[發明專利]具有改善的強度和模量的碳纖維及其相關制造方法和設備

有效

• 申請號: 201110100108.4
• 申請日: 2007-11-07
• 公開（公告）號: CN102212897A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發明（設計）人: 卡洛斯·A·利奧尼利昂
• 申請（專利權）人: 赫克賽爾公司
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F9/32
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 吳培善

1.一種碳纖維，該碳纖維如下制造：

通過使纖維在多條路徑中暴露于處于高溫的氧化氣氛，來穩定碳纖維前體聚合物，以生成氧化纖維；

使所述纖維在至少兩條所述路徑中經受介于10％至30％之間的％拉伸；

使所述氧化纖維通過溫度介于約400℃至800℃之間的爐體；以及

通過使所述纖維通過溫度介于1300℃至1500℃之間的爐體而使纖維碳化，其中所述碳纖維具有至少1000ksi的抗拉強度和至少50Msi的彈性模量。

2.權利要求1的碳纖維，其中所述碳纖維的原子力顯微鏡表面圖像的特征在于，存在延伸穿越所述碳纖維的表面的多條低相角區條紋和多條高相角區條紋。

3.權利要求1的碳纖維，其中所述碳纖維具有約4nm或更大的微晶寬度值L_a和約14μΩm或更大的電阻率值。

4.權利要求1的碳纖維，其中所述碳纖維具有5納米或更大的平均相角深度。

5.權利要求1的碳纖維，其中所述碳纖維的粗糙度具有約2或更大的均方根粗糙度(Rq)值。

6.權利要求1的碳纖維，其中所述氧化氣氛的溫度為約175～300℃。

7.一種制造具有改善的抗拉強度和彈性模量的碳纖維的方法，該方法包括：

使碳纖維前體聚合物行進通過氧化爐中的至少4條路徑以生成氧化纖維，所述氧化爐具有溫度介于約175℃至300℃之間的氧化氣氛；

使所述纖維在第一條路徑中經受5％至30％的％拉伸、在第二條路徑中經受5％至20％的％拉伸、在第三條和第四條路徑中經受2％至15％的％拉伸；

使所述氧化纖維通過溫度介于約400℃和800℃之間的爐體；以及

通過使所述纖維通過溫度介于約1300℃和1500℃之間的爐體而使纖維碳化。

8.權利要求7的方法，其中所述拉伸步驟包括使所述纖維在多條路徑中經受多次可控拉伸，所述多次可控拉伸在兩條或更多條路徑中的每條路徑中對所述纖維施加約25％或更小的％拉伸。

9.權利要求7的方法，其中所述纖維離開作為路徑一部分的氧化爐。

10.權利要求7的方法，其中所述纖維包括選自下列中的一種或多種共聚單體：丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲代烯丙基磺酸鈉和衣康酸。

11.權利要求7的方法，其中所述前體纖維具有約0.6dpf至0.8dpf的旦數。

12.權利要求7的方法，還包括對前體纖維進行表面處理的步驟和上漿的步驟。

13.權利要求7的方法，其中在完成碳化處理之后，碳化纖維經受一種或多種進一步的處理。

14.權利要求13的方法，其中所述進一步的處理包括石墨化、表面處理和/或上漿。

15.一種拉伸纖維的方法，所述纖維包括碳纖維前體聚合物，該方法包括：

使纖維在兩條或更多條路徑中行進通過氧化爐，所述氧化爐具有氧化氣氛；

在兩條或更多條所述路徑中拉伸所述纖維，拉伸量足以使所述纖維在兩條或更多條路徑中的每條路徑中經歷至少兩次轉變，其中每次轉變包括可根據拉力與％拉伸的關系曲線圖確定的拐點區域。

16.權利要求15的方法，其中所述拉伸步驟包括使纖維在兩條或更多條路徑中經受多次可控拉伸，所述多次可控拉伸在所述兩條或更多條路徑中的每條路徑中對所述纖維施加約25％或更小的％拉伸。

17.權利要求16的方法，還包括在使纖維經受進一步拉伸之前允許所述纖維在每次可控拉伸之間穩定的步驟。

18.權利要求17的方法，其中所述拉伸步驟包括使纖維在兩條或更多條路徑中的每條路徑中經受多次可控拉伸，所述多次可控拉伸在所述兩條或更多條路徑中的每條路徑中對所述纖維施加約10％至25％的％拉伸。