DE1619187A1

DE1619187A1 - Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Fasern

Info

Publication number: DE1619187A1
Application number: DE19671619187
Authority: DE
Inventors: Roger Bacon; Schalamon Wesley Alan Elyria
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1967-01-23
Filing date: 1967-09-21
Publication date: 1970-08-20
Also published as: GB1167007A; JPS5132732B1; SE332621B; CH1320067A4; CH543451A; BE704215A

Description

Kohlenstoff ist ein Blaa@nt ait zahlreichen interessierenden und wertvollen chemischen und physikalischen Eigon« 9ohaft@Ho Kohlenstoff koaait in natürlicher Fom vor und kann auch synthetisch gewonnen werden» Er läßt sich leicht bearbeiten und su komplizierteren (legenständen £ora®n. I« Handel uad is dea? laäu&tri© wlxd Kohlenstoff Yislfach verwendet ·

Bite ma is ten in das? Xsuäuatri<3 vollendeten G®göü3täad® aus Kohle werdsn βο feerg@st®llt₉ daS man niGht-graphitisch© Kohlet^ilöhea raifc slassa irarkoalbaxiöa Bindemittel mischt, das Seaisoh dann &vl äw gswiSasehten form extrudiart oder formt und anschließend βο hoch erhitzt, daS das Bindemittel verkohlt wird» Verwendet nan beim Erhitzen Tempera- ¥i53?eii voa etwa 7QO bis 9OO^O0, so entstehen S®genatäKde₉ die gsme miß nicht^grapbitischar Kohle bestehen» Veim man «bar den C^g^nat&M waiter muS ©la© Saapesatur voa 2000 bie 2500°0 oder hf>h9r eshitst» s© geht a®r Ktihleastoi? in die graphit in ehe Form

I» dor leisten Zeit sind ^stillen aus Kohlenstoff ete^^ worden» Biese Fora des Kohlenstoffes ist einzigartig, da sie ' Sie Flexibilität von Textilien und gleichseitig die elektrischen und chemieoben Eigenschaften der nach des

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üblichen Verfahren hergestellten Gegenstände aue Kohle besitzte

Ee ist bekannt zur Herstellung von Textilien aue Kohlenstoff einen aus Zellulose bestehenden Teitilgegenstand in einer inerten Atmosphäre bei stufenweise ansteigenden Temperaturen zu erhitzen, bis die Zellulose praktisch voll-Btändig verkohlt iot, Das erhaltene Endprodukt hat die chemischen und physikalischen Eigenschaften der üblichen Gegenstände aus Kohlenetoff und besitzt gleichzeitig die Flexibilität und andere physikalische Eigenschaften der textlien Ausgangsstoffe wie Gebwebe.

Ea ist ferner bekannt, zur Herstellung von Textilien aue Graphit ein AuBgangsmateria! aus Zellulose in einer inerten Atmosphäre bei stufenweise steigenden Temperaturen auf etwa 900⁰C zu erhitzen, und dann daß Erhitzen in einer schützenden Atmosphäre bei höheren Temperaturen fortzusetzen, bis das Auegangsmaterial praktisch in Graphit übergeführt ist. Die so erhaltenen Endprodukte haben die chemischen und physikalischen Eigenschaften des üblicherweise gewonnenen Graphits und gleichzeitig die Eigenschaften der ala Ausgangsstoff verwendeten Textilien.

Es sind auch schon Graphitfasern mit einem hohen Blaetizit&ts Modulus und einer hohen festigkeit auf dem Markt erschienen. Dieses Material wird so hergestellt, da3 man i* wesentlichen ganz aus Kohle bestehende Fasern unter Zugspannung auf βölehe Temperaturen erhitzt, daß sie in Graphit übergeführt werden.

Diese Graphitfaaem haben wertvolle Eigenschaften, die bei ihrer Herstellung nach den früheren Verfahren nicht erreicht werden konnten* Das Verfahren zu ihrer Herstellung 1st aber schwierig durchzuführen. Um eine maximale festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul su erreichen, muß man die aus Kohlenstoff bestehende Paser während der Überführung

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in Graphit unifei eiw&x !©!lea Sugepannuog lu&iti&® iratiglnitvXL u&A Haetislt&teii tu erhalten_f auS sas Zugspannung si» enden, die der Baififof-tigkeit der aasbestehenden ianern sehr agb·. liegte Bas ?©rfsh.r«.r-, ist €a her technisch schwierig

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artige a^is swei

einer Sugspassiaig v®n 45P g in tespait tlljcirgQfllils^e einen Yoimg-Mcäul virn-«tve 4 x 10⁶ kg/em² (55 a 10 V und einer leiSfeetigkeit τοη etwa 2 ac ΙΟ⁴ kg/es² (280.000 Ib/ia²)· ÜB derartige llaatisitäten und ReiSfestiglEeiten bei den bekannten Terfanron zu erhalten, Mußte eine Zugspannung von 1300 g angewendet werden» AXe Auegangset off sollten solcn· Fasern verwendet werden, die beim Erhitzen nicht echoelaen» aber bein Erhitzen ihre innere Orientierung verlieren«, Besondere geeignet sind Pasern aus natürlicher oder regenerierter Zellulose, Vcr der weiteren Behandlung werden dleae Fasern vorerhitzt, um sie teilweise su verkohlen« Hierzu erhitzt »an die Ausgangsstoff« in einer inerten cder oxydierenden Atmosphäre auf eine Tempera tur von etwa 150 bis 35O⁰G₀ Man kann diese teilweise Verkohlung auch in Gegenwart τοη Stoffen durohfuhren, die wie Beispieleweise !Phosphorsäure» die Verkohltasg förÄ«rn_e

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In diesem falle erhitst »an auf Teeperaturen τοη etwa 100 bis etwa 35O⁰O.

fill aan aus Eelile bestehende Fasern herstellen, ·ο erhitst »an daß Aosgasgematerial unter Zugspannung ftuf etwa 250 biß etwe 9OC⁰C, Hierbei arbeitet man «weckmäßigerweise in einer inerten Atmosphäre«

Man'k&nm ii® κο erhaltenen aus Eohle bestehenden Feeern anschließend auf eine Temperatur über 2000⁰C vorzugsweise auf etwa 2800⁰C erhiteen, wodurch Graphit entsteht. Zweckmäßiger*«Ββ führt sau das JSrhitsen über 2000°C ebenfall· unter Zugspannung du^oh.

Se hat eiuh als eweckm&ßig erwiesen» tie Auegangeetoff ein Garn aus teilweise verkohlten Feuern su verwenden«

Die nachetehendec Beispiele βrlUntern einige foraen der JSrfindtilg _β

Beiepiel I

Zum Strecken der koM enetoffiial tigen Füttern oder Garne bei erhöhter Temperatur wurde eine Apimratur verwendet, die aue eine» aenkrecht angeordneten durch elektrische WideretandshelEung erhlteten Rohrofen mit einer Länge τοη etwa 60 ca und οine* Durchmesser τοη etwa 5 cm beetand. £in öraphitetab war über dae obere Ende des Eohrofene gelegt. £s war ferner ein System zum Hegeln der Ateoephäre in der heißen Zone dee Ofens vorgeeehen. Ein aue Bwei Strängen beetehendes Garn aus regenderter Zellnloee mit 1650 denier und 720 Faden wurde durch Rrhitsen auf etwa 250⁰C teilweise verkohlt. Dleeee teilweise verkohlte Garn wurde dann über den Graphitetab gelegt und in den Ofen eingeführt. Die herabhängenden Enden wurden verbunden und an ihnen wurde dae gewünschte Gewicht (siehe Tabelle 1) angebracht, Hie-riureh erhielt dae Gvrh eine lÄngeepennung* Ιί-ηη erhitzte ψη\ ^fHp Fasern etufenweirc. nut i r nς*rdMü vic'ip«>bei steigerte mtu ^-< i^

Raumtemperatur auf 90O⁰C im Lauf* von etwa 1 1/2 Stunden= Hierauf folgte eine sofortige Abkühlung »it einer anfänglichen Ahkahlungsgeschwindigkeit τοη etva 400°C je Stunde. Diese Abkühlungegeschwindigkeit verringerte eich später» ao defl für dae Abkühlen von 900⁰C auf Raumtemperatur etwa 16 Stunden, benötigt wurden« Während des Irhitsens und Abkühlen» wurde in den Ofen eine Atmosphäre @m Argon euf· recht erhalt en. Bie Streckung während d<ss Verkohlelia wurde Bit einen Präeieions-Kethetometer gemessene

£s sei hier bemerkt» daß teilweise verkohltes Zellulosematerial beim vollständigen Verkohlen schrumpft«, Me in Prozenten ausgedrückte wirksame Streckung nach Tabelle 1 wird so bestimmt« daß man den Längenunterschied zwischen einem unter Zugspannung verkohlten Material und einem Materials, das ohne Zugspannung verkohlt war, misst und die gemessenen Mn&en dann in Prozenten, bezogen auf das ohne Zugspannung verkohlte Material, ausdrückt<.

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Das Gewicht von 5 g beim Master 1 diente lediglich dsjsu, die Feeer im Ofen während der Verkohlung gerade *u halten., Dieses geringe Gewicht übte keine bemerkenswerte Zugspannung auf das Garn aus» Der Young-Modul und die Zugfestigkeit beim Huster 1 entsprechen also denen, die beim Verkohlen von Garn nach den üblichen Verfahren erhalten werden·

Weitere nicht in der Tabelle 1 enthaltene Versuchsdaten haben gezeigt, daß eine wirksame Streckung von wenigstens 5 % erreicht werden muß, um den so behandelten Fasern verbesserte Eigenschaften au verleihen· Bei einer wirksamen Streckung von 5 £ wurden Fasern gewonnen, die einen Young-Modul von wenigstens 0,4 χ 10⁶ kg/om² (6,2 χ 10⁶ lb/in²) hatteno

Beispiel 2

Nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren und mit der dort beschriebenen Vorrichtung und demselben Ausgangsmaterial wurden Fasern unter einer Zugspannung von 400 g durch Srhitsen auf etws; 900⁰C verkohlt« Diese verkohlten Fasern wurden dann ohne Zugspannung durch Srhitsen auf 2300⁰C in Graphit übergeführt» Die Eigenschaften der so gewonnenen Fasern sind in der Tabelle 2 wiedergegeben» Um nach den bekannten Verfahren Graphitfasern gleicher Bigenschaften su erhalten, mußte man eine Zugspannung anwenden, die doppit so groß war, wie die beim erfindungagemäßen Verfahren«

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	Muster Ho»	Zugkraft auf 2 Strängen ft	Wivka&a* Stvtektt&g «, , r ■■- .·	10⁶ χ kg/®?*	10⁶ j	,0	•	ZOgfeetlgfeelt
		5	0,05		5	»1	S? 100 15 000
O	2	250	20	öo 5δ	B	.*	■ 4500 . 62 000
O ta	3	400	35	0,71	10	■ 580® '83 000
ce Ca) JP**	4	500	50	*073**	1Q	:5000' TI 000'
Π746			•

CD CD OO

Tabelle 2

Verfahren Verkohlen unter Zugspannung, gefolgt von einer Überführung in _Λ Graphit bsi 2800⁰C ohne Zugspannung

Oberf üh-juns in Graphit tinter Zugspannung nach dem bekannten Verfahren

Zugspannung auf die Fasern

4-00

800

Temperatur= bereich

250-900

1000-2800⁰C

Young-Modul Zugfestigkeit

χ kg/am² 10⁶ χ lb/ia² kg/o·² lb/in²

1,65

1.60

23,4

23,0

12500

12200

180000

175000

CD OO OJ

OO CD CO OO

tabelle

Methode e

gp

verkohlt und schließend unter Zugspannung in Graphit übergeführte

Unter Zugspannung nach dem bekannten Verfahren In G-r&piiit übsrgeftihrti

Zugspannung

450

400

1300

Semperaturbe-

Toung-Kodul
kg/cm²

250=900
900-2900

1000=2300

Z-ugfeatigkeii;
kg/cm² lb/in²

19500

20000

230000

290000

O O CO CO CO

je«· OO

CJ) CD CO

Die Tabelle eeigt, daß man bei» erflndungsgeaäßen Verfahren» Fasern einer hohen Elastizität erhält, ohne daß man während der Überführung in Graphit eine hohe Zugspannung anzuwenden brauchtα

Beispiel ?

Hach dom in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren und unter Verwendung der dort beschriebenen Vorrichtung und des gleichen Auegangßiaaterials wurden Fasern unter einer Zugspannung von 450 g durch Erhitssen auf 900⁰C Terkohlt, Diese rerkohlten Fasern wurden dann unter Zugspannung in Graphit übergeführt, wobei eine Zugspannung τοη 400 g und eine Temperatur von etwa 290O⁰C angewendet wurden. Die älgenschaften der so erhaltenen Fasern sind in der Tabelle 3 wiedergegeben.

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Sie Tabelle zeigt, daß sau die Zugspannung bei» Ülserfuhren in Graphit wesentlich frerabsetsesi kann, wenn sau in eine» vorhergehenden ITerfahreneschritt das Garn unter Zugspannung verkohlt

hat«

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Claims

20. Sept. o«v/fi. Patentansprüche

1. Verfahren eur Herstellung von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Fasern durch Erhitzen von kohlenstoffhaltigen Pasern, dadurch gekennzeichnet, daß man Pasern aus Zellulose oder aus regenerierter Zellulose teilweise verkohlt und sie dann unter einer Zugspannung, die eine Streckung von wenigstens 5 £ bewirkt, erhitzt.,

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Pasern aus Zellulose oder regenerierter Zellulose durch Jfrhitsen auf etwa 150 bis etwa 35O⁰C teilweise verkohlt.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fasern aus Zellulose oder regenezLerter Zellulose durch Erhitzen auf etwa 100 bis etwa 35O⁰C in Gegenwart eines die Verkohlung fordernden Stoffes teilweise verkohlt.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß man als die Verkohlung fördernden Stoff Phosphorsäure verwendet.

5. Verfahren nach eimern ier Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung von aus Kohle bestehenden Fasern das Erhitzen unter Zugspannung bei einer Temperatur von etwa 250 bis etwa 900⁰C durchführte

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daB man das Erhitzen unter Zugspannung in einer inerten Atmosphäre durchführte

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daB man zur Herstellung von aus* Graphit bestehen«· den Fasern anschließend an das Verkohlen unter Zugspannung die Fasern auf eine Temperatur über 2000⁰C, vorzugsweise auf etwa 2800°C, erhitat«,

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Qo Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dal man das Erbitsen der Fasern auf eine Temperatur über 200O⁰C unter Zugspannung durchführt,

9ο Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 8_P dadurch gekennzeichnet, daß oan als Ausgangsstoff ein öarn aus teilweise verkohlten Pasern verwendetο

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