CN111016137B - 水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法，首先将碳纤维软毡引入储存有水溶性酚醛树脂的浸渍罐中进行浸渍处理，浸渍完成后经挤压轮挤压出多余的浸渍液，然后将碳纤维软毡引入低温烘箱中进行脱水处理，完成后制得碳纤维预浸料软毡，然后将碳纤维预浸料软毡放在模具内，在热压机内通过热压固化处理变成碳纤维硬毡毛胚，然后将碳纤维硬毡毛胚在真空高温炉中烧结，制得石墨化的碳纤维隔热硬毡；采用水溶性酚醛树脂来代替酚醛树脂有机溶剂溶液作为固化剂，且对多个工艺步骤与工艺参数进行了适应性改变，最终避免了使用传统有机溶剂所产生的环境污染严重、安全危险性高、职业伤害严重、难于运输与储存、成本高等问题。

Description

水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法

技术领域

本发明涉及碳纤维隔热材料技术领域，尤其是涉及一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法。

背景技术

碳纤维隔热材料(例如碳纤维隔热硬毡)具有导热系数小、热容量低、线性膨胀系数小、高温下机械强度不变、耐腐蚀、轻量化等优异性能，在高温真空炉或惰性气氛炉内得到普遍运用，尤其是近几年，在半导体、蓝宝石、光纤、LED等高端科技领域，也展现出良好的使用前景,愈发显现出作为新材料的蓬勃活力。

采用酚醛树脂溶于有机溶剂(丙酮、酒精等有机溶剂)中的溶液作为固化剂，用来浸渍碳纤维软毡，使其热固化成型，并经高温烧结制得碳纤维隔热硬毡，是制造碳纤维隔热材的主流生产工艺。

目前国内企业都普遍使用酚醛树脂的有机溶剂溶液作为固化剂来制造碳纤维隔热材，虽然上述丙酮、酒精等有机溶剂具有易浸润、在热固化环节易挥发、对酚醛树脂适应性强等特点，但也存在着危险性高(易引发火灾)、环境污染严重(VOC排放)、对人体有害、运输储存要求严格(属于危险化学品)、成本高等一系列问题。

酚醛树脂也叫电木，又称电木粉，原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状，耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀，不溶于水，易溶于丙酮、酒精等有机溶剂中；由苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成的树脂；因选用催化剂的不同，可分为热固性和热塑性两类。酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。酚醛树脂主要用于制造各种塑料、涂料、胶粘剂及合成纤维等。

如何在碳纤维隔热硬毡的制备方法中，替换现有通用的酚醛树脂的有机溶剂溶液，避免使用上述有机溶剂后出现的环境污染严重、安全危险性高、职业伤害严重、难于运输与储存、成本高等问题，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法，包括以下依次进行的步骤：

1)将碳纤维软毡引入储存有水溶性酚醛树脂的浸渍罐中进行浸渍处理，浸渍完成后经挤压轮挤压出多余的浸渍液，然后将碳纤维软毡经输送带引入低温烘箱中进行烘干脱水处理，完成后制得碳纤维预浸料软毡；

2)将步骤1)制得的碳纤维预浸料软毡放在模具内，在热压机内通过热压固化处理变成具有一定尺寸和形状的碳纤维硬毡毛胚；

3)将步骤2)制得的碳纤维硬毡毛胚在真空高温炉中烧结，去除原料及生产过程中的各种杂质，并使碳原子的晶格排列更加整齐，烧结完成后制得石墨化的碳纤维隔热硬毡。

优选的，步骤1)中，所述碳纤维软毡选用经1000℃碳化处理后的PAN基碳纤维软毡，其含碳量大于90wt％，克重为1400g/m²。

优选的，步骤1)中，所述水溶性酚醛树脂的平均分子量为525Mw，残留固化物比例为120℃且3h条件下的20wt％，粘度为20℃条件下的950mPa·s。

优选的，步骤1)中，所述浸渍罐采用304不锈钢材质。

优选的，步骤1)中，所述挤压轮采用气动阀与气压缸控制，以根据碳纤维软毡的厚度调节挤压间隙，调节范围为1mm～20mm，气压缸的空气压力为0.5MPa。

优选的，步骤1)中，所述输送带与浸渍速度同步，输送带的前进速度为800mm/min。

优选的，步骤1)中，在低温烘箱中，浸渍后的碳纤维软毡被温度为80℃的低温热风吹扫，快速脱去表面水分。

优选的，步骤2)中，热压固化处理中，热压固化温度为200℃～215℃，热压固化时间为2小时。

优选的，步骤3)中，在真空高温炉中的烧结过程中，真空度为≤200Pa，且烧结温度为2375℃～2425℃。

本申请提供了一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法，首先将碳纤维软毡引入储存有水溶性酚醛树脂的浸渍罐中进行浸渍处理，浸渍完成后经挤压轮挤压出多余的浸渍液，然后将碳纤维软毡经输送带引入低温烘箱中进行脱水处理，完成后制得碳纤维预浸料软毡，然后将碳纤维预浸料软毡放在模具内，在热压机内通过热压固化处理变成碳纤维硬毡毛胚，然后将碳纤维硬毡毛胚在真空高温炉中烧结，制得石墨化的碳纤维隔热硬毡；

本申请采用水溶性酚醛树脂来代替酚醛树脂溶于有机溶剂中的溶液作为一种新的固化剂，由于水溶性酚醛树脂中含有水，且不含丙酮、酒精等有机溶剂，使得水溶性酚醛树脂不易引发火灾，危险性较低，环境友好，不会污染环境，对人体无害，不属于危险化学品，运输储存不困难；

且鉴于水溶性酚醛树脂自身的一些物化性质，本申请对碳纤维隔热硬毡的制备方法中的多个工艺步骤与工艺参数进行了适应性改变，例如增加了低温烘干脱水处理，且提高了热压固化处理的温度等等，制得的石墨化的碳纤维隔热硬毡中含碳量大于99wt％、灰分小于22ppm、厚度方向的压缩强度≥0.6MPa、弯曲强度≥1.0MPa，生产的碳纤维隔热硬毡具有良好的隔热性能、高纯度、且高温下机械强度不降低等优异特点，生产的碳纤维隔热硬毡的各项性能指标均同等于醇溶性酚醛树脂等酚醛树脂有机溶剂溶液作为固化剂所制得的碳纤维隔热硬毡；

从而最终实现了在碳纤维隔热硬毡的制备方法中，替换了现有通用的酚醛树脂的有机溶剂溶液，避免了上述有机溶剂所产生的环境污染严重、安全危险性高、职业伤害严重、难于运输与储存、成本高等问题。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本申请提供了一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法，包括以下依次进行的步骤：

1)将碳纤维软毡引入储存有水溶性酚醛树脂的浸渍罐中进行浸渍处理，浸渍完成后经挤压轮挤压出多余的浸渍液，然后将碳纤维软毡经输送带引入低温烘箱中进行烘干脱水处理，完成后制得碳纤维预浸料软毡；

2)将步骤1)制得的碳纤维预浸料软毡放在模具内，在热压机内通过热压固化处理变成具有一定尺寸和形状的碳纤维硬毡毛胚；

3)将步骤2)制得的碳纤维硬毡毛胚在真空高温炉中烧结，去除原料及生产过程中的各种杂质，并使碳原子的晶格排列更加整齐，烧结完成后制得石墨化的碳纤维隔热硬毡。

在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述碳纤维软毡选用经1000℃碳化处理后的PAN基碳纤维软毡，其含碳量大于90wt％，克重为1400g/m²。

在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述水溶性酚醛树脂的平均分子量为525Mw，残留固化物比例为120℃且3h条件下的20wt％，粘度为20℃条件下的950mPa·s。

在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述浸渍罐采用304不锈钢材质。

在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述挤压轮采用气动阀与气压缸控制，以根据碳纤维软毡的厚度调节挤压间隙，调节范围为1mm～20mm，气压缸的空气压力为0.5MPa。

在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述输送带与浸渍速度同步，输送带的前进速度为800mm/min。

在本申请的一个实施例中，步骤1)中，在低温烘箱中，浸渍后的碳纤维软毡被温度为80℃的低温热风吹扫，快速脱去表面水分。

在本申请的一个实施例中，步骤2)中，热压固化处理中，热压固化温度为200℃～215℃，热压固化时间为2小时。

在本申请的一个实施例中，步骤3)中，在真空高温炉中的烧结过程中，真空度为≤200Pa，且烧结温度为2375℃～2425℃。

水性树脂是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型树脂体系，树脂与水融合，形成溶液，待水挥发后，形成树脂膜材料。水性树脂不是使用水性树脂本身，而是需要水挥发后获得的膜材料。水性树脂按照树脂在水中的外观和溶解性分类为：水溶性树脂、水分散性树脂、乳液型树脂。

经调查，目前市场上并没有一款专用于碳纤维软毡浸渍的水溶性酚醛树脂，因为水溶性酚醛树脂和醇溶性酚醛树脂相比，其对碳纤维软毡的浸润性没有醇溶性酚醛树脂的浸润性好，会产生软毡层间结合力弱的毛病，直接影响了产品品质。经过实验发现选用合理分子量的酚醛树脂，优选的选择所述水溶性酚醛树脂的平均分子量为525Mw(Mw为重均分子量)，残留固化物比例为120℃且3h条件下的20wt％，粘度为20℃条件下的950mPa·s，可有效改善水溶性酚醛树脂对碳纤维软毡的浸润性，使产品质量得以保证。

本申请中的水溶性酚醛树脂在使用的时候不需要再加水稀释，其本身含有水且已经被水稀释到一定粘度。水溶性酚醛树脂中所含的水来自：原料中含有水，且含有水分的原料在和其他化学物质进行缩聚反应中还会产生一些水分，另外反应完成后还会再添加一定量的水作为溶剂来调节液体酚醛树脂的粘度。

因水的比重比较大，如果浸渍后的碳纤维软毡长时间静置的话，水作为载体，会带着水溶性酚醛树脂从高处往下流动，因而在碳纤维软毡内产生树脂分布不匀的现象，最终影响产品的品质。为此本申请在浸渍处理之后且热压固化处理之前，增加了一个低温烘干脱水处理，大部分水在此过程中被去除，酚醛树脂会比较均匀地留在碳纤维软毡内部，这样使得最终的碳纤维隔热硬毡的隔热性能会有一定提高。

由于水的沸点要比醇溶剂高，因此在热压固化过程中，二者去除溶剂的温度和时间是不一样的，为提高生产效率，在相同的热压固化时间条件下，提高了热压固化温度。

本申请中未详细描述的装置和方法均为现有技术，不再赘述。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法，包括以下依次进行的步骤：

1)将碳纤维软毡引入储存有水溶性酚醛树脂的浸渍罐中进行浸渍处理，浸渍完成后经挤压轮挤压出多余的浸渍液，然后将碳纤维软毡经输送带引入低温烘箱中进行烘干脱水处理，完成后制得碳纤维预浸料软毡；

步骤1)中，所述水溶性酚醛树脂的平均分子量为525Mw，残留固化物比例为120℃且3h条件下的20wt％，粘度为20℃条件下的950mPa·s；

步骤1)中，所述浸渍罐采用304不锈钢材质；

步骤1)中，所述碳纤维软毡选用经1000℃碳化处理后的PAN基碳纤维软毡，其含碳量大于90wt％，克重为1400g/m²；

步骤1)中，所述挤压轮采用气动阀与气压缸控制，以根据碳纤维软毡的厚度调节挤压间隙，调节范围为1mm～20mm，气压缸的空气压力为0.5MPa；

步骤1)中，所述输送带与浸渍速度同步，输送带的前进速度为800mm/min；

步骤1)中，在低温烘箱中，浸渍后的碳纤维软毡被温度为80℃的低温热风强力吹扫，快速脱去表面水分；

2)将步骤1)制得的碳纤维预浸料软毡放在模具内，在热压机内通过热压固化处理变成具有一定尺寸和形状的碳纤维硬毡毛胚；

步骤2)中，热压固化处理具体为：在210℃温度且热压2小时后固化成型为碳纤维硬毡毛胚；

3)将步骤2)制得的碳纤维硬毡毛胚在真空高温炉中烧结，去除原料及生产过程中的各种杂质，并使碳原子的晶格排列更加整齐，烧结完成后制得石墨化的碳纤维隔热硬毡；

步骤3)中，在真空高温炉中的烧结过程中，碳纤维硬毡毛胚在真空度≤200Pa、烧结温度为2400℃烧结。

经检测，实施例1制得的石墨化的碳纤维隔热硬毡中含碳量大于99wt％、灰分小于22ppm、厚度方向的压缩强度≥0.6MPa、弯曲强度≥1.0MPa，具有良好的隔热性能、高纯度、且高温下机械强度不降低等优异特点，各项性能指标均同等于醇溶性酚醛树脂作为固化剂所制得的碳纤维隔热硬毡。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种水溶性酚醛树脂作为固化剂制备碳纤维隔热硬毡的方法，其特征在于，包括以下依次进行的步骤：

1) 将碳纤维软毡引入储存有水溶性酚醛树脂的浸渍罐中进行浸渍处理，浸渍完成后经挤压轮挤压出多余的浸渍液，然后将碳纤维软毡经输送带引入低温烘箱中进行烘干脱水处理，完成后制得碳纤维预浸料软毡；所述碳纤维软毡选用经1000℃碳化处理后的PAN基碳纤维软毡，其含碳量大于90wt%，克重为1400g/m²；

在低温烘箱中，浸渍后的碳纤维软毡被温度为80℃的低温热风吹扫，快速脱去表面水分；

2) 将步骤1)制得的碳纤维预浸料软毡放在模具内，在热压机内通过热压固化处理变成具有一定尺寸和形状的碳纤维硬毡毛胚；

热压固化处理中，热压固化温度为200℃～215℃，热压固化时间为2小时；

3) 将步骤2)制得的碳纤维硬毡毛胚在真空高温炉中烧结，去除原料及生产过程中的各种杂质，并使碳原子的晶格排列更加整齐，烧结完成后制得石墨化的碳纤维隔热硬毡；

所述水溶性酚醛树脂的平均分子量为525Mw，残留固化物比例为120℃且3h条件下的20wt%，粘度为20℃条件下的950mPa•s；

在真空高温炉中的烧结过程中，真空度为≤200Pa，且烧结温度为2375℃～2425℃；

所述制得石墨化的碳纤维隔热硬毡中含碳量大于99wt%、灰分小于22ppm、厚度方向的压缩强度≥0.6MPa、弯曲强度≥1.0MPa。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述浸渍罐采用304不锈钢材质。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述挤压轮采用气动阀与气压缸控制，以根据碳纤维软毡的厚度调节挤压间隙，调节范围为1mm～20mm，气压缸的空气压力为0.5MPa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述输送带与浸渍速度同步，输送带的前进速度为800mm/min。