CN101974259B - Al掺杂SiC粉体的红外辐射涂料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体用于高温红外辐射节能涂料的制备方法。本发明采用粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体，实现了定量的Al掺杂效应。该粉体在全波段(1～25μm)范围内的法向全发射率能够达到0.97～0.99，优于未掺杂纯SiC粉体0.90～0.95的数值。本发明就是利用这种粒径为纳米级的Al掺杂的SiC粉体，应用其高红外发射率的性质，制成高温红外辐射涂料，经测试该涂料的法向全发射率ε在常温至1400℃范围内始终大于0.90，且高温下衰减缓慢。本发明得到的高温红外辐射节能涂料可应用于冶金、陶瓷、石化领域的高温炉体，或应用于医疗保健领域中起治疗和保健功效的高效远红外理疗辐射板。

Description

Al掺杂SiC粉体的红外辐射涂料的制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体的高温红外辐射节能涂料的制备方法。
背景技术
随着红外加热技术广泛而深入的研究，在工业炉内壁上涂刷高温红外辐射涂料，这种实现节能降耗的一种行之有效的手段越来越受到人们的重视。
红外辐射涂料的节能机理在于：(1)增加窑炉内壁黑度(即热发射率)，增强窑炉内壁对热源传来热量吸收后的辐射传热。(2)改变了炉内辐射的波谱分布，将热源发出的间断式波谱，利用炉内壁的吸收和辐射作用转变成连续波普，从而利于工件吸收。基于以上节能机理，高温红外辐射涂料被公认为是21世纪的一种重要节能产品和技术，因此也激励着人们开发和应用新的、优异的红外材料。
SiC材料是在远红外实效区2.5～25μm全波段内红外发射率较高的材料，已被作为制备高温红外涂料的主要原料之一。研究材料的辐射机理发现，除了化学成分、化学键特性对红外辐射产生影响外，物体的红外辐射特性还与晶体结构类型以及晶格中存在的缺陷、杂质的状况紧密相关。通过化学掺杂、材料晶格畸变的途径可以改善材料的红外发射率。
就SiC材料而言，在材料中进行适量的Al掺杂可改变自由载流子与杂质辐射带的波长位置，可提高材料在短波区的红外发射率，也能使材料在宽波段范围内表现出优良的红外辐射性能。在SiC材料中掺入与Si离子半径相近的Al离子，一方面使Al离子与Si离子间形成有效的掺杂效应，导致物体晶格周期性的破坏，晶体点阵发生畸变，使晶体结构的对称性降低，从而引起极化，促进红外辐射的发射或吸收；另一方面，由于离子半径相近，Al掺杂离子很容易以某种配位形式占据Si离子的结构位置，导致材料内部失去电价平衡，在有些地方富集正电荷，而有些地方则富集空穴，称之为缺陷，这些缺陷的形成可有效改善SiC材料在一定波长范围内的红外发射率。
发明内容
本发明的目的在于将用燃烧合成方法制备出的粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体，用于制备高温红外辐射节能涂料，使其应用于冶金、陶瓷、石化等行业领域的高温炉体，起到显著的节能效果；或在医疗保健领域，应用于高效远红外理疗辐射板，起到治疗和保健的功效。
本发明采用的燃烧合成方法制备出的粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体，实现了定量的Al掺杂效应。该粉体在全波段(1～25μm)范围内的法向全发射率能够达到0.97～0.99，优于未掺杂纯SiC粉体0.90～0.95的数值。本发明就是利用这种粒径为纳米级的Al掺杂的SiC粉体，应用其高红外发射率的性质，制成高温红外辐射涂料，经测试该涂料的法向全发射率ε在常温至1400℃范围内始终大于0.90，且高温下衰减缓慢。
本发明的Al掺杂SiC粉体的红外辐射涂料的制备方法包括以下步骤：
(1)将原料粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体与金属氧化物粉末按重量比为2～1∶1的比例混合，制成固相混合物；
(2)配制含有水、粘结剂和浆料助剂的液相混合物，其中水∶粘结剂∶浆料助剂的重量比为100∶5～30∶0.2～2；
(3)将步骤(1)得到的固相混合物与步骤(2)得到的液相混合物按重量比为1∶1～2的比例充分混合，制成固液混合浆料；均质化处理固液混合浆料，得高温红外辐射节能涂料。
本发明中所述的粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体，可参照《稀有金属材料与工程》2009年第38卷第A02期“低氮气压下燃烧合成Al掺杂β-SiC粉体的微波介电性能”进行制备。
本发明中所述的金属氧化物粉末的粒径D50为1～2μm。金属氧化物选自氧化铝、氧化铁、氧化锆、氧化铬和氧化镍等所组成的组中的至少一种。根据红外辐射涂料所使用的温度的不同，选取不同的材料。
本发明中所述的粘结剂根据红外辐射涂料所使用的温度、使用气氛的不同，选自硅溶胶、水玻璃、磷酸二氢铝和铝溶胶中的一种或两种的混合物。
本发明中所述的浆料助剂根据原料粒径、粘结剂的类型等进行选取。所述的浆料助剂是分散剂和/或消泡剂。
所述的分散剂选自六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠和聚羧酸钠中的一种。
所述的消泡剂选自矿物油、有机硅和改性石蜡消泡剂中的一种或两种。
本发明中所述的均质化处理固液混合浆料，是采用砂磨机械进行砂磨处理，所述的砂磨机械包括高速分散机、卧式砂磨机、立式砂磨机或棒销式砂磨机。
本发明得到的高温红外辐射节能涂料可应用于冶金、陶瓷、石化领域的高温炉体，或应用于医疗保健领域中起治疗和保健功效的高效远红外理疗辐射板。
本发明采用高红外发射率的粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体制成高温红外辐射节能涂料，实现了本发明的应用，与其它辐射料制备的红外辐射涂料相比，本发明得到的高温红外辐射节能涂料具有以下明确的优点：本发明红外辐射涂料的法向全波段辐射率ε明显提高，在常温至1400℃范围内ε始终大于0.90；应用于高温工业炉，节能效果显著，可达20％以上。
附图说明
图1.本发明红外辐射涂料所用粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉末的SEM照片。
图2.本发明红外辐射涂料所用粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉末的EDS能谱分析。
具体实施方式
实施例1
称取质量百分含量为30％的磷酸二氢铝1.2Kg，倒入搅拌容器内，加入10Kg水，再加入20g的聚羧酸钠与10g的改性石蜡，搅拌均匀，配置成液相混合物；称取粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体5.5Kg、D50为1μm的超细氧化铝粉末3.1Kg和D50为1μm的氧化铁粉末2Kg进行混合，制成固相混合物；将上述液相混合物与固相混合物充分混合并一起放入卧式砂磨机中，球料比为1∶1，用卧式砂磨机进行砂磨均质化处理2小时，即得到高温红外辐射涂料。
按GBT 7286.2-1987的测试方法进行法向全发射率的测定，上述涂料在200℃的法向全发射率ε为0.93，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。
实施例2
称取质量百分含量为30％的硅溶胶3.2Kg，倒入搅拌容器内，加入11Kg水，再加入140g的十二烷基苯磺酸钠与40g有机硅，搅拌均匀，配置成液相混合物；称取粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉末4.5Kg、D50为2μm的氧化锆粉末1.5Kg和D50为1μm的氧化镍粉末1.2Kg进行混合，制成固相混合物；将上述液相混合物与固相混合物充分混合，并一起放入棒销式砂磨机中，球料比为1∶1，用棒销式砂磨机进行砂磨均质化处理2小时，即得到高温红外辐射涂料。
按GBT 7286.2-1987的测试方法进行法向全发射率的测定，上述涂料在高温600℃时的法向全发射率ε为0.91，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。
实施例3
称取质量百分含量为30％的水玻璃0.3Kg和质量百分含量为30％的硅溶胶1Kg，倒入搅拌容器内，加入15Kg水，再加入60g的六偏磷酸钠和30g的矿物油，搅拌均匀，配置成液相混合物；称取粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉末7.2Kg、D50为1μm的氧化铬2.3Kg和D50为2μm的氧化铁1.5Kg进行混合，制成固相混合物；将上述液相混合物与固相混合物充分混合，并一起放入高速分散机中，球料比为1∶2，用高速分散机进行砂磨均质化处理3小时，即得到高温红外辐射涂料。
按GBT 7286.2-1987的测试方法进行法向全发射率的测定，上述涂料在高温600℃时的法向全发射率ε为0.90，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。
实施例4
称取质量百分含量为30％的铝溶胶2Kg，倒入搅拌容器内，加入8Kg水，再加入80g的十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀，配置成液相混合物；称取粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉末3Kg、D50为2μm的氧化锆粉末1.5Kg和D50为1μm的氧化铁粉末1.2Kg进行混合，制成固相混合物；将上述液相混合物与固相混合物充分混合，并一起放入卧式砂磨机中，球料比为1∶1，用卧式砂磨机进行砂磨均质化处理2小时，即得到高温红外辐射涂料。
按GBT 7286.2-1987的测试方法进行法向全发射率的测定，上述涂料在高温200℃时的法向全发射率ε为0.92，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。

Claims (6)

1.一种Al掺杂SiC粉体的红外辐射涂料的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
(1)将原料粒径为纳米级的Al掺杂SiC粉体与金属氧化物粉末按重量比为2～1∶1的比例混合，制成固相混合物；
(2)配制含有水、粘结剂和浆料助剂的液相混合物，其中水∶粘结剂∶浆料助剂的重量比为100∶5～30∶0.2～2；
所述的浆料助剂是分散剂和/或消泡剂；
(3)将步骤(1)得到的固相混合物与步骤(2)得到的液相混合物按重量比为1∶1～2的比例充分混合，制成固液混合浆料；均质化处理固液混合浆料，得所述红外辐射涂料；
所述的金属氧化物选自氧化铝、氧化铁、氧化锆、氧化铬和氧化镍所组成的组中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的金属氧化物粉末的粒径D50为1～2μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的粘结剂选自硅溶胶、水玻璃、磷酸二氢铝和铝溶胶中的一种或两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的分散剂选自六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠和聚羧酸钠中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的消泡剂选自矿物油、有机硅和改性石蜡消泡剂中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的均质化处理固液混合浆料，是采用砂磨机械进行砂磨处理，所述的砂磨机械是卧式砂磨机、立式砂磨机或棒销式砂磨机。 
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