專利名稱：一種高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維隔熱保溫材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及作為晶體生長(zhǎng)爐及拉晶裝置、陶 瓷燒結(jié)爐、真空高溫?zé)崽幚頎t等爐中使用的高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)真空高溫爐中所使用的隔熱保溫材料一般采用軟碳?xì)?針刺氈)，這種結(jié)構(gòu)的 隔熱保溫材料存在強(qiáng)度低、易變形、易粉化、隔熱效果差及拆卸、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)。 而剛性碳纖維隔熱保溫材料將克服軟碳?xì)诌@種隔熱保溫所存在的缺點(diǎn)，作為晶體爐，陶瓷 燒結(jié)爐，氣相沉積爐等高溫爐用隔熱保溫材料將被廣泛使用。
目前國(guó)內(nèi)碳纖維硬氈主要采用軟碳?xì)纸n模壓或軟碳?xì)纸n分層粘貼(石墨紙和碳纖 維間隔粘貼)的成型工藝。浸漬模壓工藝存在的缺點(diǎn)是制品強(qiáng)度低，高溫使用條件下制品 易分層開裂，使用壽命短等，由于強(qiáng)度相對(duì)較低，拆卸安裝不夠方便；采用分層粘貼成型 方式制成的硬氈，雖然強(qiáng)度有所提高，但制品的導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫性能變差，降低隔熱 效果。
日本專利29129/1983公開了一種利用碳纖維軟氈生產(chǎn)硬氈的方法。具體方法是(1) 將碳纖維針刺成軟氈，向多層軟氈注入樹脂溶液，壓縮并碳化得到碳纖維硬氈；(2)將碳 氈與小于lmm厚的石墨薄片通過粘結(jié)劑碾壓在一起。此方法要求碳纖維強(qiáng)度較高并且具 有較好韌性，這限制了碳纖維的使用；針刺和注入黏結(jié)劑兩步效率和生產(chǎn)率都非常低；黏 結(jié)劑采用注入式，會(huì)造成其碳?xì)謨?nèi)部粘結(jié)劑分布不均，碳化后使得碳?xì)謨?nèi)部粘結(jié)劑殘?zhí)挤?布不均勻，從而強(qiáng)度不均勻，致使其使用時(shí)受到限制；并且此法制得的碳纖維保溫材料密 度都比較小， 一般低于0.1g/cm3，使得其加工性能比較差。而且整個(gè)生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種高密度剛性碳纖維隔熱保溫材 料的制造方法，采用該方法制成的剛性碳纖維保溫材料，由于其優(yōu)異隔熱性能、低熱容量、 低密度和高強(qiáng)度等特性，特別適用于真空熱處理爐、單晶拉晶爐、陶瓷燒結(jié)爐等高溫爐用保溫材料。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，該方法包括如下步驟
1) 磨碎碳纖維，得到平均長(zhǎng)度為0.2-30mm的磨碎或短切碳纖維；
2) 將磨碎或短切碳纖維與粘結(jié)劑、分散劑充分混合均勻，磨碎或短切碳纖維、粘 結(jié)劑重量份比例為磨碎碳纖維20 80重量份、粘結(jié)劑80 20重量份，粘結(jié)
劑與分散劑的重量比例為1: (0.4 1);
3) 將上述混合物進(jìn)行澆注、模壓成型，制成規(guī)定形狀的剛性保溫材料預(yù)制品；
4) 以5 65°C/h的加熱速率將上述剛性保溫材料預(yù)成型品加熱到180 35(TC進(jìn)行 不熔化處理；
5) 將不熔化處理后的預(yù)成型品在真空或惰性氣氛下碳化，溫度為1000 1800°C; 或石墨化處理，石墨化溫度為1800 250(TC，制造出剛性碳纖維保溫材料。
所述的碳纖維選自瀝青基碳纖維、PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維中的一種。
所述的粘結(jié)劑選自瀝青纖維或粉狀瀝青、焦油、熱固性樹脂酚醛樹脂、脲醛樹脂、環(huán) 氧樹脂、呋喃樹脂、乙烯基酯樹脂、熱縮性樹脂聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰 胺、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂中的一種或兩種以上。
所述的分散劑選用甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、二丙酮醇、環(huán)己酮、甲乙酮、醋酸乙酯、 醋酸丁酯有機(jī)稀釋劑的一種或幾種。
為增加剛性碳纖維保溫材料的表面性能，需要對(duì)其進(jìn)行表面處理，其表面處理方法包 括如下步驟
1) 將碳化/石墨化的剛性碳纖維保溫材料進(jìn)行表面磨光處理，使表面平整；
2) 在平整后的剛性碳纖維保溫材料涂刷粘結(jié)劑形成粘結(jié)劑層，在粘結(jié)劑層上粘貼石 墨紙、石墨布、碳纖維布；所述的粘結(jié)劑由樹脂與碳化硼按重量份比例配制而成，樹脂與 碳化硼的重量比例為100: (40 160)，按上述比例將樹脂和碳化硼混合均勻，即得到高溫 粘結(jié)劑；所述的樹脂選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、或脲釋中的一種或兩種以上；
3) 以1 15'C/min的升溫速率升溫到150 350°C，在此溫度下恒溫1 5.5h，固化粘 結(jié)劑層，制成預(yù)成型品；
4) 將預(yù)成型品于100(TC 1800。C.下在惰性氣氛下碳化，制成貼膜/涂層剛性碳纖維保 溫材料。為增加剛性碳纖維保溫材料的表面性能，需要對(duì)其進(jìn)行表面處理，其表面處理方法包 括如下步驟
1) 將碳化/石墨化的剛性碳纖維保溫材料進(jìn)行表面磨光處理，使表面平整；
2) 在平整后的剛性碳纖維保溫材料的表面上直接涂層；直接涂層的高溫材料由有機(jī) 粘結(jié)劑樹脂、分散劑、鱗片石墨粉按重量份比例配制而成，樹脂分散劑鱗片石墨的重 量比例為100: (40 160): (40 100)，按上述比例將樹脂、分散劑和鱗片石墨混合均勻， 即得到高溫涂層；所述的樹脂選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂中的一種或兩種以上； 所述的分散劑選自乙醇、丙醇、或丙酮；
3) 以1 15'C/min的升溫速率升溫到150 350°C，在此溫度下恒溫1 5.5h，固化粘 結(jié)劑層，制成預(yù)成型品；
4) 將預(yù)成型品于100(TC 180(TC下在惰性氣氛下碳化，制成貼膜/涂層剛性碳纖維保 溫材料。
本發(fā)明瀝青基磨碎碳纖維與有機(jī)粘結(jié)劑、分散劑混合。分散劑主要作用是分散粘結(jié)劑 增加其流動(dòng)性；增加碳纖維的分散性，使其達(dá)到理想的分散效果。采用澆注、模壓成型工 藝制成預(yù)成品，再對(duì)預(yù)成品進(jìn)行不熔化及高溫碳化處理即得到高密度剛性碳纖維隔熱保溫 材料。其制品形態(tài)隨意性好，可制成板、筒、盤或異形體。
根據(jù)本發(fā)明，可制成高密度隔熱產(chǎn)品。該產(chǎn)品由瀝青基磨碎碳纖維與有機(jī)粘結(jié)劑混合， 澆注模壓成型再經(jīng)高溫碳化制得，密度為0.1 0.5g/cm3。
根據(jù)使用要求對(duì)剛性保溫材料進(jìn)行表面處理，包括粘貼一薄層柔性石墨紙、石墨布、 碳布、石墨薄板或進(jìn)行表面涂層硬化處理，防止?fàn)t內(nèi)氣體直接與剛性保溫材料直接接觸， 抗氣流沖刷，并具有一定的抗氧化性能，進(jìn)一步提高其使用壽命。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是可制造高密度、低熱導(dǎo)率及高強(qiáng)度的剛性保溫材料；可以通過改變粘 結(jié)劑的比例，磨碎碳纖維長(zhǎng)度，成型壓力等工藝來調(diào)整保溫材料的密度；工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定 性高，操作方便。
具體實(shí)施例方式
1. 制備高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的原料組分、配比。
(1) 碳纖維包括瀝青基碳纖維、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、粘膠基碳纖維 等。將碳纖維進(jìn)行短切或磨碎，要求碳纖維直徑5-21pm，長(zhǎng)度0.2-30mm， 長(zhǎng)徑比大于20;加入20 80%重量百分比的碳纖維，可充分發(fā)揮碳纖維的 保溫隔熱性能。
(2) 有機(jī)粘結(jié)劑選自瀝青纖維或粉狀瀝青、焦油、熱固性樹脂酚醛樹脂、脲 醛樹脂、環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂、乙烯基酯樹脂、熱縮性樹脂聚乙烯、聚丙 烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂中的一種或兩種以 上。加入20 80%重量百分比的有機(jī)粘結(jié)劑。為降低有機(jī)粘結(jié)劑的黏度， 增加纖維的分散性，可加入適量分散劑對(duì)其進(jìn)行稀釋，有機(jī)粘結(jié)劑與分散 劑的重量比例為h (0.4 1)。分散劑選自甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、二丙 酮醇、環(huán)己酮、甲乙酮、醋酸乙酯、醋酸丁酯等有機(jī)稀釋劑的一種或幾種。
(3) 脫模劑石墨粉。
2. 不熔化與碳化(石墨化)處理將(1)和(2)中物料按預(yù)先設(shè)計(jì)的比例配料，混 合均勻，在模具內(nèi)表面均勻地涂一層石墨粉作為脫模劑，然后澆注、模壓成型，脫模。
(1) 以5 65°C/h的加熱速率將上述剛性保溫材料預(yù)成型品加熱到180 35(TC進(jìn)行
不熔化處理；
(2) 將不熔化處理后的預(yù)成型品在真空或惰性氣氛下碳化，溫度為1000 1800°C; 或石墨化處理，石墨化溫度為1800 2500'C，制造出剛性碳纖維隔熱保溫材料。
為增加剛性碳纖維保溫材料的表面性能，需要對(duì)上述碳化/石墨化后的剛性碳纖維隔 熱保溫材料進(jìn)行表面處理，在碳化/石墨化后的剛性碳纖維隔熱保溫材料表面粘貼一薄層 柔性石墨紙、石墨布、碳布、石墨薄板或進(jìn)行表面涂層硬化處理，能夠防止?fàn)t內(nèi)氣體直接 與岡'ij性保溫材料直接接觸，抗氣流沖刷，并具有一定的抗氧化性能，進(jìn)一步提高其使用壽 命。
表面處理方法包括如下歩驟
1) 將碳化/石墨化的剛性碳纖維保溫材料進(jìn)行表面磨光處理，使表面平整；
2) 在平整后的剛性碳纖維保溫材料涂刷粘結(jié)劑形成粘結(jié)劑層，在粘結(jié)劑層上粘貼石 墨紙、石墨布、碳纖維布；所述的粘結(jié)劑由樹脂與碳化硼按重量份比例配制而成，樹脂與碳化硼的重量比例為100: (40 160)，按上述比例將樹脂和碳化硼混合均勻，即得到高溫 粘結(jié)劑；所述的樹脂選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、或脲醛中的一種或兩種以上；
4)以1 15r/min的升溫速率升溫到150 350°C，在此溫度下恒溫1 5.5h，固化粘 結(jié)劑層，制成預(yù)成型品；
4)將預(yù)成型品于100(TC 180(rC下在惰性氣氛下碳化，制成貼膜/涂層剛性碳纖維保
溫材料。
表面處理方法還可為如下步驟
1) 將碳化/石墨化的剛性碳纖維保溫材料進(jìn)行表面磨光處理，使表面平整；
2) 在平整后的剛性碳纖維保溫材料的表面上直接涂層；直接涂層的高溫材料由有機(jī) 粘結(jié)劑樹脂、分散劑、鱗片石墨粉按重量份比例配制而成，樹脂分散劑鱗片石墨的重 量比例為100: (40 160): (40 100)，按上述比例將樹脂、分散劑和鱗片石墨混合均勻， 即得到高溫涂層；所述的樹脂選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂中的一種或兩種以上； 所述的分散劑選自乙醇、丙醇、或丙酮；
3) 以1 15'C/min的升溫速率升溫到150 350°C，在此溫度下恒溫1 5.5h，固化粘 結(jié)劑層，制成預(yù)成型品；
4) 將預(yù)成型品于100(TC 180(TC下在惰性氣氛下碳化，制成貼膜/涂層剛性碳纖維保 溫材料。
下面例舉兩個(gè)具體實(shí)例，但不作為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
實(shí)施例1
采用各向同性瀝青基碳纖維P-800，數(shù)值代表纖維長(zhǎng)度，單位微米，P代表磨碎產(chǎn)品。 50份磨碎碳纖維和50份酚醛樹脂(加入40份乙醇稀釋酚醛樹脂降低其黏度)經(jīng)攪拌充分 混合。將混合物加入成型模具中，施加一定壓力成型，脫模，以15'C/h的加熱速率將預(yù)成 型品加熱到20(TC，進(jìn)行不熔化處理。以100tMi的升溫速率加熱到IOO(TC，進(jìn)行碳化處理 得到剛性保溫材料。碳纖維保溫材料的密度為0.19 g/cm3。
實(shí)施例2
采用各向同性瀝青基碳纖維P-800，數(shù)值代表纖維長(zhǎng)度，單位微米，P代表磨碎產(chǎn)品。 50份磨碎碳纖維和50份酚醛樹脂(加入40份乙醇稀釋酚醛樹脂降低其黏度)經(jīng)攪拌充分 混合。將混合物加入成型模具中，施加一定壓力成型，脫模，以15'C/h的加熱速率將預(yù)成處理。以100°C/h的升溫速率加熱到IOOO"C,進(jìn)行碳化處理 得到剛性保溫材料。碳纖維保溫材料的密度為0.19 g/cm3。將碳化的剛性保溫材料進(jìn)行表 面磨光處理，使表面平整。
高溫涂層各組份重量比例為酚醛樹脂乙醇石墨粉=100: 60: 60，按上述比例將 酚醛樹脂、乙醇和石墨粉混合均勻，即可得到高溫涂層。用毛刷或噴槍將高溫涂層均勻得
涂在剛性保溫材料表面，以2'C/h的升溫速率升到200°C,在此溫度下固化2h，固化高溫 涂層。將預(yù)成型品在惰性氣體(氮?dú)?、氬氣?下碳化，以15(TC/h升溫速率在IOOO'C下 碳化，生產(chǎn)出表面涂層剛性碳纖維保溫材料。此種保溫材料可以防止?fàn)t內(nèi)氣體直接與剛性 保溫材料直接接觸，抗氣流沖刷，并具有一定的抗氧化性能，進(jìn)一步提高其使用壽命。
權(quán)利要求
1、一種高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)磨碎碳纖維，得到平均長(zhǎng)度為0.2-30mm的磨碎或短切碳纖維；2)將磨碎或短切碳纖維與粘結(jié)劑、分散劑充分混合均勻，磨碎或短切碳纖維、粘結(jié)劑重量份比例為磨碎碳纖維20～80重量份、粘結(jié)劑80～20重量份，粘結(jié)劑與分散劑的重量比例為1∶(0.4～1)；3)將上述混合物進(jìn)行澆注、模壓成型，制成規(guī)定形狀的剛性保溫材料預(yù)制品；4)以5～65℃/h的加熱速率將上述剛性保溫材料預(yù)成型品加熱到180～350℃進(jìn)行不熔化處理；5)將不熔化處理后的預(yù)成型品在真空或惰性氣氛下碳化，溫度為1000～1800℃；或石墨化處理，石墨化溫度為1800～2500℃，制造出剛性碳纖維保溫材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，其特征在于， 所述的碳纖維選自瀝青基碳纖維、PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，其特征在于， 所述的粘結(jié)劑選自瀝青纖維或粉狀瀝青、焦油、熱固性樹脂酚醛樹脂、脲醛樹脂、環(huán)氧樹 脂、呋喃樹脂、乙烯基酯樹脂、熱縮性樹脂聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、 聚苯乙烯、丙烯酸樹脂中的一種或兩種以上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，其特征在于， 所述的分散劑選用甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、二丙酮醇、環(huán)己酮、甲乙酮、醋酸乙酯、醋 酸丁酯有機(jī)稀釋劑的一種或幾種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，其特征在于 為增加剛性碳纖維保溫材料的表面性能，需要對(duì)其進(jìn)行表面處理，其表面處理方法包括如 下步驟 '1) 將碳化/石墨化的剛性碳纖維保溫材料進(jìn)行表面磨光處理，使表面平整；2) 在平整后的剛性碳纖維保溫材料涂刷粘結(jié)劑形成粘結(jié)劑層，在粘結(jié)劑層上粘貼石 墨紙、石墨布、碳纖維布；所述的粘結(jié)劑由樹脂與碳化硼按重量份比例配制而成，樹脂與 碳化硼的重量比例為100: (40 160)，按上述比例將樹脂和碳化硼混合均勻，即得到高溫粘結(jié)劑；所述的樹脂選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、或脲醛中的一種或兩種以上；3) 以1 15。C/min的升溫速率升溫到150 350°C，在此溫度下恒溫1 5.5h，固化粘 結(jié)劑層，制成預(yù)成型品；4) 將預(yù)成型品于100(TC 180(TC下在惰性氣氛下碳化，制成貼膜/涂層剛性碳纖維保 溫材料。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，其特征在于 為增加剛性碳纖維保溫材料的表面性能，需要對(duì)其進(jìn)行表面處理，其表面處理方法包括如 下歩驟1) 將碳化/石墨化的剛性碳纖維保溫材料進(jìn)行表面磨光處理，使表面平整；2) 在平整后的剛性碳纖維保溫材料的表面上直接涂層；直接涂層的高溫材料由有機(jī) 粘結(jié)劑樹脂、分散劑、鱗片石墨粉按重量份比例配制而成，樹脂分散劑鱗片石墨粉的重量比例為跳(40 160): (40 100)，按上述比例將樹脂、分散劑和鱗片石墨粉混合均勻，即得到高溫涂層；所述的樹脂選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂中的一種或兩種 以上；所述的分散劑選自乙醇、丙醇、或丙酮；3) 以1 15'C/min的升溫速率升溫到150 350°C，在此溫度下恒溫1 5.5h，固化粘 結(jié)劑層，制成預(yù)成型品；4) 將預(yù)成型品于100(TC 1800'C下在惰性氣氛下碳化，制成貼膜/涂層剛性碳纖維保 溫材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高密度剛性碳纖維隔熱保溫材料的制造方法，該方法將磨碎或短切碳纖維與粘結(jié)劑、分散劑充分混合均勻，磨碎或短切碳纖維、粘結(jié)劑重量份比例為磨碎碳纖維20～80重量份、粘結(jié)劑80～20重量份，粘結(jié)劑與分散劑的重量比例為1∶(0.4～1)；將上述混合物進(jìn)行澆注、模壓成型，制成規(guī)定形狀的剛性保溫材料預(yù)制品；再經(jīng)過不熔化處理和碳化處理，制造出剛性碳纖維保溫材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，操作方便。由于其優(yōu)良的隔熱性能、低熱容量、低密度和高強(qiáng)度等特性，特別適用于真空熱處理爐、單晶拉晶爐、陶瓷燒結(jié)爐等高溫爐用保溫材料。
文檔編號(hào)C04B35/66GK101628816SQ20081001234
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者劉成華, 原天強(qiáng), 欣 崔, 張作楨, 王興雯, 王紅偉, 鄭淑云, 陳惠龍, 龍曉飛 申請(qǐng)人:鞍山塞諾達(dá)碳纖維有限公司