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EP0743381A2 - Process for thermal stabilising of multi-layered products composed of polyacrylnitril fibres - Google Patents

Process for thermal stabilising of multi-layered products composed of polyacrylnitril fibres Download PDF

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Publication number
EP0743381A2
EP0743381A2 EP96106044A EP96106044A EP0743381A2 EP 0743381 A2 EP0743381 A2 EP 0743381A2 EP 96106044 A EP96106044 A EP 96106044A EP 96106044 A EP96106044 A EP 96106044A EP 0743381 A2 EP0743381 A2 EP 0743381A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
fibers
dimensional sheet
temperatures
range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP96106044A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0743381A3 (en
EP0743381B1 (en
Inventor
Michael Dipl.-Chem. Dr. Heine
Dieter Dipl-Chem. Dr. Kompalik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Technik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Technik GmbH filed Critical SGL Technik GmbH
Publication of EP0743381A2 publication Critical patent/EP0743381A2/en
Publication of EP0743381A3 publication Critical patent/EP0743381A3/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0743381B1 publication Critical patent/EP0743381B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F9/22Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
    • D01F9/225Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles from stabilised polyacrylonitriles

Definitions

  • the invention relates firstly to a method for producing a multi-dimensional sheet-like structure composed of carbon or predominantly composed of carbon from a starting material consisting of polyacrylonitrile or essentially polyacrylonitrile, secondly a plant for carrying out the method and a felt produced by this method.
  • the thermally stabilized fibers first have to be crimped, then cut into staple fibers and then a felt has to be made from the staple fibers in a last step.
  • Such a process is cumbersome and time-consuming because the PAN fibers lose part of their textile properties during thermal stabilization and are then more difficult to process into the various textile structures.
  • the application of the method is necessary, however, because during thermal stabilization, strongly exothermic reactions take place in the fiber and because of the hindrance of the heat transfer when stabilizing entire textile layers or webs, the fibers adiabatically overheat and as a result the fibers melt or burn off .
  • the invention was therefore based on the object of a method for the direct transfer of polyacrylonitrile or essentially polyacrylonitrile, multi-dimensional sheet-like structures composed of fibers, such as, for example, woven, knitted, knitted, laid, felted, nonwoven, into the infusible, non-carbonized form to provide in one process step.
  • the task was, in particular, to provide a continuously operating method of this type, which offers the possibility of precisely regulating the reaction temperatures in the flat structures as a function of time.
  • Another object was to provide a device or system by means of which the method according to the invention can be carried out.
  • non-meltable, non-carbonized form of fibers or of multi-dimensional sheet-like structures made of fibers used in the claims and in the description is synonymous with the term “thermally stabilized” or “stabilized” fibers or fiber-made multi-dimensional sheet-like structures and was used to clearly differentiate this thermal treatment stage of the fibers or flat structures from those stages which are reached at temperatures above 320 ° C. and which are either designated with “partially carbonized”, “carbonized” or with “graphitized”.
  • multi-dimensional sheet-like structure constructed from fibers the term “fabric web” is also used in the following due to the shorter spelling.
  • the filaments in the fabric must be supplied with sufficient heat to start the reactions taking place during stabilization. From the time of the start, the total of the enthalpies of reaction is strongly exothermic and the reactions would go off with the consequence of the melting or burning of the material web, if this did not prevent the use of control measures.
  • the essential feature of the method according to the invention is that the multi-dimensional sheet-like structures or fabric webs made up of PAN fibers are characterized by a gas or gas mixture which is tempered in an appropriately adapted manner during the entire thermal stabilization phase characterized by the initial heat requirement and the subsequent exothermic area is flowed through. In the start-up phase, such an amount of heat is applied to the fibers transferred that the stabilization reactions begin to take place.
  • Those parameters determined according to the method described above, which can be easily measured and controlled even in a continuously operating system and which are used to set and maintain the desired temperature profile in the fabric, are then transferred to the production system.
  • the monitoring and fine control of the temperature of the fabric in this system can then, if necessary, be done, for example, by measuring the temperature difference between gas flowing in and out of the fabric or, in the case of thin fabrics, by measuring the surface temperature of the fabric.
  • the temperature profile during the stabilization can be controlled isothermally after the start of the reactions involved in the stabilization, decreasing starting from a certain temperature level or increasing starting from such a temperature level. Where necessary, combinations of the three types of temperature profiles mentioned can also be used.
  • a fabric web for example a felt, in which the fibers are arranged very close to one another, has a high energy density in the reactions taking place during the stabilization, its thermal insulation capacity is very good and it is comparatively difficult to flow through. Driving too fast at too high temperatures would damage the fabric until the reaction went through. At first glance, it seems that it is loose but made of very thick fibers or bundles of fibers, e.g.
  • a fabric, scrim or knitted fabric also has to be stabilized relatively slowly and at temperatures that are not too high, because here, despite good possibilities for heat transfer and removal, flowing gas overheating of the interior of the fibers or fiber bundles must be avoided and the stabilization reactions take a certain time because of their diffusion-controlled process.
  • a thin fabric web of loose fiber structure made of thin threads which can be stabilized in a relatively short time at a comparatively high temperature, is relatively unproblematic. Given the above, it is difficult to specify a preferred driving style. Because of the importance of the invention for high mass throughputs on fabric webs, however, the preferred method is that which has the shortest time for thermal stabilization if certain quality criteria are met for the fabric web.
  • stabilization can also be carried out with gas mixtures are carried out, the composition of which changes during the stabilization reaction or an inert gas, for example nitrogen or argon, is used for part of the reaction and the gas containing an oxidizing agent is used for the other part.
  • an inert gas for example nitrogen or argon
  • the fibers can first be pre-oxidized and loaded with oxygen under oxidizing conditions and the reactions can then be completed under inert gas in the manner envisaged.
  • the temperature range within which the stabilization is generally carried out is between 180 and 320, preferably between 220 and 260 ° C., these temperatures being defined as the temperatures which the gas flowing through the fabric web has on the upstream side.
  • the temperatures of the individual fibers in the fabric web can be up to a maximum of 10 K above the temperatures of the inflowing gas when the specified gas temperatures and proper reaction sequence are used.
  • the stabilization is carried out within a period in the range from 0.5 to 10 hours, preferably from 0.5 to 6 hours.
  • the stabilization can also be carried out with considerably longer times, however, the process then becomes increasingly uneconomical and the flat structure or its fibers can suffer, for example due to excessive oxygen absorption, quality losses.
  • oxygen donors are all oxygen-releasing substances which can be converted into gas or vapor form, but especially molecular oxygen, ozone, sulfur trioxide, nitrogen dioxide or nitrous oxide, nitrous oxide or laughing gas and nitrogen monoxide. These substances are generally used in cases where this is possible, not in pure form, but in a mixture with an inert carrier gas.
  • the proportion of substances consisting of or containing oxygen is preferably 20 percent by volume, based on the gas mixture, equal to 100%.
  • the particularly preferred gas mixture used is air.
  • Partial carbonization, carbonization and graphitization can follow the stabilization process for further processing of the multi-dimensional flat structures as additional, subsequent process steps.
  • one or more of these additional process steps can be carried out in plants which are coupled to the oxidation plant or which are part of this plant.
  • the partial carbonization is carried out in a manner known per se in the temperature range from 320 to 800 ° C., preferably from 500 to 700 ° C., in an inert atmosphere.
  • this process step which can also be carried out continuously, the carbon content of the material webs is further increased by releasing hydrogen, oxygen and heteroatoms, in particular nitrogen, and the degree of crosslinking of the carbon skeleton in the filaments is increased.
  • Partially carbonized panels can be used, for example, for flame-retardant textiles, insulating linings, as filter material or for the production of composite materials.
  • Partial carbonization can be followed by carbonization, which is carried out in an inert atmosphere in the temperature range from 800 to 1800 ° C., preferably from 800 to 1400 ° C.
  • carbonization which is carried out in an inert atmosphere in the temperature range from 800 to 1800 ° C., preferably from 800 to 1400 ° C.
  • the fibers forming the multidimensional flat structure are completely converted into carbon.
  • Such multi-dimensional flat structures can be used under protective gas up to the highest temperatures. They are extremely corrosion-resistant and have a comparatively high electrical resistance. Therefore, they can be used, for example, as filter material or as substrate material for catalytic or electrochemical applications. Felts so produced can e.g. can also be used as a high-temperature insulating material in a non-oxidizing atmosphere due to their heat-insulating properties.
  • the main area of application for carbonized material webs is the production of composite materials, in particular composite materials with a synthetic resin or carbon matrix.
  • the last thermal finishing stage to which the multi-dimensional sheet-like structures produced by the process according to the invention can be subjected is graphitizing, which is carried out in an inert atmosphere in the temperature range from 1800 to approximately 3000 ° C., preferably in the range above 2000 ° C.
  • This process step can also be carried out continuously, for example with a system according to DE utility model 72 31 623.
  • Each of the multi-dimensional sheet-like structures produced by one of the methods described is suitable for the production of a wide variety of composite materials.
  • suitable materials for a variety of applications can be produced in conjunction with appropriate further processing and / or finishing steps such as carbonizing, graphitizing, impregnating, coating, siliconizing or activating.
  • the apparatus for determining the parameters with which the method is controlled in a continuous mode of operation and then the system for the continuous thermal stabilization of multidimensional flat structures based on PAN fibers are first described as examples.
  • a speed-controllable fan 17 ' At the end of the outflow area of the apparatus, after a gas cooling section (not shown), there is a speed-controllable fan 17 ', by means of which a differential pressure to the pressure in the inflow area can be regulated in order to improve the flow through the fabric web in the outflow area.
  • a fabric web 18 is unwound from a web roll 20 located on an unwinding unit 19, on a grating 21, preferably a wire grating made of thin wires and with large open meshes, through an oven 23 consisting of at least one spatial section 22, in which the conditions for the thermal stabilization is maintained, transported and wound up on a winding device 24 after leaving the furnace 23.
  • the grating 21 is expediently moved through the oven 23 in synchronism with the fabric web 18. For this purpose, it runs as an endless belt with the aid of driven rollers 25, 25 '. Another known method can also be used here.
  • the fabric web 18 When passing through the furnace 23, which takes place during a certain predetermined time, the fabric web 18 is flowed through by a certain amount of gas, which has a predetermined composition and temperature and is coordinated with the respective stabilization task.
  • a certain amount of gas which has a predetermined composition and temperature and is coordinated with the respective stabilization task.
  • measuring points for the are in the inflow area above the fabric web 18 and in the outflow area below the fabric web Temperature (T), for the gas pressure (p) and for the flow velocity (v) installed.
  • the heaters 26 for temperature control of the inflowing gas, the fans 27 in the inflow area for generating the desired gas flow and the fans 28 in the outflow area for the removal of the gases from the outflow area and for the maintenance are used by means of the values measured at these points of the differential pressure required for an effective flow through the fabric web 18.
  • Grids or perforated plates 32 are provided for generating a gas flow which is uniform over the cross section of the respective department 22, 22 ', 22'',22''' of the furnace 23.
  • the fans 28 in the outflow area can also be omitted.
  • the measurement of the gas temperatures in the inflow and outflow areas serves to control the temperature conditions in the fabric and allows important conclusions to be drawn about the correct course of the reaction and the quality of the fabric.
  • the subdivision of the furnace 23 into sections 22, 22 ', 22'',22''' can be omitted.
  • the furnace must be divided into sections 22 in which the process parameters can be regulated independently of those of other sections 22.
  • the number of four departments 22, 22 ', 22'',22''' has only been given here as an example. Depending on the procedural requirements, the system may also contain fewer or more departments 22.
  • test results show that webs of different qualities based on PAN can be thermally stabilized using different process conditions according to the process described above. It can further be seen from the test results that the properties of the stabilized fabric produced can be influenced by the choice of process conditions for thermal stabilization. This proves that with the method according to the invention, after carrying out simple preliminary tests, it is possible to produce multi-dimensional sheet-like structures with predetermined properties in a targeted manner from thermally treated PAN fibers.

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Abstract

A process is claimed for the prodn. of multi-surfaced formed bodies consisting at least mainly of carbon fibres (CF) derived from polyacrylonitrile (PAN)-based starting material. The process comprises heating the corresp. body made of PAN fibres to 180-320 degrees C to convert the PAN into the infusible uncarbonised form and then passing gas contg. an oxygen-releasing substance through the body for 0.5-10 h, in amts. which are controlled so as to (a) maintain the necessary temp. for the chemical reactions required for thermal stabilisation of the fibres and (b) avoid overheating and consequent damage to the fibres. Also claimed are (i) formed bodies made of carbon fibres, obtd. by this process, and (ii) an appts. for the continuous thermal treatment of the above formed bodies made of PAN fibres.

Description

Die Erfindung betrifft erstens ein Verfahren zum Herstellen eines aus Kohlenstoff oder überwiegend aus Kohlenstoff bestehenden aus Fasern aufgebauten, mehrdimensionalen flächigen Gebildes aus einem aus Polyacrylnitril oder im wesentlichen aus Polyacrylnitril bestehenden Ausgangsmaterial, zweitens eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens und einen nach diesem Verfahren hergestellten Filz.The invention relates firstly to a method for producing a multi-dimensional sheet-like structure composed of carbon or predominantly composed of carbon from a starting material consisting of polyacrylonitrile or essentially polyacrylonitrile, secondly a plant for carrying out the method and a felt produced by this method.

Hauptsächlich oder ganz aus Kohlenstoff bestehende, aus Fasern aufgebaute, mehrdimensionale flächige Gebilde wie beispielsweise Gewebe, Gestricke, Gelege, Filze oder Vliese, die auf organische Polymere wie z.B. Zellulose, Wolle, Kunstharze, Pech oder Polyacrylnitril zurückgehen, werden auf den unterschiedlichsten Gebieten verwendet. Man findet sie, um nur einige Anwendungen zu nennen, als flammhemmende Textilien in Fahrzeugsitzen oder Arbeitsschutzmitteln, als Isoliermaterial, das unter Schutzgas bis zu höchsten Temperaturen eingesetzt werden kann, als korrosionsbeständiges Filtermaterial, je nach Qualität als elektrisch leitfähige oder isolierende Substrate oder als Ausgangsmaterialien für Verbundwerkstoffe. Eine Mindestanforderung für die hier beschriebenen Materialien ist es, daß die Fasern, aus denen sie aufgebaut sind, zu irgend einem Zeitpunkt durch eine thermische Behandlung unschmelzbar gemacht worden sind und daß dabei trotz der in ihnen vorgegangenen Veränderungen die Faserstruktur erhalten geblieben ist. Diese thermische Behandlung wird als Oxidation oder Stabilisierung bezeichnet. Sie wird unter Mitwirkung von Oxidationsmitteln durchgeführt und sollte so geleitet werden, daß die Fasern des eingesetzten textilen Gebildes bestimmte Eigenschaften erhalten. Aus Gründen der rationellen Herstellung wäre es wünschenswert, diesen Stabilisierungsvorgang an ganzen Materialbahnen und zwar in kontinuierlicher Fahrweise auszuführen. Bei einigen Typen wie z.B. textilen Materialien aus Cellulose ist dies heute bereits möglich. Bei aus Fasern aufgebauten, mehrdimensionalen flächigen Gebilden auf der Basis von Polyacrylnitril, im folgenden PAN genannt, läßt sich eine Stabilisierung von Bahnen im kontinuierlichen Betrieb bis jetzt nicht wirtschaftlich durchführen und auch das diskontinuierliche Stabilisieren nicht ganz dünner Materialbahnen oder -Stücke ist problematisch. Thermisch stabilisierte aus Fasern aufgebaute, mehrdimensionale flächige Gebilde auf Basis von Polyacrylnitril werden deshalb bis heute durch ein vergleichsweise aufwendiges Verfahren hergestellt, indem man zuerst die PAN-Fasern als solche thermisch stabilisiert, d.h. unschmelzbar macht und dann die stabilisierten Fasern zu den verschiedenen mehrdimensionalen flächigen Fasergebilden weiterverarbeitet. Im Falle von Filzen müssen dazu die thermisch stabilisierten Fasern erst gekräuselt, danach zu Stapelfasern geschnitten und es muß dann aus den Stapelfasern in einem letzten Schritt ein Filz gefertigt werden. Ein solches Verfahren ist umständlich und aufwendig, weil die PAN-Fasern beim thermischen Stabilisieren einen Teil ihrer textilen Eigenschaften verlieren und sich dann schwieriger zu den verschiedenen textilen Gebilden verarbeiten lassen. Die Anwendung des Verfahrens ist jedoch notwendig, weil beim thermischen Stabilisieren in der Faser stark exotherme Reaktionen ablaufen und es wegen der Behinderung des Wärmeabtransports beim Stabilisieren ganzer textiler Lagen oder Bahnen zu einer adiabaten Überhitzung der Fasern und in deren Folge zum Schmelzen oder Abbrennen der Fasern kommt. Diese Reaktionen, nämlich die Dehydrierung des Polymeren unter Einwirkung von Oxidationsmitteln, speziell von Sauerstoff, seine Cyclisierung zu einem heteroaromatischen Leiterpolymeren sowie weitergehende chemische Vernetzungen und unerwünschte aber nicht vollständig unterdrückbare unspezifische Oxidationen des Polymeren laufen parallel ab (siehe z.B. E. Fitzer, D.J. Müller, Carbon, 13 (1975) S. 63-69) und lassen sich durch verfahrenstechnische Maßnahmen nur sehr begrenzt beeinflussen. Aber selbst wenn es gelingt, die Zerstörung des Fasergerüsts zu verhindern, werden die Fasern bei nicht optimaler Temperaturführung geschädigt. Eine solche Schädigung kann z.B. in einer zu starken Versprödung oder einer zu großen Sauerstoffaufaufnahme mit der Folge hoher Oxidations- und damit Qualitätsverluste beim nachfolgenden Carbonisierungsschritt liegen.Mainly or entirely of carbon, multi-dimensional sheet-like structures made of fibers, such as woven fabrics, knitted fabrics, scrims, felts or nonwovens, which are based on organic polymers such as cellulose, wool, synthetic resins, pitch or polyacrylonitrile, are used in a wide variety of fields. They can be found, to name just a few applications, as flame-retardant textiles in vehicle seats or occupational safety agents, as insulating material that can be used under protective gas up to the highest temperatures, as corrosion-resistant filter material, depending on the quality, as electrically conductive or insulating substrates or as starting materials for Composites. A minimum requirement for the materials described here is that the fibers from which they are made have at some point been made infusible by thermal treatment and that the fiber structure has been retained despite the changes that have occurred in them. This thermal treatment is called oxidation or stabilization. It is carried out with the participation of oxidizing agents and should be conducted so that the fibers of the textile structure used have certain properties. For reasons of rational production, it would be desirable perform this stabilization process on entire webs of material in a continuous manner. With some types, such as textile materials made of cellulose, this is already possible today. In the case of multi-dimensional sheet-like structures based on polyacrylonitrile, hereinafter called PAN, which have been built up from fibers, web stabilization in continuous operation has so far not been able to be carried out economically and the discontinuous stabilization of material webs or pieces that are not quite thin is problematic. Thermally stabilized, multi-dimensional sheet-like structures based on polyacrylonitrile are therefore still produced today by a comparatively complex process, by first thermally stabilizing the PAN fibers as such, i.e. making them infusible, and then the stabilized fibers to form the various multi-dimensional sheet-like structures processed further. In the case of felts, the thermally stabilized fibers first have to be crimped, then cut into staple fibers and then a felt has to be made from the staple fibers in a last step. Such a process is cumbersome and time-consuming because the PAN fibers lose part of their textile properties during thermal stabilization and are then more difficult to process into the various textile structures. The application of the method is necessary, however, because during thermal stabilization, strongly exothermic reactions take place in the fiber and because of the hindrance of the heat transfer when stabilizing entire textile layers or webs, the fibers adiabatically overheat and as a result the fibers melt or burn off . These reactions, namely the dehydrogenation of the polymer under the action of oxidizing agents, especially oxygen, its cyclization to a heteroaromatic conductor polymer and further Chemical crosslinking and undesired but not completely suppressable unspecific oxidation of the polymer take place in parallel (see e.g. E. Fitzer, DJ Müller, Carbon, 13 (1975) pp. 63-69) and can only be influenced to a very limited extent by procedural measures. But even if it is possible to prevent the destruction of the fiber structure, the fibers will be damaged if the temperature is not optimal. Such damage can be, for example, excessive embrittlement or excessive oxygen uptake, which results in high oxidation and thus loss of quality in the subsequent carbonization step.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum direkten Überführen von aus Polyacrylnitril oder im wesentlichen aus Polyacrylnitril bestehenden, aus Fasern aufgebauten, mehrdimensionalen flächigen Gebilden wie beispielsweise Geweben, Gestricken, Gewirken, Gelegen, Filzen, Vliesen in die unschmelzbare, nicht carbonisierte Form in einem Verfahrensschritt bereitzustellen. Die Aufgabe bestand insbesondere darin, ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren dieser Art bereitzustellen, das die Möglichkeit zu einer genauen Regelung der Reaktionstemperaturen in den flächigen Gebilden in Abhängigkeit von der Zeit bietet. Eine weitere Aufgabe war es, eine Vorrichtung oder Anlage zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe derer das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Schließlich war es auch eine Aufgabe der Erfindung, aus unschmelzbar gemachten aber nicht carbonisierten Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde bereitzustellen, die unter Verwendung des neuen Verfahrens hergestellt worden sind.The invention was therefore based on the object of a method for the direct transfer of polyacrylonitrile or essentially polyacrylonitrile, multi-dimensional sheet-like structures composed of fibers, such as, for example, woven, knitted, knitted, laid, felted, nonwoven, into the infusible, non-carbonized form to provide in one process step. The task was, in particular, to provide a continuously operating method of this type, which offers the possibility of precisely regulating the reaction temperatures in the flat structures as a function of time. Another object was to provide a device or system by means of which the method according to the invention can be carried out. Finally, it was also an object of the invention to provide multidimensional flat structures made of infusible but not carbonized fibers, which were produced using the new method.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche enthalten die Lösung der anderen angegebenen Aufgaben oder Ausgestaltungen der Erfindung. Sie werden hiermit in den Text der Beschreibung eingeführt.The object is achieved by a method having the characterizing features of claim 1. The others Claims contain the solution to the other stated objects or embodiments of the invention. They are hereby introduced into the text of the description.

Der in den Ansprüchen und in der Beschreibung verwendete Begriff "nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form" von Fasern oder von aus Fasern bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebilden ist synonym mit dem Begriff "thermisch stabilisierte" oder "stabilisierte" Fasern oder aus Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde und wurde verwendet, um diese thermische Behandlungsstufe der Fasern oder flächigen Gebilde klar von denjenigen Stufen zu unterscheiden, die bei Temperaturen oberhalb 320 °C erreicht werden und die entweder mit "teilcarbonisiert", "carbonisiert" oder mit "graphitiert" bezeichnet werden. Für den Begriff "aus Fasern aufgebautes, mehrdimensionales flächiges Gebilde" wird im folgenden der kürzeren Schreibweise wegen auch der Begriff "Stoffbahn" verwendet.The term "non-meltable, non-carbonized form" of fibers or of multi-dimensional sheet-like structures made of fibers used in the claims and in the description is synonymous with the term "thermally stabilized" or "stabilized" fibers or fiber-made multi-dimensional sheet-like structures and was used to clearly differentiate this thermal treatment stage of the fibers or flat structures from those stages which are reached at temperatures above 320 ° C. and which are either designated with “partially carbonized”, “carbonized” or with “graphitized”. For the term "multi-dimensional sheet-like structure constructed from fibers", the term "fabric web" is also used in the following due to the shorter spelling.

Zu Beginn des Stabilisierungsvorgangs muß den Filamenten in der Stoffbahn soviel Wärme zugeführt werden, daß die beim Stabilisieren ablaufenden Reaktionen gestartet werden. Vom Zeitpunkt des Starts ab ist die Summe der Reaktionsenthalpien stark exotherm und die Reaktionen würden mit der Folge des Schmelzens oder Abbrennens der Stoffbahn durchgehen, wenn dies nicht die Anwendung steuernder Maßnahmen verhinderte. Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun, daß die aus PAN-Fasern aufgebauten mehrdimensionalen flächigen Gebilde oder Stoffbahnen während der gesamten, durch den anfänglichen Wärmebedarf und den sich daran anschließenden exothermen Bereich gekennzeichneten thermischen Stabilisierungsphase von einem in entsprechend angepaßter Weise temperierten Gas oder Gasgemisch durchströmt wird. In der Startphase wird dadurch auf die Fasern eine solche Wärmemenge übertragen, daß die Stabilisierungsreaktionen abzulaufen beginnen. Danach kühlt das Gas die Fasern so weit, daß die exothermen Reaktionen unter Einhaltung der vorgegebenen Temperaturen ablaufen und in der Endphase, wenn die Wärmeentwicklung in den Fasern durch das Abklingen der Reaktionen nachläßt, wird gegebenenfalls wieder Wärme zugeführt, um die gewünschte Reaktionstemperatur zu halten und die Stabilisierung schnell zu Ende zu führen. Während der gesamten Stabilisierungsphase dient das durchströmende Gas auch als Medium zum Stofftransport. Es transportiert Sauerstoff oder Sauerstoffträger an die Fasern und führt gasförmige Reaktionsprodukte wie z.B. H2O, CO2, CO oder HCN von den Fasern weg. Da die Stoffübergänge zur und von der Faser diffusionskontrolliert ablaufen, ist es vorteilhaft, mit vergleichsweise großen Strömungsgeschwindigkeiten in der Stoffbahn zu arbeiten, um dünne Phasengrenzflächen auf den Fasern zu erzielen. Dies kommt auch dem Erfordernis nach möglichst guten Wärmeübergangsbedingungen entgegen.At the beginning of the stabilization process, the filaments in the fabric must be supplied with sufficient heat to start the reactions taking place during stabilization. From the time of the start, the total of the enthalpies of reaction is strongly exothermic and the reactions would go off with the consequence of the melting or burning of the material web, if this did not prevent the use of control measures. The essential feature of the method according to the invention is that the multi-dimensional sheet-like structures or fabric webs made up of PAN fibers are characterized by a gas or gas mixture which is tempered in an appropriately adapted manner during the entire thermal stabilization phase characterized by the initial heat requirement and the subsequent exothermic area is flowed through. In the start-up phase, such an amount of heat is applied to the fibers transferred that the stabilization reactions begin to take place. Thereafter, the gas cools the fibers to such an extent that the exothermic reactions take place at the specified temperatures and in the final phase, when the heat builds up in the fibers as the reactions subside, heat is optionally added again in order to maintain the desired reaction temperature and to finish stabilization quickly. During the entire stabilization phase, the gas flowing through also serves as a medium for mass transport. It transports oxygen or oxygen carriers to the fibers and leads gaseous reaction products such as H 2 O, CO 2 , CO or HCN away from the fibers. Since the material transitions to and from the fiber run in a diffusion-controlled manner, it is advantageous to work with comparatively high flow velocities in the fabric web in order to achieve thin phase interfaces on the fibers. This also meets the requirement for the best possible heat transfer conditions.

Für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine genaue Erfassung der in der Stoffbahn herrschenden Temperaturen, die ja Regelgrößen für die die Stoffbahn durchströmenden und die Temperatur in ihr regelnden Gase sind, notwendig. Im diskontinuierlichen Betrieb bereitet dies keine Schwierigkeiten. Es können Thermoelemente in der Stoffbahn angeordnet werden, mittels derer gemessen und geregelt wird. Anders ist die Situation bei der bevorzugt angewandten kontinuierlichen Fahrweise. Hier muß zur Einstellung und Aufrechterhaltung der Temperaturen in der Stoffbahn ein indirektes Verfahren angewandt werden. Dazu wird folgendermaßen vorgegangen: In einer diskontinuierlich arbeitenden Testapparatur, in der eine genaue Messung der Temperatur im Inneren des mehrdimensionalen flächigen Gebildes, z.B. mittels Thermoelementen möglich ist, wird unter Variation der Parameter Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Gases zunächst der Temperaturbereich ermittelt, in dem die gewünschte Qualität des aus Fasern bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebildes im thermisch stabilisierten Zustand erhalten wird. Danach können, falls dies noch erforderlich ist, unter Vorgabe von als Bezugsgröße dienenden Temperaturverläufen, die innerhalb des vorher in der Stoffbahn gemessenen Temperaturbereichs liegen, die für die korrekte und wirtschaftliche Reaktionsführung notwendigen abhängigen Größen wie die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls der Druck des durchströmenden Gases festgelegt werden. Die Apparatur zur Durchführung der genannten Versuche wird an anderer Stelle in dieser Schrift beschrieben. Diejenigen nach der im vorstehenden beschriebenen Methode ermittelten Parameter, die auch in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage leicht gemessen und geregelt werden können und über die die Einstellung und Aufrechterhaltung des gewünschten Temperaturprofils in der Stoffbahn bewirkt wird, werden sodann auf die Produktionsanlage übertragen. Die Überwachung und Feinregelung der Temperatur der Stoffbahn in dieser Anlage kann dann, falls das erforderlich sein sollte, beispielsweise durch Messung der Temperaturdifferenz von anströmendem zu aus der Stoffbahn austretendem Gas oder bei dünnen Stoffbahnen durch Messung der Oberflächentemperatur der Stoffbahn geschehen. Der Temperaturverlauf während der Stabilisierung kann nach Beginn der an der Stabilisierung beteiligten Reaktionen isotherm, von einem bestimmten Temperaturniveau ausgehend abfallend oder von einem solchen Temperaturniveau ausgehend ansteigend gesteuert werden. Wo dies notwendig ist, können auch Kombinationen der drei genannten Typen von Temperaturverläufen angewendet werden.For the method according to the invention to be carried out successfully, the temperatures prevailing in the fabric web, which are control variables for the gases flowing through the fabric web and regulating the temperature in it, need to be recorded precisely. This is not a problem in discontinuous operation. Thermocouples can be arranged in the fabric by means of which measurement and control are carried out. The situation is different with the preferred continuous driving style. An indirect method must be used to adjust and maintain the temperatures in the fabric. The procedure is as follows: In a discontinuously operating test apparatus, in which an exact measurement of the temperature inside the multi-dimensional flat structure, for example by means of thermocouples is possible, the temperature range in which the desired quality of the multi-dimensional sheet-like structure consisting of fibers is obtained in the thermally stabilized state is first determined by varying the parameters composition, temperature and flow velocity of the gas. Thereafter, if this is still necessary, the given parameters, such as the temperature and the flow rate and, if necessary, the pressure of the flow-through, which are necessary for the correct and economical reaction management, can be provided by specifying the temperature curves which serve as a reference variable and which lie within the temperature range previously measured in the fabric web Gases are set. The apparatus for carrying out the experiments mentioned is described elsewhere in this document. Those parameters determined according to the method described above, which can be easily measured and controlled even in a continuously operating system and which are used to set and maintain the desired temperature profile in the fabric, are then transferred to the production system. The monitoring and fine control of the temperature of the fabric in this system can then, if necessary, be done, for example, by measuring the temperature difference between gas flowing in and out of the fabric or, in the case of thin fabrics, by measuring the surface temperature of the fabric. The temperature profile during the stabilization can be controlled isothermally after the start of the reactions involved in the stabilization, decreasing starting from a certain temperature level or increasing starting from such a temperature level. Where necessary, combinations of the three types of temperature profiles mentioned can also be used.

Ein wichtiger, besonders die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinflussender Parameter ist die für die Stabilisierungsreaktion benötigte Zeit. Natürlich wird immer angestrebt werden, diese Reaktion in möglichst kurzer Zeit durchzuführen. Da die erzeugten stabilisierten Stoffbahnen in Abhängigkeit von ihrem späteren Verwendungszweck bestimmte Materialkennwerte haben müssen und diese wie später gezeigt werden wird, stark von den Stabilisierungsbedingungen abhängen, kann in vielen Fällen nicht mit der kürzest möglichen Zeit, d.h. mit der höchst möglichen Temperatur gefahren werden. Es muß eine optimierende Abstimmung zwischen den Qualitätserfordernissen, dem Temperaturverlauf und der für die Stabilisierungsreaktion benötigten Zeit vorgenommen werden.An important parameter, particularly influencing the economics of the process, is the time required for the stabilization reaction. Of course, the aim will always be to carry out this reaction in the shortest possible time. Since the stabilized fabric webs produced, depending on their later intended use, must have certain material properties and, as will be shown later, these depend strongly on the stabilization conditions, in many cases the shortest possible time, i.e. run at the highest possible temperature. The quality requirements, the temperature profile and the time required for the stabilization reaction must be optimized.

Nach dem Verfahren können die unterschiedlichsten unter Verwendung von PAN-Fasern hergestellten Arten von mehrdimensionalen flächigen Gebilden stabilisiert werden. Die Unterschiede beziehen sich dabei neben der Dicke der flächigen Gebilde - es können Gewebe oder Vliese mit einer Dicke im Bereich von Zehntelmillimetern bis zu Filzen im Bereich von 10 cm und darüber stabilisiert werden - auch auf die stoffliche Zusammensetzung - reines PAN oder PAN mit Copolymeren oder Zusätzen - die Art der Herstellung der Fasern und Garne - beispielsweise aus Stapelfasern oder aus Filamenten hergestellte Garne - oder auf die Art der Herstellung des mehrdimensionalen flächigen Gebildes und damit die Faseranordnung und die Dichte oder Packung der Fasern in dem Gebilde wie Weben, Stricken, Knüpfen, Wirken, Verfilzen, Wirrlagen bilden. Verallgemeinert betrachtet, können alle aus PAN-Fasern aufgebauten mehrdimensionalen flächigen Gebilde thermisch stabilisiert werden, die von Gas durchströmbar sind.The method can be used to stabilize a wide variety of types of multidimensional flat structures produced using PAN fibers. The differences relate to the thickness of the flat structures - fabrics or nonwovens with a thickness in the range of tenths of a millimeter to felts in the range of 10 cm and above can be stabilized - also to the material composition - pure PAN or PAN with copolymers or Additions - the type of manufacture of the fibers and yarns - for example, yarns made from staple fibers or filaments - or the type of manufacture of the multidimensional flat structure and thus the fiber arrangement and the density or packing of the fibers in the structure such as weaving, knitting, knotting , Work, matting, confusion. Generally speaking, all multi-dimensional flat structures made of PAN fibers can be thermally stabilized, through which gas can flow.

Jede der Qualitäten von flächigen Gebilden hat eine eigene Stabilisierungscharakteristik und entsprechend muß für jede dieser Qualitäten die Fahrweise durch Versuche festgelegt werden. Die Notwendigkeit für diese Vorgehensweise soll durch folgende Beispiele verdeutlicht werden: Eine Stoffbahn, beispielsweise ein Filz, in dem die Fasern sehr dicht nebeneinander angeordnet sind, weist bei den während der Stabilisierung ablaufenden Reaktionen eine hohe Energiedichte auf, ihr Wärmedämmvermögen ist sehr gut und sie ist vergleichsweise schlecht durchströmbar. Eine zu schnelle Fahrweise bei zu hohen Temperaturen würde hier zu Schäden an der Stoffbahn bis zum Durchgehen der Reaktion führen. Eine dem ersten Anschein nach zwar locker aber aus sehr dicken Fasern oder aus Faserbündeln aufgebaute Stoffbahn, beispielsweise ein Gewebe, Gelege oder Gestrick muß ebenfalls relativ langsam und bei nicht zu hohen Temperaturen stabilisiert werden, da hier trotz guter Möglichkeiten zum Wärmean- und Abtransport durch das strömende Gas ein Überhitzen des Inneren der Fasern oder Faserbündel vermieden werden muß und die Stabilisierungsreaktionen wegen ihres diffusionskontrollierten Ablaufs eine bestimmte Zeit benötigen. Verhältnismäßig unproblematisch ist dagegen eine dünne Stoffbahn von lockerem Faseraufbau aus dünnen Fäden, die bei vergleichsweise hoher Temperatur in kurzer Zeit stabilisiert werden kann. Die Angabe einer bevorzugten Fahrweise ist in Anbetracht der vorstehenden Ausführungen schwierig. Wegen der Bedeutung der Erfindung für hohe Massendurchsätze an Stoffbahnen ist jedoch immer die Verfahrensweise die bevorzugte, die bei Einhaltung bestimmter Qualitätskriterien für die Stoffbahn die kürzeste Zeit für die thermische Stabilisierung aufweist.Each of the qualities of flat structures has its own stabilization characteristics and accordingly the driving style must be determined for each of these qualities through tests. The following examples illustrate the necessity for this procedure: A fabric web, for example a felt, in which the fibers are arranged very close to one another, has a high energy density in the reactions taking place during the stabilization, its thermal insulation capacity is very good and it is comparatively difficult to flow through. Driving too fast at too high temperatures would damage the fabric until the reaction went through. At first glance, it seems that it is loose but made of very thick fibers or bundles of fibers, e.g. a fabric, scrim or knitted fabric, also has to be stabilized relatively slowly and at temperatures that are not too high, because here, despite good possibilities for heat transfer and removal, flowing gas overheating of the interior of the fibers or fiber bundles must be avoided and the stabilization reactions take a certain time because of their diffusion-controlled process. On the other hand, a thin fabric web of loose fiber structure made of thin threads, which can be stabilized in a relatively short time at a comparatively high temperature, is relatively unproblematic. Given the above, it is difficult to specify a preferred driving style. Because of the importance of the invention for high mass throughputs on fabric webs, however, the preferred method is that which has the shortest time for thermal stabilization if certain quality criteria are met for the fabric web.

Statt mit einem Gas oder mit einem einheitlich zusammengesetzten Gasgemisch kann das Stabilisieren auch mit Gasgemischen durchgeführt werden, deren Zusammensetzung sich während der Stabilisierungsreaktion ändert oder es wird für einen Teil der Reaktion ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff oder Argon und für den anderen Teil das ein Oxidationsmittel enthaltende Gas verwendet. Man kann auf diese Weise z.B. den Ablauf der an der Stabilisierung beteiligten Reaktionen gegeneinander verzögern, indem unter Inertgas zunächst die Dehydrierungs- und Oxidationsreaktionen und damit deren Anteile an der Reaktionsenthalpie in den Fasern unterdrückt und diese Reaktionen in der zweiten Stufe unter oxidierenden Bedingungen nachgeholt werden. Im umgekehrten Fall kann man die Fasern unter oxidierenden Bedingungen zunächst mit Sauerstoff voroxidieren und beladen und die Reaktionen dann unter Inertgas in der vorgesehenen Weise zu Ende führen.Instead of using a gas or a gas mixture with a uniform composition, stabilization can also be carried out with gas mixtures are carried out, the composition of which changes during the stabilization reaction or an inert gas, for example nitrogen or argon, is used for part of the reaction and the gas containing an oxidizing agent is used for the other part. In this way you can, for example, delay the course of the reactions involved in the stabilization by initially suppressing the dehydrogenation and oxidation reactions and thus their shares in the enthalpy of reaction in the fibers under inert gas and making up for these reactions in the second stage under oxidizing conditions. In the opposite case, the fibers can first be pre-oxidized and loaded with oxygen under oxidizing conditions and the reactions can then be completed under inert gas in the manner envisaged.

Der Temperaturbereich, innerhalb dessen das Stabilisieren im allgemeinen durchgeführt wird, liegt zwischen 180 und 320, vorzugsweise zwischen 220 und 260 °C, wobei diese Temperaturen als die Temperaturen, die das die Stoffbahn durchströmende Gas auf der Anströmseite hat, definiert sind. Die Temperaturen der Einzelfasern in der Stoffbahn können bei Anwendung der vorgegebenen Gastemperaturen und ordnungsgemäßem Reaktionsablauf bis maximal 10 K über den Temperaturen des anströmenden Gases liegen. Je nach textilem Aufbau der Stoffbahn, Abmessungen sowie der Gestalt und stofflichen Zusammensetzung der Fasern der Stoffbahn wird die Stabilisierung innerhalb eines Zeitraumes im Bereich von 0,5 und 10 Stunden, vorzugsweise von 0,5 bis 6 Stunden durchgeführt. Natürlich kann die Stabilisierung auch mit wesentlich längeren Zeiten vorgenommen werden, jedoch wird das Verfahren dann zunehmend unwirtschaftlich und das flächige Gebilde kann bzw. dessen Fasern können, z.B. durch zu hohe Sauerstoffaufnahme, Qualitätseinbußen erleiden.The temperature range within which the stabilization is generally carried out is between 180 and 320, preferably between 220 and 260 ° C., these temperatures being defined as the temperatures which the gas flowing through the fabric web has on the upstream side. The temperatures of the individual fibers in the fabric web can be up to a maximum of 10 K above the temperatures of the inflowing gas when the specified gas temperatures and proper reaction sequence are used. Depending on the textile structure of the fabric web, dimensions and the shape and material composition of the fibers of the fabric web, the stabilization is carried out within a period in the range from 0.5 to 10 hours, preferably from 0.5 to 6 hours. Of course, the stabilization can also be carried out with considerably longer times, however, the process then becomes increasingly uneconomical and the flat structure or its fibers can suffer, for example due to excessive oxygen absorption, quality losses.

Für den Ablauf der einen wesentlichen Bestandteil des Stabilisierungsprozesses bildenden Dehydrierungsreaktion des PAN-Polymeren ist das Vorhandensein von Sauerstoff erforderlich. Als Sauerstoffdonatoren kommen alle Sauerstoff abgebenden, in Gas- oder Dampfform überführbaren Substanzen, besonders aber molekularer Sauerstoff, Ozon, Schwefeltrioxid, Stickstoffdioxid bzw. Distickstofftetroxid, Distickstoffmonoxid oder Lachgas und Stickstoffmonoxid in Frage. Diese Substanzen werden im allgemeinen auch in den Fällen wo dies möglich wäre, nicht in reiner Form, sondern in Mischung mit einem inerten Trägergas angewandt. Der Anteil der aus Sauerstoff bestehenden oder Sauerstoff enthaltenden Substanzen liegt dabei bevorzugt bei 20 Volumenprozent, bezogen auf die Gasmischung gleich 100 %. Die besonders bevorzugt angewandte Gasmischung ist Luft.The presence of oxygen is necessary for the course of the dehydrogenation reaction of the PAN polymer, which is an integral part of the stabilization process. Suitable oxygen donors are all oxygen-releasing substances which can be converted into gas or vapor form, but especially molecular oxygen, ozone, sulfur trioxide, nitrogen dioxide or nitrous oxide, nitrous oxide or laughing gas and nitrogen monoxide. These substances are generally used in cases where this is possible, not in pure form, but in a mixture with an inert carrier gas. The proportion of substances consisting of or containing oxygen is preferably 20 percent by volume, based on the gas mixture, equal to 100%. The particularly preferred gas mixture used is air.

An den Stabilisierungsprozeß können sich zur Weiterverarbeitung der mehrdimensionalen flächigen Gebilde als zusätzliche, nachgeschaltete Verfahrensschritte das Teilcarbonisieren, das Carbonisieren und das Graphitieren anschließen. Dazu kann eine oder es können mehrere dieser zusätzlichen Verfahrensschritte in Anlagen durchgeführt werden, die an die Oxidationsanlage gekoppelt oder die Teil dieser Anlage sind. Das Teilcarbonisieren wird in an sich bekannter Weise im Temperaturbereich von 320 bis 800 °C, vorzugsweise von 500 bis 700 °C in inerter Atmosphäre durchgeführt. Bei diesem Verfahrensschritt, der auch kontinuierlich durchgeführt werden kann, wird der Kohlenstoffgehalt der Stoffbahnen durch Abgabe von Wasserstoff, Sauerstoff und Heteroatomen, insbesondere von Stickstoff, weiter erhöht und der Vernetzungsgrad des Kohlenstoffgerüsts in den Filamenten vergrößert. Parallel dazu steigen Flammfestigkeit, Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit an, wobei die Biegsamkeit der Fasern in der Stoffbahn weitgehend erhalten bleibt. Teilcarbonisierte Stoffbahnen können beispielsweise für flammhemmende Textilien, isolierende Auskleidungen, als Filtermaterial oder für die Herstellung von Verbundmaterialien verwendet werden.Partial carbonization, carbonization and graphitization can follow the stabilization process for further processing of the multi-dimensional flat structures as additional, subsequent process steps. For this purpose, one or more of these additional process steps can be carried out in plants which are coupled to the oxidation plant or which are part of this plant. The partial carbonization is carried out in a manner known per se in the temperature range from 320 to 800 ° C., preferably from 500 to 700 ° C., in an inert atmosphere. In this process step, which can also be carried out continuously, the carbon content of the material webs is further increased by releasing hydrogen, oxygen and heteroatoms, in particular nitrogen, and the degree of crosslinking of the carbon skeleton in the filaments is increased. At the same time, flame resistance, temperature and corrosion resistance increase, whereby the flexibility of the fibers in the Fabric web is largely preserved. Partially carbonized panels can be used, for example, for flame-retardant textiles, insulating linings, as filter material or for the production of composite materials.

Auf das Teilcarbonisieren kann das Carbonisieren folgen, das in inerter Atmosphäre im Temperaturbereich von 800 bis 1800 °C, vorzugsweise von 800 bis 1400 °C durchgeführt wird. Bei diesem Prozeß, der auch kontinuierlich durchgeführt werden kann, werden die das mehrdimensionale flächige Gebilde bildenden Fasern vollständig in Kohlenstoff umgewandelt. Solche mehrdimensionalen flächigen Gebilde sind unter Schutzgas bis zu höchsten Temperaturen einsetzbar. Sie sind hervorragend korrosionsbeständig und haben einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand. Deshalb können sie beispielsweise als Filtermaterial oder als Substratmaterial für katalytische oder elektrochemische Anwendungen eingesetzt werden. So hergestellte Filze können z.B. wegen ihrer wärmedämmenden Eigenschaften auch als Hochtemperaturisolierstoff in nicht oxidierender Atmosphäre verwendet werden. Hauptanwendungsgebiet carbonisierter Stoffbahnen ist jedoch die Herstellung von Verbundwerkstoffen, insbesondere von Verbundwerkstoffen mit Kunstharz- oder Kohlenstoffmatrix.Partial carbonization can be followed by carbonization, which is carried out in an inert atmosphere in the temperature range from 800 to 1800 ° C., preferably from 800 to 1400 ° C. In this process, which can also be carried out continuously, the fibers forming the multidimensional flat structure are completely converted into carbon. Such multi-dimensional flat structures can be used under protective gas up to the highest temperatures. They are extremely corrosion-resistant and have a comparatively high electrical resistance. Therefore, they can be used, for example, as filter material or as substrate material for catalytic or electrochemical applications. Felts so produced can e.g. can also be used as a high-temperature insulating material in a non-oxidizing atmosphere due to their heat-insulating properties. The main area of application for carbonized material webs, however, is the production of composite materials, in particular composite materials with a synthetic resin or carbon matrix.

Die letzte thermische Veredelungsstufe, der die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mehrdimensionalen flächigen Gebilde unterworfen werden können, ist das Graphitieren, das in inerter Atmosphäre im Temperaturbereich von 1800 bis ca. 3000 °C, vorzugsweise im Bereich oberhalb von 2000 °C durchgeführt wird. Auch dieser Verfahrensschritt ist kontinuierlich, beispielsweise mit einer Anlage gemäß DE-Gebrauchsmuster 72 31 623 durchführbar.The last thermal finishing stage to which the multi-dimensional sheet-like structures produced by the process according to the invention can be subjected is graphitizing, which is carried out in an inert atmosphere in the temperature range from 1800 to approximately 3000 ° C., preferably in the range above 2000 ° C. This process step can also be carried out continuously, for example with a system according to DE utility model 72 31 623.

Jedes der nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellten mehrdimensionalen flächigen Gebilde ist für die Herstellung von Verbundmaterialien der unterschiedlichsten Art geeignet. Durch Auswahl der jeweils geeigneten Stoffbahn- Matrixkombination können in Verbindung mit entsprechenden Weiterverarbeitungs- und/oder Veredelungsschritten wie beispielsweise Carbonisieren, Graphitieren, Imprägnieren, Beschichten, Silicieren oder Aktivieren für eine Vielzahl von Anwendungen gezielt Werkstoffe hergestellt werden.Each of the multi-dimensional sheet-like structures produced by one of the methods described is suitable for the production of a wide variety of composite materials. By selecting the appropriate combination of fabric and matrix, suitable materials for a variety of applications can be produced in conjunction with appropriate further processing and / or finishing steps such as carbonizing, graphitizing, impregnating, coating, siliconizing or activating.

Das beschriebene Verfahren hat folgende Vorteile:

  • Bei der Herstellung von aus thermisch stabilisierten Fasern auf Basis PAN bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebilden fällt der bisher notwendige Umweg, zuerst PAN-Fasern thermisch zu stabilisieren und dann diese thermisch stabilisierten Fasern, die im Vergleich zu den nicht stabilisierten Fasern aus PAN wesentlich steifer und damit mechanisch empfindlicher und textil schwerer verarbeitbar sind, zu Stoffbahnen zu verarbeiten, nunmehr weg. Dieser Vorteil ist besonders dort groß, wo die Fasern, wie dies beispielsweise bei der Herstellung von Filzen geschieht, zur Weiterverarbeitung gekräuselt oder/und zu Stapelfasern verarbeitet werden müssen, ehe daraus Stoffbahnen hergestellt werden. Stoffbahnen aus PAN-Fasern können jetzt direkt thermisch stabilisiert werden. Bei dieser Verfahrensweise ist es von Vorteil, daß die Herstellung von mehrdimensionalen flächigen Gebilden aus PAN-Fasern unproblematisch ist und letztere deshalb in einer Vielzahl von Qualitäten kommerziell verfügbar sind.
  • Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, bezüglich der Verteilung ihrer Stoffeigenschaften gleichmäßigere und damit qualitativ bessere thermisch stabilisierte Stoffbahnen auf Basis PAN wirtschaftlicher herzustellen.
  • Als Folge der gleichmäßigeren Verteilung der Stoffeigenschaften ergeben sich bei der Weiterverarbeitung der Stoffbahnen, insbesondere beim Teilcarbonisieren, Carbonisieren und Graphitieren Verarbeitungsvorteile. Die nach diesen Verarbeitungsstufen erhaltenen Stoffbahnen haben ebenfalls eine bessere Qualität.
The described method has the following advantages:
  • In the manufacture of multi-dimensional sheet-like structures consisting of thermally stabilized fibers based on PAN, the previously necessary detour is to first thermally stabilize PAN fibers and then these thermally stabilized fibers, which are much stiffer and thus mechanically compared to the non-stabilized fibers made of PAN more sensitive and more difficult to process textile, to process into webs, now gone. This advantage is particularly great where the fibers, as is the case, for example, in the manufacture of felts, have to be crimped for further processing and / or processed into staple fibers before fabric webs are produced therefrom. Panels of PAN fibers can now be thermally stabilized directly. With this procedure, it is advantageous that the production of multi-dimensional flat structures from PAN fibers is unproblematic and the latter are therefore commercially available in a large number of qualities.
  • The process can be carried out continuously. This makes it possible to distribute their Fabric properties more uniform and therefore better quality thermally stabilized panels based on PAN more economically.
  • As a result of the more even distribution of the material properties, there are processing advantages in the further processing of the fabric webs, in particular in the case of partial carbonization, carbonization and graphitizing. The panels obtained after these processing stages are also of better quality.

Im folgenden wird zunächst die Apparatur zum Ermitteln der Parameter, mit denen das Verfahren bei kontinuierlicher Fahrweise gesteuert wird und danach die Anlage zum kontinuierlichen thermischen Stabilisieren von mehrdimensionalen flächigen Gebilden auf Basis von PAN-Fasern beispielhaft beschrieben.In the following, the apparatus for determining the parameters with which the method is controlled in a continuous mode of operation and then the system for the continuous thermal stabilization of multidimensional flat structures based on PAN fibers are first described as examples.

Fig. 1 zeigt in schematischer Wiedergabe ein aus zwei Teilrohren 1,1' bestehendes Strömungsrohr mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 12 cm aus einem temperatur- und temperaturwechselbeständigen Geräteglas (Duran). Jedes der Teilrohre 1, 1' hat an der der Mitte des Strömungsrohres zugewandten Seite einen Flansch 2, 2', mit Hilfe dessen die zwei Teilrohre 1, 1' mit bekannten Mitteln zum Strömungsrohr zusammengespannt worden sind. Als Abdichtung ist zwischen die Flansche 2, 2' eine Graphit- oder eine temperaturbeständige PTFE-Dichtung 3 eingespannt. Am anderen Ende der Teilrohre 1, 1' befindet sich die nicht näher dargestellte Zu- 4 (Teilrohr 1) bzw. Abführung 5 (Teilrohr 1') für das das Rohr durchströmende Gas. Auf der Seite der Gaszuführung befindet sich zusätzlich eine nur schematisch wiedergegebene Förder- 17, Heiz- 6 und Regelvorrichtung für den Gasstrom. In der Mitte des Strömungsrohres ist eine Scheibe 7 aus der zu testenden Stoffbahn zusammen mit einem vergleichsweise grobmaschigen Netz 8 aus dünnem Draht aus Chrom-Nickel-Stahl (Maschenweite 3 bis 5 mm, Drahtstärke ca. 0,2 mm) unter Zwischenlegung zweier Ringe aus im Handel verfügbarem flexiblem Graphit im Flanschbereich zwischen den Flanschen 2, 2' eingespannt. Das Drahtnetz 8 unterstützt die Stoffbahn 7 und verhindert deren Durchbiegen bei höheren Strömungsdrücken. Zum gleichmäßigen Verteilen des am Eingang 4 in das Teilrohr 1 eintretenden Gases über den Querschnitt des Strömungsrohres ist im ersten Drittel des Teilrohres 1 eine Lochplatte 9 angebracht. Zur Messung der Werte für die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und den Gasdruck sind im Strömungsrohr folgende Meßstellen untergebracht:

  • Zwei Stellen zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit im Anströmbereich in Teilrohr 1, in Rohrmitte 10 und in Wandnähe 10',
  • zwei Stellen zum Messen der Temperatur im Anströmbereich in Teilrohr 1, in Rohrmitte 11 und in Wandnähe 11',
  • eine Stelle zum Messen des Gasdrucks 12 im Anströmbereich,
  • zwei Stellen zum Messen der Temperatur in der, bzw. direkt an der Stoffbahn, in der Mitte 13 und im Randbereich 13',
  • eine Stelle zum Messen des Gasdrucks 14 im Abströmbereich hinter der Stoffbahn,
  • zwei Stellen zum Messen der Temperatur im Abströmbereich, in Rohrmitte 15 und in Wandnähe 15',
  • eine Stelle zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit 16 im Abströmbereich.
Fig. 1 shows a schematic representation of a flow tube consisting of two partial tubes 1, 1 'with an inner diameter of, for example, 12 cm made of a temperature and temperature change resistant device glass (Duran). Each of the partial tubes 1, 1 'has a flange 2, 2' on the side facing the center of the flow tube, by means of which the two partial tubes 1, 1 'have been clamped together by known means to form the flow tube. A graphite or a temperature-resistant PTFE seal 3 is clamped between the flanges 2, 2 'as a seal. At the other end of the partial pipes 1, 1 'is the inlet 4 (partial pipe 1) or outlet 5 (partial pipe 1'), not shown, for the gas flowing through the pipe. On the side of the gas supply there is also a delivery device 17, heating device 6 and control device for the gas flow which is only shown schematically. In the middle of the flow tube is a disc 7 from the testing fabric together with a comparatively coarse mesh 8 made of thin wire made of chrome-nickel steel (mesh size 3 to 5 mm, wire thickness approx. 0.2 mm) with the interposition of two rings of commercially available flexible graphite in the flange area between the flanges 2, 2 'clamped. The wire mesh 8 supports the fabric web 7 and prevents it from bending at higher flow pressures. A perforated plate 9 is provided in the first third of the partial tube 1 for uniform distribution of the gas entering the partial tube 1 at the inlet 4 over the cross section of the flow tube. The following measuring points are located in the flow tube to measure the values for the temperature, the flow rate and the gas pressure:
  • Two points for measuring the flow velocity in the inflow area in partial pipe 1, in pipe center 10 and near wall 10 ',
  • two points for measuring the temperature in the inflow area in partial pipe 1, in pipe center 11 and near wall 11 ',
  • a point for measuring the gas pressure 12 in the inflow area,
  • two points for measuring the temperature in or directly on the fabric web, in the middle 13 and in the edge area 13 ',
  • a point for measuring the gas pressure 14 in the outflow area behind the fabric web,
  • two points for measuring the temperature in the outflow area, in pipe center 15 and near wall 15 ',
  • a location for measuring the flow velocity 16 in the outflow area.

Am Ende des Ausströmbereichs der Apparatur befindet sich nach einer nicht dargestellten Gaskühlstrecke ein drehzahlregelbarer Ventilator 17' durch den zur Verbesserung der Durchströmung der Stoffbahn im Abströmbereich gezielt ein Differenzdruck zum Druck im Anströmbereich eingeregelt werden kann.At the end of the outflow area of the apparatus, after a gas cooling section (not shown), there is a speed-controllable fan 17 ', by means of which a differential pressure to the pressure in the inflow area can be regulated in order to improve the flow through the fabric web in the outflow area.

Fig. 2 gibt in schematischer, nicht maßstabgetreuer Darstellung eine Anlage zum kontinuierlichen thermischen Stabilisieren von mehrdimensionalen flächigen Gebilden auf Basis von PAN-Fasern wieder. Eine Stoffbahn 18 wird von einer auf einer Abwickeleinheit 19 befindlichen Bahnrolle 20 abgewickelt, auf einem Gitterrost 21, vorzugsweise einem Drahtgitterrost aus dünnen Drähten und mit Maschen von großer lichter Weite durch einen aus mindestens einer räumlichen Abteilung 22 bestehenden Ofen 23, in dem die Bedingungen für die thermische Stabilisierung aufrechterhalten werden, tranportiert und nach dem Verlassen des Ofens 23 auf einer Aufwickelvorrichtung 24 aufgewickelt. Zweckmäßigerweise wird der Gitterrost 21 synchron mit der Stoffbahn 18 durch den Ofen 23 bewegt. Er läuft dazu als Endlosband mit Hilfe von angetriebenen Rollen 25, 25' um. Hierbei kann auch nach einem anderen bekannten Verfahren vorgegangen werden. Beim Durchlaufen des Ofens 23, das während einer bestimmten vorgegebenen Zeit geschieht, wird die Stoffbahn 18 von einer bestimmten, auf die jeweilige Stabilisierungsaufgabe abgestimmten Menge Gas, das eine vorgegebene Zusammensetzung und Temperatur hat, durchströmt. Zur Kontrolle und zur Regelung der Temperatur- und Strömungsverhältnisse im Ofen 23 sind im Anströmbereich oberhalb der Stoffbahn 18 und im Abströmbereich unterhalb der Stoffbahn Meßstellen für die Temperatur (T), für den Gasdruck (p) und für die Strömungsgeschwindigkeit (v) installiert. Über entsprechend geschaltete Regelkreise werden mittels der an diesen Stellen gemessenen Werte die Heizungen 26 zum Temperieren des anströmenden Gases, die Ventilatoren 27 im Anströmbereich für die Erzeugung der gewünschten Gasströmung und die Ventilatoren 28 im Abströmbereich für den Abtransport der Gase aus dem Abströmbereich und für die Aufrechterhaltung des für eine effektive Durchströmung der Stoffbahn 18 notwendigen Differenzdrucks gesteuert. Zum Erzeugen einer über den Querschnitt der jeweiligen Abteilung 22, 22', 22'', 22''' des Ofens 23 gleichmäßigen Gasströmung sind Gitter oder Lochbleche 32 vorgesehen. Bei thermischen Stabilisierungen, die unkritisch sind, beispielsweise bei dünneren, leicht durchströmbaren Stoffbahnen, können die Ventilatoren 28 im Abströmbereich auch entfallen. Die Messung der Gastemperaturen im Anström- und im Abströmbereich dient zur Kontrolle der Temperaturverhältnisse in der Stoffbahn und läßt wichtige Rückschlüsse auf den korrekten Reaktionsverlauf und die Qualität der Stoffbahn zu. Bei isothermer Fahrweise mit einem Gas konstanter Zusammensetzung kann die Unterteilung des Ofens 23 in Abteilungen 22, 22', 22'', 22''' entfallen. Wenn jedoch die Stabilisierungsreaktion unter Anwendung bestimmter Temperaturgradienten oder mit Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung durchgeführt werden soll, muß der Ofen in Abteilungen 22 unterteilt sein, in denen die Verfahrensparameter unabhängig von denen anderer Abteilungen 22 geregelt werden können. Die Anzahl von vier Abteilungen 22, 22', 22'', 22''' ist hier nur beispielhaft angegeben worden. Je nach verfahrenstechnischen Erfordernissen kann die Anlage auch weniger oder mehr Abteilungen 22 enthalten. Da die Stoffbahn 18 stets mit konstanter Geschwindigkeit durch den Ofen bewegt wird, muß die Verweilzeit der Stoffbahn 18 in den einzelnen Abteilungen 22 durch die Erstreckung, d.h. Breite der Abteilungen 22 in Fortbewegungsrichtung der Stoffbahn 18 geregelt werden. Vermischungen der Gasströme benachbarter, auf gleiche Druckniveaus eingeregelter Kammern 22 werden neben einem Herabreichen der Trennwände der Abteilungen 22 bis dicht über die Stoffbahn durch Aufrechterhalten eines im Vergleich zum Druck in den Anströmkammern leichten Unterdruckes in den Abströmkammern vermieden. Die Gasdrücke in den Anströmkammern sollten nicht zu stark voneinander differieren. Eventuell am Ofenein- 29 oder -Ausgang 30 austretende Gase werden in dort befindlichen Schleusenkästen 31, 31' aufgefangen und abgesaugt.2 shows a system for the continuous thermal stabilization of multi-dimensional flat structures based on PAN fibers in a schematic representation, not to scale. A fabric web 18 is unwound from a web roll 20 located on an unwinding unit 19, on a grating 21, preferably a wire grating made of thin wires and with large open meshes, through an oven 23 consisting of at least one spatial section 22, in which the conditions for the thermal stabilization is maintained, transported and wound up on a winding device 24 after leaving the furnace 23. The grating 21 is expediently moved through the oven 23 in synchronism with the fabric web 18. For this purpose, it runs as an endless belt with the aid of driven rollers 25, 25 '. Another known method can also be used here. When passing through the furnace 23, which takes place during a certain predetermined time, the fabric web 18 is flowed through by a certain amount of gas, which has a predetermined composition and temperature and is coordinated with the respective stabilization task. To control and regulate the temperature and flow conditions in the furnace 23, measuring points for the are in the inflow area above the fabric web 18 and in the outflow area below the fabric web Temperature (T), for the gas pressure (p) and for the flow velocity (v) installed. Using correspondingly switched control loops, the heaters 26 for temperature control of the inflowing gas, the fans 27 in the inflow area for generating the desired gas flow and the fans 28 in the outflow area for the removal of the gases from the outflow area and for the maintenance are used by means of the values measured at these points of the differential pressure required for an effective flow through the fabric web 18. Grids or perforated plates 32 are provided for generating a gas flow which is uniform over the cross section of the respective department 22, 22 ', 22'',22''' of the furnace 23. In the case of thermal stabilizations which are not critical, for example in the case of thinner, easily flowable material webs, the fans 28 in the outflow area can also be omitted. The measurement of the gas temperatures in the inflow and outflow areas serves to control the temperature conditions in the fabric and allows important conclusions to be drawn about the correct course of the reaction and the quality of the fabric. In an isothermal mode of operation with a gas of constant composition, the subdivision of the furnace 23 into sections 22, 22 ', 22'',22''' can be omitted. However, if the stabilization reaction is to be carried out using certain temperature gradients or with gases of different compositions, the furnace must be divided into sections 22 in which the process parameters can be regulated independently of those of other sections 22. The number of four departments 22, 22 ', 22'',22''' has only been given here as an example. Depending on the procedural requirements, the system may also contain fewer or more departments 22. Since the fabric web 18 is always moved through the oven at a constant speed, the residence time of the fabric web 18 must be in the individual departments 22 are regulated by the extent, ie width, of the departments 22 in the direction of travel of the fabric web 18. Mixing of the gas streams of adjacent chambers 22 regulated at the same pressure level is avoided in addition to the partition walls of the departments 22 reaching down to just above the fabric web by maintaining a slight underpressure in the outflow chambers compared to the pressure in the inflow chambers. The gas pressures in the flow chambers should not differ too much from one another. Any gases escaping at the furnace inlet 29 or outlet 30 are collected in suction lock boxes 31, 31 'located there.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die in Form von Versuchsübersichten in den Tabellen 1, 2 und 3 wiedergegeben sind, weiter erläutert.In the following, the invention is further explained on the basis of exemplary embodiments which are shown in the form of test overviews in Tables 1, 2 and 3.

Alle Versuche zum thermischen Stabilisieren wurden entweder mit käuflichen Filzen, die aus PAN-Fasern Dolanit® 10 hergestellt worden waren oder mit aus PAN-Fasern auf Basis Dolan® 25 bzw. Dolanit® 12 hergestellten Geweben in einer Technikumsapparatur gemäß Abbildung 1 mit Luft als strömendem Gas durchgeführt. Die so erhaltenen thermisch stabilisierten mehrdimensionalen flächigen Gebilde wurden nachfolgend unter einheitlichen inerten Bedingungen in einem Schachtofen mit einem maximalen Temperaturgradienten von 10 K/h während 5 Tagen carbonisiert. In den Tabellen 1, 2 und 3 sind oben die das Ausgangsmaterial (PAN-Filz oder PAN-Gewebe) kennzeichnenden Daten, danach die Temperatur-/Zeitbedingungen, unter denen die thermische Stabilisierung durchgeführt wurde und dann einige kennzeichnende Daten für die thermisch stabilisierten flächigen Gebilde verzeichnet. Es schließen sich Angaben über Versuche an, die zeigen, daß die nach dem Verfahren thermisch stabilisierten mehrdimensionalen flächigen Gebilde durch nachgeschaltete Verfahrensschritte, beispielsweise durch Carbonisieren, weiterveredelt werden können.All tests for thermal stabilization were carried out either with commercially available felts made from PAN fibers Dolanit® 10 or with fabrics made from PAN fibers based on Dolan® 25 or Dolanit® 12 in a pilot plant as shown in Figure 1 with air flowing Gas carried. The thermally stabilized multi-dimensional sheet structures thus obtained were subsequently carbonized under uniform inert conditions in a shaft furnace with a maximum temperature gradient of 10 K / h for 5 days. Tables 1, 2 and 3 above are the data characterizing the starting material (PAN felt or PAN fabric), then the temperature / time conditions under which the thermal stabilization was carried out, and then some characteristic data for the thermally stabilized flat structures recorded. This is followed by information on experiments which show that the multidimensional ones thermally stabilized by the process flat structures can be further refined by subsequent process steps, for example by carbonizing.

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß Stoffbahnen unterschiedlicher Qualitäten auf Basis PAN unter Anwendung unterschiedlicher Verfahrensbedingungen nach dem im vorstehenden beschriebenen Verfahren thermisch stabilisiert werden können. Den Versuchsergebnissen ist weiter zu entnehmen, daß durch Wahl der Verfahrensbedingungen beim thermischen Stabilisieren die Eigenschaften der produzierten, stabilisierten Stoffbahnen beeinflußt werden können. Dies beweist, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Durchführung einfacher Vorversuche gezielt aus thermisch behandelten PAN-Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde mit vorgegebenen Eigenschaften hergestellt werden können.

Figure imgb0001
Figure imgb0002
Figure imgb0003
The test results show that webs of different qualities based on PAN can be thermally stabilized using different process conditions according to the process described above. It can further be seen from the test results that the properties of the stabilized fabric produced can be influenced by the choice of process conditions for thermal stabilization. This proves that with the method according to the invention, after carrying out simple preliminary tests, it is possible to produce multi-dimensional sheet-like structures with predetermined properties in a targeted manner from thermally treated PAN fibers.
Figure imgb0001
Figure imgb0002
Figure imgb0003

BezugszeichenlisteReference list

1, 1'1, 1 '
Teilrohre aus GlasPartial tubes made of glass
2, 2'2, 2 '
Flansche an 1, 1'Flanges on 1, 1 '
33rd
Dichtungpoetry
44th
GaszuführungGas supply
55
GasabführungGas discharge
66
Heiz- und Regelvorrichtung (schematisch)Heating and control device (schematic)
77
Scheibe aus mehrdimensionalem flächigen FasergebildeDisc made of multidimensional flat fiber structures
88th
DrahtnetzWire mesh
99
LochplattePerforated plate
10, 10'10, 10 '
Stellen zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit im AnströmbereichLocations for measuring the flow velocity in the inflow area
11, 11'11, 11 '
Temperaturmeßstellen im AnströmbereichTemperature measuring points in the inflow area
1212th
Gasdruckmeßstelle im AnströmbereichGas pressure measuring point in the inflow area
13, 13'13, 13 '
Temperaturmeßstellen im mehrdimensionalen flächigen FasergebildeTemperature measuring points in multi-dimensional flat fiber structures
1414
Gasdruckmeßstelle im AbströmbereichGas pressure measuring point in the outflow area
15, 15'15, 15 '
Temperaturmeßstellen im AbströmbereichTemperature measuring points in the outflow area
1616
Stelle zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit im AbströmbereichPoint for measuring the flow velocity in the outflow area
1717th
drehzahlgeregelter Ventilator im Abströmbereichspeed-controlled fan in the outflow area
17'17 '
drehzahlgeregelter Ventilator im Anströmbereichspeed-controlled fan in the inflow area
1818th
Bahn aus dem mehrdimensionalen flächigen FasergebildeWeb from the multi-dimensional flat fiber structure
1919th
AbwickeleinheitUnwinding unit
2020th
Rolle aus dem mehrdimensionalen flächigen FasergebildeRoll from the multidimensional flat fiber structure
2121
GitterrostGrating
22, 22', 22'', 22'''22, 22 ', 22' ', 22' ''
Abteilungen des OfensDepartments of the furnace
2323
Ofenoven
2424th
AufwickelvorrichtungTake-up device
25, 25'25, 25 '
Rollen für den Umlauf des TragrostesRollers for the circulation of the supporting grate
26, 26', 26'', 26'''26, 26 ', 26' ', 26' ''
Heizungen für das GasHeaters for the gas
27, 27', 27'', 27'''27, 27 ', 27' ', 27' ''
Ventilatoren im AnströmbereichFans in the inflow area
28, 28', 28'', 28'''28, 28 ', 28' ', 28' ''
Ventilatoren im AbströmbereichFans in the outflow area
2929
OfeneingangOven entrance
3030th
Ofenausgang,Furnace exit,
31, 31'31, 31 '
Schleusenkästen an 29 und 30Lock boxes on 29 and 30
32, 32', 32'', 32'''32, 32 ', 32' ', 32' ''
Gitter zum Vergleichmäßigen des GasstromesGrid to equalize the gas flow

Claims (18)

Verfahren zum Herstellen eines aus Kohlenstoff oder überwiegend aus Kohlenstoff bestehenden, aus Fasern aufgebauten mehrdimensionalen flächigen Gebildes aus einem aus Polyacrylnitril oder im wesentlichen aus Polyacrylnitril bestehenden Ausgangsmaterial,
dadurch gekennzeichnet, daß
das aus Fasern aus Polyacrylnitril oder im wesentlichen aus Polyacrylnitril bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde zum Überführen in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form unter Erhalt seiner textilen Struktur mit einem auf Temperaturen im Bereich von 180 bis 320 °C erhitzten, eine Sauerstoff abgebende Substanz enthaltenden Gas während einer Zeit von wenigstens 0,5 und höchstens 10 Stunden durchströmt wird, wobei die das flächige Gebilde durchströmende Gasmenge so geregelt ist, daß einerseits in dem flächigen Gebilde stets die Temperaturen aufrechterhalten werden, die für den Ablauf der thermischen Stabilisierung der Polyacrylnitril- oder im wesentlichen aus Polyacrylnitril bestehenden Fasern notwendigen chemischen Reaktionen erforderlich sind und andererseits eine schädliche Überhitzung dieser Fasern in dem flächigen Gebilde nicht eintritt.
Process for the production of a multi-dimensional sheet-like structure consisting of carbon or predominantly of carbon and made of fibers from a starting material consisting of polyacrylonitrile or essentially of polyacrylonitrile,
characterized in that
the multi-dimensional sheet-like structure consisting of fibers of polyacrylonitrile or essentially of polyacrylonitrile for conversion into the non-meltable, non-carbonized form while maintaining its textile structure with a gas containing an oxygen-releasing substance heated to temperatures in the range from 180 to 320 ° C. is flowed through for a time of at least 0.5 and at most 10 hours, the amount of gas flowing through the flat structure being regulated such that, on the one hand, the temperatures in the flat structure are always maintained which are essential for the course of the thermal stabilization of the polyacrylonitrile or essentially Fibers consisting of polyacrylonitrile are necessary chemical reactions are necessary and on the other hand, a harmful overheating of these fibers does not occur in the flat structure.
Verfahren nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Durchströmen des aus Fasern aufgebauten mehrdimensionalen flächigen Gebildes ein ein Oxidationsmittel aus der Gruppe Sauerstoff, Ozon, SO3, NO2, N2O, NO enthaltendes Gas verwendet wird.
Method according to claim 1,
characterized in that
a gas containing an oxidizing agent from the group consisting of oxygen, ozone, SO 3 , NO 2 , N 2 O, NO is used to flow through the multidimensional flat structure composed of fibers.
Verfahren nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Überführen des aus dem organischen Polymeren bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebildes in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form Luft als Oxidationsmittel verwendet wird.
Method according to claim 1,
characterized in that air is used as the oxidizing agent for converting the multi-dimensional sheet-like structure consisting of the organic polymer into the non-meltable, non-carbonized form.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem organischen Polymeren bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde zum Überführen in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form zuerst mit einem auf Temperaturen im Bereich von 180 bis 320 °C erhitzten, inerten Gas und danach mit einem ein Oxidationsmittel enthaltenden Gas, das Temperaturen im Bereich von 180 bis 320 °C aufweist, durchströmt wird.
Method according to one of claims 1, 2 or 3,
characterized in that
the multidimensional sheet made of the organic polymer for conversion into the non-meltable, non-carbonized form first with an inert gas heated to temperatures in the range from 180 to 320 ° C. and then with a gas containing an oxidizing agent, the temperatures in the range of Has 180 to 320 ° C, is flowed through.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem organischen Polymeren bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde zum Überführen in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form zuerst mit einem auf Temperaturen im Bereich von 180 bis 320 °C erhitzten, ein Oxidationsmittel enthaltenden Gas und danach mit einem inerten Gas, das Temperaturen im Bereich von 180 bis 320 °C aufweist, durchströmt wird.
Method according to one of claims 1, 2 or 3,
characterized in that
the multi-dimensional sheet-like structure consisting of the organic polymer for conversion into the non-meltable, non-carbonized form first with a gas containing an oxidizing agent heated to temperatures in the range from 180 to 320 ° C. and then with an inert gas having temperatures in the range of Has 180 to 320 ° C, is flowed through.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem organischen Polymeren bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde beim Überführen in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form mit mindestens einem Gas durchströmt wird, das Temperaturen im Bereich von 220 bis 260 °C aufweist.
Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that
the multi-dimensional sheet-like structure consisting of the organic polymer is flowed through when being converted into the non-meltable, non-carbonized form with at least one gas which has temperatures in the range from 220 to 260 ° C.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem organischen Polymeren bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde beim Überführen in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form während eines Zeitraumes im Bereich von 0,5 bis 6 Stunden mit mindestens einem auf Temperaturen im Bereich von 180 bis 320 °C erhitzten Gas durchströmt wird.
Method according to one of claims 1 to 6,
characterized in that
the multi-dimensional sheet-like structure consisting of the organic polymer is flowed through for at least one gas heated to temperatures in the range from 180 to 320 ° C. for a period in the range from 0.5 to 6 hours when it is converted into the non-meltable, non-carbonized form.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
es kontinuierlich durchgeführt wird.
Method according to one of claims 1 to 7,
characterized in that
it is carried out continuously.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
das in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form überführte mehrdimensionale flächige Gebilde zusätzlich bei Temperaturen im Bereich von 320 bis 800 °C unter nicht oxidierenden Bedingungen teilcarbonisiert wird.
Method according to one of claims 1 to 8,
characterized in that
the multidimensional flat structure converted into the non-meltable, non-carbonized form is additionally partially carbonized at temperatures in the range from 320 to 800 ° C. under non-oxidizing conditions.
Verfahren nach Patentanspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
das in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form überführte mehrdimensionale flächige Gebilde bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 700 °C teilcarbonisiert wird.
Method according to claim 9,
characterized in that
the multidimensional flat structure converted into the non-meltable, non-carbonized form is partially carbonized at temperatures in the range from 500 to 700 ° C.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
das in die nicht schmelzbare, nicht carbonisierte Form überführte mehrdimensionale flächige Gebilde nach Durchlaufen des Temperaturbereichs von 320 bis 800 °C zusätzlich im Temperaturbereich von 800 bis 1800 °C carbonisiert wird.
Method according to one of claims 1 to 10,
characterized in that
the multidimensional flat structure converted into the non-meltable, non-carbonized form is additionally carbonized in the temperature range from 800 to 1800 ° C after passing through the temperature range from 320 to 800 ° C.
Verfahren nach Patentanspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Carbonisieren im Temperaturbereich von 800 bis 1400 °C durchgeführt wird
Method according to claim 11,
characterized in that
carbonization is carried out in the temperature range from 800 to 1400 ° C
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
als mehrdimensionales flächiges Gebilde eine nach einem Web-, Strick- oder Wirkverfahren hergestellte Stoffbahn verwendet wird.
Method according to one of claims 1 to 12,
characterized in that
as a multi-dimensional flat structure, a fabric web produced by a weaving, knitting or knitting method is used.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
als mehrdimensionales flächiges Gebilde ein Vlies oder ein Filz verwendet wird.
Method according to one of claims 1 to 12,
characterized in that
a fleece or a felt is used as a multi-dimensional flat structure.
Aus Kohlenstoff oder überwiegend aus Kohlenstoff bestehendes aus Fasern aufgebautes mehrdimensionales flächiges Gebilde,
dadurch gekennzeichnet, daß
es nach einem der Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 13 hergestellt worden ist.
Multi-dimensional flat structure made of carbon or predominantly made of carbon,
characterized in that
it has been produced by one of the methods according to claims 1 to 13.
Vorrichtung zum kontinuierlichen thermischen Behandeln von aus Fasern aus Polyacrylnitril oder im wesentlichen aus Polyacrylnitril bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebilden (18) mit einer
Ab- (19) und Aufwickelvorrichtung (24),
einer zwischen der Ab- (19) und der Aufwickelvorrichtung (24) angeordneten gasdurchlässigen Transportbahn (21) für ein aus Fasern bestehendes mehrdimensionales flächiges Gebilde (18)
und
einem um einen Teil der Transportbahn (21) für das aus Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde (18) angeordneten Ofen (23), durch den das aus Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde (18) auf der Transportbahn (21) transportiert werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Ofen (23) mindestens eine kammerartige Abteilung (22) aufweist, durch die das aus Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde (18) transportiert werden kann,
daß Vorrichtungen (27) vorhanden sind, mittels derer Gase durch die mindestens eine kammerartige Abteilung (22) gefördert werden können,
daß Vorrichtungen (26) vorhanden sind, mittels derer die die mindestens eine kammerartige Abteilung (22) durchströmenden Gase geregelt geheizt werden können,
daß die mindestens eine kammerartige Abteilung (22) so ausgerüstet ist (32), daß die temperierten Gase möglichst gleichmäßig in Richtung des aus Fasern bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebildes (18) strömen und dieses durchströmen,
daß, in Richtung der Gasströmung gesehen, hinter dem aus Fasern bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebilde (18) Vorrichtungen (28) für das Abführen oder Absaugen der Gase vorhanden sind, die das aus Fasern bestehende mehrdimensionale flächige Gebilde (18) durchströmt haben,
und daß, in Richtung der Gasströmung gesehen, mindestens vor dem aus Fasern bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebilde (18) in der mindestens einen Kammer (22) Vorrichtungen (T, p, v) zum Messen und Regeln der Gastemperatur und des Strömungszustandes des Gases vorhanden sind, die die Temperatur oder/und die Gasströmung des strömenden Gases in der mindestens einen kammerartigen Abteilung (22) auf bestimmte, vorgegebene Werte einregelt.
Device for the continuous thermal treatment of multi-dimensional sheet-like structures (18) consisting of fibers made of polyacrylonitrile or essentially made of polyacrylonitrile with a
Unwinding (19) and winding device (24),
a gas-permeable transport path (21) arranged between the unwinding (19) and the winding device (24) for a multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers
and
one around part of the transport path (21) for the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers arranged furnace (23), through which the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers can be transported on the transport path (21),
characterized in that
the furnace (23) has at least one chamber-like section (22) through which the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers can be transported,
that devices (27) are present, by means of which gases can be conveyed through the at least one chamber-like section (22),
that devices (26) are present, by means of which the gases flowing through the at least one chamber-like section (22) can be heated in a controlled manner,
that the at least one chamber-like section (22) is equipped (32) such that the tempered gases flow as uniformly as possible in the direction of the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers and flow through it,
that, viewed in the direction of the gas flow, devices (28) are present behind the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers for the removal or suction of the gases which have flowed through the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers,
and that, viewed in the direction of the gas flow, devices (T, p, v) are present in the at least one chamber (22) for measuring and regulating the gas temperature and the state of flow of the gas at least in front of the multi-dimensional sheet-like structure (18) which regulates the temperature and / or the gas flow of the flowing gas in the at least one chamber-like section (22) to specific, predetermined values.
Vorrichtung nach Patentanspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
in Richtung der Gasströmung gesehen, vor und nach dem aus Fasern bestehenden mehrdimensionalen flächigen Gebilde (18) in der mindestens einen kammerartigen Abteilung (22) Vorrichtungen (T, p, v) zum Messen und Regeln der Gastemperatur und des Strömungszustandes des Gases vorhanden sind.
Device according to claim 16,
characterized in that
Seen in the direction of the gas flow, devices (T, p, v) for measuring and regulating the gas temperature and the state of flow of the gas are present in the at least one chamber-like section (22) before and after the multi-dimensional sheet-like structure (18) consisting of fibers.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 16 und 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Überwachen und Regeln des Strömungszustandes des Gases Meß- und Regelvorrichtungen für den Gasdruck (p) und die Gasgeschwindigkeit (v) vorhanden sind.
Device according to one of claims 16 and 17,
characterized in that
for monitoring and regulating the flow state of the gas, measuring and regulating devices for the gas pressure (p) and the gas velocity (v) are present.
EP96106044A 1995-05-16 1996-04-18 Process for thermal stabilising of multi-layered products composed of polyacrylnitril fibres Expired - Lifetime EP0743381B1 (en)

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