[发明专利]聚丙烯腈类纤维原丝增塑剂、组合物以及其碳纤维的制法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增塑剂，特别涉及一种用于制备聚丙烯腈类纤维原丝的增塑剂。

背景技术

聚丙烯腈类纤维原丝(precursor)的制备方法主要有湿式纺丝法及熔融纺丝法，其中湿式纺丝法是使用溶剂制作聚丙烯腈类纤维原丝，但是此方法需要进行溶剂回收及纤维水洗干燥，有环保及耗能等问题。而熔融纺丝法则可以避免上述使用溶剂所造成的环保问题，但是熔融纺丝法有断丝率高、卷取困难以及纺丝速率低于70m/min的缺点，因此需要对聚丙烯腈进行改性，使其变成含有高含量共聚单体的聚丙烯腈类共聚物，或者在聚丙烯腈原料中添加增塑剂，降低纺丝原料的熔点，达到降低熔融粘度的目的。

目前用于制备聚丙烯腈类纤维原丝的增塑剂包含水增塑剂、溶剂增塑剂或低分子量化合物，其中水增塑剂及低沸点溶剂增塑剂会在纺丝过程中造成不稳定的高压，导致减压时水或溶剂快速排出，造成纤维内有大量的孔洞结构产生，降低纤维的强度。而高沸点溶剂增塑剂及低分子量化合物则会使得增塑剂不易从聚丙烯腈类纤维内排除，造成后续形成的碳纤维的物性下降。

因此，业界亟需一种用于制备聚丙烯腈类纤维原丝的增塑剂，其可以克服上述缺点。

发明内容

本发明的一个实施例提供制备聚丙烯腈类纤维原丝的增塑剂，包括如式(I)所示的共聚物或其衍生物：

式(I)，

式(I)中的R为甲基或乙基，z≥0.5mol％，且y＝99.5-85.0mol％。此增塑剂的固有粘度(I.V.)范围介于0.20至0.40dL/g之间。

本发明的另一实施例提供制备聚丙烯腈类纤维原丝的组合物，包括：增塑剂以及聚丙烯腈类共聚物，其中增塑剂的量为增塑剂与聚丙烯腈类共聚物总和的0.5至15.0重量百分比。增塑剂包括如式(I)所示的共聚物或其衍生物：

式(I)，

式(I)中的R为甲基或乙基，z≥0.5mol％，y＝99.5-85.0mol％，且增塑剂的固有粘度(I.V.)范围介于0.20至0.40dL/g之间。

聚丙烯腈类共聚物包括如式(II)所示的共聚物或其衍生物：

式(II)，

式(II)中的a＝90.0-80.0mol％，b＝10.0-20.0mol％，且聚丙烯腈类共聚物的固有粘度(I.V.)范围介于0.41至0.75dL/g之间。

此外，本发明的一个实施例还提供聚丙烯腈类碳纤维的制造方法，包括：提供如上所述的制备聚丙烯腈类纤维原丝的组合物；对组合物进行湿式纺丝或熔融纺丝制造方法，形成聚丙烯腈类纤维原丝；对纤维原丝进行氧化制造方法，形成氧化纤维；以及对氧化纤维进行热处理制造方法，形成聚丙烯腈类碳纤维。

具体实施方式

为了让本发明的上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合实施方式，作详细说明如下：

如本案发明人在中国台湾专利申请号98146307中所公开的，聚丙烯腈-衣康酸二甲酯共聚物(poly(acrylonitrile-co-dimethyl itaconate)；简称poly(AN-co-DMI))内部不含酸性或碱性共聚物，但是对于由poly(AN-co-DMI)制作的纤维原丝的氧化制造方法可产生类似酸催化或碱催化的效果，因此可在较低的氧化温度下进行氧化/环化反应，提高纤维原丝的氧化率，节省氧化时间。此外，poly(AN-co-DMI)纤维原丝内部不含酸性或碱性化合物，可降低纤维原丝与金属无机离子的结合性，并降低其所形成的碳纤维的缺陷数。

本发明使用聚丙烯腈-衣康酸二甲酯共聚物(poly(AN-co-DMI))或其衍生物作为制备聚丙烯腈类(poly(acrylonitrile)；PAN)纤维原丝的增塑剂，此增塑剂的分子量低于制作聚丙烯腈类纤维原丝用的聚丙烯腈类共聚物的分子量，因此可用熔融纺丝的方式制作聚丙烯腈类纤维原丝，降低熔融纺丝时的断丝率，使得纺丝卷取顺利，并可提高纺丝速率至1,000m/min，改进不使用增塑剂的缺点。此外，由于此增塑剂与聚丙烯腈类共聚物的分子结构组成相近，因此最终不需要从聚丙烯腈类纤维产物内排除，可解决传统使用的高沸点溶剂或低分子量化合物增塑剂不易从聚丙烯腈类纤维产物内排除的问题。