CN109732746B - 一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具及成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具及成型工艺，包括直径为30‑120mm的管体，管体上设置在管体主体上均匀分布的多个穿孔，所述穿孔的直径为2‑3mm，间距为5‑10mm。穿孔直径及间距是根据管体直径及长度通过大量工艺实验验证得出，穿孔直径若小于2mm,成型过程中容易被浆料堵塞、抽滤及清洗困难，若大于3mm,会造成抽滤不均，甚至脱模困难，间距若小于5mm，则造成抽滤力度太大，坯体密度增加，影响透气性并造成坯体脱模困难，间距若大于10mm，抽滤力度太小缠绕过程中陶瓷浆料容易流趟、造成坯体不均。本发明所述成型模具可有效保证成型坯体结构均匀，可适用于管状或烛型过滤元件成型。

Description

一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具及成型工艺

技术领域

本发明涉及陶瓷过滤材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具及成型工艺。

背景技术

陶瓷过滤材料具有耐高温、热稳定性好等优点，可广泛用作热气体净化材料、催化剂载体等。其中陶瓷纤维过滤材料尤其是连续纤维增强的陶瓷过滤材料具有孔隙率高、热稳定性好、过滤阻力低、断裂韧性好等优点，在高温气体净化领域显示巨大优越性。

连续纤维增强陶瓷过滤元件制备工艺包括纤维编织工艺和缠绕工艺，其中缠绕工艺具有工艺简单、生产成本低等优点，具有较大发展前景。连续纤维缠绕工艺是指以耐高温的连续陶瓷纤维为主要原料，纤维通过短纤维浆料浸渍，在模具上连续缠绕形成需要形状(附图1)，然后脱模、干燥、高温烧成。专利EP0960023A1、US4092194均有这方面描述。

纤维缠绕成型过滤材料关键技术包括浆料控制、缠绕成型参数控制、成型模具设计、成型及脱模技术等，现有专利技术主要集中在纤维浆料制备、缠绕工艺参数控制方面，而对成型模具设计、成型及脱模技术方面并没有描述。如何制备结构均匀的纤维增强陶瓷过滤元件，实现大尺寸薄壁制品的顺利脱模也是连续纤维缠绕工艺制备陶瓷过滤元件必须解决的一大难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具及成型工艺。

根据本发明的一个方面，提供了一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具，包括直径为30-120mm、长度为1500-3000mm的管体，管体上设置在管体主体上均匀分布的多个穿孔，所述穿孔的直径为2-3mm，两穿孔之间的间距为5-10mm。穿孔直径若小于2mm,成型过程中容易被浆料堵塞、抽滤及清洗困难，若直径大于3mm,会造成抽滤不均，甚至脱模困难。

其中，罐体材质可为金属。

进一步的，该成型模具，沿长度方向和脱模方向锥度不小于2％，否则，锥度太小，由于干燥坯体强度较低，会造成脱模困难。

进一步的，所述成型模具的封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，所述成型模具的开口端与真空系统连接。

进一步的，真空系统包括压缩气体管路，所述成型模具的开口端设置内螺纹，所述成型模具通过所述内螺纹与真空旋转接头的螺纹连接实现与所述压缩气体管路相连。

所述成型模具的开口端部包括延伸定位部、活动连接管口部，所述延伸定位部呈喇叭状，所述活动连接管口部设置内螺纹，所述成型模具通过所述内螺纹与真空旋转接头的螺纹连接实现与所述压缩气体管路相连。

根据本发明的另一个方面，提供了一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，包括以下步骤：

将上述任一所述的成型模具的封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，所述的成型模具的开口端与真空系统连接，在所述成型模具外包覆过滤布；

将带有短纤维陶瓷浆料的连续纤维以预设角度，在真空作用下，在旋转的所述成型模具上反复缠绕成预设形状及厚度的坯体，取下所述成型模具及所述坯体，然后经干燥、脱模即得。

通过在所述成型模具表面包覆过滤布，一方面便于成型，另一方面高温干燥过程中，滤布不会损坏，坯体容易脱模。

进一步的，所述成型模具外包覆过滤布之前预先在所述成型模具表面均匀涂抹润滑剂，润滑剂的量以不堵塞所述成型模具的穿孔为准。

其中，润滑剂应为耐温100℃以上，非水溶性润滑剂。

所述过滤布为耐温500℃以上的玻璃纤维、陶瓷纤维或耐高温不锈钢网中一种，优选耐高温不锈钢网，所述过滤布厚度为0.2-0.5mm。若滤布过厚，一方面模具表面不容易包覆，另一方面会造成抽滤压力增大。

短纤维陶瓷浆料中含有粘合剂，所述粘合剂为淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或几种。提供成型坯体强度和干燥脱模强度。

使所述坯体在较低温度下(80-120℃)干燥即可获得足够脱模强度，无需如现有技术中需要在200℃以上干燥脱模。

进一步，上述成型工艺中，缠绕过程真空度控制在0.02-0.06MPa,真空度太小，缠绕过程中陶瓷浆料容易流趟、造成坯体不均。如成型真空度过大，则会造成坯体密度增加，影响透气性并造成坯体脱模困难。

上述成型工艺中，坯体连同模具一起放入烘干窑内进行干燥，干燥温度80-120℃，时间4-10hr,若干燥温度低，坯体强度较低，脱模过程中坯体容易损坏。相反，若干燥温度过高，同样会造成有机粘合剂强度下降，影响坯体强度，造成脱模困难。

进一步的，为便于坯体脱模，干燥后的坯体需预先采用0.2-0.4MPa的压缩空气沿模具开口端向坯体内部进行鼓气,以使坯体在模具上进一步松动。

进一步的，将产品干燥后，将缠绕成型的管状陶瓷膜两端进行切割，产生纤维膜产品与多孔金属层平齐的端面，然后清理模具尾部。最后采用传统脱模方式脱模。

如采用高硅氧连续纤维，料浆按照20％(wt％)莫来石纤维，0.5％(wt％)羧甲基纤维素，30％(wt％)硅溶胶和水配制，使用本专利所述模具及工艺成型，干燥后1200℃烧成，获得的产品性能数据如表1所述。

表1:产品性能数据

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明示例的连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具，包括直径为30-120mm、长度为1500-3000mm的管体，管体上设置在管体主体上均匀分布的多个穿孔，所述穿孔的直径为2-3mm，两穿孔之间的间距为5-10mm。结构简单、制造成本低，穿孔直径及间距是根据管体直径及长度通过大量工艺实验验证得出，穿孔直径若小于2mm,成型过程中容易被浆料堵塞、抽滤及清洗困难，若直径大于3mm,会造成抽滤不均，甚至脱模困难，间距若小于5mm，造成抽滤力度太大，造成坯体密度增加，影响透气性并造成坯体脱模困难，间距若大于10mm，抽滤力度太小缠绕过程中陶瓷浆料容易流趟、造成坯体不均。本发明所述成型模具可有效保证成型坯体结构均匀，可适用于管状或烛型过滤元件成型。

2、本发明示例的连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，通过使用上述成型模具进行连续纤维增强的陶瓷过滤元件成型，可有效保证成型坯体结构均匀，便于脱模，通过在所述成型模具表面包覆过滤布，一方面便于成型，另一方面高温干燥过程中，滤布不会损坏，便于坯体进行脱模。

3、本发明示例的连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，通过使用上述成型模具及在所述成型模具表面包覆过滤布进行连续纤维增强的陶瓷过滤元件成型，加之由于短纤维陶瓷浆料中含有粘合剂，所述粘合剂为淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或几种，使所述坯体在较低温度下(80-120℃)干燥即可获得足够脱模强度，而无需如现有技术需在200℃以上干燥脱模。同时坯体干燥前后由于采用压缩气体进行预处理，所述坯体容易与所述成型模具分离，脱模容易，防止坯体在脱模过程中破损或结构破坏，该工艺尤其解决了大尺寸制品脱模技术难题。

附图说明

图1为实施例一成型模具一种结构的示意图；

图2为实施例一成型模具另一种结构的示意图；

图3为管状过滤元件的结构示意图；

图4为烛型过滤元件的结构示意图；

图5为实施例一连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型设备示意图，

图中，1成型模具，2穿孔，3旋转卡盘，4真空系统，5内螺纹，6延伸定位部，7活动连接管口部，8张力器，9法兰，10定位孔，11浆料槽。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例提供了一种陶瓷缠绕成型用多孔模具，即连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具1。包括直径为30-120mm、长度为1500-3000mm的管体，管体上设置在管体主体上均匀分布的多个穿孔2，所述穿孔2的直径为2-3mm，两穿孔2之间的间距为5-10mm，管体材质优选金属。穿孔2直径若小于2mm,成型过程中容易被浆料堵塞、抽滤及清洗困难，若直径大于3mm,会造成抽滤不均，甚至脱模困难。该成型模具，沿长度方向和脱模方向锥度不小于2％，否则，锥度太小，由于干燥坯体强度较低，会造成脱模困难。

在成型时，所述成型模具的封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘3上，所述成型模具的开口端通过旋转接头与真空系统4连接。其中，真空系统还包括压缩气体管路，所述成型模具的开口端设置内螺纹5，如图1所示，所述成型模具通过所述内螺纹5与真空旋转接头的螺纹连接进而实现与所述压缩气体管路相连。当成型烛式过滤元件时，为便于封底，开口一端管径要尽量小，故所述成型模具的开口端部可以包括延伸定位部6、活动连接管口部7，所述延伸定位部6呈喇叭状，所述活动连接管口部7设置内螺纹，如图2所示，所述成型模具通过所述内螺纹与真空旋转接头的螺纹连接进而实现与所述压缩气体管路相连。

本实施例连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具结构简单、制造成本低，成型坯体结构均匀，可适用于管状或烛型过滤元件成型，如图3-4所示，烛型过滤元件两端部还包括法兰9及定位孔10。

本实施例还提供一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，将上述任一所述的成型模具的封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘3上，所述的成型模具1的开口端通过旋转接头与真空系统连接。预先将所述成型模具1表面均匀的涂抹润滑剂，润滑剂的量不应堵塞模具上的孔。然后包覆一层过滤布，缠绕时，连续纤维经张力器8拉紧后通过装有短纤维浆料的浆料槽11，并以一定角度沿所述成型模具1，在真空作用下，沿旋转的所述成型模具1上反复缠绕至需要形状及厚度的坯体，取下所述成型模具1及所述坯体，然后将干燥、脱模即得，其中，表面润滑剂为耐温100℃以上非水溶性润滑剂，短纤维浆料中含有有机粘合剂，所述粘合剂可为淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇中一种或几种，用于提供成型坯体强度和干燥脱模强度。

所述过滤布为耐温500℃以上的玻璃纤维、陶瓷纤维或耐高温不锈钢网中一种，最好是耐高温不锈钢网，滤布厚度0.2-0.5mm,滤布过厚，一方面模具表面不容易包覆，另一方面会造成抽滤压力增大。

缠绕过程真空度控制在0.02-0.06MPa,真空度太小，缠绕过程中陶瓷浆料容易流趟、造成坯体不均。如成型真空度过大，则会造成坯体密度增加，影响透气性并造成坯体脱模困难。

坯体连同所述成型模具1一起放入烘干窑内进行干燥，干燥温度80-120℃，时间4-10hr,干燥温度低，坯体强度较低，脱模过程中坯体容易损坏。相反，若干燥温度过高，同样会造成有机粘合剂强度下降，影响坯体强度，造成脱模困难。

为了便于坯体脱模，干燥后坯体预先采用0.2-0.4MPa的压缩空气沿模具开口端向所述坯体内部进行鼓气,以使坯体在模具上进一步松动。

将产品干燥后，将缠绕成型的管状陶瓷膜两端进行切割，产生纤维膜产品与多孔金属层平齐的端面，然后清理模具尾部。最后采用传统脱模方式脱模。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：

按上述实施例设计加工直径40mm、有效长度1500mm的多孔成型模具，将模具封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，另一端通过旋转接头与真空系统连接。缠绕时，连续纤维通过含有羧甲基纤维素、聚乙烯醇的短纤维浆料，并以一定角度沿模具进行缠绕。缠绕过程除初始真空度控制在0.02MPa,随着缠绕进行，真空度逐渐提高到0.06MPa,坯体厚度达到10mm时，停止缠绕，移去真空系统，取出所述成型模具，放入烘干窑的干燥室内干燥脱模。

坯体经100℃温度干燥3小时，冷却后首先采用0.2-0.4MPa压缩空气从模具内部向外鼓起20-30s，将坯体两端切割，使坯体与滤布平齐，将模具尾部擦干净，然后置于脱模机上进行脱模。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：

按上述实施例设计加工直径60mm、有效长度1600mm的多孔成型模具，将模具封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，另一端通过旋转接头与真空系统连接。缠绕时，连续纤维通过含有羧甲基纤维素、聚乙烯醇(用量1:2)的短纤维浆料，并以一定角度沿模具进行缠绕。缠绕过程除初始真空度控制在0.02MPa,随着缠绕进行，真空度逐渐提高到0.05MPa,坯体厚度达到11mm时，停止缠绕，移去真空系统，取出所述成型模具，放入烘干窑的干燥室内干燥脱模。

坯体经80℃温度干燥10小时，冷却后首先采用0.3-0.35MPa压缩空气从模具内部向外鼓起20-30s，将坯体两端切割，使坯体与滤布平齐，将模具尾部擦干净，然后置于脱模机上进行脱模。

实施例四：

本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：

按上述实施例设计加工直径30mm、有效长度1300mm的多孔成型模具，将模具封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，另一端通过旋转接头与真空系统连接。缠绕时，连续纤维通过含有淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇(用量1:2:3)的短纤维浆料，并以一定角度沿模具进行缠绕。缠绕过程除初始真空度控制在0.03MPa,随着缠绕进行，真空度逐渐提高到0.04MPa,坯体厚度达到10mm时，停止缠绕，移去真空系统，取出所述成型模具，放入烘干窑的干燥室内干燥脱模。

坯体经120℃温度干燥4小时，冷却后首先采用0.3-0.35MPa压缩空气从模具内部向外鼓起24-25s，将坯体两端切割，使坯体与滤布平齐，将模具尾部擦干净，然后置于脱模机上进行脱模。

实施例五：

本实施例与实施例一相同的特征不再赘述，本实施例与实施例一不同的特征在于：

按上述实施例设计加工直径120mm、有效长度3000mm的多孔成型模具，将模具封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，另一端通过旋转接头与真空系统连接。缠绕时，连续纤维通过含有淀粉、聚乙烯醇(用量1:2)的短纤维浆料，并以一定角度沿模具进行缠绕。缠绕过程除初始真空度控制在0.03MPa,随着缠绕进行，真空度逐渐提高到0.04MPa,坯体厚度达到11mm时，停止缠绕，移去真空系统，取出所述成型模具，放入烘干窑的干燥室内干燥脱模。

坯体经90℃温度干燥6小时，冷却后首先采用0.3-0.35MPa压缩空气从模具内部向外鼓起24-25s，将坯体两端切割，使坯体与滤布平齐，将模具尾部擦干净，然后置于脱模机上进行脱模。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (4)

1.一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型模具，其特征是，包括直径为30-120mm、长度为1500-3000mm的管体，管体上设置在管体主体上均匀分布的多个穿孔，所述穿孔的直径为2-3mm，两穿孔之间的间距为5-10mm，

所述成型模具的封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，所述成型模具的开口端与真空系统连接，

真空系统包括压缩气体管路，所述成型模具的开口端设置内螺纹，所述成型模具通过所述内螺纹与真空旋转接头的螺纹连接实现与所述压缩气体管路相连，

所述成型模具的开口端部包括延伸定位部、活动连接管口部，所述延伸定位部呈喇叭状，所述活动连接管口部设置内螺纹，所述成型模具通过所述内螺纹与真空旋转接头的螺纹连接实现与所述压缩气体管路相连。

2.一种连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，其特征是，包括以下步骤：

将权利要求1所述的成型模具的封闭端固定在缠绕设备旋转卡盘上，所述的成型模具的开口端与真空系统连接，在所述成型模具外包覆过滤布；

将带有短纤维陶瓷浆料的连续纤维以预设角度，在真空作用下，在旋转的所述成型模具上反复缠绕成预设形状及厚度的坯体，取下所述成型模具及所述坯体，然后经干燥、脱模即得，短纤维陶瓷浆料中含有粘合剂，所述粘合剂为淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或几种，坯体干燥温度为80-120℃，脱模之前需采用0.2-0.4MPa的压缩空气沿模具开口端向所述坯体内部进行鼓气,以使所述坯体在所述成型模具上松动。

3.根据权利要求2所述的连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，其特征是，所述成型模具外包覆过滤布之前预先在所述成型模具表面均匀涂抹润滑剂，润滑剂的量以不堵塞所述成型模具的穿孔为准。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强的陶瓷过滤元件的成型工艺，其特征是，所述过滤布为耐温500℃以上的玻璃纤维、陶瓷纤维或耐高温不锈钢网中一种，所述过滤布厚度为0.2-0.5mm。

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