CN102674754A - 一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涂料及其制备方法，特别涉及一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料及其制备方法，该陶瓷涂料由以下质量份数原料制成：纳米多孔陶瓷骨料40~65份，粘结剂35~60份。该陶瓷的制备方法包括以下步骤：S1粉末原材料前处理；S2PSZ悬浊液的制备；S3纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒的制备；S4纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒的烧结；S5隔热保温涂料粉体的制备。本发明的涂料具有良好的保温隔热效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂料的制备方法，特别涉及一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料及其制备方法。
背景技术
近年来随着地球石化资源的递减和能源需求量增加，节能环保成为各国关注的热点问题。从节能环保等角度出发，隔热保温材料在能源，化工、冶金以及建筑，交通等领域得到广泛应用。传统的隔热保温材料，如硅酸铝纤维、石 棉板、海泡石、珍珠岩粉、聚苯乙烯颗粒等必须要达到一定厚度的覆层才能有好的隔热效果，占用体积较大。
专利号为ZL 200610113748.8 的专利“一种纳米陶瓷耐高温保温涂料及其制备方法和应用”和专利号为ZL 200510042048.X 的专利“一种断热保温涂料执照工艺”，以空心微珠为主要隔热填料开发轻质、薄层、高效隔热涂料成为该领域的研究热点。虽然空心微珠有很多突出优点，但其粒径一般为50~60μm, 不适合涂层厚度小于100μm 的应用需求；此外空心微珠强度低，脆性大，无法阻隔高温近红外热辐射，因此无法单独作为隔热材料使用，必须添加一定得红外遮蔽剂，因而增加了固体物质热传导率。六钛酸钾晶须具有优良的力学和物理性能、稳定的化学性质，且红外反射率高、热传导率低，作为隔热材料，性能十分优异。
申请号为200910020660.5 的专利“一种耐高温隔热涂料及其制备方法”公开了含钛酸钾晶须的耐高温隔热保温涂料制备工艺。然而钛酸钾晶须在涂料中的分散问题是其应用的难点，易团聚的钛酸钾晶须将会大幅度降低涂料的隔热性能。填料可以一定程度上解决钛酸钾晶须团聚，然而添加大量填料使得固体热导系数大幅度升高，从而导致涂料的实际隔热效果较差。因此具有固体低导热系数，高反射率，高辐射率，并且成分简单具有较高的机械性能的隔热保温材料成为研究的重点。
发明内容
本发明模仿北极熊皮毛结构来开发新型隔热保温纳米多孔陶瓷涂料，用以解决现有隔热保温陶瓷涂料成分复杂和分散性差导致的实际隔热保温效率低的问题，同时，提高隔热保温陶瓷材料的机械性能和腐蚀性，增加其使用寿命和使用范围，并且提供一种新的多孔纳米陶瓷结构制备工艺，生产成本较低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料，由以下质量份数的原料组成：纳米多孔陶瓷骨料40~65 份，粘结剂35~60 份；陶瓷骨料选用4.5% mol Y2O3部分稳定化的ZrO2基粉末材料（PSZ）作为陶瓷骨料制备原料；粘结剂成分范围为：环氧树脂及氯化聚乙烯15~25 份、有机硅树脂5~15 份、偶联剂2~5 份、助剂6~10 份及溶剂组成。
所述粘结剂中配制比例如下：硅烷试剂（KH550）、正丁醇、邻苯二甲酸二丁酯、二甲苯的比例为15 份：5 份：20 份：60 份。
所述仿生多孔陶瓷隔热保温涂料为粗糙孔洞复合密实外壁的双层结构。
本发明的一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料及其制备方法，包括以下步骤：
S1：粉末原材料前处理；
S2：PSZ悬浊液的制备；
S3：纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒的制备；
S4：纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒的烧结；
S5：隔热保温涂料粉体的制备。
本发明一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，优选的，所述步骤S1 中，PSZ原始粉末颗粒直径为1μm；采用高能球磨机降低颗粒直径，以去离子水为溶剂连续球磨12 小时，得到颗粒直径为100nm的PSZ 粉末；选用颗粒直径为500nm 的氧化铁粉末作为烧结助剂，其质量份为0.5 -2 份；将氧化铁粉末加入颗粒直径为100nm的 PSZ 粉末中继续采用高能球磨机混合0.5 小时，然后取出粉末干燥。
本发明一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，优选的，所述步骤S2 中，PSZ 粉末在溶剂中的质量浓度为40~100Kg/m3 ；选用乙醇加去离子水作为分散PSZ粉末的溶剂；溶剂中乙醇和去离子水体积比例为4:1；选用0.1mol/L 的醋酸来调节PSZ 颗粒在悬浊液中的表面电荷，以阻止PSZ 颗粒团聚；控制溶液pH值在2.0~4.0，能获得稳定性良好的PSZ 悬浊液；然后使用超声搅拌仪搅拌悬浊液10min。
本发明一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，优选的，所述步骤S3 中，通过脉冲电压复合电泳沉积技术制备多孔陶瓷颗粒，电泳沉积参数为电压15~40V，频率0.1~1Hz，沉积时间5~20min；得到的沉淀即多孔陶瓷颗粒外直径尺寸约20~50μm，内孔直径约为100~500nm 之间，孔隙率在70~85%之间。
所述脉冲电压复合电泳沉积技术即：将两只金属电极插入分散良好的悬浊液体中，并施加电势在两端电极上；溶液中带电颗粒在匀强电场的作用下，做定向移动，最终沉积到电极的一端形成薄膜；由于本发明采用脉冲电压作为电源，当脉冲电压波形处于波峰，悬浊液体中的颗粒沉积在电极一端；当脉冲电压波形处于波谷，沉积到电极上的薄膜将会成片状剥落、脱离电极表面；同时对面电极表面则开始沉积薄膜，此种沉积或剥落现象随着脉冲电压波形变化循环往复；约5~10min后，悬浊液由原来颗粒间良好分散的稳定均匀液体，逐渐生成大量的沉淀析出，此种沉淀在微观尺寸上为500nm左右各向同性多孔结构颗粒。
本发明一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，优选的，所述步骤S4 中，将步骤S3中的陶瓷骨料粉末取出沉淀，在空气中或氮气中干燥，最后放入马弗炉中，在800℃下烧结2小时，即得到纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒；陶瓷骨料颗粒的外直径在5~20μm 之间，内孔直径在20~100nm 之间，孔隙率在60~80%之间。
本发明一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，优选的，所述步骤S5 中，将混合好的粘结剂粉末在搅拌机中以1200~2500rpm的转速搅拌30~90min 后，加入制备的多孔陶瓷骨料颗粒，调整搅拌机转速到600~800rpm 搅拌30~60min，得到均匀粉体涂料。
本发明一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的使用方法，将得到均匀涂料粉体与水按照1:1.5~2.0 的质量比例均匀混合后，静置20~40min，均匀涂敷于需要保温的材料或设备外表面或内表面，涂敷的厚度为0.25~2mm。
本发明中多孔陶瓷隔热保温涂料的主要适用范围：设备及容器：包括石油天然气设备；石油化工设备；锅炉，窑炉以及冶金高温加热炉设备；冷冻，冷藏及特殊医疗运输设备等。管道系统：输油管道；自来水管道；火电和核电发电系统中高温或低温管道；空调送风管道及汽车排放尾气防冷凝管道等。建筑材料及人员保护：可作为隔热保温，防腐蚀涂层在工业及民用建筑材料上使用；也可以用来防止过高或过低温度表面对操作人员的伤害（例如用来贮藏液氮的容器外表面，锅炉外墙等）。
本发明适用范围广泛，可以达到良好的隔热保温效果，还能提供较强的抗金属氧化能力，极大地降低了金属氧化速度。此外，被涂敷表面只需要简单的除油污、除铁锈的准备工序，以保证涂料与被涂敷表面良好的结合。
具体实施方式
涂料的隔热保温性能的优劣除了取决于材料本身物理化学性质以外，材料的微观结构同样具有决定性作用。北极的冬天温度会下降到-35°C，北极熊可以适应这种长时间的低温环境，归因于北极熊皮毛的特殊结构。北极熊身上皮毛分两层，最外层的长毛为中空长管状，并且毛管内壁粗糙；第二层由浓密而柔软的实心体毛构成。由于外层毛孔的中空结构利于贮存静态空气层，空气极低的热导率能够很好的阻止体内热量向外传递。同时，粗糙的中空内壁对紫外线和红外线有极好的吸收能力，使得北极熊的皮毛能够吸收并贮存来自外界环境如太阳的热量，用以增加自身的温度。因此北极熊皮毛结构具备良好的保温绝热功能。
本发明模仿北极熊皮毛结构来开发新型隔热保温纳米多孔陶瓷涂料，用以解决现有隔热保温陶瓷涂料成分复杂和分散性差导致的实际隔热保温效率低的问题，同时，提高隔热保温陶瓷材料的机械性能和腐蚀性，增加其使用寿命和使用范围，并且提供一种新的多孔纳米陶瓷结构制备工艺，生产成本较低。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明本发明的具体实施方式。
实施案例一
一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料由以下质量份数原料制成：陶瓷骨料40 份，粘结剂60 份组成。用搅拌机搅拌混合好的粘结剂粉末，搅拌参数为1200~2500rpm ，搅拌时间30~90min，随后加入制备陶瓷骨料，搅拌参数调至600~800rpm，搅拌时间30~60min。
上述仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的具体制备方法如下：配制稳定的悬浊液中，ZrO2基粉末材料（PSZ）粉末在溶剂中的质量浓度为40Kg/m3。溶剂选用乙醇和去离子水的混合溶液，其中乙醇和去离子水体积比例为4:1，并选用浓度为0.1mol/L 醋酸来调节PSZ 颗粒在悬浊液中的表面电荷，以阻止PSZ 颗粒团聚，溶液pH 值调整为2.0。实施电泳沉积工序前，使用超声搅拌仪搅拌悬浊液10min。电泳沉积参数为电压15V，频率0.1Hz。经过10min 的电泳沉积，均匀分散的PSZ悬浊液上层变成澄清溶剂，底层出现白色沉淀。得到的沉淀即多孔陶瓷颗粒，其外直径尺寸约20μm，内孔直径约为100nm，孔隙率约在70%。多孔结构陶瓷颗粒在空气中或氮气中干燥，800℃下烧结2 个小时，即得到所需要的纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒。烧结后得到的多孔陶瓷骨料颗粒外径5μm，内孔直径20~50nm，孔隙率约为60%。
上述仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的具体使用方法如下：将得到均匀粉体与水按照1:1.5~2.0 的质量比例均匀混合后，静置20min。此种配方涂料涂敷在高温合金 Fecralloy (Fe22Cr5Al0.3Y)工件表面，涂层厚度为250μm。带有陶瓷涂层的高温合金在1100°C的静态热流下测试，通过热电偶测量陶瓷涂层表面温度。测量结果显示，陶瓷涂层表面温度为850°C。同时对涂敷和未涂敷多孔陶瓷隔热保温涂料Fecralloy 工件的氧化程度进行对比研究。经过 80小时 1150°C高温热环境，未涂敷陶瓷层工件表面氧化层厚度为10.4μm，涂敷陶瓷层工件表面氧化层厚度仅为2μm，表明本发明多孔陶瓷隔热保温涂料具有良好的隔热能力，涂层厚度为250μm 即可以形成250°C 温差；如果增加涂层厚度，则可以得到更好的隔热保温能力。
此案例中，多孔陶瓷骨料颗粒尺寸和孔径小，流动性和高温隔热性较高，适宜在涂层厚度要求小于 500μm的静态或动态高温热载荷(>800°C)工件表面涂刷，并能达到较好的隔热保温效果。同时，此种配方陶瓷涂料还提供了较强的抗金属氧化能力，极大地降低了金属氧化速度。
实施案例二
此案例中，一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的具体配方和过程如实施方案一所述。此种配方涂料涂敷在镍基高温合金Hastelloy C-276 (NiCrMo)工件表面，涂层厚度为500μm。涂覆有陶瓷涂层的高温合金在1400°C的动态热流下测试，动态热流负载频率为每隔2min，加热工件5min。通过热电偶测量陶瓷涂层表面温度。测量结果显示，陶瓷涂层表面温度为 1050°C。由此可知，本发明多孔陶瓷隔热保温涂料具有良好的隔热能力，涂层厚度为500μm 即可以形成350°C 温差，如果增加涂层厚度，则可以达到更好的隔热保温效果。此外，本发明种陶瓷涂料涂层可以连续经历653 次动态热循环冲击，仍旧保留90%左右的涂层覆盖率，这说明此种配方陶瓷涂料具备较强的抗热冲击性，能够较好的缓解热应力应变，可使用在热载荷浮动较大的热传导领域(例如汽车内燃机、工业汽轮机和船用汽轮机等)。
实施案例三
一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料由以下质量份数原料制成：陶瓷骨料65 份，粘结剂 35份组成。用搅拌机搅拌混合好的粘结剂粉末，搅拌参数为1200~2500rpm，搅拌时间30~90min，随后加入制备的陶瓷骨料，搅拌参数调至600~800rpm，搅拌时间30~60min。
上述仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的具体制备方法如下：配制稳定PSZ 颗粒悬浊液。配制稳定的悬浊液中，PSZ 粉末在溶剂中的质量浓度为100Kg/m。溶剂选用乙醇和去离子水的混合溶液，其中乙醇和去离子水体积比例为4:1，并选用浓度为0.1mol/L 醋酸来调节PSZ 颗粒在悬浊液中的表面电荷，以阻止PSZ 颗粒团聚，溶液pH 值调整为2.0。实施电泳沉积工序前，使用超声搅拌仪搅拌悬浊液10min。电泳沉积参数为电压40V，频率1Hz。经过5min 的电泳沉积，均匀分散的PSZ 悬浊液上层变成澄清溶剂，底层出现白色沉淀。得到的沉淀即多孔陶瓷颗粒，其外直径尺寸约50μm，内孔直径约为500nm，孔隙率约在85%。多孔结构陶瓷材料在空气中或氮气中干燥，800℃下烧结2 个小时，即得到所需要的纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒。烧结后得到的多孔陶瓷骨料颗粒外径20μm，内孔直径50~100nm，孔隙率约为80%。上述仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的使用方法如下：将得到均匀粉体与水按照1:1.5~2.0 的质量比例均匀混合后，静置20min。
此案例中，多孔陶瓷骨料颗粒尺寸较大，孔隙率较高，从而此配方涂料的机械强度和隔热性较高，适宜在涂层厚度要求大于500μm 的静态中温热载荷 (<800°C)工件表面涂刷，达到较好的隔热保温效果。采用此种配方涂料涂敷在不锈钢316L 热水管表面，涂层厚度为2mm。带有陶瓷涂层的高温合金在100°C的静态热流下测试。使用点式电子温度计测量陶瓷涂层外表面温度(共计测量10 个位置)。测量结果显示，陶瓷涂层表面温度为41°C。表明本发明多孔陶瓷隔热保温涂料具有良好的隔热能力。
以上对本发明的具体实施方法以及相应的方法达到的效果进行了举例描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料，其特征在于，由以下质量份数的原料组成：纳米多孔陶瓷骨料40~65 份，粘结剂35~60 份；陶瓷骨料选用4.5% mol Y2O3部分稳定化的PSZ作为陶瓷骨料制备原料；粘结剂成分范围为：环氧树脂及氯化聚乙烯15~25 份、有机硅树脂5~15 份、偶联剂2~5 份、助剂6~10 份及溶剂组成。
2.根据权利要求1 所述的仿生多孔陶瓷隔热保温涂料，其特征在于，粘结剂中配制比例如下：硅烷试剂、正丁醇、邻苯二甲酸二丁酯、二甲苯的比例为15 份：5 份：20 份：60 份。
3.根据权利要求1 所述的仿生多孔陶瓷隔热保温涂料，其特征在于，所述涂料为粗糙孔洞复合密实外壁的双层结构。
4.一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：粉末原材料前处理；
S2：PSZ悬浊液的制备；
S3：纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒的制备；
S4：纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒的烧结；
S5：仿生多孔隔热保温涂料粉体的制备。
5.根据权利要求4 所述的仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，PSZ原始粉末颗粒直径为1μm；采用高能球磨机降低颗粒直径，以去离子水为溶剂连续球磨12 小时，得到颗粒直径为100nm的PSZ 粉末；选用颗粒直径为500nm 的氧化铁粉末作为烧结助剂，其质量份为0.5 -2 份；将氧化铁粉末加入颗粒直径为100nm的 PSZ 粉末中继续采用高能球磨机混合0.5 小时，然后取出粉末干燥。
6.根据权利要求4 所述的仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2 中， PSZ粉末在溶剂中的质量浓度为40~100Kg/m3 ；选用乙醇加去离子水作为分散PSZ粉末的溶剂；溶剂中乙醇和去离子水体积比例为4:1；选用0.1mol/L 的醋酸来调节PSZ 颗粒在悬浊液中的表面电荷，以阻止PSZ 颗粒团聚；控制溶液pH值在2.0~4.0，能获得稳定性良好的PSZ 悬浊液；然后使用超声搅拌仪搅拌悬浊液10min。
7.根据权利要求4 所述的仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3 中，通过脉冲电压复合电泳沉积技术制备得到所述多孔陶瓷骨料粉末。
8.根据权利要求4 所述的一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4 中，将步骤S3中的陶瓷骨料粉末取出沉淀，在空气中或氮气中干燥，最后放入马弗炉中，在800℃下烧结2 个小时，即得到纳米多孔稀土掺杂氧化锆基陶瓷骨料颗粒；陶瓷骨料颗粒的外直径在5~20μm 之间，内孔直径在20~100nm 之间，孔隙率在60~80%之间。
9.根据权利要求4 所述的一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5 中，将混合好的粘结剂粉末在搅拌机中以1200~2500rpm的转速搅拌30~90min 后，加入制备的多孔陶瓷骨料颗粒，调整搅拌机转速到600~800rpm 搅拌30~60min，得到均匀粉体涂料。
10.一种仿生多孔陶瓷隔热保温涂料的使用方法，其特征在于，将涂料粉体与水按照1:1.5~2.0 的质量比例均匀混合后，静置20~40min，均匀涂敷于需要保温的材料或设备外表面或内表面，涂敷的厚度为0.25~2mm。
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