用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维以及制造该纤维的方法，其中，所述聚丙烯腈类前体纤维包含导电碳材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维以及制造该纤维的方法。
技术介绍
通常，碳纤维以如下方式制造：聚丙烯腈类前体纤维通过大约200℃至300℃的热处理进行耐火加工以使其分子结构环化，生成热稳定的氧化丙烯腈纤维(Oxi-PAN纤维)，然后在800℃以上的高温下通过热处理使之碳化，最终获得仅由碳组成的六方结构。在碳纤维的普通耐火加工中，如图1所示，用于碳纤维的聚丙烯腈(PAN)类前体通过三个或四个热处理步骤进行耐火加工。照此，单根聚丙烯腈类前体纤维由于热处理效应而从其表面到内部被热稳定化。根据传热速率和时间，前体纤维的表层通过与氧气接触和扩散被热稳定化并被耐火化。因此，所述前体纤维的结构为包括通过与氧气接触而进行热稳定和耐火的外部区域以及由于在耐火加工中氧气无法渗透进前体纤维中而只进行热稳定的内部区域。在所述耐火加工中发生热稳定过度的情况下，在前体中会形成孔洞或前体断裂。在此情况下，碳纤维的机械性能会劣化。另一方面，在发生热稳定不足的情况下，会发生由点火引起的纱线断裂。随着耐火温度降低，热稳定会变得更容易，但增加了加工时间。相反地，随着热稳定温度升高，纤维表层与内层之间的热稳定性差异会增加，从而促进气孔的产生。因此，即使当使用通常制备的相同的前体纤维时，机械强度也会根据耐火程度从1.0GPa至3.0Gpa广泛地变化。代替使用热空气的耐火加工，已经设计了使用例如等离子体的微波而只花费10分钟的耐火加工，但就耐火均匀性而言会遭受很多问题，使得它难以实现商业化。因此，对在制备用于碳纤维的前体时通过减少耐火处理时间产生经济效益的技术有迫切的需要。
技术实现思路
技术问题因此，本专利技术旨在提供一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维以及制造该纤维的方法，其中，可以在制造碳纤维时减少用于耐火加工的热处理时间。技术方案本专利技术的第一个实施方案提供了一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维，包含导电碳材料。在此实施方案中，所述导电碳材料可以包括选自碳黑、碳纳米管(CNT)、石墨烯以及氧化石墨烯中的至少一种。在此实施方案中，基于聚丙烯腈类前体纤维的总量，导电碳材料的使用量可以为0.03wt％至3.0wt％。在此实施方案中，所述导电碳材料可以具有3.5x10-5Ω-cm至103Ω-cm范围内的电阻率、95％以上的纯度以及0.1nm至200nm的粒径。在此实施方案中，所述聚丙烯腈类前体纤维可以具有0.8旦尼尔至2.0旦尼尔的单纱细度。本专利技术的第二个实施方案提供了一种制造用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维的方法，包括：制备聚丙烯腈类聚合物溶液；对包含聚丙烯腈类聚合物的纺丝溶液纺丝，由此获得纺成纤维(spunfiber)；在凝固液中从纺成纤维中提取溶剂，从而制造凝固纤维；用水清洗凝固纤维；拉伸凝固纤维；给凝固纤维上油；以及干燥凝固纤维，其中，在制备聚丙烯腈类聚合物溶液中，加入导电碳材料。在此实施方案中，在制备聚丙烯腈类聚合物溶液中，可以加入包含用于聚丙烯腈共聚物的单体的溶液和导电碳材料，然后聚合。在此实施方案中，基于所述聚丙烯腈类前体纤维的总量，导电碳材料的加入量可以为0.03wt％至3.0wt％。在此实施方案中，所述导电碳材料可以包括选自碳黑、CNT、石墨烯以及氧化石墨烯中的至少一种。在此实施方案中，所述导电碳材料可以具有3.5x10-5Ω-cm至103Ω-cm范围内的电阻率、95％以上的纯度以及0.1nm至200nm的粒径。在此实施方案中，所述拉伸可以以4至20的拉伸比来进行。有益效果根据本专利技术，用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维包含导电碳材料，该导电碳材料具有低热导率和电阻率，并且在碳化过程中不挥发，从而提高热量进入聚丙烯腈类前体纤维中的传导速率以快速实现热稳定化。在聚丙烯腈类前体纤维的生产过程中，可以减少耐火处理时间，并因此经济地制造碳纤维。附图说明图1说明了在用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维的传统生产中的耐火工艺。具体实施方式在下文中，将给出本专利技术的详细说明。本专利技术提出了一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维，该聚丙烯腈类前体纤维包含导电碳材料。如此处所使用，术语“导电碳材料”是指具有3.5x10-5Ω-cm至103Ω-cm的电阻率的碳材料。根据本专利技术，所述用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维包含含有聚丙烯腈类聚合物(可以缩写为“PAN类聚合物”)的聚合物，术语“聚丙烯腈类聚合物”表示包含丙烯腈作为主要成分的聚合物。具体地，基于单体组分的总量，可以使用优选为95mol％以上的丙烯腈。在本专利技术中，与例如聚丙烯腈(PAN)的用于碳纤维的有机前体相比，所述导电碳材料具有低热导率和电阻率，而且在碳化过程中不挥发。因此，当使用导电碳材料时，进入前体中的热量的传导速率会增加，从而快速地实现热稳定并减少耐火处理的时间，由此可以经济地制造碳纤维。所述碳材料可以包括选自碳黑、CNT、石墨烯以及氧化石墨烯中的至少一种。具体地，当加入CNT与石墨烯的混合物时，聚合物原液中的粒子分散性会增强，而且为了获得最佳的粒子分散，CNT与石墨烯的混合比可以从30wt％:70wt％至70wt％:30wt％变化。此外，基于聚丙烯腈类前体纤维的总量，导电碳材料的使用量可以为0.03wt％至3.0wt％。如果导电碳材料的量少于0.03wt％，所得物的导热性会差。相反地，如果该量超过3.0wt％，分散性会劣化。如此，要添加的导电碳材料的量可以根据它的种类来变化。所述导电碳材料起到快速地将外部热量转移至前体中以使得当从横截面观察时前体的内外层之间的耐火性差异最小化。此处，如果导电碳材料的量少于0.03wt％，导电碳材料的使用对传热率并没有实质性的提升。相反地，如果该量超过3.0wt％，导电碳材料的粒子分散性会变低，由于不均匀的分散，前体的强度会降低且加工性能会劣化，最后使得产量大幅度减少并因此抵消经济效益。所述导电碳材料具有3.5x10-5Ω-cm至103Ω-cm的电阻率。由于导电碳材料的电阻率降低，热导率会增加。但是导电碳材料的电阻率不能低于3.5x10-5Ω-cm。相反地，如果所述电阻率超过103Ω-cm，必须添加大量的导电碳材料，因此，由于耐火处理时间的减少的效果会被前体制备成本的增加抵消。作为典型的导体，银(Ag)具有1.47x10-3Ω-cm的电阻率，铜(Cu)具有1.72x10-3Ω-cm的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维，包含导电碳材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.21 KR 10-2013-0071558;2014.06.20 KR 10-2011.一种用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维，包含导电碳材料。
2.如权利要求1所述的聚丙烯腈类前体纤维，其中，所述导电碳材料包
括选自碳黑、碳纳米管(CNT)、石墨烯和氧化石墨烯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的聚丙烯腈类前体纤维，其中，基于所述聚丙烯腈
类前体纤维的总量，所述导电碳材料的用量为0.03wt％至3.0wt％。
4.如权利要求1所述的聚丙烯腈类前体纤维，其中，所述导电碳材料具
有3.5x10-5Ω-cm至103Ω-cm范围内的电阻率、95％以上的纯度以及0.1nm
至200nm的粒径。
5.如权利要求1所述的聚丙烯腈类前体纤维，具有0.8旦尼尔至2.0旦
尼尔的单纱细度。
6.一种制造用于碳纤维的聚丙烯腈类前体纤维的方法，包括：
制备聚丙烯腈类聚合物溶液；
对...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹浚荣，李泰翔，曺银静，
申请(专利权)人：可隆工业株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR