CN106012106A - 一种中间相沥青基碳纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中间相沥青基碳纤维的制备方法，属于碳纤维制备技术领域。本发明取煤矸石粉碎碾磨后，与浓硫酸混合反应，再与双氧水、高锰酸钾混合氧化反应，将反应物放入层析袋中，于冰水浴中析出结晶，收集层析物与沥青、石油醚混合提炼过滤所得的滤渣混合，超声分散后静置熟化，经纺丝、碳化制得中间相沥青基碳纤维。本发明的有益效果是：本发明制备步骤简单，制备过程中熔体粘度降低了25～30%；所得产品流变性和稳定性好，产率提高了20～25%。
Description
技术领域
本发明涉及一种中间相沥青基碳纤维的制备方法，属于碳纤维制备技术领域。
背景技术
沥青基碳纤维是一种以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特种纤维。是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢。其具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，是航空航天工业中不可缺少的工程材料，另在交通、机械、体育娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方面也有广泛应用，这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。沥青基碳纤维的原料是中间相沥青，中间相沥青是由重质芳烃类物质在热处理过程中生成的一种由圆盘状或者棒状分子构成的向列型的液晶物质，其原料可以是煤焦油沥青、石油沥青和纯芳烃类物质以及它们的共混体。但由于中间相沥青软化点比较高，平均分子量高，芳构度高，分子间作用力大，熔体粘度高，导致其流变性差，且由于其纺丝温度较高，在330℃以上，给纺丝制备沥青基碳纤维造成较大困难，所得成品稳定性差，产率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对由于中间相沥青软化点比较高，平均分子量高，分子间作用力大，熔体粘度高，导致其流变性差，且由于其纺丝温度较高，在330℃以上，给纺丝制备沥青基碳纤维造成较大困难，所得成品稳定性差，产率低的弊端，提供了一种取煤矸石粉碎碾磨后，与浓硫酸混合反应，再与双氧水、高锰酸钾混合氧化反应，将反应物放入层析袋中，于冰水浴中析出结晶，收集层析物与沥青、石油醚混合提炼过滤所得的滤渣混合，超声分散后静置熟化，经纺丝、碳化制得中间相沥青基碳纤维的方法。本发明制备步骤简单，所得产品稳定性和流变性好，产率高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
（1）称取2～3kg煤矸石，将其放入粉碎机中粉碎50～60min，随后取出放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为8～10MPa，碾磨1～2h，过80～100目筛，得煤矸石粉末；
（2）按质量比5:2，将上述所得的煤矸石粉末添加至质量分数为82%浓硫酸中反应30～40min，反应后，向所得的反应物中加入15～20mL质量分数为23%双氧水，在120r/min下搅拌氧化反应1～2h，再向其中加入15～20g高锰酸钾，搅拌混合反应1～2h，得混合物放入层析袋中，将层析袋置于1～5℃冰水浴中静置2～3h，待无结晶物析出时，收集层析物，备用；
（3）称取1～2kg沥青放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为7～8MPa，碾磨后过70～80目筛，得沥青粉末，按固液比2:3，将所得的沥青粉末放入石油醚中，提炼6～8h，待提炼完后，过滤得滤渣；
（4）按质量比6:1，将上述所得的滤渣添加至步骤（2）中备用的层析物中，在300r/min下搅拌混合均匀，并将其放入超声分散器中超声分散处理1～2h，得分散物，将所得的分散物在温度为50～55℃，静置熟化3～7天；
（5）待熟化完成后，将熟化物放入纺丝设备中进行静电纺丝，得纺丝物，将纺丝物放入管式炉中，同时向其中通入氮气，控制氮气通入速率为20～22mL/min，通入时间为10～15min，控制管式炉中温度为400～600℃，碳化4～6h，冷却至室温，即制得一种中间相沥青基碳纤维。
本发明制得的中间相沥青基碳纤维密度为2.15～2.23g/cm3，拉伸强度为3.78～4.12GPa，拉伸模量为865～950GPa，热导率为850～910W·m-1·K-1，在-150～150℃时，热膨胀系数为-0.08×10-6～0.1×10-6。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明制备步骤简单，制备过程中熔体粘度降低了25～30%；
（2）所得产品流变性和稳定性好，产率提高了20～25%。
具体实施方式
首先称取2～3kg煤矸石，将其放入粉碎机中粉碎50～60min，随后取出放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为8～10MPa，碾磨1～2h，过80～100目筛，得煤矸石粉末；然后按质量比5:2，将上述所得的煤矸石粉末添加至质量分数为82%浓硫酸中反应30～40min，反应后，向所得的反应物中加入15～20mL质量分数为23%双氧水，在120r/min下搅拌氧化反应1～2h，再向其中加入15～20g高锰酸钾，搅拌混合反应1～2h，得混合物放入层析袋中，将层析袋置于1～5℃冰水浴中静置2～3h，待无结晶物析出时，收集层析物，备用；再称取1～2kg沥青放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为7～8MPa，碾磨后过70～80目筛，得沥青粉末，按固液比2:3，将所得的沥青粉末放入石油醚中，提炼6～8h，待提炼完后，过滤得滤渣；按质量比6:1，将上述所得的滤渣添加至备用的层析物中，在300r/min下搅拌混合均匀，并将其放入超声分散器中超声分散处理1～2h，得分散物，将所得的分散物在温度为50～55℃，静置熟化3～7天；最后待熟化完成后，将熟化物放入纺丝设备中进行静电纺丝，得纺丝物，将纺丝物放入管式炉中，同时向其中通入氮气，控制氮气通入速率为20～22mL/min，通入时间为10～15min，控制管式炉中温度为400～600℃，碳化4～6h，冷却至室温，即制得一种中间相沥青基碳纤维。
实例1
首先称取2kg煤矸石，将其放入粉碎机中粉碎50min，随后取出放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为8MPa，碾磨1h，过80目筛，得煤矸石粉末；然后按质量比5:2，将上述所得的煤矸石粉末添加至质量分数为82%浓硫酸中反应30min，反应后，向所得的反应物中加入15mL质量分数为23%双氧水，在120r/min下搅拌氧化反应1h，再向其中加入15g高锰酸钾，搅拌混合反应1h，得混合物放入层析袋中，将层析袋置于1℃冰水浴中静置2h，待无结晶物析出时，收集层析物，备用；再称取1kg沥青放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为7MPa，碾磨后过70目筛，得沥青粉末，按固液比2:3，将所得的沥青粉末放入石油醚中，提炼6h，待提炼完后，过滤得滤渣；按质量比6:1，将上述所得的滤渣添加至备用的层析物中，在300r/min下搅拌混合均匀，并将其放入超声分散器中超声分散处理1h，得分散物，将所得的分散物在温度为50℃，静置熟化3天；最后待熟化完成后，将熟化物放入纺丝设备中进行静电纺丝，得纺丝物，将纺丝物放入管式炉中，同时向其中通入氮气，控制氮气通入速率为20mL/min，通入时间为10min，控制管式炉中温度为400℃，碳化4h，冷却至室温，即制得一种中间相沥青基碳纤维。本发明制备步骤简单，制备过程中熔体粘度降低了25%；所得产品流变性和稳定性好，产率提高了20%；制得的中间相沥青基碳纤维密度为2.1g/cm3，拉伸强度为3.78GPa，拉伸模量为865GPa，热导率为850W·m-1·K-1，在-150℃时，热膨胀系数为-0.08×10-6。
实例2
首先称取3kg煤矸石，将其放入粉碎机中粉碎55min，随后取出放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为9MPa，碾磨2h，过90目筛，得煤矸石粉末；然后按质量比5:2，将上述所得的煤矸石粉末添加至质量分数为82%浓硫酸中反应35min，反应后，向所得的反应物中加入18mL质量分数为23%双氧水，在120r/min下搅拌氧化反应2h，再向其中加入18g高锰酸钾，搅拌混合反应2h，得混合物放入层析袋中，将层析袋置于3℃冰水浴中静置3h，待无结晶物析出时，收集层析物，备用；再称取2kg沥青放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为8MPa，碾磨后过75目筛，得沥青粉末，按固液比2:3，将所得的沥青粉末放入石油醚中，提炼7h，待提炼完后，过滤得滤渣；按质量比6:1，将上述所得的滤渣添加至备用的层析物中，在300r/min下搅拌混合均匀，并将其放入超声分散器中超声分散处理2h，得分散物，将所得的分散物在温度为53℃，静置熟化5天；最后待熟化完成后，将熟化物放入纺丝设备中进行静电纺丝，得纺丝物，将纺丝物放入管式炉中，同时向其中通入氮气，控制氮气通入速率为21mL/min，通入时间为13min，控制管式炉中温度为500℃，碳化5h，冷却至室温，即制得一种中间相沥青基碳纤维。本发明制备步骤简单，制备过程中熔体粘度降低了28%；所得产品流变性和稳定性好，产率提高了23%；制得的中间相沥青基碳纤维密度为2.19g/cm3，拉伸强度为3.95GPa，拉伸模量为905GPa，热导率为880W·m-1·K-1，在0℃时，热膨胀系数为0.09×10-6。
实例3
首先称取3kg煤矸石，将其放入粉碎机中粉碎60min，随后取出放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为10MPa，碾磨2h，过100目筛，得煤矸石粉末；然后按质量比5:2，将上述所得的煤矸石粉末添加至质量分数为82%浓硫酸中反应40min，反应后，向所得的反应物中加入20mL质量分数为23%双氧水，在120r/min下搅拌氧化反应2h，再向其中加入20g高锰酸钾，搅拌混合反应2h，得混合物放入层析袋中，将层析袋置于5℃冰水浴中静置3h，待无结晶物析出时，收集层析物，备用；再称取2kg沥青放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为8MPa，碾磨后过80目筛，得沥青粉末，按固液比2:3，将所得的沥青粉末放入石油醚中，提炼8h，待提炼完后，过滤得滤渣；按质量比6:1，将上述所得的滤渣添加至备用的层析物中，在300r/min下搅拌混合均匀，并将其放入超声分散器中超声分散处理2h，得分散物，将所得的分散物在温度为55℃，静置熟化7天；最后待熟化完成后，将熟化物放入纺丝设备中进行静电纺丝，得纺丝物，将纺丝物放入管式炉中，同时向其中通入氮气，控制氮气通入速率为22mL/min，通入时间为15min，控制管式炉中温度为600℃，碳化6h，冷却至室温，即制得一种中间相沥青基碳纤维。本发明制备步骤简单，制备过程中熔体粘度降低了30%；所得产品流变性和稳定性好，产率提高了25%；制得的中间相沥青基碳纤维密度为2.23g/cm3，拉伸强度为4.12GPa，拉伸模量为950GPa，热导率为910W·m-1·K-1，在150℃时，热膨胀系数为0.1×10-6。
Claims (1)
1.一种中间相沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取2～3kg煤矸石，将其放入粉碎机中粉碎50～60min，随后取出放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为8～10MPa，碾磨1～2h，过80～100目筛，得煤矸石粉末；
（2）按质量比5:2，将上述所得的煤矸石粉末添加至质量分数为82%浓硫酸中反应30～40min，反应后，向所得的反应物中加入15～20mL质量分数为23%双氧水，在120r/min下搅拌氧化反应1～2h，再向其中加入15～20g高锰酸钾，搅拌混合反应1～2h，得混合物放入层析袋中，将层析袋置于1～5℃冰水浴中静置2～3h，待无结晶物析出时，收集层析物，备用；
（3）称取1～2kg沥青放入碾磨机中，控制碾磨机碾磨压力为7～8MPa，碾磨后过70～80目筛，得沥青粉末，按固液比2:3，将所得的沥青粉末放入石油醚中，提炼6～8h，待提炼完后，过滤得滤渣；
（4）按质量比6:1，将上述所得的滤渣添加至步骤（2）中备用的层析物中，在300r/min下搅拌混合均匀，并将其放入超声分散器中超声分散处理1～2h，得分散物，将所得的分散物在温度为50～55℃，静置熟化3～7天；
（5）待熟化完成后，将熟化物放入纺丝设备中进行静电纺丝，得纺丝物，将纺丝物放入管式炉中，同时向其中通入氮气，控制氮气通入速率为20～22mL/min，通入时间为10～15min，控制管式炉中温度为400～600℃，碳化4～6h，冷却至室温，即制得一种中间相沥青基碳纤维。
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