CN109706553B - 一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109706553B
CN109706553B CN201811639675.5A CN201811639675A CN109706553B CN 109706553 B CN109706553 B CN 109706553B CN 201811639675 A CN201811639675 A CN 201811639675A CN 109706553 B CN109706553 B CN 109706553B
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
carbon fiber
flame
retardant
magnesium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201811639675.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109706553A (zh
Inventor
程礼华
刘晓艳
项勇
刘浩林
刘翰林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhongxi Ningxia New Material Co ltd
Original Assignee
Zhongxi Ningxia New Material Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhongxi Ningxia New Material Co ltd filed Critical Zhongxi Ningxia New Material Co ltd
Priority to CN201811639675.5A priority Critical patent/CN109706553B/zh
Publication of CN109706553A publication Critical patent/CN109706553A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109706553B publication Critical patent/CN109706553B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)

Abstract

本发明属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法。利用稻壳中的硅碳物质和聚丙烯腈为主要原料，经低温等离子体与高温等离子体相结合的集成处理，与石墨烯结合，快速生产石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维，明显优点：一是工艺简洁，直接生产成本降低85％，二是明显提高碳纤维的强化和防燃性，三是大幅度提高硅镁碳纤维产出率，四是节能环保，能耗降低80％，对外不排放有害物质。

Description

一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法。
背景技术
碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在90％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，碳纤维是一种的力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为2到7GPa，拉伸模量约为200到700GPa。密度约为1.5到2.0克每立方厘米，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温3000℃石墨化处理，密度可达2.0/每立方厘米。再加上它的重量很轻，它的比重比铝还要轻，不到钢的1/4，比强度是铁的20倍。
目前90％左右的碳纤维，采用聚丙烯腈纤维生产碳纤维，存在的主要缺点，如：
1、工艺复杂，排放有毒性气体：聚丙烯腈纤维经80—120分钟200—300℃低温氧化后， 1000—3000℃高温碳化，完成的主反应为：(C3H3N)n+O2(含氧基团)——C(碳纤维)+HCN+CO。产生大量有毒性气体，如氰化氢(HCN)和一氧化碳，以及大量粉尘。
2、高耗能，高生产成本。
目前，全国稻谷年产量2亿多吨，全国有稻谷加工企业9394家，共加工稻谷1.3亿吨，产生稻壳2600万吨。稻壳由内颖及较大的外颖组成。稻壳长5-10mm、2.5-5mm、厚23-30um, 其色泽呈盗黄色、金黄色、黄褐色及棕红色等。稻壳堆积密度为96-160kg.m-3，稻壳被粉碎后，堆积密度可达384-400kg.m-3。稻壳中硅含量愈高，则愈坚硬，耐磨性能愈强。稻壳静止角为35度，稻壳粉碎后通过50-160目筛网的静止角为43-45度，通过80目筛网的静止角为40度。稻壳燃烧后剩下的稻壳灰一般为稻壳质量的20％。稻壳灰的主要成分是二氧化硅，含量高达87％-97％。稻壳灰的容重为200-400kg.m-3，相对密度为2.14，热道系数为0.062(碎石棉为0.041，矿棉为0.030，软木为0.028)。稻壳灰具有较大的比表面积，通常为50-60m2.g-1，有时可高达100m2.g-1。
高性能纤维是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，其中碳纤维技术的发展尤其引人关注。各种有机或生物质纤维可通过碳化形成碳纤维，其中典型代表是基于聚丙烯腈(PAN)纤维碳化之后形成的碳纤维。碳纤维的理论拉伸强度为180 吉帕,拉伸模量为1020吉帕,目前高强碳纤维(T1000)的拉伸强度可达7.02 吉帕,高模碳纤维(M70J)的杨氏模量可达690吉帕,分别为其理论值的4％和 68％,与理论值还有较大差距。因此，优化碳纤维的结构性能，降低生产成本，减少生产过程中挥发组分排放是人们必须解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简洁的石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法。
本发明所采用的技术方案为：一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，包括以下实施步骤：
步骤一：将聚丙烯腈经细切机切短放入低温等离子体氧化器内200—300℃氧化20—60 分钟后，与经超微粉碎的稻壳粉一起送高温等离子体碳化器400—3000℃快速碳化。
步骤二：将高温等离子体碳化器回收的物质与石墨烯混合，制取石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料。
步骤三：将石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料与3D打印机技术、石墨烯电子柔性印刷技术结合，分别制取石墨烯航天飞机防燃碳纤维、石墨烯汽车防燃碳纤维、石墨烯船舶防燃碳纤维、石墨烯纺织防燃碳纤维和其它高档碳纤维产品。
所述高温等离子体碳化器的催化介质气体为二氧化碳、天然气、乙炔气中的一种或2种以上混合气体。
所述高温等离子体碳化器完成的主反应有：
2C3H3N——6C+3H2+N2 (1)
CO2+2Mg——C+2MgO (2)
CH4——C+2H2 (3)
C2H2——2C+H2 (4)
C·H2O·SiO(稻壳)——C+SiO2+CO (5)
优选稻壳在超微粉碎粉前进行除杂的烘干预处理，使含水量低于1％。
所述低温等离子体氧化器包括钛基光触媒催化芯和脉冲发生器，所述钛基光触媒催化芯的材料为不锈钢网板或不锈钢网管涂上二氧化钛涂层，所述不锈钢网板或不锈钢网管纵向或横向排列，或纵横交叉结合排列；所述脉冲发生器的脉冲为5—2000KV变频智能调压的高压脉冲。
所述高温等离子碳化器包括阴极、阳极和天然气(CH4)送聚丙烯腈粉管道、乙炔气送稻壳粉管道、金属镁粉管道和网式催化芯。
所述高温等离子体碳化器的功率为50—1000KW，所述高温等离子体碳化器中的网式催化芯的材料为不锈钢网涂上二氧化钛涂层，催化芯网为纵横向交叉式的纵向2—20层，横向2 —10层，或单纯纵向、或单纯横向结构，目的是有效增加催化面积。
所述石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维粉体材料与金属铝粉、金属铝粉中的一种或2种，一起混合送入3D打印机中，进行3D打印出石墨烯航空、航天和飞机防燃碳纤维部件和石墨烯汽车防燃碳纤维部件、石墨烯船舶防燃碳纤维部件等高端制造产品。
所述3D打印机中石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维粉体材料与金属铝粉、金属铝粉混合打印的电加热温度690—750℃。
所述石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料与化纤辅料混合送入混纺装备拉丝、织布装备织布，用卷对卷丝网石墨烯柔性电子印刷设备，或凹版石墨烯柔性电子印刷设备印刷上色后，制衣并安装柔性智能配件(如柔性传感器、柔性定位器、柔性警报器等)，生产石墨烯可穿戴电子纺织防燃碳纤维服装产品。
本发明的有益效果：
本发明石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，利用稻壳中的硅碳物质和聚丙烯腈为主要原料，经低温等离子体与高温等离子体相结合的集成处理，与石墨烯结合，快速生产石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维，明显优点：一是工艺简洁，直接生产成本降低85％，二是明显提高碳纤维的强化和防燃性，三是大幅度提高硅镁碳纤维产出率，四是节能环保，能耗降低80％，对外不排放有害物质。
附图说明
图1为本发明制备石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的流程示意图。
图2为本发明中高温等离子体碳化器的结构示意图。
图3为本发明中制备石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维高端造部件的流程示意图。
图4为本发明中制备石墨烯可穿戴电子纺织防燃碳纤维服装的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，包括以下实施步骤：
步骤一：将聚丙烯腈经细切机切短放入低温等离子体氧化器内200—300℃氧化20—60 分钟后，与经超微粉碎的稻壳粉一起送高温等离子体碳化器400—3000℃快速碳化。
步骤二：将高温等离子体碳化器回收的物质与石墨烯混合，制取石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料。
步骤三：将石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料与3D打印机技术、石墨烯电子柔性印刷技术结合，分别制取石墨烯航天飞机防燃碳纤维、石墨烯汽车防燃碳纤维、石墨烯船舶防燃碳纤维、石墨烯纺织防燃碳纤维和其它高档碳纤维产品。
所述高温等离子体碳化器的催化介质气体为二氧化碳、天然气、乙炔气中的一种或2种以上混合气体。
所述以二氧化碳为催化介质气体时，加入金属镁粉，提高碳化效果。
所述高温等离子体碳化器完成的主反应有：
2C3H3N——6C+3H2+N2 (1)
CO2+2Mg——C+2MgO (2)
CH4——C+2H2 (3)
C2H2——2C+H2 (4)
C·H2O·SiO(稻壳)——C+SiO2+CO (5)
优选稻壳在超微粉碎粉前进行除杂的烘干预处理，使含水量低于1％。
本发明的优势，一是低温等离子体氧化，增加聚丙烯腈比表面积和提高氧化效率，节约65％时间，降低80％能耗。二是高温等离子体碳化，快速纳秒级瞬时完成碳化反应，大幅度提高硅镁碳纤维产出率。
所述低温等离子体氧化器包括钛基光触媒催化芯和脉冲发生器，所述钛基光触媒催化芯的材料为不锈钢网板或不锈钢网管涂上二氧化钛涂层，所述不锈钢网板或不锈钢网管纵向或横向排列，或纵横交叉结合排列；所述脉冲发生器的脉冲为5—800KV变频智能调压的高压脉冲。
所述高温等离子碳化器包括阴极、阳极和天然气(CH4)送聚丙烯腈粉管道1、乙炔气送稻壳粉管道2、金属镁粉管道3和网式催化芯4。
所述高温等离子体碳化器的功率为50—1000KW。
所述高温等离子体碳化器中的网式催化芯的材料为不锈钢网涂上二氧化钛涂层，催化芯网为纵横向交叉式的纵向2—20层，横向2—10层，或单纯纵向、或单纯横向结构，目的是有效增加催化面积。
所述石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维粉体材料与金属铝粉、金属铝粉中的一种或2种，一起混合送入3D打印机中，进行3D打印出石墨烯航空、航天和飞机防燃碳纤维部件和石墨烯汽车防燃碳纤维部件、石墨烯船舶防燃碳纤维部件等高端制造产品。
所述3D打印机中石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维粉体材料与金属铝粉、金属铝粉混合打印的电加热温度690—750℃。
所述石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料与化纤辅料混合送入混纺装备拉丝、织布装备织布，用卷对卷丝网石墨烯柔性电子印刷设备，或凹版石墨烯柔性电子印刷设备印刷上色后，制衣并安装柔性智能配件(如柔性传感器、柔性定位器、柔性警报器等)，生产石墨烯可穿戴电子纺织防燃碳纤维服装产品。
本发明石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，利用稻壳中的硅碳物质和聚丙烯腈为主要原料，经低温等离子体与高温等离子体相结合的集成处理，与石墨烯结合，快速生产石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维，明显优点：一是工艺简洁，直接生产成本降低85％，二是明显提高碳纤维的强化和防燃性，三是大幅度提高硅镁碳纤维产出率，四是节能环保，能耗降低80％，对外不排放有害物质。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的。

Claims (5)

1.一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，其特征在于：包括以下实施步骤：
步骤一：将聚丙烯腈经细切机切短放入低温等离子体氧化器内200—300℃氧化20—60分钟后，与经超微粉碎的稻壳粉一起送入高温等离子体碳化器400—3000℃快速碳化；
步骤二：将高温等离子体碳化器回收的物质与石墨烯混合，制取石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料；
步骤三：通过将石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维粉体材料与金属铝粉混合后送入3D打印机中，进行3D打印出石墨烯航天飞机防燃碳纤维部件、石墨烯汽车防燃碳纤维部件、石墨烯船舶防燃碳纤维部件的高端制造产品；将石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维材料与化纤辅料混合送入混纺装备拉丝、织布装备织布，用卷对卷丝网石墨烯柔性电子印刷设备，或凹版石墨烯柔性电子印刷设备印刷上色后，制衣并安装柔性智能配件，生产石墨烯可穿戴电子纺织防燃碳纤维服装产品；
所述高温等离子体碳化器的催化介质气体为二氧化碳、天然气CH4、乙炔气的混合气体，所述高温等离子体碳化器内完成的主反应有：
2C3H3N——6C+3H2+N2 （1）
CO2+2Mg——C+2MgO （2）
天然气CH4——C+2H2 （3）
C2H2——2C+H2 （4）
稻壳C·H2O·SiO——C+SiO2+ H2 （5）；
所述高温等离子碳化器包括阴极、阳极和天然气CH4送聚丙烯腈粉管道、乙炔气送稻壳粉管道、金属镁粉管道和网式催化芯。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，其特征在于：稻壳在超微粉碎粉前进行除杂的烘干预处理，使含水量低于1%。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，其特征在于：所述低温等离子体氧化器包括钛基光触媒催化芯和脉冲发生器，所述钛基光触媒催化芯的材料为不锈钢网板或不锈钢网管涂上二氧化钛涂层，所述不锈钢网板纵横交叉结合排列，所述脉冲发生器的脉冲为5—800KV变频智能调压的高压脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，其特征在于：所述高温等离子体碳化器的功率为50—1000KW，所述高温等离子体碳化器中的网式催化芯的材料为不锈钢网涂上二氧化钛涂层，催化芯网为纵向2—20层，横向2—10层的纵横向交叉式，或单纯纵向、或单纯横向结构，目的是有效增加催化面积。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法，其特征在于：所述3D打印机中石墨烯防燃纳米硅镁碳纤维粉体材料与金属铝粉混合打印的电加热温度为690—750℃。
CN201811639675.5A 2018-12-29 2018-12-29 一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法 Expired - Fee Related CN109706553B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811639675.5A CN109706553B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811639675.5A CN109706553B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109706553A CN109706553A (zh) 2019-05-03
CN109706553B true CN109706553B (zh) 2021-07-27

Family

ID=66260225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811639675.5A Expired - Fee Related CN109706553B (zh) 2018-12-29 2018-12-29 一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109706553B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112409639A (zh) * 2020-11-19 2021-02-26 云南博仁科技有限公司 一种结构性生物质基硅炭管材材料的制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102651484A (zh) * 2012-05-10 2012-08-29 中国第一汽车股份有限公司 一种兼具锂离子电池和超级电容特征的储能器件
CN103756713A (zh) * 2014-01-26 2014-04-30 程礼华 多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺
CN104988605A (zh) * 2015-07-07 2015-10-21 程礼华 光电纳米碳复合纤维的生产装置及其工艺
KR101726822B1 (ko) * 2015-05-26 2017-04-13 한국과학기술연구원 초극세 탄소섬유 및 그 제조방법
CN106633977A (zh) * 2016-11-23 2017-05-10 浙江农林大学 一种纳米物质/生物质纤维复合材料的制备方法及纳米物质/生物质纤维复合材料
CN108912493A (zh) * 2018-07-17 2018-11-30 中喜（宁夏）新材料有限公司 一种利用粉煤灰二氧化碳生产石墨烯轮毂的方法
CN108995541A (zh) * 2018-07-17 2018-12-14 中喜（宁夏）新材料有限公司 一种石墨烯太阳能无人驾驶无限续航汽车

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06173117A (ja) * 1992-12-02 1994-06-21 Osaka Gas Co Ltd 炭化珪素により被覆された炭素繊維の製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102651484A (zh) * 2012-05-10 2012-08-29 中国第一汽车股份有限公司 一种兼具锂离子电池和超级电容特征的储能器件
CN103756713A (zh) * 2014-01-26 2014-04-30 程礼华 多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺
KR101726822B1 (ko) * 2015-05-26 2017-04-13 한국과학기술연구원 초극세 탄소섬유 및 그 제조방법
CN104988605A (zh) * 2015-07-07 2015-10-21 程礼华 光电纳米碳复合纤维的生产装置及其工艺
CN106633977A (zh) * 2016-11-23 2017-05-10 浙江农林大学 一种纳米物质/生物质纤维复合材料的制备方法及纳米物质/生物质纤维复合材料
CN108912493A (zh) * 2018-07-17 2018-11-30 中喜（宁夏）新材料有限公司 一种利用粉煤灰二氧化碳生产石墨烯轮毂的方法
CN108995541A (zh) * 2018-07-17 2018-12-14 中喜（宁夏）新材料有限公司 一种石墨烯太阳能无人驾驶无限续航汽车

Also Published As

Publication number Publication date
CN109706553A (zh) 2019-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111761895A (zh) 一种柔性可陶瓷化硅橡胶绝热复合材料及其制备方法
WO2017048621A1 (en) Carbon black from natural gas
CN101956252A (zh) 一种硼改性聚丙烯腈原丝制备碳纤维的方法
CN109706553B (zh) 一种石墨烯纳米硅镁防燃碳纤维的制备方法
CN106315568A (zh) 一种石墨烯的制备方法及石墨烯
JP2020203997A (ja) 強化複合材料を処理する方法
Chen et al. Microstructure and mechanical properties of carbon graphite composites reinforced by carbon nanofibers
CN110342499B (zh) 一种生物质高温碳化末端微氧烧蚀制备类富勒烯碳球的方法
CN206217892U (zh) 贯通道结构及具有其的列车
CN105154724A (zh) 一种碳纳米管增强铝基复合材料及其制备方法
Feng et al. Polyarylacetylene as a novel graphitizable precursor for fabricating high-density C/C composite via ultra-high pressure impregnation and carbonization
CN109941985B (zh) 耐弯折的碳纳米管/石墨烯复合薄膜、其制备方法及应用
Lee et al. Understanding the catalytic mechanism of calcium compounds for enhancing crystallinity in carbon fiber
CN106399878B (zh) 一种碳纤维增强镁基复合材料、制备系统及方法
CN112759409B (zh) 一种炭/炭复合材料气相沉积工艺
Fedorov et al. Thermal treatment of charcoal for synthesis of high-purity carbon materials
CN109853089B (zh) 一种高性能碳纤维及其石墨化的方法
Uzma et al. Mechanical and flammability characteristics of PC/ABS composites loaded with flyash cenospheres and multiwalled carbon nanotubes
CN106008133A (zh) 一种制备乙炔的方法及系统
CN110835554A (zh) 一种电石渣催化烟煤水蒸气气化的方法
Arivalagan et al. EMI shielding behavior ferrosilicon epoxy thin film at X and Ku band frequencies
Thakur et al. Taguchi optimization of fracture toughness of silicon carbide extracted from agricultural wastes
Nurmukhametova et al. Carbon fiber. Overview
CN109651850A (zh) 一种煤焦油蒽油脱硫脱灰及生产超导电炭黑方法
Chen et al. Study on a novel Si3N4-based composite with the incorporation of N-GQDs produced from nano-lignin

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210727

Termination date: 20211229