本发明涉及新型碳材料制备技术领域,具体涉及一种沥青基碳纤维制作工艺。
背景技术:
碳纤维是一种含碳量在90%以上的纤维状碳材料,因其具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电、导热、热膨胀系数小等优良特性,被广泛应用于航空航天、国防、机械制造、土木工程、体育休闲等领域,是一种军民两用的高技术纤维。
生产碳纤维的原料很多,但实现工业化量产的基本来自三种物质:聚丙烯晴(pan)、沥青和纤维素,一般来说,pan碳纤维具有较高的强度和模量强度,但是,pan价格高,石墨化工艺复杂,产品的生产成本较高,限制了其碳纤维的发展;纤维素裂解时不需要熔融,但是其需要较高的洁净度,力学性能较差,现在工业上它的应用越来越少;沥青价格约为pan的1/3~1/4,使得沥青基碳纤维的生产成本非常低,在民用方面具有更强的竞争力,但沥青的分子量分布不均,软化点很难控制,在防丝过程中容易产生气泡,造成丝的断裂,使得产品的质量差、成品率低。
技术实现要素:
本发明的目的是提供一种沥青基碳纤维制作工艺,该工艺过程简单,工序合理,能有效提高产品的质量、降低次品率。
本发明的目的通过如下技术方案实现:
一种沥青基碳纤维制作工艺,该工艺包括以下步骤:
步骤一、将煤沥青、石油沥青和乙烯合成沥青等基质沥青混合后放入熔化罐,在惰性气体的保护下进行加热,温度控制在350~400℃,在熔融状态下,机械搅拌20~30min,获得中间相含量>80%,软化点>255℃的中间相沥青。
步骤二、将上述中间相沥青经过离心机拉丝得到沥青丝,沥青丝的延伸率为0.6%~1%。
步骤三、对沥青丝进行加热预氧化处理,温度控制在280~300℃,此过程中温度保持均匀,并用风机带走反应的小分子杂质。
步骤四、采用低温碳化炉对步骤三的预氧化沥青丝进行碳化处理,并通入纯氮进行保护,碳化温度为1150℃,碳化时间为20~24小时。
步骤五、采用高温炉对步骤四的碳化沥青丝进行石墨化处理,并通入高纯氬进行保护,石墨化温度为2800~3000℃。
作为优选,步骤一中,沥青、石油沥青和乙烯合成沥青的混合质量比为4:4:2。
作为优选,步骤五得到的沥青基碳纤维,其密度为1.12~1.3g/立方厘米,拉伸强度为2000~3000mpa,拉伸模量为600~700gpa。
本发明的有益效果:本发明工艺简单,工序合理,涉及的原料来源广、成本低,通过不同沥青的混合,使得分子量分布均匀,提高了软化点,在防丝过程中不容易产生气泡和断丝现象,能有效提高产品的质量、降低次品率。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面结合实施例对本发明作进一步详述,该实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种沥青基碳纤维制作工艺,该工艺包括以下步骤:
步骤一、将质量比为4:4:2的煤沥青、石油沥青和乙烯合成沥青等基质沥青混合后放入熔化罐,在惰性气体的保护下进行加热,温度控制在350℃,在熔融状态下,机械搅拌20min,获得中间相含量>80%,软化点>255℃的中间相沥青。
步骤二、将上述中间相沥青经过离心机拉丝得到沥青丝,沥青丝的延伸率为0.6%~1%。
步骤三、对沥青丝进行加热预氧化处理,温度控制在280℃,此过程中温度保持均匀,并用风机带走反应的小分子杂质。
步骤四、采用低温碳化炉对步骤三的预氧化沥青丝进行碳化处理,并通入纯氮进行保护,碳化温度为1150℃,碳化时间为20小时。
步骤五、采用高温炉对步骤四的碳化沥青丝进行石墨化处理,并通入高纯氬进行保护,石墨化温度为2800℃。
沥青基碳纤维,其密度为1.12g/立方厘米,拉伸强度为2000mpa,拉伸模量为600gpa。
实施例2
一种沥青基碳纤维制作工艺,该工艺包括以下步骤:
步骤一、将质量比为4:4:2的煤沥青、石油沥青和乙烯合成沥青等基质沥青混合后放入熔化罐,在惰性气体的保护下进行加热,温度控制在375℃,在熔融状态下,机械搅拌25min,获得中间相含量>80%,软化点>255℃的中间相沥青。
步骤二、将上述中间相沥青经过离心机拉丝得到沥青丝,沥青丝的延伸率为0.6%~1%。
步骤三、对沥青丝进行加热预氧化处理,温度控制在290℃,此过程中温度保持均匀,并用风机带走反应的小分子杂质。
步骤四、采用低温碳化炉对步骤三的预氧化沥青丝进行碳化处理,并通入纯氮进行保护,碳化温度为1150℃,碳化时间为22小时。
步骤五、采用高温炉对步骤四的碳化沥青丝进行石墨化处理,并通入高纯氬进行保护,石墨化温度为2900℃。
沥青基碳纤维,其密度为1.2g/立方厘米,拉伸强度为2500mpa,拉伸模量为670gpa。
实施例3
一种沥青基碳纤维制作工艺,该工艺包括以下步骤:
步骤一、将质量比为4:4:2的煤沥青、石油沥青和乙烯合成沥青等基质沥青混合后放入熔化罐,在惰性气体的保护下进行加热,温度控制在400℃,在熔融状态下,机械搅拌30min,获得中间相含量>80%,软化点>255℃的中间相沥青。
步骤二、将上述中间相沥青经过离心机拉丝得到沥青丝,沥青丝的延伸率为0.6%~1%。
步骤三、对沥青丝进行加热预氧化处理,温度控制在300℃,此过程中温度保持均匀,并用风机带走反应的小分子杂质。
步骤四、采用低温碳化炉对步骤三的预氧化沥青丝进行碳化处理,并通入纯氮进行保护,碳化温度为1150℃,碳化时间为2小时。
步骤五、采用高温炉对步骤四的碳化沥青丝进行石墨化处理,并通入高纯氬进行保护,石墨化温度为3000℃。
沥青基碳纤维,其密度为1.3g/立方厘米,拉伸强度为3000mpa,拉伸模量为700gpa。