一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，涉及炭纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，步驟為：首先將煤焦油加熱進(jìn)行雜質(zhì)處理，然后利用雜質(zhì)處理后的煤焦油制備軟瀝青，然后將軟瀝青進(jìn)行減壓、紡絲處理，然后進(jìn)行熔融紡絲制得初生纖維，最后進(jìn)行炭纖維的制備。本發(fā)明方法成本低，工藝簡單，易于操作，所制得的瀝青基炭纖維的性能優(yōu)良，應(yīng)用范圍廣泛。
【專利說明】
一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及炭纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]瀝青基炭纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變等優(yōu)良性能，是航空航天工業(yè)中不可或缺的工程材料，且在交通、機(jī)械、醫(yī)療衛(wèi)生和土木工程方面有廣泛的應(yīng)用，是PAN基炭纖維的第二大類炭纖維。
[0003]瀝青基炭纖維按其性能的差異分為通用級(jí)瀝青炭纖維和高性能瀝青炭纖維，前者由又稱各向同性瀝青基炭纖維，后者稱中間相瀝青炭纖維。各向同性瀝青基炭纖維是指以各向同性可紡瀝青為原料，通過熔融紡絲、預(yù)氧化、炭化處理制備的一類炭纖維。
[0004]制備通用級(jí)瀝青基炭纖維的關(guān)鍵技術(shù)是調(diào)制可用于熔融紡絲的瀝青;而可紡瀝青的原料(軟瀝青)要求具有雜原子、灰分含量低，炭含量高，需要具有一定的流變性能以滿足紡絲的需求，同時(shí)要求具有較高的化學(xué)反應(yīng)性以滿足不熔化處理需求，即要求原料瀝青的軟化點(diǎn)高，可紡性好?，F(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)瀝青基炭纖維的技術(shù)還不夠成熟，難以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的目的，這是因?yàn)槟壳斑€沒有專用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的裝置，沒有專用的紡絲設(shè)備，在生產(chǎn)過程中存在管道堵塞的問題;此外現(xiàn)在的采用縮聚反應(yīng)法和氧化交聯(lián)法處理時(shí)，會(huì)降低熔體的可紡性，難以滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需求;可紡瀝青在紡絲時(shí)容易出現(xiàn)斷絲，致使產(chǎn)品品質(zhì)難以保證。
[0005]為了完善現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明研發(fā)了一種新的通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，步驟為:
首先將煤焦油加熱進(jìn)行雜質(zhì)處理，然后利用雜質(zhì)處理后的煤焦油制備軟瀝青，然后將軟瀝青進(jìn)行減壓、紡絲處理，然后進(jìn)行熔融紡絲制得初生纖維，最后進(jìn)行炭纖維的制備。
[0008]進(jìn)一步地，上述通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，步驟為:
(1)雜質(zhì)處理:將煤焦油置于過濾釜中，加熱至60-100V時(shí)進(jìn)行過濾；
(2)軟瀝青的制備:將過濾后的煤焦油置于蒸餾釜中進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾溫度為280-350 °C，制得軟瀝青；
(3)減壓瀝青的制備:將軟瀝青置于反應(yīng)釜內(nèi)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，保持真空度為-0.05-0.09Mpa，在攪拌條件下進(jìn)行100-300min的減壓縮聚反應(yīng)，同時(shí)脫除輕組分；
(4)瀝青的制備:將減壓瀝青置于反應(yīng)爸內(nèi)，通入空氣，在攪拌條件下進(jìn)行100-300min的氧化縮聚反應(yīng)； (5)熔融紡絲:將步驟(4)制得的瀝青裝入熔融紡絲釜中，加熱至280-350°C，使瀝青呈熔融狀，按照常規(guī)的熔融紡絲方法從噴絲板的空中流出，制得初生纖維；
(6 )炭纖維的制備:將初生纖維固定在孔狀的石墨板上，以0.01-1.6m/s的的速度向管式爐中通入空氣，以0.1-3°C/min的升溫速率加熱至300-350°C，恒溫反應(yīng)Ι-lOh，得到不融化纖維，用氮?dú)馀趴?，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以1-20 °C/min的升溫速率加熱至900-1300 °C，恒溫反應(yīng)1-1Oh，即得成品。
[0009]更進(jìn)一步地，步驟(I)所述的過濾使用500目或600目篩，這是因?yàn)楫?dāng)目數(shù)太少時(shí)，喹啉不溶物(QI)脫除不干凈，絲的質(zhì)量差，而目數(shù)太大時(shí)，在去除QI的同時(shí)會(huì)將其他的有效組分也脫除。
[0010]步驟(I)所述的加熱溫度為60-100°C，這是為了在過濾的時(shí)候降低煤焦油的粘度；QI會(huì)在炭纖維絲上造成節(jié)點(diǎn)即斷點(diǎn)，會(huì)嚴(yán)重的影響炭纖維產(chǎn)品的質(zhì)量，降低QI會(huì)減少炭纖維節(jié)點(diǎn)的形成，提高炭纖維的品質(zhì)，本發(fā)明通過控制過濾網(wǎng)目數(shù)和溫度，達(dá)到了降低QI的目的，其中優(yōu)選目數(shù)為500目，溫度為75°C，使得QI降低到0.05%，且可很好的解決產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)時(shí)管道堵塞的問題。
[0011 ] 步驟(3)所述的氮?dú)饬髁繛閘-10mL/min*g，攪拌速度為200-500r/min，保持真空度為-0.09mpa的條件下，進(jìn)行減壓縮聚。
[0012]步驟(4)所述的通入空氣流量為l-10ml/min*g，攪拌速度為200-500r/min的條件下進(jìn)行氧化縮聚，氧化縮聚反應(yīng)的時(shí)間為100-300min的，本發(fā)明選擇將減壓后的瀝青通過氧化的方法提高其軟化點(diǎn)，從而增加其可紡性，傳統(tǒng)的方法為通入氧氣或者加入其他氧化劑，存在過氧化的情況，使得軟化點(diǎn)太高，在制取的過程中原料易發(fā)生焦化，降低了產(chǎn)品的可紡性，而且加入氧化劑會(huì)混入其他的雜志，降低產(chǎn)品的品質(zhì)。
[0013]步驟(5)中恪融紡絲爸的噴絲板的孔徑為0.3-lmm，牽引速度為300-1100m/min，當(dāng)孔徑大于Imm時(shí)，纖維絲的直徑太粗，產(chǎn)品質(zhì)量差，當(dāng)孔徑小于0.3mm時(shí)，在紡絲的過程中容易發(fā)生斷絲，相比傳統(tǒng)的離心法或熔噴法，熔融法制得的纖維絲更長，質(zhì)量更好。
[0014]綜上所述，傳統(tǒng)的瀝青炭纖維所選用的原料為煤焦化過程中的瀝青，存在QI含量高，而且部分有效組分被脫除的缺點(diǎn)，本發(fā)明選用煤焦油做原料制備軟瀝青，選擇300-310°C的蒸餾溫度，可以將無用的輕組分大量排出，又避免了在蒸餾的過程中原料產(chǎn)生焦化現(xiàn)象，解決產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)時(shí)容易出現(xiàn)堵管的問題；制備時(shí)，通過減壓和氧化反應(yīng)，制得了可紡性良好，軟化點(diǎn)高，分子量分布窄的可紡瀝青，然后嚴(yán)格控制熔融紡絲的溫度、噴絲板孔徑和牽引速率，制得出生纖維，再經(jīng)過炭化，制得合格的瀝青基炭纖維。
[0015]依據(jù)本發(fā)明制得的炭纖維具有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂延伸、以及電阻率，應(yīng)用范圍廣泛:應(yīng)用于建筑行業(yè)，以增強(qiáng)水泥的強(qiáng)度;應(yīng)用于電子設(shè)備，起到抗靜電和電磁屏蔽的作用;也可應(yīng)用于汽車剎車片、齒輪、軸承等，并可作為保溫材料使用。
[0016]綜上所述，本發(fā)明方法成本低，工藝簡單，易于操作，所制得的瀝青基炭纖維的性能優(yōu)良，應(yīng)用范圍廣泛。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]實(shí)施例1 以原料煤焦油取200Kg為例，制備通用級(jí)瀝青基炭纖維的方法由以下步驟組成:
(1)雜質(zhì)處理:將煤焦油置于過濾釜中，濾網(wǎng)為500目，加熱至75°C，進(jìn)行過濾，脫出煤焦油中所含的QI，QI=0.08%;
(2)軟瀝青的制備:將過濾好的煤焦油置于蒸餾釜中進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾溫度為3000C，切除煤焦油中的輕組分，蒸餾釜內(nèi)剩余的物料即為制備的軟瀝青；
(3)減壓瀝青的制備:將制取的軟瀝青置于反應(yīng)爸內(nèi)，在氮?dú)饬髁繛?.4ml/min.g的保護(hù)下，攪拌速度為400r/min，保持真空度為-0.09mpa的條件下，進(jìn)行減壓縮聚，同時(shí)脫除輕組分(洗油)，時(shí)間為200min ；
(4)瀝青的制備:將制取的減壓瀝青置于反應(yīng)釜內(nèi)，通入空氣，空氣流量為1.7ml/min.g，攪拌速度為400r/min，進(jìn)行氧化縮聚，時(shí)間為220min ；
(5)熔融紡絲:將瀝青裝入熔融紡絲釜中，熔融紡絲釜的噴絲板的孔徑為0.5mm的噴絲板，加熱至317°C，恒溫使瀝青呈熔融狀，按照常規(guī)的熔融紡絲方法從噴絲板的空中流出，按牽引速度為500m/min進(jìn)行牽引，制備初生纖維；
(6)炭纖維的制備:將初生纖維固定在孔狀的石墨板上，保持伸直狀態(tài)放入管式爐中，通入流速為0.087m/s的空氣，以0.5°C/min的升溫速率加熱至320°C，恒溫反應(yīng)1.5h，得到不融化纖維，用氮?dú)馀趴?，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以5°C/min的升溫速率加熱至1100°C，恒溫反應(yīng)1.5h，得到瀝青基炭纖維。
[0019]實(shí)施例2
以原料煤焦油取200Kg為例，制備通用級(jí)瀝青基炭纖維的方法由以下步驟組成:
(1)雜質(zhì)處理:將煤焦油置于過濾釜中，濾網(wǎng)為600目，加熱至60°C，進(jìn)行過濾，脫出煤焦油中所含的QI，QI=0.05%;
(2)軟瀝青的制備:將過濾好的煤焦油置于蒸餾釜中進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾溫度為310°C，切除煤焦油中的輕組分，蒸餾釜內(nèi)剩余的物料即為制備的軟瀝青；
(3)減壓瀝青的制備:將制取的軟瀝青置于反應(yīng)爸內(nèi)，在氮?dú)饬髁繛?.5ml/min.g的保護(hù)下，攪拌速度為400r/min，保持真空度為-0.0Smpa的條件下，進(jìn)行減壓縮聚，同時(shí)脫除輕組分(洗油)，時(shí)間為300min ；
(4)瀝青的制備:將制取的減壓瀝青置于反應(yīng)釜內(nèi)，通入空氣，空氣流量為1.7ml/min.g，攪拌速度為400r/min，進(jìn)行氧化縮聚，時(shí)間為300min ；
(5)熔融紡絲:將瀝青裝入熔融紡絲釜中，熔融紡絲釜的噴絲板的孔徑為Imm的噴絲板，加熱至280°C，恒溫使瀝青呈熔融狀，按照常規(guī)的熔融紡絲方法從噴絲板的空中流出，按牽引速度為1100m/min進(jìn)行牽引，制備初生纖維；
(6)炭纖維的制備:將初生纖維固定在孔狀的石墨板上，保持伸直狀態(tài)放入管式爐中，通入流速為0.001m/s的空氣，以0.l°C/min的升溫速率加熱至300°C，恒溫反應(yīng)Ih，得到不融化纖維，用氮?dú)馀趴眨诘獨(dú)獾谋Ｗo(hù)下以1°C/min的升溫速率加熱至900°C，恒溫反應(yīng)10h，得到瀝青基炭纖維。
[0020]實(shí)施例3
以原料煤焦油取200Kg為例，制備通用級(jí)瀝青基炭纖維的方法由以下步驟組成:
(I)雜質(zhì)處理:將煤焦油置于過濾釜中，濾網(wǎng)為500目，加熱至80°C，進(jìn)行過濾，脫出煤焦油中所含的QI，QI=0.1%; (2)軟瀝青的制備:將過濾好的煤焦油置于蒸餾釜中進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾溫度為3500C，切除煤焦油中的輕組分，蒸餾釜內(nèi)剩余的物料即為制備的軟瀝青；
(3)減壓瀝青的制備:將制取的軟瀝青置于反應(yīng)爸內(nèi)，在氮?dú)饬髁繛?.5ml/min.g的保護(hù)下，攪拌速度為400r/min，保持真空度為-0.05mpa的絕對(duì)真空條件下，進(jìn)行減壓縮聚，同時(shí)脫除輕組分(洗油)，時(shí)間為250min;
(4)瀝青的制備:將制取的減壓瀝青置于反應(yīng)釜內(nèi)，通入空氣，空氣流量為1.7ml/min.g，攪拌速度為400r/min，進(jìn)行氧化縮聚，時(shí)間為10min ；
(5)熔融紡絲:將步驟(4)制得的瀝青裝入熔融紡絲釜中，熔融紡絲釜的噴絲板的孔徑為0.5mm的噴絲板，加熱至310°C，恒溫使瀝青呈熔融狀，按照常規(guī)的熔融紡絲方法從噴絲板的空中流出，按牽引速度為300m/min進(jìn)行牽引，制備初生纖維；
(6)炭纖維的制備:將初生纖維固定在孔狀的石墨板上，保持伸直狀態(tài)放入管式爐中，通入流速為1.9m/s的空氣，以2°C/min的升溫速率加熱至315°C，恒溫反應(yīng)10h，得到不融化纖維，用氮?dú)馀趴?，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以10°C/min的升溫速率加熱至1000°C，恒溫反應(yīng)8h，得到瀝青基炭纖維。
[0021 ] 實(shí)施例4
以原料煤焦油取200Kg為例，制備通用級(jí)瀝青基炭纖維的方法由以下步驟組成:
(1)雜質(zhì)處理:將煤焦油置于過濾釜中，濾網(wǎng)為600目，加熱至100°C，進(jìn)行過濾，脫出煤焦油中所含的QI，QI=0.05%;
(2)軟瀝青的制備:將過濾好的煤焦油置于蒸餾釜中進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾溫度為2800C，切除煤焦油中的輕組分，蒸餾釜內(nèi)剩余的物料即為制備的軟瀝青；
(3)減壓瀝青的制備:將制取的軟瀝青置于反應(yīng)爸內(nèi)，在氮?dú)饬髁繛?.5ml/min.g的保護(hù)下，攪拌速度為400r/min，保持真空度為-0.06mpa的條件下，進(jìn)行減壓縮聚，同時(shí)脫除輕組分(洗油)，時(shí)間為10min ；
(4)瀝青的制備:將制取的減壓瀝青置于反應(yīng)釜內(nèi)，通入空氣，空氣流量為1.7ml/min.g，攪拌速度為400r/min，進(jìn)行氧化縮聚，時(shí)間為240min ；
(5)熔融紡絲:將瀝青裝入熔融紡絲釜中，熔融紡絲釜的噴絲板的孔徑為0.3mm的噴絲板，加熱至350°C，恒溫使瀝青呈熔融狀，按照常規(guī)的熔融紡絲方法從噴絲板的空中流出，按牽引速度為500m/min進(jìn)行牽引，制備初生纖維；
(6)炭纖維的制備:將初生纖維固定在孔狀的石墨板上，保持伸直狀態(tài)放入管式爐中，通入流速為l.0m/s的空氣，以3°C/min的升溫速率加熱至350°C，恒溫反應(yīng)5h，得到不融化纖維，用氮?dú)馀趴?，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以20°C/min的升溫速率加熱至1300°C，恒溫反應(yīng)I h，得到瀝青基炭纖維。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟為: 首先將煤焦油加熱進(jìn)行雜質(zhì)處理，然后利用雜質(zhì)處理后的煤焦油制備軟瀝青，然后將軟瀝青進(jìn)行減壓、紡絲處理，然后進(jìn)行熔融紡絲制得初生纖維，最后進(jìn)行炭纖維的制備。2.權(quán)利要求1所述的通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟為: (I)雜質(zhì)處理:將煤焦油置于過濾釜中，加熱至60-100 V時(shí)進(jìn)行過濾； (2)軟瀝青的制備:將過濾后的煤焦油置于蒸餾釜中進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾溫度為280-350 °C，制得軟瀝青； (3)減壓瀝青的制備:將軟瀝青置于反應(yīng)釜內(nèi)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，保持真空度為-0.05-0.09Mpa，在攪拌條件下進(jìn)行100-300min的減壓縮聚反應(yīng)，同時(shí)脫除輕組分； (4)瀝青的制備:將減壓瀝青置于反應(yīng)爸內(nèi)，通入空氣，在攪拌條件下進(jìn)行100-300min的氧化縮聚反應(yīng)； (5)熔融紡絲:將步驟(4)制得的瀝青裝入熔融紡絲釜中，加熱至280-350°C，使瀝青呈熔融狀，按照常規(guī)的熔融紡絲方法從噴絲板的空中流出，制得初生纖維； (6 )炭纖維的制備:將初生纖維固定在孔狀的石墨板上，以0.01-1.6m/s的的速度向管式爐中通入空氣，以0.1-3°C/min的升溫速率加熱至300-350°C，恒溫反應(yīng)l-10h，得到不融化纖維，用氮?dú)馀趴?，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以1-20 °C/min的升溫速率加熱至900-1300 °C，恒溫反應(yīng)1-1Oh，即得成品。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟(I)所述的加熱溫度為50-150°C。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟(I)所述的濾網(wǎng)采用500目或600目篩。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述的惰性氣體流量為l-10mL/min*g，攪拌速度為200-500r/min，保持真空度為-0.09mpa的條件下，進(jìn)行減壓縮聚。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的通入空氣流量為l-10ml/min*g，攪拌速度為200-500r/min的條件下進(jìn)行氧化縮聚。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的縮聚反應(yīng)的時(shí)間為100-300min的。8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用級(jí)瀝青基炭纖維的制備方法，其特征在于，步驟(5)中恪融紡絲爸的噴絲板的孔徑為0.3-lmm，牽引速度為300-1100m/min。
【文檔編號(hào)】D01F9/15GK106087118SQ201610691221
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月21日 公開號(hào)201610691221.7, CN 106087118 A, CN 106087118A, CN 201610691221, CN-A-106087118, CN106087118 A, CN106087118A, CN201610691221, CN201610691221.7
【發(fā)明人】武建國, 李瑛 , 王永紅, 劉偉, 竇玉章, 李文亮, 武潤平, 賈日紅
【申請(qǐng)人】山西三元炭素有限責(zé)任公司