[发明专利]一种结构稳定中间相沥青基石墨纤维的制备方法

说明书

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种结构稳定中间相沥青基石墨纤维的制备方法。提出了一种功能化石墨烯增强中间相沥青基石墨纤维的方法，功能化石墨烯为采用双亲性有机小分子对氧化石墨烯进行改性，然后茶多酚处理。将功能化石墨烯与中间相沥青经过宏观尺度的粉体预混和微观尺度的熔融剪切混合，得到功能化石墨烯改性的中间相沥青，然后经熔融纺丝、预氧化、碳化和石墨化处理工序获取具有部分平层取向截面结构的石墨纤维，有效防止楔形劈裂的发生，该石墨纤维既保持了较高的力学性能，又具有高的热导率。

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种结构稳定中间相沥青基石墨纤维的制备方法。

背景技术

中间相沥青基碳纤维较易石墨化，在经过高温石墨化处理后制得石墨纤维，由于其石墨晶体结构沿纤维轴方向高度择优取向而具有聚丙烯腈（PAN）基碳纤维所无法比拟的高模量和高导热的优点。目前研制的中间相沥青基石墨纤维的热导率已经可高达1100 W/m·K，模量高达930 GPa，而PAN基石墨纤维的模量不到300 GPa。另外，在热膨胀系数方面，中间相沥青基石墨纤维的热膨胀系数明显小于PAN 基石墨纤维，该性能使中间相沥青基石墨纤维特别适用于温差变化大的工作环境，成为航天航空、国防军工工业不可替代的工程材料。然而，中间相沥青基石墨纤维在石墨化过程中往往形成径向辐射状的截面结构，径向辐射状结构的石墨纤维面临着力学性能差的问题，这是因为石墨片层排列规整，石墨化处理时纤维径向收缩使应力集中于圆心处，达到一定程度后，这些应力的释放造成楔形劈裂。因此，要获得兼具优异力学性能和导热性能的中间相沥青基石墨纤维就必须解决纤维的楔形劈裂问题。

石墨烯是碳六元环结构紧密排列所形成具有蜂窝状二维结构的原子晶体，具有高比表面积、高力学强度、高电导率和优异导热性能等特征，将其作为纳米添加剂能有效避免中间相沥青基石墨纤维的劈裂问题，增强石墨纤维的性能。然而，石墨烯特有的小尺寸效应和表面效应使得石墨烯片层间存在很强的分子间作用力，其π-π键之间的相互作用增强了石墨烯片层之间的堆积，各片层很容易堆叠在一起出现团聚现象，影响了石墨烯在中间相沥青基体中的分散性。另外，石墨烯属于纳米材料，通过传统的机械搅拌的方式难以将其分散于中间相沥青中，影响了石墨纤维的性能。因此，石墨烯改性沥青复合材料制备的重点在于将石墨烯材料均匀分散于沥青基体当中，使石墨烯与沥青保持最大接触界面，从而最大程度地利用石墨烯片层结构和纳米尺寸效应改善石墨纤维的性能。

目前，石墨烯与中间相沥青的混合所面临的问题：1. 石墨烯本身的团聚问题，2.石墨烯与中间相沥青界面相容性问题，3. 一般混合方式难以获得两者在微观尺度上的分散。这些问题造成石墨烯在中间相沥青中分散不均匀，对后期的石墨纤维的力学性能改善效果不明显，改善幅度有限。

发明内容

为了解决石墨烯在中间相沥青中的分散性问题，克服现有中间相沥青基石墨纤维因劈裂而导致的力学性能和导热性能无法匹配的问题，本发明提出了一种结构稳定中间相沥青基石墨纤维的方法，利用功能化石墨烯增强中间相沥青基石墨纤维，功能化石墨烯为采用双亲性有机小分子对氧化石墨烯进行改性，然后茶多酚处理。

一种结构稳定中间相沥青基石墨纤维的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）使用双亲性有机小分子对氧化石墨烯进行表面修饰，接着采用茶多酚处理修饰后的石墨烯，制得功能化石墨烯；

（2）将步骤（1）的功能化石墨烯与中间相沥青预混，得到混合物；

（3）将步骤（2）的混合物加热到熔融状态，采用高速剪切进行分散，制得功能化石墨烯改性中间相沥青；

（4）将步骤（3）的功能化石墨烯改性中间相沥青熔融纺丝，得到石墨烯/中间相沥青纤维生丝；

（5）将步骤（4）的生丝经预氧化、碳化、石墨化得到石墨烯增强中间相沥青基石墨纤维。