CN110526591A - 一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法及装置，装置主要包括涂层可控制备装置、放丝装置、前处理装置、烘干装置、收卷装置及尾气处理装置等。其中，涂层可控制备装置内可做封闭处理，可通入惰性气体排除空气，涂层可控制备装置主要包括加热保温装置、加热仓、真空惰性气体输出装置、冷却装置及流量控制系统。本发明提出一种新的导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法及装备，能够实现碳纳米涂层玻璃长纤维连续化制备，达到导电导热性能，扩大材料的应用领域，利用固体聚合物作为碳源代替甲烷等气体，成本低；采用裂解化学沉积生长的方法，在玻璃纤维表面生长出碳纳米涂层，在制备涂层过程中通过控制工艺条件实现涂层的可控制备。
Description
技术领域
本发明主要涉及导电玻璃纤维制备领域，尤其涉及一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备技术及装置。
背景技术
近年来，随着航空航天、微纳元件及电子器件等行业的快速发展，纤维增强材料也受到各行业及科研院所的重视，特别是以玻璃纤维为代表的无机非金属材料。然而，玻璃纤维主要是实现复合材料力学方面的增强效果，无法实现在特定环境要求的导电、导热及电磁屏蔽的性能，制约了玻璃纤维材料的进一步应用。
目前，针对于导电玻璃纤维的制备方面研究较少，中国专利CN106280371及CN106496881采用物理涂覆方法，将玻纤浸入含有导电物质溶剂中，在纤维表面涂覆导电物质制备了导电纤维；中国专利CN106830693采用在玻纤原料中加入导电金属再拉丝制备出导电纤维。以上两种方式是现有制备导电玻璃纤维的主要方法，但是工艺复杂，成本较高，不容易实现大规模制备与应用。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法及装置，采用聚合物裂解气相沉积生长涂层的方法，可实现导电玻璃长纤维的连续制备。本发明以聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等固体聚烯烃类材料作为碳源，在无氧环境中采用激光或高温炉加热，固体聚合物碳源高温裂解，高分子材料的C-H键与C-C键断裂，得到游离的活性碳原子，碳原子在SiO2上生长制备出碳化硅，并进一步生成石墨烯涂层，从而使玻璃纤维具有较高的导电性。本方法创新设计出表面涂层可控制备装置，可实现导电涂层厚度的可控制备；同时结合前处理装置，烘干加热装置以及收集装置等，形成导电玻璃长纤维连续制备生产线，能够实现导电玻璃长纤维的可控、连续、绿色制备。实现上述目的采用的方法为：第一步，将固体聚合物碳源PE等放入涂层可控制备装置的加热仓中，加热仓封闭；第二步，加热仓抽真空并通入惰性气体；第三步，采用激光或高温炉加热，使固体聚合物碳源高温加热裂解，得到游离的活性碳原子；第四步，玻璃纤维经前处理烘干后进入到涂层可控制备装置；第五步、涂层可控制备装置中加热仓内的活性碳原子在玻纤表面生长，最终制备出导电纳米涂层。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法采用的装置主要包括涂层可控制备装置、放丝装置、前处理装置、烘干装置、收卷装置及尾气处理装置等。其中，涂层可控制备装置内可做封闭处理，可通入惰性气体排除空气，涂层可控制备装置主要包括加热保温装置、加热仓、真空惰性气体输出装置、冷却装置及流量控制系统。加热装置可采用电加热、等离子加热或者激光加热等对加热仓进行加热；加热仓内堆有聚乙烯等高分子材料；加热仓外部为保温装置；抽真空装置可对加热仓进行抽真空处理；冷却装置可产生冷气；流量控制系统可采用流量控制阀，流量控制系统可控制高分子材料分解产生物质流出量和冷气的排出量。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法采用的前处理装置可对玻璃纤维原丝表面进行处理，可实现玻璃纤维表面的杂质去除，以及玻纤表面的改性。烘干装置可对表面处理后的玻璃纤维进行烘干处理，同时对纤维进行一定的预加热。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法采用的放丝装置和收卷装置相互配合可控制玻璃纤维的涂层过程中的移动速度，同时提供给玻璃纤维一定的预紧力。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法涂层可控制备装置中的流量控制系统分为加热装置流量控制系统和冷却装置流量控制系统。加热装置流量控制系统通过流量阀控制加热仓内聚合物分解物的排出量；冷却装置流量控制系统通过开关阀控制冷却装置产生的冷气。其中，冷却装置产生的气体为氮气或者惰性气体。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，涂层可控制备装置可做封闭处理，通入惰性气体排除氧气；玻璃纤维移动到加热仓聚合物裂解物排出口时，可采用激光对玻璃纤维进行加热，提高生长质量。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，涂层可控制备装置中的加热仓经真空惰性气体输出装置可做真空处理，也可通入惰性气体。加热仓外部为加热保温装置，防止热量流失。加热仓设有开口，可定时添加聚合物碳源。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，制备出的导电碳纳米涂层玻璃纤维的微观结构为：内部为玻璃纤维，外部为碳纳米涂层。碳纳米涂层为石墨烯结构或类石墨烯结构，碳纳米涂层厚度根据工艺不同可实现厚度可控，涂层厚度可为为1nm-200nm。
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，制备出的导电碳纳米涂层玻璃纤维的工艺参数主要包括：加热仓加热温度可达600℃-3000℃；导电玻璃纤维制备移动速度为1-100mm/min；导电纤维制备放丝装置设定一定收集装置牵伸比为1：1-1：1.1或者采用恒张力控制；导电纤维可单丝制备或者多丝制备，也可单束或者多束制备。
本发明提出一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法及装置，该发明主要创新点包括：(1)提出一种新的导电碳纳米涂层玻璃纤维结构采用碳纳米涂层包覆玻璃纤维，实现导电导热性能；(2)利用固体聚合物PE或者PVC等聚烯烃类作为碳源代替甲烷等气体，成本低；(3)在提出了一种新的涂层可控制备方式，采用裂解化学沉积生长的方法，在制备涂层过程中通过控制工艺条件实现涂层的可控制备；(4)本发明提出一种新的导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法及装备，能够实现碳纳米涂层玻璃长纤维连续化制备，达到导电导热性能，扩大材料的应用领域。
附图说明
图1为本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备装置示意图。
图2为本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备装置制备的导电碳纳米涂层玻璃纤维截面示意图。
图中：1-收卷装置，2-冷却装置，3-冷却气体控制开关，4-加热仓流量阀，5-加热及保温装置，6-加热仓，7-高分子材料，8-控制系统，9-烘干装置，10-前处理装置，11-放丝装置，12-尾气处理装置，13-玻璃纤维原丝，14-导电碳纳米涂层纤维，15-碳纳米涂层，16-玻璃纤维，17-涂层可控制备装置。
具体实施方式
本发明一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备装置，主要包括收卷装置1、冷却装置2、冷却气体控制开关3、加热仓流量阀4、加热及保温装置5、加热仓6、高分子材料7、控制系统8、烘干装置9、前处理装置10、放丝装置11、尾气处理装置12、玻璃纤维原丝13、涂层可控制备装置17及真空惰性气体输出装置，其中，涂层可控制备装置17内可做封闭处理，可通入惰性气体排除空气，加热及保温装置、加热仓、抽真空装置、冷却装置、保温装置及流量控制系统和真空惰性气体输出装置都属于涂层可控制备装置17，各部分装置相互关系如图1所示，玻璃纤维原丝13通过放丝装置11可进入前处理装置10中；前处理装置10，烘干装置9与涂层可控制备装置17连接；在涂层可控制备装置17中，加热仓6与冷却装置2位于玻璃纤维16两侧；加热仓6内盛有高分子材料7，加热仓6外部为加热及保温装置5，加热仓6也与真空惰性气体输出装置相连；冷却气体控制开关3和加热仓流量阀4分别连接冷却装置2出口和加热仓6出口，并靠近纤维；尾气处理装置12收集涂层可控制备装置17中产生的废气并处理；控制系统8控制导电纤维连续化生产制备的工艺参数；制备的导电碳纳米涂层纤维14由收卷装置1收集。
本发明旨在提供一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，如图1所示从右到左的工艺过程，具体实施方式为：(1)玻璃纤维原丝13通过放丝装置11进入前处理装置10中，玻璃纤维原丝13进行表面处理及改性。(2)玻璃纤维原丝13进一步移动到烘干装置9中进行烘干处理，并对纤维进行预热。(3)真空惰性气体输出装置对涂层可控制备装置17中的加热仓6抽真空或通入惰性气体去除氧气，加热仓6加热对高分子材料7进行加热分解，分解温度大于600℃，使聚合物C-C键及C-H键断裂。(4)加热仓流量阀4开启，将裂解产生的产物定量经加热仓流量阀4出口排出到纤维表面进行涂层生长，在玻璃纤维原丝13表面生成了碳纳米涂层14；加热仓流量阀4开启同时开启尾气处理装置12，涂层可控制备装置17中产生得废气经尾气处理装置17收集并处理.(5)冷却装置2启动，冷却气体控制开关3打开，流出的惰性气体或者氮气对获得的导电碳纳米涂层纤维14进行冷却。(6)碳纳米涂层后的纤维即导电碳纳米涂层纤维14连续不断制备，并且由收卷装置1卷绕，直到加热仓6中的高分子材料7分解完毕，在加热仓6重新加入加入高分子材料7，继续上述过程。导电碳纳米涂层纤维14的结构如图2所示。导电涂层纤维在制备过程中连续化生产，控制系统8控制各工艺参数，可实现不同规格纤维的制备。
Claims (5)
1.一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，其特征在于：第一步，将固体聚合物碳源放入涂层可控制备装置的加热仓中，加热仓封闭；第二步，加热仓抽真空并通入惰性气体；第三步，采用激光或高温炉加热，使固体聚合物碳源高温加热裂解，得到游离的活性碳原子；第四步，玻璃纤维经前处理烘干后进入到涂层可控制备装置；第五步、涂层可控制备装置中加热仓内的活性碳原子在玻纤表面生长，最终制备出导电纳米涂层。
2.根据权利要求1所述的一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，其特征在于：第三步中玻璃纤维移动到加热仓聚合物裂解物排出口时，采用激光对玻璃纤维进行加热。
3.根据权利要求1所述的一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，其特征在于：碳纳米涂层厚度为1nm-200nm。
4.根据权利要求1所述的一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备方法，其特征在于：加热仓加热温度为600℃-3000℃；导电玻璃纤维制备移动速度为1-100mm/min。
5.一种导电碳纳米涂层玻璃纤维制备装置，其特征在于：主要包括涂层可控制备装置、放丝装置、前处理装置、烘干装置、收卷装置及尾气处理装置等，其中，涂层可控制备装置内可做封闭处理，可通入惰性气体排除空气，涂层可控制备装置主要包括加热保温装置、加热仓、真空惰性气体输出装置、冷却装置及流量控制系统，加热仓内堆有聚乙烯等高分子材料；加热仓外部为加热保温装置；抽真空装置可对加热仓进行抽真空处理；冷却装置可产生冷气；流量控制系统可采用流量控制阀，流量控制系统可控制高分子材料分解产生物质流出量和冷气的排出量。
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