一种陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过陶瓷纤维与铝酸钙水泥复合凝固成型然后高温烧结制备高强度、高耐热性绝缘保温板的方法。取超细铝酸钙水泥，加水、再加碳粉或可以热解生成碳粉的前驱体，并添加瓷质空心颗粒，搅拌成浆料；在模具内铺上一层长陶瓷纤维、注上一层浆料；反复铺纤维、注浆料，直到满足设计的厚度，在室温下静置一天后脱模并干燥，得到高强度的生坯，然后分三步气氛烧结：第一步在氧化气氛从室温升至270℃左右；第二步在还原气氛或惰性气氛升至升至1000℃左右，此后缓慢降到800℃左右；第三步在氧化气氛和800℃左右保温1-3h。所制备的保温板比原有技术制备的成本相近的保温板强度高、容重低、导热率低、保温性能好。
【专利说明】 一种陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及复合材料制备【技术领域】。具体地讲，涉及一种通过陶瓷纤维与铝酸钙水泥复合凝固成型然后高温烧结制备高强度、高耐热性绝缘保温板的方法。
【背景技术】
[0002]耐热绝缘保温板由于热稳定性高，导热系数低，被广泛应用于各种高温场合，包括冶金行业的带式烧结机、热处理炉、铝电解槽，陶瓷、建材制品烧成窑，以及各种石化工业加热炉等。比如某个铝业公司对于铝电解槽外壁保温板的技术要求规定:体积电阻率彡1.0\1012 0*(^，在6001:连续12011不变形、不开裂。即使采用最耐高温的有机树脂比如有机硅树脂或有机氟树脂，也远远不能满足耐高温600°C的要求。因此只能采用几乎完全由无机物构成的保温板。
[0003]申请号为201010150495.8的专利文件提出，将淤泥、矿渣、膨胀组分破碎混合球磨，然后将氧化铝短纤维加入混合物中继续搅拌，喷雾造粒，将陈腐过的泥料装入模具中烧制，生成含均匀封闭微孔的轻质纤维增强陶瓷保温材料。此类方法只能使用短纤维，因此所制备的保温板抗拉强度很低。
[0004]申请号为201310201984.5的中国专利申请提出了纤维增强硅酸钙基质保温板的加工方法，将石英粉、石灰、增强纤维、无机填充材料加水搅拌调制成浆料，浆料倾入磨具中，在压力下辊压整平，排除水分后置于压力容器中，在饱和蒸汽压，120-200°C下养护5-15小时后起模。此类材料内部主要以水合硅酸钙为结合剂，在高温下水合硅酸钙脱去水分子，材料内部结构被破坏，所以此类材料难以满足耐高温600°C的要求。
[0005]申请号为201310343119.4的中国专利申请提出了玻璃纤维增强水玻璃基二氧化硅复合气凝胶保温材料的制备方法:将甲基氧基硅烷与水玻璃溶液和水混合，使甲基氧基硅烷水解于水中得溶液A，再加入强酸性苯乙烯树脂进行离子交换，然后抽滤得pH=2-3的溶液，将热处理后的玻璃纤维加入抽滤得到的溶液，再加入氨水调节PH值为8-8.5，得纤维复合的二氧化硅溶胶，再转移到容器中静置，即得复合的二氧化硅水凝胶，然后浸没于无水乙醇溶液中进行凝胶的老化和醇化，再将醇化后所得的湿凝胶浸没在三甲基氯硅烷、无水乙醇和正己烷的混合溶液中，进行表面改性。显然，该制备方法的原料成本及工艺成本都很闻。
【发明内容】
[0006]针对现有高强度、高耐热性绝缘保温板制备技术的不足，本发明提出如下解决方案:以铝酸钙为基质、用陶瓷长纤维进行增强，添加碳粉或可以在非氧化气氛下热解生成碳粉的前驱体作为造孔剂，并添加瓷质空心颗粒。制备方法为:先对铝酸钙水泥进行超细加工，再加水、加碳粉或可以在非氧化气氛下热解生成碳粉的前驱体，并添加瓷质空心颗粒，搅拌成浆料；在模具内铺上一层长陶瓷纤维、注上一层浆料；反复铺纤维、注浆料，直到满足设计的厚度，在室温下静置等待铝酸钙水泥完成水化胶凝固化反应；然后脱模并干燥，得到高强度的生坯，最后于高温炉内分三步气氛烧结:第一步在氧化气氛把坯体内的夹带水、吸附水彻底排除，第二步在还原气氛或惰性气氛下使水合铝酸钙变为无水铝酸钙并逐步烧结，同时有机前驱体变为碳，第三步在氧化气氛下将碳氧化挥发，从而制得高强度、高耐热性绝缘保温板。
【具体实施方式】
[0007]先用超细加工机械比如球磨机或气流粉碎机等，对铝酸钙水泥进行超细加工，制成中位粒径0.4-1.8 μ m的超细铝酸钙水泥，再加水、加碳粉或可以在非氧化气氛下热解生成碳粉的前驱体，并添加瓷质空心颗粒，室温下搅拌成浆料；每加入10g铝酸钙水泥对应加入80-270g水、10-90g碳粉或前驱体、1-1OOg瓷质空心颗粒、70_200g陶瓷纤维；在模具内铺上一层长陶瓷纤维、注上一层浆料；反复铺纤维、注浆料，直到满足设计的厚度，在室温下静置等待铝酸钙水泥完成水化胶凝固化反应；室温I天后脱模，再室温养护2天，然后进行三步气氛烧结:第一步在氧化气氛下从室温用2-12h升至270°C左右；第二步在还原气氛或惰性气氛下用3-17h升至600°C左右，再用2-12h升至1000°C左右，此后用l_2h从1000°C左右降低到800°C左右，此期间水合铝酸钙变为无水铝酸钙并逐步提高烧结程度，同时有机前驱体变为碳；第三步在氧化气氛和800°C左右保温l_3h，随炉降至低于200°C左右取出样品。
[0008]所述的碳粉，包括煤粉、焦炭粉、活性炭粉、炭黑。碳粉的粒径最好不大于60 μ m。
[0009]所述的可热解生成碳粉的前驱体包括:秸杆粉、木粉、菌糠、淀粉、糠醛渣、废塑料粉、废橡胶粉、浙青粉；前驱体粉料的粒径最好不大于120μπι。
[0010]所述的长陶瓷纤维包括:氧化铝长纤维、氧化铝-氧化锆复合长纤维、莫来石长纤维、硅酸铝长纤维、玄武岩长纤维，纤维长度不小于50mm;若采用陶瓷纤维布，则成型过程中更容易向模具内铺放。
[0011]所述的瓷质空心颗粒包括:氧化铝空心球、微晶玻璃空心球、粉煤灰漂珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石；其粒径应不大于2_。
[0012]下面对本发明的实施方式进行举例说明:
实施例1
取中位粒径1.5 μ m的超细铝酸钙水泥1kg，加1.2kg水、0.3kg过300目标准筛(粒径不大于45μπι)的煤粉，并添加0.5kg膨胀蛭石，室温下搅拌成浆料；取氧化铝纤维布裁剪成每片200mmX200mm，每片的质量为9.7g左右；向内腔尺寸为200mmX200mmX70mm的模具内铺上一片氧化铝纤维布、注130g浆料并用油漆刷把浆料摊平；反复铺纤维布、注浆料，直到总厚度为10_，共注浆12次，铺13层纤维布。在室温下静置等待铝酸钙水泥完成水化胶凝固化反应；室温I天后脱模，再室温养护2天，在可控气氛电阻炉中采用三步气氛烧结--第一步在空气气氛(氧化气氛)下从室温用8h升至270°C ;第二步在氮气气氛下用1h升至600°C，此后用6h升至1000°C，再用Ih降至800°C ;第三步在空气气氛和800°C下保温3h，随炉降至低于200°C取出样品。
[0013]以上所制备的保温板抗拉强度为143MPa，体积电阻率1.36 X 112 Ω -cm，容重(表观密度)为0.52g/cm3，导热系数为0.09 Iff-1H^1-0C '
[0014]对比例I 按实施例1的配料、成型方法制备生坯，放入可控气氛的高温电炉内，采用与实施例1相同的升温控温程序，只是其间一直采取空气气氛，所制备的保温板抗拉强度为107MPa，体积电阻率 1.15Χ1012Ω.cm，容重为 0.88g/cm3，导热系数为 0.134W.Hr1.°C'
[0015]由此可见，对于本发明的配料与成型工艺，不采用三步气氛烧结法就不能制备成导热系数低于0.1Wm-1-0C 1的保温板。
[0016]实施例2
取中位粒径1.16 μ m的超细铝酸钙水泥1kg，加1.8kg水、0.3kg过200目标准筛(粒径不大于75 μ m)的菌糠作为热解成碳前驱体，并添加0.5kg粉煤灰漂珠，室温下搅拌成浆料；取玄武岩纤维布裁剪成每片200mmX200mm，每片的质量为8.2g左右；向内腔尺寸为200mmX200mmX70mm的模具内铺上一片玄武岩纤维布、注IlOg浆料并用油漆刷把浆料摊平；反复铺纤维布、注浆料，直到总厚度为10mm，共注浆15次，铺16层纤维布。在室温下静置I天后脱模，再室温养护2天，然后在以天然气为燃料的梭式窑中采用三步气氛烧结:第一步控制空气过剩系数为1.12 (氧化气氛)从室温用5h升至270°C ;第二步控制空气过剩系数为0.97 (弱还原气氛)用1h升至630°C，此后用6h升至1000°C，再用1.5h降至800°C ；第三步控制空气过剩系数为1.11 (弱氧化气氛)、800°C下保温3h，随炉降至低于200°C取出样品。
[0017]以上所制备的保温板抗拉强度为106MPa，体积电阻率1.09 X 112 Ω -cm，容重(表观密度)为0.56g/cm3，导热系数为0.095ff*m^*°C '
[0018]实施例3
取中位粒径1.32 μ m的超细铝酸钙水泥lkg，加1.6kg水、0.37kg过200目标准筛(粒径不大于75 μ m)的糠醛渣作为热解成碳前驱体，并添加0.43kg膨胀珍珠岩，室温下搅拌成楽■料；取莫来石纤维布裁剪成每片200mmX200mm ；向内腔尺寸为200mmX200mmX70mm的模具内铺上一片莫来石纤维布、注120g浆料并用油漆刷把浆料摊平；反复铺纤维布、注浆料，直到总厚度为10mm，共注浆15次，铺16层纤维布。在室温下静置I天后脱模，再室温养护2天，然后在以天然气为燃料的梭式窑中采用三步气氛烧结:第一步控制空气过剩系数为1.13 (氧化气氛)从室温用12h升至270°C ;第二步控制空气过剩系数为0.98 (弱还原气氛)用8h升至630°C，此后用5h升至1000°C，再用2h降至800°C ;第三步控制空气过剩系数为1.12 (弱氧化气氛)、800°C下保温3h，随炉降至低于200°C取出样品。
[0019]以上所制备的保温板抗拉强度为115MPa，体积电阻率1.26X 112Q-Cm，容重(表观密度)为0.59g/cm3，导热系数为0.097ff*m^*°C '
[0020]上述实施例所制备的保温板，其每千克制品的成本为10 Y左右，比原有技术制备的成本相近的保温板强度高、容重低、导热率低、保温性能好。这些实施例用于对权利要求的解释，但并非用于对权利要求的限定，本发明的保护范围应当以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法，其特征在于:取中位粒径在0.4-1.8 μ m的超细铝酸钙水泥，加水，再加碳粉或可以热解生成碳粉的前驱体，并添加瓷质空心颗粒，室温下搅拌成浆料；每加入10g铝酸钙水泥对应加入80-270g水、10-90g碳粉或前驱体、1-1OOg瓷质空心颗粒、20-100g陶瓷纤维；在模具内铺上一层长陶瓷纤维、注上一层浆料；反复铺纤维、注浆料，直到满足设计的厚度，在室温下静置I天后脱模，再室温养护2天，然后进行三步气氛烧结:第一步在氧化气氛下从室温用2-12h升至270°C左右；第二步在还原气氛或惰性气氛下用3-17h升至600°C左右，再用2-12h升至1000°C左右，此后用l-2h从1000°C左右降低到800°C左右，此期间水合铝酸钙变为无水铝酸钙并逐步提高烧结程度，同时有机前驱体变为碳；第三步在氧化气氛和800°C左右保温l_3h，随炉降至200°C左右取出样品。
2.根据权利要求1所述陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法，其特征在于:所述的碳粉，包括煤粉、焦炭粉、活性炭粉、炭黑；其粒径最好不大于60 μ m。
3.根据权利要求1所述陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法，其特征在于:所述的可热解生成碳粉的前驱体包括:秸杆粉、木粉、菌糠、淀粉、糠醛渣、废塑料粉、废橡胶粉、浙青粉；前驱体粉料的粒径最好不大于120 μ m。
4.根据权利要求1所述陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法，其特征在于:所述的长陶瓷纤维包括:氧化铝长纤维及其纤维布、氧化铝-氧化锆复合长纤维及其纤维布、莫来石长纤维及其纤维布、硅酸铝长纤维及其纤维布、玄武岩长纤维及其纤维布，纤维长度不小于50mm ο
5.根据权利要求1所述陶瓷纤维增强耐热绝缘保温板的制备方法，其特征在于:所述的瓷质空心颗粒包括:氧化铝空心球、微晶玻璃空心球、粉煤灰漂珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石；其粒径应不大于2_。
【文档编号】C04B14/38GK104291759SQ201410496821
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】丁锐, 刘俊成, 李呈顺, 贾彩云, 傅超, 张呈贺 申请人:山东理工大学