[发明专利]一种高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝的制备方法

说明书

本发明公开了一种高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝的制备方法，首先将初纺沥青纤维连续长丝束通过回丝机构退绕到氧化碳化网带炉上进行连续氧化碳化处理，在氧化过程中通过调节不同温区的氧浓度实现其分子结构的调控，待纤维获得一定强度后再重新进行卷绕；然后再通过开卷、高温碳化、石墨化、上浆、干燥及收卷等过程制得高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝产品，其拉伸模量为900～950GPa、热导率为900～1100W/m·K、拉伸强度为2～3.5GPa、连续长度可达20000m以上。本发明在实现沥青纤维连续化制备的前提下，通过调整预氧化工艺实现其模量及导热性能的大幅度提升，且生产效率高，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明属于高性能沥青基炭纤维制备工艺技术领域，具体地说是一种制备高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝的方法。

背景技术

高模量高导热沥青基炭纤维具有聚丙烯腈(PAN)基炭纤维无可比拟的高模量和高导热优势，被称为炭纤维领域“皇冠上的明珠”，在航空航天装备、尖端工业装备、电子产品等上实现轻量化的同时，作为结构材料承载负荷，作为功能材料防热和导热，具有无可替代性，是一款极具发展前景的高端炭纤维品种。

高模量高导热沥青基炭纤维的制备工艺技术流程长，通常包括高纯可纺中间相沥青的调制、熔融纺丝、预氧化、碳化、石墨化、表面处理、水洗、干燥、上浆、干燥、收卷等过程，由于初纺沥青纤维强度低、脆性大，导致其连续化制备难度特别大，目前高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝的产业化制备在我国仍然处于空白。

中国发明专利(CN105088420A)将沥青纤维原丝直接进行开卷，以0.1m/min的速度在罗拉的带动下进入托辊式预氧化炉进行50～60min的连续预氧化处理，然后再进行连续的碳化石墨化处理，获得了拉伸强度2521MPa、拉伸模量508GPa、热导率603W/mK的沥青基炭纤维样品。由于沥青纤维强度低、脆性大，直接在罗拉的牵引下进行连续预氧化，极易导致沥青纤维的断丝及起毛，操作难度比较大；另外整线采用0.1m/min的走丝速度导致生产效率极低，很难实现工业化生产。

美国发明专利(USP4351816)将初纺沥青纤维连续长丝束与辊筒一起进行预氧化处理，虽然规避了沥青纤维原丝牵伸开卷预氧化的难题，但沥青纤维卷绕在一起氧化极易导致内外氧化不均匀，较难制备千米甚至万米在典型长轴方向性能一致的高性能沥青基炭纤维连续长丝样品。中国发明专利(CN103046165A)将初纺沥青纤维束与卷筒一起整体浸泡在液相溶液中进行初步不熔化，再用去离子水洗涤，再部分浸泡在耐高温硅油中进行低速倒丝退绕，然后进入连续式预氧化炉进行连续预氧化，后续再进行低温碳化、高温碳化、石墨化。该工艺路线预氧化过程较为繁杂，影响质量一致性的因素较多，生产效率低，很难实现连续化、工业化制备。

由此可见，针对现有高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝的制备方法，未见有特别适用于工业化生产的方法，严重阻碍了我国高性能沥青基炭纤维连续长丝制备技术的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝的制备方法。该方法的主要特点是将初纺沥青纤维连续长丝束直接退绕到氧化碳化网带炉上进行连续氧化、碳化处理，待纤维获得一定强度后再进行卷绕，规避了直接对初纺沥青纤维牵伸预氧化易断裂、起毛的难题；同时通过改变预氧化炉内不同仓室氧的浓度，使沥青纤维获得充分的应力松弛，完成对其分子结构的调控，进而获得石墨片层结构粗大、取向性好的高模量高导热沥青基炭纤维连续长丝样品。该工艺过程简单可控、生产效率高、易于实现工业化生产，并且制备的沥青基炭纤维的模量及热导率较高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

步骤(1)：将中间相含量100％、灰分含量＜40ppm、S含量＜1000ppm、N含量＜1000ppm、软化点为250～270℃的沥青原料进行熔融纺丝，获得连续长度＞20000m的沥青纤维连续长丝束；