DE2357477A1 - PROCESS FOR MANUFACTURING ISOTROPIC COAL - Google Patents
PROCESS FOR MANUFACTURING ISOTROPIC COALInfo
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Description
j. P. WSRTH · or. V. SGHMSED-KQWARZiK DlpWng. G. DANNENBERG -Dr. P. WEIN HOLD · Dr. D. GUDELj. P. WSRTH · or. V. SGHMSED-KQWARZiK DlpWng. G. DANNENBERG -Dr. P. WEIN HOLD Dr. D. GUDEL
281334 ' 6 FRANKFURTAM MAiM281334 '6 FRANKFURTAM MAiM
coeracoera
237314 QR. ESCHENHEIMER STBASSE 30237314 QR. ESCHENHEIMER STBASSE 30
SK/SK 70T387-CSK / SK 70T387-C
Koppers Company, Inc. 1450 Koppers Building Pittsburgh, Pa 15 219 /USAKoppers Company, Inc. 1450 Koppers Building Pittsburgh, Pa 15 219 / USA
Verfahren zur Herstellung isotroper KohleProcess for the production of isotropic coal
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf isotrope Kohlefasern und auf Verfahren zu ihrer Herstellung aus flüssigen Kohlenwasserstoff des txliat en«The present invention relates to isotropic carbon fibers and to methods of making them from liquid hydrocarbon des txliat en «
Kohlefasern sind seit 1880 bekannt, als Thomas Edison zum ersten Mal eine Kohlefaser als Glühlampenfaden verwendete. Zur Zeit werden Kohlefasern auch in ansfere Materialien. einverleibt, wie z.B. Metalle, Polymerisate, Kohlenstoff, Graphit, Keramik usw., um mit Kohlefaser verstärkte Gebilde mit verbesserten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Solche Gebilde werden insbesondere in der modernen Raumfahrtindustrie als thermisch stabiles Material verwendet.Carbon fibers have been known since 1880 when Thomas Edison first made it Once I used a carbon fiber as a filament for a light bulb. At present, carbon fibers are also being used in hard materials. incorporated, e.g. Metals, polymers, carbon, graphite, ceramics, etc., in order to create structures reinforced with carbon fiber with improved mechanical, to maintain thermal and electrical properties. Such structures are especially used in the modern space industry used as a thermally stable material.
Bisher sind zuiei grundsätzlich verschiedene Fäden aus Kohle hergestellt worden«, Eine Art ist als Kohlefaser bekannt und wird hergestellt durch Backen von kohlenstoffhaltigen Materialien bei relativ niedriger Temperatur (etwa 1000°C.); die zweite Art ist als Graphitfaser bekannt und wird erhalten durch Erhitzen der Kohlefasern auf relativ hohe Temperaturen (etwa 2500°C« oderSo far, too, have basically been different threads made of coal "One type is known and is known as carbon fiber made by baking carbonaceous materials at a relatively low temperature (about 1000 ° C.); the second type is known as graphite fiber and is obtained by heating the carbon fibers to relatively high temperatures (about 2500 ° C «or
OFIIGINAL INSPECTEDOFIIGINAL INSPECTED
höher). Die Graphitfasern sind stärker als Kohlefasern. Graphitfasarn haben eine Zugfestigkeit von etwa 5600-11 200 kg/cm2 und einen Elastizitätsmodul von etwa 3,5-7 χ 10 kg/cm mährend Kohlefasern eine Zugfestigkeit von etwa 5600-11 200 kg/cm und einen Elastizitätsmodul von etwa 0,42-0,56 x 10 kg/cm haben.higher). The graphite fibers are stronger than carbon fibers. Graphite fibers have a tensile strength of about 5600-11 200 kg / cm 2 and a modulus of elasticity of about 3.5-7 10 kg / cm while carbon fibers have a tensile strength of about 5600-11 200 kg / cm and a modulus of elasticity of about 0.42 -0.56 x 10 kg / cm.
Die hier verwendete Bezeichnung ^'isotroper Kohlenstoff" bezieht sich auf elementaren Kohlenstoff mit ainer solchen physikalischen Struktur, daß er in jeder gegebenen Raumrichtung dieselben physikalischen und chemischen Eigenschaften hat. Im Aussehen ist isotroper Kohlenstoff eine harte, glasartige, unschmelzbare, glänzende, schu/arze Substanz. Ob eine fein zerteilte Kohlenstoffprobe isotroper Kohlenstoff oder anisotroper Kohlenstoff (d.h. mit solcher physikalischen Struktur, daß er unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften entsprechend seiner Strukturprientierung zeigt) ist, tuird durch mikroskopische Untersuchung in einem metallographischen Mikroskop festgestellt. Gewöhnlich wird die Kohlenstoffprobe auf einen Träger vom Epoxyharz-Typ aufgebrachi/und auf einem'spiegelglatten Oberflächenfinish poliert, Die polierte Oberfläche tuird in reflektiertem polarisiertem Licht mit gekreuzten Nicolprismen unter einem üblichen metallographischen Mikroskop untersucht. Ist die Probe isotroper Kohlenstoff, dann zeigt sich' beim Rotieren der Probe keine Veränderung in der Intensität des reflektierten polarisierten Lichtes; verändert sich jedoch die Intensität des reflektierten polarisierten Lichtes beim Rotieren der Probe, dann ist diese anisotroper Kohlenstoff«As used herein, "isotropic carbon" refers to on elementary carbon with a physical structure such that it has the same physical structure in any given spatial direction and has chemical properties. In appearance, isotropic carbon is a hard, vitreous, infusible, shiny, Protective substance. Whether a finely divided carbon sample isotropic carbon or anisotropic carbon (i.e. having a physical structure such that it has different physical and chemical properties according to its structural orientation shows) is determined by microscopic examination in a metallographic microscope. Usually the carbon sample is placed on an epoxy resin type carrier buffed / and polished to a mirror-smooth surface finish, The polished surface is done in reflected polarized light with crossed Nicol prisms under a usual metallographic Examines microscope. If the sample is isotropic carbon, there is no change in the when the sample is rotated Intensity of reflected polarized light; however, the intensity of the reflected polarized light changes when If the sample is rotated, it is anisotropic carbon "
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Eine u/eitere einmalige Eigenschaften von isotropem KohlenstoffAnother unique property of isotropic carbon
("graphitizing")("graphitizing")
besteht darin, daß er nicht graphitbildend/iste Im allgemeinen können Kohlenstoffe als graphitbildende und nicht graphitbildende Kohlenstoffe klassifiziert werden» Graphitbildende Kohlenstoffe sind Z0B. Pech und Erdölkokse« Nicht gi^hitbildende Kohlenstoffe sind zaB« die von Polyvinylidenchlorid, Cellulose^ Sucrose usuj. hergeleiteten Kohlenstoffe. Für graphitbildende Kohlenstoffe wird häufig auch die Bezeichnung weicher Kohlenstoff verwendet., während nicht graphitbildende Kohlenstoffe als harter Kohlenstoff oder turbostratischer Kohlenstoff bekannt sind. Isotroper Kohlenstoff kann nur mit Schwierigkeiten teilweise graphitiert werden» Wird isotroper Kohlenstoff Temperatur von 25000C0 oder mehr unterworfen;, dann wird Graphit nur in sehr begrenztem Maß gebildet« is that he is not graphite-forming / e is generally carbons can be classified as graphite-forming and non-graphite forming carbon "graphite-forming carbons are Z 0 as pitch and Erdölkokse" Not gi ^ hitbildende carbon for a B "of polyvinylidene chloride, cellulose ^ Sucrose usuj. derived carbons. The term soft carbon is also often used for graphite-forming carbons, while non-graphite-forming carbons are known as hard carbon or turbostratic carbon. Isotropic carbon can only be partially graphitized with difficulty "If isotropic carbon is subjected to temperatures of 2500 0 C 0 or more; then graphite is only formed to a very limited extent."
Weiterhin ist isotroper Kohlenstoff dadurch gekennzeichnet,, daß er gegen einen Angriff durch starke Mineralsäuren einschließlich Fluorwasserstoffsäure sehr beständig ist„ Er hat auch eine geringere Oxidationsgeschwindigkeit als andere Kohlenstofformen. Die innere Reibung von isotropem Kohlenstoff ist nur ein Bruchteil (etwa 1/4) der anderen nicht-kristallinen Kohlenstoffe.Furthermore, isotropic carbon is characterized in that It is very resistant to attack by strong mineral acids including hydrofluoric acid. “It also has a lesser one Oxidation rate than other forms of carbon. the internal friction of isotropic carbon is only a fraction (about 1/4) that of other non-crystalline carbons.
Isotroper Kohlenstoff ist nicht neu und aus der Literatur bekannt, (vgl. z.B. den Artikel von T. Yamaguchi in "Carbon", Bd8 1, 47-50 (1963) und dsn Artikel von T. Tsuzuku und H Kobayashi in "Proceedings of the Fifth Carbon Conference", Seite 539, sowie den Artikel von Fitzer, Schoefer und Yomada in "Carbon", Bd. 7, Seite 643-648 (1969).) Weiterhin ist isotroper Kohlenstoff der Gegenstand verschiedener Patentschriften, wie zoBe die britischeIsotropic carbon is not new and known from the literature (see, for example, the article by T. Yamaguchi in "Carbon", Vol 8 1, 47-50 (1963) and dsn article by T. Tsuzuku and H Kobayashi in "Proceedings of the Fifth Carbon Conference ", page 539, and the article by Fitzer, Schoefer and Yomada in" Carbon ", Vol. 7, pages 643-648 (1969). Furthermore, isotropic carbon is the subject of various patents, such as z o B e the british
409837/0689409837/0689
1 182 455, - 4 -1 182 455 .-- 4 -
Patentschrift /die auf die Herstellung von isotropem Kohlenstoff aus mit Ammoniumsulfat unigesetzten Pechen gerichtet ist, und die US-Patentschrift 3 284 371«, die auf isotropen Kohlenstoff für -alektrographitische Bürsten bzu/„ Pinsel gsrichtet Ist»Patent specification / that on the production of isotropic carbon is directed from pitches unreacted with ammonium sulphate, and the US Pat. No. 3,284,371, which refers to isotropic carbon for -alektrographitische brushes bzu / "Brush is set up"
Sisher bestand das üblichste Verfahren Zur Herstellung von isotropem Kohlenstoff in der Carbonisierung ί/οη hoch vernetzten makromolekularen Strukturen, die aeben Kohlenstoff und Wasserstoff noch Sauerstoffj Stickstoff oder Schwefel enthalten. Die Carbonisierung dieser Komponenten bildet fest vernetzte aromatische Ebenen, die eine ssiters umwandlung im die Graphitstroktur i/erhindernc Beispiele for einige dieser Verbindungen sind Sucrose, Cellulossj Rayon, Furfuralphenolharz- Phsnoifcrtnaldehydhaxrze, Acetonfurfuralpolyiserisate, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und Polyacrylnitril.So far, the most common method of making isotropic has existed Carbon in the carbonization ί / οη highly cross-linked macromolecular structures that contain carbon and hydrogen still contain oxygen, nitrogen or sulfur. The carbonization these components form firmly crosslinked aromatic Levels that prevent the transformation in the graphite structure i / c Examples of some of these compounds are sucrose, Cellulose Rayon, Furfuralphenol Resin Phsnoifcrtnaldehydhaxrze, Acetone furfural polymers, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride and polyacrylonitrile.
Kohlefasern sind ebenfalls bekannt* vgl* z„B. den Artikel von B. Otani in "Carbon", Bd. 3, Seite 31-38 (1965); "CarboR-11, 3d. 3, Seite- 213; und "Carbon" 8do 4j Seite 425-532 (1966). Auch verschiedene neuere Patentschriften sind auf Kohlefasern gerichtet, wie z.B. die US-Patentschriftsn 5 392 216 und 3 629 379, 3 595 sowie 3 668 110. Keine der oben genannten Fasern sind jedoch isotrope Kohlefasern, die aus Kohlenuiasserstoffdestiliaten hergestellt u/er den,Carbon fibers are also known * cf. * e.g. the article by B. Otani in "Carbon", Vol. 3, pp. 31-38 (1965); "CarboR- 11, 3d 3, side- 213;. And." Carbon "8d o 4y page 425-532 (1966) Also, several recent patents are directed to carbon fibers, such as US-Patentschriftsn 5,392,216 and 3,629,379 , 3 595 and 3 668 110. None of the fibers mentioned above are, however, isotropic carbon fibers, which are produced from carbon hydrogen distillates and / or
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die SchäTung von isotropen Fasern und eines Verfahrens zu ihrer Herstellung aus flüssigen Kohlenuiasserstoffdestiliaten.The aim of the present invention is therefore the formation of isotropic Fibers and a process for their production from liquid Carbon dioxide distillates.
409837/066409837/066
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Isotrope Kohlefasern und auf ein Verfahren zu Ihrer Herstellung aus flüssigen Kohlenu/asserstoffdestillaten0 Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet p daß man ein Kohlenwasserstoffdestillat mit ein 8Ot2 elementaren Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer Reaktionstemperatur von etuja 250-42O0C0 umsetzt., bis das erhaltene Destillat nach anschließender Carbonisierung Isotropen Kohlenstoff liefert. DiesThe present invention relates to isotropic carbon fibers and a method for their preparation from liquid Kohlenu / asserstoffdestillaten 0 This method is characterized in p that a hydrocarbon distillate with a 8Ot 2 elementary oxygen-containing gas at a reaction temperature of etuja 250-42O 0 C 0 until the distillate obtained provides isotropic carbon after subsequent carbonization. this
Oj0283 nrOj0283 no
bedeutet,, daß mindestens etu/a 0,5 Standard cubic foot (scf)/elementarer Sauerstoff mit 0,454 kg Destillat zur Bildung einer-pechartigen Substanz reagiert haben,, Dann lulrd das pechartige oxidierte Destillat zu Fäden verformt und schließlich in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 80Q0C. zur Bildung von Isotropen Kohlefasern carbonlslext.means, that at least about 0.5 standard cubic foot (scf) / elemental oxygen have reacted with 0.454 kg of distillate to form a pitch-like substance, then the pitch-like oxidized distillate is deformed into threads and finally added in an inert atmosphere Temperatures over 80Q 0 C. for the formation of isotropic carbon fibers carbonlslext.
Gemäß einem erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren wird ein ausgewähltes Kohlenwasserstoffdestillat aus einer Substanz mit öligen Eigenschaften in eine Substanz mit pechartigen Eigenschaften umgeufandelty indem man das Destillat mit einem, elementaren Sauerstoff enthaltenden Das bei erhöhten Temperaturen und Drucken, die ausreichen, die Verdampfung des Destillates bei den erhöhten Temperaturen zu unterdrücken umsetzt,-.bis sich das Destillat in eine pechartige Substanz veränderte Danach werden die niedrig siedenden Bestandteile des oxidierten Destillates vom pechartigen oxidierten Destillat abdestilliert. Die aus der Destillation zurückbleibende Substanz mit pechartigen Eigenschaften uiird zu einem Faden stranggepreßtj seine Neigung zum Schmelzen oder Sintern uiird unterdrückt., so daß der Faden nach der anschließenden Carbonisierung seine Form bewahrt* Dann uiird der Faden In einer in-According to a preferred method according to the invention, a selected Hydrocarbon distillate converted from a substance with oily properties into a substance with pitch-like properties by treating the distillate with a, elemental oxygen containing that at elevated temperatures and pressures sufficient to suppress the evaporation of the distillate at the elevated temperatures - until the distillate is converted into a Pitch-like substance changed Afterwards, the low-boiling components of the oxidized distillate are oxidized from the pitch-like Distillate distilled off. The one left over from the distillation Substance with pitch-like properties becomes one Extruded thread j its tendency to melt or sinter uiird suppressed., so that the thread after the subsequent carbonization retains its shape * Then the thread is
erten Atmosphäre bei Temperaturen über 8000C. zur Bildung eines isotropen Kohlefadens carbonisiert« Die Menge des mit dem Kohlenli/asserstoffdestillat umgesetzten elementaren Sauerstoffs beträgt mindestens etwa 0,5 scf elementarer Sauerstoff pro 0,454 kg Destillat. Die Oxygenierungsreaktion erfolgt bei einer Temperatur von etwa 250-420°C.Erten atmosphere at temperatures over 800 0 C. carbonized to form an isotropic carbon filament "The amount of the Kohlenli / asserstoffdestillat unreacted elemental oxygen is at least about 0.5 scf elemental oxygen per 0.454 kg distillate. The oxygenation reaction takes place at a temperature of about 250-420 ° C.
Die Anfangsstufe im erfindungsgemäßen Verfahren ist die Reaktion des Kohlenmasserstoffdestillates mit Sauerstoff, Die Umsetzung von Kohlenu/asserstoffdestillaten mit Sauerstoff ist nicht neu und häufig beschrieben (vgl. z.B. die auf die Reaktion von Sauerstoff und Kohleniuasserstoffdestillaten gerichteten US-Patentschriften 1 044 175, 3 304 191, 3 304 192, 3 510 328, 3 112 181 und 3 707 388. Keine der obigen Patentschriften lehrt jedoch die entscheidende Bedeutung der Sauerstoffkonzentrationen zur Herstellung von isotropem Kohlenstoff. Tatsächlich sagt keine der obigen Patentschriften etiuas über isotropen Kohlenstoff aus, und viele der oxidierten Destillate werden ausdrücklich als graphitierbar. bezeichnet..The initial stage in the process of the invention is the reaction of the carbon distillate with oxygen, The implementation of carbon / hydrogen distillates with oxygen is not new and frequently described (see e.g. the US patents directed to the reaction of oxygen and carbon dioxide distillates 1,044,175, 3,304,191, 3,304,192, 3,510,328, 3,112,181, and 3,707,388. However, none of the above patents teach the critical one Importance of oxygen concentrations in the production of isotropic carbon. In fact, neither of those says above patents etiuas about isotropic carbon from, and many of the oxidized distillates are expressly referred to as graphitizable. designated..
Die hier verwendete Bezeichnung "Kohlentwasserstoffdestillat" bezieht sich sou/ohl auf Kohleteerdestillate als auch auf Erdöldestillate. Die Bezeichnung "Kohleteerdestillate" bezieht sich auf die aus der Destillation von Kohleteer hergeleiteten Destillatsubstanzen. Die Bezeichnung "Erdöldestillat11 bezieht sich auf das von einem rohen oder synthetischen Erdöl durch physikalische Maßnahmen, mis Destillation oder Extraktion, abgetrennte Material.The term "carbon dioxide distillate" used here refers to both coal tar distillates and petroleum distillates. The term "coal tar distillates" refers to the distillate substances derived from the distillation of coal tar. The term "petroleum distillate 11" refers to the material separated from a crude or synthetic petroleum by physical means, such as distillation or extraction.
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=. 7 —=. 7 -
Erfindungsgemäß können sowohl Kohleteer- als auch Erdöldestillate verwendet werden«, Die erfindungsgemäß bevorzugten Kohleteerdestillate sind die Destillatöle mit einem Siedepunktsbereich von 200-40O0C0J sie· umfassen gewöhnlich die soge leichten^ mittleren und schweren Teerölfrakt ionen„ Diese Fraktionen sind aus zahlreichen Quellen leicht im Handel verfügbar. Die physikalischen Eigenschaften eines typischen Kohleteerdestillates im ursprünglichen, unoxidierten Zustand und nach Umsetzung mit der zur erfindungsgemäßen Verwendung geeigneten Hindest-Sauerstoffkonzentration sind in der folgenden Tabelle aufgeführt;According to the invention, both coal-tar can and petroleum distillates used, "according to the invention preferred Kohleteerdestillate are the distillate oils J they usually include the so-called e slight ion ^ medium and heavy Teerölfrakt with a boiling point range of 200-40O 0 C 0 ·" These fractions are from numerous Sources readily available in stores. The physical properties of a typical coal tar distillate in the original, unoxidized state and after reaction with the minimum oxygen concentration suitable for use according to the invention are listed in the following table;
physikalische Eigenschaften Kohleteerdestillat oxidiertesphysical properties coal tar distillate oxidized
Kohleteerdestil- - · lat Coal tar style - lat
Erweichungspunkt (Ring & . Rn *on°rSoftening point (ring &. Rn * on ° r
in Benzol unlösl0Material0 Spur 20j,0-40s0 Gew.-% in benzene insol 0 Material 0 track 20j, 0-40 s 0 wt -.%
in Chinolin unlösloMaterialo Spur . 093-095 &ew°-% +in quinoline insoluble materialo trace. 0 9 3-0 9 5 & ew ° -% +
Conradson C^U. 2-5 % 30-50 Geui,~% Destillation (ASTM D246)Conradson C ^ U. 2-5 % 30-50 Geui, ~% distillation (ASTM D246)
anfänglo Siedepunkt 2000CoInitially boiling point 200 0 Co
kumulatives Destillatcumulative distillate
•bis 21O0C. 0 % —• up to 21O 0 C. 0 % -
bis 2350C9 -2,1% up to 235 0 C 9 -2.1 %
bis 2700C. . _' '■ 1296 % to 270 0 C.. _ '' ■ 12 9 6 %
bis 3150Co 36,3 % 3,3 % up to 315 0 Co 36.3% 3.3 %
bis 3550C. 80,2-Ji 38r2 % to 355 0 C. 80,2-Ji 38 r 2 %
Rückstand über 3550C. 1922 % 55,0-70,1O % Elementarzusammensetzung ι Gew.-/ο Residue over 355 0 C. 19 2 2 55.0 to 70%, 1% O Elementarzu composition ι wt .- / ο
Kohlenstoff 89,0-9490 90,0-92,0Carbon 89.0-94 9 0 90.0-92.0
Wasserstoff 4,0-7,0 4,0-5,0Hydrogen 4.0-7.0 4.0-5.0
Sauerstoff .1,0-2,0 2s0-4,0Oxygen. 1.0-2.0 2 s 0-4.0
Schwefel 0,2-0,8 0,2-0,6Sulfur 0.2-0.8 0.2-0.6
Stickstoff 1,0-2,5 . 1,0-1,5Nitrogen 1.0-2.5. 1.0-1.5
■ " """' 408837/0669■ "" "" '408837/0669
Die erfindungsgemäß bevorzugt vsxsjandatsn Erdöldestillate sind die zwischen 200-6000C. siedenden Slsfcraight~run" Destillate und die zwischen 200-5000C9 siedenden«, katalytisch gekrackten Rückführungsöle. Diese Destillate sind aus sahlrsiehsn Quellen leicht im Handel verfügbar. Die physikalischen Eigenschaften eines typischen Erdöldestillates im ursprünglichen, unoxidierten Zustand und nach Umsetzung mit der Sauerstoffmindestfflsrsgs zur erfindungsgemäSen Verwendung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:The preferred according vsxsjandatsn petroleum distillates are boiling between 200-600 0 C. Sl sfcraight ~ run "distillates and between 200 to 500 0 C 9-boiling" catalytic cracked recycle oils. These distillates are readily available from commercial sources sahlrsiehsn the physical. Properties of a typical petroleum distillate in the original, unoxidized state and after reaction with the minimum oxygen level for use according to the invention are listed in the following table:
physikalische Eigenschaften Erdöldestil- oxidiertes Erdlat Sldestillat physical properties petroleum-style oxidised petroleum Distillate
Gießpunkt; 0C. · ~ 73Pour point; 0 C. ~ 73
Dastillatbereich (ASTM D246)Dastillate range (ASTM D246)
anfängl.Siedepunkt; °C» 26? 233initial boiling point; ° C »26? 233
Kumulatives Destillat; % Cumulative distillate; %
bis 27O3C. . bis 3000C.to 27O 3 C.. up to 300 0 C.
bis 3150C.up to 315 0 C.
bis 355GC.up to 355 G C.
bis 375°C.up to 375 ° C.
Das entscheidende Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Schu/ellenmenge an elementarem Sauerstoff, die sich suit dem Kohlen-Wasserstoffdestillat zur Bildung der pechartigen Substanz kombinieren muß. Es tuurde gefunden, daß mindestens 0,5 scf elementarer Sauerstoff pro 0,454 kg Kohleniuasserstoffdestillat in der Kontaktreaktion mit dem Kohlenuiasssrstqffdestillat umgesetzt u/erden muß9 um eine pechartige Substanz zu bilden, die ein befriedigender ΐ/orläufer zur Herstellung von isotropem Kohlenstoff ist. Bei einer Reaktion von weniger als 0,5 scf Sauerstoff pro 0,454 kg Destillat liefert das erhaltene Produkt bei der anschließenden Carbonisierung anisotropen Kohlenstoff. Der Verbrauch an eiemen-The decisive feature of the present invention is the amount of elemental oxygen which must combine with the carbon-hydrogen distillate to form the pitch-like substance. It tuurde found that at least 0.5 scf elemental oxygen per 0.454 kg Kohleniuasserstoffdestillat in the contact reaction with the Kohlenuiasssrstqffdestillat reacted u / ground must 9 to form a pitch-like substance, which is a satisfactory ΐ / orläufer for the manufacture of isotropic carbon. With a reaction of less than 0.5 scf oxygen per 0.454 kg distillate, the product obtained gives anisotropic carbon in the subsequent carbonization. The consumption of one
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tarem Sauerstoff uiird zweckmäßig durch Sauerstoffausgleich als Differenz zwischen der in das Kohlenu/asserstoffdestillat eingeführten Menge an elementarem Sauerstoff und der Menge an elementarem Sauerstoff gemessen^ die das Kohlenufasserstof fdestillat nach ' der Reaktion dss sauerstoFfhaltigen Gases mit dem Destillat verläßt«.Tarem oxygen is expediently used by oxygen equilibrium as Difference between that introduced into the carbon dioxide distillate Amount of elemental oxygen and the amount of elemental Oxygen measured ^ which the carbon distillate after the reaction of the oxygen-containing gas with the distillate leaves".
Der erfindungsgemäß geeignete, gasförmige, elementare Sauerstoff kann reiner gasförmiger Sauerstoff oder eine Kombination aus diesem mit anderen Gasen sein« Das bevorzugtes sauerstoffhaltige Gas ist vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sowie von der Handhabung der Materialien betrachtet Luft«,The gaseous, elemental oxygen suitable according to the invention can be pure gaseous oxygen or a combination of this with other gases «The preferred oxygen-containing one From an economic point of view and from the point of view of handling the materials, gas is air «,
In der bevorzugten Aosführungsform der vorliegenden Erfindung' wird Luft einheitlich durch das Kohlenujasssrstof fdestillat dispergiert, indem man Luft bei einer Temperatur von 250-4200C. in das Kohlenwasserstoffdestillat einleitet j der bevorzugte Tempe-^ raturbereich liegt-Jedoch'zwischen etwa 350-370°C« In diesem bevorzugten Temperaturbereich ist die Reaktionsgeschwindigkeit des elementaren Sauerstoffs mit dem Kohlenufasserstof fdestillat so schnell, daß die Konzentration an restlichem Sauerstoff in den austretenden Gase unter der unteren Explosionsgrenze von Abgasen gehalten werden kann., die mit Kohlenwasserstoffdämpfen gesättigt sind,, Zur Unterdrückung der 1/ardarapfung des Kohlenwasserstoffdestillates bei diesem Temperaturen kann die Luft unter Druck eingeführt werden, und zwar vorzugsweise bei 5,60-7,00 at. Zur Erzielung einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit sollte die Luft in feiner und inniger Dispersion im gesamten Kohlenwasserstoffdestillat dispergiert sein=, . ·In the preferred Aosführungsform the present invention, 'air is uniformly through the Kohlenujasssrstof fdestillat dispersed by air initiates at a temperature of 250-420 0 C. in the hydrocarbon distillate j, the preferred temperature-^ raturbereich is about 350-370-Jedoch'zwischen ° C «In this preferred temperature range, the reaction rate of the elemental oxygen with the carbon distillate is so fast that the concentration of residual oxygen in the exiting gases can be kept below the lower explosion limit of exhaust gases that are saturated with hydrocarbon vapors, for suppression the 1 / ardarabgabe the hydrocarbon distillate at this temperature, the air can be introduced under pressure, preferably at 5.60-7.00 at. To achieve a high reaction rate, the air should be dispersed in fine and intimate dispersion throughout the hydrocarbon distillate =, . ·
Mach der erfindungsgemäßen innigen Berührung von Luft mit dem Kohlsnufasssrstoffd8stiliat verändert dieses sich von einer öligen Flüssigkeit zu einar pechartigen Substanz, mit derartigen physikalischen Eigenschaften^ daß sie ein guter Vorläufer zur Herstellung von isotropem Kohlenstoff ist. Typische Eigenschaften der pechartigen Substanz (d.h. des oxidierten Kohlenumsserstoffdestillates) sind in den obigen beiden Tabellen dargestellt.Make the intimate contact of air with the invention Kohlsnufasssrstoffd8stiliat changes this from an oily one Liquid to a pitch-like substance, with such physical Properties ^ that they are a good precursor for manufacture is of isotropic carbon. Typical properties of the pitch-like substance (i.e. the oxidized carbon distillate) are shown in the two tables above.
Die Art, durch welche das flüssige Kohlenwasserstoffdestillat in eine pechartige Substanz umgewandelt wird, ist nicht ganz bekannt. Es u/ird jedoch vermutet, daß der Sauerstoff die Bildung freier Radikale aus Kohlenuiassastoffm.olekülen induziert, die sich leicht erneut kombinieren und das Molekulargewicht"des Destillates erhöhen. Ein Teil des mit dem Destillat umgesetzten Sauerstoffs entweicht anschließend daraus in den Abgasen in Form von Wasserdampf; ein Teil des Sauerstoffs bleibt jedoch in der pechartigen Substanz einverleibt. Dieser in der pechartigen Substanz einverleibt bleibende Sauerstoff trägt vermutlich zur schmierigen Graphittierung des isotropen Kohlenstoffs bei, wenn er in einer inerten Atmosphäre pyrolysiert wird.The way by which the liquid hydrocarbon distillate in a pitch-like substance is not entirely known. It is assumed, however, that the oxygen is responsible for the formation induced free radicals from carbon dioxide molecules, which easily combine again and the molecular weight "of the distillate raise. Part of the oxygen reacted with the distillate then escapes from it in the exhaust gases in the form of Steam; however, some of the oxygen remains in the pitch-like state Incorporated substance. This oxygen, which remains in the pitch-like substance, presumably contributes to the greasy Graphitization of the isotropic carbon when it is pyrolyzed in an inert atmosphere.
In den meisten Fällen umfaßt das rohe oxidierte Destillat einen Hauptanteil relativ höher siedender Bestandteile und einen geringeren Anteil relativ niedriger siedender Bestandteile. Manchmal müssen diese niedriger siedenden Bestandteile - vorzugsweise durch übliche Destillationsverfahren- aus dem rohen oxidierten Destillat entfernt werden, um Viskosität und Erweichungspunkt des oxidierten Destillates so zu erhöhen, daß es anschließend ohns Schwierigkeit iweiterwerarheitet werden kann.In most cases the crude oxidized distillate will comprise one Main part of relatively higher-boiling components and a smaller proportion of relatively lower-boiling components. Once in a while These lower-boiling components must be oxidized from the crude, preferably by conventional distillation processes Distillate are removed in order to increase the viscosity and softening point of the oxidized distillate so that it is subsequently can be continued without difficulty.
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Der Erweichungspunkt (Kubus an der Luft) des destilliertenn oxidierten Destillates sollte nach der Destillation etwa 80-2000C0 vorzugsweise ettua 120-1700C0 j, betragen«, Liegt dagegen der Erweichungspunkt über 2000Cp dann ist das destillierte oxidierte Destillat für anschließende Verformungszwecke zu hart und steif«The softening point (cube in air) of the destilliertenn oxidized distillate after the distillation was about 80-200 0 C 0 0 C 0 120-170 preferably ettua j, amount ", whereas the softening point is over 200 0 Cp is then distilled oxidized distillate too hard and stiff for subsequent deformation purposes «
Dann u/ird das oxidierte Destillat durch Strangpressen durch einen Spinnkopf oder Buchse mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen bei Temperaturen zwischen etu/a 120-3000C0 zu einem Faden verformt. Gewöhnlich wird die Temperatur des oxidierten aromatischen Destillates etwa 40-500Co oberhalb seines Erweichungspunktes gehalten,, so daß das oxidierte Destillat gute Spinneigenschaften besitzt«, Die Fäden aus jeder Öffnung werden zweckmäßig gesammelt und mit einer Aufwickelvorrichtung von hoher Geschwindigkeit verbunden^ die die Fäden durch den Spinnkopf zieht und auf eine Spule aufwikkeltp die sich auf,der Aufwickelvorrichtung befindet« Daher stehen die Fäden unter Spannung, und diese Spannung vermindert den Faden-durchmesser auf einen Werts der wesentlich kleiner als der Durchmesser der Öffnungen ist. Der Durchmesser dar Fäden kann daher durch Regelung der Temperaturen des oxidierten Destillates, durch die Öffnungsgröße des Spinnkopfes und die Geschwindigkeit., mit welcher die Fäden durch die Aufwickelvorrichtung aus den Öffnungen gezogen werdens genau reguliert werden.Then u / ith the oxidized distillate by extrusion through a spinning head or socket having a plurality of nozzle openings at temperatures between etu / a deformed into a thread 120-300 0 C 0th Usually, the temperature of the oxidized aromatic distillate is kept for about 40-50 0 Co ,, above its softening point so that the oxidized distillate good spinning properties, "The threads of each opening be appropriately collected and connected to a winding apparatus of a high speed ^ the threads which pulls through the spinning head and winds it up on a bobbin which is located on the winding device. Therefore the threads are under tension, and this tension reduces the thread diameter to a value s which is considerably smaller than the diameter of the openings. The diameter represents threads can therefore by controlling the temperatures of the oxidized distillate through the orifice size of the spinning head and the velocity., S at which the threads are drawn by the winder from the apertures be accurately regulated.
Nach Verformung des oxidierten Destillates zu einem Faden wird dieser gegebenenfalls behandelt, damit er bei der anschließenden Carbonisierung besser seine Form bsuahrt,. Dazu wird der Erweichungspunkt der freilegenden Fadenoberflächa erhöht, indem manAfter deformation, the oxidized distillate becomes a thread this treated if necessary so that it better bsuemen its shape during the subsequent carbonization. To do this is the softening point the exposed thread surface is increased by
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auf diese ein Gas, vorzugsweise einen relativ heißen Luftstrom mit einer Temperatur von etum 130-1500C. auftreffen läßt. Das Gas fließt vorzugsweise einfach den Faden entlang, da angenommen uiird, daß der für kurze Zeit auf die Fadenoberfläche auftaffBnde heiße Luftstrom alle niedriger siedenden Bestandteile davon entfernt und die oben beschriebenen Bildung freier Radikale induziert, die mit anderen Kohlenwasserstoffmolekülen nahe der Fadenoberfläche reagieren und diese in eine unschmelzbare Schicht umwandeln. to this a gas, preferably a relatively hot air stream having a temperature of 130-150 0 C. etum can impinge. The gas preferably simply flows along the filament, since it is believed that the hot air current briefly impacting the filament surface removes all lower boiling components therefrom and induces the formation of free radicals described above, which react with and absorb other hydrocarbon molecules near the filament surface convert an infusible layer.
Dann werden die Fäden durch Erhitzen auf mindestens etwa 800 C. in einer inerten Atmosphäre für kurze Zeit carbonisiert» Die so carbonisieren Fäden haben solche physikalischen Eigenschaften, daß sie für viele Verwendungszwecke geeignet sind. Typische Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten isotropen Kohlefaden sind wie folgt:Then the threads are heated to at least about 800 C. carbonized in an inert atmosphere for a short time »The threads carbonized in this way have such physical properties, that they are suitable for many uses. Typical properties of the isotropic carbon filaments produced according to the invention are as follows:
Durchmesser 5-15 MicronDiameter 5-15 microns
Bruchdehnung 1,2-2,0 % Elongation at break 1.2-2.0 %
Elastizitätsmodul; kg/cm2 420 000-560 000Modulus of elasticity; kg / cm 2 420,000-560,000
Zugfestigkeit; kg/cm2 7000-12 600Tensile strenght; kg / cm 2 7000-12 600
Elementarzusammensetzung j Elemental composition j %%
Kohlenstoff 93,0-97,0Carbon 93.0-97.0
Wassecstoff 0,2-0,6Hydrogen 0.2-0.6
Sauerstoff 0,5-3,0Oxygen 0.5-3.0
Schwefel weniger als 0,6Sulfur less than 0.6
Stickstoff weniger als 0,2Nitrogen less than 0.2
Die beiliegende Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung.The accompanying drawing is a schematic representation of a device used according to the invention.
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.- ' - 13 -Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Uorerhitzer 11, einem-DruekgefäS 13, einer Destillationseinheit 15, einer Fadenstrangpresse 17 und einer Aufwickelvorrichtung 19«,.- '- 13 -The The device consists essentially of a Uorerhitzer 11, a pressure vessel 13, a distillation unit 15, a thread extruder 17 and a winding device 19 «,
Der Uorerhitzer 11 ist eine übliche Anlage, die- das rohe Destillat" auf etwa 250-4009C. erhitzt. Das Gefäß 13 ist ein üblicher Drucktank. Der Uorerhitzer 11 ist durch Leitung 21 mit dem Boden von Gefäß 13 verbunden. Das Gefäß 13 ist an seinem Boden durch Leitung 23 an eine Luftquelle angeschlossen. Der Luftfluß durch Leitung 23 in das Gefäß 13 uiurd durch eine Regelvorrichtung 25 und das Uentil 27 reguliert.The Uorerhitzer 11 is a conventional system, the crude distillate "DIE to about 250-400 C. 9 heated. The vessel 13 is a conventional pressure tank. The Uorerhitzer 11 is connected through line 21 to the bottom of vessel 13. The vessel 13 is connected at its bottom to an air source through line 23. The air flow through line 23 into the vessel 13 is regulated by a control device 25 and the valve 27.
Arn Kopf von Gefäß 13 führt eine Leitung 29 die Abgase aus dem Gefäß 13 in einen Wärmeaustauscher 31, worauf diese Gase dann Über das UBntil 33 in die Atmosphäre abgegeben werden. Eine Sauerstoffanalysevorrichtung 35 bestimmt die Konzentration an elementarem Sauerstoff in den durch Leitung 29 laufenden Abgasen. Das Gefäß 13 hat eine übliche Temperaturmeßvorrichtung 37 und eine übliche Druckmeßvorrichtung 39 zur Überwachung von Temperatur und Druck im Gefäß 13.At the top of the vessel 13, a line 29 leads the exhaust gases from the vessel 13 into a heat exchanger 31, whereupon these gases are then Be released into the atmosphere via the UBntil 33. An oxygen analyzer 35 determines the concentration of elemental oxygen in the exhaust gases passing through line 29. That Vessel 13 has a conventional temperature measuring device 37 and a conventional pressure measuring device 39 for monitoring temperature and Pressure in the vessel 13.
Am Boden von Gefäß 13 befindet sich eine Leitung 41 und ein Uenteil 43 zum Abziehen des oxidierten Destillates aus dem Gefäß 13. Das oxidierte Destillat u/ird in einen Lagertank 45 geführt und anschließend in die Destillationseinheit 15. Der Erweichungspunkt des rohen oxidierten Destillates wird durch übliche Destillation in Einheit 15 auf etwa 80-2000C. eingestellt. Die Destillate werden aus der Einheit abgezogen und in beschriebener Weise zurückgeführt, und der Rückstand aus der Destillation läuft weitar in die Strangpresse 17. Die'Strangpresse 17 umfaßt Mittel,At the bottom of vessel 13 there is a line 41 and a U-part 43 for drawing off the oxidized distillate from the vessel 13. The oxidized distillate is fed into a storage tank 45 and then into the distillation unit 15. The softening point of the crude oxidized distillate is through in conventional distillation unit 15 is set to about 80-200 0 C.. The distillates are withdrawn from the unit and returned in the manner described, and the residue from the distillation continues to run into the extruder 17. The extruder 17 comprises means
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wie einen (nicht gezeigten) elektrischen Ofen zum Erhitzen und zur Aufrechterhaltung der Temperatur des oxidierten Destillates auf etura 120-30GDC. Am Boden der Strangpresse 17 ist ein üblicher Spinnkopf 51 mit mindestens einer, vorzugsweise einer Vielzahl von Düsenöffnungen von etwa 500 Micron Durchmesser vorgesehen, durch ' welchen das oxidierte aromatische Destillat zur Bildung des Fadens F stranggepreßt u/ird. Die Strangpresse umfaßt eine übliche Temperatur- und Druckmeßvorrichtung 53 bzw. 55 zur Überwachung von Temperatur und Druck in derselben. Eine Druckquelle 57 steht durch Leitung 59 mit der Strangpresse in Verbindung, um den zum Strangpressen des oxidierten aromatischen Destillates durch den Spinnkopf 51 notwendigen Druck zu liefern. Die Druckquelle ist vorzugsweise unter Druck stehender gasförmiger Stickstoff.such as an electric furnace (not shown) for heating and maintaining the temperature of the oxidized distillate at etura 120-30G D C. At the bottom of the extruder 17 is a conventional spinning head 51 with at least one, preferably a plurality of nozzle openings of about 500 microns in diameter provided, through which the oxidized aromatic distillate to form the thread F is extruded u / ird. The extruder includes a conventional temperature and pressure measuring device 53 and 55, respectively, for monitoring the temperature and pressure therein. A pressure source 57 is in communication with the extruder through line 59 to provide the pressure necessary to extrude the oxidized aromatic distillate through the spinneret 51. The pressure source is preferably pressurized gaseous nitrogen.
Unterhalb der Strangpresse 17 befindet sich Bins Aufwickelvorrichtung 19 mit einer Spule 61 und einem Motor 63 zum Drehen der Spule 61. Der Faden F uiird, u/ie dargestellt, auf der Spule 61 gesammelt.Below the extruder 17 is Bin's winding device 19 with a bobbin 61 and a motor 63 for rotating the bobbin 61. The thread F uiird, u / ie shown, on the bobbin 61 collected.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kohlenu/asserstoffdestillat durch den Vorerhitzer 11 aufgenommen und dort auf etwa 350-3700C. erhitzt, worauf es anschließend, uiie dargestellt, durch Leitung 21 in das Gefäß 13 abgegeben wird. Der Druck im Gefäß wird auf etwa 6-7 at erhöht, was ausreicht, um die Verdampfung des aromatischen Destillates bei dieser erhöhten Temperatur zu unterdrücken· Luft wird am Boden von Gefäß 13 durch Leitung 23 in eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Öffnungen eingeführt, um ein inniges Mischen derselben mit dem Destillat zu gewährleisten. Der Luft-In a preferred embodiment of the present invention, a Kohlenu is / asserstoffdestillat through the preheater 11 and heated there to approximately 350-370 0 C., whereupon it then represented uiie is discharged through line 21 into the vessel. 13 The pressure in the vessel is increased to about 6-7 atm, which is sufficient to suppress the evaporation of the aromatic distillate at this elevated temperature.Air is introduced at the bottom of vessel 13 through line 23 into a plurality of openings (not shown), to ensure intimate mixing of the same with the distillate. The air-
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fluQ in das Gefäß wird durch den Fließregulator 25 auf der bevorzugten
Geschwindigkeit von etwa 0,2-2,5 scf Luft pro Stunde pro
0,454 kg Destillat gehalten. Nachdem die Luft das Destillat am
Boden des Gefäßes betritt, läuft sie aufwärts durch das Destillat und wandelt dieses in eine pechartige Substanz um. Die aus dem
Gefäß 13 austretenden Gase laufen durch Leitung 29 in den Wärmeaustauscher
31, u/o sie abgekühlt werden, und von dort zur Analysevorrichtung 35, wo sie auf Sauerstoffgehalt analysiert werden.
Die Sauerstoffkonzentration der Gase sollte auf Vierten unterhalb
der Explosionsgrenzen in Gefäß 13 gehalten werden. Wie die Luft
aufwärts durch das Destillat in Gefäß 13 steigt, erhöht sich die Viskosität des Destillates sowie die Menge an in Benzol unlöslichen
Bestandteilen im Destillat,fluQ into the vessel is regulated by the flow regulator 25 at the preferred rate of about 0.2-2.5 scf of air per hour per hour
0.454 kg of distillate held. After the air the distillate on
Entering the bottom of the vessel, it runs upwards through the distillate and converts it into a pitch-like substance. The ones from the
Vessel 13 exiting gases run through line 29 into the heat exchanger 31, and / or they are cooled, and from there to the analysis device 35, where they are analyzed for oxygen content.
The oxygen concentration of the gases should be kept fourth below the explosive limits in vessel 13. Like the air
rises upwards through the distillate in vessel 13, the viscosity of the distillate and the amount of components insoluble in benzene in the distillate increases,
Wenn die Viskosität des Destillates etwa TO Saybolt Sekunden bei
100QC. und die in Benzol unlöslichen Bestandteile etwa 30s0 Gew.-%
rüfneTchen", "Tst däs~DesTiilat in eine als Vorläufer zur Herstellung
von isotropen Kohlefaden geeignete, pechartige Substanz umgewandelt.
In der Parxis ist jedoch die verbrauchte Sauerstoffmenge
der bestimmende Faktor" bei der Entscheidung, ob das Destillat
in ausreichender Weise behandelt worden ist. Sind mehr als 0,5 scf elementarer Sauerstoff pro 0,454 kgDestillat verbraucht, dann laird
der Luftfluß durch Ventil 27 unterbrochen und der Druck im Gefäß 13 durch das Ventil 33 verringert. Der.Gefäßinhalt wird durch
Leitung 41 zu einem Lagertank und von dort in die Destillationseinheit 15 geführt, wo die niedriger siedenden Bestandteile entfernt
und ein Rückstand mit dem gewünschten Erweichungspunkt erhalten wird.If the viscosity of the distillate about 30 sec converted as TO Saybolt seconds at 100 Q C. and the benzene-insolubles 0 wt .-% rüfneTchen "," Tst Däs ~ DesTiilat suitable as precursors for the manufacture of isotropic carbon filament into a pitch-like substance . In the Parxis, however, the amount of oxygen consumed is the determining factor "when deciding whether to use the distillate
has been adequately treated. If more than 0.5 scf of elemental oxygen per 0.454 kg of distillate has been consumed, the air flow through valve 27 is interrupted and the pressure in vessel 13 is reduced through valve 33. The contents of the vessel are through
Line 41 is led to a storage tank and from there into the distillation unit 15, where the lower-boiling components are removed and a residue with the desired softening point is obtained.
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Beim Strangpressen der Fäden F in der Zeichnung wird das oxidierte Destillat durch die Düsenöffnungen des Spinnkopfes 51 stranggepreßt. Zu Beginn des Vorganges wird das Fadenende mit der Spule 61 verbunden. Der Betrieb von Motor 63 dreht die Spule 61 bei einer besonderen Geschwindigkeit, so daß der Faden durch Spannung von seiner ursprünglichen Fadengröße von 500 Micron auf einem Durchmesser von 10-15 Micron gezogen wird.When the threads F in the drawing are extruded, it becomes oxidized Distillate extruded through the nozzle openings of the spinning head 51. At the beginning of the process, the thread end is connected to the bobbin 61. Operation of motor 63 turns spool 61 on a special speed so that the thread by tension from its original thread size of 500 microns on a Diameter of 10-15 microns is drawn.
Dann wird die Spule 61 von der Aufuiickelvorrichung 17 entfernt; die Fäden auf der Spule werden mit heißer Luft in Berührung gebracht und anschließend bei Temperaturen über 8000C. carbonisiert. Der erhaltene carbonisierte Faden ist unschmelzbar, glänzend schwarz, hart und hat allgemein die Eigenschaften von isotropem Kohlenstoff.Then the spool 61 is removed from the winding device 17; the threads on the coil are brought into contact with hot air, and then carbonized at temperatures over 800 0 C.. The carbonized thread obtained is infusible, shiny black, hard and generally has the properties of isotropic carbon.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung, ohne sie zu beschränken.The following examples illustrate the present invention, without restricting them.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde eine Reihe von Kohlefaden mit unterschiedlichem Durchmesser hergestellt. Das Ausgangsmaterial war ein Kohleteerdestillat. Dieses wurde mit Sauerstoff (Luft) bei einer Temperatur von etwa 360°C. umgesetzt, bis mehr als 0,5 scf elementarer Sauerstoff pro 0,454kg Destillat umgesetzt waren. Dann wurde das oxiderte Destillat zur Entfernung der nie-. drig siedenden Bestandteile einer Vakuumdestillation unteroorfen. Die Fäden wurden dann durch Verspinnen des oxidierten Destillates hergestellt und anschließend unter einer Stickstoffatmosphäre in ,, einem rohrförmigen Ofen carbonisiert, indem die Temperatur bis zu 520°C. jeweils 1°C./min und bis 10000C. jeweils 3°C./tnin erhöht wurde.A number of carbon filaments of different diameters were produced according to the method of the invention. The starting material was a coal tar distillate. This was done with oxygen (air) at a temperature of about 360 ° C. implemented until more than 0.5 scf of elemental oxygen per 0.454kg of distillate had been converted. Then the oxidized distillate was used to remove the low. Subject the boiling components to vacuum distillation. The filaments were then made by spinning the oxidized distillate and then carbonized under a nitrogen atmosphere in a tubular furnace at a temperature of up to 520 ° C. 1 ° C. / min and up to 1000 0 C. 3 ° C. / tNin each was increased.
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Die mechanischen Eigenschaften der Fäden wurden gemessen, indem man die einzelnen Fäden unter Verwendung eines Epoxy-harzes auf Karton montierte, um jeden Faden an ziuei Punkten in einem Abstand von 2,5 cm festzuhalten· Der Karton war mit einem ausgeschnittenen Schlitz über seine Länge versehen./Die Seiten des Kartons u/urden so geschnitten, daß der Faden[äi§^ih^ig_e3V^bindyng_"zvuischenf deri aperen und unteren Teil blieb. Der Faden wurden unter folgenden Bedingungen getestet:The mechanical properties of the threads were measured by mounting each thread on cardboard using an epoxy resin to hold each thread at two points 2.5 cm apart. The cardboard had a cut-out slot along its length ./The sides of the carton and / ere cut so that the yarn aperen [äi§ ih ^ ^ ^ ig_e3V bindyng_ "zvuischenf deri and lower parts remained the yarn were tested under the following conditions.:
Meßlänge 2,5 cmMeasuring length 2.5 cm
Kreuzkopfgeschu/indigkeit 0,5 mm/minCrosshead speed 0.5 mm / min
Instronbelastungszelle Typ CInstron load cell type C
Geschwindigkeit der Meßkarte 12,5 cmMeasurement card speed 12.5 cm
Gesamtausschlag der Meßkarte 100 gTotal deflection of the measuring card 100 g
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Zum Vergleich sind auch die Daten von Kohlefaden aus Rayon (A) und Kohlefäden, hergestellt gemäß der US-Patentschrift 3 629 379 aus Pech (B) aufgeführt. Auch die Dichte und endgültige Analyse der verschiedenen Kohlefäden ist angegeben. Alle Kohlefaden wurden in ein Epoxyharz eingebettet und unter einer Vergrößerung von 800 mit polarisiertem Licht und gekreuzten Nicolprismen in einem metallographischen Mikroskop untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Kohlefaden isotrop sind.The results are shown in Table 1. For comparison, the data for carbon fiber made of rayon (A) and carbon fiber, made according to US Pat. No. 3,629,379 from pitch (B). Also the density and final analysis of the various Carbon threads are indicated. All carbon thread were in an epoxy resin embedded and under a magnification of 800 with polarized Light and crossed Nicol prisms examined in a metallographic microscope. The results show that the invention Carbon filaments are isotropic.
/ Der Karton wurde in die Halterungen einer Instron Universal Tastvorrichtung montiert./ The box was in the holders of an Instron Universal Sensing device mounted.
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keit; kq/cmfinal tensile strength
speed; kq / cm
1000 kq/cmElasticity modulus
1000 kq / cm
Microndiameter
Micron
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Gemäß Beispiel 1 wurde eine Reihe von Kohlefäden hergestellt, wobei der einzige Unterschied darin bestand, daß die Fäden nach ihrer Verformung, jedoch vor der Carbonisierung mit warmer Luft behandelt wurden. Die erhaltenen Fäden hatten dieselben Eigenschaften wie diejenigen von Beispiel 1. Der Vorteil dieser Behandlung mit Luft besteht darin, daß sie die Neigung der Fäden zum Ver-According to Example 1, a number of carbon threads were produced, wherein the only difference was that the filaments after their deformation, but before carbonization with warm air were treated. The threads obtained had the same properties as those of Example 1. The advantage of this treatment with air is that it reduces the tendency of the threads to
(Verkleben)
schmelzen/während der Carbonisierung verringert.(Gluing)
melting / decreased during carbonization.
Der Graphit—ierungsindex "g" wurde für eine erfindungsgemäße Probe von isotropem Kohlenstoff bestimmt, und zwar auf der Basis von Röntgenstrahlen-Daten (gemessen nach Erhitzen der carbonisierten Produkt auf 3000 C in einer inerten Atmosphäre); er betrug etwa 0,12. Für graphitierbare Kohlenstoffe ist der Wert von g = 1. Der Index wurde aus der folgenden Formel berechnet:The graphitization index "g" was used for a Sample of isotropic carbon determined on the basis of X-ray data (measured after heating the carbonized Product at 3000 C in an inert atmosphere); it was about 0.12. For carbon which can be graphitized, the value is g = 1. The index was calculated from the following formula:
= Λ. 002 - 3,35
3.45 - 3,35 = Λ. 002 - 3.35
3.45-3.35
wobei <i 002 der durchschnittliche Abstand zwischen zwei Graphit-where <i 002 is the average distance between two graphite
o
ebenenist; 3,45 A ist der Abstand zwischen den Ebenen bei Beginn
der Graphitierung während 3,35 S der Abstand zwischen den Ebenen am Ende der Graphitierung ist. Der Wert von d 002 wurde aus der
Brugg-schen Gleichung bereichnet:O
planes is; 3.45 A is the distance between the planes at the beginning of the graphitization while 3.35 S is the distance between the planes at the end of the graphitization. The value of d 002 was calculated from the Brugg equation:
d 002 = —d 002 = -
002 wobei X die Wellenlänge der Röntgenstrahlung ist;o(002 ist der002 where X is the wavelength of the X-rays; o (002 is the
dem Maximum der 002 Spitze entsprechende Winkel. Die Kristallat-Lc angle corresponding to the maximum of the 002 apex. The Kristallat-Lc
größe/für den erfindungsgemäßen isotropen Kohlenstoff beträgt 60 R gegenüber 210 A für reguläres Kohlepech, das nicht in erfindungsgemäßer Weise mit Sauerstoff umgesetzt ist. Die erfin-size / is for the isotropic carbon according to the invention 60 R compared to 210 A for regular coal pitch, which is not in accordance with the invention Way is reacted with oxygen. The inven-
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dungsgemäßen isotropen Kohlenstoffe haben Werte "g" unter 0,2, vorzugsweise um 0,1.proper isotropic carbons have values "g" below 0.2, preferably by 0.1.
Die folgenden Beispiel 3 bis 6 zeigen, daß es einen entscheidenden Schuiellenu/ert von Sauerstoff gibt, der mit dem Kohlenwasserstoff destillat umgesetzt werden muß, damit der erhaltene carbonisierte Faden isotrop ist. Bei Verwendung von weniger als der kritischen Menge wird der erhaltene Faden anisotrop. Eine mehr-The following examples 3 to 6 show that there is a crucial one There is an exchange of oxygen with the hydrocarbon distillate must be reacted so that the carbonized obtained Thread is isotropic. If less than the critical amount is used, the thread obtained becomes anisotropic. One more-
jedoch fache Erhöhung der umgesetzten Menge liefert/immer noch einen isotropen Kohlenstoff. Der überschüssige Sauerstoff hat keine nachteilige Wirkung auf das in isotropen Kohlenstoff umzusetzende Kohlenwasserstofffestillat.however, a fold increase in the amount converted yields / still one isotropic carbon. The excess oxygen has no adverse effect on that to be converted into isotropic carbon Hydrocarbon distillate.
1550 g Kohleteerdestillat (Creosotöl) wurden in ein geschlossenes Reaktionsgefäß eingeführt und auf 3160C. erhitzt und dann 4 Stunden bei erhöhtem Druck von 6,02 at mit Luft angeblasen oder oxidiert, wobei das Destillat auf 316°C. gehalten wurde. Die Luft wurde als feine Dispersion am Boden des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 1,32 scf/kg/std in das Kohleteerdestillat eingeführt. Aus dem Sauerstoffausgleich wurde gefunden, daß die Gesamtmenge an verbrauchtem elementarem Sauerstoff etwa 42 g/kg Kohleteerdestillat. Das mit Luft behandelte, oxidierte Destillat hatte laut ASTM-Test D246 den folgenden Destillationsbereich:1550g distillate of coal tar (creosote oil) were introduced into a closed reaction vessel and heated to 316 0 C. and then for 4 hours at elevated pressure of 6.02 at blown with air or oxidized, with the distillate to 316 ° C. was held. The air was introduced into the coal tar distillate as a fine dispersion at the bottom of the reactor at a rate of 1.32 scf / kg / hr. From the oxygen balance it was found that the total amount of elemental oxygen consumed was about 42 g / kg of coal tar distillate. The oxidized distillate treated with air had the following distillation range according to ASTM test D246:
anfänglicher Siedepunkt 231°C. kumulatives Destillat ; % initial boiling point 231 ° C. cumulative distillate; %
bis 2700C. 4,8to 270 0 C. 4.8
bis 3000C. 12,2to 300 0 C. 12.2
bis 3150C. 16,5to 315 0 C. 16.5
bis 355°C. 53,6up to 355 ° C. 53.6
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Ein Aliquot des luftbehandelten Destillates wurde aus dem Reaktionsgefäß entfernt und auf einer feuerfesten Schale in einen elektrischen Brennofen gegeben, der mit gasförmigem Stickstoff durchgespült wurde. Das Aliquot wurde im Brennofen durch allmähliches Erhitzen bei einer Geschwindigkeit von 3 C./min bis zu 1000°C. und Aufrechterhaltung dieser Temperatur uon 1 Stunde carbonisiert, wobei im Brennofen die inerte Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff aufrechterhalten wurde.An aliquot of the air-treated distillate was removed from the reaction vessel removed and placed on a refractory tray in an electric kiln using gaseous nitrogen has been flushed through. The aliquot was heated in the kiln by gradual heating at a rate of 3 C./min up to 1000 ° C. and maintaining this temperature for 1 hour carbonized, the inert atmosphere of gaseous nitrogen being maintained in the kiln.
Aus dem carbonisiertem Aliquot wurde eine Probe hergestellt und bei 800-facher' Vergrößerung unter reflektiertem polarisiertem Licht mit gekreuzten Nicolprismen unter einem metallographischen Mikroskop untersucht. Die Probe wurde als isotroper Kohlenstoff identifiziert, da die Intensität des reflektierten polarisierten Lichtes sich bei senkrechter Rotation zur Beobachtungsachse nicht veränderte,A sample was prepared from the carbonized aliquot and at 800x magnification under reflected polarized light with crossed Nicol prisms under a metallographic Examines microscope. The sample was identified as isotropic carbon because the intensity of the reflected polarized Light did not change with perpendicular rotation to the observation axis,
1620 g Kohleteerdestillat (Creosotöl) wurden in ein geschlossenes Reaktionsgefäß gegeben. Das Kohleteerdestillat hatte laut ASTM Test D246 den folgenden Destillationsbereich:1620 g of coal tar distillate (Creosot oil) were in a closed Given reaction vessel. The coal tar distillate was loud ASTM Test D246 the following distillation range:
anfänglicher Siedepunkt 22O0C. kumulativ/es Destillat; % initial boiling point of 22O 0 C. cumulatively / es distillate; %
auf 235°C. 2,1to 235 ° C. 2.1
auf 2700C. 12,6to 270 0 C. 12.6
auf 3150C. 36,3to 315 0 C. 36.3
auf 355°C. 80,9to 355 ° C. 80.9
Rückstand 19,2Residue 19.2
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Das Kohleteerdestillat im Reaktionsgefäß wurde auf 316°C. erhitzt und 4 Stunden bei atmosphärischem Druck mit eingeführter Luft oxidiert, wobei die Temperatur des Destillates auf 316°C. gehalten wurde. Die Luft wurde als feine Dispersion am Boden des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 0,90 scf/kg/std in das Destillat eingeführt. Aus dem Sauerstoffausgleich wurde gefunden, daß insgesamt 30 g elementarer Sauerstoff e.ro_kg Destillat verbraucht morden waren. Ein Aliquot des luftbehandelten Kohleteerdestillates hate laut Bestimmung gemäß ASTM Test D246 den folgen Destillationsbereich:The coal tar distillate in the reaction vessel was heated to 316 ° C. heated and oxidized for 4 hours at atmospheric pressure with introduced air, the temperature of the distillate at 316 ° C. held became. The air was as a fine dispersion at the bottom of the Reactor at a rate of 0.90 scf / kg / hr into the Distillate introduced. From the oxygen balance it was found that a total of 30 g of elemental oxygen consumed e.ro_kg of distillate were murdered. An aliquot of the air-treated coal tar distillate According to the determination according to ASTM Test D246, it has the following distillation range:
anfänglicher Siedepunkt 230 C. kumulativ/es Destillat ; ^ initial boiling point 230 C. cumulative distillate; ^
bis 2700C. 6,7to 270 0 C. 6.7
bis 300°C. 16,1up to 300 ° C. 16.1
bis 3150C. 19,8to 315 0 C. 19.8
bis 3550C. 59,4to 355 ° C. 59.4
Dieses Aliquot luftbehandeltes Kohleteerdestillat ujurde in einer feuerfesten Schale in einen üblichen elektrischen Brennofen gegeben, der anschließend mit Stickstoff durchgespült tuurde. Das Aliquot wurde im Brennofen durch allmählicher Erhitzen mit einer Geschwindigkeit υοη 30C./min bis zu 10000C. und Aufrechterhaltung dieser Temperatur für 1 Stunde carbonisiert, wobei im Ofen eine inerte Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff aufrechterhalten wurde.This aliquot of air-treated coal tar distillate was placed in a refractory dish in a conventional electric furnace, which was then purged with nitrogen. The aliquot was in the kiln by gradual heating at a rate υοη 3 0 C./min up to 1000 0 C. and maintaining this temperature carbonized for 1 hour, with an inert atmosphere was maintained in the furnace gaseous nitrogen.
Nach Carbonisierung des luftbehandelten Kohleteerdestillates wurde wie oben eine Probe hergestellt und in der angegebenen Weise unter einem metallographischen Mikroskop untersucht. Die Probe wurde als anisotroper Kohlenstoff identifiziert, da sich die Intensität des reflektierten polarisierten Lichtes beimAfter carbonization of the air-treated coal tar distillate, a sample was prepared as above and in the specified Way examined under a metallographic microscope. The sample was identified as anisotropic carbon because the intensity of the reflected polarized light at
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- 23 Rotieren der Probe senkrecht zur Beobachtungsachss veränderte.- 23 Rotation of the sample perpendicular to the observation axis changed.
1450 g des in Beispiel 1 beschriebenen Kohleteerdestillates wurden in ein geschlossenes Reaktionsgefäß gegeben, auf 316 C. erhitzt und mit eingeführter Luft 4 Stunden bei einem Druck von 6,02 at oxidiert, wobei das Destillat auf 3160C. gehalten wurde. Die Luft wurde als feiner Dispersion am Boden des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 1,87 scf/kg/std in" das Kohleteerdestillat eingeführt. Aus dem Sauerstoffausgleich wurde gefunden, daß insgesamt 57 g elementarer Sauerstoff pro kg Kohleteerdestillat verbraucht worden waren. Das luftbehandeite Destillat hatte laut ASTH Test D-246 den folgenden Destillationsbereich:1450 g of the coal tar distillate described in Example 1 were placed in a closed reaction vessel, heated to 316 ° C. and oxidized with introduced air for 4 hours at a pressure of 6.02 at, the distillate being kept at 316 ° C. The air was introduced into the coal tar distillate as a fine dispersion at the bottom of the reactor at a rate of 1.87 scf / kg / hr. From the oxygen balance it was found that a total of 57 g of elemental oxygen per kg of coal tar distillate had been consumed. The air-treated distillate had the following distillation range according to ASTH Test D-246:
anfänglicher Siedepunkt 2390C. kumulatives Destillat: % initial boiling point 239 0 C. cumulative distillate: %
bis 27O0C. 5,2to 27O 0 C. 5.2
bis 3000C. 10,4to 300 0 C. 10.4
bis 3150C. ■_ 14,2up to 315 0 C. ■ _ 14.2
bis 326°C. 21,5up to 326 ° C. 21.5
bis 355 C. Beginn der Zersetzungup to 355 C. Start of decomposition
Erweichungspunkt 1240C. C/ASoftening point 124 0 C. C / A
Ein 'Aliquot des luftbehandelten Destillates wurde aus dem Reaktionsgefäß entfernt und in einer feuerfesten Schale in einen elektrischen Brennofen gegeben, der mit gasförmigem Stickstoff durchgespült würde. Das Aliquot wurde durch allmähliches Erhitzen bei 3°C./min his zu 10000C. und Aufrechterhaltung dieser Temperatur für 1 Stunde carbonisiert, wobei im Brennofen eine inerte Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff aufrechterhalten wurde.An aliquot of the air-treated distillate was removed from the reaction vessel and placed in a refractory tray in an electric furnace which was purged with gaseous nitrogen. The aliquot was carbonized by gradually heating at 3 ° C. / min to 1000 his 0 C. and maintaining this temperature for 1 hour, with an inert atmosphere was maintained in the furnace gaseous nitrogen.
Aus dem carbonisieren Aliqoot wurde eine Probe hergestellt und in beschriebener Weise untersucht. Die Probe wurde als isotroperA sample was produced from the carbonized aliquot and investigated in the manner described. The sample was said to be isotropic
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Kohlenstoff identifiziert, weil sich die Intensität des reflekttierten polarisierten Lichtes bei Rotieren der Probe senkrecht zur Beobachtungsachse nicht veränderte.Carbon identified because of the intensity of the reflected polarized light did not change when rotating the sample perpendicular to the observation axis.
1720 g eines Rückführungsöles ('200X grade recycle oil" der Shell Oil Company) wurden in ein geschlossenes Reaktionsgefä0 gegeben. Das Rückführungsöl war durch thermische Krackung eines aus Roherdöl erhaltenen Erdöldestillates hergestellt worden. Das Rückführungsök hatte laut ASTM Test D246 den folgenden Destillation sb ereich:1720 g of a return oil ('200X grade recycle oil' der Shell Oil Company) were placed in a closed reaction vessel given. The recycle oil was thermal cracking petroleum distillate obtained from crude oil has been produced. The return oil had the following distillation according to ASTM test D246 range:
anfänglicher Siedepunktinitial boiling point
kumulatives Destillat; ^ cumulative distillate ; ^
bis 270°C. bis 300°C. bis 3150C. bis 355°C. bis 3750C.up to 270 ° C. up to 300 ° C. up to 315 0 C. up to 355 ° C. up to 375 0 C.
Das Öl im Reaktionsgefäß wurde auf 25O0C. erhitzt und mit eingeführter Luft 28 Stunden bei atmosphärischem Druck oxidiert, wobei das Öl auf 2500C. gehalten wurde. Die Luft wurde als feine Dispersion am Boden des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 0,79 scf/kg/std in das Rückführungsöl eingeführt. Aus dem Sauerstoffausgleich wurde gefunden, daß insgesamt 80 g elementarer Sauerstoff pro kg Rückführungsöl verbraucht worden waren. Dann wurde ein Aliquot des luftbehandelten Rückführungsöles aus dem Reaktionsgefäß (nach Abkühlen auf Zimmertemperatur) entfernt; es war eine pechartige Substanz» Das luftbehandelte Rückführungsöl hatte einen Gießpunkt von 73°C und laut ASTM Test D247 den folgenden Destillationsbereich:The oil in the reaction vessel was heated to 25O 0 C. and oxidised for 28 hours at atmospheric pressure with air introduced, wherein the oil was maintained at 250 0 C.. The air was introduced into the recycle oil as a fine dispersion at the bottom of the reactor at a rate of 0.79 scf / kg / hr. From the oxygen balance it was found that a total of 80 g of elemental oxygen per kg of recycle oil had been consumed. An aliquot of the air-treated recycle oil was then removed from the reaction vessel (after cooling to room temperature); it was a pitch-like substance »The air-treated return oil had a pour point of 73 ° C and, according to ASTM test D247, the following distillation range:
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anfänglicher Siedepunkt 283 C.initial boiling point 283 C.
kumulatives Destillat;cumulative distillate; % . ' % . '
bis 27O0C. —up to 27O 0 C. -
bis 3000C. 8,1to 300 0 C. 8.1
bis 3150C. 19,2to 315 0 C. 19.2
bis 3550C. 30,3to 355 ° C. 30.3
bis 375Ϊ. 44,6up to 375Ϊ. 44.6
Dieses Aliquot luftbehandeltes Rückführungsöl wurde in einer feuerfesten Schale in einen üblichen elektrischen Brennofen gegeben, der mit Stickstoff durchgespült wurde. Das Aliquot wurde dort durch all-mähliches Erhitzen bei einer Geschwindigkeit von 3°C./min bis zu 1000 C. und Aufrechterhaltung dieser Temperatur für 1 Stunde carbcnisiert, wobei im Brennofen eine inerte Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff aufrechterhalten wurde.This aliquot of air-treated recycle oil was placed in a refractory tray in a conventional electric kiln, which was flushed with nitrogen. The aliquot was there by gradually heating at a rate of 3 ° C. / min up to 1000 C. and maintaining this temperature for 1 hour carbcnisiert, with an inert atmosphere in the kiln was maintained from gaseous nitrogen.
Nach Carbonisieren des Aliquots eus luftbehandeltem Rückführungsöl wurde wie oben eine Probe hergestellt und in der beschriebenen Weise unter einem metallographischen Mikroskop untersucht. Die Probe wurde als isotroper Kohlenstoff identifiziert, da sich die Intensität des reflektierten polarisierten Lichtes bei Rotieren der Probe senkrecht zur Beobachtungsachse nicht veränderte.After carbonizing the aliquot of air-treated return oil a sample was prepared as above and examined under a metallographic microscope in the manner described. The sample was identified as isotropic carbon because the intensity of the reflected polarized light did not change when the sample was rotated perpendicular to the observation axis.
40 9 8 37/066940 9 8 37/0669
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Legal Events
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