CN112892238A - 一种连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件及制备方法。包括连续玻璃纤维、短切陶瓷纤维，短切陶瓷纤维粘附在连续玻璃纤维上，粘附有短切陶瓷纤维的连续玻璃纤维依据陶瓷纤维过滤元件缠绕成型，其中，连续玻璃纤维形成过滤材料骨架，提供过滤材料机械支撑强度，短切陶瓷纤维可以有效增加了过滤材料的孔隙结构，降低过滤阻力，连续玻璃纤维与短切陶瓷纤维通过低熔点玻璃相牢固结合一起，实现膜材料的高温强度。体积0.6‑0.7g/cm3,气孔率65‑75％，孔径30‑80微米，机械强度3‑5MPa,在1m/min风速下初始过滤阻力小于300Pa,最高使用温度可以达到450℃以上。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域中陶瓷过滤材料领域,具体涉及一种连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件及制备方法。
背景技术
陶瓷纤维过滤材料具有孔隙率高、过滤阻力低、热稳定性好等优点，在热气体净化领域具有广阔的应用前景，目前已开发的陶瓷纤维过滤材料主要有两种，其一为短纤维抽滤成型的陶瓷纤维过滤材料(CN101966410)，另一种为采用缠绕工艺制备的连续陶瓷纤维与短纤维复合的陶瓷纤维过滤材料(US5836587)。前者由于机械强度较低、耐气体冲蚀能力差，因而使用寿命相对较短。后者虽然具有较高的机械强度，但由于连续陶瓷纤维短缺及较高价格，导致过滤元件的制造成本较高，难以大面积推广。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件及制备方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，包括连续玻璃纤维、短切陶瓷纤维，所述短切陶瓷纤维粘附在连续玻璃纤维上，粘附有短切陶瓷纤维的连续玻璃纤维依据所述陶瓷纤维过滤元件缠绕成型，其中，所述连续玻璃纤维与短切陶瓷纤维通过低熔点玻璃相牢固结合一起。
进一步的，所述陶瓷纤维过滤元件为烛型或管式结构。
进一步的，所述陶瓷纤维过滤元件的气孔率大于65％，孔径为30-80微米。
进一步的，所述低熔点玻璃相通过低温结合剂经烧制所得。低温结合剂归属于通过短切陶瓷纤维、低温结合剂、粘合剂加水搅拌混合制成的陶瓷短纤维浆料。
其中，陶瓷短纤维浆料的制备过程包括：
将陶瓷短纤维与水和硅溶胶、硼类化合物的混合液混合，充分搅拌、分散搅拌制得陶瓷纤维分散液；
将所述陶瓷纤维分散液混合粘合剂继续搅拌即得。
具体是将短切长度小于10mm陶瓷短纤维按一定比例放入水与硅溶胶、硼酸等硼类化合物混合液中，在600-800rpm转速下充分搅拌、分散搅拌60-120min，制备纤维长度为0.1-2mm的陶瓷纤维分散液，然后再加入加入适量的甲基纤维素作为粘合剂继续搅拌30-50min,制成具有一定粘度的陶瓷纤维浆料。
进一步的，所述低熔点玻璃相通过低温结合剂经烧制所得。具体为混熔点相对较低硅溶胶和硼类化合物的混合物。加入量占整个纤维浆料30-52％,结合剂混熔温度低于900℃，并且通过硅、硼比例控制可调节热处理时的烧成温高低。
进一步的，连续玻璃纤维为无碱玻璃纤维或中碱玻璃纤维纱线，最好选用熔点较高的无碱玻璃纤维，玻璃纤维为多束纤维丝构成，可以为有捻或无捻纱线，纱线规格为200-800Tex，优选300-500Tex。
短陶瓷纤维浆料中短陶瓷纤维为短切的硅酸铝纤维、多晶莫来石纤维、氧化铝纤维、高硅氧纤维中一种或几种。纤维直径3-10微米，长度0.1-2mm，最好0.5-1mm，加入量占整个纤维浆料10-20wt％，短切陶瓷纤维的加入可以有效增加过滤元件的孔隙率结构，降低过滤阻力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种根据上述任一所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件的制备方法，包括以下步骤：
粘附有陶瓷短纤维浆料的连续玻璃纤维通过缠绕工艺在真空模具上缠绕成型，然后经干燥脱模、高温热处理制成所述陶瓷纤维过滤元件，通过连续玻璃纤维上粘附有陶瓷短纤维浆料实现短纤维浆料在连续玻璃纤维上的附着。
所述方法主要通过连续玻璃纤维纤维、短切陶瓷纤维、低温烧结的陶瓷结合剂相互作用构成，连续纤维在缠绕过程中通过与含有低温结合剂的陶瓷短纤维浆料充分复合，成型所需尺寸的长管状或烛型形状坯体后干燥脱模、然后低温烧成。
制得的过滤元件为烛型结构或管式结构，体积密度0.6-0.7g/cm3,气孔率65-75％，孔径30-80微米，机械强度3-5MP,在1m/min风速标准条件下(空气25℃)过滤阻力小于300Pa,过滤元件最高使用温度可以达到450℃以上。该发明的高温陶瓷纤维过滤材料具有重量轻、气孔滤高、过滤阻力小、机械强度高等优点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明示例的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，包括连续玻璃纤维、短切陶瓷纤维，所述短切陶瓷纤维粘附在连续玻璃纤维上，粘附有短切陶瓷纤维的连续玻璃纤维依据所述陶瓷纤维过滤元件缠绕成型，其中，连续玻璃纤维形成过滤材料骨架，提供过滤材料机械支撑强度，短切陶瓷纤维可以有效增加了过滤材料的孔隙结构，降低过滤阻力，所述连续玻璃纤维与短切陶瓷纤维通过低熔点玻璃相牢固结合一起，实现膜材料的高温强度。
2、本发明示例的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件的制备方法，将粘附有陶瓷短纤维浆料的连续玻璃纤维通过缠绕工艺在真空模具上缠绕成型，然后经干燥脱模、高温热处理制成所述陶瓷纤维过滤元件，短纤维浆料在连续玻璃纤维上的附着通过连续玻璃纤维上粘附有陶瓷短纤维浆料进而实现。与传统的抽滤成型短纤维过滤元件相比，在不失去韧性的前提下，纤维过滤元件强度可以提高3-5倍。而与连续陶瓷纤维缠绕复合的陶瓷纤维过滤元件相比，由于采用低成本连续玻璃纤维代替昂贵的连续陶瓷纤维，玻璃纤维成本约为陶瓷纤维1/4-1/5，可以使纤维过滤元件的制造成本降低1/3以上，且制品烧成温度低、过滤阻力小，便于大面积应用推广。本发明的连续玻璃纤维增强陶瓷纤维过滤元件，体积0.6-0.7g/cm3,气孔率65-75％，孔径30-80微米，机械强度3-8MPa,在1m/min风速下过滤阻力小于300Pa,最高使用温度可以达到450℃以上，该发明的高温陶瓷纤维过滤材料具有重量轻、气孔滤高、过滤阻力小、机械强度高等优点。
附图说明
图1为本发明的玻璃连续纤维增强的陶瓷纤维过滤元件烛型结构示意图；
图2为连续玻璃纤维增强陶瓷纤维成型工艺设备。
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
如图1所示，一种连续纤维增强的高温陶瓷纤维过滤元件的制备工艺，将短切5mm以下的多晶莫来石纤维1500g，加入装有6000g水和4000g浓度30％硅溶胶和400g硼酸混合液的搅拌容器内，在600rpm转速下高速搅拌60min，制备纤维长度为0.1-2mm的陶瓷纤维分散液，然后再加入100g羧甲基纤维素继续搅拌30-40min，制成一定浓度和粘度的短纤维浆料。
选用为350Tex有捻无碱玻璃纤维纱线，连续玻璃纤维团的该连续玻璃纤维经张力器穿过承装有上述短纤维浆料的浆料槽，使陶瓷短纤维浆料粘附在连续玻璃纤维上，将粘附有陶瓷短纤维浆料的连续玻璃纤维按照图2所示的缠绕工艺在真空旋转模具上成型，真空成型模具连接真空泵且通过旋转支架进行旋转，通过控制缠绕工艺参数和模具真空度，制成长短纤维复合比例为1：1.5成型坯体，坯体经干燥、脱模800℃烧成。制成直径70mm.壁厚15mm、长度2000mm的陶瓷纤维过滤元件，过滤元件体积密度0.71g/cm3，气孔率68％，平均孔径52微米，抗压强度4.3MPa陶瓷纤维过滤元件，过滤元件在标准工况条件下，1m/min过滤风速时的透气阻力220Pa，最高使用温度450℃。
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：
短纤维为多晶莫来石纤维，加入量2000g，采用相同工艺制成坯体中长短纤维复合比例为1：2，800℃烧成。获得过滤元件体积密度为0.68g/cm3，气孔率72％，平均孔径50微米，抗压强度3.8MPa。1m/min过滤风速时，过滤元件透气阻力为150Pa，最高使用温度450℃。
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：
短纤维为短切的的硅酸铝纤维，加入量1500g，所制成坯体中长短纤维复合比例为1：1.5，850℃烧成。过滤元件体积密度0.66g/cm3，气孔率71％，平均孔径42微米，抗压强度3.2MPa。1m/min过滤风速下过滤元件的透气阻力为230Pa，最高使用温度450℃。
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：
短纤维为硅酸铝纤维和多晶莫来石纤维，其中硅酸铝纤维加入量1000g，多晶莫来石纤维加入量1000g,采用相同工艺制成长短纤维复合比例为1：1.5坯体，850℃烧成。过滤元件体积密度0.68g/cm3，气孔率74％，平均孔径45微米，抗压强度3.8MPa陶瓷纤维过滤元件。1m/min过滤风速下过滤元件的透气阻力为180Pa，最高使用温度450℃。
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：短陶瓷纤维为多晶莫来石纤维，加入量2000g,多晶莫来石纤维在水及硅溶胶、硼酸的混合液中高速搅拌90min,采用相同工艺制成长短纤维复合比例为1：2成型坯体，850℃烧成。所得过陶瓷纤维滤元件体积密度0.71g/cm3，气孔率68％，平均孔径42微米，抗压强度4.8MPa，1m/min过滤风速下过滤元件的透气阻力为250Pa，最高使用温度450℃。
实施例六
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：短陶瓷纤维为多晶莫来石纤维，加入量2000g,混合液中水加入量4000g,硅溶胶加入量6000g,采用相同工艺制成长短纤维复合比例为1：1.5成型坯体，850℃烧成。所得过陶瓷纤维滤元件体积密度0.72g/cm3，气孔率66％，平均孔径48微米，抗压强度6.4MPa，1m/min过滤风速下过滤元件的透气阻力为280Pa，最高使用温度450℃。
实施例七
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：多晶莫来石纤维加入量2000g,混合液中硼酸加入量200g,采用相同工艺制成长短纤维复合比例为1：1.5成型坯体，850℃烧成。所得过陶瓷纤维滤元件体积密度0.68g/cm3，气孔率70％，平均孔径50微米，抗压强度3.1MPa，1m/min过滤风速下过滤元件的透气阻力为160Pa，最高使用温度450℃。
实施例八
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：
将短切10mm以下的氧化铝纤维1200g，加入装有6000g水和4000g浓度30％硅溶胶和400g硼酸混合液的搅拌容器内，在800rpm转速下高速搅拌60min，制备纤维长度为0.5-1mm的陶瓷纤维分散液，然后再加入100g羧甲基纤维素继续搅拌30-40min，制成一定浓度和粘度的短纤维浆料。
选用为400Tex有捻无碱玻璃纤维纱线，按照图2所示的缠绕工艺在真空旋转模具上成型，控制缠绕工艺参数和模具真空度，制成长短纤维复合比例为1：1.5成型坯体，坯体经干燥、脱模，850℃烧成，制成直径70mm、壁厚14mm、长度2000mm的陶瓷纤维过滤元件。
实施例九
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：
将短切8mm以下的石英纤维2625g，加入装有6000g水和4000g浓度30％硅溶胶和400g硼酸混合液的搅拌容器内，在700rpm转速下搅拌80min，制备纤维长度为0.5-1mm的陶瓷纤维分散液，然后再加入100g羧甲基纤维素继续搅拌50min，制成一定浓度和粘度的短纤维浆料。
选用为500Tex有捻无碱玻璃纤维纱线，按照图2所示的缠绕工艺在真空旋转模具上成型，控制缠绕工艺参数和模具真空度，制成长短纤维复合比例为1：2成型坯体，坯体经干燥、脱模，850℃烧成，制成直径70mm、壁厚15mm、长度2000mm的陶瓷纤维过滤元件。
实施例十
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：
将短切6mm以下的高硅氧纤维1500g，加入装有6000g水和3500g浓度35％硅溶胶和400g硼酸混合液的搅拌容器内，在800rpm转速下高速搅拌60min，制备纤维长度为0.1-2mm的陶瓷纤维分散液，然后再加入150g羧甲基纤维素继续搅拌30-40min，制成一定浓度和粘度的短纤维浆料。
选用为800Tex无捻中碱玻璃纤维纱线，按照图2所示的缠绕工艺在真空旋转模具上成型，控制缠绕工艺参数和模具真空度，制成长短纤维复合比例为1：1.5成型坯体，坯体经干燥、脱模，850℃烧成，制成直径70mm、壁厚15mm、长度2000mm的陶瓷纤维过滤元件。
实施例十一
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：选用为200Tex无捻无碱玻璃纤维纱线。
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 (10)
1.一种连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，包括连续玻璃纤维、短切陶瓷纤维，所述短切陶瓷纤维粘附在连续玻璃纤维上，粘附有短切陶瓷纤维的连续玻璃纤维依据所述陶瓷纤维过滤元件缠绕成型，其中，所述连续玻璃纤维与短切陶瓷纤维通过低熔点玻璃相牢固结合一起。
2.根据权利要求1所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，所述陶瓷纤维过滤元件为烛型或管式结构。
3.根据权利要求1所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，所述陶瓷纤维过滤元件的气孔率大于65％，孔径为30-80微米。
4.根据权利要求1所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，所述低熔点玻璃相通过低温结合剂经烧制所得。
5.根据权利要求4所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，所述低温结合剂包括混熔点相对较低硅溶胶和硼类化合物的混合物。
6.根据权利要求5所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，短切陶瓷纤维、低温结合剂、粘合剂加水搅拌混合制成陶瓷短纤维浆料，其中，低温结合剂的加入量占陶瓷短纤维浆料的30-52％,低温结合剂的混熔温度低于900℃。
7.根据权利要求6所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，陶瓷短纤维浆料的制备过程包括：
将陶瓷短纤维与水和硅溶胶、硼类化合物的混合液混合，充分搅拌、分散搅拌制得陶瓷纤维分散液；
将所述陶瓷纤维分散液混合粘合剂继续搅拌即得。
8.根据权利要求6所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，短切陶瓷纤维的加入量占陶瓷短纤维浆料的10-20wt％。
9.根据权利要求1所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件，其特征是，连续玻璃纤维为无碱玻璃纤维或中碱玻璃纤维纱线，短陶瓷纤维浆料中短陶瓷纤维为短切的硅酸铝纤维、多晶莫来石纤维、氧化铝纤维、高硅氧纤维中一种或几种。
10.一种根据权利要求1-9任一所述的连续玻璃纤维增强的陶瓷纤维过滤元件的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
粘附有陶瓷短纤维浆料的连续玻璃纤维通过缠绕工艺在真空模具上缠绕成型，然后经干燥脱模、高温热处理制成所述陶瓷纤维过滤元件，通过连续玻璃纤维上粘附有陶瓷短纤维浆料实现短纤维浆料在连续玻璃纤维上的附着。
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