导热型碳纤维复合材料及制备方法
【专利摘要】导热型碳纤维复合材料及制备方法，属于碳纤维复合材料【技术领域】。本发明以中间相沥青基碳纤维作为填充材料，以聚苯硫醚作为基体，使用熔融复合方法将碳纤维与聚苯硫醚复合成一种导热型复合材料。实验最高碳纤维含量为20％，不会对聚苯硫醚基体造成相当大的结构和性能上的损坏，在某些程度上聚苯硫醚基体的优异性能还能保持一个良好的状态。
【专利说明】导热型碳纤维复合材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳纤维复合材料【技术领域】，涉及导热型碳纤维复合材料及制备方法。【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，导热材料开始应用于各行各业，导热材料的重要性也被人们越来越重视。伴随着信息时代的到来，电子元器件的发展，人们对导热材料的要求也越来越苛刻。高分子材料由于其优异的综合性能在导热领域中开始逐渐被研究。高分子材料具有优异的电绝缘性、耐腐蚀性和易加工成型性在导热领域发挥着重要的角色。但是高分子材料本身的导热率很低，为了提高高分子材料的导热率，人们研究发现通过往高分子材料当中填充高导热材料，可以使得其导热率得到很大提升。解决了导热率极低的难题，高分子材料在导热领域开始了全新的发展，而寻找合适的填充材料和填充手段也成了导热材料最新的研究方向。
[0003]聚苯硫醚耐高温、耐热稳定性好、阻燃性能好，可以应用于许多领域，例如在电子电气、汽车、化工、精密机械 以及航空、航天等领域，而且在军工方面也有所发展。迄今为止聚苯硫醚的新品种和用途仍在不断地产生和发展，聚苯硫醚优异的性能和广泛的用途已使聚苯硫醚产量居特种工程塑料首位，在工程塑料中更是排名第6。
[0004]聚苯硫醚的主要性能有:
[0005](I)耐高温，耐热稳定性好:聚苯硫醚的熔点为280°C _290°C，长期使用温度为2000C _230°C，在低于400°C的空气或氮气中比较稳定，基本上没有很大的质量损失。
[0006](2)耐化学腐蚀性能好:耐化学腐蚀性能与聚四氟乙烯相近，能抵抗除氧化性介质外几乎所有无机物质，而且能抵抗酸、碱、烃、酮等大多数化学品的侵蚀，特别是在200°C下不溶于几乎任何化学溶剂。
[0007](3)耐磨性能好:聚苯硫醚耐磨性能好，线膨胀系数低，在高温、高湿的条件下仍然能够表现出良好的尺寸稳定性。
[0008](4)阻燃性能好:与大多数树脂材料相反，聚苯硫醚自身就具有优良的阻燃性，无需加入任何的阻燃剂，其安全性极高。
[0009](5)力学性能好:聚苯硫醚的机械强度高、硬度大、密度小、刚性非常强、表面硬度也非常高，聚苯硫醚具有卓越的抗蠕变性和耐疲劳性，其优良的性能使得其可以代替金属。
[0010]但是，由于聚苯硫醚的相对分子质量低，其数均平均相对分子质量也只达到5500，再加上主链上大量的苯环增加了高分子链的刚性，使得聚苯硫醚的脆性、冲击韧性不高，从而在一定程度上限制了它的应用。因此我们可以通过使用纤维增强或者无机填料填充等方法对聚苯硫醚进行共混改性，合成新的复合材料，来达到更优异的性能。
[0011]填充材料在复合材料中形成的“导热网络”是提高复合材料整体导热性能的关键，导热网络的建立会使得整个复合材料导热率有突破性的增加。因此就性能导热网络这一方面，具有导热性的纤维或者纤维状的填充物(如晶须)就拥有比粉状填充物更大的优势。并且碳纤维不仅在导热率有优秀的表现，而在碳纤维还是高模高强纤维，对复合材料整体性嫩的提高有极大的优势，在这方面表现更为突出的就是浙青基碳纤维与气相生长碳纤维。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是以中间相浙青基碳纤维作为填充材料，以聚苯硫醚作为基体，使用熔融复合方法将碳纤维与聚苯硫醚复合成一种导热型复合材料，使得复合材料的导热性能良好。
[0013]本发明碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0014](I)将聚苯硫醚粉末在鼓风干燥箱中鼓风干燥，称取一定量的粉末研磨均匀。
[0015](2)将浙青基碳纤维丝研磨成粉末，称取一定量的碳纤维粉末与一定量的聚苯硫醚粉末混合搅拌。
[0016](3)将混合好的粉末放入模具中，再于平板硫化机上加压熔融，熔融温度为290-350°C，恒温15min-2h后自然冷却。
[0017]上述步骤(2)优选浙青基碳纤维丝的质量百分含量为5% -20%。
[0018]优选浙青基碳纤维丝制备过程包括如下:
[0019](I)熔融纺丝升温过程:中间相浙青先由室温加热至200°C，加热时间为30min ；再加热至345°C，加热 时间为3h，加热至345°C后恒温Ih ;然后进行纺丝:温度345°C，压力
0.02Mpa,辊筒转速 660r/min ；
[0020](2)预氧化升温过程:先由室温加热至200°C，加热时间为lh，恒温30min ;再加热至300°C,加热时间为66min,加热至300°C后恒温lOmin。
[0021](3)碳化升温过程:先由室温加热至300°C，加热时间为IOOmin ;再加热至700°C，加热时间为400min ;再加热至1000°C，加热时间为lOOmin，加热至1000°C后恒温30min。
[0022](4)石墨化升温过程:由室温加热至2800°C。
[0023]碳纤维复合材料的导热率随着碳纤维含量的增加几乎呈线性增长。碳纤维含量为5%的复合材料的导热率最低，为0.82ff/m.K，碳纤维含量为20%的复合材料的导热率最高，为1.88W/m.K，与碳纤维含量5%相比同比增长了 129%之多，数值更是增加了一倍有余。可以得出碳纤维在复合材料中分散的杂乱程度和含量很明显的影响复合材料的导热率。碳纤维在基体中按照网状分布，可以很好的连接基体各处，基体接触所承受到的热量可以很好地通过基体内部的碳纤维传递出去，这样就大大提升了复合材料的导热性能。碳纤维含量越高，基体内部所含有的碳纤维就越多，导热传热的通道和路线就会越多，传热的速率也会相应加快，所以碳纤维含量增加能够使得碳纤维复合材料的导热率随之提升。实验最高碳纤维含量为20%，不会对聚苯硫醚基体造成相当大的结构和性能上的损坏，在某些程度上聚苯硫醚基体的优异性能还能保持一个良好的状态。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0025]碳纤维丝的制备:
[0026](I)熔融纺丝升温过程:中间相浙青先由室温加热至200°C，加热时间为30min ；再加热至345°C，加热时间为3h，加热至345°C后恒温Ih ;然后进行纺丝:温度345°C，压力
0.02Mpa,辊筒转速 660r/min ；[0027](2)预氧化升温过程:先由室温加热至200°C，加热时间为lh，恒温30min ;再加热至300°C,加热时间为66min,加热至300°C后恒温lOmin。
[0028](3)碳化升温过程:先由室温加热至300°C，加热时间为IOOmin ;再加热至700°C，加热时间为400min ;再加热至1000°C，加热时间为lOOmin，加热至1000°C后恒温30min。
[0029](4)石墨化升温过程:由室温加热至2800°C。
[0030]实施例
[0031 ] 实验选取5%、10%、15%、20%这几个碳纤维质量含量比例来进行对比，研究不同碳纤维含量对复合材料的性能与结构的影响。称量0.25g碳纤维和4.75g聚苯硫醚粉末混合熔融合成5%碳纤维含量的复合材料,称量0.5g碳纤维和4.5g聚苯硫醚粉末混合熔融合成10%碳纤维含量的复合材料,称量0.75g碳纤维和4.25g聚苯硫醚粉末混合熔融合成15%碳纤维含量的复合材料，称量1.0g碳纤维和4.0g聚苯硫醚粉末混合熔融合成20%碳纤维含量的复合材料，配方如下表所示:
[0032]表1
[0033]
【权利要求】
1.导热型碳纤维复合材料，其特征在于，以中间相浙青基碳纤维作为填充材料，以聚苯硫醚作为基体，使用熔融复合方法将碳纤维与聚苯硫醚复合成一种导热型复合材料。
2.导热型碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将聚苯硫醚粉末在鼓风干燥箱中鼓风干燥，称取一定量的粉末研磨均匀； (2)将浙青基碳纤维丝研磨成粉末，称取一定量的碳纤维粉末与一定量的聚苯硫醚粉末混合搅拌； (3)将混合好的粉末放入模具中，再于平板硫化机上加压熔融，熔融温度为290-350°C，恒温15min-2h后自然冷却。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，步骤(2)优选浙青基碳纤维丝的质量百分含量为 5% -20% ο
4.按照权利要求2的方法，其特征在于，浙青基碳纤维丝制备过程包括如下: (1)熔融纺丝升温过程:中间相浙青先由室温加热至200°C，加热时间为30min;再加热至345°C，加热时间为3h，加热至345°C后恒温Ih ;然后进行纺丝:温度345°C，压力.0.02Mpa,辊筒转速 660r/min ； (2)预氧化升温过程:先由室温加热至200°C，加热时间为lh，恒温30min;再加热至.300°C，加热时间为66min，加热至300°C后恒温lOmin。 (3)碳化升温过程:先由室温加热至300°C，加热时间为IOOmin;再加热至700°C，加热时间为400min ;再加热至1000°C，加热时间为lOOmin，加热至1000°C后恒温30min。 (4)石墨化升温过程:由室温加热至2800°C。
【文档编号】C08K7/06GK103980710SQ201410240696
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月2日 优先权日:2014年6月2日
【发明者】迟伟东, 余晨熙, 刘峰, 于建民 申请人:北京化工大学