CN111253169A - 一种氧化铝纤维整体模块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氧化铝纤维整体模块的制备方法，包括以下步骤：a)将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％；b)将步骤a)得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体；c)将步骤b)得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。与现有技术相比，本发明提供的制备方法得到的氧化铝纤维整体模块使用温度高、容重小且稳定，同时渣球含量低、加热永久线变化小、导热系数低，并且具有优良的耐气流冲刷性，使用寿命长；并且，该制备方法工艺简单、周期短，直接形成整体结构，没有二次加工，对纤维损伤小，产品的隔热性能优良。

Description

一种氧化铝纤维整体模块及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷纤维模块技术领域，更具体地说，是涉及一种氧化铝纤维整体模块及其制备方法。
背景技术
陶瓷纤维模块是为了简化和加快窑炉施工、提高炉衬整体性而推出的新型耐火炉衬制品。该产品颜色洁白、尺寸规整，能直接固定于工业窑炉炉壳钢板锚固钉上，具有良好的耐火隔热效果，提高了窑炉耐火隔热的整体性，推动了窑炉砌砖技术的进步。由于现有的模块存在耐温低，容重大等问题，急需一种更高使用温度和更低容重的新产品或新结构。
氧化铝纤维的使用温度高，渣球含量低，加热永久线变化小。目前国内氧化铝纤维制造厂家制造氧化铝的形式多为氧化铝纤维棉，氧化铝纤维毯，氧化铝纤维折叠块。其中，氧化铝纤维折叠块的制备流程一般是先制备氧化铝纤维毯，之后再对氧化铝纤维毯进行二次折叠、挤压等工艺加工，得到氧化铝纤维折叠块。此种模块的生产过程复杂、周期长；而且，氧化铝毯在折叠后挤压容易造成纤维破坏，从而导致容重减小，隔热性能降低。
而公开号为CN109457386A的中国专利公开了一种陶瓷纤维整体模块及其制备方法，得到的陶瓷纤维整体模块无需折叠挤压加工，废品率低，为整体块状结构，能够实现多方向的挤压膨胀，容重大，在施工中无需用补偿毯，降低了施工难度，保温效果明显提高，耐气流冲刷性能高，使用寿命更长。但是，上述陶瓷纤维整体模块由于制备方法的限制，在1250℃以上的高温窑炉易粉化，隔热性能降低，渣球含量高，容重大，导热系数高，加热永久线变化大，不能满足1300℃高温窑炉需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氧化铝纤维整体模块及其制备方法，本发明提供的制备方法工艺简单、周期短，得到的氧化铝纤维整体模块使用温度高、容重小且稳定，同时渣球含量低、加热永久线变化小、导热系数低，并且具有优良的耐气流冲刷性，使用寿命长。
本发明提供了一种氧化铝纤维整体模块的制备方法，包括以下步骤：
a)将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％；
b)将步骤a)得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体；
c)将步骤b)得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。
优选的，步骤a)中所述第二相氧化物选自氧化硅、氧化锆、氧化硼和氧化镁中的一种或多种；
所述第二相氧化物与聚合氯化铝溶胶中Al2O3的质量比为(0～30)：(70～100)。
优选的，步骤a)中所述添加助剂由质量比为(0.3～0.7)：(4～7)：(0.4～0.8)：(80～120)的乳酸、聚乙烯醇、酒精和水组成；
所述添加助剂的添加量为聚合氯化铝溶胶中Al2O3和第二相氧化物总质量的3％～12％。
优选的，步骤a)中所述反应的温度为80℃～120℃，时间为2h～5h。
优选的，步骤b)中所述成纤的方式为甩丝成纤或喷吹成纤。
优选的，所述甩丝成纤的甩丝辊频率为20Hz～70Hz，成纤距离为5000mm～9000mm，成纤厚度为100mm～1000mm。
优选的，所述喷吹成纤的喷吹压力为0.25MPa～0.85MPa，成纤厚度为100mm～1000mm。
优选的，步骤b)中所述成型的方式为滚筒针刺成型；所述滚筒针刺成型的针刺密度为8针/cm2～35针/cm2。
优选的，步骤c)中所述热处理的过程具体为：
将成型后的纤维坯体在500℃～800℃下轻烧处理1.5h～3h，再在1000℃～1400℃下煅烧1h～4h，得到煅烧后的纤维模块。
本发明还提供了一种氧化铝纤维整体模块，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。
本发明提供了一种氧化铝纤维整体模块的制备方法，包括以下步骤：a)将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％；b)将步骤a)得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体；c)将步骤b)得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。与现有技术相比，本发明提供的制备方法首先采用特定原料及制备工艺获得适合成纤的氧化铝溶胶，再结合特定工艺步骤及条件，实现整体较好的相互作用，得到的氧化铝纤维整体模块使用温度高、容重小且稳定，同时渣球含量低、加热永久线变化小、导热系数低，并且具有优良的耐气流冲刷性，使用寿命长；并且，相比现有氧化铝折叠块的工艺，本发明提供的制备方法工艺简单、周期短，直接形成整体结构，没有二次加工，对纤维损伤小，产品的隔热性能优良。实验结果表明，本发明提供的制备方法得到的氧化铝纤维整体模块的容重为100kg/cm3～240kg/m3，渣球含量(大于70目)＜0.5％，平均温度500℃的导热系数＜0.12W/(m·K)，加热永久线收缩(1400℃×24h)＜1％，可承受的气流速度为60m/s，使用温度为1500℃；而现有陶瓷纤维整体模块的容重为160kg/cm3～260kg/m3，渣球含量(大于70目)＜5％，平均温度500℃的导热系数＜0.13w/(m·K)，加热永久线收缩(1100℃×24h)＜3％，可承受的气流速度为45m/s，使用温度在1250℃以下。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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。
本发明提供了一种氧化铝纤维整体模块的制备方法，包括以下步骤：
a)将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％；
b)将步骤a)得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体；
c)将步骤b)得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。
本发明首先将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶。在本发明中，所述聚合氯化铝溶胶为铝源；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％，优选为25wt％～28wt％。
在本发明中，所述聚合氯化铝溶胶的制备过程优选具体为：
将铝粉、盐酸和蒸馏水混合后，在70℃～90℃下加热回流得到聚合氯化铝溶胶；
更优选为：
将铝粉、盐酸和蒸馏水混合后，在90℃下加热回流得到聚合氯化铝溶胶。本发明对所述铝粉和盐酸的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述铝粉的纯度优选在99％以上，WFe2O3％优选≤0.01％；所述铝粉的粒度优选为200目～600目。
在本发明中，所述铝粉、盐酸(以HCl计)和蒸馏水的摩尔比优选为(1.6～2)：1：(10～30)，更优选为(1.9～2)：1：(18～20)。
在本发明中，所述第二相氧化物优选选自氧化硅、氧化锆、氧化硼和氧化镁中的一种或多种，更优选为氧化硅；本发明对所述第二相氧化物的引入方式没有特殊限制，如氧化硅可通过正硅酸乙酯或酸性硅溶胶引入，氧化锆可通过碱式氯化锆溶液(将碱式氯化锆加水配置成质量分数为20％～30％的溶液)或醋酸锆溶液(固含量为20wt％～25wt％)引入，氧化硼可通过硼酸溶液(质量分数为3％)引入，氧化镁可通过氯化镁溶液(质量分数为25％～35％)引入；进一步转化为相应种类的第二相氧化物。
在本发明中，所述第二相氧化物与聚合氯化铝溶胶中Al2O3的质量比优选为(0～30)：(70～100)，更优选为(20～25)：(75～80)。
本发明对所述混合的过程没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的人工搅拌或机械搅拌的技术方案均可，目的是使各原料混合均匀。
在本发明中，所述添加助剂优选由质量比为(0.3～0.7)：(4～7)：(0.4～0.8)：(80～120)的乳酸、聚乙烯醇、酒精和水组成，更优选由质量比为(0.3～0.5)：(4～6)：(0.4～0.6)：(85～90)的乳酸、聚乙烯醇、酒精和水组成。本发明对所述乳酸、聚乙烯醇和酒精的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可；其中，所述聚乙烯醇的平均分子量优选为103～107，碱化度优选为75～95。
在本发明中，所述添加助剂的添加量优选为聚合氯化铝溶胶中Al2O3和第二相氧化物总质量的3％～12％，更优选为聚合氯化铝溶胶中Al2O3和第二相氧化物总质量的5％～8％。
在本发明中，所述反应的温度优选为80℃～120℃，所述反应的时间优选为2h～5h。
得到所述氧化铝溶胶后，本发明将得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体。在本发明中，所述成纤的目的是通过集棉获得纤维坯体；所述成纤的方式优选为甩丝成纤或喷吹成纤，更优选为甩丝成纤。本发明对所述成纤的设备没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的甩丝机、集棉机及铺网机中的一种或多种组合均可。
在本发明中，所述甩丝成纤的甩丝辊频率优选为20Hz～70Hz，更优选为45Hz～60Hz；所述甩丝成纤的成纤距离优选为5000mm～9000mm，更优选为6000mm～6500mm；所述甩丝成纤的成纤厚度优选为100mm～1000mm，更优选为320mm～370mm。
在本发明中，所述喷吹成纤的喷吹压力优选为0.25MPa～0.85MPa，更优选为0.35MPa～0.75MPa；所述喷吹成纤的成纤厚度优选为100mm～1000mm，更优选为200mm～800mm。
在本发明中，所述成型的方式优选为滚筒针刺成型；采用本领域技术人员熟知的滚筒针刺机实现。本发明采用滚筒针刺，相比普通的针刺(形成毯状)，能够得到厚度更高的坯体，进而通过直接切割就可以形成整体模块；而毯状则需要组装才能形成整体模块。在本发明中，所述滚筒针刺成型的针刺密度优选为8针/cm2～35针/cm2，更优选为20针/cm2～30针/cm2。
得到所述成型后的纤维坯体后，本发明将得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。在本发明中，所述热处理的过程优选具体为：
将成型后的纤维坯体在500℃～800℃下轻烧处理1.5h～3h，再在1000℃～1400℃下煅烧1h～4h，得到煅烧后的纤维模块；
更优选为：
将成型后的纤维坯体在500℃～800℃下轻烧处理2h～2.5h，再在1100℃～1300℃下煅烧1h～4h，得到煅烧后的纤维模块。以上轻烧处理及煅烧的过程优选在空气气氛中进行，本发明对此没有特殊限制。在本发明中，锻烧后纤维收缩大，厚度变化比质量变化大，使体积密度增加。
在本发明中，所述组装的过程优选具体为：
将热处理后的成品切割后，用锚固件连接，然后在其两侧设置保护片并用捆扎带固定，得到氧化铝纤维整体模块。本发明可以根据需求对热处理后的成品进行切割，获得所需尺寸的纤维模块，便于获得不同使用要求的整体产品；同时，以上组装过程并不影响产品整体结构的相应性能的实现。
本发明还提供了一种氧化铝纤维整体模块，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。本发明提供的制备方法首先采用特定原料及制备工艺获得适合成纤的氧化铝溶胶，再结合特定工艺步骤及条件，实现整体较好的相互作用，得到的氧化铝纤维整体模块具有比现有陶瓷纤维整体模块更高的使用温度，更小的容重，更低的渣球含量，更小的加热永久线变化，更低的导热系数，更优良的耐气流冲刷性以及更长的使用寿命；并且，相比现有氧化铝折叠块的工艺，本发明提供的制备方法工艺简单、周期短，直接形成整体结构，没有二次加工，对纤维损伤小，产品的隔热性能优良。
本发明提供了一种氧化铝纤维整体模块的制备方法，包括以下步骤：a)将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％；b)将步骤a)得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体；c)将步骤b)得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。与现有技术相比，本发明提供的制备方法首先采用特定原料及制备工艺获得适合成纤的氧化铝溶胶，再结合特定工艺步骤及条件，实现整体较好的相互作用，得到的氧化铝纤维整体模块使用温度高、容重小且稳定，同时渣球含量低、加热永久线变化小、导热系数低，并且具有优良的耐气流冲刷性，使用寿命长；并且，相比现有氧化铝折叠块的工艺，本发明提供的制备方法工艺简单、周期短，直接形成整体结构，没有二次加工，对纤维损伤小，产品的隔热性能优良。实验结果表明，本发明提供的制备方法得到的氧化铝纤维整体模块的容重为100kg/cm3～240kg/m3，渣球含量(大于70目)＜0.5％，平均温度500℃的导热系数＜0.12W/(m·K)，加热永久线收缩(1400℃×24h)＜1％，可承受的气流速度为60m/s，使用温度为1500℃；而现有陶瓷纤维整体模块的容重为160kg/cm3～260kg/m3，渣球含量(大于70目)＜5％，平均温度500℃的导热系数＜0.13w/(m·K)，加热永久线收缩(1100℃×24h)＜3％，可承受的气流速度为45m/s，使用温度在1250℃以下。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用原料均为市售；其中，铝粉纯度99％以上，WFe2O3％≤0.01％，200目～600目；盐酸(HCl，36.5％)，分析纯；乳酸，工业级；聚乙烯醇，平均分子量为103～107，碱化度为75～95；酒精，工业级；正硅酸乙酯，分析纯；酸性硅溶胶，固含量为20wt％～30wt％。
实施例1
(1)将铝粉、盐酸(以HCl计)和蒸馏水按照摩尔比2：1：18的比例，在90℃下加热回流得到Al2O3含量25wt％的聚合氯化铝溶胶，冷却至室温备用；
将乳酸、聚乙烯醇、酒精和水按照质量比0.5：6：0.6：90的比例常温混合溶解为添加助剂；
按照铝源中氧化铝与第二相氧化物(氧化硅)的质量比为80：20，在聚合氯化铝溶胶中添加正硅酸乙酯混合均匀，并加入氧化铝和氧化硅固含量之和5wt％的添加助剂，在80℃下聚合5h，得到氧化铝溶胶。
(2)将上述胶体加入至甩丝辊中并调整甩丝辊频率为45Hz，成纤距离为6000mm，在集棉机中形成厚度为370mm的纤维坯体，再将其放入滚筒针刺机进行滚筒针刺成型，得到成型后的产品，其针刺密度为30针/cm2，容重为80kg/cm3，厚度为260mm。
(3)将步骤(2)得到的成型后的产品在500℃～600℃下轻烧处理2.5h，再在1100℃～1300℃下煅烧3h～4h，得到煅烧后的产品，将其切割后得到的成品容重为100kg/cm3，厚度为180mm；最后将两块上述切割后的成品用锚固件连接，然后在其两侧设置保护片并用捆扎带固定，得到氧化铝纤维整体模块。
经检测，本发明实施例1提供的制备方法得到的氧化铝纤维整体模块的容重为100kg/cm3，渣球含量(大于70目)为0.4％，平均温度500℃的导热系数为0.112W/(m·K)，加热永久线收缩(1400℃×24h)为0.3％，可承受的气流速度为60m/s，使用温度为1500℃。
实施例2
(1)将铝粉、盐酸(以HCl计)和蒸馏水按照摩尔比1.9：1：20的比例，在90℃下加热回流得到Al2O3含量28wt％的聚合氯化铝溶胶，冷却至室温备用；
将乳酸、聚乙烯醇、酒精和水按照质量比0.3：4：0.4：85的比例常温混合溶解为添加助剂；
按照铝源中氧化铝与第二相氧化物(氧化硅)的质量比为75：25，在聚合氯化铝溶胶中添加酸性硅溶胶混合均匀，并加入氧化铝和氧化硅固含量之和8wt％的添加助剂，在120℃下聚合2h，得到氧化铝溶胶。
(2)将上述胶体加入至甩丝辊中并调整甩丝辊频率为60Hz，成纤距离为6500mm，在集棉机中形成厚度为320mm的纤维坯体，再将其放入滚筒针刺机进行滚筒针刺成型，得到成型后的产品，其针刺密度为20针/cm2，容重为210kg/cm3，厚度为220mm。
(3)将步骤(2)得到的成型后的产品在600℃～800℃下轻烧处理2h，再在1100℃～1300℃下煅烧1h～2h，得到煅烧后的产品，将其切割后得到的成品容重为240kg/cm3，厚度为150mm；最后将两块上述切割后的成品用锚固件连接，然后在其两侧设置保护片并用捆扎带固定，得到氧化铝纤维整体模块。
经检测，本发明实施例2提供的制备方法得到的氧化铝纤维整体模块的容重为240kg/cm3，渣球含量(大于70目)为0.3％，平均温度500℃的导热系数为0.105W/(m·K)，加热永久线收缩(1400℃×24h)为0.3％，可承受的气流速度为60m/s，使用温度为1500℃。
对比例1
采用与实施例1同等规格的市售陶瓷纤维整体模块，厚度为150mm、容重为240kg/cm3；测得其渣球含量(大于70目)为4.8％，平均温度500℃的导热系数为0.13W/(m·K)，加热永久线收缩(1100℃×24h)为2.8％，可承受的气流速度45m/s，使用温度为1250℃。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种氧化铝纤维整体模块的制备方法，包括以下步骤：
a)将聚合氯化铝溶胶和第二相氧化物混合后，加入添加助剂进行反应，得到氧化铝溶胶；所述聚合氯化铝溶胶中Al2O3的含量为25wt％～35wt％；
b)将步骤a)得到的氧化铝溶胶依次进行成纤和成型，得到成型后的纤维坯体；
c)将步骤b)得到的成型后的纤维坯体进行热处理，组装后得到氧化铝纤维整体模块。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述第二相氧化物选自氧化硅、氧化锆、氧化硼和氧化镁中的一种或多种；
所述第二相氧化物与聚合氯化铝溶胶中Al2O3的质量比为(0～30)：(70～100)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述添加助剂由质量比为(0.3～0.7)：(4～7)：(0.4～0.8)：(80～120)的乳酸、聚乙烯醇、酒精和水组成；
所述添加助剂的添加量为聚合氯化铝溶胶中Al2O3和第二相氧化物总质量的3％～12％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述反应的温度为80℃～120℃，时间为2h～5h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述成纤的方式为甩丝成纤或喷吹成纤。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述甩丝成纤的甩丝辊频率为20Hz～70Hz，成纤距离为5000mm～9000mm，成纤厚度为100mm～1000mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述喷吹成纤的喷吹压力为0.25MPa～0.85MPa，成纤厚度为100mm～1000mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述成型的方式为滚筒针刺成型；所述滚筒针刺成型的针刺密度为8针/cm2～35针/cm2。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述热处理的过程具体为：
将成型后的纤维坯体在500℃～800℃下轻烧处理1.5h～3h，再在1000℃～1400℃下煅烧1h～4h，得到煅烧后的纤维模块。
10.一种氧化铝纤维整体模块，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的制备方法制备而成。
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