无机胶黏剂在陶瓷纤维纸中的应用

    陶瓷纸具有良好的性能,不仅可用作炉衬的内壁 保温隔热材料和高温器具的密封材料,冰箱的保温材 料,建材的隔热、隔音、防火材料,冶金、化工、石油的保 温保暖材料等,也可用作航空、航天的保温、隔热材料, 其前景十分广阔[1,2]。
    由于无机纤维自身无结合性,所以常常需要使用 黏合剂。所用有机黏合剂有丙烯酸系树脂、聚氨酯类 乳液、聚醋酸乙烯酯类、丙烯腈与丙烯酸丁酯的聚合 物、聚乙烯醇等,但这些有机系材料在高温下使用时, 会发生恶臭和产生有害气体、降低纸的质量等,所以也 多使用胶体硅、硅酸钠、磷酸铝等无机黏合剂[3]。
    为了分析不同种类无机胶黏剂对陶瓷纤维纸特性的影响,实验中选用氧化铝、硅酸钠和硫酸铝-氨水三种无机胶黏剂,并对它们进行了两两组合实验:液体氧化铝与硅酸钠,胶体氧化铝与水玻璃,以及胶体氧化铝与硫酸铝-氨水。使用不同种类胶黏剂以及不同胶黏剂的组合抄造陶瓷纤维纸,通过测定陶瓷纤维纸的物理性能和烧失量,来探讨各种胶黏剂体系的不同效果。
    1　实验
    1.1　原料
    硅酸铝纤维:三门峡市盛浦高温材料工程有限公 司;胶体氧化铝:浙江省中明化工科技有限公司;Al2 (SO4)3:AR,天津市永大化学试剂开发中心;NH4OH 溶液:AR,天津市北方天医化学试剂厂。
    1.2　实验步骤
    利用湿法工艺抄造陶瓷纤维纸的主要工艺过程包 括打浆、离心除渣、疏解分散、抄片、干燥和测定纸张的 相关性能。首先采用标准纤维解离器直接将纤维打散,然后进行重力沉降除渣,最后加入胶黏剂,使用纸 页抄片器进行抄片;使用喷雾器进行表面施胶,或采用 一定浓度的氧化铝溶胶进行浸渍处理;利用烘缸进行干燥,干燥后的陶瓷纤维纸用于各项性能的测定。
    1.3　陶瓷纤维纸性能的测试
    物理性能的测定:根据纸品的国家标准进行测定, 包括定量(GB/T451.2-1989)、厚度(GB/T451.3- 1989)和抗张强度(GB/T453-1989)。
热学性能的测定:烧失量。烧失量是在高温(620 ~750℃)灼烧之后的失量,主要包括陶瓷纤维纸中结构水的重量和掺加物因灼烧而失去的重量,烧失量是陶瓷纤维海泡石制品的一项重要技术指标,烧失量越低,制品的耐高温性能就越好。
    2　结果与讨论
    2.1　单组分胶黏剂对陶瓷纤维纸特性的影响
    2.1.1　胶体氧化铝的用量
                      
    从图1中可以看出,随着胶体氧化铝添加量的不 断增加,陶瓷纤维纸的抗张指数不断增大。胶体氧化 铝的添加量为20%时,陶瓷纤维纸的抗张指数为0.82 N・m/g,胶体氧化铝用量增加至25%时,抗张指数为 0.91N・m/g,提高了11.0%。当胶体氧化铝从25% 增加至40%时,抗张指数从0.95N・m/g变化到 1.92N・m/g,提高的百分率依次为13.7%、55.6% 和14.3%。可见,陶瓷纤维纸的抗张指数随着胶体氧 化铝用量的增加,一开始提高的速率较低,然后迅速变 大,最后逐步降低。
    同时可以看出,随着胶体氧化铝用量的增加,陶瓷纤维纸的烧失量也在逐渐上升。用量从20%到40%, 烧失量依次增加了23.1%、29.1%、7.3%和6.7%, 曲线一开始上升迅速,随着胶体氧化铝用量继续增加, 上升幅度逐渐下降。
    从上述的分析结果可以得到,陶瓷纤维纸的抗张指数随着胶体氧化铝用量的增加,出现不断提高的趋势,提高的速率是先小后大,最后逐步减小。烧失量的变化也是随着用量的增加不断上升,但上升幅度会逐渐下降。
    2.1.2　液体氧化铝的用量
                   
    从图2中可以看出,随着浸入液体氧化铝浓度的增 加,开始时陶瓷纤维纸的强度会迅速上升。当浸入液体氧化铝浓度为5%时,陶瓷纤维纸的抗张指数为 3.59N・m/g,浸入浓度增加至7%时,抗张指数为 4.53N・m/g,提高了26.2%。当浸入浓度继续增加至 9%时,抗张指数上升至4.67N・m/g,提高了3.1%。可 见,陶瓷纤维纸的抗张指数随着浸入液体氧化铝浓度的 增加,一开始迅速上升,然后上升幅度会下降。
    同时可以看出,随着浸入液体氧化铝浓度的增加 一开始烧失量增加缓慢。当其用量为5%和7%时,陶瓷纤维纸的烧失量大幅度上升,依次上升了52.6%和 35.9%。
    从上述的分析结果可以得到,陶瓷纤维纸的抗张 指数随着浸入液体氧化铝浓度的增加,开始能够大幅 提高,然后效果就逐渐不明显了。而烧失量的变化趋 势却与其相反,一开始增加缓慢,液体氧化铝用量为5%时,增加非常迅速。
    2.1.3　硫酸铝-氨水的用量
                       
    从图3中可以看出,随着硫酸铝-氨水添加量的不断增加,陶瓷纤维的强度性能不断地得到明显的改善。 当硫酸铝-氨水的添加量从80%增加到120%时,陶瓷 纤维的抗张强度不断提高,特别是当添加量从80%增 加到100%的时候,抗张指数从0.66N・m/g迅速提 高至0.93N・m/g,但添加量再次增加至120%,陶瓷 纤维纸的抗张指数强度仅从0.93N・m/g提高至 0.94N・m/g,增强效果不是很明显。
    同时可以看出,陶瓷纤维纸的烧失量依次增加了 1.1%,4.7%和2.8%,上升幅度很小。
    从以上的分析结果可以得出,单独使用硫酸铝-氨 水作为陶瓷纤维纸的增强剂时,硫酸铝-氨水的添加量 非常大,达到100%的时候才会出现明显的效果,而此 时的抗张指数仅为0.93N・m/g,强度非常小,因此 单独使用硫酸铝-与氨水对陶瓷纤维纸的增强效果不是特别明显。
    尽管单独使用硫酸铝-氨水时,对陶瓷纤维纸的增强效果不是特别明显,但是在实际操作时可以看到这两者能够使陶瓷纤维分散的更加均匀,有利于纸页的成型。并且硫酸铝溶液可以在打浆的时候先加入,由于其呈弱酸性,对纤维的疏解有利。
    2.2　各种无机胶黏剂及其组合对纸张性能的影响
    2.2.1　胶体氧化铝
                       
    从图4中可以看出,单独使用胶体氧化铝时,陶瓷 纤维纸的强度较低,与水玻璃配合使用时,从20%到 30%,强度依次增加了11%、153%和59%;与80% 硫酸铝-氨水配合使用时,从25%到35%,强度依次下 降了10%、0.6%和31%。由此可见,胶体氧化铝与 水玻璃配合可以提高强度,特别是在胶体氧化铝用量 为25%和30%时,增强效果非常显著。而与硫酸铝- 氨水配合使用会降低强度。
    2.2.2　液体氧化铝
    从图5中可以看出,单独使用液体氧化铝时已经 具有较高的强度,与硅酸配合使用时,以10%添加量为例,从5%到9%分别下降了43%、38%和15%。说明液体氧化铝不适合 与其它种类的胶黏剂一起使用,不仅起不到协同作用, 反而会破坏液体氧化铝的增强作用。
                           
    3　结论
    3.1　采用液体氧化铝浸渍的陶瓷纤维纸强度最高,含有液体氧化铝的配方强度也很好,抗张指数可以达到 4.70N・m/g。但这种陶瓷纤维纸的柔软性极差,烧 失量也非常高,可见其耐热性能并不好。
    3.2　采用胶体氧化铝及与水玻璃配合使用的陶瓷纤维纸,强度也不错,并且柔软性好,烧失量远低于液体氧化铝,耐热性能高。联系到工业实际对陶瓷纤维纸的要求,单独使用胶体氧化铝,或与水玻璃配合使用是比较合适的。