DE3339756C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine faserförmige Aktivkohle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Pulver- und granulatförmige durch Carbonisieren und Aktivieren körniger und stückiger kohlenstoffhaltiger Materialien, wie Kohle, Holz und dgl., hergestellte Aktivkohle wird in der Regel in Form von Schüttungen oder Packungen verwendet, deren Dichte sich durch die Wirkung von Beschleunigungskräften ändern kann. Besonders in bewegten Filterschichten wird die Packung örtlich ver­ dichtet, wodurch die Adsorptionskapazität sinkt und Durchbruchskanäle für das Adsorptiv entstehen können. Im wesentlichen aus aktivierten Kohlenstoffasern oder Aktiv­ kohlefasern bestehende Schichten weisen derartige Mängel nicht auf. Zur Herstellung von Aktivkohlefasern werden kohlenstoffhaltige Fasern, z. B. regenerierte Cellulose, Wolle, Phenolharzfasern, Polyacrylnitrilfasern oder Pech fasern, gegebenenfalls nach einer die thermische Stabili tät der Faser fördernden Vorbehandlung durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre carbonisiert und dann einer der für körnige oder granulatförmige Aktivkohle üblichen Aktivierungsbehandlung unterworfen (DE-OS 23 45 297). Es ist ebenfalls bekannt, die thermisch stabilisierten Fase in Gegenwart eines Aktivierungsgases zu carbonisieren und den Aktivierungsprozeß durch den Zusatz dehydrierender Stoffe, wie Zinkchlorid, Phosphorsäure oder Kaliumsulfid zu beschleunigen (DE-PS 27 15 486). Die Aktivierung ist nicht auf Filamente oder Garne aus Kohlenstoff beschränkt, sondern schließt alle textilen Flächengebilde ein, wie Bänder, Gewebe, Filze oder Vliese.

Aus Aktivkohlefasern, etwa in der Form von Gewebe- oder Filzschichten, bestehende Filter haben bei gleicher Absorptionskapazität einen kleineren Strömungswiderstand als Filter aus granulierter Aktivkohle (GB-PS 13 01 101). Die Faserschichten sind zudem flexibel und eignen sich entsprechend sehr gut für Körperschutzkleidung in Ver­ bindung mit den üblichen Textilgeweben oder Schutzfolien. Weniger befriedigend ist die vergleichsweise geringe Festigkeit der Aktivkohlefasern, vor allem eine Folge des Masseverlusts durch die Aktivierung, der naturgemäß mit der Größe der erzeugten Oberfläche, d. h., mit steigender Wirksamkeit der Faser wächst. Die Kohlenstoffasern büßen bei der Aktivierung auch einen Teil ihrer ursprünglichen Flexiblität ein und sind dann wegen der kleinen Biege- und Knickfestigkeit, der Beanspruchung in Schutzkleidungen in der Regel nicht gewachsen. Zur Verbesserung der mechani­ schen Stabilität der Faser ist vorgeschlagen worden, Schichten aus Aktivkohlefasern mit Schichten aus einer Fasersorte zu vernadeln, die unter den Verwendungsbe­ dingungen wesentlich fester als die Aktivkohlefaser ist (US-PS 41 81 513). Für niedrigere Verwendungstemperaturen eignen sich besonders Synthetikfasern, z. B. Fasern aus Polypropylen oder polyester, für höhere Temperaturen Glas­ fasern, keramische Fasern oder auch Metallfasern. Nach einem anderen bekanntgewordenen Verfahren werden aus Aktivkohlefasern bestehenden Flächengebilden Verstärkungs­ fasern der genannten Gattungen direkt beigemischt und auf diese Weise aus alternierenden Schichten aufgebaute Strukturen vermieden oder man stellt zunächst Aktivkohle­ fasern und Verstärkungsfasern enthaltende Mischgarne her, die dann durch Weben, Nadeln oder dgl. zu Flächengebilden verarbeitet werden (DE-OS 30 37 582). Die Herstellung von Mischgarnen gelingt wegen der großen Sprödigkeit der Aktiv­ kohlefaser nur mit erheblichem technischem Aufwand und obgleich durch die Verwendung von hochfesten Fasern als Zusatz, wie Polyimid, Glas oder Graphit, die Festigkeit des Flächengebildes für fast jeden Zweck den Anforderungen angepaßt werden kann, ändert sich die unzureichende Flexibi­ lität der Aktivkohlefasern selbst nicht und der Verlust besonders bei Biegebeanspruchungen ist vergleichsweise groß.

Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Aktivkohlefaser mit größerer Festigkeit zu schaffen, die gegen Knick- und Biegebeanspruchungen weitgehend beständig ist und in Form eines textilen Flächengebildes sich beson­ ders für die Herstellung von Schutzkleidung eignet.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Faser, die aus einem flexiblen Kern aus der Gruppe der Glas-, Keramik- ein­ schließlich Siliciumcarbid-, Bor-, Metall- und Graphitfa­ sern und einer den Kern umschließenden aktivierten Kohlen­ stoffschicht besteht.

Mit Aktivkohle beschichtete Körper und Verfahren zu ihrer Herstellung sind durch die DE-PS 6 20 455 bekannt. Der Kern oder Träger der Aktivkohle ist dabei eine starre Kohlen­ stoffelektrode für elektrische Elemente, wohingegen die Erfindung ein flexibles textiles Gebilde betrifft. Es ist ebenfalls bekannt, Kohlenstoffasern mit Überzügen aus Koh­ lenstoff zu versehen, z. B. durch Abscheidung des Kohlen­ stoffs aus der Gasphase oder durch Beschichten der Fasern mit einer harzhaltigen Dispersion oder durch Beschichten der Fasern mit einer harzhaltigen Dispersion oder Lösung und Zersetzung des Harzes durch Pyrolyse (DE-OS 26 42 778). Diese Schichten sollen die Kohlenstoffaser gegen Oxidation schützen. Die Kohlenstoffschichten sind entsprechend dicht und impermeabel und eignen sich offensichtlich nicht zur Herstellung der erfindungsgemäßen Aktivkohlefaser.

Der flexible Kern der faserförmigen Aktivkohle besteht aus Glas-, Keramik- einschließlich Siliciumcarbid-, Bor-, Me­ tall- oder Graphitfasern, die gegen die Aktivierungsmittel zwar nicht vollständig inert sind, deren Reaktivität aber erheblich kleiner ist als die der Kohlenstoffschicht, so daß nachteilige Schäden im Kontakt mit dem Aktivierungsmit­ tel beschränkt bleiben und die mechanischen Eigenschaften nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Bevorzugt werden wegen der überlegenen Stabilität Glas- und Keramikfasern. Zur Herstellung der den flexiblen Kern umschließenden akti­ vierten Kohlenstoffschicht werden die Fasern in die Schmel­ ze einer carbonisierbaren Substanz oder in eine diese Sub­ stanz enthaltende Lösung oder Dispersion getaucht oder die Substanz wird durch andere an sich bekannte Verfahren, wie Spritzen, Pinseln und dgl. auf die Faseroberfläche aufge­ bracht. Geeignete Substanzen sind beispielsweise Teerpeche, Duroplaste, Thermoplaste oder Kohlenhydrate. Im einzelnen wird man Substanzen wählen, deren Gewichtsverlust bei der Carbonisierungsbehandlung gering ist und die mit kleinem Aufwand aktiviert werden können. Wegen der einfachen und schnellen Aktivierbarkeit sind Kohlenhydrate besonders günstig. Wässerige Lösungen oder Dispersionen dieser Stoffe werden durch Zusätze von Verdickungsmitteln, wie Alginate, auf eine für die Beschichtung der Faser günstige Viskosität eingestellt. Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfah­ rens wird in der Schmelze, Lösung oder Dispersion der zur Beschichtung verwendeten Substanz ein dehydratisierender Stoff aus der Gruppe Zinkchlorid, Magnesiumchlorid, Calcium­ chlorid, Phosphorsäure, Schwefel­ säure gelöst, der den Aktivierungsprozeß in an sich be­ kannter Weise beschleunigt. Zur Verbesserung der Haftung des Überzugs ist die Oberfläche der Kernfaser aufzurauhen, beispielsweise durch Ätzen, oder mit einer Schlichte zu versehen.

Die zum Beschichten der Fasern verwendeten Substanzen, schmelzen beim Erwärmen oder bilden durch dreidimensionale Vernetzung ein unschmelzbares Produkt. Die Substanzen der ersten Gruppe, zu denen Thermoplasten gehören, werden zweckmäßig vor der Erhitzung auf die Carbonisierungstem­ peratur einer thermischen Behandlung in Gegenwart eines Cyclisierungsmittels unterworfen. Die beschichteten Fasern werden zu diesem Zweck beispielsweise in Luft oder einem anderen Oxidationsmittel auf etwa 200 bis 300°C erhitzt. Nach der Behandlung ist die Schicht unschmelzbar und kann ohne Verluste durch Abtropfen carbonisiert werden.

Zur Carbonisierung der Beschichtung werden die Fasern in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt, wobei die Aufheizgeschwindigkeit etwa 100 bis 1000 K/h und die Maximaltemperatur etwa 800 bis 1100°C betragen. Das koh­ lenstoffhaltige Beschichtungsmaterial pyrolisiert unter diesen Bedingungen unter Bildung flüchtiger Produkte und einer Kohlenstoffschicht, die mit dem Faserkern fest verbunden ist. Zur Aktivierung des Kohlenstoffs erhitzt man die mit einem Kohlenstoffüberzug versehene Faser an­ schließend in Gegenwart von Sauerstoff, Ammoniak, Wasser­ dampf oder Kohlendioxid oder Gemischen dieser Gase, z. B. in Wasserdampf und Kohlendioxid enthaltenden Rauchgasen. Die Behandlungstemperatur wird durch die Reaktivität der Akti­ vierungsgase bestimmt, sie beträgt wenigstens 750°C. In bekannter Weise kann man dabei die Aktivierung durch wässerige Lösungen von Zinkchlorid, Phosphorsäure oder Schwefelsäure beschleunigen, die man auf die Faserober­ fläche aufträgt. Die Größe der spezifischen Oberfläche und die Porengrößenverteilung in der sich bildenden akti­ vierten Kohlenstoffschicht kann wie üblich durch die Wahl der Aktivierungsmittel und der Aktivierungsbedingungen in weiten Grenzen der Anwendung der faserförmigen Aktivkohle angepaßt werden. Die spezifische Oberfläche beträgt bevor­ zugt 300 bis 3000 m²/g. Carbonisierung und Aktivierung der Faserbeschichtung werden zweckmäßig zu einem einzigen Ver­ fahrensschritt zusammengefaßt. Man erhitzt dabei Fasern mit einem nichtschmelzenden Überzug in Gegenwart eines Aktivierungsmittels auf die Carbonisierungstemperatur.

Zur Erzielung besonderer Absorptionseffekte ist es schließ­ lich in bekannter Weise möglich, in die aktivierte Kohlen­ stoffschicht Katalysatoren wie Platinmetalle oder Verbin­ dungen der Platinmetalle einzulagern (DE-OS 23 45 297). Die Katalysatoren oder thermisch zersetzbaren Verbindungen werden zu diesem Zweck vorteilhaft in der kohlenstoffhal­ tigen Beschichtungssubstanz gelöst und mit dieser auf die Faseroberfläche aufgebracht. Bei einem anderen Verfahren imprägniert man die aktivierte Kohlenstoffschicht mit dem Katalysator.

Verwendet werden die aktivierten Kohlenstoffasern vorzugs­ weise in Form textiler Flächengebilde, wie Geweben, Bänder, Filzen, Vliesen oder dgl. Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden die in Form von textilen Flächengebilden vorliegenden Kernfasern mit dem kohlenstoffhaltigen Ma­ terial beschichtet, nach einer anderen Ausführungsform beschichtet man Monofilamente, Garne oder Kurzschnittfasern aus dem Kernmaterial und verarbeitet die Faserformen nach der thermischen Stabilisierung des Überzugs zu textilen Flächengebilden.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen faserför­ migen Aktivkohle ist die ausgezeichnete Beständigkeit gegen Biege- und Knickbeanspruchungen. Von besonderer Bedeutung sind diese Eigenschaften für Körperschutzkleidungen, die durch Bewegungen ihrer Träger vor allem Beanspruchungen dieser Art ausgesetzt sind. Die Verwendung der faserför­ migen Aktivkohle ist natürlich nicht auf Körperschutz­ kleidungen beschränkt, andere vorteilhafte Verwendungs­ arten sind beispielsweise Filter und Elektroden für elek­ trochemische Zellen.

Claims (6)

1. Faserförmige Aktivkohle, gekennzeichnet durch einen flexiblen Kern aus der Gruppe der Glas-, Kera­ mik- einschließlich Siliciumcarbid-, Bor-, Metall- und Graphitfasern, und eine den Kern umschließende aktivierte Kohlenstoffschicht.

2. Faserförmige Aktivkohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Oberfläche der aktivierten Kohlenstoffschicht 300 bis 3000 m²/g beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung einer faserförmigen Aktivkohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine temperaturbeständige Faser aus der Gruppe der Glas-, Keramik- einschließlich Siliciumcarbid-, Bor-, Metall- und Graphitfasern oder ein aus den temperaturbeständigen Fasern bestehendes Flächengebilde mit einer einen carbonisierbaren Stoff aus der Gruppe Teerpeche, Duroplaste, Thermoplaste oder Kohlenhydrate enthaltenden Schmelze oder Lösung be­ schichtet, zur Carbonisierung der Schicht in einer inerten Atmosphäre und zur Aktivierung der Schicht in einer aktivie­ rende Gase enthaltenden Atmosphäre erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Fa­ sern vor der Beschichtung aufgerauht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der fluiden Beschich­ tungsmasse ein Dehydrierungsmittel gelöst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der fluiden Beschich­ tungsmasse Katalysatoren gelöst werden.