一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂及其制备方法，属于碳素制品粘合剂领域。所述非沥青基粘合剂，由以下重量份的原料组成，石油树脂30

【技术实现步骤摘要】
一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳素制品粘合剂领域，尤其是涉及一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳素材料是由碳元素为主要化学成分组成的一类非金属材料，是通过有机物热解后，进一步在高温条件下排除非碳元素所形成的含碳量高的固体材料。目前，碳素材料由于耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好、导电性好、抗冲击性好，越来越得到广泛的关注，且在国民经济各个部门得到越来越广泛的应用。特别是，碳素材料具有其他材料所无法比拟的特殊高温力学及热物理性能，使其在特种高温材料应用领域具有无可替代的地位。例如碳素材料常被用来制备高温部件如电极、发热体、加热器及单晶炉热屏等。
[0003]现有技术中，碳素制品的制备或粘合过程中，需采用含有沥青的粘合剂，在焙烧过程中，粘合剂中沥青的非碳成分从体系中脱离，残余的碳作为碳骨架将基体碳材料（如煅后焦等）或碳素零部件粘接成为碳素制品。但是，专利技术人发现，在焙烧过程中，沥青中非碳成分脱离会伴随有大量有毒有害物质的释放，对环境和人员安全均造成严重不良影响。同时，由于沥青是一种复杂的混合物，其原材料来源的不同，生产工艺的不同，会导致其性质存在较大的变化，自身性质及品质不稳定；其用于碳素制品制备中，存在有预定添加量条件下，残碳量不稳定，热失重温度范围不稳定等问题，无法保证充分发挥粘接效果，最终影响碳素制品的质量。
[0004]进一步的，专利技术人经研究发现，省略现有粘合剂中的沥青组分后，粘合剂粘接性能不理想，碳素制品强度较差；并且，粘合剂在焙烧过程中的收缩变形大，无法满足对产品尺寸要求高的碳素制品的质量要求，成品率低。由此，提供一种残碳量稳定，热失重温度范围稳定可控，粘接性能好，粘合剂高温收缩变形小，能够替代沥青的碳素粘合剂，对企业生产和环境保护均具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂及其制备方法，在碳素制品的焙烧粘合过程中，残碳量稳定，热失重温度范围稳定可控，粘接性能好，粘合剂高温收缩变形小，能够有效替代传统的沥青基碳素制品粘合剂。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术采取的技术方案如下：一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂，由以下重量份的原料组成，石油树脂30
‑
50份、丙烯酸树脂20
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30份、酚醛树脂20
‑
30份、改性碳纤维12
‑
15份、硼酸钠0.5
‑
1份、碳化硅0.5
‑
1份、碳黑5
‑
7份、聚乙烯吡咯烷酮2
‑
3份、十二烷基硫酸钠1
‑
2份；所述石油树脂为C5/C9共聚型石油树脂，软化点温度为125
‑
145℃；所述酚醛树脂为热固性2123酚醛树脂，软化点温度为94
‑
98℃。
[0007]所述碳化硅的粒径为40
‑
60μm。
[0008]所述改性碳纤维，由以下方法制得：预处理、改性；所述预处理，将碳纤维投入至25
‑
40倍重量的浓硝酸中，升温至75
‑
85℃，保温回流3
‑
5h后，滤出碳纤维并采用足量去离子水淋洗至中性，65
‑
75℃真空干燥至重量无变化，制得酸化碳纤维；然后将酸化碳纤维、硼氢化钠投入至40
‑
60倍重量四氢呋喃中，升温至65
‑
75℃，保温回流2
‑
3h，滤出并采用5
‑
10倍体积的四氢呋喃淋洗一次后，70
‑
80℃真空干燥至重量无变化，制得预处理物。
[0009]所述浓硝酸的浓度为65
‑
70wt%。
[0010]所述碳纤维的长度为1
‑
3mm。
[0011]所述酸化碳纤维、硼氢化钠的重量份比值为1:0.01
‑
0.03。
[0012]所述改性，将预处理物投入至4
‑
6倍重量份的去离子水中，搅拌条件下，以0.1
‑
0.2mL/min的滴加速率，滴加硅烷偶联剂KH
‑
560，滴加完成后，采用浓度为2
‑
3wt%的柠檬酸水溶液，调节pH值至4
‑
5；搅拌条件下，升温至70
‑
80℃，保温搅拌3
‑
4h后，滤出固体物；采用2
‑
4倍体积的去离子水淋洗固体物一次后，60
‑
70℃真空干燥至重量无变化，制得改性碳纤维；所述预处理物与硅烷偶联剂KH
‑
560的重量份比值为1:0.15
‑
0.2。
[0013]一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂的制备方法，由以下步骤组成：一次剪切、预氧化处理、二次剪切；所述一次剪切，按预定重量份，将石油树脂、酚醛树脂、改性碳纤维、硼酸钠、碳化硅、碳黑、十二烷基硫酸钠投入至高速剪切机内，以4000
‑
5000rpm的剪切转速，剪切处理10
‑
20min，制得剪切物；所述预氧化处理，将剪切物置于含氧量为26
‑
30%（体积分数）的气氛条件下，以8
‑
10℃/min的升温速率，升温至130
‑
140℃，保温50
‑
60min；然后以5
‑
8℃/min的升温速率，升温至210
‑
220℃，保温50
‑
60min后，自然冷却至常温，粉碎至120
‑
150μm，制得预氧化物；所述二次剪切，将预氧化物与预定重量份的丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮投入至高速剪切机内，以7000
‑
9000rpm的剪切转速，剪切处理5
‑
10min，制得用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术的用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂，通过设置特定重量份石油树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂的结合；并设置对碳纤维的改性处理，碳纤维经酸化、羟基化处理后，采用硅烷偶联剂KH
‑
560及柠檬酸改性，提高碳纤维颗粒的表面能，增强碳纤维与树脂界面性能，以及改善碳纤维在粘合剂中的分散性能，在不添加沥青的前提下，有效实现粘合剂对碳素制品的良好粘接性能，并同时改善粘合剂的粘接耐久性、耐热性，降低高温收缩变形；同时，通过设置碳化硅、硼酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠，进一步增强粘合剂的粘接性能，降低高温收缩变形。经检测，采用本专利技术的非沥青基粘合剂用于碳素制品的生产，制得的碳素制品的三点弯曲抗折强度为18.9
‑
20.7MPa，高温收缩变形率为3.6
‑
4.4%。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂，其特征在于，所述非沥青基粘合剂由以下重量份的原料组成，石油树脂30
‑
50份、丙烯酸树脂20
‑
30份、酚醛树脂20
‑
30份、改性碳纤维12
‑
15份、硼酸钠0.5
‑
1份、碳化硅0.5
‑
1份、碳黑5
‑
7份、聚乙烯吡咯烷酮2
‑
3份、十二烷基硫酸钠1
‑
2份；所述改性碳纤维，由以下方法制得：预处理、改性；所述预处理，将碳纤维投入至浓硝酸中，升温至75
‑
85℃，保温回流3
‑
5h后，滤出碳纤维并采用足量去离子水淋洗至中性，真空干燥，制得酸化碳纤维；然后将酸化碳纤维、硼氢化钠投入至四氢呋喃中，升温至65
‑
75℃，保温回流2
‑
3h，滤出并采用四氢呋喃淋洗一次后，真空干燥至重量无变化，制得预处理物；所述改性，将预处理物投入至去离子水中，搅拌条件下，滴加硅烷偶联剂KH
‑
560，滴加完成后，采用柠檬酸水溶液，调节pH值至4
‑
5；搅拌条件下，升温至70
‑
80℃，保温搅拌3
‑
4h后，滤出并采用去离子水淋洗后，真空干燥至重量无变化，制得改性碳纤维。2.根据权利要求1所述的用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂，其特征在于，所述石油树脂为C5/C9共聚型石油树脂，软化点温度为125
‑
145℃；所述酚醛树脂为热固性2123酚醛树脂，软化点温度为94
‑
98℃。3.根据权利要求1所述的用于生产碳素制品的非沥青基粘合剂，其特征在于，所述预处理中，酸化碳纤维与硼氢化钠的重量份比值为1:0.01
‑
0.03；所述改性中，预处理物与硅烷偶联剂KH
‑
560的重量份比值为1:0.15
‑
0.2。4.根据权利要求1所述的用于生产碳素制品的非...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华青，
申请(专利权)人：山东红点新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：