CN100385072C - 耐高温、低导热、柔性陶瓷纤维复合纸及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐高温、低导热、柔性的陶瓷纤维复合纸，由硅酸铝纤维纸为纸基层，另由硅酸铝纤维、微孔硅酸钙球形颗粒和纤维分散剂水溶液按重量比1∶1～2∶300～600配制形成混合料浆洒在纸基层上形成复合层，微孔硅酸钙球形颗粒直径小于30μm，空隙率大于85%，硅酸铝纤维的直径小于10μm，平均长度不小于300μm。本发明以硅酸铝陶瓷纤维和微孔硅酸钙颗粒为主要原料，采用造纸工艺，制造成硅酸钙/硅酸铝复合纸。既保持了硅酸铝纤维纸的柔性，又获得了比微孔硅酸钙更小的导热系数，特别在高温(1000℃)下的导热系数很小，可保持在0.1w/mK左右，成为一种新的柔性隔热保温材料。
Description
技术领域：
本发明涉及隔热、保温技术领域，涉及一种隔热保温材料，具体为一种耐高温柔性陶瓷纤维复合纸及其制造方法。
现有技术：
当前用于隔热、保温技术领域的耐高温柔性陶瓷纤维纸是用耐高温陶瓷纤维，如硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维或氧化锆纤维为原料，通过传统的造纸工艺制造的。其中硅酸铝纤维纸的生产量最大，应用的范围也最广阔。所有上述陶瓷纤维纸都具有良好的耐高温性能，都可以在1000℃或更高的温度下工作，陶瓷纤维纸在经受高温前具有相当的柔性、便于包裹安装。但是，作为隔热、保温材料的最关键性能，所有这些陶瓷纤维纸的导热系数尚不够小，尤其是高温下的导热系数还相当可观。图1显示国内外现有几种典型陶瓷纤维纸产品在不同温度下的导热系数数据，由图1可见，这些产品在1000℃下的导热系数一般在0.20w/mK左右，因此不能满足许多要求高效隔热的应用场合。
另一方面，微孔硅酸钙材料具有非常低的导热系数，如图2所示CS曲线，它被广泛地用于各种工业窑炉、高温装置的保温隔热技术中。由于微孔硅酸钙材料的主要成分是硬硅钙石，它在1100℃左右会发生分解，引起材料整体开裂，因此这种材料的最高使用温度不大于1100℃。另外，微孔硅酸钙材料是一种刚性材料，不能被弯曲，更无柔性，很难制造出厚度小于20mm的薄片材料。微孔硅酸钙材料的以上特点限制了该材料的应用范围。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有隔热、保温材料的一些缺点，提供一种耐高温、低导热、柔性的陶瓷纤维复合纸。
本发明提供的柔性耐高温陶瓷纤维复合纸，由硅酸铝纤维纸掺混微孔硅酸钙球形颗粒制造而成。
其中，硅酸铝纤维纸为纸基层，另由硅酸铝纤维、微孔硅酸钙球形颗粒和纤维分散剂的混合料浆形成复合层。
所述微孔硅酸钙球形颗粒由硬硅钙石晶体组成，球形颗粒的直径小于30μm，空隙率大于85％。所述硅酸铝纤维的直径小于10μm，平均长度不小于300μm。所述硅酸铝纤维的化学组成中Al2O3：45-95wt％，SiO2：6-55wt％，其它杂质含量小于3％。
其中，所述混合料浆按硅酸铝纤维∶微孔硅酸钙球形颗粒∶纤维分散剂水溶液重量比1∶1～2∶300～600配制。所述纤维分散剂为聚丙烯酰胺，纤维分散剂的水溶液浓度为1～5wt‰。
其中，所述硅酸铝纤维纸空隙率大于85％，最大空隙的直径小于60μm，厚度为0.5～3.0mm。
本发明另一目的，在于提供这种耐高温、低导热、柔性陶瓷纤维复合纸的制造方法。
本发明提供的柔性耐高温陶瓷纤维复合纸的制造方法，先将硅酸铝纤维与微孔硅酸钙颗粒在纤维分散剂的水溶液中分散，得到组分均匀的料浆；然后将所述硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，将上述料浆铺洒在硅酸铝纸上，经真空抽滤和干燥，得到微孔硅酸钙/硅酸铝纤维复合纸。
上述方法中，所述料浆的用量为每平方分米硅酸铝纤维纸洒料浆100～300克。
采用以上技术方案，本发明以硅酸铝陶瓷纤维和微孔硅酸钙颗粒为主要原料，采用造纸工艺，制造成硅酸钙/硅酸铝复合纸。这样既保持了硅酸铝纤维纸的柔性，又获得了比微孔硅酸钙更小的导热系数，特别在高温(1000℃)下的导热系数很小，可保持在0.1w/mK左右，成为一种新的柔性隔热保温材料。
附图说明：
图1为国内外现有几种典型的陶瓷纤维纸的导热系数曲线图，其中：国产硅酸铝纤维纸(B)，日产硅酸铝纤维纸(1260ACE)，氧化锆纤维纸(ZYF)；
图2为本发明中所用原料和产品的导热系数曲线图，其中：原料硅酸铝纤维纸(AS)，原料微孔硅酸钙隔热材料(CS)，本发明实施例一制造的复合纸(CS/AS)。
具体实施方式：
本发明是以硅酸铝陶瓷纤维和微孔硅酸钙颗粒为主要原料，采用造纸工艺，制造出硅酸钙/硅酸铝复合纸。
在本发明中，所用微孔硅酸钙颗粒为球形，由硬硅钙石晶体组成，球形颗粒的直径应小于30μm，空隙率应大于85％；
所用硅酸铝纤维的直径应小于10μm，平均长度不小于300μm，其化学组成中Al2O3：45-95wt％，SiO2：6-55wt％，其它杂质含量小于3％。
本发明柔性耐高温陶瓷纤维复合纸的制造可采用二次成型工艺。该方法是在已成型硅酸铝纤维纸上铺洒料浆再加工而成。由硅酸铝纤维与微孔硅酸钙颗粒在纤维分散剂的水溶液中分散得到组分均匀的料浆，所用硅酸铝纤维与微孔硅酸钙颗粒按重量比1∶1～2配料，纤维分散剂可为聚丙烯酰胺，溶液浓度为1～5wt‰，溶液与硅酸铝纤维重量比在1∶300～600范围内分散效果最好；将硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，将上述准备的料浆铺洒在硅酸铝纤维纸上，料浆的用量为每平方分米硅酸铝纤维纸洒料浆100～300克，通过真空抽滤和干燥，得到硅酸钙/硅酸铝复合纸。
所用硅酸铝纤维纸可通过传统造纸工艺在造纸机上成型，也可使用商品化的硅酸铝纤维纸，其中所用硅酸铝纤维应符合以上粒径及化学组成的要求，且成型或选用的硅酸铝纤维纸空隙率大于85％，最大空隙的直径应小于60μm，厚度为0.5～3.0mm。
实施例1、
料浆原料：硅酸铝陶瓷纤维3克，微孔硅酸钙颗粒4.5克，浓度为2wt‰的聚丙烯酰胺水溶液1升(约1千克)。
硅酸铝纤维纸成型：用28克符合以上粒径及化学组成要求的硅酸铝陶瓷纤维，通过传统造纸工艺在造纸机上成型，成型的硅酸铝纤维纸空隙率大于85％，最大空隙的直径小于60μm，尺寸为6平方分米，厚度为2.0mm。
复合纸的制造：1、将上述料浆原料混合，充分搅拌得到料浆1000克，备用；2、将成型的硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，将上述备用的料浆1000克均匀铺洒在硅酸铝纤维纸上；3、启动真空抽滤10分钟，然后移到烘箱中干燥就得到微孔硅酸钙/硅酸铝纤维复合纸。
实施例2、
料浆原料：硅酸铝陶瓷纤维3克，微孔硅酸钙颗粒3克，浓度为1wt‰的聚丙烯酰胺水溶液1.8升(约1.8千克)。
硅酸铝纤维纸：商业硅酸铝纤维纸13.47g(浙江欧诗漫晶体纤维有限公司出产)，尺寸为6平方分米，厚度为1.0mm。
复合纸的制造：1、将上述料浆原料混合，充分搅拌，备用；2、将成型的硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，取上述备用的料浆1800克均匀铺洒在硅酸铝纤维纸上；3、启动真空抽滤10分钟，移到烘箱中干燥就得到微孔硅酸钙/硅酸铝纤维复合纸。
实施例3、
料浆原料：硅酸铝陶瓷纤维3克，微孔硅酸钙颗粒5克，浓度为5wt‰的聚丙烯酰胺水溶液1升(约1千克)。
硅酸铝纤维纸成型：用13.85克符合以上粒径及化学组成要求的硅酸铝陶瓷纤维，通过传统造纸工艺在造纸机上成型，成型的硅酸铝纤维纸空隙率大于85％，最大空隙的直径小于60μm，尺寸为6平方分米，厚度为1.0mm。
复合纸的制造：1、将上述料浆原料混合，充分搅拌得到料浆1000克，备用；2、将成型的硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，将上述备用的料浆1000克均匀铺洒在硅酸铝纤维纸上；3、启动真空抽滤10分钟，移到烘箱中干燥就得到微孔硅酸钙/硅酸铝纤维复合纸。
将以上实施例得到的复合纸进行性能测试。
导热系数测定：按照YB/T4130-2005“耐火材料导热系数测试检验方法(水流量平板法)”，测定结果参见表1和图2。
表1 本发明CS/AS复合纸的导热系数
表1数据显示，本发明提供的复合纸，在1000℃时导热系数均在0.1w/m.K左右，在1200℃时导热系数均小于0.15w/m.K，较现有几种典型陶瓷纤维纸产品导热系数0.20w/mK(参见图1)均低很多。
图2示出了同样测试条件下硅酸铝纤维纸(AS)，微孔硅酸钙隔热材料(CS)，和本发明实施例1制造的复合纸(CS/AS)的热导系数曲线，可以看出，在1000℃以下温度范围内，复合纸(CS/AS)均较相同温度下硅酸铝纤维纸(AS)和微孔硅酸钙隔热材料(CS)的热导系数要小。
柔性测定：按照GB/T 13477.7-2002“建筑密封材料试验方法第七部分：低温柔性的测定”方法进行，结果表明，在400℃以下，上面三种试样在弯曲半径为3mm时都没有试样开裂、分层、粘结破坏等损坏情况。
通过以上测试表明，本发明提供的复合纸，一方面保留了硅酸铝纤维纸的柔性，又获得了比微孔硅酸钙更低的导热系数，特别在高温(1000℃)下的导热系数很小，成为一种新型柔性隔热保温材料。
纯硅酸钙材料的刚性是由于硅酸钙颗粒互相接触，通过水合分子提供的氢键连接在一起，因此具有相当的连接强度，颗粒之间无法移动，因此硅酸钙材料的刚性大，不能被弯曲。在本发明所制造的复合纸中微孔硅酸钙颗粒被分散、镶嵌在由硅酸铝纤维构成的网状结构中，硅酸钙颗粒之间很少互相接触，因此不形成刚性结构，随着纤维网络的弯曲硅酸钙颗粒可以稍微移动位置，因而不妨碍纤维纸的弯曲，使得复合纸具有相当程度的柔性。硅酸钙颗粒镶嵌在硅酸铝纤维网络的空隙间，大大减小了空隙的尺寸，同时，由于硅酸钙颗粒的大小也是特定设计的，保证了其内部具有大量接近纳米尺寸的气孔。这种显微结构使得整体材料的气孔量大而孔径小，大大降低材料中气孔的传热作用。此外，由于大空隙被硅酸钙颗粒堵塞，减少了高温下热辐射的导热作用。硅酸铝纤维和针状硬硅钙石的直径都很小，极大地减少了材料中固相传热作用。因此复合纸的导热系数明显低于单一的微孔硅酸钙隔热材料或单一的硅酸铝纤维隔热材料(见图2CS/AS曲线)。由于复合纸以硅酸铝网络为骨架，纸的强度主要由硅酸铝网络贡献，即使硅酸钙颗粒在高温下分解转变成硅灰石，对强度和导热系数的影响也不大，因此复合纸的工作温度比纯微孔硅酸材料高，同单一硅酸铝纸的使用温度(1250℃)基本相当。
利用本发明制造的硅酸铝/硅酸钙复合纸导热系数低，特别是高温下导热系数(1000℃下小于0.10w/mK)低于其它隔热保温材料，而极限使用温度可达到硅酸铝纸的极限使用温度1250℃，且该材料在400℃以下可保持相当的强度和柔性，在室温下其强度与柔性接近一般的商品硅酸铝纤维纸，因此具有很好的施工、包装性能。这些特点可望使这种新产品在高温窑炉和工业设备的隔热、保温技术中有广泛的用途。例如用于工业窑炉和化工设备的隔热、保温，可以大大缩小保温层的厚度，减小窑炉的体积和重量；用于汽车排气管中对催化剂的保温。此外，在国防工业中也有可应用，如用于高温发动机的隔热，和动力系统的隔热，热电池的隔热，以及对一些特殊设备的隔热或保温防护。
Claims (7)
1.一种柔性耐高温陶瓷纤维复合纸，由硅酸铝纤维纸掺混微孔硅酸钙球形颗粒制造而成，其中硅酸铝纤维纸为纸基层，另由硅酸铝纤维、微孔硅酸钙球形颗粒和纤维分散剂的混合料浆形成复合层，所述混合料浆按硅酸铝纤维∶微孔硅酸钙球形颗粒∶浓度为1～5wt‰的聚丙烯酰胺水溶液按重量比1∶1～2∶300～600配制而成。
2.根据权利要求1所述柔性耐高温陶瓷纤维复合纸，其特征在于，所述微孔硅酸钙球形颗粒由硬硅钙石晶体组成，球形颗粒的直径小于30μm，空隙率大于85％。
3.根据权利要求1或2所述柔性耐高温陶瓷纤维复合纸，其特征在于，所述硅酸铝纤维的直径小于10μm，平均长度不小于300μm。
4.根据权利要求3所述柔性耐高温陶瓷纤维复合纸，其特征在于，所述硅酸铝纤维的化学组成中Al2O3：45-95wt％，SiO2：6-55wt％，其它杂质含量小于3％。
5.根据权利要求1所述柔性耐高温陶瓷纤维复合纸，其特征在于，所述硅酸铝纤维纸空隙率大于85％，最大空隙的直径小于60μm，厚度为0.5～3.0mm。
6.权利要求1至5任一所述柔性耐高温陶瓷纤维复合纸的制造方法，其特征在于，将硅酸铝纤维与微孔硅酸钙颗粒在聚丙烯酰胺水溶液中分散，得到组分均匀的料浆；然后将所述硅酸铝纤维纸平铺在真空抽滤设备的抽滤网上，将上述料浆铺洒在硅酸铝纸上，经真空抽滤和干燥，得到微孔硅酸钙/硅酸铝纤维复合纸。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述料浆的用量为每平方分米硅酸铝纤维纸洒料浆100～300克。
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