CN110983491A - 一种低温制造高导热中间相沥青基碳纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，属于碳纤维制备技术领域。技术方案包括：(1)向中间相沥青中加入碳纳米管粉末，沥青熔融状态下搅拌均匀，制得含碳纳米管中间相沥青；(2)将步骤(1)制得的含碳纳米管中间相沥青熔融纺丝，制得纤维原丝；(3)将步骤(2)制得的纤维原丝经预氧化、碳化、石墨化处理，即得高导热沥青基碳纤维。本发明首次公开了向中间相沥青中添加碳纳米管粉末，然后将中间相沥青纺丝、预氧化、碳化、石墨化等一系列的特定条件下处理，得到高导热沥青基碳纤维；碳纳米管的加入使得中间相沥青较难预氧化，却更易碳化和石墨化，可以确保在较低的温度下制得的碳纤维具有优良的导热性能，大大降低生产过程中的温度条件和对设备的严苛要求，还能减少昂贵的高纯氩气的使用，显著降低生产成本。

Description

一种低温制造高导热中间相沥青基碳纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，属于碳纤维制备技术领域。
背景技术
高导热沥青碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，可用于军工、航天、航空、运动器材、高档民品等先进复合材料的增强体，在高性能散热材料方面具有很大的应用潜力和开发前景。
目前在高导热碳纤维的实际生产过程中，为了制备出导热性能优异的成品纤维，一般都需要在2500-2800℃的高温下对纤维进行处理，石墨炉内的核心部件石墨发热体的寿命往往难以维持一个月；并且2500度以上温度下，必须用价格昂贵的高纯氩气对纤维和石墨发热体进行保护。这种工艺能源消耗非常高，对相关设备要求极为苛刻，生产成本居高不下。
中国专利CN 108624993 A(申请号)和CN 109763209 A(申请号)分别公开了将硼元素和石墨烯掺杂到中间相沥青中制备高导热沥青基碳纤维的技术，虽然都可改善高导热沥青基碳纤维生产过程中的一些问题，但无法将石墨化需要的温度降低到国内常规高温炉能持久连续使用的温度范围，且无法改变石墨化过程中必须用高纯氩气作为保护气氛的状况。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法。该方法可解决国内采用常规方法生产高导热沥青基碳纤维对设备要求严苛和生产成本高的问题。
本发明申请技术方案如下：
一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，包括如下步骤：
(1)向中间相沥青中加入碳纳米管粉末，熔融状态下搅拌均匀，制得含碳纳米管中间相沥青；
(2)将步骤(1)制得的含碳纳米管中间相沥青熔融纺丝，制得纤维原丝；
(3)将步骤(2)制得的纤维原丝经预氧化、碳化、石墨化处理，即得高导热沥青基碳纤维。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，碳纳米管为薄壁碳纳米管，直径3-5nm，长度10-50nm。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，碳纳米管粉末的加入量为质量分数1～3％或任意二者之间的范围。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，纺丝温度为360-390℃，牵伸速度为500～600米/分钟，纤维原丝直径为9-15μm。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，预氧化工艺是在空气气氛下，从室温以1℃/min、2℃/min或任意二者之间范围的升温速率升温至340℃得到预氧化纤维。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中，碳化工艺是在氮气气氛下，从室温以5℃/min、10℃/min或任意二者之间范围的升温速率升温至1800℃得到碳化纤维。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，石墨化工艺是在氮气气氛下，于2400℃条件下，处理45s～60s得到高导热沥青基碳纤维。
本发明提供的一种低温制造高导热中间相沥青基碳纤维的方法，将碳纳米管掺杂到中间相沥青中，实现其对中间相沥青分子取向与排列的导向作用，同时碳纳米管本身具备超高导热特性，有利于进一步提高成品纤维的热导率。本方法采用石墨烯杂化中间相沥青，可以更为高效地得到无劈裂结构的中间沥青基碳纤维，同时获得更高导热性能的中间相沥青基碳纤维。制备的高导热中间相沥青基碳纤维，确保其热导率不低于达到600W/m·K的同时，石墨化温度降低至2400℃。并且不再使用价格昂贵的高纯氩气作为保护气。
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优先实施方案进行阐述，但是这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明所保护范围不限于此。
实施例1
一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，包括如下步骤：
(1)按1％的质量百分比向中间相沥青中加入碳纳米管粉末，熔融状态下搅拌均匀，制得含碳纳米管中间相沥青；
(2)将步骤(1)制得的含碳纳米管中间相沥青经500米/分钟的牵伸速度条件下纺丝，制得纤维原丝，纤维原丝直径15μm；
(3)将步骤(2)制得的纤维原丝在空气气氛下，从室温以1℃/min的升温速率升温至.340℃得到预氧化纤维；在氮气气氛下，从室温以5℃/min的升温速率升温至1800℃得到碳化纤维；在氮气气氛下，于2400℃条件下，处理45s得到高导热沥青基碳纤维。
所得纤维用激光导热仪检测，导热率达605W/m·K。
实施例2
一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，包括如下步骤：
(1)按1.5％的质量百分比向中间相沥青中加入碳纳米管粉末，熔融状态下搅拌均匀，制得含碳纳米管中间相沥青；
(2)将步骤(1)制得的含碳纳米管中间相沥青经550米/分钟的牵伸速度条件下纺丝，制得纤维原丝，纤维原丝直径13μm；
(3)将步骤(2)制得的纤维原丝在空气气氛下，从室温以1.5℃/min的升温速率升温至340℃得到预氧化纤维；在氮气气氛下，从室温以8℃/min的升温速率升温至1800℃得到碳化纤维；在氮气气氛下，于2400℃条件下，处理50s得到高导热沥青基碳纤维。
所得纤维用激光导热仪检测，导热率达668W/m·K。
实施例3
一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，包括如下步骤：
(1)按2.5％的质量百分比向中间相沥青中加入碳纳米管粉末，熔融状态下搅拌均匀，制得含碳纳米管中间相沥青；
(2)将步骤(1)制得的含碳纳米管中间相沥青经600米/分钟的牵伸速度条件下纺丝，制得纤维原丝，纤维原丝直径10μm；
(3)将步骤(2)制得的纤维原丝在空气气氛下，从室温以2℃/min的升温速率升温至340℃得到预氧化纤维；在氮气气氛下，从室温以10℃/min的升温速率升温至1800℃得到碳化纤维；在氮气气氛下，于2400℃条件下，处理60s得到高导热沥青基碳纤维。
所得纤维用激光导热仪检测，导热率达720W/m·K。

Claims (7)

1.一种低温制造高导热沥青基碳纤维的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向中间相沥青中加入碳纳米管粉末，熔融状态下搅拌均匀，制得含碳纳米管中间相沥青；
(2)将步骤(1)制得的含碳纳米管中间相沥青熔融纺丝，制得纤维原丝；
(3)将步骤(2)制得的纤维原丝经预氧化、碳化、石墨化处理，即得高导热沥青基碳纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纳米管为薄壁碳纳米管，直径3-5nm，长度10-50nm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳纳米管粉末的加入量为质量分数1～3％或任意二者之间的范围。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，纺丝温度为360-390℃，牵伸速度为500～600米/分钟，纤维原丝直径为9-15μm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，预氧化工艺是在空气气氛下，从室温以1℃/min、2℃/min或任意二者之间范围的升温速率升温至340℃得到预氧化纤维。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，碳化工艺是在氮气气氛下，从室温以5℃/min、10℃/min或任意二者之间范围的升温速率升温至1800℃得到碳化纤维。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，石墨化工艺是在氮气气氛下，于2400℃条件下，处理45s～60s得到高导热沥青基碳纤维。
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