CN103352276A - 一种高模量高强度短切炭纤维制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高模量高强度短切炭纤维制造方法，目的是原料来源广、工序简单、制备难度小；本发明先将萘酚、黄腐酸混合物与中温沥青发生缩聚反应成为中间相沥青；把中间相沥青送入熔化成丝设备中，在常压、温度160-220℃下，采用内在真空0.03-0.15条件下的离心甩丝法，使高温熔融液流到高速旋转的甩丝滚面上，借助高速辊对熔融液的离心力作用，实现熔融液流的分散和牵伸成纤，将喷丝与收丝、在线短切工序合并为一体；将离心成纤后的炭纤维中间相进入预氧化炉进行不熔化处理；预氧炭纤维丝进入碳纤维炭化炉中进行的分级炭化，制成高模量高强度短切炭纤维。

Description

一种高模量高强度短切炭纤维制造方法
技术领域
本发明涉及一种高模量高强度短切炭纤维的制造方法。
背景技术
炭纤维的弹性模量和强度比钢和铝合金高多倍，不仅是航空航天、燃料电池，风力发电等的高性能材料，也是体育文化、车辆制造、公路建设、民用建筑等社会生活必不可少的新材料。目前，世界炭纤维技术主要掌握在日本的吴羽化工公司、三菱公司；美国的UCC公司，品种主要为沥青基炭纤维，PAN聚丙烯腈炭纤维。我国在上世纪后下叶就开始沥青基炭纤维的试生产，如上海焦化厂、中科院山西煤化所、冶金部山东烟台新材料研究所、辽宁东亚碳纤维公司等，但由于关键设备、资金和管理等问题，发展相对滞后。本世纪，尤其是近年来，在煤化工平衡发展等需求下，国内鞍山塞诺达炭纤维企业从美国引进全套沥青基炭纤维生产技术，山西宏特化工自主研发的煤沥青基炭纤维将投入生产。董继先等对耐火玻纤用三辊离心甩丝成纤机主轴系统进行了受力分析及改进【轻工机械，2009，27（4）：99-101】，湖南大学、东华大学等单位研发的中间相沥青熔融喷丝制原丝，并直接稳定化、炭化技术也在积极探索中。但普遍存在的问题是原料成本高、工序复杂、制备难度高等。
发明内容
本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种原料来源广、工序简单、制备难度小的高模量高强度短切炭纤维的制造方法。
本发明高模量高强度短切炭纤维，采用精制沥青、萘酚、黄腐酸等常见煤化工，经融合、缩聚，用“离心甩丝法”替代熔融纺丝法，在省去平行牵引复杂工序后，再经预氧化、分级炭化而制得。
本发明具体步骤为：
（1）中温沥青脱除杂质，萘酚、黄腐酸按重量百分比5.0-98.0：2.0-95.0的比例混合成混合物，该混合物占原料沥青的质量分数为0.05-21.0%。该混合物与中温沥青发生缩聚反应形成聚酯类物质的同时还与沥青发生热解反应，逸出小分子的不凝性气体，最终成为中间相沥青；该中间相沥青的软化点达100-110℃；160-200℃下粘度为80-95CP, QI喹啉不溶物质量分数在0.02-0.15%，Ti甲苯不溶物质量分数在20.0-25.5%，残炭（结焦值）在 48.0-53.5%，灰分质量分数在0.01-0.1%。
所述的中温沥青的技术指标是：软化点：90-100℃，结焦值：42.15-48：00%；甲苯不溶物：20.35-25:00%；喹啉不溶物：0.8-1.2%； 灰份0.2-0.7%；由山西化工有限公司生产。
萘酚、黄腐酸纯度为99.80-99.98%。萘酚、黄腐酸混合物占原料沥青中的质量分数为0.05-21.0%；即以100份的原料沥青为准，萘酚、黄腐酸在其中的质量份数为0.05-21份。
（2）把中间相沥青在0.5-1MPa氮气份下连续送入到熔化成丝设备中，在常压、温度160-220℃下，采用内在真空0.03-0.15条件下的离心甩丝法，使高温熔融液流到高速旋转的甩丝滚面上，借助高速辊对熔融液的离心力作用，实现熔融液流的分散和牵伸成纤，省去了平行牵引等工序的复杂性与高成本，同时也吸取了熔融喷丝制原丝的优点，将喷丝与收丝、在线短切等工序合并为一体，提高了成丝率并降低了操作难度。
熔化成丝设备为带沥青熔融的三辊离心甩丝成纤机。
（3）将离心成纤后的炭纤维中间相进入预氧化炉进行不熔化处理，进入的丝速10-50g /min，空气速度为0.2-1.0 m3 /h，预氧化时间20-30min；预氧化温度200-380℃；使之成为有柔性及一定力学强度、且在炭化时不发生再热熔融的耐燃的预氧炭纤维丝，从而满足炭化要求。
预氧化炉的炉膛宽2000-2200mm，外形尺寸：5400X3500X7250，预氧化炉为内部设有多层丝束进出的、带有通风、排尾气及DCS报警系统的预氧化炉。
（4）预氧炭纤维丝进入碳纤维炭化炉中进行的分级炭化（温和炭化、高温炭化），在380-880℃下进行0.3-1.2小时的温和炭化，制成体育器械及自行车制造用炭纤维材料；或经1000-1500℃下0.1-0.5小时的高温炭化，制成高模量高强度短切炭纤维，用于汽车等大型车辆制造、民用建筑等。    
本发明原料来源广、工序简单、制备难度小，可改变国内炭纤维基本依赖进口的局面，市场潜力大。
具体实施方式
实施例1：采用软化点95℃，结焦值42.20%，甲苯不溶物20.35%，喹啉不溶物1.1，灰份0.4%的山西化工有限公司生产的中温沥青为原料，经过杂质脱除，与纯度99.95%、质量分数在10.0%的萘酚、黄腐酸缩聚反应后，成为软化点100℃、180℃下粘度为90CP、QI喹啉不溶物质量分数在0.03%、Ti甲苯不溶物质量分数在22.0%、残炭（结焦值）在52.0 %、灰分质量分数在0.02%的精制沥青（中间相沥青）；在0.5MPa氮气份下连续送入到合肥日新高温技术有限公司生产的碳纤维成套设备中。在常压温度200℃下，采用内在真空0.08条件，进行喷丝与收丝、在线短切，丝速 5g/min、空速 0.3 m3 /h、预氧化温度 220℃、预氧化时间 30min；然后，进入分级炭化工序，在炭化温度 650℃下进行1.0的温和炭化，得到的短切炭纤维，按国家标准GB/T14337、国际标准ISO5079的标准，经XQ-1纤维强伸度仪检测合格后，可用于体育文化、轻便自行车制造等。 
萘酚、黄腐酸按9：1之比混合，以100份的原料沥青为准，萘酚、黄腐酸占原料沥青的质量份数为10份。
实施例2：采用软化点100℃、结焦值46.00%、甲苯不溶物23.00%、喹啉不溶物1.0、灰份0.6%的山西化工有限公司生产的中温沥青为原料，经过杂质脱除、与纯度99.95%，质量分数在10.0% 的萘酚、黄腐酸混合物发生缩聚反应，成为软化点100℃、200℃下粘度为95CP、QI喹啉不溶物质量分数在0.03%、Ti甲苯不溶物质量分数在22.0%、残炭（结焦值）在51.0 %、灰分质量分数在0.02%的精制沥青（中间相沥青）；在0.5MPa氮气份下，连续送入到合肥日新高温技术有限公司生产的碳纤维成套设备中，在常压及温度220℃下，采用内在真空0.06条件，进行喷丝与收丝、在线短切，丝速 5g/min, 空速 0.5 m3 /h,预氧化温度 200℃，预氧化时间 30min，然后，进入分级炭化工序，在炭化温度 600℃下进行1.0的温和炭化，得到的短切炭纤维，再在1500℃下经0.5的石墨化工序，按国家标准GB/T14337、国际标准ISO5079的标准，经XQ-1纤维强伸度仪的检测合格后，用于汽车制造、民用建筑等。 
 萘酚、黄腐酸按9.5：0.5之比混合，以100份的原料沥青为准，萘酚、黄腐酸占原料沥青的质量份数为10份。

Claims (3)

1.一种高模量高强度短切炭纤维制造方法，其特征是：
（1）中温沥青脱除杂质，萘酚、黄腐酸按重量百分比5.0-98.0：2.0-95.0的比例混合成混合物，该混合物占原料沥青的质量分数为0.05-21.0%，该混合物与中温沥青发生缩聚反应形成聚酯类物质的同时还与沥青发生热解反应，逸出小分子的不凝性气体，最终成为中间相沥青；该中间相沥青的软化点达100-110℃，160-200℃下粘度为80-95CP，QI喹啉不溶物质量分数在0.02-0.15%，Ti甲苯不溶物质量分数在20.0-25.5%，结焦值在 48.0-53.5%，灰分质量分数在0.01-0.1%；
所述的中温沥青的技术指标是：软化点：90-100℃，结焦值：42.15-48：00%；甲苯不溶物：20.35-25:00%；喹啉不溶物：0.8-1.2%；灰份0.2-0.7%；
所述萘酚、黄腐酸纯度为99.80-99.98%；萘酚、黄腐酸混合物占原料沥青中的质量分数为0.05-21.0%；即以100份的原料沥青为准，萘酚、黄腐酸在其中的质量份数为0.05-21份；
（2）把中间相沥青在0.5-1MPa氮气份下连续送入到熔化成丝设备中，在常压、温度160-220℃下，采用内在真空0.03-0.15条件下的离心甩丝法，使高温熔融液流到高速旋转的甩丝滚面上，借助高速辊对熔融液的离心力作用，实现熔融液流的分散和牵伸成纤，将喷丝与收丝、在线短切工序合并为一体；
（3）将离心成纤后的炭纤维中间相进入预氧化炉进行不熔化处理，进入的丝速10-50g /min，空气速度为0.2-1.0 m3 /h，预氧化时间20-30min；预氧化温度200-380℃；
（4）预氧炭纤维丝进入碳纤维炭化炉中进行的分级炭化，在380-880℃下进行0.3-1.2小时的温和炭化，制成体育器械及自行车制造用炭纤维材料；或经1000-1500℃下0.1-0.5小时的高温炭化，制成高模量高强度短切炭纤维。
2.如权利要求1所述的高模量高强度短切炭纤维制造方法，其特征是熔化成丝设备为带沥青熔融的三辊离心甩丝成纤机。
3.如权利要求1所述的高模量高强度短切炭纤维制造方法，其特征是预氧化炉为内部设有多层丝束进出、带有通风、排尾气及DCS报警系统的预氧化炉。
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