瀝青組合物及其相關方法與流程

本發明涉及瀝青組合物及其制造方法和用途，更特別地涉及受控的瀝青組合物性質。

背景技術：

1、瀝青是一種含碳原料，其可以分類為各向同性瀝青或中間相瀝青。各向同性瀝青和中間相瀝青均可以為芳香族分子的復雜混合物；然而，各向同性瀝青中的芳香族分子是隨機取向的，而在中間相瀝青中，這些芳香族分子的至少一部分是有序的。中間相瀝青可以具有包含所述有序的芳香族分子(例如，各向異性區域)和各向同性區域的異質兩相結構。通常，各向同性瀝青形成先于中間相瀝青形成。除非另有說明，否則兩種類型的瀝青在本文中統稱為“瀝青”。

2、瀝青可由石油、煤焦油、生物質焦油制造，或由例如小分子(例如，萘)原料的酸催化低聚制造。瀝青的典型化學成分包括但不限于：烷烴、環烷烴、芳烴、氫化芳烴、酚、烯烴、酮、羧酸、含硫化合物、含氧化合物和含氮化合物。這些成分取決于起始原料和工藝條件。

3、瀝青用于多種產品應用，例如碳纖維、粘合劑瀝青、浸漬瀝青等。瀝青的主要市場包括但不限于：用于高性能和通用碳纖維、耐火材料、碳/碳復合材料、合成石墨和石墨部件的瀝青；用于電極的粘合劑和浸漬瀝青；粘合劑和浸漬鋁制造陽極和陰極；用于鋼電弧爐電極的浸漬瀝青；用于鋰離子電池用負極的中間相碳微珠；用于傳熱應用12,13和吸音器的碳泡沫；屋頂產品；潤滑劑；消費品(例如，化妝品)；等。

4、鑒于瀝青的化學多樣性，瀝青性質至少取決于但不限于其原料、制造(例如，熱解)和分離(例如，蒸餾)條件。根據特定的最終用途，指定不同的瀝青性質，并且具有其自身獨特的可接受的規格值范圍，例如但不限于軟化點、微殘碳量、中間相百分比(%)和其它可適用性質的值范圍。然而，目前不存在預測和控制這些性質的方法，并且獲得適合于特定最終用途的瀝青性質規格的典型手段僅僅是基于反復試驗(trial-and-error)和以往經驗，至少在制造時間和原材料(例如，瀝青材料)方面需要大量成本。事實上，這種反復試驗方法需要在多種不同條件和產品性質上進行多組實驗，才能實現所期望的瀝青性質。花費大量的研究和開發努力，以確定適當的原料和工藝，從而制成某些商用瀝青如ashland?a240，以及合適的瀝青共混物例如粘合劑瀝青，當瀝青原料不變時，證實這些是站不住腳的。此外，這種反復試驗的方法沒有考慮瀝青組成，只有在瀝青組成幾乎保持不變的情況下才有效。如果新型瀝青產品如用于基礎設施應用的碳纖維復合材料需要大批量市場，則原料變化性是不可避免的，因此瀝青組成也不斷變化，這使得反復試驗方法更加令人反感。

5、因此，迫切期望一種能夠實現具有定制的和可再現的性質的受控的瀝青組合物的制造方法。

技術實現思路

1、在本發明的非限制性方面中，組合物包含瀝青組合物，所述瀝青組合物具有在約0.4至約0.8范圍內的a因子和/或在約0.3至約1.3范圍內的芳香度中的一種或兩種。

2、在本發明的非限制性方面中，提供了一種方法，所述方法包括：使至少來自第一瀝青進料的第一瀝青組合物和來自第二瀝青進料的第二瀝青組合物熱解；其中第一瀝青組合物和第二瀝青組合物的熱解是分開進行的。獲得至少第一瀝青組合物的第一紅外光譜，并基于(1)第一紅外光譜和校準曲線或者(2)第一紅外光譜和化學計量建模來選擇至少一個第一紅外參數。獲得至少第二瀝青組合物的第二紅外光譜，并基于(1)第二紅外光譜和校準曲線或者(2)第二紅外光譜和化學計量建模來選擇至少一個第二紅外參數。所選擇的第一和第二紅外參數是在約0.4至約0.8范圍內的a因子和/或在約0.3至約1.3范圍內的芳香度中的至少一種或兩種，并且將第一和第二瀝青組合物以實現所選擇的第一和第二紅外參數的比例共混，從而形成共混瀝青組合物。

3、在本發明的非限制性方面中，提供了一種方法，所述方法包括擠出瀝青組合物以制造生的碳纖維(green?carbon?fiber)，此后，穩定化擠出的瀝青組合物。該穩定化包括獲得所述擠出的瀝青組合物的紅外光譜，并基于(1)第一紅外光譜和校準曲線或者(2)第一紅外光譜和化學計量建模來選擇至少一個紅外參數，其中至少一個紅外參數至少是a因子和芳香度。基于至少一個紅外參數停止穩定化。

4、用于制造本發明的具有定制的和可再現的性質的瀝青組合物的所公開的方法的這些和其它特征和屬性，及其有利應用和/或用途將從以下具體實施方式中顯而易見。

技術特征：

1.一種組合物，所述組合物包含：

2.根據權利要求1所述的組合物，其中所述a因子在約0.6至約0.8范圍內，并且所述芳香度在約0.3至約0.6范圍內。

3.根據權利要求1或權利要求2所述的組合物，所述組合物還包含在約90℃至約150℃范圍內的軟化點和以體積計小于約20%的中間相。

4.根據權利要求1所述的組合物，其中所述a因子在約0.4至約0.6范圍內，并且所述芳香度在約0.5至約0.8范圍內。

5.根據權利要求1、2或4中任一項所述的組合物，所述組合物還包含在約250℃至約350℃范圍內的軟化點和以體積計大于約30%的中間相。

6.根據權利要求1、2或4中任一項所述的組合物，所述組合物還包含在約150℃至約350℃范圍內的軟化點和以體積計大于約50%的中間相。

7.根據權利要求1所述的組合物，其中所述瀝青組合物由至少包含第一瀝青組合物和第二瀝青組合物的瀝青共混物構成。

8.一種方法，所述方法包括：

9.根據權利要求8所述的方法，其中選擇的第一紅外參數和選擇的第二紅外參數還包括在約90℃至約150℃范圍內的軟化點和以體積計小于約20%的中間相。

10.根據權利要求8所述的方法，其中選擇的第一紅外參數和選擇的第二紅外參數還包括在約250℃至約350℃范圍內的軟化點和以體積計大于約30%的中間相。

11.根據權利要求8所述的方法，其中選擇的第一紅外參數和選擇的第二紅外參數還包括在約150℃至約350℃范圍內的軟化點和以體積計大于約50%的中間相。

12.根據權利要求8-11中任一項所述的方法，所述方法還包括用所述共混瀝青紡絲或制造碳纖維和/或碳纖維復合材料中的一種或兩種。

13.根據權利要求8-11中任一項所述的方法，所述方法還包括用所述共混瀝青制造中間相碳微珠、石墨和/或針狀焦炭中的一種或多種。

14.根據權利要求8所述的方法，所述方法還包括：

15.根據權利要求14所述的方法，其中所述熱解還包括在約200℃至約600℃范圍內的溫度下，并在大于0.3?psi的壓力下使所述第一瀝青進料和所述第二瀝青進料與反應性氣體接觸，從而制造包含所述第一瀝青組合物的第一瀝青流出物和包含所述第二瀝青組合物的第二瀝青流出物。

16.根據權利要求15所述的方法，所述方法還包括：

17.根據權利要求15或權利要求16所述的方法，其中所述反應性氣體選自氫氣、空氣、氧氣、臭氧、過氧化氫、一氧化碳、二氧化碳、甲酸、二氧化氮及它們的任意組合。

18.一種方法，所述方法包括：

19.根據權利要求18所述的方法，其中通過噴絲頭擠出所述瀝青組合物，并且所述方法還包括在所述穩定化之前纏繞擠出的瀝青組合物，其中所述穩定化是用反應性氣體進行的。

20.根據權利要求18所述的方法，其中所述擠出包括通過擠出模具吹制所述瀝青組合物。

21.根據權利要求18-20中任一項所述的方法，其中所述反應性氣體選自氫氣、空氣、氧氣、臭氧、二氧化氮、過氧化氫、一氧化碳、二氧化碳、甲酸及它們的任意組合。

22.根據權利要求18-21中任一項所述的方法，其中選擇的至少一個紅外參數是a因子和芳香度中的至少一種或兩種，并且當所述a因子在約0.4至約0.8范圍內和/或所述芳香度在約0.3至約1.3范圍內時停止所述穩定化。

技術總結
具有受控的瀝青組合物性質的瀝青組合物及其制造方法和用途。基于紅外結構參數預測瀝青性質，并且可以共混兩種或更多種瀝青組合物以實現所期望的瀝青性質，包括軟化點、微殘碳量、氫碳比和瀝青揮發物百分比。此外，預測這些性質可以有助于用于碳纖維的可紡瀝青、中間相碳微珠、用于碳/碳復合材料的基質以及其它瀝青衍生碳產品的制造的最終用途優化。

技術研發人員：大衛·L·珀金斯,斯圖亞特·E·史密斯,內維爾·帕特爾,克拉倫斯·E·查斯,莫貝·阿芙沃爾基
受保護的技術使用者：埃克森美孚技術與工程公司
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21