200928027 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種纖維，且特別是有關於含奈米碳 管之聚酯纖雉。 【先前技術】 在工業纖維之應用上，聚酯纖維是常用的重要材料。 聚酯纖維的應用面很廣，例如輪胎簾子線、傳輸帶、蓬帆 ❹ 布、風帆布、帳棚等等。這些應用所用之纖維需具有高強 度、低伸度、及耐磨耗等性質。 為了進一步提升聚酯纖維的品質與應用面，需設法增 加聚酯纖維之強度與耐磨耗特性，並減低其伸度。除此之 外，還需設法提升聚酯纖維的玻璃轉換溫度與冷卻結晶溫 度。玻璃轉換溫度的提升有助於提高聚酯纖維的熱穩定 性，使其應用產品能適用於溫度較高之環境而不軟化，增 加應用範圍。冷卻結晶溫度的提升，可促使聚酯纖維在製 © 程中於較高温度便開始結晶，可使結晶速度加快並可獲得 結晶相較多的聚酯纖維，有助於增強纖維的強度。 除了上述低伸度纖維之應用，業界亦有較高伸度之耐 熱纖維的需求。 因此，業界亟需高熱穩定性的聚酯纖維及其製法，且 聚酯纖維之強度、伸度、及耐磨度還要能輕易地變動以符 合各種不同應用之需求。 【發明内容】 5 200928027 本發明提供一種纖維，包括聚酯纖維，以及分散於聚酯 纖維中之複數個奈米碳管，其中奈米碳管大抵順向排列於 聚酯纖維之延伸方向。 ' 本發明另提供一種形成纖維的方法，包括提供聚酯粒， 提供複數個奈米碳管，對奈米碳管與聚酯粒進行混煉，以 及對於混煉後之奈米碳管及聚酯粒進行熔融抽絲而獲得聚 酿纖維，其中奈米碳管大抵順向排列於聚酯纖維中。 ❹ 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯 易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 【實施方式】 本發明在此提供一種聚酯纖維及其製法。主要是將奈 米碳管（carbon nanotube，CNT)導入聚酯纖維中而增加聚酯 纖維的熱穩定性。並可透過不同的奈米碳管添加量來調節
纖維之強度、耐磨性、及伸度以符合各種應用之需求，增 © 加其應用範圍。 S 本發明所提供之聚酯纖維應用範圍很廣，例如可用於 輪胎簾子線、傳輸帶、蓬帆布、風帆布、帳棚、或各種紡 織用纖維等。特別是關於需有高強度、高耐磨、低伸度\ 及高熱穩定度之應用。此外，本發明之部分實施例還可獲 得具有高熱穩定度及高伸度之纖維。可例如用作較高溫度 環境下之彈性纖維。 値又 為了改善聚酯纖維的各項性質，本發明將奈米碳管導 6 200928027 入聚酯纖維中，利用混煉方式，使奈米碳管與聚酯粒充分 混合。接著對所得聚酯粒/奈米碳管混合酯粒進行熔融分散 抽絲，而獲得聚酯/奈米碳管纖維。透過適當選用奈米碳管 之種類與添加量，並配合適當的製程條件，奈米碳管大抵 沿著聚s旨纖維的延伸方向順向排列，可克服抽絲時奈米碳 管聚集而產生斷絲無法成型的問題。利用奈米碳管之小尺 寸、高強度、高韌性、高導電性、高徑長比等特性，可有 效地增加聚酯纖維的強度，並使其财磨性及熱穩定性大幅 ❹ 提升。 以下，提供本發明實施例之纖維的形成方法。首先提 供用以形成聚酯纖維的聚酯粒，聚酯粒的材質可包括聚對 苯二曱酸乙二醇酉旨(polyethylene terephthalate，PET)、聚對 苯二曱酸丁 二醇醋(polybutylene terephthalate，PBT)、聚對 苯二曱酸丙二酯（polypropylene terephthalate，PPT)、聚芳香 酯（Polyarylate，PAR)、聚對苯二曱酸乙二醇酯（Glycol modified polyethylene terephthalate PETG)等、或前述之組 〇 合。接著，可透過習知各種適合的方法將聚酯粒與微量的 奈米碳管均勻混合。例如可採用雙螺桿混煉機、單螺桿混 煉機、單螺桿押出機、雙螺桿押出機、萬馬力機、連續混 煉機、或前述之組合來將聚酯粒與奈米碳管充分混合並形 成聚酯/奈米碳管之混合聚酯粒。奈米碳管的添加量相對於 聚酯粒可為約0.05phr至約lphr。適合的奈米；g炭管之直徑 可為約10奈米至約40奈米，而適合的長度可為約1微米 至約25微米。適合的奈米礙管還可具有各種程度不同的繞 7 200928027 曲結構。 接著，對混煉後之酯粒進行熔融抽絲而可獲得聚酯/奈 米碳管纖維。例如，可將混煉後之酯粒放入加熱的紡絲反 應室（spinning chamber)並透過喷絲頭喷出或流出，噴絲頭 中可例如具有數個直徑約0.005英吋至約0.030英吋之孔洞 以供纖維由孔洞噴出或流出而成型。纖維成型的過程中可 使用例如加壓空氣氣流將所喷出融熔態的聚酯/奈米碳管 纖維快速冷卻至其玻離轉化溫度以下而硬化成絲。所形成 0 之聚酯/奈米碳管纖維可利用一捲繞滾筒收集。捲繞滚筒之 捲繞速度可例如約1000公尺/分鐘至約6000公尺/分鐘。溶 融抽絲所採用之溫度可例如為約200°c至約300°c之間。酯 粒經融熔抽取成絲的過程中，可能會對聚酯纖維及其内部 的奈米碳管形成順著纖維沿伸方向的拉伸應力（例如空氣 氣流的拉力及磨擦力在纖維冷卻硬化的過程所造成之應 力），此拉伸應力可能會促使奈米碳管大抵沿著纖維之沿伸 方向順向排列。 ❹ 本發明實施例之聚酯/奈米碳管纖維之耐熱溫度（即玻 璃轉換溫度）可大於約86°C，強度可提昇約Π%，伸度小 於約27.9%，耐磨耗強度可提昇約41%。此外，本發明實 施例之聚酯/奈米碳管纖維可連續抽絲而使其長度可大於 約100公尺以上。例如，可以每分鐘800公尺之速度連續 抽絲5分鐘而獲得長度約4000公尺之聚酯/奈米碳管纖 維。可視需要以不同的抽絲速度來獲得所需長度之聚酯/ 奈米碳管纖維。 8 200928027 所導入奈米碳管的尺寸、型態、及添加量對聚酯/奈米 碳管纖維之性質影響很大。本發明透過導入具有繞曲結構 之奈米碳管於聚酯纖維中，可顯著地增加聚酯纖維的耐熱 性質。本發明一實施例之聚酯/奈米碳管纖維採用繞曲程度 較大而管徑較小之奈米碳管，可較使用繞曲程度較低而管 徑較大之奈米碳管的纖維有更高的熱穩定度。透過控制奈 米碳管之添加量可使奈米碳管大抵順向排列於聚酯纖維之 延伸方向，而可順利抽絲成型。適當的奈米碳管添加量可 ® 使聚酯纖維強度提升而伸度下降。添加量較少之聚酯纖維 可具有較高之伸度與不錯的耐熱性。此外，奈米碳管繞曲 的程度或其尺寸（包括管徑與長度）亦可視需要作調整。所 導入之奈米碳管亦不一定僅限於一種結構或形式，例如可 導入兩種以上具有不同直徑、不同長度、不同繞曲度、或 不同添加量之奈米碳管於纖維中。以下，將列舉本發明之 實施例來作說明。 實施例1 G 取 PET 酯粒約 3000 克並與 0.15g、0.3g、0.5g、lg 的 奈米碳管混合，透過雙螺桿混煉將奈米碳管（CNT)與PET 酯粒充分均勻混合並形成PET/CNT之混合聚酯粒。此實施 例中，所用雙螺桿混煉機之螺桿直徑為約45 0，其長徑比 (L/D)為約30，螺桿轉速為約200rpm。共採用十段溫度來 進行雙螺桿混煉，分別是180°C、210°C、230°C、240°C、 250〇C、250°C、260〇C、260X：、260°C、及 250°C。在此實 施例中，所採用的奈米碳管屬繞曲式，其SEM照片顯示於 9 200928027 第1圖中，其直徑為約20nm，其長度為约^ 微米’且其結構是實質繞曲的。奈米碳管、、微米至約2s PET酯粒分別為約〇phr至約lphr。接著，的泰加量相對於 之PET/CNT酯粒進行熔融抽絲（熔融抽絲2又螺椁混煉後 至約280。〇而獲得PET/CNT纖維。 〜皿度為約27〇。〇
27〇°C 第2a圖顯示PET/CNT纖維之SE]Vr B77 u 顯示放大倍率較高之PET/CNT纖維之SEM沪 乐2b圖 圖及第2b圖所示，奈米碳管大抵順向排列於如第2a 〇 延伸方:向’且仍部分保有其繞曲結構。麵士令丄纖維的 碳管之尺寸、控制奈米碳管之添加量、以芬制 夂' 水 制，所得PET/CNT纖維大抵順向排列於纖維之正 |曰1控 不容易斷絲，並可順利抽絲成形。例如以8 八方向而 速度抽絲5分鐘，而獲得長度大於約4〇〇〇八p ^ 一列出此實施例中具有不同繞曲式奈米e &、 衣 、反g添加蜃夕 PET/CNT纖維的各項材料性質，並同時列出不人太、，里< 之PET纖維的各項性質以供比較。 $ ;〈％1官
❹ 表一 繞曲式 Tm Tg Tcc 細度 磨耗 CNT含量 (°C) rc) (°C) (den) (%) PET(blank) 250 70 186 612 0.161 0.15 phr 259 86 209 577 _ 0.3 phr 258 85 207 583 0.5 phr 260 84 206 560 0.103 1 phr 258 83 211 0.096 200928027 如表一所示’可看出繞曲式奈米碳管之導入可顯著地 提升PET纖維的熱穩定性。PET/CNT纖維之玻璃轉換溫度 (Tg)相較於PET(blank)纖維可提升至少約1〇艺以上，可提 高纖維的耐熱溫度（大於約70°C)，使能應用於較高溫之環 境。除了玻璃轉換溫度之外，PET/CNT纖維之冷卻結晶溫 度(Tcc)相較於PET(blank)纖維亦提升了約20。(：以上。冷卻 結晶溫度之提升可促使溶融抽絲纖維於較高冷卻溫度便開 始結晶，可使結晶速度加快並獲得結晶相較多的纖維’有 ❹ 助於提升纖維的強度。PET/CNT纖維冷卻結晶溫度提升的 原因目前尚不清楚，不排除是因為繞曲式奈米碳管的添加 形成了許多的CNT/PET界面，PET較易於界面附近產生異 質成核，使結晶較早發生，因而提高了冷卻結晶溫度。當 繞曲式奈米碳管之添加量增加至〇.5phr時，PET/CNT纖維 之強度開始大於PET(blank)纖維之1.74±0.4g/d而達到約 1.95±0.12g/d，且其伸度相較於pET(blank)纖維之 67.2±31.9%大幅縮減至33‘8±4.9%。其中，CNT含量約 ® 0.15 P h r至約0 ·3 P hr之纖維具有較佳的熱穩定性，但其強夜 卻較低而伸度較高，其原因目前尚不清楚。這些較耐熱且 伸度較高之纖維，仍可有許多其他應用，例如可作為較高 溫度環境下之彈性纖維。表一還列出部分PET/CNT纖維之 耐磨耗檢驗結果，其顯示各纖維在相同的磨耗條件下，被 磨耗之重量百分比（比之磨耗前），可從表一發現，隨著奈 米碳管添加量的提升，可有效減少PET/CNT纖維之磨耗量 (減少約35%以上），提升其耐磨耗度。其中，CNT含量為 11 200928027 0.5phr與O.lphr之PET/CNT纖維在相同磨耗條件下，其磨 耗量比之PET(blank)分別減少了 35.627%與40.277%，更有 助於PET/CNT纖維在較高磨耗環境下之應用。 實施例2 以相同於實施例1之方式來準備實施例2中之 PET/CNT纖維，僅將實施例中之繞曲式奈米碳管替換為繞 曲程度較低且直徑較大的低繞曲奈米碳管。此實施例中所 用的低繞曲奈米碳管之SEM照片顯示於第3圖中，其直徑 為約30 nm至約90 nm，而其長度為約1微米至約2微米。 所得之PET/CNT纖維之各項性質列於表二中。 表二 低繞曲 Tm Tg Tcc CNT含量 (°C) (°C) (°c) PET(blank) 250 70 186 0.3 phr 222 72 175 1 phr 246 78 195 如表二所示，導入低繞曲奈米碳管之PET/CNT纖維的 熱穩定性亦可獲得提升。隨著低繞曲奈米碳管之添加量增 加至lphr時，其玻璃轉換溫度（Tg)可增加至約78°C，而其 冷卻結晶溫度(Tcc)可增加至約195°C。比較表一與表二可 看出添加低繞曲奈米碳管之PET/CNT纖維的玻璃轉換溫 12 200928027 度或冷卻結晶溫度所提升的幅度明顯小於添加繞曲来 碳管之PET/CNT纖維。其原因目前尚不清楚，不排除是因 為實施例2中所用之奈米碳管比之實施例1中所用之奈米 碳管有較大的直徑與較不繞曲的結構，較大直徑與較不繞 曲之奈米碳管與周圍PET纖維之接觸界面的面積較小，因 此PET與奈米碳管間異質成核的成核點較少，造成冷卻結 晶溫度增加的幅度小於採用奈米碳管之直徑較小且較繞曲 之PET/CNT纖維〇 凡 ❹ 由實施例1及實施例2可知奈米碳管之型式（如繞曲程 度）、尺寸大小、及添加量影響聚酯纖維之性質甚鉅，可透 過奈米碳管之選用與添加來調整聚酯纖維之各項性質。 綜上所述，本發明透過導入具有繞曲結構之奈米碳管 於聚酯纖維中，可顯著地增加聚酯纖維的耐熱性質。透過 奈米碳管之添加還可控制聚酯/奈米碳管纖維之強 耗度、及伸度謝各種版需求。其中，n 較繞曲奈米碳管之PET/CNT纖維具有84。〇之玻璃 ® 度(較PET blank高出14。〇、1.95进12g/d之強度(較 blank高出約12%)、及約33%之伸度（約為pET Wank伸度 的一半）。此外，PET/CNT纖維之耐磨耗度還會隨著奈米ς 管添加量的增加而提高’有助於PET/CNT纖維於較高磨耗 環境下之應用。 雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明，任何所屬技術領域t具有通常知識者， 在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作任意之更動與潤 200928027 飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。 ❹
14 200928027 【圖式簡單說明】 第1圖顯示一種繞曲式奈米碳管之SEM照片。 第2a_2b圖為一實施例中PET/CNT纖維之SEM照片。 第3圖為一種低繞曲奈米碳管之SEM照片。 【主要元件符號說明】 無0 ❹
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