專利名稱：碳纖維增強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)，其本身的強度不 高，在運輸、施工的過程中容易破損，所以對硅酸鈣保溫材料通常需要加入增強纖維以 提高其力學強度。目前常用的增強纖維主要有石棉纖維，紙漿、棉、麻等有機纖維，水 鎂石纖維和耐堿玻璃纖維等。如公開號為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纖維；公開號為CN1307083A的中國專利公開了一種 硅酸鈣隔熱防火材料的制造方法，其特點是將硅質(zhì)原料與鈣質(zhì)原料按一定比例混合，在 反應(yīng)釜中水熱動態(tài)合成硬硅鈣石料槳，再加入增強纖維，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纖維；公開號為CN 86103427A的 中國專利公開了一種微孔硅酸轉(zhuǎn)保溫絕熱材料的制造方法，是以石棉作為增強材料；公 開號為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，上述的增強纖維中石棉纖維雖然具有較好的增強效果，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)在國內(nèi)外均已禁用。有機纖維耐熱性差， 易老化或碳化，容易引起制品產(chǎn)生裂紋，強度降低。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纖維，除了具有高強度、高模量的特 點外，還具有密度低、耐高溫、化學性能穩(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，在檢索的專利文獻中， 目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于碳纖維在硅酸鈣保溫隔熱材料中應(yīng)用的報道。 發(fā)明內(nèi)容針對現(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纖維，具有耐熱性好、強度高、 密度低的特點。本發(fā)明所述碳纖維增強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為指標按摩爾比為0. 95 1 : 1配合制得。上述碳纖維增強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高純氮氣中碳化4 20min后獲得 的碳纖維，其含碳量不低于92%,密度為1.6 1.9g/cm3，抗拉強度不低于2. 5GPa，碳纖維單絲直徑為5 7um，短切碳纖維的長度不超過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高純氮氣中低溫碳化4 10min， 1000 1300°C高純氮氣中高溫碳化2 8min。
上述碳纖維增強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CaO〉5W、 K20+Na20〈l%。
上述碳纖維增強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Si02〉95W、 K20+Na20<l%。
本發(fā)明所述碳纖維增強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，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權(quán)利要求2所述碳纖維進行表面 處理，同時采用X射線光電子能譜進行檢測，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，充分攪拌，使碳纖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，充分攪拌后注入設(shè)定的模具，脫 水成型、烘干，得碳纖維增強硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
上述碳纖維增強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Si02〉95W、 K20+Na20<l%。
上述碳纖維增強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；其制品的力學性能顯著提高，^C彎強度可以達到
8 13MPa，同時還具有優(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。
具體實施例方式
實施例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，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高純氮氣中低 溫碳化7min、 1000 1300'C高純氮氣中高溫碳化5min后獲得碳纖維，在硫酸銨溶液中 進行電解氧化處理；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，充分攪拌，在設(shè)定模具中吸濾成型、烘千，獲得碳纖維增強硅酸鈣保溫 隔熱材料或制品。
實施例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，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高純氮氣中低 溫碳化8min、 1000 120(TC高純氮氣中高溫拔化7min后獲得碳纖維，在硫酸銨溶液中 進行電解氧化處理，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，充分攪拌，在設(shè)定模具中吸濾成型、烘 干，獲得碳纖維增強硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
實施例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，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高純氮氣中低 溫碳化5min、 1100 130(TC高純氮氣中高溫碳化5min后獲得碳纖維，在稀硝酸溶液中 進行電解氧化處理，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，充分攪拌，在設(shè)定模具中吸濾成型、烘干，獲得碳纖維增強 硅酸鈣保溫隔熱材料或制品。
實施例4:
(1) 以CaO和Si02為指標按摩爾比l : 1的比例將消石灰粉、硅灰棍合，同時按水 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，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高純氮氣 中低溫碳化8min、 1000 110(TC高純氮氣中高溫碳化9min后獲得碳纖維，以液相氧化 法對所述碳纖維進行表面處理，同時采用X射線光電子能譜進行檢測，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，充分攪拌，使碳纖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，充分攪拌后注入設(shè)定的模具，脫水成型、 烘干，得碳纖維增強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 氮氣中碳化4 20min后獲得的碳纖維，其含碳量不低于92%，密度為1.6 1.9g/cm3， 抗拉強度不低于2.5GPa，碳纖維單絲直徑為5 7拜，短切碳纖維的長度不超過20mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述碳纖維增強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 CaO>5%、 K20+Na20<l%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述碳纖維增強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Si02>95%、 K20 + Na20<l%。
5. 權(quán)利要求1所述碳纖維增強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，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權(quán)利要求2所述碳纖維進行表面 處理，同時采用X射線光電子能譜進行檢測，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，充分攪拌，使碳纖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，充分攪拌后注入設(shè)定的模具，脫 水成型、烘干，得碳纖維增強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Si02〉95。/。、 K20+Na20<l%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維增強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C04B28/00GK101219879SQ20081001404
公開日2008年7月16日 申請日期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, 婕 馬 申請人:山東大學