[发明专利]一种沥青基碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种沥青基碳纤维及其制备方法。

背景技术

能源是国民经济发展的基础，而石油则是国民经济发展的命脉。随着我国国民经济的快速发展，带动了国内石油石化产品需求较强劲的增长，而国内石油远远无法满足需求，从而导致国家石油进口量与年俱增，一方面国家每年需要消耗大量资金用于进口石油、另一方面由于原油的紧张和供应的不确定性也严重威胁我国国民经济稳定快速的发展。“富煤、贫油、少气’’的能源结构现状、持续迅猛增长的石油需求以及可持续发展的要求决定了我国必须走自主开发石油替代和新型能源之路，我们可以充分利用我国煤炭资源丰富的实际情况，大力发展煤炭液化技术，这样做一方面可以减少对国外原油的过度依赖，为我国国民经济的快速、稳定和可持续发展提供保证；另一方面可以解决我国石油资源短缺、优化能源结构，增强国家能源战略物资储备能力以应对石油的日益短缺，同时也可以提高煤炭资源利用率、减轻燃煤污染，保护环境。为此，煤直接液化技术产业化现已列入国家“十一五’’计划乃至未来中长期能源建设的一项战略任务。通过直接液化使煤转化成油，是解决我国石油短缺重要途径之一。

    煤直接液化技术是通过高温、高压和加氢，在催化剂作用下将固体煤直接转化成清洁的便于运输和可以使用的液体燃料（汽油、柴油、航空煤油等）或化工原料的一种先进的洁净煤技术。

    然而，在煤炭直接液化的过程中，除了得到所需要的汽油、柴油等液体产品之外，还产生了占原料煤总量20%~30%的主要副产物一一煤直接液化残渣，如此多的残渣量对液化过程的热效率和经济性必将产生很大的影响，如何对其进行综合加工利用，提取出有价值的产品、提高企业经济效益是与煤炭直接液化生产密切相关的重要课题。

    煤直接液化残渣是一种高炭、高灰、高硫的混合物，外观是沥青状的固体，其主体是由煤液化过程产生的沥青类物质、部分重质油、原料煤中未转化的煤、煤中的无机矿物质以及外加的煤液化催化剂组成，灰分和催化剂含量约占煤液化残渣总量的20%左右。煤直接液化残渣在温度升到软化点(180℃左右)以上就能流动，发热量在25MJ／kg左右。由于目前世界上还没有煤直接液化大规模工业化生产装置正式投入生产，而且这种残渣是以往的石油加工和煤炭化工所均未遇见的特殊产物，对残渣的基本性质和加工利用以往研究比较少。

    目前开发或正在开发的煤直接液化残渣的利用途经主要有：作为燃料直接在锅炉和窑炉中燃烧以提供能量；利用分离方法将液化残渣中沥青质的重质有机物分离出来生产高附加值的沥青改性剂；利用气化技术制备合成气和氢气；将煤直接液化残渣进行干馏处理回收残渣中的油，以提高液体产品的收率。

    碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐冲击、热膨胀系数接近于零、低密度、导电性能好等独特的性能，广泛应用于航天、航空、军工、汽车、医疗、化工、建筑、文化体育用品等领域。按所使用的原料分类，碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘基碳纤维和酚醛树脂碳纤维等。目前，碳纤维产品主要为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，其它碳纤维很少，其中聚丙烯腈基碳纤维产量约占70%，而沥青基碳纤维约占30%。由于沥青基碳纤维原料来源广泛、生产成本较低、价格约为聚丙烯腈基碳纤维的1/3~1/4、碳收率高、刚性好而且应用前景广阔等特点为开发沥青基碳纤维的发展提供良好的机遇。

    有关煤炭直接液化残渣利用的主要文献有：CN 1827697A、CN18 07715A、Fuel  Proces s ing  Technology(2 000, 62: 109-118)、煤炭转化( 2001，24 (1):  15-19)、燃烧科学与技术(2006，12(4)：295-299)、燃料化学学报( 2007，35(1)：109-112)等，但目前还尚未文献报道以煤炭直接液化残渣为原料制备沥青基碳纤维的方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种以煤直接液化残渣为原料制备的沥青基碳纤维及其制备方法.

    本发明所述以煤直接液化残渣为原料制备沥青基碳纤维的方法包括：

    1)将煤直接液化残渣研磨成粒径0．O卜0.3微米的粉末，并与四氢喹啉充分混合，得到混合溶液；将混合溶液装入高压釜中，利用氮气置换釜内空气后加温（15 0-400℃）、加压(2-5 0MPa)，同时通入氢气进行加氢，经减压蒸馏除去原残渣中所含的大部分硫、氧、氮等元素，采用减压过滤，除掉四氢喹啉不溶物，得沥青原料；

    2)将沥青原料在300-400℃下进行熔融纺丝，得原丝；