用于由低多分散性聚丙烯腈制备碳纤维的方法技术

本披露涉及一种用于特别是通过在凝固浴中在约5至约60的喷头拉伸下纺丝聚合物溶液而生产一种或多种碳纤维前体纤维的方法，其中聚合物具有小于或等于2的多分散性(PDI)。所生产的一种或多种碳纤维前体纤维可以用于生产碳纤维、典型地是用于制造复合材料的碳纤维。典型地是用于制造复合材料的碳纤维。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于由低多分散性聚丙烯腈制备碳纤维的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年5月2日提交的美国临时申请号62/842,138的优先权，将该申请的全部内容通过此援引明确并入本申请。


[0003]本披露总体上涉及由低多分散性的基于聚丙烯腈的聚合物制备碳纤维前体纤维。通过所述方法制备的碳纤维前体纤维可以被引入用于生产碳纤维、典型地用于制造复合材料的碳纤维的方法中。

技术介绍

[0004]碳纤维因为其令人希望的特性如高强度和刚度、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。
[0005]来自丙烯腈的碳纤维总体上是通过一系列制造步骤或阶段来生产的，这些步骤或阶段包括聚合反应、纺丝、拉制和/或冲洗、氧化和碳化。聚丙烯腈(PAN)聚合物目前是最广泛使用的用于碳纤维的前体。在聚合阶段期间，任选地具有一种或多种共聚单体的丙烯腈(AN)转化为PAN聚合物。
[0006]由于超过90％的碳纤维衍生自PAN聚合物，因此重要的是确定影响下游过程的聚合物特性中的可控参数，其目的是实现碳纤维、尤其是大丝束碳纤维的更快的生产、更低的成本和/或更容易制造。在将PAN聚合物“原液”纺丝成碳纤维前体纤维(也称为“白色纤维”)时，一个重要的问题是粘性原液溶液的可加工性。通常，在纺丝(特别是气隙纺丝)中使用的条件(如喷射速度和喷丝头设计)受到聚合物承受此类条件的能力的限制。例如，由于气隙中的长丝强度限制、防止湿面能力限制以及在较高的毛细管密度下(典型的>3,000根长丝气隙纺丝)长丝对长丝干扰的趋势，通过气隙纺丝一次纺丝超过3,000根长丝一直是一个挑战。
[0007]因此，对于制备碳纤维前体纤维的方法存在持续需要，这些方法在更高丝束支数下具有承受喷头拉伸的能力，而没有浴湿面和长丝对长丝干扰，尤其是对于大丝束(>3,000根长丝)的气隙纺丝，并且这些方法为重新设计在毛细管中具有更低的L/D的喷丝头以在喷丝头处具有更小的压力提供了机会。

技术实现思路

[0008]这一目的以及将从以下详细说明变得明显的其他目的通过本披露的方法的全部或部分来实现。
[0009]在第一方面，本披露涉及一种用于生产一种或多种碳纤维前体纤维的方法，该方
法包括：
[0010]在凝固浴中在约5至约60的喷头拉伸下纺丝聚合物溶液——其中该聚合物具有小于或等于2的多分散性(PDI)，由此产生该一种或多种碳纤维前体纤维。
[0011]在第二方面，本披露涉及一种用于生产碳纤维的方法，该方法包括：
[0012]1)根据本文所述的方法生产碳纤维前体纤维；
[0013]2)通过一个或多个拉制浴和洗涤浴来拉制步骤1)中生产的碳纤维前体纤维，由此形成基本上不含溶剂的拉制的碳纤维前体纤维；以及
[0014]3)将步骤2)的拉制的碳纤维前体纤维氧化以形成稳定化的碳纤维前体纤维并且然后将该稳定化的碳纤维前体纤维碳化，由此产生碳纤维。
具体实施方式
[0015]如本文使用的，除非另外说明，否则术语“一个/一种(a/an)”、或“所述(the)”意指“一个/一种或多个/多种”或“至少一个/一种”并且可互换地使用。
[0016]如本文使用的，术语“包含(comprises)”包括“主要由
……
组成(consists essentially of)”和“由
……
组成(consists of)”。术语“包含(comprising)”包括“主要由
……
组成(consisting essentially of)”和“由
……
组成(consisting of)”。
[0017]除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与由本说明书涉及的领域中的技术人员通常理解的相同的含义。
[0018]如本文使用的，并且除非另外指明，否则术语“约”或“近似地”意指如由本领域普通技术人员确定的特定值的可接受的误差，其部分取决于如何测量或确定该值。在某些实施例中，术语“约”或“近似地”意指在1、2、3、或4个标准差内。在某些实施例中，术语“约”或“近似地”意指在给定的值或范围的50％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、或0.05％内。
[0019]另外，应理解本文列举的任何数值范围旨在包括其中包括的全部子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括在并且包括所列举的最小值1与所列举的最大值10之间的全部子范围；即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。因为所披露的数值范围是连续的，所以它们包括在最小值与最大值之间的每个值。除非另外清楚地指明，否则在本申请中指定的各种数值范围是近似值。
[0020]本披露的第一方面涉及一种用于生产一种或多种碳纤维前体纤维的方法，该方法包括：
[0021]在凝固浴中在约5至约60的喷头拉伸下纺丝聚合物溶液——其中该聚合物具有小于或等于2的多分散性(PDI)，由此产生该一种或多种碳纤维前体纤维。
[0022]如本文使用的，术语“前体纤维”是指包含聚合物材料的纤维，该纤维在施加足够的热量时可以被转化为具有按重量计约90％或更大并且特别是约95％或更大的碳含量的碳纤维。此类纤维也被称为“白色纤维”。
[0023]本文所述方法中使用的聚合物溶液包含基于聚丙烯腈的聚合物、典型地具有小于或等于2的多分散性(PDI)的基于聚丙烯腈的聚合物，以及用于所述聚合物的溶剂。
[0024]该基于聚丙烯腈的聚合物可以是均聚物或可以包含衍生自共聚单体的重复单元。此类重复单元可以衍生自合适的共聚单体，这些共聚单体包括但不限于基于乙烯基的酸，
如甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸(AA)、和衣康酸(ITA)；基于乙烯基的酯，如甲基丙烯酸酯(MA)、丙烯酸乙酯(EA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸β
‑
羟乙酯、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯、丙烯酸2
‑
乙基己酯、乙酸异丙酯、乙酸乙烯酯(VA)、和丙酸乙烯酯；乙烯基酰胺，如乙烯基咪唑(VIM)、丙烯酰胺(AAm)、和二丙酮丙烯酰胺(DAAm)；乙烯基卤化物，如烯丙基氯、溴乙烯、氯乙烯和偏二氯乙烯；乙烯基化合物的铵盐和磺酸的钠盐，如尤其是乙烯基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠(SSS)、甲代烯丙基磺酸钠(SMS)、和2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙烷磺酸钠(SAMPS)。
[0025]在实施例中，该聚合物包含衍生自丙烯腈和一种或多种共聚单体的重复单元，该一种或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生产一种或多种碳纤维前体纤维的方法，该方法包括：在凝固浴中在约5至约60的喷头拉伸下纺丝聚合物溶液——其中该聚合物具有小于或等于2的多分散性(PDI)，由此产生该一种或多种碳纤维前体纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其中，该喷头拉伸是从约10至约20、典型地从约10至约15。3.根据权利要求1所述的方法，其中，该喷头拉伸是从约35至约50、典型地从约40至约50。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的方法，其中，该聚合物具有小于或等于1.7、典型地小于或等于1.6的多分散性(PDI)。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其中，该聚合物是基于聚丙烯腈的聚合物。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，该聚合物包含衍生自和一种或多种共聚单体的重复单元，该一种或多种共聚单体选自由以下组成的组：甲基丙烯酸(MAA)，丙烯酸(AA)，衣康酸(ITA)，基于乙烯基的酯，典型地，甲基丙烯酸酯(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、乙酸乙烯酯(VA)、丙烯酸乙酯(EA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)；以及其他乙烯基衍生物，典型地，乙烯基咪唑(VIM)、丙烯酰胺(AAm)和双丙酮丙烯酰胺(DAAm)；及其混合物。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的方法，其中，该凝固浴包含20wt％至85wt％的一种或多种溶剂、典型地75wt％至85wt％的一种或多种溶剂，余量是非溶剂。8.根据权利要求7所述的方法，其中，该一种或多种溶剂选自由以下组成的组：二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、碳酸亚乙酯(EC)、氯化锌(ZnCl2)/水以及硫氰酸钠(NaSCN)/水。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的方法，其中，该凝固浴的温度是从0℃至80℃、典型地从0℃至20℃。10.根据权利要求1
‑
9中任一项所述的方法，其中，该纺丝用喷丝头进行，该喷丝头具有大于或等于1000个毛细管的喷丝头...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：塞特工业公司，
类型：发明
国别省市：