[發明專利]聚丙烯腈基碳纖維及其前體材料

有效

• 申請號: 201010132997.8
• 申請日: 2010-03-12
• 公開（公告）號: CN102190756A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 魏騰芳;陳俊智;陳鈺婷
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: C08F220/44
• 分類號: C08F220/44;C08F220/14;C08F222/14;D01F9/22
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉

技術領域

本發明涉及一種碳纖維，特別是一種聚丙烯腈(PAN)基碳纖維及其前體與前體材料。

背景技術

依據美國能源部分析只要汽車部材由碳纖復材取代25％，就可因車體輕量化使得燃料的應用率提高30％，而可節省燃料達15％，無形中二氧化碳排放量就能降低20％以上。目前，全球的碳纖維生產聚丙烯腈(PAN)基碳纖維占90％，都是以濕式(溶劑)紡絲方式生產。而熔紡型(非溶劑)聚丙烯腈(PAN)基碳纖維具有低成本及環保的競爭優勢，但是目前尚無法取得商品化纖維。依據J.A.Davidson等或S.R.Hutchinson等或T.Mukundan等的報導可知，目前，想從PAN聚合物以熔融紡絲方式制作碳纖維原絲的困難在于：(1)PAN聚合物中的共聚單體成份含量若太低(即AN，丙烯腈，成份含量太高)，紡絲過程會造成交聯等反應，斷絲率高，無法順利卷取；(2)若共聚單體成份含量太高(即AN成份含量太低)，可以進行熔融紡絲，但是產品原絲進行后續的高溫氧化反應時，需要更長的時間，會導致碳纖維產物的缺陷多、產率低、品質差等缺點。一般塑料用的聚丙烯腈(PAN)共聚物，必須具有恰當的共聚單體種類與比例，才適合以熔融紡絲制造熔紡型聚丙烯腈(PAN)基碳纖維原絲，進而制得熔紡型聚丙烯腈(PAN)基碳纖維。目前，熔紡型聚丙烯腈(PAN)基碳纖維在原絲方面需解決的最關鍵問題為：氧化耗時(約需20小時以上)，從而導致其碳纖維產品缺陷多、強度低、產率低的缺點。與一般濕紡型聚丙烯腈(PAN)基碳纖維比較，熔紡型的問題源自其前體的聚合物組成差異：a.含高含量的氧化/環化能力低的共聚單體，如甲基丙烯酸酯(MA)(約15mol％)，而濕紡型則約為衣康酸(IA)(1mol％)與甲基丙烯酸酯(MA)(2mol％)；b.熔紡型的前體的聚合物內部不含可催化氧化/環化的化合物，如酸性化合物衣康酸(IA)，導致氧化/環化能力及速率降低。

發明內容

本發明的一個具體實施方案，提供一種聚丙烯腈基碳纖維前體材料，具有下列化學式(I)。

化學式(I)中，R為甲基、乙基或丙基，x+z＝0.5～20.0mol％，z≥0.5mol％，y＝99.5～80.0mol％。

化學式(I)中，為甲基丙烯酸酯(MA)單體生成物，為丙烯腈(AN)單體生成物，為衣康酸二烷酯單體生成物。

本發明的一個具體實施方案，提供一種聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，其是由下列方法所制備的，包括：提供制備熔紡型聚丙烯腈基碳纖維用的切片(材料粒)或制備濕紡型聚丙烯腈基碳纖維用的紡絲液，其中該材料粒或該紡絲液包括上述具有化學式(I)的聚丙烯腈基碳纖維前體材料；對該材料粒或該紡絲液進行紡絲，以形成纖維原絲(前體)；對該纖維原絲進行氧化，以形成氧化纖維；以及對該氧化纖維進行熱處理，以形成聚丙烯腈基碳纖維。

一般PAN基碳纖維原絲材料，盡量不使用立體阻礙性高的類似側鏈結構的雙官能團單體，但是本發明的新型熔紡型PAN基碳纖維原絲材料，卻可使用含有雙官能團的單體，例如衣康酸二烷酯。其所生成的聚合物，內部不含酸或堿性化合物，但是于氧化(約150～250℃)時，卻可發揮類似酸或堿催化的效果。此結構中的衣康酸二烷酯，依據本發明的實施例結果顯示，于高溫氧化環境下會形成酸化合物，可于較低溫的氧化溫度下進行氧化/環化反應，可提升PAN氧化/環化能力，提高氧化率，減少PAN纖維氧化所需的時間，使熔紡型PAN基碳纖維產品更具競爭力。另外，此開發的原絲材料也可應用于濕式紡絲的領域。

為讓本發明的上述目的、特征及優點能更明顯易懂，下文特舉優選具體實施方式，作詳細說明如下：

具體實施方式

本發明的一個具體實施方案，提供一種聚丙烯腈基碳纖維前體材料，具有下列化學式(I)。

化學式(I)中，R可為甲基、乙基或丙基，x+z＝0.5～20.0mol％，z≥0.5mol％，y＝99.5～80.0mol％。優選R為甲基，x+z＝0.5～15.0mol％，z≥0.5mol％，y＝99.5～85.0mol％。

化學式(I)中，為甲基丙烯酸酯(MA)單體的生成物，為丙烯腈(AN)單體的生成物，為衣康酸二烷酯單體的生成物。