沥青碳纤维和垫制造技术

中间相沥青经喷嘴进行所述的离心纺丝，通过稳定化和有石墨化或没有石墨化的碳化处理得到具有层状微观结构的碳纤维。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
由沥青进行纤维的离心纺丝在本
中是已知的可以参考几种用的方法、设备的类型及沥青的种类。在某些情况下，采用先有技术将会产生粗径纤维或力学性能较差的纤维。其余的情况将会导致产量低或导致具有非确定微观结构的纤维。本专利技术的目的是在高产量下生产具有确定微观结构的细旦沥青碳纤维，这种沥青碳纤维特别适于作为聚合物基复合材料中的增强材料，以及用于提高复合材料的导热和导电性。附图说明图1是用于制备本专利技术产品的纺丝和铺层设备的示意图。图2是图1所示纺丝转筒的剖面图，取包括驱动轴轴心剖面。图3是用以进行沥青纤维纺丝的另一个实施方案的转筒喷嘴的放大视图。图4是观测本专利技术产品的纤维截面而得到的清晰纤维截面的扫描电子显微照片。此图是由实施例1的产品得到的。图5是根据本专利技术生产的自粘合垫的扫描电子显微照片，这种自粘合垫与实施例1所生产的相类似。图6a到图6c是本专利技术产品的有代表性的纤维断面的扫描电子显微照片，它们由实施例3获得。本专利技术提供了一种由中间相沥青离心纺成的碳纤维随机排列的垫，所述纤维的横截面宽度大多数小于12微米，其截面显示出由薄层组成的层状微观结构，该薄层以等斜关系排布并且通常沿平行于截面轴向的方向排列，该薄层可延伸到纤维截面的边缘。构成垫的纤维可相互粘结。本专利技术还涉及这种纤维和垫的制备方法以及用这种纤维、垫或其碎片增强的复合材料的制备方法。根据本专利技术，可用一种经济的方式由中间相沥青离心纺丝制成具有均匀层状微观结构的细旦碳纤维。一般地讲，碳纤维的截面宽度约小于12微米，通常为约2～12微米。这种纤维的实际旦数取决于其密度及实际纤维的尺寸，在高石墨结构(密度＞2.0g/cc)的情况下，在数值上大于1.0旦/单丝(dpf)。纤维的宽度是可变的，并可在已知放大倍数的扫描电子显微照片上测定。纤维长度也是可变的，并且其长度最好大于约10毫米。该纤维可以有“丝头”，即其端部直径或宽度大于纤维的其它部分或“平均”直径或宽度。由于“丝头”不会增加大多数终应用的价值，所以最好将这些“丝头”减少到最低程度。测量纤维尺寸、特别是测量宽度时，“丝头”应忽略不计。纺丝力、纺丝温度、沥青的性质、纺丝设备以及骤冷条件都会影响“丝头”的尺寸和形状。“中间相沥青”是指或是由石油或是由煤焦油得到的碳质沥青，其中间相含量至少约为40%，这可用光学应用的偏光显微镜检测法测定。中间相沥青在本
中是众所周知的，并且特别在美国专利4，005，183(Singer)和美国专利4，208，267(Diefendorf和Riggs)进行了介绍。由各向同性沥青离心纺丝制成的纤维通常不存在确定的微观结构、不易稳定化，并且其力学性能常常较差。相反，当以5000倍或更高的放大倍数观察本专利技术纤维断面时，本专利技术纤维的断面显示出很容易观察到的清晰的层状或分层的微观结构，特别是该纤维经高于约2000℃的温度处理后。该薄层通常沿平行截面轴(通常为长轴)的方向排列，并且延伸到截面的边缘。据信这种微观结构是高度结构有序和完善的证明，并且进一步这种高度有序的结构提高了这种纤维的导热和导电性能。制备本专利技术产品所用的方法基本上为，在大于重力200倍(即大于“200g′s”)的离心力作用下，使中间相沥青于高温通过喷嘴进行离心纺丝。初生纤维通常以垫的形式收集，纤维在垫中随机排列，垫的面密度为15到600克/平方米(“g/m2”)。为了避免在接续的氧化稳定步骤中产生热斑”，面密度最好不要超过600g/m2。据信使用中间相沥青是关键。同时也认为，为了使熔融沥青的剪切取向的平面膜延伸流动，沥青在没有周围的限制下，例如经过喷嘴，纺丝也是重要的。沥青通过限制或成形的喷丝孔(如孔)而进行的常规离心纺丝通常使吐出量受到限制，产生较粗的纤维，并且当使用高中间相沥青时，常常由于堵塞而限制了纺丝连续性。这种纺丝也不会产生层状的纤维微观结构。例如，使用中间相沥青，用常规的离心纺丝方法(GB2，095，222A)纺丝会产生“无规镶嵌”的微观结构。上述术语“喷嘴”是指当熔融的沥青离开纺丝设备时，一种没有限制、约束或用其它方法使熔融沥青成形的刀口或开口。为了生产细旦纤维，中间相沥青经过喷嘴的离心纺丝需在较高的纺丝温度和离心力下进行。已经发现，实用的离心力至少应为200g′s，最好大于1000g′s，可高达15，000g′s。如果在纺丝过程中离心力或温度过低，则只能产生颗粒而不是纤维。沥青的性质和纺丝设备的具体结构决定最佳纺丝条件。纺丝所采用的转筒温度至少应比沥青熔点高100℃。已经发现，实用的纺丝温度至少应为375℃，最好在450～525℃的范围内。由于温度过高会导致形成焦炭，应避免之。具有约为100%中间相含量的沥青一般比低中间相含量的沥青的纺丝温度要高。通常，纺丝温度超过沥青熔点的程度决定沥青的熔体粘度。本专利技术的纤维利于以垫的形式制备。本专利技术打算最终用于增强材料所生产的垫，其面密度应介于15～600g/m2。为了制造这种垫，将沥青纤维离心纺丝进入收集区，然后最好直接送到移动的多孔输送带上。纤维在垫中随机排列，即没有一定的样式。可用沥青在输送带上的沉积速度(沥青吐出率)或者最好调节输送带的速度、或者采用其它收集装置改变垫的密度或基重。在纺丝和以垫的形式收集纤维后，初生纤维的垫要进行稳定化处理。令人惊奇的是，进行这个步骤的速度要比常规所纺的沥青碳纤维所需的速度快得多。本专利技术允许使用较低的稳定化温度和较短的稳定化时间。如果需要，可采用诸如更高温度的稳定化条件，使垫内初生纤维在其接触或交叉点产生自粘合。通常在250～380℃的温度下于空气中，通过加热足以能达到后期予碳化而不熔化的一段时间进行稳定化处理。垫中纤维保持彼此分离而后可分开的情况取决于稳定化温度。在较高的稳定化温度下，将发生自粘合。采用横向限制装置有助于自粘合，例如把垫放于筛网之间，施加最小的压力以抵消收缩力。由自粘合而生成的均匀三维纤维网，碳化后可产生适用于渗透的结构。自粘合垫可破碎成纤维状碎片(直线形纤维和“X”、“Y”形等异形粘合的碎片的混合物)，并可用作增强材料。适当稳定化处理的垫可便于后加工。例如，为防止分层，可对垫叠层和针刺，然后按常规方法加工。稳定化处理后，该纤维或垫在800～1500℃、最好是800～1000℃的温度下于惰性气体(氮气、氩气等)中，进行脱挥发份或“予碳化”处理。这个步骤是以控制的方法除去纤维在稳定化过程中所吸收的氧气。脱挥发份的垫可用微波辐射碳化。通常，根据公认的技术方法将该纤维或垫碳化或碳化和石墨化，例如，在大约1600～3000℃的温度下，使纤维在惰性气体中持续至少1分钟。这就是前面所指的显示层状结构的碳化或碳化和石墨化的纤维。该垫可用已知方法进行表面处理，以增强最终使用的复合材料中的纤维与基质的粘合性。该垫中的纤维可使用粘合剂相互粘合，而且这种粘合的垫可以叠层并又可相互粘合。如果需要，这种纤维或垫可与其它纤维(如玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等)或其垫混合，以提供“混合物”垫、混合层状制品等。参见图1，固体沥青由进料装置2加入(计量)纺丝转筒1，在所示的一个实施方案中，进料装置2是一螺杆进料器。纺丝转筒1固定在驱动轴3上，而驱动装置4使驱动轴3高速旋转。加热装置5环绕在纺丝转筒1上，在该实施方案中，加热装置5是一电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维随机排列的垫，所述纤维截面宽度多数低于１２微米，并且其断面存在着由薄层构成的层状微观结构，该薄层以等斜关系排布并且通常沿平行于纤维截面的轴向排列，该薄层延伸到纤维截面的边缘。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特盖伊帕里什，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]