石墨烯-聚酰亞復(fù)合碳纖維的制備與結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、隨著宇航科技的發(fā)展，航天飛行器熱控系統(tǒng)的電子設(shè)備趨于小型化、多功能化、運(yùn)行高效化，使得電子器件的高功率密度特征越來越明顯，由此而產(chǎn)生的大量的熱量嚴(yán)重影響到電子設(shè)備的工作穩(wěn)定性和安全可靠性。為了滿足高功率器件的散熱需求，輕質(zhì)、具有良好機(jī)械性能的高導(dǎo)熱材料越來越受到關(guān)注。聚酰亞胺(PI)分子中含有大量的平面型芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，其薄膜經(jīng)石墨化后可獲得熱導(dǎo)率高達(dá)1800W·m-1·K-1的石墨薄膜，遠(yuǎn)高于銅的398 W·m-1·K-1。因此從理論上，

2、具有相同分子結(jié)構(gòu)的PI纖維也很可能獲得高導(dǎo)熱的PI基石墨纖維。然而PI纖維的制備較困難，并且其力學(xué)性能遠(yuǎn)低于理論水平。這主要是因?yàn)镻I分子鏈沿纖維軸向的擇優(yōu)取向較低。這與其溶液紡絲、熱處理工藝密切相關(guān)。聚酰胺酸(PAA)紡絲過程中，牽伸作用使得PAA分子沿軸向擇優(yōu)取向，然后在熱亞胺化和碳化過程中，由于分子熱運(yùn)動(dòng)易產(chǎn)生解取向，所以，本論文針對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，以期獲得高導(dǎo)熱PI基石墨纖維。
　　石墨烯作為一種新型的碳材料，是一種性能極佳的

3、增強(qiáng)材料，有著極高的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。而且，其前驅(qū)體氧化石墨烯(GO)的層間及層片邊緣含有很多的含氧官能團(tuán)，使其更容易分散在有機(jī)溶劑中，本論文將GO摻雜到PAA中，在紡絲過程中，GO的片層結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)PAA分子沿軸向取向，在亞胺化和碳化過程中抑制纖維的解取向，并作為石墨微晶晶核促進(jìn)纖維的碳化和石墨化，從而獲得目標(biāo)材料。
　　首先制備PAA和GO/PAA紡絲液。將均苯四甲酸酐(PMDA)和4，4'-二氨基二苯醚(ODA)按摩爾

4、比為1.02∶1在溶劑N，N'-二甲基乙酰胺(DMAc)中進(jìn)行低溫縮聚反應(yīng)，反應(yīng)在在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，獲得12％固含量的PAA紡絲液。原位聚合法制備GO/PAA紡絲液的過程:利用改性的Hummers法制備GO，將GO超聲分散在極性溶劑DMAc中，然后依次加入ODA和PMDA進(jìn)行低溫縮聚反應(yīng)，獲得不同GO摻雜量的GO/PAA紡絲液。
　　通過干噴濕紡的紡絲方法制備了PI纖維，探討了制備高質(zhì)量PI纖維的工藝條件。研究結(jié)果為最佳紡絲溫

5、度在25-30℃之間，凝固浴的比例V水∶V乙醇=9∶1，凝固時(shí)間3min，牽伸速率為32m/min獲得PAA纖維，然后熱亞胺化處理，100℃、200℃、300℃分別處理1h，350℃處理30min，獲得拉伸強(qiáng)度達(dá)1.2GPa、結(jié)構(gòu)致密的PI纖維。
　　通過原位聚合法制備了GO/PI復(fù)合纖維，考察了GO摻雜量對(duì)復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過XRD分析，純PI纖維為半結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，摻雜GO后的復(fù)合纖維有向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。通過氧氣氛圍和惰

6、性氛圍的TG和DSC分析，當(dāng)GO摻雜量為1.0wt％時(shí)，復(fù)合纖維的熱特征溫度Td5和Td10（分別為質(zhì)量損失5％和10％時(shí)的溫度）比純PI纖維分別提高了近40℃，說明其耐熱性增強(qiáng)。1.0wt％GO摻雜量的復(fù)合纖維的熱分解溫度達(dá)到了636℃，相比于純PI纖維提高了76℃，說明其熱穩(wěn)定性能提高。通過力學(xué)性能測(cè)試和SEM觀察，GO摻雜量為0.3wt％的復(fù)合纖維的力學(xué)性能提高了8.3％，復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)更加致密、平整。
　　制備了石墨烯/聚酰

7、亞胺復(fù)合炭纖維，借助于XRD、Raman、力學(xué)性能、傳導(dǎo)性能等分析測(cè)試方法，考察了石墨烯摻雜量對(duì)復(fù)合炭纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，隨著GO摻雜量的增加及碳化溫度的提高，纖維的石墨化度提高，晶粒尺寸增加，當(dāng)GO摻雜量為2.0wt％時(shí)，La和Lc分別為13.47nm和29.19nm，表明石墨結(jié)構(gòu)更加完善。當(dāng)GO摻雜量為0.3wt％時(shí)，1000℃碳化的復(fù)合碳纖維的力學(xué)性能提高了67.7％。GO摻雜量為2.0wt％的復(fù)合石墨纖維的傳導(dǎo)性能為