[发明专利]一种混合结构的中间相沥青基碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种混合结构的中间相沥青基碳纤维及其制备方法，所述纤维的微观结构为径向断面呈无规则型，轴向呈易石墨化结构的各向异性碳与镶嵌结构的各向同性碳交替平行层叠的混合结构。所述制备方法包括将两种原料沥青按照一定的比例混合，通过高温聚合反应得到一种各向同性母体含有中间相大球的可纺中间相沥青，这种可纺沥青中各向同性组分与各向异性组分的分子量差异很小。沥青经过熔融纺丝，得到连续沥青纤维，进一步不熔化和高温碳化得到沥青基碳纤维。这种碳纤维与通用级沥青基碳纤维相比有较高的拉伸强度和弹性模量，与中间相沥青基碳纤维相比有较高的断裂伸长率。对于优化中间相沥青基碳纤维性能、提高抗冲击特性等方面具有重要意义。

技术领域

本发明涉及碳纤维领域，特别是涉及沥青基碳纤维的制造方法。

背景技术

沥青基碳纤维分为通用级沥青基碳纤维和高性能级中间相沥青基碳纤维。通用级碳纤维通常以各向同性可纺沥青为原料纺丝及热处理形成的，这种各向同性可纺沥青一般是以软化点80～150℃的净化沥青为原料在氧化条件下，沥青分子通过氧桥实现分子的交联而形成的光学各向同性沥青，软化点在250～285℃，偏光显微镜下呈光学各向同性，一般称之为各向同性可纺沥青或简称为各向同性沥青。高性能中间相沥青基碳纤维是以可纺中间相沥青为原料熔融纺丝经热处理形成的，可纺中间相沥青同样是以软化点80～150℃的沥青为原料在惰性气氛条件下经聚合反应合成得到。原料沥青聚合反应使得芳烃分子尺寸增大，在范德华力的作用下分子有序堆积形成芳烃分子簇，分子簇具有晶体结构特征。进一步热处理脱除体系中小分子后，分子簇融并形成了中间相结构，这种结构具有液晶的特征，称之为中间相沥青。偏光显微镜下呈光学各向异性，因此也称为各向异性沥青。可纺级中间相沥青也称为可纺中间相沥青。

中间相沥青通过熔融纺丝，液晶分子中固有的定向排列结构被保留下来，高温石墨化处理后其晶体沿纤维轴择优取向，形成的石墨结构L_a与L_c尺寸大，因此具有超高模量、超高的轴向导热、导电性能，广泛用于航空航天、电子设备等聚丙烯腈基碳纤维性能所不及的高技术领域。正是由于分子沿纤维轴高度择优取向，分子片层L_a与L_c尺寸大，这些特征也形成了中间相沥青基碳纤维断裂伸长率低，抗径向剪切能力差的缺陷；另外高中间相含量沥青纺丝过程中因为大的片状分子高度取向，碳纤维径向断面极易形成辐射型结构，在高温处理时，排列规则的片状分子产生收缩应力的传导，纤维沿轴向发生劈裂，直接影响碳纤维的力学性能。

在实际生产中控制中间相沥青基碳纤维微观断面不出现径向辐射型结构及轴向不劈裂难度很大，导致这种情况发生的因素很多。

中国专利CN 102031593 A介绍了一种中间相沥青与各向同性沥青混合纺丝生产沥青基碳纤维的方法，目的为了减少沥青分子高度取向而呈现辐射型结构产生的劈裂，从而提高碳纤维的性能。此方法虽将相近软化点的两种沥青混合，但是具有晶体结构的中间相沥青与非晶结构的各向同性沥青很难混合均匀，熔融后难以形成物性一致的混合物，粘度差异大，纺丝稳定性差。

中国专利CN 109112671 A，为控制中间相沥青基碳纤维的微观结构，避免中间相沥青基碳纤维的轴向劈裂，通过调节中间相含量，制备了低中间相含量的可纺沥青，降低沥青分子排列的有序度。但低中间相含量的沥青纺丝时容易发生密度较大的各向异性沥青在纺丝过程中的沉降，产生相分离，影响纺丝顺利进行，因此纺丝时采用强烈搅拌，避免发生相分离，影响纺丝。同时由于沥青轻组分含量高，氧化活性低，氧化时间变得很长，需要10～30h，难以实现工业化生产。前述专利目的仅是减少中间相沥青基碳纤维径向断面呈现辐射型结构及轴向发生劈裂。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种具有高模量、高导电、高导热的基本特征，也具有高断裂伸长率抗冲击特征的混合结构的中间相沥青基碳纤维及其制备方法。

技术方案：本发明的混合结构的中间相沥青基碳纤维，微观结构为：径向断面呈无规则型，轴向呈易石墨化结构的各向异性碳与镶嵌结构的各向同性碳交替平行层叠的混合结构。