[发明专利]碳纤维及其制造方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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(SiO_x)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si_xN_y)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。

有鉴于此，亟须提供一种碳纤维的制造方法，可维持原丝附油率，并可避免油剂残留于碳纤维内部，以同时避免单纤融着及燃烧的缺陷，且可制造具有高强度的碳纤维。

发明内容

本发明的一态样是提供一种碳纤维的制造方法，其借由调控油剂的表面张力与粒径的关系，来减少油剂渗透至碳纤维内部，以制得具有高强度的碳纤维。

本发明的另一态样是提供一种碳纤维，其借由上述态样所制得，而兼具有低油剂残留量及高强度的碳纤维。

根据本发明的一态样，提供一种碳纤维的制造方法。方法包含溶解聚丙烯腈共聚高分子于溶剂中，以获得纺丝原液。接着，对纺丝原液进行凝丝工艺，以获得丝束。然后，利用油剂对丝束进行上油工艺，以获得附油原丝。该油剂的表面张力(σ)与油剂粒径(R)的关系符合下式：20σ+(R/2)^0.560。对附油原丝进行干燥致密工艺，以获得碳纤原丝。接着，对碳纤原丝进行烧成工艺，以获得碳纤维。

根据本发明的一实施例，上述聚丙烯腈共聚高分子的极限粘度为1.5至3.5。

根据本发明的一实施例，上述丝束的孔径为20nm至140nm。

根据本发明的一实施例，上述油剂包含硅油、水及乳化剂。

根据本发明的一实施例，上述油剂粒径为10nm至500nm。

根据本发明的一实施例，上述表面张力为20mN/m至70mN/m。