CN110644075B

CN110644075B - 一种平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺制备石墨纤维的方法

Info

Publication number: CN110644075B
Application number: CN201910657203.0A
Authority: CN
Inventors: 马兆昆; 刘雪萍; 张型伟; 宋怀河
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2039-07-19
Also published as: CN110644075A

Abstract

一种平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺制备石墨纤维的方法，属于功能性特种碳纤维制备技术领域。该方法首先制得含有平面芳香大分子的非质子极性混合溶液，随后在所得溶液中聚合二胺和二酐获得平面芳香大分子掺杂的聚酰胺酸溶液。将上述聚酰胺酸溶液进行溶液纺丝制得聚酰胺酸纤维，然后通过亚胺化、碳化以及石墨化得到石墨纤维。本发明中使用的平面芳香大分子具有很高的平面度，可以与聚酰亚胺分子通过分子间作用力结合在一起，在碳化以及石墨化过程中，有利于有序碳层结构的形成。本发明通过这种分子设计的方式，得到了具有优异力学和传导性能的石墨纤维。

Description

一种平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺制备石墨纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺制备石墨纤维的方法，属于功能性特种碳纤维制备技术领域。

背景技术

聚酰亚胺是指分子链中含有酰亚胺环的一类化合物，根据主链上碳原子的种类可分为脂肪族聚酰亚胺和芳香族聚酰亚胺，其中芳香族聚酰亚胺具有较高的热稳定性、力学性能和介电性。由聚酰亚胺制备碳纤维不需要经过复杂的预氧化或不熔化过程，并且根据选择的二胺和二酐单体种类不同可制备不同性能的碳纤维，因此用聚酰亚胺作为制备高导热碳纤维的前驱体具有明显的优势。

目前制备碳纤维的原料、方法有很多。如专利CN105696116A公开了一种新型高导热碳纤维的制备方法，使用两步法制备聚酰亚胺纤维,然后进行碳化、石墨化获得高结晶度、高导热的碳纤维、石墨纤维，虽可得到具有高结晶性、高导热性的碳纤维，但聚酰亚胺溶液可纺性较差不利于成型，纺丝不稳定造成高性能碳纤维收率低。专利CN107304490A公开了一种石墨烯/聚酰亚胺复合碳纤维的制备方法，利用氧化石墨烯与聚酰亚胺复合得高性能碳纤维，氧化石墨烯的添加提高了聚酰亚胺溶液的可纺性，提高了复合碳纤维及石墨纤维的机械性能和传导性能，但氧化石墨烯原料价格昂贵，大规模生产成本高。另外专利CN105256410A公开了一种改善聚酰亚胺基碳纤维微观结构的方法，采用BPDA、PDA、ODA单体合成具有分子链平面规整度不同的聚酰胺酸溶液进行溶液纺丝，然后碳化得到力学性能优异的碳纤维材料，并提出聚酰亚胺纤维化学结构的平面规整度越高, 最终聚酰亚胺基碳纤维微观结构越完善，但此发明只提供了通过调控单体平面度调节纤维微观结构的方法，只适用于特定单体聚酰亚胺的聚合与纺丝，未能从根本上解决改善碳纤维微观结构的问题。目前有关聚酰亚胺基碳纤维的研究较少，如何以聚酰亚胺作为前驱体制得性能优异的碳纤维产品，并改善所得碳纤维的微观结构仍是研究的重点。

发明内容

针对上述问题，本发明通过用平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺的方式制得具有优异力学和热力学性能的碳纤维，改善碳纤维微观结构。

本发明所提供的制备高性能石墨纤维的方法，是以平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺作为石墨纤维的前驱体，主要包括下述步骤：

步骤(1)将由平面芳香大分子物质组成的沥青类粉末溶于非质子极性溶剂中制得混合溶液，在上述所得溶液中聚合二胺和二酐，获得平面芳香大分子掺杂的聚酰胺酸溶液；

步骤(2)将上述聚酰胺酸溶液进行溶液纺丝制得聚酰胺酸纤维，然后通过亚胺化、碳化以及石墨化后分别对应得到聚酰亚胺纤维、碳纤维和石墨纤维。

步骤(1)中由平面芳香大分子物质组成的沥青类粉末为在350~450℃的高温高压反应釜中反应1~15 h得到的煤沥青、石油沥青或纯芳烃系沥青，其中喹啉不溶物含量不高于20 wt%，平面芳香类物质含量不低于80 wt%，软化点为100~300 ℃，添加量不高于30wt%。

步骤(1)中所述的非质子极性溶剂可为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)等中的一种或几种。

步骤(1)中的二胺与二酐为芳香族二元胺和芳香族二酐，二胺可为4,4’-二胺基二苯醚(ODA)、3,3’-二氨基二苯甲酮(DABP)、对苯二胺(PPD)等中的一种或几种；二酐可为均苯四甲酸二酐(PMDA)、3,3’,4,4’-二苯酮四羧酸二酐(BTDA)、4,4’-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA)等中的一种或几种。

步骤(1)中聚合二胺与二酐获得聚酰胺酸溶液的步骤为：取溶有平面芳香大分子的非质子极性混合溶液作为反应溶剂，称取等摩尔量的二胺与二酐，在氮气或氩气气氛中采取低温(-15~20 ℃)聚合的方法，先在溶剂中加入二胺，随后分批加入二酐进行聚合，二酐全部加入后继续反应一段时间，得到室温下特性粘度在2.0~20.0 dL/g的聚酰胺酸溶液，然后静置或真空脱泡。

步骤(2)中溶液纺丝可采用干喷湿纺或者湿法纺丝，使用浓度为0 wt%~20 wt%的非质子极性溶剂的水溶液作为凝固浴，向容器中额外充氮气的条件下使纺丝液通过喷丝板进入温度为5~45 ℃的凝固浴中凝固，然后以0.1~200 m/min的速率收丝，其中氮气在容器中的压力为0~1 MPa，即氮气压力为0时，相当于不充氮气，反应器内保持大气压。

步骤(2)中亚胺化步骤为将所得平面芳香大分子掺杂的聚酰胺酸纤维先在0~0.05N /根（优选0.02-0.05 N /根）的恒定拉力条件下40~80 ℃的真空烘箱中烘干去除溶剂，然后在马弗炉中在0~0.05 N/根的恒定拉力条件下以2~10 ℃/min的升温速率升至100~400 ℃保温0.5~3 h，即得到聚酰亚胺纤维。

步骤(2)中的碳化以及石墨化步骤为将所得平面芳香大分子掺杂的聚酰亚胺纤维在0~0.05 N /根的恒定拉力条件下，在氮气或氩气气氛中以1~15 ℃/min的升温速率升至800~1600 ℃保温1~120 min，即可得到碳纤维。然后将所得碳纤维在2400~3200 ℃的高纯氩气气氛中保温1~60 min，即可得石墨纤维。

进一步所述的0~0.05N /根的恒定拉力优选为0.02-0.05 N /根的恒定拉力。

最后所得碳纤维和石墨纤维的直径为5~30 μm，热导率为100~1000 W·m^-1·K^-1，且拉伸强度为100 MPa~3000 MPa。

本发明具有以下优点：

(1)用沥青粉末来提供平面芳香大分子，成本低、来源广。

(2)以聚酰亚胺为纤维制备前驱体，合成简单、种类多变、不需要经过复杂的预氧化或不熔化过程。

(3)平面芳香大分子几乎不含侧链基团，不会参与二胺和二酐的聚合，只是作为一种掺杂剂存在。

(4)平面芳香大分子具有很高的平面度，能够和聚酰亚胺分子通过π-π作用紧密的结合在一起，在碳化和石墨化过程中有利于有序碳层结构的形成。这是获得高性能碳纤维的保障。

(5)所得聚酰亚胺基碳纤维和石墨纤维具有优异的力学和热力学性能。

附图说明

图1为聚合反应设备

1 搅拌棒，2 通气管。

图2为纺丝设备

1 喷丝板，2 凝固浴，3 卷轮。

图3为实施例1所得碳纤维电子扫描图。

具体实施方式

下面以具体实施例的方式说明本发明，但不构成对本发明的限制。以下实施例中平面芳香大分子是由高温处理过的煤沥青提供的，其喹啉不溶物含量不高于20 wt%，软化点为170℃，添加量不高于30 wt%。

实施例1：

将can5 wt%由平面芳香大分子组成的煤沥青粉末溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中制得混合溶液，取混合溶液作为反应溶剂，称取等摩尔量的4,4’-二胺基二苯醚(ODA)与均苯四甲酸二酐(PMDA)，控制固含量为15%，在氮气气氛中进行低温聚合。先在溶剂中加入ODA，随后分批加入PMDA进行聚合， PMDA全部加入后继续反应一段时间，得聚酰胺酸溶液，然后静置脱泡。将上述聚酰胺酸溶液进行干喷湿纺，使用水作为凝固浴，在0.4 MPa的氮气压力下使纺丝液通过喷丝板进入凝固浴中凝固，然后以8 m/min的速率收丝。随后将所得聚酰胺酸纤维先在0.01 N /根的恒定拉力条件下80 ℃的真空烘箱中烘干去除溶剂，然后在马弗炉中在0.01 N /根的恒定拉力条件下以5 ℃/min的升温速率升至100、200、300 ℃各保温1 h，得到聚酰亚胺纤维。将聚酰亚胺纤维在氮气气氛中在0.01N /根的恒定拉力条件下以5 ℃/min的升温速率升至1000 ℃保温60 min，即可得到碳纤维。最后将所得碳纤维在2400 ℃的高纯氩气气氛中保温60 min，即可得平均直径为10μm，热导率为900 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2800 MPa的高性能石墨纤维。

实施例2：

将沥青粉末的比例提高到7 wt%,其他条件同实施例1，获得平均直径为12μm，热导率为840W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2500 MPa的高性能石墨纤维。

实施例3：

将沥青粉末的比例提高到9 wt%，其他条件同实施例1，获得平均直径为14μm，热导率为800W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2000 MPa的高性能石墨纤维。

实施例4：

将沥青粉末的比例提高到11 wt%，其他条件同实施例1，获得平均直径为15μm，热导率为760W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2400 MPa的高性能石墨纤维。

实施例5：

将固含量降低为12%，其他条件同实施例1，获得平均直径为12 μm，热导率为850W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2300 MPa的高性能石墨纤维。

实施例6：

将固含量降低为9%，其他条件同实施例1，获得平均直径为11 μm，热导率为870W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2700 MPa的高性能石墨纤维。

实施例7：

将聚合单体更换为3,3’-二氨基二苯甲酮(DABP)与均苯四甲酸二酐(PMDA)，其他条件同实施例1，获得直径为5~30 μm，热导率为100~800 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为1900 MPa的高性能石墨纤维。

实施例8：

将聚合单体更换为4,4’-二胺基二苯醚(ODA)与联苯四甲酸二酐(BPDA)，其他条件同实施例1，获得平均直径为12.5 μm，热导率为780W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2000 MPa的高性能石墨纤维。

实施例9：

将反应溶剂更换为二甲基乙酰胺(DMAC)，其他条件同实施例1，获得平均直径为11μm，热导率为860 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2200 MPa的高性能石墨纤维。

实施例10：

将干喷湿纺更换为湿法纺丝，其他条件同实施例1，获得平均直径为11.5 μm，热导率为830 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2500 MPa的高性能石墨纤维。

实施例11：

将水作为凝固浴更换为浓度为5% 的DMF溶液为凝固浴，其他条件同实施例1，获得平均直径为13μm，热导率为760W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2600 MPa的高性能石墨纤维。

实施例12：

将凝固浴的中DMF的浓度提高到10%，其他条件同实施例11，获得平均直径为12.6μm，热导率为740 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2400 MPa的高性能石墨纤维。

实施例13：

将收丝速率提高到10 m/min，其他条件同实施例1，获得平均直径为8.5μm，热导率为900 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2700 MPa的高性能石墨纤维。

实施例14：

将马弗炉的升温速率提高至10 ℃/min，其他条件同实施例1，获得平均直径为12.3μm，热导率为770 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2200 MPa的高性能石墨纤维。

实施例15：

将碳化温度提高至1200 ℃，其他条件同实施例1，获得平均直径为10.5 μm，热导率为860 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2300 MPa的高性能石墨纤维。

实施例16：

将石墨化温度提高至2800 ℃，其他条件同实施例1，获得平均直径为9.4μm，热导率为920 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2100 MPa的高性能石墨纤维。

实施例17：

将石墨化保温时间减少至30 min，其他条件同实施例16，获得平均直径为13.5 μm，热导率为710 W·m^-1·K^-1，拉伸强度为2400 MPa的高性能石墨纤维。

以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种平面芳香大分子掺杂聚酰亚胺制备石墨纤维的方法，其特征在于，主要包括下述步骤：

步骤(2)将上述聚酰胺酸溶液进行溶液纺丝制得聚酰胺酸纤维，然后通过亚胺化、碳化以及石墨化后分别对应得到聚酰亚胺纤维、碳纤维和石墨纤维；所述步骤(1)中的二胺与二酐分别为芳香族二元胺和芳香族二酐；

所述步骤(1)中由平面芳香大分子物质组成的沥青类粉末为在350~450℃的高温高压反应釜中反应1~15 h得到的煤沥青、石油沥青或纯芳烃系沥青，其中喹啉不溶物含量不高于20 wt%，平面芳香类物质含量不低于80 wt%，软化点为100~300 ℃，添加量不高于30wt%。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的非质子极性溶剂可为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，二胺为4,4’-二胺基二苯醚(ODA)、3,3’-二氨基二苯甲酮(DABP)、对苯二胺(PPD)中的一种或几种；二酐为均苯四甲酸二酐(PMDA)、3,3’,4,4’-二苯酮四羧酸二酐(BTDA)、4,4’-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA)中的一种或几种。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中聚合二胺与二酐获得聚酰胺酸溶液的步骤为：取溶有平面芳香大分子的非质子极性混合溶液作为反应溶剂，称取等摩尔量的二胺与二酐，在氮气或氩气气氛中采取低温-15~20 ℃聚合的方法，先在溶剂中加入二胺，随后分批加入二酐进行聚合，二酐全部加入后继续反应一段时间，得到室温下特性粘度在2.0~20.0 dL/g的聚酰胺酸溶液，然后静置或真空脱泡。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中溶液纺丝采用干喷湿纺或者湿法纺丝，使用浓度为0 wt%~20 wt%的非质子极性溶剂的水溶液作为凝固浴，向容器中额外充氮气的条件下使纺丝液通过喷丝板进入温度为5~45 ℃的凝固浴中凝固，然后以0.1~200m/min的速率收丝，其中氮气在容器中的压力为0~1 MPa，即氮气压力为0时，相当于不充氮气，反应器内保持大气压。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中亚胺化步骤为将所得平面芳香大分子掺杂的聚酰胺酸纤维先在0~0.05N /根的恒定拉力条件下40~80 ℃的真空烘箱中烘干去除溶剂，然后在马弗炉中在0~0.05 N/根的恒定拉力条件下以2~10 ℃/min的升温速率升至100~400 ℃保温0.5~3 h，即得到聚酰亚胺纤维；

步骤(2)中的碳化以及石墨化步骤为将所得平面芳香大分子掺杂的聚酰亚胺纤维在0~0.05 N /根的恒定拉力条件下，在氮气或氩气气氛中以1~15 ℃/min的升温速率升至800~1600 ℃保温1~120 min，即可得到碳纤维；然后将所得碳纤维在2400~3200 ℃的高纯氩气气氛中保温1~60 min，即可得石墨纤维。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述恒定拉力为0.02-0.05 N /根。