[发明专利]利用煤炭直接液化残渣基沥青烯类物质制备无纺布的方法

说明书

一种利用煤炭直接液化残渣基沥青烯类物质制备纳米碳纤维无纺布的方法是将煤炭直接液化残渣用正己烷和四氢呋喃依次萃取得沥青基烯类物质，并溶于四氢呋喃溶剂中，助纺剂溶于N‑N‑二甲基甲酰胺溶液中，两者溶液混合常温下静电纺丝，得初生纤维无纺布，再经预氧化、碳化得纳米碳纤维无纺布。本发明具有扩大了煤炭直接液化残渣的高附加值应用，简化原材料的制备工艺。所得碳纤维为纳米碳纤维，且具有一定的自支撑性的优点。

技术领域

本发明涉及一种利用煤炭直接液化残渣基沥青烯类物质制备纳米碳纤维无纺布的方法。

背景技术

煤炭是我国的基础能源，占一次能源生产和消费总量的70％。随着我国经济的高速发展，煤炭、石油等传统化石能源的生产和消费严重损害了生态环境，高效清洁地开发利用煤炭资源，加快煤炭产业的低碳发展和煤炭资源综合利用，对于我国煤炭工业的发展尤为重要。煤炭液化技术是实现煤炭资源清洁高效利用的有效途径之一，但煤炭直接液化在获得液体燃料的同时，还产生占原煤总量约30％的主要副产物---液化残渣(CLR)。高效合理利用煤液化残渣(CLR) 对液化过程的资源利用率和经济性有着不可低估的影响，是完善煤炭直接液化技术的一个重要课题。

CLR典型的组成为：重质油为20％-30％，沥青烯为20％-30％，前沥青烯为 5％-10％，四氢呋喃不溶物(包括未反应的煤和矿物质)为30％-55％，其中未反应的煤约占CLR的30％。沥青烯类物质(包括沥青烯和前沥青烯)的特点为主要由C元素组成，基本结构单元中是以多个芳环组成的稠和芳环为核心，芳环周围连接有若干个长度不一的烷基侧链或者环烷环，芳香度高，碳含量高，容易发生聚合或者交联，适宜作为优质炭材料的前驱体。中国专利CN102153081A 公开了一种以煤直接液化残渣为原料制备活性炭的方法，获得的活性炭产品比表面积高、微孔发达；CN1807715A公开了一种以煤炭直接液化残渣为原料，采用电弧等离子体制备纳米炭纤维材料的方法；CN101693533A公开了一种以煤直接液化残渣为原料，经超临界发泡法或模板法、有机物化学气相沉积法制备纳米碳纤维/泡沫炭复合材料；CN101591819A公开了一种利用煤直接液化残渣制备沥青基碳纤维的方法，将煤直接液化残渣与四氢喹啉在150-400℃、2-50MPa、加氢的条件下搅拌混合，然后以四氢喹啉可溶物直接进行熔融纺丝，再经预氧化、碳化、表面处理等过程得到沥青基碳纤维。CN101591819A中直接以四氢喹啉可溶物进行熔融纺丝，再制备碳纤维。CN102733008 A先将煤直接液化残渣基沥青烯类物质改性制备中间相，再利用中间相制备得到碳纤维。综上所述，目前已有发明仅涉及以煤直接液化残渣出发制备活性炭或者微米级碳纤维，而且微米级碳纤维的制备是首先采用加氢或热缩聚的方法将低软化点的煤炭直接液化残渣基沥青烯类物质转化为高软化点沥青或中间相沥青后，经过熔融纺丝获得微米级碳纤维。

截止目前为止，以煤炭直接液化残渣(CLR)基沥青烯类物质为碳源，通过静电纺丝制备纳米碳纤维无纺布的研究未见有关报道。如果能够用煤炭直接液化残渣(CLR)基沥青烯类物质为碳前驱体，利用静电纺丝结合预氧化、炭化处理的方法，通过制备工艺调控，得到纳米碳纤维无纺布将具有重要理论和现实意义。不仅能够实现煤炭液化过程中废弃物的循环再利用，同时也能够扩大高附加值先进炭素材料产品的原料来源，降低其原料成本，有重要的科学价值和巨大的应用潜力。

发明内容

针对煤炭直接液化残渣目前的利用现状与不足，为了高附加值的利用煤炭直接液化残渣，本发明提供了一种以煤炭直接液化残渣基沥青烯类物质与助纺剂为原料制备纳米碳纤维无纺布的方法。

本发明的方法，包括以下步骤：

(1)将煤炭直接液化残渣研磨成粒径100-300目的粉末，采用正己烷和四氢呋喃依次萃取煤炭直接液化残渣后，获得煤炭液化残渣正己烷不溶物-四氢呋喃可溶物固体，即沥青基烯类物质；

(2)将沥青基烯类物质溶于四氢呋喃溶剂中，助纺剂溶于N-N-二甲基甲酰胺溶液中，两者溶液物理混合搅拌之后获得纺丝原液，常温下静电纺丝，得初生纤维无纺布；