[發明專利]一種通過組合原料制備可紡瀝青的方法及制備碳纖維的應用

有效

• 申請號: 202011275139.9
• 申請日: 2020-11-14
• 公開（公告）號: CN112625722B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 劉云芳;于吉曄;劉輝;張威
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C10C3/02
• 分類號: C10C3/02;C10C3/08;C10C3/10;C10C3/14;D01F9/155;D01F9/15;D01F9/145
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種通過組合原料制備可紡瀝青的方法及制備碳纖維的應用，屬于瀝青和碳纖維制備技術領域。通過將制備瀝青的原料進行過濾精制，并采用溶劑萃取對其族組成進行分組，然后對各級族組成進行組合混合，所得混合物進一步混合、反應，再進一步通過熔融紡絲、預氧化處理、碳化處理而得到瀝青基碳纖維，再進一步通過石墨化處理得到瀝青基石墨纖維，與現有技術相比，解決了制備紡絲瀝青所需的原料的差異性大而導致的所制備紡絲瀝青的性質差異性大的問題，使所制備的紡絲瀝青的批次性能差異變小，性質可控性高，同時制備可紡瀝青的高溫混合反應時間縮短、反應過程可控程度高、可以方便的通過調控組成的配比來獲得不同性能的碳纖維。

技術領域

本發明涉及一種通過組合原料來制備可紡瀝青的方法及其制備碳纖維的應用，屬于瀝青和碳纖維制備技術領域。

背景技術

瀝青是一種制備多種碳材料的優質原料，已被廣泛的使用，例如瀝青基碳纖維和石墨纖維、泡沫碳、中間相炭微球、活性炭、針狀焦、電極、碳/碳復合材料的粘結劑和基體原料等。瀝青的性質和穩定性對碳材料的結構、性能和性能穩定性等都起著關鍵性的影響。瀝青基碳纖維和石墨纖維，作為新型碳材料，其特殊的結構和性能使其具有廣泛的用途，包括環保領域、隔熱防護領域、機器人領域、航天航空領域、國防軍工領域等，因此是瀝青的重點應用領域之一。

制備紡絲瀝青的原料來源廣泛，包括石油煉制渣油、乙烯裂解渣油、稠環芳烴、煤焦油、生物質瀝青等，并且已有大量的相關文獻報道。北京化工大學碩士學位論文(林秀麗，2011，石油渣油制備可紡中間相瀝青的研究)報道了以石油渣油為原料,擇優采用兩種加壓- 真空熱縮聚實驗方案制備出中間相瀝青，并進行熔融紡絲、預氧化、碳化處理而得到碳纖維。安徽理工大學碩士學位論文(韓笑，2011，煤瀝青基碳纖維的制備與表征)報道了以煤瀝青的喹啉萃取物為原料，采用催化縮聚法制得瀝青前驅體，進而用來制備瀝青基碳纖維。中國發明專利申請CN103361096A公開了一種生產通用級碳纖維的高軟化點瀝青的制備方法，是以精制軟瀝青為原料，通過蒸餾、二級氧化、真空薄膜蒸發調整軟化點，制備通用級碳纖維用高軟化點瀝青原料，進而制備瀝青基碳纖維。中國發明專利申請CN102733008A公開了一種利用煤直接液化殘渣基瀝青烯類物質制備碳纖維的方法，是以煤直接液化殘渣基瀝青烯類物質為原料，首先將瀝青烯類物質研磨，然后置于惰性氣體保護的高溫管式爐或高壓反應釜內進行縮聚反應而制得可紡中間相瀝青，進而制備瀝青基碳纖維。中國發明專利申請CN106929083A公開了一種石油基各相同性碳纖維可紡瀝青的制備方法，是以乙烯裂解焦油為原料經過沉降、過濾、閃蒸和減壓閃蒸得到的物料，進一步與中溫瀝青混合進行縮聚反應而得到可紡瀝青，進而制備瀝青基碳纖維。文獻(炭素，2005，123：3-11)報道了以石腦油裂解焦油為原料制備通用級瀝青炭纖維的研究，以石腦油裂解焦油為原料，通過熱致改性法獲得四種不同軟化點的瀝青，進而制備出瀝青基碳纖維。文獻(化工新型材料，2011，39：100-102)報道了瀝青組分對碳纖維徑向結構影響的研究，混合各向同性、各向異性瀝青的物理改性方法，得到混合瀝青作為紡絲原料，進而制備出瀝青基碳纖維。有關通過各種方法制備瀝青并制備瀝青基碳纖維的相關研究非常多，研究內容包括瀝青原料、瀝青精制、紡絲瀝青的制備方法與工藝等對瀝青性質和所制備碳纖維的性質和性能的影響，因此并不一一贅述。目前，相關研究通常是對某一種瀝青原料進行處理而得到可紡性良好的瀝青，進而用來制備瀝青基碳纖維，很少關注不同批次的原料,或者同一批次不同存儲時間和方式的原料,或者不同來源的原料, 對所制備可紡瀝青性質和組成的影響，進而對所制備碳纖維或石墨纖維性能和結構的影響。同時，目前所報道的方法存在高溫反應時間長、可控性差等問題。制備可紡瀝青的原料來源廣泛，通常來說性質差異性比較大，即使同一單位的同一部位的原料的組成也存在比較大的波動，因此非常容易造成制備紡絲瀝青的原料批次之間的差異性大，對可紡瀝青和碳纖維的制備工藝調整、性能穩定性等帶來麻煩，最終影響產品的實際應用。高性能瀝青基碳纖維的獲得，其決定性因素是紡絲瀝青的組成與結構，而紡絲瀝青的性質與結構又取決于其原料的組成、結構與性質。因此，如何對制備紡絲瀝青的原料的組成和性質進行調控，實現原料組成、結構與性質的相對穩定可靠，從而方便紡絲瀝青的性質調控，保障批次產品的性能優良和性質穩定。因此，尋求一種高溫反應時間短、工藝調控性高、瀝青的組成可控、批次產品的性質穩定性高而離散性小的制備方法具有非常重要的意義。