一种抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法技术

一种抗氧化碳纤维隔热毡是以短切碳纤维为基体，碳纤维基体经过表面羟基化、乙烯基化、氯硅烷化、接枝聚硅烷、针刺成毡、高温烧结等步骤制得抗氧化碳纤维隔热毡。一种抗氧化碳纤维隔热毡是在碳纤维表面包覆一层碳化硅涂层，碳化硅涂层与碳纤维基体之间通过化学键进行结合，结合紧密，不易脱落，使用持久，提高碳纤维隔热材料的抗氧化性能。抗氧化隔热毡材料的使用寿命可以从1年提高到2年以上，且不容易脱落，不影响使用性能，不影响最终产品的纯净度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳纤维隔热材料
，具体涉及一种抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法，是直接用在真空及惰性气体保护的高温炉内，能在1000-2500℃的温度下稳定使用，尤其高于1500℃使用温度要求的高温炉中必不可少的隔热材料。本专利技术属于高温节能领域。
技术介绍
碳纤维隔热毡材料是耐高温碳碳复合隔热材料必不可少的原材料，同时其本身也是耐高温隔热保温材料，以其耐高温、加工性好等特点，被广泛应用于航空航天、通讯光纤、新能源、高性能陶瓷制造、晶体生长领域，而随着新能源光伏产业的发展，当前多晶铸锭炉及单晶炉热场的隔热材料又广受关注而成为一个热点。碳碳复合隔热材料和碳纤维隔热材料现阶段应用比较多的领域是多晶硅炉领域以及单晶硅炉领域。高温炉在使用的过程中为了提高其应用效率，经常在400℃甚至更高的温度开炉，开炉后空气进入，非常容易造成隔热材料的氧化，最终导致保温材料的使用寿命降低，有时半年就会更换一次，增加了成本同时也会影响生产效率。同时碳纤维隔热材料在高温使用的环境中，常常受到硅蒸气的冲刷和冲击，很容易受到侵蚀而造成穿孔现象，对安全生产造成威胁。因此碳碳复合隔热材料的抗氧化性能以及抗蒸气冲刷性能成为碳碳复合隔热材料的一个非常重要的性能指标。现阶段虽然可以通过在隔热材料表面添加碳布或者石墨纸的方法可以暂时解决气体氧化和冲刷的问题，但是碳布或石墨纸同样会受到氧化的影响，另外碳布或者石墨纸受到破坏后，蒸气进入内部同样会加速隔热材料的氧化和冲刷破坏。通过在碳碳复合隔热材料表面涂覆一层耐高温抗氧化涂层是比较有效的方法，但是现阶段这方面的研究还比较少；并且并不是每一种耐高温涂层都适合在晶硅炉中使用，因为耐高温涂层有时候会溢出进入硅晶材料中，进而影响硅晶材料的发电效率。现阶段在碳碳复合隔热材料表面涂覆一层碳化硅材料是改善其抗氧化性能非常有效的方法，但是这种方法并不能保证每一根碳纤维都能被碳化硅材料所包覆，因此制备一种能够完全包覆碳纤维材料的碳化硅涂层成为一个非常重要的研究领域。通过涂覆的方法可以在碳纤维表面形成一层保护膜，但是由于碳纤维和碳化硅涂层之间没有化学键进行连接，即碳化硅涂层因为结合不牢而发生脱落，脱落物掉入产品中会影响产品的纯度从而影响产品的性能和合格率。因碳化硅3.2 g/cm3的比重及高的升华温度（约2700℃），碳化硅很适合作为高温炉原料。但是在任何已能达到的压力下，碳化硅都不会熔化，且具有相当低的化学活性。因此用碳化硅粉进行包覆碳纤维的方法非常难实现。本文使用在碳纤维表面接枝、聚合聚碳硅烷然后高温烧结的方法使碳纤维表面形成一层碳化硅保护涂层，并且碳化硅和碳纤维本体之间通过化学键进行结合，结合紧密，不易脱落，使用持久，从而提供一种碳纤维的表面抗氧化处理方法，进而提供一种抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够完全包覆碳纤维的碳化硅涂层，该碳化硅涂层与碳纤维基体之间通过化学键进行结合，结合紧密，不易脱落，使用持久，提高碳纤维隔热材料的抗氧化性能，即提供一种抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法。一种抗氧化碳纤维隔热毡是以短切碳纤维为基体，碳纤维基体经过表面羟基化、乙烯基化、氯硅烷化、接枝聚硅烷、针刺成毡、高温烧结等步骤制得抗氧化碳纤维隔热毡。一种抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法，抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法具体包括如下步骤：(1) 碳纤维的羟基化：选择T300碳纤维作为基体碳纤维，将短切碳纤维丝束浸入双氧水中，在100 ℃下回流处理8小时，得到表面羟基化的碳纤维，其中短切碳纤维丝束的长度为50mm-150mm，丝束k数为12 k-48 k；(2) 碳纤维的乙烯基化：将羟基化的碳纤维放入乙烯基硅烷偶联剂乙醇溶液中回流2小时得到乙烯基化的碳纤维，其中乙烯基硅烷偶联剂乙醇溶液中乙烯基硅烷偶联剂的浓度为5%-20%，乙烯基硅氧烷选择乙烯基三乙氧基硅烷 A-151；(3) 碳纤维的氯硅烷化：将甲基乙烯基氯硅烷CH2=CH-Si(CH3)Cl2放入二甲苯溶剂中，浓度为5-20%；然后将乙烯基碳纤维放入混合溶液中，乙烯基碳纤维的质量与溶液中的质量比为1：1；将上述三者的的混合液放入聚乙烯塑封袋中，冲氮气5分钟赶除溶液中的氧气，塑封，放于电子加速器下传动辐照，同时用风扇进行冷却，辐照剂量为5-30kGy，电子束能量为2MeV，10mA，辐照过程中碳纤维中的乙烯基与甲基乙烯基氯硅烷中的乙烯基进行交联反应，即可得到氯硅烷化的碳纤维；辐照后的样品经过滤，二甲苯洗涤，过滤，干燥即可得到氯硅烷化的碳纤维；(4) 碳纤维接枝聚硅烷：将甲基乙烯基氯硅烷CH2=CH-Si(CH3)Cl2放入二甲苯溶剂中，浓度为5%-20%；然后将(3)中获得的氯硅烷化的碳纤维放入混合溶液中，氯硅烷化的碳纤维的质量与溶液的质量比为1：1；然后加入金属钠，在100-110 ℃反应，金属钠过量，直至金属钠不再反应为止；反应过程中氯硅烷化的碳纤维中的氯硅烷接枝物将与甲基乙烯基氯硅烷进行聚合反应，氯被脱除；(5) 碳纤维针刺成毡：将上述(4)步骤中得到的碳纤维接枝聚硅烷产物在针刺成毡机上进行针刺成毡，其中针刺密度为1/50-1/250，即其纤维配向各向异性X-Y平面与Z向纤维份数比为50-250：1，针刺毡的厚度为10 mm±1mm，针刺毡的面密度为400 g/m2-900 g/m2；(6) 高温烧结：将上述（5）步骤中得到的针刺毡在高温炉中进行烧结，碳纤维表面接枝的聚碳硅烷接枝物变为碳化硅材料包覆在碳纤维表面形成一层抗氧化保护层：在10-1000Pa压力下，以每小时升温40-70℃到400℃，然后每小时升温20-40℃到700℃，700℃保温2-3小时，然后每小时升温20-40℃到1000℃，保温1-2小时，每小时升温20-40℃到1200℃，保温1-2小时，自然降温到室温后出炉。 上述步骤（1）中的前驱体材料选择聚丙烯腈基碳纤维作为短切碳纤维基体，型号为T300型，短切纤维长度范围为50mm-150mm，尽量选择大丝束碳纤维，如丝束k数为12 k-48 k。上述步骤（2）中的偶联剂选择乙烯基硅烷偶联剂，引入的乙烯基基团有利于和乙烯基的官能团如下一步乙烯基氯硅烷进行辐照接枝反应，引入的乙烯基硅烷可以为乙烯基三乙氧基硅烷A-151，反应溶液选为5%-20%的乙醇溶液，比理论使用量高。上述步骤（3）中的氯硅烷选择乙烯基氯硅烷，乙烯基可以和步骤（2）中的乙烯基进行接枝反应，本专利技术选择甲基乙烯基氯硅烷作为接枝物；将甲基乙烯基氯硅烷CH2=CH-Si(CH3)Cl2放入二甲苯溶剂中，浓度为5-20%；然后将乙烯基碳纤维放入混合溶液中，乙烯基碳纤维的质量与溶液的质量比为1：1；将上述三者的的混合液放入聚乙烯塑封袋中，冲氮气5分钟赶除溶液中的氧气，彻底除去氧气对于接枝反应的干扰；另外辐照样品一定要放在聚乙烯塑封袋中，防止辐照过程中氧气的渗入，同时传动辐照保证及时散热，辐照剂量也要控制好，辐照剂量选为5-30kGy，控制辐照接枝程度。上述步骤（4）中的氯硅烷同样选择含有乙烯基的甲基乙烯基氯硅烷CH2=CH-Si(CH3)Cl2放入二甲苯溶剂中，浓度为5%-20%；然后将(3)中获得的氯硅烷化的碳纤维放入混合溶液中，氯硅烷化的碳纤维的质量与溶液的质量比为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗氧化碳纤维隔热毡是以短切碳纤维为基体，碳纤维基体经过表面羟基化、乙烯基化、氯硅烷化、接枝聚硅烷、针刺成毡、高温烧结等步骤制得抗氧化碳纤维隔热毡。

【技术特征摘要】
1.一种抗氧化碳纤维隔热毡是以短切碳纤维为基体，碳纤维基体经过表面羟基化、乙烯基化、氯硅烷化、接枝聚硅烷、针刺成毡、高温烧结等步骤制得抗氧化碳纤维隔热毡。2.一种抗氧化碳纤维隔热毡是在碳纤维表面包覆一层碳化硅涂层， 碳化硅涂层与碳纤维基体之间通过化学键进行结合， 结合紧密，不易脱落，使用持久，提高碳纤维隔热材料的抗氧化性能; 所述的抗氧化碳纤维隔热毡包括X向碳纤维001、Y向碳纤维002、Z向碳纤维003，其中每根碳纤维均被碳化硅所包覆，碳纤维结构包括碳纤维基体004、碳化硅包覆层005。3.一种抗氧化碳纤维隔热毡其纤维配向各向异性X-Y平面与Z向纤维份数比为50-250：1，针刺毡的厚度控制在10 mm±1mm，针刺毡的面密度为400 g/m2-900 g/m2。4.一种抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法，抗氧化碳纤维隔热毡的制备方法具体包括如下步骤：(1) 碳纤维的羟基化：选择T300碳纤维作为基体碳纤维，将短切碳纤维丝束浸入双氧水中，在100 ℃下回流处理8小时，得到表面羟基化的碳纤维，其中短切碳纤维丝束的长度为50mm-150mm，丝束k数为12 k-48 k；(2) 碳纤维的乙烯基化：将羟基化的碳纤维放入乙烯基硅烷偶联剂乙醇溶液中回流2小时得到乙烯基化的碳纤维，其中乙烯基硅烷偶联剂乙醇溶液中乙烯基硅烷偶联剂的浓度为5%-20%，乙烯基硅氧烷选择乙烯基三乙氧基硅烷 A-151；(3) 碳纤维的氯硅烷化：将甲基乙烯基氯硅烷CH2=CH-Si(CH3)Cl2放入二甲苯溶剂中，浓度为5-20%；然后将乙烯基碳纤维放入混合溶液中，乙烯基碳纤维的质量与溶液的质量比为1：1；将上述三者的的混合液放入聚乙烯塑封袋中，冲氮气5分钟赶除溶液的氧气，塑封，放于电子加速器下传动辐照，同时用风扇进行冷却，辐照剂量为5-30kGy，电子束能量为2MeV，10mA，辐照过程中碳纤维中的乙烯基与甲基乙烯基氯硅烷中的乙烯基进行交联反应，即可得到氯硅烷化的碳纤维；辐照后的样品经过滤，二甲苯洗涤，过滤，干燥即可得到氯硅烷化的碳纤维；(4) 碳纤维接枝聚硅烷：将甲基乙烯基氯硅烷CH2=CH-Si(CH3)Cl2放入二甲苯溶剂中，浓度为5%-20%；然后将(3)中获得的氯硅烷化的碳纤维放入混合溶液中，氯硅烷化的碳纤维的质量与溶液的质量比为1：1；然后加入金属钠，在100-110 ℃反应，金属钠过量，直至金属钠不再反应为止；反应过程中氯硅烷化的碳纤维中的氯硅烷接枝物将与甲基乙烯基氯硅烷进行聚合反应，氯被脱除；(5) 碳纤维针刺成毡：将上述(4)步骤中得到的碳纤维接枝聚硅烷产物在针刺成毡机上进行针刺成毡，其中针刺密度为1/50-1/250，即其纤维配向各向异性X-Y平面与Z向纤维份数比为50-250：1，针刺毡的厚度为10 mm±1mm，针刺毡的面密度为400 g/m2-900 g/m2；(6) 高温烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐波，吴新锋，彭熙瑜，
申请(专利权)人：朗铂新材料科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31