[发明专利]由硅处理的聚烯烃前体纤维获得的碳纤维

说明书

背景技术

本发明涉及一种用于制造稳定纤维和碳纤维的方法。

碳纤维服务于不断增长的需求。世界碳纤维产量在2010年是40千公吨(KMT)并且预期将在2020年增长到150KMT。预测工业级别碳纤维将大大促进这一增长，其中低成本对应用来说是至关重要的。制造碳纤维的传统方法依赖于聚丙烯腈(PAN)，其被溶液纺丝成纤维形式，被加以氧化和碳化。碳纤维成本的大约50％是与聚合物本身的成本和溶液纺丝相关。

在致力于生产低成本工业级别碳纤维的过程中，各种群体研究了替代性前体聚合物和制造碳纤维的方法。替代PAN纤维的前体已包括纤维素纱线、含氮多环聚合物和沥青。由每一种不同前体制备碳纤维会带来对前体来说的独特挑战并且必须针对特定前体的化学性质来设计每一前驱体的碳化方法

近年来更多的努力包括使用稳定聚烯烃(S-PO)纤维，如磺化聚乙烯纤维来加工。举例来说，US 4,070,446和WO 92/03601都教示磺化聚乙烯纤维并且随后转化成碳纤维和甚至进一步转化成石墨化碳纤维的方法。使用S-PO纤维来制造碳纤维是相对较新的技术并且历史上已制造出与来自其它已知前体的碳纤维相比具有较低抗张强度和杨氏模量(Young's modulus)的碳纤维。S-PO纤维的高温石墨化(通常超过摄氏2000度(℃))可帮助增加所得碳纤维杨氏模量，但也会增加加工成本和复杂度。

在制造碳纤维中会使用润滑剂，如硅类润滑剂。当如在空气氧化方法之前或碳化方法之前添加到碳纤维方法中时，此类润滑剂已知为有利的。此类涂层公认为大体上不会渗透碳纤维的内部结构。

期望提供一种用于由S-PO纤维，如磺化聚烯烃纤维制造碳纤维的方法，在不需要加热到超过2000℃或甚至1800℃的温度的情况下，所述方法会增加所得碳纤维的杨氏模量并且优选也会增加抗张强度。

发明内容

含碳制品由聚烯烃制成制品制备。用硅源稳定和处理聚烯烃制成制品。在一种情况下，硅源为硅氧烷。在一种情况下，制成制品通过磺化来稳定。在一种情况下，含碳制品包含具有90-100重量％碳、0.1-1重量％硅、0.1-1重量％氮的纤维。

具体实施方式

当未使用测试方法编号指示日期时，测试方法是指截至本文档的优先权日期的最近期的测试方法。对测试方法的提及含有对测试协会和测试方法编号的提及。

“和/或”意指“和，或作为一个替代方案”。除非另外指明，否则所有范围都包括端点。

“弹性模量”和“杨氏模量”是可互换的。

本发明的方法适用于由稳定聚烯烃纤维制备碳纤维，优选石墨化纤维。

“碳纤维”为一种包含按纤维重量计，超过70wt％碳、优选80wt％碳或更高、更优选90wt％碳或更高的纤维，并且其中碳重量超过氢重量二十倍或更高，优选五十倍或更高。

“石墨纤维”是碳纤维的一种形式，这通过六方碳环的有序排列——晶体状结构和顺序来表征。随着六方环的量和组织配置在碳纤维中增加，碳纤维在本质上变成更多石墨。

“石墨化碳纤维”是显示一定程度的晶体状结构和顺序的碳纤维。

稳定聚烯烃(S-PO)纤维是已经化学改性以便通过热解重量分析在高达600℃的温度下经历按纤维重量计小于10重量％(wt％)，更优选小于5wt％或甚至更优选小于1wt％并且优选无可检测的烃损失的聚烯烃纤维。可通过交联、氧化(例如空气氧化)或磺化聚烯烃纤维将聚烯烃(PO)纤维转化成S-PO纤维。

经化学改性以便变成S-PO的聚烯烃纤维可以是聚烯烃均聚物或多聚物，包括包含烯烃及非烯烃的多聚物。本文中，「多聚物」是指具有超过一种类型的单体的聚合物，如共聚物、三元共聚物和更高级聚合物。合乎需要地，聚烯烃纤维是包含乙烯、丙烯、丁二烯和/或苯乙烯单元中的一个或任何组合或多于一个的均聚物或共聚物。