一種木屑液化液改性中間相瀝青基碳纖維的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種木屑液化液改性中間相瀝青基碳纖維的制備方法，屬于中間相瀝青基碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明收集廢棄木屑洗凈干燥碾磨后，與濃硫酸、冰醋酸混合水浴加熱，抽濾得濾液，經(jīng)濃縮、離心得木屑液化液，與油系中間相瀝青混合靜置，經(jīng)蒸發(fā)、活化后，在氮氣保護(hù)下，熔融擠出得改性油系中間相瀝青纖維，保溫后，經(jīng)氧化、碳化制得木屑液化液改性中間相瀝青基碳纖維。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明制備步驟簡單，成本低，所得產(chǎn)品流變性好，產(chǎn)率高，脆性小；充分利用廢棄木屑制備中間相瀝青基碳纖維，實現(xiàn)了資源的可持續(xù)循環(huán)利用。
【專利說明】
一種木屑液化液改性中間相瀝青基碳纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維的制備方法，屬于中間相瀝青基碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]中間相瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特種纖維。是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，是航空航天工業(yè)中不可缺少的工程材料，另在交通、機(jī)械、體育娛樂、休閑用品、醫(yī)療衛(wèi)生和土木建筑方面也有廣泛應(yīng)用，這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。目前制備瀝青基碳纖維主要有液相氧化法和氣相氧化法。液相氧化方法是用硝酸、硫酸、高錳酸鉀等氧化性液體，對瀝青纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，采用液相氧化時，處理溶液、溫度、時間等方面存在許多問題，例如在揮發(fā)性酸中處理時，設(shè)備的材質(zhì)、調(diào)整處理液的PH值、處理后脫酸等都很復(fù)雜，但是該方法的設(shè)備昂貴成本高，操作困難，且污染大，對于環(huán)境破壞嚴(yán)重;氣相氧化方法是使用臭氧進(jìn)行氧化處理，是在70°C處理I?3小時，然后再在空氣中加熱至260°C;鹵素也能促進(jìn)高聚物的交聯(lián)，也可在瀝青纖維的預(yù)氧化處理中使用，例如:將瀝青纖維與氯或溴蒸汽在60?80°C下反應(yīng)4?30分鐘，然后在加熱空氣中脫氯化氫后，就可直接在氮氣中進(jìn)行碳化處理，制得碳纖維。除用鹵素外，還可以用胺類、HCI或HNO等進(jìn)行預(yù)氧化處理后再碳化，但是該方法工藝復(fù)雜，操作繁瑣，得到的碳纖維產(chǎn)率低，流變性差，纖維脆性比較大，不利于碳纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題:針對目前方法制備中間相瀝青基碳纖維工藝復(fù)雜，成本高，得到的碳纖維產(chǎn)率低，流變性差，纖維脆性比較大，不利于碳纖維在復(fù)合材料中應(yīng)用的弊端，提供了一種收集廢棄木肩洗凈干燥碾磨后，與濃硫酸、冰醋酸混合水浴加熱，抽濾得濾液，經(jīng)濃縮、離心得木肩液化液，與油系中間相瀝青混合靜置，經(jīng)蒸發(fā)、活化后，在氮氣保護(hù)下，熔融擠出得改性油系中間相瀝青纖維，保溫后，經(jīng)氧化、碳化制得木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維的方法。本發(fā)明制備步驟簡單，成本低，所得產(chǎn)品流變性好，產(chǎn)率高，脆性小，充分利用廢棄木肩制備中間相瀝青基碳纖維實現(xiàn)了資源的可持續(xù)利用。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案是:
(1)收集廢棄木肩，將其洗凈并置于65?80°C下干燥6?8h，碾磨并過65?80目篩，制備得木肩粉末，隨后按重量份數(shù)計，分別稱量25?30份木肩粉末、3?5份質(zhì)量濃度80%硫酸和45?50份冰醋酸置于三口燒瓶中，攪拌混合后置于100?110°C下水浴加熱I?2h;
(2)待水浴加熱完成后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，抽濾并收集濾液，在65?70°C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/3后，再置于1800?2000r/min離心機(jī)中離心分離10?15min，收集上層清液，得木肩液化液；
(3)按質(zhì)量比1:5，將油系中間相瀝青與上述制備的木肩液化液攪拌混合并置于燒杯中，靜置I?2h后，將燒杯置于55?70°C下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干后，繼續(xù)加熱升溫至250?300°C，活化處理10?15min;
(4)待活化完成后，將活化后的中間相瀝青置于紡絲料筒中，對其通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，加熱至300?350°C，保溫熔融25?30min后，對其通氮氣將熔融中間相瀝青從噴絲口擠出，隨后調(diào)節(jié)卷繞筒收絲，制備得改性油系中間相瀝青纖維；
(5)收集改性油系中間相瀝青纖維，將其置于管式爐中，按5°C/min速率程序升溫至150?180°C，待保溫10?15min后，再按l°C/min速率緩慢升溫至300?310°C，保溫氧化處理25?30min，隨后向管式爐中通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，按10°C/min速率程序升溫至750?800°C，保溫碳化I?2h后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，即可制備得一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維。
[0005]本發(fā)明制得的木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維密度為2.05?2.13g/cm3，熱導(dǎo)率為830?880W.m—1.K—S拉伸強(qiáng)度為3.56?4.286?&，拉伸模量為855?9356?&，在-120?140 °C時，熱膨脹系數(shù)為-0.05 X 10—6?0.08 X 10—6。
[0006]本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是:
(1)本發(fā)明制備步驟簡單，成本低，所得產(chǎn)品流變性好，產(chǎn)率高，脆性小；
(2)充分利用廢棄木肩制備中間相瀝青基碳纖維，實現(xiàn)了資源的可持續(xù)循環(huán)利用。
【具體實施方式】
[0007]首先收集廢棄木肩，將其洗凈并置于65?80°C下干燥6?8h，碾磨并過65?80目篩，制備得木肩粉末，隨后按重量份數(shù)計，分別稱量25?30份木肩粉末、3?5份質(zhì)量濃度80%硫酸和45?50份冰醋酸置于三口燒瓶中，攪拌混合后置于100?110°C下水浴加熱I?2h;待水浴加熱完成后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，抽濾并收集濾液，在65?70°C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/3后，再置于1800?20001'/111；[11離心機(jī)中離心分離10?151]1；[11，收集上層清液，得木肩液化液;再按質(zhì)量比1:5，將油系中間相瀝青與上述制備的木肩液化液攪拌混合并置于燒杯中，靜置I?2h后，將燒杯置于55?70°C下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干后，繼續(xù)加熱升溫至250?300°C，活化處理10?15min;然后待活化完成后，將活化后的中間相瀝青置于紡絲料筒中，對其通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，加熱至300?3500C，保溫熔融25?30min后，對其通氮氣將熔融中間相瀝青從噴絲口擠出，隨后調(diào)節(jié)卷繞筒收絲，制備得改性油系中間相瀝青纖維;最后收集改性油系中間相瀝青纖維，將其置于管式爐中，按5°C/min速率程序升溫至150?180°C，待保溫10?15min后，再按l°C/min速率緩慢升溫至300?310°C，保溫氧化處理25?30min，隨后向管式爐中通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，按10°C/min速率程序升溫至750?800°C，保溫碳化I?2h后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，即可制備得一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維。
[0008]實例I
首先收集廢棄木肩，將其洗凈并置于65°C下干燥6h，碾磨并過65目篩，制備得木肩粉末，隨后按重量份數(shù)計，分別稱量25份木肩粉末、3份質(zhì)量濃度80%硫酸和45份冰醋酸置于三口燒瓶中，攪拌混合后置于100 0C下水浴加熱Ih;待水浴加熱完成后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，抽濾并收集濾液，在65°C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/3后，再置于1800r/min離心機(jī)中離心分離1min，收集上層清液，得木肩液化液;再按質(zhì)量比1:5，將油系中間相瀝青與上述制備的木肩液化液攪拌混合并置于燒杯中，靜置Ih后，將燒杯置于55°C下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干后，繼續(xù)加熱升溫至250°C，活化處理1min;然后待活化完成后，將活化后的中間相瀝青置于紡絲料筒中，對其通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，加熱至300°C，保溫熔融25min后，對其通氮氣將熔融中間相瀝青從噴絲口擠出，隨后調(diào)節(jié)卷繞筒收絲，制備得改性油系中間相瀝青纖維;最后收集改性油系中間相瀝青纖維，將其置于管式爐中，按5°C/min速率程序升溫至150°C，待保溫1min后，再按l°C/min速率緩慢升溫至300°C，保溫氧化處理25min，隨后向管式爐中通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，按10°C/min速率程序升溫至750°C，保溫碳化Ih后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，即可制備得一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維。
[0009]制得的木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維密度為2.05g/cm3，熱導(dǎo)率為830W.m一1.K—1，拉伸強(qiáng)度為3.56GPa，拉伸模量為855GPa，在-120°C時，熱膨脹系數(shù)為-0.05X10'
[0010]實例2
首先收集廢棄木肩，將其洗凈并置于72°C下干燥7h，碾磨并過72目篩，制備得木肩粉末，隨后按重量份數(shù)計，分別稱量28份木肩粉末、4份質(zhì)量濃度80%硫酸和48份冰醋酸置于三口燒瓶中，攪拌混合后置于105 0C下水浴加熱2h ；待水浴加熱完成后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，抽濾并收集濾液，在68°C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/3后，再置于1900r/min離心機(jī)中離心分離13min，收集上層清液，得木肩液化液;再按質(zhì)量比1:5，將油系中間相瀝青與上述制備的木肩液化液攪拌混合并置于燒杯中，靜置2h后，將燒杯置于63°C下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干后，繼續(xù)加熱升溫至275°C，活化處理13min;然后待活化完成后，將活化后的中間相瀝青置于紡絲料筒中，對其通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，加熱至325°C，保溫熔融28min后，對其通氮氣將熔融中間相瀝青從噴絲口擠出，隨后調(diào)節(jié)卷繞筒收絲，制備得改性油系中間相瀝青纖維;最后收集改性油系中間相瀝青纖維，將其置于管式爐中，按5°C/min速率程序升溫至165°C，待保溫13min后，再按l°C/min速率緩慢升溫至305°C，保溫氧化處理28min，隨后向管式爐中通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，按10°C/min速率程序升溫至780°C，保溫碳化2h后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，即可制備得一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維。
[0011]制得的木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維密度為2.09g/cm3，熱導(dǎo)率為855W.m一1.K—1，拉伸強(qiáng)度為3.92GPa，拉伸模量為895GPa，在10°C時，熱膨脹系數(shù)為0.02X10'
[0012]實例3
首先收集廢棄木肩，將其洗凈并置80°C下干燥Sh，碾磨并過80目篩，制備得木肩粉末，隨后按重量份數(shù)計，分別稱量30份木肩粉末、5份質(zhì)量濃度80%硫酸和50份冰醋酸置于三口燒瓶中，攪拌混合后置于110°C下水浴加熱2h;待水浴加熱完成后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，抽濾并收集濾液，在70°C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/3后，再置于2000r/min離心機(jī)中離心分離15min，收集上層清液，得木肩液化液;再按質(zhì)量比1:5，將油系中間相瀝青與上述制備的木肩液化液攪拌混合并置于燒杯中，靜置2h后，將燒杯置于70°C下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干后，繼續(xù)加熱升溫至300°C，活化處理15min;然后待活化完成后，將活化后的中間相瀝青置于紡絲料筒中，對其通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，加熱至3500C，保溫熔融30min后，對其通氮氣將熔融中間相瀝青從噴絲口擠出，隨后調(diào)節(jié)卷繞筒收絲，制備得改性油系中間相瀝青纖維;最后收集改性油系中間相瀝青纖維，將其置于管式爐中，按5°C/min速率程序升溫至180°C，待保溫15min后，再按rC/min速率緩慢升溫至310°C，保溫氧化處理30min，隨后向管式爐中通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，按10°C/min速率程序升溫至800°C，保溫碳化2h后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，即可制備得一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維。
[0013]制得的木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維密度為2.13g/cm3，熱導(dǎo)率為880W.m一1.K—1，拉伸強(qiáng)度為4.28GPa，拉伸模量為935GPa，在140 °C時，熱膨脹系數(shù)為0.08X10—、
【主權(quán)項】
1.一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維的制備方法，其特征在于具體制備步驟為: (1)收集廢棄木肩，將其洗凈并置于65?80°C下干燥6?8h，碾磨并過65?80目篩，制備得木肩粉末，隨后按重量份數(shù)計，分別稱量25?30份木肩粉末、3?5份質(zhì)量濃度80%硫酸和45?50份冰醋酸置于三口燒瓶中，攪拌混合后置于100?110°C下水浴加熱I?2h; (2)待水浴加熱完成后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，抽濾并收集濾液，在65?70°C下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原體積的1/3后，再置于1800?2000r/min離心機(jī)中離心分離10?15min，收集上層清液，得木肩液化液； (3)按質(zhì)量比1:5，將油系中間相瀝青與上述制備的木肩液化液攪拌混合并置于燒杯中，靜置I?2h后，將燒杯置于55?70°C下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干后，繼續(xù)加熱升溫至250?300°C，活化處理10?15min; (4)待活化完成后，將活化后的中間相瀝青置于紡絲料筒中，對其通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，加熱至300?350°C，保溫熔融25?30min后，對其通氮氣將熔融中間相瀝青從噴絲口擠出，隨后調(diào)節(jié)卷繞筒收絲，制備得改性油系中間相瀝青纖維； (5)收集改性油系中間相瀝青纖維，將其置于管式爐中，按5°C/min速率程序升溫至150?180°C，待保溫10?15min后，再按l°C/min速率緩慢升溫至300?310°C，保溫氧化處理25?30min，隨后向管式爐中通氮氣排除空氣，在氮氣氣氛下，按10°C/min速率程序升溫至750?800°C，保溫碳化I?2h后，停止加熱并靜置冷卻至室溫，即可制備得一種木肩液化液改性中間相瀝青基碳纖維。
【文檔編號】D01F9/17GK106087116SQ201610469740
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月26日
【發(fā)明人】吳迪, 盛海豐, 高玉剛
【申請人】吳迪