[发明专利]用于生产基于沥青的短切碳纤维的装置和短切纤维的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产基于沥青的短切碳纤维的装置和短切纤维的生产方法和，更特别地，涉及使用熔融纺丝拉拔喷出的沥青和以连续方式将碳纤维生产成短切纤维的装置和方法。

背景技术

在碳纤维的通常的制造方法中，将碳纤维的原材料聚丙烯腈、基于石油的沥青或基于煤的沥青(各向同性的或各向异性的)、酚树脂等热熔融，然后实施熔融纺丝或熔喷纺丝，或所述热熔融的产物溶解在溶剂中然后经受溶液纺丝以得到有机纤维，所述有机纤维是碳纤维的前体。更特别地，对于基于沥青的碳纤维，使用利用旋转力拉拔喷出的沥青的熔融纺丝方法，利用高速旋转力纺丝沥青的离心纺丝，或用于喷射高速热风以拉拔沥青的熔喷纺丝。

根据沥青的光学状态将基于沥青的碳纤维归类为各向异性(中间相)和各向同性。已知为了产生基于沥青的高性能(高强度和/或高弹性)碳纤维，使用各向异性的沥青是必要的。虽然由PAN或各向异性的沥青产生的碳纤维具有更好的物质性能，然而，它是昂贵的，因此已经具有开发方法以利用相对便宜的各向同性的沥青的努力。

已知不具有各向异性性质的沥青，即各向同性的沥青，不能产生高性能的碳纤维，这意味着只能得到普通等级的碳纤维。如上所述，可通过熔融纺丝或熔喷纺丝制备基于沥青的碳纤维，而各向异性的基于沥青的碳纤维主要通过使用熔融纺丝制备。同时，由于各向同性的沥青具有易碎性，这使得难以从各向同性的沥青形成长纤维，通过熔喷纺丝或离心纺丝而不是熔融纺丝对各向同性的沥青进行纺丝。特别地，在熔喷纺丝中，在无纺布上收集纺丝的纤维，这简化了过程并显著降低了纤维直径，和，在织物的输送过程中，不需要缠绕沥青纤维，这提高了生产性并降低了生产成本，和，因此，熔喷纺丝主要用作各向同性的基于沥青的碳纤维的纺丝方法。

然而，由于在通过熔喷纺丝制备基于沥青的碳纤维时，由纺丝喷嘴喷出的前体沥青被卷入空气，拉拔性能不如使用辊的旋转力拉拔的熔融纺丝均匀且不能均匀地实施由熔喷纺丝产生的碳纤维的直径控制，且，因此，所产生的碳纤维具有宽的直径分布且非常难以使纺丝成的碳纤维朝着一个方向排列。

同时，碳纤维制备过程中的不熔化过程(infusibilizationprocess)需要将热塑性纤维转化为热固性纤维且所述不熔化过程使纤维从表面氧化以阻止纤维在后续的高温碳化或石墨化过程中融合或融化，且它需要最长的时间并基于不熔化状态影响碳纤维的强度。

这里，通过使用熔喷纺丝制备的沥青纤维在后续的不熔化过程中各纤维具有不同的氧含量，且这导致最终碳纤维的物质性能是不均匀的，且，因为由于不均匀的拉拔分子的取向是随机的，显示最终碳纤维的机械性能比由熔融纺丝制备的纤维低20-30％。

在韩国专利申请第10-1984-0002038号中描述了通过使用具有特定反射比的各向同性的沥青作为原材料制备高性能碳纤维的常规方法。然而，该方法具有低产品收率的缺点。

同时，韩国专利申请第10-1987-0011290号公开了一种制备碳纤维的方法，所述碳纤维的内部的平均颗粒尺寸比外表面部分的平均颗粒尺寸大至少10％，通过以下步骤制备：纺丝由各向异性成分组成的含碳沥青，将所述含碳沥青纤维放置在氧化气氛中，只氧化外表面部分，选择性地不熔化所述含碳沥青纤维的外表面部分，然后碳化和烧结形成物。然而，该方法只关注通过仅选择性地不熔化含碳沥青纤维的外表面部分来防止焊接并增加纤维的弹性。

当使用各向异性的沥青制备高强度和高电碳纤维时，虽然通过在不熔化过程中应用张力以使分子结构在一个轴方向上排列可能增加纤维的强度，由于各向同性沥青是通过熔喷纺丝产生的，制备连续的碳纤维和应用张力是困难的。因此，当以短切纤维状态不熔化所述碳纤维时，由于放热反应，温度梯度引起织物间的局部融合和融化，这使得难以制备所述碳纤维。

发明内容

现有技术制备的各向同性的基于沥青的碳纤维具有如下缺点：其分子结构随机分布且具有低的强度且易于破碎，这使其难以以连续方式制备碳纤维。因此，通常使用熔喷纺丝将所述碳纤维制备成无纺布形状的短切纤维。因此，由现有技术制备的碳纤维具有如下缺点：由于其通用级别它的应用受到限制，且它不能用于要求强度约1.5GPa的结构。

因此，本发明的一个目的是提供制备基于沥青的短切碳纤维的方法和短切纤维的制备方法，其采用熔融纺丝代替熔喷纺丝以解决关于如上所述的当由各向同性沥青制备碳纤维时发生的不均匀的问题。

即，本发明的一个目的是提供用于使用熔融纺丝拉拔射出的各向同性沥青和连续生产高强度碳纤维为短切纤维的装置。