TWI480438B - 碳纖維之紡絲裝置 - Google Patents

Description

碳纖維之紡絲裝置

本發明是有關於一種紡絲裝置，且特別是有關於一種碳纖維之紡絲裝置。

隨著材料科學之進步，工業上常藉由結合數種材料來製備複合材料，以使所製備之複合材料可同時兼具數種材料的優點，其中較常見之複合材料即係利用碳纖維之高強度及高模數的特性來補強高分子材料，以形成碳纖維補強高分子(Carbon Fiber Reinforced Polymer；CFRP)。由於CFRP兼具高分子材料及碳纖維的特性，因此CFRP已廣泛被應用於各種領域中。

然而，碳纖維之直徑及長度對於碳纖維之特性有極大之影響，因此於碳纖維之製作過程中，原料之成份及製作條件均會影響碳纖維之直徑及長度，進而影響碳纖維之特性。

根據碳纖維之製造原料的不同，碳纖維材料可分類為聚丙烯腈基碳纖維(polyacrylonitrile carbon fiber)及瀝青基碳纖維(pitch carbon fiber)，其中聚丙烯腈基碳纖維於模數為200Gpa時，具有較佳之強度，然而隨著聚丙烯腈基碳纖維之模數增加時，其強度則會隨之下降，且聚丙烯腈基碳纖維之最高模數僅可達600GPa。相較之下，瀝青基碳纖維之模數則可達到石墨之理論模數(1000GPa)，且瀝青基碳纖維具有較佳之熱傳導性與導電性。

然而，於瀝青基碳纖維之製作過程中，由於所使用之瀝青原料的分子量分布極廣且成份不一，因此瀝青原料所含之雜質常造成瀝青基碳纖維產生缺陷。再者，瀝青原料含有堅硬之芳香族成分，使得瀝青基碳纖維於製作過程中易產生不連續相，導致瀝青基碳纖維無法形成連續長碳纖，而影響瀝青基碳纖維之特性。

有鑑於此，亟須提供一種碳纖維之紡絲裝置，以改善習知之紡絲裝置的缺陷，從而提供具有良好性質的連續長碳纖維。

因此，本發明之一態樣是在提供一種碳纖維之紡絲裝置，其係利用保溫部件來加熱保溫瀝青基碳纖維，以產生配向機制，而可消除瀝青基碳纖維於紡絲過程所產生之中間相，進而可形成瀝青基碳纖維之連續長碳纖維，因此可提升瀝青基碳纖維之性質。

根據本發明之上述態樣，提出一種碳纖維之紡絲裝置。在一實施例中，此碳纖維之紡絲裝置包含押出部件、收捲輪及保溫部件，其中押出部件係用以押出形成瀝青基碳纖維，且押出部件包含加熱腔體、模頭及過濾部件。加熱腔體用以熔融瀝青原料，並形成熔融瀝青原料，其中瀝青原料具有軟化溫度。上述之模頭係用以使熔融瀝青原料形成瀝青基碳纖維，其中瀝青基碳纖維之形成方向平行熔融瀝青原料之押出方向。過濾部件設置於模頭中，以過濾熔融瀝青原料，且收捲輪係用以捲收瀝青基碳纖維。前述 之保溫部件含有至少三個加熱電偶，每一加熱電偶具有相對之第一端與第二端，其中第一端朝向模頭，而第二端朝向收捲輪，且每一個加熱電偶平行於形成方向，且瀝青基碳纖維至每一個加熱電偶之距離係相等的，其中第二端與收捲輪間相距有一距離，用以冷卻瀝青基碳纖維。上述之保溫部件係用來使瀝青基碳纖維產生配向機制，而瀝青基碳纖維之直徑大於或等於10μm且小於或等於50μm，且瀝青基碳纖維之長度大於10000公尺。

依據本發明一實施例，上述之熔融瀝青原料係熔融煤焦油瀝青或熔融石油瀝青。

依據本發明另一實施例，上述之模頭係漏斗狀模頭。

依據本發明又一實施例，上述之過濾部件係濾網。

依據本發明再一實施例，上述之濾網的材料係金屬鋁。

依據本發明再一實施例，軟化溫度係大於或等於250℃且小於或等於350℃。

依據本發明再一實施例，加熱腔體之溫度係大於或等於(軟化溫度+20℃)且小於或等於(軟化溫度+80℃)。

依據本發明再一實施例，上述之加熱電偶的溫度係大於或等於(軟化溫度-200℃)且小於或等於(軟化溫度-50℃)。

依據本發明再一實施例，上述之收捲輪的材料係金屬。

依據本發明再一實施例，上述之收捲輪的材料係高分子材料。

依據本發明再一實施例，於20℃且頻率為1kHz時，前述之高分子材料之介電常數係大於或等於1.5且小於或 等於12。

依據本發明再一實施例，前述之高分子材料可包含但不限於酚醛樹脂、尼龍、聚碳酸酯樹脂、聚乙烯對苯二甲酸酯、低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚醯胺高分子、壓克力塑膠、有機玻璃(Plexiglas)、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化高分子、氯化塑膠以及上述材料之任意組合。

依據本發明再一實施例，上述之氟化高分子可包括但不限於氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene-propylene；FEP)、聚三氟氯乙烯(polycholorotrifluoro-ethylene；PCTFE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、聚氟乙烯(polyvinylfluoride；PVF)、聚二氟乙烯(polyvinylidenefluoride；PVDF)以及上述材料之任意組合。

依據本發明再一實施例，上述之氯化塑膠可包括但不限於聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯(polyvinylidenechloride；PVDC)以及上述材料之任意組合。

應用本發明之碳纖維之紡絲裝置，其係利用保溫部件來加熱瀝青基碳纖維，使得瀝青基碳纖維形成延伸之效果，以產生配向機制，而可提升瀝青基碳纖維之配向性，進而可提升瀝青基碳纖維之性能。

再者，本發明利用高分子材料製成之收捲輪來捲收瀝青基碳纖維，並藉由捲收所產生之靜電來吸附瀝青基碳纖維，而可使瀝青基碳纖維集中不易飄散，進而可避免瀝青基碳纖維因收捲輪之捲動而斷裂。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照第1圖與第2圖，其係分別繪示依照本發明之一實施例之碳纖維之紡絲裝置100的剖視圖與正視圖。紡絲裝置100包含支架102、押出部件200、收捲輪400、保溫部件500與馬達700。押出部件200設置於支架102上，並用以押出形成瀝青基碳纖維300，且押出部件200包含加熱腔體202、模頭204與過濾部件206。加熱腔體202係用以熔融瀝青原料，並形成熔融瀝青原料，其中瀝青原料具有軟化溫度。前述之瀝青原料可為煤焦油瀝青或石油瀝青，且瀝青原料之軟化溫度可大於或等於250℃且小於或等於350℃。加熱腔體之溫度則可大於或等於(軟化溫度+20℃)且小於或等於(軟化溫度+80℃)。前述之模頭204係用以使熔融瀝青原料形成瀝青基碳纖維300，其中瀝青基碳纖維300之形成方向平行熔融瀝青原料之押出方向204a。模頭204係漏斗狀模頭或其他具有適當形狀之模頭，以使熔融瀝青原料之成份進行配向，而有利於形成連續長碳纖維。過濾部件206則設置於模頭204中，以過濾熔融瀝青原料因高溫產生之瀝青焦結物。過濾部件206可為濾網，且此濾網之材料係金屬鋁。收捲輪400係用來捲收瀝青基碳纖維300。收捲輪400之材料可為金屬材料、 高分子材料、其他合適之材料及上述材料之任意組合。倘若收捲輪400之材料係高分子材料時，於20℃且頻率為1kHz之環境下，此高分子材料之介電常數可大於或等於1.5且小於或等於12。前述之高分子材料可包含但不限於酚醛樹脂、尼龍、聚碳酸酯樹脂、聚乙烯對苯二甲酸酯、低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚醯胺高分子、壓克力塑膠、有機玻璃、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化高分子、氯化塑膠以及上述材料之任意組合。前述之氟化高分子可包含但不限於氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯、聚二氟乙烯以及上述材料之任意組合。上述之氯化塑膠則可包含但不限於聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯以及上述材料之任意組合。

前述之保溫部件500包含至少三個加熱電偶502與弧形板504。每一個加熱電偶502係分別以焊接、鎖附、卡固及其他可達到固定之方式固定於弧形板504上，弧形板504則係藉由支撐架506固定於支架102上，其中支撐架506可以焊接、鎖附、卡固及其他可達到固定之方式來固定於支架102上。每一個加熱電偶502具有相對之第一端502a與第二端502b，其中第一端502a朝向模頭204，第二端502b朝向收捲輪400，且每一個加熱電偶502係平行於瀝青基碳纖維300之形成方向300a。加熱電偶502之第二端502b與收捲輪400間則相距有距離600，用來冷卻瀝青基碳纖維300，以避免瀝青基碳纖維300黏附在一起。該些加熱電偶502之溫度可為大於或等於(軟化溫度-200℃) 且小於或等於(軟化溫度-50℃)。前述之馬達700則透過轉軸702來轉動收捲輪400，以達到捲收瀝青基碳纖維300之目的。

瀝青原料由於具有較多之芳香族成份，而造成瀝青原料於紡絲過程易受到此些堅硬之芳香族成份的影響而產生相分離之情形，進而使得所形成之瀝青基碳纖維無法形成連續相，容易斷絲，因此無法形成長碳絲。上述之加熱電偶502則係於不接觸瀝青基碳纖維之情形下，藉由加熱保溫，使得前述之瀝青基碳纖維300產生延伸之效果，而使得瀝青基碳纖維之堅硬成份產生配向機制，進而可消除相分離之情形，因此可形成連續長碳纖維。

請參照第3圖，其係繪示沿著第2圖中剖面線A-A剖切之一種碳纖維之紡絲裝置的剖視圖。保溫部件500之加熱電偶502係分別固定於弧形板504上，而弧形板504則係藉由支撐架506固定於支架102上，其中瀝青基碳纖維300至每一個加熱電偶502之距離300b、300c及300d係相等的。

根據上述之本發明的碳纖維之紡絲裝置所製得之瀝青基碳纖維的直徑可大於或等於10μm且小於或等於50μm，且瀝青基碳纖維之長度大於10000公尺。

在一些應用例中，本發明將軟化溫度約70℃且喹嚀不溶物小於1%之煤焦油瀝青原料，於300℃至350℃之高溫釜中進行改質，而形成軟化溫度為286℃(應用例1)、268℃(應用例2)、268℃(應用例3)、318℃(比較例1)與288℃(比較例2)之瀝青原料。然後，分別於1000s^-1 至10000s^-1 之範 圍內測定應用例1至3及比較例1與2之瀝青原料的動態黏度。其結果如第1表所示。

然後，將前述之瀝青原料藉由本發明之碳纖維的紡絲裝置進行紡絲，量測其連續碳纖維之長度與直徑，並觀察其收捲狀況，其中應用例1至應用例3之加熱電偶的溫度設定為150℃，而比較例1與比較例2則未開啟加熱電偶。前述之量測結果如第1表所示，其中「○」代表瀝青基碳纖維捲收於收捲輪時，碳纖維集中不飄散，而「×」代表瀝青基碳纖維捲收於收捲輪時，碳纖維係飄散且不易集中的。

請參照第4圖、第5圖及第1表之結果，其中第4圖與第5圖均係顯示本發明之應用例2之瀝青基碳纖維之掃描式電子顯微鏡圖，其中比例尺規之長度分別代表200μm及50μm。應用例1至應用例3之瀝青基碳纖維可形成之連續碳纖維長度大於10000公尺，且其碳纖維長度可縮減至35μm與10μm至12μm。然而，比較例1與比較例2可形成之連續碳纖維長度僅可達到1000至1500公尺，而其碳纖維之直徑僅可縮小至100μm。因此，根據第1表之結果可知，開啟保溫部件之加熱電偶可使瀝青基碳纖維產生延伸之效果，而可形成配向機制，進而有利於形成連續長碳纖維。

再者，依據應用例2與應用例3之收捲狀況的結果可知，應用例2之瀝青基碳纖維無法集中捲收於金屬收捲輪上，而應用例3利用高分子材料製成之收捲輪來捲收瀝青基碳纖維，並藉由捲收所產生之靜電來吸附瀝青基碳纖 維，而可使瀝青基碳纖維集中於收捲輪上。

由本發明上述實施例可知，本發明之碳纖維的紡絲裝置利用保溫部件於不接觸瀝青基碳纖維之狀況下對碳纖維進行加熱保溫，使瀝青基碳纖維產生延伸之效果，並形成配向機制，而可提升瀝青基碳纖維的配向性，進而可形成連續長碳纖為，因此可提升瀝青基碳纖維之性質。

再者，本發明之碳纖維的紡絲裝置藉由高分子材料所製成之收捲輪來捲收瀝青基碳纖維，並利用捲收所產生之靜電來吸附瀝青基碳纖維，而可使瀝青基碳纖維集中於收捲輪上，進而可避免瀝青基碳纖維因收捲輪之捲動而斷裂。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧支架

200‧‧‧押出部件

202‧‧‧加熱腔體

204‧‧‧模頭

204a‧‧‧押出方向

206‧‧‧過濾部件

300‧‧‧碳纖維

300a‧‧‧形成方向

300b‧‧‧距離

300c‧‧‧距離

300d‧‧‧距離

400‧‧‧收捲輪

500‧‧‧保溫部件

502‧‧‧加熱電偶

502a‧‧‧第一端

502b‧‧‧第二端

504‧‧‧弧形板

506‧‧‧支撐架

600‧‧‧距離

700‧‧‧馬達

702‧‧‧轉軸

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明之一實施例之碳纖維之紡絲裝置的剖視圖。

第2圖係繪示依照本發明之一實施例之碳纖維之紡絲裝置的正視圖。

第3圖係繪示沿著第2圖中剖面線A-A剖切之一種碳纖維之紡絲裝置的剖視圖。

第4圖係顯示本發明之應用例2之瀝青基碳纖維之掃描式電子顯微鏡圖。

第5圖係顯示本發明之應用例2之瀝青基碳纖維之掃描式電子顯微鏡圖。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧支架

200‧‧‧押出部件

202‧‧‧加熱腔體

204‧‧‧模頭

204a‧‧‧押出方向

206‧‧‧過濾部件

300‧‧‧碳纖維

300a‧‧‧形成方向

400‧‧‧收捲輪

500‧‧‧保溫部件

502‧‧‧加熱電偶

502a‧‧‧第一端

502b‧‧‧第二端

504‧‧‧弧形板

506‧‧‧支撐架

600‧‧‧距離

Claims (14)

1. 一種碳纖維之紡絲裝置，包含：一押出部件，以押出形成一瀝青基碳纖維，包含：一加熱腔體，用以熔融一瀝青原料，並形成一熔融瀝青原料，其中該瀝青原料具有一軟化溫度；一模頭，用以使該熔融瀝青原料形成該瀝青基碳纖維，其中該瀝青基碳纖維之一形成方向平行該熔融瀝青原料之一押出方向；以及一過濾部件，設於該模頭中，以過濾該熔融瀝青原料；一收捲輪，用以捲收該瀝青基碳纖維；以及一保溫部件，含有至少三加熱電偶，其中每一該些加熱電偶具有相對之一第一端與一第二端，該第一端朝向該模頭，該第二端朝向該收捲輪，而每一該些加熱電偶平行於該形成方向，且該瀝青基碳纖維至每一該些加熱電偶之距離係相等的，其中該第二端與該收捲輪間相距有一距離，用以冷卻該瀝青基碳纖維，且其中該保溫部件係用以使該瀝青基碳纖維產生配向機制，而該瀝青基碳纖維之直徑係大於或等於10μm且小於或等於50μm，且該瀝青基碳纖維之長度大於10000公尺。
2. 如請求項1所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該瀝青原料係一煤焦油瀝青或一石油瀝青。
3. 如請求項1所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該模頭係一漏斗狀模頭。
4. 如請求項1所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該過濾部件係一濾網。
5. 如請求項4所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該濾網之材料係一金屬鋁。
6. 如請求項1所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該軟化溫度係大於或等於250℃且小於或等於350℃。
7. 如請求項6所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該加熱腔體之溫度係大於或等於(該軟化溫度+20℃)且小於或等於(該軟化溫度+80℃)。
8. 如請求項6所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該些加熱電偶之溫度係大於或等於(該軟化溫度-200℃)且小於或等於(該軟化溫度-50℃)。
9. 如請求項1所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該收捲輪之材料係一金屬。
10. 如請求項1所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該收 捲輪之材料係一高分子材料。
11. 如請求項10所述之碳纖維之紡絲裝置，其中於20℃且頻率為1kHz時，該高分子材料之介電常數係大於或等於1.5且小於或等於12。
12. 如請求項11所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該高分子材料係選自於由酚醛樹脂、尼龍、聚碳酸酯樹脂、聚乙烯對苯二甲酸酯、低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚醯胺高分子、壓克力塑膠、有機玻璃(Plexiglas)、聚丙烯、聚苯乙烯、氟化高分子、氯化塑膠以及上述之任意組合所組成之一族群。
13. 如請求項12所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該氟化高分子係選自於氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene-propylene；FEP)、聚三氟氯乙烯(polycholorotrifluoro-ethylene；PCTFE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、聚氟乙烯(polyvinylfluoride；PVF)、聚二氟乙烯(polyvinylidenefluoride；PVDF)以及上述之任意組合所組成之一族群。
14. 如請求項12所述之碳纖維之紡絲裝置，其中該氯化塑膠係選自於聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯(polyvinylidenechloride；PVDC)以及上述之任意組合所組成之一族群。