CN100424027C - 磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料及其复合材料的方法 - Google Patents

磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料及其复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本方法涉及一种在较低温度下采用磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料及其复合材料的方法。包括在较低温度下，具有反应活性的铝硅质材料可与磷酸发生键合反应，通过活性硅铝质界面与低聚磷氧四面体之间的键合反应，得到一种具有非晶态的固态铝硅磷质矿物键合材料。以得到的铝硅磷质矿物键合材料为基材，加入铝矾土、硅粉(硅灰)、粉煤灰、矿渣、纤维等中的一种或一种以上可制备性能各异的复合材料。本发明根据需要可采取浇注或压制方法成型，不需要引入碱或碱土金属(K、Na、Ca和Mg等)离子，所制备的新材料具有好的耐久性、高的力学强度和好的高温性能。

Description

磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料及其复合材料的方法
技术领域
本发明涉及高温材料、耐侵蚀材料和结构材料等功能无机非金属材料的制备技术，具体是磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料及其复合材料的方法。
背景技术
众所周知，固态材料的合成与制备常常涉及固态反应。传统的固态反应需要在高温、高压条件下进行，而高温等条件下存在对材料的宏观和微观结构特征的控制困难、反应速度较低、材料性质不稳定等缺陷。低温固态反应制备固体材料的技术成为人们追求的方向。
现有的制备所述功能复合材料的方法主要有以下几种：
1.采用偏高岭土与硅酸钠溶液制备不定形硅酸铝钠键合材料的技术，该制备技术属于低温固态反应技术，但反应过程需要引入较多的碱金属离子，一般要求Na2O/Al2O3的摩尔比在1左右。(Davidovits，J.Geopolymers and Geopolymeric Materials.J.Therm.Anal.Vol.35，No.2，pp.429-441，Mar.-Apr.1989)；由于引入碱金属，造成体系某些特性变差，如高温耐火性差。
2.以电熔白刚玉作骨料，煅烧氧化铝和含SiO2的材料(高岭土、偏高岭土或硅微粉)共同作基质制备了浇注料。每种配方的浇注料中均加入0.25％的铝酸钙水泥。其缺点是该浇注料要在高温条件下才能获得较高的强度(约20MPa)(关世文编译.高铝耐火浇注料用高岭土、偏高岭土及硅微粉填料，国外耐火材料.2003.28(2)：12～17)
3.以磷酸盐作为化学结合的耐火浇注料，其缺点是与一般铝硅质材料在常温下难以反应，为此加入了MgO细粉或铝酸盐水泥，而使耐火浇注料凝结硬化(韩行禄编著.不定形耐火材料(第2版)，北京：冶金工业出版社，2003)。
可见，上述方法中，体系要么引入碱金属(K或Na)离子，要么引入碱土金属(Ca或Mg)离子。这些金属离子的引入往往会引起体系的高温特性降低的问题。后两者的自养强度较低，固相的主要反应过程需要在高温条件下进行。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料的方法，实现固相的主要反应过程在低温下进行，因而具有便于操作和控制的优点。此外还具有降低能耗、合成工艺简单等特点。
本发明的目的还在于提供一种将所述键合材料用于制备复合材料的方法，以满足不同功能材料要求。
实现低温固态反应的关键是如何取得适合低温固态反应要求的反应物。
本发明的磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料的制备方法包括步骤：
(1)高岭土在450℃-940℃内煅烧1-48小时获得偏高岭土；
(2)步骤(1)获得的偏高岭土与浓度为20-85重量％的磷酸溶液按40-90∶60-10重量比混合，混合物注入模内浇注或压制成型，于5℃-100℃内硬化后得到矿物键合材料。
所述的矿物键合材料用于制备复合材料的方法，是将所述矿物键合材料与刚玉、石英、莫来石、铝矾土、铝矾土熟料、烧粘土、粉煤灰、火山灰、矿渣、氧化锆、碳化硅、氮化硅、石墨、硅酸盐纤维、氧化铝纤维、氧化铝微粉、硅粉、红柱石、蓝晶石、碳纤维、钢纤维、硝酸银、硝酸铜中的一种或一种以上混合物按99.9-10∶0.1-90重量比混合，混合物注入模内浇注或压制成型，于5℃-100℃内硬化后得到复合材料。
本发明方法中，经低温固态反应可以制备出具有较好的高温特性和耐酸碱侵蚀特性，同时具有较高的低温强度的不定形铝硅磷质矿物键合材料和复合材料。经发明人查阅相关文献，未见有采用偏高岭土与磷酸为反应物，低温下制备不定形铝硅磷质矿物键合材料的技术方法。
本方法与现有方法的比较，具有如下优点：
1、材料混合搅拌后，可以在低温下浇注或压制成型并且自行硬化，而且不需要引入碱金属(K和Na)离子的问题，使得该材料具有更好的耐高温和耐久性，更高的力学强度或具有抗菌等功能；
2、本发明方法的反应也无须引入碱金属或碱土金属离子促凝促硬。
具体实施方式
实施例1制备矿物键合材料
(1)高岭土在940℃内煅烧1小时获得偏高岭土；
(2)步骤(1)获得的偏高岭土与浓度85％的磷酸按90∶10重量比混合，混合物注入模内压制成型，于5℃硬化后得到耐久性良好矿物键合材料，其常温抗压强度为95MPa、耐火度高于1750℃。
实施例2制备矿物键合材料
(1)高岭土在450℃内煅烧48小时获得偏高岭土；
(2)步骤(1)获得的偏高岭土与浓度为20％的磷酸按40∶60重量比混合，混合物注入模内浇注成型，于100℃硬化后得到矿物键合材料，其常温抗压强度为32MPa、耐火度高于1600℃。
实施例3制备矿物键合材料
(1)高岭土在800℃内煅烧6小时获得偏高岭土；
(2)步骤(1)获得的偏高岭土与浓度为40％重量的磷酸按60∶50重量比混合，混合物注入模内浇注成型，于30℃硬化后得到矿物键合材料，其常温抗压强度为40MPa、耐火度高于1600℃。
实施例4实施例1得到的矿物键合材料用于制备复合材料
实施例1得到的矿物键合材料与铝矾土熟料按10∶10重量比例混合，浇注成型，于100℃硬化后得到复合材料，其常温抗压强度为65MPa、耐火度高于1600℃。
实施例5实施例2得到的矿物键合材料用于制备复合材料
实施例2得到的矿物键合材料与石英、莫来石、烧粘土、火山灰、硅粉、红柱石、蓝晶石按10∶10∶20∶20∶10∶10∶10∶10重量比混合，注入模内压制成型，于20℃硬化后得到复合材料，其常温抗压强度为68MPa、耐火度高于1700℃。
实施例6实施例3得到的矿物键合材料用于制备复合材料
实施例3得到的矿物键合材料与硝酸银按99.9∶0.1重量比混合，注入模内浇注成型，硬化后得到复合材料，其常温抗压强度为42MPa、具有耐水性，杀灭能力的无机抗菌材料。

Claims (2)

1. 一种磷酸与铝硅质材料制备矿物键合材料的方法，其特征在于包括步骤：
(1)高岭土在450℃-940℃内煅烧1-48小时获得偏高岭土；
(2)步骤(1)获得的偏高岭土与浓度为20-85重量％的磷酸溶液按40-90∶60-10重量比混合，混合物注入模内浇注或压制成型，于5℃-100℃内硬化后得到矿物键合材料。
2. 权利要求1所述的矿物键合材料用于制备复合材料的方法，其特征在于所述矿物键合材料与刚玉、石英、莫来石、铝矾土、铝矾土熟料、烧粘土、粉煤灰、火山灰、矿渣、氧化锆、碳化硅、氮化硅、石墨、硅酸盐纤维、氧化铝纤维、氧化铝微粉、硅粉、红柱石、蓝晶石、碳纤维、钢纤维、硝酸银、硝酸铜中的一种或一种以上混合物按99.9-10∶0.1-90重量比混合，混合物注入模内浇注或压制成型，于5℃-100℃内硬化后得到复合材料。
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