一种表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡的制备方法与流程

本发明属于耐火纤维领域，尤其是涉及一种表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡的制备方法。

背景技术：

与其它耐火材料相比，耐火纤维具有密度小(只有耐火砖的1/5～1/10)、导热系数小(为轻质砖的1/3)、热容小、升温速度快等特点，在冶金、机械、石油、化工、电子及轻工业等各种工业领域中得到了广泛的应用。

耐火纤维多用于代替耐火砖用于热处理炉、加热炉等高温领域，然而自20世纪90年代以来，随新产品的开发和推广，耐火材料也逐渐进入了日常生活中。专利CN1229864A公开了一种不燃性的混纺纱及其应用，将硅酸铝陶瓷耐火纤维与玻璃纤维或高硅氧纤维进行混纺并织造得到织物，所得织物具有很好的不燃性。专利CN1253645C公开了一种防火卷帘，以耐火纤维毯为帘芯，对大型公共场所、库房的防火起到了重要的作用。随防火纤维的应用日益广泛，其附属性能与外观也受到了更高的要求。目前，耐火纤维多为工业使用，对其表观颜色并无过多的要求，多表现为无彩色。然而在日常生活中，人们对耐火纤维表观颜色则会有所追求。目前，有彩色防火纤维制品仍是十分欠缺。镁铝锆复合耐火纤维是一种无机纤维，传统的有机染色方法难以实现对其染色，关于其染色方法尚未有相关报道。

技术实现要素：

为克服染色镁铝锆复合耐火纤维制备方法欠缺的问题，本发明提供一种表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡的制备方法。

本发明是通过以下技术实现的：

一种表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡的制备方法，步骤如下：

1)主原料准备：根据MgO，Al₂O₃，ZrO₂，Y₂O₃，SrO和TiO₂的质量配比称取镁砂、镁铝尖晶石、锆石、磷钇矿、菱锶矿以及钛白粉，共混并进行粉碎得到主原料；

2)染色剂粉末准备：利用机械球磨仪将染色剂球磨至400～600目得到染色剂粉末；

3)熔融：将主原料投入熔融炉中加热至2100～2300℃，直至完全融化得到熔融液；

4)过滤：过滤熔融液中的杂质，滤液流入2300～2500℃的搅拌釜中并进行持续搅拌得到纺丝液；

5)耐火纤维收集：纺丝液从搅拌釜出料口流出，进入离心头，在离心力作用下，经离心头的细孔甩出，细孔垂直方向喷射携带有染色剂粉末的工业氮气，在工业氮气辅助下，染色剂粉末粘附并熔融于纺丝液表面，同时，纺丝液快速冷却成固体纤维并由集棉器进行收集得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维；

6)成毡：将表面染色镁铝锆复合耐火纤维投入开清棉装置进行开松、梳理得到分布均匀的纤维网，利用针刺机对纤维网进行针刺得到耐火纤维毡坯布，对耐火纤维毡坯布进行分阶段加压热定型、切割并收集得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡。

传统耐火纤维原材料改性剂的粉碎粒径为50～200目，本发明采用400～600目的染色剂粉末。虽然增加了粉碎工艺难度，但经实验验证，本发明所使用的染色剂粉末可获得在耐火纤维上更为均匀的分布，结合更为牢固，染色更为均匀，染色牢度更高。

熔融温度的选择来自于原料的不同组成，在本说明书中，发明人经不断实验优选了2100～2300℃作为表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡原料的熔融温度，特别优选的温度确定则取决于原料的不同组成及粉碎的粒径。

纺丝液在离心力下，经离心头的细孔甩出，此时纺丝液温度较高，主体仍为液态，在工业氮气辅助下，染色剂粘附至纺丝液表面并迅速熔融至纺丝液的外层，与此同时，工业氮气也对纺丝液起到了冷却固化的作用，纺丝液的固化也实现了染色剂粉末在耐火纤维表面的固着，从而实现镁铝锆复合耐火纤维表面的着色，这是本说明书中最重要的一个发明点。经测试，染色剂粉末在耐火纤维表面分布均匀。另外，传统离心甩丝使用空气作为冷却固化气体，在本说明书中采用工业氮气的根据原因在于避免着色剂在高温下的氧化，从而提高所得表面染色耐火纤维制品的色泽。至于表面染色镁铝锆复合耐火纤维的染色深度则由染色剂本身、工业氮气中染色剂粉末的浓度以及工业氮气的气流速度共同决定。

优选地，主原料的质量配比为MgO 60％～85％，Al₂O₃ 5％～25％，ZrO₂ 5％～10％，Y₂O₃ 1％～5％，SrO 1％～5％，TiO₂ 1％～5％，总量为100％。

优选地，所述染色剂为三氧化二铁、氧化铜、四氧化三铁、氧化亚铁、氧化亚铜、氧化钴、五氧化二钒和三氧化二铬中的一种或几种。

在镁铝锆复合耐火纤维固化成型阶段实现染色剂在耐火纤维上的吸附、固着及分散，从而制得一种具有染色更为均匀，染色牢度高的镁铝锆复合耐火纤维是本发明的一个重要发明点。经本发明人实践表明，不使用染色剂所制备的镁铝锆复合耐火纤维呈现的是一种浅灰色，而利用本发明的表面染色方法所制得的镁铝锆复合耐火纤维则能表现出染色剂的本色。其中三氧化二铁、五氧化二钒的使用可得黄色耐火纤维，氧化铜、四氧化三铁、氧化钴的使用可得黑色耐火纤维，氧化亚铜的使用可得红色耐火纤维，氧化亚铁、三氧化二铬的使用可得绿色耐火纤维。本发明首次实现对耐火纤维材料的着色，这对于传统意义上无彩色的耐火纤维材料是一个重要的补充，该有彩色耐火纤维的主要用途是日常生活防火纺织品。

优选地，所述主原料的粒径为250～350目。

本发明采用250～350目原材料，其原因在于MgO、Al₂O₃、ZrO₂皆为高熔点物质，采用粒径较小的主原料粉末，可实现较快的熔融速率，主原料混合更为均匀，所制得的耐火纤维的品质更加稳定。

优选地，离心速度为2～3万转/分，细孔的孔径为0.1～0.4毫米。

优选地，所述工业氮气的温度为150～180℃，气流速度为5～25米/秒。

优选地，工业氮气中染色剂粉末的浓度为100～1000mg/L。

优选地，所述表面染色镁铝锆复合耐火纤维的直径为25～50微米，长度为70～210毫米。

欧盟指数KNB规定0类为不分类为致癌物，其纤维平均直径大于6微米，本发明在所制得的纤维直径为25～50微米，长度为70～210毫米，从尺寸上符合欧盟KNB指数对于不分类为致癌物的要求。

优选地，针刺密度为250～500刺/cm²，针刺深度为9～13毫米。

针刺法加固耐火纤维网是利用针刺机的带钩刺刺针反复穿刺纤维网，使纤维中部分水平耐火纤维形成垂直纤维簇，该纤维簇自上而下贯穿于纤网，通过与水平纤维缠结，阻止纤维的相互滑脱，并使纤维结构紧密，厚度大大下降。在针刺机的工艺参数中针刺密度、针刺深度这两个参数最为重要。耐火纤维材料为脆性材料，容易折断，在传统的耐火纤维针刺成毡的工艺中，较少明确针刺的针刺密度和针刺深度，对耐火纤维毡的强力并未有明显的关注。其原因或许在于传统的耐火纤维多用于热处理炉、加热炉的工业保温材料使用，强力要求较少。然而在日常生活中，毡品不可避免会受到反复拉伸、弯折的作用，毡品的拉伸断裂强力、耐疲劳性能则需要受到关注。然而发明人实验发现，这两个工艺参数对耐火纤维毡的拉伸断裂强力、耐疲劳性能有重大影响，关系着其使用用途，更优选的针刺密度为300～400刺/cm²，针刺深度为10～12毫米时，所得耐火纤维毡的拉伸断裂强力可取得较大值，耐疲劳性能较好。

优选地，所述分阶段加压热定型是在温度600～800℃，压力5～8Kg/cm²条件下处理30～60分钟，然后以10～30℃/分升温至1400～1600℃，压力3～5Kg/cm²条件下处理1～3分钟，处理完毕，自然冷却至室温。

传统采用一次针刺即获得耐火纤维成品，在本发明中，发明人对于针刺成形的坯布进行两次加压热定型处理，其作用在于，第一次较长时间的加压热定型有利于形成晶粒细小、强度较高、韧性较好的耐火纤维，第二次短时间的加压热定型处理，可使耐火纤维在短时间内获得致密化结构，晶粒不易发生二次成长，使纤维在高温使用性能更为稳定，这一步对于在高温下使用的耐火纤维尺寸保持稳定，获得低收缩的表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡具有至关重要的作用，这也是本说明书一个重要的发明点之一。

本发明的有益效果在于：(1)利用耐火纤维固化成型阶段实现染色剂在耐火纤维上的吸附、分散及固着，制备一种染色均匀、色牢度高的表面染色镁铝锆复合耐火纤维；(2)所得耐火纤维结构缺陷少，具有较低的线收缩率。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

取称镁砂50.4wt％、镁铝尖晶石21.5wt％、锆石11.3wt％、磷钇矿6.5wt％、菱锶矿6.3wt％和钛白粉4.0wt％，其化学组成为MgO 60.9wt％，Al₂O₃ 17.0wt％，ZrO₂ 8.4wt％，Y₂O₃ 4.4wt％，SrO 4.9wt％，TiO₂ 4.4wt％，共混并粉碎至250目得到主原料粉末。利用机械球磨仪将氧化亚铜球磨至400目得到氧化亚铜粉末。将主原料粉末投入熔融炉中加热至2100℃，直至完全融化得到熔融液。随后过滤熔融液中的杂质，滤液流入2300℃的搅拌釜并进行持续搅拌得到纺丝液，该纺丝液从搅拌釜的出料口流出并进入离心头，在离心力作用下(2万转/分)，经离心头的细孔(直径为0.2毫米)甩出，细孔垂直方向喷射携带有氧化亚铜粉末的工业氮气，氧化亚铜粉末的浓度为500mg/L，工业氮气的温度为150℃，速度为10米/秒。在工业氮气辅助下，氧化亚铜粉末粘附至纺丝液表面(如图1所示)并熔融、分散，同时，纺丝液快速冷却成固体纤维并由集棉器进行收集得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维。将该耐火纤维投入开清棉装置进行开松、梳理并得到分布均匀的纤维网，利用针刺机对纤维网进行针刺，针刺密度为300刺/cm²，针刺深度为11毫米，得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡坯布。随后，对该坯布进行分阶段加压热定型，以温度600℃，压力5Kg/cm²处理30分钟后，以10℃/分升温至1400℃，施加压力3Kg/cm²，处理1分钟。加压热定型完毕，自然冷却至室温，切割并收集得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡。

生产所得表面染色镁铝锆复合耐火纤维的平均直径为38微米，平均长度为106毫米，抽取表面染色镁铝锆复合耐火纤维于800℃下保持20分钟，测得其线收缩率为1.8％。

利用Datacolor SF600X测色仪对表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡进行测色，其色度指标为L^*51.6，a^*43.8，b^*12.9，由色度指标可知，本实施例所得表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡的颜色为红色。

实施例2

取称镁砂75.3wt％、镁铝尖晶石10.5wt％、锆石7.2wt％、磷钇矿2.6wt％、菱锶矿2.3wt％和钛白粉2.1wt％，其化学组成为MgO 81.2wt％，Al₂O₃ 8.0wt％，ZrO₂ 5.1wt％，Y₂O₃1.7wt％，SrO 1.7wt％，TiO₂ 2.2wt％，共混并粉碎至350目得到主原料粉末。利用机械球磨仪将氧化亚铁球磨至600目得到氧化亚铁粉末。将主原料粉末投入熔融炉中加热至2200℃，直至完全融化得到熔融液。随后过滤熔融液中的杂质，滤液流入2400℃的搅拌釜中并进行持续搅拌得到纺丝液，该纺丝液从搅拌釜的出料口流出并进入离心头，在离心力作用下(3万转/分)，经离心头的细孔(直径为0.3毫米)甩出，细孔垂直方向喷射携带有氧化亚铁粉末的工业氮气，氧化亚铁粉末的浓度为800mg/L，工业氮气的温度为170℃，速度为5米/秒。在工业氮气辅助下，氧化亚铁粉末粘附至纺丝液表面(如图1所示)并熔融、分散，同时，纺丝液快速冷却成固体纤维并由集棉器进行收集得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维。将该耐火纤维投入开清棉装置进行开松、梳理并得到分布均匀的纤维网，利用针刺机对纤维网进行针刺，针刺密度为400刺/cm²，针刺深度为12毫米，得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡坯布。随后，对该坯布进行分阶段加压热定型，以温度700℃，压力8Kg/cm²处理时间40分钟后，以20℃/分升温至1500℃，施加压力5Kg/cm²，处理2分钟后。加压热定型处理完毕，自然冷却至室温，切割并收集得到表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡。

生产所得表面染色镁铝锆复合耐火纤维的平均直径为43微米，平均长度为167毫米，抽取表面染色镁铝锆复合耐火纤维于800℃下保持20分钟，测得其线收缩率为1.2％。

利用Datacolor SF600X测色仪对表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡进行测色，其色度指标为L^*38.3，a^*-53.6，b^*7.8，由色度指标可知，本实施例所得表面染色镁铝锆复合耐火纤维毡的颜色为绿色。