專利名稱：聚丙烯腈基碳纖維及其前體材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)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(jù)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(jié)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(chǎn)聚丙烯腈(PAN)基碳纖維占90%，都是以濕式(溶劑)紡絲方式生產(chǎn)。而熔紡型(非溶劑)聚丙烯腈(PAN)基碳纖維具有低成本及環(huán)保的競爭優(yōu)勢，但是目前尚無法取得商品化纖維。依據(jù)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=(I)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(lián)等反應，斷絲率高，無法順利卷??；( 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(chǎn)品原絲進行后續(xù)的高溫氧化反應時，需要更長的時間，會導致碳纖維產(chǎn)物的缺陷多、產(chǎn)率低、品質(zhì)差等缺點。一般塑料用的聚丙烯腈(PAN)共聚物，必須具有恰當?shù)墓簿蹎误w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(chǎn)品缺陷多、強度低、產(chǎn)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(huán)化能力低的共聚單體，如甲基丙烯酸酯(MA)(約15m0l% )，而濕紡型則約為衣康酸(IA) (lmol % )與甲基丙烯酸酯(MA) (2mol%) ；b.熔紡型的前體的聚合物內(nèi)部不含可催化氧化/環(huán)化的化合物，如酸性化合物衣康酸(IA)，導致氧化/環(huán)化能力及速率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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)。
權利要求
1.一種聚丙烯腈基碳纖維前體材料，具有下列化學式(I)
2.根據(jù)權利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維前體材料，其中R為甲基，x+z= 0.5 15. Omol%, ζ ^ 0. 5mol%，y = 99. 5 85. Omol%。
3.根據(jù)權利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維前體材料，其中x+z= 10. O 20. Omol %， ζ 彡 1. Omol %，y = 90. O 80. Omol %。
4.根據(jù)權利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維前體材料，其中x+z= 10. O 15. Omol %， ζ 彡 1. Omol %，y = 90. O 85. Omol %。
5.根據(jù)權利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維前體材料，其中x+z= 0. 5 9. Omol%, ζ 彡 0. 5mol %，y = 99. 5 91. Omol %。
6.根據(jù)權利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維前體材料，其中x+z= 0. 5 4. Omol%, ζ 彡 0. 5mol %，y = 99. 5 96. Omol %。
7.一種制備聚丙烯腈基碳纖維的方法，包括提供制備熔紡型聚丙烯腈基碳纖維用的切片，即材料粒，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根據(jù)權利要求1項所述的聚丙烯腈基碳纖維前體材料；對該材料?；蛟摷徑z液進行紡絲，以形成纖維原絲，即前體； 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。
8.根據(jù)權利要求7所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該紡絲包括熔融紡絲或濕式紡絲。
9.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該熔融紡絲的溫度介于160 230 °C。
10.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該熔融紡絲形成的該纖維原絲的強度介于1. 5 3. 5g/den。
11.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該熔融紡絲形成的該纖維原絲的伸長率介于30. O 10.0%。
12.根據(jù)權利要求7所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該紡絲液是通過二甲基亞砜、N， N-二甲基甲胺或N，N-二甲基乙酰胺溶劑所配制的。
13.根據(jù)權利要求12所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該溶劑的濃度介于20 40%。
14.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該濕式紡絲的溫度介于60 85 "C。
15.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該濕式紡絲包括使用凝固液。
16.根據(jù)權利要求15所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中該凝固液包括二甲基亞砜、N， N- 二甲基甲胺、N, N- 二甲基乙酰胺或水。
17.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲形成的該纖維原絲的強度介于3. 0 4. Og/den。
18.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲形成的該纖維原絲的伸長率介于12. 0 5.0%。
19.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該熔融紡絲與該氧化形成的氧化纖維的強度介于1. 0 2. Og/den。
20.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該熔融紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的伸長率介于30. 0 10. 0%。
21.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該熔融紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的密度介于1. 2 1. 3g/cm3。
22.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該熔融紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的限氧指數(shù)，L0I，介于40 60。
23.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的強度介于1. 5 3. Og/den。
24.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的伸長率介于3. 0 1. 0%。
25.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的密度介于1. 25 1. 38g/cm3。
26.根據(jù)權利要求8所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲與該氧化形成的該氧化纖維的限氧指數(shù)，L0I，介于45 65。
27.根據(jù)權利要求8項所述的聚丙烯腈基碳纖維，其中經(jīng)由該濕式紡絲、該氧化與該熱處理形成的該碳纖維的密度介于1. 6 1. m^g/m3。
全文摘要
本發(fā)明提供一種聚丙烯腈基碳纖維前體材料，其具有下列化學式(I)?；瘜W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％。本發(fā)明還提供一種由上述碳纖維前體材料所制備的聚丙烯腈基氧化纖維及碳纖維。
文檔編號C08F220/44GK102190756SQ20101013299
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權日2010年3月12日
發(fā)明者陳俊智, 陳鈺婷, 魏騰芳 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院