一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料及制造這種復(fù)合保溫材料的方法，應(yīng)用于高溫爐體上的絕熱材料領(lǐng)域，復(fù)合保溫材料包括基礎(chǔ)原料和輔料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料，所述基礎(chǔ)原料是經(jīng)過高溫煅燒后可以碳化的纖維材料；所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂，所述廢棄纖維原料為聚丙烯氰纖維、瀝青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。依照本發(fā)明的材料和方法制成的復(fù)合保溫材料，具有更細(xì)的纖維直徑，更小的導(dǎo)熱系數(shù)，更好的耐燒蝕性，更高的純度；由于采用廢棄纖維來制作，降低了成本，提高企業(yè)的效益和產(chǎn)品的競爭力。
【專利說明】一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合保溫材料的應(yīng)用，具體涉及一種采用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料以及這種復(fù)合保溫材料的加工制造方法。
【背景技術(shù)】 [0002]保溫材料被廣泛的應(yīng)用于玻璃、熱處理、航空航天、鋼鐵、電力、太陽能、半導(dǎo)體等行業(yè)設(shè)備需要保溫的領(lǐng)域，主要用在爐子的殼體中。但隨著產(chǎn)品應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和普及，對(duì)爐體設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)要求越來越苛刻，越來越復(fù)雜，包括要求具備更高的處理溫度、更高的處理純度、更大的體積、更輕的重量、更高的功率和其它技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。例如在電子、電氣元件或者高功率的光學(xué)器件的制造過程中，需要更大的尺寸，更高的純度，那么對(duì)生產(chǎn)這些晶體的爐體就提出更高的要求，這樣對(duì)爐體的保溫材料就提出了更苛刻、更可靠的要求。如果爐子熱場的溫度、純度、體積不能滿足要求，那么不管用再好的原料也生產(chǎn)不出滿足要求的產(chǎn)品，而這其中最關(guān)鍵的就是熱場保溫材料的選擇。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的保溫材料主要采用國產(chǎn)氰綸作為主要原料，用這種原料制造的保溫材料具有明顯的問題和局限性:
1、密度大，相同尺寸的情況下，熱容大，自身對(duì)熱量的消耗大，耗能。而且整個(gè)熱場的相對(duì)較重，安裝和拆卸勞動(dòng)強(qiáng)度大。
[0004]2、保溫效果差，由于采用的纖維直徑為15微米左右，在形同體積密度的情況下，熱通道短，這樣保溫效果自然就差，從而給設(shè)備熱工設(shè)計(jì)帶來了無法逾越的屏障(如爐子溫度設(shè)計(jì)不高，體積設(shè)計(jì)不大)。
[0005]3、耐燒蝕性差，由于自身纖維純度不高，在高溫?zé)釠_擊過程中，耐受性差。
[0006]基于現(xiàn)有技術(shù)的保溫材料以上幾種性能和生產(chǎn)工藝的缺點(diǎn)，因此一種性價(jià)比高、物美價(jià)廉的保溫材料就為設(shè)備保溫領(lǐng)域所需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種新型的復(fù)合保溫材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)的耗能、保溫效果差、耐燒蝕性差的技術(shù)問題。
[0008]本發(fā)明的又一目的是提供一種新型的復(fù)合保溫材料的制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)耗能、保溫效果差、耐燒蝕性差的技術(shù)問題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，應(yīng)用于高溫爐體上的絕熱材料領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)原料和輔料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料，所述基礎(chǔ)原料是經(jīng)過高溫煅燒后可以碳化的纖維材料；所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂。
[0010]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，所述廢棄纖維原料為聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。[0011]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，所述粘合劑為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、亞克力樹脂、橡膠類材料和四氟乙烯樹脂等膠粘劑的其中一種或其中多種組成；所述石墨為石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種組成。
[0012]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，所述廢棄纖維原料為浙青基、PAN基、粘膠基和酚醛基的其中一種；所述廢棄纖維原料的形狀為長纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。
[0013]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，所述復(fù)合保溫材料的密度是成階梯密度的。
[0014]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，所述復(fù)合保溫材料的傳熱方向和導(dǎo)熱系數(shù)是可調(diào)節(jié)性的。
[0015]一種利用廢棄纖維制作復(fù)合保溫材料的制造方法，包括:
步驟1:將廢棄纖維原料進(jìn)行表面處理、破碎處理及分散處理；
步驟2:將處理后的纖維原料與輔料混合分散于水中；
步驟3:將混合后的材料均勻攪拌；
步驟4:將攪拌后的材料通過模具過濾，成型為胚體；
步驟5:將過濾后成型的胚體浸潤樹脂 步驟6:把浸潤樹脂后的胚體固化，干燥 步驟7:把干燥的胚體放入真空爐內(nèi)煅燒碳化；
步驟8:把碳化的胚體放入真空爐內(nèi)煅燒石墨化。
[0016]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的制造方法，步驟4裝模成型的坯體形狀可以是長方體、圓柱體等幾何形狀的其中一種。
[0017]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的制造方法，所述煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的高溫煅燒。
[0018]由于采用了以上的技術(shù)使得本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果: 第一、依照本發(fā)明的材料和方法制成的新型復(fù)合保溫材料， 由于采用廢棄纖維來制作，
降低了成本，提高企業(yè)的效益和產(chǎn)品的競爭力；
第二、本發(fā)明的新型復(fù)合保溫材料具有更細(xì)的纖維直徑，更小的導(dǎo)熱系數(shù)，更好的耐燒蝕性，更高的純度；而且采用的材料具有傳熱各向異性的特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)出的復(fù)合保溫材料具有定向傳熱功能，而且熱導(dǎo)系數(shù)可以根據(jù)需要來設(shè)計(jì)；
第三、使用這種新型復(fù)合保溫材料使?fàn)t子在相同功率的情況下獲得更高的溫度，也可以使得爐子使用較小的功率獲得更高的溫度，這樣起到節(jié)能降耗的作用；
第四、使用這種新型復(fù)合保溫材料使得爐內(nèi)的氣氛獲得更高的純度，從而保證晶體生長的純度，提聞廣品質(zhì)量；
第五、本發(fā)明的復(fù)合保溫材料在常溫有氧環(huán)境中是惰性的，在最常見的環(huán)境中不會(huì)被氧化或腐蝕。而且質(zhì)輕，密度可以階梯設(shè)計(jì)，有利于熱場環(huán)境的清潔和燒蝕需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為碳纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為石墨烯單層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的一種采用廢棄碳纖維制造復(fù)合保溫材料的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對(duì)本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說明了具體的細(xì)節(jié)，而對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。 [0021]本發(fā)明的核心思想在于，采用廢棄纖維作為原料既愛護(hù)環(huán)境又降低成本，此外熱導(dǎo)率和導(dǎo)熱方向可以調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)，而且密度可以根據(jù)需要階梯分布或局部不同，這樣的作法，可以根據(jù)需要調(diào)整保溫材料的耐燒蝕性。尤其是填充了石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種原材料的復(fù)合產(chǎn)品；這種填料的耐熱性很高，最高可以達(dá)到3000°C。另外，這種填料具有很高的純度，并且可以降低生產(chǎn)成本。
[0022]本發(fā)明采用一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，應(yīng)用于高溫爐體上的絕熱材料領(lǐng)域，復(fù)合保溫材料包括基礎(chǔ)原料和輔料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料，是經(jīng)過高溫煅燒后可以碳化的纖維材料；所述廢棄纖維原料可以是聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。
[0023]所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂；而所述粘合劑可以是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、亞克力樹脂、橡膠類材料和四氟乙烯樹脂等膠粘劑的其中一種或其中多種組成；而所述石墨為石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種組成。
[0024]另外，前面提到的廢棄纖維原料可以是浙青基、PAN基、粘膠基和酚醛基的其中一種；而石墨纖維的形狀可以是長纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。而做出來的復(fù)合保溫材料的密度可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)成階梯密度，在需要耐燒蝕性好的地方密度設(shè)計(jì)高一點(diǎn)。
[0025]碳纖維、石墨纖維是一種特殊的材料，請(qǐng)參考圖1為碳纖維結(jié)構(gòu)示意圖；應(yīng)用在保溫材料中的碳纖維或石墨纖維，經(jīng)過刀具或氣體破碎機(jī)破碎處理的短纖維、纖維粉體或兩者的混合，這種材料在纖維直徑方向和纖維長度方向的導(dǎo)熱系數(shù)具有很大的差異性，在高精度顯微鏡下是液晶結(jié)構(gòu)，具有性能的各向異性，而且其纖維直徑為7微米，較國產(chǎn)氰綸纖維直徑的15微米來的小。值得注意的是，由于這種材料在性能上的特殊性，所以可以根據(jù)纖維方向來調(diào)節(jié)復(fù)合保溫材料的傳熱方向。應(yīng)用在新型復(fù)合保溫材料中的碳纖維或石墨纖維一般為短纖維或研磨纖維。在導(dǎo)熱傳熱層中短纖維的分布是根據(jù)具體的成型工藝決定纖維的排布方向，一部分按照設(shè)計(jì)要求取向，一部分是雜亂無章分布的，總體是種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要的傳熱方式是靠纖維搭接和介質(zhì)傳遞共同實(shí)現(xiàn)的。可以通過調(diào)整取向纖維和雜亂纖維的比例來調(diào)整復(fù)合保溫材料的傳熱性能和傳熱方向。
[0026]石墨烯也是一種特殊的材料，請(qǐng)參考圖2為石墨烯單層結(jié)構(gòu)示意圖，石墨烯是從石墨中剝離出的石墨片，是僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，明顯比傳統(tǒng)的鱗片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明顯不同，是完全不同的兩種物質(zhì)。這種材料在垂直鱗片方向和平行鱗片方向的導(dǎo)熱系數(shù)具有很大的差異性，平行鱗片方向的導(dǎo)熱系數(shù)最大可以達(dá)到3000W/m K(普通石墨的導(dǎo)熱系數(shù)一般小于1500 W/m K),而垂直鱗片方向的導(dǎo)熱系數(shù)較小,在高精度顯微鏡下是六邊形的層狀鱗片結(jié)構(gòu)，具有性能的各向異性。值得注意的是，由于這種材料在性能上的特殊性，所以可以根據(jù)石墨烯的含量來調(diào)節(jié)復(fù)合材料的熱導(dǎo)系數(shù)，并且可以根據(jù)石墨烯的取向性來調(diào)整傳熱的方向。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)的保溫材料相比，本發(fā)明中的復(fù)合保溫材料最大的不同在于其低熱導(dǎo)系數(shù)，以及其導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱方向的可調(diào)節(jié)性和可設(shè)計(jì)性。
[0028]以下，則結(jié)合流程圖，對(duì)舉例以廢棄碳纖維為原料來制造復(fù)合保溫材料的工藝方法做出說明。
[0029]實(shí)施例一
請(qǐng)參考圖3，本實(shí)施例為一種采用廢棄碳纖維為原料來制造復(fù)合保溫材料的流程圖，可見，主要包括以下的步驟:
一種利用廢棄碳纖維制作復(fù)合保溫材料的制造方法，包括:
S201:將廢棄碳纖維原料進(jìn)行表面處理、破碎處理及分散處理；
碳纖維是以噴絲的方式制成的，短的碳纖維則是噴絲所得碳纖維經(jīng)過特制的刀具(例如龍門鍘刀)或氣體破碎機(jī)，按照預(yù)先設(shè)定的長度切割或破碎而成的。當(dāng)然，為與輔料更好結(jié)合，則在制備短切碳纖維之前，需要對(duì)碳纖維根據(jù)不同的輔料做好表面處理，提高復(fù)合材料的性能。
[0030]在必要的情況下，還需要將處理過的短切碳纖維放入研磨機(jī)進(jìn)行研磨；研磨碳纖維是通過短切得到的碳纖維進(jìn)一步加工所得，一般是把短切好的短的碳纖維放入研磨機(jī)中研磨一定的時(shí)間，然后根據(jù)研磨時(shí)間和風(fēng)洞分級(jí)得到一定目數(shù)的纖維粉體的碳纖維。
[0031]S202:將處理后的碳纖維原料與輔料混合分散于水中；
把以上研磨好的短的碳纖維、纖維粉體的碳纖維或兩者的混合放入水中，也可以將粘合劑樹脂按照設(shè)定比例放入水中混合，例如重量比例或體積比例，得到所需要的材料，一般混合后的材料中碳纖維的含量大于萬分之二，例如碳纖維的含量大于萬分之二，例如是萬分之五，或者是千分之二。
[0032]S203:將混合后的材料均勻攪拌；
S204:將攪拌后的材料通過模具過濾，成型為胚體；
過濾的方法是用制作好的模具配上過濾網(wǎng)，主要把水過濾出去，留下來纖維。裝模成型的坯體形狀可以是長方體、圓柱體等幾何形狀的其中一種；而且，坯體的傳熱方向和導(dǎo)熱系數(shù)可以設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)。
[0033]S205:將過濾后成型的胚體浸潤樹脂；
5206:把浸潤樹脂后的胚體固化，干燥；
5207:把干燥的胚體放入真空爐內(nèi)煅燒碳化；
5208:把碳化的胚體放入真空爐內(nèi)煅燒石墨化。
[0034]煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的高溫煅燒，煅燒分成兩個(gè)階段，首先，加熱到1000-1500度時(shí)，所有非碳原子將逐步被驅(qū)逐，碳含量逐步增加，隨著非碳原子的排除，固相間發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，是一種碳化過程；第二步，溫度升高到2000-3000度時(shí)，殘留的非碳原子繼續(xù)排除，進(jìn)一步反應(yīng)形成的芳環(huán)平面逐步增加，排列也較規(guī)整，取向性顯著提高，是一種石墨化過程。[0035]綜上所述，本發(fā)明一種新型復(fù)合保溫材料處理，有效的提高和超越了傳統(tǒng)保溫材料的性能，同時(shí)提供一種制作復(fù)合保溫材料的方法，這種復(fù)合保溫材料可以根據(jù)實(shí)際的熱工設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)其熱導(dǎo)系數(shù)和傳熱方向，同時(shí)可以具體需要設(shè)計(jì)其密度分布，能夠有效提高保溫材料的絕熱效果，從而減少熱場的重量和體積，為開發(fā)體積大，能耗小，性能高的爐子提供了有利的工作條件，同時(shí)這種新型復(fù)合保溫材料易生產(chǎn)加工，成本低。
[0036]由于采用了以上的技術(shù)使得本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)， 具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果: 第一、依照本發(fā)明的材料和方法制成的新型復(fù)合保溫材料，由于采用廢棄纖維來制作，
降低了成本，提高企業(yè)的效益和產(chǎn)品的競爭力；
第二、本發(fā)明的新型復(fù)合保溫材料具有更細(xì)的纖維直徑，更小的導(dǎo)熱系數(shù)，更好的耐燒蝕性，更高的純度；而且采用的材料具有傳熱各向異性的特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)出的復(fù)合保溫材料具有定向傳熱功能，而且熱導(dǎo)系數(shù)可以根據(jù)需要來設(shè)計(jì)；
第三、使用這種新型復(fù)合保溫材料使?fàn)t子在相同功率的情況下獲得更高的溫度，也可以使得爐子使用較小的功率獲得更高的溫度，這樣起到節(jié)能降耗的作用；
第四、使用這種新型復(fù)合保溫材料使得爐內(nèi)的氣氛獲得更高的純度，從而保證晶體生長的純度，提聞廣品質(zhì)量；
第五、本發(fā)明的復(fù)合保溫材料在常溫有氧環(huán)境中是惰性的，在最常見的環(huán)境中不會(huì)被氧化或腐蝕。而且質(zhì)輕，密度可以階梯設(shè)計(jì)，有利于熱場環(huán)境的清潔和燒蝕需要。
[0037]依照本發(fā)明的實(shí)施例如上文所述，這些實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明以及在本發(fā)明基礎(chǔ)上的修改使用。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，應(yīng)用于高溫爐體上的絕熱材料領(lǐng)域，其特征在于，包括基礎(chǔ)原料和輔料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料，所述基礎(chǔ)原料是經(jīng)過高溫煅燒后可以碳化的纖維材料； 所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，其特征在于，所述廢棄纖維原料為聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，其特征在于，所述粘合劑為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、亞克力樹脂、橡膠類材料和四氟乙烯樹脂等膠粘劑的其中一種或其中多種組成；所述石墨為石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種組成。
4.如權(quán)利要求1所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，其特征在于，所述廢棄纖維原料為浙青基、PAN基、粘膠基和酚醛基的其中一種；所述廢棄纖維原料的形狀為長纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，其特征在于，所述復(fù)合保溫材料的密度是成階梯密度的。
6.如權(quán)利要求1所述的一種利用廢棄纖維制作的復(fù)合保溫材料，其特征在于，所述復(fù)合保溫材料的傳熱方向和導(dǎo)熱系數(shù)是可調(diào)節(jié)性的。
7.一種利用廢棄纖維制作復(fù)合保溫材料的制造方法，其特征在于，包括: 步驟1:將廢棄纖維原料進(jìn)行表面處理、破碎處理及分散處理；. 步驟2:將處理后的纖維原料和輔料分散于水中； 步驟3:將混合后的材料均勻攪拌； 步驟4:將攪拌后的材料通過模具過濾，成型為胚體； 步驟5:將過濾后成型的胚體浸潤樹脂； 步驟6:把浸潤樹脂后的胚體固化，干燥； 步驟7:把干燥的胚體放入真空爐內(nèi)煅燒碳化； 步驟8:把碳化的胚體放入真空爐內(nèi)煅燒石墨化。
8.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，步驟4裝模成型的坯體形狀可以是長方體、圓柱體等幾何形狀的其中一種。
9.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的高溫煅燒。
【文檔編號(hào)】C04B14/38GK103467000SQ201310409118
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】申富強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海騏杰碳素材料有限公司