CN111286815A - 一种沥青基复合碳纤维及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种沥青基复合碳纤维及制备方法，将金属锡、纳米微孔玻璃粉加热，通过熔化的金属锡将纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；在将各向同性可纺沥青纺丝时，将金属复合液喷涂在沥青纺丝纤维表面，冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面；然后对沥青纤维进行氧化、碳化，得到表层包覆二氧化锡、纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维。本发明在沥青纺丝成纤时，通过对纤维表面包覆金属锡和纳米微孔玻璃粉，不但有效防止沥青纤维的热熔粘连，而且微孔玻璃粉透气，使得被包覆沥青纤维易于氧化、碳化，进而解决了沥青基碳纤维一直以来成纤粘连、纤维易变形，性能较低的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维制备技术领域，具体涉及一种沥青基复合碳纤维及制备方法。
背景技术
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，比热及导电性介于非金属和金属之间，密度低，比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好以及具有良好的导电导热性能和电磁屏蔽性。
沥青基碳纤维是仅次于PAN 基碳纤维的第二大类碳纤维。沥青基碳纤维沥青基碳纤维是以沥青为原料，经精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量很高的特种纤维，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，是航空航天工业、汽车中不可缺少的工程材料，另外在机械、体育娱乐、休闲 用品、医疗卫生和土木建筑方面也有广泛应用，是一种属于军民两用的高技术纤维。沥青基碳纤维不仅具有广泛的应用范围，而且原料沥青资源较为丰富，价格低廉，生产沥青基碳纤维是未来我国碳纤维工业发展的重要方向。
沥青基碳纤维主要有两种类型：一种是通用级沥青基碳纤维，也被称为各向同性沥青基碳纤维，另一种是中间相沥青基碳纤维，也被称为各向异性沥青基碳纤维。用煤、石油渣油分别制备出的煤沥青、石油沥青为原料，可制得通用级沥青基碳纤维即各向同性型沥青基碳纤维，其结构较无序，且取向程度低或几乎无取向，结果有中度的或较弱的力学性能，其成本低廉，主要应用在对性能要求不高的民用领域。中间相沥青以煤焦油沥青、石油沥青和纯芳烃类物质以及它们的共混体等为原料，是由重质芳烃类物质在热处理过程中生成的一种由圆盘状或者棒状分子构成的向列型的液晶物质。
沥青的成分复杂，分子量分布较宽，所以很难找到合适的溶剂使其溶解后进行纺丝。沥青达到熔融温度以上时可以发生流动，粘度随温度而变化，当温度在某一区间内具有较好的可纺性，但是在沥青基碳纤维生产可纺沥青随着温度的升高，发生由玻璃态向粘弹态，再向粘流态的转变，由于可纺沥青粘度与温度的关系十分紧密，粘度又直接影响纺丝效果，所以在可纺沥青纺丝时，对沥青熔融温度的要求较高；在对沥青纤维进行氧化处理时，由于沥青纤维属于热塑性材料，若是直接进行碳化处理将会软化熔融，无法保持纤维形状，使得沥青基纤维性能受影响。
中国发明专利申请号201110179432.X公开了一种用于碳纤维制备的煤沥青化学改性方法，将煤沥青在温度110~120℃条件烘干至恒重，将溶剂喹啉和煤沥青混合得到滤液；将滤液倒入反应容器，在持续通氮气、搅动下加热，加热至80~120℃时，在滤液中按煤沥青质量的1~16%加入催化剂三氟化硼乙醚和硝基芳烃的混合物，反应后加热蒸馏出溶剂喹啉，待无喹啉溶剂蒸馏出为止，得到190℃黏度为1000~3400Pa·s化学改性煤沥青。该发明使用化学反应催化剂对煤沥青的化学改性，实现优质煤沥青碳纤维前驱体易纺丝和易碳化。中国发明专利申请号201310751350.7公开了一种通用级沥青基碳纤维纺丝油剂，该油剂采用去离子水、润滑剂、抗静电剂、乳化剂和平衡调节剂，在搅拌状态混合而成。喷涂在纤维表面可在纤维表面形成薄膜，油膜不仅保护单丝表面在纺丝中免受损伤，而且在不熔化和碳化过程中也起到同样的防黏隔离作用，可解决通用级沥青基碳纤维制备过程中存在的易粘连、静电和磨损等问题。
上述方案一定程度上可以改善沥青基碳纤维纺丝效果，然而通过化学改性预处理的方式获得优质的沥青前驱体增加了纺丝处理过程，再者需要大量使用喹啉等有毒物质进行反应，对环境和人体带来危害。使用纺丝油剂的方案由于单丝表面覆盖油膜，阻隔了氧气，不利于后续氧化和碳化。因此，提供一种不需要额外处理过程，有效避免成纤粘连以及纤维易变形，同时易于纺丝碳化的方法，对简化工艺步骤、提升沥青的可纺性具有十分重要的实际意义。
发明内容
针对目前沥青纺丝制备碳纤维时由于沥青纤维属于热塑性材料，进行碳化使时会软化熔融，影响纤维形状和纤维效果甚微缺陷，本发明提出一种沥青基复合碳纤维及制备方法，在沥青纺丝成纤时，在表面包覆了金属锡和纳米微孔玻璃粉，有效防止沥青纤维的热熔粘连, 易于进行氧化、碳化.
本发明提供一种沥青基复合碳纤维的制备方法，具体制备步骤如下：
（1）按比例称取金属锡粉、纳米微孔玻璃和适量沥青，将沥青经过清洗剂清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为90 ~ 200 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0. 5～1 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在240～300℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）设置纺丝温度至260～300℃，加热各向同性的所述脱泡沥青，对所述脱泡沥青进行纺丝，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）然后在140～200℃条件下对所述沥青纤维进行氧化2～10 h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在800～1200℃，保护性气体氛围中进行碳化8～12 h，得到表层包覆二氧化锡、纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维。
优选的，步骤（1）中，所述金属锡粉的粒径为10～100μm，所述清洗剂为二硫化碳和四氯化碳中的一种。
优选的，所述金属锡的粒径为20～100nm，所述纳米微孔玻璃粒径为20～110nm，孔隙率为80～85%。
优选的，所述金属锡与纳米微孔玻璃的质量比为1-3:2-5。
优选的，步骤（3）中，所述沥青纺丝的工艺为开启电机以10～30r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1～2 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.2～0.5MPa、挤出流量在6～12 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸。
优选的，步骤（3）中所述喷涂气流速度为0.5～2m/s，喷涂温度为280～350℃。
优选的，步骤（4）中所述氧化环境的氧气浓度为10～20%。
优选的，步骤（5）中所述保护性气体为氮气、氩气、氦气、氖气中的一种。
本发明进一步提供由上述方法制备得到的一种沥青基复合碳纤维，所述复合碳纤维的碳质量含量为89%。
针对目前沥青纺丝制备碳纤维时由于沥青纤维属于热塑性材料，进行碳化使时会软化熔融，影响纤维形状和纤维效果甚微缺陷，本发明提出一种沥青基复合碳纤维及制备方法。在氮气保护下，将金属锡、纳米微孔玻璃粉进行加热，通过熔化的金属锡将纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；在260～300℃条件下将各向同性可纺沥青纺丝，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂金属复合液，冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面；然后在 140℃～200℃条件下对沥青纤维进行氧化，表层的金属锡氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘联影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化；将氧化的沥青在500～1200℃，氮气氛围中进行碳化，得到表层包覆二氧化锡、纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维。本发明通过在沥青纺丝成纤时，在表面包覆了金属锡和纳米微孔玻璃粉，金属锡和纳米微孔玻璃粉阻隔了单丝纤维表面间的黏合，有效防止沥青纤维的热熔粘连，此外，微孔玻璃粉具有透气的功能，使得被包覆沥青纤维易于氧化、碳化，解决了沥青基碳纤维一直以来成纤粘连、纤维易变形，性能较低的缺陷。
将本发明提供一种沥青基复合碳纤维，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明提出一种沥青基复合碳纤维及制备方法，在沥青纺丝成纤表面包覆了金属锡和纳米微孔玻璃粉，不但有效防止沥青纤维的热熔粘连，而且微孔玻璃粉透气，使得被包覆沥青纤维易于氧化、碳化，解决了沥青基碳纤维一直以来成纤粘连、纤维易变形，性能较低的缺陷。
2、本发明方法制备的沥青基复合碳纤维，成纤均匀性高，纤维无粘连、无变形，直径为5μm～10μm的沥青基复合碳纤维。
3、本发明制得的沥青基复合碳纤维可直接使用，制备过程简单重复性好，易于进行产业化发展。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）按质量比例1:4称取粒径为30nm金属锡粉、粒径为20nm，孔隙率为83%纳米微孔玻璃粉和取适量石油沥青，将沥青经过清洗剂二硫化碳清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为120 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0. 8 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在280℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）取脱泡沥青，加热各向同性的所述脱泡沥青至290℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以25r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1.4 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.3MPa、挤出流量在8 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，喷涂气流速度为1.2m/s，喷涂温度为290℃，喷涂完毕冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）在180℃条件下对所述沥青纤维置于氧气浓度为16%的环境中氧化6h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在800℃，保护性气体氮气氛围中进行碳化10 h，得到表层包覆二氧化锡和纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维，复合碳纤维的线径为5μm，碳纤维的碳含量为89%。
实施例2
（1）按质量比例3:5称取粒径为100nm金属锡粉、粒径为20nm，孔隙率为85%纳米微孔玻璃粉和取适量天然沥青，将沥青经过清洗剂四氯化碳中清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为200 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0. 5 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在240℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）取所述脱泡沥青，加热各向同性的所述脱泡沥青至260℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以30r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.4MPa、挤出流量在6 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，喷涂气流速度为2m/s，喷涂温度为280℃，喷涂完毕冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）在200℃条件下对所述沥青纤维置于氧气浓度为10%的环境中氧化10 h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在1200℃，保护性气体氩气氛围中进行碳化8h，得到表层包覆二氧化锡和纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维，复合碳纤维的线径为6μm，碳纤维的碳含量为89%。
实施例3
（1）按质量比例2:3称取粒径为60nm金属锡粉、粒径为40nm，孔隙率为83%纳米微孔玻璃粉和取适量石油沥青，将沥青经过清洗剂二硫化碳清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为130 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0.7 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在280℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）取所述脱泡沥青，加热各向同性的所述脱泡沥青至280℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以15r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1.5 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.4MPa、挤出流量在10 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，喷涂气流速度为0.8m/s，喷涂温度为330℃，喷涂完毕冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）在180℃条件下对所述沥青纤维置于氧气浓度为18%的环境中氧化5 h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在1000℃，保护性气体氖气氛围中进行碳化10h，得到表层包覆二氧化锡和纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维，复合碳纤维的线径为8μm，碳纤维的碳含量为89%。
实施例4
（1）按质量比例2:5称取粒径为80nm金属锡粉、粒径为80nm，孔隙率为83%纳米微孔玻璃粉和取适量石油沥青，将沥青经过清洗剂四氯化碳清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为130 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0.7 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在280℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）取所述脱泡沥青，加热各向同性的所述脱泡沥青至290℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以25r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1.2 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.3MPa、挤出流量在10cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，喷涂气流速度为1.4m/s，喷涂温度为320℃，喷涂完毕冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）在190℃条件下对所述沥青纤维置于氧气浓度为18%的环境中氧化6 h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在960℃，保护性气体氮气氛围中进行碳化12h，得到表层包覆二氧化锡和纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维，复合碳纤维的线径为9μm，碳纤维的碳含量为89%。
实施例5
（1）按质量比例1:2称取粒径为10nm金属锡粉、粒径为100nm，孔隙率为80%纳米微孔玻璃粉和取适量煤油沥青，将沥青经过清洗剂四氯化碳清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为90 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为1 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在300℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）取所述脱泡沥青，加热各向同性的所述脱泡沥青至300℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以10r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为2 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.2MPa、挤出流量在6 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，喷涂气流速度为0.5m/s，喷涂温度为350℃，喷涂完毕冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）在140℃条件下对所述沥青纤维置于氧气浓度为10%的环境中氧化2h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在800℃，保护性气体氦气氛围中进行碳化12 h，得到表层包覆二氧化锡和纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维，复合碳纤维的线径为10μm，碳纤维的碳含量为89%。
对比例1
（1）取适量石油沥青,将沥青经过清洗剂二硫化碳清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为120 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0. 8 h，得到脱泡沥青；
（2）加热各向同性的所述脱泡沥青至290℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以25r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1.4 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.3MPa、挤出流量在8 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，得到沥青纤维；
（3）将所述沥青纤维在800℃，保护性气体氮气氛围中进行碳化10 h，得到线径为8μm沥青基碳纤维。按照实施例1～5的方案对对比例1中制备的沥青基碳纤维进行测试，测得沥青基碳纤维性能如表1所示。
对比例2
（1）取适量石油沥青，将沥青经过清洗剂二硫化碳清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为120 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0. 8 h，得到脱泡沥青；
（2）采用45质量份润滑剂、20质量份乳化剂和8质量份平衡调节剂，余量去离子水不断搅拌配置成纺丝液；
（3）加热各向同性的所述脱泡沥青至290℃，将所述脱泡沥青纺丝，开启电机以25r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1.4 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.3MPa、挤出流量在8 cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂纺丝液，喷涂气流速度为1.2m/s，喷涂温度为100℃，喷涂完毕获得纺丝油包覆在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）将所述沥青纤维在800℃，保护性气体氮气氛围中进行碳化10 h，得到线径为10μm沥青基复合碳纤维。按照实施例1～5的方案对对比例2中制备的沥青基碳纤维进行测试，测试结果如表1所示。
上述实施例和对比例得到的碳纤维力学性能如表1所示。
表1
| 样 品 | 线径μm | 强度MPa | 外观 |
| 实施例1 | 5 | 1855 | 无粘连、无变形 |
| 实施例2 | 6 | 1964 | 无粘连、无变形 |
| 实施例3 | 8 | 1784 | 无粘连、无变形 |
| 实施例4 | 9 | 1800 | 无粘连、无变形 |
| 实施例5 | 10 | 1993 | 无粘连、无变形 |
| 对比例1 | 8 | 1154 | 23%纤维粘连、67%变形 |
| 对比例2 | 10 | 984 | 15%纤维粘连、43%变形 |
Claims (10)
1.一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
（1）按比例称取金属锡粉、纳米微孔玻璃和适量沥青，将沥青经过清洗剂清洗处理，去除了沥青中的固相杂质，将沥青置于真空压力为90 ~ 200 Pa的环境下进行脱泡，脱泡时间为0. 5～1 h，得到脱泡沥青；
（2）将氮气充入反应腔室中，保证腔室中的氧含量和水含量均低于5ppm，将所述金属锡粉和所述纳米微孔玻璃粉均匀混合，在240～300℃条件下加热，并通过匀速机械搅拌，将所述金属锡粉熔化，从而将所述纳米微孔玻璃粉均匀分散，得到金属锡复合液；
（3）设置纺丝温度至260～300℃，加热各向同性的所述脱泡沥青，对所述脱泡沥青进行纺丝，同时在沥青纺丝纤维表面喷涂所述金属锡复合液，冷凝后金属锡、纳米微孔玻璃均匀包裹在沥青纤维表面，得到沥青纤维；
（4）然后在140～200℃条件下对所述沥青纤维进行氧化2～10 h，表层的金属锡粉末氧化为耐高温的二氧化锡，有效防止沥青软化粘结影响纤维性能，氧化气体透过纳米微孔玻璃将沥青纤维完整的氧化，得到氧化沥青纤维；
（5）将所述氧化沥青纤维在800～1200℃，保护性气体氛围中进行碳化8～12 h，得到表层包覆二氧化锡、纳米微孔玻璃的沥青基复合碳纤维。
2.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述金属锡粉的粒径为10～100μm，所述清洗剂为二硫化碳和四氯化碳中的一种。
3.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，所述纳米微孔玻璃粒径为20～110nm，孔隙率为80～85%。
4.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，所述金属锡与纳米微孔玻璃的质量比为1-3:2-5。
5.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述沥青纺丝的工艺为开启电机以10～30r/min的转速搅拌熔融所述脱泡沥青，以达到内部传热均匀，并充分熔融，搅拌的时间为1～2 h，然后将上述脱泡沥青输送管道、计量泵及纺丝组件，通入氮气，打开球阀，并开启计量泵，在泵前压力为0.2～0.5MPa、挤出流量在6～12cc/min的环境下进行熔融纺丝，最后通过空气吸丝器将挤出的单丝集束牵伸。
6.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述喷涂气流速度为0.5～2m/s，喷涂温度为280～350℃。
7.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述氧化环境的氧气浓度为10～20%。
8.如权利要求1所述的一种沥青基复合碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述保护性气体为氮气、氩气、氦气、氖气中的一种。
9.一种沥青基复合碳纤维，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述方法制备的到。
10.如权利要求9所述的一种沥青基复合碳纤维，其特征在于，所述复合碳纤维的碳质量含量为89%。
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| CN115044843A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-09-13 | 东北大学 | 一种轧制态碳纤维增强铝合金复合材料的制备方法 |
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