[发明专利]溶剂化中间相沥青

说明书

本申请是美国专利申请顺序号07/632,259(申请日为1990年12月21日，名称为“溶剂化中间相沥青”)的部分连续申请。

本发明涉及中间相沥青。这些沥青显示了一种有序的液体晶体结构，其中，芳族沥青分子相结合形成有点像薄片一样的排列。该中间相沥青的有序的液体晶体结构组成了特别是适用于形成有序结构的人工制品如沥青碳纤维这类沥青。

长期以来，人们知道，碳纤维能由中间相沥青来生产。因为这些纤维具有轻的重量、热性质和电学上的传导性质，以及具有高强度和刚性，使得它们具有适合于在工业上使用的极好的性能。这些纤维通常在化学上和热性质上都是惰性的，并且发现一般用来作为例如航空和航天应用的组合物中的加强部分。

沥青碳纤维通常具有两种类型。一种类型的碳纤维是由各向同性沥青来生产的，该各向同性沥青表现出几乎没有分子定向作用，并具有比较差的机械性能。然而，第二种类型的碳纤维是由中间相沥青(或光学上各向异性的沥青)生产的，上述的沥青显示了高度定向排列的分子的定向作用，这种定向作用提供了极好的机械性能和非常高的模量值。

已知有多种方法生产中间相沥青，所有的已知方法都具有二个普通的要素，一个是生长反应，即其中比较小的芳族分子转化成称为中生物(mesogens)的较大中间相尺寸的芳族分子。第二个要素是这些中生物浓缩形成中间相沥青。

浓缩包括除去较小的芳族化合物，并有时包括除去太大的芳族化合物。为达到这些最终目的熟知的技术包括溶剂萃取、蒸馏、气提和相分离。我们已发现也可使用超临界溶剂抽提。

适用于纺丝成沥青碳纤维的中间相沥青具有含量为40至100％光学各向异性和0至接近100％喹啉不溶物。适合的沥青应该形成均相熔化物。已报导具有熔点在250℃至380℃范围内的适合的沥青。因为在高于约350℃时沥青的热不稳定性，将其纺丝成纤维便成为一个问题。因此，优选的是沥青在310℃至350℃或更低的温度下熔化。

纺丝纤维在与纺丝沥青大约相同的温度下熔化。在它们能够在1000℃或更高的温度下转化成碳纤维或石墨纤维之前，这些纤维需要进行氧化稳定处理，以便成为难熔物。该稳定步骤放热量是非常大的。必须小心地控制稳定作用，以致使该处理是均匀的，并且不发生部分熔化现象。这种需要缓慢的和小心的稳定作用是昂贵的，并且大大地增加了基于碳纤维的沥青的费用。

因此，提供一种在比常规中间相低得多的温度下是液体的各向异性的沥青将是很有益的。如果较低温度熔化的各向异性沥青在纺丝后具有更高的熔化温度，那也将是很有益的。随着该描述继续进行，对于本技术领域熟练的技术人员来说，其他目的将变得显而易见了。

对本说明书和权利要求书来说使用下述术语和定义：

“各向异性沥青”或“中间相沥青”指的是含有具有芳族结构的分子的沥青，该芳族结构是通过相互作用结合在一起，以形成有序的液体晶体，上述的沥青是液态或是固态，这要取决于温度。

“纤维”是指能够形成有用的制品的连续长度的纤维，并且“纤维”既包括连续的纤丝又包括小纤维。

“小纤维”是指各种不同长度的小纤维。

“各向同性沥青”是指在有序的液体晶体中含有不是定向排列的分子的沥青。

“中生物”指的是当熔化或熔融时形成中间相沥青的分子，并且包括在加热时排列形成液体晶体的大芳族分子的宽范围的混合物。

“定向分子结构”指的是在形成含碳人工制品中的芳族沥青分子的定向排列，其中所说的定向排列对人工制品提供了结构上的性能。

“石油沥青”指的是由石油馏出物或残余物的催化裂化或热裂化得到的剩余的含碳物质。“石油焦炭”指的是石油沥青经高温热处理得到的固体难熔残余物。

本文使用的“沥青”是指在各种工业生产工艺中作为副产物而产生的具有沥青性质的物质。如天然沥青、石油沥青和由石脑油裂化工业中作为副产物得到的重油，以及由煤得到的高碳量的沥青。

“沥青油”是指能够通过例如减压蒸馏、扫壁薄膜蒸发或喷射气提这类技术能够被蒸馏或蒸发的沥青的那些部分。包括中生物、假中生物和溶剂化中间相的大多数沥青都含沥青油。

“假中生物”指的是潜在中间相前体的物质。但是，该物质在加热时通常将不形成光学有序的液体晶体，但在加热时将直接形成固体焦炭，以致于没有熔化或熔融的可见物。

“溶剂化中间相”指的是具有中间相液体晶体结构的物质，在该液体晶体结构中，含有5至40％重量的溶剂，剩余部分由中生物或假中生物沥青组成，且当溶剂化中间相在结构中不与溶剂结合时，它在比该沥青组分低至少40℃的温度下熔化或熔融。