CN102417356B

CN102417356B - 纳米碳化硅系红外辐射涂料及其制备方法

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Publication number: CN102417356B
Application number: CN 201010293716
Authority: CN
Inventors: 杨筠; 李永; 李江涛; 李芳�; 刘贯重; 章荣会
Original assignee: Beijing Allied Rongda Engineering Material Institutes Co ltd; Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Beijing Allied Rongda Engineering Material Institutes Co ltd; Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: CN102417356A

Abstract

本发明属于高温工业炉所用的远红外节能涂料领域，特别涉及一种纳米碳化硅系红外辐射涂料及其制备方法。所述的涂料是由粉末辐射料、粘结料、浆料助剂和水组成，其中，水与粉末辐射料的重量比为0.5～2∶1，粘结料是粉末辐射料总重量的10％～30％，浆料助剂是粉末辐射料总重量的0.1％～3％。所述的粉末辐射料是由纳米碳化硅粉末、氧化锆粉末、氧化铬粉末、氧化铁粉末、氧化镍粉末、膨润土粉末和硅灰粉末组成。本发明的红外辐射节能涂料的辐射系数高，抗热震性能优良，经高温烧结后，在耐火砖或纤维棉上形成烧结层，可以牢固地附着在窑炉内衬的表面，起到增大辐射热利用，减少热量损失的节能效果。

Description

纳米碳化硅系红外辐射涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金、陶瓷、机械、石化、医药等行业领域中的高温工业炉所用的远红外节能涂料领域，特别涉及一种纳米碳化硅系红外辐射涂料及其制备方法。

背景技术

近年来，能源危机问题日益严重，节能降耗已经成为高温工业炉用户急待解决的重要课题。在高温工业炉内壁上涂刷具有高红外辐射率的涂料，增大炉内壁的黑度，强化炉内热交换，提高物料与炉壁红外辐射波的匹配性，从而提高热效率，是节能降耗的简便易行的方法之一，被公认为是21世纪的一种重要节能产品和技术。

发展至今，红外辐射涂料中的辐射成分已由单纯的物质或化合物发展为多种物质或化合物的复合材料。目前国内外红外辐射涂料根据成分的不同，可分为如下几个类别：氧化铁-氧化锰系、氧化铝-氧化硅系、氧化锆系、碳化硅系等。

英国CRC公司红外辐射涂料属于氧化锆系；美国CRC公司的红外辐射涂料已系列化，属于氧化铝-氧化硅系；日本H.R.C公司推出的H.R.C辐射涂料，是以铬铁矿(FeCr₂O₄)为主要成分。国内上海硅酸盐研究所研制的HT-1红外辐射涂料，其辐射粉料是由铬铁矿、钛铁矿、锆英砂中的一种或多种矿物原料组成。武汉理工大学研制的红外辐射涂料采用烧结过渡金属氧化物系辐射材料作为辐射基料，属于氧化铁-氧化锰系红外辐射涂料。

目前现有红外辐射涂料的专利技术致力于改善涂料中普遍存在的涂层红外辐射率不稳定，随温度升高，红外辐射率下降较快；以及涂料在基材表面的附着力差，使用效果下降等问题。例如：专利CN101481551A采用Y₂O₃稀土纳米材料增强红外辐射涂料的强度和抗老化性能；专利CN1844277A通过改进制备工艺及原料配比，使得涂料经高温处理后与耐火材料形成釉面陶瓷聚合体，从而将涂料的适用温度提高到2000℃；专利CN1318526C是通过改善成膜物，以消除涂层的热应力；专利CN101085890A是针对涂刷纤维棉而研制的高温热辐射涂料。

以燃烧合成技术为基础合成出的纳米级的碳化硅粉末，经测试该碳化硅粉末在全波段(1～22μm)范围内的红外辐射率能够达到0.93～0.96。将该碳化硅粉末用于涂料中，制得红外辐射涂料的法向全发射率ε在常温至1400℃范围内始终大于0.85，且高温下衰减缓慢，因此，节能涂料是纳米碳化硅粉体应用技术的自然延伸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以纳米级碳化硅粉末为主要辐射料的纳米碳化硅系红外辐射涂料，以实现红外辐射涂料的高发射率及高附着力，以使本发明的涂料在应用于冶金、陶瓷、机械、石化、医药等行业领域的高温工业炉体中时能够起到显著的节能效果。

本发明的再一目的在于提供一种纳米碳化硅系红外辐射涂料的制备方法。

本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料，主要是一方面利用碳化硅粉末在700℃以上红外发射率超过0.8，且红外辐射率随着温度和波长的变化较小的优势；另一方面结合纳米材料的制备技术，采用纳米级的碳化硅粉末作为主要辐射料，进一步提高辐射涂料的红外发射率与吸收率，同时实现辐射涂层的超细化。

本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料是由粉末辐射料、粘结料、浆料助剂和水组成，其中，水与粉末辐射料的重量比为0.5～2∶1，粘结料是粉末辐射料总重量的10％～30％，浆料助剂是粉末辐射料总重量的0.1％～3％。

以纳米碳化硅(SiC)粉末的重量份为基准，所述的粉末辐射料是由纳米碳化硅(SiC)粉末40～80重量份、氧化锆(ZrO₂)粉末5～30重量份、氧化铬(Cr₂O₃)粉末5～10重量份、氧化铁(Fe₂O₃)粉末0～20重量份、氧化镍(NiO)粉末0～10重量份、膨润土粉末1～10重量份和硅灰粉末1～10重量份组成。

所述的纳米碳化硅(SiC)粉末的粒径D₅₀为50～500nm。

所述的氧化锆(ZrO₂)粉末、氧化铬(Cr₂O₃)粉末、氧化铁(Fe₂O₃)粉末、氧化镍(NiO)粉末、膨润土粉末和硅灰粉末的粒径D₅₀都为1～2μm。

所述的粘结料是硅溶胶、水玻璃和磷酸二氢铝中的一种或两种。

所述的浆料助剂包括分散剂和消泡剂。

所述的分散剂选自六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠和阴离子型聚合物盐中的一种。

所述的阴离子型聚合物盐为聚丙烯酸钠或聚羧酸钠等。

所述的消泡剂选自矿物油类、有机硅类和改性石蜡类消泡剂中的一种或两种。

本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料的制备方法包括以下步骤：

(1)配料：

粉末辐射料混合物：以纳米碳化硅(SiC)粉末原料的重量份为基准，将纳米碳化硅(SiC)粉末原料40～80重量份、氧化锆(ZrO₂)粉末原料5～30重量份、氧化铬(Cr₂O₃)粉末原料5～10重量份、氧化铁(Fe₂O₃)粉末原料0～20重量份、氧化镍(NiO)粉末原料0～10重量份、膨润土粉末原料1～10重量份和硅灰粉末原料1～10重量份混合配制成粉末辐射料混合物；

液相混合物：按照水与上述粉末辐射料混合物总重量的重量比为0.5～2∶1，粘结料是粉末辐射料混合物总重量的10％～30％，浆料助剂是粉末辐射料混合物总重量的0.1％～3％，将水、粘结料和浆料助剂混合配制成液相混合物；

(2)均质化、细化处理：

将步骤(1)得到的粉末辐射料混合物与液相混合物全部充分混合在一起，并进行砂磨均质化处理；

(3)过滤：

将步骤(2)砂磨均质化处理后得到的产物过滤(优选使用325～400目筛网过滤)，以自然流下为准，即得到本发明所述的涂料。

步骤(2)中所述的进行砂磨均质化处理，采用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。

步骤(2)所述的进行砂磨均质化处理时所选择的球料比优选为0.5～1∶1，砂磨均质化处理的时间优选为2～3小时。

所述的纳米碳化硅(SiC)粉末的原料粒径D₅₀为50～500nm。

所述的氧化锆(ZrO₂)粉末原料、氧化铬(Cr₂O₃)粉末原料、氧化铁(Fe₂O₃)粉末原料、氧化镍(NiO)粉末原料、膨润土粉末原料和硅灰粉末原料的粒径D₅₀都为1～2μm。

所述的浆料助剂包括分散剂和消泡剂。

所述的阴离子型聚合物盐为聚丙烯酸钠或聚羧酸钠等。

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。

本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料施工使用非常方便，一般不需对基体进行特殊的改造与检修处理便可进行正常的涂料施工。施工时可先用压缩空气将作业面清理吹扫干净，后喷涂一层喷前处理液，接着机械喷涂施工本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料。机械喷涂时使用压缩空气或氧气瓶(工作压力0.4～0.5MPa)通过喷枪将涂料均匀喷涂在工作面上。涂层厚度一般在0.1～0.3mm，一般喷涂两次即可。涂料施工后一般无需烘干，自然干燥24小时后随烘炉曲线升温即可高温自烧结固化。

本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料中的纳米碳化硅粉体可采用燃烧合成的方法进行制备(如专利申请号：CN200710121857.9)，所使用的其它物质均是已知的市售产品。本发明的特点是：红外辐射系数高，抗热震性能优良，不论是使用何种电、燃气、燃油、煤等能源的炉子，都能方便地采用本发明的红外辐射涂料。本发明的红外辐射涂料主要应用范围为：冶金、陶瓷、机械、石化、医药等行业领域的轧钢加热炉、各种热处理炉、高温热风炉、隧道窑及各种锅炉等。本发明的红外辐射节能涂料，经高温烧结后，在耐火砖或纤维棉上形成烧结层，可以牢固地附着在窑炉内衬的表面，起到增大辐射热利用，减少热量损失的节能效果。

本发明的纳米碳化硅系红外辐射涂料与其它方法制备得到的红外辐射涂料相比，按照本发明工艺制备而成的红外辐射涂料具有以下优点：

1.高的法向全发射率ε，在常温至1400℃范围内ε始终大于0.85，高温下衰减缓慢。

2.节能效果显著，可达15％以上。

3.粘接性好，在常温到高温的反复使用条件下，能牢固地粘接在基体上，不龟裂、不脱落。

4.涂料的结构稳定，在中、高温的环境中均适用，施工简单、投资较少、见效快、安全无污染、使用范围广泛。

附图说明

图1.本发明实施例1～4的红外辐射涂料所用纳米级SiC粉末的XRD图谱。

图2.本发明实施例1～4的红外辐射涂料所用纳米级SiC粉末的SEM照片。

图3.本发明实施例1～4的红外辐射涂料所用纳米级SiC粉末的粒度测试结果。

具体实施方式

实施例1：

称取质量百分含量为30％的水玻璃3Kg，倒入容器内，加入6Kg水，搅拌均匀，再加入100g的六偏磷酸钠与20g的改性石蜡，搅拌均匀得到液相混合物；称取D₅₀为100nm的纳米碳化硅粉末4.5Kg，D₅₀为2μm的氧化锆粉末2.1Kg，D₅₀为1.8μm的氧化铬粉末1Kg，D₅₀为1μm的氧化铁粉末1.5Kg，D₅₀为1.2μm的膨润土粉末0.8Kg，D₅₀为1μm的硅灰粉末0.5Kg分别加入到容器内并搅拌均匀得到粉末辐射料混合物。将上述的粉末辐射料混合物与液相混合物全部充分混合在一起放入卧式砂磨机中，球料比为0.5∶1，砂磨均质化处理3小时，经325～400目筛网过滤处理后，即得到纳米碳化硅系红外辐射涂料。

按GB/T7287-2008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0.87，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。该涂料涂刷后，分别在700℃和900℃条件下，经急冷急热12次以上，未有涂层剥落和龟裂现象出现。

实施例2：

称取质量百分含量为30％的磷酸二氢铝2.5Kg，倒入搅拌容器内，加入22Kg水，搅拌均匀，再加入30g的十二烷基苯磺酸钠与15g的改性石蜡，搅拌均匀得到液相混合物；称取D₅₀为65nm的纳米碳化硅粉末8Kg，D₅₀为1.5μm的氧化锆粉末3Kg，D₅₀为1.5μm的氧化铬粉末0.5Kg，D₅₀为1μm的氧化铁粉末1Kg，D₅₀为1.2μm的膨润土粉末0.6Kg，D₅₀为1μm的硅灰粉末0.5Kg，分别加入到容器内并搅拌均匀得到粉末辐射料混合物。将上述的粉末辐射料混合物与液相混合物全部充分混合在一起放入立式砂磨机中，球料比为1∶1，砂磨均质化处理2小时，经325～400目筛网过滤处理后，即得到纳米碳化硅系红外辐射涂料。

按GB/T7287-2008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。该涂料涂刷后，分别在900℃和1100℃条件下，经急冷急热12次以上，未有涂层剥落和龟裂现象出现。

实施例3：

称取质量百分含量为30％的硅溶胶1.2Kg，倒入搅拌容器内，加入6Kg水，搅拌均匀，再加入200g的聚丙烯酸钠与80g有机硅，搅拌均匀得到液相混合物；称取D₅₀为80nm的纳米碳化硅粉末6.5Kg，D₅₀为2μm的氧化锆粉末1.5Kg，D₅₀为1.8μm的氧化铬粉末0.6Kg，D₅₀为1μm的氧化铁粉末0.5Kg，D₅₀为1.8μm的氧化镍粉末1Kg，D₅₀为1.2μm的膨润土粉末1Kg，D₅₀为1μm的硅灰粉末0.3Kg，分别加入到容器内并搅拌均匀得到粉末辐射料混合物。将上述的粉末辐射料混合物与液相混合物全部充分混合在一起放入棒销式砂磨机中，球料比为0.8∶1，砂磨均质化处理3小时，经325～400目筛网过滤处理后，即得到纳米碳化硅系红外辐射涂料。

按GB/T7287-2008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0.88，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。该涂料涂刷后，分别在1100℃和1300℃条件下，经急冷急热12次以上，未有涂层剥落和龟裂现象出现。

实施例4：

称取质量百分含量为30％的硅溶胶3.5Kg，倒入搅拌容器内，加入16Kg水，搅拌均匀，再加入220g的聚羧酸钠与80g矿物油，搅拌均匀得到液相混合物；称取D₅₀为50nm的纳米碳化硅粉末8Kg，D₅₀为2μm的氧化锆粉末1Kg，D₅₀为1.5μm的氧化铬粉末1Kg，D₅₀为1.8μm的氧化镍粉末0.5Kg，D₅₀为1.2μm的膨润土粉末0.3Kg，D₅₀为1μm的硅灰粉末0.8Kg，分别加入到容器内并搅拌均匀得到粉末辐射料混合物。将上述的粉末辐射料混合物与液相混合物全部充分混合在一起放入卧式砂磨机中，球料比为1∶1，砂磨均质化处理3小时，经325～400目筛网过滤处理后，即得到纳米碳化硅系红外辐射涂料。

按GB/T7287-2008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0.89，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。该涂料涂刷后，分别在1400℃和1500℃条件下，经急冷急热12次以上，未有涂层剥落和龟裂现象出现。

实施例5：

称取质量百分含量为30％的水玻璃1Kg，质量百分含量为30％的硅溶胶3Kg，倒入搅拌容器内，加入20Kg水，搅拌均匀，再加入110g的六偏磷酸钠与40g的有机硅，搅拌均匀得到液相混合物；称取D₅₀为65nm的纳米碳化硅粉末8Kg，D₅₀为1.5μm的氧化锆粉末2Kg，D₅₀为1.5μm的氧化铬粉末0.5Kg，D₅₀为1μm的氧化铁粉末1.5Kg，D₅₀为1μm的氧化镍粉末1Kg，D₅₀为1.2μm的膨润土粉末0.8Kg，D₅₀为1μm的硅灰粉末0.5Kg，分别加入到容器内并搅拌均匀得到粉末辐射料混合物。将上述的粉末辐射料混合物与液相混合物全部充分混合在一起放入高速分散机机中，球料比为1∶1，砂磨均质化处理2小时，经325～400目筛网过滤处理后，即得到纳米碳化硅系红外辐射涂料。

按GB/T7287-2008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0.89，高于国家标准法向全发射率不低于0.85的技术要求。该涂料涂刷后，分别在900℃和1100℃条件下，经急冷急热12次以上，未有涂层剥落和龟裂现象出现。

Claims

1.一种纳米碳化硅系红外辐射涂料，其特征是，所述的涂料是由粉末辐射料、粘结料、浆料助剂和水组成，其中，水与粉末辐射料的重量比为0.5～2∶1，粘结料是粉末辐射料总重量的10％～30％，浆料助剂是粉末辐射料总重量的0.1％～3％；

以纳米碳化硅粉末的重量份为基准，所述的粉末辐射料是由纳米碳化硅粉末40～80重量份、氧化锆粉末5～30重量份、氧化铬粉末5～10重量份、氧化铁粉末0～20重量份、氧化镍粉末0～10重量份、膨润土粉末1～10重量份和硅灰粉末1～10重量份组成；

所述的粘结料是硅溶胶、水玻璃和磷酸二氢铝中的一种或两种；

所述的浆料助剂包括分散剂和消泡剂。

2.根据权利要求1所述的纳米碳化硅系红外辐射涂料，其特征是：所述的纳米碳化硅粉末的粒径D₅₀为50～500nm。

3.根据权利要求1所述的纳米碳化硅系红外辐射涂料，其特征是：所述的氧化锆粉末、氧化铬粉末、氧化铁粉末、氧化镍粉末、膨润土粉末和硅灰粉末的粒径D₅₀都为1～2μm。

4.根据权利要求1所述的纳米碳化硅系红外辐射涂料，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阴离子型聚合物盐中的一种；

所述的阴离子型聚合物盐为聚丙烯酸钠或聚羧酸钠。

5.根据权利要求1所述的纳米碳化硅系红外辐射涂料，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。

6.一种根据权利要求1～5任意一项所述的纳米碳化硅系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)配料：

粉末辐射料混合物：以纳米碳化硅粉末原料的重量份为基准，将纳米碳化硅粉末原料40～80重量份、氧化锆粉末原料5～30重量份、氧化铬粉末原料5～10重量份、氧化铁粉末原料0～20重量份、氧化镍粉末原料0～10重量份、膨润土粉末原料1～10重量份和硅灰粉末原料1～10重量份混合配制成粉末辐射料混合物；

(2)均质化、细化处理：

(3)过滤：

将步骤(2)砂磨均质化处理后得到的产物过滤，即得到所述的涂料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤(2)中所述的进行砂磨均质化处理，采用的砂磨机械是高速分散机、卧式砂磨机、立式砂磨机或棒销式砂磨机。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤(2)所述的进行砂磨均质化处理的时间为2～3小时。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：所述的过滤是用325～400目筛网过滤。