一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法及其应用与流程

本发明属于碳纤维，具体涉及一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法及其应用。

背景技术：

1、碳纤维是指含碳量在90％以上的纤维状材料，是高性能纤维中的主要品种之一，具有高模、高强、低密度和良好的纤度等优异性能，还具有碳素材料的固有特性，比如导电导热、低热膨胀系数、耐高温、耐摩擦等，又兼具纺织纤维的柔软性和易加工性。碳纤维主要作为增强体与环氧树脂、酚醛树脂、碳、金属及其合金、橡胶、陶瓷等复合取代钢铁、铝合金等材料。衡量复合材料的主要物理性能参数是比强度和比模量,比强度越大,则材料制得同样强度构件的质量越轻,这对航空航天工业有着特别重要的意义。制备碳纤维的原料来源广泛，比如聚丙烯腈、人造纤维、酚醛树脂和沥青等，中间相沥青内部片层状芳烃大分子以类石墨结构进行排列，分子结构具有高度的取向性。这种规则的分子结构使中间相沥青在高温热处理时容易石墨化，同时也赋予了中间相沥青热稳定性、氧化活性、可纺性以及碳化收率高等优良特性。此外，中间相沥青原料来源广泛，制备成本较低，是公认的制备多种先进功能碳材料的优质前驱体，并且在高新材料领域得到了越来越多的重视。

2、中间相沥青碳纤维是以中间相沥青为原料制备的一种重要的高价值工业材料，无论是用于军事或民用的航空航天方面，还是在其它较低附加值的高科技领域中，中间相沥青基碳纤维往往由于具有其它材料不可比拟的优点而无法被替代。但是高成本的优质可纺沥青限制了高性能中间相沥青基碳纤维的规模化利用，目前主要有日本的三菱化成、石墨纤维公司和美国的cytec公司实现了中间相沥青基碳纤维的工业化生产。我国在这方面研究水平与国外差距较大，离实现大规模工业化生产还有一段距离，尚有待设备的进一步改进和技术的创新与积累，因此需要对碳质中间相及其碳纤维的结构、性能与具体应用之间的关系进一步深入研究。

3、高性能沥青基碳纤维即中间相沥青基碳纤维，是指以中间相沥青为原料制得的碳纤维；以非中间相沥青制备的一般称为通用型沥青基碳纤维，高性能的中间相沥青基碳纤维制备工艺包括沥青原料的调试、熔融纺丝、预氧化、碳化及石墨化。制备工艺的不同会造成制备纤维结构的差异，进而引起纤维性能的差异。原料的性质是影响中间相结构和性能的主要因素，组成与结构不同的碳质原料，其反应活性亦有差异。沥青四组分与沥青的性能密切相关，但是对于沥青四组分的研究一直以来都较少，尤其对生产单位而言，多关注于沥青要求的规范性指标，而对于沥青四组分的关注度较低。一方面，四组分的检测并非规范要求的必测指标，仅仅作为一种参考性指标检测；另一方面，四组分检测精密性较高，与常规经验性指标体系不一致，二者很难直接对应。在这种情况下，对于沥青四组分的研究就显得十分必要。结合中间相沥青碳纤维领域目前面临的问题，设计一种通过测试四组分的含量有效筛选高性能中间相沥青基碳纤维原料的方法，有希望为挑选合适的中间相沥青原料，制备高性能的中间相沥青碳纤维提供新思路。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，通过测试四组分的含量有效筛选高性能中间相沥青基碳纤维原料，本发明提供了一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、s1、对沥青原料进行沥青质、饱和分、芳香分、胶质含量四组份含量的测定；

3、s2、将沥青原料熔融纺丝，经过预氧化及碳化工艺得到碳纤维，测试碳纤维拉伸强度；

4、s3、将s1步骤测得的沥青原料的四组份含量与其s2步骤制得的碳纤维的拉伸强度形成对应关系；

5、s4、将待测沥青原料进行沥青质、饱和分、芳香分、胶质含量四组份含量的测定，在s3形成的对应关系中判断其制备的碳纤维拉伸强度，若待测沥青原料的沥青质含量在10～20％，则该沥青原料制备的中间相沥青碳纤维具有高性能。

6、作为优选，所述s1步骤中沥青质含量测定的方法为：将沥青原料与正庚烷加入瓶1中加热回流，随后在暗处沉降，过滤分离滤液和滤渣，瓶1中的残留物用热正庚烷分多次洗涤过滤，全部滤液收集于瓶2中，折叠带有沉淀的滤纸，放入抽提器中，与瓶2组装好加热回流至下滴液无色，冷却后取下瓶2备用，在瓶1中加入甲苯，装上抽提器抽提，冷却后取下瓶1，蒸出甲苯后真空干燥，冷却至室温，称量得到的沥青质质量m1。

7、作为优选，所述s1步骤中饱和分、芳香分、胶质含量测定的方法为：蒸馏回收瓶2中的正庚烷，浓缩溶液作为冲洗色谱的进样，将吸附柱与恒温水浴连接，加入瓶2中的浓缩溶液，随后依次加入正庚烷、甲苯作为冲洗剂，分别收集于瓶瓶4中，再加入甲苯-乙醇混合溶液、甲苯、乙醇作为冲洗剂，收集于瓶5中，将收集的各组分回收溶剂后真空干燥，冷却至室温后称量，称准至0.0001g，分别得到饱和分m2、芳香分m3、胶质m4的质量。

8、作为优选，所述沥青原料的质量为1g±0.1g，所述正庚烷的用量为50ml，所述加热回流的时间为1h，所述暗处沉降的时间为1h。

9、作为优选，所述热正庚烷的温度为60～70℃，用量为30ml，所述甲苯的用量为60ml，所述抽提的时间为1h，所述真空干燥的温度为105℃～110℃，真空度为93kpa±1kpa，时间为1h。

10、作为优选，所述浓缩溶液为5-10ml，恒温水浴的温度为50℃±1℃，所述正庚烷、甲苯的用量分别为80ml，80ml；所述甲苯-乙醇混合溶液中的甲苯、乙醇洗脱剂的用量均为40ml；所述真空干燥的温度为105℃～110℃、真空度为93kpa±1kpa，时间为1h。

11、基于一个总的发明构思，本方案还提供了一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法在预测沥青原料制备沥青基碳纤维拉伸强度上的应用。

12、基于一个总的发明构思，本方案还提供了一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法在筛选高性能沥青基碳纤维原料的应用上。

13、本方案筛选高性能沥青基碳纤维原的机理如下：

14、通过对不同沥青原料的四组分进行测定，接着用不同沥青原料熔融纺丝，经过预氧化及碳化工艺得到碳纤维，测试碳纤维拉伸强度。通过比较不同沥青原料的四组分构成与碳纤维拉伸强度的对应关系，得到通过四组分含量筛选高性能中间相沥青基碳纤维原料的方法。

15、本方案先得到沥青质、饱和分、芳香分、胶质的含量，从而判断沥青原料是否能制备高性能的中间相沥青碳纤维。所属测试方法应用于中间相沥青碳纤维拉伸强度的预估，可以有效筛选合适的沥青原料，为中间相沥青碳纤维的制备提供了更便利的方法，具有在工业生产中大规模应用的潜力。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本方案可应用于中间相沥青碳纤维拉伸强度的预估，可以有效筛选合适的沥青原料，为中间相沥青碳纤维的制备提供了更便利的方法，具有在工业生产中大规模应用的潜力。

18、也可以通过四组分含量筛选高性能中间相沥青基碳纤维原料的方法。

技术特征：

1.一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s1步骤中沥青质含量测定的方法为：将沥青原料与正庚烷加入瓶1中加热回流，随后在暗处沉降，过滤分离滤液和滤渣，瓶1中的残留物用热正庚烷分多次洗涤过滤，全部滤液收集于瓶2中，折叠带有沉淀的滤纸，放入抽提器中，与瓶2组装好加热回流至下滴液无色，冷却后取下瓶2备用，在瓶1中加入甲苯，装上抽提器抽提，冷却后取下瓶1，蒸出甲苯后真空干燥，冷却至室温，称量得到的沥青质质量m1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s1步骤中饱和分、芳香分、胶质含量测定的方法为：蒸馏回收瓶2中的正庚烷，浓缩溶液作为冲洗色谱的进样，将吸附柱与恒温水浴连接，加入瓶2中的浓缩溶液，随后依次加入正庚烷、甲苯作为冲洗剂，分别收集于瓶瓶4中，再加入甲苯-乙醇混合溶液、甲苯、乙醇作为冲洗剂，收集于瓶5中，将收集的各组分回收溶剂后真空干燥，冷却至室温后称量，称准至0.0001g，分别得到饱和分m2、芳香分m3、胶质m4的质量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沥青原料的质量为1g±0.1g，所述正庚烷的用量为50ml，所述加热回流的时间为1h，所述暗处沉降的时间为1h。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热正庚烷的温度为60～70℃，用量为30ml，所述甲苯的用量为60ml，所述抽提的时间为1h，所述真空干燥的温度为105℃～110℃，真空度为93kpa±1kpa，时间为1h。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述浓缩溶液为5-10ml，恒温水浴的温度为50℃±1℃，所述正庚烷、甲苯的用量分别为80ml，80ml；所述甲苯-乙醇混合溶液中的甲苯、乙醇洗脱剂的用量均为40ml；所述真空干燥的温度为105℃～110℃、真空度为93kpa±1kpa，时间为1h。

7.一种如权要求1-6任一项所述的方法在预测沥青原料制备沥青基碳纤维拉伸强度上的应用。

8.一种如权要求1-6任一项所述的方法在筛选高性能沥青基碳纤维原料的应用上。

技术总结本发明提供了一种筛选高性能沥青基碳纤维原料的方法及其应用，属于碳纤维技术领域，通过对沥青原料四组分的测定，可以得到沥青质、饱和分、芳香分、胶质的含量，通过对不同沥青原料的四组分进行测定，接着用不同沥青原料熔融纺丝，经过预氧化及碳化工艺得到碳纤维，测试碳纤维拉伸强度。通过比较不同沥青原料的四组分构成与碳纤维拉伸强度的对应关系，从而判断其他沥青原料是否能制备高性能的中间相沥青碳纤维；所属测试方法应用于中间相沥青碳纤维拉伸强度的预估，可以有效筛选合适的沥青原料，为中间相沥青碳纤维的制备提供了更便利的方法，具有在工业生产中大规模应用的潜力。技术研发人员：唐阿康,刘志刚,唐哲旋受保护的技术使用者：海南霖鹏科技合伙企业（有限合伙）技术研发日：技术公布日：2024/11/4