CN110273198B - 一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，以中间相沥青为原料，纺制成直径为10‑16µm的中间相沥青纤维，纺丝油剂是功能基改性的聚二甲基硅氧烷的水溶性油剂。纺制的沥青丝利用油剂集束，油剂上两道，先上浓度0.5‑2%的XF‑2B油剂，后上浓度为2‑5%的双氧水，纺丝上油后在沥青纤维表面形成水溶性油膜。再进行三步热处理：在氧化气氛下，利用脉冲微波加热至玻璃化转化点温度180‑230ºC后，保温5‑10min；在惰性气氛下，利用红外加热至190‑240ºC，保温5‑10min后；最后在氧化气氛下，利用脉冲微波加热至软化点转化温度，完成预氧化过程。本发明能在60min内完成沥青纤维的预氧化，对降低中间相沥青基碳纤维的生产成本具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用高导热中间相沥青基碳纤维的中间相沥青纤维的快速预氧化方法。
背景技术
高导热中间相沥青基碳纤维作为碳纤维领域“皇冠上的明珠”，是航空航天等重大战略武器装备发展所迫切需要的关键原材料，亦是军民两用的关键基础原材料，广泛应用于空间飞行器、核能工业、智能机器人、半导体行业、高端制造业等。
目前高导热中间相沥青基碳纤维制备通常需要经过纺丝、预氧化、炭化和石墨过程，其中，预氧化的耗时较长，通常需要3个小时甚至更长的时间。虽然通过提高氧化温度可以降低氧化时间，但沥青纤维的氧化均匀程度变差，皮芯结构明显，因此需要进一步优化预氧化的工艺，降低氧化周期和热处理成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高导热中间相沥青基碳纤维的中间相沥青纤维的快速预氧化方法，通过在上油过程中引入双氧水优化氧化前期氧在中间相沥青纤维内部的扩散，然后采取三步热处理工艺实现中间相沥青纤维的快速、均匀氧化。
本发明工艺过程如下：
一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，利用中间相沥青为原料，纺制成10-16µm的沥青丝，纺制的沥青丝利用油剂集束，集束时上两次溶液，先上质量浓度为0.5-2%的XF-2B油剂；后上质量浓度为2-5wt%的双氧水。然后沥青丝进行三步热处理：第一步，利用微波从室温加热至玻璃化转化点温度180-230 ºC后，保温5-10min，升温速率为20-30ºC/min；气氛为空气、氧气或二者的混合气。第二步，在惰性气氛下，利用红外加热至190-240ºC，保温5-10min后，升温速率为3-5ºC/min，气氛为氮气或氩气。第三步，在氧化气氛下，利用微波加热至软化点温度240-300ºC，完成预氧化过程，气氛为空气、氧气或二者的混合气，升温速率为2-4ºC/min。
所述的中间相沥青的灰分≤100ppm，软化点为240-300ºC，玻璃转化点为180-230ºC，中间相含量≥98%。
本发明通过在上油后引入双氧水优化氧化初期氧在沥青纤维内部的扩散，结合三步加热工艺：第一步，在氧化气氛下利用微波加热至中间相沥青的玻璃转化点附近，促进低温段氧在中间相沥青纤维内部的快速扩散；第二步，在惰性气氛下，在玻璃转化点温度附近通过内外均匀的红外加热在抑制氧过早形成氧桥的前提下，进一步促进氧在中间相沥青纤维内部的均匀扩散；第三步，在氧化气氛下，在氧化气氛下利用微波加热至中间相沥青的软化点温度，促进中间相沥青纤维内部的氧桥形成，完成预氧化过程。三步工艺充分利用不同加热方式的原理平衡氧扩散和氧化反应的程度，最终缩短中间相沥青纤维的预氧化时间。中间相沥青基碳纤维的预氧化工艺完成，耗时不到1h，氧化程度合适，可以在低温炭化时保持足够的热稳定性。
具体实施方式
实施例1
利用中间相沥青为原料，纺制成10µm的沥青丝，中间相沥青的灰分20ppm，软化点为240ºC，玻璃转化点为180 ºC，中间相含量98%。纺制的沥青丝利用油剂集束，集束时上两次溶液，先上XF-2B油剂，浓度为0.5%；后上浓度为2wt%的双氧水。然后沥青丝进行三步热处理：第一步，利用微波从室温加热至180 ºC后，保温5min，升温速率为20ºC/min；气氛为空气。第二步，在氮气气氛下，利用红外加热至190ºC，保温5min后，升温速率为3ºC/min。第三步，在空气气氛下，利用微波加热至软化点温度240ºC，完成预氧化过程，升温速率为2ºC/min。至此，中间相沥青基碳纤维的预氧化工艺完成。
实施例2
利用中间相沥青为原料，纺制成13µm的沥青丝，中间相沥青的灰分60ppm，软化点为270ºC，玻璃转化点为200 ºC，中间相含量99%。纺制的沥青丝利用油剂集束，溶液上两次，先上XF-2B油剂，浓度为1%；后上浓度为3.5wt%的双氧水。上油后的沥青丝进行三步热处理：第一步，在氧气气氛下，利用微波从室温加热至玻璃化转化点温度200 ºC后，保温8min，升温速率为25ºC/min。第二步，在氩气气氛下，利用红外加热至220ºC，保温8min后，升温速率为4ºC/min，气氛为氮气或氩气。第三步，在氧气气氛下，利用微波加热至软化点温度270ºC，完成预氧化过程升温速率为3ºC/min。至此，中间相沥青基碳纤维的预氧化工艺完成。
实施例3
一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，利用中间相沥青为原料，纺制成16µm的沥青丝，中间相沥青的灰分100ppm，软化点为300ºC，玻璃转化点为230 ºC，中间相含量100%。纺制的沥青丝利用油剂集束，集束时上两次溶液，先上XF-2B油剂，浓度为2%；后上浓度为5wt%的双氧水。然后沥青丝进行三步热处理：第一步，利用微波从室温加热至230 ºC后，保温10min，升温速率为30ºC/min，气氛为空气和氧气的混合气，混合体积比为1：1。第二步，在氮气气氛下，利用红外加热至240ºC，保温10min后，升温速率为5ºC/min。第三步，在空气气氛下，利用微波加热至软化点温度300ºC，完成预氧化过程，升温速率为4ºC/min。至此，中间相沥青基碳纤维的预氧化工艺完成。
Claims (6)
1.一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，其特征在于：利用软化点为240-300ºC、玻璃化转化点为180-230 ºC的中间相沥青为原料，纺制成直径10-16µm的中间相沥青纤维，纺丝油剂是功能基改性的聚二甲基硅氧烷的水溶性油剂，纺制的沥青丝利用油剂集束，分别上两道溶液，先上XF-2B油剂；后上双氧水；随后沥青丝进行三步热处理：第一步，在氧化气氛下，利用脉冲微波加热至玻璃化转化点温度180-230 ºC，保温5-10min，所述的氧化气氛为空气、氧气或二者的混合气；第二步，在惰性气氛下，利用红外加热至190-240 ºC，保温5-10min；第三步，在氧化气氛下，利用脉冲微波加热至240-300ºC，完成预氧化过程。
2.根据权利要求1所述的一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，其特征在于：所述的中间相沥青的灰分≤100ppm，软化点为240-300ºC，玻璃化转化点温度为180-230 ºC，中间相含量≥98%。
3.根据权利要求1所述的一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，其特征在于：纺制的沥青丝利用油剂集束，上两次溶液，先上XF-2B油剂，浓度为0.5-2%，后上双氧水，质量浓度为2-5%。
4.根据权利要求1所述的一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，其特征在于：上油后的沥青丝进行三步热处理：第一步的升温速率为20-30ºC/min。
5.根据权利要求1所述的一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，其特征在于：上油后的沥青丝进行三步热处理：第二步的升温速率为3-5ºC/min。
6.根据权利要求1所述的一种中间相沥青纤维快速预氧化的方法，其特征在于：上油后的沥青丝进行三步热处理：第三步的升温速率为2-4ºC/min。
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