CN112661527B

CN112661527B - 一种可膨胀氧化铝基纤维模块及其制备方法

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Publication number: CN112661527B
Application number: CN202011505075.7A
Authority: CN
Inventors: 岳耀辉; 傅超; 鹿明; 李梅; 王成龙
Original assignee: Shandong Luyang Hot High Technology Ceramic Fiber Co
Current assignee: Shandong Luyang Hot High Technology Ceramic Fiber Co
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112661527A

Abstract

本发明提供了一种可膨胀氧化铝基纤维模块及其制备方法。本发明先将氧化铝纤维分散形成纤维分散液，再与一定的可膨胀粉料、无机结合剂、明矾溶液及糊化淀粉液混合，得到纤维浆料；以上述浆料成型，得到可膨胀氧化铝基纤维模块。本发明制备的氧化铝基纤维模块作为炉衬使用时，在高温条件下具有优异的热膨胀能力，能够有效解决线收缩问题，避免收缩缝的出现，同时，经高温烧后，还能够保持良好的强度。

Description

一种可膨胀氧化铝基纤维模块及其制备方法

技术领域

本发明涉及隔热材料领域，特别涉及一种可膨胀氧化铝基纤维模块及其制备方法。

背景技术

氧化铝纤维相比较其它材质，其具有更高的耐火度。可广泛用于石油化工行业高温加热炉、乙烯裂解炉立柱及拐角部位内衬、转化炉内衬、陶瓷行业快速烧成窑内衬等。

然而，氧化铝纤维模块在1400℃高温炉内作为炉衬材料进行长期使用时，会发生收缩。虽然现有技术在加工和施工过程中采用保护片加持，进行物理压缩，安装过程中会撤掉保护片进行膨胀并做塞缝处理，但因炉内长期使用温度较高，依然会出现收缩，造成收缩缝的大量出现，致使炉衬的保温隔热存在缺陷，影响保温效果；出现收缩缝，还需要进行施工修补，浪费人力物力；而且在加工和施工安装过程中采用保护片的方式比较麻烦。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可膨胀氧化铝基纤维模块及其制备方法。本发明提供的可膨胀氧化铝基纤维模块能够有效克服高温收缩问题，且能够在高温后保持良好的强度。

本发明提供了一种可膨胀氧化铝基纤维模块的制备方法，包括以下步骤：

a)将氧化铝纤维、水和分散剂混合，得到纤维分散液；

b)将所述纤维分散液与可膨胀粉料、无机结合剂、明矾溶液及糊化淀粉液混合，得到纤维浆料；

c)将所述纤维浆料进行成型和干燥，得到可膨胀氧化铝基纤维模块；

所述可膨胀粉料选自有机膨胀粉料和无机膨胀粉料中的一种或几种；

所述有机膨胀粉料为双季戊四醇和三聚氰胺；

所述无机膨胀粉料选自膨胀石墨、水合碱金属硅酸盐、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、火山玻璃和云母中的一种或几种；

所述无机结合剂为低钠硅溶胶。

优选的，所述可膨胀粉料为有机膨胀粉料和无机膨胀粉料；

所述有机膨胀粉料在所述可膨胀粉料中的质量比为20％～50％；

所述无机膨胀粉料的粒度为60～100目；

所述有机粉料的粒度为200～1000目。

优选的，所述双季戊四醇与三聚氰胺的质量比为(1～3)∶1。

优选的，所述低钠硅溶胶的规格为：氧化钠含量＜0.1％，粒度10～20nm，固含量20％～30％，pH值为8～9。

优选的，所述糊化淀粉液为糊化木薯淀粉液；

所述糊化淀粉液通过以下方式获得：

S1、将淀粉与水混合后，得到淀粉悬浮液；

S2、将所述淀粉悬浮液加热糊化，得到糊化淀粉液。

优选的，所述淀粉悬浮液的质量浓度为2％～10％；

所述加热的温度为90～95℃，保温时间为20～40min；

所述步骤S2中，在加热糊化后，还包括：加水稀释；

所述糊化淀粉液的质量浓度为1％～2％。

优选的，所述可膨胀粉末的质量占所述氧化铝纤维与可膨胀粉末总质量的10％～30％，；

所述无机结合剂占所述氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的5％～15％；

所述明矾溶液中的明矾与所述无机结合剂中固含物的质量比为1∶(9～15)；

所述明矾溶液的质量浓度为5％～10％；

所述糊化淀粉液与明矾溶液中明矾的质量比为2％～3％；

所述糊化淀粉液的质量浓度为1％～2％。

优选的，所述分散剂与所述氧化铝纤维的质量比为0.1％～0.5％；

所述分散剂选自聚酰胺环氧氯丙烷树脂、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；

所述步骤a)中，氧化铝纤维与水的质量比为5％～15％；

所述氧化铝纤维的纤维指数≥70％，纤维长度为200～500μm。

优选的，所述步骤b)中，所述混合的顺序为：先将所述纤维分散液与可膨胀粉料、无机结合剂及明矾溶液混合后，再加入糊化淀粉液絮凝，得到纤维浆料；

所述步骤c)中，所述成型包括：将所述纤维浆料注入成型模具，真空吸滤并压榨；

所述真空吸滤的真空度为0.08～0.095MPa；

所述压榨的压力为1～4MPa。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的可膨胀氧化铝基纤维模块。

本发明先将氧化铝纤维分散形成纤维分散液，再与一定的可膨胀粉料、无机结合剂、明矾溶液及糊化淀粉液混合，得到纤维浆料；以上述浆料成型，得到可膨胀氧化铝基纤维模块。本发明制备的氧化铝基纤维模块作为炉衬使用时，在高温条件下具有优异的热膨胀能力，能够有效解决线收缩问题，避免收缩缝的出现，同时，经高温烧后，还能够保持良好的强度。

具体实施方式

a)将氧化铝纤维、水和分散剂混合，得到纤维分散液；

所述有机膨胀粉料为双季戊四醇和/或三聚氰胺；

所述无机膨胀粉料选自膨胀石墨、水合碱金属硅酸盐、蛭石、珍珠岩、火山玻璃和云母中的一种或几种；

所述无机结合剂为低钠硅溶胶。

关于步骤a)：将氧化铝纤维、水和分散剂混合，得到纤维分散液。

本发明中，所述氧化铝纤维的直径优选为4～6μm。所述氧化铝纤维的晶相为莫来石晶相。本发明中，在混料前，优选先对氧化铝纤维进行预处理。所述预处理包括打碎和出渣。经预处理，使氧化铝纤维的纤维指数≥70％，纤维长度为200～500μm。

本发明中，所述分散剂优选为聚酰胺环氧氯丙烷树脂、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。本发明对所述分散剂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。

本发明中，所述分散剂与所述氧化铝纤维的质量比优选为0.1％～0.5％；在本发明的一些实施例中，所述质量比为0.1％、0.15％或5％。所述氧化铝纤维与水的质量比优选为5％～15％；在本发明的一些实施例中，所述质量比为5％、10％或15％。本发明对所述混合的方式没有特殊限制，能够将物料混合分散均匀即可。经混合后，得到纤维分散液。

关于步骤b)：将所述纤维分散液与可膨胀粉料、无机结合剂、明矾溶液及糊化淀粉液混合，得到纤维浆料。

本发明中，所述可膨胀粉料选自有机膨胀粉料和无机膨胀粉料中的一种或几种；更优选为有机膨胀粉料和无机膨胀粉料。所述可膨胀粉料为有机膨胀粉料和无机膨胀粉料时，所述有机膨胀粉料在所述可膨胀粉料中的质量比优选为20％～50％；在本发明的一些实施例中，所述质量比为20％、30％或50％。

其中：

所述有机膨胀粉料为双季戊四醇和/或三聚氰胺；更优选为双季戊四醇和三聚氰胺，二者共同使用，三聚氰胺使双季戊四醇形成泡沫炭层，提供可膨胀性，二者的比例影响泡沫炭层的强度和膨胀倍率。本发明中，所述双季戊四醇与三聚氰胺的质量比优选为(1～3)∶1；在本发明的一些实施例中，所述质量比为1∶1、2∶1或3∶1。本发明中，所述有机膨胀粉末的粒度优选为200～1000目。

所述无机膨胀粉料优选为膨胀石墨、水合碱金属硅酸盐、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、火山玻璃和云母中的一种或几种。其中，所述膨胀石墨即为插层石墨或酸处理过的石墨。所述火山玻璃优选为在玻璃颗粒内掺入了CO₂发泡剂的火山玻璃。本发明中，所述无机膨胀粉料的粒度优选为60～100目。

本发明中，所述可膨胀粉末的质量占所述氧化铝纤维与可膨胀粉末总质量的比例优选为10％～30％；在本发明的一些实施例中，所述比例为30％。

本发明中，所述无机结合剂为低钠硅溶胶(NaO含量＜0.1％)；规格种类优选为：氧化钠含量＜0.1％，粒度10～20nm，SiO₂固含量为20％～30％(优选为30％)，pH为8～9。采用低钠硅溶胶，钠含量较低，不利于低共融产生，有利于用到较高的使用温度工况，而且上述合适的pH值对纤维强度损害较小，有利于保证产品高温烧后的强度性能。

本发明中，优选的，所述无机结合剂占所述氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的5％～15％；在本发明的一些实施例中，上述比例为5％、12％或15％。

本发明中，所述明矾溶液中的明矾与所述无机结合剂中固含物的质量比优选为1∶(9～15)；在本发明的一些实施例中，所述质量比为1∶9、1∶12或1∶15。本发明中，所述明矾溶液为明矾的水溶液，所述明矾溶液的质量浓度优选为5％～10％。

本发明中，所述糊化淀粉液优选为糊化木薯淀粉液。本发明中，所述糊化淀粉液优选通过以下方式获得：

S1、将淀粉与水混合后，得到淀粉悬浮液；

S2、将所述淀粉悬浮液加热糊化，得到糊化淀粉液。

关于步骤S1：本发明对所述混合的方式没有特殊限制，能够将物料混匀即可。本发明中，所述淀粉与水的用量比优选为使所得淀粉悬浮液的质量浓度为2％～10％。

关于步骤S2：本发明中，所述加热的温度优选为90～95℃，保温时间优选为20～40min；在上述条件下，使淀粉充分糊化。所述加热可为热源直接加热或间接蒸汽加热。

本发明中，在上述糊化后，优选还包括：加水稀释。本发明中，加水量优选为使所得糊化淀粉液的质量浓度为1％～2％。本发明中，调制完毕后，将所得糊化淀粉液置于63～66℃条件下贮存备用。

本发明中，所述糊化淀粉液与明矾溶液中明矾的质量比优选为2％～3％；在本发明的一些实施例中，所述质量比为2％、2.5％或3％。

本发明在制备纤维浆料时加入明矾溶液和糊化淀粉液，其中，使无机结合剂从水分散液中脱离，结合到邻近的纤维或者粉料上，同时，通过糊化淀粉强化结合剂和纤维及粉料之间的结合力，从而有利于提高纤维模块的性能。

本发明中，所述步骤b)中的混料顺序优选为：先将所述纤维分散液与可膨胀粉料、无机结合剂及明矾溶液混合后，再加入糊化淀粉液絮凝，得到纤维浆料。更优选的，先将所述纤维分散液与可膨胀粉料混合，再依次加入无机结合剂及明矾溶液，最后加入糊化淀粉液进行絮凝，从而得到纤维浆料。本发明对上述混料的温度没有特殊限制，室温下进行即可，具体可为7～37℃。经混料后，得到纤维浆料。

关于步骤c)：将所述纤维浆料进行成型和干燥，得到可膨胀氧化铝基纤维模块。

本发明中，所述成型优选包括：将所述纤维浆料注入成型模具，真空吸滤并压榨。其中，所述真空吸滤的真空度优选为0.08～0.095MPa。所述压榨的压力优选为1～4MPa。经上述成型操作后，对模块进行干燥。本发明中，所述干燥的温度优选为105～150℃，干燥的时间优选为4～10h。本发明中，在上述干燥后，优选还进行切割，从而获得一定尺寸的受热可膨胀氧化铝基纤维模块。本发明中，所述可膨胀氧化铝基纤维模块的规格优选为：容重为200～1200kg/m³，厚度为200～500mm。

与现有技术相比，本发明制得的可膨胀氧化铝基纤维模块具有以下有益效果：

1、其作为炉衬使用时具有在高温条件下较高的热膨胀能力，有效避免线收缩的情况，规避收缩缝的出现。

2、制备过程中不需要进行焙烧，通过制浆过程中引入特定结合剂及其它物料，使产品在使用过程中具有更高的烧后强度。

3、一次成型即可，不用将纤维毯产品再进行二次挤压，不用再使用保护片加持，安装方便。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

以下实施例中，氧化铝纤维为莫来石晶相，直径为4～6μm。低钠硅溶胶规格为：氧化钠含量＜0.1％，粒度10～20nm，固含量30％，pH值为8～9。

实施例1

S1、将氧化铝纤维打碎、除渣；得到预处理纤维，纤维指数为71％，纤维长度为250μm。

S2、将预处理纤维加入清水中进行分散，然后添加分散剂聚酰胺环氧氯丙烷树脂混合均匀，得到纤维分散液。其中，氧化铝纤维与水的质量比为10％，分散剂与氧化铝纤维的质量比为0.15％。

S3、向纤维分散液中加入可膨胀粉料，混匀。

可膨胀粉料用量占氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的30％。其中，有机膨胀粉料和无机膨胀粉料按50％∶50％混合；有机膨胀粉料为双季戊四醇和三聚氰胺，二者质量比为2∶1；无机膨胀粉料为膨胀蛭石。

S4、向体系中加入低钠硅溶胶和明矾溶液，混匀。

其中，低钠硅溶胶用量占氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的12％；明矾溶液浓度为10％，其中的明矾与低钠硅溶胶中SiO₂固体物的质量比为1∶12。

S5、向体系中加入糊化木薯淀粉液(与明矾溶液中明矾的质量比为2.5％)进行絮凝，得到纤维浆料。

其中，糊化木薯淀粉液通过以下方法获得：

在糊化罐中加入清水，在搅拌条件下加入木薯淀粉，调制成浓度为5％的淀粉悬浮液；然后加热至95℃保温20min，充分糊化；最后加水稀释至浓度为1.5％。调制完毕的糊化淀粉液在63～66℃保存。

S6、将纤维浆料注入成型模具，真空吸滤并压榨，真空度为0.095MPa，压力为2MPa，得到受热可膨胀氧化铝纤维模块。产品容重为400kg/m³，厚度为300mm。

实施例2

S2、将预处理纤维加入清水中进行分散，然后添加分散剂聚酰胺环氧氯丙烷树脂混合均匀，得到纤维分散液。其中，氧化铝纤维与水的质量比为5％，分散剂与氧化铝纤维的质量比为0.1％。

S3、向纤维分散液中加入可膨胀粉料，混匀。

可膨胀粉料用量占氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的10％。其中，有机膨胀粉料和无机膨胀粉料按20％∶80％混合；有机膨胀粉料为双季戊四醇和三聚氰胺，二者质量比为1∶1；无机膨胀粉料为膨胀石墨。

S4、向体系中加入低钠硅溶胶和明矾溶液，混匀。

其中，低钠硅溶胶用量占氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的5％；明矾溶液浓度为5％，其中的明矾与低钠硅溶胶中SiO₂固体物的质量比为1∶9。

S5、向体系中加入糊化木薯淀粉液(与明矾溶液中明矾的质量比为2％)进行絮凝，得到纤维浆料。

其中，糊化木薯淀粉液的制备同实施例1。

S6、将纤维浆料注入成型模具，真空吸滤并压榨，真空度为0.095MPa，压力为2MPa，得到受热可膨胀氧化铝纤维模块。产品尺寸同实施例1。

实施例3

S2、将预处理纤维加入清水中进行分散，然后添加分散剂聚酰胺环氧氯丙烷树脂混合均匀，得到纤维分散液。其中，氧化铝纤维与水的质量比为15％，分散剂与氧化铝纤维的质量比为0.5％。

S3、向纤维分散液中加入可膨胀粉料，混匀。

可膨胀粉料用量占氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的20％。其中，有机膨胀粉料和无机膨胀粉料按30％∶70％混合；有机膨胀粉料为双季戊四醇和三聚氰胺，二者质量比为3∶1；无机膨胀粉料为膨胀珍珠岩。

S4、向体系中加入低钠硅溶胶和明矾溶液，混匀。

其中，低钠硅溶胶用量占氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的15％；明矾溶液浓度为8％，其中的明矾与低钠硅溶胶中SiO₂固体物的质量比为1∶15。

S5、向体系中加入糊化木薯淀粉液(与明矾溶液中明矾的质量比为3％)进行絮凝，得到纤维浆料。

其中，糊化木薯淀粉液的制备同实施例1。

对比例1

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，不添加可膨胀粉料。

对比例2

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，将低钠硅溶胶无机结合剂替换为有机结合剂-丙烯酸乳液(固含量50％，玻璃化温度＞20℃)。

对比例3

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，不加入明矾溶液。

对比例4

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，不加入糊化淀粉液。

实施例4

将纤维模块产品在130℃下干燥6h后，进行加热线变化测试，测试条件为：1400℃下加热24h。同时，测试加热前后产品的抗压强度。

实施例1～3及对比例1～4所得纤维模块产品的测试结果参见表1：

表1实施例1～3及对比例1～4所得产品的性能

由表1测试结果可以看出，本发明实施例1～3所得氧化铝纤维模块经高温后，均未出现线收缩，同时，经高温烧后，仍能保持良好的抗压强度。

与对比例1的效果对比证明，本发明加入可膨胀粉料能够有效避免线收缩问题。与对比例2～4的效果对比证明，本发明采用特定的结合剂，以及引入明矾溶液和糊化淀粉液，从而使所得氧化铝纤维模块经高温后，不出现线收缩，同时，经高温烧后，能够保持良好的抗压强度。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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

1.一种可膨胀氧化铝基纤维模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）将氧化铝纤维、水和分散剂混合，得到纤维分散液；

b）将所述纤维分散液与可膨胀粉料、无机结合剂、明矾溶液及糊化淀粉液混合，得到纤维浆料；

c）将所述纤维浆料进行成型和干燥，得到可膨胀氧化铝基纤维模块；

所述可膨胀粉料为有机膨胀粉料和无机膨胀粉料；

所述有机膨胀粉料为双季戊四醇和三聚氰胺；所述双季戊四醇与三聚氰胺的质量比为（1~3）∶1；

所述无机膨胀粉料的粒度为60~100目；

所述有机膨胀粉料的粒度为200~1000目；

所述有机膨胀粉料在所述可膨胀粉料中的质量比为20%~50%；

所述无机结合剂为低钠硅溶胶；

所述低钠硅溶胶的规格为：氧化钠含量＜0.1%，粒度10~20nm，固含量20%~30%，pH值为8~9；

所述可膨胀粉料的质量占所述氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的10%~30%；

所述无机结合剂占所述氧化铝纤维与可膨胀粉料总质量的5%~15%；

所述明矾溶液中的明矾与所述无机结合剂中固含物的质量比为1∶（9~15）；

所述明矾溶液的质量浓度为5%~10%；

所述糊化淀粉液与明矾溶液中明矾的质量比为2%~3%；

所述糊化淀粉液的质量浓度为1%~2%；

所述分散剂与所述氧化铝纤维的质量比为0.1%~0.5%；

步骤a）中，氧化铝纤维与水的质量比为5%~15%；

所述氧化铝纤维的纤维指数≥70%，纤维长度为200~500 μm。

2.根据权利要求1所述的可膨胀氧化铝基纤维模块的制备方法，其特征在于，所述糊化淀粉液为糊化木薯淀粉液；

所述糊化淀粉液通过以下方式获得：

S1、将淀粉与水混合后，得到淀粉悬浮液；

S2、将所述淀粉悬浮液加热糊化，得到糊化淀粉液。

3.根据权利要求2所述的可膨胀氧化铝基纤维模块的制备方法，其特征在于，所述淀粉悬浮液的质量浓度为2%~10%；

所述加热的温度为90~95℃，保温时间为20~40 min；

步骤S2中，在加热糊化后，还包括：加水稀释。

4.根据权利要求1所述的可膨胀氧化铝基纤维模块的制备方法，其特征在于，步骤b）中，混合的顺序为：先将所述纤维分散液与可膨胀粉料、无机结合剂及明矾溶液混合后，再加入糊化淀粉液絮凝，得到纤维浆料；

步骤c）中，所述成型包括：将所述纤维浆料注入成型模具，真空吸滤并压榨；

所述真空吸滤的真空度为0.08~0.095 MPa；

所述压榨的压力为1~4 MPa。

5.一种权利要求1~4中任一项所述的制备方法制得的可膨胀氧化铝基纤维模块。