專利名稱：一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，屬有機碳材料的研究與制取方法的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳元素以單質(zhì)和化合物形態(tài)廣泛存在于地質(zhì)層中，其碳元素材料已被廣泛應用，具有密度小、強度大、耐高溫、防輻射、耐燒蝕等優(yōu)點，碳纖維、金剛石、石墨等都是當今廣泛應用的碳材料。
氣相生長碳纖維的制取方法是以低碳烴化合物為原料，以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，在氫氣或其他含氧氣體中進行熱解，析出碳纖維狀炭素，與有機碳纖維，例如聚丙烯晴碳纖維和瀝青基碳纖維相比，具有生產(chǎn)工藝簡單、原料資源豐富、成本低、性能優(yōu)良等特點。
脫油瀝青是重油梯級分離后得到的重油殘渣，是渣油溶劑脫瀝青過程中的副產(chǎn)物，脫油瀝青具有軟化點高、分子質(zhì)量大、粘度大、殘?zhí)恐蹈哌_35.8-54.6％，是一種富碳的復雜混合物，借助獨特的物理、化學性質(zhì)和制取方法，可獲得高附加值產(chǎn)品，對于深層次的利用脫油瀝青為原料制備氣相生長碳纖維還是一項科研空白。

發(fā)明內(nèi)容
目的本發(fā)明的目的就是針對背景技術(shù)的不足，利用含碳元素豐富的脫油瀝青為原料，用二茂鐵為催化劑，用管式高溫爐、在高溫狀態(tài)下、惰性氣體保護下、采用氣相生長法，直接在管式高溫爐內(nèi)的石英管內(nèi)壁上生長出碳纖維材料、達到充分利用豐富的脫油瀝青資源、制成長徑比大的碳纖維，以簡化碳纖維的制備工藝流程、降低成本、提高纖維精度、純度、長度的目的。
技術(shù)方案本發(fā)明使用的化學物質(zhì)原料為脫油瀝青、二茂鐵、氬氣、鹽酸、蒸餾水，其組合配比是以克、厘米3、毫升為計量單位脫油瀝青CnHmSxNyOz 1.8g±0.018g二茂鐵Fe(C5H5)20.2g±0.002g氬氣Ar 100000cm3±200cm3鹽酸HCl 400ml±5ml蒸餾水H2O 2000ml±10ml本發(fā)明的制取方法如下(1)精選化學物質(zhì)原料對使用的化學物質(zhì)原料要進行精選，并進行純度控制脫油瀝青95％二茂鐵98％氬氣95％鹽酸濃度38％蒸餾水95％(2)研磨、過篩對制備使用的脫油瀝青、二茂鐵要分別進行研磨、過篩，并進行細度控制；將脫油瀝青原料16.0g置于研缽中，用研磨棒進行研磨，然后用100目的篩網(wǎng)進行過篩，反復研磨、反復過篩，留下細粉1.8g±0.018g，其細粉粒徑≤150μm；將二茂鐵2.0g置于研缽中，用研磨棒進行研磨，然后用100目的篩網(wǎng)進行過篩，反復研磨、反復過篩，留下細粉0.2g±0.002g，其細粉粒徑≤150μm。
(3)清洗石英管將管式高溫爐內(nèi)的石英管取出，分別用鹽酸150ml±5ml、蒸餾水1500ml±10ml注入石英管內(nèi)壁，進行清洗，使其保持清潔，不得有雜質(zhì)介入。
(4)清洗石英原料舟將石英原料舟置于超聲波清洗器中，首先注入鹽酸250ml±5ml，進行超聲清洗20min±1min，然后注入蒸餾水500ml±10ml，進行超聲清洗30min±1min，使其保持清潔，不得有雜質(zhì)介入。
(5)干燥石英管和石英原料舟將石英管和石英原料舟分別置于真空干燥箱中，在150℃±5℃的溫度狀態(tài)下，各烘干30min±1min。
(6)原料混合將研磨、過篩后的脫油瀝青1.8g±0.018g、二茂鐵0.2g±0.002g細粉置于石英原料舟中，進行混合，用攪拌器進行攪拌均勻。
(7)氬氣清潔管式高溫爐石英管開啟氬氣瓶向石英管內(nèi)輸入氬氣500cm3±10cm3，驅(qū)除其他有害氣體，使石英管內(nèi)處于氬氣氣氛中。
(8)置放石英原料舟將裝有混合原料粉末的石英原料舟置于管式高溫爐石英管內(nèi)的進口區(qū)，即低溫區(qū)。
(9)輸入保護氣體——氬氣打開氬氣瓶開關(guān)閥和氬氣流量計，向管式高溫爐中連續(xù)不斷的輸入氬氣，輸入速度為150cm3/min。
(10)開啟管式高溫爐、升溫、保溫，碳纖維生長開啟管式高溫爐，并由溫度控制器程序控制溫度；管式高溫爐溫度由常溫20℃±3℃開始升溫，升溫速度15℃/min，升溫時間為65min±5min，在高溫區(qū)1000℃±10℃時，恒溫、保溫30min±1min，高溫區(qū)兩側(cè)為低溫區(qū)，低溫區(qū)溫度為450℃±50℃；推動石英原料舟進入450℃±50℃溫度區(qū)用導軌控制器控制石英管移動，石英原料舟緩慢前進，推進速度為3mm/min；高溫反應，氣相生長碳纖維脫油瀝青、二茂鐵的混合細粉在1000℃±10℃的狀態(tài)下，進行化學、物理反應，脫油瀝青和二茂鐵在高溫狀態(tài)下熱解，首先裂解生成CH4、CO、H2、N2、CO2、H2S氣體和低烴類化合物，形成固態(tài)——液態(tài)——氣態(tài)——液態(tài)——固態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)分子吸附——分解——溶解——擴散——析出——生長形式，使碳纖維產(chǎn)物生長在石英管內(nèi)壁上；生長過程
第一步固態(tài)——液態(tài)脫油瀝青在450℃±50℃的溫度狀態(tài)下首先開始液化；第二步液態(tài)——氣態(tài)液態(tài)脫油瀝青在450℃±50℃的溫度狀態(tài)下熱解產(chǎn)生CH4、CO、H2、N2、CO2、H2S氣體和低烴類化合物，同時二茂鐵升華為氣態(tài)；第三步氣態(tài)——液態(tài)在1000℃的高溫下，氣態(tài)二茂鐵分解的鐵粒子呈液態(tài)，在表面張力作用下成為圓形液滴，處于熱力學穩(wěn)定狀態(tài)；第四步液態(tài)——固態(tài)熱解產(chǎn)生的CH4、CO、低烴類化合物被吸附在催化劑鐵粒子表面，并熱解為碳，成為活性碳原子，熱解碳溶解在催化劑鐵粒子液滴中形成固溶體，碳處于過飽和狀態(tài)時，析出石墨結(jié)構(gòu)碳層，在滲透壓、表面張力和擴散力的作用下，催化劑粒子被托起，使碳層沿長度方向生長，同時，熱解碳在其外壁沉積，直徑增大，生成碳纖維。
(11)產(chǎn)物冷卻關(guān)閉管式高溫爐，停止加溫，在氬氣輸入速度為150cm3/min的情況下隨爐冷卻，至20℃±3℃，冷卻速度2℃/min，冷卻時間為500min。
(12)收集產(chǎn)物關(guān)閉氬氣閥，停止供氬氣，打開管式高溫爐，取出石英管，收集石英管內(nèi)壁上的棉團形碳纖維，即黑色、空心、管狀碳纖維產(chǎn)物，密閉儲存于潔凈、無色透明的玻璃容器中。
(13)檢測、分析、對比對制備的棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維的色澤、形貌、成分、純度、纖維直徑、纖維長度、纖維強度進行分析、檢測、對比；用X射線粉末衍射儀對產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)特征進行檢測、分析；用場發(fā)射掃描電鏡放大1000-100000倍，對產(chǎn)物進行形貌分析；用高分辨電子顯微鏡放大5萬-30萬倍，對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)進行分析。
(14)儲存對制備的棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維置于無色透明的玻璃容器中密閉儲存，儲存溫度20℃±3℃，儲存于干燥、陰涼、潔凈的環(huán)境中，要防火、防曬、防潮、防酸堿侵蝕。
所述的氣相生長碳纖維是在化學、物理形態(tài)轉(zhuǎn)換中進行的，其形態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)——液態(tài)——氣態(tài)——液態(tài)——固態(tài)，以氣態(tài)分子吸附——分解——溶解——擴散——析出——生長的形式生成碳纖維。
所述的管式高溫爐制備碳纖維的高溫區(qū)溫度為1000℃±10℃，升溫速度為15℃/min，恒溫、保溫、產(chǎn)物生長時間為30min±1min，高溫區(qū)兩側(cè)為低溫區(qū)，低溫區(qū)溫度為450℃±50℃。
所述的管式高溫爐在制備碳纖維的全過程中，在惰性氣體——氬氣的保護下進行，氬氣輸入速度為150cm3/min，輸入總量為100000cm3±200cm3。
所述的管式高溫爐為臥式，管式高溫爐1的中間內(nèi)部為石英管3，石英管3的中部為高溫區(qū)13，左部為低溫區(qū)11，右部為低溫區(qū)12，石英管3的下部為道軌4，道軌4的左上部為石英原料舟6，石英原料舟6內(nèi)為混合原料粉末15，道軌4的左外部聯(lián)結(jié)道軌控制器5，石英管3內(nèi)的高溫區(qū)13的內(nèi)壁上為產(chǎn)物區(qū)14，石英管3的左部中間位置聯(lián)結(jié)氬氣管9、氬氣閥8、氬氣瓶7、氬氣流量計16，石英管3的右部中間位置為出氣口10，管式高溫爐1的上部為高溫爐控制器2。
效果本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進性，它是以脫油瀝青、即重油殘渣為原料，以過渡金屬有機化合物二茂鐵為催化劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體，在高溫1000℃±10℃的狀態(tài)下，使化學物質(zhì)原料進行固態(tài)——液態(tài)——氣態(tài)——液態(tài)——固態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)換，在管式高溫爐的石英管內(nèi)壁上氣相沉積生長出棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維產(chǎn)物，其碳纖維直徑為150-200nm，纖維長度≥400μm，具有空心管狀結(jié)構(gòu)，空心管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為100nm-130nm，本制備方法簡單、工藝流程短，原材料來源極為豐富，成本低，碳纖維純度高，碳含量可達98.55％，產(chǎn)物收率高，可達60％，產(chǎn)物物理、化學性能穩(wěn)定，碳纖維強度高、耐高溫，可在多種工業(yè)領(lǐng)域使用，是十分理想的用脫油瀝青制取碳纖維的方法。


圖1為碳纖維制備工藝流程2為管式高溫爐升溫、保溫、冷卻溫度與時間坐標關(guān)系3為氣相生長碳纖維制備原理4為管式高溫爐石英管內(nèi)高低溫分布5為石英管內(nèi)壁產(chǎn)物堆積狀態(tài)6為碳纖維產(chǎn)物場發(fā)射掃描電子顯微鏡放大1000倍交織狀態(tài)7為碳纖維產(chǎn)物場發(fā)射掃描電子顯微鏡放大10000倍交織狀態(tài)8為碳纖維產(chǎn)物場發(fā)射掃描電子顯微鏡放大10萬倍空心管狀結(jié)構(gòu)9為碳纖維產(chǎn)物高分辨電子顯微鏡放大5萬倍空心管狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)10為碳纖維產(chǎn)物高分辨電子顯微鏡放大30萬倍空心管管壁11為碳纖維產(chǎn)物X射線衍射圖譜圖中所示，件號清單如下1.管式高溫爐，2.高溫爐控制器，3.石英管，4.導軌，5.導軌控制器，6.石英原料舟，7.氬氣瓶，8.氬氣閥，9.氬氣管，10.出氣口，11.低溫區(qū)，12.低溫區(qū)，13.高溫區(qū)，14.產(chǎn)物纖維，15.混合原料粉末，16.氬氣流量計實施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明圖1所示，是制備工藝流程圖，各制備參數(shù)要嚴格控制，按序操作。
對制備所需的化學物質(zhì)原料脫油瀝青、二茂鐵、氬氣、清洗劑鹽酸、蒸餾水要嚴格精選，并進行純度、細度控制，不得有雜質(zhì)介入，以防生成副產(chǎn)物。
對所需的化學物質(zhì)要嚴格按配比稱量，不得超出最大最小范圍，以免影響產(chǎn)出率。
惰性保護氣體氬氣要充足，要控制好儲存量和輸送速度，要在制備過程中全程輸送，不得間歇，直至冷卻完畢，氬氣既有保護氣氛，又有清除其他有害氣體的作用。
催化劑二茂鐵是制備碳纖維最關(guān)鍵的化學物質(zhì)，將直接影響碳纖維的制取、氣相生長及產(chǎn)收率，當無二茂鐵時，產(chǎn)物直徑為400-600nm的碳微球，形成不了纖維，在二茂鐵量正常時，可形成直徑120-150nm、長度≥400μm的碳纖維，總之，催化劑二茂鐵的量值將影響產(chǎn)物的形貌、直徑、纖維長度及產(chǎn)收率。
脫油瀝青、二茂鐵要認真進行研磨、過篩，反復進行，篩網(wǎng)為100目，以保證原料的細度。
石英管、石英原料舟要清洗、干燥處理，要保持潔凈，不得有污染。
管式高溫爐內(nèi)的高溫溫度1000℃±10℃要嚴格控制，恒溫、保溫時間是氣相生長、形態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，固態(tài)—液態(tài)—氣態(tài)—液態(tài)—產(chǎn)物固態(tài)的轉(zhuǎn)換都是在此溫度下進行的，要嚴格控制操作。
在制備碳纖維的過程中，由于原料研磨后過篩、高溫化學反應、形態(tài)轉(zhuǎn)換、檢測分析，也會使產(chǎn)物碳纖維的形貌發(fā)生微量變化，但不影響碳纖維的化學、物理性能，不影響其在工業(yè)領(lǐng)域中的應用。
制備碳纖維的化學物質(zhì)配比，是在一個預先設置的數(shù)值范圍內(nèi)確定的，脫油瀝青與二茂鐵的重量比為9∶1，以克、厘米3、毫升為計量單位，在進行工業(yè)化制取時，以千克、米3、升為計量單位，其產(chǎn)物均以納米、微米為單位。
圖2所示，是管式高溫爐升溫、恒溫、冷卻溫度與時間坐標關(guān)系圖，當爐溫從常溫20℃±3℃升溫至1000℃±10℃時，相交于A點，為高溫區(qū)，即A-B區(qū)段，也是制備區(qū)段，溫度從1000℃±10℃時開始降溫冷卻，隨爐冷卻至20℃±3℃，需時間500min，整個升溫、恒溫、保溫、降溫均在氬氣保護下進行。
圖3所示，是管式高溫爐結(jié)構(gòu)原理圖，管式高溫爐為臥式結(jié)構(gòu)，左部為氬氣進氣方向，右部為出氣口10，石英原料舟6在道軌4的左部進入左部低溫區(qū)11，然后進入高溫區(qū)13，產(chǎn)物纖維14在石英管3的高溫區(qū)13內(nèi)氣相沉積生長，控制器2程序控制管式高溫爐溫度，各部位置、方向要正確、適當，石英原料舟6在道軌4上移動由導軌控制器5程序控制，速度要適中，以3mm/min為宜。
圖4所示，是管式高溫爐石英管內(nèi)高低溫分布圖，高溫區(qū)A-B區(qū)段為制備生長碳纖維區(qū)段，A-B區(qū)段兩側(cè)為高溫區(qū)溫度1000℃±10℃輻射形成的低溫區(qū)段，左部為C-D區(qū)段，右部為E-F區(qū)段，低溫區(qū)段溫度為450℃±50℃。
圖5所示，為石英管內(nèi)壁產(chǎn)物附著堆積狀態(tài)圖，產(chǎn)物纖維為黑色棉團狀，呈不規(guī)則堆積。
圖6所示，為碳纖維產(chǎn)物場發(fā)射掃描電子顯微鏡放大1000倍，產(chǎn)物纖維交織狀態(tài)圖，呈不規(guī)則狀交織，標尺單位為10um。
圖7所示，為掃描電鏡放大1萬倍，產(chǎn)物纖維直線排列狀態(tài)圖，標尺單位為1um。
圖8所示，為掃描電鏡放大10萬倍，產(chǎn)物纖維空心管狀形貌圖，標尺單位為100nm。
圖9所示，為高分辨電鏡放大5萬倍，產(chǎn)物纖維空心管狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，標尺單位為200nm。
圖10所示，為高分辨電鏡放大30萬倍，產(chǎn)物纖維管壁圖，標尺單位為10nm。
圖11所示，為碳纖維產(chǎn)物X射線衍射強度、衍射角坐標關(guān)系圖，縱坐標為相對強度指數(shù)，橫坐標為衍射角2θ，其衍射峰對應值C(002)為26.05°角。
實施例1各制取設備、工具、容器處于準工作狀態(tài)；按配比稱取脫油瀝青1.8g±0.018g、二茂鐵0.2g±0.002g；研磨、過篩脫油瀝青、二茂鐵成細粉，篩網(wǎng)為100目，細粉粒徑為≤150um；清洗石英管內(nèi)壁鹽酸150ml±5ml、蒸餾水1500ml±10ml先后分別進行清洗；清洗石英原料舟將石英原料舟，置于超聲波清洗器中，注入鹽酸250m1±5ml，超聲清洗20min±1min；然后注入蒸餾水500ml±10ml，超聲清洗30min±1min；真空干燥箱干燥將石英管和石英原料舟分別置于真空干燥箱中，各烘干30min±1min，溫度為150℃±5℃；原料混合將脫油瀝青、二茂鐵粉末置于清洗、干燥后的石英原料舟中，混合、攪拌均勻；
清潔石英管向石英管內(nèi)輸入氬氣500cm3±10cm3，石英管內(nèi)處于氬氣氣氛中；置放石英原料舟將裝有混合原料細粉的石英原料舟置于管式高溫爐低溫區(qū)；向管式高溫爐輸入氬氣開啟氬氣瓶、氬氣流量計，向爐內(nèi)輸入氬氣，輸入速度150cm3/min，輸入總量為100000cm3±200cm3；開啟管式高溫爐升溫，由常溫20℃±3℃升溫，升溫至高溫區(qū)1000℃±10℃，升溫速度15℃/min，升溫時間為65min±5min，恒溫、保溫30min±1min；推動石英原料舟進入450℃±50℃低溫區(qū)，推進速度為3mm/min；高溫反應，氣相生長碳纖維在1000℃±10℃的狀態(tài)下，熱解脫油瀝青、二茂鐵混合粉末，進行形態(tài)轉(zhuǎn)換，固態(tài)——液態(tài)——氣態(tài)——液態(tài)——固態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)分子吸附——分解——溶解——擴散——析出——生長在石英管高溫區(qū)內(nèi)壁上，氣相沉積生長成碳纖維產(chǎn)物；產(chǎn)物冷卻關(guān)閉管式高溫爐，停止加溫，繼續(xù)輸氬氣，產(chǎn)物隨爐冷卻，冷卻速度2℃/min，冷卻時間500min；收集產(chǎn)物關(guān)閉氬氣閥，停止供氬氣，打開管式高溫爐，取出石英管，收集石英管內(nèi)壁上的碳纖維產(chǎn)物，即棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維產(chǎn)物，從而完成了制備的全過程。
權(quán)利要求
1.一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，其特征在于本發(fā)明使用的化學物質(zhì)原料為脫油瀝青、二茂鐵、氬氣、鹽酸、蒸餾水，其組合配比是以克、厘米3、毫升為計量單位脫油瀝青CnHmSxNyOz 1.8g±0.018g二茂鐵Fe(C5H5)20.2g±0.002g氬氣Ar 100000cm3±200cm3鹽酸HCl 400ml±5ml蒸餾水H2O 2000ml±10ml本發(fā)明的制取方法如下(1)精選化學物質(zhì)原料對使用的化學物質(zhì)原料要進行精選，并進行純度控制脫油瀝青95％二茂鐵98％氬氣95％鹽酸濃度38％蒸餾水95％(2)研磨、過篩對制備使用的脫油瀝青、二茂鐵要分別進行研磨、過篩，并進行細度控制；將脫油瀝青原料16.0g置于研缽中，用研磨棒進行研磨，然后用100目的篩網(wǎng)進行過篩，反復研磨、反復過篩，留下細粉1.8g±0.018g，其細粉粒徑≤150μm；將二茂鐵2.0g置于研缽中，用研磨棒進行研磨，然后用100目的篩網(wǎng)進行過篩，反復研磨、反復過篩，留下細粉0.2g±0.002g，其細粉粒徑≤150μm；(3)清洗石英管將管式高溫爐內(nèi)的石英管取出，分別用鹽酸150ml±5ml、蒸餾水1500ml±10ml注入石英管內(nèi)壁，進行清洗，使其保持清潔，不得有雜質(zhì)介入；(4)清洗石英原料舟將石英原料舟置于超聲波清洗器中，首先注入鹽酸250ml±5ml，進行超聲清洗20min±1min，然后注入蒸餾水500ml±10ml，進行超聲清洗30min±1min，使其保持清潔，不得有雜質(zhì)介入；(5)干燥石英管和石英原料舟將石英管和石英原料舟分別置于真空干燥箱中，在150℃±5℃的溫度狀態(tài)下，各烘干30min±1min；(6)原料混合將研磨、過篩后的脫油瀝青1.8g±0.018g、二茂鐵0.2g±0.002g細粉置于石英原料舟中，進行混合，用攪拌器進行攪拌均勻；(7)氬氣清潔管式高溫爐石英管開啟氬氣瓶向石英管內(nèi)輸入氬氣500cm3±10cm3，驅(qū)除其他有害氣體，使石英管內(nèi)處于氬氣氣氛中；(8)置放石英原料舟將裝有混合原料粉末的石英原料舟置于管式高溫爐石英管內(nèi)的進口區(qū)，即低溫區(qū)；(9)輸入保護氣體——氬氣打開氬氣瓶開關(guān)閥和氬氣流量計，向管式高溫爐中連續(xù)不斷的輸入氬氣，輸入速度為150cm3/min；(10)開啟管式高溫爐、升溫、保溫，碳纖維生長開啟管式高溫爐，并由溫度控制器程序控制溫度；管式高溫爐溫度由常溫20℃±3℃開始升溫，升溫速度15℃/min，升溫時間為65min±5min，在高溫區(qū)1000℃±10℃時，恒溫、保溫30min±1min，高溫區(qū)兩側(cè)為低溫區(qū)，低溫區(qū)溫度為450℃±50℃；推動石英原料舟進入450℃±50℃溫度區(qū)用導軌控制器控制石英管移動，石英原料舟緩慢前進，推進速度為3mm/min；高溫反應，氣相生長碳纖維脫油瀝青、二茂鐵的混合細粉在1000℃±10℃的狀態(tài)下，進行化學、物理反應，脫油瀝青和二茂鐵在高溫狀態(tài)下熱解，首先裂解生成CH4、CO、H2、N2、CO2、H2S氣體和低烴類化合物，形成固態(tài)——液態(tài)——氣態(tài)——液態(tài)——固態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)分子吸附——分解——溶解——擴散——析出——生長形式，使碳纖維產(chǎn)物生長在石英管內(nèi)壁上；生長過程第一步固態(tài)——液態(tài)脫油瀝青在450℃±50℃的溫度狀態(tài)下首先開始液化；第二步液態(tài)——氣態(tài)液態(tài)脫油瀝青在450℃±50℃的溫度狀態(tài)下熱解產(chǎn)生CH4、CO、H2、N2、CO2、H2S氣體和低烴類化合物，同時二茂鐵升華為氣態(tài)；第三步氣態(tài)——液態(tài)在1000℃的高溫下，氣態(tài)二茂鐵分解的鐵粒子呈液態(tài)，在表面張力作用下成為圓形液滴，處于熱力學穩(wěn)定狀態(tài)；第四步液態(tài)——固態(tài)熱解產(chǎn)生的CH4、CO、低烴類化合物被吸附在催化劑鐵粒子表面，并熱解為碳，成為活性碳原子，熱解碳溶解在催化劑鐵粒子液滴中形成固溶體，碳處于過飽和狀態(tài)時，析出石墨結(jié)構(gòu)碳層，在滲透壓、表面張力和擴散力的作用下，催化劑粒子被托起，使碳層沿長度方向生長，同時，熱解碳在其外壁沉積，直徑增大，生成碳纖維；(11)產(chǎn)物冷卻關(guān)閉管式高溫爐，停止加溫，在氬氣輸入速度為150cm3/min的情況下隨爐冷卻，至20℃±3℃，冷卻速度2℃/min，冷卻時間為500min；(12)收集產(chǎn)物關(guān)閉氬氣閥，停止供氬氣，打開管式高溫爐，取出石英管，收集石英管內(nèi)壁上的棉團形碳纖維，即黑色、空心、管狀碳纖維產(chǎn)物，密閉儲存于潔凈、無色透明的玻璃容器中；(13)檢測、分析、對比對制備的棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維的色澤、形貌、成分、純度、纖維直徑、纖維長度、纖維強度進行分析、檢測、對比；用X射線粉末衍射儀對產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)特征進行檢測、分析；用場發(fā)射掃描電鏡放大1000-100000倍，對產(chǎn)物進行形貌分析；用高分辨電子顯微鏡放大5萬-30萬倍，對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)進行分析；(14)儲存對制備的棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維置于無色透明的玻璃容器中密閉儲存，儲存溫度20℃±3℃，儲存于干燥、陰涼、潔凈的環(huán)境中，要防火、防曬、防潮、防酸堿侵蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，其特征在于所述的管式高溫爐制備碳纖維的高溫區(qū)溫度為1000℃±10℃，升溫速度為15℃/min，恒溫、保溫、產(chǎn)物生長時間為30min±1min，高溫區(qū)兩側(cè)為低溫區(qū)，低溫區(qū)溫度為450℃±50℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，其特征在于所述的氣相生長碳纖維是在化學、物理形態(tài)轉(zhuǎn)換中進行的，其形態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)——液態(tài)——氣態(tài)——液態(tài)——固態(tài)，以氣態(tài)分子吸附分解——溶解——擴散——析出——生長的形式生成碳纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，其特征在于所述的管式高溫爐在制備碳纖維的全過程中，在惰性氣體——氬氣的保護下進行，氬氣輸入速度為150cm3/min，輸入總量為100000cm3±200cm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，其特征在于所述的管式高溫爐為臥式，管式高溫爐(1)的中間內(nèi)部為石英管(3)，石英管(3)的中部為高溫區(qū)(13)，左部為低溫區(qū)(11)，右部為低溫區(qū)(12)，石英管(3)的下部為道軌(4)，道軌(4)的左上部為石英原料舟(6)，石英原料舟(6)內(nèi)為混合原料粉末(15)，道軌(4)的左外部聯(lián)結(jié)道軌控制器(5)，石英管(3)內(nèi)的高溫區(qū)(13)的內(nèi)壁上為產(chǎn)物區(qū)(14)，石英管(3)的左部中間位置聯(lián)結(jié)氬氣管(9)、氬氣閥(8)、氬氣瓶(7)、氬氣流量計(16)，石英管(3)的右部中間位置為出氣口(10)，管式高溫爐(1)的上部為高溫爐控制器(2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用脫油瀝青為原料制備碳纖維的方法，它是以脫油瀝青，即重油殘渣為原料，以過渡金屬二茂鐵為催化劑，以惰性氣體－氬氣為保護氣體，在管式高溫爐內(nèi)，在1000℃±10℃的高溫狀態(tài)下，使化學物質(zhì)原料由固態(tài)－液態(tài)－氣態(tài)－液態(tài)－固態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)換，在管式高溫爐的石英管內(nèi)壁上氣相沉積生成棉團形、黑色、空心、管狀碳纖維產(chǎn)物，其纖維直徑為150－200nm，纖維長度≥400μm，具有空心管狀結(jié)構(gòu)，制備方法簡單、工藝流程短，材料來源極為豐富，成本低，碳纖維強度高，碳含量可達98.55％，產(chǎn)物產(chǎn)收率高，可達60％，產(chǎn)物物理、化學性能穩(wěn)定，碳纖維強度好，耐高溫，可在多種工業(yè)領(lǐng)域使用，是十分理想的用脫油瀝青制取碳纖維材料的方法。
文檔編號D01F9/145GK1807716SQ20061001239
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月5日
發(fā)明者許并社, 楊永珍, 劉旭光 申請人:太原理工大學