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    陶瓷纖維的制造工藝及應用前景

    陶瓷纖維的制造工藝及應用前景

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    【摘要】:
    陶瓷纖維廣泛應用于各類熱工窯爐的絕熱耐高溫材料,由于其容重大大低于其他耐火材料,因而蓄熱很小,隔熱效果明顯,作為爐襯材料可大大降低熱工窯爐的能源損耗,在節能方面為熱工窯爐帶來了一場革命。另一方面它的應用技術和方法對熱工窯爐的砌筑同樣帶來了一場革命。

    陶瓷纖維的制法有三種:即抽絲法、吹絲法和紡絲法。陶瓷纖維紙中的陶瓷纖維常用的是吹絲法。吹絲法是將熔融狀的混合原料,在惰性氣體的壓力下以細流狀態噴向高速旋轉的圓盤之周邊表面。在圓盤高速轉動的拉力下,將其紡成細絲纏繞在圓盤上,而得到幾微米的陶瓷纖維。

    用于抄造陶瓷纖維紙的陶瓷纖維,必須經過凈化處理把不合格的非纖維狀的陶瓷顆粒除去。然后采用打漿機對其纖維長度進行適當調整,務必使纖維的長寬比等于10以上。在流送過程中應保持陶瓷纖維呈懸浮、分散狀態??稍诔R幍拈L網、圓網、斜網等造紙機上抄造完成。

    根據產品的用途,抄造陶瓷纖維紙前可向漿料中加入黏合劑,也可不加。不過為了滿足工業生產所需求的強度,目前生產的陶瓷纖維紙中均已加入高溫黏合劑。

    陶瓷纖維廣泛應用于各類熱工窯爐的絕熱耐高溫材料,由于其容重大大低于其他耐火材料,因而蓄熱很小,隔熱效果明顯,作為爐襯材料可大大降低熱工窯爐的能源損耗,在節能方面為熱工窯爐帶來了一場革命。另一方面它的應用技術和方法對熱工窯爐的砌筑同樣帶來了一場革命。

    目前,“電阻法噴吹成纖、干法針刺制毯”和“電阻法甩絲成纖、干法針刺制毯”仍為國際上陶瓷纖維生產的兩種典型的工藝技術。由于陶瓷纖維的應用范圍越來越擴大,以及隨著高新技術的發展,要求陶瓷纖維產品向功能性方向發展,以滿足特定領域內所需的專用功能性產品,如使產品具有優良的耐高溫性能、機械力學性能、柔韌性能和可紡性能等。在制造方法方面,熔融法與化學法同時并存且同步發展,以適應不同品種用途的需要。熔融法常用于生產非晶質纖維,其技術含量低,生產成本低,產品的應用量大面廣,主要用于工業窯爐、加熱裝置耐火、隔熱應用領域中的基礎材料?;瘜W法用于生產多晶晶質纖維,該法技術含量高,生產成本也高,附加值高,但產品仍較少,主要用于1300℃以上高溫工業窯爐的耐火隔熱及航天、航空、核能等尖端技術領域。

    各種陶瓷纖維模塊是采用具有優良性能的對應材質的纖維針刺毯按纖維組塊結構、尺寸、由專業技工,用組塊加工專用設備制作而成,為保證壁襯砌筑完成后組塊之問相互擠壓形成無縫隙緊密的保溫整體。在制作過程中均保持一定壓縮量,產品配套錨固系統可與窯爐殼體牢固連接、尺寸精確、安裝簡便。加快了爐襯施工速度,減輕窯爐重量,大幅度提高窯爐耐火絕熱性能。

    陶瓷膜與有機聚合物膜相比,具有許多獨特的優點,如耐高溫、耐化學腐蝕、機械強度高、孔徑均勻分布窄、微觀結構可控、使用壽命長等,因而可滿足特別苛刻的使用要求,在石油化工、化學工業、冶金工業、食品工業、環境工程、新能源等領域有著廣泛的應用前景,正日益受到重視。但實用的陶瓷膜一般為非對稱結構,膜制備工藝過程復雜,制造周期長,成本高。另外,商品化陶瓷膜一般采用多通道管式構型,膜管壁厚,膜的裝填密度低,導致單位體積有效過濾面積小和分離效率低。

    近年來,新型中空纖維構型陶瓷膜受到廣泛關注,中空纖維陶瓷膜除具有傳統的陶瓷膜本身優點以外,還具有裝填密度大、單位體積膜有效分離面積大、膜壁薄、滲透通量高和節省原料、易于實現分離設備小型化等優點。新型中空纖維構型陶瓷膜的應用可望大大提高陶瓷膜分離性能。中空纖維陶瓷膜由于其獨特的性能和結構特點,在用于廢水(氣)處理的無機分離膜、固體氧化物陶瓷膜燃料電池、微通道反應器、催化劑載體等領域的應用正受到越來越多的關注。

    新型中空纖維陶瓷膜由于具有裝填密度大、單位體積膜有效分離面積大、膜壁薄、滲透通量高和節省原料等獨特優點而受到廣泛關注,在用于多孔和致密陶瓷分離膜、固體氧化物燃料電池、微通道反應器、催化劑載體等方面都有著潛在的應用前景。在概括中空纖維陶瓷膜特點的基礎上,綜述了中空纖維陶瓷膜的制備方法研究進展,著重分析比較了不同制備方法的優缺點。將相轉化法應用于中空纖維陶瓷膜的制備,可實現通過一步成型制造具有自支撐非對稱結構的復合陶瓷膜,有利于提高膜的滲透通量、簡化膜制備工藝和顯著降低制造成本。

    新型中空纖維陶瓷膜除具有陶瓷膜本身優點以外,與傳統多通道或平板構型的膜相比,還具有以下突出優點:裝填密度高,單位體積膜有效過濾面積非常大,易于實現分離設備小型化。中空纖維陶瓷膜分離效率將比傳統構型陶瓷膜有顯著提高。中空纖維膜管壁薄,因而可減小膜滲透阻力和縮短滲透路徑,提高流體滲透通量。此外,膜壁厚度遠小于傳統的管式和平板陶瓷膜,可大大節省微粉原料。中空纖維膜可根據實際應用需要采取內壓式或外壓式兩種不同過濾方式。

    模板法是以有機聚合物中空纖維或活化碳纖維為模板,先將經過預處理的模板浸入預先制備的穩定氧化物先驅體溶膠中,通過浸漬涂覆法,在纖維模板表面形成一層凝膠層,然后經干燥和高溫燒成獲得中空纖維陶瓷膜。采用有機模板法制備中空纖維陶瓷膜時,根據模板微觀結構的不同,可形成對稱或非對稱結構中空纖維陶瓷膜??梢灶A見,非對稱結構的形成將有助于降低膜的滲透阻力和提高膜滲透性。

    但模板法制備中空纖維陶瓷膜,需要預先采用金屬醇鹽制備穩定的聚合物溶膠,并往往需要經多次涂覆才能獲得合適厚度的凝膠層,工藝過程復雜,制備的膜易開裂和變形,不適合大規模生產,主要用于實驗室中空纖維膜制備。陶瓷纖維產品質量主要取決于原料的質量,一些工業發達國家的陶瓷纖維生產企業都是以高純度合成粉料為原料,使熔融法生產的非晶質纖維化學組成中的Fe2O3,Na2O,CaO等有害雜質含量低于1%,從而提高了纖維板的質量和耐熱性能。一般是對現有的工藝設備和生產工藝進行改造與完善,生產功能性產品,擴大應用領域。新產品的開發主要有:晶質氧化鋁連續長纖維、復合材料生產用的新型纖維增強體和納米結構晶質氧化鋁連續長纖維的開發等。

    近些年,由于能源價格不斷上漲,燃料成本將會成為扼制陶瓷業發展的瓶頸,節能愈加重要。人們對窯爐熱損失愈來愈關心,有的直接在原有耐火內襯表面加貼一層耐火陶瓷纖維以提高熱效率。在加貼前必須將窯壁上明顯的裂紋或剝落部位修復好。不過隔熱耐火磚與耐火纖維也不能任意濫用。迄今為止如堿性吹氧煉鋼爐、水泥回轉窯等內襯,由于高溫化學侵蝕嚴重,都暫時不能用纖維作內襯。

    對于連續加熱設備如陶瓷隧道窯,早已實現了采用耐火陶瓷纖維用作連續加熱設備的內襯。據報道,快速推板窯與隧道窯中采用耐火陶瓷纖維節能效果都很顯著。尤其是超高溫加熱,如燒成溫度在1538~1649℃的窯爐中,采用耐火纖維的節能效果較佳。目前,歐美及日本的陶瓷窯爐設備全部采用陶瓷纖維內襯。不久前日本將燃氣隧道窯分解為諸如車廂結構進行分節制造、然后再運抵瓷廠施工現場組裝,這一切都是由于采用陶瓷纖維材料,大大節省了窯爐造價,更簡便的緣故。從材質改型方面推進陶瓷纖維制品節能效果的研究也正在進行中。

    陶瓷纖維雖然為高溫工業領域的絕熱耐火起著重要作用,但也存在很大的生產弊端,尤其是它具有可吸人性,對環境及人體有一定的危害,國外一些企業加強了對非晶質陶瓷纖維的限制使用。目前,一種生物溶解性非晶質陶瓷纖維在絕熱耐火材料市場出現,這種超級纖維屬無污染的環境友好型材料。陶瓷纖維起初是作為耐火保溫材料而發展起來的。由于其纖細的形狀,逐漸作為過濾材料而得到新的應用,陶瓷纖維過濾器依賴于陶瓷纖維的發展和應用。高溫煙氣凈化已成為材料、冶金、化工、電力等行業實現“節能減排”的一個重要技術攻關課題。許多工業煙氣屬于高溫煙氣,如冶煉、焚燒、火力發電、燃煤鍋爐、工業爐窯、余熱回收利用等。采用傳統的布袋除塵器凈化高溫煙塵,通常要將煙氣冷卻至250℃以下并控制在露點溫度以上。因此,采取降溫方法凈化高溫煙氣勢必造成設備、運行費用增加和熱能浪費。

    陶瓷纖維作為過濾器普遍強度較低,發展低成本高強度的連續纖維增強陶瓷纖維過濾器是今后的發展方向。陶瓷纖維過濾器由于其優良的特性將會在高溫煙氣過濾等方面發揮越來越重要的作用,具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉化等功能的陶瓷纖維過濾材料將是熱氣體凈化材料的58發展方向。

    陶瓷纖維過濾在我國高溫煙氣凈化方面還沒有起步,但近幾年來的應用情況表明,在世界范圍內陶瓷過濾器用量呈現出高增長趨勢。陶瓷過濾器突出的應用是燃煤發電領域的煙塵凈化。較大限度地提高發電效率和減少對大氣造成的污染已成為世界各國,特別是中國這樣一個燃煤大國的主要任務。通過循環流化床(CFBC)發電、煤氣化(IGCC)發電及其組合式發電,可以大大提高發電效率,達到節能減排的目的。煤氣化發電不同于傳統的蒸汽機發電過程。它是將煤加熱氣化后,在煤氣進入燃氣式發電機之前,需要凈化到高純度。大多數發電廠將進入氣燃機的允許含塵濃度限制在5mg/m。以下,理論上較好低于1mg/m。除塵系統的工作溫度常在350~1000℃、壓力為1~2.5MPa。因此,要在如此高溫、高壓下達到如此高的凈化效果,陶瓷過濾器必然成為第一選擇。

    可以預見,為實現節能減排的目標,高溫煙氣陶瓷過濾技術在中國的推廣應用已為期不遠。新型陶瓷纖維是近年發展起來的高技術功能纖維。除了防紫外線纖維、蓄熱保溫纖維和抗菌防臭纖維外,還有防中子纖維、導電纖維、磁性纖維等,陶瓷微粉在纖維中的應用范圍也十分廣闊。

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