СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к способам получения нетканых теплоизоляционных материалов на основе неорганических волокон, в частности пожаробезопасных теплоизоляционных материалов.

Нетканые волокнистые теплоизоляционные материалы на основе термостойких волокон получают, как правило, из короткого волокна путем накопления волокнистой массы на подложке или методом вакуумного формования мата из водного волокнистого шликера с последующей его термообработкой. При этом должны быть решены проблемы сохранения механической целостности и гибкости получаемых материалов.

Известен способ получения волокнистого теплоизоляционного материала из коротких волокон оксида алюминия, включающий формование и накопление массы прекурсора короткого волокна оксида алюминия, прошивку этой массы непрерывной нитью оксида алюминия или ее прекурсором, сушку и обжиг прошитой массы волокон с получением гибкого мата из волокна оксида алюминия (патент США №5047289, опубл. 10.09.1991 г.).

В этом случае механическая целостность и гибкость мата, а также его размеростабильность обеспечиваются с помощью простегивания волокнистой массы непрерывной нитью, однако во время прошивки масса волокон может смещаться, образуя неравноплотные участки, а кроме того, в результате воздействия иглы происходит ломка волокон, в результате чего после термообработки эти обломки могут сыпаться из материала, что приведет к потере его прочности, гибкости и размеростабильности.

Известен способ получения волокнистого теплоизоляционного материала, включающий приготовление водного шликера, содержащего огнеупорные волокна, термопластовые волокна и связующее, получение сырой заготовки волокнистого материала путем вакуумного формования водного шликера, сушку материала при 130°C и его формование под давлением при температуре 150°C с последующим охлаждением, с получением волокнистого материала требуемой толщины. В качестве огнеупорных волокон используют неорганические волокна, такие как оксид алюминия, оксид кремния, муллит, оксид циркония, графит. Термопластовые волокна с низкими точками плавления используют для связывания и удерживания огнеупорных волокон до размещения волокнистого материала в целевом объеме. В качестве термопластовых волокон используют полиэтиленовые и полипропиленовые волокна, полиамидные, полиэстеровые и бикомпонентные, имеющие сердечник из полипропилена и оболочку из полиэтилена. В качестве связующего используют латекс (Патент США №6733628, опубл. 11.05.2004 г.).

Недостатком данного способа является необходимость горячего формования волокнистого материала под давлением в специальном оборудовании для горячего прессования в течение продолжительного времени (1-5 часов), что увеличивает стоимость и продолжительность производственного цикла, а, следовательно, и стоимость производимого материала. Кроме того, в процессе эксплуатации полученного таким способом материала, при температурах выше 300°C происходит выгорание легкоплавких органических волокон, и продукты горения выделяются в виде газов или сажи, что отрицательно сказывается на экологических условиях в местах использования данного материала. Также наличие в материале прочных связей между волокнами вызывает существенное снижение гибкости и затрудняет укладку материала в целевые объемы криволинейной формы.

В качестве прототипа был принят способ получения волокнистого теплоизоляционного материала (Патент РФ №2433917, опубл. 20.11.2011), включающий приготовление водного шликера, содержащего огнеупорные волокна и связующее с помощью пропеллерной мешалки, получение сырой заготовки волокнистого материала методом вакуумного формования водного шликера, последующее формование сырой заготовки под давлением путем ее прокатки до расчетной толщины, и термообработку полученного материала.

Полученные по данному способу волокнистые материалы обладают хорошей гибкостью с критическим радиусом изгиба более 200 мм и размеростабильностью (в пределах 2-4%) при плотности более 100 кг/м³. Однако получение более легковесного и гибкого материала данным способом невозможно, так как при приготовлении водного волокнистого шликера с помощью пропеллерной мешалки происходит чрезмерная ломка волокна, приводящая к сыпучести материала, что не обеспечивает требуемого сочетания гибкости и плотности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения волокнистого теплоизоляционного материала на основе огнеупорных волокон, позволяющего получить материал с физико-механическими характеристиками, обеспечивающими повышенную технологичность и функциональность материала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение гибкости и снижение плотности волокнистого теплоизоляционного материала, получаемого на основе способа, указанного в прототипе.

Для достижения указанного технического результата предложен способ получения волокнистого теплоизоляционного материала, включающий приготовление водного шликера, содержащего огнеупорные волокна, получение сырой заготовки волокнистого материала путем вакуумного формования водного шликера, формование сырой заготовки под давлением путем ее прокатки с последующей сушкой, отличающийся тем, что приготовление водного шликера проводят методом аэрационной гомогенизации при давлении газа 0,8-4,0 атм.

В водный шликер можно дополнительно вводить связующее.

В качестве связующего используют органическое связующее, выбранное из группы, включающей поливинилацетат, крахмал, поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлозу или их смесь.

При приготовлении водного шликера в качестве огнеупорных волокон вводят волокна, выбранные из группы, включающей кварцевые, минеральные, оксидные волокна или их смесь, причем аспектное отношение огнеупорного волокна (отношение длины волокна к его диаметру) составляет не менее 50.

При приготовлении водного шликера в него дополнительно вводят органические или искусственные волокна из группы, включающей льняные, хлопчатобумажные, вискозные, капроновые волокна или их смесь, при этом их суммарная масса составляет не более 50% от общей массы волокон в шликере.

Кроме того, при приготовлении водного шликера в него дополнительно можно вводить высокопрочные волокна, выбранные из группы, включающей волокна карбида кремния, нитрида кремния, углеродные, металлические или их смесь.

Сохранение целостности и гибкости нетканого материала из хаотично расположенных коротких огнеупорных волокон зависит от степени их переплетения, которая зависит от размеров волокна и гомогенности водного шликера. Использование метода аэрационной гомогенизации, при котором твердые элементы перемешивающего устройства отсутствуют, позволяет обеспечить мягкое перемешивание волокна без изломов и равномерно по всему объему. Для осуществления способа аэрационной гомогенизации на дно емкости с водным волокнистым шликером помещен рассекатель - свернутая спиралью трубка с отверстиями от 0,5 до 3 мм, размещенная таким образом, чтобы покрыть большую часть площади дна емкости. Отверстия расположены на расстоянии от 5 до 50 мм друг от друга. В трубку подается воздух или любой другой инертный газ, давление которого зависит от концентрации и объема шликера. Для достижения технического результата давление воздуха предпочтительно составляет от 0,8 до 4 атм. Время проведения аэрационной гомогенизации должно составлять не менее 15 мин, предпочтительный интервал 20-90 мин, в зависимости от объема шликера и типа используемого волокна. Если давление воздуха будет ниже 0,8 атм, то перемешивание водного волокнистого шликера в процессе аэрационной гомогенизации будет слишком медленным или не осуществляться вообще, если давление воздуха будет выше 4 атм, то интенсивное бурление воздушных пузырьков приведет к чрезмерному измельчению волокна. Предпочтительно, чтобы аспектное отношение огнеупорного волокна, то есть отношение длины волокна к его диаметру, составляло не менее 50. Тогда волокно будет обладать приемлемой гибкостью, и после аэрационной гомогенизации и вакуумного формования волокнистого материала волокна в этом материале будут иметь достаточное число точек контакта в местах переплетения, что обеспечит целостность и гибкость материала при низкой плотности. Желательное время проведения аэрационной гомогенизации выбирается в зависимости от объема шликера и типа используемых волокон и, как правило, не выходит за пределы интервала 20-90 мин.

В процессе приготовления водного шликера в него можно дополнительно вводить водорастворимое связующее, такое как поливинилацетат, крахмал, поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлозу.

Также в процессе приготовления водного шликера в него наряду с огнеупорными волокнами можно вводить дополнительно другие виды волокон, а именно: органические волокна, такие как льняные, хлопчатобумажные, вискозные, капроновые, либо высокопрочные волокна, такие как волокна карбида кремния, нитрида кремния, углеродные, металлические, или их смесь для придания дополнительных свойств теплоизоляционному материалу, получаемому данным способом.

После проведения аэрационной гомогенизации из водного волокнистого шликера формуют гибкий волокнистый мат методом вакуумного формования по так называемой «бумажной» технологии - выпускают водный волокнистый шликер на сетчатый фильтр и удаляют воду с помощью вакуумного отсоса. Полученный таким образом сырой волокнистый мат сушат в воздушной среде при температуре 70-120°C.

Изготовленные согласно предлагаемому способу гибкие волокнистые маты могут быть использованы в качестве пожаробезопасной тепло- и звукоизоляции, в том числе для поверхностей сложной формы, а также как средство фильтрации (например, дизельный выпускной фильтрующий элемент или фильтр для высокотемпературного потока газов, включая фильтры для расплавов металлов), или как уплотнительный материал, или основа носителя катализатора.

Примеры осуществления

Пример 1. Получение образца волокнистого теплоизоляционного материала из оксидного волокна состава 80% A1₂O₃ - 20% SiO₂ толщиной 5 мм и размером 500×500 мм

Приготовление водного шликера проводили следующим образом: 200 г оксидного волокна фазового состава 80% A1₂O₃ - 20% SiO₂ диаметром 1-4 мкм и длиной не менее 5 мм и 40 л дистиллированной воды поместили в емкость и проводили аэрационную гомогенизацию, для чего в емкость с водным шликером через рассекатель подавали воздух под давлением 0,8 атм в течение 40 мин. Затем в полученный водный шликер ввели 5 г органического связующего - поливинилацетата (ГТВА) и подавали воздух еще 5 мин. Из полученного водного шликера, содержащего волокна и связующее, методом вакуумного формования получали сырую заготовку: выпускали водный шликер на сетку размером 500×500 мм и удаляли воду с помощью вакуумного отсоса. Полученную сырую заготовку волокнистого материала подвергали холодной прокатке на механических валках и проводили сушку в сушильном шкафу в течение 10 часов при 70°C.

Полученный в результате образец волокнистого материала взвешивали, определяли его плотность и испытывали на гибкость по ГОСТ 17177. Данные испытаний представлены в таблице 1.

Пример 2. Получение образца волокнистого теплоизоляционного материала толщиной 5 мм и размером 500×500 мм из оксидного волокна состава 100% SiO₂ и вискозного волокна

850 г кварцевого волокна диаметром 1-1,5 мкм и длиной не менее 5 мм поместили в 50 л дистиллированной воды. Кроме того, в водный щликер добавили 70 г вискозного органического волокна. Затем подали в шликер воздух под давлением 2,1 атм в течение 60 мин. Из полученного водного шликера, содержащего огнеупорное и органическое волокно, получили сырую заготовку методом вакуумного формования и удалили воду с помощью вакуумного отсоса. В механических валках проводили холодную прокатку полученной заготовки. Сушку проводили в сушильном шкафу в течение 5 часов при 110°C. Полученный в результате образец волокнистого материала взвешивали, определяли его плотность и испытывали на гибкость по ГОСТ 17177. Данные испытаний представлены в таблице.

Пример 3. Получение образца волокнистого теплоизоляционного материала толщиной 5 мм и размером 500×500 мм из базальтового волокна с добавлением волокна карбида кремния

300 г базальтового волокна диаметром 5-20 мкм и длиной не менее 25 мм поместили в 40 л дистиллированной воды. Добавили 30 г высокопрочного волокна карбида кремния. Подавали в шликер воздух под давлением 4 атм и проводили аэрационную гомогенизацию в течение 60 мин. Из полученного водного шликера, содержащего базальтовые волокна и волокна карбида кремния, методом вакуумного формования получили сырую заготовку. Полученную заготовку подвергли прокатке на механических валках, затем проводили сушку в сушильном шкафу в течение 10 часов при 70°C. Полученный в результате образец волокнистого материала взвешивали, определяли его плотность и испытывали на гибкость по ГОСТ 17177. Данные испытаний представлены в таблице 1.

Пример 4. (по прототипу) Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава 80% A1₂O₃ - 20% SiO₂, толщиной 5 мм и размером 500×500 мм

30 г оксидного волокна состава 80% A1₂O₃ - 20% SiO₂, диаметром 0,5-10 мкм диспергировали в 40 л дистиллированной воды с помощью пропеллерной мешалки. В полученный водный шликер вводили органическое связующее - поливинилацетат (ПВА) в количестве 10 г. Из полученного водного шликера, содержащего огнеупорные волокна и связующее, получили сырую волокнистую заготовку методом вакуумного формования.

Полученную заготовку подвергли прокатке на механических валках и сушке на воздухе в сушильном шкафу в течение 10 часов при 70°C.

Полученный образец волокнистого материала взвешивали, определяли его плотность и испытывали на гибкость по ГОСТ 17177. Данные испытаний представлены в таблице.

Плотность полученного образца составила 140 кг/м³, критический радиус изгиба - примерно 220 мм, на цилиндрах меньшего радиуса на материале возникали трещины, а при радиусе 120 мм материал полностью разрушался. Свойства полученных образцов приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что волокнистый теплоизоляционный материал, полученный предлагаемым методом, обладает большей гибкостью (критический радиус изгиба меньше на 60-80%), чем у прототипа, при более низкой плотности (ниже на 12-60%).

Преимуществом предлагаемого способа является получение волокнистого теплоизоляционного материала с повышенной гибкостью и пониженным удельным весом, а также его простота и достижение высокой производительности при получении материала.

Полученные предлагаемым способом высокотемпературные теплоизоляционные материалы найдут применение в изделиях ракетно-космической техники и высокоскоростной авиации, а также в других областях промышленности, где требуется теплоизоляция изделий со сложной геометрией поверхности.