一种环保固化碳毡及其制备方法与流程

本发明涉及保温材料制备技术领域，尤其是一种环保固化碳毡及其制备方法。

背景技术：

制造铸锭炉、单晶炉、氢化炉热场系统的主要零部件，所需要的隔热保温固化毡，需要耐高温等优异性能，还要求金属杂质含量低于300ppm，才能满足人工晶体成晶和较高成品率的要求。

传统的人工晶体生长炉隔热保温部件采用石墨和软碳毡组件。

从上世纪末开始，有人提出用碳-碳复合材料制造热场零件。现有的大多制造热场零件的方法中，制造固化碳毡的原材料均采用pan(聚丙烯腈)碳纤维或者pan碳纤维毡，pan碳纤维是由石油产物丙烯经过聚合、腈化、抽丝制成原丝，原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化制成的，其制备过程能耗大，环境污染大，制造技术要求高，制造周期长，价格昂贵。

现有的制造热场零件的方法中，还有使用天然麻纤维制造固化碳毡的方法，环保，原料来源丰富，价格低廉。但是其对麻纤维的原材料提出了较高的要求，需选择有效磷含量小于15mg/kg的土壤种植的麻类植物作为麻纤维原材料，该原材料稀少且难寻找，价格较高。

技术实现要素：

本发明提供一种环保固化碳毡及其制备方法，用于克服现有技术中能耗大，环境污染大，以及原材料价格高且难获得等缺陷，实现制备方法环保，且原料来源丰富、价格低廉。

为实现上述目的，本发明提出一种环保固化碳毡，所述固化碳毡以天然竹纤维为原材料；所述固化碳毡的单丝直径为10～15μm；所述固化碳毡主要为碳元素，碳元素含量为95～97％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量低于295ppm。

为实现上述目的，本发明还提出一种环保固化碳毡的制备方法，包括以下步骤：

s1：将竹子裁切为竹条，之后将所述竹条放入脱胶剂中浸泡脱胶，之后用去离子水冲洗；

s2：将步骤s1处理后的竹条在浓盐酸中进行浸泡，之后用去离子水冲洗，之后将所述竹条用油压机进行制丝，得到竹丝；

s3：将步骤s2所得竹丝放入反应槽内，加入稀盐酸，加热、加压，之后保温保压；将酸处理后的竹丝用去离子水进行冲洗，并用离心机进行脱水处理；

s4：将步骤s3所得竹丝放入软化剂中进行软化浸泡处理；然后将竹丝放入烘箱中烘干；

s5：将步骤s4处理后的竹丝放入清弹机中进行清弹，得到片状竹絮，之后开松1～3次；之后将竹絮铺网，经针刺机针刺成竹毡；

s6：将步骤s5处理后的竹毡放入氮气保护炉内进行中温碳化处理；之后将中温碳化处理后的竹毡体均匀渗入稀释后的固化剂，在固化炉中保温固化定型；之后将竹毡送入碳化反应炉中进行高温碳化，得竹碳毡；

s7：将步骤s6所得竹碳毡进行cvd处理；

s8：将步骤s7处理后的竹碳毡放入高温炉中进行高温处理，得到所述固化碳毡。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的固化碳毡的单丝直径为10～15μm，主要为碳元素，碳元素含量为95～97％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量低于295ppm(mg/l)，能够满足使用需求。

2、本发明提供的固化碳毡的制备方法，以天然竹纤维为原材料，与采用pan碳纤维为原料相比，更环保，且降低成本；与采用麻纤维为原料相比，原料来源更丰富。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明固化方法流程图；

图2为实施例一制备得到中空圆柱状固化碳毡展开图。

附图标号说明：1：竹碳纤维。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种环保固化碳毡，所述固化碳毡以天然竹纤维为原材料；所述固化碳毡的单丝直径为10～15μm；所述固化碳毡主要为碳元素，碳元素含量为95～97％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量低于295ppm。

本发明还提出一种环保固化碳毡的制备方法(参照图1)，包括以下步骤：

s1：裁切及脱胶，将竹子裁切为长500～1500mm、宽10～20mm的竹条，之后将所述竹条放入脱胶剂中浸泡脱胶，之后用去离子水冲洗干净；裁切是为了能更好的脱胶；脱胶处理是为了脱去竹纤维中的果胶、脂蜡质等。

s2：酸洗及制丝，将步骤s1处理后的竹条在浓盐酸中进行浸泡，之后用去离子水冲洗干净，之后将所述竹条用油压机进行制丝，得到竹丝；所述酸洗是为了去除竹纤维中的金属元素和无机元素，如k、na、s、p等。

s3：酸处理，将步骤s2所得竹丝放入反应槽内，加入稀盐酸，加热、加压，之后保温保压；将酸处理后的竹丝用去离子水进行冲洗，并用离心机进行脱水处理；酸处理进一步去除竹纤维中残留的金属元素和无机元素。

s4：软化，将步骤s3所得竹丝放入软化剂中进行软化浸泡处理；然后将竹丝放入烘箱中烘干；软化是为了便于之后的开松，并且使开松得到的片状竹絮柔软，便于制毡。

s5：开松并制毡，将步骤s4处理后的竹丝放入清弹机中进行清弹，得到片状竹絮，之后开松1～3次；之后将竹絮铺网，经针刺机针刺成竹毡。

s6：将步骤s5处理后的竹毡放入氮气保护炉内进行中温碳化处理；之后将中温碳化处理后的竹毡体均匀渗入稀释后的固化剂，在固化炉中保温固化定型；之后将竹毡送入碳化反应炉中进行高温碳化，得竹碳毡；

碳化处理是为了使竹纤维无机分子进行碳化，同时去除分子中的杂质，提高竹纤维中的碳原子含量。定型处理，可根据需要制成片状、筒状、锥形等。固化剂先用稀释剂进行稀释是为了防止在碳化过程中开裂等现象出现。

s7：cvd处理，将步骤s6所得竹碳毡进行cvd处理；所述cvd处理能够增加竹纤维中碳含量，同时提高竹纤维的连续性、耐摩擦性和抗腐蚀性等。

s8：高温处理，将步骤s7处理后的竹碳毡放入高温炉中进行高温处理，得到所述固化碳毡。高温处理是为了进一步提高竹纤维的碳含量，去除其他杂质元素，使得最终得到的固化碳毡的碳含量为95～97％。

优选地，所述步骤s1中，所述竹子为直径≥10cm的竹子；可选择的竹子种类包括：楠竹、湘妃竹，斑竹等。直径≥10cm的竹子生长成熟，竹纤维含量高，质量好。

所述脱胶剂为nahco3、na2co3或naoh其中的一种，nahco3、na2co3或naoh的浓度25％～45％，利于脱胶完全，且不影响其原有性能。

所述浸泡脱胶为在90～110℃，保温浸泡3～5h，使得脱胶更充分。

优选地，所述步骤s2中，所述浓盐酸的质量分数为20％-38％；所述浸泡为在室温下浸泡20～40min。在优选的条件下更利于去除竹纤维中的金属元素和无机元素，如k、na、s、p等。

优选地，所述步骤s3中，所述稀盐酸的质量分数为10％～20％；所述加热保温的温度为45～80℃，温度太高hcl极易挥发，温度太低杂质元素去除率低；所述加压保压的压力为1.4～1.6mpa；所述保温保压的时间为5～8h。在优选的条件下更利于去除竹纤维中残留的金属元素和无机元素。

优选地，所述步骤s4中，所述软化剂为磺化油或硅油中的一种；所述软化浸泡的时间为1～5h；所述烘干的温度为200～260℃，时间为4～6h。在优选的条件下能得到柔韧性更好的竹丝，以利于后续开松。

优选地，所述步骤s5中，每次所述开松之后都要抖去灰尘和杂质，避免带入杂质元素；所述开松的针具用竹签制成，避免带入杂质元素。

优选地，所述步骤s6中，所述中温碳化处理的温度为500℃～800℃，时间为10～20h；所述固化剂包括胶体或树脂；所述稀释所采用的稀释剂为酒精或甲醇，稀释比例为1：(6～8)；所述固化定型的温度为150～250℃，时间为5～10h；所述高温碳化的温度为1100～1400℃，时间为5～20h。优选地，所述步骤s7中，所述cvd处理的温度为950～1050℃，时间为10～20h，碳源气体为天然气、甲烷或丙烷气体中的一种。

优选地，所述步骤s8中，所述高温处理的温度为2000～2500℃，时间为5～10h。温度太低碳化不完全，温度太高碳毡不耐受。

碳元素含量：日本emga-820型红外硫碳元素分析仪；

金属杂质：agilent-5110icp-oes(电感耦合等离子体发射光谱仪)。

实施例一

本实施例提供一种环保固化碳毡的制备方法，包括以下步骤：

s1：裁切及脱胶，将竹子裁切为长500mm、宽10mm的竹条，之后将所述竹条放入浓度为25％的nahco3溶液中，在90℃下保温浸泡3h，之后用去离子水冲洗干净；

s2：酸洗及制丝，将步骤s1处理后的竹条放入质量分数为20％的浓盐酸中浸泡20min，之后用去离子水冲洗干净，之后将所述竹条用油压机进行制丝，得到竹丝；

s3：酸处理，将步骤s2所得竹丝放入反应槽内，加入质量分数为10％的稀盐酸中，加热至80℃、加压至1.5mpa，之后在80℃、1.5mpa条件下保温保压5h；将酸处理后的竹丝用去离子水进行冲洗，并用离心机进行脱水处理；

s4：软化，将步骤s3所得竹丝放入磺化油中浸泡1h；然后将竹丝放入烘箱中200℃烘4h；

s5：开松并制毡，将步骤s4处理后的竹丝放入清弹机中进行清弹，得到片状竹絮，之后开松1次；之后将竹絮铺网，经针刺机针刺成竹毡；

s6：碳化及定型，将步骤s5处理后的竹毡放入氮气保护炉内进行中温碳化处理，所述中温碳化处理的温度为500℃，时间为10h；之后将中温碳化处理后的竹毡体均匀渗入用酒精稀释过的树脂(稀释比例1：7)，在固化炉中150℃保温5h固化定型为中空圆柱状；之后将竹毡送入碳化反应炉中进行高温碳化，所述高温碳化的温度为1100℃，时间为5h，得竹碳毡；

s7：cvd处理，将步骤s6所得竹碳毡进行cvd处理；所述cvd处理的温度为950℃，时间为10h，碳源气体为天然气。

s8：高温处理，将步骤s7处理后的竹碳毡放入高温炉中进行高温处理，所述高温处理的温度为2000℃，时间为5h，得到所述固化碳毡(参照图2)。

本实施例所制得的固化碳毡的单丝直径为10μm；所述固化碳毡包括碳元素和氢元素，且碳元素含量达96.4％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量为287ppm。

实施例二

本实施例提供一种环保固化碳毡的制备方法，包括以下步骤：

s1：裁切及脱胶，将竹子裁切为长850mm、宽14mm的竹条，之后将所述竹条放入浓度为30％的na2co3溶液中，在105℃下保温浸泡3.5h，之后用去离子水冲洗干净；

s2：酸洗及制丝，将步骤s1处理后的竹条放入质量分数为27％的浓盐酸中浸泡27min，之后用去离子水冲洗干净，之后将所述竹条用油压机进行制丝，得到竹丝；

s3：酸处理，将步骤s2所得竹丝放入反应槽内，加入质量分数为15％的稀盐酸中，加热至60℃、加压至1.6mpa，之后在60℃、1.6mpa条件下保温保压6h；将酸处理后的竹丝用去离子水进行冲洗，并用离心机进行脱水处理；

s4：软化，将步骤s3所得竹丝放入磺化油中浸泡2.5h；然后将竹丝放入烘箱中220℃烘4.5h；

s5：开松并制毡，将步骤s4处理后的竹丝放入清弹机中进行清弹，得到片状竹絮，之后开松2次；之后将竹絮铺网，经针刺机针刺成竹毡；

s6：碳化及定型，将步骤s5处理后的竹毡放入氮气保护炉内进行中温碳化处理，所述中温碳化处理的温度为650℃，时间为14h；之后将中温碳化处理后的竹毡体均匀渗入胶体(稀释比例1：7)，在固化炉中180℃保温6.5h固化定型为片状；之后将竹毡送入碳化反应炉中进行高温碳化，所述高温碳化的温度为1200℃，时间为9h，得竹碳毡；

s7：cvd处理，将步骤s6所得竹碳毡进行cvd处理；所述cvd处理的温度为1000℃，时间为14h，碳源气体为甲烷。

s8：高温处理，将步骤s7处理后的竹碳毡放入高温炉中进行高温处理，所述高温处理的温度为2200℃，时间为7h，得到所述固化碳毡。

本实施例所制得的固化碳毡的单丝直径为12μm；所述固化碳毡包括碳元素和氢元素，且碳元素含量达96％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量为292ppm。

实施例三

本实施例提供一种环保固化碳毡的制备方法，包括以下步骤：

s1：裁切及脱胶，将竹子裁切为长1500mm、宽20mm的竹条，之后将所述竹条放入浓度为45％的naoh溶液中，在110℃下保温浸泡5h，之后用去离子水冲洗干净；

s2：酸洗及制丝，将步骤s1处理后的竹条放入质量分数为38％的浓盐酸中浸泡40min，之后用去离子水冲洗干净，之后将所述竹条用油压机进行制丝，得到竹丝；

s3：酸处理及软化，将步骤s2所得竹丝放入反应槽内，加入质量分数为20％的稀盐酸中，加热至45℃、加压至1.4mpa，之后在100℃、1.4mpa条件下保温保压8h；将酸处理后的竹丝用去离子水进行冲洗，并用离心机进行脱水处理；

s4：将步骤s3所得竹丝放入硅油中浸泡5h；然后将竹丝放入烘箱中260℃烘6h；

s5：开松并制毡，将步骤s4处理后的竹丝放入清弹机中进行清弹，得到片状竹絮，之后开松3次；之后将竹絮铺网，经针刺机针刺成竹毡；

s6：碳化及定型，将步骤s5处理后的竹毡放入氮气保护炉内进行中温碳化处理，所述中温碳化处理的温度为800℃，时间为20h；之后将中温碳化处理后的竹毡体均匀渗入用甲醇稀释后的树脂(稀释比例1：8)，在固化炉中250℃保温10h固化定型为棒状；之后将竹毡送入碳化反应炉中进行高温碳化，所述高温碳化的温度为1400℃，时间为20h，得竹碳毡；

s7：cvd处理，将步骤s6所得竹碳毡进行cvd处理；所述cvd处理的温度为1050℃，时间为20h，碳源气体为丙烷。

s8：高温处理，将步骤s7处理后的竹碳毡放入高温炉中进行高温处理，所述高温处理的温度为2500℃，时间为10h，得到所述固化碳毡。

本实施例所制得的固化碳毡的单丝直径为15μm；所述固化碳毡包括碳元素和氢元素，且碳元素含量达95％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量为283ppm。

实施例四

本实施例提供一种环保固化碳毡的制备方法，

与实施例一相比，本实施例：s2：浓盐酸的质量分数为37％，s3：稀盐酸的质量分数为18％其他步骤同实施例一。

本实施例所制得的固化碳毡的单丝直径为11μm；所述固化碳毡包括碳元素和氢元素，且碳元素含量达97％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量为279ppm。

实施例五

本实施例提供一种环保固化碳毡的制备方法，

与实施例一相比，本实施例：s5：所述中温碳化处理的温度为600℃，时间为10h；之后将中温碳化处理后的竹毡体均匀渗入用酒精稀释过的树脂(稀释比例1：7)，在固化炉中175℃保温5h固化定型为中空圆柱状；之后将竹毡送入碳化反应炉中进行高温碳化，所述高温碳化的温度为1150℃，时间为5h，得竹碳毡；

其他步骤同实施例一。

本实施例所制得的固化碳毡的单丝直径为10.5μm；所述固化碳毡包括碳元素和氢元素，且碳元素含量达96.6％；所述固化碳毡最高能耐受2500℃，金属杂质含量为285ppm。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。