[發明專利]碳纖維、碳纖維制造用聚丙烯腈類母體纖維的制造方法及碳纖維的制造方法

有效

• 申請號: 200680044205.3
• 申請日: 2006-12-06
• 公開（公告）號: CN101316956A
• 公開（公告）日: 2008-12-03
• 發明（設計）人: 伊勢昌史;中山功;遠藤真
• 申請（專利權）人: 東麗株式會社
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F6/18
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所
• 代理人: 楊宏軍

技術領域

本發明涉及壓縮強度及拉伸彈性模量優異的碳纖維及其制造方法。 本發明還涉及用于制造所述碳纖維的碳纖維制造用聚丙烯腈類母體纖 維(precursor?fiber)的制造方法。

背景技術

碳纖維由于其優異的力學特性及電特性而用于各種用途。近年，除 目前的高爾夫球桿或釣竿等運動用途或航空器用途之外，也開始用于汽 車部件、壓縮天然氣(CNG)用罐、建筑物的耐震加固部件及船舶部件 等所謂的一般產業用途，與之相應，所要求的力學特性的水平也越來越 高。例如，在航空器用途中，為了輕質化而不斷地將大部分結構部件置 換為碳纖維強化塑料，因此要求以高水平同時實現壓縮強度和拉伸彈性 模量的碳纖維。

碳纖維在工業上經下述工序制造，即，將由聚丙烯腈等聚合物形成 的母體纖維在200～300℃的溫度的空氣中進行熱處理的耐燃化工序；及 將由所述耐燃化工序中得到的耐燃化纖維在300～3,000℃的溫度的惰性 氣氛中進行熱處理的碳化工序。通常，雖然所述碳化工序的最高溫度越 高，所得碳纖維的拉伸彈性模量越高，但是，隨著石墨結晶的成長，所 得的碳纖維的壓縮強度降低。即，碳纖維的拉伸彈性模量和壓縮強度具 有折衷(trade?off)關系。用控制碳化溫度以外的方法來提高壓縮強度及 拉伸彈性模量以打破該折衷關系，關于這樣的技術至今已有一些提議。

作為提高碳纖維的壓縮強度的技術，提出了例如對碳纖維實施離子 注入，將石墨結晶進行非晶化的技術，或將所用的母體纖維的橫截面形 狀進行非圓形化，增加截面慣性矩的技術(參見專利文獻1及專利文獻 2)。但是，前者的方案只能在高真空下每次處理少量碳纖維，而后者 的方案難以維持穩定的截面形狀，在最終產品的均勻性方面存在問題， 所有方案均難以適用于工業。

為了提高碳纖維的拉伸彈性模量，已知通過在燒成時拉伸纖維來提 高所得碳纖維的取向度是有效的。但是，單純提高拉伸倍率時，誘發起 毛或斷絲，無法避免操作性降低或所得碳纖維的質量降低。也提出了通 過控制燒成條件來獲得拉伸穩定化的技術(參見專利文獻3及專利文獻 4)。但是，其拉伸水平并不高，拉伸得到的拉伸彈性模量提高效果也 很小。

提出了通過增加所用的母體纖維的氧透過性，使耐燃化工序中的單 纖維內的反應均勻化來提高所得碳纖維的拉伸彈性模量的技術(參見專 利文獻5)。但是，根據該提議，雖然確認拉伸彈性模量的提高效果， 但是為了增加氧透過性，使用超過1.5％的大量的共聚成分，因此，存在 母體纖維的耐熱性降低的問題。耐熱性降低引起制絲工序中的干燥熱處 理工序或蒸汽拉伸工序、耐燃化或碳化之類燒成工序中的單纖維之間粘 合增加，使操作性或所得的碳纖維的拉伸強度或壓縮強度降低。

專利文獻1：特開平3-180514號公報

專利文獻2：特開平3-185121號公報

專利文獻3：特開2004-91961號公報

專利文獻4：特開2004-197278號公報

專利文獻5：特開平2-84505號公報

發明內容

本發明的目的在于提供無損生產性及加工處理性的、壓縮強度和拉 伸彈性模量均優異的碳纖維及其制造方法。本發明的其他目的在于提供 用于制造所述碳纖維的碳纖維制造用聚丙烯腈類母體纖維的制造方法。

為了達到上述目的，本發明的碳纖維是將聚丙烯腈類聚合物進行紡 絲、然后進行燒成所得的碳纖維，具有320GPa～380GPa的股拉伸彈性模 量(strand?tensile?modulus)和3.0×10¹⁹～7.0×10¹⁹spins/g的由電子自旋共 振測定的傳導電子量(conduction?electron?density)。

本發明的碳纖維中，優選所述股拉伸彈性模量為330～380GPa并且由 電子自旋共振測定的傳導電子量為4.0×10¹⁹～7.0×10¹⁹spins/g。

本發明的碳纖維中，優選碳纖維的結晶大小為1.8～2.6nm。

本發明的碳纖維中，優選碳纖維的比重為1.75～1.85。

本發明的碳纖維中，優選碳纖維的平均單纖維直徑為4.5～7.5μm。