以石墨相氮化碳为模板添加剂的碳基纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及以石墨相氮化碳为模板添加剂的碳基纤维及其制备方法。本发明专利技术的碳基纤维尺寸为纳米级或微米级，在制备过程中通过引入石墨相氮化碳作为模板剂使纤维内部石墨晶格结构得到完善，最终纤维的机械性能、导电导热性得到提升。本发明专利技术提供的相关技术路线工艺简单，兼容碳基纤维的多种纺丝方法，有利于进行后续工业化推广。后续工业化推广。后续工业化推广。

【技术实现步骤摘要】
以石墨相氮化碳为模板添加剂的碳基纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳基纤维制备
，具体涉及一种以石墨相氮化碳为模板添加剂的碳基纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]本专利技术
技术介绍
中公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]碳纤维为重要的工业材料，其凭借着质轻高强、耐高温、抗蠕变等优异的性能在国防军工、航空航天、交通运输等领域大放异彩。然而目前制备的碳基纤维的机械性能与其理论值仍存在较大差距，人们认为性能的差距主要来自于纤维内部的石墨结构仍不完善，具体表现为纤维石墨化程度低，石墨域沿纤维轴向的取向度差，纤维内存在微裂纹、孔洞等。
[0004]通过添加改性物质来优化碳纤维石墨结构以改善纤维性能一直是人们努力的一个方向，其中应用较多的改性物质主要为各种类型的碳质元素纳米填料，如碳纳米管、石墨烯、富勒烯等，这些碳质填料一般含有较为完善的石墨晶格结构，通过将其引入到纤维基质中后其可以在纤维石墨化过程中作为模板剂诱导纤维基质石墨化，从而使纤维形成较为完善的石墨结构，然而目前所应用的碳质元素纳米填料价格普遍十分昂贵，且在应用过程中常面临严重的团聚问题，因此相关的研究成果难以进行工业化应用。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提出一种以石墨相氮化碳为模板添加剂的碳基纤维及其制备方法，本专利技术以石墨相氮化碳为模板添加剂制备了高性能的碳基纤维，该碳基纤维尺寸为纳米级或微米级，在制备过程中引入的石墨相氮化碳可以作为模板剂诱导纤维基质石墨化，使纤维内部的石墨晶格结构得到完善，最终纤维的机械性能、导电导热性得到提升。本专利技术提供的相关技术路线工艺简单，兼容碳基纤维的多种纺丝方法，有利于进行后续工业化推广。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]本专利技术的第一方面，提供一种碳基纤维的制备方法，该制备方法以石墨相氮化碳为模板添加剂，以聚丙烯腈为碳基纤维前驱体，制备前驱体聚丙烯腈纤维，通过将前驱体聚丙烯腈纤维进行预氧化、热解、碳化、石墨化处理后得到碳基纤维。
[0008]进一步的，通过以下四种方式将石墨相氮化碳均匀引入纤维结构中以发挥其模板作用：a、将石墨相氮化碳与丙烯腈混合后引发原位聚合得到含有模板添加剂的聚丙烯腈基复合材料，将含有模板添加剂的聚丙烯腈基复合材料溶解后纺丝；b、将石墨相氮化碳直接与碳基纤维前驱体聚丙烯腈在溶剂中共混后纺丝；c、将石墨相氮化碳前驱体与丙烯腈混合后引发原位聚合得到含有模板添加剂前驱体的聚丙烯腈基复合材料，将含有模板添加剂前驱体的聚丙烯腈基复合材料溶解后纺丝；d、将石墨相氮化碳前驱体与碳基纤维前驱体聚丙
烯腈共混后纺丝；其中，c、d两种方法得到的原丝需要经过一步额外的“热解”工序使纤维中石墨相氮化碳前驱体转化为石墨相氮化碳。
[0009]进一步的，所述石墨相氮化碳前驱体包括三聚氰胺、二氰二胺、尿素、三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子中的一种或多种。
[0010]进一步的，所述石墨相氮化碳为黄色或棕色的粉末，通过将石墨相氮化碳前驱体如三聚氰胺、二氰二胺、尿素、三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子等在500
‑
600℃下保温2
‑
5h即可制得。
[0011]进一步的，通过静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、干喷湿纺等多种方法制备前驱体聚丙烯腈纤维。
[0012]在一些实施例中，具体制备工艺包括如下步骤：
[0013](1)原位聚合：将丙烯腈与石墨相氮化碳在溶剂中均匀混合，控制体系温度40
‑
90℃并滴加引发剂以启动聚合反应，待聚合完成后收集产物即得到均匀掺杂有石墨相氮化碳或其前驱体的聚丙烯腈产物；
[0014](2)将上述产物与二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺混合均匀制成纺丝溶液；
[0015](3)采用静电纺丝或干喷湿纺的工艺制备掺杂有石墨相氮化碳的聚丙烯腈纤维；
[0016](4)预氧化：将得到的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行预氧化处理，预氧化温度为150
‑
300℃，预氧化时间10
‑
120min；
[0017](5)碳化：将预氧化的纤维在惰性气体保护下或真空状态下于1000
‑
1600℃进行热处理，碳化时间为5
‑
20min；
[0018](6)石墨化：碳化后，在惰性气体保护或真空状态下与2000
‑
3500℃进行石墨化处理，石墨化时间30
‑
150s。
[0019]在一些实施例中，具体制备工艺包括如下步骤：
[0020](1)原位聚合：将丙烯腈与石墨相氮化碳前驱体在溶剂中均匀混合，控制体系温度40
‑
90℃并滴加引发剂以启动聚合反应，待聚合完成后收集产物即得到均匀掺杂有石墨相氮化碳或其前驱体的聚丙烯腈产物；
[0021](2)将上述产物与二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺混合均匀制成纺丝溶液；
[0022](3)采用静电纺丝或干喷湿纺的工艺制备掺杂有石墨相氮化碳前驱体的聚丙烯腈纤维；
[0023](4)将得到的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行预氧化处理，预氧化温度为150
‑
300℃，预氧化时间10
‑
120min；
[0024](5)热解：将预氧化后的聚丙烯腈纤维加热至500
‑
600℃并保温2
‑
5h；
[0025](6)碳化：将热解后的纤维在惰性气体保护下或真空状态下于1000
‑
1600℃进行热处理，碳化时间为5
‑
20min；
[0026](7)石墨化：碳化后，在惰性气体保护或真空状态下与2000
‑
3500℃进行石墨化处理，石墨化时间30
‑
150s。
[0027]在一些实施例中，具体制备工艺包括如下步骤：
[0028](1)将聚丙烯腈与石墨相氮化碳直接在二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰
胺中混合均匀制成纺丝溶液；
[0029](2)采用静电纺丝或干喷湿纺的工艺制备掺杂有石墨相氮化碳的聚丙烯腈纤维；
[0030](3)将得到的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行预氧化处理，预氧化温度为150
‑
300℃，预氧化时间10
‑
120min；
[0031](4)碳化：将预氧化后的聚丙烯腈纤维在惰性气体保护下或真空状态下于1000
‑
1600℃进行热处理，碳化时间为5
‑
20min；
[0032](5)石墨化：碳化后，在惰性气体保护或真空状态下与2000
‑
3500℃进行石墨化处理，石墨化时间30...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法以石墨相氮化碳为模板添加剂，以聚丙烯腈为碳基纤维前驱体，制备前驱体聚丙烯腈纤维，通过将前驱体聚丙烯腈纤维进行预氧化、碳化、石墨化处理后得到碳基纤维。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，通过以下四种方式将石墨相氮化碳均匀引入纤维结构中以发挥其模板作用：a、将石墨相氮化碳与丙烯腈混合后引发原位聚合得到含有模板添加剂的聚丙烯腈基复合材料，将含有模板添加剂的聚丙烯腈基复合材料溶解后纺丝；b、将石墨相氮化碳直接与碳基纤维前驱体聚丙烯腈在溶剂中共混后纺丝；c、将石墨相氮化碳前驱体与丙烯腈混合后引发原位聚合得到含有模板添加剂前驱体的聚丙烯腈基复合材料，将含有模板添加剂前驱体的聚丙烯腈基复合材料溶解后纺丝；d、将石墨相氮化碳前驱体与碳基纤维前驱体聚丙烯腈共混后纺丝；其中，c、d两种方法得到的原丝需要经过一步额外的“热解”工序使纤维中石墨相氮化碳前驱体转化为石墨相氮化碳。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述石墨相氮化碳前驱体包括三聚氰胺、二氰二胺、尿素、三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子中的一种或多种。4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述石墨相氮化碳为黄色或棕色的粉末，通过将石墨相氮化碳前驱体在500
‑
600℃下保温2
‑
5h即可制得；所述石墨相氮化碳前驱体包括三聚氰胺、二氰二胺、尿素、三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子中的一种或多种。5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，通过静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝或干喷湿纺制备前驱体聚丙烯腈纤维。6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，具体制备工艺包括如下步骤：(1)原位聚合：将丙烯腈与石墨相氮化碳在溶剂中均匀混合，控制体系温度40
‑
90℃并滴加引发剂以启动聚合反应，待聚合完成后收集产物即得到均匀掺杂有石墨相氮化碳或其前驱体的聚丙烯腈产物；(2)将上述聚丙烯腈产物与二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺混合均匀制成纺丝溶液；(3)采用静电纺丝或干喷湿纺的工艺制备掺杂有石墨相氮化碳的聚丙烯腈纤维；(4)预氧化：将得到的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行预氧化处理，预氧化温度为150
‑
300℃，预氧化时间10
‑
120min；(5)碳化：将预氧化的纤维在惰性气体保护下或真空状态下于1000
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1600℃进行热处理，碳化时间为5
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20min；(6)石墨化：碳化后，在惰性气体保护或真空状态下与2000
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3500℃进行石墨化处理，石墨化时间30
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150s。或，具体制备工艺包括如下步骤：(1)原位聚合：将丙烯腈与石墨相氮化碳前驱体在溶剂中均匀混合，控制体系温度40
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90℃并滴加引发剂以启动聚合反应，待聚合完成后收集产物即得到均匀掺杂有石墨相氮化碳或其前驱体的聚丙烯腈产物；(2)将上述产物与二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺混合均匀制成纺丝溶液；(3)采用静电纺丝或干喷湿纺的工艺制备掺杂有石墨相氮化碳前驱体的聚丙烯腈纤维；(4)将得到的聚丙烯腈纤维在空气介质中进行预氧化处理，预氧化温度为150
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300℃，
预氧化时间10
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120min；(5)热解：将预氧化后的聚丙烯腈纤维加热至500
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600℃并保温2
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5h；(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱波，张烨，蔡珣，冯建顺，乔琨，赵圣尧，高学平，袁晓敏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：