碳纤维及其制造方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114150402A(43)申请公布日2022.03.08(21)申请号202210004348.2(22)申请日2022.01.05(30)优先权数据1101193192021.05.27TW(71)申请人台湾塑胶工业股份有限公司地址中国台湾高雄市仁武区水管路100号(72)发明人蔡坤晔洪家祺周玟汝陈敬文谢家竣林士杰黄龙田(74)专利代理机构北京派特恩知识产权代理有限公司11270代理人康艳青王琳(51)Int.Cl.D01F9/22(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图1页(54)发明名称碳纤维及其制造方法(57)摘要本发明提供一种碳纤维及其制造方法，其借由调整油剂的比例，以控制油剂表面张力与粒径之间的关系，进而避免油剂渗透至碳纤维内部，以制得兼具有低油剂残留量及高强度的碳纤维。CN114150402ACN114150402A权利要求书1/1页1.一种碳纤维的制造方法，其特征在于，包括：溶解聚丙烯腈共聚高分子于溶剂中，以获得纺丝原液；对该纺丝原液进行凝丝工艺，以获得丝束；利用油剂对该丝束进行上油工艺，以获得附油原丝，其中该油剂的表面张力(σ)与油剂粒径(R)的关系如下式：20<σ+(R/2)0.5<60；对该附油原丝进行干燥致密工艺，以获得碳纤原丝；以及对该碳纤原丝进行烧成工艺，以获得该碳纤维。2.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于，该聚丙烯腈共聚高分子的极限粘度为1.5至3.5。3.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于，该丝束的孔径为20nm至140nm。4.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于，该油剂包含硅油、乳化剂及水。5.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于，该油剂粒径为10nm至500nm。6.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于，该表面张力为20mN/m至70mN/m。7.一种碳纤维，其特征在于，根据权利要求1至6中任一项所述的制造方法所制得。8.根据权利要求7所述的碳纤维，其特征在于，该碳纤维中的硅残留量为500ppm至2500ppm。9.根据权利要求7所述的碳纤维，其特征在于，该碳纤维的内部硅含量及表面硅含量的比值为0.7以下。10.根据权利要求1所述的碳纤维，其特征在于，该碳纤维的强度为大于5000MPa。2CN114150402A说明书1/6页碳纤维及其制造方法技术领域[0001]本发明是关于一种碳纤维的制造方法，特别是关于一种高强度的碳纤维及其制造方法。背景技术[0002]碳纤维具有密度低、耐酸碱腐蚀、导电性、不易热胀冷缩，及优异的力学性质等特性，故碳纤维广泛地被应用于航天产业、高压气瓶、风力发电叶片、汽车产业、电缆芯、土木补强、运动休闲器材、军事工业与生医器材等领域中。近年来，随着环保意识高涨，燃料电池车内使用的高压气瓶的需求急速上升，因此对于高强度的碳纤维的需求亦大幅上升。当前目标借由提高气瓶爆破强度来提升氢气载量，并降低车身重量，以提升燃料电池车的续航力。[0003]碳纤维依照原丝的原料可分成聚丙烯腈系(PAN)、嫘萦系(rayon)与沥青系(pitch)等。现有的碳纤维工艺为将上述原料经纺丝工艺抽纺为原丝后，先于200℃至300℃下进行氧化及环化等稳定化处理。接着，于惰性气体(例如氮气、氩气、氦气)环境下，于300℃至2000℃的温度下进行高温烧成等碳化反应，以去除氮、氢和氧等非碳元素，进而制得碳纤成品。[0004]然而，在上述稳定化处理及高温碳化的过程中，高分子可能受热熔化，而造成丝束的单纤维发生相互融着或原丝直接燃烧等问题，进而导致所得的碳纤维有毛羽或断丝等缺陷。此等缺陷对于后续加工制作碳纤复材时，容易造成树脂含浸不均、碳纤复材物性下降及外观不佳等问题。因此，为了防止上述问题，可借由在原丝纺丝工艺中，于原丝涂布耐高温型油剂来改善。再者，油剂要选用可以耐受200℃以上的高温，故通常会使用聚二甲基硅氧烷(硅油)，或经氨化改质、环氧改质或酯化改质的改质硅油。[0005]在原丝尚未完成氧化及环化等稳定化处理之前，使硅油或改质硅油附着于原丝表面，以提供原丝耐热性的保护效果，从而避免单纤相互融着或燃烧。然而，若油剂粒子渗透至纤维内部，则后端高温烧成时会反应生成氧化硅(SiOx)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SixNy)等硅化物。此类硅化物残留于碳纤内部时，会阻碍碳‑碳之间的键结而无法形成石墨结构，产生结构缺陷，进而造成碳纤维的强度下降。此外，硅化物作为碳纤维内部的杂质，于碳纤维受力时，会发生应力集中而导致碳纤维物性下降，且硅化物硬度较高，亦会于碳纤维内产生磨损而扩大缺陷尺寸，则碳纤维物性可能进一步下降。[0006]有鉴于此，亟须提供一种碳纤维的制造方法，可维