CN102659398B

CN102659398B - 一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法

Info

Publication number: CN102659398B
Application number: CN201210123564.5A
Authority: CN
Inventors: 王刚; 吴海波; 李红霞; 袁波; 韩建燊; 曹贺辉
Original assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Current assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: CN102659398A

Abstract

本发明属于隔热材料制备技术领域，具体涉及一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法。包括如下步骤：将菱镁矿粉或氧化镁粉、氧化铝粉、水、发泡剂、单体和交联剂依次倒入搅拌筒中，机械搅拌发泡得到泡沫浆料；向泡沫浆料中依次加入引发剂和催化剂，并快速浇注于模具中；浆料凝胶固化后，脱模得到生坯，经干燥、烧结得到轻质镁铝尖晶石隔热材料。本发明的特点是以我国资源丰富的菱镁矿或菱镁矿煅烧后生成的氧化镁粉为主要原料，利用尖晶石化过程中的体积膨胀解决烧结收缩不均导致的开裂问题，制备出不同形状和尺寸的具有低密度、低热导率和高强度特性的定形镁铝尖晶石隔热制品，且工艺简单，所用原料廉价，易产业化生产。

Description

一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法

技术领域

本发明属于隔热材料制备技术领域，具体涉及一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法。

背景技术

镁铝尖晶石(MgA1₂O₄)具有熔点高(2135℃)、高温稳定性强、热导率低、抗热震性好等特点，镁铝尖晶石材料通常都是由MgO和Al₂O₃人工合成的，已在耐火材料行业已经得到普遍使用。但是主要用于致密耐火制品，尚未见关于轻质尖晶石隔热材料的报道。将其制备成具有多孔结构的轻质镁铝尖晶石材料，可用作1600℃以上的隔热材料，起到节能的作用，同时可发挥我国菱镁矿资源的优势。

制备轻质隔热材料的主要方法之一就是发泡法，可制备出具有闭气孔结构、气孔率高达95%，孔径为微米级别的隔热材料。同时发泡法可看做是空气做模板的制备方法，不用消耗任何固体、液体和气体的原料来造孔，是十分经济方法。但由于气泡为热力学非稳定状态，在浆料中会出现上浮或长大等不稳定现象，常与凝胶注模成型结合起来解决此问题，如西安建筑科技大学材料科学与工程学院的刘雪丽等、北京科技大学的徐鲲濠等均将发泡法与凝胶注模成型结合起来，制备出了高孔隙率的轻质氧化铝多孔陶瓷材料。

但在发泡法与凝胶注模成型结合起来制备轻质材料的过程中，烧结阶段会出现大的收缩，线收缩率通常超过20%，极易出现收缩不均导致的开裂现象，不利于大尺寸定型隔热制品的制备。而氧化铝与氧化镁反应生成镁铝尖晶石的过程中伴随着5～8%的体积膨胀，可明显减小收缩，有利于提高制备轻质定型隔热制品的成品率。

发明内容

本发明针对发泡法结合凝胶注模成型制备轻质隔热材料过程中出现的问题，结合我国的资源优势，提出一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法。该方法可制备出低密度、低热导率、高强度、适用于1600℃以上的定形镁铝尖晶石隔热制品，原料便宜，工艺简单，不需特需设备，适合大规模生产。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，以氧化铝粉与菱镁矿粉或氧化镁粉为主要原料，加入水、发泡剂、有机单体、交联剂制备泡沫浆料；利用凝胶注模可快速固化成型的特点，通过向由菱镁矿粉或氧化镁、氧化铝粉、有机单体、交联剂、水、发泡剂制备的泡沫浆料中依次加入引发剂和催化剂，使单体与交联剂发生聚合反应，固定泡沫浆料中气泡，使泡沫浆料快速固化成型，制备轻质坯体，同时利用烧结阶段氧化铝与氧化镁的尖晶石化导致的体积膨胀解决烧结收缩不均导致的开裂问题，通过烧结最终得到轻质镁铝尖晶石隔热材料。

本发明的制备工艺步骤为：

(1)、将菱镁矿粉或氧化镁粉、氧化铝粉、占粉体总质量10%～70%的水、占粉体总质量1%～10%的发泡剂、占粉体总质量1%～20%的有机单体和占有机单体重量5%～20%的交联剂依次倒入搅拌筒中；搅拌得到泡沫浆料。

(2)、依次将占单体质量2%～10%的引发剂和占引发剂质量10%～40%的催化剂加入到步骤（1）得到的泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到特定形状的模具，泡沫浆料固化成型；

(3)、对步骤（2）得到的生坯置于烘箱中干燥后，放入炉中，升温至1500℃-1800℃，烧结得到轻质镁铝尖晶石隔热材料。

所述的主要原料为菱镁矿粉与氧化铝粉的复合粉体时，菱镁矿粉与氧化铝粉的质量比为1～0.6；所述的主要原料为氧化镁粉与氧化铝粉的复合粉体时，氧化镁粉与氧化铝粉的质量比为0.2～0.6。

所述的菱镁矿粉、氧化镁粉、氧化铝粉为纳米粉或微粉，尺寸为50nm-100μm。

所述的发泡剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸胺、十二烷基硫酸三乙醇胺、非离子表面活性剂中的一种或两种或两种以上的任意质量比的混合物。

所述的有机单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙烯基吡咯酮、甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯中的一种。

所述的交联剂为: N,N′-亚甲基双丙烯酰胺或丙烯基丙烯酸甲酯。

所述的引发剂为过硫酸铵。

所述的催化剂为N,N,N′,N′-四甲基乙二胺。

本发明的优点：

（1）本发明利用氧化镁与氧化铝尖晶石化过程中的体积膨胀，减少烧结阶段的收缩率，避免烧结开裂。

（2）本发明充分利用我国菱镁矿资源丰富的优势，制备出可用于1600℃以上的轻质隔热材料，起到及节能作用。

（3）采用本发明制备的轻质镁铝尖晶石隔热材料气孔率可超过90%，气孔尺寸为微米级别，具有超低热导率。

（4）本发明的方法使用的原料廉价，过程简单，使用设别少，适合大规模生产。

附图说明

图1为实施例1得到的轻质镁铝尖晶石隔热材料的宏观照片。

图2为实施例1得到的轻质镁铝尖晶石隔热材料的微观结构照片。

具体实施方式

给出本发明的实施例并结合给出的实施例对本发明加以说明，但所给出的实施例对本发明不构成任何限制：

实施例1

将50nm的菱镁矿粉、100μm的氧化铝粉、占粉体总质量70%的水、占粉体总质量1%的十二烷基硫酸钠、占粉体总质量20%的丙烯酰胺和占丙烯酰胺质量5%的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺依次倒入搅拌筒中，搅拌得到泡沫浆料，其中菱镁矿粉与氧化铝粉的质量比为1。接着将占丙烯酰胺质量10%的过硫酸铵和占过硫酸铵质量10%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺加入到泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到模具，泡沫浆料固化成型得到生坯；最后将生坯置于100℃烘箱中干燥，置于炉中，升温至1500℃，烧结得到轻质镁铝尖晶石隔热材料隔热材料，宏观照片如图1所示，微观结构照片如图2所示，结构与性能参数列于表1中。

表1 实施例1得到的轻质镁铝尖晶石隔热材料结构与性能参数

参数	数值
		体积密度（g/cm³)	0.3～1.5
耐压强度(MPa)	5～100
		耐火度(℃)	>1800
重烧线变化(%)	0.2～0.8
		导热系数（W·（m·K）^-1,1000℃）	0.15～0.35

实施例2

将100μm的菱镁矿粉、50nm的氧化铝粉、占粉体总质量10%的水、占粉体总质量10%的十二烷基苯磺酸钠、占粉体总质量1%的甲基丙烯酰胺和占甲基丙烯酰胺重量20%的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺依次倒入搅拌筒中，搅拌得到泡沫浆料，其中菱镁矿粉与氧化铝粉的质量比为0.6。将占甲基丙烯酰胺质量2%的过硫酸铵和占过硫酸铵质量40%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺加入到泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到特定形状的模具，泡沫浆料固化成型得到生坯；将生坯置于100℃烘箱中干燥，置于炉中，升温至1600℃，烧结得轻质镁铝尖晶石隔热材料。

实施例3

将10μm的菱镁矿粉、30μm的氧化铝粉、占粉体总质量10%的水、占粉体总质量10%的十二烷基硫酸胺、占粉体总质量1%的乙烯基吡咯酮和占乙烯基吡咯酮重量20%的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺依次倒入搅拌筒中，搅拌得到泡沫浆料，其中菱镁矿粉与氧化铝粉的质量比为0.8。将占甲基丙烯酰胺质量2%的过硫酸铵和占过硫酸铵质量40%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺加入到泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到特定形状的模具，泡沫浆料固化成型得到生坯；将生坯置于100℃烘箱中干燥，置于炉中，升温至1700℃，烧结得轻质镁铝尖晶石隔热材料。

实施例4

将50 nm的氧化镁粉、100μm的氧化铝粉、占粉体总质量10%的水、占粉体总质量10%的十二烷基硫酸三乙醇胺、占粉体总质量1%的甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯和占甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯重量20%的丙烯基丙烯酸甲酯依次倒入搅拌筒中，搅拌得到泡沫浆料，其中氧化镁粉与氧化铝粉的质量比为0.2。将占甲基丙烯酰胺质量2%的过硫酸铵和占过硫酸铵质量40%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺加入到泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到特定形状的模具，泡沫浆料固化成型得到生坯；将生坯置于100℃烘箱中干燥，置于炉中，升温至1800℃，烧结得轻质镁铝尖晶石隔热材料。

实施例5

将100μm的氧化镁粉、50 nm的氧化铝粉、占粉体总质量10%的水、占粉体总质量10%的非离子表面活性剂、占粉体总质量1%的甲基丙烯酰胺和占甲基丙烯酰胺重量20%的丙烯基丙烯酸甲酯依次倒入搅拌筒中，搅拌得到泡沫浆料，其中氧化镁粉与氧化铝粉的质量比为0.4。将占甲基丙烯酰胺质量2%的过硫酸铵和占过硫酸铵质量40%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺加入到泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到特定形状的模具，泡沫浆料固化成型得到生坯；将生坯置于100℃烘箱中干燥，置于炉中，升温至1650℃，烧结得轻质镁铝尖晶石隔热材料。

实施例6

将5μm的氧化镁粉、40μm的氧化铝粉、占粉体总质量10%的水、占粉体总质量10%的十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸三乙醇胺的混合物、占粉体总质量1%的丙烯酰胺和占丙烯酰胺重量20%的丙烯基丙烯酸甲酯依次倒入搅拌筒中，搅拌得到泡沫浆料，其中氧化镁粉与氧化铝粉的质量比为0.6。将占甲基丙烯酰胺质量2%的过硫酸铵和占过硫酸铵质量40%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺加入到泡沫浆料中，搅拌均匀后，快速浇注到特定形状的模具，泡沫浆料固化成型得到生坯；将生坯置于100℃烘箱中干燥，置于炉中，升温至1750℃，烧结得轻质镁铝尖晶石隔热材料。

Claims

1.一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：以氧化铝粉与菱镁矿粉或氧化镁粉为主要原料，加入水、发泡剂、有机单体、交联剂制备泡沫浆料；利用凝胶注模可快速固化成型的特点，通过向由菱镁矿粉或氧化镁、氧化铝粉、有机单体、交联剂制备的泡沫浆料中依次加入引发剂和催化剂，使单体与交联剂发生聚合反应，固定泡沫浆料中气泡，使泡沫浆料快速固化成型，制备轻质坯体，同时利用烧结阶段氧化铝与氧化镁的尖晶石化导致的体积膨胀解决烧结收缩不均导致的开裂问题，通过烧结最终得到轻质镁铝尖晶石隔热材料；

所述的方法包括以下工艺步骤：

(1)以氧化铝粉与菱镁矿粉或氧化镁粉为主要原料，加入占粉体总质量10%～70%的水、占粉体总质量1%～10%的发泡剂、占粉体总质量1%～20%的有机单体和占有机单体质量5%～20%的交联剂，依次倒入搅拌筒中；搅拌得到泡沫浆料；

(2)向步骤（1）得到的泡沫浆料中依次加入占单体质量2%～10%的引发剂和占引发剂质量10%～40%的催化剂，搅拌均匀后，快速浇注到模具中使浆料固化成型；

(3)将步骤（2）浆料固化后得到的生坯置于烘箱中干燥，接着转移至炉中，升温至1500℃-1800℃，烧结得到轻质镁铝尖晶石隔热材料。

2.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的主要原料为菱镁矿粉与氧化铝粉的复合粉体时，菱镁矿粉与氧化铝粉的质量比为1～0.6；所述的主要原料为氧化镁粉与氧化铝粉的复合粉体时，氧化镁粉与氧化铝粉的质量比为0.2～0.6。

3.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的菱镁矿粉、氧化镁粉、氧化铝粉为纳米粉或微粉，尺寸为50nm-100μm。

4.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的发泡剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸胺、十二烷基硫酸三乙醇胺、非离子表面活性剂中的一种或两种或两种以上的任意质量比的混合物。

5.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的有机单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺或乙烯基吡咯酮或甲基聚乙二醇单甲基丙烯酯。

6.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺或丙烯基丙烯酸甲酯。

7.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的引发剂为过硫酸铵。

8.按权利要求1所述的一种制备轻质镁铝尖晶石隔热材料的方法，其特征在于：所述的催化剂为N,N,N′,N′-四甲基乙二胺。