高導(dǎo)熱高耐熱碳纖維發(fā)熱布的制作方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明利用碳纖維高導(dǎo)熱高耐熱性能，研制了一種高導(dǎo)熱碳纖維發(fā)熱布及用途。
[0002]【背景技術(shù)】:
碳纖維是世界上公認的高科技、納米技術(shù)，碳纖維供暖是節(jié)能、環(huán)保和減排的好產(chǎn)品；眾所周知，人類傳統(tǒng)的資源(燃煤、燃油)越來越少，按照現(xiàn)在的開采速度，只能維持幾十年。而且開采費用越來越高，而隨著人類社會文明的進步，人類需要的能源將越來越多，環(huán)境污染也越來越嚴重。為了解決人類與資源、環(huán)境之間的矛盾，節(jié)能減排將是未來科技發(fā)展的重中之重。
[0003]國外發(fā)達國家的碳纖維大部分應(yīng)用在軍事工業(yè)上，而把碳纖維應(yīng)用到民用取暖或人體的保健上很少。
[0004]利用碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱的特性，設(shè)計開發(fā)的發(fā)熱布，具有廣闊的市場前景。碳纖維通電后迅速產(chǎn)生不可見的遠紅外光，遠紅外對人體的作用有益無害，世界上所有的生命離不開遠紅外的輻射。根據(jù)不同的使用要求，通過合理配置碳纖維長絲和銅絲的數(shù)量，可設(shè)計出不同電壓不同功率的發(fā)熱織物，可用于人體的保暖、保健，作為寒冷地區(qū)房屋內(nèi)壁的熱源，大型槽、罐和釜的保溫恒溫材料，發(fā)酵或釀造的保溫恒溫?zé)嵩?，溫室、育苗室、大棚室和家禽喂養(yǎng)室的熱源，用于公路、機場跑道的化雪除冰、船艙甲板的防凍保溫、寒冷地區(qū)雷達等通信設(shè)備的防凍防霜等。
[0005]目前使用的高導(dǎo)熱碳纖維前驅(qū)體主要是中間相浙青纖維，但該種纖維的強度極低(僅幾MPa)，非常脆，造成其連續(xù)化生產(chǎn)過程極為繁瑣，成本非常高，至今國內(nèi)仍無一家單位可以生產(chǎn)。因此尋找一條異于以前的研發(fā)路線制備高導(dǎo)熱碳纖維具有非常重要的意義。
[0006]研究人員在制備高定向石墨的過程中發(fā)現(xiàn)，具有高取向度的聚酰亞胺(PI)高分子膜，在惰性氣氛中經(jīng)加壓碳化、石墨化可制備聞結(jié)晶度和聞取向度的石墨膜。日本科學(xué)家Murakami等采用高度去想的PI薄膜為原料，經(jīng)過裁切、層疊、壓制、碳化、石墨化制得了熱導(dǎo)率高達1800W m 1 K 1的塊體材料。在這些研究中，為抑制PI分子鏈在熱處理時斷裂而導(dǎo)致的大量含碳小分子物質(zhì)的逸出，減少薄膜中的缺陷，需要施加極高的壓力和非常緩慢的升溫速率，制備條件苛刻。該方法難以制備大塊樣品并批量生產(chǎn)，其應(yīng)用收到了較大限制。如果將聚酰亞胺紡成纖維，在對纖維進行熱處理制備高導(dǎo)熱碳纖維，將極大地擴展他的應(yīng)用范圍，將具有廣闊的前景。而PI纖維作為高聚物纖維，其斷裂伸長通常高于10%，強度大于lOOMPa，極易實現(xiàn)高導(dǎo)熱碳纖維的連續(xù)化生產(chǎn)。
[0007]PI纖維在制備過程中由于紡絲成型過程中受到較大牽伸，其高分子鏈大多沿纖維軸擇優(yōu)取向。因此，PI分子鏈在纖維中的取向與薄膜相比，沿纖維軸向取向度更高，排列更規(guī)整，同時由于主鏈上含有較多的芳香環(huán)，PI分子類似于一根剛性的長帶，芳香環(huán)大多分布在長帶的寬面上。這種芳香環(huán)的排列方式非常類似中間相浙青纖維，而PI得分子量遠較中間相浙青纖維高，其沿纖維軸向高度擇優(yōu)取向的分子鏈也遠長于中間相浙青纖維。這種分子結(jié)構(gòu)將可能生成尺寸更大，缺陷更少的石墨晶格。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】
: 本發(fā)明主要研究了一種新型聚酰亞胺基碳纖維的制備方法以及用該纖維進行紡織制備碳纖維發(fā)熱布并介紹了它的一些用途。
[0009]本發(fā)明主要參考PAN基碳纖維和高導(dǎo)熱MP基碳纖維的制備方法來制備聚酰亞胺基碳纖維，其特征在于，包括以下步驟:首先進行氣相或液相穩(wěn)定化處理，使其聚酰亞胺基碳纖維高分子鏈交聯(lián)固化；然后將穩(wěn)定化纖維在氮氣氣氛中進行低溫約束條件下的碳化，最后進彳丁聞溫石墨化處理。
[0010]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
1.高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維的制備
(1) 一步法紡制聚酰亞胺纖維
二酐和二胺兩種單體在高沸點溶劑(如酚類)中加熱至150-250°C而獲得聚酰亞胺。以聚酰亞胺溶液為紡絲漿液，濕法或干濕法紡制聚酰亞胺纖維，纖維經(jīng)初步拉伸后，去除溶劑后，進行熱拉伸處理(300-50(TC )，可得到聚酰亞胺纖維。
[0011](2)氣相穩(wěn)定化或液相穩(wěn)定化處理過程
牽伸比為5-15%，空氣氣氛或氧氣氣氛，以3-10°C /min的速度由室溫升至300_450°C，然后又以1_2°C /min的升溫速度升至450_550°C，停留60min。(上述兩段溫度不同時為450。。)
液相氧化介質(zhì)為沸騰條件下的濃硝酸(質(zhì)量濃度68%)，處理時間為10-25min，處理后的聚酰亞胺纖維用蒸餾水洗凈并干燥。
[0012](3)低溫碳化和高溫石墨化過程
牽伸比為0-6%，高純氮氣氣氛，壓力0.l-6MPa，以5_10°C /min的升溫速度升至1000-1200°C，保溫時間為 60min。
[0013]高純氬氣氣氛，溫度為2400-3200°C，保溫時間60min。
[0014](4)加捻
將制備好的纖維以一定數(shù)量的根數(shù)加捻成粗度適合的碳纖維繩。
[0015]2.高導(dǎo)熱高耐熱聚酰亞胺纖維導(dǎo)線的制備和發(fā)熱布的編織
(1)高導(dǎo)熱高耐熱碳纖維
聚酯薄膜2、云母紙3依次用耐熱膠粘劑連接制得云母帶層，云母帶層之間的各層結(jié)構(gòu)連接穩(wěn)定，不會散開，最大限度的發(fā)揮其耐高溫的作用。高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維外層表面上包覆1-3層云母帶層，云母帶層縱向包覆在高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維外側(cè)。
[0016]云母帶層與高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維之間通過膠粘層連接，通過膠粘層固定緊密連接，防止在使用耐高溫聚酰亞胺纖維導(dǎo)線的時候發(fā)生高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維與云母帶層之間產(chǎn)生移動，影響使用性能。
[0017](2)編織
滌綸低彈絲首先進行加濕處理，相對濕度保持在70%以上，設(shè)置GA747劍桿織機的參數(shù):開口時間285° ±2°，后梁高度9cm，劍桿進梭口時間80° ±2°，劍桿出梭口280° ±2°，織機轉(zhuǎn)速180r/min，緯密牙23齒，由滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將上述制備的耐高溫聚酰亞胺纖維導(dǎo)線和金屬導(dǎo)線通過GA747劍桿織機編織成高導(dǎo)熱高耐熱發(fā)熱布。耐高溫聚酰亞胺纖維導(dǎo)線以一定的間隔嵌織在織物的緯向，銅單絲沿徑向分布在導(dǎo)電發(fā)熱布的兩邊，使用二維平紋編織技術(shù)編織的發(fā)熱布結(jié)構(gòu)緊密，網(wǎng)眼均勻，具有抗腐蝕性好和結(jié)實耐用等優(yōu)點。
[0018]3.本發(fā)明的優(yōu)點與其他碳纖維前驅(qū)體如聚丙烯腈或粘膠纖維相比，聚酰亞胺纖維的高分子鏈上的芳香環(huán)基本在同一平面內(nèi)，因此更易變?yōu)槭⒕Ц蟆⒗w維軸向取向度更高的高導(dǎo)熱碳纖維。