一种耐高温碳纤维纸、蜂窝芯材及其制备方法

文献发布时间：2023-06-19 19:28:50

技术领域

本发明属于造纸工艺与非金属复合材料制备技术领域，具体涉及一种耐高温碳纤维纸、蜂窝芯材及其制备方法。

背景技术

随着航空航天工业的发展，以新一代舰载机、重型直升机、超声速无人作战机为代表的新型装备对耐300℃的轻质、高刚度蜂窝材料提出了迫切需求。现有的耐高温非金属蜂窝体系中，玻璃布/聚酰亚胺蜂窝无法制备出芯密度＜48kg/m

与玻璃布蜂窝、芳纶纸蜂窝和PBO纸蜂窝相比，碳纤维蜂窝具有更高的比强度/比刚度、更低的热膨胀系数和吸湿率等优点，使其特别适用于制造大口径反射镜底座、高频通信卫星天线等高性能航空航天装备。

碳纤维蜂窝分为以连续纤维制备的碳纤维布蜂窝和以短切纤维制备的碳纤维纸蜂窝。碳纤维纸蜂窝在纸张基材和蜂窝芯材的制备工艺上较碳纤维布蜂窝体现出显著的优势，使其具有更为低廉的成本，也更易于实现批量化制备。另外，利用造纸技术和纸蜂窝制备技术可便捷、高效地制备出小孔格边长(＜5mm)和低密度(＜48kg/m

虽然碳纤维可在400℃以下的空气气氛长期使用，但现有碳纤维纸蜂窝材料体系中通常还含有低耐温等级(≤200℃)的粘结剂组分，这限制了碳纤维纸蜂窝在300℃的应用。如公开号CN102666084A和CN103737988A中公开的内容所述：①在制备碳纤维蜂窝的纸基材料时，通过在抄纸过程中添加例如间位芳纶浆粕或植物纤维等粘结剂来成纸；②纸蜂窝用的芯条胶采用环氧树脂；③白蜂窝块浸渍胶选用酚醛树脂或环氧树脂。在上述造纸工艺和纸蜂窝加工工艺中，使用的粘结剂、芯条胶、浸渍胶均会在200℃以上出现明显的老化、分解，导致蜂窝材料在高温下失效。

如上所述，在现有技术中，还未有能解决碳纤维纸蜂窝在300℃高温工况下长期使用的方法。

发明内容

为了克服现有技术中碳纤维纸蜂窝芯材无法耐300℃高温的问题，本发明提出了一种耐高温碳纤维纸、蜂窝芯材及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种耐高温碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：

将短切碳纤维投入聚酰亚胺水溶液中，对纤维进行疏解，得到碳纤维浆料，随后对浆料依次进行成形脱水、压榨脱水处理，得到碳纤维湿纸页，再对其进行烘干和热压，得到耐高温碳纤维纸。

作为优选，所述短切碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维中的至少一种；

作为优选，所述短切碳纤维的长度为3～20mm，直径5～12μm；

作为优选，所述聚酰亚胺水溶液的固含量为10～80wt％；

作为优选，所述疏解的转数为5000-15000转，疏解的时间为1-10min；

作为优选，所述碳纤维浆料中碳纤维含量为0.005-0.05wt％。

作为优选，所述压榨脱水的表压为0.1～1.0MPa，时间为5～60s；

作为优选，所述烘干在鼓风烘箱中进行，烘干的温度为150～200℃，时间为1～3h。

作为优选，所述热压在平板热压机上进行，热压的温度为330～380℃，时间为2～10min，表压为1～10MPa。

上述的制备方法制备的耐高温碳纤维纸，所述耐高温碳纤维纸中的碳纤维含量为80～95wt％；所述耐高温碳纤维纸的定量为15～60g/m

利用上述的耐高温碳纤维纸制备耐高温碳纤维纸蜂窝芯材的方法，包括以下步骤：

将所述耐高温碳纤维纸依次进行涂胶/叠合、压制、浸胶、拉伸、固化成型、浸胶/固化、切片，得到耐高温碳纤维纸蜂窝芯材。

作为优选，所述涂胶操作中，芯条胶选用聚酰亚胺体系芯条胶，溶剂为乙酸乙酯，胶液粘度为10s/50mL～80s/50mL；

作为优选，所述压制操作中，使用平板热压机对叠板进行压制，加压0.2～1.0MPa，以1～2℃/min从室温升温至250～270℃，保温3～6h，降温至≤80℃后取出，得到蜂窝叠层板；

作为优选，所述浸胶操作中，浸胶液选用聚酰亚胺水溶液，固含量为10～50wt％；

作为优选，所述浸胶操作中，浸胶时间为10～30min。

作为优选，所述拉伸操作中，将蜂窝叠层条装载在拉伸机上，以10～300mm/min速率进行拉伸，直至形成正六边形孔格的蜂窝后停止拉伸；

作为优选，所述固化成型在鼓风烘箱中进行，将蜂窝固定到拉伸工装上，以2～5℃/min的升温速率从室温升至350～400℃，恒温1.5～3h，降温至小于等于60℃后取出。

作为优选，所述浸胶/固化中的浸胶为：浸胶液选用聚酰亚胺水溶液，固含量为10～50wt％，浸胶的时间为10～30min；固化为：以2～5℃/min的升温速率从室温升至350～400℃，恒温1.5～3h，降温至小于等于60℃后取出；

作为优选，所述浸胶/固化重复1-8次。

上述的方法制备的耐高温碳纤维纸蜂窝芯材，所述蜂窝芯材的孔格为正六边形，孔格边长为1.83-3.67mm；所述蜂窝芯材密度为24～48kg/m

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明针对现有碳纤维纸中存在低耐温性的粘结剂的问题，提出了一种耐高温碳纤维纸制备技术，即选用聚酰亚胺水溶液作为短切碳纤维的分散介质，经后续的成形脱水、压榨脱水得到含有聚酰亚胺的湿纸页，在后续的干燥、热压后，纸页中的聚酰亚胺树脂可直接粘结碳纤维，从而省去了以往在纸张成形后需要施胶的工序，显著提高了纸张的制备效率。

2、本发明中可通过控制聚酰亚胺水溶液的浓度和压榨脱水的压力、时间实现调控碳纤维纸中的聚酰亚胺树脂含量，最终将纸张中的树脂含量控制在5～20wt％，在保证能够成纸的前提下，纸张还具有良好的强度、韧性。

3、本发明中制备出的耐高温碳纤维纸，可与聚酰亚胺芯条胶和聚酰亚胺树脂胶一起使用，通过纸蜂窝加工技术制备出一种耐高温、轻质、高强度、高刚度的碳纤维纸蜂窝，相比于现有的玻璃布蜂窝、芳纶纸蜂窝、碳纤维纸蜂窝而言，显著拓宽了蜂窝芯材的在高性能航空航天装备中的应用领域。

4、本发明中蜂窝芯材的制造采用的是涂胶/叠合、压制、浸胶、拉伸、固化成型、浸胶/固化、切片的工艺方案，与传统拉伸法制备蜂窝相比，省去了高温热定型工序，新方法经浸胶后蜂窝固化和定型一步完成，进一步提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明中涉及到的耐高温碳纤维纸的制备工艺流程图。

图2是本发明中涉及到的耐高温碳纤维纸蜂窝芯材的制备工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明更易于理解，现结合具体实施例对发明的内容进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1：

一种定量为20g/m

(1)选用长度为6mm、直径为8μm的东丽T700级水分散短切碳纤维为原料，将其投入5L的固含量为10wt％的聚酰亚胺水溶液中，利用纤维疏解器对其进行疏解，疏解时间3min，疏解转数10000转，得到含有聚酰亚胺的碳纤维浆料，浆料中的碳纤维含量为0.013wt％。

(2)将(1)中的含有聚酰亚胺的碳纤维浆料在纸页成型器上依次进行成形脱水和压榨脱水，其中压榨脱水的表压和时间分别为0.3MPa和15s，得到含有聚酰亚胺树脂的碳纤维湿纸页。

(3)将碳纤维湿纸页置于鼓风烘箱中，在175℃下干燥1.5h，随后将干燥后的纸页置于平板热压机上，在350℃下热压5min，表压为7MPa，最终制备出碳纤维含量为85wt％、定量为20.5g/m

实施例2：

一种定量为35g/m

(1)选用长度为6mm、直径为8μm的东丽T700级水分散短切碳纤维为原料，将其投入5L的固含量为15wt％的聚酰亚胺水溶液中，利用纤维疏解器对其进行疏解，疏解时间3min，疏解转数10000转，得到含有聚酰亚胺的碳纤维浆料，浆料中的碳纤维含量为0.023wt％。

(3)将碳纤维湿纸页置于鼓风烘箱中，在175℃下干燥1.5h，随后将干燥后的纸页置于平板热压机上，在350℃下热压5min，表压为7MPa，最终制备出碳纤维含量为85wt％、定量为35.3g/m

实施例3：

一种定量为50g/m

(1)选用长度为6mm、直径为8μm的东丽T700级水分散短切碳纤维为原料，将其投入5L的固含量为25wt％的聚酰亚胺水溶液中，利用纤维疏解器对其进行疏解，疏解时间3min，疏解转数10000转，得到含有聚酰亚胺的碳纤维浆料，浆料中的碳纤维含量为0.033wt％。

(3)将碳纤维湿纸页置于鼓风烘箱中，在175℃下干燥1.5h，随后将干燥后的纸页置于平板热压机上，在350℃下热压5min，表压为7MPa，最终制备出碳纤维含量为85wt％、定量为50.7g/m

对以上本发明实施例1、2、3制备的碳纤维纸的力学性能进行了检测，检测结果如表1所示。

表1

实施例4：

一种孔格边长为1.83mm、芯密度为29kg/m

(1)以实施例1中制备的碳纤维纸为原材料，选用粘度为30s/50mL的聚酰亚胺芯条胶(溶剂为乙酸乙酯)，利用涂布机对纸张进行涂胶，再将涂胶后的碳纤维纸进行错层叠合，然后将叠合后的叠板置于平板热压机上，以1℃/min的升温速率从室温升至250℃，在表压0.8MPa下保温压制3h，降温至≤80℃后取出，得到蜂窝叠层条。

(2)将蜂窝叠层条浸于固含量为20％的聚酰亚胺水溶液中，浸泡时间为15min，随后取出浸胶蜂窝叠层条，在拉伸机上以30mm/min的拉伸速率进行拉伸，待孔格完全展开成接近正六边形后停止拉伸，并将蜂窝固定到拉伸工装上，随后将带有拉伸工装的浸胶蜂窝再将其置于鼓风烘箱中，以2℃/min的升温速率从室温升至350℃，保温2.5h，降温至小于等于60℃后取出；得到经1次浸胶、固化成型的碳纤维纸蜂窝块。

(3)采用与(2)中相同的浸胶、固化条件，对(2)中得到的经1次浸胶、固化成型的碳纤维纸蜂窝块再进行1次浸胶固化处理，随即对蜂窝块进行切片，得到蜂窝规格为1.83mm-29kg/m