[发明专利]通用级沥青基碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维的制备技术领域，特别是涉及一种通用级沥青基碳纤维的制备方法。

背景技术

沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料，通过聚合、纺丝、不熔化、碳化处理制备的一类碳纤维，按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维，前者由各向同性沥青制备，又称各向同性沥青级碳纤维，后者由中间相沥青出发制备，故又称为中间相沥青级碳纤维。聚氯乙烯热解沥青、木质素沥青、煤焦油沥青和石油渣油沥青等经过纺丝、不熔化、碳化处理都可制成碳纤维。其中沥青基碳纤维的前驱原料便宜，来源丰富，碳化收率也比聚丙烯腈纤维高，为沥青基碳纤维的开发利用提供了有效保障。通用级沥青碳纤维的强度和模量都较PAN基碳纤维差很多，不能用作飞机、体育和文娱用品的增强材料，但用于混凝土中，可提高混凝土的强度5～10倍，抗弯曲韧性提高几倍到50倍，可节省钢材，减薄结构，使制件质量减轻，利于施工。

制备通用级沥青碳纤维的关键技术是调制熔融纺丝前驱体沥青。制备前躯体沥青要求原料具有杂原子和灰分杂质含量低，碳含量高，需要具有一定的流变性能以满足纺丝的需求，同时还要求具有较高的化学反应性以满足不熔化处理的需要纤维，即要求原料沥青的软化点高、可纺性好，同时含有烷基侧链。

现有技术中通常是采用缩聚反应法处理，可有效提高沥青稠环芳烃缩合程度，但当液相碳化过程过度缩聚形成的各向异性也即中间相微晶与母液各向同性沥青共存时，降低了熔体的可纺性；另一种是通过氧化交联法进行处理，即将沥青热处理后进行氧化反应，以提高沥青的缩聚程度，但该种方法的可纺性也很低，纺丝困难，难以满足工业化生产的需求。

发明内容

为了克服现有技术中的通用级沥青基碳纤维制备过程中所存在的不足，本发明提供了一种沥青可纺性优良、软化点高，纺丝质量好的通用级沥青基碳纤维的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案由以下步骤组成：

（1）热处理

将煤焦油软沥青置于高压反应釜中在氮气保护下加热至360～440℃，氮气流量为70～100mL/min，搅拌速度300～400r/min，搅拌，反应30～90min；

（2）热过滤

将步骤（1）的反应产物静置15～40min至上部沥青和成焦组分分离，将上部沥青倒入热过滤釜中300～600目滤网，控制温度为330～400℃，压力为0.01～1.0MPa，脱除沥青中的成焦组分；

（3）减压蒸馏

将步骤（2）脱除成焦组分的沥青置于真空度为-0.5～-0.096MPa的高压反应釜中，加热至300～400℃，恒温静置至轻组分脱除；

（4）氧化处理

在轻组分脱除后向高压反应釜中通入空气，空气流量为0.1～1.0mL/min.g，搅拌速度300～400r/min，氧化反应30～200min，得到氧化沥青；

（5）添加剂改性氧化沥青

向高压反应釜中通入氮气排空，搅拌降温至280～380℃，在氮气保护下加入改性添加剂，氧化沥青与改性添加剂的质量比为1：0.001～0.05，混匀，得到改性沥青；

上述的改性添加剂是数均分子量为12000的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、数均分子量为13000的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、数均分子量为10300的聚乙烯醇缩丁醛、数均分子量为77000的聚乙烯醇以及数均分子量为50500的聚氯乙烯中的任意一种或其任意组合；

（6）熔融纺丝

将改性沥青装入熔融纺丝釜中，熔融纺丝釜的喷丝板是孔径为0.3～0.8mm的单孔喷丝板，加热至300～350℃，恒温静置至改性沥青呈熔融状，按照常规熔融纺丝方法从喷丝孔中喷出，牵伸上辊，牵伸速率为300～800m/min，制备成初生纤维；

（7）碳纤维制备

将初生纤维固定在孔状石墨板上，保持伸直状态放入管式炉中，通入空气，以0.5℃/min的升温速率加热至300～350℃，恒温反应1～2h，得到不熔化纤维，用氮气排空，在氮气保护下以5℃/min的升温速率加热至1000～1200℃，恒温静置30～60min，得到沥青基碳纤维。

上述步骤（1）热处理时，将煤焦油软沥青置于高压反应釜中，在氮气保护下加热至380～400℃，氮气流量为80～90mL/min，搅拌速度300～400r/min，搅拌，反应50～80min。