СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR OBTAINING FIBROUS HEAT-INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к способам получения гибких волокнистых теплоизоляционных материалов высокотемпературного назначения, в частности к способам получения материалов на основе коротких высокотермостойких волокон, предназначенных для теплозащиты горячих частей нагревательных и энергетических установок с рабочей температурой не менее 1300°С.
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).
В данном случае размеростабильность и механическая целостность гибкого мата обеспечиваются с помощью простегивания волокнистой массы непрерывной нитью, однако при проведении прошивки масса волокон может смещаться, образуя неравноплотные участки, а кроме того, в результате воздействия иглы происходит ломка волокон, и после сушки и обжига эти обломки будут сыпаться из материала, что приведет к потере его прочности, гибкости и размеростабильности.
Известен способ получения волокнистого материала, включающий получение мата из коротких огнеупорных волокон и нанесение на них связующего покрытия, выбранного из группы, включающей оксиды алюминия, кремния, бора, муллит, карбид кремния или их сочетания, методом парофазного осаждения или нанесения связующего в виде коллоидной суспензии, с последующей термообработкой (патент США №4761323).
Недостатком данного способа является то, что керамическое покрытие на волокнах, используемое для придания мату прочности и размеростабильности, при обжиге образует в точках пересечения волокон жесткие керамические мостики, которые лишают материал гибких свойств, придавая ему жесткость волокнистого каркаса, в результате чего использование данного материала для уплотнения зазоров сложной конфигурации становится невозможно.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является принятый за прототип 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°С и его формование под давлением при температуре 150°С 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).
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 материала, полученного по способу-прототипу, при температурах выше 300°С 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.
Технической задачей данного изобретения является разработка способа получения волокнистого теплоизоляционного материала на основе огнеупорных волокон, позволяющего получать недорогие волокнистые теплоизоляционные материалы с повышенной гибкостью и размеростабильностью.
1
1
Для решения поставленной задачи предложен способ получения волокнистого теплоизоляционного материала, включающий приготовление водного шликера, содержащего огнеупорные волокна и связующее, получение сырой заготовки волокнистого материала путем вакуумного формования водного шликера, и последующее формование сырой заготовки под давлением, отличающийся тем, что формование сырой заготовки под давлением проводят путем ее холодной прокатки до расчетной толщины, после чего осуществляют сушку, при этом расчетную толщину прокатанной сырой заготовки определяют по формуле: D=D×κ, где D - заданная толщина готового волокнистого теплоизоляционного материала, D - расчетная толщина прокатанной сырой заготовки, а κ - эмпирический коэффициент, определяемый для каждого исходного материала в зависимости от свойств исходного волокна.
В качестве огнеупорных волокон используют дискретные волокна оксида алюминия, оксида циркония, кварцевые, муллитовые, или их смесь, диаметром 0,5-10 мкм, длиной до 50 мм.
В качестве связующего используют поливинилацетат (ПВА).
Сушку заготовки после прокатки осуществляют при температуре 90-200°С.
Получаемые традиционными методами гибкие теплоизоляционные материалы на основе коротких термостойких волокон, состоящие из хаотично расположенных волокон и связующего, как правило, склонны к увеличению высотного размера (толщины) после операции мокрого формования при сушке вследствие ослабления действия капиллярных сил между волокнами и распрямления изогнутых этими силами керамических волокон. В предлагаемом способе в процессе холодной прокатки сырой заготовки под воздействием давления валков происходит смещение массы волокон в направлении прокатки, а также выпрямление изогнутых волокон, в результате чего волокна перераспределяются и переориентируются, занимая более устойчивое положение. Также происходит частичное разрушение упругоизогнутых участков волокон, не поддающихся перераспределению и переориентации. Использование операции прокатки сырой заготовки на толщину, рассчитанную по предлагаемой формуле, обеспечивает контролируемое стабильное увеличение толщины волокнистого материала до заданного размера при последующей сушке. Достижение заданной толщины готового теплоизоляционного материала из коротких огнеупорных волокон особенно важно при использовании его в изделиях ответственного назначения, где уплотняемые зазоры сложной геометрической формы строго регламентированы по размеру.
Преимуществом предлагаемого способа является получение волокнистого теплоизоляционного материала с повышенной гибкостью и размеростабильностью, а также его простота и высокая производительность. Достигаемая модель сцепления волокон при нагруженном сдвиге в процессе холодной прокатки способствует стабильности толщины получаемого материала. Операция прокатки занимает несколько минут и проводится при нормальных условиях - комнатной температуре и атмосфере окружающей среды, исключая необходимость проведения продолжительной операции горячего формования под давлением, требующего специального оборудования.
Волокнистый теплоизоляционный материал, полученный предлагаемым методом, может быть использован в качестве теплоизоляционного и уплотнительного материала для летательных аппаратов, высокотемпературных энергетических установок и промышленных печей, в качестве фильтров горячих выхлопных газов, уплотняющих прокладок каталитических конвертеров и огнезащитных экранов горячих печей.
ПРИМЕРЫ
2
3
Пример 1. Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава муллит/α-AlO толщиной 10 мм
2
3
1
1
Короткое волокно состава муллит/α-AlO диаметром 0,5-10 мкм и длиной до 50 мм диспергировали в дистиллированной воде с помощью пропеллерной мешалки, концентрация волокна 5-20 г/л. В полученный водный шликер вводили органическое связующее поливинилацетат (ПВА). Из полученного водного шликера, содержащего огнеупорные волокна и связующее, получили 5 сырых заготовок высотой от 13 до 15 мм методом формования. Определяли толщину прокатанной сырой заготовки: D=κD при заданной толщине готового материала D=10 мм. Для данного материала эмпирический коэффициент κ составляет 0,5, поэтому D=0,5×10 мм=5 мм. Полученные сырые заготовки подвергли прокатке при комнатной температуре до толщины 5 мм и сушке при температуре 90°С в течение 2 час на воздухе. Получили 5 образцов волокнистого теплоизоляционного материала.
Для определения размеростабильности была замерена толщина полученных образцов и вычислено среднее отклонение полученной толщины материала от заданной. Гибкость полученного материала определяли по ГОСТ 17177 (п.18): образец плоского материала брали за два края по длине и прикладывали к эталонному цилиндру таким образом, чтобы середина длины образца касалась образующей цилиндра. Затем одновременно оба края образца изгибали так, чтобы он касался всей поверхности цилиндра. Гибкость образца оценивали визуально по разрывам и расслоениям на его поверхности. В данном испытании брали эталонный цилиндр диаметром 210 мм. Результаты испытаний представлены в таблице, где приведены средние значения по пяти образцам.
2
3
2
Пример 2. Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава 70% (муллит/α-AlO)+30% SiO толщиной 15 мм
1
Материал получали по примеру 1, только толщина сырых заготовок составляла 18-20 мм. Требуемую толщину прокатанной сырой заготовки определяли по формуле. Эмпирический коэффициент к для данного материала составлял 0,7, толщина готового волокнистого материала D=15 мм. Вычислена толщина прокатанной сырой заготовки: D=0,7×15=10,5 мм. Полученные формованием сырые заготовки толщиной 18-20 мм подвергали прокатке до толщины 10,5 мм и сушке при температуре 180°С в течение 3 час на воздухе. Испытания образцов проводили по примеру 1.
2
3
2
Пример 3. Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава 80% (муллит/α-AlO)-20% волокна ZrO толщиной 20 мм
1
Материал получали по примеру 1, только толщина сырых заготовок составляла 22-25 мм. Эмпирический коэффициент к для данного материала составляет 0,6, расчетная толщина прокатанной сырой заготовки D=0,6×20=12 мм. Полученные сырые заготовки подвергали прокатке до толщины 12 мм и сушке при температуре 200°С в течение 4 час на воздухе.
2
3
Пример 4 (по прототипу). Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава AlO (термопластовое органическое волокно толщиной 10 мм).
Волокна оксида алюминия средним диаметром 3 мкм и средней длиной 40 мм диспергировали в воде с получением водного шликера концентрацией 0,1 вес %. В шликер вводили термопластовые бикомпонентные волокна с сердечником из полипропилена и оболочкой из полиэтилена, в количестве 10 вес.% от веса волокон оксида алюминия, и акриловый латекс в качестве связующего. Из полученного шликера получили 5 образцов сырых заготовок толщиной 15 мм методом вакуумного формования, сушили их при 130°С в течение 3 часов до полного высыхания и расплавления полимерных волокон. После этого высушенные заготовки сжимали на прессе с обогреваемыми плитами до толщины 10 мм и подвергали термообработке под давлением при 150°С в течение 1 час с последующим охлаждением под давлением в течение 1,5 час. Образцы испытывали по примеру 1.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
№ образца
Состав волокна
Продолжительность технологического цикла (час)
Гибкость (визуальный осмотр)
Размеростабильность, %
1
Муллит/α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,1
Без повреждений
2
2
70%(Муллит/α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)+30% SiO<sub>2</sub>
4,1
Без повреждений
3
3
80% (Муллит/α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)+20% ZrO<sub>2</sub>
5,2
Без повреждений
3
4 (по прототипу)
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+10% органического волокна
7,1
Трещины от верхнего края
4
Из таблицы видно, что волокнистый теплоизоляционный материал, полученный предлагаемым методом, обладает большей гибкостью и хорошей размеростабильностью при существенно меньшем времени технологического цикла, без использования специального оборудования, такого как пресс с подогреваемыми плитами, а следовательно, с меньшей стоимостью. Данный материал может быть использован для теплоизоляции и уплотнения изделий ответственного назначения, работающих при высоких температурах (выше 1300°С). Кроме того, так как предлагаемый материал не содержит легкоплавких органических волокон, повышается экологическая безопасность производства.