СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2003 года по МПК C04B35/80 C04B35/14 

Изобретение относится к технологии получения неорганических волокнистых материалов, преимущественно на основе кварцевого стекловолокна, и может быть использовано для изготовления плоских и фасонных изделий теплозащитного, радиотехнического и химического назначения.

Известен способ получения неорганического волокнистого теплозащитного материала (Патент США, 3785838, кл. С 04 В 43/02, 1974 г.) путем диспергации и измельчения кварцевого стекловолокна в миксере, приготовления эмульсии на основе кремнийорганической смолы, ПАВ и воды, приготовление волокнистой массы с концентрацией волокна 0,5-3,0 вес.%, формования заготовок в перфорированных формах за счет отвода воды и обжатия волокнистой составляющей, сушки, полимеризации связующего и обжига изделий. Такая технология предусматривает получение легких, высокопористых материалов и нашла применение при изготовлении теплозащитных блоков для космических кораблей "Shuttle", "Буран" (Li 900, Li 2200, ТУ 6-11-15). Плотность материалов находилась в пределах 0,090-0,220 г/см³.

Для повышения плотности и прочности материала обычно увеличивают концентрацию волокна в гидромассе и степень измельчения волокна. Согласно авторскому свидетельству СССР 607829, кл. С 04 B 43/02 от 28.04.78 г. (прототип) концентрация волокна в формовочной массе доведена до 10-20%. Однако для обеспечения качественной диспергации и перемешивания волокна, ПАВ и связующего в пропеллерной мешалке эти операции осуществляют в суспензии с твердожидким отношением, равным 1/20-1/50.

Затем производится обезвоживание формовочной массы до твердожидкого отношения, равного 1/5-1/10, и формование изделий за счет прессования заготовок в перфорированных формах с одновременным отводом воды и обжатия волокнистой составляющей.

Недостатком данного технического решения является его ограниченность как по концентрации формовочных масс, так и по степени измельчения волокна, что не позволяет получать материалы с более высоким значением прочностных характеристик и плотности. Кроме того, введение операции обезвоживания формовочной массы усложняет технологию производства волокнистых материалов и изделий.

Недостатком прототипа и других известных способов получения неорганических волокнистых материалов на основе водоволокнистых формовочных масс является необходимость введения ПАВ и кремнийорганических связующих, разделение операций измельчения волокна и приготовления формовочных масс, что усложняет процесс получения материала и изделий.

Цель настоящего изобретения - используя известный метод формования материала и изделий в перфорированных формах из водоволокнистых формовочных масс, предложить простой способ получения волокнистых материалов на основе кварцевого стекловолокна, обеспечивающий возможность получения более плотного и прочного материала с наперед заданными свойствами, упростить и сократить технологический процесс получения неорганических волокнистых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что измельчение волокна и приготовление водоволокнистой формовочной массы осуществляют одновременно путем мокрого помола волокна в шаровой мельнице при концентрации волокна в суспензии 20-60 вес. % до получения полидисперсных частиц волокна с размером 0,1-500 мкм, а регулирование плотности материала в заготовке осуществляют изменением концентрации волокна в суспензии по зависимости
ρ=1,5•с^0,7,
где ρ - плотность материала,
с - концентрация волокна в суспензии.

Введение кремнийорганического связующего и ПАВ можно исключить, так как функцию связки и ПАВ выполняет кремнекислота, тонкая (менее 5 мкм), высокогидратированная фракция кварцевого стекловолокна, образующиеся при мокром помоле стекловолокна в шаровой мельнице.

Обычно изменение и регулирование плотности и прочности волокнистого материала осуществляют подбором многих технологических параметров, как отношение длины волокна к его диаметру, давление прессования, режим обжига и др.

Нами экспериментально установлено, что наиболее простым и эффективным методом изменения плотности материала в пределах от 0,3 до 1,1 г/см³ и прочности при изгибе от 5 до 25 МПа является изменение концентрации волокна в формовочной массе (в пределах от 20 до 60 вес.%), полученной при мокром помоле волокна в шаровой мельнице. При этом регулирование свойств материала при прочих равных условиях осуществляют по зависимости ρ=1,5•с^0,7, где ρ - плотность материала в отформованной заготовке, с - концентрация волокна в формовочной массе.

Предложенный способ получения неорганического волокнистого материала включает следующие технологические операции:
- диспергацию кварцевого стекловолокна в миксере;
- дополнительное измельчение волокна в шаровой мельнице при соотношении волокно : мелющие тела по весу, равном 1:1,5, и заданном количестве воды в пределах 40-80% от веса волокна в течение 10-60 минут до получения фракции 0,1-500 мкм;
- слив формовочной массы через сито с ячейкой 0,5 мм в перфорированную форму с капроновой сеткой и прессование изделия по известной технологии.

Далее идет сушка и обжиг изделий при температуре 1250±10^oС. При необходимости в мельницу во второй операции вводится активатор спекания в виде порошка В, BN, SiB₄, что снижает температуру спекания до 1220±10^oС.

В отличие от прототипа и аналогов здесь отсутствуют следующие технологические операции:
- приготовление связующего на основе полиэтоксисилановой смолы;
- предварительное обезвоживание формовочной массы перед формованием изделия;
- приготовление формовочной массы, включающей волокно, связующее, ПАВ, активатор спекания и воду в лопастной мешалке;
- термообработку материала при температуре 300^oС с целью полимеризации связующего и упрочнения заготовки.

Введена новая операция, включающая дополнительное измельчение волокна с одновременным приготовлением формовочной массы путем помола кварцевого стекловолокна с заданным количеством воды в шаровой мельнице в течение 10-60 мин.

Пример выполнения способа
Кварцевое волокно СКВ ТУ 6-11-15-191-8 или ТКВ загружали в миксер ОТА-25 вместе с дистиллированной водой в весовой пропорции 1 часть волокна на 60 частей воды и производили диспергацию волокна в течение 10-15 мин при скорости вращения лопастей мешалки 2600 об/мин. Затем отжатое в перфорированной кассете волокно загружали в шаровую мельницу вместе с корундовыми (алундовыми) мелющими телами в весовой пропорции 1 часть волокна на 1,5 частей мелющих тел и мололи вместе с дистиллированной водой в течение 10-60 минут до получения полидисперсных частиц волокна с размером 0,1-500 мкм. Количество воды вводили в зависимости от требований по плотности материала в пределах 40-80% от веса волокна. Время помола в пределах 10-60 минут подбирается для каждой мельницы экспериментально; оно увеличивается при увеличении загрузки и концентрации волокна в формовочной массе. Окончание помола контролировали свободным хождением волокна через сетку 1 мм. В мельницу вместе с волокном и водой заливали разведенный водой активатор спекания (порошок В, или BN, или SiB₄) в количестве 0,5-1,0% от веса волокна. Процеженную через сетку формовочную массу заливали в перфорированные формы для формования изделий различной конфигурации и размеров, в том числе полусферических оболочек диаметром 350 мм, толщиной стенки 20 мм; оживальных оболочек с диаметром основания 240 мм, высотой 700 мм; блоков размером 150х150х100 мм. Плоские блоки и пластины формовали отводом воды вакуумом и контактным прессованием с усилием 3,5 кг/см² в течение 1-2 минуты. Сложнопрофильные оболочки формовали на специальных установках путем отвода воды через перфорированный сердечник и обжатия волокна резиновой цулагой при давлении сжатого воздуха в сети 4-6 атм. Для предотвращения ухода волокна при откачке воды через перфорации в сток сердечники формовых комплектов обшивались капроновой тканью в 1-2 слоя. Дальше производили сушку изделий при 150±10^oС и обжиг при температуре 1250±10^oС в течение 2 часов без активатора спекания и при температуре 1220±10^oС в течение 2 часов с активатором спекания. При необходимости изделия доводили до требуемых размеров путем механической обработки на плоскошлифовальных, круглошлифовальных или токарных станках обычными режущими инструментами с подачей воды. В таблице приведены технологические параметры и свойства полученных материалов по предлагаемому способу и прототипу.

Предложенный способ получения неорганических волокнистых материалов имеет следующие достоинства. Он позволяет:
- получать материалы на основе кварцевого стекловолокна с плотностью от 0,3 до 1,1 г/см³, прочностью на изгиб от 5 до 25 МПа, модуле упругости от 500 до 5500 МПа;
- регулировать свойства материала в широких пределах путем изменения одного технологического параметра - концентрации волокна в формовочной массе; дополнительное регулирование свойств может осуществляться за счет изменения давления прессования, температуры обжига;
- изготавливать изделия сложнопрофильные, крупногабаритные и тонкостенные, что обусловлено, прежде всего, хорошими литейными свойствами суспензий с предложенным фракционным составом волокна;
- полностью исключить применение органических смол, сократить и упростить технологию производства неорганических волокнистых материалов.

Способ прост в технологическом исполнении, не требует дорогостоящего оборудования и оснастки. Он был апробирован также при изготовлении изделий из высококремнеземистого волокна СТВК-99, базальтового волокна БСТВ.

В таблице показаны технологические параметры и свойства волокнистых материалов на основе кварцевого волокна СКВ, получаемых по предложенному способу и прототипу.

Изобретение относится к технологии получения неорганических волокнистых материалов, преимущественно на основе кварцевого стекловолокна, и может быть использовано для изготовления плоских и фасонных изделий теплотехнического, радиотехнического и химического назначения. Способ заключается в измельчение волокна, и приготовление водоволокнистой формовочной массы осуществляется одновременно путем мокрого помола волокна в шаровой мельнице при концентрации волокна 20-60 вес.% до получения полидисперсных частиц волокна с размером 0,1-500 мкм, а регулирование плотности и свойств материала производят изменением концентрации волокна в формовочной массе по зависимости ρ= 1,5•с^0,7, где ρ - плотность материала в заготовке, с - концентрация волокна в формовочной массе. Техническим результатом изобретения является получение волокнистых материалов и изделий с повышенной плотностью и прочностью, упрощение технологии приготовления водоволокнистых формовочных масс. Кроме того, предложенный способ обеспечивает возможность регулирования плотности и других свойств материала в широких пределах. 1 табл.

Способ получения неорганического волокнистого материала, включающий диспергацию и измельчение волокна, приготовление водоволокнистой формовочной массы, прессование заготовок в перфорированных формах с одновременным отводом воды, сушку и обжиг, отличающийся тем, что измельчение волокна и приготовление формовочной массы осуществляют одновременно путем мокрого помола волокна в шаровой мельнице при концентрации волокна 20-60 вес. % до получения полидисперсных частиц волокна с размером 0,1-500 мкм, а регулирование плотности и свойств материала осуществляют изменением концентрации волокна в формовочной массе по зависимости ρ= 1,5•с^0,7, где ρ - плотность материала в отформованной заготовке, с - концентрация волокна в формовочной массе.