一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法，屬于碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明取煤矸石粉碎碾磨后，與濃硫酸混合反應(yīng)，再與雙氧水、高錳酸鉀混合氧化反應(yīng)，將反應(yīng)物放入層析袋中，于冰水浴中析出結(jié)晶，收集層析物與瀝青、石油醚混合提煉過濾所得的濾渣混合，超聲分散后靜置熟化，經(jīng)紡絲、碳化制得中間相瀝青基碳纖維。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明制備步驟簡(jiǎn)單，制備過程中熔體粘度降低了25～30%；所得產(chǎn)品流變性和穩(wěn)定性好，產(chǎn)率提高了20～25%。
【專利說明】
一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法，屬于碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特種纖維。是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7?9倍，抗拉彈性模量為230?430Gpa亦高于鋼。其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電與導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，是航空航天工業(yè)中不可缺少的工程材料，另在交通、機(jī)械、體育娛樂、休閑用品、醫(yī)療衛(wèi)生和土木建筑方面也有廣泛應(yīng)用，這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。瀝青基碳纖維的原料是中間相瀝青，中間相瀝青是由重質(zhì)芳烴類物質(zhì)在熱處理過程中生成的一種由圓盤狀或者棒狀分子構(gòu)成的向列型的液晶物質(zhì)，其原料可以是煤焦油瀝青、石油瀝青和純芳烴類物質(zhì)以及它們的共混體。但由于中間相瀝青軟化點(diǎn)比較高，平均分子量高，芳構(gòu)度高，分子間作用力大，熔體粘度高，導(dǎo)致其流變性差，且由于其紡絲溫度較高，在330°C以上，給紡絲制備瀝青基碳纖維造成較大困難，所得成品穩(wěn)定性差，產(chǎn)率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題:針對(duì)由于中間相瀝青軟化點(diǎn)比較高，平均分子量高，分子間作用力大，熔體粘度高，導(dǎo)致其流變性差，且由于其紡絲溫度較高，在330°C以上，給紡絲制備瀝青基碳纖維造成較大困難，所得成品穩(wěn)定性差，產(chǎn)率低的弊端，提供了一種取煤矸石粉碎碾磨后，與濃硫酸混合反應(yīng)，再與雙氧水、高錳酸鉀混合氧化反應(yīng)，將反應(yīng)物放入層析袋中，于冰水浴中析出結(jié)晶，收集層析物與瀝青、石油醚混合提煉過濾所得的濾渣混合，超聲分散后靜置熟化，經(jīng)紡絲、碳化制得中間相瀝青基碳纖維的方法。本發(fā)明制備步驟簡(jiǎn)單，所得產(chǎn)品穩(wěn)定性和流變性好，產(chǎn)率高。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案是:
(1)稱取2?3kg煤矸石，將其放入粉碎機(jī)中粉碎50?60min，隨后取出放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為8?1MPa，碾磨I?2h，過80?100目篩，得煤矸石粉末；
(2)按質(zhì)量比5:2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)30?40min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入15?20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)I?2h，再向其中加入15?20g高錳酸鉀，攪拌混合反應(yīng)I?2h，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于I?5°C冰水浴中靜置2?3h，待無結(jié)晶物析出時(shí)，收集層析物，備用；
(3)稱取I?2kg瀝青放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為7?8MPa，碾磨后過70?80目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉6?8h，待提煉完后，過濾得濾渣；
(4)按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至步驟(2)中備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理I?2h，得分散物，將所得的分散物在溫度為50?55 °C，靜置熟化3?7天；
(5)待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時(shí)向其中通入氮?dú)?，控制氮?dú)馔ㄈ胨俾蕿?0?22mL/min，通入時(shí)間為10?15min，控制管式爐中溫度為400?600°C，碳化4?6h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。
[0005]本發(fā)明制得的中間相瀝青基碳纖維密度為2.15?2.23g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.78?4.12GPa，拉伸模量為865?950GPa，熱導(dǎo)率為850?910W.m—1.K—S在-150?150°C時(shí)，熱膨脹系數(shù)為-0.08 X 10—6?0.I X 10-60
[0006]本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是:
(1)本發(fā)明制備步驟簡(jiǎn)單，制備過程中熔體粘度降低了25?30%;
(2)所得產(chǎn)品流變性和穩(wěn)定性好，產(chǎn)率提高了20?25%。
【具體實(shí)施方式】
[0007]首先稱取2?3kg煤矸石，將其放入粉碎機(jī)中粉碎50?60min，隨后取出放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為8?lOMPa，碾磨I?2h，過80?100目篩，得煤矸石粉末;然后按質(zhì)量比5: 2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)30?40min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入15?20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)I?2h，再向其中加入15?20g高猛酸鉀，攪拌混合反應(yīng)I?2h，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于I?5 °C冰水浴中靜置2?3h，待無結(jié)晶物析出時(shí)，收集層析物，備用;再稱取I?2kg瀝青放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為7?8MPa，碾磨后過70?80目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉6?Sh，待提煉完后，過濾得濾渣;按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理I?2h，得分散物，將所得的分散物在溫度為50?55°C，靜置熟化3?7天;最后待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時(shí)向其中通入氮?dú)?，控制氮?dú)馔ㄈ胨俾蕿?0?22mL/min，通入時(shí)間為1?15min，控制管式爐中溫度為400?600 °C，碳化4?6h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。
[0008]實(shí)例I
首先稱取2kg煤矸石，將其放入粉碎機(jī)中粉碎50min，隨后取出放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為8MPa，碾磨lh，過80目篩，得煤矸石粉末;然后按質(zhì)量比5:2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)30min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入15mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)lh，再向其中加入15g高錳酸鉀，攪拌混合反應(yīng)lh，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于1°C冰水浴中靜置2h，待無結(jié)晶物析出時(shí)，收集層析物，備用;再稱取Ikg瀝青放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為7MPa，碾磨后過70目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉6h，待提煉完后，過濾得濾渣；按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理lh，得分散物，將所得的分散物在溫度為50°C，靜置熟化3天;最后待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時(shí)向其中通入氮?dú)?，控制氮?dú)馔ㄈ胨俾蕿?0mL/min，通入時(shí)間為lOmin，控制管式爐中溫度為400°C，碳化4h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。本發(fā)明制備步驟簡(jiǎn)單，制備過程中熔體粘度降低了 25%;所得產(chǎn)品流變性和穩(wěn)定性好，產(chǎn)率提高了 20%;制得的中間相瀝青基碳纖維密度為2.lg/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.78GPa，拉伸模量為865GPa，熱導(dǎo)率為850W.m—1.K—S在_150°C時(shí)，熱膨脹系數(shù)為-0.08X 10一6。
[0009]實(shí)例2
首先稱取3kg煤矸石，將其放入粉碎機(jī)中粉碎55min，隨后取出放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為9MPa，碾磨2h，過90目篩，得煤矸石粉末;然后按質(zhì)量比5:2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)35min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入18mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)2h，再向其中加入18g高錳酸鉀，攪拌混合反應(yīng)2h，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于:TC冰水浴中靜置3h，待無結(jié)晶物析出時(shí)，收集層析物，備用;再稱取2kg瀝青放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為8MPa，碾磨后過75目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉7h，待提煉完后，過濾得濾渣；按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理2h，得分散物，將所得的分散物在溫度為53°C，靜置熟化5天;最后待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時(shí)向其中通入氮?dú)猓刂频獨(dú)馔ㄈ胨俾蕿? lmL/min，通入時(shí)間為13min，控制管式爐中溫度為500°C，碳化5h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。本發(fā)明制備步驟簡(jiǎn)單，制備過程中熔體粘度降低了 28%;所得產(chǎn)品流變性和穩(wěn)定性好，產(chǎn)率提高了23%;制得的中間相瀝青基碳纖維密度為2.19g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.95GPa，拉伸模量為905GPa，熱導(dǎo)率為880W.m—1.K—S在0°C時(shí)，熱膨脹系數(shù)為0.09X 10一6。
[0010]實(shí)例3
首先稱取3kg煤矸石，將其放入粉碎機(jī)中粉碎60min，隨后取出放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為lOMPa，碾磨2h，過100目篩，得煤矸石粉末;然后按質(zhì)量比5:2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)40min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)2h，再向其中加入20g高錳酸鉀，攪拌混合反應(yīng)2h，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于5°C冰水浴中靜置3h，待無結(jié)晶物析出時(shí)，收集層析物，備用；再稱取2kg瀝青放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為8MPa，碾磨后過80目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉Sh，待提煉完后，過濾得濾渣;按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理2h，得分散物，將所得的分散物在溫度為55°C，靜置熟化7天;最后待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時(shí)向其中通入氮?dú)猓刂频獨(dú)馔ㄈ胨俾蕿?2mL/min，通入時(shí)間為15min，控制管式爐中溫度為600°C，碳化6h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。本發(fā)明制備步驟簡(jiǎn)單，制備過程中熔體粘度降低了 30%;所得產(chǎn)品流變性和穩(wěn)定性好，產(chǎn)率提高了 25%;制得的中間相瀝青基碳纖維密度為2.23g/cm3，拉伸強(qiáng)度為4.12GPa，拉伸模量為950GPa，熱導(dǎo)率為910W1—1.K—S在150°C時(shí)，熱膨脹系數(shù)為0.1 X 10一6。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種中間相瀝青基碳纖維的制備方法，其特征在于具體制備步驟為: (1)稱取2?3kg煤矸石，將其放入粉碎機(jī)中粉碎50?60min，隨后取出放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為8?1MPa，碾磨I?2h，過80?100目篩，得煤矸石粉末； (2)按質(zhì)量比5:2，將上述所得的煤矸石粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%濃硫酸中反應(yīng)30?40min，反應(yīng)后，向所得的反應(yīng)物中加入15?20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%雙氧水，在120r/min下攪拌氧化反應(yīng)I?2h，再向其中加入15?20g高錳酸鉀，攪拌混合反應(yīng)I?2h，得混合物放入層析袋中，將層析袋置于I?5°C冰水浴中靜置2?3h，待無結(jié)晶物析出時(shí)，收集層析物，備用； (3)稱取I?2kg瀝青放入碾磨機(jī)中，控制碾磨機(jī)碾磨壓力為7?8MPa，碾磨后過70?80目篩，得瀝青粉末，按固液比2:3，將所得的瀝青粉末放入石油醚中，提煉6?8h，待提煉完后，過濾得濾渣； (4)按質(zhì)量比6:1，將上述所得的濾渣添加至步驟(2)中備用的層析物中，在300r/min下攪拌混合均勻，并將其放入超聲分散器中超聲分散處理I?2h，得分散物，將所得的分散物在溫度為50?55 °C，靜置熟化3?7天； (5)待熟化完成后，將熟化物放入紡絲設(shè)備中進(jìn)行靜電紡絲，得紡絲物，將紡絲物放入管式爐中，同時(shí)向其中通入氮?dú)?，控制氮?dú)馔ㄈ胨俾蕿?0?22mL/min，通入時(shí)間為10?15min，控制管式爐中溫度為400?600°C，碳化4?6h，冷卻至室溫，即制得一種中間相瀝青基碳纖維。
【文檔編號(hào)】D01F9/145GK106012106SQ201610477128
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】董曉, 盛海豐
【申請(qǐng)人】董曉