CN119507198B - 一种提高高铝纤维毡使用温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐火纤维技术领域,公开了一种提高高铝纤维毡使用温度的方法,通过酸浸的方法处理高铝纤维,然后再制备成高铝纤维毡,可降低高铝纤维毡的加热线收缩,提高高铝纤维毡的使用温度。该方法可使温度较低的高铝纤维毡也具备较高的使用温度,是一种经济便捷的工艺方法。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域,具体涉及一种提高高铝纤维毡使用温度的方法。
背景技术
随着现代高科技的发展,传统材料越来越难以满足社会各个领域对材料性能提出的越来越苛刻的要求。尤其在涡轮机、高温传感器、高温窑炉等领域,迫切需要轻质、隔热、耐腐蚀、寿命长的新型材料。高铝纤维作为一种轻质纤维状耐火材料,它不仅具有质量轻、耐高温、抗氧化、热稳定性小的特点,而且拥有较低的热导率与比热容等优点,完美符合高温领域对材料的性能的需求。目前市场上生产的高铝纤维中氧化铝含量普遍在60%以上,若进一步提高氧化铝含量,会导致熔融温度过高,生产过程中成纤困难,渣球含量偏高。除此之外,生产高铝纤维需要将工业氧化铝与高纯硅石按一定比例混合后制成团块,再放入高温电弧炉或电阻炉熔融,这一过程耗能巨大,导致高铝纤维的生产成本过高。
为了降低成本,使用纯度较低的氧化铝、氧化硅原料,利用熔融喷吹法可以制备氧化铝含量约70%的高铝纤维,平均直径小于1μm。然而这种方法制得的高铝纤维制备高铝纤维毡的使用温度大大降低,在900℃就有明显的晶化现象。使用温度过低,严重阻碍了高铝纤维毡在高温阶段的广泛应用,因此需要一种经济便捷的提高高铝纤维毡的使用温度的方法。
发明内容
本发明提供一种提高高铝纤维毡使用温度的方法,通过酸浸的方法处理高铝纤维,然后再制备成高铝纤维毡,可降低高铝纤维的加热线收缩,提高高铝纤维毡的使用温度。该方法可使使用温度较低的高铝纤维毡也具备较高的使用温度,是一种经济便捷的工艺方法。
为了达到上述目的,本发明提供如下方案:
一种提高高铝纤维毡使用温度的方法,包含以下步骤:
S1、对高铝纤维进行烘干处理;
S2、酸浸处理,将烘干处理后的高铝纤维浸入酸浸液中,并将其放入恒温水浴锅中保温处理,得到酸浸处理后的高铝纤维,所述恒温水浴锅的设定温度为30~100℃,恒温保温时间为2~10h;酸浸液与高铝纤维的比例是每升酸浸液中加入20~50g高铝纤维;此步骤为了让高铝纤维充分接触酸浸液,与酸浸液充分反应;所述酸浸液中硝酸的浓度为0.1~2mol/L,硝酸铝的浓度为10%~100%饱和;
S3、过滤处理,将酸浸处理后的高铝纤维进行过滤,除去纤维表面的酸浸液及未反应的化学物质。随后对高铝纤维进行多次水洗,得到清洗后的高铝纤维;
S4、烘干处理,将清洗后的高铝纤维烘干,冷却至室温即可得到烘干后的高铝纤维;
S5、将所述烘干后的高铝纤维分散、压滤成毡;
S6、进行900℃热处理2h,得到高铝纤维毡。
进一步地,所述酸浸液中硝酸的浓度为0.1~1mol/L。硝酸铝的浓度为50%~100%饱和。使用硝酸溶液对高铝纤维进行酸浸处理,并同时在硝酸溶液中加入一定量的硝酸铝以抑制高铝纤维中氧化铝的溶解。
进一步地,酸浸液的配制方法为:将浓硝酸、九水合硝酸铝粉末加入水中,搅拌直到粉末完全溶解,得到酸浸液;
进一步地,所述酸浸液与高铝纤维的比例是每升酸浸液中加入30~40g高铝纤维。
进一步地,所述S1中的烘干处理具体为,将高铝纤维置于恒温干燥箱中进行烘干,温度为90~100℃,干燥时间为20~26h,这一过程旨在去除高铝纤维中的水分,以便后续对高铝纤维进行化学处理。
进一步地,所述S2中恒温水浴锅的设定温度为30~70℃,恒温保温时间为2~7h。
进一步地,所述S4中烘干具体为:将清洗后的高铝纤维放入坩埚后在恒温干燥箱中烘干,以除去多余水分。恒温干燥箱的温度为110~120℃,干燥时间为10~16h。
本发明方法通过对低纯度的原料制备的使用温度较低的高铝纤维进行酸浸处理,分散、压滤成毡后900℃热处理制备高铝纤维毡,制备的高铝纤维毡的加热线收缩降低,使用温度提高,这是由于酸浸液含有硝酸和硝酸铝,高铝纤维在与酸浸液反应时,可使高铝纤维中的氧化铁等杂质溶出,引入铝盐,提高了Al3+浓度,氧化铝的溶出被抑制,使得酸浸后的高铝纤维中氧化铁等杂质含量明显减少,提高了高铝纤维的纯度,通过900℃热处理进一步降低了高铝纤维毡的加热线收缩,使用温度大大提高。
本发明的优点及有益效果是:
1、本发明方法可使使用温度较低的高铝纤维毡加热线收缩大大降低,使用温度提高,降低了高铝纤维的制备成本。
2、本发明方法可使高铝纤维毡在1300℃以上的循环耐压性能增强,可以承受的应力更大,应力为140~200kPa,1400℃热处理后应力为590~860kPa。
3、本发明方法处理温度低,能耗低,符合绿色发展需求。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图。
图2为实施例1处理后的高铝纤维的显微镜图片;
图3为实施例2处理后的高铝纤维的显微镜图片;
图4为实施例3处理后的高铝纤维的显微镜图片;
图5为实施例1、实施例3、对比例2及对比例3处理后的高铝纤维的SEM图,其中(a)对应实施例1,(b)对应实施例3,(c)对应对比例2,(d)对应对比例3;
图6为对比例2处理后的高铝纤维的显微镜图片;
图7为对比例3处理后的高铝纤维的显微镜图片;
图8实施例1制备的高铝纤维毡与原始高铝纤维毡不同温度处理前后的长度变化图;
图9实施例1酸洗后的高铝纤维压滤成毡与原始高铝纤维毡不同温度处理的加热线变化图;
图10为原始高铝纤维毡、实施例2及对比例1制备高铝纤维毡的加热线随着温度变化的曲线图;
图11为实施例1制备的高铝纤维毡及原始高铝纤维毡1300℃后进行耐压性能测试图;(a)为原始高铝纤维毡,(b)为实施例1制备的高铝纤维毡;
图12为实施例1制备的高铝纤维毡及原始高铝纤维毡1400℃后进行耐压性能测试图,(a)为原始高铝纤维毡,(b)为实施例1制备的高铝纤维毡。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
一种提高高铝纤维毡使用温度的方法,包括以下步骤:
S1、对高铝纤维进行烘干处理;将喷吹法制得的高铝纤维通过恒温干燥箱烘干;其中恒温干燥箱温度为90℃,干燥时间为24h。
S2、酸浸处理:配制酸浸液,在硝酸溶液中加入九水硝酸铝粉末,充分混合直至九水硝酸铝全部溶解;其中,所述的酸浸液中硝酸的浓度为0.10mol/L,硝酸铝的浓度为50%饱和。其中,确保硝酸浓度与硝酸铝浓度满足需求的方法是,根据所需处理的高铝纤维的质量,确定所需酸浸液的体积,再根据最佳酸浸液中硝酸与硝酸铝的浓度,计算出所需的浓硝酸及九水合硝酸铝的摩尔质量,进而得出相应的体积与质量。先用少量去离子水将所需浓硝酸与九水合硝酸铝充分混合搅拌,待粉末充分溶解后,在溶液中再加入去离子水至溶液体积为250mL,最后使用250mL容量瓶滴定配置出最终的最佳酸浸液。
将高铝纤维浸入酸浸液中,再放入恒温水浴锅保温;其中,为确保高铝纤维与酸浸液充分反应,酸浸液与高铝纤维的比例是250ml:8g。恒温水浴锅温度设定为30℃,水浴保温时间为3h。
S3、过滤,通过布氏漏斗使用抽滤的方法将酸浸处理后的高铝纤维过滤并用去离子水多次清洗,得到清洗后的高铝纤维;
S4、烘干处理,清洗后的高铝纤维放入坩埚后在恒温干燥箱中烘干多余水分即得烘干后的高铝纤维。其中恒温干燥箱的烘干温度为120℃,烘干时间为12h。
S5、将S4烘干后的高铝纤维分散、压滤成毡;
S6、进行900℃热处理2h,得到高铝纤维毡。
实施例1处理后的高铝纤维的显微镜图片如图2所示,SEM图如图5中(a)图所示,高铝纤维表面几乎没有被酸侵蚀的痕迹;高铝纤维中主要物质的含量如表1所示。将高铝纤维毡进行热处理,测量热处理的长度变化如图8所示。1300℃、1400℃后进行耐压性能测试,如图11中(b)、图12中(b)所示。
实施例2
与实施例1的区别是,酸浸液中硝酸的浓度为0.5mol/L,硝酸铝的浓度为50%饱和。
实施例2处理后的高铝纤维的显微镜图片如图3所示,高铝纤维的微观形貌结构没有较大改变;高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
实施例3
一种提高高铝纤维毡使用温度的方法,包括以下步骤:
S1、对高铝纤维进行烘干处理;将喷吹法制得的高铝纤维通过恒温干燥箱烘干;其中恒温干燥箱温度为90℃,干燥时间为24h。
S2、酸浸处理,在硝酸溶液中加入九水硝酸铝粉末,充分混合直至九水硝酸铝全部溶解;制备方法同实施例1,其中,所述的酸浸液中硝酸的浓度为1.00mol/L,硝酸铝的浓度为100%饱和。
将高铝纤维浸入酸浸液中,再放入恒温水浴锅保温;其中,为确保高铝纤维与酸浸液充分反应,酸浸液与高铝纤维的比例是250ml:8g。恒温水浴锅设定温度为70℃,水浴保温时间为7h。
S3、抽滤,通过布氏漏斗使用抽滤的方法将酸浸处理后的高铝纤维过滤并用去离子水多次清洗,得到清洗后的高铝纤维;
S4、干燥,清洗后的高铝纤维放入坩埚后在恒温干燥箱中烘干多余水分即得烘干的高铝纤维。其中恒温干燥箱的烘干温度为100℃,烘干时间为12h。
S5、将S4烘干后的高铝纤维分散、压滤成毡;
S6、进行900℃热处理2h,得到高铝纤维毡。
实施例3处理后的高铝纤维的显微镜图片如图4所示,SEM图如图5中(b)图所示,高铝纤维的微观形貌结构没有较大改变,虽有侵蚀痕迹但侵蚀程度较低,表面没有较深的凹痕;高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
对比例1
一种提高高铝纤维毡的使用温度的方法,与实施例2的区别是,直接使用原始高铝纤维制备高铝纤维毡,再对高铝纤维毡进行酸浸处理,包括以下步骤:
S1、将原始高铝纤维干燥、分散、压滤制备成高铝纤维毡;
S2、预处理,将高铝纤维毡放入高温电阻炉中进行预处理,电阻炉温度设定为900℃,保温时间为2h。
S3、酸浸处理,酸浸液制备方法同实施例2,区别仅在于,所述的酸浸液中硝酸的浓度为0.1mol/L,硝酸铝的浓度为50%饱和。
将高铝纤维毡加入酸浸液中,再放入恒温水浴锅保温;其中,为确保高铝纤维毡与酸浸液充分反应,酸浸液与高铝纤维毡的比例是250ml:8g。水浴锅设定温度为30℃,水浴保温时间为3h。
S5、过滤,将高铝纤维毡过滤并用去离子水多次清洗,得到清洗后的高铝纤维毡;
S6、干燥,过滤后的高铝纤维毡放入坩埚后在恒温干燥箱中烘干多余水分即得酸浸后的高铝纤维毡。其中恒温干燥箱的烘干温度为120℃,烘干时间为12h。
对比例1处理后的高铝纤维毡中主要成分的含量如表1所示。
对比例2
与实施例1的区别仅在于,酸浸液中硝酸的浓度为2.5mol/L。
对比例2处理后的高铝纤维的SEM图如图5中(c)所示。显微镜图片如图6所示,高铝纤维的微观形貌受酸的侵蚀较严重,纤维表面已有由于酸侵蚀而形成的分层。高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
对比例3
与实施例1的区别仅在于,酸浸液中硝酸的浓度为2mol/L。
对比例3处理后的高铝纤维的SEM图如图5中(d)所示。显微镜图片如图7所示,高铝纤维表面可以明显看出酸侵蚀的痕迹。高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
对比例4
与实施例1的区别仅在于,酸浸处理时,恒温水浴锅温度设定为25℃。
对比例4处理后的高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
对比例5
与实施例1的区别仅在于,酸浸处理时,恒温水浴锅温度设定为105℃。
对比例5处理后的高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
对比例6
与实施例1的区别仅在于,酸浸处理时,不加硝酸铝。
对比例6处理后的高铝纤维中主要成分的含量如表1所示。
对比例7
与实施例1的区别在于,对高铝纤维不进行酸洗只进行碱洗,取烘干的高铝纤维加入NaOH溶液,高铝纤维、NaOH溶液的比例是8g:250mL,室温下磁力搅拌2h,之后将碱洗后的高铝纤维通过过滤洗去多余的碱,最后再放入90℃的烘箱中烘干取出。
碱洗后的高铝纤维的主要成分如表1所示,碱洗工艺无法改变纤维的化学组成。
表1酸浸处理前及实施例、对比例处理后的高铝纤维的主要成分含量
由表1可以看出,实施例1~实施例3处理后的高铝纤维中氧化铝与二氧化硅的含量之和相对提升,氧化铁、氧化钙的含量下降;对比例1先制备纤维毡再酸洗处理后,高铝纤维中氧化铝与二氧化硅的含量之和略微提升,且氧化铁、氧化钙的含量下降没有实施例明显,对比例2和对比例3改变硝酸的浓度,氧化铝含量下降明显,且氧化铝与二氧化硅的含量之和相对下降,氧化铁、氧化钙的含量没有实施例降低明显,说明随着硝酸的浓度提高,纤维的酸蚀比较严重,造成了对纤维结构的破坏,导致氧化铝与二氧化硅的含量之和相对下降。
对比例4和对比例5将酸浸温度设置为25℃、105℃,可以看出处理后的高铝纤维中,氧化铝与二氧化硅的含量之和变化不明显,但氧化铁的含量相较于实施例1有所提高,这说明反应温度过低或过高,都不利于高铝纤维中氧化铁含量的降低。
对比例6不加硝酸铝,酸浸处理后的高铝纤维中,氧化铝的含量大幅降低,氧化铁的含量相较于实施例1也有一定的提高,这说明硝酸铝的加入,可以有效减少高铝纤维中氧化铝的溶出,提高氧化铁的溶出比例,进而降低高铝纤维中氧化铁的含量。
将实施例1制备的高铝纤维毡与原始高铝纤维毡切成20mm×20mm×60mm的长方形样块,放入箱式炉依次加热至1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃,保温24h后取出,测量热处理前后的长度变化数据,将数据绘制成图像得到图8,可以看出热处理温度超过1300℃,酸洗后的高铝纤维长度变化比未酸洗的高铝纤维明显减少,说明酸洗后高铝纤维在高温阶段性能比较稳定。
将20mm×20mm×60mm纤维毡各初始温度的长度作为基准,再把各温度烧后的纤维的长度除以基准,所得高铝纤维毡的线变化绘图可得图9,实施例1压滤成毡后不经过热处理,原始高铝纤维毡的线收缩更小,最高使用温度可以维持在1100℃,如图9中(a)所示;若以实施例1压滤成毡后进行800℃热处理后的纤维毡为原始试样进行计算,酸洗后的纤维制备的纤维毡在1000~1200℃范围内无明显的收缩,温度不高于1200℃时,酸洗后的纤维制备的的高铝纤维毡收缩率大于原始高铝纤维毡,如图9中(b)所示;若实施例1制备的纤维为原始试样进行计算,900℃热处理后的原始高铝纤维毡的线收缩大于实施例1制备的高铝纤维毡,1200℃时两种纤维毡的收缩率均小于4%。随着温度升高到1300℃时,实施例1制备的高铝纤维毡的收缩率仍小于4%,900℃热处理后原始高铝纤维毡的收缩率大大超过40%,如图9中(c)所示;将实施例1制备的高铝纤维毡与经过900℃热处理后的原始高铝纤维毡的线变化数据进行对比,可以看到1200℃以上实施例1制备的高铝纤维毡的线收缩明显低于原始高铝纤维毡。由图9可以看出,高铝纤维毡经过900℃热处理后均呈现收缩趋势。高铝纤维毡的线变化随温度的升高无明显增加;当温度升高至1200℃以上时,高铝纤维毡的线变化随温度的升高而升高,此时实施例1制备的高铝纤维毡的线收缩明显低于原始高铝纤维毡。可以确认,酸浸处理及900℃热处理可以有效降低1200℃以上纤维毡的加热线收缩,使其使用温度达到1300℃以上。这是因为酸洗后,高铝纤维中氧化铁、氧化钙等杂质含量降低,导致在高温下高铝纤维的线收缩明显降低。
原始高铝纤维毡、实施例2及对比例1制备高铝纤维毡的加热线随着温度变化的曲线如图10所示,可以看出,当温度超过1200℃时,实施例2制备的高铝纤维毡的加热线收缩明显降低。对比例1先制备高铝纤维毡再进行酸洗,与原始高铝纤维毡比较,加热线收缩有所降低,但是与实施例2先酸洗高铝纤维再制备高铝纤维毡比较,加热线收缩还是很高,因此先酸洗再制备高铝纤维毡的工艺更有利于降低原始高铝纤维的加热线收缩,提高高铝纤维使用温度。
将实施例1制备的高铝纤维毡及原始高铝纤维毡进行1300℃、1400℃热处理后进行耐压性能测试,将纤维毡切成20mm×20mm×20mm的样块,高度为高铝纤维毡厚度,利用万能试验机,设定每次加压位移为高铝纤维毡样块厚度的20%,循环加压10次得到高铝纤维毡样块的应力与形变的关系数据。如图11、图12所示,酸洗处理后的高铝纤维毡可以承受更大的应力,同时也具有一定的回弹性,使用的综合性能会更好。造成这一结果的原因是酸洗处理导致原始高铝纤维中的一些纤维细丝被腐蚀,平均纤维细丝的长度更短,制作成为高铝纤维毡样块后,高铝纤维毡的密度更大,孔隙较小,因此可以承受的应力更大。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离发明构思的前提下,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 (7)
1.一种提高高铝纤维毡使用温度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、对高铝纤维进行烘干处理;
S2、酸浸处理,将烘干处理后的高铝纤维浸入酸浸液中,并将其放入恒温水浴锅中保温处理,得到酸浸处理后的高铝纤维,所述恒温水浴锅的设定温度为30~100℃,恒温保温时间为2~10h;所述酸浸液与高铝纤维的比例是每升酸浸液中加入20~50g高铝纤维;所述酸浸液中硝酸的浓度为0.1~2 mol/L,硝酸铝的浓度为10%~100%饱和;
S3、过滤处理,将酸浸处理后的高铝纤维进行过滤,随后对高铝纤维进行多次水洗,得到清洗后的高铝纤维;
S4、烘干处理,将清洗后的高铝纤维烘干,冷却至室温即可得到烘干后的高铝纤维;
S5、将所述烘干后的高铝纤维分散、压滤成毡;
S6、进行900℃热处理2h,得到高铝纤维毡。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述酸浸液中硝酸的浓度为0.1~1mol/L,硝酸铝的浓度为50%~100%饱和。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述酸浸液的配制方法为:将浓硝酸、九水合硝酸铝粉末加入水中,搅拌直到粉末完全溶解,得到酸浸液。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述酸浸液与高铝纤维的比例是每升酸浸液中加入30~40g高铝纤维。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S1中的烘干处理具体为,将高铝纤维置于恒温干燥箱中进行烘干,温度为90~100℃,干燥时间为20~26h。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S2中恒温水浴锅的设定温度为30~70℃,恒温保温时间为2~7h。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S4中烘干具体为:将清洗后的高铝纤维放入坩埚后在恒温干燥箱中烘干,恒温干燥箱的温度为110~120℃,干燥时间为10~16h。
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