[发明专利]制备中间相沥青基中空碳纤维的喷丝板与方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种制备中间相沥青基中空碳纤维的喷丝板与方法。属于沥青基中空碳纤维制备技术领域。

背景技术

碳纤维具有高强度、耐高温、低密度等特点，作为增强纤维，可以与树脂、金属、陶瓷等基质复合制成质轻、强度高、耐腐蚀的复合材料，广泛应用于航天航空、体育器械、运输工具、医疗器械、建筑等很多领域。

增强用的碳纤维按生产原料不同可分为聚丙烯腈基（即PAN基）碳纤维和中间相沥青基碳纤维。目前，PAN基碳纤维的产量最大，但是生产高性能的PAN基碳纤维要求聚丙烯腈原丝必须性能优良、稳定，而聚丙烯腈原丝的碳化收率低于50%，生产中产生含氰废气需要处理，生产成本高，制约着PAN基碳纤维的应用。

沥青基碳纤维以石油渣油、煤焦油沥青等为原料，原料来源丰富，碳化收率在80%以上，生产成本较低。工业上，利用沥青精制得到中间相沥青，能用来生产增强用的碳纤维。中间相沥青分子在纺丝时形成定向排布，经碳化处理后，形成的碳纤维常常具有很高抗拉模量，但是其抗拉强度和断裂伸长率比PAN基碳纤维的低。

与聚丙烯腈纺丝相比，中间相沥青熔体的粘度大、可纺性差，纺制成的沥青纤维的直径大。这样，当沥青纤维进行碳化处理时，纤维内部的气体不易逸出，容易产生内部应力，导致碳纤维中出现“气孔”、或沿碳纤维轴形成“劈裂”等缺陷，严重影响碳纤维的力学性能。

为提高中间相沥青基碳纤维的力学性能，通过选择合适的纺丝技术，改变常规的圆形实心沥青纤维的结构，纺制出中空沥青纤维，经不熔化处理和碳化处理后，制造出中空碳纤维。中空结构使沥青纤维在不熔化处理和碳化处理时，纤维内部的气体容易逸出，减少纤维内部应力积累，制得的碳纤维缺陷少，能提高碳纤维的力学性能。同时，中空碳纤维的表面积较大，有利于改善其用于复合材料时的增强效果。

在纺织工业上，用来纺制聚合物中空纤维的喷丝板主要有两类：环隙式喷丝板和圆弧狭缝喷丝板。环隙式喷丝板是利用气体通入内针管形成纤维的内空腔，同时牵引聚合物流体通过内针管和外喷丝板的间隙流出、经过拉伸形成中空纤维。环隙式喷丝板由多个组件组成，结构复杂，清洗困难，内针管的气体流量需要准确控制，因此大多用于纺制单根中空纤维。

圆弧狭缝喷丝板的喷丝孔由带缺口的C型或2~3条圆弧狭缝构成，利用聚合物的Barus效应（即具有粘弹性的聚合物流体，在被挤压通过喷丝孔后，会发生径向膨胀），当聚合物流体通过带缺口的圆弧形喷丝孔后，由于聚合物发生膨胀而闭合，从而形成中空腔，纺制出中空纤维。圆弧狭缝喷丝板结构简单，通过清洗或煅烧容易清除聚合物堵塞，也便于在一块喷丝板上同时打造多个喷丝孔，因此能用来纺制中空纤维丝束。但是，由于熔融的中间相沥青在纺丝时黏度高、冷却固化快，利用常规的C型缺口喷丝孔纺丝时，C形熔融体的缺口难以闭合，常纺出C形沥青纤维。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备中间相沥青基中空碳纤维的喷丝板与方法。所述的喷丝板结构简单、适用。所述的方法过程简单，制得的中间相沥青基中空碳纤维性能优良。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种制备中间相沥青基中空碳纤维的喷丝板，所述的喷丝板是连接在纺丝装置中的纺丝料筒下端的部件，它由锥孔收集段，锥孔收集段之下连接直孔导流段，直孔导流段下端连接成型喷丝孔构成，其特征在于，成型喷丝孔为C型缺口喷丝孔，C型缺口喷丝孔的内径为400~600 μm，外径为600~800 μm，内外径之差为200 μm，缺口间距沿内径至外径在宽度方向为等间距，缺口间距为80~120 μm，C型缺口喷丝孔的长度（即高度）为700~900 μm。

采用上述结构的喷丝板制备中间相沥青基中空碳纤维的方法，其特征在于包括以下过程：

1）将石油催裂化渣油和乙烯焦油分别过滤，除去催化剂颗粒和固体杂质，按照石油催裂化渣油和乙烯焦油的重量比为70：30进行混合，在压力为20~24 kPa和温度为280~300 ℃条件下，蒸馏30~60 min，去除部分轻组分，把得到的重组分加入反应釜中，以升温速率为1~3 ℃/min升温到390~430 ℃，恒温进行共缩聚4~8 h，得到共缩聚沥青，然后将共缩聚沥青在压力为20~24 kPa和温度为340~380℃条件下蒸馏30~60 min，除去部分轻组分，得到软化点为280~300 ℃的中间相沥青，该中间相沥青的光学各向异性区域为94~100%；