CN102535142B - 碳纤维束分散方法及经该方法所得的碳纤维细束 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳纤维束分散方法及经该方法所得的碳纤维细束，所述方法依序包括下列步骤：去胶步骤、氧化步骤、去除表面杂质步骤、成膜步骤、第一烘干步骤、碳化反应步骤、中和微酸步骤、洗去碱性物质步骤、第二烘干步骤、搓揉步骤。本发明可使碳纤维束分散形成更细的碳纤维细束，且不需浸泡于特殊液体来保持其分散状态，于一般空气中，各碳纤维细束仍可维持彼此分开的状态，利于后续的混合加工使用。

Description

碳纤维束分散方法及经该方法所得的碳纤维细束

技术领域

本发明是关于一种用于分散碳纤维束的方法，尤其是指一种可维持分散状态的碳维束分散方法，及经该方法所得的碳纤维细束。 

背景技术

碳纤维是一种高性能纤维，可制成碳纤维纸、碳纤维毡、碳纤维布等，也可作为屏蔽材料、发热材料、导电材料、化学过滤材料等功能材料，其用途广泛，可应用于电子工业、电池工业、化学工业以及通讯、国防和民用保健等方面。 

然而，在上述制品加工过程中都会遇到一个问题，即如何才能使碳纤维束在基体或溶液中分散均匀成更细的碳纤维细束或是单一的碳纤维细丝，由于各碳纤维丝会彼此相互吸引依附，因此在未经加工分离时，碳纤维难以完全发挥其效能，且其分散的均匀度将直接影响其工作中的性能。 

以下为目前实验室中所用来分离碳纤维束的方法： 

(1)干式分散法：以直径约为0.01～0.1微米的纳米级粉粒(如超细硅灰)与去胶的碳纤微束拌和，使纳米级粉粒分散在碳纤维单丝表面以降低其表面张力。这种方法的缺点在于难以使纳米级粉粒均匀分散在碳纤维单丝的表面，故其效果差。 

(2)湿式分散法：将分散剂制作成溶液，加入碳纤维束后持续搅拌或进行超声波振荡分散，以形成碳纤维束均匀分散成碳纤维细束的溶液。然而，其缺点在于碳纤维细束必需置于该溶液内，才能维持分散的状态；该溶液间接限制了可运用的方法与范围，因此该方法不利于分散成碳纤维细束后的利用。其因为分散剂等添加使用有可能对复合材料的强度等造成不良影响，同时采用溶液分散型式无法大量预制、储存及运输，也无法直接使用于许多复合材料的制作过程中，不利于大量推广使用。 

(3)表面处理改性法：以化学及物理的方式，碳纤维表面氧化法(有液相、气相、电化学氧化三种)、等离子体处理法、表面药剂涂层法等几种，其大都在光滑的碳纤维表面形成微孔和刻蚀沟槽，增大比表面积，产生适合于粘接的表面形态，从而降低碳纤维的表面张力并增强碳纤维与其它基体间物理上的表面结合力。在碳纤维表面引进或嫁接 具有极性或反应性的官能团，增强表面活性，增大碳纤维和其它基体间的化学键合力。由于表面处理改性法需要使用400℃或以上的高温加热、等离子体处理等加工过程或强酸强碱、磷化物(如磷酸、偏磷酸、磷酸三铵和磷酸氢二铵)以及贵金属离子催化剂(银、铂、钯离子)等污染性高或昂贵的化学材料，不但造成环境污染，设备造价及材料成本等因素都不利于量产使用。 

发明内容

鉴于上述的问题，本发明的主要目的是提供一种碳纤维束分散方法，以使碳纤维束分散成碳纤维细束，并降低成本，利于大量生产制造使用。 

本发明提供了一种碳纤维束分散方法，其依序包括下列步骤：(a)去胶步骤、(b)氧化步骤、(c)去除表面杂质步骤、(d)成膜步骤、(e)第一烘干步骤、(f)碳化反应步骤、(g)中和微酸步骤、(h)洗去碱性物质步骤、(i)第二烘干步骤、(j)搓揉步骤。 

其中，去胶步骤是将所述碳纤维束上的胶质去除；氧化步骤将碳纤维束进行氧化；去除表面杂质步骤是对碳纤维束进行清洗，以将碳纤维束表面上的杂质去除；成膜步骤是将碳纤维束浸泡至一溶液内，并进行搅拌，其中所述溶液包括分散剂与成膜剂，藉由分散剂将碳纤维束分散成多个碳纤维细束，而所述成膜剂是使得所述碳纤维细束上分别形成一层高分子聚合物膜；第一烘干步骤是以高于所述高分子聚合物膜硬化温度的温度烘干所述碳纤维细束，使高分子聚合物膜硬化；碳化反应步骤是将所述被烘干的碳纤维细束以高于高分子聚合物膜的碳化温度来进行气相氧化反应，使高分子聚合物膜经气相氧化反应后，在碳纤维细束的表面形成多个碳基官能团；中和微酸步骤是将所述纤维细束浸入一微碱性水溶液；洗去碱性物质步骤是将所述纤维细束浸入一中性去离子水；第二烘干步骤是将所述纤维细束以低于400℃进行烘干及进行气相氧化；搓揉步骤是搓揉分散所述纤维细束。 

具体地说，本发明提供的碳纤维束分散方法依序包括下列步骤： 

(a)去胶步骤：将所述碳纤维束上的胶质去除； 

(b)氧化步骤：将所述碳纤维束进行氧化； 

(c)去除表面杂质步骤：对所述碳纤维束进行清洗，以将该碳纤维束表面上的杂质去除； 

(d)成膜步骤：将所述碳纤维束浸泡至一溶液内，并进行搅拌，其中该溶液包括分散剂与成膜剂，藉由所述分散剂将碳纤维束分散成多个碳纤维细束，而所述成膜剂使得这些碳纤维细束上分别形成一层高分子聚合物膜； 

(e)第一烘干步骤：以高于所述高分子聚合物膜硬化温度的温度烘干所述碳纤维细束，使高分子聚合物膜硬化； 

(f)碳化反应步骤：将所述被烘干的碳纤维细束以高于所述高分子聚合物膜的碳化温度来进行气相氧化反应，使高分子聚合物膜经气相氧化反应后，在碳纤维细束的表面形成多个碳基官能团； 

(g)中和微酸步骤：将所述纤维细束浸入一微碱性水溶液； 

(h)洗去碱性物质步骤：将所述纤维细束浸入一中性去离子水； 

(i)第二烘干步骤：将所述纤维细束以低于400℃的温度进行烘干及进行气相氧化； 

(j)搓揉步骤：搓揉分散所述纤维细束。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述去胶步骤是利用中性去离子水浸湿后以250℃高温加热1小时。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述氧化步骤是利用气相氧化法进行。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述成膜步骤是利用超声波振荡进行搅拌。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述碳纤维细束在第一烘干步骤后，形成絮团状。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述所述碳基官能团于所述碳纤维束表面形成凹凸状。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述碳化反应步骤是于低于400℃的温度进行。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述搓揉步骤是利用一种短切碳纤维打散机进行搓揉。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述碳纤维束经第二烘干步骤之后将形成絮团状。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述成膜步骤中的溶液为一种非离子型的改性纤维素的溶液。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述成膜步骤中的溶液为2％(wt)的溶液的黏度不高于50mPa.s，而该溶液的凝胶温度大于等于80℃、碳化 温度大于等于250℃。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述非离子型改性纤维素为羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素或是聚乙烯吡咯烷酮。 

根据本发明的具体实施方案，本发明的碳纤维束分散方法中，所述氧化步骤中进行气相氧化的温度介于250℃至300℃之间。 

本发明还提供了一种碳纤维细束，其是经本发明所述的方法处理得到的，其中每一碳纤维细束的表面依附有碳化后的高分子聚合物。 

经由本发明的方法步骤，可使原本聚集的碳纤维束分散成碳纤维细束，并且不需其它的液体来协助该碳纤维细束维持分散的状态，因此在混入其它基材使用时，调配比例更易掌控，并更易使碳纤维细束均匀分布于基材内；再者，将同一群碳纤维束反复进行本发明的方法，可使其逐次形成更细的碳纤维细束，直至分散成碳纤维丝，对于各种混合应用，遂更加便利。再者，本发明未使用毒性或挥发性有机溶剂、强酸或强碱，而分散剂及高分子成膜剂均使用非离子型药剂，以避免在制作过程中与金属盐或离子有机化合物产生作用。故本发明不需昂贵的设备器材，不但不会对环境造成影响，更利于大量生产制造使用。 

附图说明

图1为本发明方法实施例的流程示意图； 

图2为短切碳纤维打散机的剖面示意图； 

图3为短切碳纤维打散机的水平棒俯视位置示意图； 

图4为短切碳纤维打散机的立体透视位置示意图； 

图5为利用本发明方法所得的碳纤维细束的立体示意图； 

图6为本发明具体实施例中对碳纤维原料进行分散处理过程中不同阶段的照片。 

图中主要组件符号说明： 

S01去胶步骤        S02氧化步骤          S03去除表面杂质步骤 

S04成膜步骤        S05第一烘干步骤      S06碳化反应步骤 

S07中和微酸步骤    S08洗去碱性物质步骤  S09第二烘干步骤 

S10搓揉步骤        10碳纤微细束         20高分子聚合物 

30短切碳纤维打散机 31垂直旋转轴         311水平棒 

32纤维分离机       33储存袋 

具体实施方式

为使阅读者对本发明能进一步的了解，以下通过具体实施方式，并配合附图，对本发明的构成内容及其所达成的功效进行详细说明。 

请参阅图1所示，本实施例的碳纤维束分散方法，依序包括下列步骤：(a)去胶步骤S01、(b)氧化步骤S02、(c)去除表面杂质步骤S03、(d)成膜步骤S04、(e)第一烘干步骤S05、(f)碳化反应步骤S06、(g)中和微酸步骤S07、(h)洗去碱性物质步骤S08、(i)第二烘干步骤S09、(j)搓揉步骤S10。其中，本发明实施例是以一碳纤维束形成多个碳纤维细束为例，但本发明于实际操作时并未有数量上的限制，可同时对多个纤维束进行，于此合先叙明。 

其中，所述去胶步骤S01，是用以将一碳纤维束上的胶质去除。又，其去胶质的方式可利用中性去离子水浸湿后以230℃至300℃之间加热1小时，即可去除碳纤维束所含有的树脂及其它杂质。另外，尚有其它种已知的去胶方式，并不以此方式为限。 

所述氧化步骤S02，是将经过去胶步骤S01后的碳纤维束进行氧化。其中，本实施例可利用气相氧化法进行氧化，气相氧化的温度可介于250℃至300℃之间，但也可使其它的氧化法来进行。所述氧化于空气中进行即可，或者也可以是于体积浓度0.5～3％的臭氧中进行。 

所述去除表面杂质步骤S03，是对氧化后的碳纤维束进行清洗，以将该碳纤维束表面上的杂质去除。 

所述成膜步骤S04，是将该碳纤维束浸泡至一溶液内，并对该碳纤维束进行搅拌，其中该溶液包括分散剂与成膜剂。所述分散剂可将该碳纤维束分散成多个碳纤维细束，而所述成膜剂是使得这些碳纤维细束上分别形成一层高分子聚合物膜。其中，本实施例可利用超声波振荡或是其它搅拌器材进行高速搅拌，其搅拌速度以高于每分钟1300转为佳，而所述超声波振荡功率可为每升40W至每升60W。再者，所使用的溶液为一种非离子型的改性纤维素的溶液，所述非离子型的改性纤维素兼有分散剂与成膜剂的作用，本实施例中所述非离子型的改性纤维素为羟丙基甲基纤维素(HPMC)，25℃2％(wt)的溶液的黏度不高于50mPa.s，而该溶液的凝胶温度约为80℃，碳化温度约为250℃。本发明中重点在于分散剂及成膜剂的水溶液黏度控制，高于50mPa.s的黏度时将会使得碳纤维间黏着力太大，而不易于干燥后进行打散。其它非离子型改性纤维素例如甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素钠(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)或是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等非离子型高分子化合物，亦可以依本发明的工艺步骤应用在其它实施例中。又，该溶 液为2％(wt)的溶液的黏度不高于50mPa.s，而该溶液的凝胶温度大于等于80℃(优选80℃至100℃)，碳化温度大于等于250℃。 

所述第一烘干步骤S05，是以高于所述高分子聚合物膜硬化温度的温度烘干这些碳纤维细束，并使所述高分子聚合物膜硬化。又，这些碳纤维细束在第一烘干步骤S05后，将会形成絮团状。 

所述碳化反应步骤S06，是将所述被烘干的碳纤维细束以高于所述高分子聚合物膜的碳化温度来进行气相氧化反应(该气相氧化反应可按常规技术进行，故不再详述具体操作，例如可于275℃～400℃的空气中进行，也可于250℃体积浓度0.5％～3％的臭氧中执行)，使这些高分子聚合物膜经气相氧化反应后，在所述碳纤维细束的表面形成多个碳基官能团，且该碳基官能团是附着于该碳纤维细束表面，使得该碳纤维细束表面形成凹凸状。又，该碳化反应步骤S06是以低于400℃的温度进行。其中，碳基官能团可为(a)酚(PHENOL)、(b)羰基(CARBONYL)、(c)羧基(CARBOXYL)、(d)醌(QUINONE)或是(e)内酯(LACTONE)，而其化学结构式如下所示，又以(b)CARBONYL、(d)QUINONE或是(e)LACTONE最常见。 

所述中和微酸步骤S07，是将所述被烘干并经碳化反应的纤维细束浸入一微碱性水溶液(例如氢氧化钠的中性去离子水溶液，pH值8～10)，用以中和高分子聚合物分解产生的微酸并去除表面不稳定的官能团及杂质。 

所述洗去碱性物质步骤S08，是将所述经中和微酸步骤S07的纤维细束浸入一中性去离子水，用以洗去碱性物质。 

所述第二烘干步骤S09，是将所述洗去碱性物质的纤维细束以低于400℃的温度进行烘干及进行气相氧化(该气相氧化在400℃以下空气中进行即可，例如，可于275℃ (至少加热2小时)～400℃的空气(至少加热35分钟)中进行，或者，也可于250℃体积浓度0.5％～3％的臭氧(至少加热6分钟)中进行)，其中，这些碳纤维细束在经本步骤之后，将形成絮团状。 

所述搓揉步骤S10，对所述经第二烘干步骤S09的碳纤维细束进行搓揉，以分散这些纤维细束。其中，本步骤可利用短切碳纤维打散机或是直接利用手工进行搓揉。其中，请参阅图2至图4所示的短切碳纤维打散机30，该短切碳纤维打散机30是利用固定于一支垂直旋转轴31上的多根水平棒311(或是水平线(丝)，例如钢琴丝或高拉力尼龙线)进行打散搓揉，当垂直旋转轴31高速旋转时，水平棒311将形成多组旋转面，可以多段击打搓揉沿着平行转轴方向移动的絮团状碳纤维细束使其进一步分散。同时，藉由碳纤维细束本身的重力及一置于短切碳纤维打散机末端30的纤维分离机32所产生的强制吸引气流，使得所述呈絮团状的碳纤维细束会平行该垂直旋转轴31向下移动并通过多组打击旋转面，最后纤维分离机32会将分散的碳纤维细束由吸引气流中分离出来，再收集置放在储存袋33内，即得到完成搓柔步骤S10的碳纤维细束。 

如图5所示，经由本实施例的方法步骤处理后，即可使原先聚集一起的碳纤维束分散形成碳纤微细束10，其中每一碳纤维细束10的表面依附有碳化后的高分子聚合物20。再者，若是将同一群碳纤维束反复执行上述的步骤，可使其逐渐地更细。又，可将经由本实施例处理后的碳纤维细束置入于真空袋或是氮气袋中，以避免水份附着于碳纤维细束的表面。 

图6显示了利用本实施例的方法，对长度10～20mm的碳纤维原料进行碳纤维束分散处理过程中不同阶段的各照片。其中，图片A为长度10～20mm的碳纤维原料，图片B为所述成膜步骤后的状态，图片C为于第二烘干步骤S09后形成絮团状的碳纤维，图片D为完成搓柔步骤S10的碳纤维细束的照片。 

经由前述本发明实施例方法，可使聚集的碳纤维束分散成较细的碳纤维细束，并且，这些碳纤维细束可于空气中维持分散的状态，因此在与其它基材混配使用时，易于掌控所需的量，并可使得这些碳纤维细束得以扩散于基材内；再者，将同一群碳纤维束反复进行本发明的方法，可使其逐次形成更细的碳纤维细束，直至分散成碳纤维丝个体，可针对各种应用的需求来进行。 

以上所述仅为本发明的实施例，其可据以衍生的运用范围广泛，另因构造简单，故倍增生产效率也可兼顾生产成本，实具产业利用价值。凡与本发明技术思想相同的简易转换或等效转换，皆应属于本发明的保护范围之中。 

Claims (8)

1.一种碳纤维束分散方法，该方法依序包括下列步骤： 

(a)去胶步骤：将所述碳纤维束以中性去离子水浸湿后用230℃至300℃高温加热1小时来去除其上的胶质； 

(b)氧化步骤：将所述碳纤维束利用气相氧化法进行氧化，其中所述氧化步骤中进行气相氧化的温度介于250℃至300℃之间； 

(c)去除表面杂质步骤：对所述碳纤维束进行清洗，以将该碳纤维束表面上的杂质去除； 

(d)成膜步骤：将所述碳纤维束浸泡至一非离子型的改性纤维素溶液内，并利用超声波振荡进行搅拌，其中该溶液的凝胶温度大于等于80℃、碳化温度大于等于250℃，且包括分散剂与成膜剂，藉由所述分散剂将碳纤维束分散成多个碳纤维细束，而所述成膜剂使得这些碳纤维细束上分别形成一层高分子聚合物膜； 

(e)第一烘干步骤：以高于所述高分子聚合物膜硬化温度的温度烘干所述碳纤维细束，使高分子聚合物膜硬化； 

(f)碳化反应步骤：将所述被烘干的碳纤维细束以高于所述高分子聚合物膜的碳化温度来进行气相氧化反应，使高分子聚合物膜经气相氧化反应后，在碳纤维细束的表面形成多个碳基官能团，其中所述碳化反应步骤是于低于400℃的温度进行； 

(g)中和微酸步骤：将所述纤维细束浸入一微碱性水溶液； 

(h)洗去碱性物质步骤：将所述纤维细束浸入一中性去离子水； 

(i)第二烘干步骤：将所述纤维细束以低于400℃的温度进行烘干及进行气相氧化； 

(j)搓揉步骤：搓揉分散所述纤维细束。 

2.如权利要求1所述的碳纤维束分散方法，其中所述碳纤维细束在第一烘干步骤后，形成絮团状。 

3.如权利要求1所述的碳纤维束分散方法，其中所述碳基官能团于所述碳纤维束表面形成凹凸状。 

4.如权利要求1所述的碳纤维束分散方法，其中所述搓揉步骤是利用一种短切碳纤维打散机进行搓揉。 

5.如权利要求1所述的碳纤维束分散方法，其中所述碳纤维束经第二烘干步骤之后将形成絮团状。 

6.如权利要求1所述的碳纤维束分散方法，其中所述成膜步骤中的溶液为2％(wt)的溶液的黏度不高于50mPa.s。 

7.如权利要求6所述的碳纤维束分散方法，其中所述非离子型改性纤维素为羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素或是聚乙烯 吡咯烷酮。 

8.一种碳纤维细束，其是经权利要求1～7任一项所述的方法处理得到的，其中每一碳纤维细束的表面依附有碳化后的高分子聚合物。 

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