煤的热溶萃取物制备碳纤维研究

The technology development of carbon fiber production in China is a little behindhand. Around 90% of the carbon fiber consumed in China is imported. Shanxi province is abundant in various types of coals. Efficient and high value-added utilization of coal is urgent in Shanxi province. Coal-based carbon fiber production should be one of the best ways for the coal utilization in Shanxi province. The applicant has proposed a method for multi-stage separation of coal by thermal dissolution. The extract molecules are formed by aromatics linked by aliphatic chain, free from moisture and ash, and thermoplastic. This method has the advantages of mild condition, simple process and low cost. The applicant and partner have already prepared carbon fiber by using this extract, preliminarily. But the thermal dissolution, spinning and stabilization of spun fiber need to be further investigated and optimized. The main objective of this project is to prepare a new carbon fiber precursor and obtain the carbon fiber having acceptable performance. This project will be implemented basing on the previous work. There is not report related to this method up to now. The applicant and the partner already have long term collaboration on this research work. So, this project is proved to be rather feasible.

我国碳纤维技术发展较晚, 国内碳纤维用量的90％左右依靠进口。山西煤炭资源丰富且煤种齐全，煤基碳纤维可能是山西煤炭发展的重要方向之一。当今国内外关于碳纤维的研究热点之一即为探索低成本的碳纤维原料。申请人提出了一种“煤的热溶萃取-多级分离”方法，利用此方法获得的煤萃取物兼具稠环芳烃和链状分子结构特征、无水无灰，且具有热塑性，可以作为碳纤维前驱体使用。本方法处理条件温和、工艺简单且成本低。申请人和合作人在前期的研究工作中已经成功地制备出了碳纤维。但是萃取工艺条件、纺丝、原丝的不熔化处理等过程还需要进一步优化和深入研究。本项是在前期工作基础上对煤热溶物制备碳纤维的深入研究，最终目标是制备一种新型的碳纤维前驱体，并获得中高性能的功能性碳纤维。至今为止，此方法在国内外尚无相关报道。申请人和合作人在本研究方面已经有多年的合作基础，前期研究结果也已经证明本项目的可行性较高。

我国碳纤维技术发展较晚, 国内碳纤维用量的90％左右依靠进口。山西煤炭资源丰富且煤种齐全，煤基碳纤维可能是山西煤炭发展的重要方向之一。当今国内外关于碳纤维的研究热点之一即为探索低成本的碳纤维原料。基于此，本项目在申报人前期煤的热溶萃取研究的基础上，探索了热溶萃取条件对煤萃取物化学结构及组成、软化点等关键特性参数的影响规律研究，并开拓性地提出了生物质废弃物的“热溶富碳”方法。然后，采用煤及生物质的萃取产物为前驱体，制备了微米级和纳米碳纤维。并对整个反应过程及机理做了较详细考察。结果发现，煤种的H/C比与萃取率有一定的相关性；煤中的水分可促进煤中含氧官能团的断裂，含水煤的萃取收率高于干燥煤；萃取物的灰含量极低。煤基低分子量萃取物收率在350℃时率达到33.48%，脱氧提质效果随着萃取温度的提高而提高。生物质“热溶富碳”产物的碳含量分别高达82.36%；另外，本研究也建立了生物质“热溶富碳”反应机理和反应动力学模型。煤及生物质的萃取物具备高碳含量、低氧含量、几乎无灰且具备良好的热塑性，非常适合做为前驱体应用于制备碳纤维。获得的前驱体通过熔融纺丝制备的结构增强用碳纤维平均模量达到30GPa；以此种方法获得的前驱体通过静电纺丝制备的纳米级碳纤维比表面积可达714.24m2/g，R值可达到1.46；通过静电纺丝制备的煤基活性碳纤维比表面积可达1005m2/g，R值可达到1.38；萃取后残渣可用于制备活性炭，所得的活性炭的比表面积可达到2216 m2/g，比容积可达到1.170 cm3/g。采用层间喷涂法制备了GR/CF/PEEK 复合材料，弯曲强度和弯曲模量分别达到1512.3 MPa、73.6 GPa。所以，本项目不仅提出了一种新型的煤和生物质基碳纤维制备方法，也为我国煤和生物质的高附加值利用提供了一条新途径。