專利名稱：一種通用級瀝青基碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種通用級浙青基碳纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
1965年，日本的大谷杉郎研制浙青基碳纖維，并獲得成功，從此浙青基碳纖維成為碳纖維領(lǐng)域的新成員，目前它已經(jīng)成為僅次于PAN基碳纖維的第二大類碳纖維。浙青基碳纖維具有高強(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，另外在交通、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，是一種屬于軍民兩用的高技術(shù)纖維。浙青基碳纖維不僅具有廣泛的應(yīng)用范圍，而且原料浙青資源較為豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)浙青基碳纖維是未來我國碳纖維工業(yè)發(fā)展的重要方向。浙青基碳纖維主要有兩種類型一種是通用級浙青基碳纖維，也被稱為各向同性浙青基碳纖維，另一種是中間相浙青基碳纖維，也被稱為各向異性浙青基碳纖維。上述的通用級浙青基碳纖維的制備方法是，以各向同性可紡浙青為原料，經(jīng)熔融紡絲、預(yù)氧化、碳化處理后，得到通用級浙青基碳纖維。目前國內(nèi)廠家多為使用進(jìn)口 PAN原絲進(jìn)行碳纖維的生產(chǎn)，浙青基碳纖維的紡絲制備技術(shù)還很不成熟，原因主要是因?yàn)?、目前尚沒有專門應(yīng)用于可紡浙青進(jìn)行紡絲的設(shè)備； 2、可紡浙青隨著溫度的升高，發(fā)生由玻璃態(tài)向粘彈態(tài)，再向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變，可紡浙青應(yīng)在粘流態(tài)下進(jìn)行紡絲成形，但是由于可紡浙青粘度與溫度的關(guān)系十分緊密，粘度又直接影響紡絲效果，所以在可紡浙青紡絲時(shí)，對浙青熔融溫度的精準(zhǔn)、科學(xué)控制顯得尤為重要。另外，對浙青纖維進(jìn)行碳化處理之前，要先進(jìn)行預(yù)氧化處理，因?yàn)檎闱嗬w維屬于熱塑性材料，若是直接進(jìn)行碳化處理將會軟化熔融，無法保持纖維形狀；預(yù)氧化處理還可以提高浙青纖維的力學(xué)性能，增加碳化前的抗拉強(qiáng)度。目前有液相氧化和氣相氧化兩種預(yù)氧化處理方法。液相氧化方法是用硝酸、硫酸、 高錳酸鉀等氧化性液體，對浙青纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，采用液相氧化時(shí)，處理溶液、溫度、時(shí)間等方面存在許多問題，例如在揮發(fā)性酸中處理時(shí)，設(shè)備的材質(zhì)、調(diào)整處理液的PH值、處理后脫酸等都很復(fù)雜。氣相方法有使用臭氧進(jìn)行氧化處理，是在70°C處理1-3小時(shí)，然后再在空氣中加熱至260°C ；鹵素也能促進(jìn)高聚物的交聯(lián)，也可在浙青纖維的預(yù)氧化處理中使用，例如將浙青纖維與氯或溴蒸汽在60-80°C下反應(yīng)4-30分鐘，然后在加熱空氣中脫氯化氫后，就可直接在氮?dú)庵羞M(jìn)行碳化處理，制得碳纖維；除用鹵素外，還可以用胺類、HCI或 HNO等進(jìn)行預(yù)氧化處理后再碳化。以上氣相方法的主要缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜污染大，操作困難，設(shè)備昂貴成本高。因此現(xiàn)有的通用級浙青基碳纖維的制備方法還有待于進(jìn)一步完善和開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種通用級浙青基碳纖維的制備方法，成功利用化纖行業(yè)紡絲設(shè)備，并采用科學(xué)優(yōu)化的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)通用級浙青基碳纖維，制備的通用級浙青基碳纖維的性能指標(biāo)優(yōu)良，能滿足應(yīng)用需求。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種通用級浙青基碳纖維的制備方法，包括以下步驟a)將軟化點(diǎn)為220°C 280°C的石油系或煤系各向同性可紡浙青物料經(jīng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備形成浙青纖維，所述各向同性可紡浙青物料的熔融紡絲溫度為270°C 325°C ；b)對所述浙青纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，所述預(yù)氧化處理的初溫為140°C 200°C，終溫為290°C 350°C，氧化氣體流量為15m3/分鐘 50m3/分鐘，時(shí)間為0. 9小時(shí) 2. 8小時(shí)，經(jīng)預(yù)氧化處理后，成為浙青氧化絲；c)對所述浙青氧化絲進(jìn)行碳化處理，所述碳化處理的初溫為400°C 700°C，終溫為900°C 1500°C，氮?dú)饬髁繛?. 5m3/分鐘 4m3/分鐘，碳化時(shí)間為12分鐘 45分鐘，經(jīng)碳化處理后，成為通用級浙青基碳纖維。作為優(yōu)選，所述化纖行業(yè)紡絲設(shè)備為離心紡絲設(shè)備時(shí)，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘 3200
轉(zhuǎn)/分鐘。作為優(yōu)選，所述化纖行業(yè)紡絲設(shè)備為熔吹或熔噴紡絲設(shè)備時(shí)，熔吹空氣溫度為 280°C 340°C，空氣流量為1. 5m3/分鐘 IOm3/分鐘。作為優(yōu)選，所述化纖行業(yè)紡絲設(shè)備為渦流紡絲設(shè)備時(shí)，熔吹空氣溫度為290°C 3550C，空氣流量為4m3/分鐘 12m3/分鐘。作為優(yōu)選，所述浙青纖維的直徑為6 μ m 18 μ m。作為優(yōu)選，所述氧化氣體為空氣、氧氣濃度為20% 40%的富氧空氣、N2O5濃度為 0. 10%的空氣、NO2濃度為0. 2% 15%的空氣中的任一種。本發(fā)明提供一種通用級浙青基碳纖維的制備方法，將化纖行業(yè)紡絲設(shè)備成功的應(yīng)用于石油系和煤系各向同性可紡浙青的紡絲生產(chǎn)過程中，在預(yù)氧化處理過程中采用氣相氧化法，并使用易操作、污染小的氣體氧化劑進(jìn)行預(yù)氧化處理，在預(yù)氧化處理和碳化處理過程中，均采用了極佳的工藝參數(shù)優(yōu)化方案，成功的生產(chǎn)出具有優(yōu)良性能指標(biāo)的通用級浙青基碳纖維。其抗拉強(qiáng)度為340Mpa 1200Mpa，拉伸模量為30Gpa llOGpa，直徑為5 μ m 17口111，碳含量大于95襯(％。該發(fā)明生產(chǎn)的通用級浙青基碳纖維完全能夠替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。


圖1為本發(fā)明一種具體實(shí)施方式
所提供的通用級浙青基碳纖維的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明提供一種通用級浙青基碳纖維的制備方法，參考圖1，本發(fā)明一種具體實(shí)施方式
所提供的通用級浙青基碳纖維的制備工藝流程圖，工藝過程包括以下步驟
a)將軟化點(diǎn)為220°C 280°C的石油系或煤系各向同性可紡浙青物料經(jīng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備形成浙青纖維，直徑為6 μ m 18 μ m，紡絲過程中各向同性可紡浙青物料的溫度為 270°C 325"C。其中化纖行業(yè)紡絲設(shè)備可以為離心紡絲設(shè)備、熔吹(噴)紡絲設(shè)備或渦流紡絲設(shè)備中的一種。當(dāng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備采用離心紡絲設(shè)備時(shí)，轉(zhuǎn)速采用500轉(zhuǎn)/分鐘 3200轉(zhuǎn) /分鐘；當(dāng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備采用熔吹(噴)紡絲設(shè)備時(shí)，熔吹空氣溫度為280°C 340°C， 空氣流量為1. 5m3/分鐘 IOm3/分鐘；當(dāng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備采用渦流紡絲設(shè)備時(shí)，熔吹空氣溫度為290°C 355°C，空氣流量為4m3/分鐘 12m3/分鐘。經(jīng)紡絲設(shè)備形成的浙青纖維以取向或無取向方式落于傳送帶上，形成浙青纖維氈，并經(jīng)由傳送帶傳送給下游設(shè)備，通過傳送帶運(yùn)送可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)。b)對形成的浙青纖維氈進(jìn)行預(yù)氧化處理，采用氣相氧化法，預(yù)氧化處理的初溫為 140°C 200°C，終溫為290°C 350°C，氧化氣體流量為15m3/分鐘 50m3/分鐘，可采用空氣、氧氣濃度為20% 40%的富氧空氣、N2O5濃度為0. 10%的空氣、NO2濃度為 0. 2 0Z0 15%的空氣中的任一種，反應(yīng)時(shí)間為0. 9小時(shí) 2. 8小時(shí)。經(jīng)預(yù)氧化處理后，成為浙青氧化絲。c)對得到的浙青氧化絲進(jìn)行碳化處理，碳化處理的初溫為400°C 700°C，終溫為 900°C 1500°C，氮?dú)饬髁繛?. 5m3/分鐘 4m3/分鐘，碳化時(shí)間為12分鐘 45分鐘，經(jīng)碳化處理后，成為通用級浙青基碳纖維。經(jīng)檢測其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到340Mpa 1200Mpa，拉伸模量為30Gpa llOGpa，直徑為5μπι 17 μ m，碳含量大于95wt%。下面為具體的實(shí)施例，其中檢測抗拉強(qiáng)度、楊氏模量時(shí)采用的是美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中ASTM D3379測試方法，檢測纖維直徑時(shí)使用的是BIOQUANT MEG IV圖像分析系統(tǒng)， 檢測碳含量時(shí)使用的是Leco 600CHN元素分析儀。實(shí)施例1 1)將軟化點(diǎn)244°C的石油系各向同性可紡浙青加熱至^2°C，并通入離心紡絲設(shè)備中，離心設(shè)備轉(zhuǎn)速為1580轉(zhuǎn)/分鐘，可紡浙青從甩絲孔甩出，形成平均直徑8 μ m的浙青纖維，浙青纖維以取向或無取向方式吹送于傳送帶上，形成浙青纖維氈，并經(jīng)由傳送帶傳送給下游設(shè)備。2)浙青纖維經(jīng)由傳送帶送入預(yù)氧化設(shè)備中，預(yù)氧化處理初溫為160°C，終溫為 3^°C，采用NO2濃度為8. 6%的空氣進(jìn)行預(yù)氧化，流量為25m3/分鐘，時(shí)間為75分鐘，浙青纖維經(jīng)預(yù)氧化處理后，成為浙青氧化絲。3)浙青氧化絲經(jīng)由傳送帶送入碳化設(shè)備中，碳化處理初溫為680°C，終溫為 1150°C，碳化時(shí)間為20分鐘，氮?dú)饬髁繛?. 2m3/分鐘；浙青氧化絲經(jīng)碳化處理后生成碳纖維，抗拉強(qiáng)度為592Mpa，拉伸模量為55Gpa，平均直徑為7 μ m,碳含量為98. Owt^。實(shí)施例2 1)將軟化點(diǎn)232°C的煤系各向同性可紡浙青加熱至^5°C，并通入熔吹(噴)紡絲設(shè)備中，熔吹空氣溫度為299°C，空氣流量為2. 7m3/分鐘；熱空氣氣流從紡絲設(shè)備的浙青物料噴絲口兩側(cè)吹出，熱空氣朝下牽伸浙青物料形成平均直徑15 μ m的浙青纖維，浙青纖維以取向或無取向方式吹送于傳送帶上，形成浙青纖維氈，并經(jīng)由傳送帶傳送給下游設(shè)備。2)浙青纖維經(jīng)由傳送帶送入預(yù)氧化設(shè)備中，預(yù)氧化處理初溫為145°C，終溫為298°C，采用氧氣濃度為沈％的富氧空氣進(jìn)行預(yù)氧化，流量為18m3/分鐘，時(shí)間為150分鐘， 浙青纖維經(jīng)預(yù)氧化處理后，成為浙青氧化絲。3)浙青氧化絲經(jīng)由傳送帶送入碳化設(shè)備中，碳化處理初溫為460°C，終溫為 1000°c，碳化時(shí)間為12分鐘，氮?dú)饬髁繛?. 2m3/分鐘；浙青氧化絲經(jīng)碳化處理后生成碳纖維，抗拉強(qiáng)度為486Mpa，拉伸模量為47Gpa，平均直徑為14 μ m,碳含量為98. 2wt%。實(shí)施例3 1)將軟化點(diǎn)263°C的石油系各向同性可紡浙青加熱至303°C，并通入渦流紡絲設(shè)備中，熔吹空氣溫度為314°C，空氣流量為4. 6m3/分鐘；浙青由熱空氣氣流在其流出的切線方向吹出并被牽伸，形成平均直徑為IOym的浙青纖維，浙青纖維以取向或無取向方式吹送于傳送帶上，形成浙青纖維氈，并經(jīng)由傳送帶傳送給下游設(shè)備。2)浙青纖維經(jīng)由傳送帶送入預(yù)氧化設(shè)備中，預(yù)氧化處理初溫為189°C，終溫為 312°C，采用N2O5濃度為5. 3%的空氣進(jìn)行預(yù)氧化，流量為^m3/分鐘，時(shí)間為100分鐘，浙青纖維經(jīng)預(yù)氧化處理后，成為浙青氧化絲。3)浙青氧化絲經(jīng)由傳送帶送入碳化設(shè)備中，碳化處理初溫為520°C，終溫為 1300°C，碳化時(shí)間為22分鐘，氮?dú)饬髁繛?. 9m3/分鐘；浙青氧化絲經(jīng)碳化處理后生成碳纖維，抗拉強(qiáng)度為952Mpa，拉伸模量為87Gpa，平均直徑為9 μ m，碳含量為97. 9wt%。以上對本發(fā)明所提供的一種通用級浙青基碳纖維的制備方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種通用級浙青基碳纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a)將軟化點(diǎn)為220°C 280°C的石油系或煤系各向同性可紡浙青物料經(jīng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備形成浙青纖維，所述各向同性可紡浙青物料的熔融紡絲溫度為270°C 325°C ；b)對所述浙青纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，所述預(yù)氧化處理的初溫為140°C 200°C，終溫為 290350°C，氧化氣體流量為15m3/分鐘 50m3/分鐘，時(shí)間為0. 9小時(shí) 2. 8小時(shí)，經(jīng)預(yù)氧化處理后，成為浙青氧化絲；c)對所述浙青氧化絲進(jìn)行碳化處理，所述碳化處理的初溫為400°C 700°C，終溫為 900°C 1500°C，氮?dú)饬髁繛?. 5m3/分鐘 4m3/分鐘，碳化時(shí)間為12分鐘 45分鐘，經(jīng)碳化處理后，成為通用級浙青基碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述化纖行業(yè)紡絲設(shè)備為離心紡絲設(shè)備時(shí)，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘 3200轉(zhuǎn)/分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述化纖行業(yè)紡絲設(shè)備為熔吹或熔噴紡絲設(shè)備時(shí)，熔吹空氣溫度為280°C 340°C，空氣流量為1. 5m3/分鐘 IOm3/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述化纖行業(yè)紡絲設(shè)備為渦流紡絲設(shè)備時(shí)，熔吹空氣溫度為290°C 355°C，空氣流量為細(xì)3/分鐘 12m3/分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述浙青纖維的直徑為 6 μ m 18 μ m0
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述氧化氣體為空氣、 氧氣濃度為20% 40%的富氧空氣、N2O5濃度為0. 10%的空氣、NO2濃度為0. 2% 15%的空氣中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種通用級瀝青基碳纖維的制備方法，包括a)將軟化點(diǎn)為220～280℃的各向同性可紡瀝青，加熱至270～325℃，經(jīng)化纖行業(yè)紡絲設(shè)備形成瀝青纖維；b)對瀝青纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，初溫為140～200℃，終溫為290～350℃，氧化氣體流量為15～50m3/分鐘，時(shí)間為0.9～2.8小時(shí)，得到瀝青氧化絲；c)對瀝青氧化絲進(jìn)行碳化處理，初溫為400～700℃，終溫為900～1500℃，氮?dú)饬髁繛?.5～4m3/分鐘，碳化時(shí)間為12～45分鐘，得到通用級瀝青基碳纖維。該法成功生產(chǎn)出具有優(yōu)良性能指標(biāo)的通用級瀝青基碳纖維，能夠替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
文檔編號D01F9/15GK102560744SQ20111043332
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者于立新, 代魯寧, 張作楨, 樸成軍, 王興雯, 王紅偉, 陳惠龍 申請人:鞍山塞諾達(dá)碳纖維有限公司