沥青基碳纤维无纺毡保温板的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种沥青基碳纤维无纺毡保温板，包括沥青基碳纤维无纺毡保温板本体，是由沥青基碳纤维无纺毡与有机粘结剂+溶剂的混合液混合后经裁剪、层叠、成型、固化、碳化/石墨化处理后制得的板材，沥青基碳纤维无纺毡由沥青经纺丝、预氧化和碳化制得。沥青基碳纤维无纺毡保温板本体上、下表面由内向外依次设有碳材料粘结剂层及石墨纸/碳纤维布，其表面也可经涂层浸渍或气相沉积处理，成品再经固化、碳化处理。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1)保温隔热性好；2)密度达到0.1-0.4g/cm3，强度高，自支撑性好；3)经表面处理，抗氧化、抗气流冲刷，使用寿命长；4)工艺简单，制作成本低，可以一次定厚，产品不易开裂，稳定性好。
【专利说明】沥青基碳纤维无纺毡保温板
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及隔热保温材料【技术领域】，尤其涉及在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沥青基碳纤维无纺毡保温板。
【背景技术】
[0002] 目前国内真空高温炉中所使用的碳纤维隔热保温材料分为两类：一类是碳纤维软 毡，一类是碳纤维硬毡。
[0003] 碳纤维软毡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。而碳纤维硬毡隔热 保温材料克服了软碳毡所存在的缺点，作为晶体炉，陶瓷烧结炉，气相沉积炉等高温炉用隔 热保温材料被广泛使用。
[0004] 碳纤维硬毡主要有黏胶基、PAN基和沥青基三种，黏胶基碳纤维虽然导热系数较 小，理论分析其最适合做隔热材料，但是其抗氧化性能和强度都不及沥青基碳纤维，并且其 收率极低，价格昂贵，很大程度上限制了其的使用。PAN基碳纤维由于原料便宜，生产工艺简 单，国内很多厂家都在用，但是其在高温处理后，纤维变脆，容易产生碳纤维碎肩，对炉内气 氛造成较大危害，并且碳纤维断面呈锯齿状，会形成尖锐的断面，对人体健康危害比较大。 沥青基碳纤维含碳量高，挥发少，纯度高，导热系数相对较小，强度高不宜断裂，即使碳纤维 断裂，断裂形成的断面比较圆滑对人体健康危害极小。使用沥青基碳纤维生产的隔热材料 具有以下优点：1)优良的隔热性能；2)碳含量高，挥发物少，污染小；3)较高的强度。
[0005] 目前国内碳纤维硬毡主要采用PAN基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层间强度低，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。纤维的排列方向对隔热材料的导热性能影响比较显著，当热流平行于纤 维方向时，热流受到阻力越小，导热系数越大；而热流垂直于纤维方向时，受到的阻力越大， 导热系数越小。针刺毡硬化产品均有纵向拉伸的碳纤维丝束，故有一部分碳纤维与热流方 向平行，因此导热系数相对比较大，相对二维结构的保温材料来说能耗大。
【发明内容】
[0006] 本实用新型提供了一种沥青基碳纤维无纺毡保温板，其具有优异的隔热性能、低 热容量、低密度和高强度等特性，是特别适用于真空热处理炉、单晶拉晶炉、陶瓷烧结炉等 高温炉的保温材料。
[0007] 为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
[0008] 沥青基碳纤维无纺毡保温板，包括沥青基碳纤维无纺毡保温板本体，所述沥青基 碳纤维无纺毡保温板本体单面或双面经表面处理，所处理表面由内向外依次设置碳材料粘 结剂层及石墨纸/碳纤维布。
[0009] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0010] 1)本实用新型所述沥青基碳纤维无纺毡保温板的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，因此保温隔热性好；
[0011] 2)密度达到0. 1-0. 4g/cm3,强度高，自支撑性好，制作大尺寸产品时更具优势；
[0012] 3)经表面处理后，抗氧化、抗气流冲刷，使用寿命长；
[0013] 4)工艺简单，制作成本低，可以一次定厚，产品不易开裂，稳定性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型所述经单面表面处理的沥青基碳纤维无纺毡保温板的结构示 意图。
[0015] 图2是本实用新型所述经双面表面处理的沥青基碳纤维无纺毡保温板的结构示 意图。
[0016] 图3是本实用新型所述沥青基碳纤维无纺毡浸渍粘结剂混合液的工艺流程图。
[0017] 图4是本实用新型所述沥青基碳纤维无纺毡保温板（未经表面处理）的预成型示 意图。
[0018] 图5是本实用新型所述沥青基碳纤维无纺毡保温板（经表面处理）的预成型示意 图。
[0019] 图中：1.沥青基碳纤维无纺毡2.挤胶辊3.粘结剂溶剂混合液池4.筒轴5.上 模具6.沥青基碳纤维无纺毡预成型板7.下模具8.碳材料粘结剂层9.石墨纸/碳纤维 布10.沥青基碳纤维无纺毡保温板本体
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明：
[0021] 见图1-图2,是本实用新型所述经单面或双面表面处理的沥青基碳纤维无纺毡保 温板的结构示意图。本实用新型所述沥青基碳纤维无纺毡保温板，包括沥青基碳纤维无纺 毡保温板本体10,所述沥青基碳纤维无纺毡保温板本体单面或双面由内向外依次设置碳材 料粘结剂层8及石墨纸/碳纤维布9。
[0022] 所述碳材料粘结剂层8由碳材料粘结剂涂刷而成，碳材料粘结剂由可碳化材料、 分散剂、短切或磨碎碳纤维、石墨粉、碳化硅粉和硅粉混合搅拌均匀制成；其中石墨粉颗粒 直径为10-600 μ m，优选30-300 μ m ;碳化硅粉粒度为200-1000目，优选300-800目；硅粉粒 度为200-1000目，优选300-800目。
[0023] 所述有机粘结剂为酚醛树脂、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、沥青和焦油中的一种或多种。
[0024] 所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、糠醇、糠醛、丙酮、苯、甲苯中的一种 或多种。
[0025] 所述可碳化材料为酚醛树脂、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、沥青或焦油中的一种、两种或 两种以上组合；所述分散剂为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、糠醇、糠醛、丙酮、呋喃甲 醇、呋喃甲醛、苯或甲苯中的一种、两种或两种以上组合。
[0026] 所述短切或磨碎碳纤维为沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维或聚丙烯氰基碳纤维中的 一种、两种或两种以上组合，碳纤维平均长度为10?1200 μm，优选50-400 μm。
[0027] 未经表面处理的沥青基碳纤维无纺毡保温板即沥青基碳纤维无纺毡保温板本体 10的制造方法如下：
[0028] 1)对沥青进行纺丝，通过收丝后形成无纺毡，然后预氧化处理，再进行碳化得到沥 青基碳纤维无纺毯1 ;
[0029] 2)沥青基碳纤维无纺毡1与有机粘结剂+溶剂形成的混合液充分混合，通过喷涂、 涂刷或浸渍的方式使粘结剂混合液充分浸润沥青基碳纤维无纺毡1 ;(见图3)
[0030] 3)将沥青基碳纤维无纺毡1按照要求尺寸裁剪，层叠后平铺在下模具7上，达到要 求厚度时预成型完毕，然后将上模具5固定在层叠好的预成型板6上，加压将预成型板6定 厚压实；（见图4)
[0031] 4)固化处理：将步骤3)制得的沥青基碳纤维无纺毡预成型板6连同模具5、7放 入烘箱内，在130?350°C温度下进行固化处理；
[0032] 5)碳化/石墨化/碳化+石墨化处理：将固化处理后的预成型板6脱模，然后放 入真空炉或惰性气氛下碳化，碳化温度700?1200°C ;或进行石墨化处理，石墨化温度为 1800?2500°C ;或在700?1200°C温度下碳化后再在1800?2500°C温度下石墨化处理； 制得沥青基碳纤维无纺毡保温板本体10。
[0033] 为增加沥青基碳纤维无纺毡保温板的表面性能，需要对上述成型的碳化/石墨化 后的沥青基碳纤维无纺毡保温板本体10进行表面处理，可以通过一次成型将石墨纸/碳纤 维布9复合在沥青基碳纤维无纺毡保温板本体10上，其具体制造过程如下：
[0034] 1)对沥青进行纺丝，通过收丝后形成无纺毡，然后预氧化处理，再进行碳化得到沥 青基碳纤维无纺毯1 ;
[0035] 2)沥青基碳纤维无纺毡1与有机粘结剂+溶剂形成的混合液充分混合，通过喷涂、 涂刷或浸渍的方式使粘结剂混合液充分浸润沥青基碳纤维无纺毡1 ;
[0036] 3)沥青基碳纤维无纺毡1和石墨纸/碳纤维布9按照要求尺寸裁剪，在石墨纸/ 碳纤维布9上涂刷碳材料粘结剂形成碳材料粘结剂层8 ;
[0037] 4)取裁剪好的石墨纸/碳纤维布9,有涂层的一面向上平铺在下模具7上，在其上 铺设层叠的沥青基碳纤维无纺毡1，达到要求厚度时，单面处理的沥青基碳纤维无纺毡保温 板预成型完毕；如需双面处理，则另取裁剪好的石墨纸/碳纤维布9,有涂层的一面向下放 到预成型后的沥青基碳纤维无纺毡1上，最后安装上模具5加压将预成型板6定厚压实； (见图5)
[0038] 5)固化处理：将步骤4)制得的沥青基碳纤维无纺毡预成型板6连同模具5、7放入 烘箱内，以1?15°C /min的升温速率升温到130?350°C，在此温度下恒温加热1?5. 5h ;
[0039] 6)碳化/石墨化/碳化+石墨化处理：将固化处理后的预成型板6脱模，然后放 入真空炉或惰性气氛下碳化，碳化温度700?1200°C ;或进行石墨化处理，石墨化温度为 1800?2500°C ;或在700?1200°C温度下碳化后再在1800?2500°C温度下石墨化处理； 制得沥青基碳纤维无纺毡保温板。
[0040] 以下实施例在以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方 法如无特别说明均为常规方法。
[0041] 【实施例1】沥青碳纤维无纺毡保温板制造过程如下：
[0042] 对沥青进行纺丝，通过收丝后形成无纺毡，然后预氧化处理，再进行碳化得到沥青 基碳纤维无纺毡1 ;在筒轴4的转动作用下将沥青碳纤维无纺毡1放入有机粘结剂+溶剂 的粘结剂混合液池3内充分浸渍，有机粘结剂为酚醛树脂，溶剂为乙醇；粘结剂混合液的重 量份比例为酚醛树脂：乙醇=40 :60,然后将沥青基碳纤维无纺毡1通过挤胶辊2将多余的 粘结剂挤出，再将沥青基碳纤维无纺毡1按照要求尺寸裁剪，层叠后平铺在下模具7上，达 到70mm厚度时成型完毕，然后将上模具5固定在层叠好的预成型板6上，加压将预成型板6 定厚45mm压实；将制得的沥青基碳纤维无纺毯预成型板6和模具5、7 -起放入烘箱内，在 200°C下进行固化处理。再将固化处理后的沥青基碳纤维无纺毡预成型板6脱模，放入真空 炉碳化，碳化温度900°C;然后石墨化处理，石墨化温度为2000°C，制造出未经表面处理的沥 青基碳纤维无纺毡保温板即沥青基碳纤维无纺毡保温板本体。
[0043] 制得的沥青基碳纤维无纺毡保温板密度为0. 17g/cm3,碳含量99. 5%，灰分 0. 01%，导热系数0. 31W/m · K (试样厚度为45mm，在氮气保护下，1500°C时的检测数据）。
[0044] 【实例2】为增加沥青基碳纤维无纺毡保温板的表面性能，通过一次成型工艺将石 墨纸9 一次性复合在沥青基碳纤维无纺毡保温板本体10上，制造出经表面处理的沥青基碳 纤维无纺毡保温板，具体包括如下步骤：
[0045] 对沥青进行纺丝，通过收丝后形成无纺毡，然后预氧化处理，再进行碳化得到沥青 基碳纤维无纺毡1 ;在筒轴4的转动作用下将沥青碳纤维无纺毡1放入有机粘结剂+溶剂的 粘结剂混合液池3内充分浸渍，有机粘结剂为酚醛树脂，溶剂为乙醇；粘结剂混合液的重量 份比例为酚醛树脂：乙醇=40 :60,然后将沥青基碳纤维无纺毡1通过挤胶辊2将多余的粘 结剂挤出。沥青基碳纤维无纺毡1和石墨纸9按照要求尺寸裁剪，碳材料粘结剂的各组分 重量比为酚醛树脂：乙醇：沥青基碳纤维：石墨粉：碳化硅粉：硅粉=56 :44 :12 :20 :8 :6， 混合均匀制得碳材料用粘结剂，在石墨纸9上涂刷碳材料粘结剂形成碳材料粘结剂层8 ;取 裁剪好的石墨纸9,有涂层的一面向上平铺在下模具7上，在其上铺设层叠的沥青基碳纤维 无纺毡1，达到70_时预成型完毕，另取裁剪好的石墨纸9,有涂层的一面向下放到预成型 后的沥青基碳纤维无纺毡1上，最后安装上模具5加压将预成型板6定厚45mm压实；
[0046] 将制得的沥青基碳纤维无纺毡预成型板6连同模具5、7放入烘箱内，以：TC /min 的升温速率升温到200°C，在此温度下恒温加热2h，固化碳材料粘结剂层8 ;将固化处理后 的预成型板6脱模，然后放入真空炉碳化，碳化温度900°C ;然后石墨化处理，石墨化温度为 2000 ;丨C制得经表面处理的沥青基碳纤维无纺毡保温板。
[0047] 制得的沥青基碳纤维无纺毡保温板密度为0. 19g/cm3,碳含量99. 5%，灰分 0. 01%，导热系数0. 31W/m · K (试样厚度为45mm，在氮气保护下，1500°C时的检测数据）。
[0048] 根据以上方法制取的表面一次性复合石墨纸的沥青基碳纤维无纺毡保温板在多 晶硅铸锭炉上使用一年后，没有出现石墨纸层剥离，起泡等现象，石墨纸层里面的沥青基碳 纤维无纺毡保温板本体无腐蚀现象，显著提高了沥青基碳纤维无纺毡保温板的寿命。
[0049] 通过表面处理后的沥青基碳纤维无纺毡保温板可以防止炉内杂质气体直接与沥 青基碳纤维无纺毡保温板表面接触，防止腐蚀与抗气流冲刷，具有优良的抗氧化与抗腐蚀 性能，能够显著提高沥青基碳纤维无纺毡保温板的寿命。
【权利要求】
1.渐青基碳纤维无纺拉保温板，包括渐青基碳纤维无纺拉保温板本体，其特征在于，所 述渐青基碳纤维无纺拉保温板本体单面或双面由内向外依次设置碳材料粘结剂层及石墨 纸/碳纤维布。
【文档编号】C04B35/83GK204224477SQ201420561893
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】朴成军, 郑淑云, 陈惠龙, 王红伟, 张作桢, 李里, 崔欣 申请人:辽宁奥亿达新材料有限公司