本發(fā)明公開了一種脫蠟瀝青碳纖維的制備方法，屬于瀝青碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特種纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為230～430Gpa亦高于鋼，其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電與導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，是航空航天工業(yè)中不可缺少的工程材料，另在交通、機(jī)械、體育娛樂、休閑用品、醫(yī)療衛(wèi)生和土木建筑方面也有廣泛應(yīng)用，這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。

瀝青中含有一定的石蠟，含量愈多，其粘結(jié)性和耐熱性愈差。普通石油瀝青中的含蠟量較高，但軟化點(diǎn)與達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)的溫度差值卻很小，當(dāng)溫度加到軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青已接近流動(dòng)狀態(tài)，因此，施工后容易產(chǎn)生流淌現(xiàn)象，所以在建筑防水工程中，一般不宜直接采用或單獨(dú)使用多蠟瀝青，.如果不加處理使用，將會(huì)發(fā)生粘結(jié)不牢、流淌、易老化等缺點(diǎn)，必須采用一定的技術(shù)處理，去掉所含的蠟，改善其性能后才能使用，其主要處理方法如下：

（1）氯鹽處理法：在進(jìn)行處理時(shí)，先將高蠟瀝青放人鍋內(nèi)加熱熔化至瀝青脫水，溫度一般控制在220～24O℃。脫水后的瀝青在260～28O℃溫度及不斷攪拌下，加人預(yù)先稱好的粉狀氯鹽，這時(shí)出現(xiàn)大量的氣泡，表示氯鹽和瀝青的化學(xué)反應(yīng)在進(jìn)行，然后保溫0.5～1h左右，泡沫消失后即可使用；

（2）高溫吹氧法：瀝青脫水后，加熱至250～300℃，吹入空氣，使蠟分氧化和蒸發(fā)，吹氧時(shí)間一般為2～6h；

（3）減壓蒸提法：在加熱的石汕瀝青（300℃）中通入高壓水蒸氣（350℃），使熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低的石蠟和油質(zhì)分子與水蒸氣的分了相互發(fā)生作用，隨著蒸汽從瀝青里分餾出來。該法的缺點(diǎn)是脫蠟處理后的瀝青，性能得到改善，但軟化點(diǎn)降低，必須重新經(jīng)過氧化處理，以提高其軟化點(diǎn)；

（4）溶劑脫蠟法：是工業(yè)上常采用的方法。用選擇性的溶劑，如液態(tài)丙烷、甲乙酮等溶解油蠟質(zhì)，冷卻使蠟質(zhì)結(jié)晶析出，過濾后所得的疏松蠟質(zhì)再進(jìn)一步精制。丙烷或甲乙酮等回收使用；

（5）混合處理法：在多蠟瀝青中摻入一定比例的石油瀝青或天然瀝青，混合熔化攪拌均勻，以增加瀝青質(zhì)含量，相對減少石蠟含量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題：針對目前普通石油瀝青中含有大量的石蠟，導(dǎo)致所制得的碳纖維使用時(shí)易老化開裂，機(jī)械強(qiáng)度不高，而傳統(tǒng)除蠟方法，雖使得瀝青性能得到改善，但軟化點(diǎn)降低的現(xiàn)狀，提供了一種將制得的脫蠟瀝青液放入紡絲機(jī)噴絲料筒中，通入氮?dú)?，置換出空氣后，加熱攪拌并啟動(dòng)熔融紡絲機(jī)，噴絲成型得瀝青纖維，轉(zhuǎn)入炭化爐中，經(jīng)兩次碳化出料，從而得到脫蠟瀝青碳纖維的制備方法。該方法獨(dú)特新穎，反應(yīng)溫和，在制備的過程中無需特殊儀器，簡化工藝的同時(shí)降低了瀝青中的石蠟含量，使得制得的瀝青碳纖維機(jī)械強(qiáng)度提高，使用時(shí)不易老化開裂，可大規(guī)模推廣應(yīng)用。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

（1）分別稱取1～2kg大米和0.5～1.0kg大豆，用去離子水洗滌3～5次，放入蒸籠中，在90～95℃條件下蒸煮20～30min后，平鋪于菠蘿篩中，自然冷卻至45～55℃，轉(zhuǎn)入盛有1～2L去離子水的密封發(fā)酵罐中，再向其中加入5～8g酵母粉，用玻璃棒攪拌10～20min后，將發(fā)酵罐密封，發(fā)酵8～10天，離心分離，收集上清液；

（2）稱取6～8kg固態(tài)瀝青，加入帶攪拌鐵質(zhì)容器中，加熱至210～220℃，使其熔融，再以4～6mL/min速率向熔融瀝青中通入壓縮空氣，隨后啟動(dòng)攪拌器，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600～800r/min，在攪拌狀態(tài)下，依次加入50～60mL機(jī)油和200～300mL上述所得上清液，再以2℃/min速率逐步升溫至280～300℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)30～40min后，出料，得脫蠟瀝青液；

（3）將上述所得脫蠟瀝青液轉(zhuǎn)入熔融紡絲機(jī)噴絲料筒中，以3～5mL/min速率向料筒中通入氮?dú)猓敝林脫Q出所有空氣，啟動(dòng)加熱器，使料筒中脫蠟瀝青液升溫至320～360℃，再以500～700r/min轉(zhuǎn)速攪拌20～30min，待攪拌結(jié)束，啟動(dòng)熔融紡絲機(jī)，將脫蠟瀝青液用輸液泵擠出后由噴絲口噴出，經(jīng)凝固浴后，成型，以無序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；

（4）將上述所得瀝青纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，先以3～5mL/min速率向炭化爐內(nèi)通入氮?dú)?，并置換出所有空氣，再以4～6℃/min的速率逐步升溫至420～480℃，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下炭化30～50min，再以8～12℃/min的速率升溫至1100～1200℃，繼續(xù)炭化40～60min，炭化結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，出料，即得脫蠟瀝青碳纖維。

所述的凝固浴是以硫酸和硫酸鈉按質(zhì)量比為7:2配成的水溶液。

本發(fā)明的原理是：本發(fā)明稱取大米和大豆，蒸煮加入酵母粉進(jìn)行發(fā)酵，取上清液與固態(tài)瀝青混合，通入壓縮空氣，氧化瀝青中的蠟質(zhì)成分，再配合加入機(jī)油和發(fā)酵上清液溶解，與瀝青液混合，溶解瀝青中的蠟質(zhì)成分，當(dāng)升溫至280～300℃時(shí)，使蠟質(zhì)成分隨其一起蒸發(fā)，從而使瀝青中的蠟質(zhì)成分進(jìn)一步降低。

本發(fā)明的應(yīng)用方法是：將100～200g本發(fā)明制得的脫蠟瀝青碳纖維和1～2L管道專用水性涂料混合均勻，之后按0.1～0.2cm的厚度，均勻涂抹于管道內(nèi)壁，涂抹結(jié)束，自然晾干即可，不僅可以增強(qiáng)管道的耐磨性，而且可以提高管道的防腐性，使管道使用壽命延長2倍以上，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明方法獨(dú)特新穎，反應(yīng)溫和，在制備的過程中無需特殊儀器，簡化工藝的同時(shí)降低了瀝青中的石蠟含量；

（2）本發(fā)明最終使得制得的瀝青碳纖維使用時(shí)粘結(jié)度牢、不易老化、不易流淌，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

具體實(shí)施方式

首先分別稱取1～2kg大米和0.5～1.0kg大豆，用去離子水洗滌3～5次，放入蒸籠中，在90～95℃條件下蒸煮20～30min后，平鋪于菠蘿篩中，自然冷卻至45～55℃，轉(zhuǎn)入盛有1～2L去離子水的密封發(fā)酵罐中，再向其中加入5～8g酵母粉，用玻璃棒攪拌10～20min后，將發(fā)酵罐密封，發(fā)酵8～10天，離心分離，收集上清液；然后稱取6～8kg固態(tài)瀝青，加入帶攪拌鐵質(zhì)容器中，加熱至210～220℃，使其熔融，再以4～6mL/min速率向熔融瀝青中通入壓縮空氣，隨后啟動(dòng)攪拌器，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600～800r/min，在攪拌狀態(tài)下，依次加入50～60mL機(jī)油和200～300mL上述所得上清液，再以2℃/min速率逐步升溫至280～300℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)30～40min后，出料，得脫蠟瀝青液；接下來將上述所得脫蠟瀝青液轉(zhuǎn)入熔融紡絲機(jī)噴絲料筒中，以3～5mL/min速率向料筒中通入氮?dú)?，直至置換出所有空氣，啟動(dòng)加熱器，使料筒中脫蠟瀝青液升溫至320～360℃，再以500～700r/min轉(zhuǎn)速攪拌20～30min，待攪拌結(jié)束，啟動(dòng)熔融紡絲機(jī)，將脫蠟瀝青液用輸液泵擠出后由噴絲口噴出，經(jīng)凝固浴后，成型，以無序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；最后將上述所得瀝青纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，先以3～5mL/min速率向炭化爐內(nèi)通入氮?dú)?，并置換出所有空氣，再以4～6℃/min的速率逐步升溫至420～480℃，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下炭化30～50min，再以8～12℃/min的速率升溫至1100～1200℃，繼續(xù)炭化40～60min，炭化結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，出料，即得脫蠟瀝青碳纖維。其中所述的凝固浴是以硫酸和硫酸鈉按質(zhì)量比為7:2配成的水溶液。

實(shí)例1

首先分別稱取1kg大米和0.5kg大豆，用去離子水洗滌3次，放入蒸籠中，在90℃條件下蒸煮20min后，平鋪于菠蘿篩中，自然冷卻至45℃，轉(zhuǎn)入盛有1L去離子水的密封發(fā)酵罐中，再向其中加入5g酵母粉，用玻璃棒攪拌10min后，將發(fā)酵罐密封，發(fā)酵8天，離心分離，收集上清液；然后稱取6kg固態(tài)瀝青，加入帶攪拌鐵質(zhì)容器中，加熱至210℃，使其熔融，再以4mL/min速率向熔融瀝青中通入壓縮空氣，隨后啟動(dòng)攪拌器，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600r/min，在攪拌狀態(tài)下，依次加入50mL機(jī)油和200mL上述所得上清液，再以2℃/min速率逐步升溫至280℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)30min后，出料，得脫蠟瀝青液；接下來將上述所得脫蠟瀝青液轉(zhuǎn)入熔融紡絲機(jī)噴絲料筒中，以3mL/min速率向料筒中通入氮?dú)猓敝林脫Q出所有空氣，啟動(dòng)加熱器，使料筒中脫蠟瀝青液升溫至320℃，再以500r/min轉(zhuǎn)速攪拌20min，待攪拌結(jié)束，啟動(dòng)熔融紡絲機(jī)，將脫蠟瀝青液用輸液泵擠出后由噴絲口噴出，經(jīng)凝固浴后，成型，以無序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；最后將上述所得瀝青纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，先以3mL/min速率向炭化爐內(nèi)通入氮?dú)?，并置換出所有空氣，再以4℃/min的速率逐步升溫至420℃，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下炭化30min，再以8℃/min的速率升溫至1100℃，繼續(xù)炭化40min，炭化結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，出料，即得脫蠟瀝青碳纖維。

本實(shí)例操作簡便，使用時(shí)，將100g本發(fā)明制得的脫蠟瀝青碳纖維和1L管道專用水性涂料混合均勻，之后按0.1cm的厚度，均勻涂抹于管道內(nèi)壁，涂抹結(jié)束，自然晾干即可，不僅可以增強(qiáng)管道的耐磨性，而且可以提高管道的防腐性，使管道使用壽命延長2倍以上，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

實(shí)例2

首先分別稱取1.5kg大米和0.8kg大豆，用去離子水洗滌4次，放入蒸籠中，在93℃條件下蒸煮25min后，平鋪于菠蘿篩中，自然冷卻至50℃，轉(zhuǎn)入盛有1.5L去離子水的密封發(fā)酵罐中，再向其中加入7g酵母粉，用玻璃棒攪拌15min后，將發(fā)酵罐密封，發(fā)酵9天，離心分離，收集上清液；然后稱取6～8kg固態(tài)瀝青，加入帶攪拌鐵質(zhì)容器中，加熱至215℃，使其熔融，再以5mL/min速率向熔融瀝青中通入壓縮空氣，隨后啟動(dòng)攪拌器，設(shè)定轉(zhuǎn)速為700r/min，在攪拌狀態(tài)下，依次加入55mL機(jī)油和250mL上述所得上清液，再以2℃/min速率逐步升溫至290℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)35min后，出料，得脫蠟瀝青液；接下來將上述所得脫蠟瀝青液轉(zhuǎn)入熔融紡絲機(jī)噴絲料筒中，以4mL/min速率向料筒中通入氮?dú)?，直至置換出所有空氣，啟動(dòng)加熱器，使料筒中脫蠟瀝青液升溫至350℃，再以600r/min轉(zhuǎn)速攪拌25min，待攪拌結(jié)束，啟動(dòng)熔融紡絲機(jī)，將脫蠟瀝青液用輸液泵擠出后由噴絲口噴出，經(jīng)凝固浴后，成型，以無序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；最后將上述所得瀝青纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，先以4mL/min速率向炭化爐內(nèi)通入氮?dú)?，并置換出所有空氣，再以5℃/min的速率逐步升溫至450℃，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下炭化40min，再以10℃/min的速率升溫至1150℃，繼續(xù)炭化50min，炭化結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，出料，即得脫蠟瀝青碳纖維。

本實(shí)例操作簡便，使用時(shí)，將150g本發(fā)明制得的脫蠟瀝青碳纖維和1.5L管道專用水性涂料混合均勻，之后按0.15cm的厚度，均勻涂抹于管道內(nèi)壁，涂抹結(jié)束，自然晾干即可，不僅可以增強(qiáng)管道的耐磨性，而且可以提高管道的防腐性，使管道使用壽命延長2倍以上，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

實(shí)例3

首先分別稱取2kg大米和1.0kg大豆，用去離子水洗滌5次，放入蒸籠中，在95℃條件下蒸煮30min后，平鋪于菠蘿篩中，自然冷卻至55℃，轉(zhuǎn)入盛有2L去離子水的密封發(fā)酵罐中，再向其中加入8g酵母粉，用玻璃棒攪拌20min后，將發(fā)酵罐密封，發(fā)酵10天，離心分離，收集上清液；然后稱取8kg固態(tài)瀝青，加入帶攪拌鐵質(zhì)容器中，加熱至220℃，使其熔融，再以6mL/min速率向熔融瀝青中通入壓縮空氣，隨后啟動(dòng)攪拌器，設(shè)定轉(zhuǎn)速為800r/min，在攪拌狀態(tài)下，依次加入60mL機(jī)油和300mL上述所得上清液，再以2℃/min速率逐步升溫至300℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)40min后，出料，得脫蠟瀝青液；接下來將上述所得脫蠟瀝青液轉(zhuǎn)入熔融紡絲機(jī)噴絲料筒中，以5mL/min速率向料筒中通入氮?dú)猓敝林脫Q出所有空氣，啟動(dòng)加熱器，使料筒中脫蠟瀝青液升溫至360℃，再以700r/min轉(zhuǎn)速攪拌30min，待攪拌結(jié)束，啟動(dòng)熔融紡絲機(jī)，將脫蠟瀝青液用輸液泵擠出后由噴絲口噴出，經(jīng)凝固浴后，成型，以無序狀排列在收集板上，得到瀝青纖維；最后將上述所得瀝青纖維轉(zhuǎn)入炭化爐，先以5mL/min速率向炭化爐內(nèi)通入氮?dú)?，并置換出所有空氣，再以6℃/min的速率逐步升溫至480℃，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下炭化50min，再以12℃/min的速率升溫至1200℃，繼續(xù)炭化60min，炭化結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，出料，即得脫蠟瀝青碳纖維。

本實(shí)例操作簡便，使用時(shí)，將200g本發(fā)明制得的脫蠟瀝青碳纖維和2L管道專用水性涂料混合均勻，之后按0.2cm的厚度，均勻涂抹于管道內(nèi)壁，涂抹結(jié)束，自然晾干即可，不僅可以增強(qiáng)管道的耐磨性，而且可以提高管道的防腐性，使管道使用壽命延長2倍以上，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。