CN105860611A - 一种红外辐射涂料及其制备方法 - Google Patents

一种红外辐射涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种红外辐射涂料及其制备方法，所述红外辐射涂料由复合红外辐射料和有机‑无机粘结剂按100:(175～300)的质量比混合而成；其中所述复合红外辐射料以尖晶石结构高红外辐射粉料、刚玉粉、SiO2粉、堇青石和釉粉原料制备而成；有机‑无机粘结剂由硅铬铝复合溶胶、硅酸酯和硝酸钾混合而成。本发明提供的红外辐射涂料具有良好的高温稳定性和红外辐射性能，能够与耐热钢等金属基体牢固结合，在1000～1200℃高温下长期使用不开裂、不脱落，具有耐腐蚀、抗热震性能优良等优点，适合推广应用。

Description

一种红外辐射涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及节能材料领域，具体涉及一种用于金属表面的红外辐射涂料及其制备方法。
背景技术
红外辐射涂料是一种能够提高锅炉、加热炉等工业窑炉的能源利用率，起到节能降耗作用的功能材料。将红外辐射涂料涂覆在窑炉加热体和炉壁表面，可以增强炉内的辐射传热效率，改善炉内的温度均匀性，提高能源利用效率和热效率。
国外比较著名的红外涂料主要有英国CRC公司的ET-4，美国CRC-10A，日本的CRC1100、1150。尽管我国红外辐射涂料的研发与应用起步较晚，但经过近20年的技术积累，我国的红外辐射涂料也取得了很大的发展，红外辐射涂料在民用及军用领域的应用日益广泛。在红外辐射材料的研究与应用发展过程中，红外辐射涂料一直存在着两大技术瓶颈：一是涂料发射率不稳定，随温度升高，发射波长向短波段移动，如英国ET-4涂料在400℃时发射率大于0.9，而在1000℃时为0.84，短波段的高发射率红外材料有待开发涂层；二是涂料与基体的附着力差，容易脱落，尤其是与金属基体的结合能力较为不理想，涂层在使用过程中从金属基体表面脱落的现象时有发生，如英国ET-4涂料在金属表面应用温度不能超过1100℃，否则脱落。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种红外辐射涂料以及其制备方法，所述红外辐射涂料，具有优良的红外辐射性能和高温稳定性，与耐热钢等金属基体结合牢固，在1000～1200℃高温下长期使用不开裂，不脱落，耐腐蚀，抗热震性能优良。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种红外辐射涂料，它由复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:(175～300)的质量比混合而成；其中，复合红外辐射料中各原料所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料40～70％、刚玉粉5～20％、SiO2粉5～20％、堇青石粉5～20％和釉粉1～5％。
按上述方案，所述尖晶石结构红外辐射粉料的制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：FeTiO3 35～65％、Fe2O3 1～20％、MnO2 1～15％、Co2O3 1～15％、CuO 1～15％、Cr2O3 1～20％，将称取的原料混合并进行旋转湿混后干燥，得混合料；
2)将所得混合料置于石墨反应器并放入大电流脉冲反应合成装置中，在真空状态下对石墨反应器直接施加脉冲电流，加热至950～1250℃保温5～30min，自然冷却后得含尖晶石结构的合成粉体；
3)将步骤2)所得合成粉体进行球磨至粒度≤2μm，即得所述的尖晶石结构红外辐射粉料。
按上述方案，所述旋转湿混步骤的湿混时间不少于12小时。
优选的，所述旋转湿混步骤采用无水乙醇为分散介质。
按上述方案，步骤2)中所述加热速率为50～400℃/min。
按上述方案，所述球磨过程以氧化铝为磨球介质，球料比为30～35:1，转速为250～350r/min，时间为24～36h。
按上述方案，所述真空条件的真空度≤10Pa。
按上述方案，所述复合红外辐射料的制备包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料40～70％、刚玉粉5～20％、SiO2 5～20％、堇青石5～20％、釉粉1～5％，将称取的原料混合均匀后压制成块坯，然后升温至1200～1400℃保温1～5小时，使尖晶石型高辐射粉体与硅酸盐矿物进行复合，得含多相复合结构的红外辐射材料；
2)将所得含多相复合结构的红外辐射材料破碎后放入球磨罐中，进行高能球磨至粒度≤2μm，即得所述复合红外辐射料(尖晶石-硅酸盐复合红外辐射料组分)。
按上述方案，所述球磨过程以氧化铝为磨球介质，球料比为30～35:1，转速为250～350r/min，时间为24～36h。
按上述方案，所述有机-无机粘结剂组分由硅铬铝复合溶胶、硅酸酯和硝酸钾混合而成，各组分所占质量百分比为：硅铬铝复合溶胶80-95％、硅酸酯1-15％、硝酸钾1-15％。
按上述方案，所述硅铬铝复合溶胶由重量百分比分别为80～90％的硅溶胶、2～5％的铬酐和8～10％的铝溶胶组成。
上述一种红外辐射涂料的制备方法，它将复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:(175～300)的质量比混合搅拌均匀即可。
与现有技术相比，本发明的红外辐射涂料具有的特点是：
1)本发明采用大电流脉冲场致快速合成方法制备红外辐射粉料，反应温度较传统方法低100℃以上，而且反应时间极大缩短，具有升温快、反应快、保温时间短、生产效率高和能耗低等优势。
2)本发明采用的大电流脉冲场致合成技术除了具有热效应，还具有强电磁场非热效应，可影响磁性粉体的晶体结构，促进晶体缺陷结构的产生，加速元素间的扩散，使难以迁移的Mn4+、Cu2+和Co3+很容易进入Fe晶格，形成强掺杂效应，从而获得结构复杂、晶格畸变大的尖晶石结构红外辐射粉料。
3)本发明采用高能球磨工艺处理红外辐射粉体，一方面可以细化粉体粒径，使其微纳米化，另一方面利用高能球磨中的能量冲击可以使红外辐射粉体的晶体结构非晶无序化和缺陷化，进一步提高红外辐射粉体的辐射率。
4)本发明采用高温焙烧固相反应制备的复合红外辐射料(尖晶石型-硅酸盐复合红外辐射料)，经高能球磨工艺处理后的复合辐射料为微纳米级，其组成与结构稳定、粒度小，红外发射率高且稳定，随温度的升高，发射率衰减缓慢，可在高温条件下长期稳定使用。
5)本发明采用的有机-无机粘结剂不会改变复合辐射料的成分，固化烧结后可与金属基体形成化学界面结合，结合力和抗热震性好，解决了涂层与金属基体粘结不牢的难题。
6)本发明制备的涂层结构稳定，全波段发射率高，涂层在使用中发射率衰减缓慢，节能效果显著，而且涂层与碳素钢等金属基体结合牢固，不脱落、不龟裂，在1000～1200℃高温下可长期稳定使用，使用寿命大于5年。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的红外辐射涂层的红外发射率图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下实施例中，如无具体说明采用的试剂均为市售化学试剂或工业产品。
以下实施例中，采用的硅铬铝复合溶胶由重量百分比分别为88％的硅溶胶、3％的铬酐和9％的铝溶胶混合而成。
实施例1
一种红外辐射涂料，其制备步骤如下：
1)尖晶石结构红外辐射粉料
按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：FeTiO3 60％、Fe2O3 7.5％、MnO2 7.5％、Co2O3 7.5％、CuO 7.5％、Cr2O3 10％，将称取的原料混合并分散于无水乙醇中，旋转湿混不少于12小时，然后将混匀后的湿料干燥，得混合料；将混合料置于石墨反应器中并放入大电流脉冲反应合成装置中，在真空状态下(≤10Pa)对石墨反应器直接施加脉冲电流，以400℃/min的升温速率加热到1150℃，保温5min，自然冷却后得含尖晶石结构的合成粉体；将合成粉体置于真空球磨罐中，磨球介质为氧化铝，球料比为30:1，以250r/min的转速球磨36h，得到粒度≤2μm的尖晶石结构红外辐射粉料。
2)制备复合红外辐射料
按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料65％、刚玉粉10％、SiO2 10％、堇青石12％、釉粉3％，将称取的原料混合均匀后压制成块坯，然后升温至1300℃保温2小时，使尖晶石型高辐射粉体与硅酸盐矿物进行复合，得含多相复合结构的红外辐射材料；将所得含多相复合结构的红外辐射材料破碎后放入球磨罐中，进行高能球磨，磨球介质为氧化铝，球料比为30:1，以350r/min的转速球磨24h，得到粒度≤2μm的复合红外辐射料(尖晶石-硅酸盐复合红外辐射料组分)。
3)配制有机-无机粘结剂，它由质量百分比分别为85％的硅铬铝复合溶胶、8％的硅酸酯和7％的硝酸钾混合而成，将制备的复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:255的质量比混合搅拌均匀即得红外辐射涂料。
实施例2
一种红外辐射涂料，其制备步骤如下：
1)尖晶石结构红外辐射粉料
按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：FeTiO3 60％、Fe2O3 7.5％、MnO2 7.5％、Co2O3 7.5％、CuO 7.5％、Cr2O3 10％，将称取的原料混合并分散于无水乙醇中，旋转湿混不少于12小时，然后将混匀后的湿料干燥，得混合料；将混合料置于石墨反应器中并放入大电流脉冲反应合成装置中，在真空状态下(≤10Pa)对石墨反应器直接施加脉冲电流，以200℃/min的升温速率加热到1050℃，保温15min，自然冷却后得含尖晶石结构的合成粉体；将合成粉体置于真空球磨罐中，磨球介质为氧化铝，球料比为30:1，以300r/min的转速球磨24h，得到粒度≤2μm的尖晶石结构红外辐射粉料。
2)制备复合红外辐射料
按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料65％、刚玉粉10％、SiO2 10％、堇青石12％、釉粉3％，将称取的原料混合均匀后压制成块坯，然后升温至1350℃保温2小时，使尖晶石型高辐射粉体与硅酸盐矿物进行复合，得含多相复合结构的红外辐射材料；将所得含多相复合结构的红外辐射材料破碎后放入球磨罐中，进行高能球磨，磨球介质为氧化铝，球料比为30:1，以350r/min的转速球磨36h，得到粒度≤2μm的复合红外辐射料(尖晶石-硅酸盐复合红外辐射料组分)。
3)配制有机-无机粘结剂，它由质量百分比分别为90％的硅铬铝复合溶胶、6％的硅酸酯和4％的硝酸钾混合而成，将制备的复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:255的质量比混合搅拌均匀即得红外辐射涂料。
实施例3
一种红外辐射涂料，其制备步骤如下：
1)尖晶石结构红外辐射粉料
按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：FeTiO3 42％、Fe2O3 10％、MnO2 10％、Co2O3 10％、CuO 10％、Cr2O3 18％，将称取的原料混合并分散于无水乙醇中，旋转湿混不少于12小时，然后将混匀后的湿料干燥，得混合料；将混合料置于石墨反应器中并放入大电流脉冲反应合成装置中，在真空状态下(≤10Pa)对石墨反应器直接施加脉冲电流，以400℃/min的升温速率加热到1200℃，保温5min，自然冷却后得含尖晶石结构的合成粉体；将合成粉体置于真空球磨罐中，磨球介质为氧化铝，球料比为30:1，以300r/min的转速球磨30h，得到粒度≤2μm的尖晶石结构红外辐射粉料。
2)制备复合红外辐射料
按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料55％、刚玉粉12％、SiO2 12％、堇青石16％、釉粉5％，将称取的原料混合均匀后压制成块坯，然后升温至1350℃保温2小时，使尖晶石型高辐射粉体与硅酸盐矿物进行复合，得含多相复合结构的红外辐射材料；将所得含多相复合结构的红外辐射材料破碎后放入球磨罐中，进行高能球磨，磨球介质为氧化铝，球料比为30:1，以350r/min的转速球磨24h，得到粒度≤2μm的复合红外辐射料(尖晶石-硅酸盐复合红外辐射料组分)。
3)配制有机-无机粘结剂，它由质量百分比分别为81％的硅铬铝复合溶胶、11％的硅酸酯和8％的硝酸钾混合而成，将制备的复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:205的质量比混合搅拌均匀即得红外辐射涂料。
将本实施例制备的红外辐射涂料涂制在耐热钢基体表面形成红外辐射涂层，其红外发射率图见图1。测得其全红外波段(2.5～20μm)的全法向发射率大于0.9，抗热震性良好，1260℃保温10min后淬水6次无剥落。
以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原料前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种红外辐射涂料，其特征在于，它由复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:(175～300)的质量比混合而成；其中，复合红外辐射料中各原料所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料40～70％、刚玉粉5～20％、SiO2粉5～20％、堇青石粉5～20％和釉粉1～5％。
2.根据权利要求1所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述尖晶石结构红外辐射粉料的制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：FeTiO3 35～65％、Fe2O3 1～20％、MnO2 1～15％、Co2O3 1～15％、CuO 1～15％、Cr2O3 1～20％，将称取的原料混合并进行旋转湿混后干燥，得混合料；
2)将所得混合料置于石墨反应器中，在真空状态下对石墨反应器直接施加脉冲电流，加热至950～1250℃保温5～30min，自然冷却后得含尖晶石结构的合成粉体；
3)将所得合成粉体进行球磨至粒度≤2μm，即得所述的尖晶石结构红外辐射粉料。
3.根据权利要求2所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述旋转湿混步骤的湿混时间不少于12小时。
4.根据权利要求2所述的红外辐射涂料，其特征在于，步骤2)中所述加热速率为50～400℃/min。
5.根据权利要求2所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述球磨过程以氧化铝为磨球介质，球料比为30～35:1，转速为250～350r/min，时间为24～36h。
6.根据权利要求1所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述复合红外辐射料的制备包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：尖晶石结构红外辐射粉料40～70％、刚玉粉5～20％、SiO2 5～20％、堇青石5～20％、釉粉1～5％，将称取的原料混合均匀后压制成块坯，然后升温至1200～1400℃高温焙烧1～4小时，得含多相复合结构的红外辐射材料；
2)将所得含多相复合结构的红外辐射材料破碎后放入球磨罐中，进行高能球磨至粒度≤2μm，即得所述复合红外辐射料。
7.根据权利要求6所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述球磨过程以氧化铝为磨球介质，球料比为30～35:1，转速为250～350r/min，时间为24～36h。
8.根据权利要求1所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述有机-无机粘结剂由硅铬铝复合溶胶、硅酸酯和硝酸钾混合而成，各组分所占质量百分比为：硅铬铝复合溶胶80-95％、硅酸酯1-15％、硝酸钾1-15％。
9.根据权利要求8所述的红外辐射涂料，其特征在于，所述硅铬铝复合溶胶由重量百分比分别为80～90％的硅溶胶、2～5％的铬酐和8～10％的铝溶胶组成。
10.权利要求1～9任一项所述红外辐射涂料的制备方法，其特征在于，将复合红外辐射料和有机-无机粘结剂按100:(175～300)的质量比混合搅拌均匀即可。
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