本发明属于纺织品加工制备技术领域，具体涉及一种高温抗压隔热碳纤维布的制备方法。
背景技术：
碳纤维，是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。具有低密度、高比强度和比模量、耐高温、抗化学腐蚀、高热导、低热膨胀等优良特性，同时具有高抗冲击性能，故由其制成的复合材料常具有优异的综合性能。碳纤维材料被广泛应用于国防和民用重要领域。碳纤维按性能的不同分类可以将碳纤维主要分为：高强度碳纤维、高模量碳纤维、离子交换碳纤维和活性碳纤维；按照原料的不同可以将碳纤维分为沥青基、黏胶基、聚丙烯腈基及木质素基碳纤维四大类。
碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳布、碳纤维片材等，由于具有强度高，密度小，厚度薄等优异特性，在航空、体育器材、建筑工业、消防等领域中均得到广泛使用，且可被用作抗震、加固、补强及防火材料。
碳纤维布表面光滑，比表面积很小，在对碳纤维布进行加工中，由于本身呈现出化学惰性，因此碳纤维布的比电容远远低于其他的一些碳材料。碳纤维布表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的粘结性差，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维性能的发挥。此外，碳纤维布防火性能差，所制成碳纤维服装会出现遇明火易燃，紧急情况下不能对人体起到很好的防护作用，其所生产的服饰相对于天然纤维材料来说，在柔软性和光泽度方面性能较差。
因此，提供一种产业化适用性强，成本低廉，能耗低，性能优良的碳纤维布及其制备方法具有重要意义。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题，针对目前碳纤维布耐火性差，用于防火材料时高温抗压性能较差，并且隔热性能有待提高的缺陷，提供了一种高温抗压隔热碳纤维布的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高温抗压隔热碳纤维布的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取150～200ml甲基硅油加入带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，在氮气保护下将三口烧瓶移入沙浴锅中，保温反应，随后升温，继续保温反应，反应结束后自然冷却至室温，得到产物；
（2）向上述产物中加入200～300ml二甲苯，搅拌混合10～15min后过滤，得到滤液，将滤液转入旋转蒸发仪中，旋蒸浓缩40～50min，得到浓缩液，取30～40g硼化锆加入到粉碎机中粉碎30～40min，得到硼化锆粉末，将硼化锆粉末、浓缩液、100～200ml去离子水加入烧杯中，搅拌混合后，得到结合剂；
（3）按重量份数计，将40～50份白刚玉、30～40份黑曜岩、8～10份可膨胀石墨加入粉碎机中粉碎后倒入混砂机中，再向混砂机中加入10～15份氧化铝粉、0.3～0.5份聚丙烯酸钠、3～5份二氧化锆、5～8份石墨烯，搅拌混合10～20min，再依次加入8～10份结合剂，研磨过筛，得到耐火瓷粉；
（4）将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯混合，得到混合聚合物，将混合聚合物分散于n-n二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器以300～500r/min的转速混合搅拌，直至混合聚合物完全溶解，得到高分子溶液；
（5）将上述高分子溶液置于烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，加热升温，保温脱泡，得到共混纺丝原液，将共混纺丝原液倒入纺丝箱中，经喷丝板中喷出原丝，原丝由辊轮依次带入三个凝固浴槽，将凝固浴处理后的原丝卷绕收集得到预氧化丝；
（6）将尿素、预氧化丝、乙二醇混合，放入石墨模具中，再将石墨模具放入电阻炉中，向电阻炉充入氮气作为保护气体，程序升温，保温碳化，自然冷却至室温后脱模，得到碳纤维布预成型体，将苯氧基聚磷腈和酚醛树脂混合溶解于四氢呋喃中，溶解完全得到耐高温溶液碳纤维布预成型体，随后自然干固化得到耐高温碳纤维布；
（7）将上述耐高温碳纤维布裁成方块布，用耐火瓷粉作为中间隔热层，将方块布叠放后放入模具中，先预热，随后升温，预固化，最后放入热压机中，热压固化，取出冷却至室温后，得到高温抗压隔热碳纤维布。
步骤（1）所述的开始保温反应时沙浴温度为420～430℃，保温反应时间为1～
2h，升温后温度为460～480℃，继续保温反应时间为40～50min。
步骤（2）所述的旋蒸浓缩温度为80～90℃，搅拌混合时间为15～20min。
步骤（3）所述的粉碎后颗粒直径为1～3mm，研磨后所过筛规格为200目。
步骤（4）所述的聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯混合质量比为7︰3，控制高分子溶液中溶质质量含量为20～30%，溶解温度为60～70℃。
步骤（5）所述的水浴锅加热升温后温度为65～70℃，保温脱泡时间为20～24h，三个凝固浴槽情况为：第一凝固浴槽中装有质量分数为50%n-n二甲基甲酰胺的水溶液，第二凝固浴槽中装有50～55℃的水，第三凝固浴槽中装有95～100℃的沸水。
步骤（6）所述的尿素、预氧化丝、乙二醇混合质量比为50︰100︰1，程序升温速率为5～10℃/min，升温后温度为1200～1400℃，保温碳化时间为50～60min，苯氧基聚磷腈和酚醛树脂混合质量比为1︰7。
步骤（7）所述的控制中间隔热层厚度为方块布厚度的0.3～0.5倍，预热后温度为70～80℃，预热后升温温度为120～130℃，预固化时间为40～50min，控制热压温度为180～200℃，热压压力为1.5～2.0mpa，热压固化6～7h。
本发明的有益效果是：
（1）本发明将甲基硅油置于高温条件下裂解，得到裂解产物，将裂解产物与二甲苯混溶，经过滤、旋转蒸发得到浓缩液，以硼化锆粉末、浓缩液为原料制备得到结合剂，最后将白刚玉、黑曜岩粉碎后与氧化铝粉、聚丙烯酸钠、二氧化锆、石墨烯等原料混合，放入混砂机中混合搅拌，再掺入结合剂得到耐火瓷粉，将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯混合，得到混合聚合物，将混合聚合物溶于n-n二甲基甲酰胺中，得到高分子溶液，将高分子溶液加热升温，保温脱泡得到共混纺丝原液，将共混纺丝原液置于纺丝箱中，纺出原丝，原丝经过三个凝固浴槽处理，卷绕收集得到预氧化丝，将预氧化丝放入石墨模具中，氮气保护下在电阻炉中烧结，得到碳纤维布预成型体，将苯氧基聚磷腈和酚醛树脂混合溶解于四氢呋喃中得到耐高温溶液，涂覆于碳纤维布预成型体上制备得到耐高温碳纤维布，将耐火瓷粉作为中间隔热层，再将耐高温碳纤维布裁成方块布叠放后，经过预热、预固化、热压固化得到高温抗压隔热碳纤维布，本发明的碳纤维布在高温烧蚀环境中，可膨胀性石墨会侵入酚醛树脂碳层中，在经受高温作用后，由于可膨胀石墨导热系数大，可以快速吸收树脂碳层释放的熔化热和蒸发热，然后快速升温膨胀由卷曲状态变为舒张状态，提高碳纤维布的外表面散热面积，热量传导至高热容的中间隔热层后，对碳纤维布中树脂炭化层起到降温作用，所用黑曜岩为高膨胀率火山岩，高温烧蚀后可以膨胀为原体积5倍以上，形成高厚度的隔热层，从而改善碳纤维布的隔热性能；
（2）本发明的高温抗压隔热碳纤维布通过双层碳纤维布中间填充耐火瓷粉制备而成，耐火陶瓷粉中浓缩液为聚碳硅烷，以聚碳硅烷和硼化锆作为结合剂，碳纤维布中聚碳硅烷在高温下会裂解为碳化硅晶须，碳化硅晶须填充于碳纤维布中可减小气孔，在烧蚀前碳化硅晶须对酚醛树脂起到增韧作用，烧蚀后可提高碳纤维布在高温环境中的抗压强度，耐火瓷粉和石墨烯通过聚碳硅烷紧密结合，再经高温烧成后通过碳化硅结合，由于碳化硅具有极高的结合强度，并且碳化硅在高温氧化后可在碳纤维布表面形成一层致密的、牢固的二氧化硅薄膜，避免烧蚀形成的致密残碳层被氧化而变疏松，另外，碳化硅还可与硼化锆在高温下反应形成二氧化锆-二氧化硅薄膜，从而进一步提高碳纤维布在高温时的抗压强度，减小高温过程中因膨胀产生的向外应力，从而提高碳纤维布在高温环境下的抗压强度，应用前景广阔。
具体实施方式
取150～200ml甲基硅油加入带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，在氮气保护下将三口烧瓶移入沙浴锅中，控制沙浴温度为420～430℃，保温反应1～2h后，升温至460～480℃，继续保温反应40～50min，反应结束后自然冷却至室温，得到产物；向上述产物中加入200～300ml二甲苯，搅拌混合10～15min后过滤，得到滤液，将滤液转入旋转蒸发仪中，在80～90℃下旋蒸浓缩40～50min，得到浓缩液，取30～40g硼化锆加入到粉碎机中粉碎30～40min，得到硼化锆粉末，将硼化锆粉末、浓缩液、100～200ml去离子水加入烧杯中，搅拌混合15～20min后，得到结合剂；按重量份数计，将40～50份白刚玉、30～40份黑曜岩、8～10份可膨胀石墨加入粉碎机中粉碎至颗粒直径为1～3mm后倒入混砂机中，再向混砂机中加入10～15份氧化铝粉、0.3～0.5份聚丙烯酸钠、3～5份二氧化锆、5～8份石墨烯，搅拌混合10～20min，再依次加入8～10份结合剂，研磨过200目筛，得到耐火瓷粉；将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按质量比为7︰3混合，得到混合聚合物，将混合聚合物分散于n-n二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器以300～500r/min的转速混合搅拌，直至混合聚合物完全溶解，得到高分子溶液，控制溶液中溶质质量含量为20～30%，溶解温度为60～70℃；将上述高分子溶液置于烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，加热升温至65～70℃，保温脱泡20～24h，得到共混纺丝原液，将共混纺丝原液倒入纺丝箱中，经喷丝板中喷出原丝，原丝由辊轮依次带入三个凝固浴槽，第一凝固浴槽中装有质量分数为50%n-n二甲基甲酰胺的水溶液，第二凝固浴槽中装有50～55℃的水，第三凝固浴槽中装有95～100℃的沸水，将凝固浴处理后的原丝卷绕收集得到预氧化丝；按质量比为50︰100︰1将尿素、预氧化丝、乙二醇混合，放入石墨模具中，再将石墨模具放入电阻炉中，向电阻炉充入氮气作为保护气体，以5～10℃/min的升温速率程序升温至1200～1400℃，保温碳化50～60min，自然冷却至室温后脱模，得到碳纤维布预成型体，将苯氧基聚磷腈和酚醛树脂按质量比为1︰7混合溶解于四氢呋喃中，溶解完全得到耐高温溶液，碳纤维布预成型体，随后自然干固化得到耐高温碳纤维布；将上述耐高温碳纤维布裁成方块布，用耐火瓷粉作为中间隔热层，控制中间隔热层厚度为方块布厚度的0.3～0.5倍，将方块布叠放后放入模具中，先预热至70～80℃，随后升温至120～130℃，预固化40～50min，最后放入热压机中，控制热压温度为180～200℃，热压压力为1.5～2.0mpa，热压固化6～7h，取出冷却至室温后，得到高温抗压隔热碳纤维布。
实例1
取150ml甲基硅油加入带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，在氮气保护下将三口烧瓶移入沙浴锅中，控制沙浴温度为420℃，保温反应1h后，升温至460℃，继续保温反应40min，反应结束后自然冷却至室温，得到产物；向上述产物中加入200ml二甲苯，搅拌混合10min后过滤，得到滤液，将滤液转入旋转蒸发仪中，在80℃下旋蒸浓缩40min，得到浓缩液，取30g硼化锆加入到粉碎机中粉碎30min，得到硼化锆粉末，将硼化锆粉末、浓缩液、100ml去离子水加入烧杯中，搅拌混合15min后，得到结合剂；按重量份数计，将40份白刚玉、30份黑曜岩、8份可膨胀石墨加入粉碎机中粉碎至颗粒直径为1mm后倒入混砂机中，再向混砂机中加入10份氧化铝粉、0.3份聚丙烯酸钠、3份二氧化锆、5份石墨烯，搅拌混合10min，再依次加入8份结合剂，研磨过200目筛，得到耐火瓷粉；将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按质量比为7︰3混合，得到混合聚合物，将混合聚合物分散于n-n二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器以300r/min的转速混合搅拌，直至混合聚合物完全溶解，得到高分子溶液，控制溶液中溶质质量含量为20%，溶解温度为60℃；将上述高分子溶液置于烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，加热升温至65℃，保温脱泡20h，得到共混纺丝原液，将共混纺丝原液倒入纺丝箱中，经喷丝板中喷出原丝，原丝由辊轮依次带入三个凝固浴槽，第一凝固浴槽中装有质量分数为50%n-n二甲基甲酰胺的水溶液，第二凝固浴槽中装有50℃的水，第三凝固浴槽中装有95℃的沸水，将凝固浴处理后的原丝卷绕收集得到预氧化丝；按质量比为50︰100︰1将尿素、预氧化丝、乙二醇混合，放入石墨模具中，再将石墨模具放入电阻炉中，向电阻炉充入氮气作为保护气体，以5℃/min的升温速率程序升温至1200℃，保温碳化50min，自然冷却至室温后脱模，得到碳纤维布预成型体，将苯氧基聚磷腈和酚醛树脂按质量比为1︰7混合溶解于四氢呋喃中，溶解完全得到耐高温溶液，碳纤维布预成型体，随后自然干固化得到耐高温碳纤维布；将上述耐高温碳纤维布裁成方块布，用耐火瓷粉作为中间隔热层，控制中间隔热层厚度为方块布厚度的0.3倍，将方块布叠放后放入模具中，先预热至70℃，随后升温至120℃，预固化40min，最后放入热压机中，控制热压温度为180℃，热压压力为1.5mpa，热压固化6h，取出冷却至室温后，得到高温抗压隔热碳纤维布。
实例2
取170ml甲基硅油加入带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，在氮气保护下将三口烧瓶移入沙浴锅中，控制沙浴温度为425℃，保温反应1h后，升温至470℃，继续保温反应45min，反应结束后自然冷却至室温，得到产物；向上述产物中加入250ml二甲苯，搅拌混合13min后过滤，得到滤液，将滤液转入旋转蒸发仪中，在85℃下旋蒸浓缩45min，得到浓缩液，取35g硼化锆加入到粉碎机中粉碎35min，得到硼化锆粉末，将硼化锆粉末、浓缩液、150ml去离子水加入烧杯中，搅拌混合17min后，得到结合剂；按重量份数计，将45份白刚玉、35份黑曜岩、9份可膨胀石墨加入粉碎机中粉碎至颗粒直径为2mm后倒入混砂机中，再向混砂机中加入13份氧化铝粉、0.4份聚丙烯酸钠、4份二氧化锆、6份石墨烯，搅拌混合15min，再依次加入9份结合剂，研磨过200目筛，得到耐火瓷粉；将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按质量比为7︰3混合，得到混合聚合物，将混合聚合物分散于n-n二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器以400r/min的转速混合搅拌，直至混合聚合物完全溶解，得到高分子溶液，控制溶液中溶质质量含量为25%，溶解温度为65℃；将上述高分子溶液置于烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，加热升温至67℃，保温脱泡22h，得到共混纺丝原液，将共混纺丝原液倒入纺丝箱中，经喷丝板中喷出原丝，原丝由辊轮依次带入三个凝固浴槽，第一凝固浴槽中装有质量分数为50%n-n二甲基甲酰胺的水溶液，第二凝固浴槽中装有53℃的水，第三凝固浴槽中装有97℃的沸水，将凝固浴处理后的原丝卷绕收集得到预氧化丝；按质量比为50︰100︰1将尿素、预氧化丝、乙二醇混合，放入石墨模具中，再将石墨模具放入电阻炉中，向电阻炉充入氮气作为保护气体，以7℃/min的升温速率程序升温至1300℃，保温碳化55min，自然冷却至室温后脱模，得到碳纤维布预成型体，将苯氧基聚磷腈和酚醛树脂按质量比为1︰7混合溶解于四氢呋喃中，溶解完全得到耐高温溶液，碳纤维布预成型体，随后自然干固化得到耐高温碳纤维布；将上述耐高温碳纤维布裁成方块布，用耐火瓷粉作为中间隔热层，控制中间隔热层厚度为方块布厚度的0.4倍，将方块布叠放后放入模具中，先预热至75℃，随后升温至125℃，预固化45min，最后放入热压机中，控制热压温度为190℃，热压压力为1.7mpa，热压固化6h，取出冷却至室温后，得到高温抗压隔热碳纤维布。
实例3
取200ml甲基硅油加入带有温度计和回流装置的三口烧瓶中，在氮气保护下将三口烧瓶移入沙浴锅中，控制沙浴温度为430℃，保温反应2h后，升温至480℃，继续保温反应50min，反应结束后自然冷却至室温，得到产物；向上述产物中加入300ml二甲苯，搅拌混合15min后过滤，得到滤液，将滤液转入旋转蒸发仪中，在90℃下旋蒸浓缩50min，得到浓缩液，取40g硼化锆加入到粉碎机中粉碎40min，得到硼化锆粉末，将硼化锆粉末、浓缩液、200ml去离子水加入烧杯中，搅拌混合20min后，得到结合剂；按重量份数计，将50份白刚玉、40份黑曜岩、10份可膨胀石墨加入粉碎机中粉碎至颗粒直径为3mm后倒入混砂机中，再向混砂机中加入15份氧化铝粉、0.5份聚丙烯酸钠、5份二氧化锆、8份石墨烯，搅拌混合20min，再依次加入10份结合剂，研磨过200目筛，得到耐火瓷粉；将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯按质量比为7︰3混合，得到混合聚合物，将混合聚合物分散于n-n二甲基甲酰胺中，用磁力搅拌器以500r/min的转速混合搅拌，直至混合聚合物完全溶解，得到高分子溶液，控制溶液中溶质质量含量为30%，溶解温度为70℃；将上述高分子溶液置于烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，加热升温至70℃，保温脱泡24h，得到共混纺丝原液，将共混纺丝原液倒入纺丝箱中，经喷丝板中喷出原丝，原丝由辊轮依次带入三个凝固浴槽，第一凝固浴槽中装有质量分数为50%n-n二甲基甲酰胺的水溶液，第二凝固浴槽中装有55℃的水，第三凝固浴槽中装有100℃的沸水，将凝固浴处理后的原丝卷绕收集得到预氧化丝；按质量比为50︰100︰1将尿素、预氧化丝、乙二醇混合，放入石墨模具中，再将石墨模具放入电阻炉中，向电阻炉充入氮气作为保护气体，以10℃/min的升温速率程序升温至1400℃，保温碳化60min，自然冷却至室温后脱模，得到碳纤维布预成型体，将苯氧基聚磷腈和酚醛树脂按质量比为1︰7混合溶解于四氢呋喃中，溶解完全得到耐高温溶液，碳纤维布预成型体，随后自然干固化得到耐高温碳纤维布；将上述耐高温碳纤维布裁成方块布，用耐火瓷粉作为中间隔热层，控制中间隔热层厚度为方块布厚度的0.5倍，将方块布叠放后放入模具中，先预热至80℃，随后升温至130℃，预固化50min，最后放入热压机中，控制热压温度为200℃，热压压力为2.0mpa，热压固化7h，取出冷却至室温后，得到高温抗压隔热碳纤维布。
对比例
以南通市某公司生产的碳纤维布作为对比例对本发明制得的高温抗压隔热碳纤维布和对比例中的碳纤维布进行检测，检测结果如表1所示：
耐火性测试
分别将本发明制得的高温抗压隔热碳纤维布和对比例中的碳纤维布置于酒精灯火焰顶端，统计其点燃时间。
紫外光照强度测试
在相同阳光照射条件下，将紫外照度计置于本发明制得的高温抗压隔热碳纤维布和对比例中的碳纤维布下方测试紫外光照强度。
散热性测试
在相同阳光照射条件下，将温度计置于本发明制得的高温抗压隔热碳纤维布和对比例中的碳纤维布下方测试温度。
表1性能测定结果
根据表1中数据可知，本发明制得的高温抗压隔热碳纤维布，具有力学强度高，耐火性好，对紫外光和阳光具有较好的遮挡性，且布料柔软舒适，具有广阔的使用前景。