[发明专利]用于生产碳纤维的方法以及由其制造的碳纤维

说明书

本披露涉及一种用于利用含有C＝N亚胺基团的有机阳离子的盐生产碳纤维的方法，以及通过这种方法生产的碳纤维。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月6日提交的美国临时申请号62/681,353的优先权，将所述申请的全部内容通过援引并入本申请。

技术领域

本披露总体上涉及一种用于生产碳纤维的方法，其中在所述方法的至少一个步骤中存在含有C＝N亚胺基团的有机阳离子的盐。本披露还涉及通过这种方法生产的碳纤维。

背景技术

碳纤维因为其令人希望的特性诸如高强度和刚度、高耐化学性和低热膨胀已被用于各种应用中。例如，碳纤维可以形成为结合高强度和高刚度同时具有比具有等效特性的金属部件显著更轻的重量的结构零件。碳纤维正在越来越多地被用作用于尤其航空航天和汽车应用的复合材料中的结构部件。特别地，已经开发了其中碳纤维充当树脂或陶瓷基质中的增强材料的复合材料。

来自丙烯腈的碳纤维通常通过一系列制造步骤或阶段来生产。首先通过以下方式使丙烯腈单体聚合：将丙烯腈单体与一种或多种共聚单体(例如，衣康酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯和/或甲基丙烯酸甲酯)混合并且使混合物与催化剂反应以形成聚丙烯腈(PAN)聚合物。PAN目前是最广泛使用的用于碳纤维的前体。

一旦聚合，PAN聚合物可通过典型手段分离或作为溶液(即，纺丝“原液(dope)”)提供。PAN聚合物可通过本领域的普通技术人员已知的许多方法(包括但不限于尤其是熔融纺丝、干纺丝、湿纺丝、凝胶纺丝)转化为前体纤维。

在一种方法(干纺丝)中，将加热的原液通过喷丝头的小孔泵送(过滤)到加热的惰性气体的塔或室中，在所述塔或室中溶剂蒸发，留下固体纤维。

在另一种方法(湿纺丝)中，将加热的聚合物溶液(“纺丝原液”)通过喷丝头的小孔泵送到凝固浴中，在所述凝固浴中纺丝原液凝固并且固化成纤维。湿纺丝可以被进一步分为以下小方法之一：(1)湿喷射纺丝，其中喷丝头被浸没在凝固浴中；(2)气隙或干喷射纺丝，其中聚合物喷射流在与凝固浴接触之前离开喷丝头并且穿过小气隙(典型地2-10mm)；和(3)凝胶纺丝，其中原液被热诱导至从流体溶液到凝胶网络的相变。在干和湿纺丝两种方法中，随后将纤维洗涤并且通过一系列的一个或多个浴进行拉伸。

在纺丝和拉伸前体纤维之后并且在它们被碳化之前，这些纤维需要被化学改变以将它们的线性分子排列转化成更加热稳定的分子梯形结构。这通过将纤维在空气中加热至约200℃-300℃(约390°F-590°F)持续约30-120分钟来完成。这导致纤维从空气中吸收氧分子并且重新安排其原子键合图案。该氧化或热稳定化步骤可以通过各种方法进行，如通过一系列加热室拉延纤维或使纤维穿过热辊。

氧化之后，将稳定的前体纤维在填充有不含氧的气体混合物的一个或两个炉中加热(碳化)至约1000℃-3000℃(约1800°F-5500°F)的最高温度持续若干分钟。当这些纤维被加热时，它们开始以各种气体如水蒸气、氰化氢、氨、一氧化碳、二氧化碳、氢气和氮气的形式失去其非碳原子。当非碳原子被排出时，剩余的碳原子形成与纤维的长轴平行对齐的紧密结合的碳晶体。

所得碳纤维具有不能与复合材料中使用的环氧树脂和其他材料很好地结合的表面。为了给予纤维更好的结合特性，它们的表面可被轻微氧化。向表面加入氧原子提供更好的化学键合特性，并且还为了更好的机械结合特性而去除弱结合的微晶。一旦氧化，碳纤维可被涂覆(“施胶”)，以保护它们在卷绕或编织过程中免受损伤。

在碳纤维的连续制造中，前体纤维的氧化是耗时的步骤。高的烘箱温度和缓慢的通过量阻碍了降低成本的努力。已知几种解决缓慢氧化问题的手段，包括等离子体处理、微波、质子辐照和化学纺丝后处理。但是，这类方法的生产可行性尚未实现，并且以连续方式控制这类方法的手段仍未被开发。