[发明专利]一种沥青基炭纤维及其制备方法

说明书

本发明提供了一种沥青基活性炭纤维包括皮芯结构；所述皮芯结构的芯层为各向异性炭；所述皮芯结构的皮层为各向同性炭；所述芯层和所述皮层之间，为沿芯层至皮层方向，由各向异性碳过渡至各向同性碳的混合过渡层；所述皮层表面布满纳米级孔。本发明还提供了一种所述沥青基活性炭纤维的制备方法。

技术领域

本发明涉及材料及其制备技术领域，尤其涉及一种高强度沥青基活性炭纤维及其制备方法。

背景技术

活性炭纤维作为第三代活性炭材料，其吸附性能远优于传统的粉状和颗粒状活性炭，且具有较好的力学性能和成型加工优势，目前广泛应用在气体净化、溶剂回收、水处理以及有毒气体过滤等领域。但受活性炭纤维表面孔隙的影响，其强度普遍较低，尤其当比表面积超过500m²/g后，其拉伸强度降低至仅30-200MPa。

为了解决活性炭纤维强度低的问题，现有的解决方法如下：

采用聚丙烯腈基炭纤维制备活性炭纤维。聚丙烯腈基炭纤维强度较高，一般用来制备高强度活性炭纤维。但是，聚丙烯腈基炭纤维活化难度高，不容易控制，整体成本较高。同时，当聚丙烯腈基炭纤维的比表面积超过1000m²/g时，其强度性能同样会大幅度降低。

得益于聚酰亚胺的芳杂环共轭效应，专利CN201210334784.2采用聚酰亚胺纤维为原料，经炭化、活化，获得了强度较好的活性炭纤维。但聚酰胺纤维成本较高，不适合大规模产业化。

采用黏胶基活性炭纤维制备活性炭纤维。黏胶基活性炭纤维易活化、成本低廉，一直常用于制备活性炭纤维。但由于采用其作为原料需要采用催化剂对其进行催化固化，因此其生产过程环境污染大，趋于淘汰。

专利CN201710834671.1公布了一种采用中间相沥青(各向异性沥青)制备活性炭纤维的方法，该纤维强度相对较高，但各向异性炭活化较为困难，且模量高，纤维脆性大易折断。

有鉴于此，需要提出一种新的技术方案来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种高比表面积、高拉伸强度的炭纤维。

本发明的第二个目的在于提供一种高比表面积、高拉伸强度的炭纤维的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种沥青基炭纤维，所述沥青基炭纤维包括皮芯结构；所述沥青基炭纤维包括皮芯结构；所述皮芯结构的芯层为各向异性炭；所述皮芯结构的皮层为各向同性炭；所述芯层和所述皮层之间，为沿芯层至皮层方向，由各向异性碳过渡至各向同性碳的混合过渡层；所述皮层表面布满纳米级孔。

优选的，所述沥青基炭纤维的直径为5-18μm。

优选的，所述皮层的厚度为0.002-0.05μm。

优选的，所述混合过渡层的厚度为0.3-2.5μm。

优选的，所述芯层的直径4-16μm。

优选的，所述微孔的深度小于或等于0.05μm。

一种沥青基炭纤维的制备方法，包括如下步骤：

将原料A和原料B经螺杆熔融挤出、喷丝、纺丝、收丝得到沥青纤维；所述沥青纤维经氧化、450-800℃的第一热处理、活化、1000-1600℃的第二热处理即得所述沥青基炭纤维；所述原料A为各向同性氧化沥青，所述原料B为各向异性沥青，并且，所述原料A的软化温度小于所述原料B的软化温度，所述原料A和所述原料B的软化温度的温度差小于5℃。

优选的，所述各向同性氧化沥青的软化点为250-280℃，灰分含量小于80ppm，氧含量小于1.5％；