DE2221707A1 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern bzw. -faeden - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern bzw. -faedenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
dr. W. Schalk · dipl.-ing, P. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg
DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEI N HOLD ' DR. D. GUDEL
6 FRANKFURTAM MAIN
GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39
Oase 7OT387
Wd/CW 621
Wd/CW 621
Koppers Company, Inc. Pittsburgh, Pa. 15219
U. S. A.
Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern
\)zvr, -fäden.
209846/1138
Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlefasern (Kohlenstofffasern)
und ein Verfahren zur Herstellung derselben aus flüssigen Fraktionen von Kohleteerdestillaten.
Kohlefasern sind seit 1880 bekannt, als Thoraas Edison als Erster
eine Kohlefaser als Glühlampenfaden verwendete. Heutzutage werden Kohlefasern in andere Materialien, wie beispielsweise Metalle,
Polymere,Kohlenstoff,Graphit, keramische Materialien und
dergl., einverleibt, um mit Kohlefasern verstärkte Verbundstoffe mit verbesserten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften
herzustellen. Derartige Verbundstoffe v/erden speziell in der gegenwärtigen Luft- bzw.RaumfahrtIndustrie als
thermisch stabile Materialien und Abtragungsmaterialien (ablative materials') verwendet.
Es werden zwei grundsätzlich verschiedene Fäden aus Kohlenstoff
hergestellt. Eine Art ist als Kohlefaser bekannt und wird durch Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Materialien bei relativ niedrigen
Temperaturen (etwa 1 0000C) hergestellt, und die zweite
Art ist als Graphitfaser bekannt und wird durch Erwärmen von Kohlefasern auf relativ hohe Temperaturen (etwa 2 5000C oder
höher) hergestellt. Die Graphitfasern sind stärker als Kohlefasern. Graphitfasern besitzen eine Zugfestigkeit von etwa 17500
bis 35000 kg/cm und einen Elastizitätsmodul von etwa 3,5 bis 7,0 χ 10 kg/cm , und Kohlefasern besitzen eine Zugfestigkeit
von etwa 5600 bis 11200 kg/cm und einen Elastizitätsmodul von etwa 42 bis 56 χ 10 kg/cm .
Kohlefasern sind bisher aus festen Materialien, wie z.B. aus Hochpolymeren, wie beispielsweise Polyvinylchlorid und Polyacrylnitril
oder Niedrigpolymeren, wie beispielsweise Erdölpech, Kohle und Kohleteerpech hergestellt worden. In der Patentschrift.
3 392 216 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefasern beschrieben, wobei zuerst derartige Feststoffe in
einer inerten Atmosphäre in Gegenwart eines inerten Gases auf eine Temperatur von etwa 300 bis 500 C erhitzt v/erden, dieser.
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Material dann auf Formgebungstemperatur unterhalb dieser anfänglichen
Temperatur gebracht wird, um das Material zu einem stranggepreßten Faden zu verarbeiten, danach der stranggepreßte
Faden mit einem Oxydationsgas bei Formgebungstemperatur oder darunter in Kontakt gebracht und schließlich der stranggepreßte
Faden bei einer Temperatur über 5000C verkohlt wird.
Es wurde" nun überraschenderweise gefunden, daß Kohle- oder Graphitfasern
aus einem anfänglich flüssigen Kohle-teerdestillat
hergestellt werden können. Der Ausdruck "Kohle-teer" bezieht sich auf eine große Anzahl an schwarzen viskosen Flüssigkeiten,
die bei der trockenen Destillation von Kohle erhalten werden. Der Ausdruck "Kohle-teerdestillat" betrifft Destillatsubstanzen,
die bei der Destillation von Kohlenteer erhalten werden.
Es ist bekannt, daß die physikalischen und chemischen Eigenschaften
von Kohle-teer beträchtlich schwanken können, was von den Kohlenarten, von welchen sie sich ableiten, den Temperaturen,
bei denen die Kohle verkohlt worden ist und dergl. abhängt. Auch können die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kohle
-teerdestillate beträchtlich schwanken, was von dem Ursprung und der Natur des zu destillierenden Kohlenteers, der Temperatur,
auf welche der Kohlenteer erhitzt worden ist, der Zeitdauer, während welcher der Kohle-teer Krack- oder Polymerisationsbedingu.ilgen
ausgesetzt wird, dem Ausmaß an Druck, der während dem Destillation sverfahren aufrechterhalten wird und dergl. abhängt.
Heute werden überschüssige Mengen an Kohle-teerdestillaten und
insbesondere an Kohle-teerdestillaten, die die Mittelöl- und Schwerölfraktionen darstellen, z.B. das Destillat des Kohleteers,
der im Bereich von etwa 200 bis 4000C destilliert, hergestellt.
Es treten folglich einige Schwierigkeiten hinsichtlich der wirtschaftlichen Ausnutzung oder Verwendung der
überschüssigen Mengen derartiger Destillate auf.
Es sind Versuche unternommen worden, um die überschüssigen Mengen einiger Kohlenteerdestillate· noch wirtschaftlicher zu verwenden.
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Beispielsweise in der US-Patentschrift 3 304 191 wird die Verarbeitung
eines aromatischen Restölrückstandes zu einem Bestandteil in einem Teerstraßenbelag und in der US-Patentschrift
3 304 191 die Verarbeitung eines aromatischen Restölrückstandes zu einem Bestandteil in Dachbelagsmaterial beschrieben.
Es wurde nun überraschenderweise ein Verfahren zur Herstellung
von Kohlefasern aus flüssigen aromatischen Destillaten gefunden. Die so hergestellten Kohlefasern besitzen Eigenschaften, die
denjenigen der Kohlefasern, die aus kostspieligen Polymeren oder festen^Destillationsrückständen hergestellt worden sind, wobei
letztere sich von Kohleteer oder Erdölquellen ableiten, entsprechen oder besser sind als diese.
Die vorliegende Erfindung betrifft Kohle- oder Graphitfasern und ein Verfahren zur Herstellung von Kohle- oder Graphitfasern
aus einem aromatischen Kohleteerdestillat, bei dem das aromatische Kohle-teerdestillat mit einem elementaren Sauerstoff enthaltenden
Gas bei Reaktionstei-iperaturen von etwa 250 bin 4200C
in innigen Kontakt gebracht wird, bis das Destillat zu einer teerartigen Substanz, die nach darauffolgender Verkohlung bei
Temperaturen über 8000C isotropen Kohlenstoff ergibt, umgewandelt
wird, beispielsweise bis etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter an
elementarem Sauerstoff mit 454 g des Destillats unter Bildung einer pechartigen Substanz umgesetzt wird, wonach aus der pechartigen
Substanz ein Faden hergestellt und darm der Faden in einer inerten Atmosphäre auf Temperaturen über 8000C unter Bildung
einer Kohlefaser erhitzt wird.
Die Zeichnung erläutert schematisch eine Ausführungsform einer zur erfindunesgernäßen Durchführung anzuwendenden Vorrichtung.
Erfindungsgemäß wird das ausgewählte aromatische Kohleteerdestillat
von einer Substanz mit öliger Beschaffenheit zu einer Substanz mit pechartigen Eigenschaften umgewandelt, indem dus
Destillat mit einem elementaren Sauerstoff enthaltenden Gas unter Reaktionsbedingungen bei erhöhten Temperaturen und bei Drückers
die ausreichen, die Verdampfung des Destillats bei den erhöhten Temperaturen zu unterdrücken^ bis sich das Destillat zu einer
pechartigen Substanz verwandelt, die nach Verkohlung in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 8000C isotropen Kohlenstoff
ergibt, in Kontakt gebracht wird; gewöhnlich werden mindestens etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter elementarer Sauerstoff
mit 454 g des Destillats umgesetzt. Danach werden die niedrig-siedenden
Bestandteile des oxydierten Destillats aus dem oxydierten Destillat abdestilliert. Die bei einer solchen Destillation
zurückbleibende Substanz mit den pechartigen Eigenschaften wird zu einem Faden strangepreßt, und seine Tendenz,
zu schmelzen oder zu sintern wird unterdrückt, sodaß der Faden seine
Form bei nachfolgender Verkohlung beibehält. Der Faden "wird nachfolgend in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 8000C
unter Bildung eines isotropen Kohlefadens verkohlt.
Die bevorzugten erfindungsgemäß zu verwendenden Destillate sind die Destillatöle, die einen Siedepunkt von etwa 200 bis 4000C
besitzen und gewöhnlich die sogenannten leichten, mittleren und schweren Teerölfraktionen umfassen. Derartige Fraktionen sind
leicht und wirtschaftlich aus einer Anzahl an Quellen" erhältlich. Die physikalischen Eigenschaften eines typischen aromatischen
Destillats in dem ursprünglichen nicht-oxydierten Stadium und in einem oxydierten Stadium zur erfindungsgemäßen Verwendung
sind in der Tabelle unten angegeben:
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Erweichungspunkt (Ring &
Kugel)
in 3enzol unlösl. Material in Chinolin unlösl. Material
"Conradson CV."
Destillation (ASTM D246) AnfangsSiedepunkt
Kumulatives Destillat bis 2100C bis 2350C.
bis 27O0C bis 3150C
bis 3550C Rest über 355°C
Γ1 eir.entar analyse
Kohlenstoff Wasserstoff Sauerstoff Schwefel
Aromatisches Destillat
Stickstoff
Spuren | |
Spuren | |
2-5% | |
etwa 2000C | |
0 % | |
etwa | 2,Λ% |
etwa | 12,6# |
etwa | 36,3% |
etwa | 80,2# |
etwa | 19,296 |
Oxydiertes aromatisches
Destillat
etwa 80 -1200C
etwa 20,0- 40,0Gew.-%
etwa 0,3- O,5Gew.-96
etwa 30 - 50 Gew. -%
etwa 3,3%
etwa 38,2%
etwa 55,0-70,0%
etwa 38,2%
etwa 55,0-70,0%
etwa 89,0-94,0 Gew.-96 etwa 90,0-92,0 Gew.-%
etwa 4.0- 7,0 Gew.-% etwa 4,0- 5,0 Gew.-^
etwa 1,0- 2,0 Gew.-% etwa 2,0- 4,0 Gew.-96
etwa 0,2- 0,8 Gew.-96 etwa 0,2- 0,6 Gew.-96
etwa 1,0- 2,5 Gew.-96 etwa 1,0- 1,5 Gew.-%
Luft ist das bevorzugte sauerstoff haltige Gas, das zum erfindungsgemäßen
Kontakt mit dem Kohleteerdestillat verwendet wird.'
Man nimmt an, daß die Grenzmenge an elementarem Sauerstoff, der sich mit dem Kohleteerdestillat unter Bildung der pechartigen Substanz
umsetzt, ein wichtiges Merkmal der Erfindung darstellt. Es ist gefunden worden, daß ein Minimum von etwa 0,0142 Normal-Kubikmetern
an elementarem Sauerstoff pro 454 g Kohleteerdestillat
bei der Kontaktreaktion mit dem Kohleteerdestillat umgesetzt werden sollte, um eine pechartige Substanz,.die einen
zufriedenstellenden Vorläufer zur Herstellung von isotropem Kohlenstoff darstellt, herzustellen. Bei einer Reaktion von
weniger als etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter Sauerstoff pro 454 g Destillat führt das entstandene Produkt nach darauffolgender
Verkohlung zu anisotropem Kohlenstoff, und ein derartiges Produkt schmilzt bevor es sich thermisch zersetzt. Solche Produkte
können daher ihre Form bei nachfolgender Verkohlung nicht beibehalten.
Wenn das aromatische Destillat mit dem Minimum von etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter umgesetzt worden ist, ergibt das
entstandene Produkt bei nachfolgender Verkohlung isotropen Kohlenstoff, und ein solches Produkt zersetzt sich thermisch bevor
es schmilzt. Der Verbrauch an elementarem Sauerstoff wird zweckmäßig als Sauerstoffbilanz gemessen, d.h. die Differenz der Menge
an elementarem Sauerstoff, mit welcher das Kohleteerdestillat beschickt worden ist, und der Menge an elementarem Sauerstoff,
die von dem Kohleteerdestillat wieder abgegeben wird.
Boi der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Luft
gleichmäßig in dem gesamten aromatischen Destillat dispergiert, indem Luft bei Temperaturen von etwa 250 bis 4200C in das aromatische"
Destillat geblasen wird; der bevorzugte Temperaturbereich liegt jedoch zwischen etwa 350 und 37O°C. Bei diesem bevorzugten
Temperaturbereich ist die Geschwindigkeit der Umsetzuuf:
von eXepentarcm Sauerstoff mit dem aromatischen Destillat
so schnell, daß die Konzentration des in den Abgasen zurückbleibenden Sauerstoffs unter der unteren Explosionsgrenze der
Abgase, die mit den Kohlenwasserstoffdämpfen gesättigt sind, ge-
halten werden kann. Um die Verdampfung des aromatischen Destillats
bei diesen Temperaturen zu unterdrücken, sollte das Einblasen von Luft unter Druck, vorzugsweise etwa mit 5,6 bis 7
kg/cm , durchgeführt werden. Die Luft sollte in dem gesamten aromatischen Destillat in einer feinen und innigen Dispersion
dispergiert werden, um eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen.
Nach dem erfindungsgemäßen Jnkontaktbringen der Luft mit dem aromatischen
Destillat verändert das aromatische Destillat seinen Charakter von einer öligen Flüssigkeit^ feu einer pechartigen Substanz.
"Die pechartige Substanz besitz1! physikalische Eigenschaften,
die sie zu einem guten Vorläufer fmr rf#rstellung von isotropem
Kohlenstoff machen. Typische Eigenschaften der pechartigen Substanz sind in der Tabelle oben ingegeben. Das aromatische
Destillat besitzt ursprünglich Spüren βη in Benzol unlöslichem
Material, aber nachdem ·8 töit Sauerstoff in Kontakt gebracht
worden ist, nimmt das in Benzol,Unlöiliehe Material zu.
Auf welche Weise das flüssige aromatische j)estillat zu einer
pechartigen Substanz umgewandelt Wirc^ Hann nicht eindeutig erklärt
werden. Man nimmt jedoch an, daß jfter Sauerstoff die Bildung der freien Radikale aus Kohlenwasserstoffmolekülen anstößt,
wobei das MolekulargewicRt dee aromatischen Destillats vergrössert
wird. Fast der gesamte Sauerstoff, der sich mit dem aromatischen Destillat umgesetzt hat* entweicht nachfolgend von diesem
in den Abgasen als Wasserdampf, wobei Jedoch ein Teil des Sauerstoffs in der hochmolekularen pechartigen Substanz verbleibt,
wodurch die Graphitbildung der pechartigen Substanz verhindert wird, wenn sie in einer inerten Atmosphäre pyrolysiert wird.
In den meisten Fällen umfaßt das rohe oxydierte aromatische Destillat
einen Hauptanteil an relativ hoher siedenden oxydierten
Bestandteilen und einen kleineren .Anteil an relativ niedrig siedenden nicht-oxydierten Bestandteilen. Es ist notwendig, daß
diese niedriger siedenden Bestandteile aus dem rohen oxydierten aromatischen Destillat, vorzugsweise durch herkömmliche Destil-
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lationsmethoden, entfernt werden, um die Viskosität und den Erweichungspunkt des oxydierten aromatischen Destillats zu
erhöhen, sodaß es nachfolgend ohne Schwierigkeit verarbeitet werden kann. . .
Der Erweichungspunkt ("cube in air") des destillierten oxydierten Destillats sollte nach der Destillation etwa 100 bis
2000C betragen. Wenn aber der Erweichungspunkt über 2000C liegt,
darin ist das destillierte oxydierte aromatische Destillat für nachfolgende Formbehandlungen zu starr und steif.
Das oxydierte aromatische Destillat oder die pechartige Substanz wird dann zu einem Faden oder einer Faser geformt, indem das oxydierte aromatische Destillat durch eine Spinndüse
oder Buchse ("bushing") mit einer großen Anzahl an Formaus- \ trittsöffnungen bei Temperaturen von etwa 120 bis 3000C Stranggepreßt
wird. Die Temperatur des oxydierten aromatischen Destillats wird gewöhnlich etv/a 500C über seinem Erweichungspunkt
gehalten, sodaß das oxydierte aromatische Destillat gute Spinneigenschaften
besitzt. Vorzugsweise werden die Fäden von jeder AustrittsÖffnung gesammelt und sind mit einer Hochgeschwindigkeitsaufwicklungsvorrichtung
verbunden, die die Fäden durch die Spinndüse zieht und die Fäden auf eine Spule, die von der Aufwicklungsvorrichtung
getragen wird, aufgewickelt. Folglich stehen die Fäden unter einer Zugbeanspruchung, und diese
Zugbeanspruchung vermindert den Fadendurchmesser zu einem Durchmesser,
der viel kleiner ist als der Durchmesser der Austrittsöffnungen. Der Durchmesser der Fasern kann daher durch
Regelung der Temperaturen des oxydierten aromatischen Destillats, der Größe der AustrittsÖffnung der Spinndüse und der
Geschwindigkeit, mit welcher die Fasern von der Aufwicklungsvorrichtung
aus den AustrittsÖffnungen gezogen werden, genau eingestellt
werden.
Nachdem das oxydierte aromatische Destillat zu einem Faden goformt
worden ist, sollte es so behandelt werden, daß es seine Form nach darauffolgender Verkohlung beibehält. Dazu wird der ·
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Erweichungspunkt der behandelten Oberfläche des Fadens erhöht,indem
direkt auf die Oberfläche des Fadens ein Gas, vorzugsweise ein relativ heißer Luftstrom mit einer Temperatur von etwa 130 bis
15O0C, geleitet wird. Vorzugsweise umströmt das Gas den Faden,
da man annimmt, daß der heiße Luftstrom, der auf die Oberfläche. . des Fadens geleitet wird, von der Oberfläche sämtliche daran enthaltenen
Bestandteile mit niedrigerem Siedepunkt mechanisch entfernt und die Bildung der freien Radikale anstößt, was bereits oben
beschrieben wurde, die sich mit anderen Kohlenwasserstoffmolekülen
in dem Faden umsetzen, und die Menge des in dem Faden eingebauten Sauerstoffs vergrößert.
Die Fasern werden durch Erhitzen auf mindestens etwa 80O0C in
einer inerten Atmosphäre während eines kurzen Zeitraums verkohlt. Die so verkohlten Fasern besitzen physikalische Eigenschaften,
die sie für die oben beschriebenen Anwendungsbereiche wertvoll machen. Typische Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten
Kohlefasern sind;
Durchmesser 5-15 Mikron
Dehnung beim Bruch 1,2-2,0%
Elastizitätsmodul 42-48 χ 10^ kg/cm2
Zugfestigkeit 7000-12600 kg/cm2
Elementaranalyse Kohlenstoff Wasserstoff Sauerstoff Schwefel Stickstoff
Es sollte beachtet werden, daß die so hergestellten Kohlcfasern
keinen graphitischen Kohlenstoff enthalten. Sind graphitische
Fasern gewünscht, so sollten die Kohlefasefn bei Temperaturen von etwa 2500-3000 C, vorzugsweise unter Belast-ungDbedi']>;un£en,
wärmebehandelt werden. Der Grund hierfür besteht darin, elf;!': -wenn
das oxydierte aromatische Destillat bei Temperaturen unto;1 etwa 1100-12000C verkohlt wird - der darin verbliebene Sautrr-
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BAD ORIGINAL
93, | 0-97, | 0% | |
0, | 2- 0, | 6% | |
2, | 5- 4, | 0% | |
unter | 0,6% | ||
unter | 0.296 |
stoff die Kohlenstoffmoleküle davon abhält, Graphit zu bilden.
Wenn das Erhitzen der Kohlefasern mit Temperaturen in der Grössenordnung
von etwa 2500-30000C fortgesetzt wird und vorzugsweise,
wenn die Kohlefasern gleichzeitig Belastungsbedingungen unterworfen werden, kann eine Graphitstruktur gebildet werden,-da
der darin verbliebene Sauerstoff unter diesen extremen Bedingungen
entfernt wird.
Die Zeichnung stellt eine Vorrichtung dar, die bei der Durchführung
der Erfindung angewendet wird. Die Vorrichtung umfaßt in der Hauptsache einen Vorerhitzer 11, einen Druckkessel 13,
eine Destillationseinheit 15, eine Faden- oder Faserstrangpresse
17 und eine AufWicklungsvorrichtung 19»
Der Vorerhitzer 11 ist eine übliche Vorrichtung, die das rohe
aromatische Destillat auf eine Temperatur von etwa 250 bis 400°i bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorerhitzt.
Der Kessel 13 ist ein üblicher Drucktank. Der Vorerhitzer 11 ist mit dem Boden des Kessels 13 durch eine Leitung 21 verbunden.
Der Kessel 13 ist am Boden durch eine Leitung 23( wie es in der Zeichnung abgebildet ist) mit einer Luftquelle verbunden.
Der Luftstrom gelangt durch Leitung 23 in den Kessel und wird durch einen Regler 25 und ein Ventil 27 geregelt.
Am Oberteil des Kessels 13 führt eine Leitung 29 die Abgase aus dem Kessel 13 in einen Wärmeaustauscher 31, und derartige Gase
werden gegebenenfalls durch ein Ventil 33 in die Atmosphäre entlassen. Ein Sauerstoffanalysator 35 bestimmt die Konzentration des elementaren Sauerstoffe in den Abgasen, die durch
die Leitung 29 gelangen, sodaß Explosionsbedingungen in dem Kessel 13 vermieden werden. Der Kessel 13 besitzt eine übliche Tcinperaturmeßvorrichtung
37 und eine übliche Druckmeßvorrichtung zur Aufzeichnung der Temperatur und des Drucks in dem Kessel
Am Boden des·Kessels 13 befindet sich eine Leitung 41 und ein
Ventil 43 zum Abziehen des oxydierten aromatischen Destillats
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aus dem Kessel 13. Das oxydierte aromatische Destillat wird einem Lagerungskessel 45 und nachfolgend der Destillationseinheit
15 zugeführt. Der Erweichungspunkt des rohen oxydierten aromatischen
Destillats wird durch übliche Destillation in Einheit 15 auf etwa 100 bis 2000C eingestellt. Die Destillate v/erden aus der
Einheit abgezogen und, wie beschrieben, rückgeführt, und der Rückstand von einer solchen Destillation wird in einer Strangpresse
17 weiter verarbeitet.
Die Strangpresse 17 enthält eine Vorrichtung, z.B. einen elektrischen
Ofen (nicht gezeigt^ zum Erhitzen und Aufrechterhalten
der Temperatur des oxydierten aromatischen Destillats auf etwa 120 bis 3000C. Am Boden der Strangpresse 17 ist eine übliche
Spinndüse 51 mit mindestens einer, und vorzugsweise einer grossen Anzahl an Austrittsöffnungen mit einem Durchmesser von etwa
500 Mikron, durch welche das oxydierte aromatische Destillat unter Bildung des Fadens F stranggopreßt wird, vorgesehen. Die
Strangpresse umfaßt eine übliche Temperaturmeßvorrichtung 53 und eine übliche Druckmeßvorrichtung 55 zur Aufzeichnung der Temperatur
und des Drucks in der Strangpresse. Eine Druckerzeugungsvorrichtung 57 steht mit der Strangpresse durch eine Leitung 59
zur Schaffung des Drucks,der zum Strangpressen des oxydierten aromatischen
Destillats durch die Spinndüse 51 benötigt wird, in Verbindung. Vorzugsweise steht die Druckerzeugungsvorrichtung unter
dem Druck von Stickstoffges.
Unter der Strangpresse 17'ist eine Aufwicklungsvorrichtung 19,
die eine Spule 61 und einen Motor 63 zum Drehen der Spule 61'umfaßt,
vorgesehen. Der Faden F wird auf die Spule 61 aufgewickelt. wie es gezeigt wird.
Erfindungsgemäß wird ein aromatisches Destillat in dem Vorerhitzer
11 erhalten uiid auf eine; Temperatur von etwa 350 bis
3700C in diesem erhitzt, und nachfolgend wird der Kessel 13 durch
die Leitung 21 (siehe Zeichnung) damit beschickt. Der Druck in
dem Kessel wird auf etwa 6 bis 7 kg/cm" erhöht, was ausreicht, die Verdampfung des aromatischen Destillats bei seiner erhöhten
Temperatur zu unterdrücken. Luft wird in den Boden des Kessels 1.·;
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durch eine Leitung 23 in eine große Anzahl von Öffnungen (nicht in der Zeichnung abgebildet) eingeleitet, um ein inniges Vermischen
der Luft mit dem aromatischen Destillat zu gewährleisten. Der Luftstrom in den Kessel wird durch einen Flußregler 25 bei
einer bevorzugten Geschwindigkeit von etwa 0,0056-0,0708 Normal-Kubikmeter
Luft pro Stunde pro Gramm Destillat eingestellt. Wenn Luft in das Destillat am Boden des Kessels einströmt, perlt
es aufwärts durch das Destillat und wandelt es zu einer pechartigen Substanz um. Die Gase aus dem Kessel 13 gelangen durch
die Leitung 29 und strömen in den Wärmeaustauscher 31, wo sie' abgekühlt werden^und von da zu dem Analysator 35, wo sie auf
ihren Sauerstoffgehalt hin analysiert werden. Die Konzentration
des Sauerstoffs in den Gasen sollte bei Werten unterhalb der Explosionsgrenze in dem Kessel 13 gehalten werden. Wenn
Luft aufwärts durch das aromatische Destillat in dem Kessel perlt, nimmt seine Viskosität mit der Zeit zu, und die Menge
an in Benzol unlöslichen Materialien in dem aromatischen Destillat wächst auch mit der Zeit an. Wenn die Viskosität des aromatischen
Destillats etwa 10 Saybolt-Sekunden bei 1000C erreicht,
und die in Benzol unlöslichen Materialien etwa 30,0 Gew.-% erreichen,
ist das aromatische Destillat zu einer pechartigen Substanz, die einen geeigneten Vorläufer zur Herstellung von
isotropen Kohlefasern darstellt, umgewandelt worden. In der Praxis ist jedoch die Menge an verbrauchtem Sauerstoff der entscheidende
Faktor, ob das aromatische Destillat genügend behandelt worden ist. Wenn 0,0142 Normal-Kubikmeter elementarer
Sauerstoff pro Gramm Destillat verbraucht worden sind, wird der Luftstrom durch das Ventil 27 unterbrochen, und der Druck
wird in dem Kessel 13 durch das Ventil 33 vermindert. Der Inhalt
des Kessels wird durch Leitung 41 in einen Lagerungskessel 45 entleert und danach in die Destillationseinheit, v/o die niedriger
siedenden Bestandteile entfernt werden, und man erhält .einen Rückstand, der den gewünschten Erweichungspunkt besitzt.
Beim Strangpressen der Fäden (F) in der Zeichnung wird das oxydierte
aromatische Destillat durch die Austrittsöffnung der Spinndüse 51 stranggepreßt. Zu Beginn des Betriebs wird das
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Ende des Fadens an der Spule 61 befestigt. Beim Betrieb dreht der Motor 63 die Spule 61 mit einer solchen Geschwindigkeit,
daß der Faden im Querschnitt durch Zug von 500 Mikron - Größe des Fadens am Anfang - auf 10 bis 15 Mikron reduziert wird.
Nachfolgend wird die Spule 61 von der Aufwicklungsvorrichtung
entfernt; die Fäden auf der Spule werden mit heißer Luft in Beerührung gebracht und danach bei Temperaturen über 8000C verkohlt.
Die entstandene verkohlte Faden ist unschmelzbar, leuchtend schwarz, hart und besitzen im allgemeinen die Eigenschaften,
wie sie in der Tabelle oben angegeben worden sind.
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Claims (8)
1." Verfahren zur Herstellung von Kohlefaden "bzw. -fasern aus
einem aromatischen Destillat, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
a) inniges Inkontaktbringen des Destillats mit einem elementaren Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer Temperatur von etwa 250 bis 4200C bis das Destillat zu einem
pechartigen Material umgewandelt wurde, das nach Verkohlung bei Temperaturen über etwa 80O0C isotropen Koh- .
lenstoff ergibt; .
b) Bildung einer Faser bzw. eines Fadens aus diesem pech- ■
artigen Material und
c) Verkohlung des Fadens des Fadens bzw. der Faser bei Temperaturen über etwa 8000C.
2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Destillat mit dem Gas in Kontakt gebracht wird bis wenigstens etwa 0,0142 Normal-Kubikmeter (0,5 scf) an elementarem
Sauerstoff je 454 g an Destillat verbraucht worden ist.
3· Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Destillat ein solches mit einem Siedepunkt von etwa 200 bis 4000C eingesetzt \tfird.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als elementaren Sauerstoff enthaltendes Gas Luft verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Graphitfäden bzw.- fasern auf eine Temperatur
über etwa 2 5000C erhitzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Behandlung des Destillats mit dem elementaren Sauerstoff
enthalten Gas pechartige Substanz destilliert wird, um ihr einen geeigneten ,Erweichungspunkt und eine geeignete Vis-
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kosität zu vermitteln, ironach sie zur Herstellung eines Fadens
vorzugsweise durch eine Spinndüse bei einer Temperatur von etwa bis 2800G 'stranggepreßt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Erweichungspunkt der destillierten Substanz auf etwa 100 bis 2000C gebracht wird.
8. Isotrope Kohlefasern bzw. -fäden, dadurch gekennzeichnet, daß
sie im wesentlichen bestehen aus:
etwa 93,0 - 97,0 <fo Kohlenstoff
etwa 0,2 - 0,6 <fo Wasserstoff
etwa 2,5 - 4,0 56 Sauerstoff
weniger als 0,6 fo Schwefel
weniger-als 0,2 # Stickstoff
und die folgenden physikalischen Eigenschaften aufweisen:
Durchmesser etwa 5 Mikron oder größer
. Dehnung beim Bruch etwa 1,2 - 2,0 $
Elastizitätsmodul . etwn 42 - 48 χ ΙΟ4 kg/cm2
Zugfestigkeit " ' etwa 7.000 - 12.600 kg/cm
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