[发明专利]聚烯烃衍生的含有硼的碳纤维

说明书

政府利益的陈述

本发明是在陶氏化学公司(TheDowChemicalCompany)与为美国能源部门(United StatesDepartmentofEnergy)运行的橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory) 的运行和管理承包商优特巴特有限责任公司(UT-Batelle，LLC)之间的NFE-10-02991 下进行。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及一种制备碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维服务不断增加的需要。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。制备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，被氧化和碳化。约50百分比的成本与聚合物本身和溶液纺丝的 成本相关。

在致力于生产低成本工业级别碳纤维中，各种群组研究了替代性前驱体聚合物和制 造碳纤维的方法。替代PAN纤维的前驱体己包括纤维素纱线、含氮多环聚合物和偶数 间距。从各不同前驱体制备碳纤维要承担对前驱体来说的独特挑战并且必须针对特定前 驱体的化学性质来设计各前驱体的碳化方法。

更近期的努力己包括使用稳定化聚烯烃(S-PO)纤维，例如磺化聚乙烯纤维来加工。 举例来说，US4070446和WO92/03601皆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纤维来制备碳纤维是相对新的技术 并且历史上己制备与来自其它己知前驱体的碳纤维相比具有较低抗张强度和杨氏模数 (Young'smodulus)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数，但也增加加工成本和复杂度。

使用PAN纤维加工己显示硼可以是用于石墨化碳纤维以增加纤维模数的有效催化 剂。然而，如以下参考文献披露，即使在纤维包括硼催化剂时，所需的石墨化温度仍非 常高。此外，参考文献披露硼实际上可引起拉伸强度降低，除非加热到超过2300℃。

雅文(YaWen)等人，材料和设计(MaterialsandDesign)36，728-734(2012)呈现 表明使用被处理的硼酸处理PAN纤维在加热到大于1250℃的温度之后引起杨氏模数增 加的资料，但纤维的拉伸强度降低，除非加热到超过2300℃的温度。

GB1295289报导硼可充当催化剂用于在1800-3200℃的温度范围下促进某些聚合物 纤维的快速石墨化。GB1295289识别如适合的前驱体纤维PAN、纤维素和含氮多环聚合 物纤维。通过实例展示当加热PAN纤维超过2200℃时，硼催化剂产生与在无硼的情况 下制备的类似纤维相比具有增加的杨氏模数的碳纤维。

其它文献还识别硼作为适合的石墨化催化剂，用于制备具有改良的特性(假设石墨 化温度超过2000℃)的石墨纤维。参见例如DE1949830A1、JP345777482、JP330342482 以及库柏(Cooper，GA)，迈尔(MayerRM)，材料科学杂志(JournalofMaterialsScience) 6(1971)60-67。

PAN纤维具有不同于S-PO纤维前驱体的化学结构。仍不清楚硼将以何种方式影响 S-PO纤维向碳纤维的转化，或其是否会影响这类转化。

需要提供一种方法，用于从S-PO纤维，例如磺化聚烯烃纤维产生碳纤维，在不需 要加热到超过2000℃或甚至1800℃的温度的情况下，增加所得碳纤维的杨氏模数并且 优选也增加拉伸强度。

发明内容

本发明为一种方法的需要提供一种解决方案，所述方法用于从稳定化聚烯烃纤维， 例如磺化聚烯烃纤维产生碳纤维，在不需要加热到超过2000℃或甚至1800℃的温度的 情况下，增加所得碳纤维的杨氏模数并且优选也增加拉伸强度。