碳纤维的制造方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维的制造方法
本专利技术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。
技术介绍
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；OakRidgeNationalLab)，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。
技术实现思路
为了解决如上所述的问题，本专利技术提供能够进行熔融纺丝(meltspinning)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，本专利技术提供具有优异的机械物性并与通过湿纺(wetspinning)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，本专利技术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，根据本专利技术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。根据本专利技术的一实施方式的上述二元醇系化合物可以为C2-C10烷撑二醇。根据本专利技术的一实施方式的上述二元醇系化合物可以为选自乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇和己二醇中的任一种或两种以上的混合物。根据本专利技术的一实施方式的上述丙烯腈系聚合物可以包含由丙烯腈单体和丙烯酸系单体衍生的重复单元。根据本专利技术的一实施方式的上述b)步骤之后，可以将纺丝纤维以卷绕速度100至3000m/min进行卷绕。根据本专利技术的一实施方式的上述纺丝纤维在卷绕之后，平均直径可以为1至50μm。根据本专利技术的一实施方式的上述丙烯腈系聚合物可以包含丙烯腈单体50至97摩尔％和丙烯酸系单体3至50摩尔％的重复单元。根据本专利技术的一实施方式的上述a)步骤之后，可以进一步包括干燥步骤。根据本专利技术的一实施方式的上述干燥之后，丙烯腈系聚合物相对于总重量，可以包含5至15重量％的二元醇系化合物。根据本专利技术的一实施方式的上述b)步骤之后，可以进一步包括拉伸纺丝纤维的步骤。根据本专利技术的一实施方式的上述拉伸可以在100至250℃中进行。根据本专利技术的一实施方式的上述c)步骤中，稳定化可以在120至300℃中进行。根据本专利技术的一实施方式的上述c)步骤中，碳化可以在非活性气体气氛下在800至3000℃中进行。根据本专利技术的碳纤维由丙烯腈系聚合物制造，维持高的拉伸强度、拉伸弹性模量和伸长率等机械物性的同时，与用湿纺或干纺制造的碳纤维相比，具有可以提高价格竞争力的优点。另外，根据本专利技术的碳纤维可以实现优异的热稳定性和电导率，具有可以提高向纤维轴方向的结晶性的优点。另外，根据本专利技术的碳纤维的制造方法能够以与湿纺相比增加7倍以上、进一步优选增加10倍以上的卷绕速度卷绕纺丝纤维，因此具有高的生产率以及可以提高基于纺丝纤维的轴向的结晶性和高分子链取向性的优点。另外，根据本专利技术的碳纤维的制造方法可以将用于制造碳纤维的前体纺丝纤维的平均直径实现为50μm，进一步优选为20μm以下，因而具有能够将碳纤维细纤化的优点。具体实施方式下面通过实施例对根据本专利技术的碳纤维的制造方法更详细地进行说明。但下述实施例仅是用于详细地说明本专利技术的参考，本专利技术并不限定于此，可以实现成多种形态。此外，只要没有其他定义，所有技术术语和科学术语具有与由本领域技术人员中的一者通常理解的意思相同的意思。在本申请中用于说明的术语只是为了有效地记载特定的实施例，并不旨在限定本专利技术。本说明书中的术语“亚烷基”是指由仅以碳和氧原子构成的饱和烃衍生的2价的有机基团。本说明书中的术语“纺丝纤维”是指熔融纺丝后卷绕得到纺丝纤维，“前体纺丝纤维”是指成为稳定化·碳化纤维之前的拉伸的纤维。用于达到上述目的的本专利技术涉及碳化纤维的制造方法。具体说明本专利技术如下所示。根据本专利技术的碳纤维的制造方法包括：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。现有的丙烯腈系聚合物的熔点具有比聚合物的分解温度高的值，因此不能进行熔融纺丝。因此，碳纤维只能是由丙烯腈系聚合物通过湿纺或干纺制造。用如此的方法制造的碳纤维的机械物性优异，但纺丝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维的制造方法，包括以下步骤：/na)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；/nb)将所述丙烯腈系聚合物熔融纺丝而获得纺丝纤维的步骤；以及/nc)将所述纺丝纤维进行稳定化和碳化而获得碳纤维的步骤。/n

【技术特征摘要】
20190531 KR 10-2019-0064909;20190731 KR 10-2019-001.一种碳纤维的制造方法，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)将所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)将所述纺丝纤维进行稳定化和碳化而获得碳纤维的步骤。


2.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其中，所述二元醇系化合物为C2-C10烷撑二醇。


3.根据权利要求2所述的碳纤维的制造方法，其中，所述二元醇系化合物为选自乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇和己二醇中的任一种或两种以上的混合物。


4.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其中，所述丙烯腈系聚合物包含从丙烯腈单体和丙烯酸系单体衍生的重复单元。


5.根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其中，在所述b)步骤之后，进一步包括将纺丝纤维以卷绕速度100至3000m/min...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹昌铉，禹昶世，梁甲承，任昌夏，崔宣昊，金弘敏，吴敬爱，金恩鋕，
申请(专利权)人：HPK有限公司，
类型：发明
国别省市：韩国;KR