一种高性能复合碳纤维保温筒的制造方法与流程

本发明涉及高温炉用保温筒制作技术领域，尤其涉及一种高性能的复合碳纤维保温筒的制造方法。

背景技术：

随着科学技术的进步，军事、国防、太阳能、半导体、热处理等领域都在快速发展，这些领域的发展都涉及保温材料的使用；尤其近几年太阳能、半导体的飞速发展，对保温材料的需求显得更加突出，而且对保温材料的要求越来越高，不仅要求节能降耗，并且要求抗氧化性能高，这些要求也不断促进着保温材料领域的快速发展。

曾经在国内高温真空炉上普遍使用的碳纤维保温材料为软碳毡(针刺毡)，软碳毡作为隔热保温材料使用时存在强度低、易变形、易粉化、隔热效果差及拆卸、安装费时费力等缺点。新开发的碳纤维硬毡隔热保温材料可以克服软碳毡的上述缺点，因此作为晶体炉、陶瓷烧结炉、气相沉积炉等高温炉用隔热保温材料得到日益广泛地使用。

目前，国内使用的碳纤维硬毡主要采用PAN基软碳毡浸渍模压的成型工艺。浸渍模压工艺制作碳纤维硬毡存在能耗高，碳纤维硬毡层间强度低、易开裂，寿命低，粘结剂含量高，抗氧化性能差等缺点。

技术实现要素：

本发明提供了一种高性能复合碳纤维保温筒的制造方法，所制成的复合碳纤维保温筒具有隔热性能好、抗氧化性好、热容量低、强度高的特性，且制作工艺简单，成本低，成品形状及尺寸可控，密度可调；成品不易开裂，自支撑性好，使用寿命长；经表面处理后还可具有优良的抗氧化性能，并进一步提高使用寿命。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高性能复合碳纤维保温筒的制造方法，包括如下步骤：

1)制备短切碳纤维；将碳纤维短切，得到平均长度为1～80mm的短切碳纤维；

2)制备磨碎碳纤维；将碳纤维磨碎，得到平均长度为100～800μm的磨碎碳纤维；

3)将短切碳纤维与磨碎碳纤维按照10～90﹕90～10的重量份比例，采用旋风分离器充分混合均匀，得到混合碳纤维；

4)将混合碳纤维与有机粘结剂、溶剂按100﹕20～230﹕3～920的重量份比例混合，得到碳纤维混合液；将碳纤维混合液放入网袋中，经网孔孔径为1～50μm的网袋初滤后，再采用50～60℃的热空气向网袋内直吹10～30min，使碳纤维混合液中的溶剂完全挥发，得到表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维；

5)将表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维与水、分散剂按照0.3～6﹕100﹕0.1～2的重量份比例充分混合，形成均匀的碳纤维混合浆料；

6)将碳纤维混合浆料采用真空抽吸成型；将真空抽吸所用的保温筒成型模具浸入成型池中，保温筒成型模具由套装在一起的内模具、外模具组成，内、外模具均为圆筒形结构；其中内模具由筛板制成，其外表面固定有筛网，筛网的孔径为30～200μm，外模具为网格状结构，网格孔的单边或径向尺寸为30～100mm；

所述保温筒成型模具以轴线呈竖直状态放置在成型池内，其上端设有吊具用于浸入成型池时调节其高度；

所述内模具、外模具与上、下端板之间形成真空成型室，且真空成型室具有与复合碳纤维保温筒相配合的形状和尺寸；抽吸管沿内模具纵向中心通长设置；在抽吸管的作用下，碳纤维混合浆料在内、外模具之间按规律排列成型，制成复合碳纤维保温筒预制品；

7)将复合碳纤维保温筒预制品连同保温筒成型模具一起从成型池中取出，采用100～240℃的热蒸汽或热空气加热2～5小时，使复合碳纤维保温筒预制品脱水并完成不熔化、不溶化处理；

8)经脱水及不熔化、不溶化处理后的复合碳纤维保温筒预制品脱模，然后放入真空炉中或在惰性气氛下碳化，碳化温度为800～1800℃；也可根据使用要求进行石墨化处理，石墨化温度为1800～2500℃；经碳化或石墨化处理后即得到高性能的复合碳纤维保温筒；

9)所制得的复合碳纤维保温筒的密度为0.1～0.35g/cm³，导热系数小于0.35W/m·K；

10)根据需要可选择地对复合碳纤维保温筒进行表面处理；以增加其抗气流冲刷及抗氧化性能，提高其使用寿命；表面处理的具体步骤为：

a.对复合碳纤维保温筒经机械加工进行表面磨光；

b.在复合碳纤维保温筒的内/外或内、外表面涂刷粘结剂层,根据需要可进一步在粘结剂层外粘贴防护层，防护层为柔性石墨纸/碳纤维布、碳布或石墨薄板，也可以不粘贴防护层；

c.对经b步骤处理后的复合碳纤维保温筒进行固化处理，再进行碳化/石墨化处理，得到经表面处理的复合碳纤维保温筒。

所述制备短切碳纤维或磨碎碳纤维时所用的碳纤维为沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、PAN基碳纤维中的一种或几种，优选短切沥青基碳纤维，选用一种以上碳纤维时按任意比例混合。

所述网袋由无纺布、人造棉、聚丙烯、特氟龙或聚酯材料制成，网袋的孔径为1～50μm，优选5～30μm。

所述外模具的网格孔形状为三角形、圆形、正方形、矩形、菱形、规则多边形或不规则多边形中的一种。

所述有机粘结剂选自酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、脲醛树脂、乙烯基酯树脂、聚酰胺、丙烯酸树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚苯乙烯、单糖、多糖、沥青、焦油中的一种或一种以上任意混合。

所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、乙醚、糠醇、糠醛、丙酮、苯、甲苯、呋喃甲醇、呋喃甲醛中的一种或一种以上任意混合。

所述分散剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、乙基纤维素醚、甲基乙基纤维素、羟丙基乙基纤维素、羟乙基乙基纤维素、羟甲基乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、淀粉、改性淀粉中的一种或一种以上任意混合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)可制造出较高密度、低热导率及高强度的复合碳纤维保温筒，并且成品具有优良的抗裂性能；

本发明所采用的短切碳纤维不仅能够增加复合碳纤维保温筒的强度，而且能够增加其的韧性，使其能够抗冲击，从而使其具有优良的抗裂性能；所采用的磨碎碳纤维不仅可以起到适当调整复合碳纤维保温筒密度的作用，还可以增加成品中碳纤维的含量；而碳纤维的含量不仅能影响复合碳纤维保温筒的导热系数，还会影响其抗氧化性能；碳纤维含量越多排列越好，复合碳纤维保温筒的导热系数越小；碳纤维含量越多，其抗氧化性越好；

本发明通过改变有机粘结剂、短切碳纤维与磨碎碳纤维的混合比例，调整真空抽吸成型工艺中的真空度，可以调整复合碳纤维保温筒的密度；所制成的复合碳纤维保温筒的密度为0.1～0.35g/cm³，导热系数低于0.35W/m·K；

2)本发明的生产成本低，工艺简单，稳定性高，操作方便；

本发明采用热蒸汽或热空气对复合碳纤维保温筒预制品进行脱水及不熔化、不溶化处理，能够大大提高生产效率，降低生产成本，节约能耗；采用本发明所述方法进行脱水及不熔化、不溶化处理只需2～5小时即可完成，而采用常规的烘箱或者加热炉进行不熔化、不溶化处理需要80～120小时才能完成，因此本发明的效率提高了几十倍；而且该操作环节的能耗也从单耗11元/公斤降至3元/公斤以下，节能降耗效果明显；

3)本发明所制成的复合碳纤维保温筒具有良好的隔热效果；

本发明所述复合碳纤维保温筒预制品中，碳纤维排列方向符合二维排列，并且与热流方向垂直，是隔热的最佳方向；产品不易开裂，自支撑性好，使用寿命长；尤其在制作大尺寸产品时，工艺上更具有优势；

4)本发明采用内、外模具配合，经真空抽吸可以一次定型产品的形状及尺寸，成品只需稍经加工即可得到定尺产品，材料利用率可以达到90％以上；而采用普通模具成型的产品尺寸不能精确控制，表面加工量大，产品利用率最多能达到75～80％；因此本发明大大提高了材料的利用率，减少了废料的产生，从而大幅度降低了生产成本；

5)根据使用要求，可以在所制得复合碳纤维保温筒的基础上对其做进一步的表面处理，可以防止高温炉内气体与复合碳纤维保温筒直接接触，提高其抗气流冲刷的能力，使其具有优良的抗氧化性能，并进一步提高复合碳纤维保温筒的使用寿命。

附图说明

图1是本发明所述真空抽吸成型的工艺简图。

图2是本发明所述真空抽吸成型时所用保温筒成型模具的结构示意图；

图3是图2中的横截面示意图。

图4是本发明所述保温筒成型模具的外模具的结构示意图(以菱形网格为例)。

图5是本发明所述复合碳纤维保温筒内表面经表面处理后的结构示意图。

图6是本发明所述复合碳纤维保温筒内、外表面经表面处理后的结构示意图。

图中：1.成型池 2.保温筒成型模具 3.真空罐 4.水环真空泵 5.抽吸管 6.内模具 7.复合碳纤维保温筒预制品 8.外模具 9.复合碳纤维保温筒 10.粘接剂层 11.防护层 12.成型小车 13.吊具

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种高性能复合碳纤维保温筒的制造方法，包括如下步骤：

1)制备短切碳纤维；将碳纤维短切，得到平均长度为1～80mm的短切碳纤维；

2)制备磨碎碳纤维；将碳纤维磨碎，得到平均长度为100～800μm的磨碎碳纤维；

3)将短切碳纤维与磨碎碳纤维按照10～90﹕90～10的重量份比例，采用旋风分离器充分混合均匀，得到混合碳纤维；

4)将混合碳纤维与有机粘结剂、溶剂按100﹕20～230﹕3～920的重量份比例混合，得到碳纤维混合液；将碳纤维混合液放入网袋中，经网孔孔径为1～50μm的网袋初滤后，再采用50～60℃的热空气向网袋内直吹10～30min，使碳纤维混合液中的溶剂完全挥发，得到表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维；

5)将表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维与水、分散剂按照0.3～6﹕100﹕0.1～2的重量份比例充分混合，形成均匀的碳纤维混合浆料；

6)将碳纤维混合浆料采用真空抽吸成型；如图1所示，将真空抽吸所用的保温筒成型模具2浸入成型池1中，如图2、图3所示，保温筒成型模具2由套装在一起的内模具6、外模具8组成，内、外模具均为圆筒形结构；其中内模具由筛板制成，其外表面固定有筛网，筛网的孔径为30～200μm，外模具为网格状结构，网格孔的单边或径向尺寸为30～100mm；(如图4所示)

所述保温筒成型模具以轴线呈竖直状态放置在成型池内，其上端设有吊具13用于浸入成型池时调节其高度；

所述内模具、外模具与上、下端板之间形成真空成型室，且真空成型室具有与复合碳纤维保温筒相配合的形状和尺寸；抽吸管5沿内模具6纵向中心通长设置；在抽吸管5的作用下，碳纤维混合浆料在内、外模具6、8之间按规律排列成型，制成复合碳纤维保温筒预制品7；

7)将复合碳纤维保温筒预制品7连同保温筒成型模具2一起从成型池1中取出，采用100～240℃的热蒸汽或热空气加热2～5小时，使复合碳纤维保温筒预制品7脱水并完成不熔化、不溶化处理；

8)经脱水及不熔化、不溶化处理后的复合碳纤维保温筒预制品7脱模，然后放入真空炉中或在惰性气氛下碳化，碳化温度为800～1800℃；也可根据使用要求进行石墨化处理，石墨化温度为1800～2500℃；经碳化或石墨化处理后即得到高性能的复合碳纤维保温筒9；

9)所制得的复合碳纤维保温筒9的密度为0.1～0.35g/cm³，导热系数小于0.35W/m·K；

10)根据需要可选择地对复合碳纤维保温筒9进行表面处理；以增加其抗气流冲刷及抗氧化性能，提高其使用寿命；表面处理的具体步骤为：

a.对复合碳纤维保温筒9经机械加工进行表面磨光；

b.如图5、图6所示，在复合碳纤维保温筒9的内/外或内、外表面涂刷粘结剂层10,根据需要可进一步在粘结剂层10外粘贴防护层11，防护层11为柔性石墨纸/碳纤维布、碳布或石墨薄板，也可以不粘贴防护层11；

c.对经b步骤处理后的复合碳纤维保温筒进行固化处理，再进行碳化/石墨化处理，得到经表面处理的复合碳纤维保温筒。

所述制备短切碳纤维或磨碎碳纤维时所用的碳纤维为沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、PAN基碳纤维中的一种或几种，优选短切沥青基碳纤维，选用一种以上碳纤维时按任意比例混合。

所述网袋由无纺布、人造棉、聚丙烯、特氟龙或聚酯材料制成，网袋的孔径为1～50μm，优选5～30μm。

所述外模具的网格孔形状为三角形、圆形、正方形、矩形、菱形、规则多边形或不规则多边形中的一种。

所述有机粘结剂选自酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、脲醛树脂、乙烯基酯树脂、聚酰胺、丙烯酸树脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚苯乙烯、单糖、多糖、沥青、焦油中的一种或一种以上任意混合。

所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、乙醚、糠醇、糠醛、丙酮、苯、甲苯、呋喃甲醇、呋喃甲醛中的一种或一种以上任意混合。

所述分散剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟甲基纤维素、乙基纤维素、乙基纤维素醚、甲基乙基纤维素、羟丙基乙基纤维素、羟乙基乙基纤维素、羟甲基乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、淀粉、改性淀粉中的一种或一种以上任意混合。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法和材料如无特别说明均为常规方法和材料。

【实施例1】

本实施例中，高性能的复合碳纤维保温筒的制造方法如下：

1)制备短切碳纤维；将沥青基碳纤维短切，得到平均长度为40mm的短切碳纤维；

2)制备磨碎碳纤维；将沥青基碳纤维磨碎，得到平均长度为100μm的磨碎碳纤维；

3)将短切碳纤维与磨碎碳纤维按照60：40的重量份比例，采用旋风分离器充分混合均匀，得到混合碳纤维；

4)将混合碳纤维与有机粘结剂酚醛树脂、溶剂乙醇按100：30：70的重量份比例混合，得到碳纤维混合液；将碳纤维混合液放入网袋中，经网孔孔径为30μm的网袋初滤后，再采用50℃的热空气向网袋内直吹30min，使碳纤维混合液中的溶剂完全挥发，得到表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维；

5)将表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维与水、甲基纤维素按照3﹕100﹕1的重量份比例充分混合，形成均匀的碳纤维混合浆料；

6)将碳纤维混合浆料采用真空抽吸成型；将真空抽吸所用的保温筒成型模具2浸入成型池1中，成型池1设置在成型小车12上，方便完成型完毕后物料的运输；保温筒成型模具2由套装在一起的内模具6、外模具8组成，内模具6由筛板制成，其外表面固定有筛网，筛网的孔径为50μm，外模具8为网格状结构，网格孔的单边或径向尺寸为60mm；

所述保温筒成型模具2以轴线呈竖直状态放置在成型池1内，其上端设有吊具13用于浸入成型池1时调节其高度。

所述内模具6和外模具8均为圆筒形结构，且同轴设置，内、外模具6、8的两端分别与上、下端板贴合在一起，所形成的环形空间即真空成型室，真空成型室径向的单侧截面为矩形；真空成型室具有与复合碳纤维保温筒相配合的形状和尺寸；抽吸管5沿内模具6纵向中心通长设置；抽吸管5上密布有抽吸孔，抽吸管5通过连接软管连接真空罐3，真空罐3再连接水环真空泵4形成真空抽吸装置；开启真空抽吸装置后，在抽吸管5的作用下，碳纤维混合浆料在真空成型室内按规律排列成型，制成复合碳纤维保温筒预制品7；

7)将复合碳纤维保温筒预制品7连同保温筒成型模具2一起从成型池1中取出，采用150℃的热蒸汽或热空气加热3小时，使复合碳纤维保温筒预制品7脱水并完成不熔化、不溶化处理；

8)经脱水及不熔化、不溶化处理后的复合碳纤维保温筒预制品7脱模，然后放入真空炉中或在惰性气氛下碳化，碳化温度为1200℃；然后进行石墨化处理，石墨化温度为2100℃；经碳化或石墨化处理后即得到高性能的复合碳纤维保温筒9；

9)所制得的复合碳纤维保温筒9的密度为0.16g/cm³，导热系数0.22W/m·K；碳含量99.6％，灰分0.01％；(试样厚度为45mm，在氮气保护下，1500℃时的检测数据)。

【实施例2】

为增加复合碳纤维保温筒9的抗气流冲刷及抗氧化性能，进一步提高其使用寿命；对【实施例1】制得的复合碳纤维保温筒9进行表面处理，表面处理的具体步骤如下：

1)将复合碳纤维保温筒9经机械加工进行表面磨光处理，使表面平整；

2)在表面经磨光处理后的复合碳纤维保温筒9内、外表面分别涂刷3～6遍粘结剂，形成粘结剂层10，粘结剂采用常规使用的粘接剂即可；

3)将涂刷粘结剂层10的复合碳纤维保温筒9放入加热炉中，以5℃/min的升温速率升温到240℃，在此温度下恒温1h，固化粘结剂层10；然后再置于1700℃下，在惰性气氛下进行碳化处理，制成带涂层的复合碳纤维保温筒。

本实施例所制得的带涂层的复合碳纤维保温筒在单晶硅拉伸炉上使用100次，没有出现涂层剥离、开裂、起泡等现象，涂层里面的复合碳纤维保温筒无腐蚀现象。

【实施例3】

本实施例中，高性能的复合碳纤维保温筒的制造方法如下：

1)制备短切碳纤维；将沥青基碳纤维短切，得到平均长度为80mm的短切碳纤维；

2)制备磨碎碳纤维；将沥青基碳纤维磨碎，得到平均长度为180μm的磨碎碳纤维；

3)将短切碳纤维与磨碎碳纤维按照50：50的重量份比例，采用旋风分离器充分混合均匀，得到混合碳纤维；

4)将混合碳纤维与有机粘结剂酚醛树脂、溶剂乙醇按100：55：75的重量份比例混合，得到碳纤维混合液；将碳纤维混合液放入网袋中，经网孔孔径为30μm的网袋初滤后，再采用60℃的热空气向网袋内直吹30min，使碳纤维混合液中的溶剂完全挥发，得到表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维；

5)将表面包覆有机粘结剂的复合碳纤维与水、甲基纤维素按照6﹕100﹕1的重量份比例充分混合，形成均匀的碳纤维混合浆料；

6)将碳纤维混合浆料采用真空抽吸成型；将真空抽吸所用的保温筒成型模具2浸入成型池1中；保温筒成型模具2由套装在一起的内模具6、外模具8组成，内模具6由筛板制成，其外表面固定有筛网，筛网的孔径为70μm，外模具8为网格状结构，网格孔的单边或径向尺寸为10mm；

在抽吸管5的作用下，碳纤维混合浆料在真空成型室内按规律排列成型，制成复合碳纤维保温筒预制品7；

7)将复合碳纤维保温筒预制品7连同保温筒成型模具2一起从成型池1中取出，采用180℃的热蒸汽或热空气加热2.5小时，使复合碳纤维保温筒预制品7脱水并完成不熔化、不溶化处理；

8)经脱水及不熔化、不溶化处理后的复合碳纤维保温筒预制品7脱模，然后放入真空炉中或在惰性气氛下碳化，碳化温度为1500℃；然后进行石墨化处理，石墨化温度为2000℃；经碳化或石墨化处理后即得到高性能的复合碳纤维保温筒9；

9)所制得的复合碳纤维保温筒9的密度为0.19g/cm³，导热系数0.20W/m·K；碳含量99.7％，灰分0.01％；(试样厚度为45mm，在氮气保护下，1500℃时的检测数据)。

为增加复合碳纤维保温筒9的抗气流冲刷及抗氧化性能，进一步提高其使用寿命；对所制得的复合碳纤维保温筒9进一步进行表面处理，表面处理的具体步骤如下：

1)将复合碳纤维保温筒9经机械加工进行表面磨光处理，使表面平整；

2)在表面经磨光处理后的复合碳纤维保温筒9内、外表面分别涂刷3～6遍粘结剂，形成粘结剂层10，粘结剂采用常规使用的粘接剂即可；在粘结剂层10外粘贴防护层11，防护层11为柔性石墨纸；

3)将涂刷粘结剂层10并粘贴防护层11的复合碳纤维保温筒9放入加热炉中，以8℃/min的升温速率升温到300℃，在此温度下恒温1h，固化粘结剂层10；然后再置于1800℃下，在惰性气氛下进行碳化处理，制成带防护层的复合碳纤维保温筒。

本实施例所制得的带防护层的复合碳纤维保温筒在单晶硅拉伸炉上使用100次，没有出现防护层剥离、开裂、起泡等现象，防护层里面的复合碳纤维保温筒无腐蚀现象。

经以上实施例可以证明，带涂层或带防护层的复合碳纤维保温筒可以防止炉内杂质气体直接与复合碳纤维保温筒表面接触，防止其腐蚀并抗气流冲刷，使具有优良的抗氧化与抗腐蚀性能，能够显著提高复合碳纤维保温筒的使用寿命。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。