本發(fā)明涉及瀝青基碳纖維，尤其涉及一種中間相瀝青纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、瀝青基碳纖維是重要的工程碳纖維之一，在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。瀝青基碳纖維制備流程長、影響因素多，歸咎于對其制備工藝、反應(yīng)機理及調(diào)控方法的認識不足，迄今工業(yè)化生產(chǎn)強度性能優(yōu)異的瀝青基碳纖維仍面臨諸多困難。以碳纖維生產(chǎn)流程為主線，針對原料預(yù)處理、瀝青前驅(qū)體調(diào)制、熔融紡絲、預(yù)氧化及炭化與石墨化的現(xiàn)狀、方法、機理及調(diào)控進行深入探討分析，是改善碳纖維生產(chǎn)流程的有效策略。

2、瀝青基碳纖維制作流程的預(yù)氧化階段是否達標是進行碳化過程之前的前提條件，傳統(tǒng)預(yù)氧化階段采用空氣作為氧化劑進行控溫加熱，不僅耗時長，而且耗能多，同時伴隨著氧化程度不足的現(xiàn)象發(fā)生，從而導(dǎo)致單絲纖維在碳化階段發(fā)生熔融，進而降低瀝青基碳纖維生產(chǎn)過程的良品率。

3、目前通過直接使用氧化劑來達到預(yù)氧化的效果是主要的研究方向之一，但因為技術(shù)不成熟，氧化劑的選取極為苛刻，造成成本高昂，難以工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種中間相瀝青纖維的制備方法，包括：調(diào)制中間相瀝青、熔融紡絲、預(yù)氧化處理、炭化和石墨化；其中，將熔融紡絲得到的單絲纖維在過氧化氫溶液中浸透處理后進行預(yù)氧化處理；所述預(yù)氧化處理的步驟包括：在75~85℃下恒溫保持1~5min，然后升溫持續(xù)加熱。

2、傳統(tǒng)的預(yù)氧化處理的原理是通過輕微氧化反應(yīng)，使瀝青中的稠環(huán)芳烴分子形成特定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，即在纖維結(jié)構(gòu)中生成一定量的含氧官能團，這些含氧官能團能夠使瀝青纖維從熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦?，從而確保瀝青纖維的分子結(jié)構(gòu)在炭化過程中足夠穩(wěn)定，不被熔融，仍然維持單絲的纖維狀態(tài)。

3、本發(fā)明提出了“浸透式催化預(yù)氧化法”解決傳統(tǒng)預(yù)氧化處理耗能高、耗時長以及氧化效果不高的問題，“浸透式催化預(yù)氧化法”即選擇廉價的過氧化氫溶液在預(yù)氧化之前浸透單絲纖維，過氧化氫同時發(fā)揮氧化劑和催化劑的作用，在后續(xù)的加熱階段，過氧化氫提供更多氧氣（氧元素）來源，便于在單絲纖維結(jié)構(gòu)中生成更多量的含氧官能團，對單絲纖維從熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦云鸬揭粋€加速的作用。同時更多的單絲纖維都能夠?qū)崿F(xiàn)熱固性的轉(zhuǎn)變，使得預(yù)氧化效果大大提升，碳化階段造成纖維熔融現(xiàn)象發(fā)生概率減少，大大提高瀝青基碳纖維的良品率。

4、由于預(yù)氧化反應(yīng)包括氧化反應(yīng)、縮合反應(yīng)、分解反應(yīng)、脫水反應(yīng)等，反應(yīng)過程繁多，因此為了提高預(yù)氧化反應(yīng)的速率，采用合適的催化劑是一大首要選擇，但同時要考慮催化劑的成本和對設(shè)備的腐蝕等因素。本發(fā)明不添加其它催化劑，而是將浸透階段的氧化劑同時作為催化劑，實現(xiàn)一劑二用的效果。

5、浸透完成之后，將單絲纖維在空氣氛圍中加熱，加熱初階段，單絲纖維導(dǎo)熱性遠不及瀝青基碳纖維的導(dǎo)熱性，從而使得單絲纖維中的過氧化氫分解緩慢，在此階段過氧化氫作為氧氣（氧元素）提供來源，提高氧化效果，同時作為催化劑，加速預(yù)氧化反應(yīng)的初階段，從而大大縮減反應(yīng)時間。當反應(yīng)進行到后期時，即使過氧化氫已經(jīng)分解殆盡，但是反應(yīng)溫度已經(jīng)足夠高（不超過軟化點最低溫度情況下），為反應(yīng)的發(fā)生提供足夠的能量，反應(yīng)速率依舊保持在同一水平。

6、為了防止過氧化氫過度分解產(chǎn)生大量氣體造成單絲纖維過度碎裂，同時需要盡可能地讓過氧化氫釋放適當?shù)难鯕庥趩谓z纖維間隙中，給予后續(xù)反應(yīng)充足的氧氣，需要控制在75~85℃下恒溫保持1~5min。

7、優(yōu)選地，所述過氧化氫溶液的濃度為0.01~0.05?mol/l。

8、優(yōu)選地，所述單絲纖維的直徑為9μm~12μm。

9、優(yōu)選地，當單絲纖維的直徑為10μm~12μm時，采用噴淋的工藝進行浸透處理，噴淋的時間為15~20min。

10、優(yōu)選地，當單絲纖維的直徑為10μm以下時，采用浸漬的工藝進行浸透處理，浸漬的時間為8~10min。

11、本發(fā)明進一步發(fā)現(xiàn)，不同濃度的過氧化氫、不同的浸透工藝以及浸透時間會影響單絲纖維在內(nèi)部加熱分解時的氣體產(chǎn)量，從而導(dǎo)致不同程度的單絲纖維碎裂。選擇上述過氧化氫溶液的濃度時，配合上述特定的浸透方式和時間，能夠兼顧催化效果和氧化效果。

12、優(yōu)選地，所述浸漬在50℃以下進行。

13、采用增溫的方式能夠增強浸透效果，但是需要控制溫度在50攝氏度以下，使得過氧化氫溶液的分解率不及50%。

14、優(yōu)選地，在80℃下恒溫保持3min，然后升溫持續(xù)加熱。

15、優(yōu)選地，所述升溫的速率為0.4~0.5℃/min，最優(yōu)選為0.5℃/min。

16、進一步，本發(fā)明提供了上述任一實施方案所述的制備方法制得的中間相瀝青纖維。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

18、本發(fā)明采用過氧化氫浸透與加熱氧化相結(jié)合的辦法，使得過氧化氫在中間相瀝青基纖維內(nèi)部發(fā)揮功效，起到催化和氧化雙重作用。本發(fā)明不僅可以解決耗時長耗能高的問題，采用價廉的過氧化氫溶液可以有效節(jié)約成本，并且顯著提升氧化效果，最終可以提高中間相瀝青纖維的良品率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種中間相瀝青纖維的制備方法，包括：調(diào)制中間相瀝青、熔融紡絲、預(yù)氧化處理、炭化和石墨化，其特征在于，將熔融紡絲得到的單絲纖維在過氧化氫溶液中浸透處理后進行預(yù)氧化處理；所述預(yù)氧化處理的步驟包括：在75~85℃下恒溫保持1~5min，然后升溫持續(xù)加熱。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述過氧化氫溶液的濃度為0.01~0.05?mol/l。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述單絲纖維的直徑為9μm~12μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，當單絲纖維的直徑為10μm~12μm時，采用噴淋的工藝進行浸透處理，噴淋的時間為15~20min。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，當單絲纖維的直徑為10μm以下時，采用浸漬的工藝進行浸透處理，浸漬的時間為8~10min。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述浸漬在50℃以下進行。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在80℃下恒溫保持3min，然后升溫持續(xù)加熱。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述升溫的速率為0.4~0.5℃/min。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述升溫持續(xù)加熱至450℃以上。

10.一種中間相瀝青纖維，其特征在于，其由權(quán)利要求1~9中任一項所述的制備方法制得。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及瀝青基碳纖維技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種中間相瀝青纖維及其制備方法。制備方法包括調(diào)制中間相瀝青、熔融紡絲、預(yù)氧化處理、炭化和石墨化，其中將熔融紡絲得到的單絲纖維在過氧化氫溶液中浸透處理后進行預(yù)氧化處理；預(yù)氧化處理的步驟包括在75~85℃下恒溫保持1~5min，然后升溫持續(xù)加熱。本發(fā)明采用過氧化氫浸透與加熱氧化相結(jié)合的辦法，使得過氧化氫在中間相瀝青基纖維內(nèi)部發(fā)揮功效，起到催化和氧化雙重作用，解決耗時長耗能高的問題，有效節(jié)約成本的同時顯著提升氧化效果，最終可以提高中間相瀝青纖維的良品率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：張智怡,董莉莉,姚陽
受保護的技術(shù)使用者：重慶交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19