CN108456950B - 一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法,首先通过常压氮气鼓泡吹扫的方法制备软化点在80~90℃的乙烯焦油沥青,然后向其中加入硼酸三乙酯,再通过加压热聚合及减压脱挥的方法制备含硼可纺中间相沥青;再经熔融纺丝、预氧化、碳化及石墨化制备高模量高导热沥青基炭纤维样品,其拉伸模量为800~900GPa、热导率为800~1000W/m·K。本发明将硼元素通过化学反应的方法引入到中间相纺丝沥青中,实现了硼元素均匀可控的添加,解决了常规方法硼元素添加不均的难题;硼元素在后续沥青基炭纤维的制备过程中有效的启到催化石墨化的作用,从而降低石墨化处理温度,延长石墨化炉寿命,降低生产成本。

Description

一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法
技术领域
本发明属于高性能沥青基炭纤维制备工艺技术领域,具体地说是一种通过化学反应均匀可控引入硼元素进行催化石墨化制备高模量高导热沥青基炭纤维的方法。
背景技术
高模量高导热沥青基炭纤维具有聚丙烯腈(PAN)基炭纤维无可比拟的高模量和高导热优势,被称为炭纤维领域“皇冠上的明珠”,在航空航天装备、尖端工业装备、电子产品等上实现轻量化的同时,作为结构材料承载负荷,作为功能材料防热和导热,具有无可替代性,是一款极具发展前景的高端炭纤维品种。
高模量高导热沥青基炭纤维的制备工艺技术流程长,通常包括高纯可纺中间相沥青的调制、熔融纺丝、预氧化、碳化、石墨化等过程。制备高模量高导热沥青基炭纤维通常需要较高的石墨化处理温度(>2600℃),例如中国发明专利(CN105088420A)获得的高导热沥青基石墨纤维是经过2600~2800℃的连续石墨化处理;中国发明专利(CN105887245A)为了制备高模量高导热的沥青基炭纤维连续长丝,其石墨化处理是在2600~3000℃的间歇式石墨化炉内完成的。如此高的石墨化处理温度存在能耗大、石墨化炉运行寿命短,生产成本高的弊端,极大地限制其进一步的推广应用。
为了延长石墨化炉使用寿命,进一步降低生产成本,通常采用催化石墨化的方法来降低石墨化处理温度,在所有的催化剂体系中,硼是唯一可以与碳形成固溶体的催化剂,硼可以取代石墨晶格中的碳原子,从而进行均匀石墨化,形成比其它金属催化石墨化结构更规整的石墨。目前硼引入纤维的方法有很多种,主要为液体浸渍法和气相催化法。所谓的液体浸渍法通常是指将炭纤维浸泡硼酸溶液后再进行高温石墨化处理,该种方法硼的引入主要集中在纤维表面,并且硼的引入量很难控制且分布不均匀;所谓的气相催化法,即先将硼引入石墨坩埚壁中,然后将需要石墨化的纤维放到坩埚中,升温进行石墨化处理,在高温条件下坩埚壁中的硼扩散出来进入纤维中,1973年美国将此方法实现了连续化生产。但是气相催化法存在很大的局限性,因为缔合到炉管壁上的硼挥发量难以控制,影响产品的质量稳定性,由此可见:目前已报道的方法均较难实现硼的可控均匀分散添加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种将硼元素通过化学反应的方法均匀可控引入到纤维中再进行催化石墨化的方法。该方法的主要特点是将液态的有机硼与液态的乙烯焦油沥青先通过机械搅拌充分混合均匀,进而再将硼元素通过化学反应的方法接枝到纺丝中间相沥青分子结构中,实现了硼元素均匀可控的引入,规避了传统方法硼元素分散不均的难题;在高温石墨化的过程中,硼元素有效的起到了催化石墨化的作用,在显著降低石墨化处理温度的同时获取晶粒尺寸大、取向性好的高模量高导热沥青基炭纤维样品。该工艺过程简单可控、生产效率高、易于实现工业化生产,并且制备的沥青基炭纤维的模量及热导率较高。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
步骤(1):以乙烯焦油为原料,通过常压氮气鼓泡吹扫的方法进行热切割6~9h,去除300℃以下的轻质组分,获得软化点在80~90℃的乙烯焦油沥青;
步骤(2):在100℃温度条件下,向液态的乙烯焦油沥青中加入液态的硼酸三乙酯,所述硼酸三乙酯的加入量为乙烯焦油沥青质量的5~10%,在机械搅拌及密闭的条件下升温到400~410℃,依靠自升压在1~3MPa的压力下进行加压热聚合反应6~12h,然后降温至360~380℃进行抽真空脱挥处理1~5h,再鼓入氮气至常压冷却获得含硼可纺中间相沥青;
步骤(3):以含硼可纺中间相沥青为原料进行熔融纺丝,获得连续的含硼沥青纤维原丝;
步骤(4):将含硼沥青纤维原丝在200~300℃的温度范围内进行预氧化处理,获得含硼沥青纤维预氧丝;
步骤(5):将含硼沥青纤维预氧丝在400~1200℃的温度范围内进行碳化处理,获得含硼沥青基炭纤维;
步骤(6):将含硼沥青基炭纤维在2400~2600℃的温度范围内进行石墨化处理,获得模量为800~900GPa,导热率为800~1000W/m·K的沥青基石墨纤维。
所述乙烯焦油的灰分含量<20ppm。
所述氮气鼓泡吹扫的气量为1~5L/(min·kg)。
所述真空脱挥的真空度为-0.1~0MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、液态的硼酸三乙酯与液态的乙烯焦油沥青通过机械搅拌较易实现均匀混合,同时再将硼元素通过化学反应的方法接枝到纺丝中间相沥青分子结构中,实现了硼元素均匀可控的引入,规避了传统方法因硼元素分散不均而导致后续炭纤维性能一致性差的难题。
2、在炭纤维高温石墨化的过程中,硼元素显著的起到催化石墨化的作用,实现了在较低热处理温度下获得较高的模量及热导率,极大的延长了石墨化炉使用寿命,显著的降低生产成本。
3、该工艺过程相对较为简单可控、生产效率高、易于实现工业化生产,并且制备的沥青基炭纤维的模量及热导率较高。
下面通过实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例为本发明的一个具体实施方式,具体为以下步骤:
步骤(1)以乙烯焦油为原料,通过常压氮气鼓泡吹扫的方法进行热切割6h,去除300℃以下的轻质组分,获得软化点在80℃的乙烯焦油沥青;
步骤(2)再在100℃温度条件下,向乙烯焦油沥青中加入硼酸三乙酯,在机械搅拌及密闭的条件下程序升温到400℃,依靠自升压在1MPa的压力下进行加压热聚合反应6h,然后降温至360℃进行抽真空脱挥处理1h,再鼓入氮气至常压冷却获得含硼可纺中间相沥青;
步骤(3)以含硼可纺中间相沥青为原料进行熔融纺丝,获得连续的含硼沥青纤维原丝;
步骤(4)将含硼沥青纤维原丝在200~300℃的温度范围内进行预氧化处理,获得含硼沥青纤维预氧丝;
步骤(5)将含硼沥青纤维预氧丝在400~1200℃的温度范围内进行碳化处理,获得含硼沥青基炭纤维;
步骤(6)将含硼沥青基炭纤维在2400℃的温度条件下进行石墨化处理,其拉伸模量为800GPa、热导率为800W/m·K的沥青基石墨纤维。
实施例2
本实施例为本发明的一个具体实施方式,具体为以下步骤:
步骤(1)以乙烯焦油为原料,通过常压氮气鼓泡吹扫的方法进行热切割9h,去除300℃以下的轻质组分,获得软化点在90℃的乙烯焦油沥青;
步骤(2)再在100℃温度条件下,向乙烯焦油沥青中加入硼酸三乙酯,在机械搅拌及密闭的条件下升温到410℃,依靠自升压在3MPa的压力下进行加压热聚合反应12h,然后降温至380℃进行抽真空脱挥处理5h,再鼓入氮气至常压冷却获得含硼可纺中间相沥青;
步骤(3)以含硼可纺中间相沥青为原料进行熔融纺丝,获得连续的含硼沥青纤维原丝;
步骤(4)将含硼沥青纤维原丝在200~300℃的温度范围内进行预氧化处理,获得含硼沥青纤维预氧丝;
步骤(5)将含硼沥青纤维预氧丝在400~1200℃的温度范围内进行碳化处理,获得含硼沥青基炭纤维;
步骤(6)将含硼沥青基炭纤维在2600℃的温度条件下进行石墨化处理,其拉伸模量为900GPa、热导率为1000W/m·K的沥青基石墨纤维。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法,其特征在于包括以下几个步骤:
步骤(1):以乙烯焦油为原料,通过常压氮气鼓泡吹扫的方法进行热切割6~9h,去除300℃以下的轻质组分,获得软化点在80~90℃的乙烯焦油沥青;
步骤(2):在100℃温度条件下,向液态的乙烯焦油沥青中加入液态的硼酸三乙酯,所述硼酸三乙酯的加入量为乙烯焦油沥青质量的5~10%,在机械搅拌及密闭的条件下升温到400~410℃,依靠自升压在1~3MPa的压力下进行加压热聚合反应6~12h,然后降温至360~380℃进行抽真空脱挥处理1~5h,再鼓入氮气至常压冷却获得含硼可纺中间相沥青;
步骤(3):以含硼可纺中间相沥青为原料进行熔融纺丝,获得连续的含硼沥青纤维原丝;
步骤(4):将含硼沥青纤维原丝在200~300℃的温度范围内进行预氧化处理,获得含硼沥青纤维预氧丝;
步骤(5):将含硼沥青纤维预氧丝在400~1200℃的温度范围内进行碳化处理,获得含硼沥青基炭纤维;
步骤(6):将含硼沥青基炭纤维在2400~2600℃的温度范围内进行石墨化处理,获得模量为800~900GPa,导热率为800~1000W/m·K的沥青基石墨纤维。
2.根据权利要求1所述的一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的乙烯焦油的灰分含量<20ppm。
3.根据权利要求1所述的一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的氮气鼓泡吹扫的气量为1~5L/(min·kg)。
4.根据权利要求1所述的一种高模量高导热沥青基炭纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的真空脱挥的真空度为-0.1~0MPa。
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