CN105130474A - 一种耐火材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐火材料及其制备方法，特别是一种含二氧化硅的耐火材料及其制备方法。本发明制备的耐火材料用有机硅聚合物作为基体，无机添加物作为添加剂，在缓慢升温的条件下制备而成。本发明可以用于制备高温设备衬里，高温容器，耐火砖等一系列耐高温材料用品，解决当前耐火材料产品存在制备工艺耗能大、组分复杂、内含高温作用下不稳定或易挥发、易分解成分等一系列问题。

Description

一种耐火材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐火材料及其制备方法，特别是一种含二氧化硅的耐火材料及其制备方法。

背景技术

能够抵抗高温作用而不软化熔倒的耐火材料广泛用于冶金、石油化工、机械制造、电力、军工等国民经济的各个领域，在高温工业生产中起着不可替代的重要作用。

经常使用的耐火材料由高熔点粒状和粉状料经过各种成型工艺烧制或与结合剂共同组成的不经成型和烧成而直接供使用的耐火材料。常见的基本材料组分包括氧化物类，如氧化铝、氧化镧、氧化铍、氧化钙、氧化锆等，和非氧化物类，如碳化硅、碳化钛、碳化钽、氮化硼、氮化硅、硼化锆、硼化钛、硼化铪、二硅化钼等，以及石墨等单相碳基材料。这些高熔点的组分往往需要高温工艺处理才能获得一定强度。典型的碳化硅耐火制品以碳化硅为原料，加粘土、氧化硅等粘结剂在1350～1400℃烧成，或在碳化硅里加硅粉在电炉中氮气氛下制成氮化硅－碳化硅制品，或利用硅-碳在1400℃以上反应制得。碳质制品根据含碳原料的成分和制品的矿物组成，控制烧结温度和气氛制得，如碳砖可用高品位的石油焦为原料，加焦油、沥青作粘合剂，在1300℃隔绝空气条件下烧成，而其石墨化则需要更高温度处理才能制得石墨类耐火材料。

利用有机聚合物和无机玻璃态材料控制、调整成型过程中的粘度、流动性、可塑性、粘结强度、凝结性、硬化性等是业界常用的方法。这些有机聚合物和玻璃态物质在后期处理过程中产生复杂多变的作用。

WO1998049693A1公开了一种陶瓷耐火组合物，该组合物包含有机硅聚合物，陶瓷填料如A1203、以及熔融温度低于陶瓷填料烧结温度的陶瓷结晶矿物质组分。该矿物质组分可选自玻璃料与熔点低于750℃的低碱玻璃的混合物。

中国专利CN1625786A采用至少一种燃烧温度在一定范围的有机聚合物、至少一种琉璃料和至少一种惰性化合物，在软化点温度或熔融温度不低于1000℃温度范围，使玻璃料流到惰性化合物和燃烧过的有机聚合物上，从而形成固态炭耐火包裹层，制得电缆线的耐火层。

综上所述，现有公开报导的耐火材料文献和产品存在制备工艺耗能大、组分复杂、内含高温作用下不稳定或易挥发、易分解成分等一系列问题，不利于制取高纯和耐高温耐火制品。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种耐火材料及其制备方法，以解决耐火材料制备过程中工艺复杂、耗能大的问题，制取的耐火材料耐热性好，高温下稳定，不含易挥发、易分解成分。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种耐火材料，其原料至少包括以下两种组分：有机硅聚合物和无机添加物。

所述有机硅聚合物为硅树脂、硅橡胶中的一种，或其两者的混合物。有机硅聚合物的主链由硅氧键结合构成，侧链可包含一种或多种取代基，如甲基、苯基、乙烯基等。本发明采用的典型原材料是聚硅氧烷和硅橡胶。

所述无机添加物为高岭土、硅粉、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铝的一种或几种。无机添加物还可以采用其他氧化物或非氧化物，如氧化铝、氧化镧、氧化铍、氧化钙、氧化锆、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等。这些添加物可以是人工合成原料，也可以是天然矿物，如莫来石、高岭土、硅藻土等，形态不受限制，可以是粉体，也可以是纤维。

所述有机硅聚合物占耐火材料总质量的50％-80％，无机添加物占耐火材料总质量的20％-50％。

一种耐火材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将有机硅聚合物和无机添加物混合搅拌均匀，制备得到掺杂无机粉体的混合物基体；

步骤二：将步骤一所得混合物基体放入烘箱中，在100℃的条件下保温2-5h，中间每隔20分钟搅拌一次；

步骤三：经过步骤二处理的基体成粘稠的半固体态，将其放入模具中100℃下保温10-30h；

步骤四：将步骤三所得材料在200℃下保温5-10h，之后在300℃保温5-10h；

步骤五：将上述材料缓慢升高至800-1500℃，保温1-3h。

步骤五中，升温速率为1-10℃/min。

步骤五中，升温的加热环境为空气炉或气氛炉。

所述步骤三保温后，将所得材料在100℃下，在施加压力下成型，压力为5-10MPa。

本发明的原理：有机硅聚合物在缓慢升温过程中化学成分会发生转变，分解为稳定的无机物，掺杂的高岭土等添加物属于无机耐高温陶瓷原料，两者混合后再高温下反应后形成耐高温的无机复合材料。

本发明的有益效果：

本发明利用有机硅聚合物以及一些无机添加物，在缓慢升温的条件下将有机物分解合成无机材料，原料来源广泛，成本低，制备过程简单易行，制备产品成型性好，可以做成各种复杂形状来满足应用需求。

本发明解决了大部分耐火材料工艺耗能大、组分复杂、内含高温作用下不稳定或易挥发、易分解成分等一系列问题，在冶金、石油化工、机械制造、电力、军工等国民经济的各个领域表现出优秀的应用潜力。

本发明可以通过调节有机硅原料和无机添加物的种类和比例，成型过程中的保温温度和时间来调节成型后材料的密度和抗弯强度。

综上，本发明利用有机硅为基体，其中掺杂无机添加物，在低温条件下模具中成型后，经缓慢升温将有机成分转化为无机成分，制备出了一种耐热性好，高温下稳定，不含易挥发、易分解成分，以及具有一定强度的的无机耐火材料。

附图说明

图1为实施例1的耐火材料制备流程图。

具体实施方式

本发明的一种耐火材料，其原料至少包括以下两种组分：有机硅聚合物和无机添加物，其中有机硅聚合物为硅树脂、硅橡胶中的一种，或其两者的混合物；无机添加物为高岭土、硅粉、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铝的一种或几种；有机硅聚合物占耐火材料总质量的50％-80％，无机添加物占耐火材料总质量的20％-50％。在低温成型后，经缓慢升温至高温，在此过程中有机物发生分解转变为完全的无机复合材料。

有机硅聚合物与添加物的复合方法可以采用热固化方法，也可以使用固化剂，如硅烷偶联剂等，或两者兼用。

所制备的耐高温材料可以承受的温度为1500℃以上，同时具有1-15Mpa的强度。

本发明采用低度升温分解法制备该耐高温材料，需要以下步骤：

步骤一：将有机硅聚合物和无机添加剂混合搅拌均匀制备得到掺杂无机粉体的混合物基体。

步骤二：将步骤一中所得混合基体放入烘箱中，在100℃的条件下保温2-5h，中间每隔20分钟搅拌一次。因为在此预固化的过程中会形成沉淀物下沉，采用搅拌使基体成分均匀，此步骤主要是在低温下蒸发硅树脂中的二甲苯溶剂。

步骤三：经过步骤二处理的基体成粘稠的半固体态，将其放入模具中100℃下保温10-30h。

步骤四：将步骤三所得材料在100℃下，在施加压力下成型，压力为5-10MPa；目的是将溶剂蒸发过程中产生的气孔压实。

步骤五：将步骤四所得材料在200℃下保温5-10h，之后在300℃保温5-10h。

步骤六：将上述材料缓慢升高至800-1500摄氏度保温1-3h；升温速率为1-10℃/min；加热环境为空气炉或气氛炉。

所得到的耐火材料为具有可控形状的耐火材料，其外形由制备过程中的模具控制。

下面结合实施例对本发明做更进一步的解释，应该理解以下实施例仅旨在说明，不应被视为对本发明范围的限制。

实施例1

将硅树脂和高岭土按混合注入烧杯中，其中硅树脂含量50％-75％，高岭土含量25％-50％，用玻璃棒搅拌10min使之混合均匀，混合后得到粘稠有流动性的混合物。将该混合物在100℃预固化5h，在预固化的过程中每20分钟用玻璃棒搅拌一次。预固化的目的是使硅树脂中的溶剂初步蒸发，定期搅拌的目的是因为在此过程中高岭土会凝结形成沉淀使两者混合不均匀。然后将混合物置入特定模具中固化成型，固化流程为100℃保温24h，然后施加压力成型,对于高岭土含量为25％、33％和50％,压力大小分别为5MPa、7MPa和10MPa。然后在200℃保温5h，300℃保温5h，在该阶段硅树脂中的溶剂成分二甲苯会逐渐蒸发完成。将固化完成的样品缓慢升高温度至800℃，升温速率为5℃/min，在800℃下保温1h，所用炉子为空气炉，在此阶段有机硅树脂会完全转化为无机物，最后所得的是无机复合材料。本实例制备所得到的无机材料的性能参数见表1。

本耐火材料制备流程如图1所示。

表1不同原料配比下制备的耐火材料的密度(g/cm³)和弯曲强度(MPa)

实施例2

本实例与实施例1的区别在于高岭土和硅树脂的质量配比为1:3，而在加热氧化过程中的温度为1℃/min，5℃/min和10℃/min,100℃保温后成型的压力为5MPa。其他步骤和实施例1相同。所制备的耐火材料性能参数见表2。

表2不同升温速率下制备的耐火材料的强度(MPa)和密度(g/cm³)

实施例3

本实例与实施例1的区别在于高岭土和硅树脂的质量配比为1:2，热处理的最高温度为800℃，1300℃和1500℃。其他步骤和实施例1相同。所制备的耐火材料的性能参数见表3。

表3不同最高处理温度下制备的耐火材料的强度(MPa)和密度(g/cm³)

实施例4

本实例与实施例1的区别在于热处理的环境为氮气炉，气温速率为5℃/min。其他步骤和实施例1相同。所制备的耐火材料的性能参数见表4。

表4不同原料配比下制备的耐火材料的密度(g/cm³)和弯曲强度(MPa)(气氛炉)

实施例5

本实例与实施例1的区别在于所加无机添加物为硅粉。其中硅粉：硅树脂质量比为1:1,最高处理温度为800℃，1300℃和1500℃。其他步骤与实施例1相同。所制备的耐火材料的性能参数见表5。

表5不同最高处理温度下制备所得的耐火材料的强度(MPa)和密度(g/cm³)

总结：

根据实施例以及我们做的所有实验提供的数据和结果我们可以有如下结论：

有机硅原料和无机添加物的种类不同对于本耐火材料强度和密度等能性能参数有重要影响。因此需要根据对耐火材料不同的性能要求以及原材料成本选择不同的原材料种类。除此之外，本耐火材料生产过程中的热处理温度，升温速率，热处理环境等一系列的工艺参数也对最终的性能有一定的影响。下面结合我们提供的实施例具体分析如下：

根据实施例1，我们可以看到高岭土和硅树脂的原料配比的影响。随着高岭土所占的比例的提高(或随着硅树脂所占比例的减少)，最终制备的耐火材料的强度升高，密度升高。

根据实施例2，我们可以看到，在保证耐火材料能够制备成功的升温速率范围内，升温速率对最终生成的耐火材料的性能几乎没有影响。根据实施例3，我们可以看到最终热处理温度的影响。随着最终热处理温度的升高，耐火材料强度降低，但是密度升高。

根据实施例4和实施例1，我们可以看到不同热处理环境的影响。相比较而言，两种处理环境下最终所得的耐火材料的性能相近。

根据实施例5和实施例3，我们可以看到不同的无机添加物的影响。相比较而言，高岭土作为无机添加物所得的耐火材料的强度和密度都较高。因此，选取不同种类的无机添加物对耐火材料的性能有重要的影响。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种耐火材料，其特征在于：其原料至少包括以下两种组分：有机硅聚合物和无机添加物。

2.如权利要求1所述的耐火材料，其特征在于：所述有机硅聚合物为硅树脂、硅橡胶中的一种，或其两者的混合物。

3.如权利要求1所述的耐火材料，其特征在于：所述无机添加物为高岭土、硅粉、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铝的一种或几种。

4.如权利要求3所述的耐火材料，其特征在于：所述无机添加物的形态为粉体或纤维。

5.如权利要求1所述的耐火材料，其特征在于：所述有机硅聚合物占耐火材料总质量的50％-80％，无机添加物占耐火材料总质量的20％-50％。

6.如权利要求1-5任一所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将有机硅聚合物和无机添加物混合搅拌均匀，制备得到掺杂无机粉体的混合物基体；

步骤二：将步骤一所得混合物基体放入烘箱中，在100℃的条件下保温2-5h，中间每隔20分钟搅拌一次；

步骤三：经过步骤二处理的基体成粘稠的半固体态，将其放入模具中100℃下保温10-30h；

步骤四：将步骤三所得材料在200℃下保温5-10h，之后在300℃保温5-10h；

步骤五：将上述材料缓慢升高至800-1500℃，保温1-3h。

7.如权利要求6所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：步骤五中，升温速率为1-10℃/min。

8.如权利要求6或7所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：步骤五中，升温的加热环境为空气炉或气氛炉。

9.如权利要求6所述的耐火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三保温后，将所得材料在100℃下，在施加压力下成型，压力为5-10MPa。