[發明專利]從多用途商業纖維生產碳纖維的方法

在審

• 申請號: 201680077572.7
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN108431310A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 康尼·D·杰克森;阿米特·K·納斯卡
• 申請（專利權）人: UT-巴特勒有限公司
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;D01F9/14;D01F9/22;D01F6/18;D01D10/02;D02J1/22
• 代理公司: 北京市隆安律師事務所 11323
• 代理人: 權鮮枝

一種生產碳纖維的方法，包括提供聚丙烯腈前體聚合物纖維絲的步驟。所述聚丙烯腈前體絲包含87?97摩爾％的丙烯腈和少于0.5摩爾％的促進劑官能團。所述絲為每根絲不超過3旦尼爾。聚丙烯腈前體纖維絲可以排列成至少150000旦尼爾/英寸寬度的絲束。排列的聚丙烯腈前體纖維絲束通過將絲束在至少一個含有氧氣的氧化區中加熱并保持在第一溫度T1同時拉伸至少10％而穩定化，以生產穩定化的前體纖維絲束。通過使所述穩定化的前體纖維絲束通過碳化區而碳化穩定化的前體纖維絲束。也公開了該方法生產的碳纖維。

相關申請的交叉引用

本申請是標題都為“Method of Producing Carbon Fibers from MultipurposeCommercial Fibers”的2015年12月31日提交的美國臨時專利申請第62/273,559號，和2016年3月8日提交的美國臨時專利申請第62/305,232號的非臨時申請，它們的公開內容通過引用整體并入本文。

關于聯邦資助研究的聲明

本發明是在美國能源部授予的合同第DE-AK-00OR22725號的政府支持下完成的。政府對本發明享有一定的權利。

技術領域

本發明一般涉及碳纖維和碳纖維生產方法。

背景技術

常規的碳纖維加工方法使用絲的小的無捻束或“絲束(tow)”，以及少量由預先拉伸的、快速氧化的聚合物(利用促進劑)或由促進劑組成或摻入促進劑的纖維。用于這種加工方法的碳纖維前體材料通常是專門用于碳纖維生產的專用產品。

汽車工業并未廣泛使用碳纖維材料，這主要是因為碳纖維材料的成本保持在相對較高的特種材料價格，而在汽車制造中的廣泛使用需要相對較低的商品價格。在實現這種定價的同時，材料必須符合汽車行業所要求的性能標準。一些汽車制造商針對碳纖維材料所規定的性能標準是該材料滿足或超過400ksi拉伸強度和40Msi拉伸模量，并且具有至少1％應變作為包含汽車碳纖維用途的最小性能。在一些半結構汽車復合材料應用中，尋求具有250ksi拉伸強度和25Msi拉伸模量以及至少1％應變的碳纖維。

碳纖維生產始于含碳前體纖維材料。常見的含碳前體材料是聚丙烯腈(PAN)。特種PAN前體纖維可與各種共聚單體和促進劑一起使用。提供共聚單體以賦予前體纖維和成品碳纖維產品所需的性能。商業級特種丙烯酸纖維由丙烯腈與各種選擇的共聚單體共聚物組成。統計共聚物通常含有2-5摩爾％的共聚單體。共聚單體通常是具有羧酸(丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸)的乙烯基化合物或它們的酯(丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯)或它們的酰胺(丙烯酰胺)。通常將這些聚合物設計成具有高分子量和窄分子量分布。通過蒸汽拉伸或本領域已知的其它方法使這些組合物聚合并溶液紡成纖維形式，并具有顯著的拉伸比(拉伸)，通常為14倍或更高。增加的共聚單體含量有助于沿著纖維軸方向拉伸和排列分子；然而，這也增加了在碳前體纖維的后續熱處理期間斷鏈的可能性。因此使用最優的低共聚單體含量。纖維通常在180℃至300℃的溫度進行熱環化和氧化交聯反應。這些反應本質上是放熱的，并且常規技術傾向于避免前體纖維過熱以控制纖維的斷鏈反應和熔化，然后使纖維變成交聯的難處理纖維。過熱也會導致纖維熱松弛和偶爾點燃絲。因此，考慮到足夠的傳熱，這些特種丙烯酸纖維由絲數小于80000的絲束(絲的束)制成。

紡織品級腈綸纖維以短纖紗(staple yarn)形式用于衣服應用。這些纖維還用于手工制作(針織和鉤針)、合成羊毛和阻燃織物應用。由于其服裝用途，纖維的染色是一個重要的方面。因此化學組成主要關注于允許纖維表面上顯著吸附染料的共聚單體。乙酸乙烯酯和丙烯酸甲酯是通常使用的共聚單體，其可選地裝載有氯乙烯或偏二氯乙烯，用于誘導阻燃性能。紡織品纖維以大的絲束尺寸(約500000根絲/絲束或更高)生產，并且通常具有比特種丙烯酸碳前體纖維更低的分子量。