CN109576907A - 一种憎水型陶瓷纤维材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料领域，尤其涉及一种憎水型陶瓷纤维材料及其制备方法。本发明提供的制备方法包括以下步骤：将雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中，并进行干燥，得到憎水型陶瓷纤维材料；憎水改性剂包括水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水；水溶性憎水剂包括硅烷憎水剂和/或石蜡乳液憎水剂。本发明提供了一种全新的陶瓷纤维材料憎水化改性工艺，可使陶瓷纤维材料具有优良的憎水性，实现了陶瓷纤维材料整体憎水，从而避免了管道外包覆保护膜因保护不良或的出现破损的情况下出现陶瓷纤维材料吸潮、吸水的问题，进而极大地提高了陶瓷纤维材料的保温性能及使用寿命。实验结果表明，采用本发明方法制备的陶瓷纤维材料的憎水率≥98％。

Description

一种憎水型陶瓷纤维材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，尤其涉及一种憎水型陶瓷纤维材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷纤维是一种纤维状轻质的耐火材料，兼具耐火及保温特性，具有容重轻、热稳定性好、热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点，在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业得到了广泛的应用。
陶瓷纤维为多孔结构，有较大的表面积和丰富的毛细管，因而具有较强的吸附能力和吸水能力。在作为管道保温材料时，在外包覆保护膜因保护不良或的出现破损的情况下，就会造成陶瓷纤维吸潮或吸水，从而造成导热系数增大，保温效果大大降低，使用寿命降低。因此，为了避免陶瓷纤维材料在使用过程中出现上述问题，改善其憎水能力是十分必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种憎水型陶瓷纤维材料及其制备方法，采用本发明方法制备的陶瓷纤维材料具有非常优良的憎水性能。
本发明提供了一种憎水型陶瓷纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
将雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中，并进行干燥，得到憎水型陶瓷纤维材料；
所述憎水改性剂包括水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水；
所述水溶性憎水剂包括硅烷憎水剂和/或石蜡乳液憎水剂。
优选的，所述表面活性剂包括环氧丙烷-环氧乙烷共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚和木质素磺酸盐中的一种或多种。
优选的，所述硅烷偶联剂的牌号包括KH550和/或KH570。
优选的，所述水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水的质量比为(80～95)：(5～20)：(0.5～2)：1000。
优选的，所述雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中的方式具体包括：
在待处理陶瓷纤维材料的一侧施加雾化的憎水改性剂，在另一侧施加负压，使所述雾化的憎水改性剂渗透穿过所述待处理陶瓷纤维材料。
优选的，所述负压的压力为-0.2～0.02MPa。
优选的，所述待处理陶瓷纤维材料为陶瓷纤维毯。
优选的，所述陶瓷纤维毯按照以下方法制备得到：
I)将陶瓷纤维材料原料物熔融，得到熔融液；
II)将所述熔融液进行纺丝，得到陶瓷纤维丝；
III)将所述陶瓷纤维丝针刺成毯，之后煅烧定型，得到陶瓷纤维毯。
优选的，所述干燥的热源为煅烧定型得到的所述陶瓷纤维毯中的余热。
本发明提供了一种上述技术方案所述制备方法制得的憎水型陶瓷纤维材料。
与现有技术相比，本发明提供了一种憎水型陶瓷纤维材料及其制备方法。本发明提供的制备方法包括以下步骤：将雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中，并进行干燥，得到憎水型陶瓷纤维材料；所述憎水改性剂包括水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水；所述水溶性憎水剂包括硅烷憎水剂和/或石蜡乳液憎水剂。本发明提供了一种全新的陶瓷纤维材料憎水化改性工艺，可使陶瓷纤维材料具有优良的憎水性，实现了陶瓷纤维材料整体憎水，从而避免了管道外包覆保护膜因保护不良或的出现破损的情况下出现陶瓷纤维材料吸潮、吸水的问题，进而极大地提高了陶瓷纤维材料的保温性能及使用寿命。实验结果表明，采用本发明方法制备的憎水型陶瓷纤维材料的憎水率≥98％。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种憎水型陶瓷纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
将雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中，并进行干燥，得到憎水型陶瓷纤维材料；
所述憎水改性剂包括水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水；
所述水溶性憎水剂包括硅烷憎水剂和/或石蜡乳液憎水剂。
在本发明提供的制备方法中，首先提供待处理陶瓷纤维材料。其中，所述待处理陶瓷纤维材料包括但不限于硅酸铝纤维材料和/或碱土硅酸盐纤维材料。在本发明提供的一个实施例中，所述硅酸铝纤维材料的主要成分包括Al2O3和SiO2，所述Al2O3在硅酸铝纤维材料中的含量为39～45wt％，所述Al2O3和SiO2在硅酸铝纤维材料中的含量总和≥95wt％。在本发明提供的一个实施例中，所述碱土硅酸盐纤维材料的主要成分包括SiO2、CaO和MgO，所述SiO2、CaO和MgO在碱土硅酸盐纤维材料中的含量总和≥95wt％；在本发明提供的一个实施例中，所述碱土硅酸盐纤维材料的主要成分包括Al2O3、SiO2和MgO，所述Al2O3在碱土硅酸盐纤维材料中的含量为35～45wt％，所述SiO2在碱土硅酸盐纤维材料中的含量为50～60wt％，所述MgO在碱土硅酸盐纤维材料中的含量为2～3wt％。在本发明中，所述待处理陶瓷纤维材料优选为陶瓷纤维毯，所述陶瓷纤维毯的厚度优选为10～100mm，具体可为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm或100mm。在本发明提供的一个实施例中，所述陶瓷纤维毯优选按照以下方法制备得到：
I)将陶瓷纤维材料原料物熔融，得到熔融液；
II)将所述熔融液进行纺丝，得到陶瓷纤维丝；
III)将所述陶瓷纤维丝针刺成毯，之后煅烧定型，得到陶瓷纤维毯。
在本发明提供的上述陶瓷纤维毯的制备方法中，步骤I)中，所述陶瓷纤维材料原料包括但不限于煤矸石熟料、高岭岩熟料、石英砂、熟石灰、镁砂和焦宝石中的一种或多种，具体可包括煤矸石熟料和高岭岩熟料，或包括石英砂、熟石灰和镁砂，或包括煤矸石熟料、焦宝石和镁砂。在本发明提供的一个所述陶瓷纤维材料原料包括煤矸石熟料和高岭岩熟料的实施例中，所述煤矸石熟料和高岭岩熟料的质量比优选为(5～10)：2，具体可为5:2、6:2、7:2、8:2、9:2或10:2。在本发明提供的一个所述陶瓷纤维材料原料包括石英砂、熟石灰和镁砂的实施例中，所述石英砂、熟石灰和镁砂的质量比优选为(60～70):(20～40)：5，更优选为(65～70)：(30～35)：5。在本发明提供的一个所述陶瓷纤维材料原料包括煤矸石熟料、焦宝石和镁砂的实施例中，所述煤矸石熟料、焦宝石和镁砂的质量比优选为(5～10)：(1～3)：0.5，更优选为(8～9)：(1.5～2)：0.5。步骤I)中，所述熔融的温度优选为1500～2500℃，具体可为1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃、1850℃、1900℃、1950℃、2000℃、2050℃、2080℃、2100℃、2150℃、2200℃、2250℃、2300℃、2350℃、2400℃、2450℃或2500℃。步骤II)中，所述纺丝的方式优选为离心甩丝或喷吹纺丝；所述纤维丝的单丝直径优选为3～6μm，具体可为3μm、3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm、5μm、5.1μm、5.2μm、5.3μm、5.4μm、5.5μm、5.6μm、5.7μm、5.8μm、5.9μm或6μm。步骤III)中，所述煅烧定型的温度优选为300～800℃，具体可为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、580℃、590℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃；所述煅烧定型的时间优选为0.5～15min，具体可为0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min、5min、5.5min、6min、6.5min、7min、7.5min、8min、8.5min、9min、9.5min、10min、10.5min、11min、11.5min、12min、12.5min、13min、13.5min、14min、14.5min或15min。
在本发明提供的制备方法中，在获得待处理陶瓷纤维材料后，将雾化的憎水改性剂渗透到所述待处理陶瓷纤维材料中，其中，所述憎水改性剂包括水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水。在本发明中，所述水溶性憎水剂包括硅烷憎水剂和/或石蜡乳液憎水剂；所述水溶性憎水剂的pH值优选为6.5～7；所述水溶性憎水剂的活性物质含固量优选≥60wt％；所述水溶性憎水剂的密度优选为1～1.1kg/m3；所述水溶性憎水剂在25℃下的粘度优选为350～400cst。在本发明提供的一个实施例中，所述硅烷憎水剂的牌号为道康宁520。在本发明中，所述水溶性憎水剂与水的质量比优选为(80～95)：1000，具体可为80:1000、81:1000、82:1000、83:1000、84:1000、85:1000、86:1000、87:1000、88:1000、89:1000、90:1000、91:1000、92:1000、93:1000、94:1000或95:1000。在本发明中，所述表面活性剂可显著降低憎水剂的表面张力，优选包括环氧丙烷(PO)-环氧乙烷(EO)共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚和木质素磺酸盐中的一种或多种；所述脂肪醇聚氧乙烯醚的牌号优选为AEO-3；所述表面活性剂与水的质量比优选为(5～20)：1000，具体可为5:1000、6:1000、7:1000、8:1000、9:1000、10:1000、11:1000、12:1000、13:1000、14:1000、15:1000、16:1000、17:1000、18:1000、19:1000或20:1000。在本发明中，所述硅烷偶联剂可作为憎水剂与纤维之间的“分子桥”或“粘结剂”，提高憎水剂与纤维的粘附能力，所述硅烷偶联剂的牌号优选包括KH550和/或KH570，所述硅烷偶联剂和水的质量比优选为(0.5～2)：1000，具体可为0.5:1000、0.6:1000、0.7:1000、0.8:1000、0.9:1000、1:1000、1.1:1000、1.2:1000、1.3:1000、1.4:1000、1.5:1000、1.6:1000、1.7:1000、1.8:1000、1.9:1000或2:1000。在本发明中，所述憎水改性剂的雾化优选在雾化室中进行，所述雾化的压力优选为0～0.3MPa，具体可为0MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.18MPa、0.2MPa、0.25MPa或0.3MPa。在本发明提供的一个实施例中，通过以下方式将所述雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中：
在待处理陶瓷纤维材料的一侧施加雾化的憎水改性剂，在另一侧施加负压，使所述雾化的憎水改性剂渗透穿过所述待处理陶瓷纤维材料。
在本发明提供的上述渗透方式中，所述负压的压力优选为-0.2～0.02MPa，具体可为-0.2MPa、-0.15MPa、-0.1MPa、-0.08MPa、-0.07MPa、-0.05MPa、-0.03MPa、-0.01MPa、0MPa、0.01MPa或0.02MPa；所述施加负压的时间为1～3min，具体可为1min、1.5min、2min、2.5min或3min。
在本发明提供的制备方法中，在雾化的憎水改性剂向待处理陶瓷纤维材料渗透的过程中，或渗透结束后，对所述陶瓷纤维材料进行干燥。在本发明提供的一个待处理陶瓷纤维材料为陶瓷纤维毯的实施例中，所述干燥的热源优选为煅烧定型得到的所述陶瓷纤维毯中的余热。渗透有憎水改性剂的陶瓷纤维材料干燥完毕后，得到憎水型陶瓷纤维材料。
本发明采用了一种全新的陶瓷纤维材料憎水化改性工艺，可使陶瓷纤维材料具有优良的憎水性，实现了陶瓷纤维材料整体憎水，从而避免了管道外包覆保护膜因保护不良或的出现破损的情况下出现陶瓷纤维材料吸潮、吸水的问题，进而极大地提高了陶瓷纤维材料的保温性能及使用寿命。实验结果表明，采用本发明方法制备的憎水型陶瓷纤维材料的憎水率≥98％。
本发明还提供了一种采用上述技术方案所述制备方法制得的憎水型陶瓷纤维材料。本发明提供的憎水型陶瓷纤维材料采用所述方法制备得到，因此具有优良的憎水性。实验结果表明，本发明提供的憎水型陶瓷纤维材料的憎水率≥98％。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
1)陶瓷纤维毯的制备：
将煤矸石熟料和高岭岩熟料按质量比8:2混合均匀后，在电阻炉中进行连续熔融，熔融温度2100℃。之后，采用离心甩丝工艺，甩丝频率在48-60Hz，把熔融液拉伸成单丝直径为4.2μm纤维。接着，将纤维针刺成毯(3600mm×610mm×50mm)，经煅烧炉550℃煅烧定型12min，得到陶瓷纤维毯。
对制得的陶瓷纤维毯进行化学成分分析，结果为：Al2O339～45wt％，Al2O3+SiO2≥95wt％。
2)陶瓷纤维毯的憎水改性：
将憎水剂(道康宁520)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-3)、KH550硅烷偶联剂和水按照85:15:1:1000的质量比例混合均匀，在雾化室中将其雾化(雾化压力0.2MPa)，得到雾化的憎水改性剂。然后，通过负压装置在压力为-0.08MPa的条件下，将雾化的憎水改性剂从步骤1)制备的陶瓷纤维毯上表面渗透穿过纤维毯下表面，并利用陶瓷纤维毯在煅烧定型时残留的余热对粘附到纤维毯中的憎水改性剂进行干燥，处理2min后，得到憎水型陶瓷纤维毯。
对制备的憎水型陶瓷纤维毯进行性能测试(憎水率执行GB/T10299-2011，抗拉强度执行GB/T17911-2006)，结果为：憎水率为98％，抗拉强度为0.04MPa。
实施例2
1)陶瓷纤维毯的制备：
将煤矸石熟料和高岭岩熟料按质量比8:2混合均匀后，在电阻炉中进行连续熔融，熔融温度在2080℃。之后，采用喷吹工艺，把熔融液拉伸成单丝直径为3.1μm纤维。接着，将纤维针刺成毯(3600mm×610mm×50mm)，经煅烧炉580℃煅烧定型11min，得到陶瓷纤维毯。
对制得的陶瓷纤维毯进行化学成分分析，结果为：Al2O339～45wt％，Al2O3+SiO2≥95wt％。
2)陶瓷纤维毯的憎水改性：
将憎水剂(道康宁520)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-3)、KH550硅烷偶联剂和水按照90:10:1:1000的质量比混合均匀，在雾化室中将其雾化(雾化压力0.18MPa)，得到雾化的憎水改性剂。然后，通过负压装置在压力为-0.08MPa的条件下，将雾化的憎水改性剂从步骤1)制备的陶瓷纤维毯上表面渗透穿过纤维毯下表面，并利用陶瓷纤维毯在煅烧定型时残留的余热对粘附到纤维毯中的憎水改性剂进行干燥，处理2min后，得到憎水型陶瓷纤维毯。
对制备的憎水型陶瓷纤维毯进行性能测试(憎水率执行GB/T10299-2011,抗拉强度执行GB/T17911-2006)，结果为：憎水率为99％，抗拉强度为0.045MPa。
实施例3
1)陶瓷纤维毯的制备：
将石英砂、熟石灰和镁砂按质量比65:30:5混合均匀后，在电阻炉中进行连续熔融，熔融温度1800℃。之后，采用离心甩丝工艺，甩丝频率在48-60Hz，把熔融液拉伸成单丝直径为4.0μm纤维。接着，将纤维针刺成毯(3600mm×610mm×50mm)，经煅烧炉550℃煅烧定型12min，得到陶瓷纤维毯。
对制得的陶瓷纤维毯进行化学成分分析，结果为：CaO 26～32wt％、SiO2 58～69wt％、MgO 4～7wt％，SiO2+CaO+MgO≥95wt％。
2)陶瓷纤维毯的憎水改性：
将憎水剂(道康宁520)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-3)、KH550硅烷偶联剂和水按照85:15:1:1000的质量比混合均匀，在雾化室中将其雾化(雾化压力0.3MPa)，得到雾化的憎水改性剂。然后，通过负压装置在压力为-0.07MPa的条件下，将雾化的憎水改性剂从步骤1)制备的陶瓷纤维毯上表面渗透穿过纤维毯下表面，并利用陶瓷纤维毯在煅烧定型时残留的余热对粘附到纤维毯中的憎水改性剂进行干燥，处理2min后，得到憎水型陶瓷纤维毯。
对制备的憎水型陶瓷纤维毯进行性能测试(憎水率执行GB/T10299-2011,抗拉强度执行GB/T17911-2006)，结果为：憎水率为98％，抗拉强度为0.035MPa。
实施例4
将煤矸石熟料、焦宝石和镁砂按质量比8:1.5:0.5混合均匀后，在电阻炉中进行连续熔融，熔融温度1900℃。之后，采用离心甩丝工艺，甩丝频率在48-60Hz，把熔融液拉伸成单丝直径为3.9μm纤维。接着，将纤维针刺成毯(3600mm×610mm×50mm)，经煅烧炉590℃煅烧定型10min，得到陶瓷纤维毯。
对制得的陶瓷纤维毯进行化学成分分析，结果为：Al2O3 39.4wt％、SiO255.4wt％、MgO 2.8wt％。
2)陶瓷纤维毯的憎水改性：
将憎水剂(道康宁520)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-3)、KH550硅烷偶联剂和水按照90:10:1:1000的质量比混合均匀，在雾化室中将其雾化(雾化压力0.2MPa)，得到雾化的憎水改性剂。然后，通过负压装置在压力为-0.08MPa的条件下，将雾化的憎水改性剂从步骤1)制备的陶瓷纤维毯上表面渗透穿过纤维毯下表面，并利用陶瓷纤维毯在煅烧定型时残留的余热对粘附到纤维毯中的憎水改性剂进行干燥，处理2min后，得到憎水型陶瓷纤维毯。
对制备的憎水型陶瓷纤维毯进行性能测试(憎水率执行GB/T10299-2011，抗拉强度执行GB/T17911-2006)，结果为：憎水率为99.1％，抗拉强度为0.038MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种憎水型陶瓷纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
将雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中，并进行干燥，得到憎水型陶瓷纤维材料；
所述憎水改性剂包括水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水；
所述水溶性憎水剂包括硅烷憎水剂和/或石蜡乳液憎水剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂包括环氧丙烷-环氧乙烷共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚和木质素磺酸盐中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂的牌号包括KH550和/或KH570。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性憎水剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和水的质量比为(80～95)：(5～20)：(0.5～2)：1000。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述雾化的憎水改性剂渗透到待处理陶瓷纤维材料中的方式具体包括：
在待处理陶瓷纤维材料的一侧施加雾化的憎水改性剂，在另一侧施加负压，使所述雾化的憎水改性剂渗透穿过所述待处理陶瓷纤维材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述负压的压力为-0.2～0.02MPa。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述待处理陶瓷纤维材料为陶瓷纤维毯。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷纤维毯按照以下方法制备得到：
I)将陶瓷纤维材料原料物熔融，得到熔融液；
II)将所述熔融液进行纺丝，得到陶瓷纤维丝；
III)将所述陶瓷纤维丝针刺成毯，之后煅烧定型，得到陶瓷纤维毯。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的热源为煅烧定型得到的所述陶瓷纤维毯中的余热。
10.一种权利要求1～9任一项所述制备方法制得的憎水型陶瓷纤维材料。
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