CN104047072B - 碳纤维的纺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维的纺丝装置。此碳纤维的纺丝装置包含挤出部件、收卷轮及保温部件。挤出部件包含加热腔体、模头及过滤部件，且用以挤出形成沥青基碳纤维，其中沥青基碳纤维的形成方向平行于熔融沥青原料的挤出方向。过滤部件设置于模头中，且收卷轮用来卷收沥青基碳纤维。保温部件含有至少三个加热电偶，其中每一个加热电偶具有相对的第一端及第二端，第一端朝向模头，而第二端朝向收卷轮，且每一个加热电偶平行于形成方向。每一个加热电偶的第二端与收卷轮间相距有距离，且此距离用来冷却沥青基碳纤维。

Description

碳纤维的纺丝装置

技术领域

本发明是有关于一种纺丝装置，且特别是有关于一种碳纤维的纺丝装置。

先前技术

随着材料科学的进步，工业上常藉由结合数种材料来制备复合材料，以使所制备的复合材料可同时兼具数种材料的优点，其中较常见的复合材料即系利用碳纤维的高强度及高模数的特性来补强高分子材料，以形成碳纤维补强高分子(CarbonFiberReinforcedPolymer；CFRP)。由于CFRP兼具高分子材料及碳纤维的特性，因此CFRP已广泛被应用于各种领域中。

然而，碳纤维的直径及长度对于碳纤维的特性有极大的影响，因此于碳纤维的制作过程中，原料的成份及制作条件均会影响碳纤维的直径及长度，进而影响碳纤维的特性。

根据碳纤维的制造原料的不同，碳纤维材料可分类为聚丙烯腈基碳纤维(polyacrylonitrilecarbonfiber)及沥青基碳纤维(pitchcarbonfiber)，其中聚丙烯腈基碳纤维于模数为200Gpa时，具有较佳的强度，然而随着聚丙烯腈基碳纤维的模数增加时，其强度则会随之下降，且聚丙烯腈基碳纤维的最高模数仅可达600GPa。相较之下，沥青基碳纤维的模数则可达到石墨的理论模数(1000GPa)，且沥青基碳纤维具有较佳的热传导性与导电性。

然而，于沥青基碳纤维的制作过程中，由于所使用的沥青原料的分子量分布极广且成份不一，因此沥青原料所含的杂质常造成沥青基碳纤维产生缺陷。再者，沥青原料含有坚硬的芳香族成分，使得沥青基碳纤维于制作过程中易产生不连续相，导致沥青基碳纤维无法形成连续长碳纤，而影响沥青基碳纤维的特性。

有鉴于此，亟须提供一种碳纤维的纺丝装置，以改善周知的纺丝装置的缺陷，从而提供具有良好性质的连续长碳纤维。

发明内容

因此，本发明的一实施方案是提供一种碳纤维的纺丝装置，其利用保温部件来加热保温沥青基碳纤维，以产生定向机制，从而可消除沥青基碳纤维于纺丝过程所产生的中间相，进而可形成沥青基碳纤维的连续长碳纤维，因此可提升沥青基碳纤维的性质。

根据本发明的上述实施方案，提出一种碳纤维的纺丝装置。在一实施例中，此碳纤维的纺丝装置包含挤出部件、收卷轮及保温部件，其中挤出部件用以挤出形成沥青基碳纤维，且挤出部件包含加热腔体、模头及过滤部件。加热腔体用以熔融沥青原料，并形成熔融沥青原料，其中沥青原料具有软化温度。上述的模头用以使熔融沥青原料形成沥青基碳纤维，其中沥青基碳纤维的形成方向平行熔融沥青原料的挤出方向。过滤部件设置于模头中，以过滤熔融沥青原料，且收卷轮用以卷收沥青基碳纤维。前述的保温部件含有至少三个加热电偶，每一加热电偶具有相对的第一端与第二端，其中第一端朝向模头，而第二端朝向收卷轮，且每一个加热电偶平行于形成方向，且沥青基碳纤维至每一个加热电偶的距离是相等的，其中第二端与收卷轮间相距有一距离，用以冷却沥青基碳纤维。上述的保温部件是用来使沥青基碳纤维产生定向机制，而沥青基碳纤维的直径大于或等于10μm且小于或等于50μm，且沥青基碳纤维的长度大于10000米。

依据本发明一实施例，上述的熔融沥青原料是熔融煤焦油沥青或熔融石油沥青。

依据本发明另一实施例，上述的模头是漏斗状模头。

依据本发明又一实施例，上述的过滤部件是滤网。

依据本发明再一实施例，上述的滤网的材料是金属铝。

依据本发明再一实施例，软化温度为大于或等于250℃且小于或等于350℃。

依据本发明再一实施例，加热腔体的温度为大于或等于(软化温度＋20℃)且小于或等于(软化温度＋80℃)。

依据本发明再一实施例，上述的加热电偶的温度为大于或等于(软化温度－200℃)且小于或等于(软化温度－50℃)。

依据本发明再一实施例，上述的收卷轮的材料为金属。

依据本发明再一实施例，上述的收卷轮的材料为高分子材料。

依据本发明再一实施例，于20℃且频率为1kHz时，前述的高分子材料的介电常数为大于或等于1.5且小于或等于12。

依据本发明再一实施例，前述的高分子材料可包含但不限于酚醛树脂、尼龙、聚碳酸酯树脂、聚乙烯对苯二甲酸酯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚酰胺高分子、压克力塑料、有机玻璃(Plexiglas)、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化高分子、氯化塑料以及上述材料的任意组合。

依据本发明再一实施例，上述的氟化高分子可包括但不限于氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinatedethylene-propylene；FEP)、聚三氟氯乙烯(polycholorotrifluoro-ethylene；PCTFE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、聚氟乙烯(polyvinylfluoride；PVF)、聚二氟乙烯(polyvinylidenefluoride；PVDF)以及上述材料的任意组合。

依据本发明再一实施例，上述的氯化塑料可包括但不限于聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯(polyvinylidenechloride；PVDC)以及上述材料的任意组合。

公开了本发明的碳纤维的纺丝装置，其利用保温部件来加热沥青基碳纤维，使得沥青基碳纤维形成延伸的效果，以产生定向机制，从而可提升沥青基碳纤维的定向性，进而可提升沥青基碳纤维的性能。

再者，本发明利用高分子材料制成的收卷轮来卷收沥青基碳纤维，并藉由卷收所产生的静电来吸附沥青基碳纤维，从而可使沥青基碳纤维集中不易飘散，进而可避免沥青基碳纤维因收卷轮的卷动而断裂。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1为绘示依照本发明的一实施例的碳纤维的纺丝装置的剖视图。

图2为绘示依照本发明的一实施例的碳纤维的纺丝装置的正视图。

图3为绘示沿着图2中剖面线A-A剖切的一种碳纤维的纺丝装置的剖视图。

图4为显示本发明的应用例2的沥青基碳纤维的扫描式电子显微镜图。

图5为显示本发明的应用例2的沥青基碳纤维的扫描式电子显微镜图。

实施方式

以下仔细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的发明概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论的特定实施例仅供说明，并非用以限定本发明的范围。

请参照图1与图2，其分别绘示依照本发明的一实施例的碳纤维的纺丝装置100的剖视图与正视图。纺丝装置100包含支架102、挤出部件200、收卷轮400、保温部件500与马达700。挤出部件200设置于支架102上，并用以挤出形成沥青基碳纤维300，且挤出部件200包含加热腔体202、模头204与过滤部件206。加热腔体202用以熔融沥青原料，并形成熔融沥青原料，其中沥青原料具有软化温度。前述的沥青原料可为煤焦油沥青或石油沥青，且沥青原料的软化温度可大于或等于250℃且小于或等于350℃。加热腔体的温度则可大于或等于(软化温度＋20℃)且小于或等于(软化温度＋80℃)。前述的模头204用以使熔融沥青原料形成沥青基碳纤维300，其中沥青基碳纤维300的形成方向平行熔融沥青原料的挤出方向204a。模头204为漏斗状模头或其它具有适当形状的模头，以使熔融沥青原料的成份进行定向，而有利于形成连续长碳纤维。过滤部件206则设置于模头204中，以过滤熔融沥青原料因高温产生的沥青焦结物。过滤部件206可为滤网，且此滤网的材料为金属材料例如铝、不锈钢等。收卷轮400用来卷收沥青基碳纤维300。收卷轮400的材料可为金属材料、高分子材料、其它合适的材料及上述材料的任意组合。倘若收卷轮400的材料为高分子材料时，于20℃且频率为1kHz的环境下，此高分子材料的介电常数可大于或等于1.5且小于或等于12。前述的高分子材料可包含但不限于酚醛树脂、尼龙、聚碳酸酯树脂、聚乙烯对苯二甲酸酯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚酰胺高分子、压克力塑料、有机玻璃、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化高分子、氯化塑料以及上述材料的任意组合。前述的氟化高分子可包含但不限于氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯、聚二氟乙烯以及上述材料的任意组合。上述的氯化塑料则可包含但不限于聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯以及上述材料的任意组合。

前述的保温部件500包含至少三个加热电偶502与弧形板504。每一个加热电偶502为分别以焊接、锁附、卡固及其它可达到固定的方式固定于弧形板504上，弧形板504则为藉由支撑架506固定于支架102上，其中支撑架506可以焊接、锁附、卡固及其它可达到固定的方式来固定于支架102上。每一个加热电偶502具有相对的第一端502a与第二端502b，其中第一端502a朝向模头204，第二端502b朝向收卷轮400，且每一个加热电偶502为平行于沥青基碳纤维300的形成方向300a。加热电偶502的第二端502b与收卷轮400间则相距有距离600，用来冷却沥青基碳纤维300，以避免沥青基碳纤维300黏附在一起。这些加热电偶502的温度可为大于或等于(软化温度－200℃)且小于或等于(软化温度－50℃)。前述的马达700则透过转轴702来转动收卷轮400，以达到卷收沥青基碳纤维300的目的。

沥青原料由于具有较多的芳香族成份，而造成沥青原料于纺丝过程易受到这些坚硬的芳香族成份的影响而产生相分离的情形，进而使得所形成的沥青基碳纤维无法形成连续相，容易断丝，因此无法形成长碳丝。上述的加热电偶502则为于不接触沥青基碳纤维的情形下，藉由加热保温，使得前述的沥青基碳纤维300产生延伸的效果，从而使得沥青基碳纤维的坚硬成份产生定向机制，进而可消除相分离的情形，因此可形成连续长碳纤维。

请参照图3，其为绘示沿着图2中剖面线A-A剖切的一种碳纤维的纺丝装置的剖视图。保温部件500的加热电偶502分别固定于弧形板504上，而弧形板504则藉由支撑架506固定于支架102上，其中沥青基碳纤维300至每一个加热电偶502的距离300b、300c及300d为相等的。

根据上述的本发明的碳纤维的纺丝装置所制得的沥青基碳纤维的直径可大于或等于10μm且小于或等于50μm，且沥青基碳纤维的长度大于10000米。

在一些应用例中，本发明将软化温度约70℃且喹咛不溶物小于1%的煤焦油沥青原料，于300℃至350℃的高温釜中进行改质，而形成软化温度为286℃(应用例1)、268℃(应用例2)、268℃(应用例3)、318℃(比较例1)与288℃(比较例2)的沥青原料。然后，分别于1000s^-1至10000s^-1的范围内测定应用例1至3及比较例1与2的沥青原料的动态黏度。其结果如表1所示。

然后，将前述的沥青原料藉由本发明的碳纤维的纺丝装置进行纺丝，量测其连续碳纤维的长度与直径，并观察其收卷状况，其中应用例1至应用例3的加热电偶的温度设定为150℃，而比较例1与比较例2则未开启加热电偶。前述的量测结果如表1所示，其中「○」代表沥青基碳纤维卷收于收卷轮时，碳纤维集中不飘散，而「╳」代表沥青基碳纤维卷收于收卷轮时，碳纤维为飘散且不易集中的。

请参照图4、图5及表1的结果，其中图4与图5均为显示本发明的应用例2的沥青基碳纤维的扫描式电子显微镜图，其中比例尺规的长度分别代表200μm及50μm。应用例1至应用例3的沥青基碳纤维可形成的连续碳纤维长度大于10000米，且其碳纤维直径可缩减至35μm与10μm至12μm。然而，比较例1与比较例2可形成的连续碳纤维长度仅可达到1000至1500米，而其碳纤维的直径仅可缩小至100μm。因此，根据表1的结果可知，开启保温部件的加热电偶可使沥青基碳纤维产生延伸的效果，从而可形成定向机制，进而有利于形成连续长碳纤维。

再者，依据应用例2与应用例3的收卷状况的结果可知，应用例2的沥青基碳纤维无法集中卷收于金属收卷轮上，而应用例3利用高分子材料制成的收卷轮来卷收沥青基碳纤维，并藉由卷收所产生的静电来吸附沥青基碳纤维，从而可使沥青基碳纤维集中于收卷轮上。

由本发明上述实施例可知，本发明的碳纤维的纺丝装置利用保温部件于不接触沥青基碳纤维的状况下对碳纤维进行加热保温，使沥青基碳纤维产生延伸的效果，并形成定向机制，从而可提升沥青基碳纤维的定向性，进而可形成连续长碳纤维，因此可提升沥青基碳纤维的性质。

再者，本发明的碳纤维的纺丝装置藉由高分子材料所制成的收卷轮来卷收沥青基碳纤维，并利用卷收所产生的静电来吸附沥青基碳纤维，从而可使沥青基碳纤维集中于收卷轮上，进而可避免沥青基碳纤维因收卷轮的卷动而断裂。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的申请专利范围所界定者为准。

表1

主要组件符号说明

。

Claims (14)

1.一种碳纤维的纺丝装置，包含：

挤出部件，以挤出形成沥青基碳纤维，包含：

加热腔体，用以熔融沥青原料，并形成熔融沥青原料，其中该沥青原料具有软化温度；

模头，用以使该熔融沥青原料形成该沥青基碳纤维，其中该沥青基碳纤维的形成方向平行该熔融沥青原料的挤出方向；以及

过滤部件，设于该模头中，以过滤该熔融沥青原料；

收卷轮，用以卷收该沥青基碳纤维；以及

保温部件，含有至少三个加热电偶，其中每一个所述加热电偶具有相对的第一端与第二端，该第一端朝向该模头，该第二端朝向该收卷轮，而每一个所述加热电偶平行于该形成方向，且该沥青基碳纤维至每一个所述加热电偶的距离为相等的，其中该第二端与该收卷轮间相距有一距离，用以冷却该沥青基碳纤维，且

其中该保温部件用以使该沥青基碳纤维产生定向机制，从而该沥青基碳纤维的直径为大于或等于10μm且小于或等于50μm，且该沥青基碳纤维的长度大于10000米。

2.如权利要求1所述的碳纤维的纺丝装置，其中该沥青原料为煤焦油沥青或石油沥青。

3.如权利要求1所述的碳纤维的纺丝装置，其中该模头为漏斗状模头。

4.如权利要求1所述的碳纤维的纺丝装置，其中该过滤部件为滤网。

5.如权利要求4所述的碳纤维的纺丝装置，其中该滤网的材料为金属铝。

6.如权利要求1所述的碳纤维的纺丝装置，其中该软化温度为大于或等于250℃且小于或等于350℃。

7.如权利要求6所述的碳纤维的纺丝装置，其中该加热腔体的温度为大于或等于该软化温度＋20℃且小于或等于该软化温度＋80℃。

8.如权利要求6所述的碳纤维的纺丝装置，其中所述加热电偶的温度为大于或等于该软化温度－200℃且小于或等于该软化温度－50℃。

9.如权利要求1所述的碳纤维的纺丝装置，其中该收卷轮的材料为金属。

10.如权利要求1所述的碳纤维的纺丝装置，其中该收卷轮的材料为高分子材料。

11.如权利要求10所述的碳纤维的纺丝装置，其中于20℃且频率为1kHz时，该高分子材料的介电常数为大于或等于1.5且小于或等于12。

12.如权利要求11所述的碳纤维的纺丝装置，其中该高分子材料选自于由酚醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚乙烯对苯二甲酸酯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚酰胺高分子、压克力塑料、有机玻璃(Plexiglas)、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化高分子、氯化塑料以及上述的任意组合所组成的一族群。

13.如权利要求12所述的碳纤维的纺丝装置，其中该氟化高分子选自于氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinatedethylene-propylene；FEP)、聚三氟氯乙烯(polycholorotrifluoro-ethylene；PCTFE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、聚氟乙烯(polyvinylfluoride；PVF)、聚二氟乙烯(polyvinylidenefluoride；PVDF)以及上述的任意组合所组成的一族群。

14.如权利要求12所述的碳纤维的纺丝装置，其中该氯化塑料选自于聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯(polyvinylidenechloride；PVDC)以及上述的任意组合所组成的一族群。