CN101386778A - 一种碳纤维编织填料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编织填料的制备方法，尤其是涉及一种碳纤维编织填料的制备方法。其主要是解决现有技术所存在的抗拉强度做不高，使用中易冲刷，寿命很短，需要频繁更换，致使设备经常停机待检，影响生产正常运行的问题；本发明还解决了一些强度比较好的材料本身不具有导电、导热性能，在高压、高温、高速的工况下使用时，会产生过热、烧损，就很容易产生介质泄漏，常常造成了工艺停车，给生产经济都带来了很多损失等的技术问题。本发明的步骤为：采用聚丙烯腈纤维、恒温放丝、多段预氧化、中温碳化、微氧碳蚀法保护高温碳化、上浆、收丝、一步碳丝预处理、倒管、调锭子张力、固温恒控编织、负压填充浸渍、烘干、整形、检验、包装入库。

Description

一种碳纤维编织填料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种编织填料的制备方法，尤其是涉及一种碳纤维编织填料的制备方法。

背景技术

在工业设备中有很多节流、给排装置，如泵、往复轴、阀门等。这些装备的工作部位都要求有很好的密封性，以防止内部介质泄漏，运动部位的密封往往最容易失败，特别是在一些恶劣工况下，更为明显。往往在工业生产中有60％以上的事故与设备密封不严，内部介质泄漏有关。

特别是在高温、高压、高转速，腐蚀性强等复杂工况下的动态密封，很难找到一个理想的填料产品，来保证我们的设备高效运行，能用什么样的填料来满足这些恶劣工况密封的要求呢？

中国专利公开了一种生产柔性石墨编织填料的方法(授权公告号：CN1033916C)，其步骤为：1.用石墨蠕虫压制成石墨带材；其中的石墨蠕虫是以天然磷片石墨或粉陌墨为原料，经强酸性氧化处理使之成为石墨层间化合物后，水洗干燥再高温瞬间膨胀成石墨蠕虫；它包括把从料斗中落下的石墨蠕虫通过装在循环的传送带的带面上、下的对压辊进行初步压制成型和对初成型的石墨带材再在次压辊中压薄；此时可往石墨蠕虫原料中掺入丙烯酸酯粘合剂；2.给增强材料挂胶；其中的增强材料的形状可以，为线状或编织网状或薄片状，增强材料可选自丝线，金属丝，碳纤维；增强材料所挂的胶可采用丙烯酸酯水溶性聚合物；增强材料挂胶的方法是让增强材料从含有胶液的两个对滚的海绵辊中穿过，这样易控制挂胶量及均匀度；3.在成型的石墨带的一边复合上增强材料；对于丝线状的增强材料，石墨带得到了纵向分布的“加强筋”；4.烘干，烘干温度为180～260℃；5.在复合有增强材料的石墨带的另一边再压制上一层石墨蠕虫；进入此步骤前，增强材料与石墨带之间并未十分贴合，从二次料斗加下的石墨蠕虫落到传送着的带材上，依增强材料与石墨带之间未贴合的“粗糙”面通过复合压辊再复合上一层石墨蠕虫，使之结合强度更高；6.裁切成型的石墨与增强材料的复合层带；最终成型的复合石墨带材进入破带机构裁切成所需的细带，盘绕在绕盘机构上；7.卷制或拧合；把细带经螺旋卷制、单股或多股拧合，在此过种中，可在其中心加入金属丝线或非金属丝线或其任意的组合；8.编织和最终填料的整型和表面处理；经过拧捻成的细线再经套编、重复编、格子编、穿心编等各种编织而加工成具有良好柔软性的膨胀石墨盘根，最终加以整形和表面处理即得成品。

但使用这种制备方法制备出来的产品以及现今的石墨编织填料中，在高压高速转动时，由于材质本身制造工艺连续性不好，抗拉强度做不高，使用中易冲刷，高压高速下寿命很短，需要频繁更换，致使设备经常停机待检，影响生产正常运行。还有一些强度比较好的材料如芳纶、聚四氟乙稀纤维等，这类材料本身不具有导电、导热性能，在高压、高温、高速的工况下使用时，由于旋转运动产生的摩擦热能，没法被传导出去，因而会产生过热、烧损，就很容易产生介质泄漏，常常造成了工艺停车，给生产经济都带来了很多损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维编织填料的制备方法，其主要是解决现有技术所存在的由于材质本身制造工艺连续性不好，抗拉强度做不高，使用中易冲刷，高压高速下寿命很短，需要频繁更换，致使设备经常停机待检，影响生产正常运行的问题；本发明还解决了一些强度比较好的材料本身不具有导电、导热性能，在高压、高温、高速的工况下使用时，由于旋转运动产生的摩擦热能，没法被传导出去，因而会产生过热、烧损，就很容易产生介质泄漏，常常造成了工艺停车，给生产经济都带来了很多损失等的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于：

a.将聚丙烯腈纤维束丝依次进行恒温放丝、多段预氧化、中温碳化、微氧碳蚀法保护高温碳化；其中中温碳化的温度为800～850℃；微氧碳蚀法用氮气做碳丝保护气体，并且高温碳化的温度为1250～1400℃；

b.将上一个步骤的产物进行上浆、收丝，得到碳纤维束丝；

c.浸渍液配比，将准纳米级石墨粉，加到含固量4～6％的环氧树脂溶液，配5～8％水性聚氨酯石墨油粘结剂进行混合形成浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉质量占浸渍石墨配比溶液总质量的9～11％；

d.第一次浸渍：将碳好的纤维进行预处理，在编织前，对材料进行结构性填充；把碳纤维束丝筒固定在捻丝架上，将碳纤维束丝逐个通过石墨配比溶液浸润，碳纤维束丝浸润在石墨配比液并同时进行加捻，使石墨配比溶液充分浸入碳纤维束丝的空隙中，达到充份饱和，碳纤维束丝变成捻度为80～90的捻线；

e.采用温度递升加热，使得准纳米石墨随油性粘结剂在碳纤维中随温升逐步固化，直致与石墨一起浸入的有机物在烘烤下裂解挥发待尽，留在碳纤维中的大部分都是纯石墨；

f.将准纳米级石墨粉，加含固量4～6％的环氧树脂的溶液，配5～8％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成二次浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉占二次浸渍石墨配比溶液总质量的9～11％；

g.第二次浸渍：是对编织填料互锁交叉编织形成的孔隙以及编织花纹进行填充浸渍：将碳纤维编织填料、二次浸渍石墨配比溶液放入真空机里抽去空气形成负压浸渍，然后取出编织填料进行旋转干燥，浸渍含量达到13～16％，最后成型检验入库。

选择聚丙烯腈纤维束丝作为碳纤维原丝进行碳化，因为它有更优秀的预氧化工艺性能，通过我们制造的设备采用循环加热，利用热比速率和微积分计算程序，精确的控制了预氧炉内的温差，使聚丙烯腈在炉内温度恒定，各放热点可以精确控制，不会因高温放热而自燃，多段阶梯式预氧使聚丙烯腈分子扣环充分，使线形分子链转化为耐热的梯形结构。让其在高温碳化时不熔不燃，并能使脱氢反应和氧化反应的时间充足，从而得到了能通过800℃高温碳化的预氧丝。

碳纤维原丝聚丙烯腈长纤维由于时候效应对生产工艺有很大的冲击性，不同批次的原丝所需的生产工艺参数不同，不定的参数调整对产品质量稳定很不可靠，这样就要求将碳纤维原丝放在恒温25℃±2℃相对湿度60-70％的环境中放丝，保证了原丝性能一致，生产工艺参数的稳定性。

多段预氧化是原丝在230-300℃的空气介质中进行环化、脱氢、氧化三个反应，使聚丙烯腈纤维的线形分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量碳纤维。

经过预氧化后的纤维要通过800℃的中温碳化，再连续通过高纯氮气保护的1400高温碳化，这样碳化好的纤维就是高质量的碳纤维。碳化好的碳纤维丝束比较蓬松，纤维排列杂乱，必须经过上浆工艺，浸一遍含固量5％的环氧树脂，将杂乱的纤维束缚住，变得表面光滑，纤维排列有序，方可进行收丝成团、作为编织填料的半成品材料包装入库。

高温碳化主要是解决保护气体的纯度，现在常规制氮机生产出的氮气纯度只有9.9999，而高温碳化时其本要求氮气纯度要大于9.99999。否则是碳不出合格的碳纤束丝，避免微量氧蚕食碳丝，我们使用纯化设备纯净保护气体外，技术人员还经大量努力在生产工艺上创新使用微氧碳蚀法，在高碳炉里设计使用了多层石墨网孔，层差错落分布在高温炉堂内的氮气输入口，即使氮气纯度不够有微量氧进来，通过石墨网孔层时被碳首先蚀食掉，而无损于碳丝本身，并且在炉堂壁上，炉堂的进出料口也铺上石墨板，不但起到碳蚀氧的作用，还能聚集热能提高温升效力，而且石墨筛与石墨板在炉堂里更换维护方便。用微氧碳蚀法可用普通级氮气做碳丝保护气体，生产出高性能的碳纤维出来。

采用准纳米石墨粉与其它配合剂，进行碳纤维预浸处理和编织后负压填充的二步浸渍法，使编织填料内部浸润石墨充盈，保证了产品的致密性。准纳米级石墨粉为10000目以上的石墨粉。碳纤维是采用国产聚丙烯腈小束丝纤维，经引进改造的国产设备，进行预氧化和两级高温碳化，创新使用微氧碳蚀法保护高温碳化，从而制造出高性能、高强度、高模量的PAN基碳纤维。

作为优选，所述的微氧碳蚀法为在高碳炉里使用多层石墨网孔，层差错落分布在高温炉堂内的氮气输入口，并且在炉堂壁上，炉堂的进出料口铺设石墨板作碳蚀氧用，聚丙烯腈纤维束丝在炉堂内进行碳化。聚丙烯腈纤维束丝在炉堂内进行碳化时，即便有微量氧分子进入，就近都被石墨网筛或石墨板蚕食掉，不会涉及危害碳丝。

作为优选，所述的碳纤维束丝是由聚丙烯腈纤维束丝碳化而成。

作为优选，所述的油性粘结剂为石墨油、环氧树脂或水性聚氨酯。

作为优选，所述的步骤e中的温度递升加热为从230℃递升加热到300℃，分五区温段蒸发裂解。即为温度在各个温区段中分别从230℃递升到300℃，线速度每分钟2～3米。浸渍配比液中的浸渍载体只让石墨残留在产品中。五区温控干燥法是将烘干温度分为五个干燥区，设定不同的温度由低到高进行加热干燥，使产品受热很均匀，浸渍载体裂解充分。

作为优选，所述的步骤g中浸渍时间为45～60分钟

作为优选，所述的步骤g中的干燥为旋转干燥。旋转干燥的好处是，编织填料里的纳米石墨溶液，随着设备的旋转，不会因为重力作用，溶液下流堆积在一处，因而出现批量生产时密度出现不均匀的现象。根据产品规格的大小这种负压浸渍旋转干燥，可以循环浸渍，使产品达到最佳的质量要求，最后成型至规格尺寸，就可以包装入库了。

因此，本发明具有制备出来的碳纤维编织填料自润滑性、高强度、高模量、耐高低温、耐腐蚀都具有良好的性能，以及在含颗粒流体的介质中和高线速的旋转中可长期使用，可用来代替现在所有各种材料的填料产品等特点。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本例的一种碳纤维编织填料的制备方法，其步骤为：

a.将聚丙烯腈纤维束丝依次进行恒温放丝、多段预氧化、中温碳化、微氧碳蚀法保护高温碳化；其中中温碳化的温度为800℃；高温碳化是1250度，微氧碳蚀法为在高碳炉里使用多层石墨网孔，层差错落分布在高温炉堂内的氮气输入口，并且在炉膛壁上，炉膛的进、出料口铺设石墨板，聚丙烯腈纤维束丝在炉堂内进行碳化时，即便有微量氧分子进入，就近都被石墨网筛或石墨板蚕食掉，不会涉及危害碳丝。

b.将上一个步骤的产物进行上浆、收丝，得到碳纤维束丝；

c.浸渍液配比，将准纳米级石墨粉，加含固量4％的环氧树脂溶液，配5％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉质量占浸渍石墨配比溶液总质量的9％；

d.第一次浸渍：将碳纤维束丝筒固定在捻丝架上，将碳纤维束丝逐个通过一次石墨配比溶液浸润，碳纤维束丝在扭力的作用下，使一次石墨配比溶液充分浸入碳纤维束丝的空隙中，达到充份饱和，直到碳纤维束丝变成捻度为80的捻线；

e.分五个温区将温度从230℃提升到300℃，温度递升加热，使得准纳米石墨随油性粘结剂在碳纤维中随温升逐步固化，直致与石墨一此浸入的有机物在烘烤下裂解挥发待尽，留在碳纤维中的大部分都是纯石墨；

f.将准纳米级石墨粉，加含固量4％的环氧树脂的溶液，配5％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成二次浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉占二次浸渍石墨配比溶液总质量的9％；

g.第二次浸渍：是对编织填料互锁交叉编织形成的孔隙以及编织花纹进行填充浸渍。将碳纤维编织填料、二次浸渍石墨配比溶液放入真空机里抽去空气形成负压浸渍，浸渍时间为45分钟。然后取出编织填料进行旋转干燥，浸渍含量达到13％，最后成型检验入库。

制备出来的碳纤维编织填料的技术指标如下表：

 

项目	指标值
		体积密度g/cm3	≥1.00
耐温(345±10℃)％	≤6.0
		摩擦系数	≤0.15
磨耗量g	<0.1
		压缩率％	25～45
回弹率％	≥20
		酸失量(5％H2SO4)％	≤3

 

碱失量(5％NaOH)％

≤3

实施例2：本例的一种碳纤维编织填料的制备方法，其步骤为：

a.将聚丙烯腈纤维束丝依次进行恒温放丝、多段预氧化、中温碳化、微氧碳蚀法保护高温碳化；其中中温碳化的温度为830℃；高温碳化是1300度，微氧碳蚀法为在高碳炉里使用多层石墨网孔，层差错落分布在高温炉堂内的氮气输入口，并且在炉膛壁上，炉膛的进、出料口铺设石墨板，聚丙烯腈纤维束丝在炉堂内进行碳化时，即便有微量氧分子进入，就近都被石墨网筛或石墨板蚕食掉，不会涉及危害碳丝。

b.将上一个步骤的产物进行上浆、收丝，得到碳纤维束丝；

c.浸渍液配比，将准纳米级石墨粉，加含固量5％的环氧树脂溶液，配7％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉质量占浸渍石墨配比溶液总质量的10％；

d.第一次浸渍：将碳纤维束丝筒固定在捻丝架上，将碳纤维束丝逐个通过一次石墨配比溶液浸润，碳纤维束丝在扭力的作用下，使一次石墨配比溶液充分浸入碳纤维束丝的空隙中，达到充份饱和，直到碳纤维束丝变成捻度为80的捻线；

e.分五个温区将温度从230℃提升到300℃，温度递升加热，使得准纳米石墨随油性粘结剂在碳纤维中随温升逐步固化，直致与石墨一此浸入的有机物在烘烤下裂解挥发待尽，留在碳纤维中的大部分都是纯石墨；

f.将准纳米级石墨粉，加含固量5％的环氧树脂的溶液，配7％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成二次浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉占二次浸渍石墨配比溶液总质量的10％；

g.第二次浸渍：是对编织填料互锁交叉编织形成的孔隙以及编织花纹进行填充浸渍。将碳纤维编织填料、二次浸渍石墨配比溶液放入真空机里抽去空气形成负压浸渍，浸渍时间为50分钟。然后取出编织填料进行旋转干燥，浸渍含量达到15％，最后成型检验入库。

制备出来的碳纤维编织填料的技术指标同实施例1。

实施例3：本例的一种碳纤维编织填料的制备方法，其步骤为：

a.将聚丙烯腈纤维束丝依次进行恒温放丝、多段预氧化、中温碳化、微氧碳蚀法保护高温碳化；其中中温碳化的温度为850℃；高温碳化是1400度，微氧碳蚀法为在高碳炉里使用多层石墨网孔，层差错落分布在高温炉堂内的氮气输入口，并且在炉膛壁上，炉膛的进、出料口铺设石墨板，聚丙烯腈纤维束丝在炉堂内进行碳化时，即便有微量氧分子进入，就近都被石墨网筛或石墨板蚕食掉，不会涉及危害碳丝。

b.将上一个步骤的产物进行上浆、收丝，得到碳纤维束丝；

c.浸渍液配比，将准纳米级石墨粉，加含固量6％的环氧树脂溶液，配8％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉质量占浸渍石墨配比溶液总质量的11％；

d.第一次浸渍：将碳纤维束丝筒固定在捻丝架上，将碳纤维束丝逐个通过一次石墨配比溶液浸润，碳纤维束丝在扭力的作用下，使一次石墨配比溶液充分浸入碳纤维束丝的空隙中，达到充份饱和，直到碳纤维束丝变成捻度为80的捻线；

e.分五个温区将温度从230℃提升到300℃，温度递升加热，使得准纳米石墨随油性粘结剂在碳纤维中随温升逐步固化，直致与石墨一此浸入的有机物在烘烤下裂解挥发待尽，留在碳纤维中的大部分都是纯石墨；

f.将准纳米级石墨粉，加含固量6％的环氧树脂的溶液，配8％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成二次浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉占二次浸渍石墨配比溶液总质量的11％；

g.第二次浸渍：是对编织填料互锁交叉编织形成的孔隙以及编织花纹进行填充浸渍。将碳纤维编织填料、二次浸渍石墨配比溶液放入真空机里抽去空气形成负压浸渍，浸渍时间为60分钟。然后取出编织填料进行旋转干燥，浸渍含量达到16％，最后成型检验入库。

制备出来的碳纤维编织填料的技术指标同实施例1。

Claims (6)

1.一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于：

a.将聚丙烯腈纤维束丝依次进行恒温放丝、多段预氧化、中温碳化、微氧碳蚀法保护高温碳化；其中中温碳化的温度为800～850℃；微氧碳蚀法用氮气做碳丝保护气体，并且高温碳化的温度为1250～1400℃；

b.将上一个步骤的产物进行上浆、收丝，得到碳纤维束丝；

c.浸渍液配比，将准纳米级石墨粉，加到含固量4～6％的环氧树脂溶液，配5～8％水性聚氨酯石墨油粘结剂进行混合形成浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉质量占浸渍石墨配比溶液总质量的9～11％；

d.第一次浸渍：将碳好的纤维进行预处理，在编织前，对材料进行结构性填充；把碳纤维束丝筒固定在捻丝架上，将碳纤维束丝逐个通过石墨配比溶液浸润，碳纤维束丝浸润在石墨配比液并同时进行加捻，使石墨配比溶液充分浸入碳纤维束丝的空隙中，达到充份饱和，碳纤维束丝变成捻度为80～90的捻线；

e.采用温度递升加热，使得准纳米石墨随油性粘结剂在碳纤维中随温升逐步固化，直致与石墨一起浸入的有机物在烘烤下裂解挥发待尽，留在碳纤维中的大部分都是纯石墨；

f.将准纳米级石墨粉，加含固量4～6％的环氧树脂的溶液，配5～8％水性聚氨酯石墨油油性粘结剂进行混合形成二次浸渍石墨配比溶液，准纳米级石墨粉占二次浸渍石墨配比溶液总质量的9～11％；

g.第二次浸渍：是对编织填料互锁交叉编织形成的孔隙以及编织花纹进行填充浸渍：将碳纤维编织填料、二次浸渍石墨配比溶液放入真空机里抽去空气形成负压浸渍，然后取出编织填料进行旋转干燥，浸渍含量达到13～16％，最后成型检验入库。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于所述的微氧碳蚀法为在高碳炉里使用多层石墨网孔，层差错落分布在高温炉堂内的氮气输入口，并且在炉堂壁上，炉堂的进出料口铺设石墨板作碳蚀氧用，聚丙烯腈纤维束丝在炉堂内进行碳化。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于所述的油性粘结剂为石墨油、环氧树脂或水性聚氨酯。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于所述的步骤e中的温度递升加热为从230℃递升加热到300℃，分五区温段蒸发裂解。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于所述的步骤g中浸渍时间为45～60分钟。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维编织填料的制备方法，其特征在于所述的步骤g中的干燥为旋转干燥。