本发明专利技术公开一种重质油经静电纺丝制备高性能炭纤维的方法，属于材料制备及改性技术领域。以富芳烃重质油为原料，经三聚甲醛交联、纳米二氧化硅改性，合成改性富芳烃树脂。改性树脂与聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，经静电纺丝制备出原丝纤维，原丝纤维经多巴胺溶液浸渍后，再经预氧化、炭化，制得炭纤维。所得炭纤维的电导率达33.3S/cm、残炭率达27％。本发明专利技术的效果和益处是二氧化硅改性可显著提高树脂的耐热性和炭化收率，加入聚乙烯吡咯烷酮可以调控溶液的粘度，多巴胺浸渍能有效解决原丝在预氧化阶段的熔融和粘连问题。该方法具有制备工艺简单，无毒环保，条件温和，可以实现重质油的高附加值利用，降低炭纤维的制备成本等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种富芳烃重质油经静电纺丝制备高性能炭纤维的方法
本专利技术属于化工与材料交叉领域，设计一种由富芳烃重质油经静电纺丝制备高性能炭纤维的方法。以富芳烃重质油为原料，经交联合成富芳烃树脂，富芳烃树脂经纳米二氧化硅改性，合成改性树脂。改性树脂与聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，经静电纺丝制备出原丝纤维，原丝经多巴胺溶液浸渍后，再经预氧化、炭化，制得高电导率、高收率的炭纤维。
技术介绍
随着原油的不断开采，原油不断重质化，同时炼化过程中也会产生大量的重质油，如何实现重质油的高附加值利用，是现代炼化企业迫切解决的问题之一。以重质油为原料，合成的富芳烃树脂流变性较好、分子结构易控制且富含丰富的芳环结构，经过静电纺丝技术制备的炭纤维具有高导电性、高比表面积、直径小、质量轻等一系列优点，已被广泛的应用在电极、催化剂载体、物质传感器及过滤介质等方面。但是，由于富芳烃树脂在有机溶剂中的溶解度较低，造成纺丝溶液粘度低，达不到静电纺丝的粘度要求；且原丝纤维软化点较低，在纤维的预氧化过程中，原丝的熔融现象严重影响石油基炭纤维的制备。少量的高聚物分子在有机溶剂中有很好的相溶性，若能有效地增加电纺溶液的粘度，即可达到静电纺丝的要求。多巴胺溶液可以在空气的氧化作用下自聚形成粘附且高软点的涂层，若能有效地解决预氧化过程中纤维的熔融问题，不仅实现重质油的高附加值利用，还降低了炭纤维的制备成本。
技术实现思路
本专利技术目的是设计一种由富芳烃重质油经静电纺丝制备高性能炭纤维的方法，以富芳烃重质油为原料，经三聚甲醛交联、纳米二氧化硅改性，合成改性富芳烃树脂。改性富芳烃树脂与聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，经静电纺丝制备出原丝纤维，原丝浸渍多巴胺溶液后，经预氧化、炭化制得炭纤维，其技术特点是其制备的步骤和工艺条件如下：(1)、将50g重质油、6.5g三聚甲醛和2.5g对甲苯磺酸置于三口烧瓶内，在氮气气氛下，130～140℃搅拌反应4～5h，直到不能搅拌为止，结束反应，得到富芳烃树脂。将纳米二氧化硅添加至甲苯中，超声分散30min，然后将其移入150～160℃熔融的富芳烃树脂中，反应2h，得到改性富芳烃树脂。其中，纳米二氧化硅与富芳烃树脂的质量比为1:100～8:100；(2)、配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮的混合溶液，将改性富芳烃树脂缓慢添加并超声分散于混合溶液中，然后加入2～6wt.％的聚乙烯吡咯烷酮，混合溶液在40℃油浴中持续搅拌12h；其中，改性富芳烃树脂的质量分数为10～25wt.％(质量分数是相对于加入聚乙烯吡咯烷酮后的混合溶液而言)；(3)、混合溶液在静电纺丝装置下纺丝，操作条件如下：纺丝电压18～25kV，推进速度1～3ml/h，转筒转速300～450r/min，极距12～20cm；(4)、原丝在空气气氛中于120℃加热1～2h，然后将其浸入多巴胺溶液中，在15～45℃水浴，有氧条件下缓慢搅拌浸渍48h，然后用蒸馏水冲洗，烘箱中60℃干燥；(5)、浸渍纤维在空气气氛中预氧化，以1℃/min的升温速率升至130℃～160℃恒温加热2h，然后以1℃/min的升温速率升至250℃～300℃恒温加热1h；(6)、预氧化纤维以5℃/min的升温速率升至800～1000℃，在氮气气氛中炭化1h，即可制得高电导率和高残炭率的炭纤维。该石油基炭纤维具有很高的的电导率，PAN基炭纤维的电导率为2.19S/cm，而所制石油基炭纤维在相应的炭化温度下电导率达33.3S/cm，是PAN基炭纤维的15倍。附图说明图1是本专利技术实施例2制备的原丝纤维的扫描电镜图。图2是本专利技术实施例3制备的炭化产物的扫描电镜图。图3是本专利技术实施例4制备的石油基炭纤维的扫描电镜图。具体实施方式下面将结合具体实施例来详叙本专利技术的技术特点。实施例1将50g重质油、6.5g三聚甲醛和2.5g对甲苯磺酸置于三口烧瓶内，在氮气气氛下，140℃搅拌反应4～5h，直到不能搅拌为止，结束反应，得到富芳烃树脂。富芳烃树脂开始大量失重的温度在260℃左右，炭化至800℃时，残炭值为16.09wt.％。以上述富芳烃树脂为原料，将1.25g纳米二氧化硅添加至50ml甲苯中，超声分散30min，然后将其移入160℃熔融的富芳烃树脂中，反应2h，得到改性富芳烃树脂。改性富芳烃树脂开始大量失重的温度在310℃左右，炭化至800℃时，残炭值为24.5wt.％。以上述改性富芳烃树脂为原料，配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮质量比为8：2的混合溶液，将15wt.％的改性富芳烃树脂缓慢加入并超声分散于混合溶液中，然后在40℃油浴中持续搅拌12h；混合溶液在静电纺丝装置下纺丝，操作条件如下：纺丝电压22kV，推进速度3ml/h，转筒转速300r/min，极距15cm，静电纺丝得到的是液滴，不是纤维。实施例2以实施例1中所得改性富芳烃树脂为原料，配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮质量比为8:2的混合溶液，将15wt.％的改性富芳烃树脂缓慢加入并超声分散于混合溶液中，然后加入4wt.％的聚乙烯吡咯烷酮，在40℃油浴中持续搅拌12h；混合溶液在静电纺丝装置下纺丝，操作条件如下：纺丝电压22kV，推进速度3ml/h，转筒转速300r/min，极距15cm，静电纺丝可以得到形貌较好的原丝纤维，如图1所示。实施例3以实施例2中所得原丝纤维为原料，在空气气氛中于120℃下加热2h，然后直接在空气气氛下以1℃/min的升温速率升至140℃恒温加热2h，然后以1℃/min的升温速率升至280℃恒温加热1h得到预氧化纤维；预氧化纤维以5℃/min的升温速率升至800℃，在氮气气氛中恒温炭化1h，扫描电镜未能观察到炭纤维，如图2所示。实施例4以实施例2中所得原丝纤维为原料，在空气气氛中于120℃下加热2h,然后浸入3mg/ml、pH＝8.5的多巴胺溶液中，在45℃水浴中有氧条件下缓慢搅拌浸渍48h，然后用蒸馏水冲洗，烘箱中60℃干燥；取出干燥的浸渍纤维，在空气气氛下以1℃/min的升温速率升至140℃恒温加热2h，然后以1℃/min的升温速率升至280℃恒温加热1h得到预氧化纤维；预氧化纤维以5℃/min的升温速率升至800℃，在氮气气氛中恒温炭化1h，扫描电镜可以观察到纤维的形貌，如图3所示，制得电导率为2.94S/cm的石油基炭纤维。实施例5以实施例2中所得原丝纤维为原料，在空气气氛于120℃下加热2h,然后浸入3mg/ml、pH＝8.5的多巴胺溶液中，在45℃水浴中有氧条件下缓慢搅拌浸渍48h，然后蒸馏水冲洗，烘箱中60℃干燥；取出干燥的浸渍纤维，在空气气氛下以1℃/min的升温速率升至140℃恒温加热2h，然后以1℃/min的升温速率升至280℃恒温加热1h得到预氧化纤维；预氧化纤维以5℃/min的升温速率升至900℃，在氮气气氛中恒温炭化1h，制得电导率为6.66S/cm的石油基炭纤维。实施例6以实施例2中所得原丝纤维为原料，在空气气氛于120℃下加热2h,然后浸入3mg/ml、pH＝8.5的多巴胺溶液中，在45℃水浴中有氧条件下缓慢搅拌浸渍48h，然后蒸馏水冲洗，烘箱中60℃干燥；取出干燥的浸渍纤维，在空气气氛下以1℃/min的升温速率升至140℃恒温加热2h，然后以1℃/min的升温速率升至280℃恒温加热1h得到预氧化纤维；预本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种富芳烃重质油经静电纺丝制备高性能炭纤维的方法，以富芳烃重质油为原料，经三聚甲醛交联、纳米二氧化硅改性，合成改性富芳烃树脂。改性富芳烃树脂与聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，经静电纺丝制备出原丝纤维，原丝浸渍多巴胺溶液后，经预氧化、炭化制得炭纤维。富芳烃重质油经纳米二氧化硅改性，可以显著提高耐热性和炭化收率；加入聚乙烯吡咯烷酮，可以提升溶液的粘度，以利于静电纺丝；多巴胺在原丝表面自聚合形成高软化点的聚多巴胺膜，能有效解决纤维在预氧化阶段的熔融和粘连问题。其特征在于其制备的步骤和工艺条件如下：(1)、将50g重质油、6.5g三聚甲醛和2.5g对甲苯磺酸置于三口烧瓶内，在氮气气氛下，130～140℃搅拌反应4～5h，直到不能搅拌为止，结束反应，得到富芳烃树脂。将纳米二氧化硅添加至甲苯中，超声分散30min，然后将其移入150～160℃熔融的富芳烃树脂中，反应2h，得到改性富芳烃树脂。其中，纳米二氧化硅与富芳烃树脂的质量比为1:100～8:100；(2)、配制氯仿和N‑甲基吡咯烷酮的混合溶液，并将改性富芳烃树脂缓慢加入并超声分散于混合溶液中，然后加入2～6wt.％的聚乙烯吡咯烷酮，混合溶液在40℃油浴中持续搅拌12h。其中，改性富芳烃树脂的质量分数为10～25wt.％(质量分数是相对于加入聚乙烯吡咯烷酮后的混合溶液而言)；(3)、混合溶液在静电纺丝装置下纺丝，操作条件如下：纺丝电压18～25kV，推进速度1～3ml/h，转筒转速300～450r/min，极距12～20cm；(4)、原丝在空气气氛中于120℃加热1～2h，然后将其浸入多巴胺溶液中，在15～45℃水浴，有氧条件下缓慢搅拌浸渍48h，然后用蒸馏水冲洗，烘箱中60℃干燥；(5)、浸渍纤维在空气气氛中预氧化，以1℃/min的升温速率升至130℃～160℃恒温加热2h，然后以1℃/min的升温速率升至250℃～300℃恒温加热1h；(6)、预氧化纤维以5℃/min的升温速率升至800～1000℃，在氮气气氛中炭化1h，即可制得高电导率和高残炭率的炭纤维。...
【技术特征摘要】
1.一种富芳烃重质油经静电纺丝制备高性能炭纤维的方法，以富芳烃重质油为原料，经三聚甲醛交联、纳米二氧化硅改性，合成改性富芳烃树脂；改性富芳烃树脂与聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，经静电纺丝制备出原丝纤维，原丝浸渍多巴胺溶液后，经预氧化、炭化制得炭纤维；富芳烃重质油经纳米二氧化硅改性，可以显著提高耐热性和炭化收率；加入聚乙烯吡咯烷酮，可以提升溶液的粘度，以利于静电纺丝；多巴胺在原丝表面自聚合形成高软化点的聚多巴胺膜，能有效解决纤维在预氧化阶段的熔融和粘连问题；其特征在于其制备的步骤和工艺条件如下：(1)、将50g重质油、6.5g三聚甲醛和2.5g对甲苯磺酸置于三口烧瓶内，在氮气气氛下，130～140℃搅拌反应4～5h，直到不能搅拌为止，结束反应，得到富芳烃树脂；将纳米二氧化硅添加至甲苯中，超声分散30min，然后将其移入150～160℃熔融的富芳烃树脂中，反应2h，得到改性富芳烃树脂；其中，纳米二氧化硅与富芳烃树脂的质量比为1:100～8:100；(2)、配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮的混合溶液，并将改性富芳烃树脂缓慢加入并超声分散于混合溶液中，然后加入2～6wt.％的聚乙烯吡咯烷酮，混合溶液在40℃油浴中持续搅拌12h；其中，改性富芳烃树脂的质量分数相对于加入聚乙烯吡咯烷...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴明铂，许迎迎，王玉伟，谢辉，郭燕生，李忠涛，吴文婷，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37
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