专利名称：一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法
技术领域：
本发明涉及一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，属有机化合物碳材料制取方法的技术领域。
背景技术：
以煤为原料炼制的煤焦油是十分重要的工业原料，煤焦油在炼制过程中通过蒸馏提取馏分后将产生大量的残留物，即煤焦油沥青，其残留物的产率为煤焦油的50-60％，是煤焦油加工过程中的大宗副产物，煤焦油沥青的再加工、再提炼、再利用是煤焦油加工工业十分重要的科研课题。
煤焦油沥青在常温20℃±3℃时为黑色固体，无固定熔点，呈玻璃相，受热后软化，继而熔化，冬季易脆，夏季易软化，密度为1.25-1.35g/cm3。
煤焦油沥青组成成分主要是芳香族碳氢化合物及氧、硫、碳的衍生物的混合物，其元素组成主要有碳、氢、氧、硫、氮，其中碳的含量高达92-93％，为制取高附加值碳材料提供了丰富的碳源。
煤焦油沥青高分子芳烃含量较高，硫分和灰分低，粘结性能好，炭化后结焦值较高，适宜做碳材料的粘合剂和制取沥青基碳纤维。
以煤焦油沥青为原料制取碳纤维是高附加值利用，其制备方法也有多种形式，例如熔融纺丝法、爆炸法、共炭化法等，但均有不同程度的弊端和不足，有的制备工艺复杂、成本高，有的制取过程污染严重，有的能源消耗大，有的制取产物精度低、产率低、纯度低，均不够理想。
发明内容
发明目的本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用含碳量在91.63％的煤焦油沥青为原料，以二茂铁为催化添加剂，用管式高温炉，在高温状态下、惰性气体保护下、采用催化气相生长法，直接在管式高温炉内的石英管内壁上生长出碳纤维材料，充分利用煤焦油沥青的碳资源，制成纳米级碳纤维材料，达到简化工艺流程、降低环境污染、减少能源消耗、提高碳纤维精度、纯度的目的。
技术方案本发明使用的化学物质原料为煤焦油沥青、二茂铁、氩气、盐酸、去离子水，其组合配比是以克、毫升、厘米3、分钟为计量单位煤焦油沥青CnHmSxNyOz1.8g±0.018g二茂铁Fe(C5H5)20.2g±0.002g氩气Ar 120000cm3±200cm3盐酸HCl 400ml±5ml去离子水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，并进行纯度控制煤焦油沥青98％二茂铁98％氩气97％盐酸浓度38％去离子水99.99％(2)研磨、过筛对制备使用的煤焦油沥青、二茂铁要分别进行研磨、过筛，并进行细度控制；①将煤焦油沥青原料18.0g置于研钵中，用研磨棒进行研磨，然后用200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≤75μm；②将二茂铁2.0g置于研钵中，用研磨棒进行研磨，然后用200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≤75μm；(3)清洗石英管将管式高温炉内的石英管取出进行清洗①先用盐酸200ml±5ml刷洗石英管内壁；
②然后用去离子水2000ml±20ml注入石英管内壁，进行灌洗；(4)超声清洗石英原料舟①将石英原料舟置于超声波清洗器中，注入盐酸300ml±10ml，开启超声波清洗器，超声波震荡清洗20min±1min；②将盐酸清洗后的石英原料舟置于另一超声波清洗器中，注入去离子水600ml±20ml，进行超声波震荡清洗30min±2min；(5)干燥石英管将盐酸、去离子水刷洗、灌洗后的石英管置于真空干燥箱中进行干燥，温度为150℃±5℃，时间为30min±2min；(6)干燥石英原料舟将盐酸、去离子水超声清洗后的石英原料舟置于真空干燥箱中进行干燥处理，温度为150℃±5℃，时间为30min±2min；(7)原料混合将研磨、过筛后的煤焦油沥青1.8g±0.018g、二茂铁0.2g±0.002g细粉置于专用容器中，并用搅拌器进行搅拌混合，时间15min±1min，使其混合均匀，然后置于石英原料舟中；(8)惰性气体清洁石英管将清洗、干燥后的石英管置于管式高温炉中，开启惰性气体-氩气，向石英管内输入氩气600cm3±20cm3，驱除其他有害气体，使石英管内处于氩气气氛中；(9)置放石英原料舟将装有煤焦油沥青+二茂铁混合细粉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；(10)输保护气体——氩气关闭石英管，开启氩气瓶、气体流量计，向石英管内连续不断的输入氩气，输入速度为150cm3/min，同时开启出气阀、出气流量计；(11)开启管式高温炉、制取碳纤维开启管式高温炉，由温度控制器程序控制高温炉温度；管式高温炉中间段为高温区段，前段为送料低温区段，后段为冷却低温区段；管式高温炉温度由常温20℃±3℃开始升温，升温速度10℃/min，升温时间为98min±5min，在高温区1000℃±5℃时，恒温、保温40min±1min，高温区两侧为低温区，低温区温度为450℃±5℃；推动石英原料舟进入450℃±5℃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；高温状态下进行化学、物理反应，气相生长碳纤维煤焦油沥青+二茂铁的混合细粉在1000℃±5℃的状态下，进行化学、物理热解反应，主要反应式如下低温区段反应
高温区段反应
式中C——碳CH4——甲烷CO——一氧化碳H2——氢气CO2——二氧化碳H2S——硫化氢Cn′Hm′——低烃类化合物H2O——水蒸汽N2——氮气碳纤维生长过程①固态——液态煤焦油沥青在450℃±5℃温度状态下首先开始液化成液态；②液态——气态液态煤焦油沥青在450℃±5℃(低温)温度下热解产生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；③气态——液态在1000℃±5℃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；④液态——固态热解产生的CH4、CO、低烃类化合物被吸附在二茂铁粒子表面，热解为碳，成为活性碳原子，热解碳溶解在二茂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，二茂铁粒子被托起，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。
煤焦油沥青+二茂铁的混合细粉在高温状态下热解，在惰性气体保护下，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；(12)产物随炉冷却①关闭管式高温炉；②在氩气保护下冷却，氩气输入速度为150cm3/min至20℃±3℃；③冷却速度为2℃/min，冷却时间为500min；(13)收集产物关闭氩气阀，打开管式高温炉，取出石英管，收集石英管内壁上的交织状团簇形碳纤维，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；(14)检测、分析、表征对制备的交织状团簇形、黑色、空心、管状碳纤维产物的色泽、形貌、成分、碳纯度、碳纤维直径、长度进行分析、检测、表征；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；用拉曼光谱仪对产物的分子结构和振动模式进行分析；
用场发射扫描电镜放大1000、5000、10000倍，对产物进行形貌分析；用高分辨电子显微镜放大6万倍，对产物的微观结构进行分析；(15)储存对制备的交织状团簇形、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℃，相对湿度≤40％，置于干燥、阴凉、洁净的环境中，要防火、防晒、防水、防潮、防酸碱侵蚀。
所述的制备所需的化学物质原料为煤焦油沥青、二茂铁、氩气、盐酸、去离子水，其最佳组合配比是以克、毫升、厘米3、分钟为计量单位煤焦油沥青CnHmSxNyOz1.8g二茂铁Fe(C5H5)20.2g氩气Ar 120000cm3盐酸HCl 400ml去离子水H2O2000ml所述的管式高温炉制备碳纤维的高温区温度为1000℃±5℃，升温速度为10℃/min，恒温、保温、产物生长时间为40min±1min，高温区两侧为低温区，低温区温度为450℃±5℃。
所述的气相生长碳纤维是在高温状态下进行的，煤焦油沥青+二茂铁的混合粉末在1000℃±5℃状态下进行热解反应，主要反应式如下低温区段反应
高温区段反应
式中C——碳CH4——甲烷CO——一氧化碳H2——氢气CO2——二氧化碳H2S——硫化氢Cn′Hm′——低烃类化合物H2O——水蒸汽N2——氮气在热解过程中进行化学、物理形态转换，其形态转换为固态——液态——气态——液态——固态，以气态分子吸附——分解——溶解——扩散——析出——生长的形式生成煤焦油沥青碳纤维。
所述的管式高温炉的石英管内制备生成煤焦油沥青碳纤维的过程中，全程在惰性气体——氩气的保护下进行，氩气输入速度为150cm3/min，输入总量为120000cm3±200cm3。
所述的在高温状态下气相生长成的煤焦油沥青碳纤维，其产物形貌为交织状、团簇形、黑色、空心、管状，产物直径为80-100nm，纤维长度≥100μm，空心管内径为40-50nm。
有益效果本发明与背景技术相比具有明显的先进性，它是以煤焦油沥青为原料，以有机金属化合物二茂铁为催化剂，以惰性气体——氩气为保护气体，在高温1000℃±5℃的状态下，煤焦油沥青+二茂铁混合粉末进行热解反应，在热解过程中进行固态——液态——气态——液态——固态形态转换，气态分子以吸附——分解——溶解——扩散——析出——生长形式生成煤焦油沥青碳纤维，产物碳纤维为交织状团簇形、黑色、空心、管状，纤维直径为80-100nm，长度为≥100μm，空心管内径为40-50nm，本发明制备工艺流程短，原材料来源极为丰富，制取成本低，产物碳纤维纯度高，碳含量可达92.6％，产物收率高，可达63％，产物碳纤维物理、化学性能稳定，碳纤维强度高、耐高温，可在多种工业领域和碳材料领域使用，此制备方法工艺流程短、容易制取、污染环境小、能源消耗减少，是十分理想的用煤焦油沥青制取高附加值产物——碳纤维的方法。
图1为碳纤维制备工艺流程2为管式高温炉升温、保温、冷却温度与时间坐标关系3为管式高温炉、石英管工作状态4为碳纤维产物场发射扫描电子显微镜放大1000倍团簇状态5为碳纤维产物场发射扫描电子显微镜放大5000倍交织状态6为碳纤维产物场发射扫描电子显微镜放大1万倍交织状态7为碳纤维产物高分辨电子显微镜放大6万倍形貌8为碳纤维产物X射线衍射图谱图9为碳纤维产物拉曼散射图谱图中所示，零件件号清单如下1.管式高温炉、2.石英管、3.高温区、4.低温区、5.低温区、6.原料舟、7.石英管腔、8.导轨、9.导轨控制器、10.温度控制器、11.氩气瓶、12.氩气阀、13.氩气流量计、14.进气管、15.出气管、16.出气阀、17.出气流量计、18.出气口、19.产物区。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明做进一步说明
图1所示，是制备工艺流程图，各制备参数要严格控制，按序操作。
对制备所需的化学物质原料煤焦油沥青、二茂铁、氩气、盐酸、去离子水要严格精选，并进行纯度、细度控制，不得有杂质介入，以防生成副产物。
对所需的化学物质要严格按配比称量，不得超出最大最小范围，以免影响产出率。
惰性保护气体——氩气既有保护气氛，又有清除其他有害气体的作用，故一定要全程输送，不得间歇，输送量要充足，以提高产物的纯度。
催化剂二茂铁是制备碳纤维最关键的化学物质，将直接影响碳纤维的制取，当不添加二茂铁时，产物为碳微球，形成不了纤维，当按比例添加二茂铁时，产物为气相生长的碳纤维，总之，催化剂二茂铁的量值将影响产物的形貌、直径、纤维长度及产收率，故一定要严格控制二茂铁的使用量，煤焦油沥青与二茂铁的量比为1.8∶0.2，即9∶1。
制备煤焦油沥青碳纤维的化学物质配比，是在一个预先设置的数值范围内确定的，以克、厘米3、毫升、分钟为计量单位，在进行工业化制取时，以千克、米3、升、分钟为计量单位，其产物均以纳米为计量单位。
纳米级碳纤维的制取是十分严格的工艺过程，各制取步骤一定要严格控制，尤其是气相生长温度、时间要严格限定，管式高温炉高温温度1000℃±5℃，是气相生长碳纤维的关键，是热解、形态转换的主要步骤，一定要严格操作。
煤焦油沥青、二茂铁要认真进行精选、研磨、过筛，反复进行，筛网为200目，以保证原料的细度。
石英管、石英原料舟是制备生长碳纤维的主要部位，要严格清洗、干燥，保持洁净。
图2所示，是管式高温炉升温、恒温、冷却温度与时间坐标关系图，当炉温从常温20℃±3℃升温至1000℃±5℃时，相交于A点，为高温区，即A-B区段，也是产物生成区段，温度从1000℃±5℃时开始降温冷却，随炉冷却至20℃±3℃，需时间500min，整个升温、恒温、保温、降温均在氩气保护下进行。
图3所示，是管式高温炉工作状态图，管式高温炉1为卧式，右部为温控器10，中间内部为石英管2，管式高温炉1中间段为高温区3，左侧段为低温区4，右侧段为低温区5，管式高温炉1内设有导轨8，导轨8的左端设有导轨控制器9，石英管2在管式高温炉1内的导轨8上，石英管2内左端设有原料舟6，石英管2内部为石英管腔7，中部为产物区19，石英管2左端部连接进气管14、氩气流量计13、氩气阀12、氩气瓶11，石英管2右端连接出气管15、出气阀16、出气流量计17、出气口18，氩气阀12、氩气流量计13控制氩气的输入，出气阀16、出气流量计17控制氩气的排出量，以保持石英管内氩气均衡、安全。
左部为氩气进气方向，右部为出气口，原料舟6在道轨8上由左部进入管式高温炉的低温区段4，然后由控制器程序控制逐渐进入高温区3，移动速度为3mm/min，温控器10程序控制管式高温炉温度，各部位置、方向要正确。
图4所示，是场发射扫描电子显微镜放大1000倍产物团簇状态图，呈不均匀的黑色、团簇交织，标尺单位为10μm。
图5所示，是场发射扫描电子显微镜放大5000倍产物交织状态图，碳纤维呈不规则排列，标尺单位为1μm。
图6所示，是场发射扫描电子显微镜放大1万倍产物交织状态图，碳纤维呈不规则条形排列，标尺单位为1μm。
图7所示，是高分辨电子显微镜放大6万倍状态图，产物纳米碳纤维呈空心、管状，标尺单位为50nm。
图8所示，是产物X射线衍射图谱，纵坐标为衍射强度指数，横坐标为衍射角2θ，图中的两个峰都是无定型碳的特征峰，2θ＝26.1°，对应C(002)，2θ＝44.3°，对应C(100)。
图9所示，是产物拉曼散射图谱，纵坐标为强度指数，横坐标为拉曼位移值(cm-1)，有两个拉曼峰，在1362cm-1是缺陷诱导的D模，在1584cm-1附近的拉曼峰是反映碳材料有序度和对称性的G模。IG/ID＝1.07，表明所制备的VGCFs石墨化程度较高且存在有一定的缺陷，实施例1各制取设备处于准工作状态；精选化学物质原料，并进行纯度控制；研磨、过筛将煤焦油沥青原料18.0g置于研钵中，用研磨棒研磨，用200目筛网进行过筛，反复研磨、反复过筛，留下细粉1.8g±0.018g；
将二茂铁2.0g置于研钵中，用研磨棒研磨，用200目筛网进行过筛，反复研磨、反复过筛，留下细粉0.2g±0.002g；清洗石英管用盐酸200ml刷洗石英管内壁；用去离子水2000ml灌洗石英管内壁；清洗石英原料舟用盐酸300ml，超声波清洗器清洗20min±1min；用去离子水600ml，超声波清洗器清洗30min±2min；干燥石英管、石英原料舟真空干燥箱中分别进行干燥处理，温度为150℃±5℃，时间为30min±2min；原料混合煤焦油沥青细粉1.8g±0.018g+二茂铁细粉0.2g±0.002g混合并搅拌均匀；氩气清洁石英管向石英管内输入氩气600cm3±20cm3，驱除有害气体，同时开启出气阀；置放石英原料舟将煤焦油沥青+二茂铁混合细粉置于石英原料舟内，并将石英原料舟置于管式高温炉石英管内的进口区，即低温区；输入氩气向石英管内输入氩气，输入速度为150cm3/min，气体流量计控制流量，出气流量计控制出气量；制取煤焦油沥青纳米碳纤维开启管式高温炉升温，温度由20℃升至1000℃±5℃，升温速度10℃/min，升温时间为98min±5min，恒温保温40min±1min，高温区两侧为低温区，低温区温度为450℃±5℃；导轨控制器控制推动石英管及石英原料舟由进口低温区进入高温区，推进速度为3mm/min；高温状态下进行化学、物理热解反应，煤焦油沥青在二茂铁催化下进行形态转换固态——液态——气态——液态——固态；气态分子吸附——分解——溶解——扩散——析出——生长；
在石英管内壁上，气相生成纳米碳纤维；冷却关闭管式高温炉，在氩气保护下，随炉冷却至20℃±3℃；收集产物关闭氩气阀，打开管式高温炉，取出石英管，收集石英管内壁上的交织状团簇形碳纤维，即黑色、空心、管状纳米碳纤维产物；通过以上工艺程序，完成了制备的全过程。
权利要求
1.一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，其特征在于本发明使用的化学物质原料为煤焦油沥青、二茂铁、氩气、盐酸、去离子水，其组合配比是以克、毫升、厘米3、分钟为计量单位煤焦油沥青CnHmSxNyOz1.8g±0.018g二茂铁Fe(C5H5)20.2g±0.002g氩气Ar 120000cm3±200cm3盐酸HCl 400ml±5ml去离子水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，并进行纯度控制煤焦油沥青98％二茂铁98％氩气97％盐酸浓度38％去离子水99.99％(2)研磨、过筛对制备使用的煤焦油沥青、二茂铁要分别进行研磨、过筛，并进行细度控制；①将煤焦油沥青原料18.0g置于研钵中，用研磨棒进行研磨，然后用200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≤75μm②将二茂铁2.0g置于研钵中，用研磨棒进行研磨，然后用200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≤75μm；(3)清洗石英管将管式高温炉内的石英管取出进行清洗①先用盐酸200ml±5ml刷洗石英管内壁；②然后用去离子水2000ml±20ml注入石英管内壁，进行灌洗；(4)超声清洗石英原料舟①将石英原料舟置于超声波清洗器中，注入盐酸300ml±10ml，开启超声波清洗器，超声波震荡清洗20min±1min；②将盐酸清洗后的石英原料舟置于另一超声波清洗器中，注入去离子水600ml±20ml，进行超声波震荡清洗30min±2min；(5)干燥石英管将盐酸、去离子水刷洗、灌洗后的石英管置于真空干燥箱中进行干燥，温度为150℃±5℃，时间为30min±2min；(6)干燥石英原料舟将盐酸、去离子水超声清洗后的石英原料舟置于真空干燥箱中进行干燥处理，温度为150℃±5℃，时间为30min±2min；(7)原料混合将研磨、过筛后的煤焦油沥青1.8g±0.018g、二茂铁0.2g±0.002g细粉置于专用容器中，并用搅拌器进行搅拌混合，时间15min±1min，使其混合均匀，然后置于石英原料舟中；(8)惰性气体清洁石英管将清洗、干燥后的石英管置于管式高温炉中，开启惰性气体-氩气，向石英管内输入氩气600cm3±20cm3，驱除其他有害气体，使石英管内处于氩气气氛中；(9)置放石英原料舟将装有煤焦油沥青+二茂铁混合细粉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；(10)输保护气体——氩气关闭石英管，开启氩气瓶、气体流量计，向石英管内连续不断的输入氩气，输入速度为150cm3/min，同时开启出气阀、出气流量计；(11)开启管式高温炉、制取碳纤维开启管式高温炉，由温度控制器程序控制高温炉温度；管式高温炉中间段为高温区段，前段为送料低温区段，后段为冷却低温区段；管式高温炉温度由常温20℃±3℃开始升温，升温速度10℃/min，升温时间为98min±5min，在高温区1000℃±5℃时，恒温、保温40min±1min，高温区两侧为低温区，低温区温度为450℃±5℃；推动石英原料舟进入450℃±5℃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；高温状态下进行化学、物理反应，气相生长碳纤维煤焦油沥青+二茂铁的混合细粉在1000℃±5℃的状态下，进行化学、物理热解反应，主要反应式如下低温区段反应高温区段反应式中C——碳CH4——甲烷CO——一氧化碳H2——氢气CO2——二氧化碳H2S——硫化氢Cn′Hm′——低烃类化合物H2O——水蒸汽N2——氮气碳纤维生长过程①固态——液态煤焦油沥青在450℃±5℃温度状态下首先开始液化成液态；②液态——气态液态煤焦油沥青在450℃±5℃(低温)温度下热解产生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；③气态——液态在1000℃±5℃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；④液态——固态热解产生的CH4、CO、低烃类化合物被吸附在二茂铁粒子表面，热解为碳，成为活性碳原子，热解碳溶解在二茂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，二茂铁粒子被托起，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。煤焦油沥青+二茂铁的混合细粉在高温状态下热解，在惰性气体保护下，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；(12)产物随炉冷却①关闭管式高温炉；②在氩气保护下冷却，氩气输入速度为150cm3/min至20℃±3℃；③冷却速度为2℃/min，冷却时间为500min；(13)收集产物关闭氩气阀，打开管式高温炉，取出石英管，收集石英管内壁上的交织状团簇形碳纤维，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；(14)检测、分析、表征对制备的交织状团簇形、黑色、空心、管状碳纤维产物的色泽、形貌、成分、碳纯度、碳纤维直径、长度进行分析、检测、表征；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；用拉曼光谱仪对产物的分子结构和振动模式进行分析；用场发射扫描电镜放大1000、5000、10000倍，对产物进行形貌分析；用高分辨电子显微镜放大6万倍，对产物的微观结构进行分析；(15)储存对制备的交织状团簇形、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℃，相对湿度≤40％，置于干燥、阴凉、洁净的环境中，要防火、防晒、防水、防潮、防酸碱侵蚀。
2.根据权利要求1所述的制备所需的化学物质原料为煤焦油沥青、二茂铁、氩气、盐酸、去离子水，其最佳组合配比是以克、毫升、厘米3、分钟为计量单位煤焦油沥青CnHmSxNyOz1.8g二茂铁Fe(C5H5)20.2g氩气Ar 120000cm3盐酸HCl 400ml去离子水H2O2000ml
3.根据权利要求1所述的一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，其特征在于所述的管式高温炉制备碳纤维的高温区温度为1000℃±5℃，升温速度为10℃/min，恒温、保温、产物生长时间为40min±1min，高温区两侧为低温区，低温区温度为450℃±5℃。
4.根据权利要求1所述的一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，其特征在于所述的气相生长碳纤维是在高温状态下进行的，煤焦油沥青+二茂铁的混合粉末在1000℃±5℃状态下进行热解反应，主要反应式如下低温区段反应高温区段反应式中C——碳CH4——甲烷CO——一氧化碳H2——氢气CO2——二氧化碳H2S——硫化氢Cn′Hm′——低烃类化合物H2O——水蒸汽N2——氮气在热解过程中进行化学、物理形态转换，其形态转换为固态——液态——气态——液态——固态，以气态分子吸附——分解——溶解——扩散——析出——生长的形式生成煤焦油沥青碳纤维。
5.根据权利要求1所述的一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，其特征在于所述的管式高温炉内制备生成煤焦油沥青碳纤维的过程中，全程在惰性气体——氩气的保护下进行，氩气输入速度为150cm3/min，输入总量为120000cm3±200cm3。
6.根据权利要求1所述的一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，其特征在于所述的在高温状态下气相生长成的煤焦油沥青碳纤维，其产物形貌为交织状、团簇形、黑色、空心、管状，产物直径为80-100nm，纤维长度≥100μm，空心管内径为40-50nm。
全文摘要
本发明涉及一种以煤焦油沥青为原料制备纳米碳纤维的方法，它是以煤焦油沥青为原料，以有机金属化合物二茂铁为催化剂，以盐酸、去离子水为清洗剂，以惰性气体——氩气为保护气体，在管式高温炉内，在1000℃±5℃的高温状态下，化学物质原料热解由固态——液态——气态——液态——固态形态转换，气态分子吸附——分解——溶解——扩散——析出——生长形式在管式高温炉的石英管内壁上生成纳米碳纤维产物，其产物形貌为交织状、团簇形、黑色、管状碳纤维，其纤维直径为80－100nm，纤维长度为≥100μm，空心内径40－50nm，制备方法简单、工艺流程短，污染环境小、能源消耗少，材料来源极为丰富，制取成本低，碳纤维强度高，耐高温，碳含量高，可达92.6％，产收率高，可达63％，产物物理、化学性能稳定，可在多种工业领域和碳材料领域使用，是十分理想的以煤焦油沥青为原料制备高附加值产物——纳米级碳纤维的方法。
文档编号B82B3/00GK1903713SQ20061004811
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月2日 优先权日2006年8月2日
发明者许并社, 杨永珍, 刘旭光, 刘光焕, 刘红艳 申请人:太原理工大学