一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料及其製造方法
2023-10-17 23:54:04 1
一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料及其製造方法
【專利摘要】本發明提供一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料及製造這種複合保溫材料的方法，應用於高溫爐體上的絕熱材料領域，複合保溫材料包括基礎原料和輔料，所述基礎原料是廢棄纖維原料，所述基礎原料是經過高溫煅燒後可以碳化的纖維材料；所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂，所述廢棄纖維原料為聚丙烯氰纖維、瀝青纖維、粘膠纖維、預氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。依照本發明的材料和方法製成的複合保溫材料，具有更細的纖維直徑，更小的導熱係數，更好的耐燒蝕性，更高的純度；由於採用廢棄纖維來製作，降低了成本，提高企業的效益和產品的競爭力。
【專利說明】一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複合保溫材料的應用，具體涉及一種採用廢棄纖維製作的複合保溫材料以及這種複合保溫材料的加工製造方法。
【背景技術】 [0002]保溫材料被廣泛的應用於玻璃、熱處理、航空航天、鋼鐵、電力、太陽能、半導體等行業設備需要保溫的領域，主要用在爐子的殼體中。但隨著產品應用範圍的擴大和普及，對爐體設備的性能和結構要求越來越苛刻，越來越複雜，包括要求具備更高的處理溫度、更高的處理純度、更大的體積、更輕的重量、更高的功率和其它技術優點。例如在電子、電氣元件或者高功率的光學器件的製造過程中，需要更大的尺寸，更高的純度，那麼對生產這些晶體的爐體就提出更高的要求，這樣對爐體的保溫材料就提出了更苛刻、更可靠的要求。如果爐子熱場的溫度、純度、體積不能滿足要求，那麼不管用再好的原料也生產不出滿足要求的產品，而這其中最關鍵的就是熱場保溫材料的選擇。
[0003]現有技術的保溫材料主要採用國產氰綸作為主要原料，用這種原料製造的保溫材料具有明顯的問題和局限性:
1、密度大，相同尺寸的情況下，熱容大，自身對熱量的消耗大，耗能。而且整個熱場的相對較重，安裝和拆卸勞動強度大。
[0004]2、保溫效果差，由於採用的纖維直徑為15微米左右，在形同體積密度的情況下，熱通道短，這樣保溫效果自然就差，從而給設備熱工設計帶來了無法逾越的屏障(如爐子溫度設計不高，體積設計不大)。
[0005]3、耐燒蝕性差，由於自身纖維純度不高，在高溫熱衝擊過程中，耐受性差。
[0006]基於現有技術的保溫材料以上幾種性能和生產工藝的缺點，因此一種性價比高、物美價廉的保溫材料就為設備保溫領域所需求。
【發明內容】
[0007]針對上述缺陷，本發明的目的是提供一種新型的複合保溫材料，以解決現有技術的耗能、保溫效果差、耐燒蝕性差的技術問題。
[0008]本發明的又一目的是提供一種新型的複合保溫材料的製造方法，以解決現有技術耗能、保溫效果差、耐燒蝕性差的技術問題。
[0009]為實現上述目的，本發明採用了以下的技術方案:
一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，應用於高溫爐體上的絕熱材料領域，包括基礎原料和輔料，所述基礎原料是廢棄纖維原料，所述基礎原料是經過高溫煅燒後可以碳化的纖維材料；所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂。
[0010]依照本發明較佳實施例所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，所述廢棄纖維原料為聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。[0011]依照本發明較佳實施例所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，所述粘合劑為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、有機矽樹脂、亞克力樹脂、橡膠類材料和四氟乙烯樹脂等膠粘劑的其中一種或其中多種組成；所述石墨為石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種組成。
[0012]依照本發明較佳實施例所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，所述廢棄纖維原料為浙青基、PAN基、粘膠基和酚醛基的其中一種；所述廢棄纖維原料的形狀為長纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。
[0013]依照本發明較佳實施例所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，所述複合保溫材料的密度是成階梯密度的。
[0014]依照本發明較佳實施例所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，所述複合保溫材料的傳熱方向和導熱係數是可調節性的。
[0015]一種利用廢棄纖維製作複合保溫材料的製造方法，包括:
步驟1:將廢棄纖維原料進行表面處理、破碎處理及分散處理；
步驟2:將處理後的纖維原料與輔料混合分散於水中；
步驟3:將混合後的材料均勻攪拌；
步驟4:將攪拌後的材料通過模具過濾，成型為胚體；
步驟5:將過濾後成型的胚體浸潤樹脂 步驟6:把浸潤樹脂後的胚體固化，乾燥 步驟7:把乾燥的胚體放入真空爐內煅燒碳化；
步驟8:把碳化的胚體放入真空爐內煅燒石墨化。
[0016]依照本發明較佳實施例所述的製造方法，步驟4裝模成型的坯體形狀可以是長方體、圓柱體等幾何形狀的其中一種。
[0017]依照本發明較佳實施例所述的製造方法，所述煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護下進行的高溫煅燒。
[0018]由於採用了以上的技術使得本發明相比現有技術，具有以下的優點和積極效果: 第一、依照本發明的材料和方法製成的新型複合保溫材料， 由於採用廢棄纖維來製作，
降低了成本，提高企業的效益和產品的競爭力；
第二、本發明的新型複合保溫材料具有更細的纖維直徑，更小的導熱係數，更好的耐燒蝕性，更高的純度；而且採用的材料具有傳熱各向異性的特點，所以設計出的複合保溫材料具有定向傳熱功能，而且熱導係數可以根據需要來設計；
第三、使用這種新型複合保溫材料使爐子在相同功率的情況下獲得更高的溫度，也可以使得爐子使用較小的功率獲得更高的溫度，這樣起到節能降耗的作用；
第四、使用這種新型複合保溫材料使得爐內的氣氛獲得更高的純度，從而保證晶體生長的純度，提聞廣品質量；
第五、本發明的複合保溫材料在常溫有氧環境中是惰性的，在最常見的環境中不會被氧化或腐蝕。而且質輕，密度可以階梯設計，有利於熱場環境的清潔和燒蝕需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為碳纖維的結構示意圖；圖2為石墨烯單層結構示意圖；
圖3為本發明的一種採用廢棄碳纖維製造複合保溫材料的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖對本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。 [0021]本發明的核心思想在於，採用廢棄纖維作為原料既愛護環境又降低成本，此外熱導率和導熱方向可以調節和設計，而且密度可以根據需要階梯分布或局部不同，這樣的作法，可以根據需要調整保溫材料的耐燒蝕性。尤其是填充了石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種原材料的複合產品；這種填料的耐熱性很高，最高可以達到3000°C。另外，這種填料具有很高的純度，並且可以降低生產成本。
[0022]本發明採用一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，應用於高溫爐體上的絕熱材料領域，複合保溫材料包括基礎原料和輔料，所述基礎原料是廢棄纖維原料，是經過高溫煅燒後可以碳化的纖維材料；所述廢棄纖維原料可以是聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。
[0023]所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂；而所述粘合劑可以是環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、有機矽樹脂、亞克力樹脂、橡膠類材料和四氟乙烯樹脂等膠粘劑的其中一種或其中多種組成；而所述石墨為石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種組成。
[0024]另外，前面提到的廢棄纖維原料可以是浙青基、PAN基、粘膠基和酚醛基的其中一種；而石墨纖維的形狀可以是長纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。而做出來的複合保溫材料的密度可以根據要求設計成階梯密度，在需要耐燒蝕性好的地方密度設計高一點。
[0025]碳纖維、石墨纖維是一種特殊的材料，請參考圖1為碳纖維結構示意圖；應用在保溫材料中的碳纖維或石墨纖維，經過刀具或氣體破碎機破碎處理的短纖維、纖維粉體或兩者的混合，這種材料在纖維直徑方向和纖維長度方向的導熱係數具有很大的差異性，在高精度顯微鏡下是液晶結構，具有性能的各向異性，而且其纖維直徑為7微米，較國產氰綸纖維直徑的15微米來的小。值得注意的是，由於這種材料在性能上的特殊性，所以可以根據纖維方向來調節複合保溫材料的傳熱方向。應用在新型複合保溫材料中的碳纖維或石墨纖維一般為短纖維或研磨纖維。在導熱傳熱層中短纖維的分布是根據具體的成型工藝決定纖維的排布方向，一部分按照設計要求取向，一部分是雜亂無章分布的，總體是種立體網狀結構，主要的傳熱方式是靠纖維搭接和介質傳遞共同實現的。可以通過調整取向纖維和雜亂纖維的比例來調整複合保溫材料的傳熱性能和傳熱方向。
[0026]石墨烯也是一種特殊的材料，請參考圖2為石墨烯單層結構示意圖，石墨烯是從石墨中剝離出的石墨片，是僅由一層碳原子構成的薄片，明顯比傳統的鱗片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明顯不同，是完全不同的兩種物質。這種材料在垂直鱗片方向和平行鱗片方向的導熱係數具有很大的差異性，平行鱗片方向的導熱係數最大可以達到3000W/m K(普通石墨的導熱係數一般小於1500 W/m K),而垂直鱗片方向的導熱係數較小,在高精度顯微鏡下是六邊形的層狀鱗片結構，具有性能的各向異性。值得注意的是，由於這種材料在性能上的特殊性，所以可以根據石墨烯的含量來調節複合材料的熱導係數，並且可以根據石墨烯的取向性來調整傳熱的方向。
[0027]與現有技術的保溫材料相比，本發明中的複合保溫材料最大的不同在於其低熱導係數，以及其導熱係數和導熱方向的可調節性和可設計性。
[0028]以下，則結合流程圖，對舉例以廢棄碳纖維為原料來製造複合保溫材料的工藝方法做出說明。
[0029]實施例一
請參考圖3，本實施例為一種採用廢棄碳纖維為原料來製造複合保溫材料的流程圖，可見，主要包括以下的步驟:
一種利用廢棄碳纖維製作複合保溫材料的製造方法，包括:
S201:將廢棄碳纖維原料進行表面處理、破碎處理及分散處理；
碳纖維是以噴絲的方式製成的，短的碳纖維則是噴絲所得碳纖維經過特製的刀具(例如龍門鍘刀)或氣體破碎機，按照預先設定的長度切割或破碎而成的。當然，為與輔料更好結合，則在製備短切碳纖維之前，需要對碳纖維根據不同的輔料做好表面處理，提高複合材料的性能。
[0030]在必要的情況下，還需要將處理過的短切碳纖維放入研磨機進行研磨；研磨碳纖維是通過短切得到的碳纖維進一步加工所得，一般是把短切好的短的碳纖維放入研磨機中研磨一定的時間，然後根據研磨時間和風洞分級得到一定目數的纖維粉體的碳纖維。
[0031]S202:將處理後的碳纖維原料與輔料混合分散於水中；
把以上研磨好的短的碳纖維、纖維粉體的碳纖維或兩者的混合放入水中，也可以將粘合劑樹脂按照設定比例放入水中混合，例如重量比例或體積比例，得到所需要的材料，一般混合後的材料中碳纖維的含量大於萬分之二，例如碳纖維的含量大於萬分之二，例如是萬分之五，或者是千分之二。
[0032]S203:將混合後的材料均勻攪拌；
S204:將攪拌後的材料通過模具過濾，成型為胚體；
過濾的方法是用製作好的模具配上過濾網，主要把水過濾出去，留下來纖維。裝模成型的坯體形狀可以是長方體、圓柱體等幾何形狀的其中一種；而且，坯體的傳熱方向和導熱係數可以設計調節。
[0033]S205:將過濾後成型的胚體浸潤樹脂；
5206:把浸潤樹脂後的胚體固化，乾燥；
5207:把乾燥的胚體放入真空爐內煅燒碳化；
5208:把碳化的胚體放入真空爐內煅燒石墨化。
[0034]煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護下進行的高溫煅燒，煅燒分成兩個階段，首先，加熱到1000-1500度時，所有非碳原子將逐步被驅逐，碳含量逐步增加，隨著非碳原子的排除，固相間發生一系列化學反應，是一種碳化過程；第二步，溫度升高到2000-3000度時，殘留的非碳原子繼續排除，進一步反應形成的芳環平面逐步增加，排列也較規整，取向性顯著提高，是一種石墨化過程。[0035]綜上所述，本發明一種新型複合保溫材料處理，有效的提高和超越了傳統保溫材料的性能，同時提供一種製作複合保溫材料的方法，這種複合保溫材料可以根據實際的熱工設計要求調節其熱導係數和傳熱方向，同時可以具體需要設計其密度分布，能夠有效提高保溫材料的絕熱效果，從而減少熱場的重量和體積，為開發體積大，能耗小，性能高的爐子提供了有利的工作條件，同時這種新型複合保溫材料易生產加工，成本低。
[0036]由於採用了以上的技術使得本發明相比現有技術， 具有以下的優點和積極效果: 第一、依照本發明的材料和方法製成的新型複合保溫材料，由於採用廢棄纖維來製作，
降低了成本，提高企業的效益和產品的競爭力；
第二、本發明的新型複合保溫材料具有更細的纖維直徑，更小的導熱係數，更好的耐燒蝕性，更高的純度；而且採用的材料具有傳熱各向異性的特點，所以設計出的複合保溫材料具有定向傳熱功能，而且熱導係數可以根據需要來設計；
第三、使用這種新型複合保溫材料使爐子在相同功率的情況下獲得更高的溫度，也可以使得爐子使用較小的功率獲得更高的溫度，這樣起到節能降耗的作用；
第四、使用這種新型複合保溫材料使得爐內的氣氛獲得更高的純度，從而保證晶體生長的純度，提聞廣品質量；
第五、本發明的複合保溫材料在常溫有氧環境中是惰性的，在最常見的環境中不會被氧化或腐蝕。而且質輕，密度可以階梯設計，有利於熱場環境的清潔和燒蝕需要。
[0037]依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬【技術領域】技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。
【權利要求】
1.一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，應用於高溫爐體上的絕熱材料領域，其特徵在於，包括基礎原料和輔料，所述基礎原料是廢棄纖維原料，所述基礎原料是經過高溫煅燒後可以碳化的纖維材料； 所述輔料包括石墨、粘合劑和樹脂。
2.如權利要求1所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，其特徵在於，所述廢棄纖維原料為聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質纖維和棉纖維的其中一種或其中多種組成。
3.如權利要求1所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，其特徵在於，所述粘合劑為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、有機矽樹脂、亞克力樹脂、橡膠類材料和四氟乙烯樹脂等膠粘劑的其中一種或其中多種組成；所述石墨為石墨、納米石墨、鱗片石墨、石墨烯、熱解碳、熱解石墨、碳納米管等其中一種或多種組成。
4.如權利要求1所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，其特徵在於，所述廢棄纖維原料為浙青基、PAN基、粘膠基和酚醛基的其中一種；所述廢棄纖維原料的形狀為長纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。
5.如權利要求1所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，其特徵在於，所述複合保溫材料的密度是成階梯密度的。
6.如權利要求1所述的一種利用廢棄纖維製作的複合保溫材料，其特徵在於，所述複合保溫材料的傳熱方向和導熱係數是可調節性的。
7.一種利用廢棄纖維製作複合保溫材料的製造方法，其特徵在於，包括: 步驟1:將廢棄纖維原料進行表面處理、破碎處理及分散處理；. 步驟2:將處理後的纖維原料和輔料分散於水中； 步驟3:將混合後的材料均勻攪拌； 步驟4:將攪拌後的材料通過模具過濾，成型為胚體； 步驟5:將過濾後成型的胚體浸潤樹脂； 步驟6:把浸潤樹脂後的胚體固化，乾燥； 步驟7:把乾燥的胚體放入真空爐內煅燒碳化； 步驟8:把碳化的胚體放入真空爐內煅燒石墨化。
8.如權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，步驟4裝模成型的坯體形狀可以是長方體、圓柱體等幾何形狀的其中一種。
9.如權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，所述煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護下進行的高溫煅燒。
【文檔編號】C04B14/38GK103467000SQ201310409118
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】申富強 申請人:上海騏傑碳素材料有限公司