生物可溶性耐火纤维

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科学研究训练 课程论文

题 目 班 级 学 号 姓 名 指导教师

SiO2-CaO系生物可溶性耐火纤维研究

无机非金属材料工程0803班

200802128083

刘禄健 马妍

二O一一年制

摘要

硅铝系陶瓷纤维具有优良的性能，在冶金、石油化工等领域得到了广泛应用。但是传统的硅铝系陶瓷纤维矿物粉尘能与生物细胞产生较强的生物化学作用，这不但危害了人体健康，而且对环境也造成一定的污染。研究表明：传统纤维(持久性矿物纤维)对人体存在潜在的致癌危险，可溶性陶瓷纤维(非持久性纤维)则没有致癌性。

本文通过采用CaO-SiO2系统中添加P2O5来调节纤维的性能，使用感应炉对原料的熔融获得初步的样品。通过对样品的研究了解了热处理对纤维的析晶性能的影响等。还进一步研究了玻璃态纤维中存在晶相物质。

关键词：耐火纤维 生物可溶 析晶性能 应用前景 制备

ABSTRACT

The use of fiber materials can largely economize energy sources, because silicon-aluminium system fiber materials possess many good peorfmrnaces . It has extensive appliance in metallugry , atomic energy industry . But many traditional silicon-aluminium system ceramic fiber`s mineral power can produce bio-chemical actions with the cells in biological body , which not only can do harm to people`s

health , but also can do certain harm to natural environment . Studies show that durable mineral fiber has a potential danger to cause cancer to people , but not nondurable mineral fiber.

In this paper , the bio-soluble fibers were studied by adding P2O5 to the CaO-SiO2 system to adjust the performance of the fiber . And using the induction furnace melting of raw materials to obtain a preliminary sample . By studying the affect of heat treatment to the crystallization performance of the fiber . The crystalline phases present in the fiber were also been studied.

Key Words: Refractory fiber . Bio-soluble . Crystallization . Application prospects . Manufacture

I

目录

摘要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................. I 目录 ..........................................................................................................................II 1. 文献综述 ........................................................................................................... 1

1.1 研究背景 ................................................................................................. 1 1.2 研究的意义 ............................................................................................. 1 1.3 生物可溶性纤维的发展 ........................................................................... 1 1.4 人造矿物陶瓷纤维的致病因素 ............................................................... 3

1.4.1 不同生物对人造矿物纤维的相互作用 ...................................... 3 1.4.2 人造矿物纤维对生物体致病因素 .............................................. 3 1.5 纤维的制造 ............................................................................................. 5 1.6 生物可溶性耐火纤维的分类 ................................................................. 6

1.6.1 生物可溶性耐火纤维的种类 ...................................................... 6 1.6.2 生物可溶性耐火纤维的安全性分类 .......................................... 6 1.7 生物可溶性耐火纤维的组成和性能 ..................................................... 7 1.8 生物可溶性耐火纤维的可溶性研究方法 ............................................. 8

1.8.1 生物学性能实验 ............................................................................ 8 1.8.2 体外试验 ........................................................................................ 8 1.9 生物可溶性耐火纤维的成分设计原则 ................................................. 8 1.10 生物可溶性耐火纤维的应用 ............................................................... 9 2. 实验方案设计 ................................................................................................. 10

2.1 纤维析晶能力的研究 ........................................................................... 10

2.1.1 析晶的测量 ................................................................................ 10 2.1.2 析晶理论 .................................................................................... 10 2.2 生物降解性能的研究 ............................................................................11

2.2.1 影响生物可溶性陶瓷纤维可溶性的因素 .................................11 2.2.2 可溶性耐火纤维的溶解机理 .................................................... 12 2.3 实验流程 ............................................................................................... 14 2.4 实验原料及其设备 ............................................................................... 14 2.5 试验过程 ............................................................................................... 15

2.5.1 实验配比的选择 ........................................................................ 15 2.5.2 原料的熔融 ................................................................................ 15 2.6 样品的性能检测 ................................................................................... 15

2.6.1 样品的DSC-TG测试 ................................................................ 15 2.6.2 样品的XRD测试 ...................................................................... 15

II

3. 结果与讨论 ..................................................................................................... 16

3.1 样品的析晶性能的探究 ....................................................................... 16

3.1.1 热处理前样品的析晶性能的研究 ............................................ 16 3.1.2 热处理前后纤维的析晶性能的对比 ........................................ 18 3.2 样品的晶相的探究 ............................................................................... 20 4. 结论 ................................................................................................................. 22 参考文献 ................................................................................................................ 23

III

1. 文献综述

1.1 研究背景

耐火纤维与其它耐火材料相比耐火纤维的密度小(只有耐火砖的1/5-1/10)，导热系数小(为轻质砖的1/3)，热容小，升温速度快等特点。在冶金、机械、石油、化工、电子及轻工业等各种工业领域中得到了广泛的应用。此外，在宇航和原子能等尖端科学技术中，也得到了应用。世界主要发达国家都竞相发展陶瓷纤维工业，目前世界陶瓷纤维年总产量己突破30万吨。硅酸铝系列耐火纤维的优点是使用温度高，高温使用性能好，但其最大的缺陷是不可降解，对人体有害，而且对环境造成一定的危害，目前在一些发达国家已受到越来越大的使用限制。

近几年欧美发达国家在生物可降解耐火纤维开发方面取得了显著的成绩，但其高温使用性能仍低于硅酸铝系列耐火纤维，因此在对硅酸铝纤维替代使用方面一直进展缓慢。然而我国在非持久性(生物可溶性)矿物纤维方面的研究才刚刚开始。对我国而言研制生产一种既具有硅酸铝系列耐火纤维优良的高温使用性能又具有独特的环保可降解性能的耐火纤维产品作为硅酸铝系列耐火纤维的替代产品，具有广阔的发展前景。 1.2 研究的意义

目前使用的重要保温隔热材料是陶瓷纤维以及纤维棉，其在生产过程中以及使用中产生大量的粉尘，易于吸入人的肺部而造成对健康的影响。随着人们对健康和环保意识的加强和日益重视，材料与环境的关系越来越受到普遍关注，可降解耐火纤维在市场上对传统耐火纤维市场造成很大的影响和冲击。在国外，特别是在欧洲等发达国家本着以人为本的产品设计理念，并通过一些高标准的政策法规的导向作用，在环保型可降解耐火纤维开发方面取得了长足的进步。在高温隔热领域，投入大量人力物力不断开发研究一些新型的适应不同温度要求的生物可溶降解的陶瓷纤维，使得越来越多的生物可降解隔热陶瓷纤维开始进入市场，以其引人注目的环保概念对传统耐火纤维形成了相当大的冲击。

随着我国环保执法力度的加强以及加入WTO的需要，1998年由国家科技部863高技术新材料领域专家委员会、国家自然科学基金委员会等单位联合组织在北京召开了一次中国生态环境材料研究战略研讨会。结果认为为了使我国经济实现可持续发展，要求满足材料的使用性能的同时又要兼顾对生态环境的协调性方面坚持开发研究新型材料。为此开发与推广具有自主知识产权的生物可溶性隔热陶瓷纤维，对实现我国耐火陶瓷材料工业可持续发展具有重要的现实意义。 1.3 生物可溶性纤维的发展

1941年美国巴布科克与威尔科克斯公司（Babcock&Wilcox Co.）的中央研究所，发现用压缩空气喷吹高岭土熔体的流股，得到一种形状和石棉相似的纤维。后于1954年公布了这种纤维的生产设备和工艺专利，并正式投入生产。20世纪

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