Karbonisierungstemperatur zwischen 1200 °C und 1500 °C liegt. Für bestimmte Anforderungen bzw. Einsatzbereiche (insbesondere Luft- und Raumfahrt, Sport (z. B. Hochleistungssportgeräte), Transport, Konstruktion (z. B. Industriewalzen), Medizin, Energie, usw.) werden jedoch Fasern mit höherem Zug-E-Modul (IM (intermediate modulus)/ oder HM (high modulus)) / ggf. mit negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten benötigt, deren Herstellung höhere Karbonisierungstemperaturen erfordert (IM-Typ:1.500 °C bis 1.800 °C, HM-Typ: 1800 °C bis 3.000 °C). Die letztgenannten Fasern sind dann zumindest teilweise graphitisiert.
Da mit der konventionellen Ofentechnologie die Heizraten nicht beliebig erhöht werden können, wird sich vorrangig auf die Herstellung von Kohlenstofffasern des HT-Typs konzentriert, der wahrscheinlich bald den Standard- Carbonfasertyp bildet. Die hohen Energiekosten und damit die hohen Faserpreise der IM- und HM-Typen sind z.B. im Automobilbau mit den herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht wettbewerbsfähig.
Für eine flexiblere Gestaltung der mechanischen Eigenschaften (Faserzugfestigkeit steigt bis ca. 1500 °C und sinkt anschließend bei weiter steigendem Zug-E-Modul wieder) ist es unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit/des Preises für den Einsatz in oben aufgeführten Bereichen erforderlich, den Energie- und Zeitaufwand des Herstellungsprozesses insbesondere bei den hohen Karbonisierungstemperaturen zu reduzieren.
Da bekannt ist, dass oberhalb 900 °C bis zu einer Temperatur von 3000 °C mit Heizraten von mehreren 100 K/min ohne Qualitätseinbußen gearbeitet werden kann, sollen alternative Heizverfahren mit höheren Aufheizraten eingesetzt werden können, die die Energie direkt (anstatt konvektiv) auf die Faser übertragen und damit zu einer schnelleren Aufheizung mit höherem Wirkungsgrad führen. Dadurch kann eine Kostensenkung im
Karbonisierungsprozess um bis zu 25 % erzielt werden. Damit kann ein Hauptnachteil des Einsatzes von Kohlenstofffasern - nämlich der hohe Preis - reduziert und die Fasern können besser in ihren mechanischen Eigenschaften/thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf die Produktanforderungen abgestimmt werden. Am häufigsten werden als Precursor Polyacryl-Nitril- Fasern (PAN) eingesetzt. Es können aber auch andere Precursoren, die mit anderen Kohlenwasserstoffverbindungen sowie mit Kohlenwasserstoffe enthaltende Verbindungen gebildet sind, eingesetzt und mit angepassten Prozessparametern angewandt werden. So können beispielsweise auch Polyolefine wie Polyethylen, Zellulose,
Lignin, Polyvinylchlorid, Phenole und deren Copolymere eingesetzt werden.
So ist es in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2015 204 589 beschrieben, dass der konventionelle Karbonisierungsprozess auch bei Temperaturen über 1150 °C durchgeführt werden kann. Darüber hinaus sind alternative Verfahren für höhere Heizraten und größere Prozesseffizienz durch direkte Wärmeenergieübertragung anstatt der indirekten konvektiven Wärmeenergieübertragung beschrieben: · Karbonisierung mittels Laser
• Karbonisierung mittels Elektronenstrahlen
• Karbonisierung mittels Mikrowellenplasma
• Karbonisierung mittels elektrischer Widerstandsheizung: Eine Erwärmung durch Anlegen einer elektrischen Spannung, wie dies bei einer elektrischen Widerstandsheizung durchgeführt wird, setzt eine elektrische Mindestleitfähigkeit der weiter zu erwärmenden Fasern voraus, die nach dem Stabilisieren konventioneller Precursoren noch nicht vorhanden ist (elektrische Leitfähigkeit im ΜΩ-Bereich). Es ist daher eine vorgeschaltete erste Karbonisierungszone bis zu einer Temperatur von mindestens 600 °C (PAN-
Precursoren) erforderlich, um elektrische Widerstände der Fasern im unteren kQ-Bereich zu erreichen, die eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit ermöglichen. Der elektrische Widerstand für PAN-Precursorfasern kann im Bereich bis 1200 °C reduziert werden.
Es ist auch bekannt, dass die Karbonisierungstemperatur die entscheidende Prozessgröße ist, während die Karbonisierungsatmosphäre (N2, H2, Ar, Vakuum) und Vorspannung der Fasern während des Stabilisierens nur von untergeordneter Bedeutung sind. Während der zur Karbonisierung führenden thermischen Behandlung muss jedoch eine Atmosphäre eingehalten werden, bei der für den Kohlenstoff inerte Bedingungen eingehalten sind. Außerdem ist es bekannt, dass sich die elektrische Leitfähigkeit bis ca. 1300 °C erhöht. Diese bleibt anschließend bei höheren Temperaturen nahezu konstant. Das heißt, dass der elektrische Widerstand als Parameter zur Online- Qualitätskontrolle nur bis zu einer Temperatur von 1300 °C eingesetzt werden kann.
Es ist davon auszugehen, dass jedes Material (abhängig von
Precursorpolymertyp, Faserfeinheit, Aufmachungsform (Filamentkabel, Flächengebilde)) eine spezifische elektrische Widerstandskurve aufweist, so dass zu empfehlen ist, diese mittels online-Messung zu ermitteln, wobei der elektrische Widerstand immer temperaturabhängig ist (Arrhenius-Gleichung).
Die oben genannten Verfahren wurden jeweils als separate Prozesse entwickelt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von karbonisierten oder graphitisierten Fasern oder von mit diesen Fasern gebildeten textilen Gebilden anzugeben, mit denen der Energiebedarf reduziert und/oder die für die Herstellung erforderliche Zeit reduziert werden kann, wobei außerdem die jeweils erforderliche Qualität eingehalten werden kann und gewünschte mechanische Parameter erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anlage, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 9 betrifft ein Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von karbonisierten oder gar graphitisierten Fasern werden Kohlenstoff enthaltende Fasern oder ein textiles Gebilde aus solchen Fasern in bereits stabilisierter Form als Vorprodukt durch einen herkömmlichen Durchlaufofen hindurchgeführt und auf eine Temperatur von mindestens 700 °C, bevorzugt mindestens 800 °C erwärmt. Dabei erfolgt eine teilweise Karbonisierung der Fasern. Die elektrische Leitfähigkeit der Fasern erhöht sich dabei in ausreichendem Maß, so dass mit einer innerhalb des Durchlaufofens oder unmittelbar im Anschluss an den Durchlaufofen angeordneten mindestens eine eine Heizzone aufweisenden Einrichtung, durch die die Fasern oder das textile Gebilde im Anschluss an die erreichte teilweise Vorkarbonisierung geführt sind/ist, eine weitere Erwärmung auf höhere Temperaturen erreicht werden kann.
Die mindestens eine Heizzone ist dabei mit mindestens einem Walzenpaar oder mindestens einem Heizelementepaar gebildet, die mit Fasern in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Infolge des Anschlusses einer Walze oder eines Heizelements an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle und des Anschlusses der jeweils anderen Walze oder des jeweils anderen Heizelements des jeweiligen Walzen- oder Heizelementepaares an den jeweils anderen Pol der elektrischen Spannungsquelle erfolgt eine elektrische Widerstandsbeheizung der Fasern. Die Walzen eines Walzenpaars oder die Heizelemente eines Heizelementepaares sind dabei in einem Abstand zueinander angeordnet. Durch die mittels elektrischer Widerstandsheizung erreichte Temperaturerhöhung von Fasern kommt es zu einer weiteren Karbonisierung ggf. bis hin zu einer Graphitisierung der Fasern. Die Fasern bzw. ein textiles Gebilde werden dabei in geeigneter Form sowohl durch den Durchlaufofen, wie auch durch die Einrichtung mit der mindestens einen Heizzone bewegt. Durch entsprechende Maßnahmen kann die Vorschubgeschwindigkeit während der gesamten thermischen Behandlung konstant gehalten werden.
Sollte dies mit einer entsprechenden Regelung, insbesondere in der einen oder mehreren Heizzonen nicht möglich sein, können unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten bei der Bewegung durch den Durchlaufofen und die einzelnen Heizzonen gewählt werden. In diesem Fall sollten Puffer zwischen der Erwärmung im Durchlaufofen, der nachfolgend angeordneten Heizzone oder zwischen Heizzonen eingesetzt werden.
Insbesondere dann, wenn eine Einrichtung, in der eine elektrische Widerstandsheizung der Fasern erreicht werden soll, nicht in einen Durchlaufofen integriert werden kann, sollte die Einrichtung direkt an den Durchlaufofen angeflanscht oder direkt mit dem Durchlaufofen so verbunden sein, dass eine Reduzierung der maximalen Temperatur der Fasern, die während der teilweisen Karbonisierung im Durchlaufofen erreicht worden ist, vermieden wird oder dass jedoch zumindest diese maximale Temperatur lediglich um maximal 5 %, bevorzugt um maximal 3 % unterschritten wird, bevor eine weitere Erhöhung der Temperatur durch elektrische Widerstandsheizung erfolgt.
Die Heizzone, die unmittelbar mit dem Durchlaufofen verbunden ist, sollte mit einem hohlzylindrischen oder innen hohlen mehreckigen Gehäuse so ausgebildet sein, dass dieses Gehäuse an die Geometrie des Anschlusses an den Durchlaufofen sowie an den Bereich, in dem die elektrische Widerstandsheizung mit Walzen oder Heizelementen angeordnet sind, mit seiner Geometrie angepasst ist. Dieses Gehäuse ist bevorzugt an seiner inneren Oberfläche, besonders bevorzugt an der gesamten inneren Oberfläche mit Wärmestrahlung in das Innere des Gehäuses reflektierenden Elementen versehen.
Vorteilhaft kann vor dem Einlass in den Durchlaufofen und/oder vor der unmittelbar im Anschluss an den Durchlaufofen angeordneten Heizzone ein System zum Aufspreizen von unverdrillten Fasern angeordnet sein. Dieses System sollte so ausgebildet sein, dass nebeneinander angeordnete Fasern in einem Abstand zueinander aufgefächert sind und mit den jeweiligen Oberflächen der Walzen oder Heizelemente in berührendem Kontakt gebracht werden. Dadurch kann neben der Reduzierung des elektrischen Übergangswiderstands zwischen den Fasern und den Oberflächen von Walzen bzw. Heizelementen auch eine Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Fasern oder eine andere unerwünschte gegenseitige Beeinflussung von Fasern während der Erwärmung durch elektrische Widerstandsheizung erreicht werden.
Durch eine Integration oder einen direkten Anschluss einer Einrichtung mit mindestens einer Heizzone zur elektrischen Widerstandsheizung an einen Durchlaufofen kann ein thermischer Schock der teilweise karbonisierten Fasern und eine dazu führende Abkühlung der Fasern vermieden werden. Ohne die Maßnahmen gegen die Reduzierung der Temperatur der Fasern , die bedingt durch die herstellungsbedingt große Oberfläche der im Durchlaufofen teilweise karbonisierten Fasern, sehr schnell mit großer Rate abkühlen, würden bei einem thermischen Schock Fasern sogar zerstört oder erheblich beschädigt werden können. In der Regel würden aber die herstellungsbedingt großen Oberflächen durch aus dem Inneren von Fasern austretenden Gase geschädigt werden, so dass die mechanischen Eigenschaften drastisch verschlechtert werden, was mit der Erfindung vermieden werden kann. Nachfolgend soll ausschließlich der Begriff Faser genutzt und darunter auch ein aus diesen Fasern gebildetes textiles Gebilde, wie beispielsweise ein Gewebe, Gewirk, Gelege oder Geflecht verstanden werden.
An einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können bei einer Einrichtung, die zur elektrischen Widerstandsheizung ausgebildet ist, Messwalzen oder Messkontakte an Fasern angreifen, mit denen die elektrische Leitfähigkeit von Fasern für eine Regelung der Erwärmung der Fasern bestimmbar ist. Die Regelung kann dabei für alle genutzten Module der Anlage erfolgen. Neben der Regelung der für die Erwärmung genutzten Leistung kann auch die Vorschubgeschwindigkeit der Fasern geregelt werden.
In einer Ausführungsform einer Einrichtung mit mindestens einer Heizzone zur Erwärmung der Fasern mittels elektrischer Widerstandsheizung sind die Fasern zwischen Walzenpaaren hindurch geführt und zwei in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern nacheinander angeordnete Walzenpaare jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen.
In einer anderen Ausführungsform einer solchen Einrichtung sind die Fasern um entgegengesetzt zueinander angeordnete Oberflächenbereiche von mindestens zwei in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern angeordneten Walzen geführt und die zwei Walzen jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen. Bei dieser Ausführungsform können die mindestens zwei Walzen parallel zueinander bewegt werden, wodurch der Weg den die Fasern zwischen den jeweiligen zwei Walzen bei der Vorschubbewegung zurücklegen und die entsprechend dazu erforderliche Zeit verändert werden kann. Es kann so zusätzlich Einfluss auf die Erwärmung der Fasern genommen werden, ohne dass die elektrische Leistung und insbesondere der elektrische Strom bei der elektrischen Widerstandsheizung zwingend verändert werden muss. Allein oder zusätzlich dazu können die parallel zueinander ausgerichteten Rotationsachsen der mindestens zwei Walzen in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein, so dass sie in mindestens zwei Achsen zueinander versetzt angeordnet sein können.
Es besteht auch die Möglichkeit, bei einer Einrichtung mit mindestens einer Heizzone, die zur elektrischen Widerstandsheizung ausgebildet ist, dass in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern mehrere Heizelemente nacheinander angeordnet sind und dabei jeweils zwei nebeneinander angeordnete Heizelemente an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen sind. Vorteilhaft kann/können die Faser(n) durch die thermisch isolierten Heizelemente hindurch geführt werden.
Vorteilhaft können mehrere Heizzonen zur sukzessiven Erwärmung der Fasern in Vorschubbewegungsrichtung vorhanden sein.
Die Heizzonen können miteinander in Reihe und dabei in vorteilhafter Reihenfolge kombiniert angeordnet werden, wobei die jeweilige Vorrichtung horizontal, vertikal oder U-förmig aufgebaut sein kann. Das zu karbonisierende Precursormaterial (insbesondere voroxidiertes Material in Form von Fasern, ein oder mehrere parallel nebeneinanderliegende Endlosfilamentgarne oder Rovings (Faserkabel) oder textile Flächengebilde) wird an einer Stirnseite der Vorrichtung hinein und auf der anderen Stirnseite herausgeführt. Dabei sollte generell mit den bei der Karbonisierung üblichen Inertgasen gearbeitet werden. Das Precursormaterial kann in üblicher Weise vorbereitetes Fasermaterial sein, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Je nach Ausgangsprecursormaterial und dessen elektrischer Leitfähigkeit sowie den Karbonisierungsanforderungen kann das Verfahren mit vorliegender Erfindung variabel für alle drei Faserklassen (Tabelle 1) gestaltet werden.
Bei einer elektrischen Widerstandsheizung kann elektrischer Gleich- oder auch elektrischer Wechselstrom durch die zu erwärmenden Fasern fließen. Zwischen einem Eingangs- und Ausgangswalzenpaar einer Heizzone - die vorzugsweise aus Graphit bestehen können und außerhalb eines Rohres (z.B. aus Quarzglas, Graphit) kalt gelagert sind - kann eine elektrische Spannung angelegt werden, mit der durch den elektrischen Stromfluss durch die Fasern das Fasermaterial erwärmt wird. Das Fasermaterial sollte dabei möglichst vollständig und homogen auf den Walzenoberflächen aufliegen, um die elektrischen Übergangswiderstände so klein, wie möglich zu halten. Um dies zu erreichen, können vor den Heizwalzen oder Heizelementen Systeme zur Ausrichtung und Positionierung der Fasern, insbesondere Breithaltewalzen ange- ordnet sein. Die Oberwalzen können auf die elektrischen stromführenden Unterwalzen mit einem konstanten Liniendruck, z. B. durch Federkraft, ge- presst werden. Da durch die Karbonisierung in einer Zone 1 (s. Figur 1) das Fasermaterial elektrisch leitfähiger wird, kann in der jeweils nachfolgenden Zone 2 ggf. mit reduzierter elektrischer Stromstärke gearbeitet werden, um das Fasermaterial nicht zu überhitzen. Alternativ kann der Walzen- oder Heizelementabstand zwischen den an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossenen jeweiligen Paaren verändert werden. Die Fadenzugspannung der Fasern kann im Durchlaufofen und bevorzugt in jeder Heizzone beispielsweise durch die Wahl der Drehzahlen des jeweiligen Ein- und Ausgangswalzenpaares separat eingestellt werden.
Um die aus Konvektion und Strahlung resultierenden Wärmeverluste zu minimieren, kann eine Rohrauskleidung mittels temperaturbeständigen Reflektoren/Spiegeln erfolgen.
Eine elektrische Widerstandsheizung kann online gesteuert und/oder geregelt werden. Damit lassen sich die Karbonisierungs- oder Graphitisierungsgrade definiert einstellen.
Bevorzugt kann in der jeweils in Vorschubrichtung der Fasern letzten Heizzone die Steuerung und/oder Regelung durchgeführt werden. Das Messwalzenpaar oder das Messkontaktpaar für die Steuerung kann vor Breithaltewalzen angeordnet sein. Ein Messwalzen- oder Messkontaktpaar für die Regelung der Vorschubgeschwindigkeit und/oder des elektrischen Stromes für die elektrische Widerstandsheizung der Fasern kann vorteilhaft unmittelbar nach dem Ausgang einer Heizzone, bevorzugt der in Vorschubbewegungsrichtung letzten Heizzone angeordnet sein. Die Messwalzen oder Messkontakte können den elektrischen Widerstand der elektrisch leitenden Fasern erfassen und darauf aufbauend ein Steuer- oder Regelsignal für die Änderung des Stromstärke (Spannungs)-Nennwertes an den beheizten Walzen oder Heizelementen abgeben, so dass bei Abweichungen des elektrischen Widerstandes vom Sollwert direkt in den Prozess eingegriffen werden kann, um einen konstanten Karbonisierungs- oder Grapgitisierungsgrad zu sichern. Das ist bis zu einer Karbonisierungstemperatur von z.B. etwa 1300 °C (PAN-Precursoren) ohne Weiteres und darüber hinaus möglich. Die Karbonisierung bzw. Graphitisierung kann hier bis zu einem konstanten elektrischen Widerstand (einem konstanten Karbonisierungs- bzw. Graphitisierungsgrad) geführt werden, evtl. Schwankungen des Faserdurchmessers und daraus resultierende unterschiedliche elektrische Widerstände können ausgeglichen werden.
Die elektrische Widerstandsheizung kann darüber hinaus auch bei
Karbonisierungs- bzw. Graphitisierungstemperaturen sicher bis zu 2450 °C und sogar bis 3000 °C eingesetzt werden. Die Prozesskontrolle kann dabei beispielsweise indirekt über eine Temperaturmessung, z.B. mittels Pyrometer oder mit Messung mit Wärmebildkamera durch Sichtfenster, erfolgen.
Vorab stabilisiertes Fasermaterial als Precursormaterial kann zuerst von einer Abwicklung durch einen Durchlaufofen, in dem das Fasermaterial durch Strahlung und Konvektion erwärmt und elektrisch leitfähiger gemacht wird, hindurch geführt werden. Dadurch reduziert sich der elektrische Widerstand, so dass die so teilweise karbonisierten Fasern durch elektrische Widerstandsheizung weiter karbonisiert und sogar graphitisiert werden können. Am Einlauf in eine Heizzone und am Auslauf einer Heizzone zur elektrischen Widerstandsheizung können vorteilhaft Messstellen zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Fasern vorhanden sein. Messteilen müssen nicht an allen Fasern angreifen. Es kann genügen die elektrische Leitfähigkeit lediglich an einer Faser oder mehreren ausgewählten Fasern zu bestimmen und dies für eine Regelung des Prozesses der Karbonisierung bzw. Graphitisierung zu nutzen.
In Vorschubbewegungsrichtung kann im Anschluss an die Vorrichtung vor einer Aufwicklung eine Avivagevorrichtung angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann durch einen Zusatzmodul zur Stabilisierung erweitert werden. Dieser soll vorzugsweise aus einem Mikrowellenplasma-Modul in 02- Atmosphäre bestehen.
Anstelle rotierender Walzenpaare kann die Erwärmung der Fasern mit stationären Walzen, die nicht rotieren, erfolgen. Die nicht rotierenden Walzen können aber translatorisch bewegt werden, so dass die jeweilige Achse der jeweiligen mittleren Längsachse der jeweiligen Walze verschoben werden kann. So kann z.B. der Abstand zwischen den mittleren Längsachsen und damit auch der Abstand der Oberflächen von zwei nebeneinander angeordneten Walzen verändert werden. Selbstverständlich kann auch der Abstand von Heizelementen mindestens eines Heizelementepaares variiert werden, so dass der veränderte Abstand von Walzen oder Heizelementen eines Paares ebenfalls eine Regelgröße neben dem elektrischen Strom und/oder der elektrischen Spannung ist. Für die Vorschubbewegung der Fasern können dann andere geeignete Mittel eingesetzt werden, wie dies z.B. Walzenpaare, zwischen denen die Fasern transportiert werden, sein können.
Die zum Heizen eingesetzte elektrische Spannung kann dabei nicht punktuell, sondern auf der gesamten Oberfläche von Walzen oder Heizelementen, über die die Fasermaterialien (Faserkabel, Filamentgarn, flexible Fläche) geführt werden, wirksam sein.
Eine stationäre Walze kann aus einem flexiblen Heizband (Hohlwalze) bestehen. Eine der beiden Walzen eines Walzenpaares (oder beide) können vertikal verschiebbar gelagert sein, um die Faserlänge zwischen den beiden Walzen einstellen und damit zusätzlich die in die Faser übertragene Wärmeenergie beeinflussen zu können.
Der Aufbau kann modular sein. Vorzugsweise in der in Vorschubbewegungsrichtung letzten Heizzone kann eine kombinierte Steuerung und Regelung der elektrischen Stromstärke (Spannung) integriert werden, wie dies bereits vorab beschrieben worden ist.
Vorteile stationärer Walzen oder Heizelemente sind:
• einfachere Konstruktion
• geringere Wartung
• bessere Ausnutzung der Wärmeenergie zur Pyrolyse
• größere Fläche zur Wärmeübertragung sowie den elektrischen
Stromfluss und damit
• höhere Durchlaufgeschwindigkeiten.
Anstelle eines Walzenpaares zum Transport des Materials (Fasern, flexible Flächen) kann auch ein Einzugstisch, der eine auf das Material abgestimmte Gravur, z. B. Rillen, besitzen kann, eingesetzt werden.
Die Gestaltung der Heizelemente kann bei Fasern und insbesondere flexiblen Flächen geringer Breite auch so ausgeführt werden, dass die Materialien nicht auf der Oberfläche der Heizflächen entlang geführt werden, sondern durch das Innere von Heizelementen, die mit elektrischen Kontakten für den An- schluss elektrischen Stroms versehen sind. Diese Kontakte können in Vorschubbewegungsrichtung nacheinander angeordnet sein. Es können mehrere solcher Walzen oder Heizelemente nacheinander angeordnet sein und mit mehreren Kontakten durch elektrische Widerstandsheizung eine stufenweise Erwärmung der Fasern erreicht werden.
Heizelemente können eine unterschiedliche Geometrie, z.B. mit kreisrundem oder halbkreisförmigem Querschnitt aufweisen, so dass die translatorisch bewegten Fasern von der Heizelementwandung, die bevorzugt thermisch isoliert ist, zumindest teilweise umschlossen sind und die Fasern durch kleine an den Stirnseiten der Heizelemente angeordnete Öffnungen durch die Heizelemente hindurchgeführt werden. Die Länge kann an die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit der Faser(n) angepasst werden (Je länger die Heizelemente sind, desto höher kann die Vorschubgeschwindigkeit sein). Zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung der Fasern können zusätzliche Faserführungselemente, z.B. mit Federkraft aufgedrückte, infolge der Anpresskraft selbst rotierende Rollen, eingesetzt werden.
Der Aufbau kann modular sein. Vorzugsweise in der letzten Heizzone kann eine kombinierte Steuerung und Regelung der Stromstärke (Spannung) integriert werden, wie dies bereits vorab beschrieben ist.
Vorteile dieser Lösung im Vergleich zu Walzen sind:
Die Wärmeenergie bleibt im Heizelement und damit in einem begrenzten Volumen. Daraus resultieren ein höherer Wirkungsgrad und die Reduzierung von erforderlicher Heizenergie. Der Aufwand für die Wärmeisolierung kann so reduziert werden. Es kann ein Quarzglasrohr anstatt eines Graphitrohres auch bei
Karbonisierungstemperaturen über 1250 °C eingesetzt werden.
Es wurde bereits zumindest andeutungsweise zum Ausdruck gebracht, dass die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Fasern durch einzelne Heizzonen bewegt werden, in den einzelnen Heizzonen geregelt oder gesteuert werden kann. Außerdem kann es erforderlich sein, auch die Zugspannung, die auf die Fasern wirkt in den einzelnen Heizzonen unterschiedlich einzustellen. Dementsprechend kann es erforderlich und vorteilhaft sein, die Herstellung diskontinuierlich durchzuführen. Dabei sollten zwischen Heizzonen, die in Vorschubbewegungsrichtung nacheinander angeordnet sind, Puffer für die Fasern vorgesehen werden. Dazu können die Fasern aufgerollt und in gerollter Form zwischengelagert werden, bevor sie einer nachfolgend angeordneten
Heizzone zugeführt werden. Dies ist in der Regel der Fall, wenn in Vorschubbewegungsrichtung eine Heizzone, in dem mit größerer Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet wird, vor einer Heizzone, durch die die Fasern mit kleinerer Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden, angeordnet ist.
Mit der Erfindung kann der Energiebedarf deutlich vermindert werden, so dass auch die für die gesamte Modifizierung der eingesetzten Precursorfasern bis hin zu fertig hergestellten Faser in erheblich verkürzter Zeit erreicht werden kann. Der erforderliche Bauraum kann verringert werden, da eine Verkürzung der Länge der Vorrichtung möglich ist. Außerdem können definierte Heizraten ggf. auch ohne zwischenzeitliche Abkühlung eingehalten werden. Die Regelbarkeit des gesamten Prozesses sowie des Karbonisierungs- bzw. Graphitisierungsgrades und damit der strukturellen bzw. mechanischen Eigenschaften in definiertem, precursorabhängigen Temperaturfenstern kann durch verbesserte Online Prozesskontrolle erreicht werden.
Durch Anpassung oder Austausch von Heizzonen, die auch anders miteinander kombiniert werden können, was insbesondere die Reihenfolge in Vorschubbewegungsrichtung betrifft, können unterschiedlich konfigurierte Kohlenstofffasern mit einer so modifizierten Vorrichtung hergestellt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel einer Vorrichtung mit drei
Heizzonen zur elektrischen Widerstandsbeheizung;
Figur 2 in schematischer Form ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung mit zwei Heizzonen zur elektrischen Widerstandsbeheizung und
Figur 3 in schematischer Form ein weiteres Beispiel mit zwei Heizzonen zur elektrischen Widerstandsbeheizung.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Durchlaufofen 1 der mit einer Einrichtung, die drei Heizzonen zur elektrischen Widerstandsheizung aufweist, verbunden ist, werden Fasern 3 im Durchlaufofen 1 teilweise karbonisiert und dabei deren elektrische Leitfähigkeit erhöht. Die Fasern 3 werden mittels zweier Walzenpaare 12 gefördert. Zwischen den beiden Walzenpaaren 12 sind in einem Abstand zueinander zwei Walzenpaare mit Walzen 2 angeordnet, von denen jeweils mindestens eine Walze 2 eines Walzenpaares, bei dem zwischen den Walzen 2, 2', 2" Fasern 3 geführt sind und mit den Walzenoberflächen in berührendem Kontakt stehen, an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist. Bei dem gezeigten Beispiel handelt es sich jeweils um eine elektrische Gleichspannungsquelle, bei der ein Pol an eine oder beide in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 3 vorderen und ein Pol an die danach angeordneten Walzen 2, 2' bzw. 2" angeschlossen sind, so dass über die Fasern 3 zwischen den Walzen 2 bzw. 2', 2" ein für eine Erwärmung ausreichend großer elektrischer Strom fließt. Die dabei erreichbare Temperaturerhöhung wird durch den elektrischen Strom und die elektrische Leitfähigkeit der Fasern 3 beeinflusst.
Die Fasern 3 werden im Durchlaufofen 1 infolge Konvektion und Wärmestrahlung auf eine Temperatur von ca. 700 °C erwärmt und dabei teilweise karbonisiert. Der elektrische Widerstand der teilkarbonisierten Fasern 3 erreichte ca. 100 Ω/cm. Sowohl an den Durchlaufofen 1, wie auch an mindestens einer der drei Heizzonen 1 bis 3 ist eine Zu- und eine Abführung für ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff vorhanden, bei Temperaturen über 2000 °C sollte Argon als inertes Gas zugeführt werden.
Bei den Precursorfasern, die in den Durchlaufofen 1 eingeführt werden, handelt es sich um durch Oxidation stabilisierte Fasern aus Polyacrylnitril (PAN).
Wie aus Figur 1 erkennbar, sind bei dem gezeigten Beispiel drei Heizzonen 1 bis 3 in Vorschubbewegungsrichtung nacheinander angeordnet, so dass eine stufenweise Temperaturerhöhung erreicht werden kann. Dabei ist in den Heizzonen 1 und 2 in Stickstoffatmosphäre eingehalten, da hier die
Karbonisierungstemperaturen unter 2000 °C liegen. In Heizzone 3 ist eine
Argonatmosphäre bei Karbonisierungstemperaturen über 2000 °C eingehalten. Der Gasfluss kann sowohl in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 3 als auch in einem schräg geneigten Winkel oder senkrecht in Bezug zur Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 3 erfolgen. Die elektrischen Heizzonen 1 bis 3 befinden sich in einem Gehäuse mit thermischer Isolation 16.
Dabei kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erwähnt, der elektrische Strom bzw. die elektrische Leitfähigkeit der Fasern 3 zwischen oder direkt an Walzen 2, 2' oder 2" gemessen und für eine Regelung der zu erreichenden Temperatur herangezogen werden, wodurch Einfluss auf die
Eigenschaften der so erwärmten Fasern 3 genommen werden kann.
Üblicherweise kann bei einer Heizzone 1 mit einer elektrischen Spannung von 20 bis 50 V und einem elektrischen Strom von 2,5 A bis 20 A an den Walzen 2 bei einer Vorschubgeschwindigkeit von größer als 6 m/h gearbeitet werden.
So konnten Untersuchungen mit so stabilisierten Fasern 3 bei Einhaltung einer elektrischen Spannung von 30 V und einem elektrischen Stromfluss von 16 A bei einem Abstand der Kontaktflächen der Fasern 3 mit den Walzen des Wal- zenpaares 2 der Heizzone 1 von 50 mm durchgeführt werden, bei denen eine
Temperatur von 1300 °C erreicht werden konnte, die zu einer ausreichenden Karbonisierung führte. Die erforderliche Leistungsaufnahme lag dabei bei ca. 480 W. In der Heizzone 2 konnte bei gleichem Abstand der Kontaktflächen der Fasern
3 mit den Walzen des Walzenpaares 2" der Heizzone 2 von 50 mm bei Anle- gen einer elektrischen Spannung von 34 V und einem elektrischen Stromfluss von 25 A eine Temperatur von 1800 °C bei einer Leistungsaufnahme von 850 W erreicht werden.
In der Heizzone 3 wurde bei gleichem Abstand der Kontaktflächen der Fasern 3 mit den Walzen des Walzenpaares 2" der Heizzone 3 von 50 mm bei Anlegen einer elektrischen Spannung von 40 V und einem elektrischen Stromfluss von 35 A eine Temperatur von 2400 °C bei einer Leistungsaufnahme von 1430 W erreicht.
Analoge Werte können auch bei Einhaltung dieser Parameter mit
Heizelementepaaren 15 und 15' erreicht werden.
Bei dieser Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstofffasern ist mindestens eine aus einem polymeren Material gebildete Faser über ein Einlassschleusenelement in eine Heizeinrichtung ein- und aus der Heizeinrichtung über ein Auslassschleusenelement ausführbar. Mit einer Zugeinrichtung wird eine vorgebbare Spannung der mindestens einen Faser eingehalten ist. Die Heizeinrichtung ist so ausgebildet, dass sich eine sukzessiv höhere Temperatur ausgehend vom Einlassschleusenelement bis zum Auslassschleusenelement ergibt. Es ist eine inerte Atmosphäre in der Heizeinrichtung eingehalten.
Analog zu dem in Figur 1 gezeigten Beispiel können auch die nachfolgend beschriebenen Beispiele mit zusätzlichen Modulen ergänzt, zu einer Anlage kombiniert und bei der Herstellung von Kohlenstoff- oder graphitisierten Fasern 3 genutzt werden.
In Figur 2 ist ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung mit einer Einrichtung für eine elektrische Widerstandsheizung von Fasern 3 gezeigt. Dabei wurde auf die Darstellung des Durchlaufofens 1 verzichtet. Die Einrichtung kann wie beim Beispiel nach Figur 1 an den Durchlaufofen angeflanscht oder auch in den Durchlaufofen integriert sein.
Dabei werden Fasern 3 über bei diesem Beispiel Messwalzen 11 geführt, mit denen ein elektrischer Stromabgriff für die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern 3 erfolgen kann. Dafür können aber auch Schleifkontakte, die gegen die Fasern 3 gedrückt werden genutzt werden.
Daran schließt sich in Vorschubbewegungsrichtung ein Einzugswalzenpaar 12 an, von dem die Fasern 3 über die Oberflächen zweier nacheinander angeordneten Walzen 13 und 13' an, die ein Walzenpaar einer Heizzone lbilden und jeweils an einen Pol einer elektrischen Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen sind. So kann ein elektrischer Stromfluss über die elektrisch leitenden Oberflächen der Walzen 13 und 13' sowie den Fasern 3 erfolgen, der infolge des elektrischen Widerstands der Fasern 3 zu einer Erwärmung der Fasern 3 im Bereich der Walzen 13 und 13' vom ersten berührenden Kontakt der Fasern 3 mit der Oberfläche der in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 13 vorderen Walze 13 und dem letzten berührenden Kontakt der Fasern 3 mit der Oberfläche der dahinter angeordneten Walze 13' erreicht werden.
In Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 3 nach dem die Heizzone 1 bildenden Walzenpaar ist ein weiteres Einzugswalzenpaar 12 und danach sind wieder zwei Walzen 13 und 13' in einem Abstand zueinander angeordnet, die als Walzenpaar die Heizzone 2 bilden. Auch hier sind die Walzen 13 und 13' jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen.
Die Fasern 3 sind hierbei so um die Oberflächen der Walzen 13 und 13' geführt, dass sie von entgegengesetzt angeordneten Oberflächen geführt und mit diesen in Kontakt stehen. Dadurch kann die Fläche von Fasern 3, die gleichzeitig in unmittelbarem Kontakt mit der elektrisch leitenden Oberfläche der Walzen 13 und 13' stehen, vergrößert werden, wodurch der elektrische Stromfluss verbessert und die bei der durch elektrische Widerstandsheizung mit dem zwischen zwei Walzen 13 und 13' fließenden elektrischen Strom erreichbare Temperaturerhöhung der Fasern 3 vergrößert werden.
Wie aus Figur 2 auch erkennbar, können die Rotationsachsen oder mittleren Längsachsen der Walzen 13 und 13' eines Walzenpaares jeweils in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein, so dass die Kontaktfläche zwischen Walzenoberfläche und Fasern 3 weiter erhöht werden kann.
Mit den Doppelpfeilen soll verdeutlicht werden, dass die Walzen 13 und/oder 13' bei diesem Beispiel translatorisch hier vertikal bewegt werden können, wodurch eine Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit, die jeweilige Länge der Fasern 3, die durch die elektrische Widerstandsheizung beeinflusst wird, und/oder der Zugspannung mit der die Fasern 3 beaufschlagt werden können, erreichbar ist.
Daran schließt sich ein Abzugswalzensystem 14, hier mit drei Walzen an, von denen eine zur Umlenkung und das Walzenpaar zur Förderung der Fasern 3 dienen.
Im Nachgang zu diesem Abzugswalzensystem 14 ist wieder ein Messwalzenpaar 11 angeordnet, mit dem gemeinsam mit dem in Vorschubbewegungsrichtung vorderen Messwalzenpaar 11 die elektrische Leitfähigkeit der Fasern 3 bestimmt und für eine Regelung des elektrischen Stromes und/oder der Vorschubgeschwindigkeit der Fasern 3 genutzt werden kann.
Bei einer Ausführung dieses Beispiels können die Walzen 13 und 13' so fixiert sein, dass sie sich nicht drehen. Dabei besteht aber die optionale Möglichkeit, dass sie translatorisch bewegt werden können. Die Vorschubbewegung der Fasern 3 kann dann allein mit den Walzenpaaren 12 und 14 realisiert werden. Durch eine Veränderung des Abstandes der mittleren Längsachsen von nebeneinander angeordneten Walzen 13 und 13' kann der Weg den die Fasern 3 zurücklegen verändert werden, so dass die Zeit, in der die Fasern 3 durch den elektrischen Stromfluss beeinflusst werden, variiert werden kann.
Auch beim Beispiel nach Figur 3 wurde auf die Darstellung des Durchlaufofens 1 verzichtet. Die Einrichtung kann ebenfalls wie beim Beispiel nach Figur 1 an den Durchlaufofen angeflanscht oder auch in den Durchlaufofen integriert sein.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel eines Moduls zur elektrischen Widerstandsheizung ist in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 3 zuerst wieder ein Messwalzenpaar 11, das in Verbindung mit dem ganz am Ende angeordneten Messwalzenpaar 11 wieder zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern 3 genutzt werden kann, angeordnet.
Nach dem vorderen Messwalzenpaar 11 und vor dem hinteren Messwalzen- paar 11 sind wieder Einzugswalzenpaare 12 vorhanden, die zur Förderung der Fasern 3 dienen. Zwischen den Einzugswalzenpaaren 12 sind mehrere Heizelementepaare 15 und 15', die die Heizzonen 1 und 2 bilden, jeweils in Vorschubbewegungsrichtung der Fasern 3 nacheinander angeordnet. Die Heizelemente 15 und 15' sind jeweils an einen Pol einer elektrischen Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen, so dass zwischen ihnen ein elektrischer Strom über die Fasern 3 fließt, der zu ihrer Erwärmung führt. Die Fasern 3 werden dabei durch die Heizelementepaare 15 und 15' bewegt. Diese Bilden dabei auch eine Abschirmung und thermische Isolation 16, so dass die Wärmeverluste reduziert werden können. Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel ist optional noch ein Einzugswalzenpaar 12 zwischen
Heizelementepaaren 15 und 15' angeordnet, mit dem eine vergleichmäßigte Vorschubbewegung der Fasern 3 erreicht werden kann. Bei diesem Beispiel sind die Walzen 11, 12 sowie die Heizelemente 15 und 15' starr befestigt. Dies ist auch bei allen Walzen des Beispiels nach Figur 1 der Fall. Die Heizelemente 15 und 15' mindestens eines Heizelementepaares können aber so ausgebildet sein, dass der Abstand zwischen den Heizelementen 15 und 15' verändert und dies als Regelgröße für die Erwärmung und Karbonisierung bzw.
Graphitisierung der Fasern 3 genutzt werden kann.
In Figur 3 sind auch Schnittdarstellungen durch Heizelemente 15 oder 15' gezeigt, aus denen deutlich wird, wie die elektrische Kontaktierung der Fasern 3 erfolgt und wie die thermische Isolation 16 ausgebildet sein kann.
Als Ausgangsmaterial für die Karbonisierung kann zyklisiertes (stabilisiertes) Polyacrylnitril (PAN), wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, eingesetzt werden. Eigenschaften dieses Polymers sind im Folgenden aufgelistet:
Form: Filamente
Zugfestigkeit: ca. 300 MPa
Faserdurchmesser: ca. 13 μιη
nicht brennbar, nicht schmelz

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Karbonisierung oder Graphitisierung von Kohlenstoff enthaltenden Fasern oder einem mit Kohlenstoff enthaltenden Fasern gebildeten textilen Gebilde, bei der in stabilisierter Form vorliegende Fasern (3) oder ein mit stabilisierten Fasern gebildetes textiles Gebilde durch einen Durchlaufofen (1) geführt werden oder wird, in dem eine teilweise Vorkarbonisierung bis zu einer Mindesttemperatur von 700 °C erfolgt, und innerhalb des Durchlaufofens (1) oder unmittelbar im Anschluss an den Durchlaufofen (1) mindestens eine eine Heizzone aufweisende Einrichtung angeordnet ist, durch die die Fasern (3) oder das textile Gebilde im Anschluss an die erreichte teilweise Vorkarbonisierung geführt sind/ist; wobei die mindestens eine Heizzone mit mindestens einem Walzenpaar (2, 2', 2", 13, 13') oder mindestens einem Heizelementepaar (15, 15') gebildet ist, die mit Fasern (3) in elektrisch leitendem Kontakt stehen und infolge des Anschlusses einer Walze (2, 13) oder eines Heizelements (15) an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle und des Anschlusses der jeweils anderen Walze (2', 13') oder des jeweils anderen Heizelements (15') des jeweiligen Walzen- oder
Heizelementepaares an den jeweils anderen Pol der elektrischen Spannungsquelle eine elektrische Widerstandsbeheizung der Fasern erfolgt und die Walzen (2, 2', 2", 13, 13')eines Walzenpaars oder die Heizelemente (15, 15') eines Heizelementepaares in einem Abstand zueinander angeordnet sind, die zu einer weiteren Karbonisierung ggf. bis hin zu einer Graphitisierung der Fasern führt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung, die mindestens eine Heizzone aufweist, die nicht in den Durchlaufofen (1) integriert ist, direkt an den Durchlaufofen (1) angeflanscht oder direkt mit dem Durchlaufofen (1) so verbunden ist, dass eine Reduzierung der maximalen Temperatur der Fasern (3), die während der teilweisen Karbonisierung im Durchlaufofen (1) erreicht worden ist, vermieden - zumindest jedoch diese maximale Temperatur lediglich um maximal 5 %, bevorzugt um maximal 3 % unterschritten wird, bevor eine weitere Erhöhung der Temperatur durch elektrische Widerstandsheizung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone, die unmittelbar mit dem Durchlaufofen (1) verbunden ist, mit einem hohlzylindrischen oder innen hohlen mehreckigen Gehäuse so ausgebildet ist, dass dieses Gehäuse an die Geometrie des Anschlusses an den Durchlaufofen (1) sowie an den Bereich, in dem die elektrische Widerstandsheizung mit Walzen (2, 2', 2", 13, 13') oder Heizelementen (15, 15') angeordnet sind, mit seiner Geometrie angepasst ist, wobei dieses Gehäuse bevorzugt an seiner inneren Oberfläche, besonders bevorzugt an der gesamten inneren Oberfläche mit Wärmestrahlung in das Innere des Gehäuses reflektierenden Elementen versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einlass in den Durchlaufofen (1) und/oder vor der unmittelbar im Anschluss an den Durchlaufofen (1) angeordneten Heizzone ein System zum Aufspreizen von unverdrillten Fasern (3) angeordnet ist, dass so ausgebildet ist, dass nebeneinander angeordnete Fasern (3) in einem Abstand zueinander aufgefächert sind und mit den jeweiligen Oberflächen der Walzen (2, 2', 2", 13, 13') oder Heizelemente (15, 15') in berührendem Kontakt gebracht werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Einrichtung mit mindestens einer Heizzone zur Erwärmung der Fasern (3) mittels elektrischer Widerstandsheizung die Faser(n) (3) oder das textile Gebilde zwischen Walzenpaaren (2, 2', 2") hindurch geführt ist/sind und zwei in Vorschubbewegungsrichtung der Faser(n) oder des textilen Gebildes nacheinander angeordnete Walzenpaare (2, 2') jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen sind
oder die Faser(n) (3) oder das textile Gebilde um entgegengesetzt zueinander angeordnete Oberflächenbereiche von mindestens zwei in Vorschubbewegungsrichtung der Faser(n) (3) angeordneten Walzen (13, 13') eines Walzenpaares geführt ist/sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Walzen (2, 2', 2", 13, 13') eines Walzenpaares parallel zueinander bewegbar und/oder
die parallel zueinander ausgerichteten Rotationsachsen oder mittleren Längsachsen der mindestens zwei Walzen (2, 2', 2", 13, 13') in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen (2, 2', 2", 13, 13') keine Rotationsbewegung durchführen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (15, 15') zumindest teilweise über Ihren äußeren Umfang von einer thermischen Isolation (16) umschlossen und die Fasern (3) oder das textile Gebilde durch die thermische Isolation (16) hindurchgeführt ist/sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messswalzen (11) oder Messkontakte an den Fasern (3) oder dem textilen Gebilde angreifen, mit denen die elektrische Leitfähigkeit der Faser(n) (3) für eine Regelung der Erwärmung der Faseln) (3) bestimmbar ist, wobei die Messwalzen (11) oder Messkontakte bevorzugt nach durchlaufen einer Heizzone, besonders bevorzugt nach durchlaufen einer in Vorschubbewegungsrichtung letzten Heizzone angeordnet sind.
10. Verfahren zur Karbonisierung oder Graphitisierung von Kohlenstoff enthaltenden Fasern oder einem mit Kohlenstoff enthaltenden Fasern gebildeten textilen Gebilde, bei dem in stabilisierter Form vorliegende Fasern (3) oder ein mit stabilisierten Fasern gebildetes textiles Gebilde durch einen Durchlaufofen (1) geführt werden oder wird, in dem eine teilweise Vorkarbonisierung bis zu einer Mindesttemperatur von 700 °C erfolgt, und innerhalb des Durchlaufofens (1) oder unmittelbar im Anschluss an den Durchlaufofen (1) mittels mindestens einer mindestens eine Heizzone aufweisenden Einrichtung eine weitere Karbonisierung ggf. bis hin zu einer Graphitisierung der Fasern (3) durchgeführt wird, indem die Fasern (3) durch elektrische Widerstandsheizung auf höhere Temperaturen erwärmt werden, ohne dass nach im Durchlaufofen (1) erreichter teilweiser Karbonisierung ein Temperaturabfall oder lediglich ein Temperaturabfall um maximal 5 % auftritt.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zur weiteren Karbonisierung oder
Graphitisierung führenden elektrischen Widerstandsheizung eine Regelung des an mindestens ein Walzenpaar oder Heizelementepaar angelegten elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung und/oder des Abstandes von Walzen (2, 2', 2", 13, 13') eines Walzenpaares oder des Abstands von Heizelementen (15, 15') eines Heizelementepaares mittels des an Fasern (3) gemessenen elektrischen Widerstands und/oder der jeweiligen erreichten Temperatur der Fasern (3) durchgeführt wird.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3011981A (en) * 1958-04-21 1961-12-05 Soltes William Timot Electrically conducting fibrous carbon
US20160333502A1 (en) * 2014-05-12 2016-11-17 Ihi Corporation Furnace for continuously graphitizing carbon fiber

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1959984U (de) 1964-10-26 1967-05-11 Manfred Keller Gasbrennerkoft fuer oertliche und geteilt montierte anlagen.

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3011981A (en) * 1958-04-21 1961-12-05 Soltes William Timot Electrically conducting fibrous carbon
US20160333502A1 (en) * 2014-05-12 2016-11-17 Ihi Corporation Furnace for continuously graphitizing carbon fiber

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