[发明专利]制备溶剂化各向同性沥青、碳制品的方法及溶剂化各向同性沥青和碳纤维

说明书

                      背景和概要

本发明申请涉及下述发现：即高熔点各向同性沥青可转变成溶剂化各向同性沥青并藉此降低所述沥青的有效熔点。由这里公开的方法所制备的溶剂化沥青可纺成几乎不需要或完全不需要稳定化处理的纤维。

纺常规的非溶剂化各自同性沥青的方法为众所周知。目前KurehaChemical Industry Co，是年生产能力为900吨的主导生产者。另外的制造商包括Ashland Oil Co.和Kawasaki Steel Company。

各自同性碳纤维常用作混凝土结构的增强材料。在这方面，碳纤维必须具有和钢及玻璃纤维的竞争能力。因此，以尽可能低的费用提供碳纤维是需要的。在制备碳纤维的过程中，最慢和最耗费的步骤之一是纤维碳化前初生纤维的稳定化(通常通过氧化完成)。稳定化步骤中需要预防超过350℃、通常高于1000℃温度下进行的碳化过程中纤维的熔化。为了降低该步骤的时间和花费，人们优选由高熔点沥青来制备纤维。但是，在本发明前，在纺制温度以上的温度熔融的那些沥青是不能利用的。

因此，本发明的目标之一是提供稳定化前不需要氧化的制备碳纤维的方法。此外，本发明提供具比非溶剂化态的相同沥青的熔点低至少40℃的流体温度的溶剂化各向同性沥青。另外，本发明提供可在等于或大于纺制温度的温度下纺成纤维、脱挥发分和氧化稳定化的溶剂化沥青。

                      定义本说明书和权利要求书应用了下列术语和定义：

本文所用的术语“沥青”是指具有在各种工业生产过程中作为副产品产出的沥青性质的物质诸如天然沥青、石油沥青和在石脑油裂化产业中作为一副产物获得的重油和从煤得到的高碳含量的沥青。

“石油沥青”是指从石油馏出物或残余物的催化裂化和热裂化中获得残余含碳材料。

“石油焦”是指来自石油沥青的高温热处理的固态难熔残余物。

“各向同性沥青”是指含不按液晶光学有序顺序排列的分子的沥青。

“各向异性沥青”或“中间相沥青”是指包含具芳香结构的分子的沥青，所述分子通过相互作用结合在一起形成光学有序的液晶，这种液晶依温度不同可成液态或成固态。

“中间物(mesogens)”是指熔融时形成中间相沥青的分子，它们包含广泛的排列成受热就形成液晶的大芳香分子的混合物。

“假中间物”是指本身为潜在的中间相前体，但受热时一般不形成光学有序的液晶而是受热时会直接形成固态焦从而见不到熔融的物质。

溶剂化沥青的“流体温度”被定为将熔剂化沥青以每分钟1℃从熔点以上的温度冷却下来时仪表指示粘度为6000泊时的温度。如果溶剂化沥青的熔点可容易地测得，那么它总是低于流体温度。

“溶剂化沥青”是指其中含有5-40％(重量)的溶剂且具有比没有混溶剂的沥青组分的熔点低至少40℃的流体温度的沥青。

“纤维”是指能够形成有用制品的长纤维。

“定向分子结构”是指在形成的含碳制品中中间相区域结构的顺序，这种顺序相当于制品的轴，提供了制品的结构性质。

溶剂化沥青的“溶剂含量”是指由溶剂真空分离后测得的失重值。在这种测定中，没有夹带或截留溶剂的样品被准确称重，粉碎并在5mm以下压力及150℃的真空烘箱中加热一小时。百分溶剂含量是失重或重量差乘100除以原样品重的值。

“氧化/稳定化”是通过将制品和氧气或氧化剂反应来制备不熔沥青制品的处理过程。

“软化点和熔点”通过在惰性气氛下在热载台显微镜(hot stagemicroscope)上以约5℃/分钟加热样品来测定的。干沥青的软化点是沥青颗粒第一次变圆(first rounding)的角特性。干沥青的熔点是看见软化沥青第一次可察流动时的温度。

                本发明的简要公开

本发明提供熔剂化各向同性沥青和制备这种沥青的方法。另外，本发明提供具有独特稳定性和高熔化温度的低成本碳制品。此外，本发明提供任何中间相区域结构没有高度沿纤维的轴向延伸或伸长的碳纤维。

制备溶剂化各向同性沥青的常规方法包括将各组分混合一起以形成一可溶溶剂相和一不溶沥青相。混合过程优选在足以使所有相均维持在液态的温度下进行，此后让该体系沉降。该体系沉降期间发生析相作用。析相后，通过在不破坏所述溶剂化各向同性沥青的条件下除去液态溶剂相回收所述溶剂化各向相性沥青。