CN104177074B - 一种煤矸石基红外材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石基红外材料及其制备方法和应用，属于红外材料技术领域。本发明的煤矸石基红外材料的制备方法，包括以下步骤：采用X射线荧光光谱分析煤矸石组成成分，取煤矸石及氧化镁、氧化铝、氧化硅为原料，按化学式Mg₂Al_4‑xSi₅O₁₈：Fe_x的化学计量比进行配料；将配料进行湿法球磨4h，然后100℃烘干后，添加配料质量0.5％～5％的粘结剂在压片机上以10MPa压力压制成型的压片；将压片在200℃保温30min用以排胶，在900℃煅烧2h，然后在1200℃下煅烧2h获得煤矸石基红外材料。本发明获得煤矸石基红外材料具有较高的红外辐射率，降低了红外材料的合成成本。

Description

一种煤矸石基红外材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于红外材料技术领域，特别涉及一种煤矸石基红外材料及其制备方法和应用。

背景技术

随20世纪50年代和70年代发生的两次世界能源危机，使能源严重缺乏的日本在世界上率先开展对红外辐射材料的大规模研究。到80年代初，欧美等国家对红外辐射材料的研究也具备了很高的水平。此后我国也开始了对红外辐射材料的探索与研究。红外辐射技术发展的实质是研究具有足够强度且红外发射率高的材料。材料的红外辐射是因其内部分子振动引起偶极矩变化而产生的。根据振动对称性选择定律：分子振动时对称性越低，偶极矩的变化越大，其红外辐射就越强。目前，高发射率红外辐射材料主要应用于军事、节能、环保、医疗、保健等领域。例如在工业炉中的应用：对于以辐射传热为主的不同工业炉来说，提高炉内参与辐射传热的物体表面辐射系数，将有效地改善炉内传热过程，达到节能、增产与提高产品质量的目的。

堇青石是一种硅酸盐矿物，因其具有优良的红外辐射特性、较高的热稳定性和化学稳定性等优点而成为一种重要的新兴红外辐射材料。堇青石的分子式是:Mg₂Al₄Si₅O₁₂，是属于MgO-Al₂O₃-SiO₂三元系矿物。堇青石具有六元环结构，由4个[SiO₄]四面体和2个[AlO₄]四面体组成一个六元环。六元环沿c轴排列，相邻两层互错30°，六元环之间靠2个[AlO₄]、1个[SiO₄]四面体和2个[MgO₆]八面体连接。四面体和八面体共棱连接，形成三维骨架。结构中的阳离子可以被其他离子取代而引起晶格缺陷和畸变，从而引起材料中固有偶极距发生变化，降低了离子振动的对称性，从而提高其红外辐射性能。

煤矸石是煤矿采煤排放出的固体废物，是一种在形成煤炭时煤层周围伴生的黑灰色岩石，其质地较硬，含碳量也较低。煤矸石中通常还含有硫化物等有害物质，排放出来会造成污染。煤矸石堆积还可能自燃引发火灾，遇到雨季时还可能崩塌，造成不可预知的危险。利用煤研石作为主要原料，通过深度加工，生产堇青石红外辐射材料，不仅能大大降低红外材料的生产成本，而且能减轻环境污染。具有良好的经济效益和社会效益。煤矸石的主要成分为氧化硅和氧化铝，还包括有一定的氧化镁和氧化铁等物质，是制备堇青石红外材料的良好材料。

而且煤矸石中存在的大量金属离子，期中Fe³⁺、Ca²⁺等离子半径与堇青石阳离子半径相近，可以实现上述置换，从而明显提高材料的红外辐射率，同时碱金属氧化物还可以降低材料的合成温度。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种煤矸石基红外材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法获得的煤矸石基红外材料。

本发明的再一目的在于提供上述煤矸石基红外材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种煤矸石基红外材料的制备方法，包括以下步骤：

1)采用X射线荧光光谱分析煤矸石组成成分，包括SiO₂、Al2O₃、MgO、Fe₂O₃的百分含量；

2)取步骤1)中分析的煤矸石及分析纯氧化镁、氧化铝、氧化硅为原料，按化学式Mg₂Al_4-xSi₅O₁₈：Fe_x的化学计量比进行配料；其中x的取值为0.412；

3)将步骤2)获得的配料进行湿法球磨4h，然后100℃烘干后，添加配料质量0.5％～5％的粘结剂(PVA粘结剂的加入量为配料质量的0.5％～5％)，在压片机上以10MPa压力压制成型的压片(圆片状)；

4)将步骤3)获得的压片在200℃保温30min用以排胶，在900℃煅烧2h，然后在1200℃下煅烧2h获得煤矸石基红外材料。

步骤2)中Fe的组分x为煤矸石中Fe的比例含量，在配比过程中不需再添加Fe，通过添加Al的量来实现上述化学式的平衡。

步骤2)中所述的氧化镁、氧化铝、氧化硅为分析纯级的氧化镁、氧化铝、氧化硅。

步骤3)中所述的粘结剂为PVA粘结剂。

一种煤矸石基红外材料由上述制备方法获得。

上述制备获得的煤矸石基红外材料可在军事、节能、环保、医疗和保健领域应用。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明通过采用煤矸石作为基本原料制备红外材料，极大的降低了生产成本，本发明中并非完全采用堇青石的化学式Mg₂Al₄Si₅O₁₈配比进行红外材料的制备，而是将煤矸石中存在的大量金属离子Fe³⁺与堇青石中阳离子半径相似的Al³⁺进行替换配比，结果显示本发明获得煤矸石基红外材料与传统的堇青石相比在红外辐射率方面获得较大提高，同时碱金属氧化物还可以降低材料的合成温度，减少配料Al₂O₃的加入量降低了成本。

附图说明

图1是实施例1获得的煤矸石基红外材料样品的XRD图谱；

图2是对比实施例1获得的堇青石红外材料样品的XRD图谱；

图3是对比实施例2获得的煤矸石基红外材料样品的XRD图谱；

图4是实施例1、对比实施例1和2获得的红外材料样品的红外光谱分析图(采用ATR法测得)，图中三条曲线由下至上依次为：对比实施例1的样品、对比实施例2的样品和实施例1的样品。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

首先采用X射线荧光光谱分析煤矸石组成成分如表1：

表1煤矸石的化学成分

实施例1

一种煤矸石基红外材料的制备方法，包括以下步骤：

1)采用X射线荧光光谱分析煤矸石组成成分中SiO₂、Al₂O₃、MgO和Fe₂O₃的质量百分含量，测得结果为SiO₂51.95％、Al₂O₃19.50％、MgO 2.01％、Fe₂O₃5.71％；

2)取步骤1)中分析的煤矸石及分析纯氧化镁、氧化铝、氧化硅为原料，按化学式Mg₂Al_4-xSi₅O₁₈：Fe_x的化学计量比进行配料(本实施例中x的值为0.412)；实际配料数据如表2：

表2实施例1的配料数据重量

3)将步骤2)获得的配料进行湿法球磨4h，然后100℃烘干后，添加0.57g的PVA粘结剂(PVA粘结剂的加入量为配料质量的4％)在压片机上以10MPa压力压制成型的压片(圆片状压片)；

4)将步骤3)获得的压片在200℃保温30min用以排胶，在900℃煅烧2h，然后在在1200℃下煅烧2h获得煤矸石基红外材料。

实验性能测试方法：

在DX-2000型转靶X射线衍射仪上，采用CuKα靶，电压40kV，电流30mA，扫描速度0.09°/min，起始角度0°终止角度80°进行合成样品的物相分析。采用NEXUS-670型傅里叶变换红外光谱仪测试了样品的红外光谱。采用IR-2双波段发射率测试仪在室温下进行红外辐射性能测试，测试波段范围为1～22μm和8～14μm。

获得的煤矸石基红外材料的XRD图谱如图1所示，从图中可以看出样品主相也是堇青石，与PDF卡#89-1487基本相符。图谱中也有较强的背底和少量杂质相，经分析确定杂质为CaO等煤矸石中本就存在的氧化物。与图3相比较，杂相减少，可以认为实现了Fe³⁺离子的掺杂。样品呈现淡灰色。

对比实施例1

1)根据堇青石的化学式Mg₂Al₄Si₅O₁₈按化学计量比计算配制10g堇青石，各组分的含量见表3：

表3对比实施例1的配料各组分重量

2)将步骤1)获得的配料进行湿法球磨4h，然后100℃烘干后，添加0.4g的PVA粘结剂(PVA粘结剂的加入量为配料质量的4％)在压片机上以10MPa压力压制成型的压片(圆片状压片)；

3)将步骤2)获得的压片在200℃保温30min用以排胶，在900℃煅烧2h，然后在1300℃下煅烧2h获得堇青石红外材料。

实验性能检测方法同实施例1。

获得的堇青石红外材料的XRD图谱如图2所示，从图中可以看出样品为堇青石结构，与PDF卡#89-1487相符，没有杂质相。样品呈白色。

对比实施例2

1)采用X射线荧光光谱分析煤矸石组成成分中SiO₂、Al₂O₃、MgO和Fe₂O₃的质量百分含量，测得结果为SiO₂ 51.95％、Al₂O₃ 19.50％、MgO 2.01％、Fe₂O₃5.71％；

2)以步骤1)中的煤矸石为主要原料，按照堇青石Mg₂Al₄Si₅O₁₈化学计量比添加如表4所示的Al₂O₃和MgO：

表4对比实施例2的配料各组分重量

3)将步骤2)获得的配料进行湿法球磨4h，然后100℃烘干后，添加0.6g的PVA粘结剂(PVA粘结剂的加入量为配料质量的4％)在压片机上以10MPa压力压制成型的压片(圆片状压片)；

4)将步骤3)获得的压片在200℃保温30min用以排胶，然后在在1200℃下煅烧2h获得煤矸石基红外材料。

实验性能检测方法同实施例1。

获得的煤矸石基红外材料的XRD图谱如图3所示，从图中可以看出样品主相为堇青石，与PDF卡#89-1487基本相符。但图谱显示有较强的背底和少量杂质相，这说明，样品存在部分无定形态物质(玻璃态物质)和少量氧化物杂质，经分析确定杂质为Fe₂O₃、CaO等煤矸石中本就存在的氧化物。样品呈现淡粉色。

红外光谱分析：

实施例1与对比实施例1和2的获得物通过ATR法测得红外辐射率，因为ART法是衰减全反射红外光谱法，因此材料的红外透光率可以直接反应红外辐射率，透光率越高，红外辐射率越高。红外光谱分析图如图4所示，结果说明在实施例1制备的煤矸石基红外材料含有堇青石的特征峰，证实材料的主相为堇青石，另外该红外材料在中远红外波段有较高红外辐射率。

红外辐射率分析：

红外辐射率测试结果如表5和表6所示：

表5上述各组制备获得的红外材料堇青石的8～14μm红外辐射率

表5是样品在8-14μm红外波段的红外辐射率。从表中数据可知，实施例1样品红外辐射率均在0.934以上，比由化学原料配置的堇青石(对比实施例1)的红外辐射率0.906高出很多。

表6上述各组制备获得的红外材料堇青石的1～22μm红外辐射率

表6是样品在1～22μm红外波段的红外辐射率。从表中数据可知，直接以煤矸石为主要原料配置的样品(对比实施例2)红外辐射率为0.892与以化学原料配置的样品(对比实施例1)相似；而实施例1的样品在1～22μm红外辐射率均在0.928，在此波段也属于红外辐射率较高的材料。

经过对比发现，对比实施例1需要较高的烧结温度1300℃，增加制备成本，且红外辐射性能不如本发明的实施例1制备的样品。从红外辐射性能看，本发明实施例获得的煤矸石基红外材料相较传统的堇青石制备(对比实施例1和2)，其红外辐射性能更好，有显著的改进效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种煤矸石基红外材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用X射线荧光光谱分析煤矸石组成成分，包括SiO₂、Al2O₃、MgO、Fe₂O₃的百分含量；

2)取步骤1)中分析的煤矸石及氧化镁、氧化铝、氧化硅为原料，按化学式Mg₂Al_4-xSi₅O₁₈：Fe_x的化学计量比进行配料；其中x的取值为0.412；

3)将步骤2)获得的配料进行湿法球磨4h，然后100℃烘干后，添加配料质量0.5％～5％的粘结剂在压片机上以10MPa压力压制成型的压片；

4)将步骤3)获得的压片在200℃保温30min用以排胶，在900℃煅烧2h，然后在1200℃下煅烧2h获得煤矸石基红外材料。

2.根据权利要求1所述的煤矸石基红外材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的氧化镁、氧化铝、氧化硅为分析纯级的氧化镁、氧化铝、氧化硅。

3.根据权利要求1所述的煤矸石基红外材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述的粘结剂为PVA粘结剂。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的制备方法所制得的煤矸石基红外材料。

5.一种根据权利要求4所述的煤矸石基红外材料在军事、节能、环保、医疗和保健领域中的应用。