本发明涉及一种可弯曲的氧化锆纤维毡及其制备方法和用途。
背景技术
氧化锆纤维与其它种类的无机纤维材料如氧化锆铝纤维、莫来石纤维和硅酸铝纤维等相比，具有熔点高、热阻系数大、抗烧性良好(在大气中达2500℃仍能保持良好的纤维形态)、耐酸碱化学腐蚀、高温下蒸汽压低等特点，因此氧化锆纤维可作为超高温保温隔热填充、复合、结构增强或增韧的关键基础材料。此外可被用来制造加工成各种氧化锆纤维制品，主要包括氧化锆纤维毡、纤维毯、氧化锆纤维纸、氧化锆纤维布及刚性氧化锆纤维制品等。根据其形态和结构的不同，在不同要求的环境下被使用。由于氧化锆纤维的热膨胀系数与许多金属、合金、玻璃以及混凝土等物质相近，因而可作为金属、陶瓷、玻璃、树脂、水泥等多种基体的增强剂，在抗冲击性高温隔热复合材料等方面具有独特优势。其还可用于激光、燃料电池隔膜、卫星和航空发动机部件及高温或化学腐蚀气体的过滤或催化剂载体等方面。因其具有耐超高温、导热系数低、抗高温氧化、耐腐蚀性强等特点，被广泛使用在军工尖端科技领域和民用工业领域。
目前，国内将氧化锆纤维主要用于制备刚性氧化锆纤维制品，应用于生产制造单晶硅、多晶硅、蓝宝石等设备长晶炉上的超高温隔热层和各类超高温窑炉内壁保温隔热层，使用温度在2200℃以内。但由于刚性制品具有密度高，抗折性能差，施工局限性大等缺点，造成了很大的应用局限性。而目前市场上虽然有各类耐火纤维纸，具有优良的弯曲性能，但是均以硅酸铝纤维材质为主，其耐火温度较低，含有有机结合剂时，高温使用时还会因烧失而失去强度。而且，目前没有可弯曲性氧化锆纤维毡的制备工艺及其产品。因此，超高温保温隔热及特殊领域对于具有耐超高温可弯曲性纤维毡的需求日益迫切。
技术实现要素：
本发明为了弥补现有氧化锆纤维毡制备技术的不足，提供了一种可弯曲的超薄氧化锆纤维毡的制备方法。本发明的氧化锆纤维毡具有优良的可弯曲性能，可以制成超薄(例如2mm-5mm)的氧化锆纤维毡。
本发明提供一种氧化锆纤维毡，其特征在于采用包括以下组分的原料制得：氧化锆纤维，锆溶胶，钇溶胶和有机粘结剂。
优选地，所述锆溶胶粒径尺寸为10-30nm，其固含量(氧化锆的含量)为15％-30％；优选地，所述钇溶胶粒径尺寸为10-30nm，其固含量(氧化钇的含量)为10-15％；
优选地，所述有机粘结剂选自聚苯丙树脂、水性聚氨酯树脂和纯丙烯酸酯中的一种或多种；更优选为水性聚氨酯树脂和/或纯丙烯酸酯。
优选地，所述各原料中，氧化锆纤维为0.5-5重量份，优选为1-3重量份，锆溶胶为0.25-15重量份，优选为0.5-10重量份，钇溶胶为0.25-5重量份，优选为0.5-2.5重量份，有机粘结剂为0.25-2.5重量份，优选为0.5-1重量份。
所述氧化锆纤维毡为可弯曲的氧化锆纤维毡。
优选地，所述氧化锆纤维毡的厚度为2mm-5mm。
本发明另一方面，提供上述氧化锆纤维毡的制备方法，包括以下步骤：将上述各原料加水分散混合后得到浆液，再将所得浆液定型、干燥和高温烧结。
优选地，所述原料为氧化锆纤维，锆溶胶，钇溶胶和有机粘结剂。优选地，所述氧化锆纤维毡的制备方法包括如下步骤：
(1)将锆溶胶、钇溶胶和有机粘结剂，加入水搅拌分散混合；
(2)将氧化锆纤维倒入步骤(1)所得的混合液中，搅拌并分散均匀，获得浆液；
(3)将步骤(2)所得浆液定型；
(4)将步骤(3)所得定型物在80-120℃干燥，然后将干燥完成的纤维毡升温至1200-1500℃后恒温烧结3-5h，即得。
优选地，以所述原料的总重量为基准，所述水的用量为50-150重量份，优选为100重量份。
优选地，步骤(2)搅拌用搅拌设备采用钝刀结构，搅拌时使其分散效果佳，但不会使纤维切割粉碎，使纤维能够保持有效长度，利于成型交织。
优选地，步骤(2)所得浆液中，氧化锆纤维的长度为0.1-25mm，优选为0.5-5mm。
优选地，所述定型方法为将所得浆液在制毡机模具内进行吸滤、合模定型。
优选地，上述步骤(3)中采用真空吸滤制毡机吸滤浆液；进一步地，为避免浆液中纤维反复搅拌而短碎，优选采用一次性全部吸虑模式。滤液称重后，按照上述比例，只需补加入氧化锆纤维即可循环使用。
优选地，步骤(4)中，所述恒温烧结温度为1200-1350℃后恒温3-5h。
优选地，步骤(4)中，所述升温的速率为1-5℃/min，优选为1-2.5℃/min。
本发明所得氧化锆纤维毡优选密度为0.15-0.35g/cm3。
常规耐火纤维毡厚度在10mm以上，本发明制得的氧化锆纤维毡可实现2mm-5mm的厚度，以及可具有0.05-0.25m/m的弯曲度。
2mm-5mm的厚度一般是纤维纸，国标《gb/t30032006耐火材料陶瓷纤维及制品》中陶瓷纤维纸的厚度范围定为0.5mm-5mm。纤维纸厚度超过5mm时，其表明平整度变差，且纤维纸的下表面极易开裂。
有益效果：
本发明采用特定的原料制备氧化锆纤维毡，一方面，能够构筑氧化锆纤维毡中纤维更好的交织缠绕性，从而提升纤维毡的整体强度及可弯曲性；另一方面，能够提高氧化锆纤维毡中纤维交织点的粘结作用，从而确保了纤维毡在具有良好整体性的同时具有一定的可弯曲性，尤其适用于特殊结构区域的超高温保温隔热。
本发明的氧化锆纤维毡具有优良的耐高温隔热效果和耐酸碱腐蚀等特性，可有效应用于各类不作为支撑结构的超高温热场领域，如：应用于蓝宝石长晶炉热场(热场温度达2050℃以上，用于对局部钨钼材料的替换)、激光晶体长晶炉热场(用于对局部钨钼材料的替换)、单晶硅炉热场(用于对碳毡的替换)、长晶炉热场底座场景中应用(在不影响原有结构的基础上覆盖一层氧化锆纤维毡)以及实验电炉(1700℃以上)等超高温热场领域，可以提升热场的保温隔热效果，起到有效的节能降耗作用。
具体实施方式
以下提供实施例对本发明进行示例性说明。但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
分别称取1kg氧化锆纤维、0.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为30nm，固含量为30％)、0.5kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为30nm，固含量为15％)、0.5kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，升温至1200℃后恒温烧结3h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.15g/cm3，厚度为2mm，弯曲度可达0.2m/m。
实施例2
分别称取2kg氧化锆纤维、2.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为20％)、1.25kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为12％)、1kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，升温至1200℃后恒温烧结3h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，弯曲度可达0.25m/m。
实施例3
分别称取3kg氧化锆纤维、10kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为10nm，固含量为15％)、2.5kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为10nm，固含量为10％)、0.5kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，升温至1200℃后恒温烧结3h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.35g/cm3，厚度为5mm，弯曲度可达0.15m/m。
实施例4
分别称取2kg氧化锆纤维、2.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为20％)、1.25kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为12％)、1kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水的比例，称取相应重量的氧化锆纤维、锆溶胶、钇溶胶、水性聚氨酯树脂粘结剂和水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀，马上用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以2.5℃/min的升温速率，从室温升至1350℃后恒温烧结4h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，弯曲度可达0.15m/m。
实施例5
分别称取2kg氧化锆纤维、2.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为20％)、1.25kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为12％)、1kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水的比例，称取相应重量的氧化锆纤维、锆溶胶、钇溶胶、水性聚氨酯树脂粘结剂和水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀，马上用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型。从而获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以5℃/min的升温速率，从室温升至1500℃后恒温烧结5h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，弯曲度可达0.05m/m。
实施例6
分别称取1kg氧化锆纤维、0.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为10nm，固含量为15％)、0.5kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为10nm，固含量为10％)、0.5kg纯丙烯酸酯粘结剂、150kg水的比例，称取相应重量的氧化锆纤维、锆溶胶、钇溶胶、纯丙烯酸酯粘结剂和水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和纯丙烯酸酯粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡。将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，从室温升至1200℃后恒温烧结3h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.15g/cm3，厚度为2mm，弯曲度可达0.2m/m。
实施例7
分别称取2kg氧化锆纤维、2.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为20％)、1.25kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为12％)、1kg纯丙烯酸酯粘结剂、100kg水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和纯丙烯酸酯粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，从室温升至1200℃后恒温烧结3h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，弯曲度可达0.25m/m。
实施例8
分别称取3kg氧化锆纤维、10kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为30nm，固含量为30％)、2.5kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为30nm，固含量为15％)、0.5kg纯丙烯酸酯粘结剂、50kg水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶和纯丙烯酸酯粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，从室温升至1200℃后恒温烧结3h，即得可弯曲的超薄氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.35g/cm3，厚度为5mm，弯曲度可达0.2m/m。
比较例1
分别称取2kg氧化锆纤维、2.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为20％)、1kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水；将称取的水、锆溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，全部浆液在制毡机模具内吸滤后，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，升温至1200℃后恒温烧结3h，即得氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，弯曲度仅可达0.035m/m。
比较例2
分别称取2kg氧化锆纤维、1.25kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为12％)、1kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水；将称取的水、钇溶胶和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，使得浆液全部吸入制毡机模具内，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，升温至1200℃后恒温烧结3h，即得氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，弯曲度仅可达0.02m/m。
比较例3
分别称取2kg氧化锆纤维、1kg水性聚氨酯树脂粘结剂、100kg水；将称取的水和水性聚氨酯树脂粘结剂分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，使得浆液全部吸入制毡机模具内，再合模定型，获得氧化锆纤维湿毡；将氧化锆纤维湿毡在120℃充分干燥，将干燥完成的纤维毡以1℃/min的升温速率，升温至1200℃后恒温烧结3h，即得氧化锆纤维毡。
所获得的氧化锆纤维毡密度为0.25g/cm3，厚度为3mm，可弯曲度接近为0。
比较例4
分别称取2kg氧化锆纤维、2.5kg锆溶胶(锆溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为20％)、1.25kg钇溶胶(钇溶胶的粒径尺寸为15nm，固含量为12％)、100kg水；将称取的水、锆溶胶、钇溶胶分别倒入浆池内，经充分搅拌分散后，然后将称取的氧化锆纤维倒入浆池内搅拌并分散均匀后，立即用真空吸滤制毡机吸滤浆液，使得浆液全部吸入制毡机模具内，再合模定型。进行脱模操作后纤维毡成纤松散且效果差，无法有效进行后续干燥和烧结处理。
综上实施例可以看出，本发明获得的氧化锆纤维毡的厚度可达2-5mm，弯曲度可达0.05-0.25m/m。具有良好的可弯曲性能。