CN103044010A - 一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料及制备方法，由复合火山灰、铝酸盐水泥、40－50μm的氧化铬微粉、55－65μm的氮化硅微粉、45－55μm的金刚砂细粉、减水剂、环氧树脂、环氧树脂固化剂、增强纤维和水通过一系列的操作制备而成。本发明中使用了高聚物增强纤维，大大的减少了了衬里材料中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量，有效地提高了衬里材料的耐久性、抗渗性和抗冻融性，使衬里材料的抗冻融次数达到600次以上。

Description

一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料及制备方法

技术领域

本发明涉及到耐磨陶瓷领域，具体的说是一种抗冻融的复合耐磨衬里材料及制备方法，用于矿山、选煤、海港、风电、核电等行业强磨损设备和关键设备的耐磨衬里和外保护层。

背景技术

现有技术中的矿山浮选设备、洗选煤设备、港口强磨损设备、沙漠风电设备和核电设备等，由于长期工作在水溶液或沙漠中，并受到矿浆、煤泥等高含酸碱、高浓度含粉液体的长期冲刷和磨损，传统的钢铁材料受到腐蚀、氧化、磨损，损坏加速，停产维修更换频繁，严重影响企业的经济效益。

目前市场上的一些非金属耐磨陶瓷材料，在水泥行业中高温干燥环境中的应用，取得了一定的应用效果，但对于港口设备、矿山浮选设备、选煤设备等长期浸泡在海水、浮选溶液、洗选煤水中，现有的耐磨陶瓷材料存在下列问题：（1）、材料颗粒较大，80％颗粒大于1mm以上，且级配不合理，以致造成材料内部均匀性较差，材料密度小，抗压强度和抗折强度低；（2）、材料抗渗、抗冻融能力差；（3）、材料粘结能力差，需用钢网和锚固件加固，在水中长期浸泡易形成二层皮现象。

发明内容

为解决现有技术中耐磨陶瓷材料在港口设备、矿山浮选设备、选煤设备上应用时存在的抗压强度和抗折强度低、材料抗渗、抗冻融能力差以及粘结能力差等问题，本发明提供了一种抗冻融的复合耐磨衬里材料及制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种抗渗抗冻融复合耐磨衬里材料，其特征在于：由复合火山灰、铝酸盐水泥、40－50μm的氧化铬微粉、55－65μm的氮化硅微粉、45－55μm的金刚砂细粉、减水剂、环氧树脂、环氧树脂固化剂、增强纤维和水组成，各物料加入的重量百分比是：

复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的加入量是：复合火山灰28.5－74.5％；铝酸盐水泥15-40%；2－3μm的α-氧化铝微粉1-3%；40－50μm的氧化铬微粉0.5-1.5%；55－65μm的氮化硅微粉5-15%；45－55μm的金刚砂细粉3-8%；增强纤维2－5%；

减水剂的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的总重量的0.01－0.5%；

环氧树脂的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的总重量的2－5%；

环氧树脂固化剂的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的总重量的0.1－0.5%；

水的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉、增强纤维、减水剂、环氧树脂和环氧树脂固化剂的总重量的2％；

所述的复合火山灰由粒径为0.05－0.1μm的微硅粉、2－3μm的α-氧化铝微粉1-3%和粒径为150μm－250μm的石英砂复合而成，石英砂、α-氧化铝微粉和硅微粉加入的重量百分比是：石英砂90－94%；硅微粉4－8%、α-氧化铝微粉1－3%。

所述硅微粉中的氧化硅含量不小于90%。

所述α-氧化铝微粉中的氧化铝含量不小于99.5%。

所述石英砂细粉中氧化硅的含量不小于90%

所述铝酸盐水泥为925#铝酸盐水泥。

所述减水剂为高浓型萘系高效减水剂FDN、可溶性树脂型高效减水剂DFS-2或聚磷酸高效减水剂。

所述环氧树脂为双酚A环氧树脂、水性环氧树脂、工程用环氧树脂1210或环氧树脂和呋喃树脂的混合体。

所述环氧树脂固化剂为NJ-1、NJ-2环氧树脂固化剂、NP-345、NP-346环氧树脂固化剂或聚酰胺650、651环氧树脂固化剂。

所述氧化铬微粉中的氧化铬含量不小于99%。

所述氮化硅微粉中的氮化硅含量不小于97%。

所述金刚砂细粉中氧化铝的含量不小于94.5%，氧化硅的含量不大于1.5%，三氧化二铁的含量不大于0.5%，氧化钛的含量不大于1.5%。

所述增强纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维和芳纶纤维中的一种或多种混合。

所述聚丙烯纤维的直径为18-48μm，长度为6-15mm；

所述聚丙烯晴纤维的直径为13μm，长度为6-15mm；

所述芳纶纤维直径为12.5μm, 长度为6-15mm。

一种抗渗抗冻融复合耐磨衬里材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按重量百分比称取石英砂90－94%，石英砂的粒径0.05－0.1μm；硅微粉4－8%，硅微粉的粒径150μm－250μm，硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；粒径为2－3μm的α-氧化铝微粉1-3%，氧化铝含量不小于99.5%；送入球磨机或搅拌机，混合5－10分钟，制成复合火山灰，备用；

步骤二、按重量百分比取复合火山灰28.5－74.5％，铝酸盐水泥15-40%；粒径为40－50μm的氧化铬微粉0.5-1.5%；粒径为55－65μm的氮化硅微粉5-15%；粒径为45－55μm的金刚砂细粉3-8%和增强纤维2－5%，送入搅拌机混合搅拌8－10分钟，制成复合混合料，备用；

步骤三、按施工所需重量取步骤二制得的一定数量的复合混合料，送入搅拌机，开机搅拌1－5分钟，后按复合混合料的总重量加入0.01－0.5%％的减水剂、2－5%的环氧树脂和0.1－0.5%的环氧树脂固化剂，开机搅拌3－5分钟，备用；

步骤四、使用前，向步骤三所述的搅拌机内按重量百分比加入物料总重量的2－4%的水，开机搅拌10－20分钟，即制得产品。

有益效果：本发明与现有技术的耐磨陶瓷材料相比，具有以下优点：

1）微硅粉和石英砂双参，可改善胶凝材料体系中颗粒的紧密堆积，α-氧化铝微粉活性大，作为填充料粒度易于分散，大大提高其填充率，三种物料实现复合火山灰效应，对提高材料的的抗压强度和抗侵蚀性能具有很强的作用；

2）氧化铬微粉具有极高的化学稳定性，不溶于水和酸，耐酸耐碱耐腐蚀，机械强度高，莫氏硬度达到8.5-9，极大提高了材料的的耐磨性和抗冲击性；

3）金刚砂微粉、氮化硅微粉具有很高的硬度和体积密度，极大的提高了材料的耐磨性和抗冲击性；

4）环氧树脂及环氧树脂固化剂与水泥基非金属材料混合使用，增强了材料的防水性能，并保证很高的交联密度，可在室温和潮湿环境条件下固化，优于其他水聚合物；环氧树脂对金属和非金属表面具有优异的粘接强度，耐腐性、抗冻融性和抗渗透性好；

5）聚丙烯晴纤维或芳纶纤维，具有高强度、高模量、耐光、耐高温、耐磨、耐酸碱腐蚀、抗疲劳、抗蠕变的优异性能，其强度是钢纤维的5-6倍，模量是钢纤维的2-3倍，韧性是钢纤维的2倍，聚丙烯晴纤维或芳纶纤维大大的减少了了衬里材料中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量，有效地提高了衬里材料的耐久性、抗渗性和抗冻融性，使衬里材料的抗冻融次数达到600次以上；

综上所述，该材料提高了组分的细度与活性，并加入高聚物纤维，使衬里材料内部结构更加均匀致密，抗压强度≥230 MPa，抗折强度≥60 MPa，而现有的耐磨陶瓷，其抗压强度一般小于110MPa，抗折强度一般小于16MPa，因而本发明的耐磨性更强；高分子材料环氧树脂的加入使衬里材料具有极高的粘接强度，无需焊接锚固件和钢网，无需施加压力和高温养护，即可实现衬里材料与钢材的无结缝连结，施工更加方便快捷；同时具有优异的抗渗性、抗冻融性和耐久性，可长期在海水和含酸碱硫的液体中工作，满足了矿山浮选、选煤厂洗选、海港设备、风电核电设备对耐磨层和外保护层的需求。

附图说明

图1为本发明的50倍电镜扫描图像；

图2为现有耐磨陶瓷的50倍电镜扫描图像。

具体实施方式

本发明中，所选用的组分材料粒径及其性能指标如下，下列实施例中所用的材料均以下述指标选用：

粒径为150μm-250μm的石英砂，925#铝酸盐水泥，粒径为0.05-0.1μm的微硅粉，粒径为2-3μm的α-氧化铝微粉，粒径为40-50μm的氧化铬微粉，粒径为55-65μm的氮化硅微粉，粒径为45-55μm的金刚砂细粉，减水剂，环氧树脂，环氧树脂固化剂和增强纤维；

所述减水剂为高浓型萘系高效减水剂FDN、可溶性树脂型高效减水剂DFS-2或聚磷酸高效减水剂中的任意一种，上述减水剂均可在市场上购买得到；

所述环氧树脂为双酚A环氧树脂、水性环氧树脂、工程用环氧树脂1210或环氧树脂和呋喃树脂的混合体，上述环氧树脂均可在市场上购买得到；

所述环氧树脂固化剂为NJ-1、NJ-2环氧树脂固化剂、NP-345、NP-346环氧树脂固化剂或聚酰胺650、651环氧树脂固化剂，上述环氧树脂固化剂均可在市场上购买得到；

所述增强纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维和芳纶纤维中的一种或多种混合，上述增强纤维均可在市场上购买得到；

所述微硅粉中的氧化硅含量不小于90%，所述α-氧化铝微粉中的氧化铝含量不小于99.5%，所述氧化铬微粉中的氧化铬含量不小于99%，所述氮化硅微粉中的氮化硅含量不小于97%，所述金刚砂细粉中氧化铝的含量不小于94.5%、氧化硅的含量不大于1.5%、三氧化二铁的含量不大于0.5%、氧化钛的含量不大于1.5%；

所述聚丙烯纤维的直径为18-48μm，长度为6-15mm，抗拉强度≥500MPa，密度0.91g/cm³，弹性模量≥3.85 GPa，断裂伸长率10-28﹪；所述聚丙烯晴纤维的直径为13μm，长度为6-15mm，抗拉强度≥900MPa，密度1.18g/cm³，弹性模量≥17GPa，断裂伸长率9-11﹪；所述芳纶纤维直径为12.5μm, 长度为6-15mm，抗拉强度为≥2.06-3.38GMPa,密度1.44g/cm³, 弹性模量≥125GPa，断裂伸长率2.4-3.5﹪。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，实施例中所用的材料均取自上述材料。

实施例1

一种复合耐磨陶瓷材料，其制备步骤如下：

步骤一、按重量百分比称取石英砂90%，石英砂的粒径150－250μm；硅微粉8%，硅微粉的粒径0.05μm－0.1μm，硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；粒径为2－3μm的α-氧化铝微粉2%，氧化铝含量不小于99.5%；送入球磨机或搅拌机，混合5分钟，制成复合火山灰，备用；

步骤二、按重量百分比取复合火山灰28.5％，铝酸盐水泥40%；粒径为40－50μm的氧化铬微粉1.5%；粒径为55－65μm的氮化硅微粉15%；粒径为45－55μm的金刚砂细粉8%和增强纤维5%，送入搅拌机混合搅拌8分钟，制成复合混合料，备用；

步骤三、按施工所需重量取步骤二制得的一定数量的复合混合料，送入搅拌机，开机搅拌1分钟，后按复合混合料的总重量加入0.01%的减水剂、2%的环氧树脂和0.1%的环氧树脂固化剂，开机搅拌3分钟，备用；

步骤四、使用前，向步骤三所述的搅拌机内按重量百分比加入物料总重量的2%的水，开机搅拌10分钟，即制得产品。

实施例2

一种复合耐磨陶瓷材料，其制备步骤如下：

步骤一、按重量百分比称取石英砂94%，石英砂的粒径150－250μm；硅微粉4%，硅微粉的粒径0.05μm－0.1μm，硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；粒径为2－3μm的α-氧化铝微粉2%，氧化铝含量不小于99.5%；送入球磨机或搅拌机，混合10分钟，制成复合火山灰，备用；

步骤二、按重量百分比取复合火山灰74.5％，铝酸盐水泥15%；粒径为40－50μm的氧化铬微粉0.5%；粒径为55－65μm的氮化硅微粉5%；粒径为45－55μm的金刚砂细粉3%和增强纤维2%，送入搅拌机混合搅拌10分钟，制成复合混合料，备用；

步骤三、按施工所需重量取步骤二制得的一定数量的复合混合料，送入搅拌机，开机搅拌5分钟，后按复合混合料的总重量加入0.5%的减水剂、5%的环氧树脂和0.5%的环氧树脂固化剂，开机搅拌5分钟，备用；

步骤四、使用前，向步骤三所述的搅拌机内按重量百分比加入物料总重量的4%的水，开机搅拌20分钟，即制得产品。

实施例3

一种复合耐磨陶瓷材料，其制备步骤如下：

步骤一、按重量百分比称取石英砂91%，石英砂的粒径150－250μm；硅微粉6%，硅微粉的粒径0.05μm－0.1μm，硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；粒径为2－3μm的α-氧化铝微粉3%，氧化铝含量不小于99.5%；送入球磨机或搅拌机，混合8分钟，制成复合火山灰，备用；

步骤二、按重量百分比取复合火山灰52％，铝酸盐水泥28%；粒径为40－50μm的氧化铬微粉1%；粒径为55－65μm的氮化硅微粉10%；粒径为45－55μm的金刚砂细粉5.5%和增强纤维3.5%，送入搅拌机混合搅拌9分钟，制成复合混合料，备用；

步骤三、按施工所需重量取步骤二制得的一定数量的复合混合料，送入搅拌机，开机搅拌3分钟，后按复合混合料的总重量加入0.3%的减水剂、3.5%的环氧树脂和0.3%的环氧树脂固化剂，开机搅拌4分钟，备用；

步骤四、使用前，向步骤三所述的搅拌机内按重量百分比加入物料总重量的3%的水，开机搅拌15分钟，即制得产品。

实施例4

一种复合耐磨陶瓷材料，其制备步骤如下：

步骤一、按重量百分比称取石英砂92%，石英砂的粒径150－250μm；硅微粉7%，硅微粉的粒径0.05μm－0.1μm，硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；粒径为2－3μm的α-氧化铝微粉1%，氧化铝含量不小于99.5%；送入球磨机或搅拌机，混合7分钟，制成复合火山灰，备用；

步骤二、按重量百分比取复合火山灰53％，铝酸盐水泥27%；粒径为40－50μm的氧化铬微粉1%；粒径为55－65μm的氮化硅微粉10%；粒径为45－55μm的金刚砂细粉6%和增强纤维3%，送入搅拌机混合搅拌10分钟，制成复合混合料，备用；

步骤三、按施工所需重量取步骤二制得的一定数量的复合混合料，送入搅拌机，开机搅拌2分钟，后按复合混合料的总重量加入0.2%的减水剂、3%的环氧树脂和0.25%的环氧树脂固化剂，开机搅拌3分钟，备用；

步骤四、使用前，向步骤三所述的搅拌机内按重量百分比加入物料总重量的3.5%的水，开机搅拌16分钟，即制得产品。

分别取本发明的产品和现有市售的耐磨陶瓷产品做50倍电镜扫描，电镜扫描图像如附图所示，由图上可以明显看出，本发明的颗粒细度小、分布均匀，结构致密无孔洞，因此其抗渗性好；而现有市售的耐磨陶瓷产品则颗粒粒径大、分布不均匀，其内分布有大量的孔洞，导致其抗渗性能差。

Claims (8)

1.一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：由复合火山灰、铝酸盐水泥、40－50μm的氧化铬微粉、55－65μm的氮化硅微粉、45－55μm的金刚砂细粉、减水剂、环氧树脂、环氧树脂固化剂、增强纤维和水组成，各物料加入的重量百分比是：

复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的加入量是：复合火山灰28.5－74.5％；铝酸盐水泥15-40%；40－50μm的氧化铬微粉0.5-1.5%；55－65μm的氮化硅微粉5-15%；45－55μm的金刚砂细粉3-8%；增强纤维2－5%；

减水剂的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的总重量的0.01－0.5%；

环氧树脂的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的总重量的2－5%；

环氧树脂固化剂的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉和增强纤维的总重量的0.1－0.5%；

水的加入量是复合火山灰、铝酸盐水泥、氧化铬微粉、金刚砂细粉、增强纤维、减水剂、环氧树脂和环氧树脂固化剂的总重量的2％；

所述的复合火山灰由粒径为0.05－0.1μm的微硅粉、2－3μm的α-氧化铝微粉1-3%和粒径为150μm－250μm的石英砂复合而成，石英砂、α-氧化铝微粉和硅微粉加入的重量百分比是：石英砂90－94%；硅微粉4－8%、α-氧化铝微粉1－3%。

2.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：所述硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；所述α-氧化铝微粉中的氧化铝含量不小于99.5%。

3.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：所述减水剂为高浓型萘系高效减水剂FDN、可溶性树脂型高效减水剂DFS-2或聚磷酸高效减水剂中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：所述环氧树脂为双酚A环氧树脂、水性环氧树脂、工程用环氧树脂1210或环氧树脂和呋喃树脂的混合体中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：所述环氧树脂固化剂为NJ-1、NJ-2环氧树脂固化剂、NP-345、NP-346环氧树脂固化剂或聚酰胺650、651环氧树脂固化剂。

6.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：所述氧化铬微粉中的氧化铬含量不小于99%；所述氮化硅微粉中的氮化硅含量不小于97%；所述金刚砂细粉中氧化铝的含量不小于94.5%，氧化硅的含量不大于1.5%，三氧化二铁的含量不大于0.5%，氧化钛的含量不大于1.5%。

7.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料，其特征在于：所述增强纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维和芳纶纤维中的一种或多种混合；

所述聚丙烯纤维的直径为18-48μm，长度为6-15mm；

所述聚丙烯晴纤维的直径为13μm，长度为6-15mm；

所述芳纶纤维直径为12.5μm, 长度为6-15mm。

8.根据权利要求1所述的一种抗渗抗冻融的复合耐磨衬里材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、按重量百分比称取石英砂90－94%，石英砂的粒径0.05－0.1μm；硅微粉4－8%，硅微粉的粒径150μm－250μm，硅微粉中的氧化硅含量不小于90%；粒径为2－3μm的α-氧化铝微粉1-3%，氧化铝含量不小于99.5%；送入球磨机或搅拌机，混合5－10分钟，制成复合火山灰，备用；

步骤二、按重量百分比取复合火山灰28.5－74.5％，铝酸盐水泥15-40%；粒径为40－50μm的氧化铬微粉0.5-1.5%；粒径为55－65μm的氮化硅微粉5-15%；粒径为45－55μm的金刚砂细粉3-8%和增强纤维2－5%，送入搅拌机混合搅拌8－10分钟，制成复合混合料，备用；

步骤三、按施工所需重量取步骤二制得的一定数量的复合混合料，送入搅拌机，开机搅拌1－5分钟，后按复合混合料的总重量加入0.01－0.5%的减水剂、2－5%的环氧树脂和0.1－0.5%的环氧树脂固化剂，开机搅拌3－5分钟，备用；

步骤四、使用前，向步骤三所述的搅拌机内按重量百分比加入物料总重量的2－4%的水，开机搅拌10－20分钟，即制得产品。

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