碳纤维绝缘体及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201510338911.X | 申请日 | 2015-06-17 | 公开(公告)号 | CN105172245B | 公开(公告)日 | 2017-08-29 |
| 申请人 | OCI有限公司; | 发明人 | 尹光仪; 李弦哲; 朴宰兴; 金学天; 金城均; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 碳 纤维 绝缘体和其生产方法。更具体地，本发明涉及一种从多相 层压 毡生产的 碳纤维 绝缘体，所述多相层压毡包括具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种通过热处理多相层压毡生产的碳纤维绝缘体，所述多相层压毡包括：具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体；和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫，其中所述碳纤维垫层压体和低碳化率纤维垫通过针刺在所述碳纤维垫层压体的厚度方向处于束缚态，从而组成低碳化率纤维垫的低碳化率纤维的一部分在垂直于层压体表面向上和/或向下拉，使得碳纤维垫层压体与低碳化率纤维垫连接； |
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| 说明书全文 | 碳纤维绝缘体及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种碳纤维绝缘体和其生产方法。更具体地，本发明涉及一种从多相层压毡(heterogeneous laminated felt)生产的碳纤维绝缘体，所述多相层压毡包括具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫。 背景技术[0002] 碳材料具有高的热导率和电导率，以及优异的机械强度，已被广泛用于各种工业领域。通过将碳材料加工成纤维状而形成的碳纤维是指具有不少于90％的碳含量的纤维状的材料，并具有极好的热导率，导电率，和物质的机械性能。 [0003] 具有纤维状的碳纤维具有高的加工性和广泛的适用性，并且在众多的碳材料中引起特别的关注。碳纤维在高温下尤其具有优异的性能，与在高温下机械强度变差的金属材料相反，随着温度的上升机械强度变大，并且被认为是具有小的热膨胀系数并且可用于在非氧化性气氛中高达3000℃温度的唯一材料。 [0004] 碳纤维根据它们的原料可以分为PAN基碳纤维，人造丝基碳纤维和沥青基碳纤维。PAN基碳纤维比其他材料相对较轻，具有有利的物质的机械性能，因此被广泛用在高品质的运动和休闲用品中，如高尔夫球杆，钓鱼杆，等等，并且目前被视为在通常金属材料所用于的车辆，船舶等领域中代替金属的一种材料。由廉价的原料制得的人造丝基碳纤维可以以低成本简单地生产。因此，人造丝基碳纤维可以大量地生产，这使人造丝基碳纤维能够用作通用的碳纤维。沥青基碳纤维是通过使用煤焦油和石油渣油作为原料生产的，并分为各向同性碳纤维和各向异性碳纤维，并且根据目的和生产方法被广泛地用作通用材料和特殊的功能性材料。 [0005] 特别地，沥青基碳纤维是通过使用非常便宜的炭煤焦油和石油渣油生产的，并且作为工业材料具有各种应用领域，因为它具有高的模量值，并且在高温下几乎不会热变形。另外，也通过改变其生产方法可获得物质所需要的性质，并且其特征事实上在于作为功能材料以及通用碳纤维，它可以被广泛地用于特殊领域。 [0006] 基于该性质，在工业领域对于沥青基碳纤维的需求迅速上升，尤其是在高温绝缘体领域更是如此。 [0007] 高温绝缘体是用于在温度不低于大约1500℃的熔炉中的特殊的工业材料，并且到目前为止，碳纤维是可以在温度不低于1500℃下使用的唯一材料。高温绝缘体是用于生产在光电领域中使用的半导体和多晶硅的基本材料，并且需要良好的绝热性能和物质的高纯度性质，并且各向同性碳纤维可以用作源材料。 [0008] 在生产高温绝缘体的方法中，有一种如下的方法：将具有短长度的碳纤维分散到分散溶剂中，然后浸渍粘合剂，以使用模具形成绝缘体。上述生产绝缘体的方法是通过将1-5mm的碳纤维分散到如水或醇的溶剂中形成碳纤维绝缘体的方法，并具有分散不容易发生且需要大量的分散溶剂的缺点。通常，碳纤维以扭曲的形状存在，并且因此很难使用分散溶剂分散碳纤维，并且即使当分散发生时，分散效果也不良好，这使得难以得到具有优异的绝热性能的高温绝缘体。 [0009] 生产高温绝缘体的另一种方式使用碳纤维垫生产绝缘体。收集并沉积纺丝碳纤维，进行诸如开口，梳理和针刺的处理以生产碳纤维垫，并然后将碳纤维垫浸渍于粘合剂中以被层压，加压，固化以形成绝缘体(参照图1)。这是生产绝缘体的一种有效方式，因为与上述方法不同，该方法不需要单独的分散处理，但参照图1和图2时，垂直于碳纤维垫的层压表面的碳纤维由针刺形成，且热辐射量增加(绝热性能下降)，这使得它难以生产具有优异性能的绝缘体。 发明内容[0010] 本发明的目的是提供一种碳纤维绝缘体和其生产方法。由于碳纤维是垂直于碳纤维垫的层压表面并由针刺形成，导致热辐射量增加，本发明的目的是提供一种碳纤维绝缘体，其中垂直于低碳化率纤维垫和层压表面的纤维被从多相层压毡中除去，所述多相层压毡包括至少设置于碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫，所述碳纤维垫层压体具有层压在其中的至少一个碳纤维垫，以及生产碳纤维绝缘体的方法。 [0011] 为了实现上述技术问题，根据本发明的一个方面，能够提供一种通过热处理多相层压毡生产的碳纤维绝缘体，所述多相层压毡包括：具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体；和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫，其中所述碳纤维垫层压体和低碳化率纤维垫通过在所述碳纤维垫层压体的厚度方向的针刺处于束缚态。 [0012] 根据本发明的另一个方面，能够提供一种碳纤维绝缘体的生产方法，包括：(a)制备包括具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫的均质毡，其中所述碳纤维垫层压体和低碳化率纤维垫通过在所述碳纤维垫层压体的厚度方向的针刺处于束缚态；(b)将多相层压毡浸渍到粘合剂树脂中并固化所述多相层压毡；和(c)热处理固化的多相层压毡以从多相层压毡除去低碳化率纤维垫。 [0013] 当根据本发明的一个实施方案通过使用多相层压毡生产碳纤维绝缘体时，可以除去在碳纤维垫层压体(具有层压在其中的至少一个碳纤维垫)的层压方向(厚度方向)针刺的纤维，从而解决了由于热辐射量增加的绝缘性能下降的问题。附图说明 [0014] 通过详细描述示例性实施方案并参照附图，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，其中： [0015] 图1示出根据现有技术的一种生产碳纤维毡和绝缘体的方法； [0016] 图2示出根据现有技术的绝缘体中的热流； [0017] 图3示出根据本发明的一个实施方案生产多相层压毡和绝缘体的方法；和[0018] 图4示出根据本发明的一个实施方案的绝缘体中的热流。 [0019] 发明详述 [0020] 为了更容易理解本发明，在本申请中得当地限定特殊术语。除非另有相反定义，本发明中使用的科学术语和技术术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。此外，除非在上下文中特别指明，单数形式的术语应理解为包括其复数形式，而复数形式的术语应理解为包括其单数形式。 [0021] 虽然包括如第一，第二等序数的术语可用于描述各种构件，但是所述构件不受限于这些术语。这些术语仅用于将一个构件与另一个构件区别开来。 [0022] 根据本发明的另一个方面，能够提供一种通过热处理多相层压毡33生产的碳纤维绝缘体35，所述多相层压毡33包括：具有层压在其中的至少一个碳纤维垫11的碳纤维垫层压体21；和至少设置于所述碳纤维垫层压体21的上部和下部之一的低碳化率纤维垫31，其中所述碳纤维垫层压体21和低碳化率纤维垫31通过针刺在所述碳纤维垫层压体的厚度方向处于束缚态。 [0023] 本文所用的术语“垫”通常指不通过针刺连接的片状材料，本文所用的术语“毡”通常指通过针刺连接的层压型材料。 [0024] 这里，碳纤维垫层压体21的厚度方向是指垂直于碳纤维垫层压体表面12的方向。 [0025] 碳纤维垫11指在碳化处理期间除了碳的元素(例如，氧或氢)被除去的纤维垫，使得没有元素(除了碳)基本上保留在碳纤维垫中，并且在一个实施方案中，碳纤维垫的堆积3 密度的可以是0.03-0.15g/cm。 [0026] 另一方面，低碳化率纤维垫31是指其中的元素除了碳(例如，氧或氢)的其他元素保留在纤维垫中的纤维垫。这里，低碳化率纤维垫31可以由具有其它形状的材料代替。例如，低碳化率纤维垫31可以由其中多个垫被层压并用作或者也可以用作纤维而非垫本身的毡代替。 [0027] 在一个实施方案中，低碳化率纤维垫31可以具有不高于10％，优选低于5％，和更优选低于3％的碳化率。这里，碳化率可被定义为在热处理后剩余的低碳化率纤维垫的质量比。也就是说，在800-2300℃所选范围的温度下进行热处理后，小于存在于初始多相层压毡中的原始质量的5％的，低碳化率纤维垫能够保留。 [0028] 因此，在最后通过热处理形成的碳纤维绝缘体35中，低碳化率纤维垫31可以以低于存在于初始多相层压毡中的质量的5％的比例保留，或优选低于质量的3％的比例，或更优选没有低碳化率纤维垫31可以基本上保留。当在热处理后没有低碳化率纤维垫31基本上保留时，最终形成的碳纤维绝缘体35可仅由碳纤维垫层压体21组成。 [0030] 在此，针刺是一种将多个纤维垫的层连接或交织成一个层压体的形成方法，其，并且位于由多个层构成的纤维垫的上部和/或下部的组成纤维垫的部分纤维通过针刺沿厚度方向(垂直于层压体表面)下降或上升，使得位于所述上部和/或下部的纤维垫与插入所述上部和/或下部之连接间的纤维垫连接。 [0031] 在一个实施方案中，在多相层压毡33中，低碳化率纤维垫31被额外地层压在其上至少层压有一个碳纤维垫11的碳纤维垫层压体21的上部和/或下部，并且层压的碳纤维垫层压体21与低碳化率纤维垫31通过针刺连接。 [0032] 当低碳化率纤维垫31位于碳纤维垫层压体21的下部时，组成低碳化率纤维垫31的纤维32的一部分被在厚度方向(垂直于层压体表面)向上拉，使得碳纤维垫层压体21与低碳化率纤维垫31连接。 [0033] 当低碳化率纤维垫31位于碳纤维垫层压体21的上部时，组成低碳化率纤维垫31的纤维32的一部分被在厚度方向(垂直于层压体表面)向下拉，使得碳纤维垫层压体21与低碳化率纤维垫31连接。 [0034] 也就是说，在由多个层构成的碳纤维绝缘体中，各层之间的界面结合由纤维在由针刺形成的层压体的厚度方向(垂直于层压体表面)上进行。同时，在层压体的厚度方向(垂直于层压体表面)的纤维32被认为是提高碳纤维绝缘体的热导率的一个原因。因此，为了降低碳纤维绝缘体的热导率，在层压体的厚度方向(垂直于层压体表面)的纤维32需要在层间充分进行界面结合之后被除去。 [0035] 如上所述，当根据本发明实施方案使用多相层压毡33时，组成低碳化率纤维垫31的纤维32的一部分在厚度方向(垂直于层压体表面)向上拉，使得碳纤维垫层压体21与低碳化率纤维垫31连接，并且同时，在层压体的厚度方向(垂直于层压体表面)向上拉的纤维32优选包括低碳化率纤维，并且更优选地，它可以是相当低的碳化率纤维。这里，表述“相当低的碳化率纤维”的意思是没有组成碳纤维垫的纤维被包括在其中在层压体的厚度方向(垂直于层压体表面)向上拉的纤维中。 [0036] 在碳纤维垫层压体21的厚度方向的低碳化率纤维32可通过在选自于800-2300℃范围的温度下进行的热处理而除去。当低碳化率纤维32通过热处理除去时，由在碳纤维垫层压体21的厚度方向的低碳化率纤维32之前占据的空间可以作为通孔34形成。 [0037] 根据本发明的另一个方面，能够提供一种生产碳纤维绝缘体35的方法，包括：(a)制备包括具有层压在其中的至少一个碳纤维垫11的碳纤维垫层压体21，和至少设置于所述碳纤维垫层压体21的上部和下部之一的低碳化率纤维垫31的均质毡33，其中所述碳纤维垫层压体21和低碳化率纤维垫31通过针刺在所述碳纤维垫层压体21的厚度方向处于束缚态；(b)将多相层压毡33浸渍到粘合剂树脂中并固化所述多相层压毡33；和(c)热处理固化的多相层压毡33以从多相层压毡33除去低碳化率纤维垫31。 [0038] 在一个实施方案中，在步骤(b)中，碳纤维垫层压体21和低碳化率纤维垫31可以通过在碳纤维垫层压体21的厚度方向针刺的低碳化率纤维32而处于束缚态。这里，碳纤维垫层压体21的厚度方向是指垂直于碳纤维垫层压体表面12的方向。 [0040] 步骤(c)的固化可通过切割恒定尺寸的浸渍在粘合剂树脂中的多相层压体毡33，并使用加压按压进行。例如，粘合剂树脂可通过施加压力用于减小多相层压体毡33的厚度，同时保持粘合剂树脂可被固化的温度而进行固化。 [0041] 在一个实施方案中，低碳化率纤维垫31可通过步骤(c)的热处理被除去。另外，在碳纤维垫层压体21的厚度方向的低碳化率纤维32可通过步骤(c)的热处理除去。 [0042] 在一个实施方案中，在步骤(c)的热处理后，低碳化率纤维垫31和在碳纤维垫层压体21的厚度方向的低碳化率纤维32的质量保留比例可低于5％。 [0043] 因此，通过步骤(c)的热处理最终形成的碳纤维绝缘体35中，低碳化率纤维垫31可以以相对于初始质量低于5％的比例保留，或优选低于质量的3％的比例，或更优选没有低碳化率纤维垫31可以基本上保留。另外，通过步骤(c)的热处理最终形成的碳纤维绝缘体35中，在碳纤维垫层压体21的厚度方向的低碳化率纤维32可以以相对于初始质量低于5％的比例保留，或优选低于质量的3％的比例，或更优选没有在碳纤维垫层压体21的厚度方向的低碳化率纤维垫31可以基本上保留。 [0044] 在一个实施方案中，步骤(c)的热处理可以在选自800-2300℃范围的温度下进行。在一个实施方案中，在步骤(c)中，可以顺序地执行在选自800-1500℃范围的温度的第一次热处理和在选自1700-2300℃范围的温度的第二次热处理。 [0046] 在下文中，将使用实施方案对本发明进行更详细的说明。这里，这些实施方案仅用来说明本发明，并且本发明的范围不应视为由这些实施方案所限制。 [0047] 实施方案 [0048] 生产用于生产碳纤维绝缘体的多相层压毡的方法 [0049] 通过在煤基高软化点各向同性沥青(软化点：280℃)上应用熔喷纺丝法将碳纤维纺丝。将纺出的沥青基碳纤维沉积以形成垫。将碳纤维垫转移到非增容炉和碳化炉以生产0.05g/cm3的碳纤维垫。另外，将聚丙烯毡层压在碳纤维垫的上部和下部，然后进行针刺以生产用于生产碳纤维绝缘体的多相层压毡。 [0050] 生产碳纤维绝缘体的方法 [0051] 将根据上述实施方案产生的多相层压毡浸渍在酚醛树脂中，层压到有6层，将所得加压以固化。加压固化的碳纤维垫在氮气气氛中在1000℃下碳化。碳化的碳纤维绝缘体的堆积密度为0.16g/cm3，并且包含在多相层压毡中的所有聚丙烯毡被除去。 [0052] 比较例 [0053] 除了仅仅是碳纤维垫而非低碳化率纤维垫如聚丙烯垫被层压，在与实施方案相同的条件下生产碳纤维绝缘体。根据比较例，在碳化过程中在碳纤维垫层压体的厚度方向的纤维没有被从碳纤维绝缘体除去。 [0054] 根据实施方案和比较例的抗张强度和剥离强度如表1中所列。 [0055] 表1 [0056] [0057] 实验结果 [0058] 为了测量由实施方案和比较例生产的碳纤维绝缘体的热导率，各碳纤维绝缘体的样品形成具有30毫米的厚度，分别在25℃下测量热导率。并且同时，检查热导率在热处理温度((800℃和1000℃)下的变化。热导率的测量结果列于表2中。 [0059] 表2 [0060] [0061] [0062] 在所有条件与实施方案相同下，根据比较例通过仅仅层压碳纤维垫而非低碳化率纤维垫如聚丙烯垫生产的碳纤维绝缘体自然不包括低碳化率纤维垫，因此，没有测量低碳化率纤维毡的质量保留比例。比较例的热导率是0.084，这显著大于根据实施方案1和实施方案2的碳纤维绝缘体的热导率。 [0063] 另一方面，可以确认，低碳化率纤维毡的质量保留比例和热导率根据碳化温度而变化。更具体地说，随着碳化温度的升高，在最终形成的碳纤维绝缘体中低碳化率纤维垫的质量保留比例增加，而以碳纤维绝缘体的厚度方向朝向的低碳化率纤维的去除率也增加，从而降低了在碳纤维绝缘体的层压体的厚度方向上的热辐射量。 [0064] 因此，根据本发明，提供了一种碳纤维绝缘体，其中在低碳化率纤维毡和碳纤维垫层压体的厚度方向针刺的低碳化率纤维，基本上被从多相层压毡除去，从而改善了最终的碳纤维绝缘体的绝热性能。 [0065] 尽管本发明已经参照本发明的实施方案进行了具体描述，但是本发明所属领域的普通技术人员可容易地通过附加，变更，删除或添加组件各种方式，而不脱离由下面的权利要求限定的本发明的精神实质修改和改变本发明，它们也被认为是落入本发明的范围。 [0066] 符号说明 [0067] 11：碳纤维垫 [0068] 12：碳纤维垫层压体表面 [0069] 13：碳纤维 [0070] 21：碳纤维垫层压体 [0071] 22：结合的碳纤维垫层压体 [0072] 23：碳纤维材料绝缘体 [0073] 31：低碳化率纤维垫 [0074] 32：低碳化率纤维 [0075] 33：结合的多相层压毡 [0076] 34：通孔 [0077] 35：碳纤维绝缘体 |
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