专利名称：聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料、碳纤维以及碳纤维的制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维，特别涉及一种由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管组成的复合材料所制成的碳纤维。
背景技术：
目前针对由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管组成的复合材料所制作的碳纤维用的原丝(precursor)以及其氧化纤维与碳纤维的研究已经有许多报导，如Sreekumar Τ. V.等人在Advanced Materials, 16,1, 58 (2004)中提及利用聚丙烯酸甲酯-丙烯腈共聚物 (poly (methyl acrylate-co-acrylonitrile)；简称 poly (MA—co—AN))与纳米碳管组成的复合材料进行纺丝制程，制作碳纤维用的原丝；Chae H.G.等人在Polymer，48，3781 Q007) 中提及利用poly(MA-co-AN)与纳米碳管组成的复合材料，以凝胶纺丝(gel spun)制程制作碳纤维用的原丝，以及其氧化纤维与碳纤维的制作。然而，上述聚丙烯腈基共聚物内不含酸的成分，而且纳米碳管会阻碍聚丙烯腈基共聚物的氧化反应，导致其制成的纤维原丝进行氧化制程形成氧化纤维时较耗时，且聚丙烯腈基共聚物的氧化率低。此外，其纳米碳管没有经过表面处理，在聚丙烯腈基共聚物中的分散性不佳。另外，HwangW. F.等人在国际专利号 WO 2008/054836 及 W02008/140533 中则提及利用发烟浓硫酸制作羧基或羟基化的纳米碳管，并利用该官能化纳米碳管与聚衣康酸-丙烯酸甲酯-丙烯腈共聚物(polyGtaconic acid-co-methyl acrylate-co-acrylonitrile)；简称 poly (IA-co-MA-co-AN))组成复合材料，以及由该复合材料制作的原丝及氧化纤维。虽然这种官能化纳米碳管在poly (IA-co-MA-co-AN)中具有良好的分散性，但是由于P0Iy(IA-C0-MA-C0-AN)内部含有酸性化合物，其纤维原丝容易与金属无机离子结合，使得后续制成的碳纤维产生较多的缺陷。本发明的发明人在中国专利申请号98146307中揭示一种聚丙烯腈基碳纤维的原丝，其原料为聚衣康酸二甲酯-丙烯腈共聚物(poly (dimethyl itaconate-co-acrylonitrile)；简称 poly (DMI-co-AN))，其内部不含酸性或碱性化合物， 但是所制作的纤维原丝在氧化制程中可产生类似酸催化或碱催化的效果，可在较低的氧化温度下进行氧化/环化反应，提高poly (DMI-co-AN)的氧化率，节省氧化时间。此外， poly(DMI-co-AN)原丝内部不含酸性或碱性化合物，可降低与金属无机离子的结合性，并降低所形成的碳纤维的缺陷数。
发明内容
本发明的实施例提供一种聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料，包括如式 (I)所示的聚丙烯腈基共聚物，
权利要求
1.一种聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料，包括如式(I)所示的聚丙烯腈基共聚物，
2.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料，其中所述纳米碳管的含量为聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的总重量的0. 01-20重量％。
3.根据权利要求2所述的聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料，其中所述纳米碳管的含量为聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的总重量的0. 1-12重量％。
4.根据权利要求3所述的聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料，其中所述纳米碳管的含量为聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的总重量的0. 3-6重量％。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料，其中所述纳米碳管包括单层或多层型纳米碳管，且所述纳米碳管表面的官能团包括羧基、羟基或酚基。
6.一种由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，包括提供纺丝液，其中该纺丝液包括如权利要求1所述的聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料；对该纺丝液进行湿式纺丝制程，形成纤维原丝；对该纤维原丝进行氧化制程，形成氧化纤维；以及对该氧化纤维进行热处理制程，形成碳纤维。
7.根据权利要求6所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法， 其中该湿式纺丝制程的温度介于60 85°C之间，该纺丝液中的溶剂包括二甲基亚砜、N， N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、硫氰酸钠、硝酸或其组合。
8.根据权利要求6所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该湿式纺丝制程的温度介于20 98°C之间，且该纺丝液中的溶剂的浓度介于5 80%。
9.根据权利要求7所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法， 其中该湿式纺丝制程的温度介于30 90°C之间，且该纺丝液中的溶剂的浓度介于10 75%。
10.根据权利要求9所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该湿式纺丝制程的温度介于40 85°C之间，且该纺丝液中的溶剂的浓度介于10 60%。
11.根据权利要求6所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该湿式纺丝制程包括使用凝固液，该凝固液包括二甲基亚砜、N, N-二甲基甲酰胺、 N，N- 二甲基乙酰胺、硫氰酸钠、硝酸、水或其组合，且该凝固液的温度介于2 80°C。
12.根据权利要求11所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该凝固液的温度介于5 75°C。
13.根据权利要求12所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该凝固液的温度介于10 60°C。
14.根据权利要求6所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该氧化制程的温度为190至260°C。
15.根据权利要求6所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管制成的碳纤维的制备方法，其中该热处理制程的温度介于600至1200°C之间。
16.一种由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料所制成的碳纤维，其中该复合材料为如权利要求1所述的聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料。
17.根据权利要求16所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料所制成的碳纤维，其中所述纳米碳管的含量为该聚丙烯腈基共聚物与所述纳米碳管的总重量的 0. 01-20 重量 ％。
18.根据权利要求16所述的由聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料所制成的碳纤维，其中所述纳米碳管包括单层或多层型纳米碳管，且所述纳米碳管表面的官能团包括羧基、羟基或酚基。
全文摘要
本发明提供聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料、其制成的碳纤维以及碳纤维的制法，聚丙烯腈基共聚物的结构如式(I)所示式(I)，其中R为甲基或乙基；x+z＝0.5～10.0摩尔％；z≥0.5摩尔％；y＝99.5～90.0摩尔％；并且x+y+z＝100摩尔％，纳米碳管表面具有官能团，混掺于聚丙烯腈基共聚物中，形成复合材料。碳纤维是由上述聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管组成的复合材料所形成的纤维原丝经过氧化及热处理制程而制成。
文档编号D01F9/22GK102464848SQ20101057875
公开日2012年5月23日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年11月9日
发明者萧凯仁, 郑淑蕙, 陈中屏, 魏腾芳 申请人:财团法人工业技术研究院