湿法制备炭纤维硬质保温毡工艺研究

沥青基碳材料

本文来源：中国化工贸易

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作者：罗松

期刊：中国化工贸易

0摘要

用湿法制备炭纤维硬质保温毡的方法是采用长度 10mm 以下炭纤维、分散剂、粘结剂、树脂粉末、抗烧蚀填料等按一定比例充分分散在水中，然后浇注在模具中，抽滤、模压、加热预固化成型，制成预成型炭毡，将预成型炭毡浸入含有发泡剂和树脂的溶液中，充分浸润，抽滤多余树脂，加热二次发泡固化。最后在进行炭化、石墨化、表面处理等其他处理。本方法所得炭纤维硬质保温毡纤维排列可设计，且工艺简单、操作方便、对环境影响较小。

炭纤维硬质保温毡是一种用特殊工艺制成的碳 / 碳（C/C）复合材料，是一种新型高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和低密度等优异特性。本文采用湿法成型工艺制备低密度、高隔热效率的炭纤维硬质保温毡，纤维排列与密度可设计，原料适用范围广，因而成本低，产品性能可设计性极强，广泛的适用于应用于合金烧结炉、单晶硅炉、真空冶炼炉、真空热处理炉、气相沉积炉等炉中的需要。另外还探讨了制备过程中对炭纤维硬质保温毡性能影响因素和密度的控制关键点。

1实验部分

1.1 原料

炭纤维：炭化温度分别为 750℃、950℃、1200℃的沥青炭纤维（四川创越炭材料有限公司）、聚丙烯腈炭纤维（中科院山西煤炭化学研究所）。

分散剂：甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素（市售）。

粘结剂：聚乙烯酰胺、可溶性淀粉、蔗糖、聚乙烯醇配置成适当比例的水溶液（自制）。

抗烧蚀填料：焦粉（灵寿县城恒矿物粉体厂）。

浸渍剂：酚醛树脂含量分别为 5%、8%、10% 的酚醛树脂溶液（市售）。

固化树脂：200 目以下的热固性酚醛树脂（市售）。

1.2 样品制备

①短切炭纤维、分散剂、成毡粘结剂、树脂粉末、抗烧蚀填料按质量分数比 10：0.05：0.1：1：1 和适量的水充分搅拌混合；

②将均匀分散混合料，浇注在专用模具中，抽滤、模压、并加热至 100—150℃预固化成型，脱模，获得预成型毡；

③将预成型毡，在固含量分别为 5%、8%、10% 的水溶性酚醛树脂溶液中浸渍 30min，然后真空抽滤多余的树脂，晾干，250℃二次加热加压固化。

④将浸渍固化炭毡在真空或惰性气氛下炭化，炭化温度为 950℃，进一步进行机械加工处理，或并进行表面处理，制得炭纤维硬质保温毡。

2结果与分析

2.1 碳纤维的分散性

在湿法制备炭纤维硬质保温毡的过程中，纤维分散均匀性对保温毡的性能有较大的影响。由于，炭纤维在水中易絮聚成团，自身无结合能力，从而影响成毡的均匀性和强度。

2.1.1 纤维类型对分散性的影响

炭纤维的结构形态直接影响炭纤维本身的物理性能和机械性能，炭纤维的表面结构和性能又同分散性息息相关。目前，炭纤维按其类型可分为聚丙烯腈炭纤维、粘胶基炭纤维、沥青基炭纤维，尽管这些炭纤维的结构都是原来有机物转化而成的过度碳，其含碳量一般为 90% 以上，其形态结构随原丝和热处理条件不同而不同，这样造成了其在同一条件下分散效果也有差异。有文献指出，炭纤维表面的碳很容易同空气中的氧和水分发生反应，而形成羧基和羰基等极性基团，而这些极性基团所含的数量与分散性能也有很大的关系。

2.1.2 纤维长度对分散性的影响

湿法成毡过程中，炭纤维难以分散，这直接影响到炭纤维硬质保温毡的密度及强度。因此，我们在应用湿法成毡中需要将炭纤维切成 1—10mm，为避免炭纤维重新絮聚及提高炭纤维间的结合力。纤维长度越长，纤维之间分散开的能量就越大，而且，由于细长纤维极易弯曲，相互缠结，造成分散困难。

2.1.3 分散剂对分散性的影响

在实验中，聚丙烯酰胺、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素在一定温度和浓度情况下对炭纤维均有良好的分散效果，经过放大实验对比发现，单一分散剂在面对大量相对复杂的纤维时（直径不一、长度不等、纤维本身成团），单一分散剂都有各自的局限性。本文采用复合分散剂可以有效避免分散不均、分层以及气泡问题。

2.3 浸渍液密度和固化压力对成品毡密度的影响

2.3.1 浸渍液对密度的影响

本实验配置了稀释质量分数为 5%、8%、10% 的酚醛树脂溶液作为浸渍液，对相同尺寸的 A（密度为 0.21g/cm3）和 B（0.23g/cm3）预成型毡体分别进行浸渍，研究浸渍液浓度对样品毡体类型对密度的影响，结果如下图：

由图表中看出对同一类型的预成型毡体，由不同浓度的浸渍液浸渍，浸渍液浓度越大，样品在固化、炭化后的密度就越大。这是因为预成型毡体有很大的开孔率，随着浸渍液浓度增大，毡体吸收的树脂增多。使用相同浓度的浸渍液进行浸渍时，A 预成型毡在固化、炭化后的密度均比 B 预成型毡体的要低，这主要是由于 A 预成型毡体的初始密度比 B 预成型毡低。在浸渍液浓度为 5% 时，所制备的炭纤维硬质保温毡的密度最低。

2.3.2 固化压力对密度的影响

为了使粘结剂发挥较佳的效果，在固化时需要施加一定的压力。采用 A 预成型毡为预制体，聚乙烯醇为粘结剂，浸渍液浓度为 5% 的酚醛树脂溶液，研究不同固化压力下样品密度的变化。如下图：

由图可以看出，随着固化时所加压力增加，样品密度变大。这主要是由于样品本身质地较软，在固化时随着所加压力增大，样品会被一定程度压缩而导致厚度减小，也相应地使样品的体积变小，因而更加致密。因此，我们在制备炭纤维硬质保温毡二次固化时，适当加入了一定的发泡剂，这样也相应的降低了炭纤维保温毡密度，增加了内部空隙，极大地降低了产品中的大孔数量和提高了闭孔率，使产品导热系数降低。

3结论

①将短切炭纤维、分散剂、粘结剂等在水溶液中充分分散，用湿法成型工艺能够制备出一种密度可设计、低导热率的炭纤维硬质保温毡。

②炭纤维在水溶液分散的均匀性直接影响炭纤维硬质保温毡的性能和密度。

③炭纤维硬质保温毡在制备过程中，浸渍液用酚醛树脂溶液密度越大，炭化后的硬质保温毡的密度就越大，因为在固定的空隙中，吸收的树脂增多，炭化后，残碳量增加，增加了硬质保温毡的质量。

④炭化后的炭纤维硬质保温毡成型毡体，体积有一定的收缩，成毡的时候若采用低温炭化原丝，收缩率最大。采用高温炭化原丝，收缩率相对较小。这是由于炭化原丝中非碳原子被不断地脱除，碳原子之间连接更加紧密，形成乱层结构。