[发明专利]一种沥青基碳纤维自粘结网络材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种沥青基碳纤维自粘结网络材料的制备方法；属于炭素材料制备技术领域。

背景技术

碳纤维是一种纤维状炭材料，具有非常优异的力学性能(如高比强度，高比模量等)和功能特性(如高导电和导热性)，作为分散体填充到基体中可以大幅提高材料的综合性能。根据分散体形态的不同，可分为长丝碳纤维，短切碳纤维，编织碳纤维等形式。其中短切碳纤维可加工性高，成本相对较低，因而应用较普遍。然而由于碳纤维表面惰性，具有疏水性，在基体中存在均匀分散的难题，所以国内外学者在制备短切碳纤维增强复合材料时，多需要对纤维表面进行处理或加入分散剂的方法提高其在基体中的分散性。这些方法增加了工艺复杂性，或涉及到有机溶剂的使用和回收问题，并仍可能存在分散均匀性和纤维含量之间的控制问题。

除了作为分散体应用于有连续相基体的复合材料，短切碳纤维也可通过引入外部炭质粘结点相互粘结形成多孔炭粘碳纤维网络材料应用于保温和吸附材料。例如，洪长青等[Liu C,Han JC,Zhang XH,Hong CQ*,Du SY.Lightweight carbon-bonded carbon fiber composites prepared by pressure filtration technique.Carbon,2013,59:551-554]通过将短切黏胶基碳纤维，分散剂和酚醛树脂粉末等搅拌混合于水溶液中形成悬浮液，注模干燥并炭化后得到多孔炭粘碳纤维复合材料。也有以相似方法制得炭粘聚丙烯基碳纤维网络体后，与环氧树脂为基体制备复合材料以提高其力学性能[赵玉飞，袁剑民，费又庆.碳纤维网络增强环氧树脂基复合材料的制备与表征.复合材料学报，2015，32，1611-1617]。然而如上所讨论，引入外部炭质粘结点仍涉及炭质前驱体与碳纤维的均匀分散问题，并且对于沥青基碳纤维，外部炭质粘结点会增加传播路径，影响其高导热和导电性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种具有网络结构的沥青基碳纤维材料的制备方法，该方法利用不完全预氧化沥青基碳纤维的自粘结性，在无需添加外部炭质粘结点的条件下实现沥青基碳纤维网络材料的制备，能明显改善沥青基碳纤维网络材料的力学性能及导电导热性能等，且该工艺操作简单，无需复杂的后处理，安全环保，满足工业化生产要求。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种沥青基碳纤维自粘结网络材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将沥青纤维进行预氧化，得到预氧化沥青纤维；

其中，以沥青纤维完全氧化的增重量为100％计量，所述预氧化沥青纤维氧化增重量为50～90％；

(2)将所述预氧化沥青纤维短切后，通过机械作用力分散均匀或通过气体介质分散均匀，分散的短切预氧化沥青纤维装入模具i中；在模具i顶部施加压力，置于保护气氛中，进行初步炭化，脱模，即得网络材料I；

或者，将所述预氧化沥青纤维短切后，通过液体介质分散均匀，得到短切预氧化沥青纤维分散液；所述短切预氧化沥青纤维分散液注入模具ii中，滤出液体后，将模具ii转移至干燥箱中，同时在模具ii顶部施加压力，对模具ii进行干燥；将干燥后的模具ii置于保护气氛中，进行初步炭化，脱模，即得网络材料I；

所述模具ii底部设有多孔底板，以及在所述底板上铺设有滤布；

所述网络材料I进行二次炭化得到网络材料II；或者，所述网络材料I或所述网络材料II进行石墨化得到网络材料III。

优选的方案，预氧化沥青纤维直径为10～60μm，经短切后长度为0.5～10mm。

较优选的方案，预氧化沥青纤维经短切后，加入水中搅拌1～2h，得到短切预氧化沥青纤维分散液。

优选的方案，在滤出液体过程中从模具ii顶部加压或者从模具ii底部抽真空以加速液体滤出。

优选的方案，在模具i或模具ii顶部施加压力≤20KPa。通过调节压力的大小可以控制纤维的分布状况，在加压方向上易呈现层状分布，在垂直于加压方向的表面呈随机分布，同时，可以通过调节压力大小来调节碳纤维网络材料的密度。

优选的方案，干燥的温度为50～200℃，时间为1～12h。

优选的方案，沥青纤维由熔融纺丝法或离心甩丝法或熔喷法获得，截面形状为圆形、异型或者中空状，其中间相含量为0％～100％。

优选的方案，初步炭化温度为500℃～1000℃，升温速率为0.1℃/min～10℃/min。初步炭化时间为1～150min。