利用金属镓进行碳化的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用金属镓进行碳化的方法，包括以下步骤：采用液体金属镓浸没待碳化的材料，使所述材料与空气隔绝；以及加热，使得材料发生碳化。本发明专利技术的利用金属镓进行碳化的方法，在空气气氛中进行，加之金属镓良好的导热性，能耗损失少；此外，镓在反应结束后可再次回收利用，可大大降低碳化成本。

Carbonization by Gallium Metal

The invention discloses a method for carbonizing with gallium metal, which comprises the following steps: using liquid gallium metal to immerse the material to be carbonized to isolate the material from air; and heating to carbonize the material. The method of using gallium metal to carbonize is carried out in air atmosphere, and gallium metal has good thermal conductivity, which leads to less energy consumption loss. In addition, gallium can be recycled after the reaction, and the cost of carbonization can be greatly reduced.

【技术实现步骤摘要】
利用金属镓进行碳化的方法
本专利技术涉及材料碳化
，具体涉及一种利用金属镓进行碳化的方法。
技术介绍
碳纤维是一种由碳元素构成的特种纤维，其含碳量在90％以上。与其它碳材料相比，它具有独特的性质，如质轻、高模量、高强度、耐高温、稳定性佳和兼备导电导热的优点。正是由于其优异的力学、化学和电学性能，碳纤维材料受到广泛关注。随着碳纤维生产技术的成熟以及多领域(包括航天、航空、汽车、机械和运动器材休闲用品等方面)的需求，碳纤维产业具有广阔的发展前景。目前，国际市场上主要生产的碳纤维种类包括聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和沥青基碳纤维两种，前者是主要的产品。碳纤维的出现与生产始于20世纪中后期，生产过程大致包括预氧化、碳化和石墨化这三个阶段。碳纤维的生产技术尤其是高性能的碳纤维技术主要掌握在美国、日本和德国等这些最早开发碳纤维材料的国家。我国的碳纤维产业发展起步晚，在国家大力支持与帮助下，我国从研制到生产都取得一定的成绩，但目前生产的产品质量与国际高端产品相比仍有很大差距。如今，碳纤维制造流程主要包括生产原丝→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维(石彦平.拉曼研究碳纤维的微观结构与性能[D].上海：东华大学，2010：1-67)。传统的生产流程中，除预氧化过程在空气气氛中进行外，低高温碳化以及石墨化过程均在惰性气氛中进行。21世纪以来，对高品质碳纤维的需求愈加增多，而国内外生产水平相差颇大，世界上PAN基碳纤维生产技术主要掌握在日本(Toray、Toho和MitsubishiRayon等)和美国(Hexcel、Amoco和Zoltek等)等起步较早的国家，我国也已投入大量资金和人力开发研制碳纤维，但生产能力和技术远不及发达国家。现有的生产PAN基碳纤维的过程需要惰性气体气氛，气体消耗大难以循环使用，并且流水线过程中对设备要求较高。另外，碳纤维的成本一直居高不下，要想实现盈利必须降低成本，成本主要包括原材料、人工、燃料、折旧和其他，在这些环节中能降低成本就可以在一定程度上减少碳纤维价格，从而实现盈利。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种利用金属镓进行碳化的方法，该方法在空气气氛中进行，加之金属镓良好的导热性，能耗损失少；此外，镓在反应结束后可再次回收利用，可大大降低碳化成本。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种利用金属镓进行碳化的方法，包括：采用液体金属镓浸没待碳化的材料，使所述材料与空气隔绝的步骤；以及加热，使得材料发生碳化的步骤。本专利技术中，所述待碳化材料可为本领域公开已知的任何可发生碳化反应的材料，优选地为纤维材料，更优选地为PNA原丝。作为优选，加热的温度为400-1100℃。作为优选，保温时间为2-6h；更优选地，保温时间为4-6h。作为优选，还包括碳化结束后，移除镓以回收利用的步骤。本专利技术中，还包括清洗碳化后的材料的步骤。作为优选，采用稀酸和热水洗涤所述碳化后的材料。本专利技术的有益效果：1.本专利技术利用了金属镓低熔点、高沸点的特性，在一定温度下金属镓呈液态，浸没材料后营造了封闭空间，将材料与空气隔绝，从而无需使用惰性气体气氛，生产条件简单；2.金属镓具有良好的导热性能，本专利技术利用金属镓作为导热介质来碳化材料，较之在气体气氛中能耗少，效率高；3.由于镓具有较好的化学稳定性，高温下几乎不与外界物质发生反应，因此碳化后可回收再利用，成本较低；4.本专利技术的碳化方法中，由于材料处于密闭环境中，因此C元素损失少，产率高。附图说明图1是本专利技术的工艺流程图；图2是实施例1-7中碳化后的纤维、PAN原丝与碳纤维样品的扫描电镜(SEM)图；图3是实施例1-7中碳化后的纤维、PAN原丝与碳纤维样品的拉曼光谱图；图4是实施例1-7中碳化后的纤维、PAN原丝与碳纤维样品的XRD图谱；图5是实施例8-14中碳化后的纤维、PAN原丝与碳纤维样品的扫描电镜(SEM)图；图6是实施例8-14中碳化后的纤维、PAN原丝与碳纤维样品的拉曼光谱图；图7是实施例8-14中碳化后的纤维、PAN原丝与碳纤维样品的XRD图谱。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。实施例1-14：利用金属镓碳化PAN原丝取100mgPAN基原丝置于石英管底部，上层覆盖2mL液态金属Ga，置于马弗炉中程序升温，按照表1的参数进行碳化反应。反应结束后移除上层的Ga，取出纤维丝用50℃稀酸和热水洗涤2h后自然晾干。表1实施例1-14中碳化的时间和温度图2为(A)PAN原丝、(B)碳纤维样品(CFsample)和在600℃下反应(C)0.5h、(D)1h、(E)2h、(F)3h、(G)4h、(H)6h和(I)8h的纤维的SEM图。从图中可以看出，反应不同时间后，纤维的形貌仍然保持，未有大的改变。图3是(A)PAN原丝、(B)碳纤维样品和在600℃下反应(C)0.5h、(D)1h、(E)2h、(F)3h、(G)4h、(H)6h和(I)8h的纤维的拉曼数据分析图。从图中可以看出：本专利技术的方法可以碳化PAN原丝纤维，在600℃下反应不同时间后，碳化的程度相差无几，且均低于碳纤维样品。图4是(A)PAN原丝、(B)碳纤维样品和在600℃下反应(C)0.5h、(D)1h、(E)2h、(F)3h、(G)4h、(H)6h和(I)8h的纤维XRD数据分析图。从图中可以看出：本专利技术的方法可以碳化PAN原丝纤维，碳化反应的时间优选为2-6h，更优选为4-6h。表2是PAN原丝、碳纤维样品和在600℃下反应0.5h、1h、2h、3h、4h、6h和8h的纤维的X射线能谱分析(EDS)图。从表中可以看出：1.反应时间在3h以内，材料主要发生了氧化反应，氧含量提升；2.反应4h时，碳化程度最高，镓会夺取部分氧和氮元素；3.随着时间继续延长，材料氧化程度有所提高，造成碳含量略有降低。反应时间优选为4-8h，更优选为4-6h。表2PAN原丝、碳纤维样品与实施例1-7中的纤维的EDS结果图5是(A)PAN原丝、(B)碳纤维样品(CFsample)和在(C)200℃、(D)400℃、(E)500℃、(F)600℃、(G)800℃、(H)1000℃、(I)1100℃下保温4h的纤维SEM图。从图中看出，在不同温度下，纤维的形貌仍然保持，未有大的改变。图6是(A)PAN原丝、(B)碳纤维样品和在(C)200℃、(D)400℃、(E)500℃、(F)600℃、(G)800℃、(H)1000℃、(I)1100℃下保温4h的纤维的拉曼数据分析图。从图中可以得出：1.随着温度的提高，纤维的碳化程度总体上呈提高的趋势；2.在1000℃下纤维的ID/IG小于碳纤维样品，从而得出其碳化程度高。图7是(A)PAN原丝、(B)碳纤维样品和在(C)200℃、(D)400℃、(E)500℃、(F)600℃、(G)800℃、(H)1000℃、(I)1100℃下保温4h的纤维XRD数据分析图。从图中可以得出：本专利技术的方法可以碳化PAN原丝纤维；2.保温温度优选为400-1100℃。表3是PAN原丝、碳纤维样品和200℃、400℃、500℃、600℃、800℃、1000℃、1100℃下保温4h纤维X射线能谱分析(EDS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用金属镓进行碳化的方法，其特征在于，包括以下步骤：采用液体金属镓浸没待碳化的材料，使所述材料与空气隔绝；以及加热，使得材料发生碳化。

【技术特征摘要】
1.一种利用金属镓进行碳化的方法，其特征在于，包括以下步骤：采用液体金属镓浸没待碳化的材料，使所述材料与空气隔绝；以及加热，使得材料发生碳化。2.如权利要求1所述的利用金属镓进行碳化的方法，其特征在于，所述待碳化的材料为聚丙烯腈原丝。3.如权利要求1所述的利用金属镓进行碳化的方法，其特征在于，加热的温度为400-1100℃。4.如权利要求1所述的利用金属镓进行碳化的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾宏伟，刘雅媛，曹雪琴，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32