[发明专利]一种高石墨化度的横向生长石墨纤维及其非催化制备方法

说明书

本发明提供了一种高石墨化度的横向生长石墨纤维，其特征在于：①横向生长石墨纤维的石墨六角网面与纤维的轴向为垂直关系，而传统石墨纤维的石墨六角网面与纤维的轴向呈平行关系；②横向生长石墨纤维石墨化度（≥96%）明显高于传统石墨纤维（≤94%）。本发明以煅前焦为原材料，以高石墨化度的碳板为基体，在密闭的含氧状态容器内通过3000～3300℃高温热处理，使得煅前焦的挥发物在碳板上沉积并横向生长为石墨纤维，这种制备方法无需添加催化剂，属于非催化工艺。

技术领域

本发明涉及一种石墨纤维及其制备方法，特别涉及横向生长石墨纤维的非催化制备方法。

背景技术

石墨纤维，为分子结构已石墨化、含碳量高于99%的具有层状六方晶格石墨结构的纤维，目前报道的石墨纤维，其石墨网面均与纤维轴向呈平行关系，从而可以保持石墨纤维的高韧性特征，横向生长石墨纤维则尚未有人关注。

石墨纤维制备方法主要有传统方法和催化气相生长法两种：传统方法是采用将相应的有机前驱体纤维制成碳纤维后，在2000～3300℃石墨化而得，该方法工艺复杂、制备周期长，所需设备性能要求高、难以操作，造成了碳纤维的生产成本高；催化气相生长法制备工艺简单，大大降低了碳纤维的生产成本，然而，该工艺需要用到超细催化剂，该催化剂的制备较为困难，且分散性较差，导致碳纤维产量偏低，此外，这种方法制备石墨纤维必须先碳化后石墨化，生产周期也相对较长。

基于此，本专利开发了无需添加催化剂的制备横向生长石墨纤维的工艺方法。

发明内容

本发明旨在提供一种高石墨化度的横向生长石墨纤维及其非催化制备方法。

一种高石墨化度的横向生长石墨纤维的特征如下：

（1）石墨六角网面与纤维轴向为垂直关系；

（2）石墨化度≥96%；

（3）纤维直径约5～30μm，长度≤200μm。

上述一种高石墨化度的横向生长石墨纤维的非催化制备方法，包括以下步骤：

（Ⅰ）将煅前焦装置于圆柱形石墨坩埚中，石墨坩埚要求密封性好；

（Ⅱ）将石墨坩埚置于艾奇逊炉中，在3000℃～3300℃下进行石墨化处理；

（Ⅲ）待艾奇逊炉自然冷却后，取出石墨坩埚，将石墨坩埚锅盖内侧的生长物料刮出，即可得到横向生长石墨纤维。

进一步的，所述第（Ⅰ）步中的煅前焦为沥青生焦、石油生焦、中间相炭微球生焦、中间相沥青生焦中的一种或多种。

进一步的，所述第（Ⅰ）步中的煅前焦挥发分为6～9%。

进一步的，所述第（Ⅰ）步中，将煅前焦装置于圆柱形石墨坩埚中，所述煅前焦的体积占坩埚体积的80～90%。

进一步的，所述第（Ⅱ）步中，将艾奇逊炉的温度控制在3000℃～3300℃，对石墨坩埚中的煅前焦进行石墨化处理。

进一步的，所述第（Ⅲ）步中，艾奇逊炉采用自然冷却方式，冷却后取出石墨坩埚，将石墨坩埚锅盖内侧的生长物料刮出，即得到横向生长石墨纤维。

实验发现，该方法制备石墨纤维的过程如下：煅前焦在石墨化过程较低温度段（＜1000℃），挥发出的成分会与少量空气反应生成CO和CH₄，这两种气体在N₂气氛下可以在石墨坩埚盖（基体）上形成碳纤维。

与现有技术相比，本发明所具有以下有益效果：

1.本发明大胆创新，突破了石墨纤维的常规制作方法，无需催化剂，消除了催化剂本身对石墨纤维的影响，是一种重大的技术进步；