CN102515820A - 一种环保型轻质多孔莫来石陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保型轻质多孔莫来石陶瓷及其制备方法，其原料组分及其质量百分比含量为：50％的漂珠，40～50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃，及0～10％的B₂O₃，其中Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃三者的质量比为37.5∶9.5∶3。通过凝胶注模成型的方法，在低温1100℃-1250℃即可制得多孔轻质的莫来石陶瓷，耗能低，无污染。本发明具有气孔率高(60％-81％)、密度小(0.64-1.09g/cm³)、导热系数低(0.11-0.20W/(mk)^-1)的特点，应用于高温窑炉的内衬、高温容器、冶金通气管道等保温隔热领域。

Description

一种环保型轻质多孔莫来石陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种以成分为特征的陶瓷组合物，具体涉及一种环保型轻质多孔莫来石陶瓷及其制备方法。

背景技术

多孔轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一，它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障；高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料；这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能，以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质，它兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能材料。这类材料的应用涉及航空航天、原子能、医学、环保、冶金、机械、建筑、电化学和石油化工等行业，可用于分离、过滤、消音、吸振、包装、屏蔽、隔热、热交换，生物移植、电化学过程等诸多场合，在科学技术研究与国民经济建设中发挥着巨大的作用，并且其作用日益显著。

近年来，多孔材料主要作为结构材料的场合，会处处受到各种形式的载荷作用。甚至在力学性能不是主要应用的时候，如当多孔材料用于隔热、漂浮或过滤，其强度和断裂行为仍然是重要的。粉煤灰漂珠是一种价格低廉，质轻，导热系数低的半真空漂珠，静压强度高，很适合作为制备高强多孔材料使用。一般制备多孔的陶瓷方法均需添加有机发泡剂或造孔剂，部分有机造孔剂在高温下分解释放出有毒气体，不仅对人体有害，还污染环境。因此，无机造孔剂取代有机造孔剂将会更加符合环保的标准。本发明采用漂珠作为第一类造孔剂，成本低，得到的多孔材料力学性能良好；采用CaCO₃与硼酸发泡，释放气体无污染，而且能使氧化物间发生低温共烧结的效果，降低烧结温度，节约资源。

发明内容

本发明的目的是，在低温1200℃左右制备出一种轻质多孔的莫来石陶瓷材料。另外，克服现有技术的多孔陶瓷制备方法中存在部分有机造孔剂在高温下分解释放出有毒气体的缺陷，提供一种以低成本的漂珠作为第一类造孔剂，采用CaCO₃与B₂O₃在有水条件下反应释放CO₂作为第二类造孔剂。其释放气体无污染，且B₂O₃可降低烧结温度、节约资源的环保型轻质多孔莫来石陶瓷。

本发明的技术方案如下：

一种环保型轻质多孔莫来石陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为：50％的漂珠、40～50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃，及0～10％的B₂O₃，其中Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃三者的质量比为37.5∶9.5∶3，保持不变。

莫来石陶瓷的气孔率为60～81％，密度为0.64～1.15g/cm³，抗弯强度为5～13MPa，导热系数为0.11～0.20W.(mk)^-1。

环保型轻质多孔莫来石陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

(1)备料

原料组分及其质量百分比含量为：50％的漂珠、40～50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃，及0～10％的B₂O₃，其中Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃三者的质量比为37.5∶9.5∶3，保持不变。

(2)处理漂珠

将漂珠放置于沸水中10-20分钟，待空心漂珠浮起，碎片或杂质下沉，分离稳定后，用笊篱捞起浮于水面的空心漂珠，烘干，待用；

(3)制备预混液

以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和水按20∶2∶100的体积比混合后，放在磁子搅拌器中搅拌直至白色颗粒完全溶解。

(4)制备浆料

将Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃按质量比37.5∶9.5∶3混合，外加Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃总量的30％预混液和1％分散剂，所述分散剂为3％聚丙烯酰铵溶液，球磨4小时后，将步骤(2)待用的漂珠和B₂O₃加入，再加入适量的预混液，调整浆料的固相含量为70％，慢慢搅拌，待其充分混合成均匀分散的浆料。

(5)凝胶注模成型

在步骤(4)的浆料中加入8％的引发剂溶液，所述引发剂溶液为8％过硫酸铵溶液，在聚四乙烯模具中成型，然后放置于烘箱中80℃干燥，40-60min后脱模，得到多孔陶瓷坯体；

(6)烧结

将步骤(5)制得的多孔陶瓷坏体于高温烧结炉中烧结，烧结制度为：600℃之前烧结速率为2℃/min，于600℃中保温60min，从600℃-1000℃速率为3℃/min，从1000℃-1300℃速率为5℃/min。

4.根据权利要求2的环保型轻质多孔莫来石陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)或(2)的漂珠为发电厂煤灰提炼出来的粉煤灰漂珠，其成分质量百分比分别为62.02％SiO₂、25.79％Al₂O₃、4.19％Fe₂O₃、1.28％Na₂O、2.49％K₂O，其余为杂质。

本发明的有益效果是，提供了一种成本低，多孔材料力学性能良好的环保型轻质多孔莫来石陶瓷；克服现有技术的多孔陶瓷制备方法中存在部分有机造孔剂在高温下分解释放出有毒气体的缺陷，提供一种以低成本的漂珠作为第一类造孔剂，采用CaCO₃与B₂O₃在有水条件下反应释放CO₂作为第二类造孔剂。其释放气体无污染，且B₂O₃可降低烧结温度、节约资源。本发明具有气孔率高(60％-81％)、密度小(0.64-1.09g/cm³)、导热系数低(0.11-0.20W/(mk)^-1)的特点。

附图说明

图1是实施例1没有添加B₂O₃在1300℃烧结后得到的多孔莫来石形貌；

图2是实施例4添加7.5％B₂O₃后在1150℃烧结得到的多孔莫来石形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

选取50％漂珠与50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料，其中50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料即37.5％Al₂O₃、9.5％SiO₂和3％CaCO₃。首先制备预混液和分散剂，预混液是以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和去离子水按20∶2∶100的体积比搅拌混合得到；分散剂是3％的聚丙烯酰铵溶液。然后配制浆料，在Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粉料中加入浆料的1％分散剂与30％的预混液，球磨4小时后，加入50％漂珠和适量的预混液使浆料的固相含量为70％，慢慢搅拌直到均匀，使漂珠被粘结剂包裹，再加入8％的引发剂(8％的过硫酸铵溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型浆料，在80℃烘箱干燥，脱模，得到多孔陶瓷的坏体，再于高温炉中经1300℃烧结，保温2h，冷却后得到多孔陶瓷。其微观形貌如图1所示，经1300℃高温烧结后得到多孔的莫来石，孔壁致密光滑。

实施例1检测后，其开气孔率为47％，其总气孔率为68％，密度为1.09g/cm³，抗弯强度达13MPa。

实施例2

选取50％漂珠、47.5％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料和2.5％B₂O₃配制，其中47.5％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料即35.62％Al₂O₃、9.03％SiO₂、2.85％CaCO₃。首先制备预混液和分散剂，预混液是以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和去离子水按20∶2∶100的体积比搅拌混合得到；分散剂是3％的聚丙烯酰铵溶液。然后配制浆料，在Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粉料中加入浆料的1％分散剂与30％的预混液，球磨4小时后，加入50％漂珠和2.5％B₂O₃，再加入适量的预混液使浆料的固相含量为70％，慢慢搅拌直到均匀，使漂珠被粘结剂包裹，再加入8％的引发剂(8％的过硫酸铵溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型浆料，在80℃烘箱干燥，脱模，得到多孔陶瓷的坏体，再于高温炉中经1250℃烧结，保温2h，冷却后得到多孔陶瓷。

实施例2检测后，其开气孔率比较高为37％，其总气孔率为60％，密度为1.15g/cm³，抗弯强度达10MPa。

实施例3

选取50％漂珠、45％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料和5％B₂O₃配制，其中45％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料即33.75％Al₂O₃、8.55％SiO₂、2.7％CaCO₃。首先制备预混液和分散剂，预混液是以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和去离子水按20∶2∶100的体积比搅拌混合得到；分散剂是3％的聚丙烯酰铵溶液。然后配制浆料，在Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粉料中加入浆料的1％分散剂与30％的预混液，球磨4小时后，加入50％漂珠和5％B₂O₃，再加入适量的预混液使浆料的固相含量为70％，慢慢搅拌直到均匀，使漂珠被粘结剂包裹，再加入8％的引发剂(8％的过硫酸铵溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型浆料，在80℃烘箱干燥，脱模，得到多孔陶瓷的坏体，再于高温炉中经1200℃烧结，保温2h，冷却后得到多孔陶瓷。

实施例3检测后，其开气孔率比较高为58％，其总气孔率为71％，密度为0.84g/cm³，抗弯强度达8MPa。

实施例4

选取50％漂珠、42.5％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料和7.5％B₂O₃配制，其中42.5％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料即31.87％Al₂O₃、8.08％SiO₂、2.55％CaCO₃。首先制备预混液和分散剂，预混液是以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和去离子水按20∶2∶100的体积比搅拌混合得到；分散剂是3％的聚丙烯酰铵溶液。然后配制浆料，在Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粉料中加入浆料的1％分散剂与30％的预混液，球磨4小时后，加入50％漂珠和7.5％B₂O₃，再加入适量的预混液使浆料的固相含量为70％，慢慢搅拌直到均匀，使漂珠被粘结剂包裹，再加入8％的引发剂(8％的过硫酸铵溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型浆料，在80℃烘箱干燥，脱模，得到多孔陶瓷的坏体，再于高温炉中经1150℃烧结，保温2h，冷却后得到多孔陶瓷。如图2所示是添加7.5％B₂O₃得到的多孔莫来石，烧结温度低，在1150℃可以烧结得到，而且孔中凹凸不平，与图1相比，图2存在许多的微孔，这也是添加B₂O₃使气孔率提高的原因。

实施例4检测后，其开气孔率比较高为67％，其总气孔率为76％，密度为0.74g/cm³，抗弯强度达5.5MPa。

实施例5

选取50％漂珠、40％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料和10％B₂O₃配制，其中40％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粘结剂粉料即30％Al₂O₃、7.6％SiO₂、2.4％CaCO₃。首先制备预混液和分散剂，预混液是以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和去离子水按20∶2∶100的体积比搅拌混合得到；分散剂是3％的聚丙烯酰铵溶液。然后配制浆料，在Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃的粉料中加入浆料的1％分散剂与30％的预混液，球磨4小时后，加入50％漂珠和10％B₂O₃且慢慢搅拌直到均匀，使漂珠被粘结剂包裹，再加入8％的引发剂(8％的过硫酸铵溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型浆料，在80℃烘箱干燥，脱模，得到多孔陶瓷的坏体，再于高温炉中经1100℃烧结，保温2h，冷却后得到多孔陶瓷。

实施例5检测后，其开气孔率比较高为71％，其总气孔率为81％，密度为0.64g/cm³，抗弯强度达5MPa。

Claims (4)

1.一种环保型轻质多孔莫来石陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为：50％的漂珠、40～50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃，及0～10％的B₂O₃，其中Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃三者的质量比为37.5∶9.5∶3，保持不变。

2.根据权利要求1的环保型轻质多孔莫来石陶瓷，其特征在于，莫来石陶瓷的气孔率为60～81％，密度为0.64～1.15g/cm³，抗弯强度为5～13MPa，导热系数为0.11～0.20W.(mk)^-1。

3.权利要求1的环保型轻质多孔莫来石陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

(1)备料

原料组分及其质量百分比含量为：50％的漂珠、40～50％的Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃，及0～10％的B₂O₃，其中Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃三者的质量比为37.5∶9.5∶3，保持不变。

(2)处理漂珠

将漂珠放置于沸水中10-20分钟，待空心漂珠浮起，碎片或杂质下沉，分离稳定后，用笊篱捞起浮于水面的空心漂珠，烘干，待用；

(3)制备预混液

以丙烯酰胺为有机单体、双官能团N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂和水按20∶2∶100的体积比混合后，放在磁子搅拌器中搅拌直至白色颗粒完全溶解。

(4)制备浆料

将Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃按质量比37.5∶9.5∶3混合，外加Al₂O₃-SiO₂-CaCO₃总量的30％预混液和1％分散剂，所述分散剂为3％聚丙烯酰铵溶液，球磨4小时后，将步骤(2)待用的漂珠和B₂O₃加入，再加入适量的预混液，调整浆料的固相含量为70％，慢慢搅拌，待其充分混合成均匀分散的浆料。

(5)凝胶注模成型

在步骤(4)的浆料中加入8％的引发剂溶液，所述引发剂溶液为8％过硫酸铵溶液，在聚四乙烯模具中成型，然后放置于烘箱中80℃干燥，40-60min后脱模，得到多孔陶瓷坯体；

(6)烧结

将步骤(5)制得的多孔陶瓷坏体于高温烧结炉中烧结，烧结制度为：600℃之前烧结速率为2℃/min，于600℃中保温60min，从600℃-1000℃速率为3℃/min，从1000℃-1300℃速率为5℃/min。

4.根据权利要求2的环保型轻质多孔莫来石陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)或(2)的漂珠为发电厂煤灰提炼出来的粉煤灰漂珠，其成分质量百分比分别为62.02％SiO₂、25.79％Al₂O₃、4.19％Fe₂O₃、1.28％Na₂O、2.49％K₂O，其余为杂质。

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