[发明专利]碳纤维

说明书

本发明涉及用于生产纤维的方法。所述方法包括提供颗粒状煤，使其暴露于足以使其塑化的温度以形成中间塑化煤，向所述中间塑化煤施加足以使其通过孔口挤出的压力，以及允许挤出的煤以纤维形式固化。

技术领域

本发明涉及碳纤维及其制造方法。

背景技术

煤有潜力为一系列新兴产业增加价值，特别是随着热煤越来越多地被可再生能源发电所取代。一个具体的实例是使用煤焦油作为化学原料和特种碳产品，这些产品富含多环芳族结构，而在其他地方却没有大量存在。关于液化残渣的最近工作已经示出，它们也可以从溶剂提取中精炼出来，并用于制造碳纤维。重要的是，发现不同的溶剂会产生不同分子量范围的提取物，然后需要特殊处理(诸如额外的热处理或氧化)以生产“可纺的”碳纤维。

碳纤维是一种独特的材料，其展示出高抗拉强度、高耐化学性、高温耐受性、低重量和低热膨胀性。这些特性使其成为运输交通工具的优良构造材料。用碳纤维增强塑性复合材料代替钢和铝的目的是在不损害强度的情况下显著减小交通工具重量。这种材料变化有望导致显著减少燃料使用，并且从而减少CO₂排放。碳纤维市场估计从2013年的US$1.9B增长到2020年的US$3.7B，并且自2005年波音采用其用于飞机制造中以来，其市场一直稳定增长。但是，一种普遍的观点是，当前的生产成本过高，阻碍了显著的市场渗透。当前碳纤维的成本差异很大，但最近估计为大约US$16/lb，而进入汽车行业则需要大约US$4/lb。降低碳纤维成本的关键障碍之一是使用聚丙烯腈(PAN)作为前体，这大约占制造成本的51％。由PAN制造碳纤维的能源需求也显著高于钢制造的能源需求。

丙烯腈是通过一系列反应由丙烯生产的，而沥青通常源自石油蒸馏残渣。在两种情况下，原料材料都是基于原油的。虽然有一些源自煤的沥青，但这种材料与焦炉和钢制造有关。在所有情况下，前体材料都是许多商业过程的产品(或副产品)，并且这会增加原料的成本(在PAN的情况下)或结构多样性(在沥青的情况下)。重要的是，它还显著限制了扩大运营规模以用于扩大全球碳纤维需求的能力。尽管存在从其他来源(例如，木质素，蒽油)制造碳纤维的一些努力，但这些其他前体的选项也将需要大量的预加工操作，并且实际上距离商业运营还有很多年。

因此，需要一种成本比由PAN合成更低的得到碳纤维的路线。

发明内容

在本发明的第一方面，提供了用于生产纤维的方法，该方法包括提供颗粒状煤；使煤暴露于足以使煤塑化的温度，以形成中间塑化煤；对中间塑化煤施加足以使其通过孔口挤出的压力；以及使挤出的煤以纤维形式固化。本领域技术人员可以将中间塑化煤称为“中间塑性物”或“塑性层”。

以下选项可以单独地或以任何合适的组合与第一方面结合使用。

颗粒状煤具有的最大粒径可以小于约1mm，或小于约0.5mm。提供颗粒状煤的步骤可以包括将煤压碎和/或磨碎。它可以另外包括从压碎和/或磨碎的煤中去除大于约1mm或大于约0.5mm的任何颗粒。

颗粒状煤可以是至少约90％的镜质组，任选地至少约95或98％。这可以帮助减少或最小化在挤出期间一个或多个孔口被固体物质阻塞。该方法可以包括将煤纯化至至少约90％、任选地至少约95或98％的镜质组浓度的步骤。该百分比可以取决于原煤的特点和所需的纤维品质。纯化步骤可包括将煤研磨至小于约50微米或小于约20微米的粒度。然后它可以包括镜质组与惰质组和/或矿物质的至少部分分离。

使煤塑化以形成中间塑化煤所需的温度可以为约350至约500℃。中间塑化煤的挤出所需的压力可以为约2至约5MPa。

孔口具有的直径可以为约0.5至约2mm。

中间塑化煤在挤出期间可具有约300至约100,000Pa.s的粘度。

使挤出的煤固化的步骤可以包括将挤出的煤冷却至将该挤出的煤固化的温度。