一種碳纖維保溫材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明公開一種碳纖維保溫材料的制備方法，屬于保溫材料技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 碳纖維由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫（1500°c)碳化、石 墨化而成的纖維狀碳化合物，其碳含量在90%以上。碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特 性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新 材料，它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼 的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，無 蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維 的密度低，X射線透過性好。碳纖維的這些特點(diǎn)已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。碳 纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得；按狀態(tài)分為長絲、 短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕、 模量為l〇〇GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa)和高模 型(模量300GPa以上)。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450GPa的稱為超 高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用 量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。
[0005]目前國內(nèi)碳纖維硬氈主要采用軟碳?xì)纸n模壓或軟碳?xì)纸n分層粘貼（石墨紙 和碳纖維間隔粘貼）的成型工藝。軟碳?xì)纸n模壓工藝存在的缺點(diǎn)是制品強(qiáng)度低，高溫使 用條件下制品易分層開裂，使用壽命短等，由于強(qiáng)度相對較低，拆卸安裝不夠方便；采用分 層粘貼成型方式制成的硬氈，雖然強(qiáng)度有所提高，但制品的導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫性能變差， 降低隔熱效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是：提高碳纖維保溫材料的強(qiáng)度以及保溫性能，主要是通過對碳纖 維和制備過程中的樹脂進(jìn)行改性而得到。
[0007] 技術(shù)方案： 一種碳纖維保溫材料的制備方法，包括如下步驟： 第1步、改性碳纖維的制備：按重量份計(jì)，在冰浴條件下，將二甲基亞砜20~30份滴加 到三氯化鋁15~30份中，滴加完畢后，加熱使三氯化鋁溶解，得到三氯化鋁溶液；再將聚乙 稀醇30~50份和碳纖維60~95份混合于二甲基亞砜300~450份中，混合均勾之后加 入到三氯化鋁溶液中，進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇和稀鹽酸的混合溶液對反應(yīng)體系中的 固相物進(jìn)行洗滌，然后將固相物在35~45°C下減壓干燥6~8h后，將其加入至倒錐形不銹 鋼流化床內(nèi)進(jìn)行噴霧，噴入硅烷偶聯(lián)劑5~10份，得到改性碳纖維； 第2步、改性環(huán)氧樹脂的制備：按重量份計(jì)，3-甲基苯鄰二酚5~8份、羥基丙二酸6~ 8份、間三氟甲基苯酚10~14份和4, 4' -二羥基聯(lián)苯14~20份與表氯醇80~130份、 堿金屬氫氧化物的水溶液混合均勻，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，蒸發(fā)除去溶劑，加入苯類或者 酮類溶劑，再加水洗滌后，除去水相，將有機(jī)相蒸發(fā)至干即得改性環(huán)氧樹脂； 第3步、將改性碳纖維、改性環(huán)氧樹脂、發(fā)泡劑5~8份、助發(fā)泡劑4~8份、卵磷脂3~ 6份，混合均勻，升溫使發(fā)泡，再在碳化爐中進(jìn)行加熱碳化，得到碳纖維保溫材料。
[0008] 所述的碳纖維選自瀝青基碳纖維、PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維中的一種。
[0009] 所述的第1步中，反應(yīng)時間10~20h。
[0010] 所述的甲醇和稀鹽酸的體積比是1 :3~6。
[0011] 所述的稀鹽酸的質(zhì)量濃度是8~12wt%。
[0012] 所述的硅烷偶聯(lián)劑是指KH-550、KH-560或者KH-570中的一種或者幾種的混合物。
[0013] 所述的第2步中，反應(yīng)時間1~10小時。
[0014] 所述的第2步中，反應(yīng)溫度50~150°C。
[0015] 所述的第2步中，堿金屬氫氧化物的使用量相對于4種單體中的總的羥基量1摩 爾在0. 8~1. 2摩爾。
[0016] 所述的第2步中，堿金屬氫氧化物的水溶液的質(zhì)量濃度是15~20wt%。
[0017] 所述的第2步中，堿金屬氫氧化物是氫氧化鈉或者氫氧化鉀。
[0018] 所述的發(fā)泡劑是N?N' -二亞硝基五次甲基四胺。
[0019] 所述的助發(fā)泡劑是硬脂酸。
[0020] 有益效果 本發(fā)明通過在碳纖維保溫材料的制備過程中引入發(fā)泡劑，使碳纖維與樹脂材料之間形 成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，碳化后制備得到的保溫材料具有良好的保溫性能和強(qiáng)度。
[0021]
【具體實(shí)施方式】
[0022] 實(shí)施例1 第1步、改性碳纖維的制備：在冰浴條件下，將二甲基亞砜20g滴加到三氯化鋁15g中， 滴加完畢后，加熱使三氯化鋁溶解，得到三氯化鋁溶液；再將聚乙烯醇30g和PAN基碳纖維 60g混合于二甲基亞砜300g中，混合均勻之后加入到三氯化鋁溶液中，進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時間 l〇h;反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇和稀鹽酸的混合溶液對反應(yīng)體系中的固相物進(jìn)行洗滌，所述的甲 醇和稀鹽酸的體積比是1 :3,鹽酸的質(zhì)量濃度是8wt%，然后將固相物在35°C下減壓干燥6h 后，將其加入至倒錐形不銹鋼流化床內(nèi)進(jìn)行噴霧，噴入KH-550硅烷偶聯(lián)劑5g，得到改性碳 纖維； 第2步、改性環(huán)氧樹脂的制備：將3-甲基苯鄰二酚5g、羥基丙二酸6g、間三氟甲基苯酚 10g和4, 4'-二羥基聯(lián)苯14g與表氯醇80g、堿金屬氫氧化物（氫氧化鈉）的水溶液混合均 勻，堿金屬氫氧化物的使用量相對于4種單體中的總的羥基量1摩爾在0. 8摩爾，堿金屬 氫氧化物的水溶液的質(zhì)量濃度是15wt%，加熱反應(yīng)，反應(yīng)時間1小時，反應(yīng)溫度50°C，反應(yīng)結(jié) 束后，蒸發(fā)除去溶劑，加入苯類或者酮類溶劑，再加水洗滌后，除去水相，將有機(jī)相蒸發(fā)至干 即得改性環(huán)氧樹脂； 第3步、將改性碳纖維、改性環(huán)氧樹脂、發(fā)泡劑N*N' -二亞硝基五次甲基四胺6g、助發(fā) 泡劑硬脂酸6g、卵磷脂6g，混合均勻，升溫使發(fā)泡，再在碳化爐中1600°C進(jìn)行加熱碳化，得 到碳纖維保溫材料。
[0023] 實(shí)施例2 第1步、改性碳纖維的制備：在冰浴條件下，將二甲基亞砜30g滴加到三氯化鋁30g中， 滴加完畢后，加熱使三氯化鋁溶解，得到三氯化鋁溶液；再將聚乙烯醇50g和PAN基碳纖維 95g混合于二甲基亞砜450g中，混合均勻之后加入到三氯化鋁溶液中，進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時間 20h;反應(yīng)結(jié)束后，用甲醇和稀鹽酸的混合溶液對反應(yīng)體系中的固相物進(jìn)行洗滌，所述的甲 醇和稀鹽酸的體積比是1 :6,鹽酸的質(zhì)量濃度是12wt%，然后將固相物在45°C下減壓干燥8h 后，將其加入至倒錐形不銹鋼流化床內(nèi)進(jìn)行噴霧，噴入KH-550硅烷偶聯(lián)劑10g，得到改性碳 纖維； 第2步、改性環(huán)氧樹脂的制備：將3-甲基苯鄰二酚8g、羥基丙二酸8g、間三氟甲基苯酚 14g和4, 4' -二羥基聯(lián)苯20g與表氯醇130g、堿金屬氫氧化物（氫氧化鈉）的水溶液混合 均勻，堿金屬氫氧化物的使用量相對于4種單體中的總的羥基量1摩爾在1. 2摩爾，堿金屬 氫氧化物的水溶液的質(zhì)量濃度是20wt%，加熱反應(yīng)，反應(yīng)時間10小時，反應(yīng)溫度100°C，反應(yīng) 結(jié)束后，蒸發(fā)除去溶劑，加入苯類或者酮類溶劑，再加水洗滌后，除去水相，將有機(jī)相蒸發(fā)至 干即得改性環(huán)氧樹脂； 第3步、將改性碳纖維、改性環(huán)氧樹脂、發(fā)泡劑N*N' -二亞硝基五次甲基四胺6g、助發(fā) 泡劑硬脂酸6g、卵磷脂6g，混合均勻，升溫使發(fā)泡，再在碳化爐中1600°C進(jìn)行加熱碳化，得 到碳纖維保溫材料。
[0024] 實(shí)施例3 第1步、改性碳纖維的制備：在冰浴條件下，將二甲基亞砜25g滴加到三氯化鋁20g中， 滴加完畢后，加熱使三氯化鋁溶解，得到三氯化鋁溶液；再將聚乙烯醇40g和PAN基碳纖維 75g混合于二甲基亞砜400g中，混合均勻之后加入到三氯化鋁溶液中，進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時間 15h;反