一種用于粘結(jié)碳氈的高溫粘結(jié)劑的制備及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于粘結(jié)碳氈的高溫粘結(jié)劑及其制備和使用方法。通過稀土、無機酸鹽對樹脂進行化學(xué)改性后，連同無機填料、固化劑等涂刷粘接碳氈，再通過固化、炭化、高溫等工藝，制備得到能夠?qū)⑻細诌M行有效連接的高溫粘結(jié)劑。本發(fā)明原料易得，可選擇范圍寬，制備工藝簡單、成本低廉，結(jié)合了有機粘接劑和無機粘接劑的各項優(yōu)良性能，使粘接劑與碳氈界面間依靠耐熱和高強度的化學(xué)鍵進行連接，從而提高了粘接面的結(jié)合力，實現(xiàn)了粘結(jié)部位在高溫條件或高溫處理之后仍具有足夠的強度和適當?shù)娜犴g性，從而，達到碳氈的隔熱保溫等性能不受或少受影響的目的。
【專利說明】一種用于粘結(jié)碳氈的高溫粘結(jié)劑的制備及其使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種高溫粘結(jié)劑，具體地說，涉及一種用于粘接碳氈的高溫粘結(jié)劑的制備及其使用方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]碳租是一種碳纖維軟租，厚度多在3_15mm之間,碳含量高于90%,主要有聚丙烯腈基碳氈、浙青基碳氈和粘膠基碳氈。其中，聚丙烯腈基碳氈最為常見，使用也最廣泛。碳氈具有優(yōu)異的隔熱保溫性能，高溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.23-0.26ff/(m.K) (1000°C )，是高溫真空設(shè)備、非氧化氣氛高溫設(shè)備理想的新型隔熱保溫材料。適用于真空高壓氣淬爐、真空燒結(jié)爐、加壓真空燒結(jié)爐、單晶硅爐、多晶硅爐、碳化硅重結(jié)晶爐等各種爐型。在實際生產(chǎn)中，可以直接使用；也可根據(jù)爐體結(jié)構(gòu)將碳氈縫制或粘接成各種形狀的整體式熱場使用。這種整體式熱場安裝、清理和更換十分方便，逐漸成為行業(yè)主要的使用對象。其中采用粘接工藝制備的熱場最為常見，這種熱場具有良好的形狀保持性、自支撐性等優(yōu)點，因而使用范圍非常廣泛。
[0004]在粘接工藝中，能夠?qū)μ細诌M行有效粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑通常包括無機粘結(jié)劑和有機粘結(jié)劑兩大類:無機粘結(jié)劑雖然能在高溫下工作，但由于其粘接強度較低，而且會影響碳氈的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。有機粘結(jié)劑一般使用溫度局限在20(T30(TC，不能滿足碳氈用于1000C以上高溫領(lǐng)域應(yīng)用的要求。但利用有機物炭化后的殘?zhí)己吞細衷谖锢砘瘜W(xué)性質(zhì)上的相容性等，使得有機粘結(jié)劑成為碳氈用高溫粘結(jié)劑的重要類型，使用也最為廣泛。如果將無機膠的耐溫性與有機膠的結(jié)構(gòu)多樣、易于改性結(jié)合起來，研制出復(fù)合型粘結(jié)劑，則有可能實現(xiàn)碳熱場在高溫下的高效粘接，并可通過改變粘結(jié)劑組成及配比調(diào)節(jié)粘結(jié)劑性能，以實現(xiàn)高溫粘接后仍具有良好的保溫熱性能，充分發(fā)揮碳氈在高溫時優(yōu)異的熱物理性能，對推動和拓展碳氈材料進一步的應(yīng)用起到積極的作用。
[0005]綜上所述，研制開發(fā)制備工藝簡單、價格低廉且粘結(jié)效果良好，并用于碳氈的高溫粘結(jié)劑仍然迫在眉睫。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種用于粘結(jié)碳氈的高溫粘結(jié)劑的制備方法，使用制備的高溫粘結(jié)劑，以保證碳氈的粘接面在高溫條件下具有足夠的粘結(jié)效果，不會出現(xiàn)分層變形等，而使碳氈的隔熱保溫等性能不受或少受影響。
[0007]本發(fā)明的進一步目的在于提供一種使用高溫粘結(jié)劑粘結(jié)碳氈的方法。
[0008]為實現(xiàn)上述之目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
(一)一種用于碳氈粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
用稀釋劑稀釋固化劑，其中稀釋劑和固化劑的重量比為100份:2-15份，然后攪拌20分鐘，接著在攪拌下將80 -120份樹脂逐漸加入，最后將無機填料60-120份、改性劑0.5-12份加入到攪拌溶液中，繼續(xù)攪拌60分鐘后即制得初始高溫粘結(jié)劑。
[0009]上述的稀釋劑為工業(yè)乙醇、甲醇或丙酮中的一種或幾種的組合。
[0010]上述的無機填料為石墨、碳化硅的組合中的一種或幾種的組合。
[0011]上述的改性劑為稀土、硼酸中的一種或幾種的組合。
[0012]上述的固化劑為六亞甲基四胺、對甲苯磺酸、T31、硫酸乙酯和石油磺酸中的一種或幾種的組合。
[0013]上述的樹脂為酚醛樹脂、呋喃樹脂、環(huán)氧樹脂中的一種或幾種的組合。
[0014]該高溫粘結(jié)劑的理化參數(shù)如下:
外觀:深灰色至黑色乳液
pH 值:3.0-5.5
粘度(20 0C，Pa.s): 2.3-3.5
(二)使用高溫粘結(jié)劑粘結(jié)碳氈的方法，具體步驟是:
a涂膠:在碳氈粘接面上雙面均勻涂刷初始高溫粘結(jié)劑，然后再將另一塊碳氈附著在高溫粘結(jié)劑上，粘合在一起，適當夾緊，保證粘接面良好的接合即可；
b.固化:在大氣環(huán)境中，將初粘合的碳租在半小時內(nèi)從室溫升聞到130C，保溫I小時后，再升溫至200°C后固化2小時后取出，自然降溫得到固化試樣；
c.炭化:將上述固化試樣放入有氬氣保護的炭化爐中，以40-60°C/h的升溫速率升溫至1000-1800°C炭化2-3小時后，隨爐降溫得到試樣。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下突出的優(yōu)點和效果；
1.本發(fā)明原料易得，可選擇范圍寬，制備工藝簡單、成本低廉。
[0016]2.本發(fā)明采用將有機樹脂粘接劑和無機粘接劑結(jié)合起來得到的這種復(fù)合型粘接劑，克服了傳統(tǒng)的有機粘結(jié)劑不能持久耐高溫、無機粘結(jié)劑與粘接基體相容性差等缺點，保證了碳氈之間產(chǎn)生及較強的粘接力，其粘接強度為1.45MPa，遠高于軟氈自身剝離強度，而且90°折彎后不開裂，與軟氈形成統(tǒng)一的整體。同時，無機填料與高溫后的樹脂炭及基體碳氈發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成耐熱和高強度的化學(xué)鍵，實現(xiàn)了粘結(jié)面在高溫條件下具有足夠的強度和韌性，扭折也不會分層，且碳氈的隔熱保溫等性能不受或少受影響的目的。
[0017]3.本發(fā)明不僅可以用于粘接形狀復(fù)雜碳氈熱場，也可用于大尺寸碳氈復(fù)合板材的粘接。
[0018]4.本發(fā)明提供的高溫粘結(jié)劑對碳氈粘接強度高，降低了原材料的損耗，從而可延長粘接式碳氈熱場的使用壽命，提高了熱場的利用效率，節(jié)約成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為酚醛樹脂(a)和硼酸改性酚醛樹脂(b)的紅外光譜圖。
[0020]圖2為本發(fā)明粘接劑對碳氈粘接剝離表面形貌(1500°C處理)。
[0021]圖3為本發(fā)明粘接碳氈扭折前示意圖(1800°C處理)。
[0022]圖4為本發(fā)明粘接碳氈扭折后示意圖(1800°C處理)。
[0023]圖5為碳氈-石墨紙-碳氈夾心結(jié)構(gòu)隔熱保溫試樣剝離表面形貌(1800°C處理)。
[0024]圖6碳布-碳布疊層碳碳材料試樣層間表面形貌(2400 °C處理)。

【具體實施方式】
[0025]下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案再作進一步的描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0026]實施例1
(a)用工業(yè)乙醇溶解對甲苯磺酸，其中工業(yè)乙醇和對甲苯磺酸的重量比為100份:12份，然后攪拌20分鐘，接著在攪拌下將100份酚醛樹脂和6份硼酸逐漸加入，最后將石墨80份加入溶液中，繼續(xù)攪拌60分鐘后即制得初始高溫粘結(jié)劑。
[0027]圖1為制得的高溫粘結(jié)劑和純酚醛樹脂的紅外光譜圖。從圖1可以看出:相對于純酚醛樹脂，硼酸加入后的酚醛樹脂在1380cm—1附近出現(xiàn)了 B-O鍵的伸縮振動吸收峰，表明用硼酸作為固化劑后，硼酸與酚醛樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了高強度的化學(xué)鍵，從而賦予酚醛樹脂具有更高的耐熱性能。
[0028](b)以四塊裁切好的碳氈為粘結(jié)材料，將上述所制備的高溫粘結(jié)劑，均勻的涂刷在粘接面上，厚度約1.6mm，再在高溫粘結(jié)劑附著碳氈，把它們粘合在一起，適當壓緊；壓力為60MPa ;然后將初粘合的碳氈從室溫開始直接升溫至140°C，保溫I小時后，再升溫至200°C后固化2小時；最后將上述固化試樣放入有氬氣保護的炭化爐中，以60°C /h的升溫速率升溫至1500°C炭化2小時后隨爐降溫；然后將獲得的試樣放入高溫純化爐，以100°C /h升溫至2000 °C，處理2小時后隨爐降溫，即制備得到所需粘接碳氈
由此得到的粘接碳氈層間具有更高的內(nèi)聚力和致密性，其密度為0.17g/cm3。
[0029]試驗例I
對上述獲得的碳氈試樣做層間剝離試驗。如圖2所示為本發(fā)明粘接劑粘接碳氈剝離表面形貌，從圖2中可以看出:粘接面層大量纖維拔出，剝離表面以韌性破壞為主，而且損傷多為基體碳氈纖維斷裂或拔出，說明粘接層強度高于碳氈軟氈的自身的剝離強度，對碳氈的粘接效果良好。
[0030]實施例2
Ca)先用100份工業(yè)乙醇稀釋15份T31，然后攪拌20分鐘，接著在攪拌下將100份環(huán)氧樹脂逐漸加入，最后將石墨80份、碳化硅30份、稀土 0.5份加入溶液中，繼續(xù)攪拌60分鐘后即制得初始高溫粘結(jié)劑。
[0031](b)用上述所制備的高溫粘結(jié)劑，均勻的涂刷在碳氈粘表面上，然后纏繞成筒狀熱場或碳氈板材；然后將初粘合的試樣在從室溫開始直接升溫至130°C，保溫2小時后，再升溫至200°C后固化2小時；最后將上述固化試樣放入有氬氣保護的炭化爐中，以80°C /h的升溫速率升溫至1800°C炭化2小時。
[0032]這樣既得到所需的筒狀碳氈熱場或碳氈板材試樣毛胚，再經(jīng)機加工即可得到所需的熱場或隔熱板材。
[0033]試驗例2
將實施例2中用本發(fā)明粘接劑制備得到碳氈板材，做外力擠壓或扭折試驗。圖3-4為本發(fā)明粘接碳氈扭折對比圖(1800°C處理)。如圖4所示，經(jīng)外力擠壓或扭折變形后的筒狀熱場和板材，均無分層現(xiàn)象，且能恢復(fù)原狀，說明其具有很好的柔韌性和良好的層間粘接性能，能夠適當?shù)钟鶡釄霭惭b、清理過程中的人為損傷，有效延長碳氈板材熱場的使用壽命。
[0034]實施例3
(a)用工業(yè)乙醇溶解T31和稀土，其中乙醇、T31和稀土的重量比為100份:5份:0.3份，然后攪拌20分鐘，接著在攪拌下將30份環(huán)氧樹脂和70份酚醛樹脂逐漸加入，之后將石墨120份加入溶液中，繼續(xù)攪拌60分鐘后，加入六亞甲基四胺8份，攪拌10分鐘即制得初始高溫粘結(jié)劑。
[0035](b)用上述所制備的高溫粘結(jié)劑，迅速均勻的涂刷在碳氈粘表面；加壓15MPa，然后將初粘合的試樣在從室溫開始直接升溫至100°c，保溫2小時后，再升溫至200°C后固化2小時；最后將上述固化試樣放入有氬氣保護的炭化爐中，以80°C /h的升溫速率升溫至1800°C炭化2小時。降溫后即得到粘接樣品。
[0036]使用過程中，高溫粘接劑需要按需配制，隨配隨用，否則影響粘接效果。
[0037]試驗例3
利用實施例3中所述制備的高溫粘接劑，制備碳氈-石墨紙-碳氈夾心結(jié)構(gòu)隔熱保溫試樣，采用實施例3中固化和炭化工藝，得到復(fù)合型隔熱桶材。圖5為碳氈-石墨紙-碳氈夾心結(jié)構(gòu)隔熱保溫桶試樣剝離表面形貌(1800°C處理)。如圖5所示，剝離后在石墨紙表面殘留大量拔出的碳纖維，說明本發(fā)明高溫粘接劑也能夠試驗碳氈跟石墨紙的粘接，而且具有良好的粘接強度。
[0038]實施例4
(a)用工業(yè)乙醇100份稀釋100份酚醛樹脂，之后將石墨120份、稀土 0.5份加入溶液中，繼續(xù)攪拌60分鐘后得到預(yù)用粘接劑膠泥，靜置24h，在使用前加入六亞甲基四胺12份，攪拌20分鐘即制得初始高溫粘結(jié)膠泥。
[0039](b)用上述所制備的高溫粘結(jié)劑，均勻的涂刷在碳布表面；然后將涂刷好膠泥的碳布逐層疊放，放入熱壓機，初始壓力較小，保證碳布疊層邊緣有少量膠泥流出即可；然后升溫至100°C，恒溫至邊緣膠泥有固化跡象后，加壓35MPa并升溫至200°C固化2h ;最后將上述固化試樣放入有氬氣保護的炭化爐中，以80°C /h的升溫速率升溫至2400°C炭化2小時。
[0040]試驗例4
利用實施例4中所述制備的高溫粘接膠泥，制備碳布疊層碳碳材料，采用實施例4中熱壓固化和炭化工藝，得到碳碳材料。圖5為碳布-碳布疊層碳碳材料層間表面實物圖(2400°C處理)。如圖6所示，碳布層間表面沒有明顯纖維拔出跡象，說明其斷裂為脆性斷裂；但碳布層間粘接層整體致密度較好，沒有大的氣泡或空洞，最大程度的保證了碳布層間粘接強度，其剪切強度為16.3MPa，一次性成型密度為1.63g/cm3。完全滿足高溫爐用碳碳材料性能要求，且制備成本、制備周期短。
【權(quán)利要求】
1.一種用于碳氈粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑的制備方法，其特征在于:用稀釋劑稀釋固化劑，其中稀釋劑和固化劑的重量比為100份:2-15份，然后攪拌20分鐘，接著在攪拌下將80-120份樹脂逐漸加入，最后將無機填料60-120份、改性劑0.5-12份加入到攪拌溶液中，繼續(xù)攪拌60分鐘后即制得初始高溫粘結(jié)劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于碳氈粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑的制備方法，其特征是上述的稀釋劑為工業(yè)乙醇、甲醇或丙酮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于碳氈粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑的制備方法，其特征是上述的無機填料為石墨、白炭黑、炭黑、碳化硅中的一種或幾種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于碳氈粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑的制備方法，其特征是上述的固化劑為硼酸、六亞甲基四胺、對甲苯磺酸、T31、硫酸乙酯、石油磺酸中的一種或幾種的組八口 ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于碳氈粘結(jié)的高溫粘結(jié)劑的制備方法，其特征是上述的樹脂為酚醛樹脂、呋喃樹脂、環(huán)氧樹脂中的一種或幾種的組合。
6.使用權(quán)利要求1制備高溫粘結(jié)劑粘結(jié)碳氈的方法，具體步驟是: a涂膠:在碳氈粘接面上雙面均勻涂刷初始高溫粘結(jié)劑，然后再將碳氈附著在高溫粘結(jié)劑上，加壓10-35MPa，使碳氈粘合在一起； b.固化:在大氣環(huán)境中，將初粘合的碳租在半小時內(nèi)從室溫升聞到130C，保溫I小時后，再升溫至200°C后固化2小時后取出，自然降溫得到固化試樣； c.炭化:將上述固化試樣放入有氬氣保護的炭化爐中，以40-60°C/h的升溫速率升溫至1000-1800°C炭化2-3小時后，隨爐降溫即得試樣。
【文檔編號】C09J11/06GK104342079SQ201310329734
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】柴昌盛, 馮利邦, 楊子元 申請人:甘肅郝氏炭纖維有限公司