本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)碳材料，尤其涉及一種高致密性碳纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳纖維，指的是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。傳統(tǒng)的碳纖維采用腈綸和粘膠纖維做原料，經(jīng)紡絲以后高溫氧化碳化而成，是制造航天航空等高技術(shù)器材的優(yōu)良材料。

2、而本領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了多種不同的碳纖維制備方法，一些研究叢石墨烯出發(fā)，利用石墨烯表面連接的功能基團(tuán)使其與高分子聚合物發(fā)生縮聚反應(yīng)，使得高分子聚合物與石墨烯相連，然后將組合后的材料進(jìn)行紡絲并碳化和石墨化的過(guò)程，制得石墨烯基的碳纖維。

3、這種碳纖維通常具有一定的強(qiáng)度以及高導(dǎo)熱的特性，但由于傳統(tǒng)的石墨烯表面的官能團(tuán)的構(gòu)建方式是基于氧化石墨烯，因此通常其官能團(tuán)主要分布在石墨烯片的邊緣附近，這在縮聚和后續(xù)的碳化、石墨化的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致不均勻反應(yīng)的問(wèn)題，從而引起孔洞的形成，進(jìn)而限制了所制備的碳纖維的強(qiáng)度和各項(xiàng)其他性能的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高致密性碳纖維及其制備方法。

2、為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種高致密性碳纖維的制備方法，其包括：

4、提供磺化石墨烯，所述磺化石墨烯包括石墨烯基體以及結(jié)合在所述石墨烯基體上的磺化基團(tuán)，且在所述石墨烯基體上所述磺化基團(tuán)均勻分布；

5、使所述磺化石墨烯與選定高分子聚合物復(fù)配形成紡絲液，其中所述選定高分子聚合物具有選定基團(tuán)，所述選定基團(tuán)能夠與所述磺化基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵；

6、利用所述紡絲液進(jìn)行紡絲，獲得前體纖維；

7、對(duì)所述前體纖維進(jìn)行預(yù)碳化處理及石墨化處理，獲得一種高致密性碳纖維。

8、第二方面，本發(fā)明還提供一種上述制備方法制得的高致密性碳纖維，所述高致密性碳纖維的截面孔隙率低于2%。

9、基于上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少包括：

10、本發(fā)明所提供的制備方法基于磺化石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)，利用磺化石墨烯中的磺化基團(tuán)在石墨烯中均勻分布，不具有邊緣集中分布趨勢(shì)的特點(diǎn)，使得高分子聚合物能夠均一地連接在石墨烯片層上，在交聯(lián)以及碳化的過(guò)程中，纖維結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生均勻收縮，形成結(jié)構(gòu)完整且致密的纖維，并且在石墨化過(guò)程中還具有較高的石墨化程度，這對(duì)提高碳纖維的強(qiáng)度以及導(dǎo)熱等各項(xiàng)性能是具有非常顯著的幫助的。

11、上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更清楚地了解本申請(qǐng)的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合詳細(xì)附圖說(shuō)明如后。

技術(shù)特征：

1.一種高致密性碳纖維的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述磺化石墨烯是通過(guò)有機(jī)材料被氧化性磺化劑分步氧化和磺化后形成的。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述磺化石墨烯的形成過(guò)程具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)材料包括聚乙烯蠟、聚乙炔、含鹵族元素的聚炔烴、聚乙烯、含鹵族元素的聚烯烴、c4-c50直鏈烴、帶苯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳香烴中的任意一種或兩種以上的組合；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述選定基團(tuán)包括氨基、羥基、羧基、酯基中的任意一種或兩種以上的組合。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述選定高分子聚合物包括聚苯胺、聚(烯丙基胺)、聚乙烯醇、羥基聚氨酯聚合物?、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯中的任意一種或兩種以上的組合。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述紡絲液中的磺化石墨烯的濃度為1-150g/l，所述選定高分子聚合物的濃度為1-150g/l。

8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的制備方法，其特征在于，所述紡絲材料通過(guò)溶液紡絲或靜電紡絲的方式形成所述前體纖維；

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)碳化處理的溫度為300-1500℃，時(shí)間為3-24h；所述石墨化處理的溫度為2000-3200℃，時(shí)間為12-48h。

10.權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的制備方法制得的高致密性碳纖維，其特征在于，所述高致密性碳纖維的截面孔隙率低于2%。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種高致密性碳纖維及其制備方法。所述制備方法包括：提供磺化石墨烯，其磺化基團(tuán)在石墨烯基體上磺化基團(tuán)均勻分布；與選定高分子聚合物復(fù)配形成紡絲液，選定高分子聚合物具有選定基團(tuán)，選定基團(tuán)能夠與磺化基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵；紡絲獲得前體纖維；對(duì)前體纖維進(jìn)行預(yù)碳化處理及石墨化處理，獲得一種高致密性碳纖維。本發(fā)明所提供的制備方法基于磺化石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)，利用磺化石墨烯中的磺化基團(tuán)在石墨烯中均勻分布，不具有邊緣集中分布的特點(diǎn)，使得高分子聚合物能夠均一地連接在石墨烯片層上，在交聯(lián)以及碳化的過(guò)程中，纖維結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生均勻收縮，形成結(jié)構(gòu)完整且致密的纖維，并且在石墨化過(guò)程中還具有較高的石墨化程度。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣永華,肖武輝,李自啟,劉振輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州高通新材料科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14