CN113121197A - 一种无石棉的复合硅酸盐保温毡 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，保温毡中的空气含量占总体积的93％‑99％，密度为30‑90kg/m3，压缩回弹率90％以上；该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维20‑40份、玻璃纤维0‑10份、增韧纤维15‑30份、起泡剂0.5‑1.5份和稳泡剂0.5‑1.5份。
Description
技术领域
本发明属于保温材料技术领域，具体涉及一种无石棉的复合硅酸盐保温毡。
背景技术
绝热材料对于节能减排具有非常重要的意义，合理使用绝热材料能带来巨大的经济效益和社会效益，极大地降低设备和管道的热量损失，降低二氧化碳的排放。复合硅酸盐保温毡使用量大，使用范围广，在很长一段时间里是工业设备和管道优先选用的材料。但是，现有技术生产的复合硅酸盐保温毡都含有石棉，其主要材料采用的是石棉等天然矿物纤维与硅酸盐矿物纤维混合后，经打浆、发泡、成型、干燥而制成。
法国癌症研究论坛曾公布一项数据显示，作为“职业癌症’，大多数肺癌与人们过去暴露在用石棉材料装修的环境中有关。55岁以上肺癌患者中，12％的人都与石棉有关。在日本，经济高度成长时期，许多建筑物或各种制造工厂大量使用石棉物质，造成了一系列石棉危害健康的事件发生。日本经济产业省发布的最新统计表明，过去5年来，因制造、接触石棉产品，吸入石棉尘埃，日本工矿企业中已有400多人死于由此引发的癌症或其它致死疾病。
国际劳工组织的数据表明，每年全世界至少有10万人死于石棉引起的疾病，这个数字每年都在增长。在美国，与石棉伤害有关的赔偿案已经达到60万件，有关专家认为这一数字会迅速翻倍，甚至达到3倍。在1940—1979年间，该国有2700万人曾经暴露在石棉污染的环境中。
虽然石棉已经被明确列入致癌物，但是它在空气中的含量必须达到一定程度才会对人体健康造成危害。因此，那些即便是使用了含石棉建筑材料的旧式房屋，只要保持完好无损的状态，石棉纤维未进入室内空气，也就不会对人体健康产生危害。即便如此，由于石棉的可致癌性，全球已经有36个国家禁止使用石棉，欧洲国家已从2005年开始禁止进口石棉，并计划用不同的安全合成纤维来代替天然石棉。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡中不含石棉，具备保温效果好，质量轻，压缩回弹率高的优点。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，保温毡中的空气含量占总体积的93％-99％，密度为30-90kg/m3，压缩回弹率90％以上；该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维20-40份、玻璃纤维0-10份、增韧纤维15-30份、起泡剂0.5-1.5份和稳泡剂0.5-1.5份。
硅酸铝纤维和玻璃纤维都易脆断，柔韧性不够，不适合直接用于制备毡材，需要添加高柔韧性的纤维来增韧。传统的硅酸盐保温毡都含有石棉，石棉不仅能增韧，同时密度小，制得的保温毡质量轻。由于增韧纤维密度大，不能直接代替石棉，本发明的保温毡为含大量空气的多孔材料，空气含量达到了93％-99％，密度仅为30-90kg/m3，压缩回弹率90％以上，在使毡材具有高韧性和耐温性能的同时，还具备了轻质的优点，完全可代替传统的石棉保温毡，且更加安全可靠。
本发明所述起泡剂和稳泡剂加水配置成起泡水溶液，将起泡水溶液与压缩空气由同一喷头喷射进入到润湿分散的耐高温纤维中，搅拌制得带气泡的浆体，再将制好的浆体烘烤成型得到保温毡。由喷嘴喷射出的形态是已生成的泡沫，将泡沫直接喷射进入到纤维中，使细密的泡沫能被均匀分散在浆料中，通过气泡的形式将空气锁住在毡体内，制得轻质的多孔保温毡材料。
优选地，所述起泡剂选自烷基磺酸钠、烷基乙醇胺、烷基胺和烷基聚醚中的一种或者几种；所述稳泡剂选自纤维素醚、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、膨润土和粘土中的一种或者几种。
本发明为了将空气封锁在保温毡内，采用了起泡剂和稳泡剂配合制备泡沫，将空气稳定地封闭在气泡中，再由湿法制板工艺，烘烤成型。起泡剂主要是表面活性物质，具有两段分子结构，一段亲水，一段亲油，使空气容易和水混合并起泡。稳泡剂是水溶性高分子，溶于水中，增加气泡壁的强度和韧性，使气泡保持而不会很快破裂。将上述表面活性剂和水溶性高分子配合，配制的溶液有很大的表面张力，形成的液体膜有较高的强度，把空气包在里面不能出去。
优选地，所述起泡剂与稳泡剂的质量比例为1：1-3。这样的比例起泡速度快，泡沫稳定。
进一步优选地，所述起泡剂由烷基胺和烷基聚醚组成，质量比例为1-4：1；所述稳泡剂由纤维素醚和聚丙烯酰胺组成，质量比例为1-3：1。筛选得出最佳的起泡剂和稳泡剂的组合配方。
优选地，所述起泡剂和稳泡剂的总量与加水量的质量比例为1：10-50。这个比例范围的加水量，起泡快，泡沫稳定性高。
优选地，所述起泡水溶液与压缩空气通入量的体积比例为1：50-200。泡沫不会破裂，能够快速且大量的起泡。
进一步优选地，所述压缩空气的压力为0.1-0.6MPa，快速起泡，又不至于把泡沫弄破。
本发明所述增韧纤维是指在高速搅拌下保持纤维的长度大于30-60mm的耐高温纤维。
优选地，所述增韧纤维选自氧化硅纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的一种或者几种。
进一步优选地，所述增韧纤维选自氧化硅纤维和玄武岩纤维的组合。玄武岩纤维柔韧性更好，氧化硅纤维耐高温性能优异。多种纤维复合使用能取长补短，优势互补，使产品性能更好，成本低，适合大规模生产和推广。
优选地，所述喷头设置有进液口和进气口，所述进液口连接装有起泡水溶液的储液罐，所述进气口连接空气压缩机，所述喷头的喷嘴口位于搅拌罐下方并连通底部的进气管；所述喷头内设置有进液腔和进气腔，所述喷头的进液口连通所述进液腔，喷头的进气口连通所述进气腔，所述喷嘴口由连通进液腔的出液口和连通进气腔的出气口组成。
优选地，所述喷头的喷嘴口覆盖有金属丝网，使喷射出的泡沫细密，剪切力更强。
进一步优选地，所述喷头的喷嘴口的口径为8-12mm。喷嘴口的口径过小，出泡速度慢，口径过大，喷出的气泡容易合并形成体积较大的泡孔，起泡质量不好。该口径范围能保证出泡快速且细小均匀。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的复合硅酸盐保温毡不含石棉，空气含量达到了93％-99％，是含有大量空气的多孔材料，密度仅为30-90kg/m3，压缩回弹率90％以上，在使毡材具有高韧性和耐温性能的同时，还具备了轻质的优点，完全可代替传统的石棉保温毡，且更加安全可靠。
2、本发明采用表面活性剂作为起泡剂，水溶性高分子作为稳泡剂，二者配合制备泡沫，将空气稳定地封闭在气泡中，由湿法制板工艺制备浆料并烘烤成型。起泡剂主要是表面活性物质，具有两段分子结构，一段亲水，一段亲油，使空气容易和水混合并起泡。稳泡剂是水溶性高分子，溶于水中，增加气泡壁的强度和韧性，使气泡保持而不会很快破裂。配制的溶液有很大的表面张力，形成的液体膜有较高的强度，把空气包在里面不能出去。
3、目前作为保温材料使用的大宗产品硅酸铝和玻璃棉，由于这些材料在使用后纤维断裂，且呈块状没有合适的分散方法，而无法被重复应用，产生了大量的固体废弃物堆在工厂里面不能有效利用。本发明的复合硅酸盐保温毡在制备时向纤维中喷射通入压缩空气，喷射出的压缩空气具备强力的剪切能力，能将成块的废弃纤维打散。本发明能以废弃的硅酸铝纤维做为原料，材料易得且成本低廉，还解决了废弃纤维带来的巨大的环境压力和危害，完成固体废弃物资源化利用。
附图说明
图1是本发明无石棉的复合硅酸盐保温毡生产系统的结构示意图。
图2是喷头的剖面结构示意图。
图3是喷头的喷嘴口的俯视图。
附图标记：1、搅拌罐；2、储液罐；3、喷头；4、进气管；5、空气压缩机；6、送液管；7、送气管；8、进液口；9、进气口；10、金属丝网；31、进气腔；32、进液腔；33、出气口；34、出液口。
具体实施方式
为了更加清楚、详细地说明本发明的目的技术方案，下面通过相关实施例对本发明进行进一步描述。以下实施例仅为具体说明本发明的实施方法，并不限定本发明的保护范围。
本发明在原料中加入增韧纤维，弥补了硅酸铝纤维柔韧性不高的缺点，有助于提高纤维毡的韧性，可随意卷折。所述增韧纤维是指在高速搅拌下保持纤维的长度大于30-60mm的耐高温纤维。如常用的氧化硅纤维、玄武岩纤维和碳纤维，但不限于列举的这几种，凡此类耐高温纤维都可用于本发明中起到提高纤维毡韧性的作用，组合使用能优势互补，更有利于提高纤维毡产品的综合性能。
耐高温纤维，行业内泛指能耐600度以上高温的纤维。
实施例1
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、玄武岩纤维20份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
实施例2
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、氧化硅纤维20份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
实施例3
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、碳纤维20份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
实施例4
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、氧化硅纤维14份、碳纤维6份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
所述硅酸铝纤维、氧化硅纤维和碳纤维均为废弃纤维。
实施例5
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、氧化硅纤维14份、玄武岩纤维6份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
实施例6
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、氧化硅纤维10份、玄武岩纤维5份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚1份和聚丙烯酰胺0.5份。
实施例7
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维30份、氧化硅纤维20份、玄武岩纤维10份、烷基胺1份、烷基聚醚0.5份、纤维素醚1份和聚丙烯酰胺0.5份。
实施例8
本实施例在实施例5的基础上，保持起泡剂和稳泡剂的占比不变，调整烷基胺和烷基聚醚的比例为1：1，纤维素醚和聚丙烯酰胺的比例为1：1。
所述硅酸铝纤维、氧化硅纤维和玄武岩纤维均为废弃纤维。
实施例9
本实施例在实施例5的基础上，保持起泡剂和稳泡剂的占比不变，调整烷基胺和烷基聚醚的比例为4：1，纤维素醚和聚丙烯酰胺的比例为3：1。
实施例10
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维20份、玻璃纤维10份、氧化硅纤维14份、玄武岩纤维6份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
所述硅酸铝纤维、玻璃纤维、氧化硅纤维和玄武岩纤维均为废弃纤维。
实施例11
一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维40份、玻璃纤维5份、氧化硅纤维14份、玄武岩纤维6份、烷基胺0.3份、烷基聚醚0.2份、纤维素醚0.6份和聚丙烯酰胺0.4份。
无石棉的复合硅酸盐保温毡的制备：起泡剂和稳泡剂加水配置成起泡水溶液，将起泡水溶液与压缩空气由同一喷头喷射进入到润湿分散的耐高温纤维中，搅拌制得带气泡的浆体，再将制好的浆体烘烤成型得到保温毡。起泡水溶液和压缩空气分别通过管道连接同一喷头，压缩空气进入喷嘴后会产生负压，起泡水溶液在负压的作用下吸入喷嘴，并随压缩空气一起喷射进入到润湿分散的耐高温纤维中，起泡水溶液和压缩空气作用会立刻产生泡沫，泡沫在喷嘴的作用下高速喷射出细密的泡沫进入到纤维中，加入粘接剂搅拌混合均匀得到含气泡的浆料，经烘烤后制得细密多孔的轻质保温毡。
所述粘接剂为湿法制板工艺制备浆料时采用的常规粘接剂，可以为丙烯酸酯乳液、EVA乳液、聚乙烯醇、硅溶胶、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、水玻璃和硫酸铝中的一种或者几种。
实施例1-11均是按该方法采用相同工艺条件制备而成，将制得的复合硅酸盐保温毡进行性能检测，并与市场上的石棉含量大于50％的常规硅酸盐保温毡进行对比，具体见表1。(按占材料表观体积的百分比来计算空气含量，空气含量＝材料密度/无机材料密度×100％，取无机材料密度为2700kg/m3)
表1本发明各实施例产品的性能参数
由上表可见，实施例1-11的硅酸盐保温毡都具备比对比样更低的导热系数，说明保温性能更好，压缩回弹率明显优于对比样，且密度与对比样相当甚至低与对比样，同时，本发明的保温毡不含石棉，较对比样更加安全可靠。其中，实施例5-11采用了氧化硅纤维和玄武岩纤维组合作为增韧纤维来提高纤维毡的韧性，氧化硅纤维能耐1400度的高温，耐高温性能优异，玄武岩纤维的柔韧性更好，二者组合后得到的纤维毡的导热系数和压缩回弹率均是最优的，特别是当在氧化硅纤维10-20份和玄武岩纤维5-10份的范围内时，产品综合性能最优。由于玻璃纤维具备成本较低耐高温性能好和成本低的优点，实施例10和11增加了玻璃纤维作为原料，对产品性能无影响。
本发明为了使空气能稳定地封闭在气泡中，在喷射和烘烤过程中气泡不会破裂，需要选择最优的起泡剂和稳泡剂，根据起泡和稳泡原理，起泡剂选用易起泡的具有两段分子结构的表面活性剂，如烷基磺酸钠、烷基乙醇胺、烷基胺和烷基聚醚；稳泡剂选用能对气泡壁增韧的水溶性高分子，如纤维素醚、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、膨润土和粘土。
在相同实验条件下，本发明进行了起泡剂和稳泡剂的起泡筛选实验，将起泡剂和稳泡剂按1：2的比例配制并加水得到起泡水溶液，用喷头同时喷射压缩空气和起泡水溶液，产生泡沫，静止放置，观察均匀程度和体积收缩20％所需要的时间。具体的实验数据见表2和表3。
表2本发明起泡筛选实验的配方组合表
表3本发明起泡配方筛选实验的评估结果
由起泡配方筛选实验可见，组合4、5和9的配方均能得到气泡均匀的泡沫，且稳定时长达15个小时以上。本发明进一步对比了这三个配方的产品性能，采用硅酸铝纤维30份、氧化硅纤维14份和玄武岩纤维6份作为耐高温纤维，采用相同工艺条件分别制备组合4、5和9的保温毡产品，再进行性能检测，并与市场上的石棉含量大于50％的常规硅酸盐保温毡进行对比，具体见表4。
表4不同起泡配方制得的产品性能参数
在三组产品的生产中发现，组合4和5的起泡配方生成的浆料中的气泡不如组合9细密，产品成型较组合9略差，导热系数高于组合9，但综合性能仍优于对比样的石棉保温毡。
实施例12
本实施例在实施例5的基础上：
将起泡剂和稳泡剂加水配置成起泡水溶液，将起泡水溶液与压缩空气由同一喷头喷射进入到润湿分散的耐高温纤维中，搅拌制得带气泡的浆体，再将制好的浆体烘烤成型得到保温毡。
所述起泡剂和稳泡剂的总量与加水量的质量比例为1：10。
所述起泡水溶液与压缩空气通入量的体积比例为1：50。
所述压缩空气的压力为0.1MPa。
实施例13
本实施例在实施例12的基础上：
所述起泡剂和稳泡剂的总量与加水量的质量比例为1：50。
所述起泡水溶液与压缩空气通入量的体积比例为1：200。
所述压缩空气的压力为0.6MPa。
实施例14
本实施例在实施例12的基础上：
所述起泡剂和稳泡剂的总量与加水量的质量比例为1：20。
优选地，所述起泡水溶液与压缩空气通入量的体积比例为1：100。
所述压缩空气的压力为0.3MPa。
实施例15
如图1和2所示，本发明采用的喷头3设置有进液口8和进气口9，所述进液口8连接装有起泡水溶液的储液罐2，所述进气口9连接空气压缩机5，所述喷头3的喷嘴口位于搅拌罐1下方并连通底部的进气管4；所述喷头3内设置有进液腔32和进气腔31，所述喷头3的进液口8连通所述进液腔32，喷头3的进气口9连通所述进气腔31，所述喷嘴口由连通进液腔32的出液口34和连通进气腔31的出气口33组成。
喷头将压缩空气喷射通入搅拌罐，同时，喷头进液腔内的起泡溶液在压缩空气产生的负压作用下，和压缩空气一同被喷射进入到搅拌罐内，和搅拌罐内的耐高温纤维一起搅拌制备浆料，制得的浆料经烘烤后成型。
实施例16
本实施例在实施例15的基础上：
如图3所示，所述喷头3的喷嘴口覆盖有金属丝网10，
所述喷头3的喷嘴口的口径为8-12mm。
实施例17
本实施例在实施例16的基础上：
优选地，所述金属丝网的孔径为800-1500目。保证泡沫的细密度。
优选地，所述金属丝网设置有3-5层。进一步保证泡沫的细密度。
优选地，所述出气口占据整个喷嘴口的80-90％，达到足够的通气量比例，产生大量泡沫。
优选地，所述喷头与搅拌罐的底面夹角呈20-40度。出泡角度过小，容易碰到容器壁，导致气泡合并变大，角度过大，气泡会溢出液面，该角度范围能有助于泡沫能更快更稳定地存在于纤维中。
优选地，所述喷头距搅拌罐的底面50mm以内。超过50mm以上的距离会造成在进入搅拌罐前气泡合并变大。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：保温毡中的空气含量占总体积的93％-99％，密度为30-90kg/m3，压缩回弹率90％以上；该保温毡不含石棉，按重量计，包括以下组分：硅酸铝纤维20-40份、玻璃纤维0-10份、增韧纤维15-30份、起泡剂0.5-1.5份和稳泡剂0.5-1.5份。
2.根据权利要求1所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述起泡剂和稳泡剂加水配置成起泡水溶液，将起泡水溶液与压缩空气由同一喷头喷射进入到润湿分散的耐高温纤维中，搅拌制得带气泡的浆体，再将制好的浆体烘烤成型得到保温毡。
3.根据权利要求2所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述起泡剂选自烷基磺酸钠、烷基乙醇胺、烷基胺和烷基聚醚中的一种或者几种；所述稳泡剂选自纤维素醚、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、膨润土和粘土中的一种或者几种。
4.根据权利要求3所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述起泡剂与稳泡剂的质量比例为1：1-3。
5.根据权利要求4所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述起泡剂由烷基胺和烷基聚醚组成，质量比例为1-4：1；所述稳泡剂由纤维素醚和聚丙烯酰胺组成，质量比例为1-3：1。
6.根据权利要求2所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述起泡剂和稳泡剂的总量与加水量的质量比例为1：10-50。
7.根据权利要求2所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述起泡水溶液与压缩空气通入量的体积比例为1：50-200。
8.根据权利要求2所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述压缩空气的压力为0.1-0.6MPa。
9.根据权利要求2所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述喷头设置有进液口和进气口，所述进液口连接装有起泡水溶液的储液罐，所述进气口连接空气压缩机，所述喷头的喷嘴口位于搅拌罐下方并连通底部的进气管；所述喷头内设置有进液腔和进气腔，所述喷头的进液口连通所述进液腔，喷头的进气口连通所述进气腔，所述喷嘴口由连通进液腔的出液口和连通进气腔的出气口组成。
10.根据权利要求9所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述喷头的喷嘴口覆盖有金属丝网。
11.根据权利要求10所述无石棉的复合硅酸盐保温毡，其特征在于：所述喷头的喷嘴口的口径为8-12mm。
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