CN114315398A - 一种高强度抗落渣陶瓷纤维板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，包括陶瓷纤维，碳化硅，结合剂，絮凝剂和水；所述结合剂为硅溶胶；所述絮凝剂为阳离子淀粉和/或阳离子聚丙烯酰胺。还包括无碱玻璃纤维；所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维；所述硅酸铝纤维为30‑60重量份；所述碳化硅为5‑25重量份；所述结合剂为10‑20重量份；所述絮凝剂为2‑3重量份；所述水为2000‑3000重量份；所述无碱玻璃纤维≤15重量份。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，尤其涉及一种高强度抗落渣陶瓷纤维板及其制备方法。
背景技术
陶瓷纤维板即硅酸铝纤维板，是一种保温效果好常用于耐火材料制作的材料，该材料具有导热率低，密度低，且抗热震性能好等优点，常用于作为窑炉、管道及其他保温设备的理想节能材料。
但是现有技术中的陶瓷纤维板存在抗压强度低（通常为1MPa左右）、耐剥落性能差的问题，在使用的过程中板材容易发生破坏，板材出现表面剥落，掉落粉尘的现象，而掉落的粉尘会影响炉内放置的样品。
发明内容
鉴于此，本发明的目的之一要提供一种高强度抗落渣性能好的陶瓷纤维板，为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，包括陶瓷纤维，碳化硅，结合剂，絮凝剂和水；所述结合剂为硅溶胶；所述絮凝剂为阳离子淀粉和/或阳离子聚丙烯酰胺。
进一步地，还包括无碱玻璃纤维；所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维；所述硅酸铝纤维为30-60重量份；所述碳化硅为5-25重量份；所述结合剂为10-20重量份；所述絮凝剂为2-3重量份；所述水为2000-3000重量份；所述无碱玻璃纤维≤15重量份。
进一步地，还包括氧化铝粉、硅微粉以及氮化硅；所述陶瓷纤维为多晶莫来石纤维，所述多晶莫来石纤维为20-40重量份；所述氧化铝粉为10-30重量份；所述硅微粉为3-10重量份；所述碳化硅为5-15重量份；所述氮化硅为3-10重量份；所述结合剂为5-15重量份；所述絮凝剂为2-3重量份；所述水为2000-3000重量份。
进一步地，所述结合剂为固含量为20-40%的碱性氨型硅溶胶；所述陶瓷纤维的平均直径为2-7μm；所述陶瓷纤维中包含Al2O3≥45wt%，AL2O3＋SiO2≥95 wt %；所述碳化硅的粒径为1000~1500目。
进一步地，所述无碱玻璃纤维的平均直径为10μm-20μm，长度为1mm-5mm。
进一步地，所述氧化铝粉由2500-3500目粒径的氧化铝粉和400-600目粒径的氧化铝粉组成，其中两者的比例为 1 : 2 到1 : 0.5；所述硅微粉为1000-1500目；所述氮化硅为1000-1500目。
本发明的另一目的在于提供一种陶瓷纤维板的制备方法，该方法采用以下技术方案：
一种高强度抗落渣陶瓷纤维板的制备方法，包括以下具体步骤：a、对硅酸铝纤维进行破碎处理；b、将絮凝剂加入水中进行搅拌；c、然后将其余组分加入剩余的水中搅拌均匀，得到混合浆料； d、将步骤b中得到的溶液加入到步骤c中，搅拌得到带有絮状的浆料；e、将浆料依次进行成型、干燥和烧结，从而得到产品。
进一步地，所述步骤b与所述步骤c中的所用的水的比例为1:9到1:11；步骤a中，硅酸铝纤维破碎后的长度3-8mm；步骤b中的搅拌速度为700r/min～800r/min，所述搅拌时间为20min～40min；步骤c中，搅拌速度为500r/min～750r/min，搅拌时间为3min～10min；步骤d中，搅拌速度为300r/min～600r/min，搅拌时间为5min～10min；步骤e中，所述干燥温度为100~120℃，时间为20~30h；所述成型方式为吸滤和加压，所述吸滤的真空度为0.08MPa~0.04MPa；所述加压的压力为0.10MPa~0.35MPa。
进一步地，所述步骤e中采用两阶段烧结方式，其中升温曲线为升温曲线为升温至550℃-650℃，升温总时长为60-70min，维持550℃-650℃保温60-120min；在升温至1300℃-1400℃，升温总时长为60-120min，维持1300℃-1400℃保温120-180min。
本发明的有益效果：1、本发明提供的陶瓷纤维板所采用的原料配方种各物料在高温处理后发生一些化学变化，其中碳化硅在高温下与氧气发生反应，在纤维和颗粒表面形成SiO2薄膜，一方面作为保护层附着在纤维表面提高纤维本身的强度和硬度，另一方面形成的SiO2薄膜加强了纤维与纤维之间以及纤维与颗粒之间的结合，既增加了板材的耐压强度和抗折强度，同时也减少了极细小颗粒或纤维掉落。这种SiO2薄膜附着在纤维上的结合方式不仅提高了陶瓷纤维板材的耐压强度，使其具有较好的加工性。现有的陶瓷纤维板材抗压强度一般仅在1MPa左右，且硅溶胶易在表面凝胶，硬度仅限于表面，由于其内部强度较低，因此导致整个板材的抗压强度较差，而本发明制备的板材内外强度可达到5MPa，甚至更高；同时也提高了陶瓷纤维板材的抗落渣性能，在板材使用过程中能减少由于加工、磕碰所带来的粉尘掉落。
2、本发明提供的陶瓷纤维板配方中添加有氧化铝粉、氮化硅以及硅微粉，添加上述原料，碳化硅在纤维和颗粒表面形成SiO2薄膜的同时，可以与氧化铝粉在较高的温度下烧结形成莫来石相填充在纤维的中间，加强了纤维之间的结合强度，提高了板材本身的强度。氮化硅本身具有良好的稳定性，在1200℃高温下能稳定存在，与氧化铝等耐火填料可以形成较强的结合，在较高温环境中能形成氧化物保护膜，可以附着在纤维表面与氧化铝等填料形成较强结合，提高强度的同时也能提高板材的抗热震性能。硅微粉一方面是可以与氧化铝粉形成莫来石，另一方面是为了确保板材性能的稳定。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中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。
实施例1：
本实施例中的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，包括以下原料，硅酸铝纤维、碳化硅、结合剂、絮凝剂、水以及无碱玻璃纤维。
所述硅酸铝纤维为50重量份；所述碳化硅为10重量份；所述结合剂为15重量份；所述絮凝剂为3重量份；所述水为2550重量份；所述无碱玻璃纤维10重量份。
此实施例中，絮凝剂为阳离子淀粉，结合剂为固含量为30%的碱性氨型硅溶胶。碳化硅山东金蒙新材料股份有限公司，目数1250目。硅酸铝纤维中包括45wt%的Al2O3，AL2O3＋SiO2为96 wt %。无碱玻璃纤维的平均直径为14μm，长度为2mm。
制备方法：
（1）对陶瓷纤维进行破碎处理，直至其平均长度为5mm；
（2）先取出50重量份的水，将阳离子淀粉加入水中，转速700r/min搅拌30min，得到淀粉溶液；
（3）然后将硅酸铝纤维、玻璃纤维加入注入2500重量水的搅拌池中，转速维持700r/min搅拌5min后，等纤维充分润湿、分散均匀后，再加入碳化硅和硅溶胶，继续搅拌15min，最后加入阳离子淀粉溶液，搅拌5min后，得到混合浆料。
（4）将步骤（2）中的淀粉溶液加入到混合浆料中，转速400r/min搅拌5min，得到絮状浆料。
（5）利用CN211537121U（一种纤维板吸附设备）制做出的设备将得到的混合浆料进行成型，然后在110℃下干燥24h，得到未烧结的陶瓷纤维板。
（6）通过1600快速升温炉进行烧结，升温曲线为首先升温600℃，升温耗时60min，维持在600℃保温60min，再次升温至1350℃升温，升温耗时共60min，最后在1350℃保温120min，待到炉温冷却，得到陶瓷纤维板。
本实施例产品的性能测试：
其中，样品的耐压强度测试方法为GB/T 5072-2008；
表面掉渣量测试方法：测试前将试样表面使用气枪吹扫干净，切割长度100mm，宽度75mm，厚度50mm的试样置于无粉尘的洁净平台上，使用宽75mm，长度500mm，厚度3mm，密度为2.5g/cm3的毛玻璃放置于板材表面，不施加额外压力的状况下拉动毛玻璃摩擦板材整个表面，使用软毛刷清理收集板材粉尘，使用分析天平称粉尘的质量，对比板材的表面落渣情况。
本实施例中添加了碳化硅，碳化硅高温下与氧气发生反应，在纤维和颗粒表面形成SiO2薄膜，SiO2薄膜一方面作为保护层附着在纤维表面提高纤维本身的强度和硬度，另一方面形成的SiO2薄膜加强了纤维与纤维之间以及纤维与颗粒之间的结合，既增加了板材的耐压强度和抗折强度，同时也减少了极细小颗粒或纤维掉落。同时，本实施例中添加了无碱玻璃纤维，无碱玻璃纤维含有少量的氧化镁、氧化钙等物质，具有助烧效果，在较高温度下，在硅酸铝纤维之间能形成搭接，起到结合的作用，进一步增强了本实施例的强度，本实施例适用于长期使用温度为1100℃以下。
实施例2：
本实施例中的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，包括以下重量份原料, 包括多晶莫来石纤维、氧化铝粉、硅微粉、碳化硅、氮化硅、结合剂、絮凝剂以及水。
其中，所述多晶莫来石纤维为30重量份；所述氧化铝粉为20重量份；所述硅微粉为8重量份；所述碳化硅为10重量份；所述氮化硅为8重量份；所述结合剂为10重量份；所述絮凝剂为2重量份；所述水为2550重量份。
所述多晶莫来石纤维化学组成为：Al2O3：72%，SiO2：28%。所述多晶莫来石纤维的平均直径在3-5μm；所述结合剂为硅溶胶，固含量为30%的碱性氨型硅溶胶；所述絮凝剂为阳离子淀粉和阳离子聚丙烯酰胺，比例为1:1；氧化铝粉由所述氧化铝粉由3000目粒径的氧化铝粉和325目粒径的氧化铝粉组成，其中两者的比例为1:1。硅微粉为1250目；氮化硅1200目。
制备方法：
（1）对多晶莫来石纤维进行破碎处理，直至其平均长度为5mm；
（2）先取出50重量份的水，将阳离子淀粉加入水中，转速700r/min搅拌30min，得到阳离子淀粉溶液；
（3）然后将多晶莫来石纤维加入注入2500重量水的搅拌池中，转速维持700r/min搅拌5min后，等纤维充分润湿、分散均匀后，再加入其余物料，继续搅拌15min，最后加入阳离子淀粉溶液，搅拌5min后，得到混合浆料。
（4）将步骤（2）中的淀粉溶液加入到混合浆料中，转速400r/min搅拌5min，得到絮状浆料。
（5）利用CN211537121U（一种纤维板吸附设备）制做出的设备将得到的混合浆料进行成型，然后在110℃下干燥24h，得到未烧结的陶瓷纤维板。
（6）通过1600快速升温炉进行烧结，升温曲线为650℃升温65min，650℃保温60min，然后升温至1400℃升温时长为60min，在1400℃保温120min，待到炉温冷却，得到陶瓷纤维板。
本实施例产品的性能测试，测试方法与实施例1相同：
对比例：
本实施例中的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，采用现有技术中不含碳化硅的配方，包括以下原料，硅酸铝纤维、结合剂、絮凝剂、水以及无碱玻璃纤维。
所述硅酸铝纤维为50重量份；所述结合剂为15重量份；所述絮凝剂为3重量份；所述水为2550重量份；所述无碱玻璃纤维10重量份。
此实施例中，絮凝剂为阳离子淀粉，结合剂为固含量为30%的碱性氨型硅溶胶。碳酸铝纤维中包括45wt%的Al2O3，AL2O3＋SiO2为96 wt %。无碱玻璃纤维的平均直径为14μm，长度为2mm。
制备方法：
（1）对硅酸铝纤维进行破碎处理，直至其平均长度为5mm；
（2）先取出50重量份的水，将阳离子淀粉加入水中，转速700 r/min搅拌30min，得到淀粉溶液；
（3）然后将硅酸铝纤维、玻璃纤维加入注入2500重量水的搅拌池中，转速维持700r/min搅拌5min后，等纤维充分润湿、分散均匀后，再加入碳化硅和硅溶胶，继续搅拌15min，最后加入阳离子淀粉溶液，搅拌5min后，得到混合浆料。
（4）将步骤（2）中的淀粉溶液加入到混合浆料中，转速400 r/min搅拌5min，得到絮状浆料。
（5）利用CN211537121U（一种纤维板吸附设备）制做出的设备将得到的混合浆料进行成型，然后在110℃下干燥24h，得到未烧结的陶瓷纤维板。
（6）通过1600快速升温炉进行烧结，升温曲线为首先升温600℃，升温耗时60min，维持在600℃保温60min，再次升温至1350℃升温，升温耗时共60min，最后在1350℃保温120min，待到炉温冷却，得到陶瓷纤维板。
本实施例产品的性能测试：测试方法与实施例1相同：
根据实施例1、实施例2以及对比例，可以明显看出，本发明所采用的的配方，实施例1和实施例2的耐压强度明显优于对比例中板材的耐压强度。且实施例1和实施例2的板材密度明显高于对比例中的样品密度。采用本发明的配方制造的板材，几乎不会出现掉渣现象，抗掉渣性能远远优于现有技术的配方。
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 (9)
1.一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，其特征在于：包括陶瓷纤维，碳化硅，结合剂，絮凝剂和水；所述结合剂为硅溶胶；所述絮凝剂为阳离子淀粉和/或阳离子聚丙烯酰胺。
2.如权利要求1所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，其特征在于：还包括无碱玻璃纤维；所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维；所述硅酸铝纤维为30-60重量份；所述碳化硅为5-25重量份；所述结合剂为10-20重量份；所述絮凝剂为2-3重量份；所述水为2000-3000重量份；所述无碱玻璃纤维≤15重量份。
3.如权利要求1所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，其特征在于：还包括氧化铝粉、硅微粉以及氮化硅；所述陶瓷纤维为多晶莫来石纤维，所述多晶莫来石纤维为20-40重量份；所述氧化铝粉为10-30重量份；所述硅微粉为3-10重量份；所述碳化硅为5-15重量份；所述氮化硅为3-10重量份；所述结合剂为5-15重量份；所述絮凝剂为2-3重量份；所述水为2000-3000重量份。
4.如权利要求1所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，其特征在于：所述结合剂为固含量为20-40%的碱性氨型硅溶胶；所述陶瓷纤维的平均直径为2μm -7μm；所述陶瓷纤维中包含Al2O3≥45wt%，AL2O3＋SiO2≥95 wt %；所述碳化硅的粒径为1000~1500目。
5.如权利要求2所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，其特征在于：所述无碱玻璃纤维的平均直径为10μm-20μm，长度为1mm-5mm。
6.如权利要求3所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板，其特征在于：所述氧化铝粉由2500-3500目粒径的氧化铝粉和400-600目粒径的氧化铝粉组成，其中两者的比例为 1 : 2到1 : 0.5；所述硅微粉为1000-1500目；所述氮化硅为1000-1500目。
7.一种权利要求1-8任意一项所述的高强度抗落渣陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于：包括以下具体步骤：a、对硅酸铝纤维进行破碎处理；b、将絮凝剂加入水中进行搅拌；c、然后将其余组分加入剩余的水中搅拌均匀，得到混合浆料； d、将步骤b中得到的溶液加入到步骤c中，搅拌得到带有絮状的浆料；e、将浆料依次进行成型、干燥和烧结，从而得到产品。
8.如权利要求7所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于：所述步骤b与所述步骤c中的所用的水的比例为1:40到1:50；步骤a中，硅酸铝纤维破碎后的长度3-8mm；步骤b中的搅拌速度为700r/min～800r/min，所述搅拌时间为20min～40min；步骤c中，搅拌速度为500r/min～750r/min，搅拌时间为3min～10min；步骤d中，搅拌速度为300r/min～600r/min，搅拌时间为5min～10min；步骤e中，所述干燥温度为100~120℃，时间为20~30h；所述成型方式为吸滤和加压，所述吸滤的真空度为0.08MPa~0.04MPa；所述加压的压力为0.10MPa~0.35MPa。
9.如权利要求7所述的一种高强度抗落渣陶瓷纤维板的制备方法，其特征在于：所述步骤e中采用两阶段烧结方式，其中升温曲线为升温曲线为升温至550℃-650℃，升温总时长为60-70min，维持550℃-650℃保温60-120min；在升温至1300℃-1400℃，升温总时长为60-120min，维持1300℃-1400℃保温120-180min。
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