Способ получения волокнистого теплоизоляционного материала


 


Владельцы патента RU 2433917:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к области теплозащиты горячих частей нагревательных и энергетических установок и касается способа получения волокнистого теплоизоляционного материала. Способ включает 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, причем 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 расчетным путем. 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 - поливинилацетат (ПВА). Изобретение обеспечивает получение недорогих волокнистых теплоизоляционных материалов с повышенной гибкостью и размеростабильностью. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

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.

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: D1=D×κ, где D - заданная толщина готового волокнистого теплоизоляционного материала, D1 - 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

Пример 1. Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава муллит/α-Al2O3 толщиной 10 мм

Короткое волокно состава муллит/α-Al2O3 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: D1=κD при заданной толщине готового материала D=10 мм. Для данного материала эмпирический коэффициент κ составляет 0,5, поэтому D1=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.

Пример 2. Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава 70% (муллит/α-Al2O3)+30% SiO2 толщиной 15 мм

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: D1=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.

Пример 3. Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава 80% (муллит/α-Al2O3)-20% волокна ZrO2 толщиной 20 мм

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 D1=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.

Пример 4 (по прототипу). Получение образцов волокнистого теплоизоляционного материала состава Al2O3 (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-Al2O3 3,1 Без повреждений 2
2 70%(Муллит/α-Al2O3)+30% SiO2 4,1 Без повреждений 3
3 80% (Муллит/α-Al2O3)+20% ZrO2 5,2 Без повреждений 3
4 (по прототипу) Al2O3+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.

1. 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: D1=D×κ, где D - заданная толщина готового волокнистого теплоизоляционного материала, D1 - расчетная толщина прокатанной сырой заготовки, а κ - эмпирический коэффициент, определяемый для каждого исходного материала в зависимости от свойств исходного волокна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего используют поливинилацетат (ПВА).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку заготовки после прокатки осуществляют при температуре 90-200°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сферическим керамическим элементам, таким как расклинивающие агенты, для поддержания проницаемости в подземных формациях, чтобы облегчить добычу из них нефти и газа.

Изобретение относится к технологии создания композиционных материалов (КМ) и способам изготовления корпусных элементов авиационно-ракетно-космических изделий. .

Изобретение относится к области изготовления прозрачных тонкопленочных теплозащитных покрытий, а именно способам нанесения покрытий методом реактивного магнетронного распыления на прозрачные полимерные подложки, такие как органические стекла или полимерные пленки.
Изобретение относится к производству теплоизоляционных изделий, содержащих керамические волокна и предназначенных для использования в строительном комплексе и промышленных футеровок тепловых агрегатов.

Изобретение относится к производству стройматериалов, содержащих керамические волокна и предназначенных для изготовления теплоизоляционных изделий. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно сувениров, бижутерии. .
Изобретение относится к процессам изготовления керамических фильтрующих элементов трубчатой или пластинчатой формы, используемых в отраслях производства, где необходима высокая степень селективности и эффективности фильтрации и заданной конструктивной прочности изделий.

Изобретение относится к тиглям для испарения алюминия в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно, бижутерии. .

Изобретение относится к деталям, работающим в коррозионной атмосфере и при температурах, которые могут превышать 1300°С, в частности к деталям газовых турбин

Изобретение относится к слоистым системам, наносимым методом PVD, а именно дуговым испарением

Изобретение относится к керамическому порошку, а также к керамическому слою и многослойному материалу, полученным из этого порошка, и может быть использовано для создания теплоизолирующих материалов

Изобретение относится к вакуумной технологии нанесения теплозащитных покрытий на изделия из меди и может быть использовано в авиа- и машиностроении и других областях

Настоящее изобретение относится к новым материалам, обладающим многослойной структурой, предназначенным для контакта с жидким кремнием при процессах его плавления и отвердевания, в частности, выращивания кристаллов кремния для применения в фотогальванике. Элемент материала включает первый (поддерживающий) слой с открытой пористостью 25-40%, состоящий из графитовых гранул размером 1-10 мкм; поверхностный слой, образованный карбидом кремния, и промежуточный слой, который сформирован матриксом из карбида кремния, содержащим по меньшей мере одно углеродное включение. Объемное содержание карбида кремния в этом слое составляет 45-70%, что соответствует объемному содержанию начальной пористости графита, формирующего поддерживающий слой, умноженному по меньшей мере на 1,2. Способ включает подготовку элемента материала, содержащего наружный слой из графитовых гранул размером 1-10 мкм, с толщиной по меньшей мере 1000 мкм и пористостью 25-40 об.%; приведение элемента в контакт с жидким кремнием, выдерживание в течение от 10 минут до 1 часа при температуре 1410-1500°C, доведение элемента до температуры 1500-1700°C и выдерживание в течение от 1 до 8 часов с целью образования поверхностного и промежуточного слоев. Технический результат изобретения - повышение срока службы материалов в контакте с расплавом кремния, исключение адгезии кремния к материалу. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 пр., 5 ил.
Изобретение относится к тонкопленочным стеклокерамическим покрытиям, широко применяемым в материаловедении и медицинском материаловедении, в частности. Способ получения многослойного покрытия на основе SiO2-ZrO2-P2O5-CaO включает приготовление пленкообразующего раствора (ПОР) с дальнейшим последовательным нанесением на кремневую подложку первого слоя ПОР, затем второго слоя ПОР, затем повторно первого ПОР. После нанесения каждого слоя проводят ступенчатую термообработку при температуре 60°C в течение 30 мин и затем стабилизационный отжиг при температуре 700°C в течение 1 часа. Состав первого ПОР содержит оксохлорид циркония, 96 масс.% этиловый спирт. Состав второго ПОР содержит тетраэтоксисилан, хлорид кальция, ортофосфорную кислоту, 96 масс.% этиловый спирт. Технический результат - получение стабильного во времени покрытия с высокими значениями показателя преломления и толщиной более 100 нм. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

Изобретение относится к многослойным системам, создающим термический барьер. Подложка с покрытием, создающим термический барьер, содержит упомянутую подложку, упомянутое керамическое покрытие, выполненное из двух керамических слоев, при этом упомянутое покрытие имеет разные толщины на разных участках на упомянутой подложке. Между внутренним керамическим слоем и внешним керамическим слоем не имеется металлического слоя, причем упомянутое покрытие на упомянутой подложке имеет первую область и вторую область. Внешний слой толще, в частности, по меньшей мере, вдвое толще, на второй области, чем керамический слой на первой области на упомянутой подложке. Технический результат заключается в создании термического барьера с высоким сопротивлением тепловым и механическим напряжениям. 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

Изобретение относится к ударопрочным композиционным материалам. Композиционный материал включает неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, в целом параллельная первой наружной поверхности. Далее композиционный материал содержит, по меньшей мере, три слоя стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенных в матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. Неорганическая керамическая матрица включает фосфатную керамическую матрицу. В другом варианте ударопрочный композиционный материал содержит первую и вторую неорганическую керамическую матрицу. Первая неорганическая керамическая матрица включает куски камня. Вторая неорганическая керамическая матрица расположена рядом с первой и включает, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой. Технический результат - получение ударопрочных, легких и экономичных композиционных материалов. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 15 ил., 5 пр.
Группа изобретений относится к производству теплозащитных покрытий, предназначенных для теплоизоляции конструкций и оборудования, эксплуатируемых в условиях высоких температур, например трубопроводов, печей, и может найти применение в разных отраслях промышленности. Композиция включает полые алюмосиликатные или корундовые микросферы, связующее, в качестве которого используют алюмофосфат с содержанием свободного оксида алюминия до 4 мас.%, и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюмосиликатные или корундовые микросферы - 45-65, алюмофосфат - 35-55, вода - остальное. При этом микросферы используют с внутренним диаметром 6-250 мкм и толщиной стенок 1-10 мкм. Изобретение также относится к термозащитному покрытию, состоящему, по крайней мере, из двух слоев, расположенных на основе, первый из которых - грунтовочный, и второй слои выполнены из указанной композиции, причем композиция для первого слоя дополнительно содержит фуллерены C45-C60 в количестве от 0,001 до 0,002 мас.%. Результатом является получение долговечного и прочного покрытия с рабочими температурами до 2000ºС. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 пр.
Наверх