DE4327204C2 - Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffasern - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von KohlenstoffasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen Koh
lenstoffasern.
Kohlenstoff- oder Karbonfasern können aus einer Vielzahl
von Ausgangsmaterialien gewonnen werden. Beispielsweise
können Kunstseide, Polyacrylnitril und isotropische sowie
flüssigkristaline Substanzen in Faserform gesponnen und
anschließend bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1000°C
karbonisiert werden, um so eine Kohlenstoffaser zu gewin
nen. Die Kohlenstoffaser kann anschließend einer Hitzebe
handlung bei einer Temperatur von 2000 bis 3000°C unterzo
gen werden, um die Faser zu graphitisieren. Dies hat den
Effekt, daß der Fasermodul erhöht wird. Die Gewinnung von
Kohlenstoffasern aus Kunstseide und Polyacrylnitril hat
den Nachteil, daß das Ausgangsmaterial relativ teuer ist
und nur eine geringe Kohlenstoffumwandlung bei der Faser
erreicht wird. Obwohl die Anwendung isotropischer Substan
zen ein weniger kostspieliges Ausgangsmaterial ein
schließt, ist eine Schmelzspinnung erforderlich und die
Kohlenstoffumwandlung ist relativ niedrig. Die Herstellung
einer flüssigkristalinen Substanz ist aufwendig und es ist
wiederum ein Schmelsspinnvorgang erforderlich.
US-PS 3 461 082 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung
einer Kohlenstoffaser aus Lignin unter Verwendung von
Schmelzspinn-, Trockenspinn- oder Naßspinnprozessen. Die
Umwandlung des in Lignin befindlichen Kohlenstoffes zu
einer Kohlenstoffaser ist relativ gering.
US-PS 3 723 609 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von
Kohlenstoffasern aus verschiedenen Rohmaterialien, bei
spielsweise Lignin, zusammen mit verschiedenen filmbilden
den Polymerisaten. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine
Ammoniumligninsulfonatlösung mit einer wässrigen Polyäthy
lenoxydlösung vermischt. Die Lösung wird homogenisiert
unter gleichzeitiger Einführung von Ammoniakgas bis zu
einem pH-Wert von 10. Die Lösung wird filtriert und an
schließend gesponnen, wobei Fasern gewonnen werden, die
auf einer rotierenden Trommel aufgenommen werden. Die
Fasern werden getrocknet und anschließend karbonisiert, so
daß sich flexible Karbonfasern ergeben. Die Anwendung von
Lignin führt zu einer niedrigen Kohlenstoffumwandlung der
Faser.
M. A. A. Jorro und W. R. Ladner, Carbon Fibre from Coal,
Proceedings of the Fourth London International Carbon and
Graphite Conference, September 1974, Seiten 287 bis 303
beschreiben die Herstellung Karbonfasern aus einem Kohle
extrakt. Der Extrakt wird dadurch hergestellt, daß Kohle
bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck mit einem hoch
siedenden aromatischen Lösungsmittel digeriert wird. Die
sich ergebende Mischung, in welcher die Kohle chemisch mo
difiziert wurde, wird filtriert, um mineralisches Material
und unaufgelöste Kohle zu entfernen. Anschließend wird die
Masse des Lösungsmittels durch Destillation bei reduziertem
Druck entfernt. Etwas Lösungsmittel wird in dem Extrakt zurückgehalten, so
daß er für einem Spinnprozeß geeignet ist. Die Produktion der karboniserten Faser
aus dem Kohleextrakt schließt eine Extrusion ein, sowie das Ausziehen des ge
schmolzenen Extraktes zu Filamenten, Aufheizen der Filamente in einer oxidieren
den Atmosphäre bei steigender Temperatur bis zu 250°C, um sie unschmelzbar zu
machen, sowie das Aufheizen der Filamente in neutraler Atmosphäre bis zu einer
Temperatur von 1000°C, um sie zu karbonisieren. Das beschriebene Verfahren ist
ein Schmelzspinnprozeß.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern umfaßt fol
gende Schritte: Herstellung einer Lösung aus einem von Kohle abgeleiteten Material
in einem Lösungsmittel, wobei das von Kohle abgeleitete Material - frei von Lö
sungsmitteln - folgende Zusammensetzung hat: 70 bis 91 Massen- oder Gewichts
prozent Kohlenstoff, 2 bis 6 Massen- oder Gewichtsprozent Wasserstoff und 3 bis 20
Massen- oder Gewichtsprozent Sauerstoff, Zugabe von Polyäthylenoxid mit einem
Molekulargewicht von wenigstens 3 × 106 Dalton zur Lösung, um so eine Spinnlö
sung zu gewinnen, spinnen der Spinnlösung zu einer Faser und Veranlassen einer
Gelierung der Faser.
Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch ein Beispiel für die Herstellung von
Kohlenstoffasern gemäß der Erfindung.
Das Verfahren nach der Erfindung ist ein Faserspinnverfahren, das unter schonen
den Bedingungen ausgeführt wird
und eine hohe Ausbeute von Fasern aus einem relativ billi
gen Ausgangsmaterial liefert. Insbesondere kann das erfin
dungsgemäße Verfahren 70 bis 80% Umwandlung des Kohlen
stoffes in dem von Kohle abgeleiteten Material zu einer
Faser ergeben.
Das Ausgangsmaterial liegt in Form einer Lösung vor, die
ein von Kohle abgeleitetes Material enthält. Diese Lösung
kann durch das Auflösungsverfahren gewonnen werden, wie es
in US-PS 5 120 430 beschrieben ist. Dieses Verfahren um
faßt das Auflösen organischen Materials in einer Kohle
durch Kontaktierung der Kohle mit einem Medium, welches
ein organisches Lösungsmittel und eine starke Base oder
ein Phenoxid umfaßt, das reaktiv mit dem organischen
Lösungsmittel verbunden ist. Das Medium kann ferner einen
Phasentransferkatalysator, beispielsweise einen Kronen
äther enthalten. Das Lösungsmittel ist ein dipolares
aprotisches Lösungsmittel, beispielsweise ein Dimethylfor
mamid. Die Base hat vorzugsweise einen pKa-Wert ihrer kon
jugierten Säure im Bereich von 14 bis 30. Ein Beispiel für
eine solche Base ist ein Metallhydroxid, beispielsweise
Natron- oder Kaliumhydroxid.
Das Ausgangsmaterial kann auch durch eine Methode herge
stellt werden, wie sie in der südafrikanischen Patent
schrift Nr. 91/8774 beschrieben ist. Diese Methode
schließt die Behandlung von Kohle mit einer Base oder
einem Phenoxid ein, gefolgt von einer Kontaktierung der
behandelten Kohle mit einem organischen Lösungsmittel. Die
Base ist vorzugsweise eine starke Base, beispielsweise
eine solche mit einem pKa-Wert ihrer konjugierten Säure im
Bereich von 14 bis 30. Das Lösungsmittel kann Pyridin oder
ein dipolares aprotisches Lösungsmittel sein.
Das Lösungsmittel für das von Kohle abgeleitete Material
(Kohlederivat) ist vorzugsweise ein dipolares aprotisches
Lösungsmittel. Beispiele geeigneter diplarer aprotischer
Lösungsmittel, in denen das von Kohle abgeleitete Material
löslich ist, sind Dimethylformamid, Dimethylacetamid,
Tetramethylurea, Dimethyltetrahydropyrimidinon und Dime
thylimidazolidinon. Das bevorzugte dipolare aprotische Lö
sungsmittel ist Dimethylformamid.
Die Viskosität der Lösung des von Kohle abgeleiteten Ma
terials ist vorzugsweise ausreichend niedrig, um eine Fil
tration zu ermöglichen, wodurch Partikel bis zu einer
Größe von Mikron und Submikron entfernt werden können. Die
Entfernung ungelöster Partikel ist erwünscht, da die Anwe
senheit solcher Teilchen die Kohlenstoffasern schwächen
würde. Beispielsweise beträgt die Viskosität der Lösung in
der Regel 2 bis 20 mPa.s bei 30°C.
Im allgemeinen ist die Konzentration des von Kohle abge
leiteten Materials (Kohleabkömmling) kleiner als 25
Massen- oder Gewichtsprozent, vorzugsweise 4 bis 12
Massen- oder Gewichtsprozent.
Das Polyäthylenoxid, bekannt auch als Polyäthylenglycol,
wirkt als ein filmbildendes Polymerisat. Es kommt sehr
darauf an, daß das Polyäthylenoxid ein Molekulargewicht
von wenigstens 3 × 106 Dalton hat, vorzugsweise wenigstens
4 × 106. Es wurde gefunden, daß Polyäthylenoxide mit ge
ringeren Molekulargewichten keine Faser- oder Filamentbil
dung ermöglichen. Weiterhin lassen auch andere bekannte
faserbildende Polymerisate, beispielsweise Polyvinylchlo
rid mit hohem Molekulargewicht, Polyvinylalkohol mit hohem
Molekulargewicht und Epoxidharze mit hohem Molekulargewicht
die Ausbildung von Fasern oder Filamenten nicht zu.
Das Polyäthylenoxid kann direkt zu der Lösung des von
Kohle abgeleiteten Materials zugegeben und darin aufgelöst
werden. Dabei sollte Vorsicht geübt werden, um zu gewähr
leisten, daß keine Zersetzung des Polymerisats eintritt
und die Spinnlösung homogen ist.
Das Polyäthylenoxid wird vorzugsweise in Form einer Lösung
der Lösung des von Kohle abgeleiteten Materials zugefügt.
Um dies zu erreichen, kann das Polyäthylenoxid in einem
Lösungsmittel aufgelöst werden, welches mit dem Lösungs
mittel der Lösung des organischen Materials verträglich
ist. Dies bedeutet, daß sie mit dem Lösungsmittel der Lö
sung des von Kohle abgeleiteten Materials mischbar ist,
und daß das von Kohle abgeleitete Material in ihr löslich
ist. Vorzugsweise ist das Lösungsmittel ebenfalls ein di
polares aprotisches Lösungsmittel der oben beschriebenen
Art und das gleiche, welches für die Lösung des von Kohle
abgeleiteten Materials benutzt wird.
Das Vermischen der Polyäthylenoxidlösung und der Lösung
des von Kohle abgeleiteten Materials sollte schonend er
folgen, um eine Zersetzung des Polyäthylenoxidpolymerisats
zu vermeiden. Die Vermischung erfolgt im allgemeinen bei
einer Temperatur unterhalb 60°C, vorzugsweise bei einer
Temperatur im Bereich zwischen 40 und 55°C. Hierdurch wird
eine vorzeitige Gelierung der Lösung und eine Zersetzung
des Polymerisats vermieden.
Die Spinnlösungsmischung wird in Form von Fasern oder Filamenten versponnen.
Die Faser oder das Filament wird vorzugsweise so abgezogen, daß es sich unter
Spannung befindet. Das Lösungsmittel in der Faser kann durch Verdampfung aus
getrieben werden, was den Effekt hat, daß es der Faser ermöglicht wird, zu gelieren.
Die "grüne" oder frische Faser kann durch Erhitzung auf eine Temperatur von 400
bis 1100°C, vorzugsweise 800 bis 1000°C karbonisiert werden, so daß sich eine
Kohlenstoffaser ergibt. Derartige Kohlenstoffasern sind schwach und beispielsweise
für die Herstellung aktivierter Kohlenstoffasern geeignet.
Die Faser kann auch dadurch zum Gelieren veranlaßt werden, daß man sie in Kon
takt mit einem gasförmigen Geliermittel bringt. Anschließend kann das Lösungsmit
tel in der gelierten Faser durch Verdampfung ausgetrieben werden. Ein Beispiel ei
nes gasförmigen Geliermittels ist ein sauer reagierendes Gas, beispielsweise
Chlorwasserstoff.
Die Spinnlösung kann zu einer Faser oder einem Filament versponnen werden, die
dann anschließend in Kontakt mit einem Lösungsmittel gebracht werden, in dem das
von Kohle abgeleitete Material unlöslich ist. Dies erzeugt Bedingungen, welche es
der Faser gestatten zu gelieren. Das Gelierlösungsmittel sollte ein solches Lösungs
mittel sein, in dem das dipolare aprotische Lösungsmittel löslich ist. Beispiele von
Gelierlösungsmittel sind Alkohole und Acetone. Die noch in frischem Grünzustand
befindliche Faser kann anschließend bei einer Temperatur von 400 bis 1100°C kar
bonisiert werden, um so eine Kohlenstoffaser zu gewinnen.
Solche Kohlenstoffasern haben eine größere Festigkeit als
diejenigen, die durch Verdampfen des Lösungsmittels ge
liert werden.
Die Erfindung wird weiterhin mit Bezug auf die beiliegende
Zeichnung beschrieben. Eine Lösung eines von Kohle abge
leiteten Materials wurde in einem dipolaren aprotischen
Lösungsmittel hergestellt. Verschiedene mittelflüchtige
Koks- oder Fettkohlen können benutzt werden, so daß sich
organische Kohlenstoffextrakte ergeben, wie sie in der
nachstehenden Tabelle 1 angegeben sind.
Ein gewisses Feststoffmaterial verbleibt nach der Kohle
auflösung. Dieses Feststoffmaterial schließt ungelöste
Kohle und Mineralteilchen ein. Das Feststoffmaterial wird
entfernt, vorzugsweise bis herunter zu Mikrometer- und Sub
mikrometerabmessungen. Dies läßt sich leicht durchführen, wenn
die Lösung eine für eine Filtrierung geeignete Viskosität
hat. Die Entfernung der Feststoffe kann auch durch Zentri
fugierung erreicht werden, gefolgt von einer Filtration
von Submicrometer- und größeren Teilchen.
Es wird vorgezogen, daß die Auflösung der Kohle und die
Entfernung des Feststoffmaterials in einer neutralen Atmo
sphäre, beispielsweise unter Stickstoff, Wasserstoff oder
einem neutralen Gas ausgeführt wird, um eine Oxidation des
organischen Materials in der Lösung minimal zu halten.
Es wird eine Lösung aus Polyäthylenoxid in einem Lösungs
mittel hergestellt, das mit dem Lösungsmittel der das von
Kohle abgeleitete Material enthaltenden Lösung verträglich
ist. Die Konzentration des Polyäthylenoxids in der Lösung
beträgt im allgemeinen weniger als 5 Massen- oder Ge
wichtsprozent, vorzugsweise 0,4 bis 2 Massen- oder Ge
wichtsprozent. Das Polyäthylenoxid hat ein Molekularge
wicht von wenigstens 3 × 106 Dalton.
Die Polyäthylenoxidlösung und die Lösung des organischen
Materials werden miteinander vermischt, so daß sich eine
Spinnlösung ergibt. Die Mischung erfolgt vorzugsweise
unter neutraler Atmosphäre und unter schonenden Bedingun
gen, um eine Zersetzung des Polyäthylenoxidpolymerisats zu
vermeiden. Die Konzentration des von Kohle abgeleiteten
Materials in der Mischung liegt vorzugsweise im Bereich
von 4 bis 20 Massen- oder Gewichtsprozent, und die Konzen
tration des Polyäthylenoxids ist vorzugsweise geringer als
1 Massen- oder Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 0,5
Massen- oder Gewichtsprozent. Die Mischung wird vorzugs
weise bei einer Temperatur von 40 bis 55°C ausgeführt und
wird im allgemeinen in 30 bis 60 Minuten abgeschlossen
sein. Die Spinnlösung sollte bei einer Temperatur zwischen
40 und 55°C gehalten werden, um eine vorzeitige Gelierung
zu verhindern.
Das Polyäthylenoxid kann auch direkt in der Lösung des von
Kohle abgeleiteten Materials aufgelöst werden. Dabei soll
te vorsichtig vorgegangen werden, um zu gewährleisten,
daß keine Zersetzung des Polymerisats stattfindet und die
Lösung homogen ist.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird die Spinnlösung in
einen Behälter 10 eingebracht und durch eine Düse 12 abge
pumpt. Der Durchmesser der Düse kann beispielsweise 0,2
bis 0,3 mm betragen. Natürlich können auch Mehrfachdüsen
Anwendung finden. Die Spinnlösung verläßt die Düse 12 und
verdünnt sich unter Ausbildung einer Faser, die um eine
Walze 14 herumgezogen wird. Zwischen der Düse 12 und der
Walze 14 durchläuft die Faser eine Zone 16, in welcher sie
in Kontakt mit einer Gelierlösung gelangt und eine Gelie
rung der Faser eintritt. Die Faser wird durch die Gelier
zone durch die Walze 14 nach unten gezogen und befindet
sich somit unter Spannung. Dies hat die Wirkung, daß der
Faserdurchmesser reduziert wird. Der Durchmesser der Faser
kann durch die Pumpgeschwindigkeit durch die Düse 12 und
die Geschwindigkeit der Walze 14 eingesteuert werden.
Die gelierte oder frische Faser, welche die Walze 14 ver
läßt, wird auf einer Walze 18 aufgesammelt. Vorzugsweise
läßt man die gelierte Faser zwischen den Walzen 14 und 18
durchhängen. Somit befindet sich die Faser zwischen diesen
Walzen nicht unter Spannung. Zwischen den Walzen 14 und 18
findet eine Trocknung der gelierten Faser statt. Es wurde
gefunden, daß sich festere Fasern ergeben, wenn gewähr
leistet ist, daß zwischen den Walzen 14 und 18 keine Span
nung auf die Faser einwirkt.
Auf der Walze 18 wird die gelierte und getrocknete Faser
aufgesammelt, welche durch Oxidation in Luft stabilisiert
werden kann. Eine Stabilisierung ist nicht immer erforder
lich und dies ist ein sehr realer Vorteil bei der Minima
lisierung von Prozeßschritten und der Steigerung der Fa
serausbeute. Die Faser wird anschließend bei einer Tempe
ratur von 400 bis 1100°C in einer neutralen Atmosphäre
karbonisiert, so daß eine Kohlenstoffaser gewonnen wird,
die, falls erwünscht, in kürzere Längenabschnitte zer
schnitten werden kann. Der Faserdurchmesser kann in Ab
hängigkeit von den Prozeßparametern variieren, liegt je
doch typischerweise in der Größenordnung von Micrometer,
beispielsweise 6 bis 10 µm.
Die karbonisierte Faser kann graphitisiert werden, und
zwar durch Verfahren, wie sie an sich bekannt sind, wo
durch sich Fasern mit höherem Fasermodul ergeben. Typische
Graphitisierungsbedingungen sind 2000 bis 3000°C, vorzugs
weise 2400 bis 3000°C. Die Erfindung wird anhand der nach
stehenden Beispiele weiter erläutert.
Eine Lösung aus von Kohle abgeleitetem Material wurde
durch schonendes Umrühren einer mittelflüchtigen
Koks-Kohle (7 g) mit Dimethylformamid (DMF) (70 ml) in An
wesenheit von Kaliumhydroxid (1,1 g) bei Raumtemperatur
während 24 Stunden hergestellt. Das von Kohle abgeleitete
Material dieser Lösung hatte eine Kohlenstoff-, Wasser
stoff- und Sauerstoffzusammensetzung, wie sie im wesentli
chen für die Kohle B in obiger Tabelle 1 angegeben ist.
Die Lösung des von Kohle abgeleiteten Materials, frei von
feinen Partikeln, wurde bei 40°C mit einem gleichen Volu
men an Polyäthylenglykol (Molekulargewicht 4 × 106)-Lösung
(0,4%) in DMF vermischt. Die kombinierte Lösung (zur Ver
hinderung einer vorzeitigen Gelierung bei einer Temperatur
von 40 bis 45°C gehalten) wurde durch eine feine Öffnung
(0,3 mm) auf eine Walze gepumpt, wo sie in Kontakt mit
einer Acetongelierlösung kam, so daß sich eine gelierte
Faser ergab, welche von der Walze mit einer solchen Ge
schwindigkeit abgezogen wurde, daß sich unmittelbar vor
der Gelierung ein Faserdurchmesser von etwa 20 bis 40 µm
ergab. Die Faser wurde von der Walze abgelöst und getrock
net, bevor sie auf einer zweiten Walze aufgesammelt wurde.
Dabei wurde vorsichtig darauf geachtet, daß die Faser zwi
schen den Walzen nicht unter Spannung geriet, bevor sie
einer Befeuerung unterworfen wurde, weil sich sonst nur
eine geringe Faserfestigkeit ergeben würde. Eine Pyrolyse
bei 800°C in neutraler Atmosphäre ergab Fasern von 7 bis
15 µm Durchmesser mit einer Festigkeit von 0,6 bis 1,5 GPa.
Eine Lösung aus von Kohle abgeleitetem Material mit 8
Massen- oder Gewichtsprozent an organischen Kohlefeststof
fen wurde dadurch hergestellt, daß man 100 g der Kohle zu
sammen mit 1000 ml trocknen DMF und 10 g fein verteiltem
Natriumhydroxid bei 90°C während vier Stunden unter einer
neutralen Atmosphäre verrührte. Die Zusammensetzung des
von Kohle abgeleiteten Materials in der Lösung war im we
sentlichen so, wie für die Kohle B in Tabelle 1 angegeben.
Der Schlamm aus der Lösung des von Kohle abgeleiteten Ma
terials und dem ungelösten Material wurde in noch heißem
Zustand zentrifugiert, und zwar während 30 Minuten bei
2600 U/min, um ungelöstes Material abzuscheiden. Die letz
ten Spuren kleiner Partikel bis zu Submicrometergröße wurden
durch Filtrierung entfernt. Die Viskosität der Lösung be
trug etwa 3 mPa.s bei 30°C.
Eine Lösung aus Polyäthylenoxid, durchschiedliches Moleku
largewicht 4 × 106 Dalton, wurde dadurch hergestellt, daß
man 0,1 g in 6 ml DMF bei 45°C schonend auflöste. Diese
Lösung wurde zu 20 ml der Lösung des von Kohle abgeleite
ten Materials zugegeben. Beide Lösungen wurden bei 45°C
während 30 Minuten schonend umgerührt. Alle Operationen
erfolgten unter neutraler Atmosphäre, beispielsweise
Stickstoff. Auf diese Weise ergab sich eine Spinnlösung.
Die Spinnlösung wurde in eine Spritzpumpe gebracht, bei
45°C gehalten und durch eine Öffnung von 0,3 mm in ein
Acetonbad gepumpt, wobei die Faser durch eine Walze mit
einer Geschwindigkeit von 0,5 m/sec hindurchgezogen wurde.
Die Zeit, während welcher die Faser dem Lösungsmittel aus
gesetzt war, betrug 0,2 bis 0,6 Sekunden. Die Faser wurde
von der Walze abgenommen, über eine Entfernung von 5 bis 6 m
hinweg vollständig in Luft getrocknet und auf einer Auf
nahmewalze aufgesammelt. Dabei wurde mit Vorsicht darauf
geachtet, daß die Faser in diesem Zustand des Verfahrens
im wesentlichen unter keiner Spannung stand.
Die Fasern wurden von der Aufnahmerolle abgenommen und
ohne die Notwendigkeit eines Stabilisierungsschrittes in
einer neutralen Atmosphäre von 900°C pyrolisiert, so daß
sich Karbonfasern von 7 bis 10 µm Durchmesser ergaben,
die eine Zugfestigkeit von 1,1 GPa hatten.
Ein von Kohle abgeleitetes Material in Lösung mit einer
Zusammensetzung, wie sie im wesentlichen für die Kohle A
in Tabelle 1 angegeben ist, mit 8 Massen- oder Gewichts
prozent an organischen Kohlefeststoffen wurde durch Zusam
menrühren von 120 g Kohle, 1000 ml DMF und 12 g Sodiumhy
droxid hergestellt.
Nach Entfernung der Feststoffe wurden 20 ml dieser Lösung
mit 12 ml einer 1%-igen Polyäthylenoxid (Molekulargewicht
4 × 106 Dalton)-Lösung in DMF vermischt. Aus dieser Spinn
lösung wurden unter den in Beispiel 2 angegebenen Bedin
gungen Fasern hergestellt.
Nach Erhitzung der Fasern während 30 Minuten auf 200°C in
Luft wurden sie bei 900°C pyrolisiert. Es ergaben sich
Fasern mit einer Zugfestigkeit von 1,0 GPa.
Eine Lösung aus von Kohle abgeleitetem Material wie in
Beispiel 2, mit der Ausnahme, daß sie 12 Massen- oder Ge
wichtsprozent organischer Kohlefeststoffe hatte, wurde mit
einer Polyäthylenoxidlösung, ebenfalls wie in Beispiel 2
beschrieben, vermischt, so daß sich eine Spinnlösung mit
einer Konzentration von 10 Massen- oder Gewichtsprozent
von Kohle abgeleitetem Material und 0,4 Massen- oder Ge
wichtsprozent Polyäthylenoxid ergab. Aus der Spinnlösung
wurden Fasern unter Anwendung der in Beispiel 2 angegebe
nen Bedingungen gewonnen. Die Fasern wurden bei einer Tem
peratur von 900°C in neutraler Atmosphäre pyrolisiert. Es
ergaben sich Fasern mit einer Zugfestigkeit von 1,1 GPa.
Claims (22)
1. Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffasern, gekennzeichnet durch folgen
de Schritte: Herstellen einer Lösung eines von Kohle abgeleiteten Materials in
einem Lösungsmittel, wobei das von Kohle abgeleitete Material - frei von Lö
sungsmittel - folgende Zusammensetzung hat: 70 bis 91 Massen- oder Ge
wichtsprozent Kohlenstoff, 2 bis 6 Massen- oder Gewichtsprozent Wasserstoff
und 3 bis 20 Massen- oder Gewichtsprozent Sauerstoff: Zugeben von Poly
äthylenoxyd mit einem Molekulargewicht von wenigstens 3 × 106 Dalton zur
Lösung, so daß sich eine Spinnlösung ergibt, Verspinnen der Spinnlösung zu
einer Faser und Gelieren der Faser und Weiterverarbeitung der Faser zu einer
Kohlenstofffaser.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser dadurch
zum Gelieren veranlaßt wird, daß sie durch ein Gelierlösungsmittel geleitet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelierlösungs
mittel ein Alkohol oder Aceton ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser dadurch
zum Gelieren veranlaßt wird, daß das Lösungsmittel verdampft wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser dadurch
zum Gelieren veranlaßt wird, daß man sie mit einem gasförmigen Geliermittel
in Kontakt bringt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Ge
liermittel ein sauer reagierendes Gas ist.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die gelierte Faser in einem Zustand getrocknet wird, in dem an die Fa
ser keine Spannung angelegt wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Faser bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 1100°C in neu
traler Atmosphäre karbonisiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser ohne durch
Oxydation in Luft stabilisiert zu sein, karbonisiert wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das Lösungsmittel für das von Kohle abgeleitete Material ein dipolares
aprotisches Lösungsmittel ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dipolare aproti
sche Lösungsmittel Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Tetramethylurea,
Dimethyltetrahydropyrimidinon und/oder Dimethylimidazolidinon ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dipolare aproti
sche Lösungsmittel
Dimethylformamid ist.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Viskosität der Lösung
des von Kohle abgeleiteten Materials ausreicht, um sie
zur Abscheidung von Partikeln bis zu Micrometer- und Sub
micrometergröße zu filtrieren, und daß die Lösung zur Ent
fernung dieser und größerer Teilchen filtriert wird.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Konzentration des von
Kohle abgeleiteten Materials in der Lösung kleiner als
25 Massen- oder Gewichtsprozent ist.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Konzentration des von
Kohle abgeleiteten Materials in der Lösung 4 bis 12
Massen- oder Gewichtsprozent ist.
16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Polyäthylenoxid ein
Molekulargewicht von wenigstens 4 × 106 Dalton hat.
17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Polyäthylenoxid der Lö
sung des von Kohle abgeleiteten Materials als eine Lö
sung zugegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß das Lösungsmittel für die Polyäthylenoxidlösung
ein dipolares aprotisches Lösungsmittel ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das dipolare aproti
sche Lösungsmittel Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Tetramethylurea,
Dimethyltetrahydropyrimidinon und/oder Dimethylimidazolidinon ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lösungsmittel für die beiden Lösungen das gleiche ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß
das Vermischen der Polyäthylenoxydlösung und der Lösung des von Kohle ab
geleiteten Materials bei einer Temperatur unterhalb 60°C durchgeführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermischungs
temperatur im Bereich von 40 bis 55°C liegt.
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