一種富芳烴重質(zhì)油經(jīng)靜電紡絲制備高性能炭纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工與材料交叉領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一種由富芳烴重質(zhì)油經(jīng)靜電紡絲制備高性能炭纖維的方法。以富芳烴重質(zhì)油為原料，經(jīng)交聯(lián)合成富芳烴樹(shù)脂，富芳烴樹(shù)脂經(jīng)納米二氧化硅改性，合成改性樹(shù)脂。改性樹(shù)脂與聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，經(jīng)靜電紡絲制備出原絲纖維，原絲經(jīng)多巴胺溶液浸漬后，再經(jīng)預(yù)氧化、炭化，制得高電導(dǎo)率、高收率的炭纖維。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著原油的不斷開(kāi)采，原油不斷重質(zhì)化，同時(shí)煉化過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的重質(zhì)油，如何實(shí)現(xiàn)重質(zhì)油的高附加值利用，是現(xiàn)代煉化企業(yè)迫切解決的問(wèn)題之一。以重質(zhì)油為原料，合成的富芳烴樹(shù)脂流變性較好、分子結(jié)構(gòu)易控制且富含豐富的芳環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的炭纖維具有高導(dǎo)電性、高比表面積、直徑小、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用在電極、催化劑載體、物質(zhì)傳感器及過(guò)濾介質(zhì)等方面。但是，由于富芳烴樹(shù)脂在有機(jī)溶劑中的溶解度較低，造成紡絲溶液粘度低，達(dá)不到靜電紡絲的粘度要求；且原絲纖維軟化點(diǎn)較低，在纖維的預(yù)氧化過(guò)程中，原絲的熔融現(xiàn)象嚴(yán)重影響石油基炭纖維的制備。少量的高聚物分子在有機(jī)溶劑中有很好的相溶性，若能有效地增加電紡溶液的粘度，即可達(dá)到靜電紡絲的要求。多巴胺溶液可以在空氣的氧化作用下自聚形成粘附且高軟點(diǎn)的涂層，若能有效地解決預(yù)氧化過(guò)程中纖維的熔融問(wèn)題，不僅實(shí)現(xiàn)重質(zhì)油的高附加值利用，還降低了炭纖維的制備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種由富芳烴重質(zhì)油經(jīng)靜電紡絲制備高性能炭纖維的方法，以富芳徑重質(zhì)油為原料，經(jīng)三聚甲醛交聯(lián)、納米二氧化娃改性，合成改性富芳徑樹(shù)脂。改性富芳烴樹(shù)脂與聚乙烯吡咯烷酮配成混合溶液，經(jīng)靜電紡絲制備出原絲纖維，原絲浸漬多巴胺溶液后，經(jīng)預(yù)氧化、炭化制得炭纖維，其技術(shù)特點(diǎn)是其制備的步驟和工藝條件如下:
[0004](1)、將50g重質(zhì)油、6.5g三聚甲醛和2.5g對(duì)甲苯磺酸置于三口燒瓶?jī)?nèi)，在氮?dú)鈿夥障拢?30?140°C攪拌反應(yīng)4?5h，直到不能攪拌為止，結(jié)束反應(yīng)，得到富芳烴樹(shù)脂。將納米二氧化硅添加至甲苯中，超聲分散30min，然后將其移入150?160°C熔融的富芳烴樹(shù)脂中，反應(yīng)2h，得到改性富芳徑樹(shù)脂。其中，納米二氧化娃與富芳徑樹(shù)脂的質(zhì)量比為1:100?8:100 ；
[0005](2)、配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮的混合溶液，將改性富芳烴樹(shù)脂緩慢添加并超聲分散于混合溶液中，然后加入2?6wt.%的聚乙烯吡咯烷酮，混合溶液在40°C油浴中持續(xù)攪拌12h;其中，改性富芳烴樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10?25wt.% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)是相對(duì)于加入聚乙烯吡咯烷酮后的混合溶液而言)；
[0006](3)、混合溶液在靜電紡絲裝置下紡絲，操作條件如下:紡絲電壓18?25kV，推進(jìn)速度I?3ml/h，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速300?450r/min，極距12?20cm ；
[0007](4)、原絲在空氣氣氛中于120°C加熱I?2h，然后將其浸入多巴胺溶液中，在15?45°C水浴，有氧條件下緩慢攪拌浸漬48h，然后用蒸餾水沖洗，烘箱中60°C干燥；
[0008](5)、浸漬纖維在空氣氣氛中預(yù)氧化，以1°C /min的升溫速率升至130°C?160°C恒溫加熱2h，然后以1°C /min的升溫速率升至250°C?300°C恒溫加熱Ih ；
[0009](6)、預(yù)氧化纖維以5°C /min的升溫速率升至800?1000 °C，在氮?dú)鈿夥罩刑炕疘h,即可制得高電導(dǎo)率和高殘?zhí)柯实奶坷w維。
[0010]該石油基炭纖維具有很高的的電導(dǎo)率，PAN基炭纖維的電導(dǎo)率為2.19 S/cm，而所制石油基炭纖維在相應(yīng)的炭化溫度下電導(dǎo)率達(dá)33.3S/cm，是PAN基炭纖維的15倍。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例2制備的原絲纖維的掃描電鏡圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例3制備的炭化產(chǎn)物的掃描電鏡圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實(shí)施例4制備的石油基炭纖維的掃描電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)詳敘本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)。
[0015]實(shí)施例1
[0016]將50g重質(zhì)油、6.5g三聚甲醛和2.5g對(duì)甲苯磺酸置于三口燒瓶?jī)?nèi)，在氮?dú)鈿夥障拢?40°C攪拌反應(yīng)4?5h，直到不能攪拌為止，結(jié)束反應(yīng)，得到富芳徑樹(shù)脂。富芳徑樹(shù)脂開(kāi)始大量失重的溫度在260 °C左右，炭化至800 °C時(shí)，殘?zhí)恐禐?6.09wt.%。
[0017]以上述富芳烴樹(shù)脂為原料，將1.25g納米二氧化硅添加至50ml甲苯中，超聲分散30min，然后將其移入160°C熔融的富芳烴樹(shù)脂中，反應(yīng)2h，得到改性富芳烴樹(shù)脂。改性富芳烴樹(shù)脂開(kāi)始大量失重的溫度在310 °C左右，炭化至800 °C時(shí)，殘?zhí)恐禐?4.5wt.%。
[0018]以上述改性富芳烴樹(shù)脂為原料，配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮質(zhì)量比為8:2的混合溶液，將15wt.%的改性富芳烴樹(shù)脂緩慢加入并超聲分散于混合溶液中，然后在40°C油浴中持續(xù)攪拌12h ;混合溶液在靜電紡絲裝置下紡絲，操作條件如下:紡絲電壓22kV，推進(jìn)速度3ml/h，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速300r/min，極距15cm，靜電紡絲得到的是液滴，不是纖維。
[0019]實(shí)施例2
[0020]以實(shí)施例1中所得改性富芳烴樹(shù)脂為原料，配制氯仿和N-甲基吡咯烷酮質(zhì)量比為8:2的混合溶液，將15wt.%的改性富芳烴樹(shù)脂緩慢加入并超聲分散于混合溶液中，然后加A4wt.%的聚乙烯吡咯烷酮，在40°C油浴中持續(xù)攪拌12h ;混合溶液在靜電紡絲裝置下紡絲，操作條件如下:紡絲電壓22kV，推進(jìn)速度3ml/h，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速300r/min，極距15cm，靜電紡絲可以得到形貌較好的原絲纖維，如圖1所示。
[0021]實(shí)施例3
[0022]以實(shí)施例2中所得原絲纖維為原料，在空氣氣氛中于120°C下加熱2h，然后直接在空氣氣氛下以1°C /min的升溫速率升至140°C恒溫加熱2h，然后以1°C /min的升溫速率升至280°C恒溫加熱Ih得到預(yù)氧化纖維；預(yù)氧化纖維以5°C /min的升溫速率升至800°C，在氮?dú)鈿夥罩泻銣靥炕痩h，掃描電鏡未能觀察到炭纖維，如圖2所示。
[0023]實(shí)施例4
[0024]以實(shí)施例2中所得原絲纖維為原料，在空氣氣氛中于120°C下加熱2h，然后浸入3mg/ml、pH = 8.5的