一種碳纖維復(fù)合球及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維復(fù)合球及其制備方法。一種碳纖維復(fù)合球，由硬質(zhì)碳纖維球和硬質(zhì)碳纖維球表面覆蓋的樹(shù)脂炭層構(gòu)成。一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，由纖維破碎混合、滾圓造粒、二次滾圓造粒、固化、炭化和石墨化步驟制備而成。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：使短切碳纖維或磨碎碳纖維定型，方便運(yùn)輸和使用；高炭纖維含量成球，提供了發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，可以被應(yīng)用于吸附、保溫、相變儲(chǔ)能載體等方面，擴(kuò)展了短切炭纖維的應(yīng)用領(lǐng)域；其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，尤其是相對(duì)硬質(zhì)碳纖維保溫氈，更適合大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種碳纖維復(fù)合球及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維復(fù)合球及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐酸堿性能、抗高溫性能以及優(yōu)異的摩擦性能等，同時(shí)碳纖維也具有表面惰性、抗折和抗壓強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，尤其是采用短切碳纖維進(jìn)行下游應(yīng)用時(shí)，極易成團(tuán)造成分散不均，也容易因其尖銳的斷口造成對(duì)操作和使用人員的物理傷害。目前，隨著碳纖維行業(yè)的蓬勃發(fā)展，短切和磨碎碳纖維作為低成本副產(chǎn)品得到了更為豐富的生產(chǎn)。
[0003]例如，高溫工業(yè)爐的保溫材料，采用粉末碳纖維直接填充，具有形狀自由度大，可以根據(jù)消耗情況按需補(bǔ)充使用經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，但是由于操作的不便和粉塵揚(yáng)灰問(wèn)題無(wú)法在工業(yè)爐中實(shí)際使用。
[0004]同時(shí)，碳纖維應(yīng)用于保溫、吸附等領(lǐng)域，一般以氈、布、紙、繩等產(chǎn)品形式而存在，但相關(guān)產(chǎn)品制備工序復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較高，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍，以某種形式進(jìn)行定型，并防止尖銳的碳纖維及其碎片飛散，則被更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域所接受。
[0005]如專利申請(qǐng)?zhí)?5108742.8，專利ZL01130477.4采用碳纖維和其它纖維混雜增強(qiáng)制備了性能較好的盤式制動(dòng)襯片，其混合工藝即采用混合設(shè)備直接混合碳纖維和其它物料，碳纖維的添加比例嚴(yán)重受制于其分散特性。文獻(xiàn)“張西奎，等.炭纖維含量對(duì)摩擦材料性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2003，27(7): 49-51”對(duì)干法制備炭纖維摩擦材料中炭纖維含量作系列研究認(rèn)為5%的含量比較合適，這是基于炭纖維含量增加后分散不均，摩擦系數(shù)偏低、高溫欠穩(wěn)定等現(xiàn)象而做出的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維復(fù)合球及其制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中碳纖維復(fù)合球難分散易成團(tuán)、易掉尖銳纖維、不便成型等技術(shù)難點(diǎn)。具有易成型、不掉渣、消除尖銳碳纖維碎片、易分散、密度和孔隙率可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，
[0007]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0008]一種碳纖維復(fù)合球，由硬質(zhì)碳纖維球和硬質(zhì)碳纖維球表面覆蓋的樹(shù)脂炭層構(gòu)成。
[0009]所述硬質(zhì)碳纖維球直徑為0.5-10mm,密度為0.1-0.7g/cm3 ;所述樹(shù)脂炭層厚度為0.01_2mmo
[0010]上述一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0011](1)纖維破碎混合:100份長(zhǎng)度3-10mm的短切碳纖維，添加0.1-20份樹(shù)脂粉末和0.1-10份長(zhǎng)度3-5mm有機(jī)纖維,破碎并混合,獲得纖維長(zhǎng)度小于3mm的破碎混合料；
[0012](2)滾圓造粒:100份所述的破碎混合料，添加3-20份濃度5_30%的液體粘結(jié)劑，滾圓包覆成球，篩分，獲得直徑0.5-10mm的碳纖維原料球；
[0013](3)二次滾圓造粒:將所述的100份碳纖維原料球，均勻噴灑5-50份濃度5_30%的熱固性樹(shù)脂，熱固性樹(shù)脂吸附完全后，再依此加入0.1-20份200目以下浙青粉和0.1-20份200目以下微細(xì)碳粉，滾圓并篩除多余粉末，獲得碳纖維二次加工原料球；
[0014](4)固化:將碳纖維二次加工原料球置于100°C _300°C空氣氣氛中固化2-10hr，獲得碳纖維固化球；
[0015](5)炭化:將碳纖維固化球置于600-1100°C氮?dú)鈿夥罩刑炕痩_180min，獲得碳纖維固化球；
[0016](6)石墨化:將碳纖維固化球置于1500-2200°C氬氣氣氛中石墨化l_60min，獲得
碳纖維復(fù)合球。
[0017]步驟(1)所述的樹(shù)脂粉末是200目以下丁腈橡膠粉末、酚醛樹(shù)脂粉末或浙青粉末的一種或多種混合。
[0018]步驟(1)所述的有機(jī)纖維是預(yù)氧化纖維、聚乙烯醇纖維或粘膠纖維的一種或多種混合。有機(jī)纖維的加入對(duì)輔助成球、輔助粘結(jié)和控制密度具有非常好的效果，優(yōu)選聚乙烯醇纖維。
[0019]步驟(2)所述的液體粘結(jié)劑是酚醛樹(shù)脂乳液或溶液、環(huán)氧樹(shù)脂乳液或溶液、聚乙烯醇水溶液或聚丙烯酰胺水溶液的一種或多種混合液。優(yōu)選聚丙烯酰胺水溶液。
[0020]步驟(3)所述的熱固性樹(shù)脂是環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、糠醛樹(shù)脂的一種或多種混合物；所述的微細(xì)碳粉為炭黑、石墨粉、鱗片石墨、磨碎碳纖維、石墨烯、碳納米管中的一種或多種混合物；所述的浙青粉軟化點(diǎn)高于200°C。
[0021]步驟(1)中，超過(guò)3mm的纖維易成團(tuán)，不利于后續(xù)工藝，炭纖維的長(zhǎng)度及其長(zhǎng)度分布對(duì)最終碳纖維復(fù)合球的直徑大小和密度等參數(shù)有著至關(guān)重要的影響，這也是不便直接采用一定長(zhǎng)度短切碳纖維直接進(jìn)行下一步工序的原因。
[0022]實(shí)現(xiàn)以上工藝所用設(shè)備可以是多種形式市售定型設(shè)備，無(wú)需專門開(kāi)發(fā)。
[0023]與現(xiàn)有工藝和產(chǎn)品相比，本發(fā)明所具有以下有益效果:
[0024](1)使短切碳纖維或磨碎碳纖維定型，方便運(yùn)輸和使用。
[0025](2)高炭纖維含量成球，提供了發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，可以被應(yīng)用于吸附、保溫、相變儲(chǔ)能載體等方面，擴(kuò)展了短切炭纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0026](3)其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，尤其是相對(duì)硬質(zhì)碳纖維保溫氈，更適合大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)。
[0027]本發(fā)明基于低成本化和實(shí)用性，解決短切碳纖維在復(fù)合材料中的分散，解決碳纖維吸附材料在使用過(guò)程中的掉渣問(wèn)題，并更有效的擴(kuò)大短切碳纖維的應(yīng)用，獲得一種可以更方便使用且更經(jīng)濟(jì)的復(fù)合材料。
[0028]這種新型碳纖維成型復(fù)合球具有非常廣泛的應(yīng)用空間，除可直接應(yīng)用于不定形高溫保溫料、水質(zhì)凈化生物膜、相變儲(chǔ)能材料載體，還可通過(guò)進(jìn)一步活化應(yīng)用于吸附領(lǐng)域，也可作為增強(qiáng)材料進(jìn)一步的復(fù)合制成復(fù)合材料，尤其是作為剎車片的摩擦顆粒。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明實(shí)施例示意圖。
[0030]1一樹(shù)脂炭層，2 —硬質(zhì)碳纖維球?！揪唧w實(shí)施方式】
[0031]下面，結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0032]實(shí)施例一:
[0033](I)纖維破碎混合:100份長(zhǎng)度為3mm的短切碳纖維，添加10份軟化點(diǎn)280°C浙青粉末，7份長(zhǎng)度3mm的聚乙烯醇纖維,破碎并混合,獲得纖維長(zhǎng)度0.06-1.5mm的破碎混合料；
[0034](2)滾圓造粒:取100份破碎混合料，添加10份濃度5%的液體粘結(jié)劑，滾圓包覆成球，篩分，獲得直徑1.7-2.36mm碳纖維原料球；
[0035](3) 二次滾圓造粒:取100份碳纖維原料球，均勻噴灑20份濃度15%的熱固性樹(shù)月旨，熱固性樹(shù)脂吸附完全后，再依此加入5份200目浙青粉和10份200目焦粉，滾圓并篩除多余粉末，獲得碳纖維二次加工原料球；
[0036](4)固化:220°C空氣氣氛中固化2hr ；
[0037](5)炭化:850°C氮?dú)鈿夥罩刑炕?0min ；
[0038](6)石墨化:2200°C氬氣氣氛中石墨化30min。
[0039]獲得表面包覆樹(shù)脂炭層I為0.2-0.3mm厚，直徑1.5_2mm的碳纖維復(fù)合球，密度0.16g/cm3。
[0040]采用以上碳纖維復(fù)合球，直接填充于直徑Im的高溫爐隔熱層，填充厚度為60mm，填充密度為0.13g/cm3，測(cè)得1500°C對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)為0.43W/M/K。
[0041]實(shí)施例二:
[0042](I)纖維破碎混合:100份IOmm短切碳纖維,添加10份丁腈橡膠粉末，7份IOmm預(yù)氧化纖維，破碎并混合，獲得纖維長(zhǎng)度0.08-2.7mm的破碎混合料；
[0043](2)滾圓造粒:取100份破碎混合料，添加20份濃度10%的液體粘結(jié)劑，滾圓包覆成球，篩分，獲得直徑2-3.35mm碳纖維原料球；
[0044](3) 二次滾圓造粒:取100份碳纖維原料球，均勻噴灑45份濃度20%的熱固性樹(shù)月旨，熱固性樹(shù)脂吸附完全后，再依此加入10份200目浙青粉，加入15份炭黑，滾圓并篩除多余粉末；
[0045](4)固化:200°C空氣氣氛中固化4hr ;
[0046](5)炭化:800°C氮?dú)鈿夥罩刑炕?0min ；
[0047](6)石墨化:2200°C氬氣氣氛中石墨化30min。
[0048]獲得表面包覆樹(shù)脂炭層I為0.5-0.7mm厚，直徑2-3.6mm的碳纖維復(fù)合球，密度0.33g/cm3。
[0049]采用10%濃度的熱塑性酚醛樹(shù)脂溶液均勻噴灑在所制得的碳纖維復(fù)合球表面，噴灑量控制在30ml/kg，然后與混合好的剎車片粉體纖維按12:100的質(zhì)量比混合均勻。熱壓成型，與涂有粘結(jié)劑的鋼背一起采用桑塔納2000專用模具沖壓，上模具溫度為165°C，下模具溫度為170°C，成型壓力20MPa，成型時(shí)間60s/mm，脫模，經(jīng)200°C 4hr熱處理，緩慢冷卻，再經(jīng)適當(dāng)打磨(1.5_厚)、噴涂，所得小型轎車剎車片經(jīng)定速摩擦實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)合格。
[0050]實(shí)施例三:
[0051](I)纖維破碎混合:100份長(zhǎng)度為IOmm的短切碳纖維，添加2份酚醛樹(shù)脂粉末，10份長(zhǎng)度3mm的聚乙烯醇纖維,破碎并混合,獲得纖維長(zhǎng)度0.05-3mm的破碎混合料；[0052](2)滾圓造粒:取100份破碎混合料，添加10份濃度5%的液體粘結(jié)劑，滾圓包覆成球，篩分，獲得直徑2.5-3.5mm碳纖維原料球；
[0053](3) 二次滾圓造粒:取10份碳纖維原料球，均勻噴灑2份濃度5%的熱固性樹(shù)脂，樹(shù)脂吸附完全后，再依此加入0.3份200目軟化點(diǎn)200°C浙青粉和0.5份200目石墨粉，滾圓并師除多余粉末。
[0054](4)固化:220°C空氣氣氛中固化2hr ；
[0055](5)炭化:800°C氮?dú)鈿夥罩刑炕?0min ；
[0056](6)石墨化:2200°C氬氣氣氛中石墨化30min。
[0057]獲得表面包覆樹(shù)脂炭層I為0.1mm厚，直徑2.5_3mm的碳纖維復(fù)合球，密度0.17g/
3
cm ο
[0058]將石墨化后的碳纖維復(fù)合球于950°C水蒸氣中活化lOmin，獲得比表面積>2500m2/g,微孔平均直徑1.85nm的超高比 表面積活性碳纖維球。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維復(fù)合球，其特征在于由硬質(zhì)碳纖維球和硬質(zhì)碳纖維球表面覆蓋的樹(shù)脂炭層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合球，其特征在于:所述硬質(zhì)碳纖維球直徑為.0.5-10mm,密度為0.1-0.7g/cm3 ;所述樹(shù)脂炭層厚度為0.01_2mm。
3.一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)纖維破碎混合:100份長(zhǎng)度3-10mm的短切碳纖維，添加0.1-20份樹(shù)脂粉末和0.1-10份長(zhǎng)度3-5mm有機(jī)纖維,破碎并混合,獲得纖維長(zhǎng)度小于3mm的破碎混合料； (2)滾圓造粒:100份所述的破碎混合料，添加3-20份濃度5-30%的液體粘結(jié)劑，滾圓包覆成球，篩分，獲得直徑0.5-10mm的碳纖維原料球； (3)二次滾圓造粒:將所述的100份碳纖維原料球，均勻噴灑5-50份濃度5-30%的熱固性樹(shù)脂，熱固性樹(shù)脂吸附完全后，再依此加入0.1-20份200目以下浙青粉和0.1-20份200目以下微細(xì)碳粉，滾圓并篩除多余粉末，獲得碳纖維二次加工原料球； (4)固化:將碳纖維二次加工原料球置于100°C_300°C空氣氣氛中固化2-10hr，獲得碳纖維固化球； (5)炭化:將碳纖維固化球置于600-1100°C氮?dú)鈿夥罩刑炕痩_180min，獲得碳纖維固化球； (6)石墨化:將碳纖維固化球置于1500-2200°C氬氣氣氛中石墨化l_60min，獲得碳纖維復(fù)合球。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(1)所述的樹(shù)脂粉末是200目以下丁腈橡膠粉末、酚醛樹(shù)脂粉末或浙青粉末的一種或多種混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(1)所述的有機(jī)纖維是預(yù)氧化纖維、聚乙烯醇纖維或粘膠纖維的一種或多種混合。有機(jī)纖維的加入對(duì)輔助成球、輔助粘結(jié)和控制密度具有非常好的效果，優(yōu)選聚乙烯醇纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述的液體粘結(jié)劑是酚醛樹(shù)脂乳液或溶液、環(huán)氧樹(shù)脂乳液或溶液、聚乙烯醇水溶液或聚丙烯酰胺水溶液的一種或多種混合液。優(yōu)選聚丙烯酰胺水溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述的液體粘結(jié)劑是聚丙烯酰胺水溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述的熱固性樹(shù)脂是環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、糠醛樹(shù)脂的一種或多種混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述的微細(xì)碳粉為炭黑、石墨粉、鱗片石墨、磨碎碳纖維、石墨烯、碳納米管中的一種或多種混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維復(fù)合球的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述的浙青粉軟化點(diǎn)高于200°C。
【文檔編號(hào)】C04B35/83GK103787686SQ201410037826
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】伍孝, 徐青, 羅松 申請(qǐng)人:四川創(chuàng)越炭材料有限公司