煤焦油沥青基碳纤维热度不减 美国大学获180万美元资助

日前,美国肯塔基大学(University of Kentucky)应用能源研究中心(CAER)获得了美国能源部(DOE)的资金资助,用来支持该中心在煤焦油沥青基碳纤维及其在航空、汽车、运动器材和其他高性能材料领域的应用研究。该项目总投资180万美元,除了来自DOE的资助以外,其它费用由企业和高校承担。

CAER的研究者将煤焦油(来自钢铁工业焦炭生产的副产品)转变为中间相沥青(即液晶相沥青), 随后将其纺制成丝,并经高温处理制成碳纤维。肯塔基大学表示,如果该项目获得成功,这种新型沥青基碳纤维能将目前煤焦油沥青的价值提高5-55倍,并可将其应用于客车、轻型卡车等高刚度、轻量化复合材料的应用领域。

这项资助将支持中间相沥青基碳纤维原丝的多丝熔融纺丝工艺及其连续预氧化、碳化工艺的开发。CAER团队随后将利用该纤维的织物预制体进行复合材料制品的生产,并开发注塑用短切碳纤维增强热塑性复合材料。

该项目将由CAER的研究人员与美国Koppers公司和Materials Science公司的合作者共同完成。

肯塔基大学称其应用能源研究中心CAER是北美学术机构中最大的碳纤维生产装置所在地,该机构碳纤维研发方面的主要创新成果包括车载高压储氢气瓶的中空碳纤维研究等汽车轻量化项目。

煤焦油是一种高芳香度的碳氢化合物的复杂混合物,绝大部分为带侧链或不带侧链的多环、稠环化合物和含氧、硫、氮的杂环化合物, 并含有少量脂肪烃、环烷烃和不饱和烃,还夹带有煤尘、焦尘和热解炭。刚回收的煤焦油还含有5%左右的溶有多种无机盐和其他杂质的水分。由于有颗粒极细的热解炭的存在, 水分往往和油形成稳定的乳化液。煤焦油的绝大多数组分熔点较高, 但由于大量单体化合物互相溶解而形成低共溶混合物, 使煤焦油在常温下仍呈液体状态。煤焦油的许多组分还组成大量多元共沸体系, 给蒸馏分离造成很大困难。高温煤焦油含有1万多种化合物, 按化学性质可分为中性的烃类、酸性的酚类和碱性的吡啶、喹啉类化合物。1819年,英国人加登 (Garden) 和布兰德 (Brand) 在煤焦油中发现了萘, 这是在煤焦油中发现的第一个化合物。以后主要是英国和德国的科学家又相继发现了蒽、酚、苯胺、喹啉、吡啶、芘和䓛等。到1972年已鉴定出480种化合物,其含量共占煤焦油质量的55%,其中中性化合物174种,酸性化合物63种,碱性化合物113种,其余为稠环和含氧、硫的杂环化合物。

沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料,通过聚合、纺丝、不熔化、碳化处理制备的一类碳纤维,按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维,前者由各向同性沥青制备,又称各向同性沥青级碳纤维,后者由中间相沥青出发制备,故又称为中间相沥青级碳纤维。

制备沥青碳纤维时,首先要将沥青进行熔融纺丝。熔融纺丝可用喷吹、离心或挤压等方法。喷吹法在熔体流入喷丝头出口处时,喷吹热空气使之与纤维成一定的角度进行牵伸,可制得短沥青纤维。离心法是将熔体落在高速旋转的离心机内,利用离心力的作用使熔体分散牵伸成沥青短纤维。挤压法是将沥青熔体用泵或氮气压力送入纺丝主体,通过剪切力和牵伸力的作用使沥青的稠环芳烃片层大分子沿纤维轴向取向排列。纺丝工艺参数根据沥青的流变性能及要求而定,通常纺丝温度高于软化点30～100 ℃,纺丝压力最高达几个兆帕,卷绕速度为几十到1000 m/min。

沥青的熔纺与一般的高分子不同,它在极短的时间内固化后就不能再进行牵伸,得到的沥青纤维十分脆弱,因此在纺丝时就要求能纺成直径较细的低纤度纤维,以提高最终碳纤维的强度。沥青的粘弹性与高分子也有本质上的差别,其熔融粘度与剪切速率的关系均随沥青的物性和温度而变化。为得到高性能的碳纤维,在纺丝时还必须控制分子沿纤维轴和纤维截面的取向,分子结晶大小及分子填充密度等,因为沥青在熔纺后形成的纤维结构在其碳化过程中不再有大的变化,碳纤维的结构是熔纺时形成结构的反映。

影响沥青纤维微观结构的因素很多,如纺丝温度、压力、喷丝孔径、卷绕速度等。由于中间相沥青的粘度对温度的敏感性,因此控制纺丝温度显得特别重要。牵伸是沥青形成择优取向的必要条件,牵伸比越大,取向度越高。