【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤焦油分质利用，涉及一种利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法。
技术介绍
1、中间相沥青基碳纤维(mpcf)是以中间相沥青为原料制备的一种碳纤维材料，因其具备优异的导热性与热稳定性而被认为是最有潜力的材料之一，目前已广泛应用于航天、航空、运动器材、高档民品等领域。mpcf的制备主要包括中间相沥青经熔融纺丝、炭化和石墨化，但是实际制备中要获得性能卓越的碳纤维难度较大，这是因为：首先，中间相沥青原料的性能与碳纤维良好的热导性能密不可分，尤其是中间相沥青原料的微晶结构和光学结构极大的影响碳纤维的性能；其次，中间相沥青具有分子平面性强、软化点高、黏度大等特点造成纺丝不稳定，且熔融纺丝过程中沥青小分子挥发逸出引起纤维缺陷产生，严重影响产品的力学性能。
2、专利cn115369520b将两种原料沥青按照一定的比例混合，通过高温聚合反应得到一种各向同性母体含有中间相大球的可纺中间相沥青，沥青经过熔融纺丝，得到连续沥青纤维，进一步熔化和高温碳化得到沥青基碳纤维。专利cn116446075a以中间相含量≥98％的可纺中间相沥青为原料，采用带有y型纺丝孔的喷丝板进行熔融纺丝，然后对其进行预氧化、碳化和石墨化处理得到了具有圆型截面结构的高导热中间相沥青基碳纤维；专利cn112812801a将富芳烃油掺杂生物质作为原料，置于高压釜中加入共炭化剂进行共炭化反应得到中间相沥青，依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化、石墨化，制得中间相沥青基碳纤维；专利cn110205709a采用磷掺杂碳烯量子点对中间相沥青进行修饰，在280-350℃混
3、上述方法均能制备得到中间相沥青基碳纤维，但是制备中存在纺丝不稳定、不均一等缺陷，使得最终获得的碳纤维存在拉伸强度、拉伸模量等力学特性较差，导热系数较低的问题，无法满足高端应用市场的要求。
技术实现思路
1、基于上述现有技术存在纺丝不稳定、不均一等缺陷，使得最终获得的碳纤维性能差的技术问题，本专利技术提供一种利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法。
2、本专利技术通过加氢缩聚工艺合成光学性能优异、微晶结构紧密的中间相沥青；再与聚丙烯腈、复合添加剂共溶于二甲基亚砜溶剂中形成溶胶；所得溶胶依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化及石墨化，得到横断截面更加致密、力学性能优异、导电性能较高的中间相沥青基碳纤维。
3、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
4、一种利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，包括以下步骤：
5、1)加氢缩聚
6、在氮气氛围下，以中低温煤沥青为原料，采用缩聚反应和加氢反应交替进行，获得中间相沥青；
7、所述缩聚反应的条件为：温度430℃～470℃、缩聚压力1.5mpa～2.5mpa、时间1.5h～2.5h；所述加氢反应的条件为：温度360℃～400℃、加氢压力6mpa～10mpa、时间30min～60min；
8、2)中间相沥青纯化
9、利用吡啶不溶物对步骤1)的中间相沥青进行纯化，得到可纺中间相沥青；所述中间相沥青与吡啶不溶物的质量比为1:1.5～2.5；
10、3)可纺溶胶的制备
11、将聚丙烯腈、复合添加剂以及步骤2)的可纺中间相沥青均溶解于二甲基亚砜溶剂中得到可纺溶胶；按照可纺溶胶的质量计算各个物料的质量分数为：中间相沥青20％～30％、聚丙烯腈2％～8％、复合添加剂0.1％～0.9％，其余均为二甲基亚砜溶剂；
12、4)制备中间相沥青基碳纤维
13、将步骤3)的可纺溶胶依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化及石墨化，制得中间相沥青基碳纤维。
14、进一步限定，步骤1)所述的加氢反应中还加入供氢剂，所述供氢剂为环烷烃，供氢剂的添加量占中低温煤沥青的4wt％～8wt％。
15、进一步限定，步骤1)中交替次数至少为两次。
16、进一步限定，所述步骤2)的纯化过程依次为：混合、搅拌、静置、分离、干燥。
17、进一步限定，所述搅拌温度为60℃～85℃，搅拌时间为0.5h～1.5h，静置时间为2h～4h。
18、进一步限定，所述步骤2)中，可纺中间相沥青为各项异性中间相沥青，所述可纺中间相沥青的h/c为0.87～0.97、软化点为240℃～280℃、晶体层间距为0.3773～0.3778，光学结构指数oti为50.64～62.83。
19、进一步限定，所述步骤3)中，溶解温度为50℃～60℃，溶解时间为12h～24h。
20、进一步限定，所述步骤3)中，所述复合添加剂为碳纳米管、石墨烯和过渡金属碳化物的一种或多种。
21、进一步限定，所述步骤4)中，中间相沥青基碳纤维收丝长度最大为1000m，直径为22.09μm～27.33μm；所述中间相沥青基碳纤维的拉伸强度最高为5.2gpa，弹性模量最高为345gpa，电阻率最低为0.81μω·m。
22、本专利技术的有益效果是：
23、1、本专利技术利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，依次通过缩聚、加氢交替进行的方式，能获得光学结构好，微晶结构紧密的中间相沥青；再将各项异性(不含各项同性的)的可纺中间相沥青、聚丙烯腈、复合添加剂与溶剂形成可纺溶胶，最终通过纺丝、炭化和石墨化得到中间相基碳纤维，克服了纺丝不稳定、不均一的问题，得到的碳纤维产品横断截面更加致密、力学性能更好。
24、2、相比于直接热缩聚，本专利技术在缩聚、加氢中，供氢体环烷烃缩聚产生氢自由基，氢转移反应饱和体系中产生的大量自由基，降低体系反应速率与粘度；另一方面，带入的芳烃脱氢缩合形成更多的多环芳烃类物质，为中间相的形成提供更为丰富的碳骨架结构，有利于中间相分子层的重排；进一步通过纯化，得到可纺中间相沥青的h/c为0.87～0.97、软化点为240～280℃、晶体层间距为0.3773～0.3778，光学结构指数oti为50.64～62.83，中间相沥青的微晶结构和光学结构好，有利于提升碳纤维的性能。
25、3、本专利技术中，中间相沥青分子平面性强、软化点高、黏度大，采用可纺溶胶纺丝可以降低黏度，并保持良好的流动性，增加纺丝的稳定性；此外，在可纺溶胶体系中加入适量聚丙烯腈，与中间相分子形成氢键相互作用力更强烈，经炭化和石墨化后，小尺寸颗粒堆积更紧凑，纤维断面更致密，由此获得的碳纤维具有更高的力学性能。
26、4、本专利技术在可纺溶胶体系中加入了复合添加剂，其中，碳纳米管为一维导电材料，具有较大的长径比，有利于提高碳纤维的力学性能；石墨烯、mxene具有二维网络结构，通过相互搭接形成导电网络从而提高碳纤维的导电性能；多种添加剂同时使用时存在协同效应，且在很小的用量下就能赋予碳纤维优异的导电性能。
27、5、本专利技术方法制备的中间相沥青基碳纤维的拉伸强度最高为5.2gpa，弹性模量最高为345本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，步骤1)所述的加氢反应中还加入供氢剂，所述供氢剂为环烷烃，供氢剂的添加量占中低温煤沥青的4wt％～8wt％。
3.根据权利要求2所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，步骤1)中交替次数至少为两次。
4.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤2)的纯化过程依次为：混合、搅拌、静置、分离、干燥。
5.根据权利要求4所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述搅拌温度为60℃～85℃，搅拌时间为0.5h～1.5h，静置时间为2h～4h。
6.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤2)中，可纺中间相沥青为各项异性中间相沥青，所述可纺中间相沥青的H/C为0.87～0.97、软化点为240℃～280℃、晶体层间距为0.3773～0.3778，光学结构指数OTI为5
7.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤3)中，溶解温度为50℃～60℃，溶解时间为12h～24h。
8.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述复合添加剂为碳纳米管、石墨烯和过渡金属碳化物的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤4)中，中间相沥青基碳纤维收丝长度最大为1000m，直径为22.09μm～27.33μm；所述中间相沥青基碳纤维的拉伸强度最高为5.2GPa，弹性模量最高为345GPa，电阻率最低为0.81μΩ·m。
...【技术特征摘要】
1.一种利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，步骤1)所述的加氢反应中还加入供氢剂，所述供氢剂为环烷烃，供氢剂的添加量占中低温煤沥青的4wt％～8wt％。
3.根据权利要求2所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，步骤1)中交替次数至少为两次。
4.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤2)的纯化过程依次为：混合、搅拌、静置、分离、干燥。
5.根据权利要求4所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述搅拌温度为60℃～85℃，搅拌时间为0.5h～1.5h，静置时间为2h～4h。
6.根据权利要求1所述的利用煤沥青制备中间相沥青基碳纤维的方法，其特征在于，所述步骤2)中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：高生辉，李冬，田亚飞，崔楼伟，马明明，刘姣姣，刘强，何婷，问京京，金喆，杜凡，刘涛，
申请(专利权)人：陕西榆能集团能源化工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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