[发明专利]一种含硅芳炔树脂的低温自催化石墨化方法

说明书

技术领域

本发明涉及含硅芳炔树脂自催化石墨化的方法，以提高树脂在高温下的力学、电学性能，并在低温下获得所需石墨化度的炭材料。

背景技术

石墨化指的是在高温热处理条件下将无序的乱层碳结构转化成三维有序的石墨结构的过程，是一种非晶向晶态转变的固相反应，这种转变阻力很大，容易形成亚稳态，使石墨化难以进行。通过添加某种金属或金属化合物并进行加热，有可能在比通常石墨化所必要的温度更低时进行石墨化并提高可石墨化性能，即催化石墨化。关于树脂的催化石墨化研究主要集中在20世纪80-90年代左右，尤其以酚醛树脂石墨化研究最为活跃。而对于其它树脂的催化石墨化研究较少。Courtney等用CoF₃、NiF₂、FeF₃作催化剂，萘酚和聚氨酯为原料，在1500℃下通过电镜分析研究了不同催化剂含量下树脂炭的形貌变化（Carbon,1972,10(1):65-72）。Yokokawa等系统研究了不同催化剂（NiCl₂、CoCO₃、MnO₂、Al、Pb(NO₃)₂、AgNO₃、ZnCl₂、SnCl₂）对硬炭（呋喃聚合物、二乙烯基苯聚合物）的低温催化石墨化效果（Carbon,1966,4(4):459-465）。Mathur等用Fe₂O₃作为催化剂，PAN/沥青为原料，研究了催化剂含量、热处理温度对石墨化材料晶面间距、热导电性、拉伸强度的影响（Carbon,1997,35(12):1753-1756）。而Oya等用十环烯为原料，AlCl₃、NaCl、KCl为催化剂，研究了碳结构对石墨化性能的影响，研究发现在炭化阶段五元芳环结构不利于平面碳层有序排列的发展，在石墨化阶段五元芳环结构不是影响石墨化的主要因素，相变是影响石墨化的主要因素（Carbon,1997,35(2):253-258）。Yi等用氧化石墨烯为催化剂，呋喃树脂为原料，在2400℃下催化石墨化呋喃树脂。这种催化剂在石墨化后不需要经过后处理，催化剂可以直接转化为石墨结构，实现了石墨化材料的绿色设计理念（Carbon,2010,48(3):912-928）。而关于芳炔树脂的催化石墨化相关研究目前较少，Zaldiva等用碳硼烷作催化剂，聚二乙炔基苯/甲基醚酮复合材料为原料，在1800-2400℃下炭化，研究了不同热处理温度下催化剂的加入对复合材料拉伸强度的影响，研究发现PAA树脂所形成的石墨化碳是在催化剂周围生长，并且在一些区域中还存在着玻璃碳（Carbon,1991,29(8):1145-1153）。史铁钧等用纳米三氧化二铁为催化剂，催化聚二乙炔基苯，在1600℃下实现了该树脂的催化石墨化（ZL201010517081.4）。作者在前人研究的基础上，以纳米三氧化二铁为催化剂，聚乙烯基三苯乙炔基硅烷为原料，在1600℃下实现了该树脂的催化石墨化（Fuller.Nanotub.Car.N.,2012,20(8):705-713）。而对于无催化剂下树脂的催化石墨化行为，大多数文献报道高温下（≥2500℃）树脂的催化石墨化。如Kaburagi等用聚酰亚胺为原料，在不添加任何催化剂下研究了3000℃下材料厚度对石墨化的影响（Carbon,2004,42(8-9):1799-1805），该研究主要通过3000℃高温来研究树脂的催化石墨化行为，而实现这种石墨化过程一方面需要价格昂贵的高温炉设备；一方面在生产过程中能耗巨大，使材料批量使用受到一定程度限制，使得高温下的催化石墨化仅限于实验室研究。

发明内容

在本发明中，我们利用聚苯基三苯乙炔基硅烷树脂的自身结构在1400℃的低温条件下实现该类树脂的自催化石墨化，结构中硅原子的存在加速了树脂的催化石墨化进程。

本发明的目的是提出一种自催化石墨化树脂新材料。

本发明的另一目的在于以含硅芳炔树脂为原料，实现该树脂的低温催化石墨化。

本发明的目的是下述方式实现的：

所述的树脂为含有硅原子的聚苯基三苯乙炔基硅烷树脂。

本发明的另一目的的实施方案为：