[发明专利]碳纤维的制造方法

说明书

本发明涉及碳纤维的制造方法，包括以下步骤：a)将丙烯腈系聚合物溶液投入到包含沸点为180至210℃的二元醇系化合物的二元醇系化合物溶液中而沉淀丙烯腈系聚合物的步骤；b)将上述丙烯腈系聚合物熔融纺丝而获得纺丝纤维的步骤；以及c)将上述纺丝纤维进行稳定化和碳化而获得碳纤维的步骤。

技术领域

本发明涉及由丙烯腈系聚合物制造的碳纤维的制造方法。具体而言，涉及由能够进行熔融纺丝且机械物性优异的丙烯腈系聚合物，通过增加最大熔融纺丝速度，可以提高碳纤维的生产率的碳纤维的制造方法。

背景技术

碳纤维作为与其他纤维相比具有特有的优异的弹性模量和高强度而可以代替金属的复合材料用增强纤维，在体育、航空和宇宙等的尖端材料用途中广泛使用。这样的碳纤维与其他材料相比具有相对高的价格，因此在一般用途的使用上受到限制。对此，为了扩大作为汽车、土木、建筑、压力容器和风车叶片等的广泛用途的使用范围，对于提高碳纤维的生产率和生产稳定性等的需求日益增加。

商品化的碳纤维的机械物性为拉伸强度3.5至6.4GPa、拉伸弹性模量230至294GPa以及伸长率1.4至1.6％左右，非常优异，但其价格为22至$176/kg，因很高的价格，使碳纤维的使用不能普遍。对此，美国能源部(DOE)为了将碳纤维用于需求正在迅速增长的汽车复合材料，要求拉伸强度为1.72GPa，约为商品化产品的1/2程度，但为了达到其价格而提出碳纤维的价格为11.0至$15.4/kg的非常低的价格(报告；橡树岭国家实验室(Report；Oak RidgeNational Lab)，2017)。现在商品化的工序为湿纺方法，但以现有的湿纺方法无法同时满足DOE提出的价格和物性。

具体而言，在碳纤维中最广泛利用的由丙烯腈系聚合物制造的碳纤维由于丙烯腈系聚合物中腈基的强烈的分子间或分子内相互作用而具有高于聚合物的分解温度的熔点。由于丙烯腈系聚合物的高熔点，丙烯腈系聚合物无法进行熔融纺丝，因此只能通过湿纺或干纺而制造。

根据如上所述的方法，聚合物在凝固浴或高温水蒸气气氛下纺丝后，纺丝纤维内的溶剂向外部扩散而交换成非溶剂并沉淀而制造成纤维。由此能够制造具有优异物性的碳纤维，但要求缓慢的纺丝速度、溶剂的回收再利用和废弃工序等，因此与其他材料相比，能耗巨大而经济性低，在价格方面，价格竞争力明显低。

另外，用上述湿纺或干纺方法制造的纺丝纤维在卷绕工序中通常实现100m/min以上的卷绕速度时受到限制，因此在基于高速生产的低成本生产方面成为了一个弱点。

因此，要求开发实现优异物性的碳纤维，并且不仅要具有高的纺丝速度和高的流动性，而且形状变化自由，从而可以扩大在多种领域中的适用可能性新的纺丝方法。

还根据此，需要碳纤维具有特有的出色的机械物性，提高纺丝速度而能够实现碳纤维的细纤化，对扩大在多种且广泛的用途中的使用作出贡献，另外，需要提供实现优异的机械物性的同时能够确保价格竞争力以及能够扩大其用途的碳纤维的制造方法。

发明内容

为了解决如上所述的问题，本发明提供能够进行熔融纺丝(melt spinning)还可以增加纺丝速度的由丙烯腈系聚合物制造的碳纤维的新的制造方法。

另外，本发明提供具有优异的机械物性并与通过湿纺(wet spinning)和干纺(dryspinning)而制造的碳纤维相比可以以高的价格竞争力能够以广泛用途扩大使用的碳纤维的制造方法。

另外，本发明的另一目的是提供可以显著提高纺丝纤维的卷绕速度并实现细微的平均直径的碳纤维的制造方法。

为了达到上述目的而进行研究的结果，根据本发明的碳纤维的制造方法包括以下步骤：

a)将丙烯腈系聚合物溶液投入到包含沸点为180至210℃的二元醇系化合物的二元醇系化合物溶液中而沉淀丙烯腈系聚合物的步骤；

b)将上述丙烯腈系聚合物熔融纺丝而获得纺丝纤维的步骤；以及