一种高纯碳纤维软毡及其制备方法与流程

1.本发明涉及碳纤维复合热场材料技术领域，具体涉及一种高纯碳纤维软毡及其制备方法。

背景技术：

2.太阳能晶硅生长炉、半导体长晶炉、热处理炉、光纤拉伸炉在晶体生长过程中需要具有优良保温性能、耐高温性能、低杂质含量即高纯度热场材料进行保温。而碳纤维软毡因碳纤维各向异性的三维层状结构而具有优异的保温性能，同时碳材料具有优异的耐高性能和较高的纯度，这些性能正好满足高温热场的需求。因此碳纤维软毡成为太阳能领域、半导体领域、热处理领域、光通讯领域高温装备必不可少的保温消耗品。
3.传统碳纤维软毡主要通过白丝或者预氧丝或者碳丝经过无纺技术制备而成，但是制备过程中也出现了一些问题，如(1)丙烯腈白丝在预氧化过程中需要在180-300度的热空气中保温0.5-3小时，过程控制严格，很容易造成纤维预氧化不均匀，且耗能较高；(2)有些黏胶类碳纤维在预氧化过程中会使用含磷阻燃剂，预氧化过程中环境污染严重，造成制备的碳纤维毡杂质含量超标，且影响晶体的生长，无法应用于半导体等高端热场领域；(3)碳丝直接无纺成毡时，由于碳丝的导电性，碳纤维很容易接触在一起，很难形成蓬松的低密度保温结构，并且由于纤维的脆性，在针刺时很容易造成纤维断裂，产生大量的碎屑，后续会污染热场；(4)预氧纤维毡在高温热处理过程中，很容易发生热收缩，造成材料的密度增大，且造成材料毡厚度等指标不均匀；(5)碳纤维毡由于原料及加工处理过程中引入的杂质，造成碳纤维毡的金属等杂质含量超标，无法满足高端热场的需求。(6)无纺成毡时，气流成网工艺纤维损伤更小，对纤维的强度要求低，但是纤维均匀度值在16左右，梳理机成网均匀性好，能做到纤维均匀度值3-5之间，但是对纤维强度要求比较高。
4.热处理能耗高且不易控制、阻燃剂污染环境和杂质含量超标、密度较高且不易控制、碎屑污染热场、热处理收缩、金属杂质含量超标等问题亟待新材料和新方法来解决。

技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有材料和制备方法的不足之处，提供一种密度小、保温性能好、纯度高的碳纤维软毡。
6.本发明的另一目的在于提出一种工艺简单、快速的高效制备高纯碳纤维软毡的方法。
7.本发明的技术方案在于：
8.本发明提供了一种高纯碳纤维软毡，所述高纯碳纤维软毡通过以下方法制备得到：首先白丝和高分子纤维经过气流、梳理成网及针刺成型工艺制备得到白丝软毡，白丝软毡通过辐照预氧化工艺制备得到预氧化毡，再经过高温碳化及石墨化工艺，以及高温化学纯化工艺技术制备得到高纯碳纤维软毡。
9.所制备的高纯碳纤维软毡具有较低的密度、较高的纯度、非常好的保温性能以及
较高的使用温度，并且所述制备过程更加环保、高效且低能耗。
10.所述高纯碳纤维软毡的密度为0.05-0.085g/cm3，导热系数0.052-0.07w/(mk)，杂质含量＜2ppm。
11.所述白丝为丙烯腈基白丝、黏胶基白丝或者沥青基原丝的一种。
12.所述白丝的长度为5-15cm。
13.本发明的另一目的在于提供一种生产效率高、能耗低、污染小、密度低、纯度高、隔热保温性能好即高效低能耗制备高纯碳纤维软毡的方法。
14.一种高纯碳纤维软毡的制备方法，所述方法包括以下步骤：
15.(1)白丝气流+梳理成网+针刺成型：将白丝和高分子纤维共混，然后在气流成网和梳理成网两种工艺过程中成网，再在针刺作用下增强定型，得到具有一定强度和密度的白毡；
16.(2)辐照预氧化：在高能电子束下进行快速传动辐照预氧化，得到预氧化毡；
17.(3)高温碳化和石墨化：将预氧化毡进行碳化反应，脱除非碳成分；再继续升温，进行石墨化处理，从而获得碳纤维软毡；
18.(4)高温化学处理：在高温环境中，通过加入聚四氟乙烯粉体对碳纤维软毡进行化学渗透和反应，最终获得高纯碳纤维软毡。
19.步骤(1)中，所使用的白丝为丙烯腈基白丝、黏胶基白丝或者沥青基原丝的一种。
20.所使用的白丝的长度为5-15cm。
21.所述高分子纤维选自聚丙烯纤维或尼龙纤维中的一种或几种。
22.通过高分子纤维和白丝形成混合毡结构，不仅后续经过碳化后可以去除，且其能起到降低整个碳纤维毡的密度的作用，从而最终获得具有较低密度的碳纤维毡，具有较好的保温性能。
23.添加的高分子纤维的质量百分含量为白丝的10％-30％，直径为10-20um，长度为5-15cm。
24.步骤(1)中，采用气流成网和梳理成网相结合的方式进行成网，先采用气流成网工艺，使得纤维均匀度值达到15-17，然后使用梳理成网，使得纤维均匀度值达到3-5。
25.这样不仅可以保证长纤维在面内均匀分散，在面内形成均一结构，并且纤维损伤不大，两种成网方式相结合是本发明的创新点之一。
26.步骤(1)中，白毡层与层之间容易发生滑移，为了增强白毡层与层之间的强度，本发明通过针刺的作用使得部分纤维在z向进行分布，从而使得白毡具有一定的力学强度。
27.其中z向纤维与平面内的纤维数量比为1：(50-150)。
28.步骤(2)中，预氧化在5-10min完成。预氧化过程中进行传动辐照。
29.辐照预氧化过程中不添加任何阻燃剂，在空气中即可以快速进行预氧化。通过传动辐照及时散热，毡体不会发生变形收缩现象。
30.步骤(2)中，预氧化的辐照剂量为50-500kgy。使用预氧化工艺处理白丝是本发明的创新点之一。
31.上述步骤(3)中，碳化过程中的温度为350℃-800℃。
32.在400-600℃保持0.5-1.5h，在600-800℃保温0.5-1.5h，升温速率为50-150℃。
33.碳化过程中产生大量的热解气体，通过抽真空，将产生的热解气体及时排出，并真
空度控制在10pa以下。
34.上述步骤(3)中，石墨化过程的温度为1800-2600℃。
35.升到指定温度后保温2-4h，升温速率为50-200℃/h。
36.石墨化过程中抽真空，及时排除杂质元素，保证最终产品的纯度，真空度控制在10pa以下。
37.本发明的碳化和石墨化同炉进行，减少了碳化降温过程，节省了能源。
38.上述步骤(4)中，使用聚四氟乙烯粉体作为高温化学纯化的气体。
39.化学纯化和物理纯化相结合提高了纯化效率。
40.本发明使用聚四氟乙烯粉体作为高温化学纯化气体的来源具有很好的安全性，纯化效果佳，也是本发明的创新点之一。
41.化学纯化气体占碳纤维软毡材料重量的0.2-2％，纯化温度为1800-2600℃，纯化时间为1-4h。
42.本发明的高纯碳纤维软毡材料具有以下优势：
43.(1)密度低
44.高纯碳纤维软毡的密度可以控制在0.05-0.085g/cm3。
45.(2)纯度高
46.制备的高纯碳纤维经过高温化学纯化处理后具有较高的纯度，最终杂质含量可以控制在2ppm以下，甚至达到0.9ppm。
47.(3)保温性能好
48.高纯碳纤维软毡材料具有较低的导热系数0.052-0.07w/(mk)。
49.(4)耐高温
50.高纯碳纤维软毡材料可以用于半导体长晶中，可以耐受2200℃-2600℃的高温环境，甚至高于2600℃的高温环境。
51.(5)环保
52.碳纤维白丝在预氧化过程中没有添加任何阻燃剂，相较于使用阻燃剂的预氧化工艺，辐照预氧化更加环保。同时使用聚四氟乙烯材料进行高温化学纯化处理，用量可控，相较于使用含氟化学气体也更加安全环保。
53.(6)高效、低能耗
54.制备过程中使用辐照预氧化，相较于热氧化工艺，预氧化可以在5-10min钟完成，而热氧化却要在高温条件下氧化0.5-3h，能耗大大降低，效率也得到提高。同时高温化学纯化工艺相较于单纯高温纯化(经常高于2800℃)，温度更低，处理更高效和节能。
55.本发明所得到的高纯碳纤维软毡可直接用在真空及惰性气体保护的高温炉内，特别是电阻加热高温炉中，能在1000—2600℃的温度下稳定使用，已经应用于太阳能、半导体长晶炉等晶体生长炉中。
附图说明
56.图1为本发明高纯碳纤维软毡的制备过程图示例；
57.图2为本发明高纯碳纤维软毡的微观形貌图；
58.图3为本发明实施例2所制备得到的高纯碳纤维软毡示例。
具体实施方式
59.下面通过实施例，对本发明做进一步的详细描述。但本发明不仅限于下列实施例。
60.实施例1
61.高纯碳纤维软毡的制备方法包括以下步骤：
62.(1)白丝+高分子纤维气流+梳理成网+针刺成型：将剪切到一定长度黏胶白丝(100份，长度7cm)和聚丙烯纤维(30份，直径10um，长度7cm)进行共混后，在气流成网和梳理成网两种工艺过程中进行成网，然后在针刺机的针刺作用下进行增强定型(z向纤维与面内纤维的比例为1：100)，成为具有一定强度和密度的白毡；
63.(2)辐照预氧化：将成型后的白毡平放在辐照室内的传动车上，在高能电子束下进行快速传动辐照预氧化，辐照剂量为300kgy，得到预氧化毡；
64.(3)高温碳化+石墨化：预氧化毡放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应(500℃/1h+700℃/1h+2400℃/2h，升温速率100℃/h)，真空度控制在10pa，获得碳纤维软毡；
65.(4)高温化学处理：碳纤维软毡放入高温纯化炉中进行高温化学纯化，(2400℃，3h，聚四氟化碳质量为碳纤维软毡材料质量的2％)，出炉即可获得高纯碳纤维软毡材料。
66.最终高纯碳纤维软毡材料的密度可以控制在0.05g/cm3，杂质含量为0.9ppm，导热系数为0.052w/(mk)。
67.实施例2
68.高纯碳纤维软毡的制备方法包括以下步骤：
69.(1)白丝+高分子纤维气流+梳理成网+针刺成型：将剪切到一定长度黏胶白丝(100份，长度7cm)和聚丙烯纤维(20份，直径10um，长度7cm)进行共混后，在气流成网和梳理成网两种工艺过程中进行成网，然后在针刺机的针刺作用下进行增强定型(z向纤维与面内纤维的比例为1：100)，成为具有一定强度和密度的白毡；
70.(2)辐照预氧化：将成型后的白毡平放在辐照室内的传动车上，在高能电子束下进行快速传动辐照预氧化，辐照剂量为250kgy，得到预氧化毡；
71.(3)高温碳化+石墨化：预氧化毡放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应(500℃/1h+700℃/1h+2200℃/2h，升温速率100℃/h)，真空度控制在10pa，获得碳纤维软毡；
72.(4)高温化学处理：碳纤维软毡放入高温纯化炉中进行高温化学纯化，(2200℃，2h，聚四氟化碳质量为碳纤维软毡材料质量的1％)，出炉即可获得高纯碳纤维软毡材料。
73.最终高纯碳纤维软毡材料的密度可以控制在0.07g/cm3，杂质含量为1.2ppm，导热系数为0.061w/(mk)。
74.实施例3
75.高纯碳纤维软毡的制备方法包括以下步骤：
76.(1)白丝+高分子纤维气流+梳理成网+针刺成型：将剪切到一定长度黏胶白丝(100份，长度7cm)和聚丙烯纤维(10份，直径10um，长度7cm)进行共混后，在气流成网和梳理成网两种工艺过程中进行成网，然后在针刺机的针刺作用下进行增强定型(z向纤维与面内纤维的比例为1：100)，成为具有一定强度和密度的白毡；
77.(2)辐照预氧化：将成型后的白毡平放在辐照室内的传动车上，在高能电子束下进行快速传动辐照预氧化，辐照剂量为200kgy，得到预氧化毡；
78.(3)高温碳化+石墨化：预氧化毡放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应(500
℃/1h+700℃/1h+2000℃/1h，升温速率100℃/h)，真空度控制在10pa，获得碳纤维软毡；
79.(4)高温化学处理：碳纤维软毡放入高温纯化炉中进行高温化学纯化，(2000℃，2h，聚四氟化碳质量为碳纤维软毡材料质量的1％)，出炉即可获得高纯碳纤维软毡材料。
80.最终高纯碳纤维软毡材料的密度可以控制在0.085g/cm3，杂质含量为1.9ppm，导热系数为0.07w/(mk)。
81.对比例1
82.高纯碳纤维软毡的制备方法包括以下步骤：
83.(1)白丝气流+梳理成网+针刺成型：将剪切到一定长度黏胶白丝(100份，长度7cm)和聚丙烯纤维(10份，直径10um，长度7cm)进行共混后，在气流成网和梳理成网两种工艺过程中进行成网，然后在针刺机的针刺作用下进行增强定型(z向纤维与面内纤维的比例为1：100)，成为具有一定强度和密度的白毡；
84.(2)辐照预氧化：将成型后的白毡平放在辐照室内的传动车上，在高能电子束下进行快速传动辐照预氧化，辐照剂量为200kgy，得到预氧化毡；
85.(3)高温碳化+石墨化：预氧化毡放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应(500℃/1h+700℃/1h+2000℃/1h，升温速率100℃/h)，真空度控制在10pa，获得碳纤维软毡；
86.最终高纯碳纤维软毡材料的杂质含量达到70ppm，材料无法用用高纯领域。
87.对比例2
88.高纯碳纤维软毡的制备方法包括以下步骤：
89.(1)含磷阻燃剂预氧化毡直接进行高温碳化和石墨化：预氧化毡放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应(500℃/1h+700℃/1h+2000℃/1h，升温速率100℃/h)，真空度控制在10pa，获得碳纤维软毡；
90.(2)高温处理：碳纤维软毡放入高温纯化炉中进行高温物理纯化，(2800℃，2h)，出炉即可获得高温纯化碳纤维软毡材料。
91.获得的毡体材料碎屑比较多，且碳化和石墨化过程中废气较多，污染严重，另外高温纯化效果不好，杂质含量达到150ppm，无法应用于高纯领域。

技术特征：

1.一种高纯碳纤维软毡，其特征在于，所述高纯碳纤维软毡通过以下方法制备得到：首先白丝和高分子纤维经过气流、梳理成网及针刺成型工艺制备得到白丝软毡，白丝软毡通过辐照预氧化工艺制备得到预氧化毡，再经过高温碳化及石墨化工艺，以及高温化学纯化工艺技术制备得到高纯碳纤维软毡。2.根据权利要求1所述的高纯碳纤维软毡，其特征在于，所述高纯碳纤维软毡的密度为0.05-0.085g/cm3，导热系数0.052-0.07w/(mk)，杂质含量＜2ppm。3.根据权利要求1或2所述的高纯碳纤维软毡，其特征在于，所述白丝为丙烯腈基白丝、黏胶基白丝或者沥青基原丝的一种。4.权利要求1-3任一项所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)白丝气流+梳理成网+针刺成型：将白丝和高分子纤维共混，然后在气流成网和梳理成网两种工艺过程中成网，再在针刺作用下增强定型，得到具有一定强度和密度的白毡；(2)辐照预氧化：在高能电子束下进行快速传动辐照预氧化，得到预氧化毡；(3)高温碳化和石墨化：将预氧化毡进行碳化反应，脱除非碳成分；再继续升温，进行石墨化处理，从而获得碳纤维软毡；(4)高温化学处理：在高温环境中，通过加入聚四氟乙烯粉体对碳纤维软毡进行化学渗透和反应，最终获得高纯碳纤维软毡。5.根据权利要求4所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，所述白丝的长度为5-15cm。6.根据权利要求4或5所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，所述高分子纤维为聚丙烯纤维和/或尼龙纤维，直径为10-20um，长度为5-15cm。7.根据权利要求4所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，所述高分子纤维的质量百分含量为白丝的10％-30％。8.根据权利要求4所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用气流成网和梳理成网相结合的方式进行成网，先采用气流成网工艺，使得纤维均匀度值达到15-17，然后使用梳理成网，使得纤维均匀度值达到3-5，z向纤维与平面内的纤维数量比为1：(50-150)。9.根据权利要求4所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，辐照预氧化过程在空气中快速进行，预氧化在5-10min完成，预氧化过程中进行传动辐照；预氧化过程的辐照剂量为50-500kgy。10.根据权利要求4所述的高纯碳纤维软毡的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，碳化过程中的温度为350℃-800℃，在400-600℃保持0.5-1.5h，在600-800℃保温0.5-1.5h，升温速率为50-150℃，真空度控制在10pa以下；上述步骤(3)中，石墨化过程的温度为1800-2600℃，升到指定温度后保温2-4h，升温速率为50-200℃/h，真空度控制在10pa以下；使用聚四氟乙烯粉体作为高温化学纯化的气体来源，化学纯化气体占碳纤维软毡材料重量的0.2-2％，纯化温度为1800-2600℃，纯化时间为1-4h。

技术总结

本发明提供了一种高纯碳纤维软毡及其制备方法，本发明通过白丝和高分子纤维经过气流、梳理成网和针刺成型工艺技术制备得到白丝软毡，白丝软毡再通过辐照预氧化工艺制备预氧化毡，经过高温碳化和石墨化工艺，以及高温化学纯化工艺技术制备得到高纯碳纤维软毡。制备的高纯碳纤维软毡具有较低的密度、较高的纯度、非常好的保温性能以及较高的使用温度，并且制备过程更加环保、高效且低能耗。所述高纯碳纤维软毡材料的密度为0.05-0.085g/cm3，导热系数0.052-0.07W/(mK)，杂质含量＜2ppm。杂质含量＜2ppm。