一种耐高温隔热保温碳毡的制备方法、制得的保温碳毡及其应用
阅读说明：本技术 一种耐高温隔热保温碳毡的制备方法、制得的保温碳毡及其应用 (Preparation method of high-temperature-resistant heat-insulation carbon felt, prepared heat-insulation carbon felt and application of heat-insulation carbon felt ) 是由 卜宇轩 肖浩 肖孝天 张明瑜 刘亚鹏 宋良芬 吴清贤 马翔翔 黄猛 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种耐高温隔热保温碳毡的制备方法,涉及保温隔热材料技术领域,本发明包括以下步骤：1)在真空或惰性气体氛围下,将聚合物泡沫进行碳化处理,得到预制软碳毡,所述聚合物泡沫为三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫；2)将所述预制软碳毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭,得到所述耐高温隔热保温碳毡。本发明还提供采用上述方法制得的保温碳毡及其应用。本发明的有益效果在于：本发明将制备预制软碳毡的工艺简单,之后预制软碳毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭,使热解炭将软碳毡的炭网格包覆起来,有效阻碍裂纹的偏转和扩展,延长了预制软碳毡的使用寿命,并提升了保温碳毡的力学性能,本发明保温碳毡可作为保温材料用于多种保温炉中。(The invention discloses a preparation method of a high-temperature-resistant heat-insulating carbon felt, relating to the technical field of heat-insulating materials and comprising the following steps: 1) carbonizing polymer foam in vacuum or inert gas atmosphere to obtain a prefabricated soft carbon felt, wherein the polymer foam is melamine foam or polyurethane foam; 2) and putting the prefabricated soft carbon felt into a chemical vapor deposition furnace to deposit pyrolytic carbon to obtain the high-temperature-resistant heat-insulating carbon felt. The invention also provides the heat-preservation carbon felt prepared by the method and application thereof. The invention has the beneficial effects that: the preparation method of the invention has the advantages that the preparation process of the prefabricated soft carbon felt is simple, then the prefabricated soft carbon felt is placed into a chemical vapor deposition furnace to deposit pyrolytic carbon, the pyrolytic carbon is used for coating the carbon grids of the soft carbon felt, the deflection and the expansion of cracks are effectively hindered, the service life of the prefabricated soft carbon felt is prolonged, and the mechanical property of the heat preservation carbon felt is improved.)
技术领域
本发明涉及保温隔热材料技术领域，具体涉及一种耐高温隔热保温碳毡的制备方法、制得的保温碳毡及其应用。
背景技术
保温炉(脱脂炉、高、低温碳化炉、CVD炉、CVI炉等)被广泛应用于化工、能源、航空航天等领域，需要消耗大量的电能，而隔热层对保温炉起着至关重要的作用，具有优良的高温隔热效果的隔热毡能够有效降低炉内热量的扩散，减少热量的损失，节约能源。
目前我国的多种保温炉仍采用传统的毡类隔热材料，而传统的毡类隔热材料存在使用温度低、隔热性能差、高温变脆、热场不稳定等缺陷，特别是长时间使用后，一旦出现裂纹，容易扩展，从而使毡类隔热材料的使用性能显著降低，直至不能使用，使用寿命明显缩短。
公告号为CN103979994B的专利公开一种保温碳毡，但其制备方法复杂，且制得的保温碳毡导热系数较高，且密度较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的保温碳毡导热系数较高，且密度较大，提供一种密度小的、导热系数低的、耐高温隔热保温碳毡的制备方法、制得的保温碳毡及其应用。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
一种耐高温隔热保温碳毡的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空或惰性气体氛围下，将聚合物泡沫进行碳化处理，得到预制软碳毡，所述聚合物泡沫为三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫；
2)将所述预制软碳毡放入化学气相沉积炉中沉积热解炭，得到所述耐高温隔热保温碳毡。
有益效果：将聚合物泡沫经碳化后制备预制软碳毡，制备工艺简单，生产成本低。当聚合物泡沫为三聚氰胺泡沫，三聚氰胺泡沫多孔质轻。
沉积热解炭是指由气态碳氢化合物经高温热解反应在基底上沉积形成碳材料的过程。预制软碳毡沉积热解炭后，使热解炭层进入碳毡内部，将预制软碳毡的炭网格包覆起来，有效阻碍裂纹的偏转和扩展，提高其耐化学腐蚀性能和耐高温性能5倍以上，延长了预制软碳毡的使用寿命，且进一步提升了预制软碳毡的力学性能，例如耐压缩、耐冲击等性能。
本发明制备方法简单，成本较低，采用本发明方法制得的耐高温隔热保温碳毡质软富有弹性且不易开裂，具有保温性好、耐撕裂、回弹性好、使用方便且耐用等特点，适用范围更广。
优选地，所述惰性气体为氮气、氩气中的至少一种。
优选地，所述聚合物泡沫为三聚氰胺泡沫，所述预制软碳毡具体包括以下步骤：将三聚氰胺泡沫置于碳化炉中，在真空状态或惰性气体氛围下，先快速升温至200-250℃，恒温15-60min，然后升温至350-400℃，恒温30-120min，接着升温至700-750℃，恒温30-120min，然后升温至900-950℃，恒温15-60min，接着升温至1000-1200℃，恒温60-120min后，随炉冷却至室温，即得预制软碳毡。
优选地，以0.2-1℃/min的升温速率升温至350-400℃；以1-5℃/min的升温速率升温至700-750℃；以0.2-1℃/min的升温速率升温至900-950℃；以1-5℃/min的升温速率升温至1000-1200℃。
有益效果：三聚氰胺泡沫具有较强的耐温性，因此开始低温阶段可快速升温至200-250℃，进行前期预热，保温时间也不必太长，因此设置为15-60min；接着以较慢速率0.2-1℃/min进行升温至350-400℃，保温30-120min，此温度范围三聚氰胺泡沫开始收缩，为了保证其组织结构的稳定性和均匀一致性，因此采用低速长保温时间进行加热，使其均匀缓慢收缩并达到一定的稳定性；其结构达到一定的稳定性后，接着以较快速率1-5℃/min升温速率升温至700-750℃，保温30-120min，达到快速碳化和定型作用；接着以较慢速率0.2-1℃/min升温至900-950℃，保温15-60min，进行进一步收缩碳化，达到所需要的密度和厚度；最后以较快速率1-5℃/min进行升温，保温60-120min，进行最后的碳化和定型；五步加热法可使三聚氰胺泡沫循序渐进地逐步进行收缩和碳化，防止其收缩太快，造成结构的不均匀不一致和不稳定，保证了最终所得碳毡的优异性能。
优选地，所述三聚氰胺泡沫的密度为0.008-0.01g/cm3。
有益效果：该密度的三聚氰胺泡沫，在保证碳毡的孔隙率的同时，使热解炭在预制软碳毡的沉积效果好，且结合力较强。使得到的预制软碳毡质软、密度小、导热系数低、热场均匀，孔隙率高。
优选地，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至300-500℃，恒温30-60min，然后升温至800℃-1200℃，恒温30-60min，通入惰性气体至气压为1-30kPa，再通入碳氢化合物气体开始沉积热解炭，5-60min后，停止通入碳氢化合物气体，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本发明对预制软碳沉积热解炭时，反应温度不仅与热解炭的微观结构密切相关，而且还影响到沉积速率、孔隙度以及后期增密的可能性，即不同的反应温度、反应时间所对应产生的热解碳的微观形貌不同，一般地，温度越高，化合物裂解越剧烈，生成的小分子基团相互之间反应也越剧烈，沉积速率也越快。同时不同的碳源产生的形貌亦不同。低温下趋向于形成光滑层状碳(SL)，中等温趋向于形成粗糙层状碳(RL)，高温下趋向于形成各向同性碳。反应时间亦有同样的机制。
本发明主要反应温度范围为中等温度，趋向于形成粗糙层状碳层，对裂纹的偏转和扩展具有一定的阻碍作用，进而对材料塑性的提高具有一定的贡献，使得碳毡具有良好的机械强度，通过控制沉积时间，得到致密化适中的碳毡，使之具有良好的保温性能。
优选地，以1-10℃/min的升温速率升温至800-1200℃。
优选地，所述碳氢化合物气体为天然气、液化石油气、甲烷、丙烯和丙烷中的任意一种或几种的混合气体；所述碳氢化合物气体的气流量为50-100sccm。
采用上述制备方法制得的耐高温隔热保温碳毡。
有益效果：采用本发明方法制得的耐高温隔热保温碳毡体积密度小，体积密度为0.04-0.18g/cm3，导热系数为0.05-0.3W/(m·K)，含碳量≥99.5％，灰分≤0.1％。
采用上述制备方法制得的耐高温隔热保温碳毡在保温炉保温隔热中的应用。
有益效果：由于采用本发明方法制得的耐高温隔热保温碳毡体积密度小，导热系数低，同时具有优异的耐化学腐蚀性能、耐压缩性能、耐冲击性能和力学性能，可以用于多种保温领域，尤其可以作为保温材料用于多种领域的保温炉中。
本发明的优点在于：将聚合物泡沫经碳化后制备预制软碳毡，制备工艺简单，生产成本低。当聚合物泡沫为三聚氰胺泡沫，三聚氰胺泡沫多孔质轻。
沉积热解炭是指由气态碳氢化合物经高温热解反应在基底上沉积形成碳材料的过程。预制软碳毡沉积热解炭后，使热解炭层将预制软碳毡的炭网格包覆起来，有效阻碍裂纹的偏转和扩展，提高其耐化学腐蚀性能和耐高温性能，延长了预制软碳毡的使用寿命，且进一步提升了预制软碳毡的力学性能，例如耐压缩、耐冲击等性能。
本发明通过调整热解炭沉积过程中的反应条件，使热解炭趋向于形成粗糙层状碳层，对裂纹的偏转和扩展具有一定的阻碍作用，进而对材料塑性的提高具有一定的贡献，使得碳毡具有良好的机械强度，通过控制沉积时间，得到致密化适中的碳毡，使之具有良好的保温性能。
采用本发明方法制得的耐高温隔热保温碳毡质软富有弹性且不易开裂，体积密度为0.04-0.18g/cm3，导热系数为0.05-0.3W/(m·K)，含碳量≥99.5％，灰分≤0.1％，具有保温性好、耐撕裂、回弹性好、使用方便且耐用等特点，适用范围更广。
由于采用本发明方法制得的耐高温隔热保温碳毡体积密度小，导热系数低，同时具有优异的耐高温、耐化学腐蚀性能、耐压缩性能、耐冲击性能和力学性能，耐高温度>3000℃；耐化学腐蚀性能：在1900℃硅蒸汽环境下2小时，增重<0.002g/cm2，相同条件下炭纤维增重>0.03g/cm2；耐压缩性能根据需求可以调节>1Mpa，可以用于多种保温领域，尤其可以作为保温材料用于多种领域的保温炉中。
附图说明
图1为本发明实施例1中制得的耐高温隔热保温碳毡中热解炭层的SEM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
耐高温隔热保温碳毡的制备方法，具体包括以下步骤：
1)碳化处理：将密度为0.008g/cm3、厚度为3cm的三聚氰胺泡沫铺在工装上后置于碳化炉中，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至200℃，恒温15min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至350℃，恒温30min，接着以5℃/min的升温速率升温至750℃，恒温30min，然后以1℃/min的升温速率升温至950℃，恒温15min，接着以5℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温120min后随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
2)沉积热解炭：将碳化后获得的预制软碳毡置于化学气相沉积炉中，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至300℃，恒温30min，然后以5℃/min的升温速率升温至980℃，恒温30min，通入氮气至真空压力1kPa，再以50sccm气流量通入丙烯气体开始沉积热解炭，20min后停止通入丙烯气体，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本实施例制备的隔热保温碳毡的体积密度为0.04g/cm3，导热系数为0.3W/(m·K)，含碳量为99.9％，灰分为0.01％；保温碳毡中热解炭层的SEM图如图1所示，可以看出，热解炭进入碳毡内部，将预制软碳毡的炭网格包覆。
实施例2
耐高温隔热保温碳毡的制备方法，具体包括以下步骤：
1)碳化处理：将密度为0.01g/cm3、厚度为3cm的三聚氰胺泡沫铺在工装上后置于碳化炉中碳化，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温30min，然后以0.5℃/min的升温速率升温至350℃，恒温60min，接着以5℃/min的升温速率升温至700℃，恒温60min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至900℃，恒温30min，接着以5℃/min的升温速率升温至1000℃，恒温120min后随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
2)沉积热解炭：将碳化后获得的预制软碳毡置于化学气相沉积炉中，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至300℃，恒温30min，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，恒温60min，通入氮气至真空压力1kPa，以60sccm的气流量通入液化石油气开始沉积热解炭，10min后停止通入液化石油气，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本实施例制备的隔热保温碳毡的体积密度为0.12g/cm3，导热系数为0.25W/(m·K)，含碳量为99.6％，灰分为0.05％。
实施例3
耐高温隔热保温碳毡的制备方法，具体包括以下步骤：
1)碳化处理：将密度为0.01g/cm3、厚度为3cm的三聚氰胺泡沫铺在工装上后置于碳化炉中碳化，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温60min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至400℃，恒温120min，接着以1℃/min的升温速率升温至700℃，恒温120min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至950℃，恒温60min，接着以1℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温120min后随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
2)沉积热解炭：将碳化后获得的预制软碳毡置于化学气相沉积炉中，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至300℃，恒温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至1050℃，恒温60min，通入惰性气体至真空压力1kPa，再以80sccm的气流量通入丙烷开始沉积热解炭，恒定流量60min，停止通入丙烷，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本实施例制备的隔热保温碳毡的体积密度为0.14g/cm3，导热系数为0.21W/(m·K)，含碳量为99.9％，灰分为0.01％。
实施例4
耐高温隔热保温碳毡的制备方法，具体包括以下步骤：
1)碳化处理：将密度为0.01g/cm3、厚度为3cm的三聚氰胺泡沫铺在工装上后置于碳化炉中碳化，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温40min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至400℃，恒温100min，接着以1℃/min的升温速率升温至700℃，恒温100min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至950℃，恒温60min，接着以1℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温120min后随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
2)沉积热解炭：将碳化后获得的预制软碳毡置于化学气相沉积炉中，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至300℃，恒温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至1100℃，恒温60min，通入惰性气体至真空压力1kPa，再以80sccm的气流量通入丙烷开始沉积热解炭，恒定流量60min，停止通入丙烷，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本实施例制备的隔热保温碳毡的体积密度为0.15g/cm3，导热系数为0.18W/(m·K)，含碳量为99.7％，灰分为0.01％。
实施例5
耐高温隔热保温碳毡的制备方法，具体包括以下步骤：
1)碳化处理：将密度为0.01g/cm3、厚度为3cm的三聚氰胺泡沫铺在工装上后置于碳化炉中碳化，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至200℃，恒温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至350℃，恒温50min，接着以1℃/min的升温速率升温至700℃，恒温60min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至950℃，恒温40min，接着以1℃/min的升温速率升温至1000℃，恒温120min后随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
2)沉积热解炭：将碳化后获得的预制软碳毡置于化学气相沉积炉中，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至300℃，恒温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温60min，通入惰性气体至真空压力1kPa，再以100sccm的气流量通入丙烷开始沉积热解炭，恒定流量60min，停止通入丙烷，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本实施例制备的隔热保温碳毡的体积密度为0.18g/cm3，导热系数为0.08W/(m·K)，含碳量为99.6％，灰分为0.02％。
实施例6
耐高温隔热保温碳毡的制备方法，具体包括以下步骤：
1)碳化处理：将密度为0.01g/cm3、厚度为3cm的三聚氰胺泡沫铺在工装上后置于碳化炉中碳化，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至200℃，恒温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至350℃，恒温50min，接着以1℃/min的升温速率升温至750℃，恒温60min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至950℃，恒温50min，接着以1℃/min的升温速率升温至1100℃，恒温120min后随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
2)沉积热解炭：将碳化后获得的预制软碳毡置于化学气相沉积炉中，在真空状态下，将化学气相沉积炉先快速升温至500℃，恒温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温60min，通入惰性气体至真空压力1kPa，再以100sccm的气流量通入丙烷开始沉积热解炭，恒定流量60min，停止通入丙烷，抽真空自由冷却至300℃以下出炉。
本实施例制备的隔热保温碳毡的体积密度为0.18g/cm3，导热系数为0.1W/(m·K)，含碳量为99.6％，灰分为0.03％。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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