一种复合碳纤维硬质保温毡及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合碳纤维硬质保温毡及其制备方法，由碳纤维真空抽滤层成型、复合黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡层、浸粘结剂及针刺并涂覆上表面处理层、成型和后处理等步骤制备。本发明可以根据具体的使用环境对产品进行性价比优化设计，有效提高了产品的强度，使整体毡的密度可设计性高，有机填料密度较低，有效的形成了高温面对应高密度纤维堆叠结构，绝热效果更优异，低温面对应低密度纤维堆叠结构，成本更经济。
【专利说明】一种复合碳纤维硬质保温毡及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合碳纤维硬质保温毡及其制备方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维硬质保温毡是一种应用于硬质合金烧结炉、单晶硅炉、真空冶炼炉、真空热处理炉、气相沉积炉等炉中的高端保温材料，对节能减排、提升产品等级等有着至关重要的作用。
[0003]目前市场上的碳纤维硬质保温毡以聚丙烯腈基针刺碳纤维和黏胶基碳纤维保温毡为主，另有少量浙青基碳纤维保温毡及酚醛基碳纤维保温材料。聚丙烯腈碳纤维毡价格便宜，但容易掉渣，黏胶基保温毡低温保温效果好，但高温耐烧蚀能力和高温保温效果都不太理想，浙青碳纤维和酚醛碳纤维高温保温性能和耐烧蚀能力最佳，但价格昂贵，且成毡效果较差。因而，聚丙烯腈基硬质保温毡主要采用的普通针刺碳毡以粘结剂分层粘结、热处理而成，如专利CN102408254A、CN201010254699 ;浙青基硬质保温毡有采用针刺毡层压粘合制品和短切纤维湿法真空成型两种，其中湿法真空成型毡具有密度和结构可设计性强、表面易处理、灰分低等特点，备受用户青睐，但过高的成本极大的限制了其应用空间。
[0004]专利CN200810011610.6公开了一种制备硬质碳纤维碳毡的方法，磨碎碳纤维与粘结剂及分散剂溶液充分混合，经真空抽滤或模压成型，再经过不熔化和碳化处理。这样制得的硬质碳纤维保温毡工艺简单，但密度可调整范围小，尤其是不能制备低密度硬质保温毡。且由于分散体系组分复杂，很难实现长径比较大的碳纤维的分散，实际只能实现Imm以下短纤维分散，容易碳毡内部纤维密度分布不均匀，从而碳化后保温毡内部的碳分布不均匀，使得产品隔热性能和强度受限。浙青碳纤维针刺成型较为复杂且对原料强度和韧性要求较高，不利于成本最优化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种设计合理，优化成本、突出不同种类碳纤维的性能优势的复合碳纤维硬质保温毡及其制备方法。
[0006]本发明充分利用浙青基碳纤维或酚醛基碳纤维的耐高温和抗烧蚀优势，充分利用黏胶碳纤维的低温保温性能优势和低成本优势，以及聚丙烯腈基碳纤维毡低成本优势，另增加表面抗烧蚀处理层，采用整体三层结构，提高产品质量并降低材料成本。
[0007]本发明采用浙青碳纤维湿法真空抽滤成型，可降低成本，并可通过湿法成型的方式调整纤维密度以及实现梯度变化。
[0008]一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，包括以下步骤:
[0009]( I)碳纤维真空抽滤层成型:
[0010]a.分散:将各向同性长度2-30mm的碳纤维100份、分散剂0.1_2份、有机填料0_40份，抗烧蚀填料0-5份、水3000-5000份搅拌均匀，形成分散均匀的混合料；
[0011]b.注模真空抽滤:将分散均匀的混合料，浇注在真空抽滤模具中，抽滤获得厚度为10-50mm,密度0.06-0.30g/cm3的碳纤维真空抽滤层；
[0012](2)复合黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡层:
[0013]a.按照所需面积，裁切密度为0.08-0.15g/cm3,厚度5_15mm的黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡；
[0014]b.在黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡上刷涂固含量25%_60%的酚醛树脂或糠醒树脂；
[0015]c.将黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡涂刷有粘结剂的一面朝下装入真空抽滤模具中，使其与碳纤维真空抽滤层紧密贴附；
[0016](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:
[0017]a.配制固含量1%_25%的酚醛树脂或糠醛树脂500-1000份，炭黑0.01-5份，200目以下焦粉0.01-5份，200目以下抗烧蚀填料0.1-5份，0.1mm-1Omm短切碳纤维0.1_5份，混合均勻；
[0018]b.将上述制剂按20kg/m2_80kg/m2加入真空抽滤模具中，浸溃真空抽滤模具中物料1-30分钟，同时采用带有有效长度大于30mm，直径大于2.67mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度5000-25000针/平米，使添加的短切碳纤维尽可能的贯穿整体三层结构，并增加层间各纤维的纵向排列与穿插，然后再进行二次抽滤，在物料的表面形成
0.1-1mm厚致密的上表面处理层；
[0019](4)成型:脱模后，加压0.001-0.2MPa并加热至100-300°C固化成型，制成固化成
型租；
[0020](5)后处理:在真空或惰性气体环境下，将固化成型毡加热至600-1500°C炭化，力口热至1800-300(TC石墨化，制得复合碳纤维硬质保温毡。
[0021]步骤(I)中，所述的碳纤维为浙青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、酚醛基碳纤维一种或多种混合组成。
[0022]步骤(I)中，所述的碳纤维还可是浙青基不熔化纤维与浙青基碳纤维按1:1一 100的比例的混合物。
[0023]步骤(I)中，所述的分散剂是甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺或聚乙烯醇其中的一种或多种混合组成。
[0024]步骤(I)中，所述的有机填料是有机纤维、有机颗粒，由聚乙烯醇、浙青、聚乙烯、聚丙烯颗粒或纤维的一种或多种组成。
[0025]步骤(I)中，所述的抗烧蚀填料是焦粉、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼中的一种或多种组成。
[0026]步骤(2 )中，所述的黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡还可以由黏胶基碳纤维毡、聚丙烯腈基碳纤维针刺毡的一种或两种组成的若干层粘合在一起的多层结构所代替。
[0027]在步骤(5)后，还可以在复合碳纤维硬质保温毡的表面，以酚醛树脂黏贴炭布、炭纸或柔性石墨纸贴层。
[0028]一种复合碳纤维硬质保温毡，由上述一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法制备。
[0029]本发明具有以下有益效果:[0030]优化后的结构与材料设计使碳纤维硬质保温毡在使用性能、价格方面可设计性得到极大的提高，完全可以根据具体的使用环境进行性价比优化设计。
[0031]一般专利和技术采用2mm (以Imm以下最优)以下的磨碎纤维，本专利采用湿法成型并再次添加粘结剂和短切碳纤维并针刺及二次抽滤的工艺，保证了纤维分散性并有效避免了溶剂型树脂和乳化型树脂对分散的干扰，并能有效进行纵向增强，极大的提高了产品的强度。
[0032]湿法成型层采用有机填料，在不破坏浙青碳纤维或酚醛基碳纤维分散的情况下使湿法成型层密度最低可达0.06g/cm3,，使整体毡的密度可设计性高。且，有机填料密度较低，有效的形成了湿法成型层内部纤维堆叠结构密度的梯度变化，即高温面对应高密度纤维堆叠结构，绝热效果更优异，低温面对应低密度纤维堆叠结构，成本更经济，更贴合实际使用需求。
【具体实施方式】
[0033]实例1:
[0034](I)碳纤维真空抽滤层成型:采用各向同性长度为5mm短切浙青基碳纤维100份、甲基纤维素0.1份、聚丙烯酰胺0.5份、长度为5mm聚乙烯醇纤维25份、200目氮化硼I份、水5000份，搅拌均匀，浇注在专用模具中，抽滤成型制得厚度为38mm的浙青碳纤维预制毡。
[0035](2)复合黏胶基碳纤维租层:裁切模具等同大小5mm厚密度0.12g/cm3黏胶基碳纤维毡，涂刷50%酚醛树脂，装入模具并贴合在预成型浙青基碳纤维毡表面。
[0036](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:配制固含量5%的酚醛树脂500份，炭黑I份，200目焦粉I份，200目氮化硼5份，长度为0.短切碳纤维2份的均匀分散液，按20kg/m2加入模具中，并采用带有有效长度33mm，直径2.67mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度10000针/平米，然后二次抽滤。
[0037](4)成型:脱模，加压0.0lMPa并加热到150°C固化成型。
[0038](5)后处理:在惰性气体氮气中，固化成型毡于1000°C炭化，在惰性气体氩气中1800°C石墨化，并通过磨平修整获得厚度为40_复合碳纤维硬质保温毡，整体密度0.15g/
3
cm ο
[0039]实例2
[0040](I)碳纤维真空抽滤层成型:采用各向同性长度为20mm短切浙青基不熔化纤维20份、长度为5mm短切浙青基碳纤维80份、羟乙基纤维素0.1份、聚丙烯酰胺0.5份、长度为5mm聚丙烯纤维20份、200目碳化硼I份、水4000份，搅拌均匀，浇注在专用模具中，抽滤成型制得42mm厚浙青碳纤维预制毡，纤维堆积密度0.08g/cm3。
[0041](2)复合黏胶基碳纤维毡和聚丙烯腈基碳纤维针刺毡层:裁切模具等同大小厚度IOmm密度0.14g/cm3聚丙烯腈基碳纤维针刺毡，涂刷60%酚醛树脂，装入模具并贴合在预成型浙青基碳纤维毡表面。再裁切模具等同大小厚度5mm密度0.12g/cm3黏胶基碳纤维毡，涂刷60%酚醛树脂，装入模具并贴合在聚丙烯腈基碳纤维针刺毡表面。
[0042](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:配制固含量7%的酚醛树脂500份，炭黑I份，200目焦粉I份，200目碳化硼3份，长度为0.短切碳纤维2份的均匀分散液，按20kg/m2加入模具中，并采用带有有效长度40mm，直径3mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度5000针/平米，然后二次抽滤。
[0043](4)成型:脱模，加压0.0lMPa并加热到200°C固化成型。
[0044](5)后处理:在惰性气体氮气中，固化成型毡于1000°C炭化，在惰性气体氩气中1800°C石墨化，并通过磨平修整获得厚度为52mm复合碳纤维硬质保温毡，整体密度
0.155g/cm3。
[0045]实例3
[0046](I)碳纤维真空抽滤层成型:采用各向同性长度为IOmm短切浙青基不熔化纤维10份、长度为3mm短切浙青基碳纤维90份、羧甲基纤维素0.2份、聚丙烯酰胺0.5份、80目聚乙烯颗粒10份、200目碳化硼I份、水4000份，搅拌均匀，浇注在专用模具中，抽滤成型制得厚度40mm浙青基碳纤维预制毡，纤维堆积密度0.09g/cm3。
[0047](2)复合黏胶基碳纤维毡和聚丙烯腈基碳纤维针刺毡层:裁切模具等同大小厚度5mm密度0.14g/cm3聚丙烯腈基碳纤维纤维毡，涂刷45%酚醛树脂，装入模具并贴合在预成型浙青基碳纤维毡表面。再裁切模具等同大小厚度IOmm密度0.12g/cm3黏胶基碳纤维毡，涂刷60%酚醛树脂，装入模具并贴合在聚丙烯腈基碳纤维针刺毡表面。
[0048](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:配制固含量10%的酚醛树脂500份，炭黑0.5份，200目焦粉0.5份，200目碳化硼2份，长度为0.短切碳纤维I份的均匀分散液，按30kg/m2加入模具中，并采用带有有效长度40mm，直径3mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度5000针/平米，然后二次抽滤。
[0049](4)成型:脱模，加压0.005MPa并加热到150°C固化成型。
[0050](5)后处理:惰性气体的氮气中，固化成型毡于1000°C炭化，在惰性气体的氩气中1800°C石墨化，并通过磨平修整获得厚度50mm复合碳纤维硬质保温毡，整体密度0.145g/
3
cm ο
[0051]实例4
[0052](I)碳纤维真空抽滤层成型:采用3_长各向同性短切浙青基碳纤维100份、羧甲基纤维素0.1份、聚丙烯酰胺0.5份、5mm长聚乙烯醇纤维5份、水4000份，搅拌均匀，浇注在专用模具中，抽滤成型制得35mm厚浙青碳纤维预制毡，纤维堆积密度0.llg/cm3。
[0053](2)复合黏胶基碳纤维毡层:裁切模具等同大小厚度IOmm密度0.12g/cm3黏胶基碳纤维毡，涂刷40%酚醛树脂，装入模具并贴合在预成型浙青基碳纤维毡表面。
[0054](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:配制固含量15%的酚醛树脂500份，炭黑0.5份，200目焦粉0.5份，200目碳化硼2份，长度为短切碳纤维3份的均匀分散液，按80kg/m2加入模具中，并采用带有有效长度33mm，直径2.67mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度15000针/平米，然后二次抽滤。
[0055](4)成型:脱模，加压0.1MPa并加热到150°C固化成型。
[0056](5)后处理:惰性气体的氮气中，固化成型毡于1000°C炭化，在惰性气体的氩气中1800°C石墨化，并通过磨平修整获得厚度为42_复合碳纤维硬质保温毡，整体密度0.18g/
3
cm ο
[0057]实例5
[0058](I)碳纤维真空抽滤层成型:采用3_长各向同性短切浙青基碳纤维100份、羧甲基纤维素0.1份、聚丙烯酰胺0.5份、长度0.1mm磨碎浙青纤维(废丝)5份、200目碳化硼I份、水4000份，搅拌均匀，浇注在专用模具中，抽滤成型制得35mm厚浙青碳纤维预制毡，纤维堆积密度0.12g/cm3。
[0059](2)复合黏胶基碳纤维毡层:裁切模具等同大小厚度IOmm密度0.12g/cm3黏胶基碳纤维毡两块，涂刷40%酚醛树脂，依次装入模具。
[0060](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:配制固含量15%的酚醛树脂500份，炭黑0.5份，200目焦粉0.5份，200目碳化硼2份，长度为短切碳纤维3份的均匀分散液，按60kg/m2加入模具中，并采用带有有效长度40mm，直径3mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度15000针/平米，然后二次抽滤。
[0061](4)成型:脱模，加压0.1MPa并加热到150°C固化成型。
[0062](5)后处理:惰性气体的氮气中，固化成型毡于1000°C炭化，惰性气体的氩气中1800°C石墨化，并通过磨平修整获得50_厚复合碳纤维硬质保温毡，整体密度0.175g/cm3。
[0063]实例6
[0064](I)碳纤维真空抽滤层成型:采用5mm长酚醛基碳纤维100份、羧甲基纤维素0.1份、聚丙烯酰胺0.5份、水4000份，搅拌均匀，浇注在专用模具中，抽滤成型制得35mm厚酚醛基碳纤维预制毡，纤维堆积密度0.llg/cm3。
[0065](2)复合聚丙烯腈基碳纤维针刺毡和黏胶基碳纤维毡层:裁切模具等同大小厚度IOmm密度0.14g/cm3聚丙烯腈基碳纤维针刺毡，涂刷40%酚醛树脂，装入模具并贴合在预成型酹醒基碳纤维租表面。再裁切模具等同大小厚度5mm密度0.12g/cm3黏胶基碳纤维租，涂刷40%酚醛树脂，装入模具并贴合在聚丙烯腈基碳纤维针刺毡表面。
[0066](3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层:配制固含量15%的酚醛树脂500份，炭黑0.5份，200目焦粉0.5份，200目碳化硼2份，长度为6mm-10mm短切碳纤维3份的均匀分散液，按50kg/m2加入模具中，并采用带有有效长度33mm，直径2.67mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度25000针/平米，然后二次抽滤。
[0067](4)成型:脱模，加压0.1MPa并加热到150°C固化成型。
[0068](5)后处理:惰性气体的氮气中，固化成型毡于1000°C炭化，在惰性气体的氩气中1800°C石墨化，并通过磨平修整获得47_厚复合碳纤维硬质保温毡，整体密度0.18g/cm3。
【权利要求】
1.一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)碳纤维真空抽滤层成型: a.分散:将长度2-30mm的碳纤维100份、分散剂0.1-2份、有机填料0_40份，抗烧蚀填料0-5份、水3000-5000份搅拌均匀，形成分散均匀的混合料； b.注模真空抽滤:将分散均匀的混合料，浇注在真空抽滤模具中，抽滤获得厚度为10-50mm,密度0.06-0.30g/cm3的碳纤维真空抽滤层； (2)复合黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡层: a.裁切密度为0.08-0.15g/cm3,厚度5_15_的黏胶基碳纤维租或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡； b.在黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡上刷涂固含量25%-60%的酚醛树脂或糠醒树脂； c.将黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡涂刷有粘结剂的一面朝下装入真空抽滤模具中，使其与碳纤维真空抽滤层紧密贴附； (3)浸粘结剂、针刺并涂覆上表面处理层: a.配制固含量1%_25%的酚醛树脂或糠醛树脂500-1000份，炭黑0.01-5份，200目以下焦粉0.01-5份，200目以下抗烧蚀填料0.1-5份，长度为0.1mm-1Omm短切碳纤维0.1-5份，混合均匀； b.将上述制剂按20kg/m2-80kg/m2加入真空抽滤模具中，浸溃真空抽滤模具中物料1-30分钟，并采用带有有效长度大于30mm，直径大于2.67mm刺针的植针板纵向针刺穿透各层毡，针刺密度5000-25000针/平米，然后二次抽滤，在物料的表面形成0.1-1mm厚致密的上表面处理层； (4)成型:脱模后，加压0.001-0.2MPa并加热至100-300°C固化成型，制成固化成型租； (5)后处理:在真空或惰性气体环境下，将固化成型毡加热至600-150(TC炭化，加热至1800-300(TC石墨化，制得复合碳纤维硬质保温毡。
2.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:步骤(O中，所述的碳纤维为浙青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、酚醛基碳纤维一种或多种混合组成。
3.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:步骤(I)中，所述的碳纤维是浙青基不熔化纤维与浙青基碳纤维按1:1 一 100的比例的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:步骤(I)中，所述的分散剂是甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺或聚乙烯醇其中的一种或多种混合组成。
5.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:步骤(O中，所述的有机填料是有机纤维、有机颗粒，由聚乙烯醇、浙青、聚乙烯、聚丙烯颗粒或纤维的一种或多种组成。
6.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:步骤(O中，所述的抗烧蚀填料是焦粉、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼中的一种或多种组成。
7.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:步骤(2)中，所述的黏胶基碳纤维毡或聚丙烯腈基碳纤维针刺毡由黏胶基碳纤维毡、聚丙烯腈基碳纤维针刺毡的一种或两种组成的若干层粘合在一起的多层结构所代替。
8.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法，其特征在于:在步骤(5)后，在复合碳纤维硬质保温毡的表面，以酚醛树脂黏贴炭布、炭纸或柔性石墨纸贴层。
9.一种复合碳纤维硬质保温毡，其特征在于:由权利要求1所述的一种复合碳纤维硬质保温毡的制备方法制备。`
【文档编号】B32B7/08GK103568385SQ201310489217
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】伍孝, 方进, 罗松 申请人:四川创越炭材料有限公司