CN113308935B - 一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法。本发明先将超长SiC纳米纤维在水中分散，使用搅拌机进行机械搅拌，使纤维在水中分散均匀，制得粗SiC纳米纤维悬浮液浆料，通过过滤方式得到精制纤维浆料，过滤得到的滤渣团聚体可再次放入水中分散，循环利用，采用抄纸框将SiC纳米纤维浆料进行过滤做出纸膜，然后将得到的纸膜放到热平板上烘干和压平，以确保耐火纸平整，待纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸与热平板分离，就得到碳化硅纳米纤维耐火纸。本发明工艺流程简单，易实现规模产业化制备；制备的SiC纳米纤维耐火纸由超长纳米纤维三维立体交织而成，不仅耐火、耐高温，而且具有一定的柔性，可弯曲，可折叠。

Description

一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法
技术领域
本发明属于特种纤维及纸材料制备技术领域，具体涉及一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法。
背景技术
近年来，纳米纤维纸由于在新能源、复合材料、航空航天、催化、环境治理等工业领域有着广泛应用前景，引起了众多研究人员的极大关注。目前，研究人员已经制备出了具有不同功能的纤维纸，如：具有良好导电性能且应用在超级电容器的碳纤维纸，在电池隔膜方面应用的氧化锆纤维纸，具有耐温隔热性能的硅酸铝纤维纸等。
碳化硅纳米纤维具有优异的性能，如高弯曲强度、高抗蠕变性能、低的摩擦性能、耐磨、耐腐蚀和耐辐射等，常作为一种增韧材料，在高温器件、发动机、刀具、高温陶瓷等方面具有广泛的应用。碳化硅纳米纤维(薄膜)纸不仅具有纤维本身的优点，还有交织性好好耐火耐高温等优点，在高温气体过滤、高温催化、高温隔热、耐火及特种纸等领域具有广泛的应用前景。
因此，SiC纤维纸的研究受到研究人员的关注。专利“一种自支撑碳化硅纳米线纸及其制备方法”(申请号：CN201610566429.6)发明了一种在石墨基体上生长出一层灰绿色的纳米线层，将纳米线层从石墨基体上剥离，制得自支撑碳化硅纳米线纸的方法。专利“一种SiC纳米纤维纸的制备方法”(申请号：CN201410073604.9)通过对SiC纳米纤维分散悬浮液真空抽滤和干燥成型工艺过程，获得SiC纳米纤维纸。专利“一种制备碳化硅陶瓷纳米纤维膜的方法”(申请号：CN201210051221.2)首先利用有机硅先驱体静电纺丝技术制备陶瓷先驱体含硅聚合物的纳米纤维膜，然后对先驱体纳米纤维膜进行交联，高温热处理得到碳化硅纳米纤维膜。专利“一种碳化硅纳米纤维膜的制备方法”(申请号：CN201711460903.8)将碳化硅纳米纤维制膜液喷涂在多孔陶瓷基体上，经过恒温干燥后，将其浸没在金属氧化物溶胶中，然后通过负压抽吸使得基体孔道中充满溶胶溶液,将吸附溶胶的多孔陶瓷基体再次恒温干燥，最后通过程序升温烧结制得碳化硅纳米纤维膜。专利“碳化硅纳米纸传感器及其制作方法和应”(申请号：CN201310122742.7)采用两步法，先制备出碳化硅纳米纤维，然后利用丙酮辅助压缩后制得可以感知湿度的碳化硅纳米纸。Lin等(Hongjiao Lin,HejunLi,Qingliang Shen,et al.,Catalyst-free growth of high purity 3C-SiC nanowiresfilm on a graphite paper by sol-gel and ICVI carbothermal reduction[J].Materials Letters,2018,212:86-89.)以碳纤维毛毡和SiO2溶胶凝胶为原料，使用一步法直接在高温下经碳热还原制备出SiC纳米线薄膜。
上述以有机硅为前驱体静电纺丝制备的多晶纤维，强度低，成本高；在陶瓷支撑体上制备，或采用真空抽滤制备的这些方法，过程复杂，难以实现工业化制备纳米纸。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，本发明提出以水为分散剂，先将超长SiC纳米纤维在水中分散，使用搅拌机进行机械搅拌，使纤维在水中分散均匀，制得粗SiC纳米纤维悬浮液浆料，通过过滤方式得到精制纤维浆料，过滤得到的滤渣团聚体可再次放入水中分散，循环利用，采用抄纸框将SiC纳米纤维浆料进行过滤做出纸膜，然后将得到的纸膜放到热平板上烘干和压平，以确保耐火纸平整，待纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸与热平板分离，就得到碳化硅纳米纤维耐火纸。
本发明采用的技术方案如下：
一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)SiC纳米纤维分散：将超长SiC纳米纤维放入水中形成纤维水体系，将纤维水体系搅拌分散后得到SiC纳米纤维悬浮液浆料；
步骤(2)浆料过滤提纯：将步骤(1)得到的悬浮液浆料过滤除去滤渣，得到均匀分散的SiC纳米纤维浆料；
步骤(3)抄纸：采用抄纸框将步骤(2)得到的SiC纳米纤维浆料进行过滤后从抄纸框的抄纸帘上取下纸膜；
步骤(4)烘干：将步骤(3)得到的纸膜平铺到热板上进行压平和烘干；
步骤(5)揭纸：待步骤(4)中纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸边角与热板分离，然后揭纸得到完整的碳化硅纳米纤维耐火纸。
所述步骤(1)中：纤维水体系中的SiC纳米纤维与水的质量比为1：(2000～20000)，优选为1：(2000～6000)。
对步骤(1)中的纤维水体系进行机械搅拌使SiC纳米纤维在水中分散，其中，搅拌桨为聚四氟乙烯搅拌桨，防止金属制搅拌桨打断SiC纳米纤维，搅拌桨转速为200～1000r/min，搅拌时间为10min～300min。
搅拌桨转速优选为300～400r/min，搅拌时间优选为10～40min。
在所述步骤(1)中的搅拌分散过程中加入表面活性剂聚丙烯酰胺和分散剂聚乙烯醇，使SiC纳米纤维分散更均匀。
所述步骤(2)中过滤使用的筛网孔径为10～200目，所述筛网孔径优选为20～100目。通过过滤可以将没有完全分散的块体在过滤过程中分离，以保证过筛后浆料中的纤维分散均匀。
所述步骤(2)中的滤渣为未分散的团聚体及颗粒；将滤渣回收后可再次放入水中进行搅拌分散和过滤，循环利用。
所述步骤(2)中过滤提纯后的SiC纳米纤维浆料浓度为0.1g/L-0.5g/L。
浆料浓度不能过高，否则会导致SiC纳米纤维自身团聚，影响分散；可通过浆料浓度的调节对SiC纳米纤维耐火纸厚度进行调控。
所述步骤(3)中抄纸框的材质，大小和形状可根据实际情况调整。
所述步骤(4)中，通过在纸膜上施加具有重量的平板进行压平.
所述步骤(4)中热板的温度为80～120℃，温度优选为85～100℃。
所述步骤(5)制备得到的碳化硅纳米纤维耐火纸的厚度为0.2mm～0.7mm。
本发明的有益效果：
本发明方法使用水为分散剂易于获得，工艺简单，操作方便，对设备要求低，易实现规模化制备。制备的SiC纳米纤维耐火纸由超长纳米纤维三维立体交织而成，在制备过程中可以通过调节工艺来控制最终产品的大小、形状以及厚度，此外本发明将SiC纳米纤维的制备与纤维纸的制备分开，更适用于流水线、工业化生产。
本发明所制得SiC纳米纤维耐火纸由大量超长SiC纳米纤维三维立体交织而成，外形具有和普通纸相同的特点；不仅耐火、耐高温(1200℃～1300℃)，而且具有一定的柔性，可弯曲，可折叠；制备出的纤维纸面积、长度和形状均可调节，在高温过滤、高温催化、高温隔热、耐火及特种纸等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中碳化硅纳米纤维耐火纸的制备工艺流程图。
图2为实施例1中抄纸工艺示意图。
图3为实施例2中制备的SiC纳米纤维耐火纸的宏观形貌图，图3a、图3b、图3c、图3d分别为耐火纸的四种不同外观形貌图。
图4为实施例3中制备的SiC纳米纤维耐火纸，图4a为将耐火纸在酒精灯上灼烧的示意图，图4b为耐火纸卷在纸筒上的形貌图。
图5为实施例3中制备的SiC纳米纤维耐火纸经扫描电子显微镜(SEM)分析的微观形貌图，图5a和图5b分别为不同放大倍数下的电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
a.以超长SiC纳米纤维为原料，以水为分散载体，以1:2500的质量比配制SiC纳米纤维浆料，按照图1的工艺流程图，称取8g碳化硅纳米纤维，将其放入盛有20L水的桶中，用聚四氟乙烯搅拌桨进行搅拌，使其在水中分散，搅拌机转速为350r/min，搅拌时间为30min，获得粗碳化硅纳米纤维悬浮液浆料；
b.将步骤a制得的粗碳化硅纳米纤维悬浮液浆料进行过滤，过滤除去团聚体及颗粒等，得到均匀分散的SiC纳米纤维浆料和滤渣，将滤渣回收再次放入水中循环分散、过滤，筛网孔径为50目；
c.按照附图2的抄纸工艺，采用15cm×15cm抄纸框将步骤b得到的SiC纳米纤维浆料进行过滤做出纸膜；
d.将步骤c得到的纸膜放到热平板上烘干，热平板温度为85℃，使用重平板压平，以确保耐火纸平整；
e.将步骤d中纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸与热平板分离，降温后就得到碳化硅纳米纤维耐火纸。
实施例2
a.以超长SiC纳米纤维为原料，以水为分散载体，以1:5000的质量比配制碳化硅纳米纤维浆料，称取4g碳化硅纳米纤维，将其放入盛有20L水的桶中，用聚四氟乙烯搅拌桨进行搅拌，使其在水中分散，搅拌机转速为350r/min，搅拌时间为30min，制得粗碳化硅纳米纤维悬浮液浆料；
b.将步骤a制得的粗碳化硅纳米纤维悬浮液浆料进行过滤，过滤除去团聚体及颗粒等，得到均匀分散的SiC纳米纤维浆料和滤渣，将滤渣回收再次放入水中循环分散、过滤，筛网孔径为50目；
c.采用15cm×15cm抄纸框将步骤b得到的SiC纳米纤维浆料进行过滤做出纸膜；
d.将步骤c得到的纸膜放到热平板上烘干，热平板温度为85℃，使用重平板压平，以确保耐火纸平整；；
e.将步骤d中纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸与热平板分离，降温后就得到碳化硅纳米纤维耐火纸。
本实施例制备的SiC纳米纤维耐火纸的宏观形貌与柔性如图3所示，由图3a、图3d可知本实施例所制备的耐火纸经过边缘修剪之后具有和普通纸一样整齐，均匀的外观形貌，且整体非常平整；由图3b、图3c可知，本实施例所制得的碳化硅纳米纤维纸具有一定的柔性，可弯曲，可折叠。
实施例3
a.以超长SiC纳米纤维为原料，以水为分散载体，以1:2500的质量比配制碳化硅纤维浆料，按照工艺流程称取8g碳化硅纳米纤维，将其放入盛有20L水的桶中，用聚四氟乙烯搅拌桨进行搅拌，使其在水中分散，搅拌机转速为350r/min，搅拌时间为30min，制得粗碳化硅纳米纤维悬浮液浆料；
b.将步骤a制得的粗碳化硅纳米纤维悬浮液浆料进行过滤，过滤除去团聚体及颗粒等，得到均匀分散的SiC纳米纤维浆料和滤渣，将滤渣回收再次放入水中循环分散、过滤，筛网的孔径为20目；
c.采用22cm×32cm抄纸框将步骤b得到的SiC纳米纤维浆料进行过滤做出纸膜；
d.将步骤c得到的纸膜放到热平板上烘干，热平板温度为85℃，使用重平板压平，以确保耐火纸平整；
e.将步骤d中纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸与热平板分离，降温后就得到面积为22cm×32cm的碳化硅纳米纤维耐火纸。
本实施例所制备的SiC纳米纤维耐火纸，从图4a可以看出耐火纸在酒精灯灼烧下无变化，图4b为卷在纸筒上可弯曲的耐火纸。
如图5所示为本实施例制备的碳化硅纳米纤维耐火纸经扫描电子显微镜(SEM)分析的微观形貌图，根据SEM图片可知，SiC纳米纤维耐火纸是由SiC纳米纤维相互缠绕、交织而成，纤维的直径从几十纳米到几百纳米不等。

Claims (8)

1.一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
步骤(1)SiC纳米纤维分散：将超长SiC纳米纤维放入水中形成纤维水体系，将纤维水体系搅拌分散后得到SiC纳米纤维悬浮液浆料；
步骤(2)浆料过滤提纯：将步骤(1)得到的悬浮液浆料过滤除去滤渣，得到均匀分散的SiC纳米纤维浆料；
步骤(3)抄纸：采用抄纸框将步骤(2)得到的SiC纳米纤维浆料进行过滤后从抄纸框的抄纸帘上取下纸膜；
步骤(4)烘干：将步骤(3)得到的纸膜平铺到热板上进行压平和烘干；
步骤(5)揭纸：待步骤(4)中纸膜烘干后，采用刮刀将耐火纸边角与热板分离，然后揭纸得到完整的碳化硅纳米纤维耐火纸；
所述步骤(1)中：纤维水体系中的SiC纳米纤维与水的质量比为1：(2000～20000)。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，对步骤(1)中的纤维水体系进行机械搅拌使SiC纳米纤维在水中分散，其中，搅拌桨为聚四氟乙烯搅拌桨，搅拌桨转速为200～1000r/min，搅拌时间为10min～300min。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中的搅拌分散过程中加入表面活性剂聚丙烯酰胺和分散剂聚乙烯醇。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中过滤使用的筛网孔径为10～200目。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的滤渣为未分散的团聚体及颗粒；将滤渣回收后可再次放入水中进行搅拌分散和过滤，循环利用。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中过滤提纯后的SiC纳米纤维浆料浓度为0.1g/L-0.5g/L。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，通过在纸膜上施加具有重量的平板进行压平。
8.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维耐火纸的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中热板的温度为80～120℃。
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