CN108017362B - 一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法,由硅粉、椰壳、苯酚、聚乙烯醇等原料制成,本发明以椰壳制备多孔碳纤维,经多次改性工艺处理,得到高机械强度、高吸附性的多孔碳纤维,再经碱性硅溶胶浸渍,其发达的中孔结构令其具有耐高温和极低的导热特性,进一步加强了碳纤维的隔热绝热能力,由此所得复合材料不仅质轻,同时具有高效的隔热能力和低导热系数,大大降低了隔热材料的使用成本,适合于各领域对保温材料的需求。
Description
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域,尤其涉及一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展,军事、国防、冶金、化工等国民经济各领域对保温材料的需求日益剧增,且对保温材料的性能要求越来越高。我国拥有硬质合金烧结炉、单晶硅炉、多晶铸锭炉、真空冶炼炉、真空热处理炉、气相沉积炉等多种高温炉至少10万台以上,这些高温炉目前很大一部分仍普遍采用传统的隔热保温材料,其重量大、导热系数高,部分成型工艺复杂,成本较高,难以满足现阶段人们对隔热材料轻质高效的绝热需求。
多孔隔热材料具有重量轻、孔隙率高以及优异的隔热性能,多孔隔热材料是隔热材料体系中应用最广、最有效的材料之一。传统有机类泡沫绝热材料、玻璃纤维和石棉等导热系数偏高,实际应用体积偏大,同时旧材料难以降解回收,环境污染大。因此,设计开发新型轻质高效的隔热材料至关重要。
多孔碳纤维是一种新型的多孔纤维状吸附材料,因其独特的孔隙结构和形态而具有较一般多孔炭更大的比表面积、更高的孔容、更快的吸附速率和更强的再生能力。自从上世纪七十年代问世以来,就被广泛应用于空气净化、废气废水处理、军事防护、金属回收、电子器材等方面,尤其在隔热绝热方面,表现出了优异的性能。目前,市场上的多孔碳纤维主要有聚丙烯腈基多孔碳纤维、沥青基多孔碳纤维、粘胶基多孔碳纤维和酚醛基多孔碳纤维等,不同碳纤维在碳化速度、产碳率、孔隙率以及碳化后的韧性均不一样。因此,需要结合传统碳纤维制备方法,通过优化改进工艺,提供孔径小、孔隙率高、纤维均一性好以及结合力强的多孔碳纤维。
与此同时,由于碳纤维的制备工艺包括碳化或石墨化,使得碳纤维表面的碳原子堆叠取向更一致,原子层间距更小,所以纤维表面表现为非极性和化学惰性,另外碳纤维表面有疏水、光滑、吸附性能低等缺点,导致碳纤维与其复合的材料间界面粘结性差。因此,需要对碳纤维表面进行改性,提高其与复合材料的界面粘结强度。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将硅粉粉碎过180-200目筛,并用60-70℃热水浸泡20-30分钟,之后倒掉热水,将活化的硅粉加入到20-30%氢氧化钠溶液中,完全浸没后不断搅拌并加热至90-95℃,在此温度下反应8-10小时,得到碱性硅溶胶;
(2)将纺丝液置于静电纺丝仪中,使用铝箔纸包裹接收器,使初纺纤维收集在铝箔纸上,纺丝过程工艺参数为正压15-16kV,负压1.5-2kV,推进速率0.04-0.05mm/min,接收速率30-32r/min,针头与接收器之间距离为15-18cm,环境温度30-40℃,纺丝完成后在室温下静置一天,得到初纺纤维,再将其置于烘箱中,升温至160-170℃固化60-70分钟,取出后再送入管式炉中,在氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率从室温升至750-850℃,保温1-2小时,自然冷却后得到碳纤维备用;
(3)以步骤2所得碳纤维作为阳极,石墨为阴极,在质量分数为8-10%的磷酸铵电解质中,控制电流密度为0.3-0.35A/m2,阳极氧化处理1.5-2分钟,收集碳纤维用清水冲洗净,得到改性碳纤维备用;
(4)将步骤3所得改性碳纤维浸入步骤1所得碱性硅溶胶中,浸渍后取出,将所得碳纤维材料送入干燥箱中烘干,即得本发明隔热复合材料。
所述步骤1中使用热水活化硅粉时采取先加入一半硅粉,再分3-4次加入剩余硅粉的投料方式。
所述步骤2中纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100-120目筛,烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比(5-7):(20-25):(0.6-0.9)混合并搅拌均匀,置于140-160℃油浴锅中反应100-120分钟,之后降至室温,加入氢氧化钠中和pH至中性,将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1:(9-11)混合搅拌60-80分钟,离心并过滤,除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60-70℃下浓缩,除去二恶烷,得纯液化物,再与聚乙烯醇按质量比(45-46):(4-5)混合后用氢氧化钠调节pH至10-11,之后加入甲醛溶液,升温至80-85℃,反应2-3小时后冷却至室温,得到纺丝液。
所述步骤4中浸渍时将溶胶体系加热至55-65℃,浸渍12-18小时。
所述步骤4中干燥温度控制在70-90℃,干燥时间为20-24小时。
所述的纺丝液的制备方法,加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n(甲醛):n(苯酚)=(1.4-1.5):1。
本发明的优点是:
本发明采用苯酚液化的方法,将椰壳液化为多活性小分子,避免传统木质素因结构复杂且含大量杂质,直接用于纺丝效果不理想的缺陷,再以酚醛为单元连接为高聚物,具有更快的碳化速度、更高的产碳率和孔隙率,并且酚醛树脂由于形成交联结构,所以碳化后仍可保持一定韧性,再结合静电纺丝优化的工艺参数处理,较传统的熔融纺丝,使纤维直径更细,达到纳米级,从而具有更大的比表面积,由此得到的高机械强度、高吸附性的碳纤维经碱性硅溶胶浸渍,能极好的吸附固载二氧化硅溶胶颗粒,而二氧化硅溶胶发达的中孔结构令其具有耐高温和极低的导热特性,进一步加强了碳纤维的隔热绝热能力,由此所得复合材料不仅质轻,同时具有高效的隔热能力和低导热系数,大大降低了隔热材料的使用成本,适合于各领域对保温材料的需求。
具体实施方式
一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将硅粉粉碎过180目筛,并用60℃热水浸泡20分钟,投入热水时采取先加入一半硅粉,再分3次加入剩余硅粉的投料方式,之后倒掉热水,将活化的硅粉加入到20%氢氧化钠溶液中,完全浸没后不断搅拌并加热至90℃,在此温度下反应8小时,得到碱性硅溶胶;
(2)将纺丝液置于静电纺丝仪中,使用铝箔纸包裹接收器,使初纺纤维收集在铝箔纸上,纺丝过程工艺参数为正压15kV,负压1.5kV,推进速率0.04mm/min,接收速率30r/min,针头与接收器之间距离为15cm,环境温度30℃,纺丝完成后在室温下静置一天,得到初纺纤维,再将其置于烘箱中,升温至160℃固化60分钟,取出后再送入管式炉中,在氮气气氛下以5℃/min的升温速率从室温升至750℃,保温1小时,自然冷却后得到碳纤维备用;
(3)以步骤2所得碳纤维作为阳极,石墨为阴极,在质量分数为8%的磷酸铵电解质中,控制电流密度为0.3A/m2,阳极氧化处理1.5分钟,收集碳纤维用清水冲洗净,得到改性碳纤维备用;
(4)将步骤3所得改性碳纤维浸入步骤1所得碱性硅溶胶中,将溶胶体系加热至55℃,浸渍12小时后取出,将所得碳纤维材料送入干燥箱中,干燥温度控制在70℃,干燥时间为20小时,即得本发明隔热复合材料。
所述纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100目筛,烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比6:22:0.8混合并搅拌均匀,置于140℃油浴锅中反应100分钟,之后降至室温,加入氢氧化钠中和pH至中性,将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1:10混合搅拌60分钟,离心并过滤,除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60℃下浓缩,除去二恶烷,得纯液化物,再与聚乙烯醇按质量比45:4混合后用氢氧化钠调节pH至10,之后加入甲醛溶液,加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n(甲醛):n(苯酚)=1.5:1,升温至80℃,反应2小时后冷却至室温,得到纺丝液。
Claims (1)
1.一种改性碳纤维隔热复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将硅粉粉碎过180-200目筛,并用60-70℃热水浸泡20-30分钟,之后倒掉热水,将活化的硅粉加入到20-30%氢氧化钠溶液中,完全浸没后不断搅拌并加热至90-95℃,在此温度下反应8-10小时,得到碱性硅溶胶;
(2)将纺丝液置于静电纺丝仪中,使用铝箔纸包裹接收器,使初纺纤维收集在铝箔纸上,纺丝过程工艺参数为正压15-16kV,负压1.5-2kV,推进速率0.04-0.05mm/min,接收速率30-32r/min,针头与接收器之间距离为15-18cm,环境温度30-40℃,纺丝完成后在室温下静置一天,得到初纺纤维,再将其置于烘箱中,升温至160-170℃固化60-70分钟,取出后再送入管式炉中,在氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率从室温升至750-850℃,保温1-2小时,自然冷却后得到碳纤维备用;
(3)以步骤2所得碳纤维作为阳极,石墨为阴极,在质量分数为8-10%的磷酸铵电解质中,控制电流密度为0.3-0.35A/m2,阳极氧化处理1.5-2分钟,收集碳纤维用清水冲洗净,得到改性碳纤维备用;
(4)将步骤3所得改性碳纤维浸入步骤1所得碱性硅溶胶中,浸渍后取出,将所得碳纤维材料送入干燥箱中烘干,即得隔热复合材料;
其特征在于,所述步骤1中使用热水活化硅粉时采取先加入一半硅粉,再分3-4次加入剩余硅粉的投料方式;
所述步骤2中纺丝液的制备方法为将椰壳粉碎过100-120目筛,烘干后与苯酚、浓硫酸按质量比(5-7):(20-25):(0.6-0.9)混合并搅拌均匀,置于140-160℃油浴锅中反应100-120分钟,之后降至室温,加入氢氧化钠中和pH至中性,将产物与80%二恶烷水溶液按体积比1:(9-11)混合搅拌60-80分钟,离心并过滤,除去残渣后将滤液经旋转蒸发仪在60-70℃下浓缩,除去二恶烷,得纯液化物,再与聚乙烯醇按质量比(45-46):(4-5)混合后用氢氧化钠调节pH至10-11,之后加入甲醛溶液,升温至80-85℃,反应2-3小时后冷却至室温,得到纺丝液;
所述步骤4中浸渍时将溶胶体系加热至55-65℃,浸渍12-18小时;
所述步骤4中干燥温度控制在70-90℃,干燥时间为20-24小时;
加入的甲醛和苯酚物质的量之比为n(甲醛):n(苯酚)=(1.4-1.5):1。
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