[发明专利]一种用脱油沥青为原料制备碳纤维的方法

摘要

本发明涉及一种用脱油沥青为原料制备碳纤维的方法，它是以脱油沥青，即重油残渣为原料，以过渡金属二茂铁为催化剂，以惰性气体－氩气为保护气体，在管式高温炉内，在1000℃±10℃的高温状态下，使化学物质原料由固态－液态－气态－液态－固态形态转换，在管式高温炉的石英管内壁上气相沉积生成棉团形、黑色、空心、管状碳纤维产物，其纤维直径为150－200nm，纤维长度≥400μm，具有空心管状结构，制备方法简单、工艺流程短，材料来源极为丰富，成本低，碳纤维强度高，碳含量可达98.55％，产物产收率高，可达60％，产物物理、化学性能稳定，碳纤维强度好，耐高温，可在多种工业领域使用，是十分理想的用脱油沥青制取碳纤维材料的方法。

主权项

1、一种用脱油沥青为原料制备碳纤维的方法，其特征在于：本发明使用的化学物质原料为脱油沥青、二茂铁、氩气、盐酸、蒸馏水，其组合配比是：以克、厘米3、毫升为计量单位脱油沥青：CnHmSxNyOz 1.8g±0.018g二茂铁：Fe(C5H5)2 0.2g±0.002g 氩气：Ar 100000cm3±200cm3 盐酸：HCl 400ml±5ml蒸馏水：H2O 2000ml±10ml本发明的制取方法如下：(1)精选化学物质原料对使用的化学物质原料要进行精选，并进行纯度控制：脱油沥青：95％二茂铁：98％氩气：95％盐酸：浓度38％蒸馏水：95％(2)研磨、过筛对制备使用的脱油沥青、二茂铁要分别进行研磨、过筛，并进行细度控制；将脱油沥青原料16.0g置于研钵中，用研磨棒进行研磨，然后用100目的筛网进行过筛，反复研磨、反复过筛，留下细粉1.8g±0.018g，其细粉粒径≤150μm；将二茂铁2.0g置于研钵中，用研磨棒进行研磨，然后用100目的筛网进行过筛，反复研磨、反复过筛，留下细粉0.2g±0.002g，其细粉粒径≤150μm；(3)清洗石英管将管式高温炉内的石英管取出，分别用盐酸150ml±5ml、蒸馏水1500ml±10ml注入石英管内壁，进行清洗，使其保持清洁，不得有杂质介入；(4)清洗石英原料舟将石英原料舟置于超声波清洗器中，首先注入盐酸250ml±5ml，进行超声清洗20min±1min，然后注入蒸馏水500ml±10ml，进行超声清洗30min±1min，使其保持清洁，不得有杂质介入；(5)干燥石英管和石英原料舟将石英管和石英原料舟分别置于真空干燥箱中，在150℃±5℃的温度状态下，各烘干30min±1min；(6)原料混合将研磨、过筛后的脱油沥青1.8g±0.018g、二茂铁0.2g±0.002g细粉置于石英原料舟中，进行混合，用搅拌器进行搅拌均匀；(7)氩气清洁管式高温炉石英管开启氩气瓶向石英管内输入氩气500cm3±10cm3，驱除其他有害气体，使石英管内处于氩气气氛中；(8)置放石英原料舟将装有混合原料粉末的石英原料舟置于管式高温炉石英管内的进口区，即低温区；(9)输入保护气体——氩气打开氩气瓶开关阀和氩气流量计，向管式高温炉中连续不断的输入氩气，输入速度为150cm3/min；(10)开启管式高温炉、升温、保温，碳纤维生长开启管式高温炉，并由温度控制器程序控制温度；管式高温炉温度由常温20℃±3℃开始升温，升温速度15℃/min，升温时间为65min±5min，在高温区1000℃±10℃时，恒温、保温30min±1min，高温区两侧为低温区，低温区温度为450℃±50℃；推动石英原料舟进入450℃±50℃温度区：用导轨控制器控制石英管移动，石英原料舟缓慢前进，推进速度为3mm/min；高温反应，气相生长碳纤维：脱油沥青、二茂铁的混合细粉在1000℃±10℃的状态下，进行化学、物理反应，脱油沥青和二茂铁在高温状态下热解，首先裂解生成CH4、CO、H2、N2、CO2、H2S气体和低烃类化合物，形成固态——液态——气态——液态——固态形态转换，以气态分子吸附——分解——溶解——扩散——析出——生长形式，使碳纤维产物生长在石英管内壁上；生长过程：第一步：固态——液态脱油沥青在450℃±50℃的温度状态下首先开始液化；第二步：液态——气态液态脱油沥青在450℃±50℃的温度状态下热解产生CH4、CO、H2、N2、CO2、H2S气体和低烃类化合物，同时二茂铁升华为气态；第三步：气态——液态在1000℃的高温下，气态二茂铁分解的铁粒子呈液态，在表面张力作用下成为圆形液滴，处于热力学稳定状态；第四步：液态——固态热解产生的CH4、CO、低烃类化合物被吸附在催化剂铁粒子表面，并热解为碳，成为活性碳原子，热解碳溶解在催化剂铁粒子液滴中形成固溶体，碳处于过饱和状态时，析出石墨结构碳层，在渗透压、表面张力和扩散力的作用下，催化剂粒子被托起，使碳层沿长度方向生长，同时，热解碳在其外壁沉积，直径增大，生成碳纤维；(11)产物冷却关闭管式高温炉，停止加温，在氩气输入速度为150cm3/min的情况下随炉冷却，至20℃±3℃，冷却速度2℃/min，冷却时间为500min；(12)收集产物关闭氩气阀，停止供氩气，打开管式高温炉，取出石英管，收集石英管内壁上的棉团形碳纤维，即黑色、空心、管状碳纤维产物，密闭储存于洁净、无色透明的玻璃容器中；(13)检测、分析、对比对制备的棉团形、黑色、空心、管状碳纤维的色泽、形貌、成分、纯度、纤维直径、纤维长度、纤维强度进行分析、检测、对比；用X射线粉末衍射仪对产物的晶体结构特征进行检测、分析；用场发射扫描电镜放大1000-100000倍，对产物进行形貌分析；用高分辨电子显微镜放大5万-30万倍，对产物的微观结构进行分析；(14)储存对制备的棉团形、黑色、空心、管状碳纤维置于无色透明的玻璃容器中密闭储存，储存温度20℃±3℃，储存于干燥、阴凉、洁净的环境中，要防火、防晒、防潮、防酸碱侵蚀。