一种柔性导电碳布的制造方法

摘要

本发明公开了一种柔性导电碳布的制造方法，属于功能性碳纤维制备技术领域。该柔性导电碳布是由聚丙烯腈(PAN)基或者黏胶基原丝经过预氧化后得到预氧丝，随后将预氧丝短切或拉断成短纤维，再进行纺纱织布，并经过特殊工序高温碳化制得。本发明通过优化工艺参数，以使制得的柔性导电碳布适用于不同使用环境，可广泛应用于军事、医疗保健、环保及汽车等领域，不仅成本经济而且工艺环保，有利于工业化推广。

权利要求

1.一种柔性导电碳布的制造方法，其特征在于，所述柔性导电碳布是由聚丙烯腈基预氧丝采用不同的纺纱织布方法控制聚丙烯腈基预氧丝布的克重，并将聚丙烯腈基预氧丝布在碳化炉中进行不同温度的高温碳化，最后得到不同导电电阻的导电碳布；具体地，所述方法包括以下步骤：

（1）预氧化：对聚丙烯腈基原丝进行预氧化，得到聚丙烯腈基预氧丝；

（2）织布：对步骤（1）得到的聚丙烯腈基预氧丝进行纺纱织布，得到聚丙烯腈基预氧丝布；

（3）高温碳化：将步骤（2）得到的聚丙烯腈基预氧丝布在碳化炉中进行不同温度的高温碳化，最终得到不同导电电阻的柔性导电碳布；

其中，所述步骤（1）中，预氧化温度为200℃ 300℃，所述聚丙烯腈基原丝经过预氧化后~

3

密度为1.4g/cm，直径控制在10 13μm之间，极限氧指数控制在32 38之间；

~ ~

及，所述步骤（3）中，所述碳化炉在碳化时，需将炉内温度控制在450℃ 1400℃之间；具~

体地，所述聚丙烯腈预氧丝布在碳化时，需保证碳化炉的截面温度在±2℃以内，并在0.7米/分钟碳布行走速度下，将碳化温度设为900℃能够得到电阻为0.8‑1.2Ω的导电碳布，将碳化温度设为1100℃能够得到电阻为0.5‑0.8Ω的导电碳布，将碳化温度设为1400℃能够得到电阻为0.3‑0.5Ω的导电碳布，将碳化温度设为1700℃能够得到电阻为0.1‑0.3Ω的导电碳布。

2.根据权利要求1所述的一种柔性导电碳布的制造方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述聚丙烯腈基原丝为24K或48K原丝，其中所述聚丙烯腈基原丝的直径为12 15μm，强度为~

3

100 200MPa，模量为5 10GPa，伸长率为3.5% 4.2%，密度为1.12‑1.31g/cm。

~ ~ ~

3.根据权利要求1所述的一种柔性导电碳布的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）高温碳化完毕后，需要清理所得柔性导电碳布表面的炭灰，随后收卷贮存。

说明书

一种柔性导电碳布的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于功能性碳纤维制备技术领域，更具体的说是涉及一种柔性导电碳布的制造方法。

背景技术

[0002] 功能性柔性碳纤维导电布可以广泛应用于医疗、军事、环保、汽车领域，利用功能性碳纤维通电后能够发热、并产生对人体有益的远红外波特性，从而应用于医疗保健行业，
制造保健服、医疗器械。而导电碳纤维布同样也是良好的导体，对阻断、衰减电磁波有着良
好的效果，因此是用于军、民两用的良好电磁屏蔽材料。

[0003] 此外，导电碳布在制备过程中，由于其碳纤维丝表面积会急剧扩大，且表面呈现沟槽状，使其在吸附小颗粒能力大幅度增强，能够成为优良的吸附材料应用于环保过滤用途。
同时碳材料本身具有的高摩擦系数、高导热性又是天然的摩擦材料所必备的特性。并且由
于导电碳纤维布本身经过高温制成，所以其耐高温性能可以达到1000℃以上，是良好的隔
热材料。综上所述，导电碳布具有众多的物理特性，因而制造碳纤维布的方法对于产生不同
性能的导电碳纤维布，至关重要。

[0004] 以前，想要大规模制造通用于医疗、军事、环保、汽车领域的通用材料几乎不太可能，只能用不同的材料来适应不同领域，本发明工艺所制造的功能型碳纤维的出现可以完
美的解决这一问题。

发明内容

[0005] 为了能够使聚丙烯腈基预氧丝经过处理后，能够有广泛的适用性，使其在基础原料一致的情况下，通过不同的方法进行处理，产生不同的特性，来适应不同领域，从而使生
产成本相对低廉。

[0006] 本发明充分利用了碳纤维良好的导热、导电、较好的摩擦系数及多孔隙结构的特性，通过专用的制备设备，采用不同的工艺方法抑制其中一种特性，放大另外一种特性的方
法。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种柔性导电碳布的制造方法，所述柔性导电碳布是由聚丙烯腈基预氧丝采用不同的纺纱织布方法控制聚丙烯腈基预氧丝布的克重，并将聚丙烯腈基预氧丝布在碳化炉中
进行不同温度的高温碳化，最后得到不同导电电阻的导电碳布。

[0009] 上述柔性导电碳布的制造方法，具体包括以下步骤：

[0010] (1)预氧化：对聚丙烯腈基原丝进行预氧化，得到聚丙烯腈基预氧丝；

[0011] (2)织布：对步骤(1)得到的聚丙烯腈基预氧丝进行纺纱织布，得到聚丙烯腈基预氧丝布；

[0012] (3)高温碳化：将步骤(2)得到的聚丙烯腈基预氧丝布在碳化炉中进行不同温度的高温碳化，最终得到不同导电电阻的柔性导电碳布。

[0013] 优选的，所述步骤(1)中，所述聚丙烯腈基原丝为24K或48K原丝，其中所述聚丙烯腈基原丝的直径为12～15μm，强度为100～200MPa，模量为 5～10GPa，伸长率为3.5％～
3
4.2％，密度为1.12‑1.31g/cm。

[0014] 优选的，所述步骤(1)中，预氧化温度为200℃～300℃，所述聚丙烯腈基原丝经过3
预氧化后密度为1.4g/cm，直径控制在10～13μm之间，极限氧指数控制在32～38之间。

[0015] 优选的，所述步骤(2)中，对纱线进行织布得到聚丙烯腈基预氧丝布。

[0016] 优选的，所述碳化炉在碳化时，需将炉内温度控制在450℃～1400℃之间。

[0017] 优选的，所述聚丙烯腈基预氧丝布在碳化时，需保证碳化炉的截面温度在±2℃以内，并在0.7米/分钟碳布行走速度下，将碳化温度设为900℃能够得到电阻为0.8‑1.2Ω的
导电碳布，将碳化温度设为1100℃能够得到电阻为 0.5‑0.8Ω的导电碳布，将碳化温度设
为1400℃能够得到电阻为0.3‑0.5Ω的导电碳布，将碳化温度设为1700℃能够得到电阻为
0.1‑0.3Ω的导电碳布。

[0018] 优选的，在所述步骤(3)高温碳化完毕后，需要清理所得柔性导电碳布表面的炭灰，随后收卷贮存。

[0019] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种柔性导电碳布的制造方法，属于功能性碳纤维制备技术领域。该柔性导电碳布是由聚丙烯腈(PAN)基原丝经
过预氧化后得到预氧丝，随后将预氧丝短切或拉断成短纤维，再进行纺纱织布，并经过特殊
工序高温碳化制得。本发明通过优化工艺参数，以使制得的柔性导电碳布适用于不同使用
环境，可广泛应用于军事、医疗保健、环保及汽车等领域，不仅成本经济而且工艺环保，有利
于工业化推广。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
提供的附图获得其他的附图。

[0021] 图1附图为本发明公开的柔性导电碳布制造方法的流程示意图。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

[0023] 本发明公开了一种柔性导电碳布的制造方法，通过优化工艺参数，以使制得的柔性导电碳布适用于不同使用环境，可广泛应用于军事、医疗保健、环保及汽车等领域，不仅
成本经济而且工艺环保，有利于工业化推广。

[0024] 下述实施例公开保护一种柔性导电碳布的制造方法，具体包括如下步骤： 1.原料选材：

[0025] A)使用聚丙烯腈(PAN)白色原丝，单丝直径在12‑15um之间，强度 100～200MPa，模3
量5～10GPa，伸长率3.5％～4.2％，密度1.12‑1.31g/cm；

[0026] B)使用24K或48K原丝；

[0027] 2.聚丙烯腈原丝进行预氧化；

[0028] A)聚丙烯腈原丝在预氧化炉内进行预压化，使用200‑300℃之间，长度在5‑8米范围内，原丝牵伸力45‑80N之间；

[0029] B)聚丙烯腈预氧化后单丝直径在10‑13μm之间，密度1.4g/cm3，极限氧指数32‑38之间；

[0030] C)预氧化完成后将预氧丝裁剪成40‑135mm之间的短纤维；

[0031] 3.聚丙烯腈基预氧丝进行纺纱织布

[0032] A)将聚丙烯腈基预氧丝进行纺纱，然后将纱线进行合股；

[0033] B)纱线纺织完合股后进行织布得到聚丙烯腈基预氧丝布；

[0034] 4.聚丙烯腈基预氧丝布碳化工艺

[0035] A)预氧丝布在通有惰性气体保护的连续式碳化炉内进行碳化，碳化时温度区间在450℃‑1400℃之间，碳化温度区间为9个，分别为1区450℃、2区550℃、 3区650℃、4区800
℃、5区900℃、6区1100℃、7区1200℃、8区1300℃、9区 1400℃；

[0036] B)碳化炉体内横截面长度方向的温度需要保证在±2℃以内，在马弗炉内从1#点到4#点横截面温度在±2℃以内；

[0037] C)将碳化炉体每一个温度区间的长度设计为2米，碳化时的行走速度为 0.7米/分钟，使碳布在每个温度区间内停留的时间大于2.5分钟；

[0038] D)碳化测量10厘米距离电阻在0.8‑1.2欧姆的导电碳布时，将1到5区开启并达到设定温度，6到9区关闭，进行碳化；

[0039] E)碳化测量10厘米距离电阻在0.5‑0.8欧姆的导电碳布时，将1到6区开启并达到设定温度，7到9区关闭，进行碳化；

[0040] F)碳化测量10厘米距离电阻在0.3‑0.5欧姆的导电碳布时，将1到9区开启并达到设定温度，进行碳化；

[0041] G)碳化测量10厘米距离电阻在0.1‑0.3欧姆的导电碳布时，将1到5区开启并达到设定温度，6区到9区温度分别需要达到1200℃、1400℃、1600℃、 1700℃，进行碳化；

[0042] 5.碳化完毕后布清理

[0043] 将导电碳布碳化完毕后，需要清理表面炭灰，先使用高压气枪吹，然后使用专用吸尘器将布面进行清理。

[0044] 下面将结合具体实施例对本发明公开保护的柔性导电碳布的制造方法作进一步的说明。

[0045] 实施例1：

[0046] 本实施例公开了一种柔性导电碳布的制造方法，具体实施步骤如下：

[0047] 1.聚丙烯腈基原丝制备预氧丝：

[0048] 使用一轴大于1万米的聚丙烯腈基24K或48K原丝，缠绕于预氧化炉中，在260±10℃的温度下进行预氧化处理，并在6米范围内对纤维丝加64±4N的牵伸力，在预氧化过程
中，注意通风顺畅，纤维断裂情况，以免出现纤维在炉内搭接，导致放热过于剧烈起火的安
全问题。

[0049] 2.预氧丝的短切：

[0050] 将长纤维的预氧丝上分切机卷曲机，将其短切并进行卷曲，以便于纺纱。

[0051] 3.预氧丝纤维纺纱：

[0052] 将短且并且卷曲完毕的纤维，放入到特制的梳棉机中，然后进行抽毛条工序，毛条制造完毕后进到纺纱机中进行纺纱。

[0053] 4.预氧丝纱线合股：

[0054] 把纺织完的纱线，在纺纱合股机上进行合股。

[0055] 5.织布工序：

[0056] 将纱线使用专用络筒设备处理，然后在进行纱线盘整头部，再上织布机进行织布得到预氧丝布。

[0057] 6.预氧丝布的碳化：

[0058] 预氧丝布织布完成后，需要提高布的含碳量、导电率、扩大纤维丝的表面结构，将碳布平铺放入如图1的连续式碳化炉内，如要得到在10cm距离上 0.8‑1.2欧姆的电阻率，需
要将炉体内部注入惰性气体‑‑氮气，然后将炉温升到安照2米长度一个温区，依次升高5个
温区，1‑‑5区温度分别为450℃、550℃、 650℃、800℃、900℃，布面在炉体内移动的速度为
0.7米/分钟，将碳布穿到炉体内，碳化完毕。

[0059] 7.后处理：

[0060] 碳化完毕的柔性导电碳布表面会后少部分碳灰及颗粒物，使用吸尘器和压缩空气将其吹干净，然后收卷贮存。

[0061] 实施例2

[0062] 本实施例公开了一种柔性导电碳布的制造方法，具体实施步骤如下：

[0063] 1.聚丙烯腈基原丝制备预氧丝：

[0064] 使用一轴大于1万米的聚丙烯腈基24K或48K原丝，缠绕于预氧化炉中，在260±10℃的温度下进行预氧化处理，并在6米范围内对纤维丝加64±4N 的牵伸力，在预氧化过程
中，注意通风顺畅，纤维断裂情况，以免出现纤维在炉内搭接，导致放热过于剧烈起火的安
全问题。

[0065] 2.预氧丝的拉断：

[0066] 使用特制的毛纺织毛条机，将长预氧丝先进行并股，然后在毛条机上将预氧丝拉断，拉断的预氧丝长度为75‑135mm之间。

[0067] 3.预氧丝纤维纺纱：

[0068] 将毛条制造完毕后进到纺纱机中进行纺纱。

[0069] 4.预氧丝纱线合股：

[0070] 把纺织完的纱线，在纺纱合股机上进行合股。

[0071] 5.织布工序：

[0072] 将纱线使用专用络筒设备处理，然后在进行纱线盘整头部，再上织布机进行织布得到预氧丝布。

[0073] 6.预氧丝布的碳化：

[0074] 预氧丝布织布完成后，需要提高布的含碳量、导电率、扩大纤维丝的表面结构，将碳布平铺放入如图1的连续式碳化炉内，如要得到在10cm距离上0.5‑0.8欧姆的电阻率，需
要将炉体内部注入惰性气体‑氮气，然后将炉温升到安照2米长度一个温区，依次升高5个温
区，1‑‑6区温度分别为450℃、550℃、650℃、800℃、900℃、1100℃，布面在炉体内移动的速
度为0.7米/分钟，将碳布穿到炉体内，碳化完毕。

[0075] 7.后处理：

[0076] 碳化完毕的柔性导电碳布表面会后少部分碳灰及颗粒物，使用吸尘器和压缩空气将其吹干净，然后收卷贮存。

[0077] 为进一步描述通过本发明公开的技术方案制得的柔性导电碳布的技术效果，以进一步突显本发明制备的柔性导电碳布的导电、导热及高孔隙特性，发明人还进行了如下性
能测定实验，具体内容如下：

[0078] 取样及工艺操作方案：使用1400℃进行高温碳化以及原始厚度为0.8mm 的布进行测试，使用TG燃烧失重法测量样品含碳量，使用万用表对样品间隔 10厘米远的电阻值进行
检查，同时采用压汞法测量孔隙率。并采用稳态法，将导电布样品做成：1mm厚碳纤维，碳纤
维堆积密度为2.17～2.24g/cc之间的导电碳布，且测试1小时通过1平方米面积内传递的热
量，具体数值如表1：

[0079] 表1：测试结果

[0080]样品编号 含碳量 电阻值Ω 孔隙率 导热系数(w/m.k)
导电布1# 98.83％ 0.25 69.7％ 554
导电布2# 98.70％ 0.33 61.5％ 607
导电布3# 98.71％ 0.35 69.4％ 583
导电布4# 98.95％ 0.23 66.8％ 592
导电布5# 98.62％ 0.41 647％ 575

[0081] 再有，为突显本发明公开制得的柔性导电碳布能适用于不同使用环境，发明人还对所述柔性导电碳布进行如下不同领域的应用实例，具体如下：

[0082] 1、应用于军事领域

[0083] 在移动雷达站上，由于本导电碳纤维布是良好的导体，对电与磁有良好的屏蔽作用，将柔性的导电碳布使用包覆在移动雷达站的电柜、操作中心上，可以有效的降低雷达高
功率反射回波对移动雷达站中电子原气件、操作人员的辐射影响。

[0084] 2、应用于医疗保健领域

[0085] 导电碳布是碳纤维产品，其在通电后，可以产生波长约为15微米的远红外波，这种红外波对治疗关节炎、劳损等慢性病，有很好的疗效，又因为其是五创伤的纯物理疗法，因
此目前很多做医疗器械的厂家，将其铺在理疗床、按摩椅上，做成医疗保健产品。

[0086] 3、应用于环保领域

[0087] 导电碳布在经过碳化后，不仅仅是提高了编织纤维中间的孔隙度，而且还将预氧丝表面的PET(比表面积)提高了，碳纤维布经过碳化后，基本元素为碳，无毒无害，又能够防
腐蚀，因此制造一些高端饮水设备中的过滤器，或者工业领域中强碱水过滤装置的吸附材
料，可以有效拦截液体中的细小颗粒物。

[0088] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。

[0089] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。