专利名称：一种氧化锆陶瓷纤维板的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种以氧化锆纤维为基础的耐火保温纤维板的制备方法，属于无机耐 火材料领域。
背景技术：
随着我国工业的发展，能量消耗总量越来越高。选择和应用技术性能优良的绝热 保温材料，可以降低窑炉辐射热损失、提高窑炉热效率，是实现工业热工设备优质高 产、低消耗和节能减排最有效的技术手段。目前莫来石纤维和氧化铝纤维等保温性能 良好的材料已经在我国的冶金、电力、建材、石油化工等行业得到大规模的推广应用， 并取得了良好的效果。但是莫来石晶体纤维和氧化铝晶体纤维的最高使用温度只有 1400'C和1600°C。目前在1700。C以上的高温环境中，普遍使用氧化锆空心球砖作为耐
热保温材料，但是与氧化锆晶体纤维相比，空心球砖导热系数大，热容高，保温效果 差。而氧化锆(Zr02)纤维是一种能够满足1600'C以上超高温氧化气氛下长期使用的 多晶质氧化物耐火纤维材料，具有比国内市场上现有的耐火纤维品种更高的使用温度 和更好的隔热性能，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无 污染。Zr02有单斜、四方和立方三种晶相。通过向Zr02中掺加稳定剂Y203，可将四 方或立方相Zr02稳定下来，避免了 Zr02纤维在升降温过程中发生相变。然而，由于 氧化锆纤维本身制备技术的困难，使得氧化锆纤维板的制备方法存在很大的空白。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，制 备的纤维板成分均匀单一，耐高温，可在170(TC 216(TC的环境下长时间使用。 本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，包括以下步骤
(一) 切丝将氧化锆纤维短切至lmm-3mm。
(二) 制浆将短切好的纤维与全稳定氧化锆细粉按质量比1: 0 0.5比例置于料
浆池中，然后加入质量分数为0.1-1%的有机结合剂溶液，配制成氧化锆纤维浆体并搅
拌，搅拌时间不低于3分钟；搅拌方式可以使用机械式搅拌，也可以使用气体搅拌。
浆体的均匀性是影响纤维板质量的一个重要因素。纤维板的容重可以通过氧化锆细粉的添加比例来控制，随着氧化锆细粉添加比例的增大，纤维板的容重增加，强度增大， 但保温效果降低。无氧化锆细粉的纤维板，容重最小，保温效果最佳。
所述的氧化锆细粉为摩尔分数大于8%-15%的钇盐稳定的氧化锆，常温下为立方晶 相。所述的钇盐为硝酸钇、乙酰丙酮钇、异丙醇钇和氯化钇中的一种或一种以上。
所述的有机结合剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺或两者的混合物。
为防止其他晶相纤维在高温下产生相变，并伴有体积效应，导致纤维板粉化，无 强度，所述的氧化锆纤维为全稳定立方相纤维。 所述的氧化锆纤维采用以下步骤制备
(1) 按照氧氯化锆乙醇400g:800 1000ml的比例将氧氯化锆溶于乙醇中，按照 摩尔比为氧氯化锆乙酰丙酮三乙胺=1:1.8 2.0:2.5的比例量取乙酰丙酮和三乙胺， 共同溶于与溶解氧氯化锆的乙醇等量的另一份乙醇中，在0。C 50。C和搅拌条件下，将 乙酰丙酮和三乙胺的乙醇稀释液雾化加入到氧氯化锆乙醇稀释液中，加完后继续搅拌 得到金黄色透明反应液；
(2) 蒸干乙醇，以丙酮为溶剂溶解可溶物，过滤除去不溶物盐酸三乙胺，回收丙酮， 得含锆有机聚合物；
(3) 按照反应物氧氯化锆乙醇400g:10 50ml的比例，将产物含锆有机聚合物溶 入乙醇中，并按照摩尔比为氧化锆氧化钇=80% 91%:20% 9%的比例，掺入钇盐， 密封静置，得到纺丝液；
(4) 采用离心盘甩丝法获得含锆有机聚合物纤维，在特殊气氛下，进行热处理，获 得立方相氧化锆晶体纤维；所述特殊气氛是有机蒸汽、氮气、水蒸汽或它们的混合气 体气氛，有机蒸汽是含锆有机聚合物溶液加热产生的蒸汽。
为提高纤维的抗高温能力，所述的立方相氧化锆晶体纤维可进行超高温处理。 所述的超高温处理步骤为使用为直径8-12厘米的烧嘴产生的气体火焰对热处理 后的纤维喷吹，火焰温度1800°C-2200°C，喷吹时间为5min-lh，气体火焰为氢气、乙 炔、丙垸、天然气、煤气和瓦斯气火焰中的一种或一种以上。所述的高温炉为空气气 氛电炉、氮氢气氛电炉、真空试验电炉和工业燃气炉中的一种。
(三) 吸滤成型将模具置于料浆池中，打开真空泵，通过真空吸滤，获得成型的 纤维板湿坯。
(四) 干燥将纤维板湿坯在50-12(TC范围内进行干燥，时间为20-30小时；干燥
时要定期对纤维板进行翻动，防止出现局部干燥速度过快，导致纤维板变形的现象。
(五) 高温烧结将干燥好的纤维板，放置于高温炉中烧结，烧结温度为160CTC -1750°C，时间5-8小时，得到氧化锆纤维板。高温烧结时，纤维板要平放至承烧板上，
5防止在烧结过程中，纤维板因为自身的重力而发生变形。 本发明与现有技术相比具有以下有益效果
(1) 本发明制备的纤维板为全稳定立方相氧化锆纤维板，可以在1700。C-216(TC范 围内长时间使用，填补了此温度范围没有保温纤维板的空白。
(2) 采用吸滤成型方法，所制备的纤维板纤维分布均匀有序，高温使用时平行于暴 露面方向线收縮小，有利于提高炉体长期高温使用寿命。
(3) 本发明所制备的纤维板，成分单一无杂质，是一种纯净的高温耐火保温材料， 不但能在1700'C 216(TC高温的环境中长期使用，还能满足晶体生长时苛刻的气氛要 求。
(4) 制备工艺简单，无需预先制备无机锆胶粘结剂。
图1为本发明的氧化锆陶瓷纤维板的数码照片。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法为采用以下步骤 (1)制备全稳定立方相氧化锆纤维
A称取氧氯化锆(ZrOC1^8H20) 100g，溶于800ml乙醇中，按照摩尔比为氧氯化锆 乙酰丙酮三乙胺=1:1.8:2.5的比例，量取60ml乙酰丙酮和110ml三乙胺，共同溶于 800毫升乙醇中，在5'C和搅拌条件下，将乙酰丙酮和三乙胺的乙醇稀释液雾化加入到 氧氯化锆乙醇稀释液中，加完后继续搅拌3小时，得到金黄色透明反应液，4(TC旋转 蒸发除去溶剂乙醇，直至近干，获得淡黄色的粘结物，按照氧氯化锆丙酮400g:500ml 的比例加入500ml丙酮，搅拌使可溶物溶解，压滤除去不溶的盐酸三乙胺白色沉淀， 获得金黄色透明滤液，5(TC旋转蒸发除去溶剂丙酮，直至获得干结的淡黄色固形物70g， 即为产物含锆有机聚合物；
B按照反应物氧氯化锆:乙醇^00g:20ml的比例，将所得产物含锆有机聚合物70g 溶入20ml乙醇中，并按照摩尔比相当于氧化锆:氧化钇=90%:10%的比例，掺入22.3g 硝酸钇(Y(N03)3.6H20)，密封静置得到金黄色均匀透明的纺丝液；
C采用离心盘甩丝法纺丝，在温度为l(TC，相对湿度为20%，离心机转速为 15000r/min，甩丝盘边缘线速度为30m/s的条件下，将纺丝液高速甩出，获得无序堆积 的含锆有机聚合物纤维；
D将含锆有机聚合物纤维置于气氛程控炉内，在有机蒸汽气氛下，以rC/min的 升温速度，在室温 1200°C的温度范围内进行热处理，获得全稳定立方相氧化锆品体E使用直径为12厘米的烧嘴产生的乙炔气体火焰对热处理后的纤维喷吹，火焰温 度1800。C，喷吹时间5min，可获得纯净的、晶粒发育充分的全稳定立方相氧化锆晶体 纤维，直径8-15微米，长度l-50厘米。
(2)将全稳定立方相氧化锆纤维100克，使用切丝机短切至3-5mm，置于料浆池 中，再加入质量分数为0.1%的聚乙烯醇溶液；在料浆池中搅拌3分钟，将模具置于料 浆池中，打开真空泵，使用真空吸滤成型，将纤维板湿坯在100'C的温度下干燥24小 时；然后置于空气气氛电炉中，在165(TC烧结5小时。所得氧化锆纤维板性能如下 容重250 kg/m3，长期使温度为2100°C，热导率为0.18W/mK，收縮率在165(T024h 条件下为0.9%， 2100'Cxl h条件下为2%。 实施例2
同实施例1所述，不同之处在于将全稳定立方相氧化锆纤维100克，使用切丝机 短切至lmm，然后置于料桨池，加入20克常温下为立方晶相的氧化锆细粉，氧化锆 掺入摩尔分数为9%的硝酸钇稳定，所制含Zr02纤维板性能如下容重300kg/m3，热 导率为0.25W/mK，收縮率在165(TCx24h条件下为0.7%， 2100°01 h条件下为1.5%。 实施例3
同实施例i所述，不同之处在于将全稳定立方相氧化锆纤维ioo克，使用切丝机
短切至2mm，然后置于料桨池，加入50克掺入摩尔分数为10%的乙酰丙酮钇稳定的 常温下为立方晶相的氧化锆细粉。所制含Zr02纤维板性能如下容重400 kg/m3，热 导率为0.28W/mK，收縮率在1650。Cx24h条件下为0.65%， 2100°Cxlh条件下为1.4%。 实施例4
同实施例1所述，不同之处在于在175(TC烧结5小时。所制含Zr02纤维板性能如 下容重250kg/m3，长期使温度为2100°C，热导率为0.18W/mK，收縮率在1650'O24h 条件下为0.5%， 2100°Cxl h条件下为1.8%。 实施例5
同实施例2所述，不同之处在于加入质量分数分别为1%和0.1%的聚乙烯醇和聚 丙烯酰胺溶液中，并在真空试验电炉中170(TC烧结6小时。所制含Zr02纤维板性能如 下容重400 kg/m3，热导率为0.28W/mK，收縮率在165(TCx24h条件下为0.3%， 2100°Cxl h条件下为1.2%。 实施例6
同实施例2所述，不同之处在于加入质量分数为0.8%的聚丙烯酰胺溶液中，并在 工业燃气炉中1600'C烧结8小时。所制含Zr02纤维板性能如下容重400 kg/m3，热
7导率为0.28W/mK，收縮率在1650。Cx24h条件下为0.3%， 2100°C><1 h条件下为1.2%。 实施例7
同实施例2所述，不同之处在于加入质量分数分别为0.4%和0.6%的聚乙烯醇和聚 丙烯酰胺溶液中，并在氮氢气氛电炉中1750。C烧结5小时。所制含Zr02纤维板性能如 下容重400 kg/m3，热导率为0.28W/mK，收縮率在1650T>24h条件下为0.3%， 210(TCxl h条件下为1.2%。 实施例8
同实施例2所述，不同之处在于加入10克掺入摩尔分数为10%的乙酰丙酮钇、硝 酸钇和异丙醇钇稳定的氧化锆细粉；将纤维板湿坯在5(TC的温度下干燥20小时。所制 含Zr02纤维板性能如下容重400kg/m3，热导率为0.28W/mK，收縮率在1650°O24h 条件下为0.65%， 2100'Cxl h条件下为1.4%。 实施例9
同实施例2所述，不同之处在于加入30克掺入摩尔分数为9%的氯化钇稳定的氧 化锆细粉；将纤维板湿坯在8(TC的温度下干燥30小时。所制含Zr02纤维板性能如下 容重400 kg/m3，热导率为0.28W/mK，收縮率在1650°C><24h条件下为0.65%, 2100'Cxl h条件下为1.4%。 实施例10
同实施例3所述，不同之处在于将纤维板湿坯在12(TC的温度下干燥25小时。
8
权利要求
1. 一种氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)切丝将氧化锆纤维短切至1mm-3mm；(2)制浆将短切好的纤维与全稳定氧化锆细粉按质量比10～0.5比例置于料浆池中，然后加入质量分数为0.1-1％的有机结合剂溶液，配制成氧化锆纤维浆体并搅拌，搅拌时间不低于3分钟；(3)吸滤成型将模具置于料浆池中，打开真空泵，通过真空吸滤，获得成型的纤维板湿坯；(4)干燥将纤维板湿坯在50-120℃范围内进行干燥，时间为20-30小时；(5)高温烧结将干燥好的纤维板，放置于高温炉中烧结，烧结温度为1600℃-1750℃，时间5-8小时，得到氧化锆纤维板。
2. 根据权利要求l所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的氧化锆 纤维为全稳定立方相纤维，直径为8-15微米。
3. 根据权利要求2所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的氧化锆纤维采用以下步骤制备(1) 按照氧氯化锆乙醇400g:800 1000ml的比例将氧氯化锆溶于乙醇中，按照摩尔 比为氧氯化锆乙酰丙酮三乙胺=1:1.8 2.0:2.5的比例量取乙酰丙酮和三乙胺，共同 溶于与溶解氧氯化锆的乙醇等量的另一份乙醇中，在0'C 50'C和搅拌条件下，将乙酰 丙酮和三乙胺的乙醇稀释液雾化加入到氧氯化锆乙醇稀释液中，加完后继续搅拌得到 金黄色透明反应液；(2) 蒸干乙醇，以丙酮为溶剂溶解可溶物，过滤除去不溶物盐酸三乙胺，回收丙酮，得 含锆有机聚合物；(3) 按照反应物氧氯化锆乙醇400g:10 50ml的比例，将产物含锆有机聚合物溶入 乙醇中，并按照摩尔比为氧化锆氧化钇=80% 91%:20% 9%的比例，掺入钇盐，密 封静置，得到纺丝液；(4) 采用离心盘甩丝法获得含锆有机聚合物纤维，在特殊气氛下，进行热处理，获得立 方相氧化锆晶体纤维；所述特殊气氛是有机蒸汽、氮气、水蒸汽或它们的混合气体气 氛，有机蒸汽是含锆有机聚合物溶液加热产生的蒸汽。
4. 根据权利要求2所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的氧化锆 纤维经过超高温处理。
5. 根据权利要求4所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的超高温处理步骤为使用直径为8-12厘米的烧嘴产生的气体火焰对热处理后的纤维喷吹，火 焰温度1800°C-2200°C，喷吹时间为5min-lh，气体火焰为氢气、乙炔、丙垸、天然气、 煤气和瓦斯气火焰中的一种或一种以上。
6. 根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的氧化锆 细粉为摩尔分数为8%-15%的钇盐稳定的氧化锆，常温下为立方晶相。
7. 根据权利要求6所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的钇盐为 硝酸钇、乙酰丙酮钇、异丙醇钇和氯化钇中的一种或一种以上。
8. 根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的有机结合剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺或两者的混合物。
9. 根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于所述的高温炉为空气气氛电炉、氮氢气氛电炉、真空试验电炉和工业燃气炉中的一种。
全文摘要
本发明属于无机耐火材料领域，涉及一种以氧化锆纤维为基础的耐火保温纤维板的制备方法，主要步骤为以全稳定立方相氧化锆纤维为基相，以氧化锆细粉作为填料，加入有机结合剂制备浆体，再经吸滤成型、干燥、高温烧结制备氧化锆陶瓷纤维板。本发明制备工艺简单，所制备的纤维板，成分均匀单一，耐高温，可在1700℃～2160℃的环境下长时间使用。
文档编号C04B35/48GK101462876SQ20091001378
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月14日 优先权日2009年1月14日
发明者侯宪钦, 李现祥 申请人:济南大学