[发明专利]以鞘蕊型熔融抽丝制造极微细碳纤维的方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种鞘蕊型(Sheath & Core)熔融抽丝制造极微细碳纤维的制法，尤指一种极细微的碳纤维与活性碳纤维的制造方法。

背景技术

碳纤维以其具有优越的机械特性、尤其以比强度、比弹性模数较高的特征，正被广用于航天用途、休闲器材、一般产业用途等方面。然而其性能随着用途的不同而仍嫌不足，对需具有高强度、微细且质轻、导热性及导电性良好、可广泛运用于强化复合材料补强材、储氢材料、锂离子电池电极、超高电容器或过滤用途等高性能的微细碳纤维或活性碳纤维的开发的需求也正日益增加着。

因此，以赋予机能性为目的而以微粒子等的形态混合不同种化合物至碳纤维内部的技术(日本特公昭61-58404号公报、特开平2-251615号公报、特开平4-272236号公报)或使各种树脂与聚丙烯腈系聚合物混合的技术(日本特开平5-195324号公报、台湾专利公告编号561207)，再于真空中使固态或气态的原子或分子离子化并藉由电场加速使注入碳纤维的表层部，对表层构造进行改质的技术(日本特开平3-180514号公报)等均有提出专利申请。

然而，对上述含有微粒子的碳纤维而言，微粒子以杂质异物散布于单纤内部的全体内而作用着，在制丝及烧成步骤中常造成断纱等，使成形性降低，成为使拉伸强度等机械特性降低的原因。另外，至于使压缩强度提升的一种手段，已知降低正构成碳纤维的石墨结晶的尺度并提升石墨结晶间的剪断强度或横向强度是有效的，但若混合已含有金属元素的微粒子时，则由于触媒石墨化作用反而使结晶成长而也有不利于压缩强度的情形。

因此，以不采用微粒子而改质碳纤维的微细构造的目的，将各种树脂混入聚丙烯腈系聚合物等方法虽被尝试着，但欲得均匀的构造的碳纤维是困难的，且常导致强度的降低。又，将杂质元素离子植入碳纤维并改质表质层的构造的技术，虽被认为有提升碳纤维的基本特性的功效，但需要在真空下的处理且未能制得微细碳纤维，并未达工业规模制造的地步。

又有以气相生成法制造奈米级碳纤维的技术在台湾专利公告编号73021被提及，此种气相生成法是在高温时使含碳类气体于金属触媒上热分解而形成奈米碳纤维，利用此方法制得的奈米碳纤维，可利用极便宜的含碳类气体原料来生产奈米级架构的极细碳纤维，且可以一种单一步骤的制程制得。此种气相成长法又可称为化学气相沉积法(CVD)，但其制造时间长，产量少，尚需改良制法。

日本群马大学大谷朝男(Asao Oya)教授发表于日本机能材料2000年4月号(vol.20，No.4，Page 20-26)的极细碳纤维的开发技术，其利用可碳化及热易分解的聚合物以溶剂混掺成微粒，结合熔融抽丝及碳化的方法以制备极细碳纤维，其方法是以溶剂将可碳化聚合物溶解在溶剂中后再于可包覆于表面的另一聚合物溶液中形成微米大小颗粒，原料需先经过溶剂处理加工，制作过程复杂且易有环境污染问题产生。至于极细碳纤维的制备方面，前述大谷朝男教授在2000年发表的聚合物以溶剂混掺熔融抽丝法，是利用混掺可碳化及热易分解的聚合物，形成微粒再以熔融抽丝及碳化的方法来制备微细碳纤维，藉由溶剂制出小于数微米大小的酚醛聚合物，使包覆于聚乙烯聚合物内，除去溶剂形成酚醛-聚乙烯聚合物微珠。利用小于数微米大小的微珠、聚乙烯以3∶7的重量比例，以150℃熔融混合后经熔融方式抽丝，此纤维使于酸性的环境下稳定化，用氨水中和、去离子水洗及干燥等，如此而得的稳定化纤维具有数十微米的纤维直径，最后在600℃氮气下碳化10分钟，此种碳纤维经碳化后将聚乙烯分解而留下一束酚醛树脂衍生的极细碳纤维，纤维直径约为200-250奈米。此法须用溶剂将聚合物溶解后再使包覆于另一聚合物溶液中，而后除去溶剂形成微米大小颗粒，原料需先经过溶剂处理加工，生产过程复杂且易有环境污染问题。

日本公开特许公报特开2001-73226揭示酚醛系极细碳纤维制法，其以酚醛树脂与聚乙烯于混练温度120℃-160℃下混合一段时间后形成塑料粒，而后以120℃-200℃熔融纺丝成纤维为最佳制法，并于酸性环境96℃下浸渍24小时后，用氨水中和、去离子水洗及干燥等，如此而得的稳定化纤维具有数十微米的纤维直径，最后于氮气下600℃碳化10分钟，留下一束酚醛树脂衍生的极细碳纤维。此方式须于酚醛树脂与聚乙烯混练时需有一段混练时间，例如酚醛树脂与聚乙烯约100g时其混练时间约50分钟。

发明专利内容

本发明的目的在于提供一种极细微的碳纤维与活性碳纤维的制造方法，以解决上述习知技术产量少、生产步骤复杂且使用溶剂、生产时间较长、生产成本较高的缺点.。