[发明专利]一种生产碳纤维用的中间相沥青原料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳素工业领域，具体涉及一种适用于制备高性能碳纤维的预氧化性能优异的中间相沥青原料以及制备方法。

背景技术

高性能碳纤维质轻、并具有高强度和高弹性模量，在国防工业、航空航天、尖端科技、支柱工业、日常生活等领域作为高价值材料发挥巨大的作用，高性能碳纤维的需求量正在以大于10％的速度逐年显著增长。

按照所使用的原料分类，碳纤维可分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维等。目前碳纤维产品主要是前两种，其中PAN基碳纤维产量约占70％，沥青基碳纤维约占30％。由于沥青基碳纤维原料来源广泛、生产成本低、价格约为PAN基碳纤维的1/3～1/4、碳收率高、刚性好、导热性能优异等显著特点而受到业界的极大关注。

沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃化合物和杂环化合物的混合物为原料，通过纺丝、预氧化、碳化处理制备的一类碳纤维。按照其性能的差异又分为通用型沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维，前者是由各向同性沥青制备，又称各向同性沥青碳纤维，后者由中间相沥青制备，故又称为中间相沥青碳纤维。中间相沥青是通过煤焦油沥青、石油沥青等为原料经过热缩聚反应制得、或者以稠环芳烃化合物如萘、蒽等以及这些化合物的衍生物为原料，经过催化缩合而成的、平均分子质量在400到几千的向列型液晶，其旋光各向异性是由于扁平的稠环芳烃分子的有序排列结构所致。当这种中间相沥青在熔融纺丝时，熔体通过纺丝孔时由于受到应力作用，使扁平的芳烃分子按纤维的轴向取向排列，保持这种取向结构在后续的预氧化和碳化工程中不被破坏，最终可以得到取向性良好的高性能沥青基碳纤维。

工业上的中间相沥青纺丝，一般都是沥青被加热至熔融流动状态之后，经过含有数百～数千个孔的喷丝板喷出成为数百～数千根单丝；每几千根单丝随即被收集成纤维束进行收卷。然后在下一步的预氧化阶段和碳化阶段，都是直接以这样的纤维束的形式、或者几束合并为一束的形式进行连续化的处理。预氧化处理过程中，纤维束中紧密相连的单丝之间非常容易发生熔融、粘连现象，不仅导致丝束起毛严重甚至断丝等现象，影响生产的顺利进行，还会因表面缺陷严重，导致最终制备的碳纤维强度低下。

为了避免预氧化过程中单丝之间发生熔融、粘连的不良现象，人们试图采用调节优化预氧化过程的各个工艺条件来解决，包括预氧化升温速率、温度、时间、氛围气流速、丝束行走速度等。但是即使这些条件都设定在最优值，单丝粘连的现象也无法全部消除。有人采用改变氛围气体的种类，例如用氧化能力强的臭氧、二氧化硫或二氧化氮等代替空气或者氧气，但是由于这些气体腐蚀性强，一方面必须对预氧化设备进行防腐蚀处理，另一方面还必须增设特殊的处理设备来处理使用过后的这些氧化物，从而造成生产成本的提高。还有人提出使用硅粉、油剂等防粘剂等对丝束进行预处理然后再进行预氧化的技术，由于在后续的碳化处理前，这些防粘剂必须去除，所以增加了生产过程的复杂性和生产成本。也有人提出了使用转辊、导向辊等对发生粘连的纤维束进行解织的方法，但这种方法无法消除纤维表面已经形成的缺陷，所以必然导致最终生产的碳纤维强度低下。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种生产碳纤维用的中间相沥青原料及制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种生产碳纤维用的中间相沥青原料，其特征在于，用偏光显微镜法测量的所述中间相沥青原料的中间相含量为100％；所述中间相沥青的红外吸收光谱图上S1/S2＞1.7，其中S1为2800～2990cm^-1的吸收峰面积，S2为2990～3150cm^-1的吸收峰面积；所述中间相沥青的¹³C核磁共振谱图上S3/S4＜19，其中S3是化学位移为23.8～58.0ppm的吸收峰面积，S4是化学位移为8.0～23.8ppm的吸收峰面积。满足这些指标的中间相沥青原料，具有优异的预氧化性能，预氧化制备工艺过程简单易控，生产成本低，所制备的碳纤维表面缺陷少强度高，适合用作高强度高模量沥青基碳纤维的工业化生产原料。

所述的中间相沥青原料的中间相含量为100％。如果中间相含量低，一方面，熔融状态时各向同性组分和各向异性组份将发生相分离，妨碍纺丝的正常进行。另一方面，中间相含量低的沥青原料，最终将无法得到高性能中间相碳纤维。所以中间相含量为100％。