專利名稱：一種高導(dǎo)熱炭纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱炭纖維的制備方法，屬于炭纖維的制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著生活品質(zhì)的提高，人們對 便攜式高端娛樂電子設(shè)備的輕量化、小型化(薄)的要求越來越高；同時，還要求這些電子設(shè)備的性能越來越高、功能越來越多。這兩方面的要求促使這些電子設(shè)備的主要部件(如CPU等)集成化程度越來越高、速度越來越快而體積越來越小，從而在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了更多的熱量，造成機(jī)器過熱，使這些設(shè)備的用戶體驗不佳，頻繁死機(jī)甚至損壞。為使這些設(shè)備的每個部件運(yùn)行正常、高效，這些熱量必須及時的定向?qū)С觥Ｐ滦透叱羲亠w行器在服役過程中需要經(jīng)受長時間(1000S以上)中低密度熱流(lMW/m2量級)的持續(xù)加熱，總加熱量很高。同時，該飛行器復(fù)雜的外形還導(dǎo)致許多特殊部位經(jīng)受相對較強(qiáng)的加熱，使其大面積熱防護(hù)系統(tǒng)在飛行過程中不同部位的溫度極其不均勻。這對傳統(tǒng)的燒蝕型和非燒蝕隔熱型熱防護(hù)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為此美國空軍推進(jìn)實驗室提出了熱管理的概念，用以綜合控制不同部位的熱流，使高溫區(qū)熱流向低溫區(qū)傳遞，從而降低高溫區(qū)熱防護(hù)的難度。目前所用的導(dǎo)熱材料如Ni基高溫合金、陶瓷基復(fù)合材料等在比重、耐高溫、定向熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)及抗熱震性等方面難以同時達(dá)到使用要求，應(yīng)用受到一定限制。因此迫切需要研制一種新型定向高導(dǎo)熱材料以滿足宇航科技蓬勃發(fā)展的要求。石墨材料不僅具有較低的密度(2. 26g/cm3左右)和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，還具有優(yōu)異的抗熱震性和高導(dǎo)熱特性，是能夠滿足上述領(lǐng)域要求的一種高導(dǎo)熱管理材料。石墨材料的高導(dǎo)熱特性源于沿碳六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成的石墨片層方向具有的高導(dǎo)熱系數(shù)(理論上可達(dá)2500W·!!!—1 而垂直于石墨片層方向的熱導(dǎo)率僅6W·!!!—1 · T10因此在高導(dǎo)熱石墨材料的制備過程中，應(yīng)盡量使石墨片層沿同一方向排列，并在使用過程中揚(yáng)長避短，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計使熱量沿該方向傳遞。絕大多數(shù)石墨片層沿纖維軸向擇優(yōu)排列的高性能連續(xù)石墨纖維(GF)，在纖維軸向具有較高的熱導(dǎo)率。經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計可以排列(或編織)并復(fù)合成所需要的定向高導(dǎo)熱炭基復(fù)合材料。目前使用的高導(dǎo)熱炭纖維前驅(qū)體主要是中間相浙青纖維，但該種纖維的強(qiáng)度極低(僅幾MPa)，非常脆，造成其連續(xù)化生產(chǎn)過程極為繁瑣，成本非常高，至今國內(nèi)仍無一家單位可以生產(chǎn)。因此尋找一條異于以前的研發(fā)路線制備高導(dǎo)熱GF具有非常重要的意義。研究人員在制備高定向石墨的過程中發(fā)現(xiàn)，具有高取向度的聚酰亞胺(PI)高分子膜，在惰性氣氛中經(jīng)加壓炭化、石墨化可制得高結(jié)晶性和高取向度的石墨膜。日本科學(xué)家Murakami等采用高度取向的PI薄膜為原料,經(jīng)過裁切、層疊、壓制、炭化、石墨化制得了熱導(dǎo)率高達(dá)1800W πΓ1 -T1的塊體材料。在這些研究中，為抑制PI分子鏈在熱處理時斷裂而導(dǎo)致的大量含碳小分子物質(zhì)的逸出，減少薄膜中的缺陷，需要施加極高的壓力和非常緩慢的升溫速率，制備條件苛刻。該方法難以制備大塊樣品并批量化生產(chǎn)，其應(yīng)用受到了較大限制。如果將聚酰亞胺紡成纖維，再對纖維熱處理制成高導(dǎo)熱GF，將極大的擴(kuò)展它的應(yīng)用范圍，將具有廣闊的應(yīng)用前景。而PI纖維作為高聚物纖維，其斷裂伸長通常高于10%，強(qiáng)度大于IOOMPa,極易實現(xiàn)高導(dǎo)熱炭纖維的連續(xù)化生產(chǎn)。PI纖維在制備過程中由于紡絲成型過程中受到較大牽伸，其高分子鏈大多沿纖維軸擇優(yōu)取向。因此，PI分子鏈在纖維中的取向與薄膜中相比，沿纖維軸向取向度更高，排列更規(guī)整；同時由于主鏈上含有較多的芳香環(huán)，PI高分子鏈類似于一根剛性的長帶,芳香環(huán)大多分布在長帶的寬面上。這種芳香環(huán)的排列方式非常類似于中間相浙青纖維。而PI的分子量遠(yuǎn)較中間相浙青高，其沿纖維軸向高度擇 優(yōu)取向的分子鏈也遠(yuǎn)長于中間相浙青。這種分子結(jié)構(gòu)將可能生成尺寸更大、缺陷更少的石墨晶格。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種新型即聚酰亞胺基高導(dǎo)熱炭纖維的制備方法，相關(guān)研究目前還未見于任何的公開報道。本發(fā)明將參考高性能PAN基炭纖維和高導(dǎo)熱MP基GF的制備方法，通過對PI纖維進(jìn)行穩(wěn)定化、炭化、石墨化處理，并在熱處理過程中施加牽伸(張力)代替高取向PI薄膜炭化過程中的壓力，獲得具有高結(jié)晶度、高取向度的高導(dǎo)熱GF。本發(fā)明制備高導(dǎo)熱聚酰亞胺基炭纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟首先將聚酰亞胺纖維進(jìn)行氣相或液相穩(wěn)定化處理，使其聚酰亞胺高分子鏈交聯(lián)固化；然后將穩(wěn)定化纖維在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行低溫約束條件下的炭化，最后進(jìn)行高溫石墨化處理。上述所述的聚酰亞胺纖維為線性高分子材料，其中酰亞胺基團(tuán)為結(jié)構(gòu)式1，這些高
分子鏈沿纖維軸向具有高度擇優(yōu)取向。
權(quán)利要求
1.一種制備高導(dǎo)熱聚酰亞胺基炭纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟首先將聚酰亞胺纖維進(jìn)行氣相或液相穩(wěn)定化處理，使其聚酰亞胺高分子鏈交聯(lián)固化；然后將穩(wěn)定化纖維在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行低溫約束條件下的炭化，最后進(jìn)行高溫石墨化處理； 上述所述的聚酰亞胺纖維為線性高分子材料，其中酰亞胺基團(tuán)為結(jié)構(gòu)式I，高分子鏈沿纖維軸向具有擇優(yōu)取向；
2.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的聚酰亞胺纖維斷裂伸長大于4%、強(qiáng)度大于lOOMPa，同時其高分子鏈的軸向擇優(yōu)取向度高于60%。
3.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的氣相穩(wěn)定化條件牽伸比為0-15%，空氣氣氛下或氧氣氣氛，以3-10°C /min的速度由室溫升至300_450°C，然后又以0. 5-2°C /min的升溫速率升至450-550°C，停留l-60min。
4.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，上述所述的液相穩(wěn)定化條件液相氧化介質(zhì)為沸騰條件下的濃硝酸，處理時間為5-40min，處理后的聚酰亞胺纖維需用蒸餾水洗凈并干燥。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，處理時間為8-30min。
6.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的低溫炭化條件牽伸比為0-6%，高純氮?dú)鈿夥眨瑝毫?. l-6MPa，以5-20°C /min升至500°C，然后以1_5°C /min的升溫速率升至800-1200°C，停留時間為 l-60min。
7.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，所述的高溫石墨化條件牽伸比為0-4%，高純氬氣氛，溫度為2400-3200°C，停留時間為l-60min。
全文摘要
一種高導(dǎo)熱炭纖維的制備方法，屬于炭纖維的制備技術(shù)領(lǐng)域。首先將聚酰亞胺纖維進(jìn)行氣相或液相穩(wěn)定化處理，使其聚酰亞胺高分子鏈交聯(lián)固化；然后將穩(wěn)定化纖維在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行低溫約束條件下的炭化，最后進(jìn)行高溫石墨化處理；聚酰亞胺纖維為線性高分子材料，其中酰亞胺基團(tuán)為高分子鏈沿纖維軸向具有高度擇優(yōu)取向。本發(fā)明方法可獲得高結(jié)晶度、高取向度的高導(dǎo)熱GF。
文檔編號D01F9/24GK102766990SQ20121022872
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者宋懷河, 李卓, 馬兆昆 申請人:北京化工大學(xué)