添加石油沥青对煤沥青制备碳纤维效果的影响

发布时间：2020-03-30 16:21

【摘要】：高温煤焦油沥青(CHTP)及石油沥青(PP)是制备高性能的碳材料的优质原料,制备碳材料是其实现高附加值利用的重要方向之一。CHTP和PP经过溶剂萃取分离后得到RCHTP和RPP,通过将RCHTP和RPP按照一定质量比(RPP质量/总质量为0%、10%、15%、20%)进行混合调制得到可纺沥青(KFLQ),再将得到不同RPP添加比例得到的KFLQ进行后续的纺丝、预氧化及碳化工艺制备碳纤维,探究不同RPP添加比例对纺丝、预氧化及碳化效果的影响。本实验运用SEM-EDS、FT-IR、CPP-GC/MS、TG/DTG等分析手段对实验中得到的产物进行解释说明。本实验通过#1溶剂和#2溶剂分别对CHTP和PP进行萃取分离,并经过过滤干燥等步骤实现对CHTP和PP的预处理,得到了RCHTP和RPP。通过元素分析发现,RCHTP和RPP分别比CHTP和PP的含C量都有所上升,萃取分离实现了对C元素的富集。RCHTP的CPP-GC/MS检测出73种物质,其中含有大量的芳烃。RPP的CPP-GC/MS检测出45种物质,其中有大量的烷烃和烯烃。实验考察热聚合恒温时间、热聚合恒温温度及不同添加RPP的添加比例对制备KFLQ效果的影响。因此将实验分为三大组,第一组固定热聚合恒温时间及RPP的添加比例,第二组固定热聚合恒温温度及RPP的添加比例,第三组固定热聚合恒温温度及恒温时间。当热聚合恒温温度为360℃,热聚合恒温时间为4h,RPP添加比例为15%时会得到中间相分布均匀且软化点合适的KFLQ。通过元素分析发现,四组KFLQ的含C量均有明显上升,说明热聚合过程进一步实现了对C元素的富集。热聚合前后,RCHTP和KFLQ的官能团没发生明显变化。将四组不同RPP添加比例聚合得到的KFLQ进行纺丝、预氧化及碳化实验。在纺丝工艺中发现,随着RPP添加比例的提高,KFLQ的流动性增加,当RPP添加比例为20%时,KFLQ的流动性过大,不利于纤维的收集,纺丝效果较差。四组KFLQ经过预氧化后官能团类型基本为芳环和含氧官能团。四组氧化纤维经过碳化后,粗细均匀,表面有少许附着物,断面结构较好,纤维的平均直径基本符合通用级碳纤维标准,所含官能团结构减少。
【图文】：

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中间相沥青的分子量较大，粘度较高。用热缩聚的方法制备中间相，随着中间相含量的增加，软化点提高，熔纺温度可能达到 350℃以上。这样的高温熔纺过程中，沥青的热分解、热缩聚使纺丝沥青变质，处于不稳定状态，很难实现连续化、稳定纺丝。因此,需对中间相沥青进行调制，降低软化点和粘度,从而降低熔纺温度。日本九州工业技术研究院开发的预中间相法，把石油沥青或煤沥青在 380~500℃用氢化溶剂进行氢化处理，制得各向同性的预中间相沥青，软化点调制在 250~280℃，大幅度降低了纺丝温度。1.3.2 沥青基碳纤维的制备目前，已工业化生产的碳纤维多以聚丙烯腈和沥青为原料。采用不同原料制备碳纤维，其工艺处理过程不尽相同，但就所有的制备工艺过程，其最终目的是形成一个与石墨相似的结构，呈现物理性能良好、化学性能稳定的优质碳纤维。图 1-2[18]为已成熟工业化生产的碳纤维的制备过程，其原料分别为 PAN 和石油沥青，两种原料的制备过程所包括的工艺步骤基本上是一致的，有原料的调制、纺丝、预氧化、碳化、石墨化、表面处理、上浆等。两种纤维在原料的调制及纺丝两个工艺过程有较大的差别，，而后续的热处理过程基本相似。

分离系统

工程硕士专业学位论文（3）将萃取分离装置上的温度和搅拌桨的转速设置到一定值以保证萃取充分进行，启动萃取分离装置，一般加热搅拌萃取需要进行 5-7h；（4）萃取完成后将混合物料倒入到事先准备好的干净的储存桶内，待混合物料冷却至室温后用布氏漏斗抽真空过滤三次；（5）待过滤完成后，将滤液倒入三口烧瓶中进行蒸馏，回收萃取溶剂，并将萃取物倒入干净的器皿内；（6）将装有萃取物的器皿用锡箔纸封口，并且在锡箔纸上开少量小孔，放入真空干燥箱内，设置温度为 150℃，真空度在 0.8Mpa 以上，及时擦拭箱中的挥发物，一般干燥 7-10 天，干燥完成后，获得精制煤焦油沥青（简称 RCHTP）。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ342.742

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