一種電解氧化法制備煤瀝青基碳纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種電解氧化法制備煤瀝青基碳纖維的方法，屬于碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，是鋼的7?9倍，抗拉彈性模量為230?430GPa亦高于鋼，其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電與導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，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(lè)、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(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。
[0003]瀝青基碳纖維主要有兩種類(lèi)型:一種是通用瀝青基碳纖維，也被成為各向同性瀝青基碳纖維，另一種是中間瀝青基碳纖維，也被成為各向異性瀝青碳纖維。
[0004]目前，瀝青基碳纖維的處理方法主要有液相氧化法和氣相氧化法。
[0005]( 1)液相氧化方法是用硝酸、硫酸、高錳酸鉀等氧化性液體，對(duì)瀝青纖維進(jìn)行預(yù)氧化處理，采用液相氧化時(shí)，處理溶液、溫度、時(shí)間等方面存在許多問(wèn)題，例如在揮發(fā)性酸中處理時(shí)，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(duì)于環(huán)境破壞嚴(yán)重；
(2)氣相氧化方法是使用臭氧進(jìn)行氧化處理，是在70°C處理1-3小時(shí)，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?dú)庵羞M(jìn)行碳化處理，制得碳纖維。除用鹵素外，還可以用胺類(lèi)、HCI或ΗΝ0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，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】

[0006]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)目前傳統(tǒng)瀝青基碳纖維在制備的過(guò)程中，液相氧化方法工藝復(fù)雜污染大，操作困難，設(shè)備昂貴成本高，而另外的氣相氧化法雖可以得到碳纖維材料，但仍然存在碳纖維產(chǎn)率低，纖維脆性大，不利于碳纖維在復(fù)合材料中應(yīng)用的弊端，提供了以一種利用研磨后的煤渣粉為原料，高壓反應(yīng)后得瀝青液經(jīng)紡絲裝置制備出瀝青纖維，通過(guò)電解氧化后炭化，從而得到電解氧化法制備煤瀝青基碳纖維的方法。本發(fā)明操作過(guò)程中無(wú)任何二次污染，不僅利用煤渣粉末為原料代替了化工成品瀝青，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化工藝，而且制成的碳纖維產(chǎn)率高，纖維強(qiáng)度大，有利于碳纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用，電化學(xué)氧化法代替了傳統(tǒng)的液相和氣相氧化法，更加綠色環(huán)保。
[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是: (1)將2?3kg煤渣放入石英研缽中研磨成粉并過(guò)200?300目標(biāo)準(zhǔn)篩，取500?600g過(guò)篩后的煤粉溶于1?2L濃度為0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均勻后將其倒入高壓釜中，以10?20mL/min的速率向里通入氮?dú)?，直至排盡高壓釜內(nèi)的空氣；
(2)排盡空氣后，將釜內(nèi)溫度升至200?400°C并加壓至3?5MPa，高溫高壓反應(yīng)1?2h，開(kāi)釜排氣，再加入釜內(nèi)底料等質(zhì)量的甲苯，用攪拌棒攪拌均勻形成懸浮液，密閉高壓釜繼續(xù)通入氫氣直至罐內(nèi)壓力達(dá)到10?13MPa，升溫至300?400°C反應(yīng)6?8h后放氣出料，得到煤瀝青液；
(3 )將上述煤瀝青液放入高壓靜電噴絲裝置貯液槽中，啟動(dòng)高壓靜電發(fā)生器，將煤瀝青液用輸液栗擠出再由噴絲口噴出，噴出的煤瀝青液射流被固化形成納米纖維，以無(wú)序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；
(4)取一個(gè)2L的飲料瓶，用剪刀剪去瓶口錐形部分，在瓶壁四周均勻扎出10?20個(gè)小孔，用過(guò)濾紗布將瓶壁裹住并固定，向瓶中插入一根銅條作為陰極，加入制得的瀝青纖維，將塑料瓶放入陶瓷罐中，向罐中加入1?2L質(zhì)量濃度為5%的硫酸溶液，以鉑電極為陽(yáng)極，接入晶體管直流電源，電解2?3天后，放入布氏漏斗抽濾得電解氧化后的瀝青纖維；
(5)將氧化后的瀝青纖維立即放入炭化爐中，先以5°C/min的速率程序升溫至400?500°C，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下預(yù)炭化20?30min，再以10°C /min的速率升溫至1000?1200°C，完全炭化30?60min后即得一種電解氧化法制備得到的煤瀝青基碳纖維。
[0008]所述的紡絲射流固化方法是以硫酸和硫酸鈉按質(zhì)量比為7:2配成的水溶液作為凝固浴，將煤瀝青液射流固化。
[0009]本發(fā)明的應(yīng)用方法是:使用時(shí)，按固液比為1: 10?3: 10，將本發(fā)明制得的煤瀝青基碳纖維和管道專(zhuān)用水性涂料攪拌均勻，之后均勻涂抹于管道內(nèi)壁，涂抹厚度為0.1?
0.15cm，待全部涂抹結(jié)束，自然晾干即可，可以有效提高管道的防腐性，增強(qiáng)管道的耐磨性，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單易行，利用煤渣粉末為原料代替了化工成品瀝青，節(jié)約了成本，對(duì)環(huán)境也沒(méi)有任何污染；
(2)本發(fā)明制成的碳纖維產(chǎn)率高，纖維強(qiáng)度大，有利于碳纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
【具體實(shí)施方式】
[0011]首先將2?3kg煤渣放入石英研缽中研磨成粉并過(guò)200?300目標(biāo)準(zhǔn)篩，取500?600g過(guò)篩后的煤粉溶于1?2L濃度為0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均勻后將其倒入高壓釜中，以10?20mL/min的速率向里通入氮?dú)?，直至排盡高壓釜內(nèi)的空氣；然后排盡空氣后，將釜內(nèi)溫度升至200?400°C并加壓至3?5MPa，高溫高壓反應(yīng)1?2h，開(kāi)釜排氣，再加入釜內(nèi)底料等質(zhì)量的甲苯，用攪拌棒攪拌均勻形成懸浮液，密閉高壓釜繼續(xù)通入氫氣直至罐內(nèi)壓力達(dá)到10?13MPa，升溫至300?400°C反應(yīng)6?8h后放氣出料，得到煤瀝青液；隨后將上述煤瀝青液放入高壓靜電噴絲裝置貯液槽中，啟動(dòng)高壓靜電發(fā)生器，將煤瀝青液用輸液栗擠出再由噴絲口噴出，噴出的煤瀝青液射流被固化形成納米纖維，以無(wú)序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；接下來(lái)取一個(gè)2L的飲料瓶，用剪刀剪去瓶口錐形部分，在瓶壁四周均勻扎出10?20個(gè)小孔，用過(guò)濾紗布將瓶壁裹住并固定，向瓶中插入一根銅條作為陰極，加入制得的瀝青纖維，將塑料瓶放入陶瓷罐中，向罐中加入1?2L質(zhì)量濃度為5%的硫酸溶液，以鉑電極為陽(yáng)極，接入晶體管直流電源，電解2?3天后，放入布氏漏斗抽濾得電解氧化后的瀝青纖維；最后將氧化后的瀝青纖維立即放入炭化爐中，先以5°C /min的速率程序升溫至400?500°C，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下預(yù)炭化20?30min，再以10°C /min的速率升溫至1000?1200°C，完全炭化30?60min后即得一種電解氧化法制備得到的煤瀝青基碳纖維。其中所述的紡絲射流固化方法是以硫酸和硫酸鈉按質(zhì)量比為7:2配成的水溶液作為凝固浴，將煤瀝青液射流固化。
[0012]實(shí)例1
首先將2kg煤渣放入石英研缽中研磨成粉并過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)篩，取500g過(guò)篩后的煤粉溶于1L濃度為0.8mol/L的甲醇溶液中，混合均勻后將其倒入高壓釜中，以10mL/min的速率向里通入氮?dú)?，直至排盡高壓釜內(nèi)的空氣；然后排盡空氣后，將釜內(nèi)溫度升至200°C并加壓至3MPa，高溫高壓反應(yīng)lh，開(kāi)釜排氣，再加入釜內(nèi)底料等質(zhì)量的甲苯，用攪拌棒攪拌均勻形成懸浮液，密閉高壓釜繼續(xù)通入氫氣直至罐內(nèi)壓力達(dá)到lOMPa，升溫至300°C反應(yīng)6h后放氣出料，