TWI699466B - 氣相表面處理之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種處理碳纖維之氣相表面處理，包括(a)使碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維；隨後(b)使該經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中該富氮表面相比於在(a)處曝露之前的該碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高。步驟(a)及步驟(b)連續進行，不插入任何另外表面處理。
Description
本文揭示一種氣相表面處理方法。特定言之，本文揭示一種使碳纖維表面官能化之連續氣相表面處理方法。
碳纖維由於其合乎需要之特性，諸如，例如高強度及硬度、耐化學性及低熱膨脹，已用於廣泛多種應用中。在一個實例中，碳纖維可形成為構件，其組合高強度及高硬度，同時具有比具有同等特性之金屬成分顯著更輕之重量。碳纖維正日益用作航空及汽車應用等之複合材料中的結構成分。特定言之，複合材料已發展為其中碳纖維充當樹脂或陶瓷基質中之強化材料。
在生產複合材料(亦即，纖維強化塑膠)中，呈長纖維或短纖維、或編織織物或非編織物之形式的碳纖維用於與合成樹脂之基質組合。適合於該基質之樹脂一般對於熟習此項技術者已知且包括熱塑性樹脂(諸如聚縮醛、聚醯胺、聚酯、丙烯酸樹脂、氟樹脂、聚氯乙烯樹脂及其類似者)及熱固性樹脂(諸如環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺及其類似者)。該等複合材料為多功能的且可用於結構材料、耐熱材料、導電材料或耐摩擦材料中。然而，已遭遇困難，碳纖維一般而言具有對於合成樹脂之弱親和力，使得當與合成樹脂混合時，難以獲得具有令人滿意之物理或機械特性的複合材
料。因此，在複合材料之生產中為慣例的是預處理碳纖維之表面以致力於改良碳纖維對於合成樹脂之親和力。
習知碳纖維表面處理採用電化學方法之使用，其中碳纖維在電解質浴中經處理。視電解質之類型及電之電流而定，形成含氧型或含氮型之表面官能性。習知碳纖維表面處理需要洗滌及乾燥，其歸因於設備設施及操作導致額外費用。氣相表面處理(GPST)不需要後續洗滌及乾燥步驟；然而，當前已知之GPST方法限制於使用氧化性氣體，導致含氮官能性(其對於纖維與特定高效基質樹脂之間的相互作用為所需的)不足。
因此，在此項技術中需要生產改良碳纖維以提高碳纖維之表面氮官能性。
咸信本文揭示之方法為此項技術中經歷之需求的答案。
本發明之一個態樣係關於用於處理碳纖維之氣相表面處理，其包含：a)使碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維；隨後b)使經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中富氮表面相比於在(a)處曝露之前的碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高，其中步驟(a)及步驟(b)連續進行，不插入任何另外表面處理。
本發明之另一態樣係關於製造碳纖維之連續方法，其包含：(i)使連續聚丙烯腈(PAN)纖維穿過氧化區域以形成經穩定PAN纖維；(ii)使經穩定PAN纖維穿過碳化區域以形成連續碳纖維；(iii)使連續碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維；以及(iv)使經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中富氮表
面相比於在(iii)處曝露之前的碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高，其中步驟(i)至步驟(iv)或步驟(ii)至步驟(iv)連續進行。
100:氣相表面處理
110:碳纖維
112:氣態氧化氛圍
112a:腔室
114:具有經氧化纖維表面之改良碳纖維
116:經氧化纖維表面
118:氣態含氮氛圍
118a:腔室
120:具有富氮表面之改良碳纖維
122:富氮表面
200:製造碳纖維之連續方法
210:步驟
220:步驟
230:步驟
240:步驟
302:碳化纖維
310:碳化鍋爐
312:氣體套管
314:腔室
316:第二氣體套管
圖1為根據本發明之一個態樣之氣相表面處理的圖式。
圖2為根據本發明之一個態樣之用於製造碳纖維的方法的流程圖。
圖3為根據本發明之一個態樣之氣相表面處理的圖式。
圖4為展示根據本文所述之實例的樣品的氮比碳比值的圖。
在下文之描述中更詳細地描述本發明之此實施例及其他實施例。
本申請案主張2015年12月22日申請之先前美國臨時申請案第62/270656號之權益，其以引用之方式併入本文中。
已發現用於處理碳纖維之氣相表面處理(GPST)在不改變纖維之重量及強度之情況下改進碳纖維與基質樹脂間的介面特性。因此，氣相表面處理增強利用碳纖維製造複合材料中之介面黏著力。本文揭示用於處理碳纖維之氣相表面處理(其為不插入任何另外表面處理之連續方法)以產生具有改良表面之碳纖維，其增強對於生產複合物之基質樹脂的親和力。應注意在整個申請案中所揭示之數值的範圍，例如濃度、溫度、時間、數量等，包括指定末端值及所有值，及在指定末端值之間的值的範圍。另外，本文所提供之特定成分、系統及/或裝置之實例僅為實例且不意欲使成分、系統及/或裝置限制於所提供之特定實例。
本發明涵蓋先前製造碳纖維之氣相表面處理以及導致產生碳纖維及其氣相表面處理之方法。
根據圖1中所示之一實施例，在碳纖維110之氣相表面處理100期間，
使碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112以形成具有經氧化纖維表面116之改良碳纖維114。在氣相表面處理之此步驟中，僅改良碳纖維之表面且未改良纖維內部。此步驟隨後為使經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118以形成具有富氮表面122之改良碳纖維120。在氣相表面處理之此步驟中，僅改良碳纖維之表面且未改良纖維內部。富氮表面122相比於在曝露於氣態氧化氛圍112之前的碳纖維110之表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高。此等步驟連續進行，不插入任何另外表面處理。
可在此項技術中已知且通常用於碳纖維之表面處理之裝置/系統中進行本文揭示之氣相表面處理；然而，在對於本文揭示之處理專門研發之裝置/系統中進行氣相表面處理在本發明之範疇內。舉例而言，碳纖維曝露於氣態氧化氛圍可以對於該曝露已知之任何方式進行。碳纖維110可在腔室112a中曝露於氣態氧化氛圍112，腔室為諸如套管、管、矩形箱或櫃(本文統稱為「腔室」)。
氣態氧化氛圍112包括臭氧及選自空氣、氧氣、氧化氮及其組合之至少一種氣態成分。在一個實施例中，氣態氧化氛圍112包括臭氧及氧氣。臭氧可藉由臭氧發生器(圖1中未示出)製造且與至少一種氣態成分一起進料至腔室112a以使碳纖維曝露於氣態氧化氛圍112。臭氧在氣態氧化氛圍中之濃度可變化，然而，在一個實施例中，氣態氧化氛圍112包括至少1000ppm之臭氧。在另一實施例中，氣態氧化氛圍112包括至少2000ppm之臭氧。
可在足以表面氧化之任何溫度下進行碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112。在一個實施例中，在約100攝氏度(℃)至約200℃範圍內之溫度下進行碳纖維曝露於氣態氧化氛圍。在另一實施例中，在約120℃至約160℃範圍內之溫度下進行碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112。
碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112可進行持續足以獲得所需表面氧化之任何時間長度。在一個實施例中，碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112進行約0.5分鐘至約2分鐘之時間段，亦即，氣態氧化氛圍112以恆定速率提供至腔室112a且纖維在約0.5分鐘至約2分鐘範圍內之時間量中停留於腔室112a。
碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112形成具有經氧化纖維表面116之改良碳纖維114。在形成具有經氧化纖維表面116之改良碳纖維114之後，纖維傳送至另一腔室(例如，腔室118a)且經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118。經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍118形成具有富氮表面122之改良碳纖維120。
經氧化纖維表面116所曝露之氣態含氮氛圍118可為此項技術中已知之任何此類含氮氛圍。在一個實施例中，氣態含氮氛圍118包括選自氨、甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺及其組合之氣態成分。在一個實施例中，含氮氛圍118中之氣態成分為氨。雖然含氮氛圍118中之氣態成分的體積或濃度可變化，但在一個實施例中，含氮氛圍118包括至少50體積%之氨氣。
可在有效形成富氮表面之任何溫度下使經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118。在一個實施例中，經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍118在約100攝氏度(℃)至約200℃範圍內之溫度下進行。在另一實施例中，經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118在約120℃至約160℃範圍內之溫度下進行。
經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118可進行持續足以形成所需富氮表面之任何時間長度。在一個實施例中，經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118進行持續約0.5分鐘至約2分鐘之時間段，亦即，氣態含氮
氛圍118以恆定速率提供至腔室118a且纖維停留於腔室118a達約0.5分鐘至約2分鐘範圍內之時間量。
意欲氣相表面處理之上述步驟中之每一者可在相同溫度下或在相同溫度範圍內進行。亦即，碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112及經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118可各自在約100℃至約200℃範圍內之溫度下或在120℃至160℃範圍內之溫度下進行。同樣地，意欲上述步驟在不同溫度下進行，例如，碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112可在100℃下進行，而經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118可在160℃下進行。考慮其他溫度組合且在本發明之範疇內。
另外意欲氣相表面處理之上述步驟中之每一者可進行持續相同時間段，或在相同時間段範圍內。亦即，碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112及經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118可各自進行持續0.5分鐘至2分鐘之時間段。同樣地，意欲上述步驟進行持續不同時間長度。應注意纖維在腔室中花費之時間長度視腔室之長度而定。因此，意欲碳纖維110曝露於氣態氧化氛圍112可在不同於經氧化纖維表面116曝露於氣態含氮氛圍118之時間長度的時間長度下。
如圖1中所示，氣相表面處理可以存在兩個獨立腔室112a、118a之方式進行。然而，意欲碳纖維可在獨立套管中曝露於氣態氧化氛圍112及氣態含氮氛圍118，其中兩個套管均置放於單一腔室。該實施例展示於圖3中，其在下文詳細論述。雖然未圖示，但氣相表面處理之其他組態涵蓋於本發明內。
本文揭示之氣相表面處理產生具有富氮表面之碳纖維(在本文中亦稱作「具有富氮表面之改良碳纖維」)。富氮表面相比於在曝露於氣態氧化氛
圍之前的碳纖維之表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高。N/C比值之量測可藉由此項技術中已知之方法進行，諸如，例如X射線光電子光譜法(XPS)。在一個實施例中，如藉由XPS所量測，N/C比值之升高為至少30%。
在一個實施例中，如藉由所XPS量測，富氮表面之N/C比值在0.05至0.07之範圍內。
表面處理之上述步驟連續進行，在曝露於氣態氧化氛圍112之前或在曝露於氣態氧化氛圍112之後不插入任何另外表面處理。特定言之，上述步驟連續進行且在纖維碳化之後無步驟插入。在一個實施例中，曝露於氣態氧化氛圍112及曝露於氣態含氮氛圍118在經穩定聚丙烯腈(PAN)纖維前驅體之碳化以產生碳纖維之後立即進行，不插入任何步驟。
根據展示於圖2中一實施例，存在用於製造碳纖維之連續方法200。方法包括，在步驟210中，使連續PAN纖維穿過氧化區域以形成經穩定PAN纖維。在一個實施例中，氧化區域包括經組態以使PAN纖維封閉於空氣中之烘箱。用於步驟210之氧化區域中之烘箱可保持在任何溫度下。在一個實施例中，用於氧化區域中之烘箱保持在200℃至300℃範圍內之溫度下。
在步驟220中，經穩定PAN纖維穿過碳化區域以形成連續碳纖維。可以如此項技術中已知之任何適合之形式建立碳化區域。在一個實施例中，步驟220中之碳化區域包括一或多個鍋爐。碳化區域中之每一個鍋爐封閉包括至少99體積%之惰性氣體的氣態氛圍，且剩餘氛圍包括例如痕量空氣或水濕氣或廢氣，如CO。步驟220中之碳化區域的鍋爐保持在300℃至1650℃範圍內之溫度下。
在一個實施例中，意欲步驟220中之碳化區域包括預碳化鍋爐及碳化鍋爐。在一個實施例中，預碳化鍋爐保持在300℃至900℃範圍內之溫度下
且碳化鍋爐保持在700℃至1650℃範圍內之溫度下。
在步驟230中，使連續纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維。在步驟240中使經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維。根據如上文所述之氣相處理進行步驟230及步驟240。
在連續方法200中，步驟210至步驟240連續進行且步驟230及步驟240在不插入任何另外表面處理之情況下進行。
形成於步驟240中之富氮表面相比於在步驟230處曝露之前的碳纖維之表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高。N/C比值之量測可藉由此項技術中已知之方法進行，諸如，例如X射線光電子光譜法(XPS)。在一個實施例中，如藉由XPS所量測，N/C比值之升高為至少30%。
在一個實施例中，如藉由XPS所量測，形成於步驟240中之富氮表面之N/C比值在0.05至0.07之範圍內。
除前文以外，本發明亦涵蓋(但不限於)以下實施例：
實施例1. 一種用於處理碳纖維之氣相表面處理，其包含：a)使碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維；隨後b)使經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中富氮表面相比於在(a)處曝露之前的碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高，其中步驟(a)及步驟(b)連續進行，不插入任何另外表面處理。
實施例2. 實施例1之氣相表面處理，其中如藉由X射線光電子光譜法(XPS)所量測，N/C比值之升高為至少30%。
實施例3. 實施例1之氣相表面處理，其中如藉由X射線光電子光譜法(XPS)所量測，富氮表面之N/C比值在0.05至0.07之範圍內。
實施例4. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中步驟(a)及步驟(b)在經穩定聚丙烯腈(PAN)纖維前驅體之碳化以產生該碳纖維之後立即進行，不插入任何步驟。
實施例5. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中氣態氧化氛圍包含臭氧及選自空氣、氧氣、氧化氮及其組合之至少一種氣態成分。
實施例6. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中氣態氧化氛圍包含至少1000ppm之臭氧。
實施例7. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中含氮氣體包含選自氨、甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺及其組合之氣態成分。
實施例8. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中氣態含氮氛圍包含至少50體積%之氨氣。
實施例9. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中步驟(a)進行持續0.5至2分鐘之時間段，且步驟(b)進行持續0.5至2分鐘之時間段。
實施例10. 根據前述實施例中之任一者的氣相表面處理，其中步驟(a)及步驟(b)在約100℃至約200℃範圍內之溫度下進行。
實施例11. 實施例10之氣相表面處理，其中步驟(a)及步驟(b)在120℃至160℃範圍內之溫度下進行。
實施例12. 一種用於製造碳纖維之連續方法，其包含：i.使連續聚丙烯腈(PAN)纖維穿過氧化區域以形成經穩定PAN纖維；ii.使經穩定PAN纖維穿過碳化區域以形成連續碳纖維；iii.使連續碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之
改良碳纖維；以及iv.使經氧化纖維表面曝露於氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中富氮表面相比於在(iv)處曝露之前的碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高，v.其中步驟(i)至步驟(iv)或步驟(ii)至步驟(iv)連續進行。
實施例13. 實施例12之連續方法，其中如藉由X射線光電子光譜法(XPS)所量測，富氮表面之N/C比值在0.05至0.07之範圍內。
實施例14. 實施例12之連續方法，其中N/C比值之升高為至少30%。
實施例15. 根據實施例12至14中任一者之連續方法，其中氣態氧化氛圍包含臭氧及選自空氣、氧氣、氧化氮及其組合之至少一種氣態成分。
實施例16. 根據實施例12至15中任一者之連續方法，其中氣態氧化氛圍包含至少1000ppm之臭氧。
實施例17. 根據實施例12至16中任一者之連續方法，其中含氮氣體包含選自氨、甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺及其組合之氣態成分。
實施例18. 根據實施例12至17中任一者之連續方法，其中氣態含氮氛圍包含至少50體積%之氨氣。
實施例19. 根據實施例12至19中任一者之連續方法，其中在(i)處之氧化區域包含經組態以使纖維封閉於空氣中之烘箱。
實施例20. 實施例19之連續方法，其中氧化區域之烘箱保持在200℃至300℃範圍內之溫度下。
實施例21. 根據實施例12至20中任一者之連續方法，其中在(ii)處之碳化區域包含一或多個鍋爐，各者封閉包含至少99體積%之惰性氣體的氣態氛圍。
實施例22. 實施例21之連續方法，其中碳化區域之一或多個鍋爐保持在300℃至1650℃範圍內之溫度下。
實施例23. 實施例21之連續方法，其中在(ii)處之碳化區域包含保持在300℃至900℃範圍內之較低溫度下的預碳化鍋爐及保持在700℃至1650℃範圍內之較高溫度下的碳化鍋爐。
上述實施例中之一些或全部展示描述於下文所提供之實例中之一或多者中。
由本發明者利用本文揭示之新穎方法獲得之結果相比於此項技術中已知之方法表明改良。儘管特定例示性測試採用臭氧作為氣態氧化氛圍且氨作為氣態含氮氛圍，但本發明者預期根據如本文所揭示之其他氣態氛圍之類似結果。
特定言之，且如下文表明，結果展示臭氧處理(亦即，纖維曝露於臭氧)可氧化碳化纖維表面以產生氧表面官能性。隨後氨處理(纖維曝露於氨)可引入氮表面官能性。在無臭氧處理之情況下，本發明者發現僅氨處理並非有效。
根據本文揭示之實例的新穎方法緊接在碳纖維離開碳化鍋爐(其為熟習此項技術者已知的)之後在碳纖維上進行。在下文論述參數及結果。
如圖3中所示，氣相表面處理用於在碳化鍋爐之出口處在碳纖維上執行流線式表面處理。如圖3中所示，碳化纖維302直接自碳化鍋爐310進料至定位於腔室314中之氣體套管312。纖維302在氣體套管312中曝露於臭氧。在150℃之溫度下加熱腔室314。在曝露於臭氧之後，纖維302返回至
經加熱之腔室314中之第二氣體套管316。在第二套管316中，纖維曝露於氨氣。展示於圖3中之各套管為八(8)呎長且直徑為1.5吋。
臭氧藉由使用由OZOTECH Inc.製造之模型OZ2PCS的臭氧發生器(未圖示)產生。提供至臭氧發生器之進料氣體為氧氣。氨氣自貯氣瓶(未圖示)進料至套管。
製備中間模數(IM)碳纖維且用於下文描述之實驗中。用於IM纖維之PAN聚合物紡絲液在二甲亞碸(DMSO)中聚合。聚合物具有1%之衣康酸(ITA)且重量平均分子量(MW)為約150,000。紡絲液之固體濃度為約22%。PAN前驅體紡絲藉由氣隙紡絲方法進行。
在製造碳纖維期間之PAN纖維之氧化在設定於210℃至290℃之氧化烘箱內部的空氣中進行。在製造碳纖維期間之碳化在氮氣中以每分鐘六(6)呎(f.p.m.)之線速度進行，且最大碳化鍋爐溫度設定於1300℃。
收集未設定大小碳纖維樣品用於經由XPS之表面化學分析。在密歇根州大學複合物中心(the Composite Center of the Michigan State University)進行XPS分析。
進行四(4)個樣品之表面化學測試。第一樣品(樣品1)不曝露於氣態氧化氛圍(臭氧)或氣態含氮氛圍(氨)。
纖維之第二樣品(樣品2)僅曝露於臭氧。在樣品2中，碳纖維自碳化鍋爐傳送至經含有氧氣之臭氧填充之氣體套管。氣體套管置放於設定至150℃之溫度的經加熱腔室。氣體套管中之臭氧濃度為2000ppm。纖維在氧化
氣體套管中之滯留時間為80秒。纖維不後續曝露於氨。
纖維之第三樣品(樣品3)曝露於臭氧及氨。在樣品3中，碳纖維自碳化鍋爐傳送至經含有氧氣之臭氧填充之氣體套管。氣體套管置放於設定至150℃之溫度的經加熱腔室。氣體套管中之臭氧濃度為2000ppm。纖維在氧化氣體套管中之滯留時間為80秒。碳纖維隨後傳送至填充有氨之氣體套管。氨氣套管置放於設定至150℃之溫度的經加熱腔室。纖維在氨氣套管中之滯留時間為80秒。100%氨自貯氣瓶進料至氨氣套管。
纖維之第四樣品(樣品4)僅曝露於氨。在樣品4中，碳纖維自碳化鍋爐傳送至填充有氨之氣體套管。氨氣套管置放於設定至150℃之溫度的經加熱腔室。纖維在氨氣套管中之滯留時間為80秒。100%氨自貯氣瓶進料至氨氣套管。
下文之表3表明如藉由XPS所量測之纖維樣品之表面化學資料。圖4為展示樣品之氮/碳(N/C)比值的圖。如可見，曝露於臭氧及氨兩者之碳纖維(樣品3)的N/C比值相比於未曝露於任何物品之碳纖維(樣品1)、僅曝露於臭氧之樣品(樣品2)及僅曝露於氨之樣品(樣品4)的N/C比值為升高的。
表3及圖4表明臭氧處理產生表面氧，臭氧及氨處理產生表面氧及表面氮，且氨處理自身未改變碳纖維表面化學。
儘管已關於本發明之詳細實施例展示及描述本發明，但熟習此項技術
者應理解在不背離本發明之範疇之情況下可進行各種改變且等效物可替代其成分。另外，在不背離本發明之範疇之情況下，可進行修改以使特定情況或材料適應本發明之教示內容。因此，意欲本發明不受限於上文實施方式中所揭示之特定實施例，但本發明將包括屬於隨附申請專利範圍之範疇內的所有實施例。
100:氣相表面處理
110:碳纖維
112:氣態氧化氛圍
112a:腔室
114:具有經氧化纖維表面之改良碳纖維
116:經氧化纖維表面
118:氣態含氮氛圍
118a:腔室
120:具有富氮表面之改良碳纖維
122:富氮表面
Claims (18)
- 一種用於處理連續碳纖維之氣相表面處理方法，其包含：(a)使連續碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維；隨後(b)使具有該經氧化纖維表面之連續碳纖維曝露於包含至少50體積%之氨氣的氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中該富氮表面相比於在(a)處曝露之前的該碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高，其中步驟(a)及步驟(b)連續進行，不插入任何另外表面處理；及其中步驟(a)進行0.5至2分鐘之時間段，且步驟(b)進行0.5至2分鐘之時間段。
- 如請求項1之氣相表面處理方法，其中如藉由X射線光電子光譜法(XPS)量測，該N/C比值之升高為至少30%。
- 如請求項1之氣相表面處理方法，其中如藉由X射線光電子光譜法(XPS)量測，該富氮表面之N/C比值在0.05至0.07之範圍內。
- 如請求項1之氣相表面處理方法，其中在碳化經穩定聚丙烯腈(PAN)纖維前驅體以產生該碳纖維之後，立即進行步驟(a)及步驟(b)，不插入任何步驟。
- 如請求項1之氣相表面處理方法，其中該氣態氧化氛圍包含臭氧及選自空氣、氧氣、氧化氮及其組合之至少一種氣態成分。
- 如請求項1之氣相表面處理方法，其中該氣態氧化氛圍包含至少1000ppm之臭氧。
- 如請求項1之氣相表面處理方法，其中步驟(a)及步驟(b)在100℃至200℃範圍內之溫度下進行。
- 如請求項7之氣相表面處理方法，其中步驟(a)及步驟(b)在120℃至160℃範圍內之溫度下進行。
- 一種用於製造碳纖維之連續方法，其包含：(i)使連續聚丙烯腈(PAN)纖維穿過氧化區域以形成經穩定PAN纖維；(ii)使該經穩定PAN纖維穿過碳化區域以形成連續碳纖維；(iii)使該連續碳纖維曝露於氣態氧化氛圍以形成具有經氧化纖維表面之改良碳纖維；以及(iv)使該經氧化纖維表面曝露於包含至少50體積%之氨氣之氣態含氮氛圍以形成具有富氮表面之改良碳纖維，其中該富氮表面相比於在(iii)處曝露之前的該碳纖維表面呈現表面氮比表面碳(N/C)比值升高，其中步驟(i)至步驟(iv)或步驟(ii)至步驟(iv)連續進行；及其中步驟(iii)進行0.5至2分鐘之時間段，且步驟(iv)進行0.5至2分鐘之時間段。
- 如請求項9之連續方法，其中如藉由X射線光電子光譜法(XPS)量測，該富氮表面之N/C比值在0.05至0.07之範圍內。
- 如請求項9之連續方法，其中該N/C比值之升高為至少30%。
- 如請求項9之連續方法，其中該氣態氧化氛圍包含臭氧及選自空氣、氧氣、氧化氮及其組合之至少一種氣態成分。
- 如請求項9之連續方法，其中該氣態氧化氛圍包含至少1000ppm之臭氧。
- 如請求項9之連續方法，其中在(i)處之該氧化區域包含經組態以使該連續PAN纖維封閉於空氣中之烘箱。
- 如請求項14之連續方法，其中該氧化區域之該烘箱保持在200℃至300℃範圍內之溫度下。
- 如請求項9之連續方法，其中在(ii)處之該碳化區域包含一或多個鍋爐，各鍋爐封閉包含至少99體積%之惰性氣體的氣態氛圍。
- 如請求項16之連續方法，其中該碳化區域之該一或多個鍋爐保持在300℃至1650℃範圍內之溫度下。
- 如請求項16之連續方法，其中在(ii)處之該碳化區域包含保持在300℃至900℃範圍內之較低溫度下的預碳化鍋爐及保持在700℃至1650℃範圍內之較高溫度下的碳化鍋爐。
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