CN103044065B

CN103044065B - 多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103044065B
Application number: CN201210579829.2A
Authority: CN
Inventors: 王浩; 梅森; 王飞; 彭玲
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103044065A

Abstract

本发明采用发泡原位凝固法制备多孔氧化物陶瓷（硅酸铝、莫来石、氧化铝陶瓷），所述多孔硅酸铝、莫来石、氧化铝陶瓷分别以高岭土、铝矾土、硅微粉、氧化铝、石英为原料，以金属铝粉、松香皂或十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇或羧甲基纤维素钠、琼脂为产气剂、发泡剂、稳泡剂和成型剂，采用以下步骤制备：1、陶瓷浆料的制备；2、浆料的发泡；3、浆料原位注凝成型；4、成型后坯体干燥、烧成。本发明提供的多孔氧化物陶瓷保温材料孔隙分布均匀，具有良好的保温和抗热震性能。该方法工艺简单、成本低，可制备出不同温度（1200~1600℃）下使用的高温窑炉保温隔热材料，长期使用中不粉化、不开裂，提高了现有窑炉保温隔热材料的使用寿命。

Description

多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及窑炉保温隔热材料技术领域，具体涉及不同材质的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料（例如多孔硅酸铝、莫来石和氧化铝陶瓷窑炉保温材料）的制备方法。

背景技术

高温窑炉保温隔热材料从最初的膨胀珍珠岩、矿物棉、玻璃棉逐渐发展到轻质粘土砖、多孔泡沫砖，进一步发展到氧化物多晶陶瓷耐火纤维。多晶陶瓷纤维，具有导热率低、绝热节能效果好的特点，在工业窑炉和高温炉中被广泛应用。

多晶陶瓷纤维窑炉保温材料，按组分可以分为硅酸铝纤维、莫来石陶瓷纤维，氧化铝陶瓷多晶纤维、氧化锆纤维。这些不同种类的纤维材料，采用负压成型的方式，制备成块状、毡装、管状耐火保温材料，保温最高使用温度分别从1300-2000℃。例如，以氧化铝陶瓷纤维制成的耐火毡最高使用温度可以达到1650℃，它的隔热效果好、使用方便、特别是其蓄热小的特点，普遍应用于各式的窑炉中。

目前，氧化铝基纤维，包括硅酸铝、莫来石和氧化铝纤维的制备方法有：溶胶-凝胶法、熔融喷丝法、有机前驱体浸渍法等，这些方法分别存在着原料成本高，制备工艺复杂难控制、耗能大等问题；同时，氧化物陶瓷纤维由于其内部结构的不均匀性，在长期使用过程中，存在以下缺陷：

(1) 陶瓷纤维长期在高温下使用会产生粉化现象，由于纤维不断粉化脱落,不仅使窑墙逐渐损毁，而且粉化微粒会粘污制品。

( 2)由于陶瓷纤维的容重比较小，所以砌成的窑体结构相对比较松散，纤维结构之间不能密实地拥集。这样燃料燃烧所产生的气体成分及陶瓷釉料烧成中产生的釉汽将侵蚀纤维，使其收缩、硬结、粉化脱落，于是保温层体积迅速变小并减弱了相当的保温性能。

(3)陶瓷纤维材料内部结构不均匀，孔隙均为开口形式，材料辐射率会随温度的升高而降低，使整体热效率降低，炉气辐射的热量大部分被反射回来，大部分被废气所吸收而排走，这大大增加窑炉的能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服上述现有的各类陶瓷纤维存在制备工艺复杂、成本高，且纤维材料内部结构的不均匀性，造成在高温下使用辐射率低能耗大，使用寿命短等问题，提供一种制备不同材质的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的方法。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料，包括多孔硅酸铝、莫来石或氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料，所述多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料原料由高岭土15~20%、铝矾土55~65%、硅微粉15~20%组成，所述多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料原料由高岭土35~40%、铝矾土10~15%、氧化铝50~55%组成，所述多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料由氧化铝90~95%、石英5~10%组成，均为质量百分比。

所述的多孔硅酸铝、莫来石和氧化铝陶瓷窑炉保温材料，其内部均具有彼此相通或闭合的微孔，气孔率为体积70%~90%，25℃时的导热系数为0.044~0.052W/mK，容重≤200kg/m³，密度≤0.6g/cm³，抗压强度为3MPa~10MPa，在1200~1600℃下长期使用。

本发明提供的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料，其制备方法是：采用发泡原位注凝法制备，具体是：按质量百分比计，将陶瓷原料粉体75~80%、外加分散剂0.3~0.5%和去离子水20~25%装入球磨罐中，球磨后制得陶瓷浆料，所述陶瓷原料粉体为满足制备多孔硅酸铝、莫来石或氧化铝陶瓷组成的各原料混合物；外加发泡剂0.5~1%、稳泡剂3~6%、产气剂金属铝粉1~2%和成型剂3~5%加入到陶瓷浆料中，该浆料的pH值调节为10~11，再置于45~50℃的水浴中搅拌发泡；然后将发泡后的陶瓷浆料注入模具中原位注凝成型，最后经凝固、干燥和烧结制得多孔氧化物窑炉保温材料。

所述多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料原料可以由高岭土15~20%、铝矾土55~65%、硅微粉15~20%组成，所述多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料原料可以由高岭土35~40%、铝矾土10~15%、氧化铝50~55%组成，所述多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料可以由氧化铝90~95%、石英5~10%组成。

所述的产气剂可以采用金属铝粉，其外加量为陶瓷浆料总质量的1~2%。

本发明可以采用氨水、碳酸氢铵或尿素调节陶瓷浆料的pH值。

所述的发泡剂可以采用表面活性剂，其包括松香皂或十二烷基硫酸钠，其外加量为陶瓷浆料的0.5~1% 。

所述的稳泡剂可以采用质量浓度为8%的聚乙烯醇的水溶液或羧甲基纤维素钠的水溶液，其外加量为陶瓷浆料的3~6%；采用琼脂作为原位注凝成型工艺的成型剂，其外加量为陶瓷浆料的3~5%。

所述的分散剂可以采用聚丙烯酸钠，其外加量为陶瓷浆料总质量的0.3~0.5% 。

所述的多孔硅酸铝、莫来石和氧化铝陶瓷窑炉保温材料，其烧结温度分别可以为1350℃、1450℃、1600℃，其烧结时间均为2~4h，主晶相分别为硅酸铝、莫来石和氧化铝。

本发明的反应机理为：利用产气剂金属铝粉在陶瓷浆料（硅酸铝、莫来石和氧化铝）中与水反应生成气体，在发泡剂（松香皂或十二烷基硫酸钠等表面活性剂）、高分子稳泡剂（如聚乙烯醇或羧甲基纤维素钠等）作用下，通过加热、搅拌等方式使气体均匀分在陶瓷浆料内部而形成发泡陶瓷浆料，最后利用成型剂琼脂冷却凝固的特性使陶瓷浆料原位固化成型，成型坯体经干燥，烧结后制得不同材质的多孔氧化物陶瓷材料。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1.利用原位注凝法制备多孔氧化物窑炉保温材料工艺简单、技术路线可控、成本低、对生产设备的要求不高，降低了现有保温材料生产成本。

2.所得材料孔隙率高且微孔分布均匀一致，孔隙为闭口形式，能够在高温（1200~1600℃）下长期使用不粉化、不开裂，有效地解决了陶瓷纤维存在的问题，提高了保温材料使用寿命。

3. 高温烧成后制得硅酸铝、莫来石、氧化铝多孔陶瓷保温材料中主晶相分别为硅酸铝、莫来石、氧化铝，导热系数低（0.044~0.052W/mK），抗压强度高（3MPa~10MPa），容重低（<200kg/m³）热效率高，具备优良的高温强度和保温隔热性能，

4. 在分散剂的作用下陶瓷浆料固含量可达到75~80%，有效地保证了坯体在干燥和烧成时几乎没有体积收缩，产品尺寸易于控制，能制备大尺寸的窑炉保温砌块材料。

附图说明

图1是实施实例1中1400℃条件下烧成的多孔硅酸铝陶瓷保温材料的X射线衍射图，主晶相为硅酸铝，同时还有少量氧化铝晶相。

图2是实施实例3中1450℃条件下烧成的多孔莫来石陶瓷保温材料的X射线衍射图，主晶相为莫来石，同时还有少量氧化铝晶相。

图3是实施实例5中1600℃条件下烧成的多孔氧化铝陶瓷保温材料的X射线衍射图，主晶相为氧化铝。

图4是实施实例1中多孔硅酸铝陶瓷保温材料50倍扫描电镜照片。

图5是实施实例3中多孔莫来石陶瓷保温材料50倍扫描电镜照片。

图6是实施实例5中多孔氧化铝陶瓷保温材料50倍扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明采用发泡原位注凝法制备多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料，其制备方法如下：

（1）陶瓷浆料的制备：

将满足多孔硅酸铝、莫来石或氧化铝陶瓷窑炉保温材料组成的各原料混合物，按75~80%（重量百分比，下同）、外加分散剂0.3~0.5%和去离子水20~25%装入球磨罐中，球磨后制得各陶瓷浆料。其中：多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料原料粉体由高岭土15~20%、铝矾土55~65%、硅微粉15~20%组成；多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料原料粉体由高岭土35~40%、铝矾土10~15%、氧化铝50~55%组成，多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料粉体由氧化铝90~95%、石英5~10%组成。

（2）陶瓷浆料发泡：

在步骤（1）所制备的各陶瓷浆料中，按陶瓷浆料的重量百分比，加入发泡剂0.5~1%、稳泡剂3~6%、产气剂金属铝粉1~2%和成型剂琼脂3~5%；并加入氨水、碳酸氢铵或尿素调节陶瓷浆料的pH值至10~11，再置于45~50℃的水浴中搅拌发泡。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的各陶瓷浆料注入模具中冷却凝固成型。

（4）干燥、烧成：

将步骤（3）所得成型坯体在50℃条件下干燥2~6h，升温至80℃，在80℃条件下干燥6~10h，再升温至120℃，在120℃条件下干燥10~14h，得到多孔氧化物陶瓷素坯。将各陶瓷素坯分别在烧结温度为1400℃~1600℃的条件下烧结2~4h，然后随炉冷却到室温，即得多孔硅酸铝、莫来石、氧化铝陶瓷。其中硅酸铝陶瓷的烧结温度为1400℃，莫来石陶瓷的烧结温度为1450℃，氧化铝陶瓷的烧结温度为1600℃。

实施例1：多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料

（1）多孔硅酸铝陶瓷浆料的配制：

在球磨罐中按陶瓷粉体高岭土：铝矾土：硅微粉：分散剂（外加）：去离子水的比例为14g：46g：15g：0.4g：25g加料,采用球磨机进行球磨24h，得到固含量为75%的硅酸铝陶瓷浆料。

（2）陶瓷浆料发泡：

将1g十二烷基硫酸钠、3g浓度为8%的PVA、1.5g金属铝粉和4g琼脂加入到上述硅酸铝陶瓷浆料中，再加入2g氨水，使硅酸铝陶瓷浆料pH值为10；并置于45℃的水浴中搅拌1.5h。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的硅酸铝陶瓷浆料注入模具中冷却，并凝固成型。

（4）干燥、烧成：

将步骤（3）所得坯体在50℃条件下干燥4h，升温至80℃干燥8h，再升温至120℃下干燥12h，得到硅酸铝陶瓷素坯。

在温度制度为以5℃/min升到1400℃，保温2h的条件下将硅酸铝陶瓷素坯烧结，然后随炉冷却到室温，即得多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料。

实施例1制备的多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料，其X射线衍射图见图1，由图1可知主晶相为硅酸铝，同时还有少量氧化铝晶相；50倍扫描电镜照片见图4。

实施例2：多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料

（1）硅酸铝陶瓷浆料的配制：

向球磨罐中按陶瓷粉体高岭土：铝矾土：硅微粉：分散剂（外加）：去离子水的比例为14g：46g：15g：0.4g：25g加料，采用球磨机进行球磨24h，得到固含量为75%的硅酸铝陶瓷浆料。

（2）陶瓷浆料发泡：

将1g十二烷基硫酸钠、6g浓度为8%的PVA、2g金属铝粉和4g琼脂，加入到上述硅酸铝陶瓷浆料中，再加入2g氨水，使硅酸铝陶瓷浆料pH值为10；并置于50℃的水浴中搅拌1.5h。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的硅酸铝陶瓷浆料注入模具中冷却，并凝固成型

（4）干燥、烧成：

将步骤（3）所得坯体在50℃条件下干燥4h，升温至80℃干燥8h，再升温至120℃干燥12h，得到硅酸铝陶瓷素坯。

在温度制度为以5℃/min升到1400℃，保温2h的条件下将硅酸铝陶瓷素坯烧结，然后随炉冷却到室温，即得硅酸铝多孔保温陶瓷材料。

实施例3：多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料

（1）多孔莫来石陶瓷浆料的配制：

向球磨罐中按高岭土：铝矾土：氧化铝：分散剂（外加）：去离子水的比例为27g：10g：:38 g：0.4g：25g加料，采用球磨机进行球磨24h，得到固含量为75%的莫来石陶瓷浆料。

（2）陶瓷浆料发泡：

将1g十二烷基硫酸钠、3g浓度为8%的PVA、1.5g金属铝粉和4g琼脂加入到上述莫来石陶瓷浆料中，再加入2g氨水，使莫来石陶瓷浆料pH值为10；并置于45℃的水浴中搅拌1.5h。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的莫来石陶瓷浆料注入模具中冷却，并凝固成型。

（4）干燥、烧成：

将步骤（3）所得坯体在50℃条件下干燥2h，升温至80℃干燥6h，再升温至120℃干燥10h，得到莫来石陶瓷素坯。

在温度制度为以5℃/min升到1450℃，保温2h的条件下将莫来石陶瓷素坯烧结，然后随炉冷却到室温，即得莫来石多孔保温陶瓷。

实施例3制备的多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料，其X射线衍射图见图2，由图2可知主晶相为莫来石，同时还有少量氧化铝晶相；50倍扫描电镜照片见图5。

实施例4：多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料

（1）多孔莫来石陶瓷浆料的配制：

向球磨罐中按高岭土：铝矾土：氧化铝：分散剂（外加）：去离子水的比例为27g：10g：38g：0.4g：25g加料，采用球磨机进行球磨24h，得到固含量为75%的莫来石陶瓷浆料。

（2）陶瓷浆料发泡：

将1g十二烷基硫酸钠、6g浓度为8%的PVA、2g金属铝粉和4g琼脂加入到上述莫来石陶瓷浆料中，再加入2g氨水，使莫来石陶瓷浆料pH值为10；并置于50℃的水浴中搅拌1.5h。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的莫来石陶瓷浆料注入模具中冷却，并凝固成型。

（4）干燥、烧成：

在温度制度为以5℃/min升到1450℃，保温4h的条件下将莫来石陶瓷素坯烧结，然后随炉冷却到室温，即得莫来石多孔保温陶瓷。

实施例5：多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料

（1）多孔氧化铝陶瓷浆料的配制：

向球磨罐中按氧化铝：石英：分散剂（外加）和去离子水的比例为76g：4g：0.4g：20g加料，采用球磨机进行球磨24h，得到固含量为80%的氧化铝陶瓷浆料。

（2）陶瓷浆料发泡：

将1g十二烷基硫酸钠、3g浓度为8%的PVA、1.5g金属铝粉和4g琼脂加入到上述氧化铝陶瓷浆料中，再加入2g氨水，使氧化铝陶瓷浆料pH值为10；并置于45℃的水浴中搅拌1.5h。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的氧化铝陶瓷浆料注入模具中冷却，并凝固成型。

（4）干燥、烧成：

将步骤（3）所得坯体在50℃条件下干燥4h，升温至80℃干燥8h，再升温至120℃干燥12h，得到氧化铝陶瓷素坯。

在温度制度为以5℃/min升到1600℃，保温4h的条件下将氧化铝陶瓷素坯烧结，然后随炉冷却到室温，即得氧化铝多孔保温陶瓷。

实施例5制备的多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料，其X射线衍射图见图3，由图3可知主晶相为氧化铝；50倍扫描电镜照片见图6。

实施例6：多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料

（1）多孔氧化铝陶瓷浆料的配制：

（2）陶瓷浆料发泡：

将1g十二烷基硫酸钠、6g浓度为8%的PVA、2g金属铝粉和4g琼脂加入到上述氧化铝陶瓷浆料中，再加入2g氨水，使氧化铝陶瓷浆料pH值为10；并置于50℃的水浴中搅拌1.5h。

（3）原位注凝成型：

将发泡后的氧化铝陶瓷浆料注入模具中冷却，并凝固成型。

（4）干燥、烧成：

上述实施例制备的多孔氧化物陶瓷，其性能见表1，由表1可知多孔氧化物陶瓷导热系数低（0.044~0.052W/mK）、容重低（<200kg/m³）、孔隙率高（70%~80%）、抗压强度高（3MPa~10MPa）、重烧线收缩率低（0.1~0.4%）。

上述实施例采用的PVA的浓度为质量浓度。

附表

表1 实例多孔氧化物陶瓷的物理性能

Claims

1. 多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料，其特征是包括多孔硅酸铝、莫来石或氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料，所述多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料原料由高岭土15~20%、铝矾土55~65%、硅微粉15~20%组成，所述多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料原料由高岭土35~40%、铝矾土10~15%、氧化铝50~55%组成，所述多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料由氧化铝90~95%、石英5~10%组成，均为质量百分比；所述的多孔硅酸铝、莫来石和氧化铝陶瓷窑炉保温材料，其内部均具有彼此相通或闭合的微孔，气孔率为体积70%~90%，25℃时的导热系数为0.044~0.052W/mK，容重≤200kg/m³，密度≤0.6g/cm³，抗压强度为3MPa~10MPa，在1200~1600℃下长期使用。

2.多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是采用发泡原位注凝法制备，具体是：按质量百分比计，将陶瓷原料粉体75~80%、外加分散剂0.3~0.5%和去离子水20~25%装入球磨罐中，球磨后制得陶瓷浆料，所述陶瓷原料粉体为满足制备多孔硅酸铝、莫来石或氧化铝陶瓷组成的各原料混合物；外加发泡剂0.5~1%、稳泡剂3~6%、产气剂金属铝粉1~2%和琼脂3~5%加入到陶瓷浆料中，该浆料的pH值调节为10~11，再置于45~50℃的水浴中搅拌发泡；然后将发泡后的陶瓷浆料注入模具中原位注凝成型，最后经凝固、干燥和烧结制得多孔氧化物窑炉保温材料。

3.根据权利要求2所述的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是所述多孔硅酸铝陶瓷窑炉保温材料原料由高岭土15~20%、铝矾土55~65%、硅微粉15~20%组成，所述多孔莫来石陶瓷窑炉保温材料原料由高岭土35~40%、铝矾土10~15%、氧化铝50~55%组成，所述多孔氧化铝陶瓷窑炉保温材料原料由氧化铝90~95%、石英5~10%组成。

4.根据权利要求2所述的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是采用氨水、碳酸氢铵或尿素调节陶瓷浆料的pH值。

5.根据权利要求2所述的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是所述的发泡剂采用表面活性剂，其包括松香皂或十二烷基硫酸钠，其外加量为陶瓷浆料的0.5~1% 。

6.根据权利要求2所述的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是所述的稳泡剂采用质量浓度为8%的聚乙烯醇的水溶液或羧甲基纤维素钠的水溶液，其外加量为陶瓷浆料的3~6%；采用琼脂作为原位注凝成型工艺的成型剂，其外加量为陶瓷浆料的3~5%。

7.根据权利要求2所述的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是所述的分散剂采用聚丙烯酸钠，其外加量为陶瓷浆料总质量的0.3~0.5% 。

8.根据权利要求2所述的多孔氧化物陶瓷窑炉保温材料的制备方法，其特征是所述的多孔硅酸铝、莫来石和氧化铝陶瓷窑炉保温材料，其烧结温度分别为1350℃、1450℃、1600℃，其烧结时间均为2~4h，主晶相分别为硅酸铝、莫来石和氧化铝。