TWI432499B - 複合原料、碳纖維材料及其形成方法 - Google Patents

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Description

複合原料、碳纖維材料及其形成方法
本發明係有關於複合原料，且特別是有關於一種用於形成碳纖維材料的複合原料及其應用。
碳纖維(carbon fiber)是一種膨脹係數低、熱傳導性高且安定性佳的優良材料。由於碳纖維同時兼具碳材料的特性及纖維柔軟可加工的性質，故可廣泛應用於航空、醫療、建築等各種領域。其中，又以聚丙烯腈(PAN)碳纖維的使用最為廣泛。
聚丙烯腈(PAN)碳纖維的形成需經過氧化及碳化製程，且在氧化製程中，需添加酸或鹼作為催化劑，以減少氧化製程所需時間及降低氧化反應的起始溫度。故催化劑可具有節能及降低碳纖維缺陷等功能。目前除了一般常見之將酸性單體，如衣康酸(itaconic acid)，以共聚合反應方法將衣康酸以共聚合物的方式包含於聚丙烯腈原料內部，許多報導也設法將催化劑以外加的方式與聚丙烯腈混合，以達到再添加強酸或強鹼作為催化劑，以減少聚丙烯腈纖維之氧化製程所需時間及降低氧化反應的起始溫度。但是此類催化劑分別各有其缺點，如：沸點低或耐熱性低或與聚丙烯腈的相容性差，或其化學結構與氧化纖維/碳纖維差異大，故在形成聚丙烯腈碳纖維後，添加在碳纖維中的催化劑成為系統中的異類，而影響碳纖維的物理性質。
目前在一些研究中，已經有以耐米碳管、石墨烯(graphene)等與聚丙烯腈先製作成為複合原料，再製作碳奈米管(CNT)/聚丙烯腈型的碳纖維。另外，T. Hiroshi(JP 10036450,1998)及Y. Takashi(JP 11124742,1999)也分別報導以瀝青(pitch)/聚丙烯腈製作成為複合原料，再製作pitch/聚丙烯腈型的碳纖維。上述以耐米碳管、石墨烯(graphene)、瀝青為添加劑的優點為耐熱性高，可增加碳纖維產物的強度或模量，但是沒有具有強酸或強鹼的結構可作為酸鹼催化劑的功能。目前亟需一種具有價格便宜、高沸點、高耐熱性、與聚丙烯腈及其維碳纖維具有良好的相容性、氧化製程時具有可催化聚丙烯氧化的添加劑。
本發明一實施例提供一種複合原料的形成方法，包括：將一多環芳香族化合物進行磺酸化，以形成一多環芳香族磺酸化合物(polycyclic aromatic carbon sulfonate)；以及將該多環芳香族磺酸化合物及一聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)進行混合，以形成一複合原料。
本發明另一實施例提供一種複合原料，包括：一多環芳香族磺酸化合物(polycyclic aromatic carbon based sulfonate)；以及一聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)。
本發明又一實施例提供一種碳纖維材料的形成方法，包括：提供一如前述之複合原料；取該複合原料進行一紡絲製程，以形成一原絲；將該原絲進行一氧化反應，以形成一氧化纖維；以及將該氧化纖維進行一碳化反應，以形成一碳纖維材料。
本發明又一實施例提供一種碳纖維材料，係利用如前述之碳纖維材料的形成方法所形成者。
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：
以下依本發明之不同特徵舉出數個不同的實施例。本發明中特定的元件及安排係為了簡化，但本發明並不以這些實施例為限。
本發明以多環芳香族磺酸化合物(polycyclic aromatic carbon sulfonate；PCAS)添加於聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)中以形成複合原料，藉此將多環芳香族磺酸化合物作為聚丙烯腈氧化及碳化製程的催化劑。此外，再藉由紡絲等製程，將上述複合原料進一步形成碳纖維材料。
第1圖顯示碳纖維材料的形成方法的流程圖。在步驟102中，將多環芳香族化合物進行磺酸化，以形成多環芳香族磺酸化合物(polycyclic aromatic carbon sulfonate；PCAS)。在另一實施例中，可使用瀝青(pitch)進行磺酸化，以形成多環芳香族磺酸化合物。進行磺酸化的方法，例如可將多環芳香族化合物加入10%-30%的發煙硫酸中，在室溫下以超音波震盪反應。而後，再分別以蒸餾水、氯化鈉溶液清洗數次，並離心得到固體沉澱。將固體沉體於烘箱中烘乾，即可得多環芳香族磺酸化合物。此外，上述超音波震盪的時間長短會影響產物的硫元素對碳元素的莫耳比例及分子量。超音波震盪的時間越短，所得多環芳香族磺酸化合物的分子量越大，且其硫元素對碳元素的莫耳比例越小。反之，若超音波震盪的時間越長，所得多環芳香族磺酸化合物的分子量越小，且其硫元素對碳元素的莫耳比例越大。在一較佳實施例中，多環芳香族磺酸化合物中的硫元素對碳元素的莫耳比例介於1/5至1/8。在另一較佳實施例中，多環芳香族磺酸化合物的分子量介於100至500 g/mole，更佳介於100至300 g/mole。
在步驟104中，將多環芳香族磺酸化合物及聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)進行混合，以形成複合原料。其中，多環芳香族磺酸化合物與聚丙烯腈的含量比介於2/98(wt/wt)至3/97(wt/wt)。
在步驟106中，取步驟104所形成的複合原料進行紡絲製程，以形成原絲。其中，紡絲製程例如可利用濕式紡絲製程、凝膠製程、或前述之組合。接著，在步驟108中，將原絲進行氧化反應，以形成氧化纖維。例如，將原絲置於含氧環境下以190℃至270℃的溫度進行氧化反應1.2到1.5小時。而後，再將氧化纖維進行碳化反應，以形成碳纖維材料，如步驟110所示。上述碳化反應例如可在無氧環境下以600℃至1400℃的溫度共進行5分鐘。所形成的碳纖維材料，可具有較佳的強度及模數。例如，碳纖維材料的強度(tenacity)1.0 GPa至2.0 GPa，碳纖維材料的模數(modulus) 180GPa至270 GPa。
相較於直接以聚丙烯腈形成的碳纖維材料，利用多環芳香族磺酸化合物及聚丙烯腈作為複合原料所形成的碳纖維材料，可具有較高的強度及模數。在一些實施例中，其碳纖維強度可增加約25%，或其模數可增加約17%。
由於多環芳香族磺酸化合物具有高沸點、高耐熱、高化學安定性等優點，故可作為良好的添加劑。此外，聚丙烯腈在經過氧化製程及碳化製程後，會成為與多環芳香族磺酸化合物類似的結構，因此以多環芳香族磺酸化合物作為添加劑時，其不會在產物中成為異物，而係成為碳纖維材料的一部分，因此不會影響碳纖維材料的性質。
此外，經實驗發現，若直接利用一般的多環芳香族化合物或僅經過氧化的多環芳香族化合物作為添加劑添加於聚丙烯腈中，則容易在紡絲製程時發生紡口阻塞、斷絲率高、或添加物從纖維中析出等問題。因此，在一實施例中，多環芳香族磺酸化合物的分子量例如可介於100 g/mole至500 g/mole，較佳介於100 g/mole至300 g/mole。當多環芳香族磺酸化合物分子量太大時，容易在紡絲製程時發生紡口阻塞、斷絲率高等問題。當多環芳香族磺酸化合物分子量太小時，則容易在濕式紡絲製程中被凝固槽中的溶劑洗出。因此，特定分子量的多環芳香族磺酸化合物不僅可有效提升所形成碳纖維材料的強度及模數，也可使紡絲製程更順利進行。
另外，在一較佳實施例中，多環芳香族磺酸化合物中的硫元素對碳元素的莫耳比例介於1/5至1/8。經實驗發現，若多環芳香族磺酸化合物中的硫元素對碳元素的莫耳比例太高(亦即多環芳香族磺酸化合物中磺酸的含量太高)，容易在在濕式紡絲製程中被凝固槽中的溶劑洗出，造成多環芳香族磺酸化合物析出率過高，除了造成凝固液的嚴重污染外，更造成多環芳香族磺酸化合物於聚丙烯腈纖維內的含量大幅下降，無法穩定地達到預期之複合纖維內的原料組成比例。若多環芳香族磺酸化合物中的硫元素對碳元素的莫耳比例太低(亦即多環芳香族磺酸化合物中磺酸的含量太低)，會使多環芳香族磺酸化合物在溶劑(DMSO)的溶解度降低，導致多環芳香族磺酸化合物與聚丙烯腈的相容性降低，則容易在紡絲製程時發生紡口阻塞、斷絲率高等問題。在另一實施例中，可藉由調控在多環芳香族磺酸化合物上的磺酸根，使其對於各種聚合物及/或溶劑更具相容性。
【比較實施例1】 聚丙烯腈(PAN)的合成步驟
首先，混合97.0 wt%的丙烯腈(acrylonitrile,AN)、2.5 wt%的壓克力甲酯(methyl acrylate,MA)，0.4 wt%的衣康酸(itaconic acid)、0.1 wt%的氮二異丁晴(2,2‘-azobisisobutyronitrile,AIBN)為起始劑，並以250毫升的二甲基亞碸(dimethylsulfoxide,DMSO)為溶劑，於500毫升的玻璃反應器中進行反應。反應溫度控制在60~70℃之間，攪拌反應7小時。之後，利用水以沉澱法取得沉澱產物。沉澱產物經過濾、乾燥後得到聚丙烯腈(PAN)。凝膠滲透層吸(gel permeation chromatography；GPC)分析後的分子量(Mw)=230,000 g/mole，分子量分佈(PDI)=1.7。
濕式紡絲實驗步驟
以聚丙烯腈(PAN)為紡絲液(固含量為25%，溶劑為二甲亞碸DMSO)。以具保溫熱夾套(heat jackets)裝置的濕式紡絲機進行濕式紡絲實驗。紡絲液(dope)的溫度保持於70℃，紡絲盒(spinneret)有300孔，每孔之直徑為0.06 mm(L/D=1.2)。凝固槽(coagulation bath)之長1,500 cm，寬20 cm，深為40 cm。使用3個凝固槽，第1凝固槽之凝固溶液為水/DMSO(10/90 w/w)，並設定在5℃，第2凝固槽之凝固溶液為水/DMSO(30/70 w/w)，並設定在70-85℃，第3凝固槽之凝固溶液為水/DMSO(100/0 w/w)。紡速為20 m/min。製得的纖維再以水蒸氣熱延伸(130℃)的方式進行延伸，接著以烘箱(80℃)乾燥，得到聚丙烯腈(PAN)之原絲。原絲的強度=3.4g/den，伸度=10%。
聚丙烯腈(PAN)之原絲之氧化反應
將上述聚丙烯腈(PAN)之原絲置於氧化反應器內進行熱空氣之氧化實驗。其中，氧化反應器內的溫度設定如下：首先在190℃下加熱0.3小時，接著在240℃下加熱0.6小時，最後在270℃下加熱0.6小時。所得到之氧化纖維強度=1.9 g/den，伸度=15%，密度=1.35 g/cm3 。
聚丙烯腈(PAN)之氧化纖維之碳化反應
將上述聚丙烯腈(PAN)之氧化纖維置於氮氣之碳化反應器中，先升溫至600~800℃，再升溫至1,200~1,400℃，持續5分鐘，進行碳化反應。所得碳化纖維的強度=1.6 GPa、伸度=0.8%、模量=230 GPa。
【實施例1】多環芳香族磺酸化合物2(PCAS2)的製作、元素分析、及濕式紡絲實驗 多環芳香族磺酸化合物2(PCAS 2)的製作
仿照日本專利JP2008214508A(Y. Shinichiro,et al.,(Toppan Printing Co.;Tokyo Inst. Tech.)的方法合成PCAC 1。
將1克之上述多環芳香族磺酸化合物1加入20ml的發煙硫酸(20%SO3 /濃H2 SO4 )中，在室溫下以超音波震盪進行反應，反應時間分別為0分鐘、3分鐘、7分鐘、15分鐘、60分鐘。反應後，此5種反應溶液，再分別各加入蒸餾水攪拌30分鐘，再以離心機離心1小時，取出離心後的液體。接著將40ml之5 wt%的氯化鈉溶液(NaCl(aq) )，加入於取得的液體內，攪拌10分鐘，此時有固體沉澱出來。接著，使用離心機離心1小時，取出固體沉澱物。此取出固體沉澱物，再以5 wt%的氯化鈉水溶液攪拌清洗，離心，洗去固體沉澱物所含的雜質及低分子量酸類化合物，直到清洗液的pH值介於約6至7之間。將所得固體在80℃的一般烘箱中烘乾16小時，及在70℃的真空烘箱中再烘乾24小時，即可得到固體之多環芳香族磺酸化合物2(PCAS 2)。
將此5種的固體之多環芳香族磺酸化合物2進行反射式紅外光譜儀分析(cm-1 )，顯示下列吸收峰：3100-2100(酸基吸收峰);1350及1150(磺酸基(solfonate)吸收峰);800-900(芳香基(polyaromatic)吸收峰)。亦即，此5種的固體之多環芳香族磺酸化合物2，都具有磺酸基及多環芳香基化學結構。
多環芳香族磺酸化合物2(PCAS 2)的元素分析
將此5種的固體之多環芳香族磺酸化合物2，分別進行元素分析，測得硫元素對碳元素的莫耳比例(表1)。另外，部份的多環芳香族磺酸化合物2則利用質譜儀(MALDI-TOF MS)進行分子量分析。其中，經過超音波震盪3分鐘及7分鐘所得多環芳香族磺酸化合物2之分子量介於100至300 g/mole；經過超音波震盪15及60分鐘所得所得PCAS 2之分子量小於100 g/mole。
多環芳香族磺酸化合物2(PCAS 2)的濕式紡絲實驗
多環芳香族磺酸化合物2(PCAS 2)與聚丙烯腈(PAN)以重量比為3/97(wt/wt)配製之複合原料之紡絲液(固含量為25%，溶劑為二甲亞碸(DMSO)。以具保溫熱夾套(heat jackets)裝置的濕式紡絲機進行濕式紡絲實驗。紡絲液(dope)的溫度保持於70℃，紡絲盒(spinneret)有300孔，每孔之直徑為0.06 mm(L/D=1.2)。凝固槽(coagulation bath)之長1,500 cm，寬20 cm，深為40 cm。使用3個凝固槽，第1凝固槽之凝固溶液為水/DMSO(10/90 w/w)，並設定在5℃，第2凝固槽之凝固溶液為水/DMSO(30/70 w/w)，並設定在70-85℃，第3凝固槽之凝固溶液為水/DMSO(100/0 w/w)。紡速為20 m/min。製得的纖維再以水蒸氣熱延伸(130℃)的方式進行延伸，接著以烘箱(80℃)乾燥，得到多環芳香族磺酸化合物(PCAS)與聚丙烯腈(PAN)的複合原料之原絲(precursor)。(結果如表1所示)。超音波機震盪時間為3分鐘及7分鐘之纖維原絲規格，分別為強度=3.1及3.3 g/den，伸度=9.5%及10.2%。
經實驗發現，未經超音波震盪反應所形成的多環芳香族磺酸化合物2的硫元素對碳元素的莫耳比小於1/10，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物2溶解性差，斷絲率高，不適紡絲。
經超音波震盪反應3分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物2的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/7-1/8，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物2紡絲性優良，且多環芳香族磺酸化合物2於凝固槽溶液中被析出率低，PCAS/PAN的比率為3/97(wt/wt)。
經超音波震盪反應7分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物2的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/5-1/8，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物2紡絲性優良，且多環芳香族磺酸化合物2於凝固槽溶液中被析出率低，PCAS/PAN的比率為3/97(wt/wt)。
經超音波震盪反應15分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物2的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/2-1/4，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物2於凝固槽溶液中被析出率太高，PCAS/PAN的比率下降至0.7/99.3(wt/wt)。
經超音波震盪反應60分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物2的硫元素對碳元素的莫耳比大於1/2，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物2於凝固槽溶液中被析出率太高，PCAS/PAN的比率下降至0.4/99.6(wt/wt)。
【實施例2】多環芳香族磺酸化合物3(PCAS 3)的製作、元素分析、及濕式紡絲實驗 多環芳香族磺酸化合物3(PCAS 3)的製作
將1克的台灣中碳公司提供的瀝青(pitch)，加入40ml的發煙硫酸(20%SO3 /濃H2 SO4 )中，在室溫下以超音波震盪進行反應，反應時間分別為0分鐘、5分鐘、17分鐘、30分鐘、45分鐘、60分鐘。此6種反應溶液，再分別各加入蒸餾水攪拌30分鐘，再以離心機離心1小時，取出離心後的液體。接著將40ml之5 wt%的氯化鈉溶液(NaCl(aq) )，加入於取得的液體內，攪拌10分鐘，有固體沉澱出來。接著，使用離心機離心1小時，取出固體沉澱物。此取出固體沉澱物，再以5 wt%的氯化鈉水溶液攪拌清洗，離心，洗去固體沉澱物所含的雜質及低分子量酸類化合物，直到清洗液的pH值介於約6至7之間。將所得固體在80℃的一般烘箱中烘乾16小時，及在70℃的真空烘箱中再烘乾24小時，即可得到固體之多環芳香族磺酸化合物3(PCAS 3)。將此6種的固體之多環芳香族磺酸化合物3，進行反射式紅外光譜儀分析，顯示下列吸收峰：3500-2900 cm-1(酸基吸收峰);1780(磺酸基吸收峰);800(芳香基吸收峰)。亦即，此6種固體之多環芳香族磺酸化合物3都具有磺酸基及多環芳香基化學結構。
多環芳香族磺酸化合物3(PCAS 3)的元素分析
將上述6種的固體之多環芳香族磺酸化合物3，分別進行元素分析，測得硫元素對碳元素的莫耳比例。另外，部份的多環芳香族磺酸化合物3則利用質譜儀(MALDI-TOF MS)進行分子量分析。其中，經過超音波震盪5分鐘所得多環芳香族磺酸化合物3之分子量大於600 g/mole；經過超音波震盪30分鐘所得多環芳香族磺酸化合物3之分子量介於100至300 g/mole；經過超音波震盪60分鐘所得所得多環芳香族磺酸化合物3之分子量小於100 g/mole。多環芳香族磺酸化合物3與聚丙烯腈(PAN)以重量比為3/97配製之複合原料之紡絲液(固含量為25%，溶劑為二甲亞碸DMSO)。以有保溫熱夾套(heat jackets)裝置的濕式紡絲機進行濕式紡絲實驗，結果如表2所示。其中，超音波機震盪時間為30分鐘之纖維原絲規格：強度=3.2 g/den，伸度=10%。
經實驗發現，未經超音波震盪反應所形成的多環芳香族磺酸化合物3的溶解性差，不適紡絲。
經超音波震盪反應5分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物3的硫元素對碳元素的莫耳比小於1/10，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物3溶解性差，斷絲率高，不適紡絲。
經超音波震盪反應17分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物3的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/9-1/10，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物3溶解性差，斷絲率高，不適紡絲。
經超音波震盪反應30分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物3的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/5-1/8，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物3紡絲性優良，且多環芳香族磺酸化合物於凝固槽溶液中被析出率低，PCAS/PAN的比率為3/97(wt/wt)。
經超音波震盪反應45分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物3的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/3-1/4，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物3於凝固槽溶液中被析出率太高，PCAS/PAN的比率下降至1.0/99.0(wt/wt)。
經超音波震盪反應60分鐘所形成的多環芳香族磺酸化合物3的硫元素對碳元素的莫耳比介於1/2-1/3，此時所形成的多環芳香族磺酸化合物3於凝固槽溶液中被析出率太高，PCAS/PAN的比率下降至0.3/99.7(wt/wt)。
根據實施例1、2的結果，可發現多環芳香族磺酸化合物之硫元素/碳元素的莫耳比例較佳為1/5至1/8，或多環芳香族磺酸化合物之分子量較佳介於100至500 g/mole。當多環芳香族磺酸化合物之硫元素/碳元素的莫耳比例太小時(例如小於1/10)，多環芳香族磺酸化合物在溶劑中的溶解度太差，斷絲率高，紡絲不順利。而當多環芳香族磺酸化合物之硫元素/碳元素的莫耳比例太大時(例如大於1/4)，則可能因為所含酸根太多或化合物分子太小，在溶劑中的溶解度太大，使得多環芳香族磺酸化合物於紡絲時，於凝固槽內容易被洗出，除了造成凝固液的嚴重污染外，更造成多環芳香族磺酸化合物於聚丙烯腈纖維內的含量大幅下降，無法穩定地達到預期之複合纖維內的原料組成比例。
【實施例3】多環芳香族磺酸化合物2之原絲之氧化反應
將實施例1中之超音波機震盪時間為7分鐘之多環芳香族磺酸化合物2的原絲置於氧化反應器內進行熱空氣之氧化實驗。其中，氧化反應器內的溫度設定如下：首先在190℃下加熱0.3小時，接著在240℃下加熱0.6小時，最後在270℃下加熱0.6小時。所得到之氧化纖維之規格：強度=2.9 g/den，伸度=11%，密度=1.34g/cm3 、限氧指數(limiting oxygen index,LOI)=61。
【實施例4】多環芳香族磺酸化合物3之原絲之氧化反應將實施例2中之超音波機震盪時間為30分鐘之多環芳香族磺酸化合物3的原絲置於氧化反應器內進行熱空氣之氧化實驗。其中，氧化反應器內的溫度設定如下：首先在190℃下加熱0.3小時，接著在240℃下加熱0.6小時，最後在270℃下加熱0.6小時。所得到之氧化纖維之規格：強度=3.1 g/den，伸度=9.5%，密度=1.37g/cm3 、限氧指數(limiting oxygen index,LOI)=64。 【實施例5】多環芳香族磺酸化合物2之氧化纖維之碳化反應
將實施例3所製作之氧化纖維置於氮氣之碳化反應器中，先升溫至600~800℃，再升溫至1,200~1,400 o C，從600℃~1,400℃總合計的時間為5分鐘，進行碳化反應。所得碳纖維之強度可達1.9 GPa，伸度0.5%，模量260 GPa。
【實施例6】多環芳香族磺酸化合物3之氧化纖維之碳化反應
將實施例4所製作之氧化纖維置於氮氣之碳化反應器中，先升溫至600~800℃，再升溫至1,200~1,400℃，從600℃~1,400℃總合計的時間為5分鐘，進行碳化反應。所得碳纖維之強度最高可達2.0 GPa、伸度0.5%，模量270 GPa。
由實施例5、實施例6之結果顯示當多環芳香族磺酸化合物的S元素/C元素的摩爾比例介於1/5-1/8，或其分子量介於100-250 g/mole時，可與聚丙烯腈(PAN)形成PCAS/PAN複合原料，並經過紡絲及氧化/碳化後可得碳化纖維。上述碳化纖維與與比較實施例1中以純聚丙烯腈(PAN)形成之碳化纖維相比，其強度平均可增加25%，模量可增加17%。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。
102、104、106、108、110．．．步驟
第1圖為根據本發明一實施例，碳纖維材料的形成方法的流程圖。
102、104、106、108、110．．．步驟

Claims (17)

  1. 一種複合原料的形成方法，包括：將一多環芳香族化合物進行磺酸化，以形成一多環芳香族磺酸化合物(polycyclic aromatic carbon sulfonate)；以及將該多環芳香族磺酸化合物及一聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)進行混合，以形成一複合原料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合原料的形成方法，其中包括使用瀝青(pitch)進行磺酸化。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合原料的形成方法，其中進行磺酸化的方法包括利用發煙硫酸、硫酸、或前述之組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之複合原料的形成方法，其中該多環芳香族磺酸化合物之硫元素對碳元素的莫耳比例介於1/5至1/8。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之複合原料的形成方法，其中該多環芳香族磺酸化合物之分子量介於100至500g/mole。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之複合原料的形成方法，其中該多環芳香族磺酸化合物與該聚丙烯腈的含量比介於2/98(wt/wt)至3/97(wt/wt)。
  7. 一種複合原料，包括：一多環芳香族磺酸化合物(polycyclic aromatic carbon based sulfonate)；以及一聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之複合原料，其中該多環芳香族磺酸化合物之硫元素對碳元素的莫耳比例介於1/5至1/8。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之複合原料，其中該多環芳香族磺酸化合物之分子量介於100至500g/mole。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之複合原料，其中該多環芳香族磺酸化合物係由一多環芳香族化合物進行磺酸化所形成。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之複合原料，其中該多環芳香族磺酸化合物與該聚丙烯腈的含量比介於2/98至3/97(wt/wt)。
  12. 一種碳纖維材料的形成方法，包括：提供一如申請專利範圍第7-11項任一項所述之複合原料；取該複合原料進行一紡絲製程，以形成一原絲；將該原絲進行一氧化反應，以形成一氧化纖維；以及將該氧化纖維進行一碳化反應，以形成一碳纖維材料。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之碳纖維材料的形成方法，其中該紡絲製程包括利用濕式紡絲製程、凝膠紡絲製程或前述之組合。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之碳纖維材料的形成方法，其中該氧化反應係在含氧環境下以190℃至270℃的溫度進行1.2-1.5小時。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之碳纖維材料的形成方法，其中該碳化反應係在無氧環境下以600℃至1400℃ 的溫度4-5分鐘進行。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之碳纖維材料的形成方法，其中該碳纖維材料的強度(tenacity)介於1至2GPa。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之碳纖維材料的形成方法，其中該碳纖維材料的模數(modulus)介於180至270GPa。
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