新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明利用碳纖維高導(dǎo)熱高耐熱性能，研制了一種新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布及用途。
[0002]【背景技術(shù)】:
碳纖維是世界上公認(rèn)的高科技、納米技術(shù)，碳纖維供暖是節(jié)能、環(huán)保和減排的好產(chǎn)品；眾所周知，人類傳統(tǒng)的資源(燃煤、燃油)越來(lái)越少，按照現(xiàn)在的開(kāi)采速度，只能維持幾十年。而且開(kāi)采費(fèi)用越來(lái)越高，而隨著人類社會(huì)文明的進(jìn)步，人類需要的能源將越來(lái)越多，環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重。為了解決人類與資源、環(huán)境之間的矛盾，節(jié)能減排將是未來(lái)科技發(fā)展的重中之重。
[0003]國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的碳纖維大部分應(yīng)用在軍事工業(yè)上，而把碳纖維應(yīng)用到民用取暖或人體的保健上很少。
[0004]利用碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱的特性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的發(fā)熱布，具有廣闊的市場(chǎng)前景。碳纖維通電后迅速產(chǎn)生不可見(jiàn)的遠(yuǎn)紅外光，遠(yuǎn)紅外對(duì)人體的作用有益無(wú)害，世界上所有的生命離不開(kāi)遠(yuǎn)紅外的輻射。根據(jù)不同的使用要求，通過(guò)合理配置碳纖維長(zhǎng)絲和銅絲的數(shù)量，可設(shè)計(jì)出不同電壓不同功率的發(fā)熱織物，可用于人體的保暖、保健，作為寒冷地區(qū)房屋內(nèi)壁的熱源，大型槽、罐和釜的保溫恒溫材料，發(fā)酵或釀造的保溫恒溫?zé)嵩?，溫室、育苗室、大棚室和家禽喂養(yǎng)室的熱源，用于公路、機(jī)場(chǎng)跑道的化雪除冰、船艙甲板的防凍保溫、寒冷地區(qū)雷達(dá)等通信設(shè)備的防凍防霜等。
[0005]目前使用的高導(dǎo)熱碳纖維前驅(qū)體主要是中間相浙青纖維，但該種纖維的強(qiáng)度極低(僅幾MPa)，非常脆，造成其連續(xù)化生產(chǎn)過(guò)程極為繁瑣，成本非常高，至今國(guó)內(nèi)仍無(wú)一家單位可以生產(chǎn)。因此尋找一條異于以前的研發(fā)路線制備高導(dǎo)熱碳纖維具有非常重要的意義。
[0006]研究人員在制備高定向石墨的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，具有高取向度的聚酰亞胺(PI)高分子膜，在惰性氣氛中經(jīng)加壓碳化、石墨化可制備聞結(jié)晶度和聞取向度的石墨膜。日本科學(xué)家Murakami等采用高度去想的PI薄膜為原料，經(jīng)過(guò)裁切、層疊、壓制、碳化、石墨化制得了熱導(dǎo)率高達(dá)1800W m 1 K 1的塊體材料。在這些研究中，為抑制PI分子鏈在熱處理時(shí)斷裂而導(dǎo)致的大量含碳小分子物質(zhì)的逸出，減少薄膜中的缺陷，需要施加極高的壓力和非常緩慢的升溫速率，制備條件苛刻。該方法難以制備大塊樣品并批量生產(chǎn)，其應(yīng)用收到了較大限制。如果將聚酰亞胺紡成纖維，在對(duì)纖維進(jìn)行熱處理制備高導(dǎo)熱碳纖維，將極大地?cái)U(kuò)展他的應(yīng)用范圍，將具有廣闊的前景。而PI纖維作為高聚物纖維，其斷裂伸長(zhǎng)通常高于10%，強(qiáng)度大于lOOMPa，極易實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱碳纖維的連續(xù)化生產(chǎn)。
[0007]PI纖維在制備過(guò)程中由于紡絲成型過(guò)程中受到較大牽伸，其高分子鏈大多沿纖維軸擇優(yōu)取向。因此，PI分子鏈在纖維中的取向與薄膜相比，沿纖維軸向取向度更高，排列更規(guī)整，同時(shí)由于主鏈上含有較多的芳香環(huán)，PI分子類似于一根剛性的長(zhǎng)帶，芳香環(huán)大多分布在長(zhǎng)帶的寬面上。這種芳香環(huán)的排列方式非常類似中間相浙青纖維，而PI得分子量遠(yuǎn)較中間相浙青纖維高，其沿纖維軸向高度擇優(yōu)取向的分子鏈也遠(yuǎn)長(zhǎng)于中間相浙青纖維。這種分子結(jié)構(gòu)將可能生成尺寸更大，缺陷更少的石墨晶格。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明主要研究了一種新型聚酰亞胺基碳纖維的制備方法以及用該纖維進(jìn)行紡織制備碳纖維發(fā)熱布并介紹了它的一些用途。
[0009]本發(fā)明主要參考PAN基碳纖維和高導(dǎo)熱MP基碳纖維的制備方法來(lái)制備聚酰亞胺基碳纖維，其特征在于，包括以下步驟:首先進(jìn)行氣相或液相穩(wěn)定化處理，使其聚酰亞胺基碳纖維高分子鏈交聯(lián)固化；然后將穩(wěn)定化纖維在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行低溫約束條件下的碳化，最后進(jìn)彳丁聞溫石墨化處理。
[0010]本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
1.高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維的制備
(1) 一步法紡制聚酰亞胺纖維
二酐和二胺兩種單體在高沸點(diǎn)溶劑(如酚類)中加熱至150-250°C而獲得聚酰亞胺。以聚酰亞胺溶液為紡絲漿液，濕法或干濕法紡制聚酰亞胺纖維，纖維經(jīng)初步拉伸后，去除溶劑后，進(jìn)行熱拉伸處理(300-50(TC )，可得到聚酰亞胺纖維。
[0011](2)氣相穩(wěn)定化或液相穩(wěn)定化處理過(guò)程
牽伸比為5-15%，空氣氣氛或氧氣氣氛，以3-10°C /min的速度由室溫升至300_450°C，然后又以1_2°C /min的升溫速度升至450_550°C，停留60min。(上述兩段溫度不同時(shí)為450。。)
液相氧化介質(zhì)為沸騰條件下的濃硝酸(質(zhì)量濃度68%)，處理時(shí)間為10-25min，處理后的聚酰亞胺纖維用蒸餾水洗凈并干燥。
[0012](3)低溫碳化和高溫石墨化過(guò)程
牽伸比為0-6%，高純氮?dú)鈿夥?，壓?.l-6MPa，以5_10°C /min的升溫速度升至1000-1200°C，保溫時(shí)間為 60min。
[0013]高純氬氣氣氛，溫度為2400-3200°C，保溫時(shí)間60min。
[0014](4)加捻
將制備好的纖維以一定數(shù)量的根數(shù)加捻成粗度適合的碳纖維繩。
[0015]2 編織
滌綸低彈絲首先進(jìn)行加濕處理，相對(duì)濕度保持在70%以上，設(shè)置GA747劍桿織機(jī)的參數(shù):開(kāi)口時(shí)間285° ±2°，后梁高度9cm，劍桿進(jìn)梭口時(shí)間80° ±2°，劍桿出梭口280° ±2°，織機(jī)轉(zhuǎn)速180r/min，緯密牙23齒，由滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將上述制備的耐高溫聚酰亞胺纖維導(dǎo)線和金屬導(dǎo)線通過(guò)GA747劍桿織機(jī)編織成新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布。高導(dǎo)熱高耐熱聚酰亞胺碳纖維以一定的間隔嵌織在織物的緯向，銅單絲沿徑向分布在導(dǎo)電發(fā)熱布的兩邊，使用二維平紋編織技術(shù)編織的發(fā)熱布結(jié)構(gòu)緊密，網(wǎng)眼均勻，具有抗腐蝕性好和結(jié)實(shí)耐用等優(yōu)點(diǎn)。
[0016]3.本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與其他碳纖維前驅(qū)體如聚丙烯腈或粘膠纖維相比，聚酰亞胺纖維的高分子鏈上的芳香環(huán)基本在同一平面內(nèi)，因此更易變?yōu)槭⒕Ц?、纖維軸向取向度更高的新型復(fù)合材料碳纖維。
[0017]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例1
首先，選用其斷裂伸長(zhǎng)大于4%，強(qiáng)度大于lOOMPa，同時(shí)其高分子鏈的軸向擇優(yōu)取向度大于60%，將這些纖維兩端固定即牽伸為0，置于熱處理爐中進(jìn)行氣相熱穩(wěn)定化，空氣氣氛下，以5°C /min的速度由室溫升至350°C，然后又以1°C /min的升溫速度由350°C升至500°C，保溫30min ;然后將熱穩(wěn)定化纖維在牽伸比為0的情況下進(jìn)行低溫碳化處理，高純氮?dú)鈿夥障?，壓?.1MPa，以10°C /min升溫至500°C，然后以2°C /min的升溫速度升至800°C保溫30min，冷卻后，將纖維兩端固定，置于石墨化爐內(nèi)，高純氬氣環(huán)境下進(jìn)行石墨化處理(2600°C，30min)，這時(shí)所得的熱導(dǎo)率為145 ff m 1 K 1，密度為2.03g/cm3
由167dtex/30f滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將上述制備的新型復(fù)合材料碳纖維和直徑0.15mm的銅單絲通過(guò)GA747劍桿織機(jī)編織成新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布。
[0018]實(shí)施例2
首先，選用其斷裂伸長(zhǎng)大于4%，強(qiáng)度大于lOOMPa，同時(shí)其高分子鏈的軸向擇優(yōu)取向度大于60%，將這些纖維兩端固定即牽伸為0，置于熱處理爐中進(jìn)行氣相熱穩(wěn)定化，空氣氣氛下，以5°C /min的速度由室溫升至350°C，然后又以1°C /min的升溫速度由350°C升至500°C，保溫30min ;然后將熱穩(wěn)定化纖維在牽伸比為0的情況下進(jìn)行低溫碳化處理，高純氮?dú)鈿夥障?，壓?.1MPa，以10°C /min升溫至500°C，然后以2°C /min的升溫速度升至800°C保溫30min，冷卻后，將纖維兩端固定，置于石墨化爐內(nèi)，高純氬氣環(huán)境下進(jìn)行石墨化處理(3200°C，30min)，這時(shí)所得的熱導(dǎo)率為405 ff m 1 K 1，密度為2.14g/cm3
由167dtex/30f滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將上述制備的新型復(fù)合材料碳纖維和直徑0.15mm的銅單絲通過(guò)GA747劍桿織機(jī)編織成新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布。
[0019]實(shí)施例3
首先，選用其斷裂伸長(zhǎng)大于4%，強(qiáng)度大于lOOMPa，同時(shí)其高分子鏈的軸向擇優(yōu)取向度大于60%，將這些纖維兩端固定即牽伸為0，置于熱處理爐中進(jìn)行氣相熱穩(wěn)定化，空氣氣氛下，以5°C /min的速度由室溫升至350°C，然后又以1°C /min的升溫速度由350°C升至500°C，保溫30min ;然后將熱穩(wěn)定化纖維在牽伸比為10%的情況下進(jìn)行低溫碳化處理，高純氮?dú)鈿夥障?，壓?.1MPa,以10°C /min升溫至500°C，然后以2°C /min的升溫速度升至800°C保溫30min，冷卻后，將纖維兩端固定，置于石墨化爐內(nèi)，高純氬氣環(huán)境下進(jìn)行石墨化處理(3000°C，30min)，這時(shí)所得的熱導(dǎo)率為417 ff m1 K1，密度為2.21g/cm3
由167dtex/30f滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將上述制備的新型復(fù)合材料碳纖維和直徑0.15mm的銅單絲通過(guò)GA747劍桿織機(jī)編織成新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，包括:高導(dǎo)熱聚酰亞胺纖維和發(fā)熱布的編織: (1)聚酰亞胺纖維 首先，通過(guò)一步法紡制聚酰亞胺纖維，經(jīng)過(guò)氣相穩(wěn)定化使其聚酰亞胺基碳纖維高分子鏈交聯(lián)固化，將穩(wěn)定化纖維在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行低溫約束條件下的碳化，然后進(jìn)行高溫石墨化處理，最后加捻得到高導(dǎo)熱的聚酰亞胺纖維； (2)由滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將上述制備的新型復(fù)合材料碳纖維和金屬導(dǎo)線編織成新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，新型復(fù)合材料碳纖維以一定的間隔嵌織在織物的緯向，銅單絲沿徑向分布在導(dǎo)電發(fā)熱布的兩邊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，所述的聚酰亞胺纖維優(yōu)選斷裂伸長(zhǎng)大于4%,強(qiáng)度大于lOOMPa,同時(shí)其高分子鏈的軸向擇優(yōu)取向度高于60%。3.據(jù)權(quán)利要求1所述的新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，所述步驟(1)中的聚酯薄膜為雙向拉伸聚酯薄膜。4.據(jù)權(quán)利要求1所述的新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，所述耐熱膠粘劑為改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑。5.據(jù)權(quán)利要求1所述的新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，所述步驟(2)中的金屬導(dǎo)線為直徑0.15mm的銅單絲。6.據(jù)權(quán)利要求1所述的新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，所述步驟(2)中的滌綸低彈絲167dtex/30f、100dtex/40f 或者 76dtex/34f 的其中一種。7.據(jù)權(quán)利要求1所述的新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，所述的金屬導(dǎo)線與新型復(fù)合材料碳纖維采用的是二維平紋編織技術(shù)。
【專利摘要】該發(fā)明公開(kāi)了一種新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布，包括：新型復(fù)合材料碳纖維的制備和發(fā)熱布的編織，由滌綸低彈絲構(gòu)成導(dǎo)熱發(fā)電體的支架將新型復(fù)合材料碳纖維和金屬導(dǎo)線編織成新型復(fù)合材料碳纖維發(fā)熱布。新型復(fù)合材料碳纖維以一定的間隔嵌織在織物的緯向，銅單絲沿徑向分布在導(dǎo)電發(fā)熱布的兩邊。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與其他碳纖維前驅(qū)體如聚丙烯腈或粘膠纖維相比，聚酰亞胺纖維的高分子鏈上的芳香環(huán)基本在同一平面內(nèi)，因此更易變?yōu)槭⒕Ц?、纖維軸向取向度更高的新型復(fù)合材料碳纖維。
【IPC分類】D01F9/24, D03D13/00, D03D15/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105483909
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410481306
【發(fā)明人】張?jiān)? 代汝軍, 馬俊杰
【申請(qǐng)人】四川鑫達(dá)企業(yè)集團(tuán)有限公司
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2014年9月20日