[發明專利]一種高導熱中間相瀝青基碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201911039222.3
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN110629326B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 馬兆昆;張型偉;宋懷河
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/15
• 分類號: D01F9/15;D01F1/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種高導熱中間相瀝青基碳纖維的制備方法，屬于新型碳纖維生產技術領域。該方法是使用優質中間相瀝青作為原料制備的高導熱碳纖維。這種優質中間相瀝青是由精制煤瀝青與少量石墨烯混合均勻，得到混合粉末，然后將混合粉末和供氫試劑放入高溫高壓反應釜中進行直接熱縮聚而制得。本發明制備的高導熱中間相瀝青基碳纖維擁有無規狀或折疊放射狀或整體無序而局部有序的截面結構，無劈裂現象產生，具有較高的力學性能和傳熱導電性能。

技術領域

本發明涉及一種高性能中間相瀝青基碳纖維的制備方法，其特征在于高導熱中間相瀝青基碳纖維擁有無規狀或折疊放射狀或整體無序而局部有序的截面結構，無劈裂現象產生，具有較高的力學性能和傳熱導電性能，屬于新型碳纖維生產技術領域。

背景技術

中間相瀝青基碳纖維(MPCFs)因其低密度、高模量、高熱/電導率等優異性能被廣泛應用于航天、航空、國防、電子器件、高端工業裝備等多個領域。但是中間相瀝青在紡絲過程中，更容易形成徑向輻射狀的截面織構。理論上講，這種織構由于取向度高，更有利于制備高導熱的碳纖維。然而，徑向輻射狀結構的纖維高溫處理時因圓心處收縮應力集中而產生楔形劈裂，造成MPCFs性能下降。改變MPCFs的截面結構，避免楔形劈裂結構的產生是提高其各項性能的重要要求。

目前許多研究人員嘗試了將炭黑[R.M.Alway-Cooper,et al.Carbon blackmodification of mesophase pitch-based carbon fibers[J].Carbon,2013,59:40-48.]、碳納米管[T.Cho,et al.Structure of carbon fiber obtained from nanotube-reinforced mesophase pitch[J].Carbon,2003,41:1419-1424.]以及硅[L.Wang,etal.Structure of silicon-modified mesophase pitch-based graphite fibers[J].Carbon,2015,94:335-341.]等納米材料添加到中間相瀝青中進行紡絲來改變MPCFs的截面結構。雖然這些納米材料的添加可以有效地改變碳纖維的截面結構，但是這些納米材料的結構與中間相瀝青分子最后形成的平面碳層結構有很大差異，容易造成缺陷而降低碳纖維的最終性能。發明專利CN108611701A、CN103320901A、CN108456950A、CN108221090A以及CN108624993A都提到了將石墨烯和中間相瀝青混合來制備無劈裂的高導熱中間相瀝青基碳纖維。石墨烯作為一種二維的新型碳材料，擁有與中間相瀝青分子相似的平面結構，在紡絲和熱處理過程中可以通過π-π相互作用緊密結合，在改變碳纖維截面結構的同時可以最大程度的保證碳纖維的性能不受影響。

直接將石墨烯添加到凈化煤焦油瀝青中來制備中間相瀝青，進而用這種本身就含有石墨烯的中間相瀝青來生產高導熱碳纖維的方法尚無人研究。這種方法中的石墨烯直接參與了中間相瀝青的產生及發展，與中間相瀝青分子結合更緊密。在碳纖維的制備過程中不僅可以改變其截面結構，還可以誘導生成更大尺寸的石墨晶體，增加其導熱性能。同時也節省了熔融紡絲前的準備過程。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種高導熱中間相瀝青基碳纖維的制備方法，該方法明顯改變了碳纖維的截面結構，保證了其機械性能，同時有效增加了碳纖維的導熱性能。

本發明所提供的制備高導熱中間相瀝青基碳纖維的方法，主要包括下述步驟：

步驟(1)采用三元共碳化制備中間相瀝青；

步驟(2)將所得中間相瀝青加入到紡絲釜中進行熔融紡絲，獲得中間相瀝青原絲；

步驟(3)中間相瀝青原絲經過不熔化、碳化以及石墨化處理，得到高導熱中間相瀝青基碳纖維。