CN106546099B - 陶瓷纳米复合衬里 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷纳米复合衬里，它包括钢板、钉子、陶瓷纳米喷涂层、陶瓷纳米纤维绝热板、耐火阻气层和锚固件，其中所述钉子在钢板上等边三角形排布，所述陶瓷纳米纤维喷涂层喷涂在钢板上，厚度为120‑200mm，将20mm厚的所述陶瓷纳米纤维绝热板置于陶瓷纳米纤维喷涂层上，所述耐火阻气层置于陶瓷纳米纤维绝热板上，通过所述锚固件和钉子固定在钢板上，最高使用温度不小于1450℃，长期不小于1260℃。

Description

陶瓷纳米复合衬里
技术领域
本发明涉及绝热材料领域，特别是一种陶瓷纳米复合衬里。
背景技术
2014年我国能源消耗量居世界第一，能源利用效率低，碳排放量远远超过发达国家，节能减排作为解决能源短缺最有效的方法，强化保温是一种行之有效的措施。
1992年，美国学者Hunt A J在国家工程大会上首次提出绝热概念，在之后的二十多年间，绝热材料得到迅速发展，而近年来由于纳米材料的兴起，尤其是气凝胶材料作为无极绝热领域导热率最低的材料得到广泛的应用，其中以二氧化硅气凝胶材料表现尤其优异，但是由于二氧化硅气凝胶材料的固有强度低，脆性大以及容易开裂等缺点，限制了其在实际中的使用，于是引入纤维等增强体，提高材料本身的性能。国内外学者在此项目上进行了大量的研究，并取得了显著的成果。
授权公告号为CN1186298C的中国发明专利公开了一种致密型陶瓷纤维喷涂衬里及其施工工艺，由陶瓷和高温结合剂组成，高温结合剂包括Al2O3微粉、SiO2微粉、纳米级Al2O3粉、氨水和水以及适量外加剂与陶瓷纤维结合得到致密型陶瓷纤维喷涂衬里的体积密度为0.3-0.49g/cm3。
授权公告号为CN 102942332B的中国发明专利公开了一种复合纳米孔绝热材料及其制备方法。使用SiO2粉体20-40份，Al2O3粉体0-20份、遮光剂1-10份、粘结剂1-5份、无机连续纤维40-80份、以及循环使用的作为载体的溶剂80-100份，首先将无机连续纤维制得无机连续纤维毡，然后将粉体、遮光剂和粘结剂加入溶剂中，采用高速分散机配置成纳米乳液，将二者压滤，烘干制得纳米绝热材料，密度为120-125kg/m3,常温导热系数≤0.024W/m·k,最高使用温度≤1000℃。
授权公告号CN103058622的中国发明专利公开了一种无机保温材料及其制备方法，将15-60wt%二氧化硅气凝胶、15-60wt%可溶性硅酸盐、15-40wt%（R）nN（R）3X-(1≤n≤24,R为烃基)、5-15wt%氧化锡锑和5-15wt%的空心玻璃微珠混合，加入偶联剂改性，得到混合物；将混合物与水混合，得到的浆液浸润至玻璃纤维毡上，热压成型得到无机保温材料。常温下导热系数为0.025-0.027W/m·k。
授权公告号CN103159454B的中国发明专利公开了一种纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，将有机溶剂叔丁醇、有机单体丙烯酰胺、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺充分搅拌混合配置成预混液，向预混液中加入二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、遮光剂钛白粉、造孔剂聚乙二醇及悬浮剂三聚磷酸钠得悬浮浆液，进行真空除泡15-45分钟，然后向悬浮浆料中先后加入引发剂过硫酸铵、催化剂搅拌制成除泡浆料，原位固化得到凝胶复合体，干燥，排胶得到常温下导热系数为0.045W/m·k的复合超级绝热材料。
授权公告号为CN104312215B的中国发明专利公开了一种二氧化硅的表面接枝改性方法，针对二氧化硅表面原子配位数不足，表面能较高、易团聚的情况，采用环氧基硅烷偶联剂、氨水对二氧化硅表面在碱性环境下反应，提高其分散性与相容性，与受阻胺抗氧剂进行接枝改性，制得的纳米二氧化硅表面有化学键合的抗氧剂，改变了其表面极性，团聚现象得到改善。
公布号为CN105038445A的中国发明专利申请公开了一种含二氧化硅气凝胶的水性浆料、其制备方法及应用，主要有二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂和水均匀混合形成的稳定分散体系。将水和表面活性剂混合均匀、形成混合液；向混合液内加入疏水性二氧化硅气凝胶粉体，混合均匀，形成悬浮液；向悬浮液内加入粘结剂和助剂，混合均匀，形成所述水性浆料。使用温度在-50℃-300℃，热导率为0.0246-0.05W/m·k之间。
授权公告号为US7635411B2的美国专利中公开了一种用疏水型气凝胶的水溶液，气凝胶粉体的平均粒径为0.03mm-1mm，其水溶液中至少含有一种润湿剂，润湿剂与气凝胶的质量百分比为0.05%-0.5%，润湿剂可以在山梨酸酯、磷酸酯、二甲基烷基氧化胺等表面活性剂，生产出的密度小于0.4g/cc,热导率小于0.04W/m·k的气凝胶复合材料，然而如果气凝胶粉体为纳米级分散就会成为一个大问题。
授权公告号为US9399864B2的美国专利公开了一种将气凝胶颗粒，纤维和带电化合物在水中混合，在粒子分散和乳液形成后，乳液开始絮凝或凝结，气凝胶微粒、纤维、带电化合物和脱稳定剂聚集到粘性基团中，同时形成一个清澈的，低粘度的，水性的上清液，脱去上清液，形成密度小于0.2g/cc,150℃下热导率为0.04W/m·k气凝胶复合绝热材料。然而，该操作需要现将纳米颗粒用表面活性剂修饰，再和经过纤维混合后在加入带电化合物，然后还需要加入脱稳定剂，形成絮凝后再进行脱去上清液的步骤，过程较为繁琐，增加生产成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种陶瓷纳米复合衬里，它包括钢板、钉子、陶瓷纳米喷涂层、陶瓷纳米纤维绝热板、耐火阻气层和锚固件，其中所述钉子在钢板上等边三角形排布，所述陶瓷纳米纤维喷涂层喷涂在钢板上，厚度为120-200mm，将20mm厚的所述陶瓷纳米纤维绝热板置于陶瓷纳米纤维喷涂层上，所述耐火阻气层置于陶瓷纳米纤维绝热板上，通过所述锚固件和钉子固定在钢板上。
优选地，所述耐火阻气层为轻质浇筑料。
优选地，所述耐火阻气层为耐火砖。
优选地，所述轻质浇注料由水泥，粉料和骨料组成，水泥 :粉料:骨料质量比为1:2:4 。
优选地，所述轻质浇注料厚度大于86mm。
优选地，所述钉子排布间距为200-300mm。
优选地，所述钉子排布间距为250mm。
优选地，所述耐火砖厚度为86mm或114mm。
优选地，所述陶瓷纳米绝热板容重为0.2-0.25g/cm3，热面温度600℃时，导热系数小于0.060W/m· k。
优选地，陶瓷纳米喷涂层容重为0.2/cm3±10%，热面温度600℃时，导热系数小于0.060W/m· k。
有益效果：
1）科学界定材料功能，合理用材，正常使用寿命不小于15年。
2）陶瓷纳米喷涂层和耐火阻气层之间需安装陶瓷纳米纤维硬板，纤维硬板缓冲耐火阻气层施工过程中的水平冲击力。
3）所有材料最高使用温度不小于1450℃，长期使用温度不小于1260℃
5 .耐火阻气层。其功能作用为
5.1 提高抗烟气冲刷能力，防止空气预热系统结垢，提高加热炉整体热效率
5.2 阻断酸性气体渗透，降低硫腐蚀速度，延长炉壁板寿命
5.3 保护衬里纤维部分，保证衬里长周期运行。
具体实施方式
本发明公开一种陶瓷纳米纤维绝热材料，该绝热材料由一种陶瓷纳米高温结合剂与纤维相混合，在常压下混合烘干，制备简单，可以用在航空航天、兵器装备、钢铁冶金、石油化工、陶瓷建材、舰船车辆、家用电器、太阳能、消防防护、信息电子等领域，作为绝缘材料常温和高温下导热系数低，容重低、长期使用温度为1260℃，最高使用温度不小于1450℃。
本发明陶瓷纳米纤维绝热材料的制备包括以下几个步骤：
1.陶瓷纳米高温结合剂的制备
1-1.将疏水型纳米二氧化硅粉体与水混合，纳米二氧化硅粉体与水的重量比为2:8；加入质量百分比为二氧化硅水溶液总质量13-15%的多组分表面活性剂，在20-30℃下进行搅拌后再超声震荡，待纳米二氧化硅粉体分散均匀后，即得到陶瓷纳米高温结合剂。
疏水型纳米二氧化硅粉体的粒径为30-80nm；水为纯净水。
多组分表面活性剂包括至少有机表面活性剂和无机分散剂，有机表面活性剂与无机分散剂的质量比为10:3-5。有机表面活性剂为带有磺酸基、硫酸酯基、酰胺基、羟基、铵基以及氧乙烯基亲水基团中两种以上基团的表面活性剂，无机分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠中的一种或几种。其中，有机表面活性剂使纳米二氧化硅表面形成带有电荷的基团；无机分散剂用来将电荷统一为单一电荷，使纳米颗粒间形成互斥的稳定状态。
有机表面活性剂优选带有羟基的基团，特别是带有多羟基表面活性剂的醇溶液，多羟基单元通过连接基团与3-36个碳原子的脂族残基连接，所述连接基团为磺酸酯基团和酰胺基基团中的一种。
优选为多羟基同时带有酰胺基、磺酸基和氧乙烯基基团中的两种或两种以上的表面活性剂。
1-2.多羟基多种官能团表面活性剂的制备
（1）将1-6molN-烷基胺与1mol葡萄糖常温下溶于溶剂乙醇中，溶剂的质量百分比为40-60%，常温下进行胺化缩合反应。
（2）在镍催化剂下进行加氢反应，合成为N-烷基葡萄糖胺，反应结束后过滤除去催化剂。
（3）将1molN-烷基葡萄糖胺与1mol脂肪酸甲酯或者1mol脂肪酸甲酯磺酸溶于丙二醇中，在碱性催化剂下120℃-150℃下真空反应2-5小时。所得产物不用脱溶剂，直接作为本发明的表面活性剂。
2.陶瓷纳米绝热材料的制备
2-1.陶瓷纳米纤维绝热材料的制备
（1）将长度为5mm-5cm的纤维与步骤1中陶瓷纳米高温结合剂通过搅拌混合均匀，纤维与陶瓷纳米高温结合剂的质量百分比为4:6-6:4。
（2）在110℃-350℃下烘干，24小时后，即得到陶瓷纳米纤维绝热材料。
理论上纤维表面带有与纳米二氧化硅粉体表面电荷不同的电荷，二者相吸，形成紧密结合，使绝热性能更加优异。经过测试，按照上述方法制备的陶瓷纳米纤维绝热材料的容重为0.2g/cm3±10% ,热面温度600℃时，导热系数小于等于0.06W/m·k。
本发明中所测导热系数均为热面温度为600℃时的导热系数。
2-2.陶瓷纳米纤维绝热板的制备
（1）将长度为5mm-5cm的纤维与步骤1中陶瓷纳米高温结合剂混合均匀，纤维与陶瓷纳米高温结合剂的质量百分比为6:4-9:1，加入3-5wt%的硅酸钠粉末、硅溶胶和铝溶胶中的一种或几种，搅拌混合均匀，导入模具中。
（2）导入模具后的混合材料在压力机下以20MPa间歇锤击式震动加压，然后在110℃-350℃下烘干， 24小时后，即得陶瓷纳米纤维绝热板。
所得陶瓷纳米纤维绝热板容重为0.2-0.25g/cm3，热面温度600℃时，导热系数小于等于0.06W/m·k。
2-3.陶瓷纳米涂抹料
（1）在步骤1中得到的陶瓷纳米高温结合剂中加入3-5wt%的硅酸钠粉末、硅溶胶和铝溶胶中的一种或几种，再加入3wt%的粘土，混合均匀。
（2）将步骤2-3-（1）中的陶瓷纳米涂抹料涂抹到例如墙上或者管道等需绝热体上，涂抹厚度为1-10mm，在110℃下烘干8小时后完全干燥，或者采用加入常温固化剂的方法进行固化，按照上述方法制备的涂抹料强度大于等于0.5MPa，长时间使用不坍塌。
2-4.陶瓷纳米喷涂工艺
（1）将长度为5mm-15mm的纤维通过高压风机输送到喷枪中，同时将陶瓷纳米高温结合剂通过高压泵输送到喷枪中与纤维混合后通过喷枪喷至作业面。
（2）纤维与陶瓷纳米高温结合剂的质量百分比为4:6-6:4。
（3）在110℃-350℃下烘干24小时。
2-5.陶瓷纳米浇筑复合衬里
钢板上等边三角形排布钉子，排布间距200-300mm，优选250mm。
喷涂层：采用陶瓷纳米喷涂工艺在钢板上喷120mm厚，保证其在850℃下长期使用。
陶瓷纳米纤维绝热板：20mm厚，至于喷涂干燥后的陶瓷纳米喷涂料上，
轻质浇注料，轻质浇注料由水泥，粉料和骨料组成，质量比为水泥 :粉料:骨料 =1:2:4。水泥为耐火水泥，粉料为漂珠，骨料为页岩陶粒或轻质砖砂。
水泥和漂珠混合，分次加水再混合，初凝后加入骨料混合均匀，在作业面施工，施工方法可采用倒打、涂抹、喷涂、浇筑。轻质浇注料厚度大于86mm。
采用锚固件将其固定。
陶瓷纳米浇筑复合衬里有益效果：
1）科学界定材料功能，合理用材，正常使用寿命不小于15年。
2）陶瓷纳米喷涂衬里和浇注料衬里之间需安装陶瓷纤维硬板，纤维硬板缓冲浇注料施工过程中的水平冲击力。
3）陶瓷纤维硬板需做防水处理，在施工和养护过程中，陶瓷纤维硬板不能影响浇注料衬里的水化反应。
4）所有材料最高使用温度不小于1000℃，长期不小于850℃。
5）浇注料部分仅作为耐火阻气层。其功能作用为
5.1 提高抗烟气冲刷能力，防止空气预热系统结垢，提高加热炉整体热效率
5.2 阻断酸性气体渗透，降低硫腐蚀速度，延长炉壁板寿命
5.3 护衬里纤维部分，保证衬里长周期运行
2-6陶瓷纳米耐火砖复合衬里
钢板上等边三角形排布钉子，排布间距200-300mm，最佳250mm。
喷涂层：采用陶瓷纳米喷涂工艺在钢板上喷200mm厚，保证其在1260℃下长期使用。
耐火砖114mm或者86mm。
采用锚固件将其固定。
有益效果：
1）科学界定材料功能，合理用材，正常使用寿命不小于15年。
2）陶瓷纳米喷涂层和耐火砖之间之间需安装陶瓷纳米纤维硬板，纤维硬板缓冲浇注料施工过程中的水平冲击力。
3）所有材料最高使用温度不小于1450℃，长期不小于1260℃
5 .耐火砖仅作为耐火阻气层。其功能作用为
5.1 提高抗烟气冲刷能力，防止空气预热系统结垢，提高加热炉整体热效率
5.2 阻断酸性气体渗透，降低硫腐蚀速度，延长炉壁板寿命
5.3 保护衬里纤维部分，保证衬里长周期运行。
实施例1
1.表面活性剂的制备
将3mol乙醇胺与1mol葡萄糖混合溶于乙醇中，溶剂的质量百分比为40-60%，常温下进行反应；在镍催化剂下进行加氢反应，理论上合成1mol产物A，反应结束后过滤除去催化剂，将上述产物A与1mol脂肪酸甲酯磺酸溶于10-30wt%的丙二醇中，在碱性催化剂下，150℃真空反应5小时。所得产物不用脱溶剂，直接作为本发明的表面活性剂B，表面活性剂B为多羟基带有磺酸基、酰胺基基团化合物的醇溶液。
2.高温纳米结合剂的制备
取疏水型二氧化硅纳米粉体分散在纯净水中二氧化硅纳米粉与水的质量比为2:8，加入10wt%的表面活性剂B，在20℃下搅拌5min，再加入3wt%无机分散剂，为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠中的一种或几种，在20℃下超声震荡，待二氧化硅纳米粉体逐渐分散均匀形成稳定的悬浮液，制成陶瓷纳米高温结合剂。
3.纳米陶瓷纤维复合材料的制备
将50wt%长度为5mm纤维放入高温结合剂中，均匀混合搅拌，静置24小时，在110℃下烘干24小时，即得到陶瓷纳米纤维复合材料，容重为0.18g/cm3，热面温度600℃时，导热系数0.056W/m· k。
表1中为在不同条件下制成的陶瓷纳米纤维复合材料的实施例。
表1
表1中搅为搅拌，超为超声震荡；
稳定状态为纳米颗粒在悬浮液中长期处于均匀分散的状态；
亚稳定状态为纳米颗经过一段时间会有团聚产生，或者在反应过程中就有少量团聚产生；不稳定状态为明显有团聚产生。
对比例
表2中所列为经过现有技术中所列有机表面活性剂处理纳米二氧化硅粒子，再经过无机分散剂修饰制成的纳米高温结合剂。
取疏水型二氧化硅纳米粉体分散在纯净水中二氧化硅纳米粉与水的质量比为2:8，加入10wt%的有机表面活性剂，在20℃下搅拌5min，再加入3wt%无机分散剂，为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠中的一种或几种，在20℃下超声震荡，待二氧化硅纳米粉体逐渐分散形成悬浮液，制成陶瓷纳米高温结合剂。
表2
以上所述只是本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明范围内所作的均等变化与修饰，均为本发明的范围所覆盖。

Claims (10)

1.一种陶瓷纳米复合衬里，其特征在于：所述陶瓷纳米复合衬里包括钢板、钉子、陶瓷纳米喷涂层、陶瓷纳米纤维绝热板、耐火阻气层和锚固件；
所述钉子在钢板上呈等边三角形排布；
所述陶瓷纳米喷涂层由将长度为5mm-15mm的纤维通过高压风机输送至喷枪中，同时将陶瓷纳米高温结合剂通过高压泵输送至喷枪中与纤维混合后喷至钢板上，厚度为120-200mm，烘干而成；
所述陶瓷纳米高温结合剂为将重量比为2:8的疏水型二氧化硅粉体与水混合，加入13-15wt%的多组分表面活性剂在20-30℃下进行搅拌后再超声震荡；
所述多组分表面活性剂包括有机表面活性剂和无机分散剂，所述表面活性剂为多羟基单元通过连接基团与3-36个碳原子的脂族残基连接的化合物的醇溶液；
所述陶瓷纳米纤维绝热板由所述陶瓷纳米高温结合剂、纤维以及硅酸钠粉末、硅溶胶和铝溶胶中的一种或几种搅拌混合均匀，导入模具后在压力机下以20MPa间歇锤击式震动加压，烘干得到20mm陶瓷纳米纤维绝热板，置于陶瓷纳米喷涂层上；
所述耐火阻气层置于陶瓷纳米纤维绝热板上；
所述陶瓷纳米纤维绝热板和所述耐火阻气层通过所述锚固件和钉子固定在钢板上。
2.根据权利要求1所述的复合衬里，其特征在于：所述耐火阻气层为轻质浇注料。
3.根据权利要求1所述的复合衬里，其特征在于：所述耐火阻气层为耐火砖。
4.根据权利要求2所述的复合衬里，其特征在于：所述轻质浇注料由水泥、粉料和骨料组成，水泥：粉料：骨料质量比为1:2:4。
5.根据权利要求2或4所述的复合衬里，其特征在于：所述轻质浇注料厚度大于86mm。
6.根据权利要求1所述的复合衬里，其特征在于：所述钉子间排布间距为200-300mm。
7.根据权利要求6所述的复合衬里，其特征在于：所述钉子间排布间距为250mm。
8.根据权利要求3所述的复合衬里，其特征在于：所述耐火砖厚度为86mm或114mm。
9.根据权利要求1所述的复合衬里，其特征在于：所述陶瓷纳米绝热板容重为0.2-0.25g/cm3，热面温度600℃时，导热系数小于0.060W/m·k。
10.根据权利要求1所述的复合衬里，其特征在于：所述陶瓷纳米喷涂层容重为0.2 g/cm3±10%,热面温度600℃时，导热系数小于0.060W/m·k。
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