CN109610048B - 一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法，以中间相含量为95～98％、330℃恒温3h热失重为3～6％的油基中间相沥青为原料，依靠双螺杆进行连续熔融输送，采用计量泵进行精确计量，再进入纺丝组件内进行3h以上的均温处理，待计量泵泵后建压超过5MPa后通过孔径0.1mm、孔长0.5mm的1000孔圆形喷丝板挤出成丝，经上油集束卷绕获得连续的中空截面结构的沥青纤维长丝；再经预氧化、低温碳化及高温碳化制备中空截面结构的沥青基炭纤维。本发明仅通过调控中间相沥青的组分及其热稳定性就可以实现中空截面结构的可控制备，技术路线简单、极易实现产业化，在锂电负极、储能、吸波等领域有广阔的应用前景。

Description

一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法
技术领域
本发明属于沥青基炭纤维制备工艺技术领域，具体地说是一种通过控制纺丝用中间相沥青的组分及其热稳定性，进而匹配合适的纺丝工艺实现中空截面结构沥青纤维的连续纺制。
背景技术
现代战争对武器装备的要求越来越高，发展吸收频带宽、吸收效率高、自身密度低且多波段兼容的结构吸波材料已成为研究的热点。
炭纤维是结构型吸波材料较为常用的纤维类型之一，但是电导率较高的炭纤维对电磁波具有较强的反射特性，因此必须对其进行改性处理，制备特种结构的炭纤维等。常见的方法为在炭纤维表面化学镀镍、制备异性截面的炭纤维等。
沥青基中空截面结构的炭纤维具有明显的中空结构，会对入射电磁波增加反射和散射次数，延长传播路径，作为吸波剂会产生良好的吸波效果。截至目前，关于中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法已有报道，例如处于实审阶段的中国发明专利CN106987926A将沥青加热到473～600K、在0.1～0.65MPa的压力下进行中空结构纤维纺制，该制备方法仅涉及了纺丝温度和纺丝压力，而关于沥青的组分及理化性能特点、纺丝所用的喷丝板结构、中空截面结构如何控制制备等关键工艺均未涉及。天津大学的李明伟和王成扬等人(《炭素》，1996，4：14-18)分别以两种不同的中间相沥青为原料，采用异型的狭缝型喷丝板进行中空截面结构纤维的纺制，实现了中空结构及实心纤维的纺制，但是狭缝型喷丝板不易加工，很难实现工业化生产，批量化制备受到限制。
由此可见，针对现有中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法，未见有特别适用于工业化生产的方法，开发一种工艺简单、易于实现产业化的制备方法具有十分重要的意义，可以推动其在锂电负极、储能及吸波等领域的广泛应用。
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，提供一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法。本发明的主要特点是通过调控中间相沥青的组分及其热分解行为就可以实现中空截面结构的可控制备，其中中间相含量为95～98％、330℃恒温3h热失重为3～6％的油基中间相沥青原料是制备中空截面结构沥青基炭纤维的关键所在，依靠其在330℃纺丝组件内的热分解产生的小分子气体产生高压，促使沥青熔体沿喷丝板的微孔挤出，在沥青熔体挤出喷丝板口的瞬间，小分子气体随之逸出，继而形成了具有中空截面结构的纤维形貌特征，通过调控沥青组分的成分占比及其热分解行为就可较易实现微孔孔径的调控，无需借助异性截面结构的喷丝板，该工艺技术路线简单，较易实现产业化。
本发明采用的技术方案是：
步骤(1)：以中间相含量为95～98％、330℃恒温3h热失重为3～6％的油基中间相沥青为原料；
步骤(2)：依靠平行同向双螺杆在200～300℃范围内进行连续熔融挤压输送，采用计量泵进行精确计量，再进入330℃的纺丝组件内进行3h以上的均温处理；
步骤(3)：待计量泵泵后建压超过5MPa后通过孔径0.1mm、孔长0.5mm的1000孔圆形喷丝板挤出成丝；
步骤(4)：经上油集束卷绕获得连续的中空截面结构的沥青纤维长丝；
步骤(5)：再经预氧化、低温碳化及高温碳化制备中空截面结构的沥青基炭纤维连续长丝，其中空的孔径集中在2～6μm，纤维直径控制在8～15μm。
所述中间相含量为95～98％的油基中间相沥青，其余2～5％的组分为各向同性相且均匀分布在中间相沥青中。
所述平行同向双螺杆的填充率不超过20％。
所述泵后建压5MPa以上主要是通过油基中间相沥青的热分解产生的气体依靠自升压实现的。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、通过调控中间相沥青的组分及其热分解行为，使其在纺丝组件内长时间恒温热分解产生自升压，促使沥青熔体沿喷丝板的微孔挤出，在沥青熔体挤出喷丝板口的瞬间，小分子气体随之逸出，继而形成了具有中空截面结构的纤维形貌，无需借助异性截面结构的喷丝板。
2、该工艺技术路线简单，极易实现产业化，并且通过调控沥青组分的成分占比及其热分解行为就可较易实现微孔孔径尺寸的调控，可以进一步拓宽其应用领域。
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。
附图说明：
图1为实施例1所制备的中空截面结构沥青基炭纤维的微观形貌图；
图2为实施例2所制备的中空截面结构沥青基炭纤维的微观形貌图。
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)：以中间相含量为98％、330℃恒温3h热失重为3％的油基中间相沥青为原料；
步骤(2)：依靠平行同向双螺杆在200～300℃范围内进行连续熔融挤压输送，采用计量泵进行精确计量，再进入330℃的纺丝组件内进行3.5h均温处理；
步骤(3)：待计量泵泵后建压达到5MPa后通过孔径0.1mm、孔长0.5mm的1000孔圆形喷丝板挤出成丝；
步骤(4)：经上油集束卷绕获得连续的中空截面结构的沥青纤维长丝；
步骤(5)：再经预氧化、低温碳化及高温碳化制备中空截面结构的沥青基炭纤维连续长丝，其中空的孔径集中在2μm左右，纤维直径控制在8～10μm。
制备的中空截面结构沥青基炭纤维的微观形貌图如图1所示。
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)：以中间相含量为95％、330℃恒温3h热失重为6％的油基中间相沥青为原料；
步骤(2)：依靠平行同向双螺杆在200～300℃范围内进行连续熔融挤压输送，采用计量泵进行精确计量，再进入330℃的纺丝组件内进行4h均温处理；
步骤(3)：待计量泵泵后建压为6MPa后通过孔径0.1mm、孔长0.5mm的1000孔圆形喷丝板挤出成丝；
步骤(4)：经上油集束卷绕获得连续的中空截面结构的沥青纤维长丝；
步骤(5)：再经预氧化、低温碳化及高温碳化制备中空截面结构的沥青基炭纤维连续长丝，其中空的孔径集中在6μm左右，纤维直径控制在12～15μm。
制备的中空截面结构沥青基炭纤维的微观形貌图如图2所示。
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 (3)

1.一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤（1）：以中间相含量为95~98%、330℃恒温3h热失重为3~6%的油基中间相沥青为原料；
步骤（2）：依靠平行同向双螺杆在200~300℃范围内进行连续熔融挤压输送，采用计量泵进行精确计量，再进入330℃的纺丝组件内进行3h以上的均温处理；
步骤（3）：待计量泵泵后建压5MPa以上后通过孔径0.1mm、孔长0.5mm的1000孔圆形喷丝板挤出成丝；所述的泵后建压5MPa以上是通过油基中间相沥青的热分解产生的气体依靠自升压实现的；
步骤（4）：经上油集束卷绕获得连续的中空截面结构的沥青纤维长丝；
步骤（5）：再经预氧化、低温碳化及高温碳化制备中空截面结构的沥青基炭纤维连续长丝，其中空的孔径集中在2~6μm，纤维直径控制在8~15μm。
2.根据权利要求1所述的一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的中间相含量为95~98%的油基中间相沥青，其余2~5%的组分为各向同性相且均匀分布在中间相沥青中。
3.根据权利要求1所述的一种中空截面结构沥青基炭纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的平行同向双螺杆的填充率不超过20%。
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