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中间相沥青是高性能炭材料的基础原材料,主要应用于制备高性能沥青碳纤维、泡沫碳、针状焦等。其中高性能沥青碳纤维被广泛应用于航空航天、国防军工、新能源、热管理等领域,是不可或缺的军民两用材料。一般高性能炭材料要求原材料具有中间相含量高、软化点低、杂质含量少、热稳定性优异等特性。本文以萘、乙烯焦油为原料,氟化氢/三氟化硼乙醚络合物或三氟化硼乙醚络合物为催化剂,制备软化点适中,粘度较低的纺丝级中间相沥青。采用灰分、能谱、凝胶渗透色谱、热重分析、族组分分析、红外光谱、偏光显微镜、流变仪等分析方法,系统研究了齐聚沥青的工艺优化以及制备工艺、原料与中间相沥青结构与性能的相关性。同时,针对中试规模中间相沥青的制备进行工艺优化,重点考察了催化剂的回用、催化剂的脱除、中间相转化后的进一步热缩聚与脱挥等工艺的可靠性及对中间相沥青性能的影响。本论文具体开展的研究内容与得到的主要结论如下:1.以精萘为原料,氟化氢/三氟化硼乙醚络合物为催化剂,采用小试4 L两级反应釜进行催化聚合与中间相转化制备萘系中间相沥青,探究了原料性能指标、设备材质、聚合温度、催化剂配比、过滤条件等因素对萘系齐聚沥青与中间相沥青灰分和性能的影响。结果表明:精萘的水含量与硫含量会加剧蒙乃尔合金(Monel400)设备的腐蚀,造成齐聚沥青灰分增加,且灰分随着聚合温度(120-160℃)的升高而逐步增加(80-870ppm)。在160℃聚合时,设备的金属钝化层出现了明显点蚀和析晶现象,控制温度可以有效降低灰分至500ppm以下(优化其他条件,可稳定在350ppm),且合成的齐聚沥青的灰分主要含有铜、镍成分。采用聚丙烯毡(0.5μm)和聚四氟乙烯膜(0.22μm)组合过滤齐聚沥青的甲苯溶液,可以将灰分350ppm的齐聚沥青降低至10ppm以下,获得净化沥青。同时净化沥青仍然残留硼、氟离子,高温下(350-400℃)对蒙乃尔合金(Monel400)设备依旧会造成二次腐蚀造成物料污染,而采用哈氏合金(HC276),可以减缓中间相沥青灰分的增加。在此基础上,采用4:6:1的物料配比、140℃催化聚合反应时具有较低的反应压力,较高的沥青收率,所制备齐聚沥青结构与中间相转化效果都较好,并且所对应制备的中间相沥青具有更好的广域中间相结构以及更低的软化点(238℃)。2.以乙烯焦油为原料,采用1 L反应器进行三氟化硼乙醚催化聚合制备中间相沥青,并引入精萘控制反应,探究精萘质量分数、反应温度对反应体系压力的影响,并对比萘系中间相沥青进行中间相转化能力以及结构性能分析。结果表明:30wt%精萘的引入使反应压力由6MPa以上降低至2.3MPa,所得中间相沥青偏光结构也从各向同性组分转变为100%各向异性结构。相对于萘系中间相沥青,乙烯焦油系中间相沥青粘度偏高,聚合偏向迫位缩合,并含有更多的醚键,但同时含有较多的亚甲基与脂肪烃,可获得中间相含量100%流线型偏光结构且粘度适中的中间相沥青。采用乙烯焦油和30wt%精萘助剂催化合成的100%中间相结构沥青,可制备热导率730W/m?K的高导热型沥青基碳纤维。3.采用30L两级反应器进行中试规模催化聚合制备萘系中间相沥青,并采用专用设备去除催化剂、纯化、缩聚与脱挥。重点探究催化剂回用比例(对应补充量)和回用次数对反应压力、收率、甲苯不溶物、软化点、灰分、中间相转化能力等的影响;吹扫法与减压气提法、减粘剂对残余催化剂脱除的影响;曝气板结构对中间相沥青热稳定性与粘度的影响。结果表明:催化剂回用过程中,首次回用压力大幅上升,后续回用压力缓慢上升,但提高催化剂回用比例,回用14次,聚合压力可控制在3MPa以内,所得齐聚沥青质量基本稳定,灰分更低,所得中间相结构较好,且达到100%偏光各向异性结构对应软化点仍较低(248℃-252℃);采用吹扫法进行催化剂的去除,放大效应明显,需要在300℃吹扫24hr,减压气提法可明显提高催化剂去除效率,但也造成中间相沥青软化点的提高,中间相含量100%对应软化点为265-278℃,通过添加减粘剂(萘/甲基萘)可实现300℃减压气提4hr以及330℃减压气提1hr实现残余氟离子<20ppm,中间相含量100%对应软化点为253-260℃;优化设计了底部有曝气板的氮气吹扫脱挥反应釜,曝气板孔密度4孔/cm~2。与8mm氮气管直接吹扫相比,孔径0.1mm曝气板所制备相同软化点中间相沥青,335℃恒温3hr热失重由1.1628%降低至0.6936%,且高温粘度稍有降低。