專利名稱：碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種保溫隔熱材料及其制備方法，尤其涉及一種碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫 隔熱材料及其制備方法，屬于新材料及其制備領(lǐng)域。
技術(shù)背景硅酸鈣保溫材料是一種容重輕、保溫效果好的新型硬質(zhì)保溫材料，廣泛應(yīng)用于電力、 冶金、化工、建筑等領(lǐng)域中。由于這種保溫材料具有多孔、中空結(jié)構(gòu)，其本身的強(qiáng)度不 高，在運(yùn)輸、施工的過程中容易破損，所以對(duì)硅酸鈣保溫材料通常需要加入增強(qiáng)纖維以 提高其力學(xué)強(qiáng)度。目前常用的增強(qiáng)纖維主要有石棉纖維，紙漿、棉、麻等有機(jī)纖維，水 鎂石纖維和耐堿玻璃纖維等。如公開號(hào)為CM1323756A的專利中公開了硅酸鈣耐熱材料 及其制作方法，其特征是所述材料由硅灰石、硅石粉、鈣質(zhì)材料和纖維材料組成，其中 纖維材料采用礦物纖維和天然有機(jī)纖維；公開號(hào)為CN1307083A的中國(guó)專利公開了一種 硅酸鈣隔熱防火材料的制造方法，其特點(diǎn)是將硅質(zhì)原料與鈣質(zhì)原料按一定比例混合，在 反應(yīng)釜中水熱動(dòng)態(tài)合成硬硅鈣石料槳，再加入增強(qiáng)纖維，由鋼模壓濾成型、烘干，制成 板材或管殼，采用的纖維材料是陶瓷纖維和天然有機(jī)纖維；公開號(hào)為CN 86103427A的 中國(guó)專利公開了一種微孔硅酸轉(zhuǎn)保溫絕熱材料的制造方法，是以石棉作為增強(qiáng)材料；公 開號(hào)為CN 1113220A的專利"一種制造耐高溫硅酸鈣保溫材料的方法"，以及公開號(hào)為 CN 1958499A的專利"一種硬硅轉(zhuǎn)石保溫隔熱材料及其制備方法"也都是加入了玻璃纖 維或紙漿纖維。然而，上述的增強(qiáng)纖維中石棉纖維雖然具有較好的增強(qiáng)效果，而且耐熱、 耐堿、與基體結(jié)合良好，但其作為一種致癌物質(zhì)在國(guó)內(nèi)外均已禁用。有機(jī)纖維耐熱性差， 易老化或碳化，容易引起制品產(chǎn)生裂紋，強(qiáng)度降低。水鎂石纖維和玻璃纖維的比重較大， 使用中易增加制品容重，影響其保溫、隔熱性能。碳纖維是制備高性能復(fù)合材料的一種重要增強(qiáng)纖維，除了具有高強(qiáng)度、高模量的特 點(diǎn)外，還具有密度低、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)低等一系列優(yōu)異的性能。因 此，碳纖維在硅酸鈣保溫隔熱材料中具有巨大的應(yīng)用潛力；但是，在檢索的專利文獻(xiàn)中， 目前國(guó)內(nèi)外還沒有關(guān)于碳纖維在硅酸鈣保溫隔熱材料中應(yīng)用的報(bào)道。 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料 及其制備方法。本發(fā)明的保溫隔熱材料以碳纖維作為增強(qiáng)纖維，具有耐熱性好、強(qiáng)度高、 密度低的特點(diǎn)。本發(fā)明所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料，由鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料和碳纖維制成； 其特征在于所述碳纖維與硅酸鈣的重量百分比例為0. 1% 7%;其中所述硅酸l丐由轉(zhuǎn)質(zhì)原料與硅質(zhì)原料以CaO和Si02為指標(biāo)按摩爾比為0. 95 1 : 1配合制得。上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料中所述碳纖維是以聚丙烯腈纖維為前驅(qū)體，經(jīng)200 300。C空氣中預(yù)氧化40 90min、 350 1400。C高純氮?dú)庵刑蓟? 20min后獲得 的碳纖維，其含碳量不低于92%,密度為1.6 1.9g/cm3，抗拉強(qiáng)度不低于2. 5GPa，碳纖維單絲直徑為5 7um，短切碳纖維的長(zhǎng)度不超過20mm。
其中優(yōu)選的預(yù)氧化條件是230 270。C空氣中預(yù)氧化50 60min;優(yōu)選的碳化條 件是350 600°C高純氮?dú)庵械蜏靥蓟? 10min， 1000 1300°C高純氮?dú)庵懈邷靥蓟? 8min。
上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料中所述鈣質(zhì)原料是粒徑為60 200目的生石 灰粉、消石灰粉或電石渣，鈣質(zhì)原料中以重量百分比計(jì)CaO〉5W、 K20+Na20〈l%。
上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料中所述硅質(zhì)原料是粒徑為60 200目的硅灰 或石英粉，硅質(zhì)原料中以重量百分比計(jì)Si02〉95W、 K20+Na20<l%。
本發(fā)明所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法，步驟是-
(1) 以CaO和Si02為指標(biāo)按摩爾比0.95 1 : 1的比例將鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料混 合，同時(shí)按水與固相的重量比為10 30 : 1的比例向混合料中加入水，采用動(dòng)態(tài)水熱法 合成硅酸鈣活性料漿，條件是以l 2。C/min的速度升溫至180 23(TC，保持蒸汽壓 力1 2MPa，恒溫恒壓反應(yīng)4 12小時(shí)，冷卻后得硅酸鈣活性料漿；
(2) 以液相氧化法、電解氧化法或氣相氧化法對(duì)權(quán)利要求2所述碳纖維進(jìn)行表面 處理，同時(shí)采用X射線光電子能譜進(jìn)行檢測(cè)，使其01s/Cls值控制在0. 01 0. 1范圍內(nèi)；
(3) 將表面處理后碳纖維短切成1 20腿，然后加入浸沒量的濃度為40 80%的 分散劑水溶液，充分?jǐn)嚢瑁固祭w維單絲在溶劑中呈均勻分散狀態(tài)；
(4) 然后將步驟(3)所述分散后的碳纖維以碳纖維與硅酸鈣的重量百分比為 0. 1% 7%的量加入步驟(1)所述硅酸鈣活性料漿中，充分?jǐn)嚢韬笞⑷朐O(shè)定的模具，脫 水成型、烘干，得碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法中步驟(1)所述鈣質(zhì)原料是粒 徑為60 200目的生石灰粉、消石灰粉或電石渣，f丐質(zhì)原料中以重量百分比計(jì)CaO〉5W、 K20+Na20<l%;所述硅質(zhì)原料是粒徑為60 200目的硅灰或石英粉，硅質(zhì)原料中以重量 百分比計(jì)Si02〉95W、 K20+Na20<l%。
上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法中步驟(2)所述碳纖維表面處 理優(yōu)選采用電解氧化法。
上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法中步驟(3)所述分散劑水溶液
是指丙三醇水溶液、甲基纖維素水溶液、羧甲基纖維素鈉水溶液中的至少一種；優(yōu)選丙
三醇水溶液。
上述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法中步驟(4)所述碳纖維與硅酸
鈣的重量百分比優(yōu)選為2% 6%。
本發(fā)明以短切碳纖維做增強(qiáng)纖維，且有效解決了短切碳纖維單絲在料漿中均勻分散 的問題。應(yīng)用本發(fā)明方法制得的碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料，短切碳纖維單絲在硅
酸鈣基體中分散均勻，與基體結(jié)合好；其制品的力學(xué)性能顯著提高，^C彎強(qiáng)度可以達(dá)到
8 13MPa，同時(shí)還具有優(yōu)異的耐高溫、隔熱和耐熱沖擊性能，在防火建筑材料、耐熱密
封材料以及金屬鑄造模具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
按CaO和SiO2摩爾比0.96: 1的比例將消石灰粉與石英粉混合，在混合料中加入一定量的水，水與固相的重量比為18:1;將混合料加入反應(yīng)釜中，以1.5。C/min的速度升 溫至20(TC，保持蒸汽壓力lMPa，恒溫恒壓反應(yīng)5小時(shí)，合成活性料漿。
將1K聚丙烯腈原絲在240 270'C空氣中預(yù)氧化50rain、 350 600。C高純氮?dú)庵械?溫碳化7min、 1000 1300'C高純氮?dú)庵懈邷靥蓟?min后獲得碳纖維，在硫酸銨溶液中 進(jìn)行電解氧化處理；將表面處理后的碳纖維短切成8mm，取2% (與活性料槳中硅酸鈣的 重量百分比)短切碳纖維在浸沒量的50%濃度的丙三醇水溶液中均勻分散后加入到硅酸 鈣活性料漿中，充分?jǐn)嚢瑁谠O(shè)定模具中吸濾成型、烘千，獲得碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫 隔熱材料或制品。
實(shí)施例2:
按CaO和SiO2摩爾比0.96: 1的比例將生石灰粉與石英粉混合，在混合料中加入一 定量的水，水與固相的重量比為18:1;將混合料加入反應(yīng)釜中，以1. 5。C/min的速度升 溫至200'C，保持蒸汽壓力lMPa，恒溫恒壓反應(yīng)8小時(shí)，合成活性料漿。
將1K聚丙烯腈原絲在220 25(TC空氣中預(yù)氧化80min、 350 600。C高純氮?dú)庵械?溫碳化8min、 1000 120(TC高純氮?dú)庵懈邷匕位?min后獲得碳纖維，在硫酸銨溶液中 進(jìn)行電解氧化處理，將表面處理后的碳纖維短切成3mm，取6%(與活性料漿中硅酸鈣的 重量百分比)短切碳纖維在浸沒量的70%濃度的丙三醇、甲基纖維素混合水溶液(體積比 1 : 1)中均勻分散后加入到硅酸鈣活性料漿中，充分?jǐn)嚢瑁谠O(shè)定模具中吸濾成型、烘 干，獲得碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
實(shí)施例3:
按CaO和SiO2摩爾比0.98: 1的比例將電石渣與石英粉混合，在混合料中加入一定 量的水，水與固相的重量比為20:1;將混合料加入反應(yīng)釜中，以1. 5'C/min的速度升溫 至20(TC，保持蒸汽壓力lMPa，恒溫恒壓反應(yīng)10小時(shí)，合成活性料漿。
將1K聚丙烯腈原絲在210 280。C空氣中預(yù)氧化60min、 350 600。C高純氮?dú)庵械?溫碳化5min、 1100 130(TC高純氮?dú)庵懈邷靥蓟?min后獲得碳纖維，在稀硝酸溶液中 進(jìn)行電解氧化處理，將表面處理后的碳纖維短切成15min，取1%(與活性料漿中硅酸轉(zhuǎn) 的重量百分比)短切碳纖維在浸沒量的40%濃度的羧甲基纖維素鈉7乂溶液中均勻分散后 加入到硅酸鈣活性料槳中，充分?jǐn)嚢瑁谠O(shè)定模具中吸濾成型、烘干，獲得碳纖維增強(qiáng) 硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
實(shí)施例4:
(1) 以CaO和Si02為指標(biāo)按摩爾比l : 1的比例將消石灰粉、硅灰棍合，同時(shí)按水 與固相的重量比為20 : 1的比例向混合料中加入水，采用動(dòng)態(tài)水熱法合成硅酸鈣活性料 漿，條件是以2。C/min的速度升溫至220。C,保持蒸汽壓力1.5MPa，恒溫恒壓反應(yīng)9 小時(shí)，冷卻后得硅酸鈣活性料漿；
(2) 將lK聚丙烯腈原絲在250 270。C空氣中預(yù)氧化40min、 350 60(TC高純氮?dú)?中低溫碳化8min、 1000 110(TC高純氮?dú)庵懈邷靥蓟?min后獲得碳纖維，以液相氧化 法對(duì)所述碳纖維進(jìn)行表面處理，同時(shí)采用X射線光電子能譜進(jìn)行檢測(cè)，使其01s/Cls值 控制在0. 05 0. 07范圍內(nèi)；
(3) 將表面處理后碳纖維短切成8 10mm，然后加入浸沒量的濃度為60%的甲基纖 維素水溶液，充分?jǐn)嚢瑁固祭w維單絲在溶劑中呈均勻分散狀態(tài)；(4)然后將步驟(3)所述分散后的碳纖維以碳纖維與硅酸鈣的重量百分比為4% 的量加入步驟(1)所述硅酸鈣活性料漿中，充分?jǐn)嚢韬笞⑷朐O(shè)定的模具，脫水成型、 烘干，得碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料，由鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料和碳纖維制成；其特征在于所述碳纖維與硅酸鈣的重量百分比例為0.1％～7％；其中所述硅酸鈣由鈣質(zhì)原料與硅質(zhì)原料以CaO和SiO2為指標(biāo)按摩爾比為0.95～1∶1配合制得。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料，其特征在于所述碳纖維是 以聚丙烯腈纖維為前驅(qū)體，經(jīng)200 300。C空氣中預(yù)氧化40 90min、 350 1400'C高純 氮?dú)庵刑蓟? 20min后獲得的碳纖維，其含碳量不低于92%，密度為1.6 1.9g/cm3， 抗拉強(qiáng)度不低于2.5GPa，碳纖維單絲直徑為5 7拜，短切碳纖維的長(zhǎng)度不超過20mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料，其特征在于所述鈣質(zhì)原料 是粒徑為60 200目的生石灰粉、消石灰粉或電石渣，鈣質(zhì)原料中以重量百分比計(jì) CaO>5%、 K20+Na20<l%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣一保溫隔熱材料，其特征在于所述硅質(zhì)原料是粒徑為60 200目的硅灰或石英粉，硅質(zhì)原料中以重量百分比計(jì)Si02>95%、 K20 + Na20<l%。
5. 權(quán)利要求1所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法，步驟是-(1) 以CaO和SiO2為指標(biāo)按摩爾比0.95 1 : 1的比例將鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料混合，同時(shí)按水與固相的重量比為io 30 : i的比例向混合料中加入水，采用動(dòng)態(tài)水熱法合成硅酸鈣活性料漿，條件是以1 2tVmin的速度升溫至180 230°C，保持蒸汽壓 力1 2MPa，恒溫恒壓反應(yīng)4 12小時(shí)，冷卻后得硅酸鈣活性料漿；(2) 以液相氧化法、電解氧化法或氣相氧化法對(duì)權(quán)利要求2所述碳纖維進(jìn)行表面 處理，同時(shí)采用X射線光電子能譜進(jìn)行檢測(cè)，使其Ols/Cls值控制在0.01 0.1范圍內(nèi)；(3) 將表面處理后碳纖維短切成1 20mm，然后加入浸沒量的濃度為40 80% 的分散劑水溶液，充分?jǐn)嚢瑁固祭w維單絲在溶劑中呈均勻分散狀態(tài)；(4) 然后將步驟(3)所述分散后的碳纖維以碳纖維與硅酸鈣的重量百分比為 0.1% 7%的量加入步驟(1)所述硅酸鈣活性料漿中，充分?jǐn)嚢韬笞⑷朐O(shè)定的模具，脫 水成型、烘干，得碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法，其特征在于步 驟(1)所述鈣質(zhì)原料是粒徑為60 200目的生石灰粉、消石灰粉或電石渣，鈣質(zhì)原料 中以重量百分比計(jì)Ca05。/。、 K20+Na20<l%;所述硅質(zhì)原料是粒徑為60 200目的硅 灰或石英粉，硅質(zhì)原料中以重量百分比計(jì)Si02〉95。/。、 K20+Na20<l%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法，其特征在于步 驟(2)所述碳纖維表面處理采用電解氧化法。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法，其特征在于步 驟(3)所述分散劑水溶液是指丙三醇水溶液、甲基纖維素水溶液、羧甲基纖維素鈉水 溶液中的至少一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料的制備方法，其特征在于步 驟(4)所述碳纖維與硅酸鈣的重量百分比為2% 6%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳纖維增強(qiáng)硅酸鈣保溫隔熱材料，由鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料和碳纖維制成；其中所述碳纖維與硅酸鈣的重量百分比例為0.1％～7％；所述硅酸鈣由鈣質(zhì)原料與硅質(zhì)原料以CaO和SiO₂為指標(biāo)按摩爾比為0.95～1∶1配合制得。本發(fā)明以短切碳纖維做增強(qiáng)纖維，且有效解決了短切碳纖維單絲在料漿中均勻分散的問題，制得的保溫隔熱材料具有優(yōu)異的耐高溫、隔熱和耐熱沖擊性能，在防火建筑材料、耐熱密封材料以及金屬鑄造模具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C04B28/00GK101219879SQ20081001404
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者于美杰, 波 朱, 王成國(guó), 婕 馬 申請(qǐng)人:山東大學(xué)