CN103467000A - 一种利用废弃纤维制作的复合保温材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用废弃纤维制作的复合保温材料及制造这种复合保温材料的方法，应用于高温炉体上的绝热材料领域，复合保温材料包括基础原料和辅料，所述基础原料是废弃纤维原料，所述基础原料是经过高温煅烧后可以碳化的纤维材料；所述辅料包括石墨、粘合剂和树脂，所述废弃纤维原料为聚丙烯氰纤维、沥青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维和棉纤维的其中一种或其中多种组成。依照本发明的材料和方法制成的复合保温材料，具有更细的纤维直径，更小的导热系数，更好的耐烧蚀性，更高的纯度；由于采用废弃纤维来制作，降低了成本，提高企业的效益和产品的竞争力。

Description

一种利用废弃纤维制作的复合保温材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合保温材料的应用，具体涉及一种采用废弃纤维制作的复合保温材料以及这种复合保温材料的加工制造方法。

背景技术

保温材料被广泛的应用于玻璃、热处理、航空航天、钢铁、电力、太阳能、半导体等行业设备需要保温的领域，主要用在炉子的壳体中。但随着产品应用范围的扩大和普及，对炉体设备的性能和结构要求越来越苛刻，越来越复杂，包括要求具备更高的处理温度、更高的处理纯度、更大的体积、更轻的重量、更高的功率和其它技术优点。例如在电子、电气元件或者高功率的光学器件的制造过程中，需要更大的尺寸，更高的纯度，那么对生产这些晶体的炉体就提出更高的要求，这样对炉体的保温材料就提出了更苛刻、更可靠的要求。如果炉子热场的温度、纯度、体积不能满足要求，那么不管用再好的原料也生产不出满足要求的产品，而这其中最关键的就是热场保温材料的选择。

现有技术的保温材料主要采用国产氰纶作为主要原料，用这种原料制造的保温材料具有明显的问题和局限性：

1、密度大，相同尺寸的情况下，热容大，自身对热量的消耗大，耗能。而且整个热场的相对较重，安装和拆卸劳动强度大。

2、保温效果差，由于采用的纤维直径为15微米左右，在形同体积密度的情况下，热通道短，这样保温效果自然就差，从而给设备热工设计带来了无法逾越的屏障（如炉子温度设计不高，体积设计不大）。

3、耐烧蚀性差，由于自身纤维纯度不高，在高温热冲击过程中，耐受性差。

基于现有技术的保温材料以上几种性能和生产工艺的缺点，因此一种性价比高、物美价廉的保温材料就为设备保温领域所需求。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种新型的复合保温材料，以解决现有技术的耗能、保温效果差、耐烧蚀性差的技术问题。

本发明的又一目的是提供一种新型的复合保温材料的制造方法，以解决现有技术耗能、保温效果差、耐烧蚀性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，应用于高温炉体上的绝热材料领域，包括基础原料和辅料，所述基础原料是废弃纤维原料，所述基础原料是经过高温煅烧后可以碳化的纤维材料；所述辅料包括石墨、粘合剂和树脂。

依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，所述废弃纤维原料为聚丙烯氰纤维、沥青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维和棉纤维的其中一种或其中多种组成。

依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，所述粘合剂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶类材料和四氟乙烯树脂等胶粘剂的其中一种或其中多种组成；所述石墨为石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、碳纳米管等其中一种或多种组成。

依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，所述废弃纤维原料为沥青基、PAN基、粘胶基和酚醛基的其中一种；所述废弃纤维原料的形状为长纤维、短纤维、研磨纤维、布、毡和纸的其中一种或其中多种组成。

依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，所述复合保温材料的密度是成阶梯密度的。

依照本发明较佳实施例所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，所述复合保温材料的传热方向和导热系数是可调节性的。

一种利用废弃纤维制作复合保温材料的制造方法，包括：

步骤1: 将废弃纤维原料进行表面处理、破碎处理及分散处理；

步骤2：将处理后的纤维原料与辅料混合分散于水中；

步骤3：将混合后的材料均匀搅拌；

步骤4：将搅拌后的材料通过模具过滤，成型为胚体；

步骤5：将过滤后成型的胚体浸润树脂

步骤6：把浸润树脂后的胚体固化，干燥

步骤7：把干燥的胚体放入真空炉内煅烧碳化；

步骤8：把碳化的胚体放入真空炉内煅烧石墨化。

依照本发明较佳实施例所述的制造方法，步骤4装模成型的坯体形状可以是长方体、圆柱体等几何形状的其中一种。

依照本发明较佳实施例所述的制造方法，所述煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行的高温煅烧。

由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果：

第一、依照本发明的材料和方法制成的新型复合保温材料，由于采用废弃纤维来制作，降低了成本，提高企业的效益和产品的竞争力；

第二、本发明的新型复合保温材料具有更细的纤维直径，更小的导热系数，更好的耐烧蚀性，更高的纯度；而且采用的材料具有传热各向异性的特点，所以设计出的复合保温材料具有定向传热功能，而且热导系数可以根据需要来设计；

第三、使用这种新型复合保温材料使炉子在相同功率的情况下获得更高的温度，也可以使得炉子使用较小的功率获得更高的温度，这样起到节能降耗的作用；

第四、使用这种新型复合保温材料使得炉内的气氛获得更高的纯度，从而保证晶体生长的纯度，提高产品质量；

第五、本发明的复合保温材料在常温有氧环境中是惰性的，在最常见的环境中不会被氧化或腐蚀。而且质轻，密度可以阶梯设计，有利于热场环境的清洁和烧蚀需要。

附图说明

图1为碳纤维的结构示意图；

图2为石墨烯单层结构示意图；

图3为本发明的一种采用废弃碳纤维制造复合保温材料的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

本发明的核心思想在于，采用废弃纤维作为原料既爱护环境又降低成本，此外热导率和导热方向可以调节和设计，而且密度可以根据需要阶梯分布或局部不同，这样的作法，可以根据需要调整保温材料的耐烧蚀性。尤其是填充了石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、碳纳米管等其中一种或多种原材料的复合产品；这种填料的耐热性很高，最高可以达到3000℃。另外，这种填料具有很高的纯度，并且可以降低生产成本。

本发明采用一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，应用于高温炉体上的绝热材料领域，复合保温材料包括基础原料和辅料，所述基础原料是废弃纤维原料，是经过高温煅烧后可以碳化的纤维材料；所述废弃纤维原料可以是聚丙烯氰纤维、沥青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维和棉纤维的其中一种或其中多种组成。

所述辅料包括石墨、粘合剂和树脂；而所述粘合剂可以是环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶类材料和四氟乙烯树脂等胶粘剂的其中一种或其中多种组成；而所述石墨为石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、碳纳米管等其中一种或多种组成。

另外，前面提到的废弃纤维原料可以是沥青基、PAN基、粘胶基和酚醛基的其中一种；而石墨纤维的形状可以是长纤维、短纤维、研磨纤维、布、毡和纸的其中一种或其中多种组成。而做出来的复合保温材料的密度可以根据要求设计成阶梯密度，在需要耐烧蚀性好的地方密度设计高一点。

碳纤维、石墨纤维是一种特殊的材料，请参考图1为碳纤维结构示意图；应用在保温材料中的碳纤维或石墨纤维，经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维、纤维粉体或两者的混合，这种材料在纤维直径方向和纤维长度方向的导热系数具有很大的差异性，在高精度显微镜下是液晶结构，具有性能的各向异性，而且其纤维直径为7微米，较国产氰纶纤维直径的15微米来的小。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据纤维方向来调节复合保温材料的传热方向。应用在新型复合保温材料中的碳纤维或石墨纤维一般为短纤维或研磨纤维。在导热传热层中短纤维的分布是根据具体的成型工艺决定纤维的排布方向，一部分按照设计要求取向，一部分是杂乱无章分布的，总体是种立体网状结构，主要的传热方式是靠纤维搭接和介质传递共同实现的。可以通过调整取向纤维和杂乱纤维的比例来调整复合保温材料的传热性能和传热方向。

石墨烯也是一种特殊的材料，请参考图2为石墨烯单层结构示意图，石墨烯是从石墨中剥离出的石墨片，是仅由一层碳原子构成的薄片，明显比传统的鳞片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明显不同，是完全不同的两种物质。这种材料在垂直鳞片方向和平行鳞片方向的导热系数具有很大的差异性，平行鳞片方向的导热系数最大可以达到3000W/m▪K（普通石墨的导热系数一般小于1500 W/m▪K），而垂直鳞片方向的导热系数较小，在高精度显微镜下是六边形的层状鳞片结构，具有性能的各向异性。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据石墨烯的含量来调节复合材料的热导系数，并且可以根据石墨烯的取向性来调整传热的方向。

与现有技术的保温材料相比，本发明中的复合保温材料最大的不同在于其低热导系数，以及其导热系数和导热方向的可调节性和可设计性。

以下，则结合流程图，对举例以废弃碳纤维为原料来制造复合保温材料的工艺方法做出说明。

实施例一

请参考图3，本实施例为一种采用废弃碳纤维为原料来制造复合保温材料的流程图，可见，主要包括以下的步骤：

一种利用废弃碳纤维制作复合保温材料的制造方法，包括：

S201: 将废弃碳纤维原料进行表面处理、破碎处理及分散处理；

碳纤维是以喷丝的方式制成的，短的碳纤维则是喷丝所得碳纤维经过特制的刀具（例如龙门铡刀）或气体破碎机，按照预先设定的长度切割或破碎而成的。当然，为与辅料更好结合，则在制备短切碳纤维之前，需要对碳纤维根据不同的辅料做好表面处理，提高复合材料的性能。

在必要的情况下，还需要将处理过的短切碳纤维放入研磨机进行研磨;研磨碳纤维是通过短切得到的碳纤维进一步加工所得，一般是把短切好的短的碳纤维放入研磨机中研磨一定的时间，然后根据研磨时间和风洞分级得到一定目数的纤维粉体的碳纤维。

S202：将处理后的碳纤维原料与辅料混合分散于水中；

把以上研磨好的短的碳纤维、纤维粉体的碳纤维或两者的混合放入水中，也可以将粘合剂树脂按照设定比例放入水中混合，例如重量比例或体积比例，得到所需要的材料，一般混合后的材料中碳纤维的含量大于万分之二，例如碳纤维的含量大于万分之二，例如是万分之五，或者是千分之二。

S203：将混合后的材料均匀搅拌；

S204：将搅拌后的材料通过模具过滤，成型为胚体；

过滤的方法是用制作好的模具配上过滤网，主要把水过滤出去，留下来纤维。装模成型的坯体形状可以是长方体、圆柱体等几何形状的其中一种；而且，坯体的传热方向和导热系数可以设计调节。

S205：将过滤后成型的胚体浸润树脂；

S206：把浸润树脂后的胚体固化，干燥；

S207：把干燥的胚体放入真空炉内煅烧碳化；

S208：把碳化的胚体放入真空炉内煅烧石墨化。

煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行的高温煅烧，煅烧分成两个阶段，首先，加热到1000-1500度时，所有非碳原子将逐步被驱逐，碳含量逐步增加，随着非碳原子的排除，固相间发生一系列化学反应，是一种碳化过程；第二步，温度升高到2000-3000度时，残留的非碳原子继续排除，进一步反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规整，取向性显著提高，是一种石墨化过程。

综上所述，本发明一种新型复合保温材料处理，有效的提高和超越了传统保温材料的性能，同时提供一种制作复合保温材料的方法，这种复合保温材料可以根据实际的热工设计要求调节其热导系数和传热方向，同时可以具体需要设计其密度分布，能够有效提高保温材料的绝热效果，从而减少热场的重量和体积，为开发体积大，能耗小，性能高的炉子提供了有利的工作条件，同时这种新型复合保温材料易生产加工，成本低。

由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果：

第一、依照本发明的材料和方法制成的新型复合保温材料，由于采用废弃纤维来制作，降低了成本，提高企业的效益和产品的竞争力；

第二、本发明的新型复合保温材料具有更细的纤维直径，更小的导热系数，更好的耐烧蚀性，更高的纯度；而且采用的材料具有传热各向异性的特点，所以设计出的复合保温材料具有定向传热功能，而且热导系数可以根据需要来设计；

第三、使用这种新型复合保温材料使炉子在相同功率的情况下获得更高的温度，也可以使得炉子使用较小的功率获得更高的温度，这样起到节能降耗的作用；

第四、使用这种新型复合保温材料使得炉内的气氛获得更高的纯度，从而保证晶体生长的纯度，提高产品质量；

第五、本发明的复合保温材料在常温有氧环境中是惰性的，在最常见的环境中不会被氧化或腐蚀。而且质轻，密度可以阶梯设计，有利于热场环境的清洁和烧蚀需要。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，应用于高温炉体上的绝热材料领域，其特征在于，包括基础原料和辅料，所述基础原料是废弃纤维原料，所述基础原料是经过高温煅烧后可以碳化的纤维材料；

所述辅料包括石墨、粘合剂和树脂。

2.如权利要求1所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，其特征在于，所述废弃纤维原料为聚丙烯氰纤维、沥青纤维、粘胶纤维、预氧丝、酚醛纤维、碳纤维、石墨纤维、木质纤维和棉纤维的其中一种或其中多种组成。

3.如权利要求1所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，其特征在于，所述粘合剂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶类材料和四氟乙烯树脂等胶粘剂的其中一种或其中多种组成；所述石墨为石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、碳纳米管等其中一种或多种组成。

4.如权利要求1所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，其特征在于，所述废弃纤维原料为沥青基、PAN基、粘胶基和酚醛基的其中一种；所述废弃纤维原料的形状为长纤维、短纤维、研磨纤维、布、毡和纸的其中一种或其中多种组成。

5.如权利要求1所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，其特征在于，所述复合保温材料的密度是成阶梯密度的。

6.如权利要求1所述的一种利用废弃纤维制作的复合保温材料，其特征在于，所述复合保温材料的传热方向和导热系数是可调节性的。

7.一种利用废弃纤维制作复合保温材料的制造方法，其特征在于，包括：

步骤1: 将废弃纤维原料进行表面处理、破碎处理及分散处理；

步骤2：将处理后的纤维原料和辅料分散于水中；

步骤3：将混合后的材料均匀搅拌；

步骤4：将搅拌后的材料通过模具过滤，成型为胚体；

步骤5：将过滤后成型的胚体浸润树脂；

步骤6：把浸润树脂后的胚体固化，干燥；

步骤7：把干燥的胚体放入真空炉内煅烧碳化；

步骤8：把碳化的胚体放入真空炉内煅烧石墨化。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，步骤4装模成型的坯体形状可以是长方体、圆柱体等几何形状的其中一种。

9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述煅烧是在真空炉或惰性气氛保护下进行的高温煅烧。

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