[發(fā)明專利]一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610477128.6
• 申請日: 2016-06-27
• 公開（公告）號: CN106012106B
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳銀生;周坤;鄧劍辰;張行;習(xí)春飛
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢中交巖土工程有限責(zé)任公司
• 主分類號: D01F9/145
• 分類號: D01F9/145
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 鄧佳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法，屬于碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特種纖維。是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為230～430Gpa亦高于鋼。其具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電與導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，是航空航天工業(yè)中不可缺少的工程材料，另在交通、機械、體育娛樂、休閑用品、醫(yī)療衛(wèi)生和土木建筑方面也有廣泛應(yīng)用，這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。瀝青基碳纖維的原料是中間相瀝青，中間相瀝青是由重質(zhì)芳烴類物質(zhì)在熱處理過程中生成的一種由圓盤狀或者棒狀分子構(gòu)成的向列型的液晶物質(zhì)，其原料可以是煤焦油瀝青、石油瀝青和純芳烴類物質(zhì)以及它們的共混體。但由于中間相瀝青軟化點比較高，平均分子量高，芳構(gòu)度高，分子間作用力大，熔體粘度高，導(dǎo)致其流變性差，且由于其紡絲溫度較高，在330℃以上，給紡絲制備瀝青基碳纖維造成較大困難，所得成品穩(wěn)定性差，產(chǎn)率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：針對由于中間相瀝青軟化點比較高，平均分子量高，分子間作用力大，熔體粘度高，導(dǎo)致其流變性差，且由于其紡絲溫度較高，在330℃以上，給紡絲制備瀝青基碳纖維造成較大困難，所得成品穩(wěn)定性差，產(chǎn)率低的弊端，提供了一種取煤矸石粉碎碾磨后，與濃硫酸混合反應(yīng)，再與雙氧水、高錳酸鉀混合氧化反應(yīng)，將反應(yīng)物放入層析袋中，于冰水浴中析出結(jié)晶，收集層析物與瀝青、石油醚混合提煉過濾所得的濾渣混合，超聲分散后靜置熟化，經(jīng)紡絲、碳化制得中間相瀝青基碳纖維的方法。本發(fā)明制備步驟簡單，所得產(chǎn)品穩(wěn)定性和流變性好，產(chǎn)率高。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案是：

（1）稱取2～3kg煤矸石，將其放入粉碎機中粉碎50～60min，隨后取出放入碾磨機中，控制碾磨機碾磨壓力為8～10MPa，碾磨1～2h，過80～100目篩，得煤矸石粉末；

（2）按質(zhì)量比5:2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)30～40min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入15～20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)1～2h，再向其中加入15～20g高錳酸鉀，攪拌混合反應(yīng)1～2h，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于1～5℃冰水浴中靜置2～3h，待無結(jié)晶物析出時，收集層析物，備用；

（3）稱取1～2kg瀝青放入碾磨機中，控制碾磨機碾磨壓力為7～8MPa，碾磨后過70～80目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉6～8h，待提煉完后，過濾得濾渣；

（4）按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至步驟（2）中備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理1～2h，得分散物，將所得的分散物在溫度為50～55℃，靜置熟化3～7天；

（5）待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時向其中通入氮氣，控制氮氣通入速率為20～22mL/min，通入時間為10～15min，控制管式爐中溫度為400～600℃，碳化4～6h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。

本發(fā)明制得的中間相瀝青基碳纖維密度為2.15～2.23g/cm³，拉伸強度為3.78～4.12GPa，拉伸模量為865～950GPa，熱導(dǎo)率為850～910W·m^-1·K^-1，在-150～150℃時，熱膨脹系數(shù)為-0.08×10^-6～0.1×10^-6。

本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是：

（1）本發(fā)明制備步驟簡單，制備過程中熔體粘度降低了25～30%；

（2）所得產(chǎn)品流變性和穩(wěn)定性好，產(chǎn)率提高了20～25%。

具體實施方式