[发明专利]一种无劈裂结构高导热中间相沥青基碳纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种解决高导热中间相沥青基碳纤维劈裂结构的调控方法：通过石墨烯对中间相沥青分子的杂化与导向作用，调控中间相沥青在熔融纺丝、预氧化、碳化以及石墨化过程中的微晶取向与排列，从而获得无劈裂结构的高导热中间相沥青基碳纤维，杂化的过程为：将石墨烯和中间相沥青按质量比例为0.025％～0.1％进行混合，同时加入两者混合物重量的5～20倍的有机溶剂，在不同有机溶剂的回流温度下进行回流处理。本发明能够为中间相沥青基碳纤维劈裂结构的问题提供一种解决方法，为中间相沥青基碳纤维复合材料的制备提供更为优异性能的碳纤维原材料。

技术领域

本发明涉及碳纤维生产领域，具体涉及一种高性能中间相沥青基碳纤维的制备方法。

背景技术

随着电子器件向微型化、小型化方向的发展，以及电子芯片的集成度越来越高，电子器件工作效率和可靠性的提升越来越依赖于电子元件散热问题的解决。因此，研究新型的、高性能的散热材料解决电子器件的散热问题已然显得十分迫切，对集成电路进行热管理性能的优化也变得十分必要。中间相沥青基碳纤维具有高强度、高模量、低热膨胀系数、低密度、良好的导电导热性、耐高温、耐腐蚀等优良性能，被认为是一种理想的热管理材料领域的增强材料。现今，以高导热中间相沥青基碳纤维为增强相，制备的镀铜碳纤维复合材料可以获得高的导热性、低的热膨胀系数、良好的可加工性以及较合理的成本，在高性能散热材料方面具有很大的应用潜力和开发前景，其相应的研究与开发越来越受到众多研究者的关注。

然而，通常高导热中间相沥青基碳纤维的微观结构存在较为严重的劈裂现象，造成中间相沥青基碳纤维与镀铜层存在着严重的界面问题，严重地限制了镀铜碳纤维复合材料的工艺制备及结构性能。中间相沥青基碳纤维较为常见的结构有：放射状结构、无序结构、洋葱皮结构、皮芯结构以及劈裂结构等典型的结构特征。其微观结构的形成主要跟沥青的分子结构、纺丝工艺、热处理工艺等因素所决定。因此，如何调控中间相沥青基碳纤维的微观结构以及解决其劈裂问题，成为进一步提升中间相沥青基碳纤维性能中急需解决的关键性科学问题之一。以往研究主要是通过改善中间相沥青的纺丝工艺、预氧化工艺、碳化工艺条件来实现中间相沥青基碳纤维微观结构的调控。然而这些方法的可控性和重复性都较差，且这些方法所调制的无劈裂结构的碳纤维往往呈现出较低的导热性能。因此，本发明提出从中间相沥青前驱体的沥青分子取向与排列的调控出发，以及复合同样具有高热性能的石墨烯，在此基础上，优化其相应的制备工艺，尝试解决中间相沥青基碳纤维结构的劈裂问题，同时制备出高导热性能的中间相沥青基碳纤维。

发明内容

本发明的目的是提供一种无劈裂结构高导热中间相沥青基碳纤维的制备方法。

为了实现无劈裂结构高导热中间相沥青基碳纤维的研制，本发明的技术方案为：采用添加石墨烯于中间相沥青中，通过石墨烯对中间相沥青分子的导向和杂化作用，然后经熔融纺丝、预氧化、碳化、石墨化工艺制备得到无劈裂结构的高导热中间相沥青基碳纤维。

对于所述石墨烯与中间相沥青的杂化条件如下：将石墨烯和中间相沥青按质量比例0.025％～0.1％进行混合，并加入固体混合物的重量5～20倍的有机溶剂，在不同有机溶剂的回流温度下进行回流处理，经旋转蒸发、回收溶剂，所得混合物固体进行干燥得到石墨烯杂化中间相沥青。有机溶剂为乙醇、甲苯、四氢呋喃或者喹啉。

对于所述的熔融纺丝工艺，是指以所调制的石墨烯杂化中间相沥青为纺丝沥青前驱体，在高于其软化点30～70℃下，进行熔融纺丝制备其沥青纤维。其喷丝孔的长径比为0.4mm/0.2mm，沥青吐出量需控制在0.05～0.20g/min之间，收丝速度为200～600rpm之间，其沥青纤维的直径可以实现在10～20um左右。

对于所述的预氧化工艺，是指所制备的沥青纤维在空气气氛下，从室温以0.5℃/min或者1℃/min的升温速率升温至250～300℃保温1h得到预氧化纤维，其预氧化纤维的增重需控制在5～10％之间。