Es ist ausreichend bekannt, dass Kohlenstofffasern, geeignet für kommerzielle Anwendungen, aus Mesophasepech hergestellt werden können. Kohlenstofffasern, erhalten von Mesophasepech, besitzen einen hohen Grad einer molekularen Orientierung und sind leichtgewichtig, fest, steif, thermisch und elektrisch leitfähig, ebenso wie chemisch und thermisch inert. Aus einer Mesophase abgeleitete Kohlenstofffasern sind als Verstärkungen in Komposits verwendet worden, besitzen Anwendungen in der Luftfahrtindustrie und sind in Qualitätssportausrüstungen nützlich. Im Gegensatz dazu zeigen Kohlenstofffasern, hergestellt aus isotropem Pech, eine geringe, molekulare Orientierung. Als Folge haben sie relativ schlechte, mechanische Eigenschaften.

Mesophasepech ist nicht gewöhnlich in existierenden Kohlenwasserstoff-Fraktionen, wie beispielsweise Refining- bzw. Raffinier-Fraktionen, oder in Kohle-Fraktionen, wie beispielsweise Kohle-Teeren, erhältlich. Allerdings sind Verfahren zum Verarbeiten von Kohlenwasserstoff-Fraktionen bekannt, um Mesophasepech zu erhalten. Ein ausreichend bekanntes Verfahren ist dasjenige" Mesophasepech von einem isotropen Pech abzuleiten, das Mesogene enthält. Isotrope Peche, die Mesogene enthalten, werden gewöhnlich durch die Behandlung von aromatischen Ausgangsmaterialien präpariert. Eine solche Behandlung, die ausreichend im Stand der Technik bekannt ist, kann einen oder mehrere Wärmeausgleichsglühschritte umfassen, ohne oder mit einer Agitation und mit oder ohne einem Gas-Durchblasen oder -Spülen. Ein Gas-Durchblasen kann mit einem Inertgas oder mit einem oxidativen Gas, oder mit beiden Typen einer Arbeitsweise, ausgeführt werden. Zahlreiche Patente beschreiben die Herstellung eines isotropen Pechs aus Rohstoffen, die einen aromatischen Bestandteil enthalten. Nicht erschöpfend, sondern repräsentativ, für solche Patente sind: US-Patent Nr. 4,283,269, Durchwärmen von mit Flussmitteln überzogenem Pech; Japanisches Patent Nr. 65090/85, Erwärmen beim Vorhandensein eines oxidierenden Gases; US-Patent Nr.'n 4,464,248, katalytisches Durchwärmen; 3,595,946 und 4,066,737, Verwendung von oxidativem, reaktivem Material; und 4,474,617, Verwendung von oxidierendem Gas; und viele andere. Zusätzlich diskutieren die US-Patente Nr.'n 4,184,942; 4,219,404; 4,363,715; 4,892,642 die Herstellung und die Extraktion von isotropem Pech, um Mesophasepech zu erhalten.

In der Vergangenheit wurde Mesophasepech üblicherweise durch Durchwärmen eines Pechrohstoffs erhalten, um ein Mesogen, das isotropes Pech enthält, zu erzeugen, gefolgt durch eine Lösungsmittel-Fraktionierung, um die Mesogene zu isolieren. Allgemein besitzen die derzeitigen Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozesse die folgenden Schritte:

(1) Überziehen des isotropen Pechs mit Flussmittel in einem heißen Lösungsmittel,

(2) Separieren von unlöslichen Flussmittelbestandteilen durch Filterung, Zentrifugation oder andere, geeignete Mittel,

(3) Hinzufügen eines Anti-Lösungsmittels zu dem sauberen Flussmittel-Filtrat (Comix- Lösungsmittel), um die erwünschten Mesogene abzusetzen,

(4) Isolieren der Mesogene durch Waschen und Trocknen, und

(5) Schmelzen der Mesogene, um Mesophasepech zu bilden.

Diese Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozedur ist ausreichend im Stand der Technik bekannt und ist im Detail in zahlreichen Patenten angegeben. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4,208,267 als erstes, dass ein isotropes Pech eine lösungsmittel-unlösliche Fraktion erzeugen kann, die eine Mesophase innerhalb von Minuten beim Erwärmen auf deren Schmelzpunkt ("Sintern") wird. Dieses Patent offenbart den Extrahierungsprozess, der ein Lösungsmittel eines Comix-Typs verwendet, und die Mesogene werden als ein unlösbarer Rest gesammelt.

Das US-Patent Nr. 4,277,324 beschreibt den vorstehenden Lösungsmittel- Fraktionierungs-Prozess und gibt die Bedingungen, die Prozeduren und die Lösungsmittel, Anti-Lösungsmittel an, die bei der Lösungsmittel-Fraktionierung eingesetzt werden können. Zusätzlich beschreibt das '324 Patent die Flussmittelaufbringung eines isotropen Pechs gefolgt durch Filtern der Flussmittel-Mischung. Das Patent beschreibt dann die Hinzufügung eines Anti-Lösungsmittels, um die erwünschten, unlöslichen Mesogene von dem Flussmittel-Filtrat abzuscheiden. Schließlich befasst sich das US-Patent Nr. 5,032,250 mit einer superkritischen Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktion eines isotropen Pechs für ein direktes Herstellen eines Mesophasepechs. Die Lösungsmittel-Fraktion, beschrieben durch '250, tritt bei erhöhten Temperaturen und Drücken auf, so dass sowohl die löslichen Bestandteile als auch die nicht löslichen Bestandteile in dem flüssigen Zustand vorliegen.

Es ist erwünscht, ein alternatives Verfahren zum Erhalten von Mesophasepech aus isotropem Pech zu schaffen, das eine sehr saubere Mesophase erzeugt. Weiterhin ist es erwünscht, ein Lösungsmittel-Fraktionierungs-Verfahren zu schaffen, das nicht die Verfahrensschritte einsetzt, was zu einem Verlust und einer Abfallerzeugung führt, die einem Fluxen bzw. einem Flussmittelüberziehen und einer Filterung des isotropen Pechs zugeordnet ist. Darüber hinaus ist es noch erwünscht, einen Flüssigkeit/Flüssigkeit- Extraktionsprozess zu schaffen, der die Handhabung von Feststoffen vermeidet und nicht die hohe Temperatur und den Druck einer superkritischen Fluid-Extraktion erfordert. Schließlich ist es auch erwünscht, die Härte des Mesophase-Produkts in diesem Prozess ohne die hohen Temperaturen und Drücke einer superkritischen Fluid-Extraktion zu kontrollieren.

Für die Zwecke dieser Beschreibung und die Ansprüche finden die folgenden Ausdrücke und Definitionen Anwendung;

"Pech", wie es hier verwendet wird, bedeutet Substanzen, die Eigenschaften von Pechen haben, hergestellt als Nebenprodukte in verschiedenen industriellen Produktionsprozessen, wie beispielsweise als natürlicher Asphalt, als Petroleumpeche und als Schweröl, erhalten als ein Nebenprodukt in der Naphta-Crack-Industrie, und Peche, erhalten aus Kohle.

"Petroleumpech" bedeutet das restliche kohlenstoffartige Material, erhalten von dem katalytischen und thermischen Cracken von Petroleumdestillaten oder Resten.

"Petroleumkoks" bedeutet der feste, nicht schmelzbare Rest, der aus einer thermischen Hochtemperaturbehandlung von Petroleumpech resultiert.

"Isotropes Pech" bedeutet Pech, das Moleküle aufweist, die nicht in einem optisch geordneten Flüssigkristall ausgerichtet sind.

"Anisotropes Pech" oder "Mesophasepech" bedeutet Pech, das Moleküle aufweist, die aromatische Strukturen haben, die, über eine Wechselwirkung, einander zugeordnet sind, um optisch geordnete, flüssige Kristalle zu bilden, die entweder flüssig oder fest sind, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur.

"Mesogene" bedeutet Moleküle, die, wenn sie geschmolzen sind, ein Mesophasepech bilden. Diese Moleküle weisen eine breite Mischung aus großen, aromatischen Molekülen auf, die sich beim Erwärmen so anordnen, um flüssige Kristalle zu bilden. Ein isotropes Pech kann Mesogene enthalten und diese Mesogene können durch Hinzufügen eines geeigneten Lösungsmittels isoliert werden.

"Fasern" bedeutet Filamente von Längen, die zur Bildung von nutzbaren Gegenständen geeignet sind.

"Orientierte, molekulare Struktur" bedeutet die Ausrichtung von Mesophase-Domänen in gebildeten; Kohlenstoff enthaltenden Gegenständen; wobei die Ausrichtung der Achse des Gegenstands entspricht und strukturelle Eigenschaften bei dem Gegenstand erzielt.

"Oxidation/Stabilisation" ist der Prozess, einen Pechgegenstand nicht schmelzbar zu machen durch Reaktion des Gegenstands mit Sauerstoff oder einem oxidierenden Mittel. "Erweichungs- und Schmelzpunlkte" werden durch Erwärmen einer Probe bei ungefähr 5ºC/Minute an einem Hot-Stage-Mikroskop unter einer inerten Atmosphäre bestimmt. Der Erweichungspunkt für getrocknetes Pech ist das erste Abrunden von winkligen Merkmalen der Pechpartikel. Der Schmelzpunkt für getrocknetes Pech ist die Temperatur, bei der der erste, beobachtbare Fluss des erweichten Pechs zu sehen ist.

Sauberes, isotropes Pechmaterial ist ein Pech, das weniger als 500 ppm an unlösbaren Mesophase-Komponenten enthält. Vorzugsweise wird das Pech weniger als 250 ppm unlösbare Mesophase-Komponenten enthalten.

Unlösbare Mesophase-Komponenten umfassen solche Verbindungen, die sich nicht in das Mesophasepech lösen werden. Typischerweise werden unlösbare Mesophase- Komponenten anorganische Asche, Koks und andere Verbindungen umfassen.

Pechöl ist derjenige Teil des Pechs, der bei oder unterhalb von 525ºC unter atmosphärischem Druck siedet.

Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Lösungsmittel-Fraktionierungs- Prozess zum Erzeugen von Mesophasepech.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozess zum Erzeugen eines Mesophasepechs aus einem Rohpech, aufweisend: Durchwärmen eines Rohmaterials, das weniger als 500 ppm an Mesophase unlösbaren Verunreinigungen besitzt, um ein isotropes, durchwärmtes Pech, enthaltend Mesogene, herzustellen;

Extrahieren des durchwärmten Pechs mit einem Lösungsmittel bei einer Temperatur und einem Druck, ausreichend, um das Lösungsmittel und die Mesogene in dem flüssigen Zustand zu halten, wobei die Temperatur und der Druck geringer als die superkritische Temperatur und der Druck des Lösungsmittels sind, um die Mesogene zu isolieren;

Zurückgewinnen der Mesogene; Abtrennen des Lösungsmittels von den Mesogenen, um ein Mesophasepech zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin einen Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozess zum Erzeugen eines Mesophasepechs aus einem Rohpech, aufweisend: Durchwärmen eines Rohmaterials, das weniger als 50 ppm Asche besitzt, um isotrope, durchwärmte, Pech enthaltende Mesogene herzustellen; Extrahieren des durchwärmten Pechs mit einem Lösungsmittel, um die Mesogene zu isolieren, umfassend im Wesentlichen alle stark flussmittel-unlöslichen Bestandteile, ursprünglich vorhanden innerhalb des Rohmaterials, oder die während des Durchwärmungsschritts erzeugt wurden, wobei die Extraktion bei einer Temperatur und einem Druck geringer als die superkritische Temperatur und der Druck des Lösungsmittels auftritt; Zurückgewinnung der Mesogene; Abtrennen des Lösungsmittels von den Mesogenen, um ein Mesophasepech zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin einen Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozess zum Erzeugen eines Mesophasepechs von einem Rohmaterial, aufweisend: Durchwärmen eines Rohmaterial, um isotrope, durchwärmte, Pech enthaltende Mesogene herzustellen; Kontrollieren der Härte der Mesogene durch Einstellen des Pechölgehalts des durchwärmten Pechs; Extrahieren des durchwärmten Pechs mit einem Lösungsmittel, um die Mesogene zu isolieren, wobei die Extraktion bei einer Temperatur und einem Druck geringer als die superkritische Temperatur und der Druck des Lösungsmittels auftritt; Zurückgewinnen der Mesogene, Abtrennen des Lösungsmittels von den Mesogenen, um ein Mesophasepech zu erhalten.

Das verbesserte Verfahren reduziert Abfallnebenprodukte durch Beseitigen der Schritte eines Flussmittelüberzugs und eines Filterns des durchwärmten Pechs. Zusätzlich vermeidet das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Handhabung von Feststoffen durch Vorsehen eines sub-superkritischen Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktions-Prozesses. Weiterhin schafft das offenbarte Verfahren ein Mittel zum Kontrollieren der Härte des sich ergebenden Mesophasepechprodukts. Schließlich liefert die vorliegende Erfindung ein Mesophasepech, das Verbindungen mit hohem, molekularem Gewicht enthält, üblicherweise entfernt während des Flussmittelüberzugs und der Filterung des durchwärmten Pechs, wenn bekannte Prozeduren verwendet werden.

Gemäß diesem neuartigen Verfahren wird ein sauberes Rohmaterial durchwärmt, um isotrope, Pech enthaltende Mesogene zu erzeugen. Einem Durchwärmen folgend werden die Mesogene durch eine Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktion des durchwärmten Pechs in einem einzelnen Schritt bei moderaten Temperaturen und Drücken isoliert. Die Mesogen enthaltende Phase wird entweder als eine Flüssigkeit oder als ein Feststoff zurückgewonnen und von irgendwelchem verbleibendem Lösungsmittel getrennt, um Mesophasepech zu erhalten.

Der Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozess der vorliegenden Erfindung liefert ein Mittel zum Kontrollieren der Härte des sich ergebenden Mesophasepechs. Genauer gesagt wird der Pechölgehalt des durchwärmten, isotropen Pechs entweder während des Durchwärmungsschritts eingestellt oder darauffolgend, um dadurch die Härte des sich ergebenden Mesophasepechprodukts zu kontrollieren. Eine Kontrolle der Pechhärte liefert ein Mittel zum Kontrollieren des Schmelzpunkts des sich ergebenden Pechs und der Stabilisierungsrate von Gegenständen, hergestellt aus dem Pech.

Die vorliegende Erfindung liefert auch den Vorteil einer Verringerung von Abfallnebenprodukten und einer Erhöhung des Ertrags des Mesophase-Produkts. Da ein Flussmittelüberziehen des durchwärmten, isotropen Pechs eliminiert wird, erzeugt die vorliegende Erfindung nicht irgendwelche lösbaren Flussmittelbestandteile. Als Folge wird das Mesophasepech der vorliegenden Erfindung alle die schweren, organischen, unlöslichen Flussmittelbestandteile, die ursprünglich in dem isotropen Ausgangspech vorhanden waren, oder erzeugt während des Durchwärmungsschritts, enthalten. Ein früherer Extraktionsprozess sonderte diese Komponenten mit den unlöslichen Flussmittelbestandteilen aus; allerdings schließt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise diese Komponenten in das Mesophasepech ein.

Die vorliegende Erfindung vereinfacht den Lösungsmittel-Fraktionierungs-Weg, um Mesophasepech zu reinigen. Dieser neue Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozess beruht auf der Verwendung eines sauberen, isotropen Pechs. Allgemein können geeignete, isotrope Peche aus sauberen, aromatischen Rohmaterialien präpariert werden. Bevorzugte Rohmaterialien umfassen aromatische Destillate aus Kohleteer, Ethylenteer, dekantiertem Öl, Petroleumgasöl und saubere, aromatische Restbestandteile von Kohleteer, Ethylenteer und dekantiertem Öl. Dekantier-Öl-Destillat ist ein bevorzugtes Rohmaterial. Obwohl der Destillat-Siedebereich nicht kritisch ist, sind Destillate, die von ungefähr 370ºC bis ungefähr 510ºC sieden, erfolgreich verwendet worden.

So, wie er in dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen verwendet wird, bedeutet der Ausdruck "sauber", dass die geeigneten Rohmaterialien weniger als 50 ppm Asche enthalten sollten und frei von kohlenstoffartigen, unlösbaren Kontaminierungsbestandteilen sein sollten. Bevorzugte Destillat-Rohmaterialien sind typischerweise klare Bernstein-Fluide. Schwarze "Destillate" sind ungeeignet, da sie allgemein eingeschlossene und/oder suspendierte Kohlenstoff-Kontaminierungsbestandteile enthalten. Die Verwendung der bevorzugten Rohmaterialien wird ein Mesophase-Produkt ergeben, das weniger als 500 ppm unlösbare Mesophase-Bestandteile enthält. Bevorzugt wird das Mesophase- Produkt weniger als 50 ppm von unlösbaren Mesophase-Kontaminierungsbestandteilen enthalten.

Asche-Kontaminierungs-Niveaus des Mesophase-Produkts können durch Verbrennen einer gewogenen Probe über einem Temperaturbereich von 450ºC bis 850ºC und Vergleichen des Gewichts der verbleibenden Asche mit dem Anfangsgewicht der Probe bestimmt werden. Unlösbare, kohlenstoffhaltige Kontaminierungsbestandteile des Mesophase- Produkts können durch Beobachten des Fließens des Mesophasepechs oder einer Flüssigkeit-Extraktion von unlösbaren Bestandteilen über ein Metallsieb oder ein Drahtsieb, das 2 um (Mikron) nominale und 7 Mikron absolute Porenöffnungen besitzt, bestimmt werden. Wenn die bevorzugten Produkte um 50ºC oberhalb deren Schmelzpunkte erwärmt werden, werden die bevorzugten Produkte in der Lage sein, durch die 2 um (Mikron) Öffnungen, ohne ersichtlich die Öffnungen zu verschließen, hindurchführen.

Einer Bestimmung eines geeigneten Rohmaterials folgend wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu einem Durchwärmungsschritt fortschreiten. Wie es ausreichend bekannt ist, erzeugt ein Durchwärmen eines Rohmaterials ein isotropes Pech, das Mesophase-Precursoren, bekannt als Mesogene, enthält. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung tritt ein Durchwärmen bei Temperaturen auf, die von ungefähr 360ºC bis ungefähr 550ºC reichen. Weiterhin verwendet die vorliegende Erfindung eine niedrige Wärmflussdichte, um die Bildung von Koks zu vermeiden. (Wärmeflussdichte ist ein Maß des Flusses oder der Übertragung von Wärmeenergie über einen Einheitsflächenbereich einer gegebenen Oberfläche in einer Zeiteinheit.) Bevorzugt wird die Wärmeflussdichte geringer als 1,86 Watt pro cm² (12 Watt pro Quadratinch) sein. Zusätzlich müssen, um eine Kontaminierung des Pechs mit anorganischen Verbindungen zu verhindern, Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um eine saubere Ausrüstung zu verwenden und eine mechanische Abnutzung zu vermeiden.

Die vorliegende Erfindung kann in entweder einem kontinuierlichen Verarbeitungsmodus oder in einem Chargen-Verarbeitungsmodus praktiziert werden. Wenn in einem kontinuierlichen Verarbeitungsmodus gearbeitet wird, wird die Durchwärmung unter Bedingungen gestoppt, wo das Produktpech vollständig isotrop ist. Allerdings sind im Wesentlichen isotrope, durchwärmte Pechprodukte, die eine Mesophase enthalten, für die Extraktionsschritte der vorliegenden Erfindung geeignet.

Einem Durchwärmen folgend haben vorherige Lösungsmittel-Fraktionierungs-Verfahren die Schritte einer Flussmittelüberziehung und Filterung des durchwärmten Pechs erfordert, um Kontaminierungsbestandteile zu entfernen. Allerdings eliminiert die vorliegende Erfindung diese Verfahrensschritte durch Verwendung von sauberem, partikelfreiem, durchwärmtem Pech. Demzufolge geht das Verfahren der vorliegenden Erfindung direkt von der Durchwärmung des Rohpechs zu der Lösungsmittel-Extraktion des Mesogen oder Mesophase enthaltenden, durchwärmten Pechs fort.

Der Lösungsmittel-Extraktions-Prozess der vorliegenden Erfindung kann als entweder eine Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktion oder eine Flüssigkeit/Feststoff-Extraktion vorgenommen werden. Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktionen sind bevorzugt, da sie schnell ausgleichen und sich gut an kontinuierliche Verarbeitungsverfahren anpassen. Ein weiterer Vorteil einer Flüssigkeit/Flüssigkeit-Verarbeitung ist die Fähigkeit, die Feststoffe handhabende Schritte eines Verarbeitens, eines Filterns, eines Waschens, eines Trocknens und eines Umschmelzens, die Flüssigkeit/Feststoff-Extraktionsverfahren zugeordnet sind, zu eliminieren. Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktionen werden bei Temperaturen und Drücken durchgeführt, die ausreichend sind, um das durchwärmte Pech, das Lösungsmittel und die niedergeschlagenen Mesogene in dem flüssigen Zustand beizubehalten. Typische, geeignete Temperaturen werden zwischen ungefähr 100ºC und ungefähr 400ºC liegen. Vorzugsweise werden die Temperaturen zwischen ungefähr 180ºC und ungefähr 340ºC liegen. Während des Lösungsmittel-Extraktions-Prozesses muss der Druck des Systems ausreichend sein, um das Lösungsmittel in dem flüssigen Zustand zu halten. Typischerweise wird der notwendige Druck der autogene Druck des Lösungsmittels bei der Prozesstemperatur sein. Die Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktion wird bei sub-superkritischen Lösungsmittelbedingungen durchgeführt, d. h. die Temperaturen und Drücke der Extraktion sind niedriger als die kritische Temperatur und der Druck des Lösungsmittels.

Das Extraktionsverfahren wird für eine ausreichende Zeit fortgeführt, um eine vollständige Lösung und Extraktion der Nicht: Mesophase-Komponenten sicherzustellen. Typischerweise wird der Extraktionsprozess in ungefähr 2 bis ungefähr 60 Minuten abgeschlossen sein. Nach Abschluss der Extraktion wird das System in zwei Phasen separiert. Darauffolgend wird die Lösungsmittelphase entfernt und die die unlösbare Mesophase bildende Phase wird als eine Flüssigkeit zurückgewonnen oder gekühlt und als ein Feststoff zurückgewonnen. Irgendwelches restliches Lösungsmittel wird von dem Mesophase-Produkt durch eine Entspannungsverdampfung oder andere, geeignete Prozesse entfernt, um ein lösungsmittelfreies Mesophasepech zu erhalten.

In den Flüssigkeit/Feststoff-Extraktions-Prozessen werden das Pech und das Extraktions- Lösungsmittel bei einer Temperatur kombiniert, die ausreichend ist, um die Mesogene als einen teilchenförmigen Feststoff zu scheiden. Das Pech und das Lösungsmittel werden gemischt, bis alle lösbaren Pechkomponenten durch das Lösungsmittel extrahiert sind. Typischerweise wird dieser Schritt 15 Minuten bis fünf Stunden erfordern.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf die Fähigkeit, die Härte des Mesophasepech-Produkts zu ändern. Die Härte der unlöslichen Extraktions-Bestandteile ist direkt zu der Konzentration von aromatischem Öl in dem Extraktionssystem in Bezug gesetzt. Genauer gesagt wird eine Erhöhung des Pechöl-Gehalts des durchwärmten Pechs ein härteres, höher schmelzendes, extrahiertes Mesophasepech in einem leicht verringerten Ertrag produzieren.

Eine Einstellung des Gehalts an aromatischem Öl kann durch Einstellen des Pechöl- Gehalts des durchwärmten Pechs durchgeführt werden. Diese Einstellung kann durch entweder Toppen des Rohmaterials, um übermäßige Öle zu entfernen, oder durch Hinzufügen von Pechöl durchgeführt werden. Alternativ kann, gemäß der vorliegenden Erfindung, Öl während des Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozesses hinzugefügt werden. Während der Gehalt an Pechöl von 0 bis 70% reichen kann, werden bevorzugte Rohstoffe von ungefähr 0 bis ungefähr 40% Öl bezogen auf das Gewicht enthalten. Allgemein ist der minimale Ölgehalt eines Rohstoffes durch die Fähigkeit begrenzt, das Öl durch Destillation oder durch Perlung zu entfernen, und der maximale Ölgehalt ist durch den erwünschten Ertrag an Mesophasepech begrenzt.

Pechöle, geeignet zum Hinzufügen zu dem isotropen Rohpech, umfassen sowohl natürliche Pechöle als auch einen breiten Bereich von aromatischen Ölen, erhalten von Petroleum, Kohle oder synthetischen Prozessen. Allgemein sind natürliche Pechöle bevorzugt.

Die bevorzugten Pechöle werden eine wesentliche Fraktion umfassen, die einen Siedebereich von 450ºC bis 525ºC besitzt. Ungeachtet des Öls, das verwendet wird, kann der Ertrag des Mesophasepechs beeinflusst werden, wenn irgendeine Änderung in den Pechölen auch den Extraktrationsprozess aufgrund der Wechselwirkung des Öls mit dem Lösungsmittel beeinflussen wird.

Wie zuvor beschrieben ist, beseitigt die vorliegende Erfindung die Schritte eines Flussmittelüberzugs und eine Filterung des durchwärmten Pechs vor einer Erzeugung von Mesophasepech. Typischerweise wurde dieser Prozessschritt verwendet, um nicht-mesogene, unlösliche Bestandteile zu beseitigen. Allerdings eliminieren diese Prozesse auch einen Teil der Moleküle mit hohem Molekulargewicht, das in dem isotropen Rohpech vorhanden ist. Durch Eliminieren dieser Prozessschritte kann ein Mesophasepech, das diese zuvor entfernten Verbindungen enthält, erzeugt werden. Als Folge erzeugt die überraschende Fähigkeit, Verbindungen mit größerem Molekulargewicht zurückzuhalten, höhere Erträge des Mesophaseprodukts. Zusätzlich zu einer Erhöhung des Mesophasepechertrags durch Einschließen von unlöslichen Flussmittelbestandteilen in das Produkt vermeidet die vorliegende Erfindung die Erzeugung von kohlenstoffhaltigen Abfallmaterialien und beseitigt Prozessschritte und zugeordnete Ausrüstungen für einen Flussmittelüberzug und eine Flussmittelfilterung.

Die folgenden Beispiele sind vorgesehen, um die vorliegende Erfindung zu erläutern. Alle Teile und Prozentsätze sind auf das Gewicht bezogen, ohne dass dies ansonsten in anderer Weise angegeben ist. Die Anmelder wünschen es nicht, durch die Theorie, die innerhalb der Beispiele präsentiert wird, eingeschränkt zu sein; im Gegensatz dazu sollte der wahre Schutzumfang der Erfindung basierend auf den beigefügten Ansprüchen bestimmt werden.

Die Beispiele 1 und 2 demonstrieren den Lösungsmittel-Fraktionierungs-Prozess der vorliegenden Erfindung. Diese Beispiele demonstrieren die erfolgreiche Herstellung eines Mesophasepechs ohne die Schritte einer Flussmittelüberziehung und Filterung des durchwärmten Pechs.

Ein Mineraldekantieröl wurde vakuum destilliert, um ein nominales 427ºC bis 493ºC Destillat zu isolieren, das weniger als 10 ppm unlösbare Mesophase-Asche enthält. Dieses Destillat wurde in einem gerührten Druckkessel für 3 Stunden 40 Minuten bei 441ºC und 827 kPa Gage (120 psig) durchwärmt. Das durchwärmte Pech wurde mit einem Ertrag von 64,8% bezogen auf das Gewicht zurückgewonnen. Das Pech war vollständig isotrop und enthielt 11% unlösliche Tetrahydrofuran-Bestandteile und weniger als 10 ppm unlösbare Mesophase-Asche.

Eine Extraktion wurde durch Kombinieren von 1 Teil Asche mit 5 Teilen bezogen auf das Gewicht Lösungsmittel in einem mit Stickstoff gespülten Druckkessel ausgeführt. Das Lösungsmittel bestand aus 70 : 30 Gewichtsverhältnissen einer Mischung von Xylen und Heptan. Das Gefäß wurde abgedichtet und Lösungsmittel und Pech wurden auf 200ºC und 524 kPa Gage (76 psig) autogenem Druck erwärmt. Die Pech-Lösungsmittel- Mischung wurde bei dieser Temperatur für 30 Minuten gemischt, dann wurde ihr ermöglicht, sich 15 Minuten abzusetzen und dann wurde sie abkühlen lassen. Ein Kuchen aus festem Pech wurde von dem Reaktorboden entnommen. Der Extraktions-Rest wurde vakuumgetrocknet bei 150ºC und dann bei 360ºC, um ein Mesophasepech-Produkt einem Ertrag von 22,0% bezogen auf das Gewicht von dem durchwärmten Pech zu erhalten. Das Mesophasepech, das getestet wurde, war 100% anisotrop und erweichte und schmolz bei 330ºC und 344ºC jeweils.

Dasselbe Destillat-Rohmaterial, das in dem Beispiel 1 verwendet wurde, wurde in derselben Art und Weise durchwärmt, um einen Ertrag von 68,4% des durchwärmten Pechs bezogen auf das Gewicht, enthaltend 11% unlösbare Tetrahydrofuran-Bestandteile, zu erzielen. Dieses Pech wurde mit einem 50 : 50 Gewichtsverhältnis aus Xylen : Heptan unter Verwendung von 5 Teilen Lösungsmittel pro einem Teil Pech extrahiert. Die Bedingungen von Beispiel 1 wurden verwendet und ein autogener Druck von 621 kPa Gage (90 psig) entwickelte sich während der Extraktion. Ein Ertrag von 360ºC vakuum-getrocknetem Mesophasepech war 23,0% bezogen auf das Gewicht von dem durchwärmten Pech. Das Produkt war 100% anisotrop und erweichte und schmolz bei 312ºC und 325ºC jeweils. Der unlösliche Mesophase-Asche-Gehalt des Mesophasepech-Produkts wurde dahingehend bestimmt, dass er geringer als 10 ppm war.

Die Beispiele 3-8 demonstrieren die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, die Härte eines Mesophasepech-Produkts zu kontrollieren. Wie zuvor diskutiert ist, entspricht eine Erhöhung in der Pechhärte einer Erhöhung in dem Schmelzpunkt.

Ein stark aromatisches, durchwärmtes Pech wurde aus einem 454ºC+ Rest von mittelkontinentem Mineraldekantieröl präpariert. Der Dekantierölrest wies 92% Kohlenstoff, 6,5% Wasserstoff auf und enthielt 82% aromatische Kohlenstoffe bei einem Kohlenstoff 13 NMR Test. Der Dekantierölrest wurde durchwärmt für 6,9 Stunden bei 398ºC. Das sich ergebende, stark aromatische, durchwärmte Pech enthielt 20% unlöslicher Bestandteile bezogen auf das Gewicht in Tetrahydrofuran (THF) unter Verwendung von 1 Gramm an Pech in 20 ml an THF bei 23ºC. Die Pechrohstoffe für die Extraktionen von Beispiel 3 wurden durch Einstellen des Pechöl-Gehalts des durchwärmten Dekantieröls hergestellt. Für Beispiel 3 wurde das durchwärmte Pech durch ein Vakuum-Destillieren zu einem äquivalenten, atmosphärischen Schnittpunkt von 524ºC entölt. Für Zwecke dieser Beispiele ist dies als ein durchwärmtes Pech mit 0% Öl beschrieben. Für Beispiel 4 wurde das durchwärmte Pech vakuummäßig getappt zu einem äquivalenten, atmosphärischen Schnittpunkt von 357ºC, um ein Pech mit 9% Öl herzustellen. Nicht getopptes, durchwärmtes Pech, das 19% Öl enthielt, wurde in dem Beispiel 5 verwendet. Das Pech mit 28% Öl von Beispiel 6 wurde durch Kombinieren von 454ºC bis 524ºC Pechöl mit nicht getopptem Pech hergestellt.

Jedes durchwärmte Pech wurde durch Kombinieren von gebrochenem Pech und Lösungsmittel in einem abgedichteten, evakuierten Autoklaven und Erwärmen unter Rühren auf 230 bis 235ºC extrahiert. Jede Extraktionsmischung wurde unter einem Verhältnis von 1 Gramm Pech mit 0% Öl zu 8 ml an Lösungsmittel präpariert. In diesem Fall wies das Lösungsmittel Toluen und 524ºC Pechöle auf (d. h. Pechöle, die Siedepunkte niedriger als 524ºC haben). Ein Druck von 1,10 bis 1,28 MPa Gage (160 bis 135 psi) entwickelte sich bei der Exktraktionstemperatur. Die Mischung wurde 1 Stunde gerührt und ihr wurde dann ermöglicht, sich 15 Minuten abzusetzen, und zwar vor einem Abkühlen. Das unlösliche Pechprodukt wurde als ein dichter Kuchen von dem Reaktorboden nach dem Entfernen der Lösungsmittelphase und Abkühlen der Schlacke gesammelt.

Jedes unlösbare Pechprodukt wurde gebrochen, getrocknet und dann unter Vakuum bei 360ºC geschmolzen, um im Wesentlichen das gesamte Lösungsmittel zu entfernen. Die geschmolzenen Peche waren alle vollständig anisotrop. Die Schmelztemperatur jedes geschmolzenen Pechs wurde durch thermochemische Analyse (TMA) bestimmt, während bei 10ºC pro Minute unter einem Stickstofffluss erwärmt wurde. Der Schmelzpunkt wurde als der zweite derivative Hauptpeak herangezogen. Die Beispiele zeigten eine wesentliche Erhöhung in der Schmelztemperatur des geschmolzenen Pechs, wenn die Menge an Öl in dem Extraktionsmedium erhöht wurde. Wie zuvor angeführt ist, spiegelt sich eine Erhöhung in der Pechschmelztemperatur in einer Erhöhung der Pechhärte wider.

Die Beispiele 7 und 8 zeigen die Fähigkeit, die Schmelztemperatur des Pechprodukts, den Ertrag und die prozentuale Anisotropie durch Kontrollieren der Menge an Pechöl, das während der Extraktion vorhanden ist, zu kontrollieren.

Eine Probe aus schwerem, aromatischem Pech Aerocarb 400 wurde von Ashland Chemical Co. erhalten. Dieses Pech wies 94% Kohlenstoff auf und besaß einen Verkokungswert von 72%. Das Pech ist weniger als 1% Leukol bzw. Quinolin unlösliche Bestandteile und 17,5% Toluen unlösbare Bestandteile. Das Pech erweichte nahe 210ºC. Aerocarb 400 enthält nicht wesentliches Pechöl/Material, das unterhalb von 524ºC Atmosphärendruck siedet).

Aerocarb 400 Pech wurde extrahiert, gefolgt durch Hinzufügen von 454ºC bis 524ºC aromatisches Pechöl unter Bedingungen, die in Tabelle 2 angegeben sind. Öl, erhalten von einem Vakuumdestillieren von durchwärmtem Pechöl, wie dies in Beispiel 3 beschrieben ist, wurde in das Toluen hinzugegeben. Die Extraktionen wurden so durchgeführt, wie dies in den vorherigen Beispielen beschrieben ist. Unlösbare Bestandteile wurden von dem Reaktorboden zurückgewonnen, gebrochen und geschmolzen, um die geschmolzenen Produkte herzustellen, die in Tabelle 2 beschrieben sind.

Die Beispiele 9-10 und Tabelle 3 demonstrieren die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, selektiv die Verbindungen mit höherem, molekularem Gewicht in dem sich ergebenden Mesophasepechprodukt zurückzuhalten. Diese Fähigkeit führt zu höheren Erträgen des sich ergebenden Mesophaseprodukts.

Dasselbe, durchwärmte Pech, beschrieben in dem Beispiel 5, wurde durch Kombinieren mit gemischtem Xylen (42,9 Gew.-% m-Xylen, 24, 6 Gew.-% Ethylbenz, 21,6 Gew.-% p- Xylen und 10,8 Gew.-% o-Xylen) in einem Verhältnis von 8 ml Lösungsmittel pro Gramm an Pech extrahiert. Die Extraktion wurde in einem abgedichteten, evakuierten Autoklaven durchgeführt. Die Mischung wurde, während auf 320ºC erwärmt wurde, während 1 Stunde und 20 Minuten gerührt. Der Druck erreichte 690 kPa Gage (100 psig). Die Mischung wurde 1 Stunde gerührt und ihr wurde dann ermöglicht, sich für 15 Minuten bei 231ºC abzusetzen. Nach einem Kühlen wurde der Autoklav geöffnet und ein dichter Kuchen aus unlösbarem Pech wurde dem Reaktorboden entnommen. Das Pechprodukt wurde gebrochen und unter Vakuum auf 360ºC erwärmt, um 21,5% flüchtige Bestandteile zu entfernen. Die lösungsmittel freien Mesogene wurden in einem Ertrag von 25,3% erhalten und bei 386ºC geschmolzen.

Als ein Vergleich wurde das durchwärmte Pech, das in dem Beispiel 9 beschrieben ist, mit einem gleichen Gewicht an Toluen kombiniert und auf 110ºC erwärmt, um eine Flussmittelmischung zu bilden. Diese Mischung wurde mit einer kleinen Menge an Celite-Filter- Unterstützung gefiltert, um unlösliche Flussmittelbestandteile zu entfernen. Die unlöslichen Flussmittelbestandteile betrugen 9,4% des Pechs. Die unlöslichen Flussmittelbestandteile sind unschmelzbar und stellen Pech-Komponenten mit einem relativ hohen Molekulargewicht dar. Reines flussmittel-gefiltertes Pech wurde von Toluen abgetrennt und unter Stickstoff bevorratet.

Eine Extraktion wurde durch Hinzufügen von gebrochenem, flussmittel-gefiltertem Pech zu einem reinen Autoklaven durchgeführt. Der Autoklav wurde abgedichtet und evakuiert und 1,1 Teile bezogen auf das Gewicht an Xylen wurden hinzugefügt. Das gefilterte Flussmittel wurde durch Rühren umgeformt, während auf 90ºC erwärmt wurde, und zwar während ¹/&sub2; Stunde. Die umgeformte Flussmittelmischung wurde mit zusätzlichem Xylen verrührt, so dass die Endmischung 8 ml an Lösungsmittel pro Gramm des ursprünglichen, nicht flussmittel-gefilterten, durchwärmten Pechs enthielt. Eine Extraktion trat bei 231ºC für 30 Minuten bei 690 kPa Gage (100 psig) auf. Der Mischung wurde ermöglicht, sich für 15 Minuten bei 231ºC abzusetzen, und wurde dann gekühlt. Ein fester Kuchen aus unlösbarem Pech wurde von dem Reaktorboden zurückgewonnen. Eine Erwärmung auf 360ºC unter Vakuum entfernte flüchtige Bestandteile. Die lösungsmittel-freien Mesogene wurden mit einem Ertrag von 18,5% erhalten und teilweise bei 363ºC geschmolzen.

Beispiel 9 und das Vergleichsbeispiel 10 bestätigen den im Ertrag erhöhten Vorteil eines Erhöhens des Gehalts mit großem Molekulargewicht der lösungsmittel-extrahierten Mesophase. Dieser Vorteil tritt mit nur einer geringen Erhöhung in der Schmelztemperatur des lösungsmittel-freien Mesogens auf.

Es sollte für einen Fachmann auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich sein, dass die Flüssigkeit/Flüssigkeits-Extraktion von sauberem, durchwärmtem Pech, um sauberes Mesophasepech in den Beispielen 1 und 2 zu erhalten, die Kontrolle der Mesophasepech- Härte durch Einstellen von Öl in den Beispielen 3 bis 8 und der Ertrags-Erhöhung von vorhandenen, organischen, unlösbaren Flussmittel-Bestandteilen in dem Mesophasepech, dargestellt in Beispiel 9, kombiniert werden kann, um einen besonders vorteilhaften Prozess zu erhalten, um Mesophasepech herzustellen.

Weiterhin werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet unter Berücksichtigung dieser Beschreibung und der Ausführung der Erfindung, die hier offenbart ist, ersichtlich werden. Es ist vorgesehen, dass die Beschreibung nur als beispielhaft angesehen wird, wobei der Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angegeben ist.