来自芳族原料的各向同性沥青组合物制造技术

各向同性沥青组合物可以通过使包含一种或多种芳族化合物类别的芳族原料与甲醛或多聚甲醛在酸性条件下反应来获得

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】来自芳族原料的各向同性沥青组合物、其制备方法及其用途


[0001]本公开内容涉及由芳族烃原料酸介导
(acid mediated)
生产各向同性沥青
(isotropic pitch)
组合物
、
其制备方法及其用途
。

技术介绍

[0002]碳纤维市场在过去十年中显著增长，这可归因于来自各种各样的工业的需求增加，例如汽车
(
例如，车身部件，例如甲板盖
、
发动机罩
、
前端
、
保险杠
、
门
、
底盘
、
悬挂系统，例如板簧
、
驱动轴
)、
航天
(
例如飞行器和航天系统
)、
高性能水上船只
(
例如游艇和划船壳
)、
飞机
、
运动装备
(
例如高尔夫球杆
、
网球拍
、
滑雪板
、
滑雪板
、
头盔
、
划船或滑水装备
)、
建筑
(
非结构和结构系统
)、
军事
(
例如，飞行无人机
、
装甲
、
军用飞机
)、
风能工业
、
储能应用
、
防火材料
、
碳
‑/>碳复合材料
、
碳纤维，以及用于建筑和道路建筑的许多绝缘和密封材料
(
例如混凝土
)、
涡轮叶片
、
轻质气缸和压力容器
、
离岸系绳和钻井立管
、
医疗
。
碳纤维的非限制性性质使得此类材料适合于高性能应用：高体积模量和拉伸模量
(
取决于碳纤维的形态
)、
高电导率和热导率
、
高比重等
。
然而，碳纤维的高成本限制了其应用和广泛使用，尽管此类材料表现出显著的性质
。
因此，开发低成本技术来生产碳纤维已经成为研究人员和关键制造商的主要挑战
。
[0003]来自沥青前体的具有优异机械性能的高度取向碳纤维已成为石油化学工业中长期存在的目标
。
基于中间相沥青的碳纤维的超高拉伸模量归因于母体中间相沥青中具有平面液晶结构的高度取向芳族分子
。
具有丰富芳族级分的石油副产物通常用于生产中间相沥青
。
然而，这种生产方法通常需要有毒和侵蚀性条件，例如使用超酸
(
例如
HF/BF3或
AlCl3)。
此外，苛刻的酸性条件和难以生产高纯度沥青材料限制了现有方法的广泛应用
。
此外，基于沥青的碳纤维的机械性能取决于前体沥青纤维的取向和均匀性以及沥青本身的纯度
。
[0004]可能决定沥青组合物前体对于预期应用
(
例如中间相沥青生产
、
碳纤维制造等
)
的适用性的因素包括例如软化点
、
分子量
、
小于
0.5
重量％的硫含量
、
中间相含量
>80
％
、
焦化值
(MCR>80
％
)、
小于
10ppm
的无机颗粒含量
、
粘度
、
密度
、
熔点以及受这些参数影响的次要性能因素
。
尽管具有宽范围物理性能的沥青组合物可期望用于各种类型的应用，但目前还没有制备高质量合成各向同性沥青组合物的现成方法，特别是具有调节满足某些应用特异性需求所需的结构和其它物理性能的能力
。

技术实现思路

[0005]本公开内容涉及由芳族烃原料酸介导生产各向同性沥青组合物
、
其制备方法及其用途
。
[0006]本文公开了各向同性沥青组合物，其包含：至少两个单体，其在所述至少两个单体中的每一个之间用至少一个亚甲基桥连接，其中所述至少两个单体中的每一个包含一种或多种芳族类别，所述芳族类别包含一个或多个5元环
、6
元环及其任何组合；和其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
1,500g/mol
的重均分子量
(Mw)、90℃
或更高的软化点
(T
sp
)
和约
18
重量％或更高的微碳渣
(a micro carbon residue,MCR)
，基于所述各向同性沥青组合物的总重量
。
[0007]本文公开了方法，其包括：在乙酸存在下在环境温度将包含一种或多种芳族类别的芳族原料与甲醛或多聚甲醛混合以产生第一混合物；在约
40℃
至约
300℃
的温度加热所述第一混合物；在约
40℃
至约
300℃
的温度将包含硫酸和乙酸的第二混合物混合到所述第一混合物中，以形成包含各向同性沥青组合物的混合物，其中所述各向同性沥青组合物包含：至少两个单体，其在所述至少两个单体中的每一个之间用至少一个亚甲基桥连接，其中所述至少两个单体中的每一个包含一种或多种芳族类别，所述芳族类别包含一个或多个5元环
、6
元环及其任何组合；和其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
1,500g/mol
的重均分子量
(Mw)、90℃
或更高的软化点
(T
sp
)
和约
18
重量％或更高的微碳渣
(MCR)
，基于所述各向同性沥青组合物的总重量
。
[0008]本文公开了方法，其包括：在乙酸存在下在环境温度将包含一种或多种芳族类别的芳族原料与甲醛或多聚甲醛混合以产生第一混合物；在约
40℃
至约
300℃
的温度加热所述第一混合物；在约
40℃
至约
300℃
的温度将包含硫酸和乙酸的第二混合物混合到所述第一混合物中，以形成包含各向同性沥青组合物的混合物，其中所述各向同性沥青组合物包含：至少两个单体，其在所述至少两个单体中的每一个之间用至少一个亚甲基桥连接，其中所述至少两个单体中的每一个包含一种或多种芳族类别，所述芳族类别包含一个或多个5元环
、6
元环及其任何组合；其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
1,500g/mol
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
各向同性沥青组合物，包含：至少两个单体，其在所述至少两个单体中的每一个之间用至少一个亚甲基桥连接，其中所述至少两个单体中的每一个包含一种或多种芳族类别，所述芳族类别包含一个或多个5元环
、6
元环及其任何组合；和其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
1,500g/mol
的重均分子量
(Mw)、90℃
或更高的软化点
(T
sp
)
和约
18
重量％或更高的微碳渣
(MCR)
，基于所述各向同性沥青组合物的总重量
。2.
权利要求1的各向同性沥青组合物，其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
750g/mol
的重均分子量
(Mw)
，和其中所述各向同性沥青组合物包含以下或基本上由以下组成：二聚物
、
三聚物
、
四聚物
、
五聚物及其任何组合
。3.
权利要求1或2的各向同性沥青组合物，其中所述一种或多种芳族类别中的每一种是未取代的芳族化合物和
/
或取代的芳族化合物，其选自1‑
环芳族化合物
(ARC1)、2
‑
环芳族化合物
(ARC2)、3
‑
环芳族化合物
(ARC3)、4
‑
或更多
‑
环芳族化合物
(ARC4)、5
‑
环芳族化合物
(ARC5)、6
‑
环芳族化合物
(ARC6)、7
‑
环芳族化合物
(ARC7)、8
‑
环芳族化合物
(ARC8)、9
‑
环芳族化合物
(ARC9)、10
‑
或更多
‑
环芳族化合物
(ARC10+)
及其任何组合
。4.
权利要求1至3中任一项的各向同性沥青组合物，其中所述取代的芳族化合物选自
C1至
C
20
烃基单取代的芳族化合物
、C1至
C
20
烃基二取代的芳族化合物
、C1至
C
20
烃基三取代的芳族化合物及其任何组合
。5.
权利要求1至4中任一项的各向同性沥青组合物，包含：
0.1
重量％至
100
重量％
ARC1、0.1
重量％至
100
重量％
ARC2、0.1
重量％至
100
重量％
ARC3、0.1
重量％至
100
重量％
ARC4、0.1
重量％至
100
重量％
ARC5、0.1
重量％至
100
重量％
ARC6、0.1
重量％至
100
重量％
ARC7、0.1
重量％至
100
重量％
ARC8、0.1
重量％至
100
重量％
ARC9、0.1
重量％至
100
重量％
ARC10+
，基于所述各向同性沥青组合物的总重量
。6.
权利要求1至4中任一项的各向同性沥青组合物，包含：
0.1
重量％至
100
重量％
ARC1、0.1
重量％至
100
重量％
ARC2、0.1
重量％至
80
重量％
ARC3、0.1
重量％至
50
重量％
ARC4、0.1
重量％至
50
重量％
ARC5、0.1
重量％至
25
重量％
ARC6、0.1
重量％至
25
重量％
ARC7、0
重量％至
10
重量％
ARC8、0
重量％至
10
重量％
ARC9、0
重量％至5重量％
ARC10+
，基于所述各向同性沥青组合物的总重量
。7.
权利要求1至6中任一项的各向同性沥青组合物，其中所述一种或多种芳族类别中的每一种包括部分氢化的芳族环
。8.
权利要求1至7中任一项的各向同性沥青组合物，其中所述一种或多种芳族类别中的每一种选自：苯
、
甲苯
、
二甲苯
(
例如邻二甲苯
、
间二甲苯
、
对二甲苯
)、
萘
、1
‑
甲基萘
、2
‑
甲基萘
、
蒽
、
菲
、
芘
、
苯并芘
、
苉晕苯
、
并四苯
、
并五苯
、
苯并菲
、
心环烯
、
苯并
[j]
荧蒽
、
苯并
[c]
芴
、
苝
、
苯并苝
、
卵苯
、AROMATIC
‑
200
TM
及其任何组合
。9.
权利要求1至8中任一项的各向同性沥青组合物，其中
T
sp
为约
400℃
或更低
。10.
权利要求1至9中任一项的各向同性沥青组合物，其中所述各向同性沥青组合物具有范围为约
50℃
至约
200℃
的玻璃化转变温度
(T
g
)。11.
权利要求1至
10
中任一项的各向同性沥青组合物，其中基于所述各向同性沥青组合
物的总重量，所述各向同性沥青组合物具有约
40
重量％或更少的
MCR。12.
权利要求1至
11
中任一项的各向同性沥青组合物，其中所述各向同性沥青组合物用作生产中间相沥青组合物
、
碳纤维
、
碳纤维复合材料
、
正构烷烃
、
增粘剂的前体
。13.
方法，包括：在乙酸存在下在环境温度将包含一种或多种芳族类别的芳族原料与甲醛或多聚甲醛混合以产生第一混合物；在约
40℃
至约
300℃
的温度加热所述第一混合物；在约
40℃
至约
300℃
的温度将包含硫酸和乙酸的第二混合物混合到所述第一混合物中，以形成包含各向同性沥青组合物的混合物，其中所述各向同性沥青组合物包含：至少两个单体，其在所述至少两个单体中的每一个之间用至少一个亚甲基桥连接，其中所述至少两个单体中的每一个包含一种或多种芳族类别，所述芳族类别包含一个或多个5元环
、6
元环及其任何组合；和其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
1,500g/mol
的重均分子量
(Mw)、90℃
或更高的软化点
(T
sp
)
和约
18
重量％或更高的微碳渣
(MCR)
，基于所述各向同性沥青组合物的总重量
。14.
权利要求
13
的各向同性沥青组合物，其中所述各向同性沥青组合物具有约
300g/mol
至约
750g/mol
的重均分子量
(Mw)
，和其中所述各向同性沥青组合物包含以下或基本上由以下组成：二聚物
、
三聚物
、
四聚物
、
五聚物及其任何组合
。15.
权利要求
13
或
14
的方法，其中所述一种或多种芳族类别中的每一种是未取代的芳族化合物和
/
或取代的芳族化合物，其选自1‑
环芳族化合物
(ARC1)、2
‑
环芳族化合物
(ARC2)、3
‑
环芳族化合物
(ARC3)、4
‑
或更多
‑
环芳族化合物
(ARC4)、5
‑
环芳族化合物
(ARC5)、6
‑
环芳族化合物
(ARC6)、7
‑
环芳族化合物
(ARC7)、8
‑
环芳族化合物
(ARC8)、9
...

【专利技术属性】
技术研发人员：O，
申请(专利权)人：埃克森美孚技术与工程公司，
类型：发明
国别省市：