CN113046920A - 一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，所述方法包括以下步骤：将第一丝径和第二丝径的有机纤维分别开松成蓬松的单根纤维；将开松后的所述第一丝径的有机纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成多层内网胎；将开松后的所述第二丝径的有机纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成两层外网胎；将所述多层内网胎依次循环叠加，再将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧，利用针刺整体成型，得到所述用于碳纤维软毡的预制体；其中，所述第一丝径大于所述第二丝径。本发明同时兼顾细丝径的散射效果以及粗丝径的低密度带来的增强的保温绝热效果，即，对辐射的散射的提高带来的辐射传热的降低以及低的密度带来的传导的传热的降低。
Description
技术领域
本发明涉及隔热保温材料制备技术领域，尤其涉及一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法。
背景技术
碳毡是一种基于含碳量在99.9%以上的碳纤维的保温材料，广泛用于温度在1200℃以上的高温真空或惰性气体保护的环境中。具体应用包括光伏单晶长晶炉、半导体长晶炉、各种高温炉在内的各种场合。碳毡工作时，一面面向高温，对来自高温区的热起到阻隔作用，从而达到隔热和保温的作用。
碳毡的典型制成方式是，把有机纤维利用无纺工艺制成具有一定厚度、宽度和长度的预制体。然后在1000℃左右的真空或惰性气体保护下将预制体碳化，去除其中碳以外的元素，碳化过程中也伴随部分碳元素的损失，形成大约含碳量在99%以上的碳化毡，其中含有碳以及碳化过程中未能完全去除的碳氢和各种杂质。碳化后获得初步的石墨化结构。接下来对碳化毡再进行近2000℃左右或更高温的石墨化。在石墨化过程中，材料中的碳氢以及各种杂质得到挥发，获得更高的含碳量和纯度。高温下，微观的碳结构逐步形成有序的石墨化晶体结构。
把纤维制成预制体的无纺针刺过程以及形成的预制体，对最终的软毡的保温性能有很大的影响。
目前的软毡预制体采用的纤维都是相同丝径的。按照理论和实践，细的丝径可以形成对光的散射，增加反射的效果。热量的传递主要依靠传导、对流和辐射。软毡作为保温材料用在高温炉内时，通过低的导热系数 (热导率) 来减小传导来实现保温；在高温应用中，辐射的作用是非常强烈的，随着温度的升高，辐射起到的传热作用以指数形式升高。因此，对热辐射的有效反射可以提高材料的隔热效果。
但是，细丝径的纤维通过针刺制成的预制体，其密度不可避免地增大，该效果类似用直径小的碎石子填充一个容器，其填充质量远大于用大直径的碎石子填充的质量，因为直径小的石子可以更有效地填充空间，增大密度。纤维作针刺的道理是一样的。细丝径的纤维制成的预制体的密度高。按照理论和实践，预制体的密度增加时，最终制成的软毡的密度也增加。而软毡的密度增加时，其导热效果也增加，这个降低了其保温隔热的效果。因为当密度增大时，在材料的两个表面之间有更多的物质填充，形成热量传导的桥梁。
由此可见，纤维的丝径减少带来的散射效果的增加被密度增加的效果抵消掉了。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，以提高碳纤维软毡的保温性能。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高碳纤维软毡的保温性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、 将第一丝径和第二丝径的有机纤维分别开松成蓬松的单根纤维；
步骤2、 将开松后的所述第一丝径的有机纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成多层内网胎；
步骤3、 将开松后的所述第二丝径的有机纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成两层外网胎；
步骤4、 将所述多层内网胎依次循环叠加，再将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧，利用针刺整体成型，得到所述用于碳纤维软毡的预制体；
其中，所述第一丝径大于所述第二丝径。
进一步地，所述步骤1中所述有机纤维包括聚丙烯腈纤维、沥青基纤维、黏胶基纤维中的一种或多种。
进一步地，所述步骤1中所述第一丝径为10到20微米。
进一步地，所述步骤1中所述第二丝径为3到5微米。
进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、 将所述多层内网胎依次循环叠加并对叠加的所述多层内网胎进行反复针刺，使得所述多层内网胎复合成整体；
步骤4.2、 将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧；
步骤4.3、 将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎进行针刺成型，得到所述用于碳纤维软毡的预制体。
更进一步地，所述步骤4.1中所述对叠加的所述多层内网胎进行反复针刺具体包括：将叠加的所述多层内网胎沿着水平方向前进，使一个布满针的针板在所述叠加的所述多层内网胎的上面向下往复运动，其中所述针的侧面带有针钩，并且当所述针刺进所述叠加的所述多层内网胎后向上拔出时，所述针钩带起部分纤维向上形成大体垂直的纤维束。
更进一步地，所述步骤4.3中所述将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎进行针刺成型具体包括：将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎沿着水平方向前进，使一个布满针的针板在所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎的上面向下往复运动，其中所述针的侧面带有针钩，并且当所述针刺进所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎后向上拔出时，所述针钩带起部分纤维向上形成大体垂直的纤维束。
更进一步地，所述步骤4.3中所述将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎进行针刺成型的垂直行程小于所述步骤4.1中所述对叠加的所述多层内网胎进行反复针刺的垂直行程。
进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、 将所述多层内网胎依次循环叠加并将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧；
步骤4.2、 对叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎进行反复针刺，使得所述多层内网胎和所述两层外网胎复合成整体，得到所述用于碳纤维软毡的预制体。
更进一步地，所述步骤4.2中所述对叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎进行反复针刺具体包括：将所述叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎沿着水平方向前进，使一个布满针的针板在所述叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎的上面向下往复运动，其中所述针的侧面带有针钩，并且当所述针刺进所述叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎后向上拔出时，所述针钩带起部分纤维向上形成大体垂直的纤维束。
本发明的有益效果在于：
同时兼顾细丝径的散射效果以及粗丝径的低密度带来的增强的保温绝热效果，即，对辐射的散射的提高带来的辐射传热的降低以及低的密度带来的传导的传热的降低。
以下将对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
具体实施方式
以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明的目的在于提供一种新型的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，通过在预制体的内层和外层使用由不同丝径的有机纤维 (聚丙烯腈纤维、沥青基纤维、黏胶基纤维等) 制成的网胎，同时兼顾细丝径的散射效果以及粗丝径的低密度带来的增强的保温绝热效果，即，对辐射的散射的提高带来的辐射传热的降低以及低的密度带来的传导的传热的降低。
实施例1
一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，包括步骤：
(1) 将丝径在10-20微米之间的聚丙烯腈纤维开松成蓬松的单根纤维。
(2) 将开松后的聚丙烯腈纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成多层内网胎。
(3) 专门制作两层用丝径更细的聚丙烯腈纤维制作的外网胎；这个丝径比多层内网胎用的纤维的丝径要细很多，可以在3-5微米之间。
(4) 将多层内网胎依次循环叠加并对叠加的多层内网胎进行反复针刺以制成预制体。进行针刺时，叠加的多层内网胎沿着水平方向前进，一个布满针的针板在叠加的多层内网胎的上面向下往复运动，针的侧面带有针钩，刺进叠加的多层内网胎后向上拔出时，针钩会带起部分纤维向上形成纤维束，垂直的纤维束对网胎层形成固定作用，当针板不停地上下运动时，在叠加的多层内网胎上形成一定密度的纵向纤维纠缠在一起，将叠加的多层内网胎复合形成一个牢固的整体。
(5) 将细丝径纤维的外网胎分置于已经复合好的多层内网胎的外层。
(6) 将细丝径纤维的外网胎和已经复合的多层内网胎进行复合，因为这个是最后进行复合的，钩针的垂直行程可以较浅，保证将细丝径纤维的外网胎和已经复合的多层内网胎进行复合即可。
实施例2
一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，包括步骤：
(1) 将丝径在10-20微米之间的沥青基纤维开松成蓬松的单根纤维。
(2) 将开松后的沥青基纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成多层内网胎。
(3) 专门制作两层用丝径更细的沥青基纤维制作的外网胎；这个丝径比多层内网胎用的纤维的丝径要细很多，可以在3-5微米之间。
(4) 将多层内网胎依次循环叠加并对叠加的多层内网胎进行反复针刺以制成预制体。进行针刺时，叠加的多层内网胎沿着水平方向前进，一个布满针的针板在叠加的多层内网胎的上面向下往复运动，针的侧面带有针钩，刺进叠加的多层内网胎后向上拔出时，针钩会带起部分纤维向上形成纤维束，垂直的纤维束对网胎层形成固定作用，当针板不停地上下运动时，在叠加的多层内网胎上形成一定密度的纵向纤维纠缠在一起，将叠加的多层内网胎复合形成一个牢固的整体。
(5) 将细丝径纤维的外网胎分置于已经复合好的多层内网胎的外层。
(6) 将细丝径纤维的外网胎和已经复合的多层内网胎进行复合，因为这个是最后进行复合的，钩针的垂直行程可以较浅，保证将细丝径纤维的外网胎和已经复合的多层内网胎进行复合即可。
实施例3
一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，包括步骤：
(1) 将丝径在10-20微米之间的黏胶基纤维开松成蓬松的单根纤维。
(2) 将开松后的黏胶基纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成多层内网胎。
(3) 专门制作两层用丝径更细的黏胶基纤维制作的外网胎；这个丝径比多层内网胎用的纤维的丝径要细很多，可以在3-5微米之间。
(4) 将多层内网胎依次循环叠加，并将细丝径纤维的外网胎叠加于多层内网胎的外层。
(5) 对叠加的内网胎和外网胎进行反复针刺以制成预制体。进行针刺时，叠加的内网胎和外网胎沿着水平方向前进，一个布满针的针板在叠加的内网胎和外网胎的上面向下往复运动，针的侧面带有针钩，刺进叠加的内网胎和外网胎后向上拔出时，针钩会带起部分纤维向上形成纤维束，垂直的纤维束对网胎层形成固定作用，当针板不停地上下运动时，在叠加的内网胎和外网胎上形成一定密度的纵向纤维纠缠在一起，将叠加的内网胎和外网胎复合形成一个牢固的整体。
因为预制体的绝大多数网胎的纤维仍旧是采用了普通的较粗的丝径，仍旧可以保证较低的密度和热导率，获得理想的保温效果。同时，在最外层，因为使用了直径更细的纤维，对辐射的散射和反射的作用更为增加。但这个仅限于最表层，对密度的增加是可以忽略的。因此可以获得两种丝径的最佳的效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、 将第一丝径和第二丝径的有机纤维分别开松成蓬松的单根纤维；
步骤2、 将开松后的所述第一丝径的有机纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成多层内网胎；
步骤3、 将开松后的所述第二丝径的有机纤维梳理成网并铺成纤维网，预制成两层外网胎；
步骤4、 将所述多层内网胎依次循环叠加，再将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧，利用针刺整体成型，得到所述用于碳纤维软毡的预制体；
其中，所述第一丝径大于所述第二丝径。
2.如权利要求1所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述有机纤维包括聚丙烯腈纤维、沥青基纤维、黏胶基纤维中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述第一丝径为10到20微米。
4.如权利要求3所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述第二丝径为3到5微米。
5.如权利要求1所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、 将所述多层内网胎依次循环叠加并对叠加的所述多层内网胎进行反复针刺，使得所述多层内网胎复合成整体；
步骤4.2、 将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧；
步骤4.3、 将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎进行针刺成型，得到所述用于碳纤维软毡的预制体。
6.如权利要求5所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4.1中所述对叠加的所述多层内网胎进行反复针刺具体包括：将叠加的所述多层内网胎沿着水平方向前进，使一个布满针的针板在所述叠加的所述多层内网胎的上面向下往复运动，其中所述针的侧面带有针钩，并且当所述针刺进所述叠加的所述多层内网胎后向上拔出时，所述针钩带起部分纤维向上形成大体垂直的纤维束。
7.如权利要求6所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4.3中所述将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎进行针刺成型具体包括：将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎沿着水平方向前进，使一个布满针的针板在所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎的上面向下往复运动，其中所述针的侧面带有针钩，并且当所述针刺进所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎后向上拔出时，所述针钩带起部分纤维向上形成大体垂直的纤维束。
8.如权利要求7所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4.3中所述将所述两层外网胎和已经复合的所述多层内网胎进行针刺成型的垂直行程小于所述步骤4.1中所述对叠加的所述多层内网胎进行反复针刺的垂直行程。
9.如权利要求1所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、 将所述多层内网胎依次循环叠加并将所述两层外网胎叠加在所述多层内网胎外侧；
步骤4.2、 对叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎进行反复针刺，使得所述多层内网胎和所述两层外网胎复合成整体，得到所述用于碳纤维软毡的预制体。
10.如权利要求9所述的用于碳纤维软毡的预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4.2中所述对叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎进行反复针刺具体包括：将所述叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎沿着水平方向前进，使一个布满针的针板在所述叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎的上面向下往复运动，其中所述针的侧面带有针钩，并且当所述针刺进所述叠加的所述多层内网胎和所述两层外网胎后向上拔出时，所述针钩带起部分纤维向上形成大体垂直的纤维束。
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