[发明专利]制备中间相沥青基条形碳纤维的喷丝板与方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种中间相沥青基条形碳纤维的制备方法。属于沥青基碳纤维的纺丝和制备技术。

背景技术

根据原料来源不同，目前用作复合材料增强纤维的碳纤维主要有聚丙烯腈基（即PAN基）碳纤维和中间相沥青基碳纤维两种。与PAN基碳纤维相比，中间相沥青基碳纤维具有原料成本低、碳化收率高的优点。但是，沥青在熔融纺丝时，由于黏度大，纺丝条件苛刻，形成纤维的直径粗，并且中间相沥青分子在纺丝时容易取向排布，在纤维横截面上形成呈现辐射状结构。这样当沥青纤维进行不熔化处理和碳化处理时，纤维内部的气体不易逸出，产生较大的内应力，容易形成“气孔”、“劈裂”等缺陷，严重影响沥青基碳纤维的力学性能。

为减少沥青基碳纤维形成的轴向劈裂等缺陷，一方面可以通过控制纺丝工艺条件来影响沥青纤维中的分子排布，最终影响碳纤维的微观结构和性能；另一方面是通过改变喷丝板的结构，即利用具有非圆形喷丝孔的喷丝板来熔融纺制异形沥青纤维，改变中间相分子排布方式和纤维的微观结构，增大纤维比表面积使碳化气体容易从纤维内部逸出等，能减少碳纤维缺陷，提高碳纤维的力学性能。

在纺织工业上，常采用具有条形喷丝孔的喷丝板来纺制条形纤维。这种喷丝板结构简单，便于在一块喷丝板上同时打制多个单孔，能用于纺制条形纤维丝束。

与其它纺丝所用聚合物相比，中间相沥青熔融纺丝时，纺丝温度高，沥青熔体冷却固化快，可纺温度区间小，纺丝速度慢，因而得到的沥青纤维较粗。因此，需要根据沥青原料的特点来设计条形喷丝板的尺寸和优化纺丝条件。

通过条形喷丝板纺制出的沥青纤维，经过不熔化处理和碳化处理后，能制得条形碳纤维。这种条形结构使碳纤维在横截面上宽度变小，比表面积增加。在不熔化处理和碳化处理时，由于纤维内部的气体容易逸出，降低纤维内部的应力集中，因此能减少缺陷的形成，提高碳纤维的力学性能。同时，条形碳纤维的比表面积大，有利于改善其用于复合材料时的增强效果。

发明内容

本发明是提供具有一种制备中间相沥青基条形碳纤维的喷丝板与方法。所述的喷丝板结构简单、适用。所述的方法过程简单，制得的中间相沥青基条形碳纤维性能优良，有效消除了沥青基圆形碳纤维容易出现的“劈裂”等缺陷。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种制备中间相沥青基条形碳纤维的喷丝板，所述的喷丝板是连接在纺丝装置中的纺丝料筒下端的部件，它由锥孔收集段，锥孔收集段之下连接直孔导流段，直孔导流段下端连接成型喷丝孔构成，其特征在于，成型喷丝孔为条形喷丝孔，条形喷丝孔横截面长度为600~900μm，横截面宽度为100~150μm，长宽比为4~9：1，喷丝孔的上下长度（即高度）为600~900 μm。

采用上述结构的喷丝板制备中间相沥青基条形碳纤维的方法，其特征在于包括以下过程：

1）将石油催裂化渣油和乙烯焦油分别过滤，除去催化剂颗粒和固体杂质，按照石油催裂化渣油和乙烯焦油的重量比为80：20进行混合，在压力为20~30 kPa和温度为260~290℃条件下，蒸馏20~60 min，去除部分轻组分，把得到的重组分加入反应釜中，以升温速率为1~3 ℃/min升温到360~390 ℃，恒温进行共缩聚3~6 h，得到共缩聚沥青，然后将共缩聚沥青在压力为20~30 kPa和温度为360~390℃条件下蒸馏20~60 min，除去部分轻组分，得到软化点为280~310 ℃的中间相沥青，该中间相沥青的光学各向异性区域为95~99%；

2）将步骤1）制得的中间相沥青粉碎，通过80~120目筛子后，装入纺丝料筒中，通入纯度为99.999%的氮气置换纺丝料筒中的空气，并加温至330~350 ℃，恒温30 min后，以压力为0.5~0.7 MPa的氮气挤压纺丝料筒中熔融的沥青，使得沥青由喷丝板的条形喷丝孔挤出，让沥青细流在下方转动的卷丝筒牵伸下细化并缠绕其上，形成条形沥青纤维，纺丝速度5.8~7.0 m/s，得到条形沥青纤维的横截面长为30~40 μm，宽为8~14 μm。

3）将步骤2）得到的条形沥青纤维，首先在管式炉中进行不熔化处理：在空气气氛中，以升温速度为2~5 ℃/min，升温到300~320 ℃，恒温60~100 min；然后在向管式炉中通入99.999%氮气保护下，以升温速度为8~10℃/min，升温至900~1100 ℃后，恒温碳化处理10~30 min，得到沥青基条形碳纤维，其横截面长28~38μm，宽为7~12 μm。