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CN112522996B - 一种增韧型无机纸及其制备方法 - Google Patents

一种增韧型无机纸及其制备方法 Download PDF

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CN112522996B CN202011360268.8A CN202011360268A CN112522996B CN 112522996 B CN112522996 B CN 112522996B CN 202011360268 A CN202011360268 A CN 202011360268A CN 112522996 B CN112522996 B CN 112522996B
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Abstract

本发明提供了一种增韧型无机纸，由包括以下组分的原料制备而成：无机纤维70重量份～90重量份；无机结合剂5重量份～24重量份；增韧剂2重量份～5重量份；助滤剂1重量份～3重量份。与现有技术相比，本发明提供的增韧型无机纸采用特定含量组分，实现较好的相互作用，产品能够在不使用有机粘合剂基础上具有较高的韧性，同时燃烧性能优异，高温环境下使用不会产生任何的烟气和异味。实验结果表明，本发明提供的增韧型无机纸的体积密度为0.160g/cm3～0.215g/cm3，在直径65mm的圆管上进行卷绕不开裂，柔韧性佳，并且燃烧性能优异。

Description

一种增韧型无机纸及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机纸技术领域，更具体地说，是涉及一种增韧型无机纸及其制备方法。
背景技术
在汽车的发动机和排气管等高温部件上通常用到无机纤维隔热材料。要求该无机纤维隔热材料高温环境下无烟无味，同时应当具有一定的强度和柔韧性。传统的制造方法是，通过引入有机粘合剂制备具有一定柔韧性和强度的隔热材料，但是使用有机结合剂制备的隔热材料在高温环境中通常会产生明火，并伴有强烈的刺激性烟气产生，造成安全隐患。
专利(CN105829607A)“无机纤维纸”公开了一种无机纤维纸，包含无机纤维、短切玻璃纤维和粘合剂体系，所述粘合剂体系包含无机和有机粘合剂组分。所述粘合剂体系包含低含量的有机粘合剂，该有机粘合剂向所述无机纤维纸赋予适当的加工性能和拉伸强度而不使纸在苛刻的高温环境时发出火焰。
专利CN105829607A所涉及的一种无机纤维纸存在的缺点是仍然引入了部分有机结合剂，虽然引入的量较少，高温环境下不会产生明火，但是仍然会有异味及烟气产生，存在安全隐患。然而，使用无机结合剂直接和纤维混合制备的无机纸韧性差，卷绕开裂，无法正产使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种增韧型无机纸及其制备方法，本发明提供的增韧型无机纸能够在不使用有机粘合剂基础上具有较高的韧性，同时燃烧性能优异。
本发明提供了一种增韧型无机纸，由包括以下组分的原料制备而成：
无机纤维70重量份～90重量份；
无机结合剂5重量份～24重量份；
增韧剂2重量份～5重量份；
助滤剂1重量份～3重量份。
优选的，所述无机纤维选自硅酸铝纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维和多晶莫来石纤维中的一种或多种；
所述硅酸铝纤维的纤维直径为3μm～5μm；所述玻璃纤维的纤维直径为7μm～10μm；所述玄武岩纤维的纤维直径为9μm～15μm；所述碳纤维的纤维直径为6μm～8μm；所述多晶莫来石纤维的纤维直径为3μm～5μm。
优选的，所述无机结合剂选自硅溶胶和/或水玻璃；
所述硅溶胶的质量浓度为30％～40％；所述水玻璃的质量浓度为20％～30％。
优选的，所述增韧剂由质量比为(10～20)：(10～20)：(10～20)：(50～60)：1000的氧化钙、氧化镁、氧化锌、无机酸和水反应而成。
优选的，所述氧化钙的密度为3.32g/cm3～3.35g/cm3；所述氧化镁的密度为3.55g/cm3～3.58g/cm3；所述氧化锌的密度为5.5g/cm3～5.6g/cm3。
优选的，所述无机酸选自盐酸、硫酸和磷酸中的一种或多种；
所述盐酸的质量浓度为36％～37％；所述硫酸的质量浓度为74％～75％；所述磷酸的质量浓度为84％～85％。
优选的，所述助滤剂为聚丙烯酰胺溶液；所述聚丙烯酰胺溶液的质量浓度为0.5％～1％；所述聚丙烯酰胺的分子量为800万～1200万。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的增韧型无机纸的制备方法，包括以下步骤：
a)将无机纤维、无机结合剂和增韧剂加入水中，进行搅拌，得到浆料；
b)在步骤a)得到的浆料中加入助滤剂进行絮凝，再依次经脱水、切割、整平和烘干，得到增韧型无机纸。
优选的，步骤a)中所述搅拌的速度为400rpm～600rpm，时间为20min～25min。
优选的，步骤b)中所述烘干的温度为100℃～130℃，时间为0.5h～2h。
本发明提供了一种增韧型无机纸，由包括以下组分的原料制备而成：无机纤维70重量份～90重量份；无机结合剂5重量份～24重量份；增韧剂2重量份～5重量份；助滤剂1重量份～3重量份。与现有技术相比，本发明提供的增韧型无机纸采用特定含量组分，实现较好的相互作用，产品能够在不使用有机粘合剂基础上具有较高的韧性，同时燃烧性能优异，高温环境下使用不会产生任何的烟气和异味。实验结果表明，本发明提供的增韧型无机纸的体积密度为0.160g/cm3～0.215g/cm3，在直径65mm的圆管上进行卷绕不开裂，柔韧性佳，并且燃烧性能优异。
此外，本发明提供的制备方法工艺简单，条件温和、易控，成本低，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的增韧型无机纸的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明提供了一种增韧型无机纸，由包括以下组分的原料制备而成：
无机纤维70重量份～90重量份；
无机结合剂5重量份～24重量份；
增韧剂2重量份～5重量份；
助滤剂1重量份～3重量份。
在本发明中，所述增韧型无机纸包括无机纤维、无机结合剂、增韧剂和助滤剂，优选由无机纤维、无机结合剂、增韧剂和助滤剂组成。在本发明中，所述无机纤维优选选自硅酸铝纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维和多晶莫来石纤维中的一种或多种，更优选为硅酸铝纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维或多晶莫来石纤维。本发明对所述无机纤维的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述硅酸铝纤维的纤维直径优选为3μm～5μm；所述玻璃纤维的纤维直径优选为7μm～10μm；所述玄武岩纤维的纤维直径优选为9μm～15μm；所述碳纤维的纤维直径优选为6μm～8μm；所述多晶莫来石纤维的纤维直径优选为3μm～5μm。
在本发明中，所述无机结合剂优选选自硅溶胶和/或水玻璃，更优选为硅溶胶或水玻璃。本发明对所述无机结合剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品或自制品均可。在本发明中，所述硅溶胶的质量浓度优选为30％～40％；所述水玻璃的质量浓度优选为20％～30％。
在本发明中，所述增韧剂优选由质量比为(10～20)：(10～20)：(10～20)：(50～60)：1000的氧化钙、氧化镁、氧化锌、无机酸和水反应而成。在本发明中，所述氧化钙为白色粉末状物质，密度优选为3.32g/cm3～3.35g/cm3；所述氧化镁为白色粉末状物质，密度优选为3.55g/cm3～3.58g/cm3；所述氧化锌为白色粉末状物质，密度优选为5.5g/cm3～5.6g/cm3。本发明对所述氧化钙、氧化镁和氧化锌的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述无机酸优选选自盐酸、硫酸和磷酸中的一种或多种，更优选为盐酸、硫酸或磷酸。本发明对所述无机酸的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述盐酸的质量浓度优选为36％～37％，更优选为37％；所述硫酸的质量浓度优选为74％～75％，更优选为75％；所述磷酸的质量浓度优选为84％～85％，更优选为85％。
在本发明中，所述水优选为去离子水；本发明对此没有特殊限制。
在本发明中，所述增韧剂的制备方法优选具体为：
将氧化钙、氧化镁和氧化锌加入水中，进行搅拌，待物料搅拌均匀后，加入无机酸混合，进行反应，得到无机隔热材料的增韧剂。
本发明将氧化钙、氧化镁和氧化锌加入水中，进行搅拌。在本发明中，所述氧化钙、氧化镁、氧化锌和水与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
本发明对所述搅拌的装置没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的搅拌机即可。在本发明中，所述搅拌的速度优选为400rpm～600rpm；所述搅拌的时间优选为5min～10min。
待物料搅拌均匀后，加入无机酸混合，进行反应，得到无机隔热材料的增韧剂。在本发明中，所述无机酸与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述反应的过程优选在搅拌条件下进行；即保持搅拌机的搅拌持续进行；所述搅拌的速度优选为400rpm～600rpm；所述搅拌的时间即反应的时间优选为30min～40min，更优选为40min。
在本发明中，所述增韧剂以氧化钙、氧化镁、氧化锌和无机酸为主要原料，通过上述特定组成的金属氧化物和无机酸反应产生盐类物质，该金属盐的形态是一种呈鳞片状结构能够均匀包裹在无机纤维表面的连续相，由于连续相鳞片状结构的存在使得无机纤维的韧性大幅提高，同时金属阳离子在水中形成高度聚合的多羟基化合物，在助滤剂的作用下能够吸附无机结合剂的胶体颗粒，降低了由单纯无机结合剂烘干后带来的刚性强度，最终使无机纸具有相当的韧性；同时，不使用有机粘合剂，且燃烧性能优异，高温环境下使用不会产生任何的烟气和异味。
在本发明中，所述助滤剂优选为聚丙烯酰胺溶液。本发明对所述助滤剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品或自制品均可。在本发明中，所述聚丙烯酰胺溶液的质量浓度优选为0.5％～1％；所述聚丙烯酰胺的分子量优选为800万～1200万。
本发明提供的增韧型无机纸采用特定含量组分，实现较好的相互作用，产品能够在不使用有机粘合剂基础上具有较高的韧性，同时燃烧性能优异，高温环境下使用不会产生任何的烟气和异味。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的增韧型无机纸的制备方法，包括以下步骤：
a)将无机纤维、无机结合剂和增韧剂加入水中，进行搅拌，得到浆料；
b)在步骤a)得到的浆料中加入助滤剂进行絮凝，再依次经脱水、切割、整平和烘干，得到增韧型无机纸。
本发明首先将无机纤维、无机结合剂和增韧剂加入水中，进行搅拌，得到浆料。在本发明中，所述无机纤维、无机膨胀剂、无机结合剂和增韧剂与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述搅拌的装置优选为搅拌机，本发明对此没有特殊限制。在本发明中，所述搅拌的速度优选为400rpm～600rpm；所述搅拌的时间优选为20min～25min。
得到所述浆料后，本发明在得到的浆料中加入助滤剂进行絮凝，再依次经脱水、切割、整平和烘干，得到增韧型无机纸。在本发明中，所述助滤剂与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述絮凝的过程优选在搅拌的条件下进行，即保持步骤a)中的搅拌持续进行。在本发明中，所述絮凝的时间优选为3min～5min至出现上清液为止。
在本发明中，所述脱水的方式优选为真空吸滤脱水；所述切割优选采用高压水针切割；所述整平的方式优选为辊压整平。
在本发明中，所述烘干的温度优选为100℃～130℃；所述烘干的时间优选为0.5h～2h。
烘干后，得到增韧型无机纸；所述增韧型无机纸的厚度优选为0.5mm～12mm。
本发明提供的制备方法工艺简单，条件温和、易控，成本低，具有广阔的应用前景。
本发明提供了一种增韧型无机纸，由包括以下组分的原料制备而成：无机纤维70重量份～90重量份；无机结合剂5重量份～24重量份；增韧剂2重量份～5重量份；助滤剂1重量份～3重量份。与现有技术相比，本发明提供的增韧型无机纸采用特定含量组分，实现较好的相互作用，产品能够在不使用有机粘合剂基础上具有较高的韧性，同时燃烧性能优异，高温环境下使用不会产生任何的烟气和异味。实验结果表明，本发明提供的增韧型无机纸的体积密度为0.160g/cm3～0.215g/cm3，在直径65mm的圆管上进行卷绕不开裂，柔韧性佳，并且燃烧性能优异。
此外，本发明提供的制备方法工艺简单，条件温和、易控，成本低，具有广阔的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
(1)将15重量份密度为3.35g/cm3的氧化钙、15重量份密度为3.58g/cm3氧化镁和15重量份密度为5.60g/cm3的氧化锌加入1000重量份的水中，开启搅拌机；待物料搅拌均匀后，向搅拌机中加入55重量份质量浓度为85％的磷酸，继续搅拌40min充分反应后，得到无机隔热材料的增韧剂。
(2)将70重量份硅酸铝纤维、24重量份质量浓度为30％的硅溶胶、5重量份步骤(1)得到的增韧剂加入水中，开启搅拌机，搅拌速度为400rpm，搅拌时间25min，得到浆料；再向所述浆料中加入1重量份质量浓度为1％的分子量800万的聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌3min至出现上清液为止；然后通过真空吸滤脱水后，利用高压水针切割成宽度610mm的湿纸坯，然后对湿纸坯进行辊压整平；最后对上述湿纸坯进行热风烘干(烘干温度100℃，烘干时间0.5h)，得到厚度0.5mm的增韧型无机纸。
图1为本发明实施例1提供的增韧型无机纸的扫描电镜图；由图1可知，本发明采用的无机隔热材料的增韧剂的形态是一种呈鳞片状结构均匀包裹在所述纤维表面的连续相。
实施例2
(1)将15重量份密度为3.35g/cm3的氧化钙、15重量份密度为3.58g/cm3氧化镁和15重量份密度为5.60g/cm3的氧化锌加入1000重量份的水中，开启搅拌机；待物料搅拌均匀后，向搅拌机中加入55重量份质量浓度为75％的硫酸，继续搅拌40min充分反应后，得到无机隔热材料的增韧剂。
(2)将80重量份多晶莫来石纤维、16重量份质量浓度为30％的水玻璃、3重量份步骤(1)得到的增韧剂加入水中，开启搅拌机，搅拌速度为500rpm，搅拌时间23min，得到浆料；再向所述浆料中加入2重量份质量浓度为0.8％的分子量900万的聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌4min至出现上清液为止；然后通过真空吸滤脱水后，利用高压水针切割成宽度1220mm的湿纸坯，然后对湿纸坯进行辊压整平；最后对上述湿纸坯进行热风烘干(烘干温度110℃，烘干时间1h)，得到厚度3mm的增韧型无机纸。
实施例3
(1)将15重量份密度为3.35g/cm3的氧化钙、15重量份密度为3.58g/cm3氧化镁和15重量份密度为5.60g/cm3的氧化锌加入1000重量份的水中，开启搅拌机；待物料搅拌均匀后，向搅拌机中加入55重量份质量浓度为37％的盐酸，继续搅拌40min充分反应后，得到无机隔热材料的增韧剂。
(2)将90重量份碳纤维、5重量份质量浓度为25％的水玻璃、4重量份步骤(1)得到的增韧剂加入水中，开启搅拌机，搅拌速度为600rpm，搅拌时间20min，得到浆料；再向所述浆料中加入1重量份质量浓度为0.8％的分子量900万的聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5min至出现上清液为止；然后通过真空吸滤脱水后，利用高压水针切割成宽度800mm的湿纸坯，然后对湿纸坯进行辊压整平；最后对上述湿纸坯进行热风烘干(烘干温度120℃，烘干时间0.7h)，得到厚度4mm的增韧型无机纸。
实施例4
(1)将15重量份密度为3.35g/cm3的氧化钙、15重量份密度为3.58g/cm3氧化镁和15重量份密度为5.60g/cm3的氧化锌加入1000重量份的水中，开启搅拌机；待物料搅拌均匀后，向搅拌机中加入55重量份质量浓度为85％的磷酸，继续搅拌40min充分反应后，得到无机隔热材料的增韧剂。
(2)将75重量份玻璃纤维、21重量份质量浓度为20％的水玻璃、3重量份步骤(1)得到的增韧剂加入水中，开启搅拌机，搅拌速度为600rpm，搅拌时间20min，得到浆料；再向所述浆料中加入2重量份质量浓度为0.5％的分子量1000万的聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5min至出现上清液为止；然后通过真空吸滤脱水后，利用高压水针切割成宽度1000mm的湿纸坯，然后对湿纸坯进行辊压整平；最后对上述湿纸坯进行热风烘干(烘干温度105℃，烘干时间0.8h)，得到厚度1mm的增韧型无机纸。
实施例5
(1)将15重量份密度为3.35g/cm3的氧化钙、15重量份密度为3.58g/cm3氧化镁和15重量份密度为5.60g/cm3的氧化锌加入1000重量份的水中，开启搅拌机；待物料搅拌均匀后，向搅拌机中加入55重量份质量浓度为85％的磷酸，继续搅拌40min充分反应后，得到无机隔热材料的增韧剂。
(2)将85重量份玄武岩纤维、10重量份质量浓度为35％的硅溶胶、3重量份步骤(1)得到的增韧剂加入水中，开启搅拌机，搅拌速度为600rpm，搅拌时间20min，得到浆料；再向所述浆料中加入2重量份质量浓度为0.5％的分子量1100万的聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌4min至出现上清液为止；然后通过真空吸滤脱水后，利用高压水针切割成宽度610mm的湿纸坯，然后对湿纸坯进行辊压整平；最后对上述湿纸坯进行热风烘干(烘干温度120℃，烘干时间1h)，得到厚度8mm的增韧型无机纸。
实施例6
(1)将15重量份密度为3.35g/cm3的氧化钙、15重量份密度为3.58g/cm3氧化镁和15重量份密度为5.60g/cm3的氧化锌加入1000重量份的水中，开启搅拌机；待物料搅拌均匀后，向搅拌机中加入55重量份质量浓度为85％的磷酸，继续搅拌40min充分反应后，得到无机隔热材料的增韧剂。
(2)将80重量份玄武岩纤维、13重量份质量浓度为40％的硅溶胶、5重量份步骤(1)得到的增韧剂加入水中，开启搅拌机，搅拌速度为600rpm，搅拌时间20min，得到浆料；再向所述浆料中加入2重量份质量浓度为0.5％的分子量1200万的聚丙烯酰胺溶液，继续搅拌5min至出现上清液为止；然后通过真空吸滤脱水后，利用高压水针切割成宽度1220mm的湿纸坯，然后对湿纸坯进行辊压整平；最后对上述湿纸坯进行热风烘干(烘干温度130℃，烘干时间2h)，得到厚度12mm的增韧型无机纸。
对比例1
称取88重量份的硅酸铝纤维、2重量份的短切玻璃纤维、6重量份的浓度为30％的硅溶胶和4重量份的质量浓度为50％的丙烯酸酯乳液在水中充分混匀后成型为厚度3mm湿纸坯，烘干后制得陶瓷纤维纸；其中丙烯酸酯乳液为有机结合剂。
对比例2
称取76重量份硅酸铝纤维和24重量份质量浓度为30％的硅溶胶在水中充分混匀后成型为厚度0.5mm湿纸坯，烘干后制得无机结合陶瓷纤维纸。
实验例
将本发明实施例1～6制备得到的增韧型无机纸依次编号为A、B、C、D、E、F，将对比例1～2制备的样品依次编号为G和H；分别测试样品的体积密度、柔韧性和燃烧性能，得到如下表所示数据。
表1产品各项性能数据
Figure BDA0002803767010000091
Figure BDA0002803767010000101
表中数据显示，通过使用本发明所述的无机隔热材料的增韧剂制备的无机结合纤维纸(A、B、C、D、E、F)柔韧性佳且燃烧性能优异；对比例1制备的样品在相同检测条件下，燃烧性能差，高温煅烧有烟气及异味产生；对比例2制备的样品在相同检测条件下，柔韧性差，卷绕开裂。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。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 (7)

1.一种增韧型无机纸，其特征在于，由包括以下组分的原料制备而成：
无机纤维70重量份~90重量份；
无机结合剂5重量份~24重量份；
增韧剂2重量份~5重量份；
助滤剂1重量份~3重量份；
所述无机纤维选自硅酸铝纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维和多晶莫来石纤维中的一种或多种；
所述无机结合剂选自硅溶胶和/或水玻璃；
所述硅溶胶的质量浓度为30%~40%；所述水玻璃的质量浓度为20%~30%；
所述增韧剂由质量比为（10~20）：（10~20）：（10~20）：（50~60）：1000的氧化钙、氧化镁、氧化锌、无机酸和水反应而成，其形态是一种呈鳞片状结构能够均匀包裹在无机纤维表面的连续相；
所述无机酸选自盐酸、硫酸和磷酸中的一种或多种；
所述盐酸的质量浓度为36%~37%；所述硫酸的质量浓度为74%~75%；所述磷酸的质量浓度为84%~85%；
所述助滤剂为聚丙烯酰胺溶液。
2.根据权利要求1所述的增韧型无机纸，其特征在于，所述硅酸铝纤维的纤维直径为3μm~5μm；所述玻璃纤维的纤维直径为7μm~10μm；所述玄武岩纤维的纤维直径为9μm~15μm；所述碳纤维的纤维直径为6μm~8μm；所述多晶莫来石纤维的纤维直径为3μm~5μm。
3.根据权利要求1所述的增韧型无机纸，其特征在于，所述氧化钙的密度为3.32g/cm3~3.35g/cm3；所述氧化镁的密度为3.55g/cm3~3.58g/cm3；所述氧化锌的密度为5.5g/cm3~5.6g/cm3。
4.根据权利要求1所述的增韧型无机纸，其特征在于，所述聚丙烯酰胺溶液的质量浓度为0.5%~1%；所述聚丙烯酰胺的分子量为800万~1200万。
5.一种权利要求1~4任一项所述的增韧型无机纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）将无机纤维、无机结合剂和增韧剂加入水中，进行搅拌，得到浆料；
b）在步骤a）得到的浆料中加入助滤剂进行絮凝，再依次经脱水、切割、整平和烘干，得到增韧型无机纸。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a）中所述搅拌的速度为400rpm~600rpm，时间为20min~25min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤b）中所述烘干的温度为100℃~130℃，时间为0.5h~2h。
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