CN106084902A - 一种高红外辐射粉体及其制备方法 - Google Patents

一种高红外辐射粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外节能涂料用高辐射率粉体及其制备方法，它以钛铁矿粉末、Fe2O3粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、Co2O3粉末和CeO2粉末为原料，进行混料后置入石墨反应器并放入大电流脉冲反应合成装置中，以25～400℃/min的升温速率加热到950～1250℃，保温5～30min，自然冷却后得到合成粉体；最后进行球磨，得高辐射率粉体。与现有技术相比，本发明所述高红外辐射粉体的红外发射率高、质量稳定、使用温度高、寿命长，且涉及的合成周期短、能耗低、生产成本低，具有显著的节能效果。

Description

一种高红外辐射粉体及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料与制备领域，具体涉及一种高红外辐射粉体及其制备方法。
背景技术
红外辐射材料作为一种节能新材料，广泛应用于航空与军事材料、新型建筑材料、各种工业窑炉及民用锅炉吸热表面等领域。红外辐射材料可以明显提高工业窑炉的热效率并达到节能效果，开展高发射红外辐射材料的研究与开发对我国能源短缺的改善和低碳经济的发展具有重要的现实意义，也是我国产业政策、能源环境发展的需求。
红外辐射涂料是由辐射粉体基料与载体粘结剂组成的，其中，辐射粉体基料的作用是提高辐射性能，载体粘结剂则使涂料牢固地粘在基体表面。红外辐射粉体的辐射率对红外辐射涂料的性能起着至关重要的作用，辐射率越高，涂料的热效率和节能效果越好。国外性能较好的红外节能材料主要采用辐射率较高的过渡金属氧化物、氮化物、碳化物和硼化物的多元体系，开发重点主要集中在通过高温烧结提高红外辐射率和稳定性。目前，国内工程应用的红外辐射涂料产品对红外辐射材料的组成与结构的控制比较粗放，往往将各种氧化物混匀后直接配制涂料，通过在高温使用过程中各种氧化物的固相反应来形成所需红外辐射组分，难以从根本上控制红外辐射组分的组成与结构；也有采用高温焙烧固相反应法制备合成红外辐射粉料的，但合成温度高、保温时间长、粉料粒度大。
另外，虽然大量开发的红外辐射材料在远红外区(8～25μm)的辐射率已超过0.9，但是随着使用温度的升高，红外辐射的主波峰会向短波移动，而近中红外区的辐射率却较低，甚至不足0.5，这成为了当前利用红外辐射节能材料提高热工设备热效率和能源利用率的难点之一。
因此，针对红外辐射涂料存在全波段发射率低、质量不稳定等问题，开发高品质、高辐射率的红外辐射粉体尤为重要。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高红外辐射粉体及其制备方法，所述高红外辐射粉体的红外发射率高、质量稳定、使用温度高、寿命长，且涉及的合成周期短、能耗低、生产成本低，具有明显的节能效果。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高红外辐射粉体的制备方法，包括如下步骤：
1)混料：以钛铁矿粉末、Fe2O3粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、Co2O3粉末和CeO2粉末为原料，将称取的各原料置于混料灌中进行湿混，取出后进行干燥，得混合粉末；
2)将所得混合粉末装入真空条件的石墨反应器中，然后置于大电流脉冲反应合成装置中；对石墨反应器直接施加脉冲电流，加热反应得合成粉体；
3)将合成粉体置于真空球磨罐中进行球磨，得所述的高红外辐射粉体。上述方案中，所述干燥过程一般在干燥气体气氛中进行，在干燥温度范围内任何不与所述混合物发生化学反应的气体都可以用作干燥气体，一般选择空气；干燥可以在常压或负压条件下进行。
上述方案中，所述钛铁矿粉末主要成分为FeTiO3，其纯度大于92wt％，含少量的MgO、SiO2和CaO杂质相。
上述方案中，步骤2)中所述加热反应条件为加热至950～1250℃保温5～30min，然后随炉冷却。
优选的，步骤2)中所述加热温度为950～1200℃，保温时间为5～20min。
上述方案中，各原料及其所占质量百分比为：钛铁矿粉末20～50％、Fe2O3粉末5～30％、TiO2粉末3～15％、Cr2O3粉末3～20％、Co2O3粉末3～20％、CeO2粉末0.5～10％；
上述方案中，步骤1)中所述湿混步骤时间不少于12h。
优选的，所述湿混步骤选用的混料球为氧化铝，分散介质为无水乙醇。
上述方案中，所述真空条件的真空度≤10Pa。
上述方案中，步骤2)中所述加热步骤的升温速率为25～400℃/min。
上述方案中，所述球磨过程选用的磨球介质为氧化铝，球料比为30～35:1，球磨速率为250～350r/min，时间为24～36h。
上述方案中，所述球磨过程球磨至合成粉体的粒度小于2μm。
根据上述方案制备的高红外辐射粉体。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用场致快速加热固相反应技术合成红外辐射粉料，合成过程中除热效应，还存在电磁场作用，合成过程中产生的脉冲大电流和磁场对粉体表面具有特殊作用而促进粉体间的反应，降低了合成温度，合成温度较传统方式低100℃以上，而且反应时间大幅度下降，不到传统合成方法所需时间的1/4，具有周期短、能耗低和生产成本低的优势。
2)本发明采用场致快速加热技术，由于在合成中具有电磁场等非热效应的作用，可加速元素间的扩散，使难以掺杂迁移的Co3+、Cr3+和Ti4+很容易进入Fe晶格，形成强掺杂效应；同时，Fe2O3、TiO2等过渡金属氧化物在高温真空环境下极易失氧而产生氧空位，造成晶格畸变缺陷，使结构变疏松，引起极化，导致晶体能带的变化，掺杂元素进入晶格也更为容易，从而可以获得结构复杂、晶格畸变大的高辐射率红外材料。
3)本发明采用高能球磨工艺细化红外辐射粉体，可使粉体的粒径达到亚微米级或者纳米级，可进一步提高合成粉体的红外辐射率，实现应用涂层的超细化结构。
4)本发明制备的高红外辐射粉体，全波段法向全发射率可达0.92，质量稳定，高温衰减缓慢。
5)本发明所述合成工艺具有合成温度低、合成时间短、能耗低等特点，所制备的红外辐射粉体全波段发射率高、使用温度高和寿命长。
附图说明
图1为实施例1球磨后所得高红外辐射粉体的XRD图。
图2为实施例3制备的高红外辐射粉体在600℃温度条件下测量的发射率图。
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，采用的钛铁矿粉末主要成分为FeTiO3，其纯度大于92wt％，含少量的MgO、SiO2和CaO杂质相。
实施例1
一种高红外辐射粉体，其制备方法包括以下步骤：
1)混料：按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：钛铁矿粉40％、Fe2O3粉末23％、TiO2粉末15％、Cr2O3粉末10％、Co2O3粉末10％、CeO2粉末2％；将称取的原料装入塑料混料罐中，以氧化铝为混料球，无水乙醇为分散介质，湿混12～24h；将混匀后的浆料滤出，进行干燥，得混合粉末；
2)将所得混合粉末装入石墨反应器中，然后置入大电流脉冲反应合成装置中，石墨反应器内保持真空(≤10Pa)；对石墨反应器直接施加脉冲电流，以100℃/min的升温速率加热到1000℃的温度，保温10min，然后随炉冷却，得合成粉体；
3)将合成粉体置入真空球磨罐中进行球磨，其中氧化铝为磨球介质，球料比为30:1，球磨转速为250r/min，时间为24h，得到高红外辐射粉体。
将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图1，图中生成了具有高辐射率的尖晶石结构的铁氧体化合物。
本实施例制备的高红外辐射粉料全波段法向发射率为0.87，粉体粒度约为1.5μm。
实施例2
一种高红外辐射粉体，其制备方法包括以下步骤：
1)混料：按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：钛铁矿粉30％、Fe2O3粉末25％、TiO2粉末12％、Cr2O3粉末15％、Co2O3粉末15％、CeO2粉末3％；将称取的原料装入塑料混料罐中，以氧化铝为混料球，无水乙醇为分散介质，湿混12～24h；将混匀后的浆料滤出，进行干燥，得混合粉末；
2)将所得混合粉末装入石墨反应器中，然后置入大电流脉冲反应合成装置中，石墨反应器内保持真空(≤10Pa)；对石墨反应器直接施加脉冲电流，以250℃/min的升温速率加热到1100℃的温度，保温10min，然后随炉冷却，得合成粉体；
3)将合成粉体置入真空球磨罐中进行球磨，其中氧化铝为磨球介质，球料比为30:1，球磨转速为300r/min，时间为30h，得到高红外辐射粉体。
本实施例制备的高红外辐射粉料全波段法向发射率为0.90，粉体粒度约为1μm。
实施例3
一种高红外辐射粉体，其制备方法包括以下步骤：
1)混料：按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：钛铁矿粉30％、Fe2O3粉末25％、TiO2粉末8％、Cr2O3粉末16％、Co2O3粉末16％、CeO2粉末5％；将称取的原料装入塑料混料罐中，以氧化铝为混料球，无水乙醇为分散介质，湿混12～24h；将混匀后的浆料滤出，进行干燥，得混合粉末；
2)将所得混合粉末装入石墨反应器中，然后置入大电流脉冲反应合成装置中，石墨反应器内保持真空；对石墨反应器直接施加脉冲电流，以300℃/min的升温速率加热到1150℃的温度，保温10min，然后随炉冷却，得合成粉体；
3)将合成粉体置入真空球磨罐中进行球磨，其中氧化铝为磨球介质，球料比为30:1，球磨转速为300r/min，时间为30h，得到高红外辐射粉体。
本实施例制备的高红外辐射粉料全波段法向发射率为0.92，粉体粒度约为1μm。
实施例4
一种高红外辐射粉体，其制备方法包括以下步骤：
1)混料：按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：钛铁矿粉45％、Fe2O3粉末20％、TiO2粉末10％、Cr2O3粉末12％、Co2O3粉末12％、CeO2粉末1％；将称取的原料装入塑料混料罐中，以氧化铝为混料球，无水乙醇为分散介质，湿混12～24h；将混匀后的浆料滤出，进行干燥，得混合粉末；
2)将所得混合粉末装入石墨反应器中，然后置入大电流脉冲反应合成装置中，石墨反应器内保持真空；对石墨反应器直接施加脉冲电流，以300℃/min的升温速率加热到950℃的温度，保温15min，然后随炉冷却，得合成粉体；
3)将合成粉体置入真空球磨罐中进行球磨，其中氧化铝为磨球介质，球料比为30:1，球磨转速为350r/min，时间为36h，得到高红外辐射粉体。
本实施例制备的高红外辐射粉料全波段法向发射率为0.84，粉体粒度约为0.76μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高红外辐射粉体的制备方法，包括如下步骤：
1)混料：以钛铁矿粉末、Fe2O3粉末、TiO2粉末、Cr2O3粉末、Co2O3粉末和CeO2粉末为原料，将称取的各原料置于混料灌中进行湿混，取出后进行干燥，得混合粉末；
2)将所得混合粉末装入石墨反应器中，石墨反应器中保持真空条件；对石墨反应器直接施加脉冲电流，加热反应得合成粉体；
3)将合成粉体置入真空球磨罐中进行球磨，得所述的高红外辐射粉体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述加热反应条件为加热至950～1250℃保温5～30min，然后随炉冷却。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，各原料及其所占质量百分比为：钛铁矿粉末20～50％、Fe2O3粉末5～30％、TiO2粉末3～15％、Cr2O3粉末3～20％、Co2O3粉末3～20％、CeO2粉末0.5～10％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述湿混步骤的时间不少于12h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空条件的真空度≤10Pa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述加热步骤的升温速率为25～400℃/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述加热温度为950～1200℃，保温时间为5～20min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨过程选用的磨球介质为氧化铝，球料比为30～35:1，球磨速率为250～350r/min，时间为24～36h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨过程球磨至合成粉体的粒度≤2μm。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制得的高红外辐射粉体。
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