[发明专利]一种可纺中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺

说明书

本发明提供一种可纺中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺。本工艺选取芳碳率C_A＞40％的富芳烃油掺杂5～30wt％的生物质并混合均匀后作为原料；在惰性气体保护下将原料与0.1～5wt％的Lewis酸性催化剂置于耐腐蚀高压反应釜中进行催化缩聚反应，在反应温度300～450℃、反应压力0.1～10MPa、反应时间4～10h的条件下，制备得到流动性良好并具有50～100％光学各向异性的中间相沥青；将上述中间相沥青依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化、石墨化，制成沥青基碳纤维。本工艺通过加入生物质，保障了适宜的共缩聚反应速率，显著降低了物料的粘度，有效减缓了受热过程的结焦速度，促进了中间相有序化。通过加入催化剂，改善了中间相沥青的结构，使中间相沥青的各向异性含量较高，软化点较低，可纺性良好。

技术领域

本发明涉及一种可纺中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺，属于炭素材料技术领域。

背景技术

能源是人类社会进步的重要保障，对社会和经济发展起着重要的推动作用。当前世界能源消费仍以化石能源为主，然而，据推算石油、天然气、煤炭在未来仅仅可以满足几十年至一百年的生产需求。面对能源危机与环境污染的现状，利用储量巨大的生物质能开发可再生的清洁生物质燃料能够帮助缓解能源危机，推动能源生产和消费革命，是应对全球气候变化的最佳选择。生物质的广义概念是指自然界中一切有生命的可生长的有机物质，包括所有植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产废弃物；狭义概念是指农作物秸秆及农产品加工废弃物，水生植物、禽畜粪便、木材及林业加工剩余物、生活废水和工业有机废水、城市固体废物等。生物质成分复杂，木本生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，草本生物质除了纤维素、半纤维素和木质素之外还有少量的粗蛋白、淀粉和提取物等，不同的生物物质成分比例差别较大，因此能量利用方式也不相同。

中间相沥青是由石油沥青、煤沥青、或芳烃化合物等在一定压力和温度下发生热裂解和热缩聚反应得到的大分子稠环化合物。由于它具有有序度高，易石墨化等优良的性质，可作为中间相沥青基碳纤维、针状焦、C/C复合材料等高级碳材料的优良前驱体。由于中间相的特殊结构，使得这些碳材料具有优良的导热性、导电性以及稳定性等优良的特性。

中间相沥青基碳纤维是以中间相沥青为原料，经过熔融纺丝、预氧化、炭化、石墨化制成的。具有高强度、低热膨胀系数、耐冲击性好、耐高温、耐腐蚀、导热率大等一系列的优点，广泛应用于航空航天等国防工业以及医疗电子等民用领域。

发明内容

本发明提供了一种中间相沥青和沥青基碳纤维的制备工艺。该工艺是由富芳烃油与生物质按照一定比例混合作为原料，加入Lewis酸性催化剂在较高的温度下进行催化缩合反应，合成高品质的中间相沥青并通过后续处理形成沥青基碳纤维。通过加入催化剂，有效的促进了稠环芳烃大分子规整堆叠，从而形成高品质的中间相沥青。

本发明采用以下技术方案：

选取芳碳率C_A40％的富芳烃油，掺杂5～30wt％的生物质并混合均匀后作为原料；将原料置于耐腐蚀高压釜中，在惰性气体保护下以及Lewis酸性催化剂下进行催化缩聚反应，催化剂加入量0.1～5wt％，反应温度300～450℃、反应压力0.1～10MPa、反应时间4～10h，最终得到流动性良好并具有50～100％光学各向异性的中间相沥青；将上述中间相沥青依次进行熔融纺丝、预氧化、炭化、石墨化，制成沥青基碳纤维。

进一步，所述的富芳烃油性质为平均分子量200～500，芳环数2～6，芳碳率＞40％，是以催化油浆、减压馏分油、乙烯焦油、煤焦油中的一种或多种为原料进行预处理得到的。

所述预处理过程为：原料经减压分馏得到大于300℃重馏分段，与糠醛按剂油比1～5混合后以0.5-1m³/h的流速送入超声热过滤耦合萃取系统处理，调节超声波发生器功率为600-900W，混合物料温度为60-90℃，采用孔径为20～200nm的陶瓷膜作为过滤介质；然后将滤液静置沉降和剂油分离，取抽出油引入凝胶渗透色谱柱分离，获得富芳烃油。