[发明专利]一种中间相沥青及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中间相沥青及其制备方法。

背景技术

炭/石墨材料具有一系列优良的性能，如低密度、高比强度、高热稳定性、耐烧蚀、耐腐蚀和摩擦系数稳定等，特别是在1650℃仍保持室温时的强度和刚度，2000℃仍能保持优异的力学性能，是理想的高温结构材料。但是炭/石墨材料在有氧环境下表面抗氧化性能差，氧化失重使得炭/石墨材料的力学性能明显下降，从而限制了炭/石墨材料在高温氧气气氛领域的广泛应用。解决炭/石墨材料高温氧化防护问题是充分利用炭/石墨材料的前提。

在炭材料的发展过程中，Brooks和Taylor发现了炭质中间相，解释了各向同性沥青向各向异性炭转化的过程，极大地推动了炭素行业的发展，为制备高性能沥青基炭纤维等新型炭材料奠定了基础。炭质中间相的出现使沥青基炭材料的性能上了一个新的台阶，从中间相出发成功地制备了针状焦及超高模量的炭纤维。中间相沥青的高纯度、残炭率、低粘度、高度可纺性等优异性能，在高性能炭材料领域具有不可替代的作用。在制备中间相沥青基炭纤维及其它高级炭材料时，要求形成中间相的原料沥青具有杂原子及灰分含量低、分子量分布窄、芳香度高、结构中含烷基短链基团等特点。

采用中间相沥青制备炭/石墨材料具有独特的优势，但是炭/石墨材料在高温下的氧化行为比较严重，需要进行抗氧化处理。传统抗氧化方法有两种：陶瓷粒子基体改性技术与涂层技术。在内部改性制备抗氧化炭/石墨材料时引入的为陶瓷粒子，导致抗氧化组分分布不均匀，氧分子能够扩散到基体内，导致炭/石墨材料发生氧化反应。采用涂层技术由于膨胀系数不匹配，需要引入过渡层，导致涂层材料制备成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是改善炭/石墨材料的抗氧化性能及用来制备炭陶复合材料。但由于现有的基体改性技术和涂层技术获得的抗氧化性能不理想，因此本发明没有从炭/石墨材料的制备方法入手，而是从制备炭/石墨材料的原料出发，通过中间相沥青制备工艺的改进改善中间相沥青的性能，进而制备出具有优异抗氧化性能的炭/石墨材料。

本发明提供一种中间相沥青，其特征是：含有质量百分比为5-13％的具有抗氧化性能的Al₂O₃或SiO₂，B₂O₃，ZrO₂杂质。上述杂质在炭/石墨材料中具有典型的抗氧化功能。

本发明提供该中间相沥青的制备方法：选用中温煤沥青或煤焦油为原料，傅克烷基化催化剂催化稠环芳烃将煤沥青缩聚，傅克烷催化剂为无水AlCl₃、ZrCl₄、SiCl₄、BCl₃中的任意一种或一种以上；缩聚反应结束后加水水解；然后进行热缩聚将缩聚沥青转化为中间相沥青。

作为优选，中温煤沥青或煤焦油与傅克烷基化催化剂的质量比为3.2-8∶1。

作为优选，傅克烷基化催化剂将煤沥青缩聚反应是指氮气保护、机械搅拌，压力在3-8MPa之间，反应在150-250℃之间，反应4-14小时。

作为优选，缩聚反应结束后加水水解具体指缩聚反应结束后将压力卸除、冷却、加水，加热至250℃恒温并进行机械搅拌，反应0.5-1小时后释放压力，将水排出。

作为优选，热缩聚是指在真空度100-300mmHg，温度400-450℃，恒温时间5-18小时进行热缩聚，也即液相炭化。

作为优选，中温煤沥青软化点75-90℃，煤焦油为1#煤焦油。

本发明技术效果在于：本发明的工艺改进通过选用特定的傅克烷基化催化剂，即金属或非金属的氯化物，在催化中温煤或煤焦油缩聚后该催化剂能与水反应，生成的Al₂O₃、SiO₂、B₂O₃或ZrO₂在随后由中间相沥青制备的炭/石墨材料中发挥抗氧化作用。本发明没有从炭/石墨材料的制备方法进行抗氧化掺杂处理，而是从制备炭/石墨材料的原料出发，通过中间相沥青制备工艺的改进改善中间相沥青的性能，进而制备出具有优异抗氧化性能的炭/石墨材料。

同时，一般的制备中间相沥青基炭纤维及其它高级炭材料时，要求形成中间相的原料沥青具有杂原子及灰分含量低、分子量分布窄、芳香度高、结构中含烷基短链基团等特点。本发明制备的具有抗氧化功能的中间相沥青含有金属与非金属杂质较高，突破了原有中间相沥青质量要求的局限，反而实现了炭材料的抗氧化性能。