聚酰亚胺基高导热炭纤维的结构演变和性能研究

随着科技的不断发展,散热问题成为制约许多行业发展的瓶颈。例如,随着电子设备元器件集成度的不断提高,设备在运行的过程中会产生大量的热。如果不将这些热量及时有效的传导出去,不仅会影响设备使用体验,更影响了设备运行的稳定性和安全性。解决这一问题的关键是寻找合适的散热材料,石墨材料由于其高的理论导热率及导热率沿层面和层间距的各向异性(层面2300W·m-1·K-1,层间6-9W·m-1·K-1),已经受到越来越多研究者的关注。聚酰亚胺(Polyimide,PI)是一类易石墨化的材料,PI薄膜通过石墨化处理可制备导热率达到1800W·m-1·K-1以上的高结晶性石墨膜,目前已经得到广泛应用。可以设想,PI纤维也可以通过适当热处理工艺制备高导热的石墨纤维,然后通过复合制备出导热率可控的定向导热材料,在导热领域潜力巨大。本文首先通过两步法并经干湿法纺丝制备了 PI纤维,然后经高温热处理制备了 PI基炭纤维及其石墨纤维。研究了其前驱体分子结构、聚合时间、炭化过程中的张力以及PI分子的交联处理对PI基炭纤维的元素含量、炭化收率以及传导性能的影响,并对PI纤维经热处理转变为石墨纤维过程中的结构演变及机理进行了研究。研究表明:通过改变PI的分子结构,进一步炭化处理可得到不同结构的炭纤维。随着共聚纤维中(4,4'-二氨基二苯醚)ODA含量增加到一定范围,纤维的热稳定性进一步增加,同时炭化过程中的放热更加缓和,使得PI纤维在炭化过程中不会因力学性能下降太多而导致断裂,提高了加工过程的稳定性。聚酰亚胺基石墨纤维的导热率随着ODA含量的增加先增后减,POP-20%的热导率最高为305.2W*m-1*K-1。进一步探究了加工工艺条件对聚酰亚胺纤维及聚酰亚胺基炭纤维性能的影响,发现:随聚合时间的延长,聚酰胺酸(Polyamide acid,PAA)的分子量降低,分子量分布逐渐均匀,聚酰亚胺基炭纤维的结晶性,拉伸强度,断裂伸长,导热率均逐渐增加,60min聚合时间所得炭纤维性能最优;对PI纤维炭化过程中施加一定的张力,有助于促进炭纤维中石墨微晶的取向,提高炭纤维结晶性和导热率;但当张力超过一定值时,纤维内部炭化产生的微裂纹逐渐扩大,使炭纤维力学性能和传导性能出现一定程度降低;160g张力处理所得石墨纤维导热率最高,为128.2W*m-1*K-1。借鉴中间相沥青基炭纤维和聚丙烯腈基炭纤维生产工艺中的交联稳定化过程,制备了分子链上含有羧基的聚酰亚胺纤维(DABA型),并通过直接热处理(物理交联)和化学交联处理制备了两种不同交联PI纤维,比较了不同交联方式对PI基石墨纤维结构和性能的影响。物理交联PI纤维热稳定性高于化学交联PI纤维,且两种交联方法所得石墨纤维石墨化度均有所提升。10%DABA添加量物理交联所得石墨纤维导热率最高,为 245.6W*m-1*K-1最后,通过对PI热处理过程中发生的化学变化进行分析,推测出PI分子链演变形成三维层状有序石墨结构的机理,为进一步深入研究PI纤维基炭纤维的制备技术和结构的关联性以及改善其性能奠定基础。