一种新型保温板及其制备工艺的制作方法

本发明属于保温防火材料制造
技术领域：
，特别涉及一种新型保温板及其制备工艺，该新型保温板可以作为无毒防火保温材料用于建筑保温、船舶舱体保温、防火门夹心材料等。
背景技术：
：建筑行业因为外墙着火发生了一次又一次的建筑火灾，一场场的大火从一个房间迅速蔓延到整个外墙，到整个楼宇都被大火覆盖。熊熊大火的高温以及浓烈熏人的烟气是火灾中至伤致死的主要原因。外墙中的保温板防火性能不足时可作为燃烧材料，进一步助长火势蔓延。每年都有很多鲜活的生命被建筑大火吞灭，一次又一次的惨痛经历告诉人们，同时具备防火、高保温且无毒的保温板产品，才利于保住人民生命和财产的安全，而这些产品是稀缺的。有些无机保温板产品达到了公安部的a级防火要求，持续燃烧时间小于30秒，但30秒也是燃烧，也会产生热量和有毒烟气，并且这些无机防火保温企业大多属于高耗能高污染企业，生产的无机产品属于国家禁限产能产品。这些防火材料的生产过程中，为保证材料的性能，大多采用传统的加热(加压)固化工艺，因此需要加入各种溶剂、固化剂或者偶联剂来完成生产制造并提高产品性能。比如市面常见的纤维类无机防火制品，生产采用的无机原材料含有各种有限量要求的金属元素，并且原材料生产中熔化矿石需要消耗大量的能源，采用的树脂在固化过程中需要使用偶联剂或其他有毒有机可燃助剂，遇到火灾时候会释放出一定量的有毒气体。由此可见，该类产品即属于高能耗产品，又不能绿色环保，还危害了人民的生命安全。另外，现有外墙产品经常出现脱落伤人的事件，这一方面归结为施工质量，另一方面归结为材料的垂直板面抗拉强度太低。综上所述，亟需研发一种兼具防火和保温一体的、无毒的、具有较高垂直板面抗拉强度的、原材料生产及产品制备过程绿色环保的、以及可批量化生产的保温板。技术实现要素：为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种新型保温板及其制备工艺，保温板通过玻璃纤维和水溶性酚醛树脂制备得到，通过特定的物料选择和配比，保证了力学性能和保温性能；生产过程中不加入有机溶剂和其他偶联剂或固化剂，无毒环保；生产过程中采用喷淋装置，提高了树脂在玻璃纤维中的分散均匀性；采用微波固化设备，提高了树脂极性分子间的固化效率，力学性能得到较大提高；最终制备得到兼具防火和保温一体、无毒、具有较高垂直板面抗拉强度、原材料生产及产品制备过程绿色环保以及可批量化生产的保温板，从而完成本发明。本发明提供了的技术方案如下：第一方面，一种新型保温板，包括以下质量配比的组分：玻璃纤维100份；酚醛树脂2～15份，优选2～8份；其中，玻璃纤维选自无碱玻璃纤维，或者无碱玻璃纤维与中碱玻璃纤维的组合；酚醛树脂的原料为水溶性酚醛树脂。第二方面，一种新型保温板的制备工艺，用于制备上述第一方面所述的新型保温板，制备工艺包括固化工序，该固化工序采用微波固化设备实施微波固化。根据本发明提供的一种新型保温板及其制备工艺，具有以下有益效果：(1)本发明中保温板采用玻璃纤维作为基材，特别是选用特定配比的无碱玻璃纤维与中碱玻璃纤维，保证保温性能和力学性能的同时，考虑了产业化的需求，该保温板已计划批量生产；(2)本发明得益于水溶性酚醛树脂以及微波固化工艺的选择，产品生产过程中无需加入有机溶剂、偶联剂或固化剂即可实现保温板的成形，保证了生产安全，提高产品环保质量；(3)本发明中，研发不同于现有技术的管道式喷淋工艺，通过对储料罐、伺服管和喷淋管组合设计，保证喷淋过程可持续进行，且喷淋均匀性高；(4)本发明中，研发了树脂的微波固化设备及工艺，通过微波固化设备的分区设置，解决了低导热材料固化不均匀、质量差的问题，缩短了固化时间，去掉了固化压力，降低了固化温度，减少了固化助剂的使用，提高了能源利用率，大大减少了能源消耗，降低了成本；(5)本发明中，保温板产品在保证a级防火的基础上，安全性达到aqz2级，具有高效保温隔热性能，容重高，结构强度好，力学性能远高于国家标准，解决了其他材料低抗拉强度，易脱落的问题。附图说明图1示出本发明一种优选实施方式中喷淋装置结构图，其中，图1a为喷淋管的主视图；图1b为图1a中a-a方向的截面图；图1c为喷淋管的侧视图；图1d为图1c中b-b方向的截面图。图2示出本发明一种优选实施方式中微波固化设备结构图。具体实施方式下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。根据本发明的第一方面，提供了一种新型保温板，包括以下质量配比的组分：玻璃纤维100份；酚醛树脂2～15份，优选2～8份；其中，玻璃纤维选自无碱玻璃纤维，或者无碱玻璃纤维与中碱玻璃纤维的组合；酚醛树脂的原料为水溶性酚醛树脂，水溶性酚醛树脂属热固性甲阶酚醛树脂。水溶性酚醛树脂的选择避免了生产中用于溶解酚醛树脂的有机溶剂如乙醇的选用，降低了厂房空气中有机物的浓度，提高了生产安全性。保温板中由酚醛树脂转化的物质形态均认为属于酚醛树脂。在本发明中，保温板中酚醛树脂均匀包覆于纤维表面，且在玻璃纤维的搭接处存在，使玻璃纤维粘接形成一个三维多孔整体。酚醛树脂的含量与保温板的力学性能在酚醛树脂含量2wt％-13wt％时呈线性正相关，若酚醛树脂的含量较低且低于上述范围的最小值，则力学性能(压缩强度、垂直板面抗拉强度)差；若酚醛树脂的含量较高且高于上述范围的最大值，则相应力学性能下降，复合材料变脆，且无法达到a级防火。在本发明一种优选的实施方式中，所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维与中碱玻璃纤维的组合，无碱玻璃纤维与中碱玻璃纤维的质量比为1:1～1:3，优选为1:2～1:3。玻璃纤维为无碱玻璃纤维时保温性能和垂直板面抗拉强度最优，然而，无碱玻璃纤维成本极高，普遍用于电子产品的制造，用于批量化生产保温板不利于产品推广应用，因而在生产线制造时适当加入了成本较低的中碱玻璃纤维，当中碱玻璃纤维用量较高且高于上述范围，最终制备得到的保温板会产生表面花斑的情况，外观存在缺陷，若中碱玻璃纤维的用量继续升高则将影响最终产品的保温性能和垂直板面抗拉强度。进一步地，所述玻璃纤维为短切玻璃纤维，丝径5～20μm，优选为5～10μm；长度为50～75mm，优选长度误差为±5mm，保证长度均一性。经过研究发现，玻璃纤维的丝径与保温板的保温性能和力学性能较为相关，在上述范围内，保温板的导热系数低且具有较高垂直板面抗拉强度；丝径低于上述范围的最小值，对原料要求苛刻，难以产业化；丝径过大且高于上述范围的最大值，则保温板的保温性能和力学性能降低明显。进一步研究还发现，玻璃纤维的长度均一性对工艺的顺利开展至关重要，若玻璃纤维长度均一性较差，在纤维梳理工序中，极易导致梳理机卡棉，在生产大容重保温板时该情况更为突出。更进一步地，无碱玻璃纤维选用生产电路板的无碱玻璃纤维边角料(又称开刀丝)，解决固废，利于环保，成本极低。在本发明一种优选的实施方式中，该保温板中无需再加入其他用于提高成分间结合力的偶联剂(如硅烷偶联剂kh550\kh570\a171\a151、锆酸酯、硼酸酯等)或固化剂(如端羟基聚丁二烯、间苯二胺、四氨基三甲基环己基甲烷等)。在本发明中，选用水溶性酚醛树脂作为酚醛树脂的原料，水溶性酚醛树脂在25℃时的粘度为10cp～13cp，固含量为30wt％～49wt％，ph8.0～10.0，其中，固含量一定程度上反应了酚醛缩聚得到的酚醛树脂聚合物的量。在制备保温板时，水溶性酚醛树脂优选以喷淋的方式黏附在玻璃纤维表面，若粘度过高且高于上述范围，则水溶性酚醛树脂凝结速度快，不利于喷淋及在玻璃纤维表面的均匀分布；若粘度过低且低于上述范围，则固化工序耗时长且玻璃纤维上分布的酚醛树脂量可能偏低。若固含量过高且高于上述范围，则保温板中酚醛树脂含量高，不利于保证防火性能；若固含量过低且低于上述范围，则需要投入较大量的水溶性酚醛树脂，由于固定产能下传送带速度有上下限要求，采用较快地传送带速度，则会导致玻璃纤维上分布的酚醛树脂量过低，力学性能差；采用低传送带速度或者低于下限要求的传送带速度以满足酚醛树脂含量要求时，固化工序耗时长，能耗增加且工艺控制难度增加。在本发明中，经权威机构验证，该保温板的导热系数低，为高效建筑节能保温材料，导热系数可低至0.028～0.035w/(m·k)；该保温板的容重可达150～380kg/m3，是常规保温板产品的数倍(有机保温板低于100kg/m3，无机保温板低于120kg/m3)，结构强度好；其中，保温板的容重指的是每立方米保温板的质量(千克)；该保温板的厚度可达20～80mm，甚至50～80mm，高厚度进一步保证了保温性能；该保温板的垂直板面抗拉强度可达0.35mpa以上，远高于国家标准(0.015mpa)，解决了其他材料低强度，易脱落的问题；该保温板符合a1级不燃材料、aq2级无毒材料的标准。根据本发明的第二方面，提供了一种新型保温板的制备工艺，用于制备上述第一方面所述的新型保温板，该制备工艺包括上料、开包、开松、梳理、铺网、针刺、传送、喷淋、固化、后处理(如切割)工序，其中，喷淋采用管道式喷淋，固化采用微波固化方式。在本发明的喷淋工序中，水溶性酚醛树脂喷洒分布至玻璃纤维上。传统工艺方式为浸渍法或花洒式，但是浸渍法需要大量溶剂将溶质带入纤维，而这部分大量的溶剂需要大量的能量去除，极为耗能，而花洒式不适合流水线生产，不能将树脂均匀喷洒在纤维表面；因而，本发明人进行了大量研究，确定对生产线传送带上的玻璃纤维采用管道式喷淋，并提供了适用于生产线生产的管道式喷淋装置。本发明中，如图1所示，管道式喷淋装置包括储料罐、伺服管和喷淋管，储料罐中装有水溶性酚醛树脂，通过伺服管输送至喷淋管，其中，喷淋管为锥形管，优选锥角0.2～0.5度；喷淋管上每间隔2～4cm开设一个直径1～2mm的喷淋孔，优选喷淋孔位于同一直线上。喷淋管的形状、开孔间隙以及喷淋孔的设计与水溶性酚醛树脂的粘度相关，在锥形管中，上述孔径能够在降低水溶性酚醛树脂堵塞喷淋孔的前提下，提高树脂在玻璃纤维上的附着率，并提高树脂分布的均匀性；若喷淋孔的直径较小且低于上述范围的最小值，则本发明中粘度的水溶性酚醛树脂容易堵塞喷淋孔；若喷淋孔的直径较大且高于上述范围的最大值，则喷淋出的树脂滴较大，树脂难以在玻璃纤维上附着。开孔间隙若过小且低于上述范围的最小值，则显著提高了单位面积的树脂喷淋量，造成产品含胶量超标；开孔间隙若过大且高于上述范围的最大值，则喷淋均匀性不高。对于喷淋管的形状，采用锥形管特别是上述锥度的锥形管，喷淋管上喷淋孔可以设计为相同大小的通孔，若采用截面一致的圆管，则喷淋孔的大小在输送方向上需要逐段调整，喷淋管设计加工更为复杂。在本发明中，喷淋管采用聚氯乙烯(pvc)等聚合物材料制成，而不选用金属材料。聚合材料管机械打孔后不会在孔壁产生毛刺，金属管机械打孔后在孔壁会产生毛刺，进而挂胶堵塞喷淋孔。进一步地，喷淋管固定在刚性保持件上，物料传送带位于喷淋管下方，喷淋管的喷淋孔朝下，在物料传送过程中喷淋至物料上。刚性保持件与喷淋管捆绑以保持喷淋管道的形状，以此保证了喷淋的均匀性和流畅性，避免了管道喷淋口堵塞，喷淋流量不一致等导致产品质量问题的发生。在本发明中，储料罐内有加热装置，保持其中的水溶性酚醛树脂温度在其活性最高的温度范围内，如35～45℃。进一步地，储料罐中安装有搅拌装置，保持其中的水溶性酚醛树脂状态均匀、不产生沉淀。在本发明中，伺服管外包裹保温层，以利于其中物料的保温和流动。本发明人经过大量研究发现，目前的固化工艺通过常规加热炉或者烘房实施，然而上述方式不适用于本发明的低热导率保温板的固化，否则会出现以下问题：(i)物料的导热系数非常低，热量由外向内传递非常慢，固化周期非常长；(ii)由于热传递非常慢，因此物料内部出现温度梯度，造成固化不均匀且容易出现分层及性能不稳定；(iii)由内部温度梯度造成产品翘曲，平面度不合格；(iv)由(i)带来的，热量流失量大，造成能源损耗；(v)由(i)带来的，固化周期长则生产效率低，无法满足大规模大批量生产需求。因而，本发明人对固化工序进行了大量研究，通过改进固化装置为微波固化设备，实现了低热导率材料的快速固化，产品可以平稳的批产，且得到的产品保温性能和力学性能远高于国标。同时，微波固化设备采用微波激活水溶性酚醛树脂的极性分子，极性分子高速震荡，极大的激发了分子的活性，因而无需再加入其他用于提高成分间结合力的偶联剂或固化剂也可得到力学性能稳定的保温板。本发明中，微波固化设备包括微波单元、传送带单元和出风系统，微波单元具有腔体结构，传送带单元承载喷淋水溶性酚醛树脂后的物料进入微波单元腔体，微波单元采用微波对酚醛树脂实施加热固化。具体地，微波单元的加热元件为磁控管，磁控管安装在微波单元内腔顶部，对经过磁控管下方的物料微波加热。如图2所示，微波单元划分为预热区、固化区和后处理区，其中，预热区中磁控管功率占总功率的2/5～3/5(优选为1/2)，固化区中磁控管功率占总功率的3/10～1/2(优选为2/5)，后处理区中磁控管功率占总功率的1/10；其中，预热区起到烘干物料的作用，加热玻璃纤维和水溶性酚醛树脂，蒸发水汽；固化区中，包覆在玻璃纤维间的酚醛树脂实现粘连、固化，物料表面有粘度；后处理区进一步加热使树脂固化度达到98％以上，增强保温材料的稳定性。针对产品特点进行功率分区，避免了平均分配功率的前提下，预热区温度升高缓慢导致类似温水煮纤维的效果，物料不能及时干燥，最终未完成固化，产品性能差；针对产品特点进行功率分区，还避免了平均分配功率的前提下，后处理区温度太高，酚醛树脂氧化、起火的危险。微波单元中设置有多个出风口，各出风口连通出风系统的出风管道，用于排出微波加热产生的蒸汽。出风口的设置满足设备工作时预热区出风流量不低于总出风流量的3/5、固化区出风流量不低于总出风流量的3/20，后处理区无出风流量，但后处理区设置至少一个出风口，设备工作时后处理区出风口完全关闭，无出风流量，但为了保证生产安全性，如发生物料燃烧等情况时及时散热，后处理区预留有出风口。进一步地，各区中出风口大小相当，各区中出风口均匀分布。出风口/出风流量的上述分布，避免了平均分配出风口/出风流量带来的预热区蒸汽无法快速排除，凝聚在设备腔体顶棚，滴落到材料表面，造成表面“花斑”；避免了固化区热气的浪费，提高了能源利用率；避免了后处理区若增加热风系统时热风进气的浪费，提高了能源利用率。在一种优选的实施方式中，微波单元中装配有向传送带单元上承载的物料施加压力的压辊，通过压辊的压制可以保证最终产品的平整度，避免高温固化时物料变形导致最终成形的保温板表面凹凸不平。进一步地，压辊安装在预热区末段和/或固化区初始段。压辊的安装位置对产品材料的定形极为相关，接触式压力施加在预热区末段和/或固化区初始段。在本发明中，传送带单元包括传送带，传送带通过位于微波单元两端的齿轮带动，传送带底部带有与齿轮上的齿配合的凹槽。进一步地，齿轮通过伺服电机驱动，伺服电机通过监控来料速度驱动齿轮转动，使传送带速度与来料速度相同。进一步地，传送带下部间隔安装有支撑辊，支撑辊与传送带背面接触，使传送带整体位于要求的高度。该支撑辊为被动辊，在传送带的带动下被动转动，因而不会对传送带速度产生干扰。在本发明中，微波固化设备还包括热风系统，该热风系统包括焚烧炉(优选rto焚烧炉)和热风补偿管路，微波单元排出的蒸汽携带未反应的酚/醛等有机物进入焚烧炉燃烧，焚烧炉燃烧产生的热风经后处理区上的热风入口由后处理区进入微波单元，实现热补偿。在固化区，物料内酚醛树脂基本实现固化，为实现持续固化，后处理区需要的微波功率必须增大，但作用时间需要非常短，这就造成微波加热极难控制，温度瞬升几百度，易发生物料和设备烧毁，造成生产事故。因而，经过研究开发，确定在后处理区不再使用大功率微波，初始采用热风系统与微波结合的方式，温度稳定后仅采用热风系统实施酚醛树脂的进一步固化。热风系统/热补偿功能，在实现本发明微波固化设备零污染的同时，保证了工序精准控制和生产安全。热风系统的补偿流量与产能及总功率有关，不小于固化区出风流量。在本发明中，根据不同的产能需求、产品尺寸、场地空间，设备尺寸及总功率可以适应性调整。微波固化设备内腔宽度尺寸与产能关系为：产能＝微波固化设备传送带速度×微波固化设备许用有效宽度×时间×合格率(考虑单台设备处理能力时，可以暂时考虑合格率为100％)式1；各区微波功率×各区微波工作时间＝复合材料总水量重蒸发能-复合材料总树脂聚合能+出风口热量-热气补偿能+微波固化设备腔体热量损失式2。式2中，等式左右两边均为时间函数，除去微波设备腔体热量损失可近似为时间常量(平衡态下，内部恒定温度场与外部常温温度场的热交换为常量)，通过建模分析，可得到各区功率大小、出风口流量分布及设置、热能补偿量、和传送带速度。在采用上述微波固化设备实施固化工序时，包括以下步骤：步骤1，根据产能，确定微波固化设备各区功率大小、出风口流量分布及设置、热能补偿量、以及传送带速度；步骤2，在微波固化设备启用阶段，各区微波随物料进程开启；当物料走过预热区后，打开出风系统，当物料走过固化区后，打开热风系统；其中，预热区中磁控管功率占总功率的2/5～3/5(优选为1/2)，固化区中磁控管功率占总功率的3/10～1/2(优选为2/5)，后处理区中磁控管功率占总功率的1/10；预热区中出风流量不低于总出风流量的3/5，固化区中出风量不低于总出风流量的3/20，后处理区无出风流量；步骤3，物料出微波固化设备且微波固化设备建立热环境平衡后，依据功率分区进行磁控管关停调整。具体地，关闭预热区1/5～1/4功率，关闭后处理区全部功率。热环境平衡后，固化区温度控制在110℃±5℃正常持续运行，低于100℃或高于120℃报警。经验表明温度在110℃±5℃，保温板可得到最佳性能指标。实施例本发明中实施例和对比例原料来源为：无碱玻璃纤维购自泰山玻纤，型号短切电子砂；中碱玻璃纤维购自泰山玻纤，型号直接缠绕砂；水溶性酚醛树脂购自泰尔化工，型号p725271m。实施例1一种新型保温板及其制备工艺：玻璃纤维备料，无碱玻璃纤维3000kg，中碱玻璃纤维9000kg，丝径均为10μm，长度75mm。水溶性酚醛树脂备料2000kg，25℃的粘度为13cp，固含量为49wt％，ph10.0。玻璃纤维经过自动上料机(每小时上料75kg无碱玻璃纤维和225kg中碱玻璃纤维)、开包机、开松机、梳理机、铺网机、针刺机、传送机到达喷淋机(喷淋水溶性树脂量61kg/h)、微波固化设备，1小时候后制备得到宽度2m，长度30m的新型防火保温板，容重208kg/m3，面密度5.2kg/m2，厚度25mm，a1级不燃，aq2级无毒材料，导热系数为0.0314w/(m·k)，垂直板面抗拉强度356kpa。具体性能数据如下表1。表1性能数据其中，微波固化设备箱体40×2.4×1.6m，内腔许用有效宽度为2.1m；设备总功率440kw，预热区220kw，固化区176kw，后处理区44kw；在微波固化设备启用，各区微波随物料进程开启；传送带速度为0.5m/min，当物料走过预热区后，打开出风系统，出风流量总数为5000m3/h，预热区出风流量为3500m3/h，固化区出风流量为1500m3/h；当物料走过固化区后，打开热风系统，热气200～220℃，热气流量为1200m3/h；物料头料出设备后，关闭预热区1/4功率，关闭后处理区全部功率，炉内建立反应平衡的相对稳态；其中，喷淋管长2.5m，锥角0.5度的pvc管，进胶端(大口端)35mm内径，下边缘间隔2cm开设1mm喷淋孔。实施例2一种新型保温板及其制备工艺：玻璃纤维备料，无碱玻璃纤维3000kg，丝径均为6μm，长度70mm。水溶性酚醛树脂备料1000kg，25℃的粘度为13cp，固含量为49wt％，ph10。玻璃纤维经过自动上料机(每小时上料240kg)、开包机、开松机、梳理机、铺网机、针刺机、传送机到达喷淋机(喷淋水溶性树脂量36kg/h)、微波固化设备，1小时候后制备得到宽度2m，长度30m的新型防火保温板，容重150kg/m3，面密度4.2kg/m2，厚度28mm，a1级不燃，aq2级无毒材料，导热系数为0.028w/(m·k)，垂直板面抗拉强度426kpa。具体性能数据如下表2。表2性能数据其中，微波固化设备箱体40×2.4×1.6m，内腔许用有效宽度为2.1m；设备总功率440kw，预热区220kw，固化区176kw，后处理区44kw；在微波固化设备启用，各区微波随物料进程开启；传送带速度为0.5m/min，当物料走过预热区后，打开出风系统，出风流量总数为5000m3/h，预热区出风流量3500m3/h，固化区出风流量为1500m3/h；当物料走过固化区后，打开热风系统，热气200～220℃，热气流量为1200m3/h；物料头料出设备后，关闭预热区1/4功率，关闭后处理区全部功率，炉内建立反应平衡的相对稳态。对比例1与实施例1相同，区别仅在于：水溶性酚醛树脂的固含量为20wt％，传送带速度等参数不变，则得到的保温板性能数据如下表3：表3性能数据参数指标实际测定值酚醛树脂量100g玻璃纤维对应2.7g酚醛树脂导热系数0.038w/(m·k)防火性能a1级防火安全性aqz2级无毒垂直板面抗拉强度127kpa容重145kg/m3平整度2m范围内平面度误差8mm以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。当前第1页1 2 3 

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