Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Nachbehandeln von Kohlenstoff-Fasern aus Kohlenteerpech, insbesondere Steinkohlenteerpech, mit zumindest einer Faserablage, einem Oxidationsofen und einem Carbonisationsofen.

• Die Erfindung umfaßt in gleicher Weise die Nachbehandlung von Kohlenstoff-Fäden. Aus den Kohlenstoff-Fasern oder
• Fäden lassen sich in bekannter Weise auch Graphitfasern oder -fäden herstellen.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- oder Graphitfasern oder -fäden aus Kohlenteerpech bekannt, wonach man das Kohlenteerpech aus der Schmelze verspinnt und die erhaltenen Pechfasern einer Oxidation, dann einer Carbonisierung und ggf. Graphitierung unterwirft. Die aus der Pechschmelze versponnenen Kohlenstoff-Fasern bzw. -Fäden werden vor der Carbonisierung -mit fein gemahlener Aktivkohle, die mit flüssigen Oxidationshilfsmitteln imprägniert ist, bestäubt und in oxidierender Atmosphäre bis auf 400° C erhitzt Die nachfolgende Carbonisierung der oxidierten Kohlenstoff-Fäden erfolgt bei einer Temperatur von ca. 1000° C (vgl. DE-PS 24 19 659). Auf diese Weise will man Kohlenstoff-Fasern bzw. -Fäden aus Kohlenteerpech herstellen, die in verhältnismäßig kurzer Zeit oxidiert und carbonisiert werden können. Tatsächlich ist die thermische Nachbehandlung - Oxidation und Carbonisierung der ersponnenen Pechfasern - jedoch zeitaufwendig, schon weil die einzelnen Prozeßstufen nacheinander ablaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der sich die thermische Nachbehandlung extrem einfach und schnell durchführen läßt, so daß die Herstellung der Kohlenstoff-Fasern bzw. -Fäden im ganzen besonders rationell und wirtschaftlich wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet durch

• eine untere Drehbühne mit dem Oxidationsofen, einer Vakuumretorte, dem Carbonisationsofen und einer Kühlretorte, sämtliche Behandlungseinrichtungen in oben offener Behälterbauweise,
• eine unabhängig von der unteren Drehbühne drehbare obere Drehbühne mit einer Changiereinrichtung für Behandlungsretorten zur vorübergehenden Aufnahme der Faserablage bzw. Faserablagen mit den zu behandelnden Pechfasern,
• eine Beschickungsebene oberhalb der oberen Drehbühne mit zumindest einer Beschickungsöffnung und zumindest einer Retortendeckelaufnahme für Retortendeckel mit Anschluß für Luft- und Inertgaszufuhr, Vakuum und Abluft,

Damit gleichzeitig unter jedem Retortendeckel jeweils einer der vier Prozesse Oxidation, Evakuierung, Carbonisation und Kühlung ablaufen kann, sieht die Erfindung weiter vor, daß die Behandlungseinrichtungen auf der unteren Drehbühne um 90° zueinander versetzt und auf einem Drehkreis angeordnet sind, der in vertikaler Projektion den Außenumfang der oberen Drehbühne zum seitlichen Passieren der hochzufahrenden Behandlungseinrichtungen übersteigt und zum Anschluß der hochgefahrenen Behandlungseinrichtungen an den jeweiligen Retortendeckel unterhalb der in gleicher Weise um 90° zueinander versetzten Retortendeckelaufnahmen verläuft, wobei jeder Behandlungseinrichtung eine eigene Hubvorrichtung zugeordnet ist. Auf die obere Drehbühne sind zumindest zwei um 180° zueinander versetzte Behandlungsretorten gleich- zeitig aufsetzbar, damit dem Behandlungssystem wechselweise eine Behandlungsretorte mit zu behandelnden Pechfasern zugeführt und einer Behandlungsretorte mit fertig behandelten Kohlenstoff-Fasern abgeführt werden kann. Nach einer bevor- zugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Faserablage als zusammenschiebbares Scherengatter für an waagerechten Stäben freihängende Faserschlaufen ausgebildet und in zusammengeschobenem Zustand in eine Behandlungsretorte einsetzbar ist. Ein derartiges Scherengatter ermöglicht die Ablage eines aus einer Vielzahl einzelner Pechfasern oder Pechfäden bestehenden Stranges, und zwar derart, daß während der thermischen Nachbehandlung keine Faser- bzw. Fadenverklebungen auftreten und ein freier Schrumpf ermöglicht wird. Durch das Zusammenschieben des Scherengatters wird eine hohe Dichte ≧ 0,03 g/cm³ erreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

• Fig. 1 ein schematisches Verfahrensfließbild zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasern,
• Fig. 2 die Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung in schematischer Aufsicht unterhalb der Beschickebene und
  Fig. 3 bis 17 einen Behandlungszyklus mit dem Gegenstand nach Fig. 2 in Seitenansicht.

Im Zuge der Herstellung von Kohlenstoff-Fasern 1 aus Kohlenteerpech und insbesondere Steinkohlenteerpech wird das Kohlenteerpech vor dem Verspinnen durch Filtration von unschmelzbaren bzw. chinolinunlöslichen Bestandteilen befreit. Anschließend wird das Pechfiltrat einer Destillation zum Entfernen flüchtiger bzw. niedermolekularer Bestandteile unterzogen. Dann werden die aus der gewonnenen Pechschmelze bzw. Hartpechschmelze versponnenen Pechfasern 2 unter Verwendung eines Oxidationshilfsmittels wie Aktivkohle bei vorgegebener Oxidationstemperatur zum Unschmelzbarmachen oxidiert. Schließlich werden die oxidierten Pechfasern 2 unter Verwendung eines Inertgases bei vorgegebener Carbonisationstemperatur zum Austreiben flüchtiger Nebenprodukte carbonisiert. Pechfiltrat wird im Zuge der Destillation kontinuierlich in einen Dünnschichtverdampfer eingetragen und durch einen rotierenden Verteilerring gleichmäßig auf dem inneren Umfang verteilt. Die sich entlang der Verdampferzone bewegenden Rotor-Wischblätter erfassen das Pechfiltrat Lind breiten einen dünnen Film über der Heizwand aus. Dabei verdampft unter dem Einfluß eines angelegten Vakuums der flüchtige Produktanteil und wird auf einem Kondensator niedergeschlagen. Der nichtverdampfte Produktanteil, nämlich Hartpech, verläßt den Dünnschichtverdampfer. Eine Vakuumpumpe fordert das Hartpech zum Granulieren ab. Das alles ist nicht gezeigt.

Das Pechgranulat wird in einem Extruder 3 aufgeschmolzen. Die Pechschmelze läuft über ein Filter 4 und wird mittels einer Dosierpumpe 5 einem Zentrifugalspinnkopf 6 zugeführt. Die Spinnzentrifuge, die an ihrem unteren Teil mit Düsenbohrungen versehen ist, drückt die Pechschmelze durch die Düsenbohrungen. Es entstehen zunächst endlose Filamente, die auf einem langsam rotierenden Fangring abgelegt werden. Der Fangring ist mit einer Schneidvorrichtung versehen, welche die Endlosfilamente auf die gewünschte Faserlänge schneidet. Da man für die nachfolgende thermische Nachbehandlung eine Lunte haben möchte, wird eine entsprechende Anzahl von Einzelfasern, die den gewünschten Luntenquerschnitt ergeben, am Fangring übereinander abgelegt. Die Luntenablage erfolgt in einem Coiler 7. Die Faserlunte wird über Umlenkrollen 8 in freihängenden Schlaufen auf einem auseinandergezogenen Scherengatter 9 abgelegt. Nach beendeter Ablage wird das Scherengatter 9, um eine hohe Raumausnutzung des Oxidationsofens 10 bzw. Carbonisationsofens 11 zu gewährleisten, zusammengeschoben und in eine Behandlüngsretorte 12 gegeben. Während des sich anschließenden Oxidationsprozesses befindet sich eine Vakuumretorte 13 im Untergeschoß und der Oxidationsofen 10 wird von unten über die Behandlungsretorte 12 gefahren. Nach einem abgestuften Temperaturprogramm wird die Behandlungsretorte 12 auf 350° C aufgeheizt. Während dieses Oxidationsprozesses zur Unschmelzbarmachung der Pechfasern 2 wird über ein Filter durch eine Pumpe 14 Luft über einen elektrischen Wärmetauscher 15 geleitet und durchströmt als heiße Oxidationsluft die Behandlungsretorte 12 von unten nach oben. Da während des Oxidationsprozesses flüchtige Pechbestandteile entweichen, wird die Abluft zunächst einem Wärmetauscher 16 zugeführt. Nichtkondensierbare Schadstoffe werden anschließend in einer fremdflammengeschützten Abluftverbrennungsanlage verbrannt. - Der nachfolgende Carbonisationsprozeß muß, um ein Verbrennen der Pechfasern 2 zu vermeiden, unter Inertgas ausgeführt werden. Um den Sauerstoff möglichst quantitativ aus der Faserlunte zu entfernen wird die Behandlungsretorte 12 zunächst evakuiert. Da die Behandlungsretorte 12 zwecks gutem Wärmedurchgangsmassearm aus nichtvakuumfestem Dünnblech hergestellt ist, wird der Carbonisationsofen 11 hinabgefahren und auf 1000° C aufgeheizt, während die Vakuumretorte 13 aus dem Untergeschoß unter die Behandlungsretorte 12 gehoben wird. Anschließend wird ein Vakuumaggregat 17 in Betrieb gesetzt. Nach einigen Minuten kann die Vakuumretorte 13 bzw. Behandlungsretorte 12 mit Stickstoff auf Normaldruck entspannt werden. Zur Sicherheit wird noch einmal mit Stickstoff gespült. Anschließend wird die Vakuumretorte 13 wieder in das Untergeschoß herabgelassen und gegen den mittlerweile auf 1000° C aufgeheizten Carbonisationsofen 11 ausgetauscht. Die Carbonisation erfordert zehn Minuten Verweilzeit, wobei flüchtige Verbindungen durch vorgeheizten Stickstoff über die Behandlungsretorte 12 zur Kondensation bzw. Abluftverbrennung transportiert werden. Nach beendeter Carbonisation wird der Carbonisationsofen 11 hinabgefahren, der Wärmetauscher 15 außer Betrieb genommen und der Innenraum der Behandlungsretorte 12 mit kaltem Stickstoff auf Temperaturen unter 600° C gekühlt. Nun kann das Scherengatter 9 entnommen, auseinandergezogen und zum Kühlstand transportiert werden, wo die Abkühlung der Kohlenstoff-Fasern 1 bis auf Raumtemperatur vollzogen wird.

Im einzelnen weist die Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung der Pechfasern 2 eine untere Drehbühne 18 mit dem Oxidationsofen 10, der Vakuumretorte 13, dem Carbonisationsofen 11 und einer Kühlretorte 19 auf. Sämtliche Behandlungseinrichtungen 10, 11, 13, 19 sind in oben offener Behälterbauweise zur Aufnahme von Behandlungsretorten 12 ausgeführt. Ferner ist eine unabhängig von der unteren Drehbühne 18 drehbare obere Drehbühne 20 mit einer Changiereinrichtung für Behandlungsretorten 12 zur vorübergehenden Aufnahme der Faserablagen 9 mit den zu behandelnden Pechfasern 2 vorgesehen. Oberhalb der oberen Drehbühne 20 befindet sich eine Beschickebene 21 mit zumindest einer Beschicköffnung 22 und zumindest einer Retortendeckelaufnahme 23 für Retortendeckel 24 mit Anschluß für Luft- und Inertaszufuhr, Vakuum und Abluft. Die Changiereinrichtung überführt die Behandlungsretorten 12 zum Anschluß an den jeweiligen Retortendeckel 24 von der oberen Drehscheibe 20 unter den betreffenden Retortendeckel 24 und umgekehrt. Die untere Drehscheibe 18 weist zumindest eine Hubvorrichtung 25 für jeweils den Oxidationsofen 10, die Vakuumretorte 13, den Carbonisationsofen 11 und die Kühlretorte 19 auf. Diese Behandlungseinrichtungen sind zur Aufnahme der Behandlungsretorten 12 unter die Retortendeckelaufnahme 23 bzw. den betreffenden Retortendeckel 24 verfahrbar und hochfahrbar bzw. umgekehrt. Die Behandlungseinrichtungen 10, 11, 13, 19 sind auf der unteren Drehbühne 18 um 90° zueinander versetzbar und auf einem Drehkreis angeordnet, der in vertikaler Projektion den Außenumfang der oberen Drehbühne 20 zum seitlichen Passieren der hochzufahrenden oberen Drehbühne 20 zum seitlichen Passieren der hochzufahrenden Behandlungseinrichtungen 10, 11, 13, 19 übersteigt und zum Anschluß der hochgefahrenen Behandlungseinrichtungen an den jeweiligen Retortendeckel 24 unterhalb der in gleicher Weise um 90° zueinander versetzten Retortendeckelaufnahmen 23 verläuft. Jeder Behandlungseinrichtung 10, 11, 13, 19 ist eine eigene Hubvorrichtung 25 zugeordnet, so daß jeweils gleichzeitig unter jedem Retortendeckel 24 einer der vier Prozesse Oxidation, Evakuierung, Carbonisation und Kühlung ablaufen kann. Auf die oberer Drehbühne 20 sind zumindest zwei um 180° C zueinander versetzte Behandlungsretorten 12 gleichzeitig aufsetzbar. Die Faserablage ist als zusammeschiebbarens Scherengatter 9 für an waagerechten Stäben freihängende Faserschlaufen ausgebildet und in zusammengeschobenem Zustand in jeweils eine Behandlungsretorte 12 einsetzbar.

In einzelnen arbeitet die Vorrichtung wie folgt, wenn gleichzeitig unter jedem Retortendeckel 24 jeweils einer der vier Prozesse Oxidation, Evakuierung, Carbonisation und Kühlung abläuft:

Fig. 3) Auf der oberen Drehbühne 20 wird eine leere Behandlungsietorte 12 von oben mit einem zusammengezogenen Scherengatter 9 gefüllt.

Fig. 4) Die obere Drehbühne 20 dreht sich um 180° C. Während aus der anderen Behandlungsretorte 12 ein Scherengatter 9 mit fertigen KohlenstoffFasern 1 entnommen wird, dreht sich die untere Drehbühne 18 um 90°, so daß die Kühlretorte 19 gegen den Oxidationsofen 10 ausgetauscht wird.

Fig. 5) Die Behandlungsretorte 12 mit den unbehandelten Pechfasern 2 wird durch die Changiereinrichtung unter den zugeordneten Retortendeckel 24 transportiert.

Fig. 6) Durch die Hubvorrichtung 25 wird der Oxidationsofen 10 - ein Niedertemperaturofen - von unten über die Behandlungsretorte 12 gefahren. Während des nun folgenden Oxidationsprozesses-wird heiße Oxidationsluft durch die Behandlungsretorte 12 geleitet und der Oxidationsofen 10 entsprechend dem optimierten Temperaturprofil aufgeheizt. Die heißen Prozeßgase werden der Abluftreinigung zugeführt.

Fig. 7) Nach beendeter Oxidation wird der Oxidationsofen 10 auf die untere Drehbühne 18 herabgefahren.

Fig. 8) Die untere Drehbühne 18 dreht um 90°, so daß die Vakuumretorte 13 unter der Behandlungsretorte 12 zu stehen kommt.

Fig. 9) Die Vakuumretorte 13 wird über die Hubvorrichtung 25 von unten über die Behandlungsretorte 12 gehoben. Das angelegte Vakuum evakuiert den Oxidationsofen 10.

Fig. 10) Zur Sicherheit wird die Behandlungsretorte 12 noch mit Stickstoff unter gleichzeitiger Druckentspannung gespült. Die Vakuumretorte 13 wird auf die untere Drehbühne 18 hinabgefahren.

Fig. 11) Die untere Drehbühne 18 dreht um 90°, so daß der inzwischen 1000° heiße Carbonisationsofen 11 - ein Hochtemperaturofen - unter der Behandlungsretorte 12 steht.

Fig. 12) Der Carbonisationsofen 11 wird mittels der Hubvorrichtung 25 von unten über die Behandlungsretorte 12 gefahren. Während des nun folgenden Carbonisationsprozesses wird vorgeheizter Stickstoff durch die Behandlungsretorte 12 geleitet und transportiert die flüchtigen Verbindungen zum Abluftsystem.

Fig. 13) Der Carbonisationsofen 11 wird auf die untere Drehbühne 18 hinabgefahren.

Fig. 14) Die untere Drehbühne 18 dreht um 90°, so daß die Kühlretorte 19 unter der Behandlungsretorte 12 zu stehen kommt. Die Pechfasern 2 werden durch Zufuhr von kaltem Stickstoff auf Temperaturen unter 600° C gekühlt.

Fig. 15) Die weitere Abkühlung kann in der Kühlstation 19 mit kalter Luft erfolgen.

Fig. 16) Die Kühlstation 19 wird auf die untere Drehbühne 18 hinabgefahren.

Fig. 17) Durch die Changiervorrichtung wird die Behandlungsretorte 12 auf die obere Drehbühne 20 transportiert. Ein neuer Zyklus beginnt.

Die charakteristischen Daten eines in einem Dünnschichtverdampfer destillierten Steinkohlenteerpechs sind im folgenden aufgeführt:

Dieses durch Dünnschichtverdampfung gewonnene hochschmelzende Steinkohlenteerpech (EP (KS): 228° C) wurde zu Pechfasern 2 versponnen. Die erhaltenen Pechfasern wurden hängend in einem Oxidationsofen 10 in 16 Minuten auf eine Oxidationstemperatur von 340° C aufgeheizt. Ein kritischer Oxidationsbereich (Erweichungspunkt ± 25° C) wurde dabei mit einer maximalen Aufheizrate von 20° C/min durchfahren. Der Luftdurchsatz betrug dabei 2000 bis 3000 1/h. Die Pechfasern 2 verschmolzen während des Oxidierens nicht, wiesen auch keine äußerlichen Beschädigungen auf. Die erreichte Unschmelzbarkeit erlaubte ein anschließendes rasches Carbonisieren nach der üblichen Methode. Im übrigen wurde Aktivkohle (ohne H₂SO₄) als Oxidationshilfsmittel verwendet.