CN107235740A - 一种纤维增韧耐火材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐火材料技术领域。本发明公开了一种纤维增韧耐火材料，其主要由以下重量份的原料制得：氧化镁40份，氧化钙85～95份，增韧纤维5～7份，造粒粘结剂1～3份，成型粘结剂0.5～1.0份。本发明中的耐火材料原料配比合理，既能实现具有较高的耐火性能，同时也能适当的降低成本；本发明中纤维增韧的耐火材料具有较高的断裂韧性，具有更好的抗机械冲击的性能。

Description

一种纤维增韧耐火材料
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，尤其是涉及一种纤维增韧耐火材料。
背景技术
在传统意义上，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，它是为高温技术服务的基础材料，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业高温容器和部件的材料，并且能够承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石）为原料制造的，采用某些工业原料和人工合成原料（如工业氧化铝、碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石等）也日益增多，因此，耐火材料的种类很多。耐火材料按照矿物组成可以分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按照制造方法可以分为天然矿石和人造制品；按其方式可分为块状制品和不定形耐火材料；按照热处理方式可分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；按照耐火度可分为普通、高级和特级耐火制品；按照化学性质可分为酸性、中性及碱性耐火材料；按照其密度可分为轻质及重质耐火材料；按照其制品的形状和尺寸可分为标准砖、异形砖、特异形砖、管和耐火器皿；还可以按其应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等。
无机非金属材料的机械韧性较差是无机非金属和材料中普遍存在的一个问题，作为同属无机非金属材料的耐火材料，其机械韧性也较差，虽然在使用过程中耐火材料几乎不需要进行移动，但是其较差的机械韧性也影响到了其高温时候的抗热震性能，在急冷急热和使用的间隙由于较大的温差耐火材料极易在热胀冷缩作用下发生开裂、剥落等影响耐火材料完整性的情况，降低了耐火材料的使用寿命；同时对于那些需要经常进行移动的耐火材料制品，其较差的机械韧性则会大大增加耐火制品的损坏率，影响其日常使用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种原料配伍合理在实现较高的耐火性能和较优断裂韧性等性能前提下尽量降低成本的纤维增韧耐火材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种纤维增韧耐火材料，主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙85～95份，增韧纤维5～7份，造粒粘结剂1～3份，成型粘结剂0.5～1.0份。
在耐火材料中，白云石系耐火材料是一类重要的耐火材料。氧化镁和氧化钙在一定比例混合并经烧结后可以获得白云石质的耐火材料，当氧化镁与氧化钙摩尔比为0.25：0.75左右是能够生成最多的白云石相，具有最好的耐火性能，氧化镁与氧化钙两种组分中，氧化钙的成本更加的低廉，在适当的范围内添加更多的氧化钙可以尽量降低成本，但是氧化钙的含量过高后生成的稳定的白云石相会急剧的减少，所制得的耐火材料的耐火度也会相应的大幅下降，因此将氧化镁与氧化钙的摩尔比定位0.3：0.7左右，并根据实际需要进行相应的调整，这样可以实现既能尽可能的降低成本，也能保证耐火度在可接受范围之内。
作为优选，氧化镁和氧化钙的粒径为4000～5000目。
作为优选，造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液。
作为优选，成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液。
聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液是指聚偏氟乙烯溶于N-甲基吡咯烷酮中获得的溶液，聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液是指将聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇中获得的溶液。
现有技术中，粘结剂一般采用聚乙烯醇（PVA）水溶液，但是聚乙烯醇是一种不耐高温的有机高分子化合物，其熔点较低，分解温度也较低，作为粘结剂添加到粉体中，在烧结阶段需要在较低的温度下进行排胶处理，在较低的温度下排胶，容易造成粘结剂分解后的产物在粉料中的滞留时间过程，甚至对粉体产生较长时间持续的冲击，造成制得的耐火材料力学性能的下降；聚偏氟乙烯是一种具有耐高温特性的有机高分子化合物，相较于聚乙烯醇，其具有相对更高的熔点，相对更高的分解温度，因此粉料排胶的温度也可以相应的升高，排胶温度升高后，分解产物也能更快地从粉体中排出，减少滞留粉体的时间，减少对制得耐火材料力学性能的影响。
本发明中的造粒粘结剂在经过制备后全部位于颗粒内部，难以实现较好的颗粒间粘结，为此需要在加入成型粘结剂，由于只需起到颗粒之间的粘结作用，用量不必太多，添加0.1wt%左右即可实现颗粒间的粘结作用，而且常用的聚乙烯吡咯烷酮溶液即可满足要求。
作为优选，增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为10～20微米。
醋酯纤维是一种由纤维素为原料，经化学成法转化成醋酸纤维素酯制成的化学纤维，具有较高的碳含量，经还原性气氛高温反应后能够获得优良的碳纤维；在醋酯纤维的制备过程中往往会添加0.5wt%的二氧化钛作为消光剂。因此，醋酯纤维具有以下两个特点，1.具有较高的碳含量，经过还原性气氛高温反应后能够生成优良的碳纤维，2.醋酯纤维中含有0.5wt%二氧化钛，经过还原性气氛高温煅烧后，二氧化钛会在一定范围内富集，并进行生长，最后经还原性气氛高温处理过的醋酯纤维能够变成一种表面具有微小二氧化钛支叉的碳纤维，虽然这些二氧化钛支叉相对于碳纤维的直径而言较短，但是其也增加了碳纤维的表面积，增加了碳纤维与耐火材料粉体之间的结合能力。中空的醋酯纤维在经过还原性气氛高温处理后，相应的会形成一种具有中空管道结构的碳纤维管，其内壁和外表面也会相应的生成二氧化钛支叉，提高中空碳纤维的比表面积，也大大的增加中空碳纤维与其他耐火材料粉体之间的结合能力，在耐火材料烧结过程中，能够降低耐火材料的烧结难度，同时作为一种纤维，具有相应的增韧想过，也能够增加耐火材料的断裂韧性。
选用长度为10～20微米，长度较短的醋酯纤维，能够将耐火材料粉体更好的结合在一起，在经高温反应后能够生成长径比叫小的碳纤维，生成的带有二氧化钛支叉的中空碳纤维管，均匀的分布在耐火材料中，能够将耐火材料紧密的连接在一起，在耐火材料使用过程中出现裂纹，也能及时阻断裂纹的传播，保证耐火材料不会发生断裂。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中的耐火材料原料配比合理，既能实现具有较高的耐火性能，同时也能适当的降低成本；
（2）本发明中纤维增韧的耐火材料具有较高的断裂韧性，具有更好的抗机械冲击的性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种纤维增韧耐火材料，主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙85份，增韧纤维5份，造粒粘结剂1份，成型粘结剂0.5份；氧化镁和氧化钙的粒径为4000目，造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液，成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为10微米；
将上述原料混合均匀成型并在1800℃还原性气氛中烧结8小时制得纤维增韧耐火材料。
实施例2
一种纤维增韧耐火材料，主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙88份，增韧纤维6份，造粒粘结剂1.5份，成型粘结剂1.0份；氧化镁和氧化钙的粒径为4500目，造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液，成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为15微米；
将上述原料混合均匀成型并在1800℃还原性气氛中烧结8小时制得纤维增韧耐火材料。
实施例3
一种纤维增韧耐火材料，主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙90份，增韧纤维6份，造粒粘结剂2份，成型粘结剂0.75份；氧化镁和氧化钙的粒径为4500目，造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液，成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为15微米；
将上述原料混合均匀成型并在1800℃还原性气氛中烧结8小时制得纤维增韧耐火材料。
实施例4
一种纤维增韧耐火材料，主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙93份，增韧纤维6份，造粒粘结剂2.5份，成型粘结剂0.5份；氧化镁和氧化钙的粒径为4500目，造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液，成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为15微米；
将上述原料混合均匀成型并在1800℃还原性气氛中烧结8小时制得纤维增韧耐火材料。
实施例5
一种纤维增韧耐火材料，主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙95份，增韧纤维7份，造粒粘结剂3份，成型粘结剂1.0份；氧化镁和氧化钙的粒径为5000目，造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液，成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为20微米；
将上述原料混合均匀成型并在1800℃还原性气氛中烧结8小时制得纤维增韧耐火材料。
效果测试：
将上述实施例中的纤维增韧耐火材料进行相关性能测试；
耐火度测试采用GB/T 7322-2007记载的方法进行，显气孔率采用GB/T 5071-2013记载的方法进行，常温耐压强度采用GB/T 5072-2008记载的方法进行，荷重软化温度采用GB/T5989-2008记载的方法进行，断裂韧性采用本领域公知的SENB法进行测试。
测试效果：
1.耐火度≥1960℃，最大使用温度≥1900℃；
2.显气孔率≤4%；
3.常温耐压强度≥125MPa；
4.荷重软化温度≥1920℃；
5.断裂韧性≥2.0MPa·m1/2。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种纤维增韧耐火材料，其特征在于主要由以下重量份的原料制得：
氧化镁40份，氧化钙85～95份，增韧纤维5～7份，造粒粘结剂1～3份，成型粘结剂0.5～1.0份。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增韧耐火材料，其特征在于：
所述的氧化镁和氧化钙的粒径为4000～5000目。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增韧耐火材料，其特征在于：
所述的造粒粘结剂为5wt%的聚偏氟乙烯N-甲基吡咯烷酮溶液。
4.根据权利要求1所述是一种纤维增韧耐火材料，其特征在于：
所述的成型粘结剂为7wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增韧耐火材料，其特征在于：
所述的增韧纤维为中空醋酯纤维，其长度为10～20微米。
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