本發(fā)明屬于耐火纖維領(lǐng)域，尤其是涉及一種染色蛇紋石耐火纖維的制備方法。

背景技術(shù)：

耐火纖維多用于代替耐火磚使用在熱處理爐、加熱爐等高溫領(lǐng)域，然而自20世紀(jì)90年代以來，隨新產(chǎn)品的開發(fā)和推廣，耐火材料也逐漸進(jìn)入了日常生活中。專利CN1229864A公開了一種不燃性的混紡紗及其應(yīng)用，將硅酸鋁陶瓷耐火纖維與玻璃纖維或高硅氧纖維進(jìn)行混紡并織造得到織物，所得織物具有很好的不燃性。專利CN1253645C公開了一種防火卷簾，以耐火纖維毯為簾芯，對于大型公共場所、庫房的防火起到了重要的作用。隨人們安全意識(shí)的提高，防火纖維在日常生活的應(yīng)用會(huì)越來越廣，由此也會(huì)對耐火纖維提出了更高的要求。耐火纖維主要是工業(yè)使用，對其表觀顏色并無過多的要求，多表現(xiàn)為無彩色，然而在日常生活中，人們對于耐火纖維的表觀顏色則會(huì)有所要求。目前，有彩色防火纖維的制備仍是十分欠缺。耐火纖維是一種無機(jī)纖維，傳統(tǒng)的有機(jī)染料難以實(shí)現(xiàn)對其染色，油墨噴漆也無法有效固著，關(guān)于染色耐火纖維及其制品鮮有相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有染色耐火纖維制備不足的問題，本發(fā)明提供一種染色蛇紋石耐火纖維的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)的：

一種染色蛇紋石耐火纖維的制備方法，步驟如下：

1)主原料準(zhǔn)備：按質(zhì)量配比稱取蛇紋石、玄武巖、鋯石和石墨，共混、粉碎并于500～700℃下保溫3～6小時(shí)得到主原料；

2)染色劑粉末準(zhǔn)備：利用機(jī)械球磨儀將染色劑球磨至400～600目得到染色劑粉末；

3)熔融：將主原料投入熔融爐中加熱至1500～1700℃，直至完全融化得到熔融液；

4)過濾：過濾熔融液中的雜質(zhì)，濾液流入1900～2100℃的攪拌釜并進(jìn)行持續(xù)攪拌得到紡絲液；

5)耐火纖維收集：紡絲液從攪拌釜出料口流出，進(jìn)入離心頭，在離心力作用下，經(jīng)離心頭的細(xì)孔甩出，細(xì)孔垂直方向噴射含染色劑粉末的工業(yè)氮?dú)猓诠I(yè)氮?dú)廨o助下，染色劑粉末粘附并熔融于紡絲液表層，同時(shí)，紡絲液快速冷卻成固體纖維并由集棉器進(jìn)行收集，所述固體纖維經(jīng)分階段熱定型即得染色蛇紋石耐火纖維。

采用較高溫度進(jìn)行保溫有利于脫除主原料中水分和易揮發(fā)性氣體，更利于原料的混合均勻，減少在熔融過程產(chǎn)生氣體而引起的結(jié)構(gòu)缺陷。此外，在本發(fā)明中，多使用到了與生物相溶性較好的原料。其中，蛇紋石是一種含水的富鎂硅酸鹽礦物，氧化鎂含量為43.6％，二氧化硅含量為43.6％，水為13.1％，其余成分為鐵、鎳化合物；玄武巖主要成份是二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂(還有少量的氧化鉀、氧化鈉)，其中二氧化硅含量最多，約為45％～55％，盡管溶解速率很低，但卻比同樣是低溶解速率的石棉、鈦酸鉀(鈉)晶須對人體健康的影響要小。目前市場中比較典型的可溶性耐火纖維是UnitfraxCorp Niagra Falls N.Y研制的Isofrax和Insulfrax。這兩種纖維應(yīng)用隔熱在980℃～1260℃。Isofrax纖維主要由氧化鎂(19％～26％)和二氧化硅(72％～77％)。由其化學(xué)組成可知，利用蛇紋石與玄武巖為原料的耐火纖維完全符合可溶性耐火纖維的要求，將蛇紋石與玄武巖為主原料是本發(fā)明的一個(gè)發(fā)明點(diǎn)之一。

發(fā)明人經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)引入鋯石和石墨，其主要目的是為了提高熔體的粘度，提高熔體的成纖性能，且對耐火纖維的熱膨脹及耐用性并無明顯影響，傳統(tǒng)的耐火纖維會(huì)使用氧化硼來提高熔體的粘度，但氧化硼易汽化，從而引起環(huán)境污染。氧化鋯本身是一種高溫耐火材料，熔融溫度約為2700℃，該物質(zhì)的添加可以提高熔體粘度變化的溫度范圍，具有良好的熱穩(wěn)定性能。碳素具有熱膨脹率低的特點(diǎn)，使得本發(fā)明纖維產(chǎn)品在高溫使用時(shí)體積穩(wěn)定性好，抗熱震性強(qiáng)。發(fā)明人認(rèn)為，氧化鋯和碳素的加入使耐火材料的宏觀特性發(fā)生了改變，使彈性模量、熱膨脹率降低，而且細(xì)微組織強(qiáng)度得到提高，抑制導(dǎo)致耐火材料斷裂的斷裂點(diǎn)的產(chǎn)生，從而使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了提高，強(qiáng)度也得到提高。

傳統(tǒng)耐火纖維改性劑的粉碎粒徑為50～200目，本發(fā)明采用400～600目的染色劑粉末。雖然增加了粉碎工藝難度，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明所使用的染色劑粉末可獲得在耐火纖維上更為均勻的分布，結(jié)合更為牢固，染色更為均勻，染色牢度更高。

熔融溫度的選擇來自于原料的不同組成，在本說明書中，發(fā)明人經(jīng)不斷實(shí)驗(yàn)探索優(yōu)選了1500～1700℃作為染色蛇紋石耐火纖維原料的熔融溫度，特別優(yōu)選溫度的確定則取決于原料的不同組成及粉碎的粒徑。

紡絲液在離心力下作用下，經(jīng)離心頭的細(xì)孔甩出，此時(shí)紡絲液溫度較高，主要仍為液態(tài)，工業(yè)氮?dú)獾淖饔孟拢徑z液的逐漸固化，同時(shí)工業(yè)氮?dú)馑鶖y帶的染色劑粉末粘附至紡絲液的表面，受紡絲液溫度的影響，染色劑粉末迅速熔融至紡絲液的外層并擴(kuò)散，工業(yè)氮?dú)獾睦鋮s作用使紡絲液固化的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了染色劑粉末在耐火纖維表面的固著，從而實(shí)現(xiàn)對蛇紋石耐火纖維纖維的著色，這是本說明書中最重要的一個(gè)發(fā)明點(diǎn)。經(jīng)測試染色劑粉末在耐火纖維表面分布均勻。除染色劑自身的影響外，蛇紋石耐火纖維的染色深度則主要取決于工業(yè)氮?dú)庵腥旧珓┓勰┑臐舛燃皻饬魉俣?。此外，一般離心甩絲所用的氣體為空氣，本說明采用工業(yè)氮?dú)庾饔檬潜苊飧邷叵驴諝庋鯕狻⒁谎趸嫉妊趸M份對染色劑的氧化作用從而影響染色蛇紋石耐火纖維的色光。

優(yōu)選地，主原料的質(zhì)量配比為蛇紋石70％～80％，玄武巖15％～25％，鋯石3％～5％，石墨1％～5％。

優(yōu)選地，所述染色劑為鎘紅、鈷鐵綠、鈷鉻綠、鈷鉻藍(lán)、鈦鉻黃、鋅鐵黃、鈷藍(lán)和群青中的一種或幾種。

在蛇紋石耐火纖維固化成型階段實(shí)現(xiàn)染色劑在耐火纖維上的吸附、固著及分散，從而制得一種具有染色均勻，染色牢度高的蛇紋石耐火纖維是本發(fā)明的一個(gè)重要發(fā)明點(diǎn)。經(jīng)本發(fā)明人實(shí)踐表明，無染色劑所制備的蛇紋石耐火纖維呈現(xiàn)的是一種淺灰色，而利用本發(fā)明所制得的蛇紋石耐火纖維則表現(xiàn)出了染色劑的本色。本說明書所使用的染色劑為商用的無機(jī)耐溫染料，其色光很強(qiáng)，顏色飽滿而鮮明，熱穩(wěn)定溫度為500～1400℃。在本說明書中需要充分考慮所使用的無機(jī)染料的熱穩(wěn)定特征，對于不同無機(jī)染料，需控制染料載體即工業(yè)氮?dú)獾臍饬魉俣扰c溫度。經(jīng)發(fā)明人反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用熱穩(wěn)定溫度較低的無機(jī)染料用于耐火纖維的染色，需要提高氣流流速，降低工業(yè)氮?dú)庵械臒o機(jī)染料濃度。

本發(fā)明首次對蛇紋石耐火纖維進(jìn)行著色，這對于傳統(tǒng)意義上無彩色的耐火纖維材料是一個(gè)重要的補(bǔ)充，該有彩色耐火纖維的主要用途是日常生活防火使用的紡織品。

優(yōu)選地，所述主原料的粒徑為250～350目。

優(yōu)選地，持續(xù)攪拌的時(shí)間為3～4小時(shí)。

優(yōu)選地，離心的速度為5000～20000轉(zhuǎn)/分，細(xì)孔的孔徑為0.1～0.5毫米。

優(yōu)選地，所述工業(yè)氮?dú)獾臏囟葹?50～180℃，氣流速度為5～25米/秒。

優(yōu)選地，所述工業(yè)氮?dú)庵腥旧珓┓勰┑臐舛葹?00～2000mg/L。

工業(yè)氮?dú)獾臍饬魉俣扰c染色劑粉末的濃度共同決定了蛇紋石耐火纖維的染色深度。較優(yōu)選的氣流速度為10～20米/秒，更優(yōu)選的氣流速度為12～16米/秒，較優(yōu)選的工業(yè)氮?dú)庵腥旧珓┓勰┑臐舛葹?00～1200mg/L，更優(yōu)選的工業(yè)氮?dú)庵腥旧珓┓勰舛葹?00～1000mg/L。

優(yōu)選地，所述染色蛇紋石耐火纖維的直徑為32～79微米，長度為45～105毫米。

至今，盡管礦物纖維在人體內(nèi)的具體致病機(jī)理還沒有明確的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但是經(jīng)過近六七十年研究探索，特別是近幾年的最新研究成果，在礦物纖維對人體健康影響的許多方面達(dá)成了共識(shí)，這些共識(shí)為保障人體健康，安全使用礦物纖維以及新型生物可溶礦物纖維的發(fā)展指明了方向。在纖維的生產(chǎn)、使用現(xiàn)場，纖維在空氣中的濃度，目前國際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是每毫升空氣中不高于1根纖維。纖維直徑細(xì)而短則容易飄浮在空氣中，這樣就更易產(chǎn)生較高纖維濃度的空氣。纖維的幾何尺寸是決定纖維能否吸入肺部深處的重要因素。目前，一般以3微米的纖維直徑作為臨界直徑。直徑高3微米的粗纖維通常只能停留在上呼吸道系統(tǒng)，通過粘液系統(tǒng)及肌肉活動(dòng)機(jī)能就可以得到有效的清除。對于直徑小于3微米的細(xì)纖維就較容易進(jìn)入肺部深處，并有可能對人體健康產(chǎn)生潛在的危害。并有可能對人體健康產(chǎn)生潛在的危害。這種情況下，細(xì)纖維的長度扮演重要的角色。因?yàn)?，對于較短的細(xì)纖維(一般小于20微米)，巨噬細(xì)胞可以將它們像普通粉塵一樣清理出肺部。而對于較長的細(xì)纖維(一般小于20微米)，巨噬細(xì)胞無能為力，只能留駐在肺部深處，靠肺液的溶解、侵蝕來清除掉。纖維在人體肺液中的溶解能力對于留駐在肺部深處中的細(xì)長纖維停留時(shí)間起著關(guān)鍵的作用。如果纖維在人體肺部停留時(shí)間長，那么就會(huì)造成肺局部持續(xù)的發(fā)炎，誘導(dǎo)肺部病變的幾率就大大增加。盡管細(xì)長纖維通常僅占到吸入纖維總量的15％～20％，但是大量的實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)長纖維在肺部的停留時(shí)間是誘導(dǎo)肺部病變的關(guān)鍵因素。巨噬細(xì)胞完全清除掉吸入肺部的短纖維通常需要70多天的時(shí)間，而溶解速率常數(shù)只要大于100ng/(cm².hr)的礦物纖維不到70天就可完全溶解在肺液中。

纖維在模擬人體肺液中的溶解速率常數(shù)(K_dis)進(jìn)行表示。模擬人體肺液通常采用Gamble溶液(摩爾濃度*10³)：NaCl 116，NH₄Cl 10，NaHCO₃ 27，甘氨酸5，檸檬酸鈉0.2，CaCl₂0.2，胱氨酸(L)1，H₂SO₄ 0.5，NaH₂PO₄ 1.2，DTPA 0.2，ABAC為50ppm。通常認(rèn)為，作用生物可溶性礦物纖維的溶解速率常數(shù)應(yīng)滿K_dis大于100ng/(cm².hr)，半衰期小于7天。

歐盟指數(shù)KNB規(guī)定0類為不分類為致癌物，其纖維平均直徑大于6微米，本發(fā)明在所制得的纖維直徑為32～79微米，長度為45～105毫米，從尺寸上符合歐盟KNB指數(shù)對于不分類為致癌物的要求。

優(yōu)選地，所述分階段熱定型是在溫度300～400℃下處理30～60分鐘，然后以10～30℃/分升溫至400～600℃的條件下處理1～3分鐘，處理完畢，自然冷卻至室溫。

傳統(tǒng)獲得耐火纖維即直接入庫，便為成品。在本說明書中，發(fā)明人對于甩絲所得到的染色蛇紋石耐火纖維進(jìn)行兩次熱定型，其作用在于，第一次較長時(shí)間的加壓熱定型有利于形成晶粒細(xì)小、強(qiáng)度較高、韌性較好的耐火纖維，第二次短時(shí)間的加壓熱定型處理，可使耐火纖維在短時(shí)間內(nèi)獲得致密化結(jié)構(gòu)，晶粒不易發(fā)生二次成長，使纖維在高溫使用性能更為穩(wěn)定，這一步對于在高溫下使用的耐火纖維尺寸保持穩(wěn)定，獲得低收縮的耐火纖維具有至關(guān)重要的作用，這也是本說明書一個(gè)重要的發(fā)明點(diǎn)之一。對于熱定型溫度和時(shí)間的確定則取決于耐火纖維及本發(fā)明所使用的染色劑物理特性，尤其是染色劑的熱穩(wěn)定溫度。經(jīng)發(fā)明人多次實(shí)驗(yàn)，本說明書的兩次熱定型并沒有對染色蛇紋石耐火纖維的顏色特征產(chǎn)生影響。

本發(fā)明的有益效果在于：(1)利用耐火纖維固化成型階段實(shí)現(xiàn)染色劑在耐火纖維上的吸附、固著及分散，制備一種染色均勻、色牢度高的染色蛇紋石耐火纖維；(2)所得耐火纖維結(jié)構(gòu)缺陷少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，具有較高的溶解速率常數(shù)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

取稱蛇紋石70wt％、玄武巖20wt％、鋯石5wt％和石墨5wt％，共混、粉碎至250目并于500℃下保溫3小時(shí)得到主原料。利用機(jī)械球磨儀將鈷鐵綠磨至400目得到鈷鐵綠粉末。將主原料投入熔融爐中加熱至1500℃，直至完全融化得到熔融液。隨后過濾熔融液中的雜質(zhì)，濾液流入1900℃的攪拌釜中并進(jìn)行持續(xù)攪拌得到紡絲液，該紡絲液從攪拌釜的出料口流出并進(jìn)入離心頭，在離心作用下(8000轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)離心頭的細(xì)孔(直徑為0.2毫米)甩出，細(xì)孔垂直方向噴射含有鈷鐵綠粉末的工業(yè)氮?dú)?，工業(yè)氮?dú)庵锈掕F綠粉末的濃度為500mg/L，工業(yè)氮?dú)獾臏囟葹?50℃，速度為10米/秒。在工業(yè)氮?dú)獾妮o助下，鈷鐵綠粉末粘附至紡絲液表面并熔融、分散，與此同時(shí)，紡絲液快速冷卻成固體纖維并由集棉器進(jìn)行收集，隨后對所得固體纖維進(jìn)行分階段熱定型即得染色蛇紋石耐火纖維。該分階段熱定型是指在溫度300℃條件下處理30分鐘，然后以10℃/分升溫至600℃條件下處理1分鐘，處理完畢，自然冷卻至室溫。

生產(chǎn)所得染色蛇紋石耐火纖維的直徑為53微米，長度為86毫米，對該耐火纖維于Gamble溶液中檢測72小時(shí)的溶解性能，檢測得該耐火纖維可溶，其溶解速率常數(shù)為698ng/(cm².hr)。

利用Datacolor SF600X測色儀對染色蛇紋石耐火纖維進(jìn)行測色，其色度指標(biāo)為L^*36.3，a^*－41.5，b^*-10.8，由色度指標(biāo)可知，本實(shí)施例所制得染色蛇紋石耐火纖維的顏色為綠色。

實(shí)施例2

取稱蛇紋石80wt％、玄武巖15wt％、鋯石3wt％和石墨2wt％，共混、粉碎至350目并于600℃下保溫4小時(shí)得到原料粉末。利用機(jī)械球磨儀將鈷鉻藍(lán)磨至600目得到鈷鉻藍(lán)粉末。將原料粉末投入熔融爐中加熱至1700℃，直至完全融化得到熔融液。隨后過濾熔融液中的雜質(zhì)，濾液流入2100℃的攪拌釜并進(jìn)行持續(xù)攪拌得到紡絲液，該紡絲液從攪拌釜的出料口流出并進(jìn)入離心頭，在離心作用下(15000轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)離心頭的細(xì)孔(直徑為0.4毫米)甩出，細(xì)孔垂直方向噴射含有鈷鉻藍(lán)粉末的工業(yè)氮?dú)?，工業(yè)氮?dú)庵锈掋t藍(lán)粉末的濃度為800mg/L，工業(yè)氮?dú)獾臏囟葹?80℃，速度為15米/秒。在工業(yè)氮?dú)獾妮o助下，鈷鉻藍(lán)粉末粘附至紡絲液表面并熔融、分散，與此同時(shí)，紡絲液快速冷卻成固體纖維并由集棉器進(jìn)行收集，隨后對所得固體纖維進(jìn)行分階段熱定型即得染色蛇紋石耐火纖維。該分階段熱定型是指在溫度400℃條件下處理45分鐘，然后以20℃/分升溫至500℃條件下處理2分鐘，處理完畢，自然冷卻至室溫。

生產(chǎn)所得染色蛇紋石耐火纖維的直徑為73微米，長度為103毫米，對該耐火纖維于Gamble溶液中檢測72小時(shí)的溶解性能，檢測得該耐火纖維可溶，其溶解速率常數(shù)為572ng/(cm².hr)。

利用Datacolor SF600X測色儀對染色蛇紋石耐火纖維進(jìn)行測色，其色度指標(biāo)為L^*26.3，a^*-11.2，b^*-45.1，由色度指標(biāo)可知，本實(shí)施例所制得染色蛇紋石耐火纖維的顏色為藍(lán)色。