一種低密度碳纖維硬質(zhì)保溫氈的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及高溫真空設(shè)備隔熱保溫材料，具體涉及一種低密度碳纖維硬質(zhì)保 溫氈及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為需擁有很多高溫爐行業(yè)之一，光伏多晶硅鑄錠，由于設(shè)備折舊率高，受國外市 場低迷影響，產(chǎn)品利潤低，國內(nèi)各項成本增加。降低成本是光伏行業(yè)生存條件之一，作為消 耗部件之一的隔熱保溫材料，每年消耗巨大，其保溫隔熱性能的好壞直接影響企業(yè)的績效。
[0003] 目前市場高溫隔熱材料采用含雜軟氈相互復(fù)合，或采用混合攪拌注模成型的方 法。如CN101948327A、CN103568385A，其生產(chǎn)出的產(chǎn)品，縱向纖維含量太高，保溫效果并不太 理想。而且現(xiàn)有的碳纖維硬質(zhì)保溫氈采用將碳纖維混合在漿料中濕法真空抽濾成型，如中 國專利申請201310489217.9,采用濕法成型制得的保溫氈存在密度大、結(jié)構(gòu)緊實特點，而這 種特點決定了其保溫隔熱性能較差;且相同體積下，密度高需采用的材料也多，因此生產(chǎn)成 本相對較高。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 針對上述問題，本實用新型旨在提供一種成本更低、保溫隔熱效果更好的低密度 碳纖維硬質(zhì)保溫氈及其制備方法。
[0005] -種低密度碳纖維硬質(zhì)保溫氈的制備方法，步驟如下：
[0006] (1)以碳含量2 92 %的碳纖維為原料，將碳纖維短切成3-30mm，用梳理機(jī)梳理成毛 絲并制成網(wǎng)胎，網(wǎng)胎克重為20_400g/m2，厚度為0.2-200mm，密度為0.08-0.2g/cm 3，碳纖維排 布方向與網(wǎng)胎所在平面基本一致；
[0007] (2)使用針刺方法將2-40層網(wǎng)胎針刺復(fù)合成一個網(wǎng)胎單元，針刺的密度為2-50針/ cm2 ；
[0008] (3)采用霧氣噴涂方法對上述制得的網(wǎng)胎單元進(jìn)行單面或雙面噴膠，噴膠量為 0.8-1.2kg/m 2 ；
[0009] (4)將噴膠后的網(wǎng)胎單元與網(wǎng)胎單元或防護(hù)膜層疊；
[0010] (5)將熱壓機(jī)預(yù)熱到110-120°c后，立刻將層疊好的材料放置在熱壓機(jī)內(nèi)，加壓至 壓強(qiáng)3-5MPa，繼續(xù)升高熱壓機(jī)溫度到195°C，并保持此溫度下持續(xù)1-10小時后，讓熱壓機(jī)自 然降溫到100 °C以下，取出產(chǎn)品準(zhǔn)備碳化；
[0011] (6)將上步驟產(chǎn)品放置到碳化設(shè)備中，設(shè)定升溫曲線，用時3h升溫至300°C，此時通 入氬氣保護(hù)，用時20h升溫至700°C，再用時3.5h升溫至1050°C，1050°C下恒溫3-10小時，自 動降溫至60°C以下，將產(chǎn)品取出準(zhǔn)備高溫純化；
[0012] (7)將碳化后的產(chǎn)品置于高溫純化設(shè)備中，抽真空至10帕以下，設(shè)定升溫曲線，用 時5h升溫至1050°C，用時6h升溫至1600°C，用時6h升溫至2200°C，2200°C下恒溫3-10小時， 自動降溫至60°C以下，將其取出即得到碳纖維硬質(zhì)保溫氈初級產(chǎn)品；
[0013] (8)將上述初級產(chǎn)品機(jī)械加工成高溫爐所需產(chǎn)品。
[0014] 所述步驟(1)中的碳纖維原料，是黏膠、瀝青、聚丙烯晴、酚醛等為原料碳化而成的 碳纖維，其含碳量在92%以上，其長度短切后為3-30mm，用梳理機(jī)梳理成網(wǎng)胎可避免縱向絲 束影響其隔熱效果，也可使產(chǎn)品密度盡可能均勻。
[0015] 上述網(wǎng)胎經(jīng)步驟（2)針刺成網(wǎng)胎單元，針刺方向為縱向，網(wǎng)胎單元平鋪方向為橫 向，即針刺方向與網(wǎng)胎單元所在平面垂直。針刺工藝數(shù)量為單位面積刺針數(shù)，控制在2-50 針/cm 2,使網(wǎng)胎蓬松。必須按指定針數(shù)針刺，當(dāng)密度過低時會導(dǎo)致產(chǎn)品碳化、高溫過程中收 縮相對密度會增大，當(dāng)密度過高時其保溫效果會降低。本實用新型首次在網(wǎng)胎單元的制備 中采用低密度針刺的方法，可大大減少縱向纖維的數(shù)量，因此能顯著提升保溫性能。對該保 溫氈而言，不用針刺的保溫效果是最好的，但沒有針刺很難把密度做低，采用針刺才有可能 把密度做低，因此本實用新型采用了減少針刺密度的方式。
[0016] 步驟(3)中所述膠為低粘度粘合劑，選用酚醛樹脂、呋喃樹脂或雙馬樹脂中的一種 或多種，以便噴涂。
[0017] 步驟(3)中采用數(shù)控噴膠機(jī)進(jìn)行數(shù)控高壓單元雙面霧氣噴涂，噴膠機(jī)上設(shè)有備用 噴頭，噴頭具體的給進(jìn)速度與噴膠量根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格比例設(shè)定。用噴涂的方法代替常規(guī)浸漬 的方法，避免粘合劑充斥在碳纖維縫隙中，使得成品密度更適合保溫功能，保溫性能更佳。 現(xiàn)有技術(shù)中對碳纖維網(wǎng)胎單元之間的復(fù)合成氈除采用浸漬粘合方式外，還有采用高密度穿 透針刺方法的，如CN 103568385A。本實用新型在本步驟中未采用針刺，而是采用噴膠層疊 復(fù)合，避免了穿透針刺造成縱向纖維導(dǎo)熱散熱而使熱量沿著針刺方向?qū)С龅娜毕荨?br>[0018] 步驟(4)中防護(hù)膜包括12k、6k碳纖維布或0.5-2mm石墨紙，網(wǎng)胎單元與這些材料復(fù) 合后可在非常環(huán)境下使用，具有以下作用：其一、隔離作用，避免爐體生產(chǎn)所需氣體或產(chǎn)生 氣體進(jìn)入保溫材料內(nèi)，導(dǎo)致相互污染;其二、增加強(qiáng)度、提高產(chǎn)品抗氣流沖擊性能、提高保溫 板使用壽命;其三、便于清潔。
[0019]步驟(4)中層疊的方式包括網(wǎng)胎單元與網(wǎng)胎單元層疊，層數(shù)為2-40層；網(wǎng)胎單元與 同種或不同種的防護(hù)膜層疊，網(wǎng)胎單元與防護(hù)膜的層數(shù)均為至少1層。
[0020] 步驟(8)中的機(jī)械加工包括切方、圓、開孔、洗薄等方式。
[0021] 由上述方法制備而成的低密度碳纖維硬質(zhì)保溫氈，包括若干網(wǎng)胎單元層，網(wǎng)胎單 元層之間粘合在一起;所述網(wǎng)胎單元層包括若干網(wǎng)胎層，網(wǎng)胎層之間通過針刺連接在一起。 [0022]所述網(wǎng)胎層由3-30mm碳纖維梳理而成，碳纖維方向與網(wǎng)胎層所在平面基本一致。 所述"基本一致"是由于碳纖維非常多，而且其柔性大，而且由于網(wǎng)胎層會有一定厚度，梳理 時不可能保證每一根碳纖維都與網(wǎng)胎層所在平面完全一致，某一些碳纖維可能會與該平面 具有一定夾角；再者，在針刺的過程中，一些碳纖維不可避免的會隨著針的走向而變成縱 向，但總體上絕大多數(shù)碳纖維與網(wǎng)胎層所在平面是一致的，盡量避免存在與該平面垂直的 碳纖維。另外，隨著針的走向而變成縱向的碳纖維在網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)中起到一定的支撐作用，維持 其蓬松結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)保溫效果。
[0023] 所述網(wǎng)胎單元層還可以與防護(hù)膜層粘合在一起，防護(hù)膜層數(shù)量至少為1層。
[0024] 所述網(wǎng)胎單元層與防護(hù)膜層的粘合排列方式可以是一層對一層地間隔排布，也可 以是一層對多層地間隔排布，也可以是多層對一層地間隔排布，也可以是上述三種間隔排 布方式的隨機(jī)組合。
[0025] 本實用新型在本公司從事多年高溫隔熱材料制作中，根據(jù)碳纖維的導(dǎo)熱性和密度 的關(guān)聯(lián)性，以及碳纖維在直徑方向上和纖維軸向的導(dǎo)熱承差異。經(jīng)過多次試驗制作出上述 低密度碳纖維硬質(zhì)保溫氈，具有以下優(yōu)勢：（1)材質(zhì)密度低于〇. 〇7g/cm3，保溫氈密度低于 0.16g/cm3,低于市場上一般保溫氈的密度，因此保溫性能更好，設(shè)備能量損耗下降；（2)對 比現(xiàn)有產(chǎn)品單從密度上來講，用相同體積的產(chǎn)品，所用材料重量小，因此成本降低了；（3)保 溫氈中縱向纖維含量極少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有產(chǎn)品中的含量，由于碳纖維在直徑方向上和纖維 軸向的導(dǎo)熱承不同，因此相比于縱向纖維含量高的現(xiàn)有產(chǎn)品，保溫性能大大提高；（4)采用 多網(wǎng)胎單元粘合成氈，可以分層阻擋穿透防止導(dǎo)熱；（5)使用環(huán)境廣，適用于各種真空氣氛 燒結(jié)爐、淬火爐以及晶體生長爐（如單晶生長爐）、多晶鑄錠爐、碳化硅、氮化鎵等相關(guān)的其 它高溫設(shè)備；（6)產(chǎn)品的碳化量純度高，因此更加耐燒蝕、抗氣流沖刷；（7)相比于濕法成型， 本發(fā)明的制備工藝更加簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理；（8)由于省去了烘干等步驟，本發(fā)明的生 產(chǎn)周期更短，可節(jié)省約三分之一的時間；（9)本發(fā)明制備的保溫氈，保溫隔熱效果優(yōu)于現(xiàn)有 市場保溫材料，以對900°C的隔熱目標(biāo)來說，本發(fā)明保溫氈比市場上保溫氈的隔熱能力可提 高 10-45。。。
【附圖說明】
[0026] 圖1實施例1制得的保溫氈的縱切面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2實施例2制得的保溫氈的縱切面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3實施例3制得的保溫氈的縱切面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖中，卜石墨層;2-噴膠層;3-網(wǎng)胎單元;4-縱向碳纖維;5-碳纖維布層。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合具體實施例及附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0031] 實施例1
[0032] -種低密度碳纖維硬質(zhì)保溫氈的制備方法，步驟如下：
[0033] (1)以碳含量2 92%的聚丙烯晴基碳纖維為原料，將碳纖維短切成3-30mm，用梳理 機(jī)梳理成毛絲并制成網(wǎng)胎，網(wǎng)胎克重為50g/m2，厚度為4mm，密度為0.06g/cm3，碳纖維排布方 向與網(wǎng)胎所在平面基本一致；
[0034] (2)使用針刺方法將8層網(wǎng)胎針刺復(fù)合成一個網(wǎng)胎單元，針刺的密度為3-30針/ cm 2;針刺方向為縱向，網(wǎng)胎單元平鋪方向為橫向，即針刺方向與網(wǎng)胎單元所在平