CN104342079A - 一种用于粘结碳毡的高温粘结剂的制备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于粘结碳毡的高温粘结剂及其制备和使用方法。通过稀土、无机酸盐对树脂进行化学改性后，连同无机填料、固化剂等涂刷粘接碳毡，再通过固化、炭化、高温等工艺，制备得到能够将碳毡进行有效连接的高温粘结剂。本发明原料易得，可选择范围宽，制备工艺简单、成本低廉，结合了有机粘接剂和无机粘接剂的各项优良性能，使粘接剂与碳毡界面间依靠耐热和高强度的化学键进行连接，从而提高了粘接面的结合力，实现了粘结部位在高温条件或高温处理之后仍具有足够的强度和适当的柔韧性，从而，达到碳毡的隔热保温等性能不受或少受影响的目的。

Description

一种用于粘结碳毡的高温粘结剂的制备及其使用方法

技术领域

本发明属于一种高温粘结剂，具体地说，涉及一种用于粘接碳毡的高温粘结剂的制备及其使用方法。

 

背景技术

 碳毡是一种碳纤维软毡，厚度多在3-15mm之间，碳含量高于90%，主要有聚丙烯腈基碳毡、沥青基碳毡和粘胶基碳毡。其中，聚丙烯腈基碳毡最为常见，使用也最广泛。碳毡具有优异的隔热保温性能，高温导热系数为0.23-0.26W/(m·K)(1000℃)，是高温真空设备、非氧化气氛高温设备理想的新型隔热保温材料。适用于真空高压气淬炉、真空烧结炉、加压真空烧结炉、单晶硅炉、多晶硅炉、碳化硅重结晶炉等各种炉型。在实际生产中，可以直接使用；也可根据炉体结构将碳毡缝制或粘接成各种形状的整体式热场使用。这种整体式热场安装、清理和更换十分方便，逐渐成为行业主要的使用对象。其中采用粘接工艺制备的热场最为常见，这种热场具有良好的形状保持性、自支撑性等优点，因而使用范围非常广泛。

在粘接工艺中，能够对碳毡进行有效粘结的高温粘结剂通常包括无机粘结剂和有机粘结剂两大类：无机粘结剂虽然能在高温下工作，但由于其粘接强度较低, 而且会影响碳毡的导热、导电性能。有机粘结剂一般使用温度局限在200~300℃，不能满足碳毡用于1000℃以上高温领域应用的要求。但利用有机物炭化后的残碳和碳毡在物理化学性质上的相容性等，使得有机粘结剂成为碳毡用高温粘结剂的重要类型，使用也最为广泛。如果将无机胶的耐温性与有机胶的结构多样、易于改性结合起来，研制出复合型粘结剂，则有可能实现碳热场在高温下的高效粘接，并可通过改变粘结剂组成及配比调节粘结剂性能，以实现高温粘接后仍具有良好的保温热性能，充分发挥碳毡在高温时优异的热物理性能，对推动和拓展碳毡材料进一步的应用起到积极的作用。

 综上所述，研制开发制备工艺简单、价格低廉且粘结效果良好，并用于碳毡的高温粘结剂仍然迫在眉睫。

发明内容

 鉴于上述，本发明的目的在于提供一种用于粘结碳毡的高温粘结剂的制备方法，使用制备的高温粘结剂，以保证碳毡的粘接面在高温条件下具有足够的粘结效果，不会出现分层变形等，而使碳毡的隔热保温等性能不受或少受影响。

本发明的进一步目的在于提供一种使用高温粘结剂粘结碳毡的方法。

为实现上述之目的，本发明采取的技术方案为：

（一）一种用于碳毡粘结的高温粘结剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

用稀释剂稀释固化剂，其中稀释剂和固化剂的重量比为100份：2-15份，然后搅拌20分钟，接着在搅拌下将80 -120份树脂逐渐加入，最后将无机填料60-120份、改性剂0.5-12份加入到搅拌溶液中，继续搅拌60分钟后即制得初始高温粘结剂。

上述的稀释剂为工业乙醇、甲醇或丙酮中的一种或几种的组合。

上述的无机填料为石墨、碳化硅的组合中的一种或几种的组合。

上述的改性剂为稀土、硼酸中的一种或几种的组合。

上述的固化剂为六亚甲基四胺、对甲苯磺酸、T31、硫酸乙酯和石油磺酸中的一种或几种的组合。

上述的树脂为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂中的一种或几种的组合。

该高温粘结剂的理化参数如下：

外观：深灰色至黑色乳液

pH值：3.0-5.5

粘度(20℃, Pa·s): 2.3-3.5

（二）使用高温粘结剂粘结碳毡的方法，具体步骤是：

a 涂胶：在碳毡粘接面上双面均匀涂刷初始高温粘结剂，然后再将另一块碳毡附着在高温粘结剂上，粘合在一起，适当夹紧，保证粘接面良好的接合即可；

b. 固化：在大气环境中，将初粘合的碳毡在半小时内从室温升高到130℃，保温1小时后，再升温至200℃后固化2小时后取出，自然降温得到固化试样；

c. 炭化：将上述固化试样放入有氩气保护的炭化炉中，以40-60℃/h的升温速率升温至1000-1800℃炭化2-3小时后，随炉降温得到试样。

本发明与现有技术相比，具有如下突出的优点和效果；

1. 本发明原料易得，可选择范围宽，制备工艺简单、成本低廉。

    2. 本发明采用将有机树脂粘接剂和无机粘接剂结合起来得到的这种复合型粘接剂，克服了传统的有机粘结剂不能持久耐高温、无机粘结剂与粘接基体相容性差等缺点，保证了碳毡之间产生及较强的粘接力，其粘接强度为1.45MPa,远高于软毡自身剥离强度，而且90°折弯后不开裂，与软毡形成统一的整体。同时，无机填料与高温后的树脂炭及基体碳毡发生化学反应生成耐热和高强度的化学键，实现了粘结面在高温条件下具有足够的强度和韧性，扭折也不会分层，且碳毡的隔热保温等性能不受或少受影响的目的。

    3. 本发明不仅可以用于粘接形状复杂碳毡热场，也可用于大尺寸碳毡复合板材的粘接。

 4. 本发明提供的高温粘结剂对碳毡粘接强度高，降低了原材料的损耗，从而可延长粘接式碳毡热场的使用寿命，提高了热场的利用效率，节约成本。

附图说明

图1为酚醛树脂(a)和硼酸改性酚醛树脂(b)的红外光谱图。

图2为本发明粘接剂对碳毡粘接剥离表面形貌（1500℃处理）。

图3为本发明粘接碳毡扭折前示意图（1800℃处理）。

图4为本发明粘接碳毡扭折后示意图（1800℃处理）。

图5为碳毡-石墨纸-碳毡夹心结构隔热保温试样剥离表面形貌（1800℃处理）。

图6碳布-碳布叠层碳碳材料试样层间表面形貌（2400℃处理）。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的技术方案再作进一步的描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

(a) 用工业乙醇溶解对甲苯磺酸，其中工业乙醇和对甲苯磺酸的重量比为100份:12份，然后搅拌20分钟，接着在搅拌下将100份酚醛树脂和6份硼酸逐渐加入，最后将石墨80份加入溶液中，继续搅拌60分钟后即制得初始高温粘结剂。

图1为制得的高温粘结剂和纯酚醛树脂的红外光谱图。从图1可以看出：相对于纯酚醛树脂，硼酸加入后的酚醛树脂在1380cm^-1附近出现了B-O键的伸缩振动吸收峰，表明用硼酸作为固化剂后，硼酸与酚醛树脂发生化学反应生成了高强度的化学键，从而赋予酚醛树脂具有更高的耐热性能。

（b）以四块裁切好的碳毡为粘结材料，将上述所制备的高温粘结剂，均匀的涂刷在粘接面上，厚度约1.6mm，再在高温粘结剂附着碳毡，把它们粘合在一起，适当压紧；压力为60MPa；然后将初粘合的碳毡从室温开始直接升温至140℃，保温1小时后，再升温至200℃后固化2小时；最后将上述固化试样放入有氩气保护的炭化炉中，以60℃/h的升温速率升温至1500℃炭化2小时后随炉降温；然后将获得的试样放入高温纯化炉，以100℃/h升温至2000 ℃，处理2小时后随炉降温，即制备得到所需粘接碳毡

由此得到的粘接碳毡层间具有更高的内聚力和致密性，其密度为0.17g/cm³。

试验例1

对上述获得的碳毡试样做层间剥离试验。如图2所示为本发明粘接剂粘接碳毡剥离表面形貌，从图2中可以看出：粘接面层大量纤维拔出，剥离表面以韧性破坏为主，而且损伤多为基体碳毡纤维断裂或拔出，说明粘接层强度高于碳毡软毡的自身的剥离强度，对碳毡的粘接效果良好。

实施例2

（a）先用100份工业乙醇稀释15份T31，然后搅拌20分钟，接着在搅拌下将100份环氧树脂逐渐加入，最后将石墨80份、碳化硅30份、稀土0.5份加入溶液中，继续搅拌60分钟后即制得初始高温粘结剂。

 （b）用上述所制备的高温粘结剂，均匀的涂刷在碳毡粘表面上，然后缠绕成筒状热场或碳毡板材；然后将初粘合的试样在从室温开始直接升温至130℃，保温2小时后，再升温至200℃后固化2小时；最后将上述固化试样放入有氩气保护的炭化炉中，以80℃/h的升温速率升温至1800℃炭化2小时。

这样既得到所需的筒状碳毡热场或碳毡板材试样毛胚，再经机加工即可得到所需的热场或隔热板材。

试验例2

 将实施例2中用本发明粘接剂制备得到碳毡板材，做外力挤压或扭折试验。图3-4为本发明粘接碳毡扭折对比图（1800℃处理）。如图4所示，经外力挤压或扭折变形后的筒状热场和板材，均无分层现象，且能恢复原状，说明其具有很好的柔韧性和良好的层间粘接性能，能够适当抵御热场安装、清理过程中的人为损伤，有效延长碳毡板材热场的使用寿命。

实施例3

(a) 用工业乙醇溶解T31和稀土，其中乙醇、T31和稀土的重量比为100份：5份：0.3份，然后搅拌20分钟，接着在搅拌下将30份环氧树脂和70份酚醛树脂逐渐加入，之后将石墨120份加入溶液中，继续搅拌60分钟后，加入六亚甲基四胺8份，搅拌10分钟即制得初始高温粘结剂。

(b) 用上述所制备的高温粘结剂，迅速均匀的涂刷在碳毡粘表面；加压15MPa，然后将初粘合的试样在从室温开始直接升温至100℃，保温2小时后，再升温至200℃后固化2小时；最后将上述固化试样放入有氩气保护的炭化炉中，以80℃/h的升温速率升温至1800℃炭化2小时。降温后即得到粘接样品。

使用过程中，高温粘接剂需要按需配制，随配随用，否则影响粘接效果。

试验例3

 利用实施例3中所述制备的高温粘接剂，制备碳毡-石墨纸-碳毡夹心结构隔热保温试样，采用实施例3中固化和炭化工艺，得到复合型隔热桶材。图5为碳毡-石墨纸-碳毡夹心结构隔热保温桶试样剥离表面形貌（1800℃处理）。如图5所示，剥离后在石墨纸表面残留大量拔出的碳纤维，说明本发明高温粘接剂也能够试验碳毡跟石墨纸的粘接，而且具有良好的粘接强度。

实施例4

(a) 用工业乙醇100份稀释100份酚醛树脂，之后将石墨120份、稀土0.5份加入溶液中，继续搅拌60分钟后得到预用粘接剂胶泥，静置24h，在使用前加入六亚甲基四胺12份，搅拌20分钟即制得初始高温粘结胶泥。

(b) 用上述所制备的高温粘结剂，均匀的涂刷在碳布表面；然后将涂刷好胶泥的碳布逐层叠放，放入热压机，初始压力较小，保证碳布叠层边缘有少量胶泥流出即可；然后升温至100℃，恒温至边缘胶泥有固化迹象后，加压35MPa并升温至200℃固化2h；最后将上述固化试样放入有氩气保护的炭化炉中，以80℃/h的升温速率升温至2400℃炭化2小时。

试验例4

 利用实施例4中所述制备的高温粘接胶泥，制备碳布叠层碳碳材料，采用实施例4中热压固化和炭化工艺，得到碳碳材料。图5为碳布-碳布叠层碳碳材料层间表面实物图（2400℃处理）。如图6所示，碳布层间表面没有明显纤维拔出迹象，说明其断裂为脆性断裂；但碳布层间粘接层整体致密度较好，没有大的气泡或空洞，最大程度的保证了碳布层间粘接强度，其剪切强度为16.3MPa，一次性成型密度为1.63g/cm³。完全满足高温炉用碳碳材料性能要求，且制备成本、制备周期短。

Claims (6)

1.一种用于碳毡粘结的高温粘结剂的制备方法，其特征在于：用稀释剂稀释固化剂，其中稀释剂和固化剂的重量比为100份：2-15份，然后搅拌20分钟，接着在搅拌下将80 -120份树脂逐渐加入，最后将无机填料60-120份、改性剂0.5-12份加入到搅拌溶液中，继续搅拌60分钟后即制得初始高温粘结剂。

2.根据权利要求1所述一种用于碳毡粘结的高温粘结剂的制备方法，其特征是上述的稀释剂为工业乙醇、甲醇或丙酮。

3.根据权利要求1所述一种用于碳毡粘结的高温粘结剂的制备方法，其特征是上述的无机填料为石墨、白炭黑、炭黑、碳化硅中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述一种用于碳毡粘结的高温粘结剂的制备方法，其特征是上述的固化剂为硼酸、六亚甲基四胺、对甲苯磺酸、T31、硫酸乙酯、石油磺酸中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述一种用于碳毡粘结的高温粘结剂的制备方法，其特征是上述的树脂为酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂中的一种或几种的组合。

6.使用权利要求1制备高温粘结剂粘结碳毡的方法，具体步骤是：

a 涂胶：在碳毡粘接面上双面均匀涂刷初始高温粘结剂，然后再将碳毡附着在高温粘结剂上，加压10-35MPa，使碳毡粘合在一起；

b. 固化：在大气环境中，将初粘合的碳毡在半小时内从室温升高到130℃，保温1小时后，再升温至200℃后固化2小时后取出，自然降温得到固化试样；

c. 炭化：将上述固化试样放入有氩气保护的炭化炉中，以40-60℃/h的升温速率升温至1000-1800℃炭化2-3小时后，随炉降温即得试样。