一種陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過陶瓷纖維與鋁酸鈣水泥復合凝固成型然后高溫燒結(jié)制備高強度、高耐熱性絕緣保溫板的方法。取超細鋁酸鈣水泥，加水、再加碳粉或可以熱解生成碳粉的前驅(qū)體，并添加瓷質(zhì)空心顆粒，攪拌成漿料；在模具內(nèi)鋪上一層長陶瓷纖維、注上一層漿料；反復鋪纖維、注漿料，直到滿足設計的厚度，在室溫下靜置一天后脫模并干燥，得到高強度的生坯，然后分三步氣氛燒結(jié)：第一步在氧化氣氛從室溫升至270℃左右；第二步在還原氣氛或惰性氣氛升至升至1000℃左右，此后緩慢降到800℃左右；第三步在氧化氣氛和800℃左右保溫1-3h。所制備的保溫板比原有技術制備的成本相近的保溫板強度高、容重低、導熱率低、保溫性能好。
【專利說明】 一種陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及復合材料制備【技術領域】。具體地講，涉及一種通過陶瓷纖維與鋁酸鈣水泥復合凝固成型然后高溫燒結(jié)制備高強度、高耐熱性絕緣保溫板的方法。

【背景技術】
[0002]耐熱絕緣保溫板由于熱穩(wěn)定性高，導熱系數(shù)低，被廣泛應用于各種高溫場合，包括冶金行業(yè)的帶式燒結(jié)機、熱處理爐、鋁電解槽，陶瓷、建材制品燒成窯，以及各種石化工業(yè)加熱爐等。比如某個鋁業(yè)公司對于鋁電解槽外壁保溫板的技術要求規(guī)定:體積電阻率彡1.0\1012 0*(^，在6001:連續(xù)12011不變形、不開裂。即使采用最耐高溫的有機樹脂比如有機硅樹脂或有機氟樹脂，也遠遠不能滿足耐高溫600°C的要求。因此只能采用幾乎完全由無機物構(gòu)成的保溫板。
[0003]申請?zhí)枮?01010150495.8的專利文件提出，將淤泥、礦渣、膨脹組分破碎混合球磨，然后將氧化鋁短纖維加入混合物中繼續(xù)攪拌，噴霧造粒，將陳腐過的泥料裝入模具中燒制，生成含均勻封閉微孔的輕質(zhì)纖維增強陶瓷保溫材料。此類方法只能使用短纖維，因此所制備的保溫板抗拉強度很低。
[0004]申請?zhí)枮?01310201984.5的中國專利申請?zhí)岢隽死w維增強硅酸鈣基質(zhì)保溫板的加工方法，將石英粉、石灰、增強纖維、無機填充材料加水攪拌調(diào)制成漿料，漿料傾入磨具中，在壓力下輥壓整平，排除水分后置于壓力容器中，在飽和蒸汽壓，120-200°C下養(yǎng)護5-15小時后起模。此類材料內(nèi)部主要以水合硅酸鈣為結(jié)合劑，在高溫下水合硅酸鈣脫去水分子，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，所以此類材料難以滿足耐高溫600°C的要求。
[0005]申請?zhí)枮?01310343119.4的中國專利申請?zhí)岢隽瞬ＡЮw維增強水玻璃基二氧化硅復合氣凝膠保溫材料的制備方法:將甲基氧基硅烷與水玻璃溶液和水混合，使甲基氧基硅烷水解于水中得溶液A，再加入強酸性苯乙烯樹脂進行離子交換，然后抽濾得pH=2-3的溶液，將熱處理后的玻璃纖維加入抽濾得到的溶液，再加入氨水調(diào)節(jié)PH值為8-8.5，得纖維復合的二氧化硅溶膠，再轉(zhuǎn)移到容器中靜置，即得復合的二氧化硅水凝膠，然后浸沒于無水乙醇溶液中進行凝膠的老化和醇化，再將醇化后所得的濕凝膠浸沒在三甲基氯硅烷、無水乙醇和正己烷的混合溶液中，進行表面改性。顯然，該制備方法的原料成本及工藝成本都很聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有高強度、高耐熱性絕緣保溫板制備技術的不足，本發(fā)明提出如下解決方案:以鋁酸鈣為基質(zhì)、用陶瓷長纖維進行增強，添加碳粉或可以在非氧化氣氛下熱解生成碳粉的前驅(qū)體作為造孔劑，并添加瓷質(zhì)空心顆粒。制備方法為:先對鋁酸鈣水泥進行超細加工，再加水、加碳粉或可以在非氧化氣氛下熱解生成碳粉的前驅(qū)體，并添加瓷質(zhì)空心顆粒，攪拌成漿料；在模具內(nèi)鋪上一層長陶瓷纖維、注上一層漿料；反復鋪纖維、注漿料，直到滿足設計的厚度，在室溫下靜置等待鋁酸鈣水泥完成水化膠凝固化反應；然后脫模并干燥，得到高強度的生坯，最后于高溫爐內(nèi)分三步氣氛燒結(jié):第一步在氧化氣氛把坯體內(nèi)的夾帶水、吸附水徹底排除，第二步在還原氣氛或惰性氣氛下使水合鋁酸鈣變?yōu)闊o水鋁酸鈣并逐步燒結(jié)，同時有機前驅(qū)體變?yōu)樘?，第三步在氧化氣氛下將碳氧化揮發(fā)，從而制得高強度、高耐熱性絕緣保溫板。

【具體實施方式】
[0007]先用超細加工機械比如球磨機或氣流粉碎機等，對鋁酸鈣水泥進行超細加工，制成中位粒徑0.4-1.8 μ m的超細鋁酸鈣水泥，再加水、加碳粉或可以在非氧化氣氛下熱解生成碳粉的前驅(qū)體，并添加瓷質(zhì)空心顆粒，室溫下攪拌成漿料；每加入10g鋁酸鈣水泥對應加入80-270g水、10-90g碳粉或前驅(qū)體、1-1OOg瓷質(zhì)空心顆粒、70_200g陶瓷纖維；在模具內(nèi)鋪上一層長陶瓷纖維、注上一層漿料；反復鋪纖維、注漿料，直到滿足設計的厚度，在室溫下靜置等待鋁酸鈣水泥完成水化膠凝固化反應；室溫I天后脫模，再室溫養(yǎng)護2天，然后進行三步氣氛燒結(jié):第一步在氧化氣氛下從室溫用2-12h升至270°C左右；第二步在還原氣氛或惰性氣氛下用3-17h升至600°C左右，再用2-12h升至1000°C左右，此后用l_2h從1000°C左右降低到800°C左右，此期間水合鋁酸鈣變?yōu)闊o水鋁酸鈣并逐步提高燒結(jié)程度，同時有機前驅(qū)體變?yōu)樘?；第三步在氧化氣氛?00°C左右保溫l_3h，隨爐降至低于200°C左右取出樣品。
[0008]所述的碳粉，包括煤粉、焦炭粉、活性炭粉、炭黑。碳粉的粒徑最好不大于60 μ m。
[0009]所述的可熱解生成碳粉的前驅(qū)體包括:秸桿粉、木粉、菌糠、淀粉、糠醛渣、廢塑料粉、廢橡膠粉、浙青粉；前驅(qū)體粉料的粒徑最好不大于120μπι。
[0010]所述的長陶瓷纖維包括:氧化鋁長纖維、氧化鋁-氧化鋯復合長纖維、莫來石長纖維、硅酸鋁長纖維、玄武巖長纖維，纖維長度不小于50mm;若采用陶瓷纖維布，則成型過程中更容易向模具內(nèi)鋪放。
[0011]所述的瓷質(zhì)空心顆粒包括:氧化鋁空心球、微晶玻璃空心球、粉煤灰漂珠、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石；其粒徑應不大于2_。
[0012]下面對本發(fā)明的實施方式進行舉例說明:
實施例1
取中位粒徑1.5 μ m的超細鋁酸鈣水泥1kg，加1.2kg水、0.3kg過300目標準篩(粒徑不大于45μπι)的煤粉，并添加0.5kg膨脹蛭石，室溫下攪拌成漿料；取氧化鋁纖維布裁剪成每片200mmX200mm，每片的質(zhì)量為9.7g左右；向內(nèi)腔尺寸為200mmX200mmX70mm的模具內(nèi)鋪上一片氧化鋁纖維布、注130g漿料并用油漆刷把漿料攤平；反復鋪纖維布、注漿料，直到總厚度為10_，共注漿12次，鋪13層纖維布。在室溫下靜置等待鋁酸鈣水泥完成水化膠凝固化反應；室溫I天后脫模，再室溫養(yǎng)護2天，在可控氣氛電阻爐中采用三步氣氛燒結(jié)--第一步在空氣氣氛(氧化氣氛)下從室溫用8h升至270°C ;第二步在氮氣氣氛下用1h升至600°C，此后用6h升至1000°C，再用Ih降至800°C ;第三步在空氣氣氛和800°C下保溫3h，隨爐降至低于200°C取出樣品。
[0013]以上所制備的保溫板抗拉強度為143MPa，體積電阻率1.36 X 112 Ω -cm，容重(表觀密度)為0.52g/cm3，導熱系數(shù)為0.09 Iff-1H^1-0C '
[0014]對比例I 按實施例1的配料、成型方法制備生坯，放入可控氣氛的高溫電爐內(nèi)，采用與實施例1相同的升溫控溫程序，只是其間一直采取空氣氣氛，所制備的保溫板抗拉強度為107MPa，體積電阻率 1.15Χ1012Ω.cm，容重為 0.88g/cm3，導熱系數(shù)為 0.134W.Hr1.°C'
[0015]由此可見，對于本發(fā)明的配料與成型工藝，不采用三步氣氛燒結(jié)法就不能制備成導熱系數(shù)低于0.1Wm-1-0C 1的保溫板。
[0016]實施例2
取中位粒徑1.16 μ m的超細鋁酸鈣水泥1kg，加1.8kg水、0.3kg過200目標準篩(粒徑不大于75 μ m)的菌糠作為熱解成碳前驅(qū)體，并添加0.5kg粉煤灰漂珠，室溫下攪拌成漿料；取玄武巖纖維布裁剪成每片200mmX200mm，每片的質(zhì)量為8.2g左右；向內(nèi)腔尺寸為200mmX200mmX70mm的模具內(nèi)鋪上一片玄武巖纖維布、注IlOg漿料并用油漆刷把漿料攤平；反復鋪纖維布、注漿料，直到總厚度為10mm，共注漿15次，鋪16層纖維布。在室溫下靜置I天后脫模，再室溫養(yǎng)護2天，然后在以天然氣為燃料的梭式窯中采用三步氣氛燒結(jié):第一步控制空氣過剩系數(shù)為1.12 (氧化氣氛)從室溫用5h升至270°C ;第二步控制空氣過剩系數(shù)為0.97 (弱還原氣氛)用1h升至630°C，此后用6h升至1000°C，再用1.5h降至800°C ；第三步控制空氣過剩系數(shù)為1.11 (弱氧化氣氛)、800°C下保溫3h，隨爐降至低于200°C取出樣品。
[0017]以上所制備的保溫板抗拉強度為106MPa，體積電阻率1.09 X 112 Ω -cm，容重(表觀密度)為0.56g/cm3，導熱系數(shù)為0.095ff*m^*°C '
[0018]實施例3
取中位粒徑1.32 μ m的超細鋁酸鈣水泥l(xiāng)kg，加1.6kg水、0.37kg過200目標準篩(粒徑不大于75 μ m)的糠醛渣作為熱解成碳前驅(qū)體，并添加0.43kg膨脹珍珠巖，室溫下攪拌成楽■料；取莫來石纖維布裁剪成每片200mmX200mm ；向內(nèi)腔尺寸為200mmX200mmX70mm的模具內(nèi)鋪上一片莫來石纖維布、注120g漿料并用油漆刷把漿料攤平；反復鋪纖維布、注漿料，直到總厚度為10mm，共注漿15次，鋪16層纖維布。在室溫下靜置I天后脫模，再室溫養(yǎng)護2天，然后在以天然氣為燃料的梭式窯中采用三步氣氛燒結(jié):第一步控制空氣過剩系數(shù)為1.13 (氧化氣氛)從室溫用12h升至270°C ;第二步控制空氣過剩系數(shù)為0.98 (弱還原氣氛)用8h升至630°C，此后用5h升至1000°C，再用2h降至800°C ;第三步控制空氣過剩系數(shù)為1.12 (弱氧化氣氛)、800°C下保溫3h，隨爐降至低于200°C取出樣品。
[0019]以上所制備的保溫板抗拉強度為115MPa，體積電阻率1.26X 112Q-Cm，容重(表觀密度)為0.59g/cm3，導熱系數(shù)為0.097ff*m^*°C '
[0020]上述實施例所制備的保溫板，其每千克制品的成本為10 Y左右，比原有技術制備的成本相近的保溫板強度高、容重低、導熱率低、保溫性能好。這些實施例用于對權(quán)利要求的解釋，但并非用于對權(quán)利要求的限定，本發(fā)明的保護范圍應當以權(quán)利要求書為準。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法，其特征在于:取中位粒徑在0.4-1.8 μ m的超細鋁酸鈣水泥，加水，再加碳粉或可以熱解生成碳粉的前驅(qū)體，并添加瓷質(zhì)空心顆粒，室溫下攪拌成漿料；每加入10g鋁酸鈣水泥對應加入80-270g水、10-90g碳粉或前驅(qū)體、1-1OOg瓷質(zhì)空心顆粒、20-100g陶瓷纖維；在模具內(nèi)鋪上一層長陶瓷纖維、注上一層漿料；反復鋪纖維、注漿料，直到滿足設計的厚度，在室溫下靜置I天后脫模，再室溫養(yǎng)護2天，然后進行三步氣氛燒結(jié):第一步在氧化氣氛下從室溫用2-12h升至270°C左右；第二步在還原氣氛或惰性氣氛下用3-17h升至600°C左右，再用2-12h升至1000°C左右，此后用l-2h從1000°C左右降低到800°C左右，此期間水合鋁酸鈣變?yōu)闊o水鋁酸鈣并逐步提高燒結(jié)程度，同時有機前驅(qū)體變?yōu)樘?；第三步在氧化氣氛?00°C左右保溫l_3h，隨爐降至200°C左右取出樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法，其特征在于:所述的碳粉，包括煤粉、焦炭粉、活性炭粉、炭黑；其粒徑最好不大于60 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法，其特征在于:所述的可熱解生成碳粉的前驅(qū)體包括:秸桿粉、木粉、菌糠、淀粉、糠醛渣、廢塑料粉、廢橡膠粉、浙青粉；前驅(qū)體粉料的粒徑最好不大于120 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法，其特征在于:所述的長陶瓷纖維包括:氧化鋁長纖維及其纖維布、氧化鋁-氧化鋯復合長纖維及其纖維布、莫來石長纖維及其纖維布、硅酸鋁長纖維及其纖維布、玄武巖長纖維及其纖維布，纖維長度不小于50mm ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述陶瓷纖維增強耐熱絕緣保溫板的制備方法，其特征在于:所述的瓷質(zhì)空心顆粒包括:氧化鋁空心球、微晶玻璃空心球、粉煤灰漂珠、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石；其粒徑應不大于2_。
【文檔編號】C04B14/38GK104291759SQ201410496821
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】丁銳, 劉俊成, 李呈順, 賈彩云, 傅超, 張呈賀 申請人:山東理工大學