[发明专利]一种B-Si掺杂沥青基炭纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种B‑Si掺杂沥青基炭纤维及其制备方法。其技术方案是：按含硼有机前驱体∶含硅有机前驱体∶沥青的质量比为1∶（1~5）∶（14~18）配料，再将混合后得到的沥青混合物溶于有机溶剂中，搅拌，反应釜中于惰性气氛和搅拌条件下升温至200~400°C，保温，自然冷却；然后置于熔融纺丝装置的熔筒中，在惰性气氛和280~380°C条件下保温，再于260~360°C和0.2~0.8MPa条件下纺丝，置于预氧化炉中在180~280°C条件下保温；最后在炭化炉中于惰性气氛下升温至500~1600°C，保温1~2h，制得B‑Si掺杂沥青基炭纤维。本发明具有工艺简单、成本低、无需特殊设备和易于工业化生产的特点，所制备的B‑Si掺杂沥青基炭纤维耐高温和抗氧化性能好。

技术领域

本发明属于沥青基炭纤维技术领域。尤其涉及一种B-Si掺杂沥青基炭纤维及其制备方法。

背景技术

通用级沥青基炭纤维因工艺简单、来源广泛和成本低的优点在工业上扮演重要的角色，常用作高温隔热材料、刹车系统、水泥的增强体、电容器、水体净化等，具有十分广泛的应用前景(贺福. 碳纤维及其应用技术[M]. 化学工业出版社, 2004.)。但炭纤维在高于400°C的有氧环境中就开始氧化，持续氧化会导致力学性能显著下降，限制其使用寿命和应用环境。因此，炭纤维的抗氧化研究是亟需解决的问题。

目前，表面改性能增强炭纤维表面性能，从而能在极端环境(高温、高电离辐射等)中应用。抗氧化陶瓷涂层是改性炭纤维表面性能的一个关键技术。然而，由于大多数陶瓷涂层与炭纤维基体间的热膨胀系数不匹配，导致涂层开裂剥落，不能有效地抑制氧化从而使涂层失效(Tkachenko L A, Shaulov A Y, Berlin A A. High-temperature protectivecoatings for carbon fibers[J]. Inorganic Materials, 2012, 48(3):213-221.)。

采用基体改性的方法，即在沥青原料中引入陶瓷前驱体，经过熔融纺丝制备掺杂沥青基炭纤维能避免出现这一问题。S.Lu等采用石油沥青与聚二甲基硅烷反应制备出Si含量26%wt%纺丝前驱体，经熔融纺丝、不熔化和1200°C热处理制备出C-Si合金纤维，在1200°C有氧环境中暴露一段时间，纤维表面形成的SiO₂玻璃膜能有效提高纤维抗氧化性能(Lu S,Rand B, Bartle K D, et al. NOVEL OXIDATION RESISTANT CARBON SILICON ALLOYFIBRES[J]. Carbon, 1997, 35(10–11):1485-1493.)。Kaikai Ge等通过SiCN和SiBCN陶瓷前驱体与聚丙烯腈混合，经过静电纺丝制备掺杂纳米炭纤维，SiBCN掺杂提高了炭纤维在500°C空气环境中的抗氧化性能(Ge K, Ye L, Han W, et al. Si(B)CN-doped carbonnanofibers with excellent oxidation resistance[J]. Materials Letters, 2013,112(1):124-128.)。

现有技术虽有各自优点，但均存在成本高、工艺复杂、需要特殊设备等问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种工艺简单、成本低和不需特殊设备的B-Si掺杂沥青基炭纤维的制备方法，用该方法制备的B-Si掺杂沥青基炭纤维耐高温和抗氧化性能好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

步骤一、按含硼有机前驱体∶含硅有机前驱体∶沥青的质量比为1∶（1~5）∶（14~18），将所述含硼有机前驱体、所述含硅有机前驱体和所述沥青混合，得到沥青混合物。

所述含硼有机前驱体的B含量为0.5~5wt%，含硼有机前驱体为聚硼氮烷和聚硼硅氮烷中的一种；所述含硅有机前驱体的Si含量为10~40wt%，含硅有机前驱体为聚碳硅烷、聚二甲基硅烷和聚硼硅氮烷中的一种。