[发明专利]由熔剂化沥青纺制碳纤维的喷吹纺丝模头及方法

说明书

Ⅰ、本发明的背景与提要

A、本发明的提要

本发明提供一个用于由溶剂化沥青喷吹纺制纤维的方法和装置。按本发明得到的纤维几乎没有纵向和螺旋方向的裂纹。

B、本发明的背景

喷吹纺纤维的一般方法和装置已为大家所熟知。一般，可纺性物质被加热到能使它流动的温度。然后，这一物质一般是在压力下进入到纺丝模头。常用的模头具有一个接受可纺性物质的中央腔室和一个或多个的毛细管或针孔。物质通过中央腔室而进入到纺丝毛细管中并出来后成为纤维。纤维从毛细管出来后与一个变细介质相接触，这一介质通常是气体。变细介质对纤维进行拉伸或延伸使纤维在长度增长的同时直径减小。因为通常用于喷吹纺丝的方法和装置已是熟知。就没有必要在这方面对它再作详细说明。相反地，更为详细的说明已在美国专利3,755,527；4,526,733；和4,818,463中提供，在此结合作参考。

当今，由碳质沥青喷吹纺的纤维在实际应用中并没占统治地位。但是，由于断定它能增加产量，喷吹纺沥青碳纤维有望在重要经济优越性方面超过较为普遍的熔融纺丝法。此外，虽然喷吹纺的碳纤维已经得到证实，但是还没有得知由溶剂化沥青喷吹纺制纤维的技术。

由美国专利5,259,947所公开的内容在此结合作为参考，溶剂化中间相沥青比传统的中间相沥青有很多重要的优点。但是，溶剂化沥青极好的性能在纤维纺丝时还存在有新的问题。明确地，溶剂化中间相沥青有着非常好的物理性能，尤其是溶剂化沥青与非溶剂化沥青相比有很快的固化时间。另外，在高产量和低粘度的纺丝条件下，溶剂化中间相沥青具有非常快的分子响应时间。快速分子响应时间的结果是溶剂化沥青有一个很短的“记忆”时间，也就是如果被分裂或不规则化，沥青分子或石墨片会很快的转回到一个有序状态。

当由溶剂化中间相沥青喷吹纺制纤维时，上述的特性使生产的纤维趋向于有径向横截面组织。为了本公开的目的，垂直于纤维的轴线作它的横截面。这些纤维常常会发展纵向的裂纹而使它们对很多用途变得不理想。通常，这些纤维会增加导热性和导电性而拉伸强度和刚性减小总的机械性能变得较差。

对要求有高的强度，较小的导热性和好的刚性的应用中，最好碳纤维是非径向横截面组织。这些纤维的生产要求在纺丝过程中溶剂化中间相沥青保持为不规则状态。由此，要从溶剂化沥青生产理想的纤维，必须要克服沥青分子的短记忆时间或快速回复到有序状态的自然倾向。为了生产出理想的纤维，本发明对喷吹纺丝模头和由溶剂化沥青喷吹纺制碳纤维的方法作了新的改进提高。C、定义

为了本发明和权利要求的目的，应用了下列的术语和定义：

这里用的“沥青”表示有沥青性能的物质，它是由不同的工业生产过程产生的副产品如天然沥青，石油沥青和在石脑油裂解工业中得到的副产品重油和由煤得到的高含碳量的沥青。

“毛细管”，喷吹纺丝缝隙模头的使可纺性物质如溶剂化沥青形成为纤维的部分。为了本公开的目的，术语“毛细管”还包括术语“针孔”或“纺丝针孔”如通常用于环形喷吹纺丝模头和其它纺丝模头的类型。

“石油沥青”表示由石油馏出物或残留物的催化和热裂解所得到的剩余碳质材料。

“各向同性沥青”表示含有在光学有序液晶中未对齐的分子的沥青。

“中间相沥青”表示含有具有其族结构的、经相互作用结合在一起而形成光学有序液晶的分子的沥青，它根据温度或是液体或是固体。中间相沥青也被称为各向异性的沥青。

“溶剂化沥青”表示一种在沥青中含有5到40重量百分比之间的溶剂的沥青。溶剂化沥青有一个比不含溶剂组分沥青的溶点低的流动温度。一般，流动温度约要低40℃。常用的溶剂化沥青是非牛顿的。

溶剂化沥青的“流动温度”是这样确定的，从超过它的溶点温度以上的一个温度以每分钟1℃对溶剂化沥青进行冷却，在记录到粘度为6000泊时的温度被确定为它的“流动温度”。如果溶剂化沥青的溶点温度能够容易的确定，那么它总是要低于流动温度。

“纤维”表示纤维的长度能够形成为有用的制品。

“沥青纤维”或“沥青碳纤维”是碳化或氧化之前的纺出纤维。

“碳纤维”是经碳化和/或石墨化后的纤维。

Ⅱ、本发明的简要说明

本发明提供一个喷吹纺丝模头特别适合于由熔剂化沥青纺制碳纤维。由这一模头制备的纤维的横截面图表示出组成纤维的石墨片的非径向取向。我们相信非径向对齐的石墨片与具有径向横截面组织的纤维相比时表明出它有一个较高能量的内部分子结构。