一種硬質(zhì)碳纖維保溫氈及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維隔熱保溫材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硬質(zhì)碳纖維保溫氈及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)碳纖維保溫氈是一種應(yīng)用于真空或惰性氣氛下的絕熱保溫功能材料，其被廣泛應(yīng)用于氣相沉積爐、單晶生長(zhǎng)爐、多晶鑄造爐、多晶還原爐、真空燒結(jié)爐、熱壓爐、熱平衡爐、電磁感應(yīng)爐、高純硅氫化爐、真空冶煉爐等非氧化氣氛高溫設(shè)備中作為高端保溫材料。硬質(zhì)碳纖維保溫氈對(duì)生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量、純度，以及設(shè)備的節(jié)能減排、設(shè)備的操作環(huán)境安全等，都有著非常積極的作用。
[0003]目前，硬質(zhì)碳纖維保溫材料制備的主流技術(shù)主要是通過(guò)碳纖維氈黏合以及短纖維成型，再經(jīng)固化、炭化、石墨化以及表面處理制備而成。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中有以下幾種制備方案:
[0005]方案1采用石墨纖維氈黏合成型的工藝，通過(guò)該工藝所得的產(chǎn)品易分層，使用壽命短，且由于纖維氈密度調(diào)整困難，該方案很難制備密度較低或較高的硬質(zhì)碳纖維保溫材料，尤其不適用于制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。
[0006]方案2采用磨碎碳纖維、粘結(jié)劑、分散劑及水充分混合后成型的方法，在制備過(guò)程中，粘結(jié)劑極易積聚在成型材料的表面，造成所得產(chǎn)品中心缺乏粘結(jié)力，易開(kāi)裂。
[0007]方案3采用碳纖維無(wú)紡氈與粘結(jié)劑及溶劑充分混合后成型的方法，該方案由于無(wú)紡氈體積蓬松，溶劑用量極大，大量溶劑的使用導(dǎo)致回收溶劑困難，同時(shí)存在一定的安全隱患和較高的溶劑回收費(fèi)用。
[0008]方案4采用化學(xué)氣相沉積的方法制備，該方案的制備方法成本高，且很難制備低密度的保溫材料。
[0009]除上述問(wèn)題外，現(xiàn)有技術(shù)還存在微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠完美的缺點(diǎn)，眾所周知的是，發(fā)達(dá)的納米級(jí)孔隙更有利于高溫保溫，碳纖維復(fù)合材料主要依賴于碳纖維搭建的孔腔以及纖維本身對(duì)輻射熱的反射而起到高溫保溫的效果，并通過(guò)粘結(jié)劑使得碳纖維定型為宏觀結(jié)構(gòu)件，這也使得粘結(jié)劑炭化后，其有效結(jié)合點(diǎn)減少，導(dǎo)致材料內(nèi)部孔隙粗大，從而保溫效果相對(duì)較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種硬質(zhì)碳纖維保溫氈及其制備方法，本發(fā)明通過(guò)大量使用可粘結(jié)纖維，提高了復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度;通過(guò)引入泡沫炭，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，提升復(fù)合材料的絕熱效果;可粘結(jié)纖維與樹(shù)脂泡沫的組合使用，降低了樹(shù)脂量，使得復(fù)合材料的空隙結(jié)構(gòu)異常發(fā)達(dá)，制作工藝簡(jiǎn)單環(huán)保，性價(jià)比高。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種硬質(zhì)碳纖維保溫氈，所述方法包括:步驟S1，制備酚醛泡沫體:按質(zhì)量份稱取殘?zhí)苛繛?5-85%的可發(fā)性甲階酚醛樹(shù)脂50-100份、表面活性劑1-5份、發(fā)泡劑3-10份、固化劑15-30份，加入高壓發(fā)泡設(shè)備，以6000-12000r/min剪切混合，得到流動(dòng)態(tài)酚醛泡沫體;步驟S2，制備纖維網(wǎng)胎:按質(zhì)量份稱取碳纖維40-75份、自粘性預(yù)氧化纖維0-50份、熱固性樹(shù)脂纖維10-40份、碳纖維前驅(qū)體熱塑性樹(shù)脂纖維10-40份，混合得到混合纖維，將所述混合纖維通過(guò)氣流成網(wǎng)形成克重為1000-10000g/m2的纖維網(wǎng)胎;步驟S3，預(yù)制體發(fā)泡成型:按質(zhì)量份稱取所述流動(dòng)態(tài)酚醛泡沫體5-30份、所述纖維網(wǎng)胎10份，注入高壓成型模具，在溫度為150-250°C、壓力為2-14MPa的條件下，成型得到密度為0.1-
0.5g/cm3的預(yù)制體;步驟S4，將所述預(yù)制體依次經(jīng)過(guò)高溫固化、炭化、石墨化和表面處理，制備成所述硬質(zhì)碳纖維保護(hù)氈。
[0012]其中，在步驟S1中，所述表面活性劑為聚氧乙烯醚、多元醇、烷基醇酰胺中的一種或幾種的混合物。
[0013]其中，在步驟S1中，所述發(fā)泡劑為烷烴、醚、氯氟烴、氟碳烴中的一種或幾種的混合物。
[0014]其中，在步驟S1中，所述固化劑為磺酸、羧酸、鹽酸、硫酸、磷酸中的一種或幾種的混合物。
[0015]其中，在步驟S2中，碳纖維短切長(zhǎng)度為3-12mm，自粘性預(yù)氧化纖維短切長(zhǎng)度為5-15mm，殘?zhí)?5-85%的熱固性樹(shù)脂纖維短切長(zhǎng)度為5-15mm，碳纖維前驅(qū)體熱塑性樹(shù)脂纖維短切長(zhǎng)度為10-120mm。
[0016]其中，在步驟S2中，所述自粘性預(yù)氧化纖維的含氧量為3-8%，是聚丙烯腈系預(yù)氧絲、瀝青系不熔化纖維中的一種。
[0017]其中，在步驟S2中，所述碳纖維前驅(qū)體熱塑性樹(shù)脂纖維是聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維中的一種。
[0018]其中，在步驟S5中，高溫固化:在溫度為200_350°C的條件下高溫固化處理3_300min ；炭化:氮?dú)鈿夥障?，在溫度?50-1300°C條件下炭化處理30_60min ；石墨化:氬氣氣氛下，在溫度為1800-3000°C條件下石墨化處理;表面處理:經(jīng)過(guò)炭布、炭紙、柔性石墨紙貼層或氣相沉積，制備成所述硬質(zhì)碳纖維保護(hù)氈。
[0019]其中，在步驟S2中，所述纖維網(wǎng)胎通過(guò)以下方法制得:按質(zhì)量份稱取碳纖維40-75份、自粘性瀝青系不熔化纖維或聚丙烯腈系預(yù)氧絲0-50份、熱固性樹(shù)脂纖維10-40份、碳纖維前驅(qū)體樹(shù)脂纖維10-40份，混合得到混合纖維;按比例份稱取所述混合纖維100份、分散劑
0.1-2份、水3000-5000份，攪拌分散均勻，倒入抽濾模具，抽濾去除水，在溫度為80_120°C條件下，烘干得到克重為1000-10000g/m2的纖維網(wǎng)胎;其中，所述分散劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇中的一種或幾種的混合物。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種由上述制備方法制備得到的硬質(zhì)碳纖維保溫氈。
[0021]本發(fā)明采用更合理的微觀設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化制備工藝，對(duì)硬質(zhì)保溫氈的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行設(shè)計(jì):
[0022]1.通過(guò)大量使用可粘結(jié)纖維，使預(yù)制體成型更加簡(jiǎn)單，且可粘結(jié)纖維是非完全融化狀態(tài)，可通過(guò)熱氧化交聯(lián)成不熔纖維，在后續(xù)處理過(guò)程中，與碳纖維相互纏繞粘結(jié)并轉(zhuǎn)化為碳纖維，這一特性極大的提高了復(fù)合材料內(nèi)部的力學(xué)強(qiáng)度。
[0023]2.通過(guò)樹(shù)脂泡沫劑高壓發(fā)泡，經(jīng)過(guò)后處理在碳纖維之間形成納米泡沫炭，進(jìn)一步提高了復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)提升了復(fù)合材料的絕熱效果。
[0024]3.可粘結(jié)纖維與樹(shù)脂泡沫劑的組合使用，不僅降低了樹(shù)脂量，還使得復(fù)合材料的孔隙結(jié)構(gòu)異常發(fā)達(dá)，進(jìn)一步使得材料密度和導(dǎo)熱系數(shù)的可設(shè)計(jì)性也大幅度提高，并解決了通用的浸漬樹(shù)脂工藝需要消耗大量溶劑的問(wèn)題。
[0025]4.制備工藝簡(jiǎn)單環(huán)保，性價(jià)比高。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此夕卜，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
[0027]【實(shí)例1】
[0028]本發(fā)明的硬質(zhì)碳纖維硬質(zhì)保溫氈，通過(guò)如下步驟制成:
[0029](1)纖維短切處理:碳纖維短切長(zhǎng)度為5mm，氧含量5 %的自粘性聚丙烯腈系預(yù)氧絲短切長(zhǎng)度為10mm，殘?zhí)苛?5%的酚醛纖維短切長(zhǎng)度為15mm，聚丙烯腈纖維短切長(zhǎng)度為30mm。
[0030](2)制備酚醛泡沫體:市售甲階酚醛樹(shù)脂:壬基酚聚氧乙烯醚:正戊烷:對(duì)甲苯磺酸按質(zhì)量比100份:2.5份:7份:20份，加入高壓發(fā)泡設(shè)備，以6000r/min高速剪切混合，得到酚醛泡沫體。
[0031](3)制備纖維網(wǎng)胎:碳纖維、聚丙烯腈系預(yù)氧絲、酚醛樹(shù)脂纖維、聚丙烯腈纖維以質(zhì)量比60份:10份:20份:10份的比例混合，得到混合纖維，將所述混合纖維通過(guò)氣流成網(wǎng)形成克重為2400g/m2的纖維網(wǎng)胎，將纖維網(wǎng)胎整體裝入高壓成型模具。
[0032](4)預(yù)制體發(fā)泡成型:將步驟(2)制得的酚醛泡沫體注入模具，酚醛泡沫體、纖維網(wǎng)胎質(zhì)量比為10份:10份，在溫度為180°C、壓力8MPa的條件下，成型得到密度為0.2g/cm3的預(yù)制體。
[0033](5)高溫固化:采用簡(jiǎn)單模具夾持預(yù)制體，在溫度為300°C的條件下高溫固化處理30mino
[0034](6)炭化:氮?dú)鈿夥障?，在溫度?000°C的條件下炭化處理30min。
[0035](7)石墨化:氬氣氣氛下，在溫度為1800°C的條件下石墨化處理。
[0036](8)表面處理:機(jī)加工修整，通過(guò)化學(xué)氣相沉積表面處理，獲得密度為0.23g/cm3，1000°C導(dǎo)熱系數(shù)0.25w/m.k。
[0037]【實(shí)例2】
[0038]本發(fā)明的硬質(zhì)碳纖維硬質(zhì)保溫氈，通過(guò)如下步驟制成:
[0039](1)纖維短切處理:碳纖維短切長(zhǎng)度為8mm，氧含量7%的自粘性瀝青系不熔化纖維短切長(zhǎng)度為15mm，殘?zhí)苛?0%的酚醛樹(shù)脂纖維短切長(zhǎng)度為10mm，聚乙烯醇纖維短切長(zhǎng)度為100mmο