专利名称：一种高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及碳纤维隔热保温材料技术领域，特别涉及作为晶体生长炉及拉晶装置、陶 瓷烧结炉、真空高温热处理炉等炉中使用的高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法。
背景技术：
目前国内真空高温炉中所使用的隔热保温材料一般采用软碳毡(针刺毡)，这种结构的 隔热保温材料存在强度低、易变形、易粉化、隔热效果差及拆卸、安装费时费力等缺点。 而刚性碳纤维隔热保温材料将克服软碳毡这种隔热保温所存在的缺点，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将被广泛使用。
目前国内碳纤维硬毡主要采用软碳毡浸渍模压或软碳毡浸渍分层粘贴(石墨纸和碳纤 维间隔粘贴)的成型工艺。浸渍模压工艺存在的缺点是制品强度低，高温使用条件下制品 易分层开裂，使用寿命短等，由于强度相对较低，拆卸安装不够方便；采用分层粘贴成型 方式制成的硬毡，虽然强度有所提高，但制品的导热系数增大，保温性能变差，降低隔热 效果。
日本专利29129/1983公开了一种利用碳纤维软毡生产硬毡的方法。具体方法是(1) 将碳纤维针刺成软毡，向多层软毡注入树脂溶液，压縮并碳化得到碳纤维硬毡；(2)将碳 毡与小于lmm厚的石墨薄片通过粘结剂碾压在一起。此方法要求碳纤维强度较高并且具 有较好韧性，这限制了碳纤维的使用；针刺和注入黏结剂两步效率和生产率都非常低；黏 结剂采用注入式，会造成其碳毡内部粘结剂分布不均，碳化后使得碳毡内部粘结剂残碳分 布不均匀，从而强度不均匀，致使其使用时受到限制；并且此法制得的碳纤维保温材料密 度都比较小， 一般低于0.1g/cm3，使得其加工性能比较差。而且整个生产工艺比较复杂。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高密度刚性碳纤维隔热保温材 料的制造方法，采用该方法制成的刚性碳纤维保温材料，由于其优异隔热性能、低热容量、 低密度和高强度等特性，特别适用于真空热处理炉、单晶拉晶炉、陶瓷烧结炉等高温炉用保温材料。
本发明通过以下技术方案实现
一种高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，该方法包括如下步骤
1) 磨碎碳纤维，得到平均长度为0.2-30mm的磨碎或短切碳纤维；
2) 将磨碎或短切碳纤维与粘结剂、分散剂充分混合均匀，磨碎或短切碳纤维、粘 结剂重量份比例为磨碎碳纤维20 80重量份、粘结剂80 20重量份，粘结
剂与分散剂的重量比例为1: (0.4 1);
3) 将上述混合物进行浇注、模压成型，制成规定形状的刚性保温材料预制品；
4) 以5 65°C/h的加热速率将上述刚性保温材料预成型品加热到180 35(TC进行 不熔化处理；
5) 将不熔化处理后的预成型品在真空或惰性气氛下碳化，温度为1000 1800°C; 或石墨化处理，石墨化温度为1800 250(TC，制造出刚性碳纤维保温材料。
所述的碳纤维选自沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维中的一种。
所述的粘结剂选自沥青纤维或粉状沥青、焦油、热固性树脂酚醛树脂、脲醛树脂、环 氧树脂、呋喃树脂、乙烯基酯树脂、热縮性树脂聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰 胺、聚苯乙烯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
所述的分散剂选用甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、二丙酮醇、环己酮、甲乙酮、醋酸乙酯、 醋酸丁酯有机稀释剂的一种或几种。
为增加刚性碳纤维保温材料的表面性能，需要对其进行表面处理，其表面处理方法包 括如下步骤
1) 将碳化/石墨化的刚性碳纤维保温材料进行表面磨光处理，使表面平整；
2) 在平整后的刚性碳纤维保温材料涂刷粘结剂形成粘结剂层，在粘结剂层上粘贴石 墨纸、石墨布、碳纤维布；所述的粘结剂由树脂与碳化硼按重量份比例配制而成，树脂与 碳化硼的重量比例为100: (40 160)，按上述比例将树脂和碳化硼混合均匀，即得到高温 粘结剂；所述的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、或脲释中的一种或两种以上；
3) 以1 15'C/min的升温速率升温到150 350°C，在此温度下恒温1 5.5h，固化粘 结剂层，制成预成型品；
4) 将预成型品于100(TC 1800。C.下在惰性气氛下碳化，制成贴膜/涂层刚性碳纤维保 温材料。为增加刚性碳纤维保温材料的表面性能，需要对其进行表面处理，其表面处理方法包 括如下步骤
1) 将碳化/石墨化的刚性碳纤维保温材料进行表面磨光处理，使表面平整；
2) 在平整后的刚性碳纤维保温材料的表面上直接涂层；直接涂层的高温材料由有机 粘结剂树脂、分散剂、鳞片石墨粉按重量份比例配制而成，树脂分散剂鳞片石墨的重 量比例为100: (40 160): (40 100)，按上述比例将树脂、分散剂和鳞片石墨混合均匀， 即得到高温涂层；所述的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂中的一种或两种以上； 所述的分散剂选自乙醇、丙醇、或丙酮；
3) 以1 15'C/min的升温速率升温到150 350°C，在此温度下恒温1 5.5h，固化粘 结剂层，制成预成型品；
4) 将预成型品于100(TC 180(TC下在惰性气氛下碳化，制成贴膜/涂层刚性碳纤维保 温材料。
本发明沥青基磨碎碳纤维与有机粘结剂、分散剂混合。分散剂主要作用是分散粘结剂 增加其流动性；增加碳纤维的分散性，使其达到理想的分散效果。采用浇注、模压成型工 艺制成预成品，再对预成品进行不熔化及高温碳化处理即得到高密度刚性碳纤维隔热保温 材料。其制品形态随意性好，可制成板、筒、盘或异形体。
根据本发明，可制成高密度隔热产品。该产品由沥青基磨碎碳纤维与有机粘结剂混合， 浇注模压成型再经高温碳化制得，密度为0.1 0.5g/cm3。
根据使用要求对刚性保温材料进行表面处理，包括粘贴一薄层柔性石墨纸、石墨布、 碳布、石墨薄板或进行表面涂层硬化处理，防止炉内气体直接与刚性保温材料直接接触， 抗气流冲刷，并具有一定的抗氧化性能，进一步提高其使用寿命。
本发明的优势是可制造高密度、低热导率及高强度的刚性保温材料；可以通过改变粘 结剂的比例，磨碎碳纤维长度，成型压力等工艺来调整保温材料的密度；工艺简单，稳定 性高，操作方便。
具体实施例方式
1. 制备高密度刚性碳纤维隔热保温材料的原料组分、配比。
(1) 碳纤维包括沥青基碳纤维、聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、粘胶基碳纤维 等。将碳纤维进行短切或磨碎，要求碳纤维直径5-21pm，长度0.2-30mm， 长径比大于20;加入20 80%重量百分比的碳纤维，可充分发挥碳纤维的 保温隔热性能。
(2) 有机粘结剂选自沥青纤维或粉状沥青、焦油、热固性树脂酚醛树脂、脲 醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基酯树脂、热缩性树脂聚乙烯、聚丙 烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯、丙烯酸树脂中的一种或两种以 上。加入20 80%重量百分比的有机粘结剂。为降低有机粘结剂的黏度， 增加纤维的分散性，可加入适量分散剂对其进行稀释，有机粘结剂与分散 剂的重量比例为h (0.4 1)。分散剂选自甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、二丙 酮醇、环己酮、甲乙酮、醋酸乙酯、醋酸丁酯等有机稀释剂的一种或几种。
(3) 脱模剂石墨粉。
2. 不熔化与碳化(石墨化)处理将(1)和(2)中物料按预先设计的比例配料，混 合均匀，在模具内表面均匀地涂一层石墨粉作为脱模剂，然后浇注、模压成型，脱模。
(1) 以5 65°C/h的加热速率将上述刚性保温材料预成型品加热到180 35(TC进行
不熔化处理；
(2) 将不熔化处理后的预成型品在真空或惰性气氛下碳化，温度为1000 1800°C; 或石墨化处理，石墨化温度为1800 2500'C，制造出刚性碳纤维隔热保温材料。
为增加刚性碳纤维保温材料的表面性能，需要对上述碳化/石墨化后的刚性碳纤维隔 热保温材料进行表面处理，在碳化/石墨化后的刚性碳纤维隔热保温材料表面粘贴一薄层 柔性石墨纸、石墨布、碳布、石墨薄板或进行表面涂层硬化处理，能够防止炉内气体直接 与冈'ij性保温材料直接接触，抗气流冲刷，并具有一定的抗氧化性能，进一步提高其使用寿 命。
表面处理方法包括如下歩骤
1) 将碳化/石墨化的刚性碳纤维保温材料进行表面磨光处理，使表面平整；
2) 在平整后的刚性碳纤维保温材料涂刷粘结剂形成粘结剂层，在粘结剂层上粘贴石 墨纸、石墨布、碳纤维布；所述的粘结剂由树脂与碳化硼按重量份比例配制而成，树脂与碳化硼的重量比例为100: (40 160)，按上述比例将树脂和碳化硼混合均匀，即得到高温 粘结剂；所述的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、或脲醛中的一种或两种以上；
4)以1 15r/min的升温速率升温到150 350°C，在此温度下恒温1 5.5h，固化粘 结剂层，制成预成型品；
4)将预成型品于100(TC 180(rC下在惰性气氛下碳化，制成贴膜/涂层刚性碳纤维保
温材料。
表面处理方法还可为如下步骤
1) 将碳化/石墨化的刚性碳纤维保温材料进行表面磨光处理，使表面平整；
2) 在平整后的刚性碳纤维保温材料的表面上直接涂层；直接涂层的高温材料由有机 粘结剂树脂、分散剂、鳞片石墨粉按重量份比例配制而成，树脂分散剂鳞片石墨的重 量比例为100: (40 160): (40 100)，按上述比例将树脂、分散剂和鳞片石墨混合均匀， 即得到高温涂层；所述的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂中的一种或两种以上； 所述的分散剂选自乙醇、丙醇、或丙酮；
3) 以1 15'C/min的升温速率升温到150 350°C，在此温度下恒温1 5.5h，固化粘 结剂层，制成预成型品；
4) 将预成型品于100(TC 180(TC下在惰性气氛下碳化，制成贴膜/涂层刚性碳纤维保 温材料。
下面例举两个具体实例，但不作为对本发明的具体限制。
实施例1
采用各向同性沥青基碳纤维P-800，数值代表纤维长度，单位微米，P代表磨碎产品。 50份磨碎碳纤维和50份酚醛树脂(加入40份乙醇稀释酚醛树脂降低其黏度)经搅拌充分 混合。将混合物加入成型模具中，施加一定压力成型，脱模，以15'C/h的加热速率将预成 型品加热到20(TC，进行不熔化处理。以100tMi的升温速率加热到IOO(TC，进行碳化处理 得到刚性保温材料。碳纤维保温材料的密度为0.19 g/cm3。
实施例2
采用各向同性沥青基碳纤维P-800，数值代表纤维长度，单位微米，P代表磨碎产品。 50份磨碎碳纤维和50份酚醛树脂(加入40份乙醇稀释酚醛树脂降低其黏度)经搅拌充分 混合。将混合物加入成型模具中，施加一定压力成型，脱模，以15'C/h的加热速率将预成处理。以100°C/h的升温速率加热到IOOO"C,进行碳化处理 得到刚性保温材料。碳纤维保温材料的密度为0.19 g/cm3。将碳化的刚性保温材料进行表 面磨光处理，使表面平整。
高温涂层各组份重量比例为酚醛树脂乙醇石墨粉=100: 60: 60，按上述比例将 酚醛树脂、乙醇和石墨粉混合均匀，即可得到高温涂层。用毛刷或喷枪将高温涂层均匀得
涂在刚性保温材料表面，以2'C/h的升温速率升到200°C,在此温度下固化2h，固化高温 涂层。将预成型品在惰性气体(氮气、氩气等)下碳化，以15(TC/h升温速率在IOOO'C下 碳化，生产出表面涂层刚性碳纤维保温材料。此种保温材料可以防止炉内气体直接与刚性 保温材料直接接触，抗气流冲刷，并具有一定的抗氧化性能，进一步提高其使用寿命。
权利要求
1、一种高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)磨碎碳纤维，得到平均长度为0.2-30mm的磨碎或短切碳纤维；2)将磨碎或短切碳纤维与粘结剂、分散剂充分混合均匀，磨碎或短切碳纤维、粘结剂重量份比例为磨碎碳纤维20～80重量份、粘结剂80～20重量份，粘结剂与分散剂的重量比例为1∶(0.4～1)；3)将上述混合物进行浇注、模压成型，制成规定形状的刚性保温材料预制品；4)以5～65℃/h的加热速率将上述刚性保温材料预成型品加热到180～350℃进行不熔化处理；5)将不熔化处理后的预成型品在真空或惰性气氛下碳化，温度为1000～1800℃；或石墨化处理，石墨化温度为1800～2500℃，制造出刚性碳纤维保温材料。
2、 根据权利要求1所述的高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，其特征在于， 所述的碳纤维选自沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维中的一种。
3、 根据权利要求1所述的高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，其特征在于， 所述的粘结剂选自沥青纤维或粉状沥青、焦油、热固性树脂酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树 脂、呋喃树脂、乙烯基酯树脂、热縮性树脂聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、 聚苯乙烯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
4、 根据权利要求1所述的高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，其特征在于， 所述的分散剂选用甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、二丙酮醇、环己酮、甲乙酮、醋酸乙酯、醋 酸丁酯有机稀释剂的一种或几种。
5、 根据权利要求1所述的高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，其特征在于 为增加刚性碳纤维保温材料的表面性能，需要对其进行表面处理，其表面处理方法包括如 下步骤 '1) 将碳化/石墨化的刚性碳纤维保温材料进行表面磨光处理，使表面平整；2) 在平整后的刚性碳纤维保温材料涂刷粘结剂形成粘结剂层，在粘结剂层上粘贴石 墨纸、石墨布、碳纤维布；所述的粘结剂由树脂与碳化硼按重量份比例配制而成，树脂与 碳化硼的重量比例为100: (40 160)，按上述比例将树脂和碳化硼混合均匀，即得到高温粘结剂；所述的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、或脲醛中的一种或两种以上；3) 以1 15。C/min的升温速率升温到150 350°C，在此温度下恒温1 5.5h，固化粘 结剂层，制成预成型品；4) 将预成型品于100(TC 180(TC下在惰性气氛下碳化，制成贴膜/涂层刚性碳纤维保 温材料。
6、根据权利要求1所述的高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，其特征在于 为增加刚性碳纤维保温材料的表面性能，需要对其进行表面处理，其表面处理方法包括如 下歩骤1) 将碳化/石墨化的刚性碳纤维保温材料进行表面磨光处理，使表面平整；2) 在平整后的刚性碳纤维保温材料的表面上直接涂层；直接涂层的高温材料由有机 粘结剂树脂、分散剂、鳞片石墨粉按重量份比例配制而成，树脂分散剂鳞片石墨粉的重量比例为跳(40 160): (40 100)，按上述比例将树脂、分散剂和鳞片石墨粉混合均匀，即得到高温涂层；所述的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂中的一种或两种 以上；所述的分散剂选自乙醇、丙醇、或丙酮；3) 以1 15'C/min的升温速率升温到150 350°C，在此温度下恒温1 5.5h，固化粘 结剂层，制成预成型品；4) 将预成型品于100(TC 1800'C下在惰性气氛下碳化，制成贴膜/涂层刚性碳纤维保 温材料。
全文摘要
本发明涉及一种高密度刚性碳纤维隔热保温材料的制造方法，该方法将磨碎或短切碳纤维与粘结剂、分散剂充分混合均匀，磨碎或短切碳纤维、粘结剂重量份比例为磨碎碳纤维20～80重量份、粘结剂80～20重量份，粘结剂与分散剂的重量比例为1∶(0.4～1)；将上述混合物进行浇注、模压成型，制成规定形状的刚性保温材料预制品；再经过不熔化处理和碳化处理，制造出刚性碳纤维保温材料。本发明的优点是工艺简单，稳定性高，操作方便。由于其优良的隔热性能、低热容量、低密度和高强度等特性，特别适用于真空热处理炉、单晶拉晶炉、陶瓷烧结炉等高温炉用保温材料。
文档编号C04B35/66GK101628816SQ20081001234
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者刘成华, 原天强, 欣 崔, 张作桢, 王兴雯, 王红伟, 郑淑云, 陈惠龙, 龙晓飞 申请人:鞍山塞诺达碳纤维有限公司