CN102826840B - 一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球及其制备方法，该中空陶瓷球主要由硅、铝、氧三种元素组成，并含有少量的钠元素，相组成为二氧化硅、三氧化二铝、莫来石，其球体外径为0.04～0.8mm，真实密度为0.7～1.7g/cm3，壁厚为5～70μm，耐静压强度为60～120MPa。其制备方法如下：在20～35重量份水玻璃中，依次加入1～10重量份α-Al2O3或叶蜡石，1～5重量份尿素，高速搅拌至原料均匀分布，通过造粒、预烧、酸洗除钠、高温烧结为中空陶瓷球。该中空陶瓷球密度较低、空心、球形度较好、壁厚较厚、耐火度较高、强度较高，是新型的轻质耐火材料和低密度支撑剂，其制备方法操作简便，原料来源广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于轻质耐火材料领域、煤层气领域的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球及其制备方法。
背景技术
美国早在20世纪80年代就开始了空心陶瓷球的研制工作，已经能够工业化生产。试验研制工作最早是由亚特兰大乔治亚理工学院材料科学与工程系的AlanT.Chapman和Joe K.Ochran两位工程技术人员开始的，他们采用二元共轴喷嘴，喷嘴有内管和外管，内管是气管，主要是用来释放气体的，内管外壁和外管内壁之间装有处于高度悬浮状态的陶瓷粉体的浆体，陶瓷粉体粒径在0.5~3微米之间，该工艺非常类似用细管吹肥皂泡。该方法具有球体粒径可控、密度可控、壁厚可控、生产陶瓷球类型众多等优异特点。但是该方法有三个技术上难点：一是陶瓷粉体需高度均匀分散开，以保证空心陶瓷成分的均匀；二是陶瓷粉体的精细加工成本过高；三是喷口尺寸设计和精度加工难度稍高。该空心陶瓷小球可用来制作延长工业炉的寿命绝热材料,也可用于汽车用催化装置的发射-吸收丸。科克伦的陶瓷填料公司将开发并销售这种空心陶瓷小球。不仅如此，具有一定壁厚的空心陶瓷球还可以用作煤层气的支撑剂。据有关报道，美国新泽西州爱迪生的迈克若西勒技术公司已能批量生产粒径为1~6.0mm，对应的整体球体密度分别是0.64~1.10g/cm3和0.13~0.18g/cm3的α-氧化铝、莫来石和日用瓷质陶瓷球。球体直径和体密度的偏差可以控制在5%以内。用此工艺还可以生产镍质、氧化锆和氧化硅等球体。全球著名的3M公司已经在批量生产并销售名称为3MTM中空陶瓷微球系列（氧化硅铝陶瓷），该中空陶瓷球真实密度为0.7g/cm3，最大粒径为225微米。
目前，现有工业化生产空心陶瓷球（氧化铝和氧化锆等空心陶瓷球）是通过熔融喷吹法制备而来，该法需将原料高温熔化（2000～2200摄氏度(℃)），然后通过高速气流吹制而成。此方法能耗大、粒径分布不均，实心球的比率较高。本发明SiO2-Al2O3系中空陶瓷球不仅原料来源广泛、而且烧结温度适中。同时该 SiO2-Al2O3系中空陶瓷球制备方法简单易操作，可广泛推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，该中空陶瓷球密度较低、空心、球形度较好、壁厚较厚、耐火度较高、强度较高，是一种新型的轻质耐火材料和低密度支撑剂。
本发明的另一目的在于提供一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制备方法，该制备方法操作简便，原料就是传统的工业水玻璃和三氧化二铝或叶蜡石，来源广泛，对于后期的产业化过程具有重大意义。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，该中空陶瓷球主要由硅、铝、氧三种元素组成，并含有少量的钠元素，其重量百分比为：硅15～23%，铝6～12%，钠小于1%，其余为氧，相组成为二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、莫来石。
该SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，球体外径为0.04～0.8mm，真实密度为0.7～1.7g/cm3，壁厚为5～70μm，耐静压强度为60～120MPa。
所述中空陶瓷球，其制备原料为硅酸钠（水玻璃）、α-Al2O3或叶蜡石，发泡剂为尿素，以上所述原料均为市售。
该SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制备方法如下：
在20～35重量份水玻璃中，依次加入1～10重量份α-Al2O3或叶蜡石，1～5重量份尿素，高速搅拌至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒、预烧、酸洗除钠、高温烧结为中空陶瓷球。
所述水玻璃的模数为2.5～3.5，所述α-Al2O3或叶蜡石，其粉体粒径为0.5～15μm。
所述预烧是将已造粒的含钠空心陶瓷球置于电炉中，在300～1000℃下预烧1～2小时。
所述酸洗除钠是将预烧好的空心陶瓷球按一定比例(每500克空心陶瓷球需要1000～1500毫升的酸性溶液)置于酸性溶液中，除去钠；所用酸液是硫酸、硝酸、盐酸或其混合溶液，其H+浓度为0.5～3摩尔/升，酸洗时间为1～12小时。
所述高温烧结是将酸洗除钠后的空心陶瓷球与膨润土按以下重量百分比混合均匀：空心陶瓷球95～99％，膨润土1～5％，置于天然气窑炉或电炉中，烧结温度为1300～1600℃，烧结1～3小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）该SiO2-Al2O3系中空陶瓷球烧结温度适中，能耗低。
（2）该SiO2-Al2O3系中空陶瓷球密度和壁厚可以调整。
（3）该SiO2-Al2O3系中空陶瓷球制备方法简单易操作，对生产设备性能要求较低。
（4）该SiO2-Al2O3系中空陶瓷球密度低、壁厚较厚、耐火度高。
附图说明
图1本发明的空心陶瓷微球SEM照片
图2本发明的空心陶瓷球壁厚SEM照片
具体实施方式
一、本发明SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制备（以下所述原料均为重量份）
实施例1
在25份水玻璃中，依次加入3份α-Al2O3，1份尿素，高速搅拌30分钟至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为300～400℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H+浓度为1摩尔/升，酸洗时间为1小时，最后在1300℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
实施例2
在25份水玻璃中，依次加入4份叶蜡石，1份尿素，高速搅拌30分钟至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为400～500℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H+浓度为1摩尔/升，酸洗时间为2小时，最后在1350℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
实施例3
在25份水玻璃中，依次加入4份α-Al2O3，1份尿素，高速搅拌30分钟至 原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为500～700℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H+浓度为1摩尔/升，酸洗时间为3小时，最后在1400℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
实施例4
在25份水玻璃中，依次加入5份叶蜡石，1份尿素，高速搅拌30分钟至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为700～800℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H+浓度为1摩尔/升，酸洗时间为4小时，最后在1450℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
实施例5
在25份水玻璃中，依次加入6份α-Al2O3，1份尿素，高速搅拌30分钟至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为800～1000℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H浓度为1摩尔/升，酸洗时间为5小时，最后在1500℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
二、本发明SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的基本参数与性能测试
按照依据SY/T5108-2006压裂支撑剂性能指标及测试方法测试中空陶瓷球的球度、视密度，同时依据GB/T 5989-1998耐火制品荷重软化温度试验方法示差-升温法，对中空陶瓷球软化温度进行测试，测试结果见图1、图2和表1。
表1SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的基本参数与性能测试
Claims (2)
1.一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，其制备方法如下：在25份水玻璃中，依次加入5份叶蜡石，1份尿素，高速搅拌30分钟至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为700～800℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H+浓度为1摩尔/升，酸洗时间为4小时，最后在1450℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
2.一种SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，其制备方法如下：在25份水玻璃中，依次加入6份α-Al2O3，1份尿素，高速搅拌30分钟至原料均匀分布，通过喷雾干燥造粒，预烧温度为800～1000℃，保温时间1小时，然后酸洗除钠，酸洗溶液H+浓度为1摩尔/升，酸洗时间为5小时，最后在1500℃高温烧结，保温2小时，得到中空陶瓷球。
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