CN101786815A - 一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。其技术方案是：先将蛭石原矿在500～650℃温度条件下煅烧活化2～8小时，再置于0.1～1.0mol/L的酸溶液进行改性2～10小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成2～5wt％的悬浮液，在80～100℃的温度条件下搅拌4～8小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；再将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在500～650℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石；最后将40～80wt％的无机插层蛭石和20～60wt％的镁橄榄石混合，外加10～20wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在500～650℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。本发明具有高温条件下导热系数较低、强度较高和应用范围较广的特点。
Description
技术领域
本发明属于隔热耐火材料技术领域，具体涉及一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。
背景技术
研制与开发优质的隔热耐火材料，并在工业窑炉中合理配套使用，是行之有效的节能途径。既可提高窑炉的寿命，又可提高产品的质量、减少热损失、提高热能利用效率和减少能源浪费，从而达到节约能源、降低产品成本的目的。因此，对有效的高温隔热材料的需求就愈显迫切。
蛭石是结构单元层为2∶1型、层间具有可交换性阳离子及水分子的二八面体或三八面体铝硅酸盐矿物，层间电荷在0.6～0.9之间；具有可膨胀的层间域，层间域内吸附有水分子和可交换性阳离子。蛭石煅烧到200℃以上时会急剧膨胀，可制成膨胀蛭石，有低密度(80～120kg/m3)、低导热率[0.04～0.12W/(M·K)]和相对高的熔点(1240℃～1430℃)，膨胀后的蛭石具有松散密度低、化学性质稳定、隔热、隔音、抗菌、耐火、耐冷等优良性能，在建筑、电力、石油、化工、冶金、纺织等行业具有广泛的用途。
作为制造高温隔热材料填料的膨胀蛭石充填应用时其制品虽然导热系数较低，但强度也较低，应用受到很大限制。当使用高强胶结材料将膨胀蛭石粘结成成品时，虽具有比膨胀蛭石强度更大的强度，同时也降低了蛭石的隔热效果。为了改进蛭石的物化性能和获取性能良好的制品，国内外对蛭石的改性研究也已开展，目前主要有以下几种改性方法：一是酸改性，通过酸改性焙烧的蛭石，具有良好的活性和热稳定性，比表面积提高，吸附性增强，可用于制取催化剂；二是水热改性，这种蛭石可作为一些放射性物质的吸附剂；三是有机改性，利用蛭石层间域内水分子和阳离子具有可交换的特性，有机阳离子通过离子交换进入蛭石层间域内，并形成有机插层蛭石。由于有机物的热不稳定性，其产品主要应用于废水处理及纳米复合材料的制备等方面；四是热改性，蛭石经过700～900℃焙烧制取膨胀蛭石，是最早也是至今还广泛应用的一种改性方法，其产品主要用于保温材料。
但通过热改性得到的膨胀蛭石由于较大的高温膨胀率，致使层间间距增大，层间的贯通气孔导致隔热材料耐压强度降低，强度随着容重的减小而减小，且随着温度的升高其导热系数迅速升高，从而使隔热材料的使用温度很难提高，特别是导热率仍然较高或蛭石产品占有体积较大，使应用范围受到限制。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种高温条件下导热系数较低、强度较高、应用范围较广的无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先将蛭石原矿在500～650℃温度条件下煅烧活化2～8小时，再置于0.1～1.0mol/L的酸溶液进行改性2～10小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成2～5wt％的悬浮液，在80～100℃温度条件下搅拌4～8小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；再将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在500～650℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石。
将40～80wt％无机插层蛭石和20～60wt％镁橄榄石混合，外加10～20wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在500～650℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。
在上述技术方案中：蛭石原矿的颗粒级为0.05～1mm；酸溶液为草酸、盐酸、硝酸及柠檬酸中的一种；聚羟基铝前驱体溶液的制备方法是：将0.1～0.5mol/L的NaOH溶液滴状加入0.1～0.5mol/L的AlCl3溶液中，使OH∶Al物质的量比为(2.2～2.5)∶1，在80～100℃温度条件下搅拌4～6小时后陈化24～48小时；压制是在压力为4～20MPa条件下的压制。
由于采用上述技术方案，本发明利用插层后的蛭石层间间距增大，在蛭石的片层间镶嵌有大量铝的纳米颗粒，能降低蛭石的导热系数。蛭石特有的片层结构具有热流反射能力，而且插层后的蛭石层间孔隙孔容变小，对流传热途径受阻，使蛭石材料的隔热性能进一步增强；同时插层后的蛭石层间形成的大量均匀的纳米微孔以及特有的无机柱撑能增大耐压强度。所制备的轻质高强隔热耐火材料的工作温度可从800℃提高到1200℃，经硬化处理后的主要物理性能为：体积密度1.15～1.27g/cm3；抗压强度17.1～21.8MPa；600℃导热系数为0.153～0.190W/(M·K)。故这种插层后的蛭石是一种理想的轻质高强隔热耐火材料。
所以，本发明具有高温条件下导热系数较低、强度较高和应用范围较广的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，对具体实施方式中所要涉及到的参数先统一描述如下，实施例中将不赘述：
蛭石原矿的颗粒级为0.05～1mm；聚羟基铝前驱体溶液的制备方法是：将0.1～0.5mol/L的NaOH溶液滴状加入0.1～0.5mol/L的AlCl3溶液中，使OH∶Al物质的量比为(2.2～2.5)∶1，80～100℃温度条件下搅拌4～6小时后陈化24～48小时；压制是在压力为4～20MPa条件下的压制。
实施例1
一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。先将蛭石原矿在500～550℃温度条件下煅烧活化2～4小时，再置于0.1～0.5mol/L的盐酸溶液进行改性2～8小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成2～4wt％的悬浮液，在80～90℃温度条件下搅拌4～6小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；再将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在500～550℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石。
将40～60wt％无机插层蛭石和40～60wt％镁橄榄石混合，外加10～15wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在500～600℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。
本实施例1所制备的无机插层蛭石隔热耐火材料硬化处理后主要物理性能是：体积密度为1.19～1.27g/cm3；抗压强度为17.1～19.9MPa；600℃导热系数为0.166～0.190W/(M·K)。
实施例2
一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。先将蛭石原矿在550～600℃温度条件下煅烧活化4～8小时，再置于0.1～0.6mol/L的草酸溶液进行改性4～10小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成2～4wt％的悬浮液，在85～95℃温度条件下搅拌5～8小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；再将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在550～650℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石。
将60～70wt％无机插层蛭石和30～40wt％镁橄榄石混合，外加12～18wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在580～650℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。
本实施例2所制备的无机插层蛭石隔热耐火材料硬化处理后主要物理性能是：体积密度为1.16～1.25g/cm3；抗压强度为18.7～20.3MPa；600℃导热系数为0.153～0.182W/(M·K)。实施例3
一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。先将蛭石原矿在520～650℃温度条件下煅烧活化3～6小时，再置于0.5～1.0mol/L的硝酸溶液进行改性5～10小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成3～5wt％的悬浮液，在85～100℃温度条件下搅拌4～8小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在600～650℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石。
将65～75wt％无机插层蛭石和25～35wt％镁橄榄石混合，外加14～18wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在500～650℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。
本实施例3所制备的无机插层蛭石隔热耐火材料硬化处理后主要物理性能是：体积密度为1.15～1.26g/cm3；抗压强度为18.5～21.8MPa；600℃导热系数为0.168～0.190W/(M·K)。
实施例4
一种无机插层蛭石隔热耐火材料及其制备方法。先将蛭石原矿在500～600℃温度条件下煅烧活化2～5小时，再置于0.1～0.6mol/L的柠檬酸溶液进行改性4～9小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成3～5wt％的悬浮液，在85～90℃温度条件下搅拌4～8小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在600～650℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石。
将70～80wt％无机插层蛭石和20～30wt％镁橄榄石混合，外加15～20wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在600～650℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。
本实施例4所制备的无机插层蛭石隔热耐火材料硬化处理后主要物理性能是：体积密度为1.16～1.27g/cm3；抗压强度为18.1～21.5MPa；600℃导热系数为0.160～0.188W/(M·K)。
本具体实施方式利用插层后的蛭石层间间距增大，在蛭石的片层间镶嵌有大量铝的纳米颗粒，能降低蛭石的导热系数。蛭石特有的片层结构具有热流反射能力，而且插层后的蛭石层间孔隙孔容变小，对流传热途径受阻，使蛭石材料的隔热性能进一步增强；同时插层后的蛭石层间形成的大量均匀的纳米微孔以及特有的无机柱撑能增大耐压强度。所制备的轻质高强隔热耐火材料的工作温度可从800℃提高到1200℃，经硬化处理后的主要物理性能为：体积密度1.15～1.27g/cm3；抗压强度17.1～21.8MPa；600℃导热系数为0.153～0.190W/(M·K)。故这种插层后的蛭石与比较例相比，是一种理想的轻质高强隔热耐火材料。
比较例：将80wt％膨胀蛭石与20wt％镁橄榄石混合，外加20wt％结合剂磷酸二氢铝，压制成型后在500℃热处理。所制备的砖硬化处理后主要物理性能是：体积密度为1.23g/cm3，抗压强度为10MPa，600℃导热系数为0.267W/(M·K)。
所以，本具体实施方式具有高温条件下导热系数较低、强度较高和应用范围较广的特点。
Claims (6)
1.一种无机插层蛭石隔热耐火材料的制备方法，其特征在于先将蛭石原矿在500～650℃温度条件下煅烧活化2～8小时，再置于0.1～1.0mol/L的酸溶液进行改性2～10小时，洗脱干燥；然后将洗脱干燥后的蛭石与聚羟基铝阳离子前驱体溶液制成2～5wt％的悬浮液，在80～100℃的温度条件下搅拌4～8小时，洗脱干燥，得到聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石；再将聚羟基铝阳离子前驱体插层的蛭石在500～650℃温度条件下煅烧4～6小时，得到无机插层蛭石；
将40～80wt％的无机插层蛭石和20～60wt％的镁橄榄石混合，外加10～20wt％的磷酸二氢铝，经搅拌和压制成型，在500～650℃温度条件下进行热处理，即得无机插层蛭石隔热耐火材料。
2.根据权利要求1所述的无机插层蛭石隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述的蛭石原矿的颗粒级为0.05～1mm。
3.根据权利要求1所述的无机插层蛭石隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述的酸溶液为草酸、盐酸、硝酸及柠檬酸中的一种。
4.根据权利要求1所述的无机插层蛭石隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述的聚羟基铝前驱体溶液的制备方法是：将0.1～0.5mol/L的NaOH溶液滴状加入0.1～0.5mol/L的AlCl3溶液中，使OH∶Al的物质的量比为(2.2～2.5)∶1，在80～100℃温度条件下搅拌4～6小时后陈化24～48小时。
5.根据权利要求1所述的无机插层蛭石隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述的压制是在压力为4～20MPa条件下的压制。
6.根据权利要求1～5所述的无机插层蛭石隔热耐火材料的制备方法所制备的无机插层蛭石隔热耐火材料。
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