CN103755346B - 一种用于耐高温涂料的空心梯度轻质高红外热阻隔微球 - Google Patents

一种用于耐高温涂料的空心梯度轻质高红外热阻隔微球 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于耐高温涂料的空心梯度高红外热阻隔微球结构及其制备方法。本发明属于高温隔热材料技术领域。该陶瓷微球结构为空心，且陶瓷微球由MO2(M＝Ti，Zr)、SiC两相组成，各相组分含量沿半径方向呈连续的梯度变化。该微球采用种子沉淀与先驱体转化法相结合，步骤为：首先磺化交联聚苯乙烯(SPS)微球，利用沉淀法将聚碳硅烷(PCS)与金属醇盐混合溶液滴加到搅拌着的SPS水溶液中，经烘干及熟化后得到梯度陶瓷先驱体包覆的SPS实心微球，再将实心微球于真空炉烧结(1000-1400℃)，得到空心梯度陶瓷微球。本发明具有制备工艺简单，性能优异，产品红外热阻隔效果好，适用范围广等优点。

Description

一种用于耐高温涂料的空心梯度轻质高红外热阻隔微球
技术领域
本发明涉及一种轻质高红外热阻隔微球的结构及其制备方法，更具体的说，涉及一种用于高温隔热涂层的反红外辐射微球的结构及其制备方法，属于高温隔热材料领域。
背景技术
为了保护热端部件内部不受高温环境的危害并延长其使用寿命，近年来各种高温涂层的研究开发越来越受到人们的广泛重视，尤其是在航天和航空飞行器等领域对具有超强高温隔热性能涂层的需求越来越迫切。近年来，人们不断开发出新型的低导热材料。然而在高温环境下辐射传热在材料内部传热中占很大比例，尤其是具有一定波长范围的红外辐射。因此，高温涂层中添加高性能阻隔红外辐射材料可有效减少材料内部辐射传热，提高材料的耐高温及隔热性能。
目前在高温隔热涂层中常用的红外阻隔填料有TiO2、ZrO2、SiC、Cr2O3等。但是这些粉体本身密度较大，形状不规则，且在涂层中容易分散不均，增加固相传热，降低了高温隔热效果。近期部分研究人员通过实验发现材料的阻隔红外辐射性能与材料的形状有关，当材料的形状为球形时，抗红外辐射效果最佳。另外，单一体系的阻隔辐射材料抗红外效果有限，如果能通过成分调整获得复相致密结构，可大大提高其抗红外辐射性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于耐高温涂料的空心梯度轻质高红外热阻隔微球结构及其制备方法。首先通过对阻隔红外辐射隔热材料的结构进行设计，其结构为空心梯度球形。并采用种子沉淀法和陶瓷先驱体法原位转化法，利用其相分离制备空心SiC-MO2(M＝Ti，Zr)梯度陶瓷微球，用于制备具有高温热控功能的新型抗红外辐射材料。本发明的目的提出一种低密度、高抗红外辐射的陶瓷微珠新型结构及其制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：本发明设计了一种空心梯度结构，即陶瓷微球为空心的且陶瓷微球的各组分含量沿半径方向呈连续的梯度变化，MO2(M＝Ti，Zr)的含量沿半径方向由里到外逐渐增大，SiC的含量沿半径方向由里到外逐渐减小。
并通过种子沉淀和先驱体转化法制备了了空心梯度陶瓷微球，其步骤为：1.制备实心微球：(1)制作交联聚苯乙烯(SPS)微球；(2)将得到的SPS微球进行磺化；2.制备梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球；(1)将SPS微球分散于去离子水中；(2)将聚碳硅烷(PCS)与醇盐混合，溶于四氢呋喃(THF)中；(3)利用沉淀法将(2)的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS水溶液中，得到梯度陶瓷先驱体包覆的SPS实心微球；3.制备空心梯度陶瓷微球：利用先驱体转化法将得到的梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球于真空炉烧结，得到空心梯度陶瓷微球。
所述的陶瓷先驱体混合物包覆SPS实心微球时，将陶瓷先驱体与醇盐的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS微球水溶液中，持续搅拌1-2h。
所述的醇盐含量为30％-50％；醇盐为酞酸丁酯和锆酸丁酯，酞酸丁酯为钛酸二丁酯或钛酸四丁酯，锆酸丁酯为锆酸二丁酯或锆酸四丁酯。
所述的通过沉淀法得到陶瓷先驱体混合物包覆的SPS实心微球后，过滤并洗涤，洗涤过的沉淀物于真空80-120℃、15-20h烘干熟化，制得梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球。
所述的梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球于真空炉中烧结时，高温气氛炉温度为1000-1400℃，保温时间为1-2h。
本发明的原理：
本发明的原理是把所选定的低分子量添加物加入到能够形成陶瓷的聚合物先驱体或其溶液中，利用种子沉淀法制得实心微球，对此混合体进行熟化热处理，低分子量添加物便从聚合物本体相中析出(形成化学成分梯度)，然后通过先驱体原位转化法高温裂解、煅烧，除去SPS球心，形成稳定成分结合紧密的空心梯度陶瓷微球。
本发明的优点和特点是：
1.由于无机粉末难于设计加工，而先驱体为高分子材料，具有很好的成型性，利用先驱体的优异的成型性通过沉淀工艺制得微球，再利用先驱体在裂解过程中析出不同的相，形成中空梯度球形结构。
2.中空梯度球形结构的具有密度低、高温阻隔红外辐射性能优异的优点。
3.采用沉淀法获得微珠，制备方法、工艺简单，成本低。
4.使用范围广，施工方法简单，可采用喷涂或涂刷等工艺。
附图说明
图1是空心梯度陶瓷微球的SEM照片。
图2是空心梯度陶瓷微球的TEM照片。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并详细说明如下：
实施例1
一种空心梯度陶瓷微球的制备方法，包括以下工艺步骤：将3g磺化处理后的SPS微球分散于去离子水中置于磁力搅拌器上搅拌，将3gPCS和2g钛酸四丁酯溶于四氢呋喃中，将先驱体的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS水溶液中，经离心、洗涤后得到混合物微球，置于真空烘箱80℃、20h烘干、熟化，得到梯度陶瓷先驱体微球，再于真空炉中1200烧结1h，得到空心梯度陶瓷微球，并测其红外消光系数为61.4m2/Kg。
实施例2
一种空心梯度陶瓷微球的制备方法，包括以下工艺步骤：将3g磺化处理后的SPS微球分散于去离子水中置于磁力搅拌器上搅拌，将3gPCS和3g钛酸四丁酯溶于四氢呋喃中，将先驱体的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS水溶液中，经离心、洗涤后得到混合物微球，置于真空烘箱100℃、12h烘干、熟化，得到PCS/TiO2梯度陶瓷先驱体微球，再于真空炉中1300℃烧结2h，得到空心SiC/TiO2梯度陶瓷微球，并测其红外消光系数为62.5m2/Kg。
实施例3
一种空心梯度陶瓷微球的制备方法，包括以下工艺步骤：将3g磺化处理后的SPS微球分散于去离子水中置于磁力搅拌器上搅拌，将3gPCS和3g锆酸四丁酯溶于四氢呋喃中，将先驱体的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS水溶液中，经离心、洗涤后得到混合物微球，置于真空烘箱110℃、15h烘干、熟化，得到PCS/ZrO2梯度陶瓷先驱体微球，再于真空炉中1250℃烧结1h，得到空心SiC/ZrO2梯度陶瓷微球，并测其红外消光系数为63.1m2/Kg。
实施例4
一种空心梯度陶瓷微球的制备方法，包括以下工艺步骤：将3g磺化处理后的SPS微球分散于去离子水中置于磁力搅拌器上搅拌，将3gPCS和2g锆酸四丁酯溶于四氢呋喃中，将先驱体的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS水溶液中，经离心、洗涤后得到混合物微球，置于真空烘箱120℃、18h烘干、熟化，得到PCS/ZrO2梯度陶瓷先驱体微球，再于真空炉中1400℃烧结1.5h，得到空心SiC/ZrO2梯度陶瓷微球，并测其红外消光系数为63.6m2/Kg。
以上所举实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作出的任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、组分替换、等同变化与修饰均属于本发明的技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种用于耐高温涂料的空心梯度高红外热阻隔微球，其特征在于：微球为空心梯度结构，即空心梯度高红外热阻隔微球为空心，且陶瓷微球由两相组成，各组分含量沿半径方向呈连续的梯度变化，其中ZrO2的含量沿半径方向由里到外逐渐增大，SiC的含量沿半径方向由里到外逐渐减小，空心梯度陶瓷微球的制备方法为种子沉淀和先驱体转化法。
2.根据权利要求1所述的一种用于耐高温涂料的空心梯度高红外热阻隔微球，其特征在于：种子为交联聚苯乙烯(SPS)微球，先驱体为聚碳硅烷(PCS)，转化在真空条件下进行，具体步骤如下：
1)制备实心微球
(1)制作交联聚苯乙烯(SPS)微球；
(2)将得到的SPS微球进行磺化；
2)制备梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球
(1)将SPS微球分散于去离子水中；
(2)将聚碳硅烷(PCS)与醇盐混合，溶于四氢呋喃(THF)中；
(3)利用沉淀法将(2)的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS水溶液中，得到梯度陶瓷先驱体包覆的SPS实心微球；
3)制备空心梯度陶瓷微球：利用先驱体转化法将得到的梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球于真空炉烧结，得到空心梯度陶瓷微球；
醇盐的含量为30％-50％；醇盐为锆酸二丁酯或锆酸四丁酯。
3.根据权利要求2所述的一种用于耐高温涂料的空心梯度高红外热阻隔微球，其特征是：陶瓷先驱体混合物包覆SPS实心微球时，将陶瓷先驱体与醇盐的混合溶液逐滴滴加到搅拌着的SPS微球水溶液中，持续搅拌1-2h。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于耐高温涂料的空心梯度高红外热阻隔微球，其特征是：通过沉淀法得到陶瓷先驱体混合物包覆的SPS实心微球后，过滤并洗涤，洗涤过的沉淀物真空80-120℃、12-24h烘干熟化，制得梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球。
5.根据权利要求2所述的一种用于耐高温涂料的空心梯度高红外热阻隔微球，其特征是：梯度陶瓷先驱体包覆SPS的实心微球于真空炉中烧结时，高温真空炉温度为1000-1400℃，保温时间为1-2h。
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