本发明属于多孔无机材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂、其制备方法及陶瓷纤维增强材料。
背景技术：
高温烟气过滤除尘技术是实现高温烟气综合利用的关键步骤，同时也是一项先进环保技术。该技术的核心在于过滤材料，由于需要在高温复杂的烟气工况下长期运行，因此对过滤材料具有很高的要求。
陶瓷纤维兼具传统绝热材料和耐火材料优良特性，具有耐高温、热稳定性好、热容小、重量轻和耐机械震动等优点，因而在众多工业领域中得以广泛应用。此外，利用陶瓷纤维的材料特性，通过特殊的制备工艺可赋予陶瓷纤维制品特定结构，进而获得了区别于原料陶瓷纤维的特殊性能，如良好的缓冲隔热性能、优良的吸音降噪性能以及优异的高温烟气过滤特性等。
陶瓷纤维多孔过滤材料通常由陶瓷纤维制备而来，陶瓷纤维间特殊的三维交织结构赋予了陶瓷纤维制品多孔特性。随着孔隙率的增加，难免带来强度方面的掣肘。然而，陶瓷纤维过滤材料的强度是其过滤性能得以发挥的保障，直接影响其使用寿命。随着纤维原料强度的提高，陶瓷纤维制品强度在一定程度上会随之提高，但达到一定程度后，陶瓷纤维间的黏连作用对其强度的影响增加，最终决定陶瓷纤维制品强度。在获得理想粘结剂的情况下，提高陶瓷纤维制品的压缩程度，进而提高密度，可提升产品强度。但对于陶瓷纤维多孔过滤材料，粘结剂对其孔隙结构、孔隙率等势必受到影响，进而影响其过滤性能的发挥。
现有技术通常对多孔过滤材料的原料、配方及制备工艺方面进行优化，希望通过平衡结构和性能之间的矛盾，使强度能够达到较为理想的状态。受制于陶瓷纤维材料的多孔特性，通过产品原料、配方或微观结构的调控，强化效果较为有限。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂、其制备方法及陶瓷纤维增强材料，本发明中的陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂能够在不影响产品功能特性的情况下，显著提升陶瓷纤维多孔过滤材料强度。
本发明提供一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂，包括以下重量份数的组分：
去离子水：100份，无机胶粘材料：20～80份，活性矿粉：5～40份，表面活性剂：2～8份；
所述无机胶粘材料为铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝中的一种或几种；
所述活性矿粉为高岭土、膨润土、煅烧高岭土和纳米二氧化硅中的一种或几种。
优选的，所述无机胶粘材料为铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝，铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝的质量比为1：(0.1～1)：(0.1～0.5)。
优选的，所述活性矿粉包括塑性料和脊性料；
所述塑性料为高岭土和/或膨润土；所述脊性料为煅烧高岭土和/或纳米二氧化硅。
优选的，所述活性矿粉的粒径≤10μm。
优选的，所述表面活性剂为聚乙二醇、脂肪酸聚氧乙烯酯、吐温-80中的一种或几种。
优选的，所述陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂的固含量为8.5～30％；粘度为5～20mpa·s。
本发明提供一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂的制备方法，包括以下步骤：
a)将2～8重量份的表面活性剂加入100重量份的去离子水中，然后再加入5～40重量份的活性矿粉中，得到混合液；
b)将所述混合液进行球磨分散，得到混合浆料；
c)在所述混合浆料中加入20～80重量份的无机胶粘材料，搅拌混合，得到陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。
本发明提供一种陶瓷纤维增强材料，包括陶瓷纤维多孔过滤材料和附着在所述陶瓷纤维多孔过滤材料内部孔洞表面的增强剂；
所述增强剂为上文所述的陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。
优选的，所述增强剂的施用量为陶瓷纤维多孔过滤材料重量的80～150％。
优选的，将所述增强剂施加于所述陶瓷纤维多孔过滤材料的表面，经吸附渗透后，进行干燥固化，得到陶瓷纤维增强材料，所述干燥固化的温度为110～180℃；所述干燥固化的时间为20～48小时。
本发明提供了一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂，包括以下重量份数的组分：去离子水：100份，无机胶粘材料：20～80份，活性矿粉：5～40份，表面活性剂：2～8份；所述无机胶粘材料为铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝中的一种或几种；所述活性矿粉为高岭土、膨润土、煅烧高岭土和纳米二氧化硅中的一种或几种。本发明以无机胶粘材料和活性矿粉为强化剂主体，通过去离子水和表面活性剂的分散和稀释作用，最终获得具有一定固含量和粘度的强化剂，可有效渗透到陶瓷纤维多孔过滤材料中。超细活性矿粉、合适的固含量以及较低粘度，可解决强化剂在多孔材料中的有效植入与均匀分布问题，同时可以最大程度减少对过滤性能的影响。通过合适的溶胶材料配比及活性矿粉的综合调配，可以使强化剂具有较高的粘附力和干燥强度。强化剂植入陶瓷纤维多孔过滤材料后，可有效提高基体材料间的结合强度，解决陶瓷纤维多孔过滤材料强度较低，在使用过程中容易损坏的问题。同时可有效平衡陶瓷纤维多孔过滤材料强度、密度与过滤性能等结构与功能间的矛盾问题，进而获得同时具有高强度和良好过滤性能的陶瓷纤维多孔过滤材料。
具体实施方式
本发明提供了一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂，包括以下重量份数的组分：
去离子水：100份，无机胶粘材料：20～80份，活性矿粉：5～40份，表面活性剂：2～8份；
所述无机胶粘材料为铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝中的一种或几种；
所述活性矿粉为高岭土、膨润土、煅烧高岭土和纳米二氧化硅中的一种或几种。
在本发明中，所述去离子水的作用在于原料的分散和混合，以及控制悬浮液的浓度和粘度。
在本发明中，所述无机胶粘材料的重量份数为20～80份，更优选为30～70份，最优选为40～60份，具体的，在本发明的实施例中，可以是20份、30份、40份、50份、65份、70份、66份或60份；所述无机胶粘材料优选为铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝中的一种或几种，更优选为铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝，其中，铝溶胶、硅溶胶和磷酸二氢铝的质量比优选为1：(0.1～1)：(0.1～0.5)，更优选为1：(0.2～0.8)：(0.2～0.4)，具体的，在本发明的实施例中，可以是1:0.8:0.2、1:1:0.5、1:0.67:0.33、1:0.4：0.2、1:0.4:0.27或1:0.83:0.33。
在本发明中，铝溶胶是一种良好的耐高温成型粘结剂，由于胶粒较粗，其渗透吸附性能有所欠缺，而硅溶胶同样为一种良好的耐火材料粘结剂，且渗透力强，但是在纤维等基体材料表面成膜过程中体积收缩较大，涂膜易开裂，影响基体材料间的结合强度，因此本发明将两者混合使用，可进行优势互补，达到良好的应用效果。但申请人经研究发现，两者混合使用时，体系电位平衡遭到破坏，造成胶体颗粒变大甚至形成沉淀，因此需要对两者比例进行控制，同时加入磷酸二氢铝作为高温粘结剂，其加入利于多孔材料在高温下使用的稳定性，因此少量加入可确保强化处理后的多孔过滤材料能够保持较好的高温性能。
在本发明中，所述活性矿粉的重量份数优选为5～40份，更优选为10～35份，最优选为15～30份，具体的，在本发明的实施例中，可以是8份、10份、18份、21份、28份、34份、38份、35份或40份；所述活性矿粉分为塑性料和脊性料，在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。高岭土和膨润土为塑性材料，可防止附着在基材上的增强剂产生开裂，影响强度，同时，在配料阶段可以调控增强剂黏稠程度，利于脊性料的分散与悬浮，但塑性料干燥收缩较大，需要控制用量。煅烧高岭土和纳米二氧化硅为脊性料，具有较高的化学稳定性，可减少坯体在干燥和烧成中的收缩，加快干燥速度，减少制品开裂，但其悬浮分散能力和粘结力不够，受外力影响较大，需要塑性料进行调控。
本发明优选同时加入塑性料和脊性料，塑性料可调控增强剂粘稠度，同时作为骨料可改善干燥后的粘结强度，脊性料易于分散，作为胶粘骨料，干燥后可增加粘结强度。
在本发明中，塑性料和脊性料的质量比优选为(0.3～1)：1，更优选为(0.4～0.8)：1，最优选为(0.5～0.6)：1。
本发明中用于增强的陶瓷纤维多孔过滤材料的孔径约为15μm左右，因此，本申请中的活性矿粉平均粒径优选≤10μm，以确保经研磨后能够顺利进入陶瓷多孔纤维过滤材料的内部。
在本发明中，所述表面活性剂的作用在于促进活性矿粉的分散，优选为非离子型表面活性剂，更优选为聚乙二醇、脂肪酸聚氧乙烯酯、吐温-80中的一种或几种，所述表面活性剂的重量份数优选为2～8份，更优选为3～7份，最优选为4～6份，具体的，在本发明的实施例中，可以是2份、5份、8份、1份或6份。
本发明中的增强剂为悬浮液，其固含量优选为8.5～30％，更优选为10～25％，最优选为15～20％。具体的，在本发明的实施例中，可以是10.43％、11.20％、16.93％、18.88％、22.41％、24.78％、26.42％、25.59％或22.51％。通过控制固含量，可有效控制增强剂对多孔过滤材料透气性能的影响。
在本发明中，所述增强剂在室温条件下的粘度优选为5～20mpa·s，更优选为10～15mpa·s，具体的，在本发明的实施例中，可以是5mpa·s、6mpa·s、12mpa·s、10mpa·s、15mpa·s、18mpa·s、16mpa·s或13mpa·s。在本发明粘度范围内的增强剂，能够确保混合浆料有足够的流动性和渗透性。
本发明还提供了一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂的制备方法，包括以下步骤：
a)将2～8重量份的表面活性剂加入100重量份的去离子水中，然后再加入5～40重量份的活性矿粉中，得到混合液；
b)将所述混合液进行球磨分散，得到混合浆料；
c)在所述混合浆料中加入20～80重量份的无机胶粘材料，搅拌混合，得到陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。
在本发明，所述表面活性剂、去离子水、活性矿粉和无机胶粘材料的种类和用量与上文所述的表面活性剂、去离子水、活性矿粉和无机胶粘材料的种类和用量一致，在此不再赘述。
本发明先在去离子水中加入表面活性剂，可改变水的表面张力，利于粉体分散，然后采用行星球磨机进行高能研磨分散，可获得合适粒度分布及分散状态的浆料，最后与胶粘材料使用悬臂式搅拌器进行搅拌混分。采用这种两步混合的工艺，既可有效分散活性粉体，又可避免胶粘材料在高能研磨过程中发生体系变化。
在本发明中，以40l容量的行星球磨机为例，所述球磨的速度为公转100～195rpm，自转200～390rpm，所述球磨的工作温度优选为室温；经过所述球磨之后，浆料中的粒度分布为d90≤8μm，d50≤5μm。
本发明提供了一种陶瓷纤维增强材料，包括陶瓷纤维多孔过滤材料和附着在所述陶瓷纤维多孔过滤材料表面的增强剂；
所述增强剂为上文所述的陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂，所述增强剂的施用量为陶瓷纤维多孔过滤材料重量的80～150％，优选为90～140％，更优选为100～130％，最优选为110～120％。
本发明还提供了一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂在陶瓷纤维多孔过滤材料中的应用，包括以下步骤：
将上文所述的陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂喷涂于陶瓷纤维多孔过滤材料的表面，经吸附渗透后，进行干燥固化，得到强度增强的陶瓷纤维多孔过滤材料。
在本发明中，所述陶瓷纤维多孔过滤材料可以是多种产品，如陶瓷纤维过滤管，陶瓷纤维过滤板材、陶瓷纤维过滤膜等。本发明可将所述增强剂在所述陶瓷纤维多孔过滤材料的表面进行反复多次喷涂，直至涂覆量达到所述陶瓷纤维多孔过滤材料质量的80～150％为止。
在本发明中，所述喷涂的工艺采用本领域常用的喷涂工艺即可。所述增强剂的涂覆量优选为所述陶瓷纤维多孔过滤材料质量的100～120％。
在本发明中，所述干燥固化的温度优选为110～180℃，更优选为120～170℃，最优选为130～160℃，具体的，在本发明的实施例中，可以是150℃；所述干燥固化的时间优选为20～48小时，更优选为24～36小时。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明所提供的陶瓷纤维多孔过滤材料强化剂，可有效提高陶瓷纤维多孔过滤材料强度，降低其在工程应用中破损的风险，延长多孔过滤材料的使用寿命。
2、本发明所提供的强化剂对固含量和粘度进行了有效控制，具有较好的流动性和渗透性，可均匀分布于多孔过滤材料中，能够有效降低对多孔材料孔隙率的影响。
3、本发明所提供的强化剂采用平均粒径小于等于10μm的超细活性矿粉作为强化骨料，经高能研磨混合后，可提升强化剂的干燥强度，使基体材料强度得以提升，且不影响其过滤性能。
4、本发明所提供强化剂的制备方法工艺简单、设备无特殊要求，生产成本低，适合于工业应用。
5、本发明所提供的强化剂应用工艺简单，对基体材料影响小，强度提升效果好，可有效解决陶瓷纤维多孔过滤材料强度不足的问题。
为了进一步说明本发明，以陶瓷纤维多孔过滤管为例，结合具体实施例对本发明提供的一种陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂、其制备方法及陶瓷纤维增强材料进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中的产品按照以下方法进行性能测试；
透气性能，采用1m/min的过滤风速下样品内、外壁形成的压差值进行量化表示；强度采用环境温度下径向压缩c环样品的极限强度表示。
实施例1
将2重量份的聚乙二醇加入100重量份的去离子水中，然后加入2重量份的高岭土、1重量份的膨润土和5重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入10重量份的铝溶胶、8重量份的硅溶胶和2重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量10.43％，室温下粘度5mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为0.97mpa，压差值为400pa。
实施例2
将5重量份的聚乙二醇加入100重量份的去离子水中，然后加入2重量份的高岭土、1重量份的膨润土和7重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入8重量份的铝溶胶、8重量份的硅溶胶和4重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量11.20％，室温下粘度6mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.15mpa，压差值为420pa。
实施例3
将5重量份的脂肪酸聚氧乙烯酯加入到100重量份的去离子水中，然后加入4重量份的高岭土、2重量份的膨润土和12重量份的煅烧高岭土，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入15重量份的铝溶胶、10重量份的硅溶胶和5重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量16.93％，室温下粘度12mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.58mpa，压差值为460pa。
实施例4
将8重量份的脂肪酸聚氧乙烯酯加入到100重量份的去离子水中，然后加入4重量份的高岭土、2重量份的膨润土和15重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入25重量份的铝溶胶、10重量份的硅溶胶和5重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量18.88％，室温下粘度10mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.53mpa，压差值为430pa。
实施例5
将6重量份的吐温-80加入到100重量份的去离子水中，然后加入6重量份的高岭土、6重量份的膨润土和16重量份的煅烧高岭土，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入30重量份的铝溶胶、12重量份的硅溶胶和8重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量22.41％，室温下粘度15mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.77mpa，压差值为470pa。
实施例6
将8重量份的吐温-80加入到100重量份的去离子水中，然后加入10重量份的高岭土、6重量份的膨润土和18重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入30重量份的铝溶胶、25重量份的硅溶胶和10重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量24.78％，室温下粘度18mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.95mpa，压差值为450pa。
实施例7
将1重量份的聚乙二醇和6重量份的脂肪酸聚氧乙烯酯加入到100重量份的去离子水中，然后加入10重量份的膨润土、10重量份的煅烧高岭土和18重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入60重量份的铝溶胶和10重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量26.42％，室温下粘度18mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为2.22mpa，压差值为480pa。
实施例8
将2重量份的聚乙二醇和6重量份的脂肪酸聚氧乙烯酯加入到100重量份的去离子水中，然后加入10重量份的高岭土和25重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入60重量份的硅溶胶和6重量份的磷酸二氢铝，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量25.59％，室温下粘度16mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.98mpa，压差值为460pa。
实施例9
将6重量份的脂肪酸聚氧乙烯酯加入到100重量份的去离子水中，然后加入40重量份的纳米二氧化硅，采用行星球磨机进行研磨分散；然后，将研磨好的浆料转移至悬臂式搅拌器中，加入60重量份的铝溶胶，高速搅拌混合后获得陶瓷纤维多孔过滤材料增强剂。所得增强剂固含量22.51％，室温下粘度13mpa·s。经强化处理后陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为1.53mpa，压差值为440pa。
对比例1
未采用强化剂进行后处理的陶瓷纤维过滤管径向压缩c环样品极限强度为0.75mpa，压差值为400pa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。