CN102704042B - 一种沥青基碳纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沥青基碳纤维的制备方法，其技术特点是：包括⑴使用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏0.5～2h制得低QI煤沥青；⑵在200～300℃条件下，利用空气做氧化剂对低QI煤沥青进行氧化处理；⑶在300～350℃、真空负压为0.05～0.09MPa条件下，对氧化后的沥青进行薄膜蒸馏，脱除轻组分；⑷在300～350℃条件下，对脱除轻组分后的沥青进行熔融纺丝；⑸利用空气对初生纤维进行预氧化，氧化温度为150～450℃，氧化时间为1～3h；⑹在600～1800℃、氮气保护条件下，对预氧化后的纤维进行碳化，制得沥青基碳纤维产品。本发明设计合理，具有原料丰富、加工工艺简单、成本低廉、产量质量好、产量大、安全环保等特点。

Description

一种沥青基碳纤维的制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维制备技术领域，尤其涉及一种沥青基碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维由于具有优越的性能，被广泛用于民用和国防产品中。沥青基碳纤维同样具有独特的应用特性，主要表现在用于超高温保温材料，可耐3000摄氏度高温，在多晶硅及特种钢热处理炉的保温材料使用上无可替代；用于碳纤维复合材料的生产，利用它的导电/导热性能，使有机高分子树脂工程材料具有相应的导电/导热性能；用于特种隔热隔音材料，如利用其比重超轻及导电的特性，在航天器及高铁上应用，既减轻重量又有防雷击的功能。
目前，全球复合材料的重心正从欧美发达国家转向亚洲，亚洲复合材料产量高速增长是行业发展最明显的趋势之一，据华创证券分析报告指出：世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度增长，前景看好。进入二十一世纪，中国成为世界新兴经济体的领军国家，在各行各业，对于碳纤维的需求市场广泛，需求量巨大，而沥青基碳纤维因其沥青原料相对便宜并丰富，成本低产量大，利润可观。2010年，我国碳纤维的需求量达1万吨，而年产量实际只有1千吨左右，且以PAN基为主。每年8～9千吨缺口长期依赖进口。据预测，碳纤维的全球需求量到2014年将超过8万吨，2018年需求量将达到12万吨，全球产值达50亿美元。
碳纤维的生产线路主要有PAN基、沥青基及粘胶基三种。粘胶基应用范围窄，产量极小；PAN基具有技术成熟、产量大的特点，但是该线路的生产存在成本较高、技术难度大、对设备精密度要求高并且排放剧毒氰化物等严重问题；沥青基线路具有原料丰富、质量好、产量大、安全环保等明显优势，是未来碳纤维的发展方向，但是，该沥青基线路由于对生产设备及工艺水平的要求较高，难以实现产业化生产,无法满足我国快速发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、工艺简单且生产效率高的沥青基碳纤维的制备方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
⑴使用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏0.5～2h制得低QI煤沥青；
⑵在200～300℃条件下，利用空气做氧化剂对低QI煤沥青进行氧化处理，氧化时间为4～12h；
⑶在300～350℃、真空负压为0.05～0.09MPa条件下，对氧化后的沥青进行薄膜蒸馏，蒸馏时间为1～4h，脱除轻组分；
⑷在300～350℃条件下，对脱除轻组分后的沥青进行熔融纺丝；
⑸利用空气对初生纤维进行预氧化，氧化温度为150～450℃，氧化时间为1～3h；
⑹在600～1800℃、氮气保护条件下，对预氧化后的纤维进行碳化，碳化时间为0.5～3h，制得沥青基碳纤维产品。
而且，所述步骤⑴使用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏的具体方法为：将中温沥青通过循环泵循环加入到分子蒸馏器中，循环速率为400～600ml/min，在真空负压为0.01～0.1MPa、蒸馏初始温度为130～180℃、蒸馏与冷凝温差为40～80℃条件下进行蒸馏，蒸馏过程中不断升温，升温速率为2～6℃/min，当蒸馏温度上升至310～380℃，蒸馏器中无明显馏分产出，蒸馏停止，脱除残渣后得到低QI煤沥青
而且，所述中温沥青的QI值小于0.3%，软化点为80～120℃，结焦值大于46%，TI值大于12%，无钠离子。
而且，所述的沥青基碳纤维产品的直径为5～15μm、碳含量≥97%、真密度为1.4～2.3g/cm3。
本发明的优点和积极效果是：
本发明采用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏制得低QI煤沥青，并使用该煤沥青进行随后的碳纤维纺丝处理最终制得直径为5～15μm、碳含量≥97%、真密度为1.4～2.3g/cm3的沥青基碳纤维产品，通过分子蒸馏方法制得的低QI煤沥青纯度高、QI值低、无钠离子，避免了后续的纺丝处理过程出现的线条断裂、喷丝孔易堵塞等问题，降低了生产设备的故障率，保证了后续碳纤维纺丝处理的正常进行，整个生产工艺具有原料丰富、加工工艺简单、成本低廉、产量质量好、产量大、安全环保等特点。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做进一步描述。
一种沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
1、使用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏0.5～2h制得低QI煤沥青。
在本步骤中，以中温沥青为原料，该中温沥青的QI值小于0.3%，软化点为80～120℃，结焦值大于46%，TI值大于12%，无钠离子。分子蒸馏方法的具体过程为：将一定质量的中温沥青通过循环泵循环加入到分子蒸馏器中，循环速率为400～600ml/min，在真空负压为0.01～0.1MPa、蒸馏初始温度为130～180℃、蒸馏与冷凝温差为40～80℃条件下进行蒸馏，蒸馏过程中不断升温，升温速率为2～6℃/min，当蒸馏温度上升至310～380℃，蒸馏器中无明显馏分产出，蒸馏停止，脱除残渣后得到低QI煤沥青。
2、在200～300℃条件下，利用空气做氧化剂对低QI煤沥青进行氧化处理，氧化时间为4～12h；
3、在300～350℃、真空负压为0.05～0.09MPa条件下，对氧化后的沥青进行薄膜蒸馏，蒸馏时间为1～4h，脱除轻组分；
4、在300～350℃条件下，对脱除轻组分后的沥青进行熔融纺丝；
5、利用空气对初生纤维进行预氧化，氧化温度为150～450℃，氧化时间为1～3h；
6、在600～1800℃、氮气保护条件下，对预氧化后的纤维进行碳化，碳化时间为0.5～3h，制得直径在5～15μm、碳含量≥97%、真密度在1.4～2.3g/cm3的碳纤维。
实施例1：
（1）将一定量中温沥青通过循环泵把中温沥青循环加入到分子蒸馏器中，循环速率450ml/min，在0.099MPa的真空负压下蒸馏，蒸馏开始温度140℃，升温速率2℃/min，蒸馏与冷凝温差为70℃，当温度上升至310℃时，大概85min后无明显馏分蒸出，蒸馏停止并脱除残渣后得到低QI煤沥青。
（2）在220℃条件下，利用空气做氧化剂对低QI煤沥青进行氧化处理，氧化时间5h；
（3）在280℃、0.08MPa条件下对氧化后的沥青进行薄膜蒸馏，蒸馏时间2h，脱除轻组分；
（4）在310℃条件下，对脱除轻组分后的沥青进行熔融纺丝；
（5）利用空气对初生纤维在280℃条件下进行预氧化，氧化时间1h；
（6）在1100℃，氮气保护条件下，对预氧化后的纤维进行碳化，碳化时间0.5h，制得直径为5～15μm、碳含量为97.2%、真密度为1.56g/cm3的碳纤维。
实施例2：
（1）将一定量中温沥青通过循环泵把中温沥青循环加入到分子蒸馏器中，循环速率450ml/min，在0.099MPa的真空负压下蒸馏，蒸馏开始温度140℃，升温速率2℃/min，蒸馏与冷凝温差为70℃，当温度上升至310℃时，大概85min后无明显馏分蒸出，蒸馏停止并脱除残渣后得到低QI煤沥青。
（2）在240℃条件下，利用空气做氧化剂对沥青进行氧化处理，氧化时间6h；
（3）在290℃、0.09MPa条件下对氧化后的沥青进行薄膜蒸馏，蒸馏时间2.5h，脱除轻组分；
（4）在320℃条件下，对脱除轻组分后的沥青进行熔融纺丝；
（5）利用空气对初生纤维在300℃条件下进行预氧化，氧化时间1.5h；
（6）在1200℃，氮气保护条件下，对预氧化后的纤维进行碳化，碳化时间1h，制得直径为5～15μm、碳含量为97.9%、真密度为1.61g/cm3的碳纤维。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴使用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏0.5～2h制得低QI煤沥青；
⑵在200～300℃条件下，利用空气做氧化剂对低QI煤沥青进行氧化处理，氧化时间为4～12h；
⑶在300～350℃、真空负压为0.05～0.09MPa条件下，对氧化后的沥青进行薄膜蒸馏，蒸馏时间为1～4h，脱除轻组分；
⑷在300～350℃条件下，对脱除轻组分后的沥青进行熔融纺丝；
⑸利用空气对初生纤维进行预氧化，氧化温度为150～450℃，氧化时间为1～3h；
⑹在600～1800℃、氮气保护条件下，对预氧化后的纤维进行碳化，碳化时间为0.5～3h，制得沥青基碳纤维产品；
所述步骤⑴使用分子蒸馏方法对中温沥青进行蒸馏的具体方法为：将中温沥青通过循环泵循环加入到分子蒸馏器中，循环速率为400～600ml/min，在真空负压为0.01～0.1MPa、蒸馏初始温度为130～180℃、蒸馏与冷凝温差为40～80℃条件下进行蒸馏，蒸馏过程中不断升温，升温速率为2～6℃/min，当蒸馏温度上升至310～380℃，蒸馏器中无明显馏分产出，蒸馏停止，脱除残渣后得到低QI煤沥青。
2.根据权利要求1所述的一种沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述中温沥青的QI值小于0.3%，软化点为80～120℃，结焦值大于46%，TI值大于12%，无钠离子。
3.根据权利要求1所述的一种沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于：所述的沥青基碳纤维产品的直径为5～15μm、碳含量≥97%、真密度为1.4～2.3g/cm3。
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