一种高强高导热高模量沥青基碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高导热高模量沥青基碳纤维及其制备方法，属于碳纤维制备技术领域。技术方案包括步骤：1)以中间相沥青为原料，经熔融纺丝制备得到纤维直径为10μm～30μm的沥青基原丝；2)将步骤1)制得的沥青基原丝卷绕收丝后，依次经过主动放丝、热辊干燥处理、不熔化处理、三级炭化处理、预石墨化处理、石墨化处理、上浆干燥及最终卷绕收丝，制备得到高强高导热高模量沥青基碳纤维。本发明专利技术通过对热辊干燥的引入、不熔化工艺的升级优化、炭化工艺的重新分级、预石墨化的引入，从而降低了石墨化终温，在制备相同导热的沥青基石墨纤维时，本方法所需石墨化温度更低，极大的延长了石墨发热体的寿命，实现了高导热沥青基石墨纤维的产业化。

High strength, high thermal conductivity and high modulus pitch based carbon fiber and preparation method thereof

The invention discloses a high strength, high thermal conductivity and high modulus pitch based carbon fiber and a preparation method thereof, belonging to the technical field of carbon fiber preparation. The technical scheme includes steps: 1) using mesophase bitumen as raw material, the asphalt based raw silk with fiber diameter of 10 m to 30 u m by melt spinning, and 2) step 1), after winding and collecting the bitumen base wire, through active filming, hot roll drying, non melting treatment, three carbonization treatment, pre graphitization treatment, The high strength, high thermal conductivity and high modulus pitch based carbon fibers were prepared by graphitization, drying and final winding. The invention reduces the final graphitization temperature through the introduction of hot roller drying, the upgrading of the melting process, the reclassification of the carbonization process and the introduction of pre graphitization, and the lower graphitization temperature of this method is needed in the preparation of the same thermal conductive pitch based ink fibers, which greatly prolongs the life of the Shi Mofa thermal body. The industrialization of high thermal conductivity pitch based graphite fiber has been realized.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导热高模量沥青基碳纤维及其制备方法
本专利技术属于碳纤维制备
，具体涉及一种高强高导热高模量沥青基碳纤维及其制备方法。
技术介绍
沥青基碳纤维是一种以石油沥青、煤沥青、萘为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、炭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，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。但是，在实际生产过程中，为了制备出较高模量及导热的石墨纤维，需要通过提升石墨化的温度来提升纤维的导热，但随着石墨化温度的升高，石墨发热体的寿命急剧缩短，限制了高导热石墨纤维产业化的实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强高导热高模量沥青基碳纤维及其制备方法，该制备方法操作简单，可控性强，延长了石墨发热体的使用寿命，从而实现高导热沥青基石墨纤维的产业化。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，包括以下步骤：1)以中间相沥青为原料，经熔融纺丝制备得到纤维直径为10μm～30μm的沥青基原丝；2)将步骤1)制得的沥青基原丝卷绕收丝后，依次经过主动放丝、热辊干燥处理、不熔化处理、三级炭化处理、预石墨化处理、石墨化处理、上浆干燥及最终卷绕收丝，制备得到高强高导热高模量沥青基碳纤维。优选地，从主动放丝操作到最终卷绕收丝过程中，设备运行流水线的整线运行速率为0.15m/min～1m/min。优选地，所述热辊干燥(干燥辊数量2～4个)处理是在150℃～220℃下，处理500s～900s。优选地，所述不熔化处理是在温度为240℃～350℃、牵伸为0.1％～2％、压缩空气流量为0.1m3/h～10m3/h的条件下进行，处理时间为700s～2000s。优选地，三级碳化处理具体是指将经不熔化处理后的纤维依次经过低温碳化处理、中温碳化处理及高温碳化处理；其中，低温碳化处理和中温碳化处理过程中设置5个温区；高温碳化处理过程中设置4个温区。进一步优选地，低温碳化处理是在氮气气氛下，于400℃～700℃、牵伸-1％～-2％的条件下，处理200s～500s；中温碳化处理是在氮气气氛下，于800℃～1200℃、牵伸-1％～-2％的条件下，处理200s～500s；高温碳化处理是在氮气气氛下，于1200℃～1800℃、牵伸0.5％～1.5％的条件下，处理200s～400s。进一步优选地，所述预石墨化处理是在氩气气氛下，于2100℃～2300℃、牵伸0.5％～1％的条件下，处理100s～200s。进一步优选地，所述石墨化处理温度是在氩气气氛下，于2600℃～2800℃、牵伸1％～1.5％的条件下，处理100s～200s。优选地，所述上浆干燥采用环氧树脂基上浆剂进行上浆处理，纤维上浆率控制在1.0％～3.0％；干燥是在150℃～200℃下进行。本专利技术还公开了采用上述的制备方法制得的高强高导热高模量沥青基碳纤维，该高强高导热高模量沥青基碳纤维的拉伸强度在3300MPa以上、模量在800GPa以上、导热在500W/m*K以上、体密度在2.17g/cm3以上。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，以中间相沥青为原料，通过熔融纺丝法制备纤维直径为10μm～30μm的沥青基原丝，然后将沥青基原丝卷绕收丝后，依次经过主动放丝、热辊干燥处理、不熔化处理、三级炭化处理、预石墨化处理、石墨化处理、上浆干燥及卷绕收丝，制备得到高强高导热高模量沥青基碳纤维。首先，热辊干燥处理的引入，使纤维在经过热辊的过程中，纤维得到充分干燥，然后在不熔化处理过程更利于氧的渗入，使氧化更充分，氧在径向方向分布更加均匀。其次，三级炭化处理的引入，使纤维的炭化处理时间更长，纤维的取向度得到了保持，避免的剧烈反应对纤维的结构造成损伤，有利于纤维力学性能的提升，同时使纤维更加致密，有利于纤维体密度的增加。再次，预石墨化的引入，可以对纤维施加更大的牵伸，有利于提升纤维的致密化程度，从而导致纤维力学、导热和体密度的提升，再经过高温石墨化处理，纤维石墨化度更高，致密性更高，有利于纤维强度、模量导热的提升。本专利技术方法操作简单，整线运行流畅，可控性强。进一步地，三级碳化处理具体是指将经不熔化处理后的纤维依次经过低温碳化处理、中温碳化处理及高温碳化处理；其中，低温碳化处理和中温碳化处理过程中设置5个温区；高温碳化处理过程中设置4个温区。这种温区划分方式更合理，相邻温区的温差更小，炭化段升温斜率更小。进一步地，预石墨化的引入，可以保证纤维在2100℃～2300℃完成缩合脱氮反应，孔隙率Vp达到最高值，拉曼谱线的R值在2200℃左右出现拐点说明石墨层面的有序堆叠程度开始逐步改善。本专利技术在制备相同导热洗率纤维时，石墨化温度降低的100℃～150℃，以目前现有技术中导热率为500W/m*K的石墨纤维为例，其国内石墨化温度应该在2700℃±50℃，但按照本专利技术的制备方法进行生产，其石墨化温度在2500℃±50℃。同时将石墨发热体的使用寿命延长了2倍以上。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术公开的高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，基本工艺流程为：原丝纺制—卷绕收丝—主动放丝—热辊干燥—不熔化处理—低温炭化处理—中温炭化处理—高温炭化处理—预石墨化处理—石墨化处理—上浆处理—干燥—卷绕收丝。以1K沥青基原丝为例，具体工艺步骤如下：步骤1：以中间相沥青为原料，经过熔融纺丝制备出1K沥青基原丝，纤维直径在10μm～30μm。具体原丝的制备方法可参考申请号为201410307876.0，公开号为CN104047066A公开的内容。步骤2：将步骤1)制得的沥青基原丝卷绕收丝后，依次经过主动放丝、热辊干燥处理、不熔化处理、三级炭化处理、预石墨化处理、石墨化处理、上浆干燥及最终卷绕收丝，制备出1K高强高导热高模量沥青基碳纤维，整线运行速率0.15m/min～1m/min。2.1、热辊干燥处理(干燥辊数量2～4个)，干燥温度150℃～220℃，时间控制在500s～900s。2.2、不熔化处理，处理温度240℃～350℃、牵伸0.1％～2％、压缩空气流量0.1m3/h～10m3/h，纤维在炉内停留时间控制在700s～2000s。2.3、低温炭化处理，5个温区、处理温度400℃～700℃、牵伸-1％～-2％，氮气保护，纤维在炉内停留时间控制在200s～500s。2.4、中温炭化处理，5个温区、处理温度800℃～1200℃、牵伸-1％～-2％，氮气保护，纤维在炉内停留时间控制在200s～500s。2.5、高温炭化处理，4个温区、处理温度1200℃～1800℃、牵伸0.5％～1.5％，氮气保护，纤维在炉内停留时间控制在200s～400s。2.6、预石墨化处理，处理温度2100℃～2300℃、牵伸0.5％～1％，氩气保护，纤维在炉内停留时间100s～200s。2.7、石墨化处理，处理温度为2600℃～2800℃、牵伸1％～1.5％，氩气保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以中间相沥青为原料，经熔融纺丝制备得到纤维直径为10μm～30μm的沥青基原丝；2)将步骤1)制得的沥青基原丝卷绕收丝后，依次经过主动放丝、热辊干燥处理、不熔化处理、三级炭化处理、预石墨化处理、石墨化处理、上浆干燥及最终卷绕收丝，制备得到高强高导热高模量沥青基碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以中间相沥青为原料，经熔融纺丝制备得到纤维直径为10μm～30μm的沥青基原丝；2)将步骤1)制得的沥青基原丝卷绕收丝后，依次经过主动放丝、热辊干燥处理、不熔化处理、三级炭化处理、预石墨化处理、石墨化处理、上浆干燥及最终卷绕收丝，制备得到高强高导热高模量沥青基碳纤维。2.根据权利要求1所述的高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于，从主动放丝操作到最终卷绕收丝过程中，设备运行流水线的整线运行速率为0.15m/min～1m/min。3.根据权利要求1所述的高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于，所述热辊干燥处理是在150℃～220℃下，处理500s～900s。4.根据权利要求1所述的高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于，所述不熔化处理是在温度为240℃～350℃、牵伸为0.1％～2％、压缩空气流量为0.1m3/h～10m3/h的条件下进行，处理时间为700s～2000s。5.根据权利要求1所述的高强高导热高模量沥青基碳纤维的制备方法，其特征在于，三级碳化处理具体是指将经不熔化处理后的纤维依次经过低温碳化处理、中温碳化处理及高温碳化处理；其中，低温碳化处理和中温碳化处理过程中设置5个温区；高温碳化处理过程中设置4个温区。6.根据权利要求5所述的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：康延涛，杨阳峰，赵娟，
申请(专利权)人：西安天运新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61