一種碳纖維氈表面抗氧化涂料的制備和使用方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層的制備和使用方法。通過用無機酸鹽對基體樹脂進行化學改性后，作為碳源前驅體與無機粉料共混，涂刷在碳纖維氈保溫材料表面，再通過固化、炭化以及高溫等工藝，制備得到具有抗氧化和抗熱沖蝕能力的高溫涂層。本發明原料易得，可選擇范圍寬，制備工藝簡單、成本低廉；制備得到的涂層結構降低了碳纖維氈保溫材料的比表面積，進而使得碳纖維氈類保溫層材料在低溫的有氧氧化現象得到抑制，并在高溫惰性氣氛環境中，材料表面具有一定的抗熱沖蝕能力。延長了碳纖維氈的使用壽命和長效的保溫能力。另外，涂層后的碳纖維氈在使用過程中的掉渣現象得到抑制，拓寬了碳纖維氈的應用范圍。
【專利說明】一種碳纖維氈表面抗氧化涂料的制備和使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于一種碳纖維氈表面抗氧化涂層，具體地說，涉及一種用于真空高溫環境或具有惰性氣體保護的高溫爐用碳纖維氈表面抗氧化、抗熱沖蝕涂層材料的制備及其使用方法。
【背景技術】
[0002]目前，高溫真空爐、惰性氣體保護高溫爐以及各種晶體爐，如多晶硅爐或單晶硅爐等，其隔熱保溫層材料多采用聚丙烯晴基碳纖維氈、粘膠基碳纖維氈和浙青基碳纖維氈。由于碳纖維氈類材料具有良好的阻熱性能，其平均導熱率為0.22-0.25ff/m.k (爐內溫度1500°C，保溫層厚度為50mm)，碳含量在99%以上，雜質元素較少，尤其是高溫可揮發性雜質更少，純度可達0.lppm，高溫熱膨脹系數在2.5X10_6/K。該種保溫材料保溫溫度范圍廣，從低溫至3200°C均有良好的阻熱性能；使用形式多樣，從最初軟氈縫制保溫層發展到目前各種固氈整體式熱場，尤其是在太陽能光伏、電池等新能源產業的帶動下進一步擴大。
[0003]然而在實際生產中，一方面為提高生產效率，很多高溫爐開爐溫度過高，對保溫層材料的氧化損傷嚴重，直接影響或降低了保溫效果及其壽命。例如多晶和單晶硅行業的開爐溫度均在30(TC左右。另一方面，保溫層材料在高溫環境下，尤其在有惰性氣體氣氛保護爐中受到嚴重高溫熱流沖蝕，受熱流沖蝕部位的壽命相對其他部位要減少一半左右。主要原因是碳纖維氈類材料的比表面過大是造成上述損傷或消耗。日本吳羽研發了 G石墨類抗氧化涂層，在保溫熱場表面形成一層隔層，有效降低了碳纖維氈表面的比表面積，而且涂層具有良好的抗高溫熱流沖蝕能力，尤其在低熱流工況下抗熱流沖蝕能力更好。但是價格昂貴，基本為國內同類產品的2-3倍。國內廠家直接采用石墨涂層，但是使用效果不佳。同時，國內針對碳纖維氈類保溫層表面涂層的研究報道也不多見。
[0004]綜上所述，碳纖維氈隨著高溫爐和光伏行業的發展，用量日益擴大，研制開發一款工藝簡單、價格低廉而性能優異的碳纖維氈表面抗氧化涂層迫在眉睫。
[0005]
【發明內容】
[0006]鑒于上述，本發明的目的在于提供一種碳纖維氈表面抗氧化涂料，以保證碳纖維氈在高溫條件下具有足夠的抗熱沖蝕能力以及在低溫(300°C _500°C)有氧環境下具有一定的抗氧化能力，而使碳纖維氈的保溫性能和壽命不受或少受影響。
[0007]本發明的另一目的在于提供一種成本低、制備工藝簡單、碳纖維氈表面抗氧化涂料的方法。
[0008]本發明的進一步目的在于提供一種用碳纖維氈表面抗氧化涂料的使用方法。
[0009]為實現上述之目的，本發明采取的技術方案為:
(一)一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂料，是由基體樹脂、改性劑、固化劑以及無機粉料組成，其重量比為樹脂90份、改性劑0-16份、固化劑2-15份、無機粉料50-150份。[0010]上述的樹脂為酚醛樹脂或呋喃樹脂。
[0011]上述的改性劑為硼酸、硼酸酯、硼酸鋅、氧化硼中的一種或幾種的組合。
[0012]上述的固化劑為苯磺酰氯、六亞甲基四胺、對甲苯磺酸、硫酸乙酯中的一種或幾種的組合。
[0013]上述高溫無機粉料為石墨、碳化硼、碳化硅、二氧化硅、碳化鈦、氧化鋁中的一種或幾種的組合。
[0014](二)一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 用工業乙醇、或甲醇、或丙酮溶劑為稀釋劑，其重量比為樹脂的1/3，改性劑與樹脂質量
比為0-16份:90份，先將改性劑和稀釋劑在機械攪拌下共混20分鐘，再將共混液與樹脂混合，同時加入2-15份固化劑，機械攪拌30分鐘，最后將混合溶液加入到準備好的50-150份無機粉料中，機械攪拌I小時，得抗氧化涂料。
[0015]該高溫涂層的理化參數如下:
外觀:灰色至淡黃色粘稠液體
pH 值:5.0-7.5
粘度(20 0C，Pa.s): 3-8.6
密度(25°C， g/cm3): 1.6-2.3 (三)一種高溫涂料用于高溫真空爐、多晶爐或單晶爐保溫層表面抗氧化的方法，其特征在于涂料是涂抹在保溫層整體外表面，具體步驟是:
a.涂層面預處理:將待涂層面的碳纖維氈類保溫材料的表面用細砂紙磨平；
b.一次涂層:取50份配置好的涂料，加入10-30份稀釋劑，攪拌30min，然后均勻地將涂料涂敷砂紙磨平碳纖維氈類保溫材料的表面，涂層厚度為0.1-0.3mm ；
c.低溫固化:在大氣環境中，將涂料放置烘箱中，在半小時內從室溫升高到90°C，保溫1-2小時后，取出自然降溫至室溫；
d.二次涂層:將配置好的涂料均勻涂在b步驟一次涂層后的材料表面，涂層厚度為0.1-0.3mm ;
e.高溫固化:在大氣環境中，將涂料放置烘箱中，在半小時內從室溫升高到90°C，保溫30-40分鐘后，將溫度升至180°C，保溫4-8小時，取出自然降溫至室溫；
f.將e步驟固化試樣放入真空爐中，以40-60°C/h的升溫速率升溫至2200-2500°C處理2-3小時。
[0016]本發明與現有技術相比，具有如下突出的優點和效果:
1.本發明原料易得，可選擇范圍寬，制備工藝簡單、成本低廉。
[0017]2.本發明結合了有機樹脂和無機材料的特點，通過簡單的工藝，在碳纖維氈表面嫁接了一層無機涂層，有效提高保溫層材料的抗氧化、抗熱燒蝕能力；另外，該涂層整體強度高，硬度適中，有效減少使用過程中的人為損傷，保溫層的使用壽命也相應增加。
[0018]3.本發明在碳纖維氈表面嫁接一層保護涂層，克服了高溫保溫材料由于多孔、質軟等原因在使用過程中容易掉渣等缺點；涂層將保溫材料表面開口封閉，有效降低其他雜質材料進入或被吸入到保溫材料內部，保證了保溫材料保溫能力，防止被雜質影響而降低。
[0019]4.本發明不僅可以用于碳纖維氈的表面涂層處理，對于其他類似的熱場材料或發熱電極等也適用。[0020]5.本發明提供的涂層降低了原碳纖維氈的損耗，從而可延長了保溫材料使用壽命，提高了利用效率，節約成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為單晶爐保溫熱場使用48爐后排氣孔宏觀形貌圖，(a)為普通涂層，(b)為本發明涂層。
[0022]圖2為普通涂層(b)與本發明涂層(C)涂層氧化破裂時間對比。
[0023]圖3為未涂層(a)、普通涂層(b)和本發明涂層(C)在氧-乙炔燒蝕16s后的宏觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖對本發明的技術方案再作進一步的描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0025]實施例1
一種用于碳纖維氈類保溫材料表面抗氧化涂料，含90重量份酚醛樹脂、4重量份硼酸、5重量份碳化娃、15重量份苯磺酰氯和80重量份石墨。
[0026]上述碳纖維氈表面抗氧化涂料的制備方法是:用30重量份、濃度為95%的工業乙醇將4重量份硼酸、80重量份石墨、5重量份碳化硅和10重量份對甲苯磺酸進行稀釋后，機械攪拌20分鐘后加入90重量份酚醛樹脂。繼續攪拌30-40分鐘至混合均勻后即得到抗氧化涂層涂料。
[0027]將上述抗氧化涂料涂敷在碳纖維氈類保溫表面的處理方法，具體步驟是:
a.涂層面預處理:用細砂紙磨平碳纖維氈類保溫材料的表面；
b.取上述制得的涂料50重量份，再加入15重量份工業乙醇，攪拌均勻后涂覆在細砂紙磨平單晶硅爐用碳纖維氈保溫熱場表面，涂層厚度為0.2mm ；
c.低溫固化:在大氣環境中，將涂敷涂料的碳纖維氈類保溫材料放置烘箱中，然后，在半小時內從室溫升高到90°C，固化2小時后，取出自然降溫至室溫；
d.取適量涂料均勻涂敷b步驟后碳纖維氈類保溫材料的表面，進行二次涂層，涂層厚度為0.3mm ；
e.高溫固化:在大氣環境中，將d步驟涂敷涂料碳纖維氈類保溫涂層材料放置烘箱中；在半小時內從室溫升高到90°C，保溫30分鐘后，將溫度升至180°C，保溫6小時，取出自然降溫至室溫；
f.將e步驟固化試樣放入真空爐中，以60°C/h的升溫速率升溫至2200°C處理3小時。
[0028]由此得到的單晶硅爐用碳纖維氈保溫熱場，表面具有更高的硬度和抗氧化和熱沖蝕能力，使用次數在80-90爐之間。
[0029]實驗例I
單晶硅爐用碳纖維氈保溫熱場應用實例:
圖1為單晶硅爐碳纖維氈保溫普通石墨涂層熱場和本發明涂層的熱場使用48爐后排氣孔宏觀形貌對比。從圖1中可以看出，(a)為用普通石墨涂層的熱場使用48爐，即報廢；圖1 (b)為用本發明涂層的熱場在同樣使用爐次之后的質量狀況。普通涂層的熱場排氣孔處熱沖蝕嚴重導致報廢；本發明的涂層熱場在使用次數相同的情況下，排氣孔部位的損傷很小，說明涂層將保溫材料表面開口封閉，有效防止其他雜質材料進入或被吸入到保溫材料內部，提高保溫層材料的抗氧化、抗熱燒蝕能力，預計還能夠繼續使用40爐次左右，大大降低碳纖維氈類保溫材料成本，提高了碳纖維氈類保溫材料使用壽命。
[0030]實施例2
一種用于碳纖維氈類保溫材料表面抗氧化涂料，含90重量份呋喃樹脂、5重量份硼酸、2重量份硼酸酯、3重量份硼酸鋅、4重量份六亞甲基四胺、6重量份對甲苯磺酸，30重量份碳化硼、20重量份碳化硅、15重量份二氧化硅和45重量份碳化鈦。
[0031]上述碳纖維氈表面抗氧化涂料的制備方法是:用30重量份、濃度為95%丙酮溶劑為稀釋劑，先將5重量份硼酸、2重量份硼酸酯、3重量份硼酸鋅在機械攪拌下共混20分鐘，再將混合溶液與90重量份呋喃樹脂共混，同時加入4份六亞甲基四胺、6重量份對甲苯磺酸，機械攪拌30分鐘，最后再將混合溶液加入到30重量份碳化硼、20重量份碳化硅、15重量份二氧化硅和45重量份碳化鈦中，機械攪拌I小時，得抗氧化涂料。
[0032]將抗氧化涂料涂敷在碳纖維氈類保溫表面的處理方法，具體步驟是:
a.涂層面預處理:用細砂紙磨平碳纖維氈類保溫材料的表面；
b.一次涂層:取50重量份配置好的涂料，加入15重量份丙酮溶劑，攪拌30min，然后均勻地將涂料涂敷細砂紙磨平碳纖維氈類保溫材料的表面，涂層厚度為0.2mm ；
c.低溫固化:在大氣環境中，將涂敷涂料的碳纖維氈類保溫材料放置烘箱中，在半小時內從室溫升高到90°C，固化1.5小時后，取出自然降溫至室溫；
d.二次涂層:再將配置好的涂層均勻涂b步驟后碳纖維氈類保溫材料的表面，涂層厚度為0.2mm ；
e.高溫固化:在大氣環境中，將d步驟涂敷涂料碳纖維氈類保溫涂層材料放置烘箱中，在半小時內從室溫升高到90°C，固化30分鐘后，將溫度升至180°C，保溫4小時，取出自然降溫至室溫；
f.將e步驟固化試樣放入真空爐中，以40-60°C/h的升溫速率升溫至2500°C處理2小時。
[0033]實驗例2
高溫爐用碳纖維氈類保溫板材氧-乙炔燒蝕實驗。實驗條件:焰流角度90°，垂直距離2cm，氧氣分壓0.4MPa，流量為0.42L/s，乙炔分壓為0.095MPa，流量為0.31L/s。燒蝕實驗試樣參數如表1所示，主要考察燒蝕時間和式樣表面燒蝕狀況。
[0034]表1、燒蝕實驗式樣參數
【權利要求】
1.一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層材料，是由基體樹脂、改性劑、固化劑以及無機粉料組成，其重量比為樹脂90份、改性劑0-16份、固化劑2-15份、無機粉料50-150份。
2.根據權利I要求所述一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層材料，其特征是上述的無機粉料為石墨、碳化硼、碳化硅、二氧化硅、碳化鈦、氧化鋁中的一種或集中的組合。
3.根據權利I要求所述一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層材料，其特征是上述的樹脂為酚醛樹脂或呋喃樹脂。
4.根據權利I要求所述一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層材料，上述的改性劑為硼酸、硼酸酯、硼酸鋅、氧化硼中的一種或幾種的組合；固化劑為苯磺酰氯、六亞甲基四胺、對甲苯磺酸、硫酸乙酯中的一種或幾種的組合。
5.一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層材料的制備方法，其步驟是: 用工業乙醇、甲醇或丙酮溶劑為稀釋劑，其重量比為樹脂的1/3，改性劑與樹脂質量比為0-16份:90份；先將改性劑和稀釋劑在機械攪拌下共混20分鐘，再將溶液與樹脂共混，同時加入2-15份固化劑,機械攪拌30分鐘,最后將混合溶液加入到準備好的50-150份無機粉料中，機械攪拌I小時，制備出灰色至淡黃色涂層材料。
6.一種用于碳纖維氈表面抗氧化涂層的使用方法，其特征在于涂層是涂抹在保溫層整體外表面，具體步驟是: a.材料涂層面預處理:將待涂層面用細砂紙磨平； b.一次涂層:取50份配置好的涂層劑，加入約30份稀釋劑，攪拌30分鐘，然后均勻涂抹在細砂紙磨平碳纖維氈類保溫材料的表面，涂層厚度為0.1-0.3mm ； c.低溫固化:在大氣環境中，將b步驟涂敷涂料碳纖維氈類保溫涂層材料在半小時內從室溫升高到90°C，保溫1-2小時后，取出自然降溫至室溫； d.二次涂層:將配置好的涂層均勻涂在一次涂層后的材料表面，涂層厚度為.0.1-0.3mm ； e.高溫固化:在大氣環境中，將d步驟涂敷涂料碳纖維氈類保溫涂層材料在半小時內從室溫升高到90°C，保溫30-40分鐘后，將溫度升至180°C，保溫4_8小時，取出自然降溫至室溫； f.將e步驟固化試樣放入真空爐中，以40-60°C/h的升溫速率升溫至2200-2500°C處理2-3小時。
【文檔編號】D06M11/77GK103774435SQ201210396778
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月18日 優先權日:2012年10月18日
【發明者】柴昌盛, 郝學興, 陳超, 楊子元 申請人:甘肅郝氏炭纖維有限公司