一种碳纤维刚性隔热瓦及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维刚性隔热瓦，包括构成骨架的短切碳纤维，以及用于粘接所述短切碳纤维的Si/C/O玻璃粘接相。本发明专利技术还提供了该碳纤维刚性隔热瓦的制备方法。本发明专利技术使用硅树脂制备碳纤维之间的粘接相，在碳化裂解时生成Si/C/O玻璃粘接相，起到粘接短切碳纤维骨架的作用，并且由于Si/C/O玻璃粘接相在高温有氧环境下氧化后，表面会生成一层二氧化硅玻璃膜，从而阻止氧原子进一步氧化内部的物质，因此具有较强的抗氧化性，并且硅树脂在惰性气氛下裂解的残炭率高，与使用淀粉作为粘结剂相比，力学强度也更高。

A Carbon Fiber Rigid Insulation Tile and Its Preparation Method

The invention relates to a carbon fiber rigid heat insulation tile, which comprises a short carbon fiber constituting a skeleton and a Si/C/O glass bonding phase for bonding the short carbon fiber. The invention also provides a preparation method of the carbon fiber rigid heat insulation tile. The invention uses silicone resin to prepare bonding phase between carbon fibers, generates Si/C/O glass bonding phase during carbonization and pyrolysis, plays the role of bonding short carbon fibers skeleton, and because the Si/C/O glass bonding phase oxidizes in high temperature aerobic environment, a layer of silica glass film will be formed on the surface, thus preventing oxygen atoms from further oxidizing the internal substances, so it has strong oxygen resistance. In addition, the char residue rate of silica Resin Pyrolysis in inert atmosphere is higher, and the mechanical strength is higher than that of starch as binder.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维刚性隔热瓦及其制备方法本申请为专利技术名称为“一种碳纤维刚性隔热瓦及其制备方法”的分案申请，原申请的申请日为2016.12.2，申请号为201611100591.5。
本专利技术涉及功能复合材料
，尤其涉及一种碳纤维刚性隔热瓦及其制备方法。
技术介绍
碳纤维刚性隔热瓦具有耐温高、轻质多孔、隔热效果好等优点，可直接作为超高温隔热材料使用，还可以作为原材料，通过复合树脂制备轻质烧蚀材料或抗氧化碳基陶瓷复合材料。美国原子能委员会在美国专利3577344号中公开了一种纤维隔热材料的制备方法。该专利使用短切碳纤维、石英纤维或硅酸铝等氧化物陶瓷纤维为原材料、使用可溶性淀粉为粘接剂，通过湿法成型工艺制备相应的纤维隔热材料坯体，进而使糊化聚合后的淀粉在高温炉中裂解形成粘接炭相。该纤维隔热材料被用于核电领域高温热防护。由于该纤维隔热材料使用可溶性淀粉为粘接剂，聚合后的淀粉在高温炉中裂解后的残炭率较低，导致制备的碳纤维刚性隔热瓦力学强度不够。美国能源部公开的美国专利4152482号中披露了上述美国专利3577344号轻质纤维隔热材料的制备工艺改进。美国专利4152482号通过分层过滤、分层固化工艺，消除了粘接相树脂固化时在纤维基体中产生的应力积累。此外，分层过滤工艺使得该轻质纤维隔热材料的结构更加可控，可以在不同层中使用不同的纤维基体、高发射率填料等实现产品性能梯度变化。美国纤维材料合伙公司(FiberMaterialsIncorporation,FMI)生产了一种牌号为的碳纤维轻质刚性隔热瓦。将直径为14-16微米的碳纤维短切至1.6mm长，与水溶性酚醛树脂及溶剂混合打浆后湿法成型，酚醛树脂固化后在1440℉(782.2℃)下碳化，进而在3240℉(1782.2℃)高温热处理后制得碳纤维刚性隔热瓦。碳纤维刚性隔热瓦的密度为0.15-0.23g/cm3，厚度方向压缩强度为0.2-0.6MPa。ChangqingHong等制备了一种碳纤维基烧蚀材料PICA(phenolicimpregnated3-Dfine-wovenpiercedcarbonfabricablator)，其密度为0.352～0.701g/cm3，在4.5MW/m2的氧/乙炔火焰烧蚀试验中，其线烧蚀率为0.019～0.036mm/s，质量烧蚀率为0.045～0.061g/s。该种PICA材料由3D细编穿刺碳纤维预制体复合酚醛树脂制备。但是，这些材料均以酚醛树脂裂解残炭作为粘接相，在1200℃高温空气氛围下会发生燃烧，导致其抗氧化性不高，耐温性不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有碳纤维刚性隔热瓦力学强度不够、耐温性不足的缺点，采用不同的技术方案来最终提供一种耐温性更高的、轻质的、强度更大的碳纤维轻质刚性隔热瓦及其制备方法，可以作为无氧气氛超高温烧结炉、核电站高温设备、化工反应器等的热防护材料使用。为此，本专利技术通过如下技术方案来实现本专利技术的目的：1、一种碳纤维刚性隔热瓦，其中，包括构成骨架的短切碳纤维，以及用于粘接所述短切碳纤维的Si/C/O玻璃粘接相。2、根据技术方案1所述的碳纤维刚性隔热瓦，其中，所述Si/C/O玻璃粘接相由硅树脂预聚物、交联剂、催化剂和有机溶剂按照10:(0.1～10):(0.1～10):(10～100)的质量比配制成硅树脂前驱体混合液后通过真空浸渍技术吸入碳纤维干坯中，再经过室温固化、碳化和高温热处理后得到。3、根据技术方案2所述的碳纤维刚性隔热瓦，其中：所述硅树脂预聚物选自由羟基封端聚二甲基硅氧烷、羟基封端聚二苯基硅氧烷、羟基封端苯基取代的聚二甲基硅氧烷、氨基封端聚二甲基硅氧烷和环氧基封端聚二甲基硅氧烷组成的组中的一种或数种的混合物；所述硅树脂预聚物的粘度为200～100000cst；和/或所述交联剂选自由正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷组成的组中的一种或数种的混合物；和/或所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或γ-胺丙基三乙氧基硅烷；和/或所述有机溶剂选自由苯、二甲苯、苯乙烯和丙酮组成的组中的一种或数种的混合物。4、根据技术方案1或2所述的碳纤维刚性隔热瓦，其中，所述碳纤维的长度为1～5mm，直径为8～12μm。5、一种碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其中，包括以下步骤：(1)通过湿法成型得到短切碳纤维的湿坯，烘干后得到碳纤维干坯；(2)将硅树脂预聚物、交联剂、催化剂和有机溶剂混合后制得硅树脂前驱体混合液；(3)使用硅树脂前驱体混合液浸渍所述碳纤维干坯，再经过室温固化、碳化和高温热处理后得到碳纤维刚性隔热瓦。6、根据技术方案5所述的碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其中，所述步骤(2)中：按照10:(0.1～10):(0.1～10):(10～100)的质量比将硅树脂预聚物、交联剂、催化剂和有机溶剂混合后制得硅树脂前驱体混合液。7、根据技术方案5或6所述的碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其中，所述步骤(2)中：所述硅树脂预聚物选自由羟基封端聚二甲基硅氧烷、羟基封端聚二苯基硅氧烷、羟基封端苯基取代的聚二甲基硅氧烷、氨基封端聚二甲基硅氧烷和环氧基封端聚二甲基硅氧烷组成的组中的一种或数种的混合物；所述硅树脂预聚物的粘度为200～100000cst；和/或所述交联剂选自由正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷组成的组中的一种或数种的混合物；和/或所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或γ-胺丙基三乙氧基硅烷；和/或所述有机溶剂选自由苯、二甲苯、苯乙烯和丙酮组成的组中的一种或数种的混合物。8、根据技术方案5所述的碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其中，所述步骤(1)中：将短切碳纤维与水按照1:150～250的质量比混合，搅拌打浆后过滤得到湿坯，再将湿坯装入定形模具，根据材料的目标密度将湿坯压至预设高度，在60～150℃下干燥4～36小时，得到碳纤维干坯。9、根据技术方案5所述的碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其中，所述步骤(1)中还包括除胶步骤：将碳纤维切短至1～5mm，得到短切碳纤维，将短切碳纤维与丙酮混合，在搅拌和水冷回流的条件下，将丙酮加热至55～60℃并回流24～72小时，清洗附着在短切碳纤维表面的环氧树脂类表面处理剂，随后通过滤网过滤，再使得丙酮挥发后得到短切碳纤维。10、根据技术方案5所述的碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其中，所述步骤(3)中：真空浸渍和室温固化具体为：先将步骤(1)得到的碳纤维干坯连同定形模具置于真空浸渍罐中，将所述真空浸渍罐密封并抽真空至10-2～10-4atm；将步骤(2)制得的硅树脂前驱体混合液注入所述真空浸渍罐中，使液面没过所述定形模具上表面，打开放空阀使罐体内气压平衡至1atm，静置24～100小时，使得硅树脂交联固化；和/或所述碳化在氩气气氛炉中加热至600～1000℃并保温1～10小时；和/或所述高温热处理在氩气气氛炉中加热至1500～2200℃并保温1～10小时。实施本专利技术的碳纤维刚性隔热瓦及其制备方法，具有以下有益效果：1、本专利技术使用硅树脂制备碳纤维之间的粘接相，在碳化裂解时生成Si/C/O玻璃粘接相，该Si/C/O玻璃粘接相覆盖在碳纤维表面及碳纤维与碳纤维的交点处，起到粘接短切碳纤维骨架的作用，并且由于Si/C/O玻璃粘接相在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维刚性隔热瓦，其特征在于，包括构成骨架的短切碳纤维，以及用于粘接所述短切碳纤维的Si/C/O玻璃粘接相。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维刚性隔热瓦，其特征在于，包括构成骨架的短切碳纤维，以及用于粘接所述短切碳纤维的Si/C/O玻璃粘接相。2.根据权利要求1所述的碳纤维刚性隔热瓦，其特征在于，Si/C/O玻璃粘接相使用硅树脂制备碳纤维之间的粘接相，在碳化裂解时生成。3.根据权利要求1或2所述的碳纤维刚性隔热瓦，其特征在于，所述Si/C/O玻璃粘接相由硅树脂预聚物、交联剂、催化剂和有机溶剂按照10:(0.1～10):(0.1～10):(10～100)的质量比配制成硅树脂前驱体混合液后通过真空浸渍技术吸入碳纤维干坯中，再经过室温固化、碳化和高温热处理后得到。4.根据权利要求3所述的碳纤维刚性隔热瓦，其特征在于：所述硅树脂预聚物选自由羟基封端聚二甲基硅氧烷、羟基封端聚二苯基硅氧烷、羟基封端苯基取代的聚二甲基硅氧烷、氨基封端聚二甲基硅氧烷和环氧基封端聚二甲基硅氧烷组成的组中的一种或数种的混合物；其中羟基封端苯基取代的聚二甲基硅氧烷为部分苯基取代，取代度为30％至70％；所述硅树脂预聚物的粘度为200～100000cst，优选为10000～20000CSt；进一步优选为2000～4000CSt；和/或所述交联剂选自由正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷组成的组中的一种或数种的混合物；和/或所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或γ-胺丙基三乙氧基硅烷；和/或所述有机溶剂选自由苯、二甲苯、苯乙烯和丙酮组成的组中的一种或数种的混合物。5.根据权利要求3所述的碳纤维刚性隔热瓦，其特征在于：所述硅树脂预聚物为羟基封端聚二甲基硅氧烷，所述交联剂为正硅酸乙酯，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡,所述有机溶剂为二甲苯，按照10:1:0.1:50的质量比混合均匀后得到硅树脂前驱体混合液；和/或所述碳纤维的长度为1～5mm，直径为8～12μm；优选地，短切碳纤维的长度为2mm，直径为10μm。6.一种碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过湿法成型得到短切碳纤维的湿坯，烘干后得到碳纤维干坯；(2)将硅树脂预聚物、交联剂、催化剂和有机溶剂混合后制得硅树脂前驱体混合液；(3)使用硅树脂前驱体混合液浸渍所述碳纤维干坯，再经过室温固化、碳化和高温热处理后得到碳纤维刚性隔热瓦；所述步骤(2)中：按照10:(0.1～10):(0.1～10):(10～100)的质量比将硅树脂预聚物、交联剂、催化剂和有机溶剂混合后制得硅树脂前驱体混合液。7.根据权利要求6所述的碳纤维刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中：所述硅树脂预聚物选自由羟基封端聚二甲基硅氧烷、羟基封端聚二苯基硅氧烷、羟基...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁胜，吴宪，张凡，郭慧，赵英民，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11