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DE1646769A1 - Process for the production of carbon threads - Google Patents

Process for the production of carbon threads

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Publication number
DE1646769A1
DE1646769A1 DE19651646769 DE1646769A DE1646769A1 DE 1646769 A1 DE1646769 A1 DE 1646769A1 DE 19651646769 DE19651646769 DE 19651646769 DE 1646769 A DE1646769 A DE 1646769A DE 1646769 A1 DE1646769 A1 DE 1646769A1
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DE
Germany
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fibers
charring
carbon fibers
matrix
composite material
Prior art date
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DE19651646769
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German (de)
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William Johnson
Phillips Leslie Nathan
William Watt
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NAT RES DEV
Original Assignee
NAT RES DEV
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Publication date
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    • 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
    • D01F11/00Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
    • D01F11/10Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/14Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon with organic compounds, e.g. macromolecular compounds
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    • 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
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    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
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    • 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
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Description

National Research Development Corporation, London ¥.1.National Research Development Corporation, London ¥ .1.

Verfahren zur Herstellung von KohlefadenProcess for the production of carbon thread

Die Erfindung bezieht sich auf die'Herstellung von Kohlebzw. Kohlenstoffasern oder -faden.The invention relates to the production of coal and. Carbon fiber or thread.

Ganz allgemein gehören Kohlenstoffasern oder -fäden zu einer Klasse von nichtmetallischen Fasern, die als Verstärkungs- oder Versteifungselemente oder Elemente hoher Festigkeit für Verbundmaterialien vorgeschlagen wurden, deren Matrixmaterial gegebenenfalls Metall sein kann.In general, carbon fibers or filaments belong to a class of non-metallic fibers that have been proposed as reinforcing or stiffening elements or elements of high strength for composite materials, the matrix material of which can optionally be metal.

Es läßt sich zeigen, daß.solche Fasern oder Fäden, insbesondere Kohlenstoffäden, üblicherweise die höchste spezifische Festigkeit aufweisen, wenn ihr Durchmesser am geringsten ist. Die Herstellung von nichtmetallischen Fasern oder. Fäden, insbesondere von solchen Fasern sehr geringen Durchmessers und sehr hoher Festigkeit, für die Kohlenstoff ein Beispiel ist, gibt zahlreiche^Probleme auf* Eines dieserIt can be shown that such fibers or threads, especially carbon threads, usually have the highest specificity Have strength when their diameter is smallest. The manufacture of non-metallic fibers or. Threads, in particular of such fibers of very small diameter and very high strength, for the carbon Example is there are numerous ^ problems on * one of these

293-(JX/20i5/06)-!iÖP (6)293- (JX / 20i5 / 06) -! IÖP (6)

10988S/0332 b«, 0RlGlNAL 10988S / 0332 b «, 0RlGlNAL

Probleme bestellt im Herausfinden von Mitteln und Verfahren zur Herstellung und Erlangung von Fasern oder Fäden genügender Länge, so daß sie im Verbundmateria.1 tragend wirken und dieses befähigen, Lasten oder Beanspruchungen auszuhalten, die mit ihrer Eigenfestigkeit vergleichbar sind.Problems are found in finding means and processes for the production and obtaining of fibers or threads of sufficient length so that they have a load-bearing effect in the composite material and enable them to withstand loads or stresses that are comparable to their intrinsic strength.

Mir die Erzeugung von Kohlenstoffasern oder -fäden wurde bisher die Verkohlung oder Verkokung von organischen Mate-P rialien, wie beispielsweise Baumwolle und Pasern oder Fäden von synthetischen Harzmaterialien, vorgeschlagen. Insbesondere wurden PolyacryInitrilfasern für Untersuchungen empfohlen, aber es konnte nur ein begrenzter Erfolg erzielt werden.The production of carbon fibers or threads has been to me so far the charring or coking of organic Mate-P Materials such as cotton and fiber or threads of synthetic resin materials have been proposed. In particular polyacrylonitrile fibers were recommended for investigations, but only limited success could be achieved.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der Ausdruck "PolyacryInitrilfasern", wie er von Fachleuten gebraucht wird, auch Copolymere oder Terpolymere von Acrylnitril mit anderen Monomeren, wie z.B. Methylmethacrylat oder Vinylaeek tat, die entweder allein angewendet werden oder denen mit diesen verträgliche Polymere, wie beispielsweise Phenolharze oder Friedel-Grafts-Kondensate zugegeben werden, einschließt. In demselben Sinne wird der Ausdruck "PolyacryInitrilfasern" in dieser Beschreibung angewendet.At this point it should be noted that the expression "Polyacrylonitrile fibers" as used by experts is also copolymers or terpolymers of acrylonitrile with other monomers such as methyl methacrylate or Vinylaeek did that are either used alone or with polymers compatible with them, such as phenolic resins or Friedel Grafts condensates are added. In the same sense, the term "polyacrylonitrile fibers" used in this description.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zur Herstellung von Eohlenstof fasern das Aufheizen von Polyacry Ini trilf asern According to the invention, a method for producing carbon fibers comprises heating polyacrylic fibers

10988 5/033 210988 5/033 2

.r£... BAD ORIGINAL.r £ ... BAD ORIGINAL

auf relativ hohe Verkohlungstemperaturen unter nichtoxydierenden Bedingungen, wobei sie unter Zug "bzw. Spannung gehalten werden.to relatively high carbonization temperatures under non-oxidizing conditions, keeping them under tension will.

Das Verfahren umfaßt ebenfalls gemäß der Erfindung einen vorangehenden Oxyäation$vorgang bzw. eine Wärmebehandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei niederiger Temperatur, der beispielsweise durch Aufheizen in Luft ausgeführt wird.The method also according to the invention comprises one preceding oxidation process or a heat treatment in oxygen-containing atmosphere at low temperature, the is carried out, for example, by heating in air.

Die Verkohlung oder Verkokung .bei hoher Temperatur wird unter Vakuum oder in.nichtoxydierender Atmosphäre, wie in Wasserstoff, ausgeführt.The charring or coking .at high temperature is under vacuum or in a non-oxidizing atmosphere, as in Hydrogen.

Wenn der vorangehende OxydationsVorgang bei niedriger Temperatur, der "gegebenenfalls einen Teil des Verfahrens bildet, von zu kurzer Dauer ist, behalten die Fasern einen weichen Kern und bei der nachfolgenden Wärmebehandlung bei hoher Temperatur werden in der sich dabei ergebender Faser Löcher oder Hohlräume gebildet.If the previous oxidation process at lower Temperature which "may form part of the process, If the duration is too short, the fibers retain a soft core and in the subsequent heat treatment at a higher level Temperature, holes are created in the resulting fiber or cavities formed.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsart umfaßt das Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern oder -fäden ein anfängliches Aufheizen von unter Zug oder Spannung gehaltenen Polyacrylnitrilfasern in oxydierender Atmosphäre bei 200 bis 25O0C über Zeiten, die für eine im wesentlichenIn a further embodiment of the invention, the method for producing carbon fibers or filaments, an initial heating up, maintained at train or voltage polyacrylonitrile in an oxidizing atmosphere at 200 to 25O 0 C for times for substantially

109885/0332109885/0332

;.. .... '-/;iiC BAD ORIGINAL ; .. .... '- / ; iiC BAD ORIGINAL

16467891646789

vollständige Permeation von Sauerstoff.durch die einzelnen Fasern oder Fäden ausreichen; und ein nachfolgendes weiteres Aufheizen der so gebildeten Fasern auf eine Verkohlungstemperatur von wenigstens 100O0G unter nichtoxydierenden Bedingungen.complete permeation of oxygen through the individual fibers or threads are sufficient; and a subsequent further heating of the fibers thus formed to a charring temperature of at least 100O 0 G under non-oxidizing conditions.

Die erforderliche Dauer für den anfänglichen Aufheizprozeß hängt in starkem Maße vom Durchmesser der jeweiligen Fasern oder Fäden ab; bei einer Temperatur von 220 C wird jedoch eine vollständige Durchdringung der Fasern mit Sauerstoff nach einem etwa 24 Stunden langen Aufheizen bei 2 1/2 Denier-Fasern und nach einem etwa 50 Stunden langen Aufheizen bei 4 1/2 Denier-Fasern erreicht.The time required for the initial heat-up process depends to a large extent on the diameter of the respective fibers or threads; at a temperature of 220 C, however, becomes a complete penetration of the fibers with oxygen after heating for about 24 hours with 2 1/2 denier fibers and after about 50 hours of heating on 4 1/2 denier fibers achieved.

Die Fasen oder Fäden werden soweit gespannt bzw. gereckt, daß die normalerweise während diesem anfänglichen Aufheizung stattfindende längsschrumpfung vermindert ist oder wegfällt oder daß sogar die Fasern gelängt werden.The bevels or threads are stretched or stretched to the extent that that that normally occurs during this initial heating up any longitudinal shrinkage that occurs is reduced or eliminated or that even the fibers are elongated.

Weitere Verbesserungen der Eigenschaften der erzeugten Fasern werden erreicht-, wenn die Fasern anschließend an die Verkohlung bei etwa 1000 G weiter bis zu Temperaturen oberhalb von 20000O in einer nichtoxydierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden» Further improvements in the properties of the fibers produced are achieved if the fibers are further heat-treated after the carbonization at about 1000 G up to temperatures above 2000 0 O in a non-oxidizing atmosphere »

Das Spannung der Fasern oder Fäden kann ebenfalls währendThe tension of the fibers or threads can also be applied during

109885/0332109885/0332

BAD ORtQiNALBAD LOCATION

der nachfolgenden Verkohlung und/oder Wärmebehandlung beibehalten werden. subsequent charring and / or heat treatment.

Im nachfolgenden werden zum alleinigen Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung einige Beispiele beschrieben. Bei diesen Beispielen wurde als Ausgangsmaterial ein Vielfadengarn aus Polyacrylnitril mit fortlaufenden Einzelfäden verwendet. The following are for illustration purposes only some examples of the invention are described. In these examples, a multi-filament yarn was used as the starting material made of polyacrylonitrile with continuous single threads used.

Beispiel 1example 1

Ein 4 1/2 Denier-Bündel von rund 500 Polyacrylnitrilfasern bzw. -fäden von je etwa 27 /u Durchmesser und etwa 12,8 cm Länge wurde als Ausgangsmaterial in ein vertikales Ofenrohr gehängt mit daran befestigten Gewichten von insgesamt 10 g, so daß die Fasern unter Zug standen. Der Ofenraum wurde evakuiert und der Vakuumpumpvorgang danach während der Wärmebehandlung durchgehend aufrechterhalten. Die Wärmebehandlung bestand in einer Steigerung der Ofentemperatur auf 10000G mit einer Geschwindigkeit von 150O pro Stunde. Nach dieser Behandlung hatten die verkohlten bzw. verkokten Fasern folgende Eigenschaften:A 4 1/2 denier bundle of around 500 polyacrylonitrile fibers or threads, each about 27 / u in diameter and about 12.8 cm in length, was hung as the starting material in a vertical stovepipe with attached weights totaling 10 g, so that the Fibers were under tension. The furnace chamber was evacuated and the vacuum pumping process was then maintained throughout the heat treatment. The heat treatment consisted in an increase oven temperature to 1000 0 G at a rate of 15 0 O per hour. After this treatment, the charred or coked fibers had the following properties:

-7-7

Dichte nach Verkoken} 1,6 g/cm . Durchmesser der erhaltenen Kohlefaden 11 bis 13 /U.Density after coking} 1.6 g / cm. Diameter of the carbon thread obtained 11 to 13 / U.

Zugfestigkeit der einzelnen Pasern 7,72 χ 105 kg/cm2 (110 χTensile strength of the individual strands 7.72 χ 10 5 kg / cm 2 (110 χ

p.s.i.)p.s.i.)

1Ö988S/0 3321Ö988S / 0 332

'■■■' s BAD ORIGINAL'■■■' s BAD ORIGINAL

-6 - 1846769-6 - 1846769

Young-Modul· 1,16 χ TO6 kg/cm2 (16,5 x 106 p.s.i.) Ausfallquote (failing strain) 0,7%Young module 1.16 χ TO 6 kg / cm 2 (16.5 x 10 6 psi) Failing strain 0.7%

In einer weiteren Behandlungsstufe wurden die Kohlenstofffasern bzw. -fäden bis auf eine Temperatur von 250O0G "eine Stunde lang unter Argon von 1 at Druck aufgeheizt. Nach dieser Behandlung, "bei der ein Schrumpfen der fasern in Richtung des Durchmessers, aber nicht in Faser-Längsrichtung auftrat, wurde eine Änderung der Dichte von 1,7 g/cm auf 1,9 g/om'5 beobachtet. Der Young-Modul der lasern hatte sich nach dieser Behandlung von 1,16 χ 10 kg/cm (16,5 x 10 p.s.i.)* auf einen Mittelwert von 2,46 χ 10 kg/cm (35 x 10 p.s.i.) geändert. Die mittlere Zugfestigkeit betrug nach dieser Behandlung bei hoher Temperatur 14,1 x 105 kg/cm2 (200 χ 10^ p.s.i.).In a further treatment stage, the carbon fibers have been or yarns to a temperature of 250o 0 G "for one hour under argon of 1 atm pressure heated. After this treatment," in which a shrinkage of the fibers in the diameter direction, but not in fiber longitudinal direction occurred, a change in the density of 1.7 g / cm to 1.9 g / om '5 was observed. After this treatment, the Young's modulus of the lasers had changed from 1.16 10 kg / cm (16.5 x 10 psi) * to a mean value of 2.46 10 kg / cm (35 x 10 psi). The mean tensile strength after this high temperature treatment was 14.1 x 10 5 kg / cm 2 (200 χ 10 ^ psi).

"■■ ■ , -Beispiel-2.-,"■■ ■, -Example-2.-,

Material und Wärmebehandlung waren die gleichen wie in Beispiel 1, nur daß bei der Verkohlung der Fäden anstelle des Vakuums eine Wasserstoffatmosphäre von 50 mmHg Druck im Ofen aufrechterhalten wurde. Nach der Behandlung hatten die verkohlten bzw. verkokten laden folgende Eigenschaften: Material and heat treatment were the same as in Example 1, except that in the charring of the filaments instead of the Vacuum a hydrogen atmosphere of 50 mmHg pressure in the furnace was maintained. After the treatment, the charred or coked loads had the following properties:

Dichte der verkohlten Fäden 1,6 g/cmDensity of the charred threads 1.6 g / cm

Durchmesser der endgültigen Kohlenstoffäden 11 bis 14· yu Zugfestigkeit 9,5 χ 105 kg/cm2 (135 x TO^ p.s.i.) Young-Modul 0,91 x 106 kg/cm2 (12,9vx 106 ρ.s.i.) Ausfallquote (failing strain) 1$Final carbon filament diameter 11-14 yu Tensile strength 9.5 χ 10 5 kg / cm 2 (135 x TO ^ psi) Young's modulus 0.91 x 10 6 kg / cm 2 (12.9 v x 10 6 ρ. si) Failing strain $ 1

109885/0332^109885/0332 ^

Bei den vorstehend "beschriebenen Beispielen wurde ein Schrumpfen der einzelnen laden beobachtet, während die ursprüngliche Kreisförmige Form des Querschnitts erhalten blieb* Die angegebenen Versuchsdaten zeigen, daß der Durchmesser auf etwa die Hälfte abgenommen hat.In the examples described above, a Shrinkage of each load observed while the original Obtain circular shape of the cross-section remained * The experimental data given show that the diameter has decreased to about half.

In den nachfolgenden Beispielen 3,4-, 5 und 6 wird die Anwendung der nach Beispiel 1 und 2 hergestellten Kohlenstoffasern ' als Yerstärkungselemente in Verbundmaterialien beschrieben»In the following Examples 3, 4, 5 and 6, the use of the carbon fibers produced according to Examples 1 and 2 ' described as reinforcement elements in composite materials »

Beispiel 3Example 3

Folgende Bestandteile wurden in einem Gummi-Knetwerk bzw. -Walzwerk (Kalander) zusammengebracht:The following components were mixed in a rubber kneader or - Rolling mill (calender) brought together:

Fluorelastomer-Öopolymer aus Vinylidin-Fluoroelastomer oil from vinylidine

fluorid und Hexafluor propylenfluoride and hexafluoropropylene

(Viton B) 100 g(Viton B) 100 g

Magnesiumoxyd 15gMagnesium oxide 15g

Dicinnamyl!den-hexamethylen-Dicinnamyl! Den-hexamethylene-

diamin (Härter) 3gdiamine (hardener) 3g

Kohlefäden, hergestellt nach Beispiel 1 20 gCarbon threads, produced according to Example 1, 20 g

Die Fasern, oder Fäden wurden zu dem eingesetzten Material beim EinlaufζWiekel der Walzen zugegeben, wo sie auf kurze ·The fibers, or threads, became the material used added at the infeed angle of the rollers, where they are briefly

109885/0332109885/0332

BADBATH

längen von etwa 3)2 m Länge gebrochen und anschließend, durch Yermischen einheitlich über das Material verteilt wurden. Das vermischte bzw. zusammengebrachte Material wurde durch einen · Formvorgang geformt und in der Form durch Aufheizen auf 16o°C über eine Stunde und weitere Wärmebehandlung bei 2500C über 24 Stunden gehärtet. Das Endprodukt ist ein dichter zusammengesetzter Gummi großer Zähigkeit, der bei erhöhten Temperaturen gute Festigkeitseigejischaften beibehält.3) 2 m in length and then distributed uniformly over the material by mixing. The mixed or matched material was molded by a molding operation · and cured in the mold by heating to 16o ° C over an hour and further heat treatment at 250 0 C for 24 hours. The end product is a dense composite rubber of great toughness that retains good strength properties at elevated temperatures.

Beispiel 4Example 4

Ein Bündel von ungebrochenen, gemäß Beispiel 2 hergestellten Kohlenstoffasern von etwa 10 cm Länge wurde in ein Reagenzglas von 9)5 mm (3/8") Innendurchmesser dicht gepackt und ein katalytisch kalthärtendes Polyesterharz wurde darüber geschüttet . Das Harz bestand aus Bakelite 17 449» einem Polyesterharz gemischt mit Methyläthylketonperoxyd und einer öligen Lösung von Kobaltnaphtnenat in einem klaren flüchtigen Lösungsmittel (white spirit) in folgenden Anteilen« 100 Teile Harz auf drei Gewichtsteile von jedem der beiden anderen Bestandteile. Die Fasern wurden gleichmäßig mit der Harzmischung getränkt und bildeten eine Längsverstärkung in dem durch Härten und Erstarren des Harzes bei Zimmertemperatur gebildeten steifen Ver-"bundmaterial Harz/Faser von hoher Festigkeit.A bundle of unbroken carbon fibers produced according to Example 2 and about 10 cm in length was placed in a test tube of 9) 5 mm (3/8 ") inside diameter tightly packed and a catalytically cold-curing polyester resin was poured over it. The resin consisted of Bakelite 17 449 »a polyester resin mixed with methyl ethyl ketone peroxide and an oily solution of cobalt naphtnenate in a clear volatile solvent (white spirit) in the following proportions «100 parts resin to three Parts by weight of each of the other two ingredients. The fibers were soaked evenly with the resin mixture and formed a longitudinal reinforcement in the by hardening and solidification of the resin at room temperature Resin / fiber of high strength.

10 9885/033210 9885/0332

BAD ORiGiNALBAD ORiGiNAL Beispiel 5Example 5

Die Arbeitsweise nach Beispiel "4 wurde unter Anwendung einer Epoxyharzmisehung folgender Zusammensetzung: ■The procedure of Example "4 was followed using an epoxy resin mixture of the following composition: ■

Shell Epikote Harz 815 : 60 Gew.-teile . -Shell Epikote Resin 815: 60 parts by weight. -

Polyamid-Härter (Versamid 125) : 40 Gew.-teilePolyamide hardener (Versamid 125): 40 parts by weight

wiederholt. Die Härtungsbehandlung bei Zimmertemperatur führte zu der Bildung eines Produktes mit ähnlichen Eigenschaften, wie bei Beispiel 4»repeated. The hardening treatment at room temperature resulted to the formation of a product with similar properties, as in example 4 »

Beispiel 6 .Example 6.

Ein Bündel von gemäß Beispiel 1 hergestellten Kohlenstofffasern wurde mit einer Lösung eines Harzes vom ffriedel-Craftstyp, insbesondere eines Harzes auf Diphenyloxydbasis, das durch Reaktion der Bestandteile in folgenden Anteilen erhalten wurde: . ·A bundle of carbon fibers made according to Example 1 was with a solution of a resin of the ffriedel-Craft type, in particular a resin based on diphenyloxide obtained by reacting the constituents in the following proportions became: . ·

1 Mol Diphenyloxyd1 mole of diphenyl oxide

1,2 Mole p-Xylylenchlorid1.2 moles of p-xylylene chloride

in einer Dichloräthanlösung mit 40$ feststoffgehalt der Harzmisohung imprägniert. Nach Verdampfen des Diohloräthans wurde \ impregnated in a dichloroethane solution with a solids content of 40% of the resin mixture. After evaporation of the Diohlorethans was \

109885/0332109885/0332

, SAO OfilGJWAL, SAO OfilGJWAL

die imprägnierte Fasermasse geformt und bei 1800G zwei Stundenthe impregnated fiber mass formed and at 180 0 G for two hours

■ ρ■ ρ

lang unter einem Druck von 35,2 kg/cm (500 p.s.i.) wärmege- ' härtet unter Bildung eines mit Fasern hoher Festigkeit verstärkten, harten und steifen Gegenstandes aus Verbundmaterial.long under a pressure of 35.2 kg / cm (500 p.s.i.) cures to form a hard and rigid composite article reinforced with high strength fibers.

Unter den durch das erfindungsgemäße Verfahren gegebenen .Vorteilen sind die höhere-Festigkeit der verkohlten Fäden verglichen mit derjenigen, die durch regenerierte Zellulosefasern erreicht wird, zu nennen, da die letzteren im allgemeinen'nur eine Zugfestigkeit von etwa 3,52 χ 10 kg/cm (50 χ 10 p.s.i.) aufweisen; und außerdem daß die Fasern eine besonders glatte Oberfläche haben, die sie als Verstärkung in Verbundmaterialieii besser geeignet macht als diejenigen, die aus regenerierter Zellulose hergestellt werden.Among those given by the method according to the invention The advantages are the higher tenacity of the charred threads compared to that obtained by regenerated cellulose fibers is achieved, since the latter are generally only a tensile strength of about 3.52 10 kg / cm (50 χ 10 p.s.i.); and also that the fibers have a have a particularly smooth surface, which makes them more suitable as reinforcement in composite materials than those that do made from regenerated cellulose.

Beispiel 7Example 7

2 1/2 Denier-Polyacrylnitrilfasern wurden 24 Stunden lang auf 22O0G in luft aufgeheizt, um eine vollständige Permeation von Sauerstoff durch die Fasern zu erreichen und anschließend in einer nichtoxydierenden Atmosphäre Ms 10000G verkohlt und bis 250O0O wärmebehandelt; es wurden Fasern mit einer Zug-2 1/2 denier polyacrylonitrile fibers were heated for 24 hours at 22O 0 G in air, to ensure complete permeation of oxygen to reach through the fibers and then charred 1000 0 G in a non-oxidizing atmosphere Ms and heat-treated to 250o 0 O; fibers with a tensile

3 2 3 festigkeit von 17,6 χ 10' kg/cm (250 χ 10 p.s.i.) erhalten, während bei einer nur zwei Stunden langen anfänglichen Aufheizung auf 220 0 Faserfestigkeiten von nur 7,04 χ 10^ kg/cm (100 χ 105 p.s.i.) erzielt wurden.3 2 3 strength of 17.6 χ 10 'kg / cm (250 χ 10 psi), while with an initial heating to 220 0 for only two hours, fiber strengths of only 7.04 χ 10 ^ kg / cm (100 χ 10 5 psi).

109885/0332109885/0332

BADORtGtNALBADORtGtNAL

Bei Behandlung in vorstehender Weise schrumpften die lasern während der anfängliehen Wärmebehandlung auf 22O0C in luft um "bis zu 40$ und während die durch nachfolgende Verkohlung und Wärmebehandlung Ms 250O0O erhaltenen Kohlenstoffasern eine Zugfestigkeit aufweisen, die unter gewissen Umständen ausreichend sein kann, ist der Young-Modul relativ niedrig. Wenn die Fasern aber während der anfänglichen Wärmebehandlung auf 2200G durch Zug belastet werden, können sowohl die Zugfestigkeit als auch der Young-Modul erhöht werden, wie die nachfolgende Tabelle zeigt: ·For the treatment in the above manner shrank lase during anfängliehen heat treatment at 22O 0 C in air for "up to $ 40, while those obtained by subsequent carbonization and heat treatment Ms 250o 0 O carbon fibers have a tensile strength which may be sufficient under certain circumstances, Young's modulus is relatively low, but if the fibers are subjected to tensile stress to 220 0 G during the initial heat treatment, both tensile strength and Young's modulus can be increased, as the following table shows: ·

Belastung eines
Garns von 100
Fäden von
2 1/2 Denier
Polyacrylnitrilfasern bei
2200G über ■
24 Std
Burden one
Yarn of 100
Threads of
2 1/2 denier
Polyacrylonitrile fibers
220 0 G over ■
24 hours

Längenänderung währ'end der Behandlung bei 220üCLength change währ'end treatment at 220 C u

Eigenschaften der Fasern nach Verkokungsbehandlung bis 1000 C in inerter AtmosphäreProperties of the fibers after coking treatment up to 1000 C in inert the atmosphere

Eigenschaften der Fasern nach Wärmebehandlung bis 2500 C in inerter AtmosphäreProperties of the fibers after heat treatment up to 2500 C in inert the atmosphere

Zugfestigkeit 2 kg/cmTensile strength 2 kg / cm

Young-Modul
axial zur
Faser^
kg/cm
Young module
axial to
Fiber ^
kg / cm

Zug-,
festigkeit ρ
kg/cm
Train-,
strength ρ
kg / cm

Young-Modul axial zur Faser2 cmYoung's modulus axially to the fiber 2 cm

0 g
10
20
30
40
0 g
10
20th
30th
40

-40$
-12$
+ 2$
+15$
+36$
- $ 40
- $ 12
+ $ 2
+ $ 15
+ $ 36

7,04 x 1Ö? 7,04 χ 105 8,44 x 105 14,1 xi O3 14,1 x 105 7.04 x 1Ö ? 7.04 χ 10 5 8.44 x 10 5 14.1 xi O 3 14.1 x 10 5

0,92 χ 10
1,13" x
1,41 x 10
1,48 χ 10
1,48 χ 10
0.92 χ 10
1.13 "x
1.41 x 10
1.48 χ 10
1.48 χ 10

5,62x10
7,04x10
8,44XfOYp
14,1x1O3
14,
5.62x10
7.04x10
8.44XfOYp
14.1x1O 3
14,

2,11 χ 2,67 x ,3 x 102.11 χ 2.67 x, 3 x 10

5,73 x.5.73 x.

Φ ,-22Φ, -22

1010

109885/0332109885/0332

BADBATH

_ 12 _ 184 67S9_ 12 _ 184 67S9

Beispiel 8 .:.: : Example 8.:. ::

' Polyacrylnitrilfasern oder -fäden wurden auf einen Kohlenstoff-Form- -oder Spulenkörper unter leichtem Zug aufgewickelt und auf 2200G 22 Stunden lang in luft'aufgeheizt. Die Pasern hatten die Form eines Garns aus 100 Fäden von 2 1/2 Denier Polyacrylnitril mit 20 Garnen pro Seite des Form- oder Spulenkörpers und diese wurden am Spulenkörper in der Weise festgelegt, daß P die Zugspannung aufrechterhalten wurde. Nach dieser anfänglichen Wärmebehandlung wurden die Garne auf 12,7 cm Längen geschnitten up.!; durch AujTheizen mit linearer zeitlicher Temperaturzunahme von 200 bis 1000 C in 24 Stunden in einer Wasserstoff atmosphäre von 1 50 mmHg Druck verkohlt. 'Polyacrylonitrile or -or- to a carbon-forming bobbin yarns were wound up under a slight train and to 220 0 G for 22 hours in luft'aufgeheizt. The strands were in the form of a yarn of 100 threads of 2 1/2 denier polyacrylonitrile with 20 yarns per side of the form or bobbin, and these were attached to the bobbin in such a way that P the tension was maintained. After this initial heat treatment, the yarns were cut up to 12.7 cm lengths. charred by AujTheizen with a linear temperature increase from 200 to 1000 C in 24 hours in a hydrogen atmosphere of 150 mmHg pressure.

Die Eigenschaften einiger Fasern wurden danach gemessen und die restlichen in einem Kohlerohrofen unter-Argon von einer Atmosphäre auf 25OO0C aufgeheizt.The properties of some fibers were then measured, and the remaining heated in a carbon tube furnace under argon of one atmosphere at 25OO 0 C.

> ;_ ■ ■■ ■.. ■>; _ ■ ■■ ■ .. ■

Bine weitere Auswahl der erhaltenen Fasern wurde geprüft und der Rest unter den gleichen Bedingungen von einer Atmosphäre Argon auf 290O0C aufgeheizt. Die Eigenschaften der durch diese abschließende Behandlung erhaltenen Fasern wurden bestimmt. In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengefaßt: « Bine further refinements of the obtained fibers was examined, and the rest under the same conditions of one atmosphere of argon at 290O 0 C heated. The properties of the fibers obtained by this final treatment were determined. The results are summarized in the following table: «

109885/03 3 2109885/03 3 2

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Behandlungtreatment Eigenschaften der resultieren-
- den Fasern
Properties of the resulting
- the fibers
Young-ModulYoung module
1 . Fasern 22 Std in Luft
auf 2200C unter Zug
auf dem Spulenkörper
aufgeheizt /
1 . Fibers in air for 22 hours
to 220 0 C under tension
on the bobbin
heated /
Zugfestigkeittensile strenght
2. Aufheizen'der lasern
nach 1. von 200 C auf
100O0C über.24 Std in
Wasserstoff-Atmosphäre
von 150 mmHg
2. Heating up the lasers
after 1. from 200 C.
100O 0 C for 24 hours in
Hydrogen atmosphere
of 150 mmHg
1,41 x 106kg/cm2
20 χ 10 p.s.i.
1.41 x 10 6 kg / cm 2
20 χ 10 psi
3· Aufheizen der Fasern
nach 2. auf 2500 C
für 2 Std in Argon
bei 1 at Druck
3 · Heating up the fibers
after 2. to 2500 C
for 2 hours in argon
at 1 at pressure
18,3 x 1o\g/cm2
260 χ 105 p.s.i.
18.3 x 10 \ g / cm 2
260 χ 10 5 psi
3,52^x^ro6kg/cm2
50 x 10 p.s.i.
3.52 ^ x ^ ro 6 kg / cm 2
50 x 10 psi
4. Aufheizen der Fasern
nach 3. auf 29000O
unter Argon bei 1 ab
Druck für 1/4 Std.
4. Heating the fibers
after 3rd to 2900 0 O
at 1 under argon
Pressure for 1/4 hour
18,3 x 103kg/cm2
260 χ TO5 p.s.i.
18.3 x 10 3 kg / cm 2
260 χ TO 5 psi
4,22 χ 106kg/cm2
60 χ 10 p.s.i.
4.22 χ 10 6 kg / cm 2
60 χ 10 psi
18,3 x 403kg/cm2
260 χ 1Cr p.s.i.
18.3 x 40 3 kg / cm 2
260 χ 1Cr psi

109885/0332109885/0332

BAD OBIGlNALBATHROOM OBIGlNAL

Claims (1)

- u ■.- T64676B- u ■ .- T64676B ■■'.■'"- Patentansprüche■■ '. ■' "claims 1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern bzw. -fäden, dadurch gekennzeichnet, daß Polyacrylniurilfasern unter nichtoxydierenden Bedingungen auf eine Verkohlungs- bzw. Verkokungstemperatur aufgeheizt und zuminaes'c wä,hrend eines TeiJ.s der Verkohlungsbehandlung unter Spannung gehalten werden.1. Process for the production of carbon fibers or threads, characterized in that polyacrylic fibers heated under non-oxidizing conditions to a charring or coking temperature and during held under tension for part of the charring treatment will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vorangehenden Oxydationsvorgang.2. The method according to claim 1, characterized by a preceding Oxidation process. 3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorangehende OxydationsTorgang ein Aufheizen in Luft; auf .200 "bis 250°0 umfaßt. Λ ' 3. The method according to claim 2, characterized in that the preceding oxidation process involves heating in air; on .200 "to 250 ° 0. Λ ' Ί-· Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daö die Verkohlung bei hoher Temperatur unter Vakuum ausgeführt wird. -Ί- · Method according to one of the preceding claims, characterized characterized as charring at high temperature is carried out under vacuum. - b> Verfahren nac-h Anspruch 1 "bis■■ 3, dadurch gekennzeichnet, v.aß die Verkohlung- in einer viassers^offatmösphäre "ausgeführt wird. - b> Method according to claim 1 "to ■■ 3, characterized in that the charring is carried out in an open atmosphere". - b. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge- , kennzeichnet, daß der vorangehende Oxydationsvorgang einb. Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that, indicates that the preceding oxidation process is a 10938 5/0 332
BAD ORIGINAL
10938 5/0 332
BATH ORIGINAL
Aufheizen der Fasern auf 200 bis 2bo°0 für eine Zeit "umfaiJtj die für eine im wesentlichen vollständige Permeation ν on Sauerstoff durch die einzelnen lasern ausreicht.The fibers are heated to 200 to 20 ° 0 for a period of time which is sufficient for an essentially complete permeation ν of oxygen through the individual lasers. Y. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 Ms 6, gekennzeichnet durch eine Zugbelastung der Fasern, wodurch die sonst stattfindende Längsschrumpfung der Fasern vermindert oder ausgeschalteu wird oder die Fasern sogar gelängt werden.Y. The method according to any one of claims 2 Ms 6, characterized by a tensile load on the fibers, whereby the otherwise occurring longitudinal shrinkage of the fibers is reduced or is switched off or the fibers are even elongated. ö. Verfahren nach einem der .vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Vorgang der Wärmebehandlung der Fasern auf über 2000°0 in einer nichtoxydierenden Atmosphäre.ö. Method according to one of the preceding claims, characterized by a further process of heat treatment of the fibers to over 2000 ° 0 in a non-oxidizing one The atmosphere. 9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannung an den Fasern während des gesamten Verfahrens aufgebracht wird. ...9 · The method according to claim 8, characterized in that the tension on the fibers throughout the process is applied. ... 10. Verbundmaterial gekennzeichnet durch eine Matrix aus syn.-hetischem Fluorelastomer, ein Metalloxyd, ein Härtungsmiutel und eine Verstärkung aus ICohlenstoffasern, die durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche erzeugt wurden.10. Composite material characterized by a matrix syn-hetic fluoroelastomer, a metal oxide, a hardening agent and a reinforcement made of carbon fibers, which through a method according to any one of the preceding claims has been produced. 11. Verbundmaterial gekennzeichnet durch eine Matrix aus11. Composite material characterized by a matrix 1098857033210988570332 einem katalytisch kalthärtenden Polyesterharz und eine Verstärkung aus Kohlenstoffasern, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 9 erhalten wurden.a catalytically cold-curing polyester resin and a reinforcement of carbon fibers obtained by a process according to any one of claims 1 "to 9. 12. Verbundmaterial gekennzeichnet durch eine Matrix aus einer Epoxyharzmischung aus Epoxyharz und Härter mit einer Verstärkung aus Kohlenstoffasern, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhalten wurden.12. Composite material characterized by a matrix an epoxy resin mixture of epoxy resin and hardener with a Reinforcement made of carbon fibers obtained by a process according to any one of Claims 1 to 9. 13. Verbundmaterial gekennzeichnet durch eine Matrix aus einem Harz vom Friedel-Craftstyp und eine Verstärkung aus Kohlenstoffasern, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhalten wurden.13. Composite material characterized by a matrix a Friedel-Craft type resin and a reinforcement Carbon fibers obtained by a method according to any one of claims 1 to 9. 109885/0332109885/0332
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