[发明专利]制备沥青的方法

说明书

本发明涉及制备高软化点沥青的连续工艺方法，特别是关于用来生产碳纤维的纺丝沥青的制备方法;本发明还涉及有效地制备低软化点的均匀中间相沥青作为中间相沥青的方法，这种沥青适用于生产沥青基高性能碳纤维。

如上所述，本发明的主要目的是提供一种生产中间相沥青的连续方法，制备的沥青适用于制造高性能碳纤维，但本发明不受此限制。例如，适用于达到该主要目的的氢化沥青在间歇式操作中也能提供优良的中间相沥青，以及本发明中所用的沥青热处理装置不仅适用于生产中间相沥青，也适用于其它类型沥青的热处理。考虑到上述情况，本发明可以归纳如下：

这就是说，本发明涉及有效地制备高软化点沥青的连续工艺方法，该方法是在减压或常压下，350-500℃，将重油或沥青以小油滴的形式分散到惰性气体或过热蒸汽的气流中，由此使分散的小油滴与惰性气体或过热蒸汽接触，以除去轻馏分并产生适度的热聚合。

高软化点沥青常用做为碳产品制备中的粘结剂。根据本发明的方法制备的高软化点沥青特别适用作为制备碳纤维的原料，这是由于沥青中的轻组分已经被有效地去除。

根据本发明的方法，可以有效并连续地制备低软化点均匀中间相沥青。

碳纤维分为由聚丙烯腈（PAN）制备的PAN基碳纤维和由高软化点沥青制备的沥青基碳纤维。沥青基碳纤维可进一步分为通用碳纤维，其强度和弹性模量低，可用作高温隔热材料等;和高性能碳纤维，其强度和弹性模量高，用作为飞机、工业机器人、体育用品等的结构材料。用于制备这两种沥青基碳纤维（通用和高性能碳纤维）的纺丝沥青的特性是相当不同的。用于通用碳纤维的纺丝沥青是所称的各向同性沥青，当用偏振显微镜观察时，这种沥青呈完全的各向同性。

用于高性能碳纤维的纺丝沥青是所称的中间相沥青，其主要组分为中间相，呈光学各向异性。这两种类型的沥青不仅是在用显微镜观察时的结构彼此不同，而且在软化点和溶剂不溶物的含量上也有很大差别。当然，有一些特性是这两种类型的沥青所必须共有的。这些特性包括沥青中不含在纺丝温度下气化和导致起泡的轻组分，和不含在纺丝温度下不均熔的固体组分或过度聚合的化合物。一般来讲，制备用于高性能碳纤维的纺丝沥青（中间相沥青）比制备用于通用碳纤维的纺丝沥青需要更精细的技术。这是由于纺丝沥青的软化点高，需要较高的纺丝温度，少量轻组分的存在将极大地破坏产品碳纤维的特性。另一个问题是中间相沥青在将其沥青结构转化为中间相的制备过程中需要热处理。这种热处理易于产生在纺丝温度下不熔的固体物质或过度聚合的化合物，导致所制成的碳纤维的特性受到破坏。因此，生产用于高性能碳纤维的纺丝沥青比生产用于普通碳纤维的纺丝沥青需要更复杂精细的技术。

本发明的方法适用于制备普通碳纤维所用的和高性能碳纤维所用的任一种纺丝沥青。但此方法特别适于制备生产高性能碳纤维的纺丝沥青。

当然，如上所述，本发明的方法可用于生产如电极，成形制品，粘结剂沥青等产品所用的高软化点沥青。

迄今为止，高性能碳纤维的主要来源一直是PAN基碳纤维，其生产是将聚丙烯腈纺丝，在氧化气氛中使之变为不熔，然后在惰性气氛中碳化或石墨化。然而，近年来发现了由沥青生产高性能碳纤维的方法，生产出的碳纤维其性能与PAN基碳纤维相当或甚至更优越。由于沥青是一种廉价原料，这种发现引起人们的极大注意，是一种以低成本制备高性能碳纤维的途径。

由重油经包括蒸馏、热处理、氢化等工艺生产沥青的方法是现有技术中已知的方法。所用的重油包括煤焦油、石脑油裂解中的副产物（石脑油焦油）、粗柴油裂解的副产物（热解焦油）或催化裂化副产物（倾析油），液化煤，拔顶或减压渣油。由上述工艺过程产生的沥青广泛地应用于制备碳产品。

由沥青制备高性能碳纤维时，纺丝沥青必须是以所称的中间相沥青作为其主要成分，这种沥青含有在偏振显微镜下观察呈光学各向异性的中间相物质。

所述中间相是重油或沥青在热处理时形成的一种液态晶体，其光学各向异性是由于热聚合的平面芳烃分子的附聚的层状结构。当这种中向相经熔融纺丝时，由于熔体在通过喷嘴时受到应力作用，平面芳烃分子按纤维轴的方向排列，这种定向结构将保持下去，不受后面的使之不熔的处理步骤和碳化步骤的干扰。因此可以得到定向性好的高性能碳纤维。相反，当使用不含中间相的各向同性沥青时，因为分子的平面结构发展不足，熔融沥青通过喷嘴时由应力作用不能充分产生定向性，从而使得纤维定向性差，强度低，即使进行不熔处理和碳化也是如此。因此，不力由沥青生产高性能碳纤维的已知方法都涉及到制备可纺成纤维的中间相沥青的方法。