专利名称：碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种保温隔热材料及其制备方法，尤其涉及一种碳纤维增强硅酸钙保温 隔热材料及其制备方法，属于新材料及其制备领域。
技术背景硅酸钙保温材料是一种容重轻、保温效果好的新型硬质保温材料，广泛应用于电力、 冶金、化工、建筑等领域中。由于这种保温材料具有多孔、中空结构，其本身的强度不 高，在运输、施工的过程中容易破损，所以对硅酸钙保温材料通常需要加入增强纤维以 提高其力学强度。目前常用的增强纤维主要有石棉纤维，纸浆、棉、麻等有机纤维，水 镁石纤维和耐碱玻璃纤维等。如公开号为CM1323756A的专利中公开了硅酸钙耐热材料 及其制作方法，其特征是所述材料由硅灰石、硅石粉、钙质材料和纤维材料组成，其中 纤维材料采用矿物纤维和天然有机纤维；公开号为CN1307083A的中国专利公开了一种 硅酸钙隔热防火材料的制造方法，其特点是将硅质原料与钙质原料按一定比例混合，在 反应釜中水热动态合成硬硅钙石料桨，再加入增强纤维，由钢模压滤成型、烘干，制成 板材或管壳，采用的纤维材料是陶瓷纤维和天然有机纤维；公开号为CN 86103427A的 中国专利公开了一种微孔硅酸转保温绝热材料的制造方法，是以石棉作为增强材料；公 开号为CN 1113220A的专利"一种制造耐高温硅酸钙保温材料的方法"，以及公开号为 CN 1958499A的专利"一种硬硅转石保温隔热材料及其制备方法"也都是加入了玻璃纤 维或纸浆纤维。然而，上述的增强纤维中石棉纤维虽然具有较好的增强效果，而且耐热、 耐碱、与基体结合良好，但其作为一种致癌物质在国内外均已禁用。有机纤维耐热性差， 易老化或碳化，容易引起制品产生裂纹，强度降低。水镁石纤维和玻璃纤维的比重较大， 使用中易增加制品容重，影响其保温、隔热性能。碳纤维是制备高性能复合材料的一种重要增强纤维，除了具有高强度、高模量的特 点外，还具有密度低、耐高温、化学性能稳定、热膨胀系数低等一系列优异的性能。因 此，碳纤维在硅酸钙保温隔热材料中具有巨大的应用潜力；但是，在检索的专利文献中， 目前国内外还没有关于碳纤维在硅酸钙保温隔热材料中应用的报道。 发明内容针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料 及其制备方法。本发明的保温隔热材料以碳纤维作为增强纤维，具有耐热性好、强度高、 密度低的特点。本发明所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料，由钙质原料、硅质原料和碳纤维制成； 其特征在于所述碳纤维与硅酸钙的重量百分比例为0. 1% 7%;其中所述硅酸l丐由转质原料与硅质原料以CaO和Si02为指标按摩尔比为0. 95 1 : 1配合制得。上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料中所述碳纤维是以聚丙烯腈纤维为前驱体，经200 300。C空气中预氧化40 90min、 350 1400。C高纯氮气中碳化4 20min后获得 的碳纤维，其含碳量不低于92%,密度为1.6 1.9g/cm3，抗拉强度不低于2. 5GPa，碳纤维单丝直径为5 7um，短切碳纤维的长度不超过20mm。
其中优选的预氧化条件是230 270。C空气中预氧化50 60min;优选的碳化条 件是350 600°C高纯氮气中低温碳化4 10min， 1000 1300°C高纯氮气中高温碳化2 8min。
上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料中所述钙质原料是粒径为60 200目的生石 灰粉、消石灰粉或电石渣，钙质原料中以重量百分比计CaO〉5W、 K20+Na20〈l%。
上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料中所述硅质原料是粒径为60 200目的硅灰 或石英粉，硅质原料中以重量百分比计Si02〉95W、 K20+Na20<l%。
本发明所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法，步骤是-
(1) 以CaO和Si02为指标按摩尔比0.95 1 : 1的比例将钙质原料、硅质原料混 合，同时按水与固相的重量比为10 30 : 1的比例向混合料中加入水，采用动态水热法 合成硅酸钙活性料浆，条件是以l 2。C/min的速度升温至180 23(TC，保持蒸汽压 力1 2MPa，恒温恒压反应4 12小时，冷却后得硅酸钙活性料浆；
(2) 以液相氧化法、电解氧化法或气相氧化法对权利要求2所述碳纤维进行表面 处理，同时采用X射线光电子能谱进行检测，使其01s/Cls值控制在0. 01 0. 1范围内；
(3) 将表面处理后碳纤维短切成1 20腿，然后加入浸没量的浓度为40 80%的 分散剂水溶液，充分搅拌，使碳纤维单丝在溶剂中呈均匀分散状态；
(4) 然后将步骤(3)所述分散后的碳纤维以碳纤维与硅酸钙的重量百分比为 0. 1% 7%的量加入步骤(1)所述硅酸钙活性料浆中，充分搅拌后注入设定的模具，脱 水成型、烘干，得碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料或制品。
上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法中步骤(1)所述钙质原料是粒 径为60 200目的生石灰粉、消石灰粉或电石渣，f丐质原料中以重量百分比计CaO〉5W、 K20+Na20<l%;所述硅质原料是粒径为60 200目的硅灰或石英粉，硅质原料中以重量 百分比计Si02〉95W、 K20+Na20<l%。
上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法中步骤(2)所述碳纤维表面处 理优选采用电解氧化法。
上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法中步骤(3)所述分散剂水溶液
是指丙三醇水溶液、甲基纤维素水溶液、羧甲基纤维素钠水溶液中的至少一种；优选丙
三醇水溶液。
上述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法中步骤(4)所述碳纤维与硅酸
钙的重量百分比优选为2% 6%。
本发明以短切碳纤维做增强纤维，且有效解决了短切碳纤维单丝在料浆中均匀分散 的问题。应用本发明方法制得的碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料，短切碳纤维单丝在硅
酸钙基体中分散均匀，与基体结合好；其制品的力学性能显著提高，^C弯强度可以达到
8 13MPa，同时还具有优异的耐高温、隔热和耐热冲击性能，在防火建筑材料、耐热密
封材料以及金属铸造模具等领域具有广泛的应用前景。
具体实施例方式
实施例1:
按CaO和SiO2摩尔比0.96: 1的比例将消石灰粉与石英粉混合，在混合料中加入一定量的水，水与固相的重量比为18:1;将混合料加入反应釜中，以1.5。C/min的速度升 温至20(TC，保持蒸汽压力lMPa，恒温恒压反应5小时，合成活性料浆。
将1K聚丙烯腈原丝在240 270'C空气中预氧化50rain、 350 600。C高纯氮气中低 温碳化7min、 1000 1300'C高纯氮气中高温碳化5min后获得碳纤维，在硫酸铵溶液中 进行电解氧化处理；将表面处理后的碳纤维短切成8mm，取2% (与活性料桨中硅酸钙的 重量百分比)短切碳纤维在浸没量的50%浓度的丙三醇水溶液中均匀分散后加入到硅酸 钙活性料浆中，充分搅拌，在设定模具中吸滤成型、烘千，获得碳纤维增强硅酸钙保温 隔热材料或制品。
实施例2:
按CaO和SiO2摩尔比0.96: 1的比例将生石灰粉与石英粉混合，在混合料中加入一 定量的水，水与固相的重量比为18:1;将混合料加入反应釜中，以1. 5。C/min的速度升 温至200'C，保持蒸汽压力lMPa，恒温恒压反应8小时，合成活性料浆。
将1K聚丙烯腈原丝在220 25(TC空气中预氧化80min、 350 600。C高纯氮气中低 温碳化8min、 1000 120(TC高纯氮气中高温拔化7min后获得碳纤维，在硫酸铵溶液中 进行电解氧化处理，将表面处理后的碳纤维短切成3mm，取6%(与活性料浆中硅酸钙的 重量百分比)短切碳纤维在浸没量的70%浓度的丙三醇、甲基纤维素混合水溶液(体积比 1 : 1)中均匀分散后加入到硅酸钙活性料浆中，充分搅拌，在设定模具中吸滤成型、烘 干，获得碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料或制品。
实施例3:
按CaO和SiO2摩尔比0.98: 1的比例将电石渣与石英粉混合，在混合料中加入一定 量的水，水与固相的重量比为20:1;将混合料加入反应釜中，以1. 5'C/min的速度升温 至20(TC，保持蒸汽压力lMPa，恒温恒压反应10小时，合成活性料浆。
将1K聚丙烯腈原丝在210 280。C空气中预氧化60min、 350 600。C高纯氮气中低 温碳化5min、 1100 130(TC高纯氮气中高温碳化5min后获得碳纤维，在稀硝酸溶液中 进行电解氧化处理，将表面处理后的碳纤维短切成15min，取1%(与活性料浆中硅酸转 的重量百分比)短切碳纤维在浸没量的40%浓度的羧甲基纤维素钠7乂溶液中均匀分散后 加入到硅酸钙活性料桨中，充分搅拌，在设定模具中吸滤成型、烘干，获得碳纤维增强 硅酸钙保温隔热材料或制品。
实施例4:
(1) 以CaO和Si02为指标按摩尔比l : 1的比例将消石灰粉、硅灰棍合，同时按水 与固相的重量比为20 : 1的比例向混合料中加入水，采用动态水热法合成硅酸钙活性料 浆，条件是以2。C/min的速度升温至220。C,保持蒸汽压力1.5MPa，恒温恒压反应9 小时，冷却后得硅酸钙活性料浆；
(2) 将lK聚丙烯腈原丝在250 270。C空气中预氧化40min、 350 60(TC高纯氮气 中低温碳化8min、 1000 110(TC高纯氮气中高温碳化9min后获得碳纤维，以液相氧化 法对所述碳纤维进行表面处理，同时采用X射线光电子能谱进行检测，使其01s/Cls值 控制在0. 05 0. 07范围内；
(3) 将表面处理后碳纤维短切成8 10mm，然后加入浸没量的浓度为60%的甲基纤 维素水溶液，充分搅拌，使碳纤维单丝在溶剂中呈均匀分散状态；(4)然后将步骤(3)所述分散后的碳纤维以碳纤维与硅酸钙的重量百分比为4% 的量加入步骤(1)所述硅酸钙活性料浆中，充分搅拌后注入设定的模具，脱水成型、 烘干，得碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料或制品。
权利要求
1.一种碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料，由钙质原料、硅质原料和碳纤维制成；其特征在于所述碳纤维与硅酸钙的重量百分比例为0.1％～7％；其中所述硅酸钙由钙质原料与硅质原料以CaO和SiO2为指标按摩尔比为0.95～1∶1配合制得。
2. 根据权利要求1所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料，其特征在于所述碳纤维是 以聚丙烯腈纤维为前驱体，经200 300。C空气中预氧化40 90min、 350 1400'C高纯 氮气中碳化4 20min后获得的碳纤维，其含碳量不低于92%，密度为1.6 1.9g/cm3， 抗拉强度不低于2.5GPa，碳纤维单丝直径为5 7拜，短切碳纤维的长度不超过20mm。
3. 根据权利要求1所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料，其特征在于所述钙质原料 是粒径为60 200目的生石灰粉、消石灰粉或电石渣，钙质原料中以重量百分比计 CaO>5%、 K20+Na20<l%。
4. 根据权利要求1所述碳纤维增强硅酸钙一保温隔热材料，其特征在于所述硅质原料是粒径为60 200目的硅灰或石英粉，硅质原料中以重量百分比计Si02>95%、 K20 + Na20<l%。
5. 权利要求1所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法，步骤是-(1) 以CaO和SiO2为指标按摩尔比0.95 1 : 1的比例将钙质原料、硅质原料混合，同时按水与固相的重量比为io 30 : i的比例向混合料中加入水，采用动态水热法合成硅酸钙活性料浆，条件是以1 2tVmin的速度升温至180 230°C，保持蒸汽压 力1 2MPa，恒温恒压反应4 12小时，冷却后得硅酸鈣活性料浆；(2) 以液相氧化法、电解氧化法或气相氧化法对权利要求2所述碳纤维进行表面 处理，同时采用X射线光电子能谱进行检测，使其Ols/Cls值控制在0.01 0.1范围内；(3) 将表面处理后碳纤维短切成1 20mm，然后加入浸没量的浓度为40 80% 的分散剂水溶液，充分搅拌，使碳纤维单丝在溶剂中呈均匀分散状态；(4) 然后将步骤(3)所述分散后的碳纤维以碳纤维与硅酸钙的重量百分比为 0.1% 7%的量加入步骤(1)所述硅酸钙活性料浆中，充分搅拌后注入设定的模具，脱 水成型、烘干，得碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料或制品。
6. 根据权利要求5所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法，其特征在于步 骤(1)所述钙质原料是粒径为60 200目的生石灰粉、消石灰粉或电石渣，钙质原料 中以重量百分比计Ca05。/。、 K20+Na20<l%;所述硅质原料是粒径为60 200目的硅 灰或石英粉，硅质原料中以重量百分比计Si02〉95。/。、 K20+Na20<l%。
7. 根据权利要求5所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法，其特征在于步 骤(2)所述碳纤维表面处理采用电解氧化法。
8. 根据权利要求5所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法，其特征在于步 骤(3)所述分散剂水溶液是指丙三醇水溶液、甲基纤维素水溶液、羧甲基纤维素钠水 溶液中的至少一种。
9. 根据权利要求5所述碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料的制备方法，其特征在于步 骤(4)所述碳纤维与硅酸钙的重量百分比为2% 6%。
全文摘要
本发明公开了一种碳纤维增强硅酸钙保温隔热材料，由钙质原料、硅质原料和碳纤维制成；其中所述碳纤维与硅酸钙的重量百分比例为0.1％～7％；所述硅酸钙由钙质原料与硅质原料以CaO和SiO<sub>2</sub>为指标按摩尔比为0.95～1∶1配合制得。本发明以短切碳纤维做增强纤维，且有效解决了短切碳纤维单丝在料浆中均匀分散的问题，制得的保温隔热材料具有优异的耐高温、隔热和耐热冲击性能，在防火建筑材料、耐热密封材料以及金属铸造模具等领域具有广泛的应用前景。
文档编号C04B28/00GK101219879SQ20081001404
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者于美杰, 波 朱, 王成国, 婕 马 申请人:山东大学