CN100360444C - 一种纳米级玻璃纤维棉及其制造工艺和装置 - Google Patents

一种纳米级玻璃纤维棉及其制造工艺和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米级玻璃纤维棉及其制造工艺和装置。所述的纳米级玻璃纤维棉配方包含SiO2、CaO、Na2O、K2O、Li2O、TiO2；所述的制造工艺包含将原料熔化、拉丝、燃烧喷吹制成纳米级玻璃纤维棉、收集；所述的装置由熔炉、拉丝装置、燃烧喷吹装置和收集装置组成。本发明提供的纳米级玻璃纤维棉配方可在特定工艺条件下制备纳米级玻璃纤维棉，纤维直径可控制在80-100nm之间，并具有纳米材料的特征；提供的制造工艺具有方法简单、成本低廉、可实现工业化生产的优点；提供的制备装置结构简单、成本低、效果好、产量高。

Description

一种纳米级玻璃纤维棉及其制造工艺和装置
技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维棉，特别是涉及一种纳米级玻璃纤维棉，本发明还涉及其制造工艺和制造装置。
背景技术
随着科技水平的提高，工业、军事、医药、电子电器都对纤维材料性能提出更高要求，由于纤维直径是影响材料性能的重要因素，开发纳米级纤维具有很大实用意义。
现有的无机纤维、有机纤维、金属纤维，直径均在几个微米到几千微米，只有石棉纤维能达到纳米级，但是，石棉又是可疑致癌物质，欧共体、美国、日本均已禁止使用含石棉制品，我国也已限制使用并很快将禁止使用。同时，石棉纤维是一种晶体纤维，有沿着纵向晶面解裂的特点，它的解裂是无序的。第三，石棉材料只能在尺寸上达到纳米级，但这种纤维并不具备纳米材料的特征。因此，迫切需要寻找一种能实现工业生产的纳米级纤维。
发明内容
本发明的目的是提供一种能实现工业生产的具有纳米材料特征的纳米级玻璃纤维棉。
本发明的另一个目的是提供上述纳米级玻璃纤维棉的制造工艺。
本发明的还有一个目的是提供制造上述纳米级玻璃纤维棉的装置。
本发明的目的是通过下列措施实现的：
一种纳米级玻璃纤维棉，其配方包含下列重量百分比的原料：
SiO2 40-70％，CaO 2-20％，Na2O+K2O 5-25％，Li2O 3-15％，TiO2 5-20％，Al2O30-10％，MgO 0-10％，Fe2O3 0-0.5％。
所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，包含下列步骤：
a.按配方取原料常规工艺制成玻璃块料或球，然后将玻璃块料或球清洗后送入熔炉加温至1200-1400℃熔化；
b.将熔化的玻璃液拉丝引至喷射燃烧室喷出的火焰中；
c.在1400℃以上高温下，利用从燃烧室喷口喷出的火焰将玻璃丝制成80-100nm的纳米级玻璃纤维棉；
d.收集纳米级玻璃纤维棉。
所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其中拉丝时漏板用铂铑合金或镍铬合金制造，漏嘴孔径为1.5-3.0mm，拉丝纤维直径控制在50-200μm，拉丝速度为2.5-3m/min。
所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其中燃烧室喷口宽度6.0-10mm，喷吹气流速度500-800m/s。
所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其中喷射介质可以是天然气、焦油煤气、重油裂解气、油田伴生气、石油液化气。
所述的纳米级玻璃纤维棉制备工艺的装置，它是由熔炉、拉丝装置、喷射燃烧装置、收集装置构成。
所述的制备纳米级玻璃纤维棉的装置，其中拉丝装置由漏板、胶棍构成。
所述的制备纳米级玻璃纤维棉的装置，其中喷射燃烧装置由混合器和燃烧室构成。
所述的制备纳米级玻璃纤维棉的装置，其中混合器包括引射喷嘴、混合三通、混合管、扩散管；燃烧室包括稳焰器、耐火材料内衬、金属外壳、燃烧室喷嘴。
所述的制备纳米级玻璃纤维棉的装置，其中稳焰器为带有若干孔径为2-4mm的细孔/细管的耐火材孔板砖或2-4mm水冷金属缝隙的火焰稳定器。
本发明的有益效果：
本发明采用火焰喷吹法、钠锂钛硅酸盐系统生产纳米级玻璃纤维棉，所制备的纳米级玻璃纤维棉直径可控制在80-100nm之间，并具有纳米材料的特征。所得到的纳米级玻璃纤维棉在过滤、增强、抗菌、绝热等领域具有良好的应用前景，在制造增强材料、摩擦材料、胶粘材料和阻燃材料方面可发挥重要作用：
1、用于制备绝热吸音材料：纳米材料对波长从紫外一直扩展到5μm的红外都有反射功能，且体密度相同时纤维直径越细其对热辐射的阻隔作用越大，因此纳米级玻璃纤维棉可用于制备高效的绝热材料；另外本发明纳米级玻璃纤维棉在500-4000Hz内的吸音系数高达0.9以上，也是优质吸音材料。
2、用于制备抗老化材料：纳米TiO2、SiO2等对紫外线有很强的吸收和散射作用，将超细粉体与纤维材料共混结合可增强纤维对紫外线的反射和散射，自身由TiO2、SiO2构成的纳米纤维也具有屏蔽(TiO2作用)散射(SiO2作用)紫外线的功能，故纳米级玻璃纤维棉可作为抗材料老化的紫外线屏蔽剂。
3、用于制备优良纤维增强材料：在纤维增强塑料中，由于纤维存在会产生应力集中效应，可引起周围树脂的微开裂。本发明纳米级玻璃纤维棉与树脂的界面效应远远高于一般玻璃纤维和碳纤维与树脂的作用，产生微裂纹与弹性变形相应增加，可将更多的冲击能转化为热量吸收，从而冲击强度明显提高，韧性明显增强。
4、用于制备优质过滤材料：由于纳米级玻璃纤维棉表面光滑、直径细、不粘蛋白、耐腐蚀，可作为优质的气体、液体过滤材料，而且由于有TiO2的存在，还具有抗菌作用。
5、用于制造吸湿性材料：由于纳米玻璃纤维的比表面积巨大，能够帮助吸湿性聚合物提高毛细吸收能力，可制成能贮存大量液体而厚度很薄的材料，如一次性尿布、妇女卫生巾、三角裤等。
本发明提供的纳米级玻璃纤维棉制造工艺具有方法简单、成本低廉、可实现工业化生产的优点；本发明提供的制备纳米级玻璃纤维棉的装置结构简单、成本低、效果好、产量高。
附图说明
图1是火焰喷吹法单台式生产纳米级玻璃纤维棉装置示意图。
图2是火焰喷吹法单台式生产纳米级玻璃纤维棉装置燃烧室示意图。
图3是实施例2制备纳米级玻璃纤维棉的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合说明书附图并通过实施例对本发明作进一步的阐述。
制备工艺中采用的装置是火焰喷吹法单台式生产纳米级玻璃纤维棉装置，由熔炉1-1、漏板1-2、胶棍1-4、喷射燃烧室1-5、集棉室1-7、网带1-8组成，其中喷射燃烧室由混合器及燃烧室两部分构成，是制备纳米级玻璃纤维棉的关键装置，混合器由引射喷嘴2-1、混合三通2-2、混合管2-3、扩散管2-4组成，用于将可燃性气体与空气混合；燃烧室由多个(根据设备规模可在10-100个范围内选择)分布均匀的孔径为2-4mm的细孔的稳焰器(也可以采用2-4mm水冷金属缝隙的火焰稳定器)2-5、耐火材料内衬2-6、金属外壳2-7、燃烧室喷嘴2-8组成。该装置可制备80-100nm范围内的纳米级玻璃纤维棉。
制造纳米级玻璃纤维棉时，将原料在熔炉1-1中加热溶化，经漏板1-2的漏孔流出，通过胶棍1-4牵引至喷射燃烧室1-5喷出的火焰中，喷射介质通过引射喷嘴2-1与混合三通2-2中的气体经混合管2-3混合，经过扩散管2-4从稳焰器2-5的细孔到达燃烧室进行燃烧并从燃烧室喷嘴2-8喷出，将玻璃丝制成纳米级玻璃纤维棉并喷到集棉室1-7，通过网带1-8收集。
实施例1
配方：
SiO2 600g，CaO 50g，Na2O 110g，K2O 10g，Li2O 60g，TiO2 150g，Al2O3 30g，MgO 20g。
制造工艺(结合说明书附图)：按配方取原料清洗后投入熔炉1-1加温至1400℃熔化，熔化的玻璃液经铂铑合金漏板1-2的漏孔流出，漏嘴孔径为φ1.8mm，拉丝速度为2.5m/min，拉成纤维丝1-3，拉丝纤维丝直径控制在120μm，在胶棍1-4牵引下送到喷射燃烧室1-5喷出的火焰中，采用天然气作喷射介质，在1500℃以上高温及喷吹气流速度600m/s下，利用从6.0mm宽的燃烧室喷口喷出的高速气流将玻璃丝制成纳米级玻璃纤维棉1-6，纳米级玻璃纤维棉进入集棉室1-7沉积到网带1-8上，收集纳米级玻璃纤维棉即可，纤维平均直径达90nm。
实施例2
配方：
SiO2 600g，CaO 50g，Na2O 110g，K2O 10g，Li2O 60g，TiO2 150g，Al2O3 30g，MgO20g。
制造工艺(结合说明书附图)：按配方取原料清洗后送入熔炉1-1加温1400℃熔化，熔化的玻璃液经镍铬合金漏板1-2的漏孔流出，漏嘴孔径为2.8mm，拉丝速度为2.5m/min，拉成纤维丝1-3，拉丝纤维丝直径控制在150μm，在胶棍1-4牵引下送到喷射燃烧室1-5喷出的火焰中，采用天然气作喷射介质，在1500℃高温及喷吹气流速度600m/s下，利用从6.0mm宽的燃烧室喷口喷出的高速气流将玻璃丝制成纳米级玻璃纤维棉1-6，纳米级玻璃纤维棉进入集棉室1-7沉积到网带1-8上，收集纳米级玻璃纤维棉即可，纤维平均直径达100nm。
实施例3
配方：
SiO2 600g，CaO 50g，Na2O 110g，K2O 10g，Li2O 60g，TiO2 150g，MgO 20g。
制造工艺(结合说明书附图)：按配方取原料清洗混合后送入熔炉1-1加温至1400℃熔化，熔化的玻璃液经铂铑合金漏板1-2的漏孔流出，漏嘴孔径为1.9mm，拉丝速度为2.8m/min，拉成纤维丝1-3，拉丝纤维丝直径控制在150μm，在胶棍1-4牵引下送到喷射燃烧室1-5喷出的火焰中，采用石油液化气作喷射介质，在1500℃以上高温及喷吹气流速度650m/s下，利用从8.0mm宽的燃烧室喷口喷出的高速气流将玻璃丝制成纳米级玻璃纤维棉1-6，纳米级玻璃纤维棉进入集棉室1-7沉积到网带1-8上，收集纳米级玻璃纤维棉即可，纤维平均直径达80nm。
实施例4
配方：
SiO2 600g，CaO 50g，Na2O 110g，K2O 10g，B2O3 60g，TiO2 150g，Al2O3 30g，MgO 20g。
制造工艺(结合说明书附图)：按配方取原料清洗后送入溶炉1-1加温至1400℃熔化，熔化的玻璃液经铂铑合金漏板1-2的漏孔流出，漏嘴孔径为2.2mm，拉丝速度为3.5m/mm，拉成纤维丝1-3，拉丝纤维丝直径控制在150μm，在胶棍1-4牵引下送到喷射燃烧室1-5喷出的火焰中，采用天然气作喷射介质，在1500℃高温及喷吹气流速度700m/s下，利用从8.0mm宽的燃烧室喷口喷出的高速气流将玻璃丝制成纳米级玻璃纤维棉1-6，纳米级玻璃纤维棉进入集棉室1-7沉积到网带1-8上，收集纳米级玻璃纤维棉即可，纤维平均直径达80nm。

Claims (8)

1、一种纳米级玻璃纤维棉，其特征是配方包含下列重量百分比的原料：
SiO2 40-70％，CaO 2-20％，Na2O+K2O 5-25％，Li2O 3-15％，TiO2 5-20％，Al2O30-10％，MgO 0-10％，Fe2O3 0-0.5％；该纳米级玻璃纤维棉的直径为80-100nm。
2、如权利要求1所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其特征在于包含下列步骤：
a.按配方取原料常规工艺制成玻璃块料或球，然后将玻璃块料或球清洗后送入熔炉加温至1200-1400℃熔化；
b.将熔化的玻璃液拉丝引至喷射燃烧室喷出的火焰中；
c.在1400℃以上高温下，利用从燃烧室喷口喷出的火焰将玻璃丝制成80-100nm的纳米级玻璃纤维棉；
d.收集纳米级玻璃纤维棉。
3、根据权利要求2所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其特征在于拉丝时漏板用铂铑合金或镍铬合金制造，漏嘴孔径为1.5-3.0mm，拉丝纤维直径控制在50-200μm，拉丝速度为2.5-3m/min。
4、根据权利要求2所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其特征在于燃烧室喷口宽度6.0-10mm，喷吹气流速度500-800m/s。
5、根据权利要求2所述的纳米级玻璃纤维棉的制造工艺，其特征在于喷射介质是天然气、焦油煤气、重油裂解气、油田伴生气、石油液化气。
6、用于权利要求2-5所述的任一纳米级玻璃纤维棉的制造工艺的装置，其特征在于它是由熔炉、拉丝装置、喷射燃烧装置、收集装置构成；其中拉丝装置由漏板、胶棍构成；喷射燃烧装置由混合器和燃烧室构成。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于混合器包括引射喷嘴、混合三通、混合管、扩散管；燃烧室包括稳焰器、耐火材料内衬、金属外壳、燃烧室喷嘴。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于稳焰器为带有若干孔径为2-4mm的细孔/细管的耐火材料孔板砖或2-4mm水冷金属缝隙火焰稳定器。
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