一种电解氧化法制备煤沥青基碳纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种电解氧化法制备煤沥青基碳纤维的方法，属于碳纤维制备技术领域。本发明专利技术利用研磨后的煤渣粉为原料，高压反应后得沥青液经纺丝装置制备出沥青纤维，通过电解氧化后炭化，从而得到电解氧化法制备煤沥青基碳纤维的方法。实例证明，本发明专利技术操作过程中无任何二次污染，不仅利用煤渣粉末为原料代替了化工成品沥青，节约了成本，简化工艺，而且制成的碳纤维产率高，纤维强度大，有利于碳纤维在复合材料中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了，属于碳纤维制备

技术介绍
沥青基碳纤维是一种以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特种纤维，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7?9倍，抗拉弹性模量为230?430GPa亦高于钢，其具有高强度、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，是航空航天工业中不可缺少的工程材料，另在交通、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，这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。沥青基碳纤维主要有两种类型:一种是通用沥青基碳纤维，也被成为各向同性沥青基碳纤维，另一种是中间沥青基碳纤维，也被成为各向异性沥青碳纤维。目前，沥青基碳纤维的处理方法主要有液相氧化法和气相氧化法。( 1)液相氧化方法是用硝酸、硫酸、高锰酸钾等氧化性液体，对沥青纤维进行预氧化处理，采用液相氧化时，处理溶液、温度、时间等方面存在许多问题，例如在挥发性酸中处理时，设备的材质、调整处理液的pH值、处理后脱酸等都很复杂，但是该方法的设备昂贵成本高，操作困难，且污染大，对于环境破坏严重； (2)气相氧化方法是使用臭氧进行氧化处理，是在70°C处理1-3小时，然后再在空气中加热至260°C;卤素也能促进高聚物的交联，也可在沥青纤维的预氧化处理中使用，例如:将沥青纤维与氯或溴蒸汽在60-80°C下反应4-30分钟，然后在加热空气中脱氯化氢后，就可直接在氮气中进行碳化处理，制得碳纤维。除用卤素外，还可以用胺类、HCI或ΗΝ0等进行预氧化处理后再碳化，但是该方法工艺复杂，操作繁琐，得到的碳纤维产率低，纤维脆性比较大，不利于碳纤维在复合材料中的应用。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题:针对目前传统沥青基碳纤维在制备的过程中，液相氧化方法工艺复杂污染大，操作困难，设备昂贵成本高，而另外的气相氧化法虽可以得到碳纤维材料，但仍然存在碳纤维产率低，纤维脆性大，不利于碳纤维在复合材料中应用的弊端，提供了以一种利用研磨后的煤渣粉为原料，高压反应后得沥青液经纺丝装置制备出沥青纤维，通过电解氧化后炭化，从而得到电解氧化法制备煤沥青基碳纤维的方法。本专利技术操作过程中无任何二次污染，不仅利用煤渣粉末为原料代替了化工成品沥青，节约了成本，简化工艺，而且制成的碳纤维产率高，纤维强度大，有利于碳纤维在复合材料中的应用，电化学氧化法代替了传统的液相和气相氧化法，更加绿色环保。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是: (1)将2?3kg煤渣放入石英研钵中研磨成粉并过200?300目标准筛，取500?600g过筛后的煤粉溶于1?2L浓度为0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均匀后将其倒入高压釜中，以10?20mL/min的速率向里通入氮气，直至排尽高压釜内的空气； (2)排尽空气后，将釜内温度升至200?400°C并加压至3?5MPa，高温高压反应1?2h，开釜排气，再加入釜内底料等质量的甲苯，用搅拌棒搅拌均匀形成悬浮液，密闭高压釜继续通入氢气直至罐内压力达到10?13MPa，升温至300?400°C反应6?8h后放气出料，得到煤沥青液； (3 )将上述煤沥青液放入高压静电喷丝装置贮液槽中，启动高压静电发生器，将煤沥青液用输液栗挤出再由喷丝口喷出，喷出的煤沥青液射流被固化形成纳米纤维，以无序状排列在收集板上，得到沥青纤维； (4)取一个2L的饮料瓶，用剪刀剪去瓶口锥形部分，在瓶壁四周均匀扎出10?20个小孔，用过滤纱布将瓶壁裹住并固定，向瓶中插入一根铜条作为阴极，加入制得的沥青纤维，将塑料瓶放入陶瓷罐中，向罐中加入1?2L质量浓度为5%的硫酸溶液，以铂电极为阳极，接入晶体管直流电源，电解2?3天后，放入布氏漏斗抽滤得电解氧化后的沥青纤维； (5)将氧化后的沥青纤维立即放入炭化炉中，先以5°C/min的速率程序升温至400?500°C，在氮气的保护下预炭化20?30min，再以10°C /min的速率升温至1000?1200°C，完全炭化30?60min后即得一种电解氧化法制备得到的煤沥青基碳纤维。所述的纺丝射流固化方法是以硫酸和硫酸钠按质量比为7:2配成的水溶液作为凝固浴，将煤沥青液射流固化。本专利技术的应用方法是:使用时，按固液比为1: 10?3: 10，将本专利技术制得的煤沥青基碳纤维和管道专用水性涂料搅拌均匀，之后均匀涂抹于管道内壁，涂抹厚度为0.1?0.15cm，待全部涂抹结束，自然晾干即可，可以有效提高管道的防腐性，增强管道的耐磨性，具有较大的经济效益和社会效益。本专利技术的有益效果是: (1)本专利技术工艺简单易行，利用煤渣粉末为原料代替了化工成品沥青，节约了成本，对环境也没有任何污染； (2)本专利技术制成的碳纤维产率高，纤维强度大，有利于碳纤维在复合材料中的应用，实现了产业化。【具体实施方式】首先将2?3kg煤渣放入石英研钵中研磨成粉并过200?300目标准筛，取500?600g过筛后的煤粉溶于1?2L浓度为0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均匀后将其倒入高压釜中，以10?20mL/min的速率向里通入氮气，直至排尽高压釜内的空气；然后排尽空气后，将釜内温度升至200?400°C并加压至3?5MPa，高温高压反应1?2h，开釜排气，再加入釜内底料等质量的甲苯，用搅拌棒搅拌均匀形成悬浮液，密闭高压釜继续通入氢气直至罐内压力达到10?13MPa，升温至300?400°C反应6?8h后放气出料，得到煤沥青液；随后将上述煤沥青液放入高压静电喷丝装置贮液槽中，启动高压静电发生器，将煤沥青液用输液栗挤出再由喷丝口喷出，喷出的煤沥青液射流被固化形成纳米纤维，以无序状排列在收集板上，得到沥青纤维；接下来取一个2L的饮料瓶，用剪刀剪去瓶口锥形部分，在瓶壁四周均匀扎出10?20个小孔，用过滤纱布将瓶壁裹住并固定，向瓶中插入一根铜条作为阴极，加入制得的沥青纤维，将塑料瓶放入陶瓷罐中，向罐中加入1?2L质量浓度为5%的硫酸溶液，以铂电极为阳极，接入晶体管直流电源，电解2?3天后，放入布氏漏斗抽滤得电解氧化后的沥青纤维；最后将氧化后的沥青纤维立即放入炭化炉中，先以5°C /min的速率程序升温至400?500°C，在氮气的保护下预炭化20?30min，再以10°C /min的速率升温至1000?1200°C，完全炭化30?60min后即得一种电解氧化法制备得到的煤沥青基碳纤维。其中所述的纺丝射流固化方法是以硫酸和硫酸钠按质量比为7:2配成的水溶液作为凝固浴，将煤沥青液射流固化。实例1 首先将2kg煤渣放入石英研钵中研磨成粉并过200目标准筛，取500g过筛后的煤粉溶于1L浓度为0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均匀后将其倒入高压釜中，以10mL/min的速率向里通入氮气，直至排尽高压釜内的空气；然后排尽空气后，将釜内温度升至200°C并加压至3MPa，高温高压反应lh，开釜排气，再加入釜内底料等质量的甲苯，用搅拌棒搅拌均匀形成悬浮液，密闭高压釜继续通入氢气直至罐内压力达到lOMPa，升温至300°C反应6h后放气出料，当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电解氧化法制备煤沥青基碳纤维的方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）将2～3kg煤渣放入石英研钵中研磨成粉并过200～300目标准筛，取500～600g过筛后的煤粉溶于1～2L浓度为0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均匀后将其倒入高压釜中，以10～20mL/min的速率向里通入氮气，直至排尽高压釜内的空气；（2）排尽空气后，将釜内温度升至200～400℃并加压至3～5MPa，高温高压反应1～2h，开釜排气，再加入釜内底料等质量的甲苯，用搅拌棒搅拌均匀形成悬浮液，密闭高压釜继续通入氢气直至罐内压力达到10～13MPa，升温至300～400℃反应6～8h后放气出料，得到煤沥青液；（3）将上述煤沥青液放入高压静电喷丝装置贮液槽中，启动高压静电发生器，将煤沥青液用输液泵挤出再由喷丝口喷出，喷出的煤沥青液射流被固化形成纳米纤维，以无序状排列在收集板上，得到沥青纤维；（4）取一个2L的饮料瓶，用剪刀剪去瓶口锥形部分，在瓶壁四周均匀扎出10～20个小孔，用过滤纱布将瓶壁裹住并固定，向瓶中插入一根铜条作为阴极，加入制得的沥青纤维，将塑料瓶放入陶瓷罐中，向罐中加入1～2L质量浓度为5%的硫酸溶液，以铂电极为阳极，接入晶体管直流电源，电解2～3天后，放入布氏漏斗抽滤得电解氧化后的沥青纤维；（5）将氧化后的沥青纤维立即放入炭化炉中，先以5℃/min的速率程序升温至400～500℃，在氮气的保护下预炭化20～30min，再以10℃/min的速率升温至1000～1200℃，完全炭化30～60min后即得一种电解氧化法制备得到的煤沥青基碳纤维。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高玉梅，林大伟，张帆，
申请(专利权)人：常州亚环环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32