CN107556885B - 一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，包括甲组份和乙组份，所述甲组份和乙组份的质量比为20：1；其中，所述甲组份包括环氧树脂、硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪、二硼化锆、溶剂和触变剂；所述乙组分包括固化剂和乙醇。本发明改善了涂层在常温和高温下与耐高温合金基层的结合强度，提高了其抗热震性。本发明得到的涂层在常温和高温下附着力均大于5MPa，涂层能耐承受800℃高温，涂层抗热震性大于500K/S，涂层不开裂、剥落；提高了涂层在近红外波段的发射率，增强了辐射节能效率。高温下(800～1000℃)涂层在近红外(3‑5微米)波段发射率达0.86～0.92。
Description
技术领域
本发明涉及涂料技术领域。更具体地，涉及一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料及其制备方法和应用。
背景技术
乙烯裂解炉是乙烯生产装置的龙头和关键设备，其能耗占装置总能耗的50％～60％，因此降低乙烯裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一。乙烯裂解炉目前主要材质为35Cr245Ni，长期工作温度在800～1100℃，要求涂层在近红外波段(3～5μm)具有高的发射率；此外，乙烯裂解炉存在炉膛温度频繁急升急降的情况，要求涂层具有由于的抗热震稳定性。
现有的乙烯裂解炉红外辐射节能涂料采用无机粘结剂(硅溶胶、水玻璃等)和过渡金属氧化物辐射剂，如专利(CN104109407A)主要采用硅酸钠为粘结剂，氧化铬、氧化锰为辐射剂。这类辐射涂料在应用在使用时一方面存在与耐高温合金基层常温下结合强度差，近红外辐射率低的问题，影响乙烯裂解管安装施工和涂层节能效率的提高；另一方面这些无机耐高温涂料在乙烯裂解炉存在炉膛温度频繁急剧升降的情况会因抗热震性能差而出现龟裂、脱落等问题，降低涂料的实际寿命。
因此，本发明提供了一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，改善了涂层在常温和高温下与耐高温合金基层的结合强度，提高了其抗热震性；提高了涂层在近红外波段的发射率，增强了辐射节能效率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，该涂料具有优异的抗热震性和高的近红外高发射率。
本发明的另一个目的在于提供一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料的应用。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，所述近红外辐射陶瓷涂料包括甲组份和乙组份，所述甲组份和乙组份的质量比为20：1；其中，
所述甲组份包括环氧树脂、硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪、二硼化锆、溶剂和触变剂；
所述乙组分包括固化剂和乙醇。
本发明采用双组分的环氧树脂和硼硅玻璃粉可以分别解决涂料在常温和高温下涂层与金属基层的结合问题。在常温下，双组分的环氧树脂含有的羟基和醚键保证涂层与金属基层的良好的结合强度，有利于乙烯裂解炉管的安装施工；在高温下，有机的环氧树脂会烧蚀消失，而硼硅玻璃粉可以在金属基层表面熔融形成牢固致密的无机涂层。因此，涂层在常温和高温下附着力均大于5MPa。该无机涂层与耐高温合金金属基层有良好的热膨胀匹配，具有优异的抗热震性能。涂层能耐受800-1100℃高温，涂层抗热震性大于500K/S，涂层不开裂、剥落。此外，本发明通过选择在近红外波段具有高发射率的硼化物和碳化物作为主要辐射剂，提高了红外辐射涂层在近红外波段的发射率和涂层节能效率，高温下(800℃)涂层在近红外(3-5微米)波段发射率达0.86～0.92。
优选地，所述甲组份包括以下组分，按重量份数计：
优选地，所述乙组分包括以下组分，按重量份数计：
固化剂 75～85份；
乙醇 15～25份。
优选地，所述硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆的粒径均为300～325目。
优选地，所述固化剂选自聚酰胺和酚醛胺中的一种或多种。
优选地，所述溶剂选自二甲苯、甲苯和丙酮中的一种或多种；
优选地，所述触变剂选自气相二氧化硅和有机膨润土中的一种或多种。
优选地，所述环氧树脂为酚醛环氧树脂。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料的制备方法，包括如下步骤：
将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体按比例混合球磨，得到混合粉体；
将环氧树脂、触变剂和溶剂按比例混合搅拌分散，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
将混合粉体加入到环氧树脂溶液中搅拌、剪切得到甲组份；
将固化剂溶于乙醇得到乙组份；
将甲组份和乙组份按比例混合均匀，得到所述用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
优选地，所述球磨时间为2-3小时，更优选为3小时。
优选地，所述球磨的球料比为3：1。
优选地，所述混合粉体的粒径为300～325目。
优选地，所述将混合粉体加入到环氧树脂溶液中搅拌的条件为：搅拌的转速为7500转/分，搅拌的时间为30～60分钟；更优选地，搅拌的时间为30分钟。
为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：
一种上述近红外辐射陶瓷涂料在乙烯裂解炉的应用。
本发明还提供了一种乙烯裂解炉金属基层表面的近红外辐射陶瓷涂层，所述近红外辐射陶瓷涂层由上述近红外辐射陶瓷涂料涂覆在乙烯裂解炉的金属基层表面，常温干燥制得。
优选地，所述乙烯裂解炉金属基层表面的近红外辐射陶瓷涂层的制备包括如下步骤：将乙烯裂解炉的金属基层表面进行预备处理，清除表面油污和锈层；将混合好的近红外辐射陶瓷涂料均匀的涂刷到乙烯裂解炉35Cr245Ni合金基层上被涂物表面，常温干燥12～24小时。
本发明发现，选用双组分的环氧树脂和硼硅玻璃粉、以及选择硼化物和碳化物，这些组分之间的协同作用既能解决涂料在常温下和高温下涂层与金属基层的结合问题，又可提高红外辐射涂层在近红外波段的发射率和涂层节能效率。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的近红外辐射陶瓷涂料用于乙烯裂解炉，改善了涂层在常温和高温下与耐高温合金基层的结合强度，提高了其抗热震性。本发明得到的涂层在常温和高温下附着力均大于5MPa，涂层能耐受800-1100℃高温，涂层抗热震性大于500K/S，涂层不开裂、剥落。
(2)本发明提高了涂层在近红外波段的发射率，增强了辐射节能效率。高温下(800℃)涂层在近红外(3-5微米)波段发射率达0.86～0.92。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1中涂料涂刷在35Cr245Ni合金基层上在800℃下的发射率曲线示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，由甲组份和乙组份组成，
甲组份的重量份组成包括：
涂料中添加的硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆的粒径均为325目。
乙组份的重量组成包括：
聚酰胺 75份；
乙醇 25份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、碳化硼、硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体在振动磨上进行球磨，球磨时间3小时，球料比为3：1；得到混合粉体；
(2)将环氧树脂、触变剂、溶剂在反应釜内搅拌分散，转速为7500转/分，搅拌1小时，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
(3)将球磨得到的混合粉体加入到环氧树脂溶液中继续搅拌分散，转速7500转/分，搅拌30分钟，将搅拌分散后的浆料进入剪切机，剪切分散2遍，制得涂料甲组份。
(4)将固化剂溶解在乙醇中，搅拌均匀，得到乙组份；
(5)将甲组份和乙组份按照20：1的质量比混合均匀，即得到用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
实施例2
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，由甲组份和乙组份组成，
甲组份的重量份组成包括：
同时涂料中添加的硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、碳化硼、硼化钛二硼化铪和二硼化锆的粒径为300目。
乙组份的重量组成包括：
聚酰胺 85份；
乙醇 15份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、碳化硼、硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体在振动磨上进行球磨，球磨时间3小时，球料比为3：1；得到混合粉体；
(2)将环氧树脂、触变剂、溶剂在反应釜内搅拌分散，转速为7500转/分，搅拌1小时，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
(3)将球磨得到的混合粉体加入到环氧树脂溶液中继续搅拌分散，转速7500转/分，搅拌30分钟，将搅拌分散后的浆料进入剪切机，剪切分散2遍，制得涂料甲组份。
(4)将固化剂溶解在乙醇中，搅拌均匀，得到乙组份；
(5)将甲组份和乙组份按照20：1的质量比混合均匀，即得到用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
实施例3
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，由甲组份和乙组份组成，
甲组份的重量份组成包括：
涂料中添加的硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆的粒径为325目。
乙组份的重量组成包括：
酚醛胺 80份；
乙醇 20份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、碳化硼、硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体在振动磨上进行球磨，球磨时间3小时，球料比为3：1；得到混合粉体；
(2)将环氧树脂、触变剂、溶剂在反应釜内搅拌分散，转速为7500转/分，搅拌1小时，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
(3)将球磨得到的混合粉体加入到环氧树脂溶液中继续搅拌分散，转速7500转/分，搅拌30分钟，将搅拌分散后的浆料进入剪切机，剪切分散2遍，制得涂料甲组份。
(4)将固化剂溶解在乙醇中，搅拌均匀，得到乙组份；
(5)将甲组份和乙组份按照20：1的质量比混合均匀，即得到用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
实施例4
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，由甲组份和乙组份组成，
甲组份的重量份组成包括：
同时涂料中添加的硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆的粒径为325目。
乙组份的重量组成包括：
聚酰胺 40份；
酚醛胺 40份；
乙醇 20份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、碳化硼、硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体在振动磨上进行球磨，球磨时间3小时，球料比为3：1；得到混合粉体；
(2)将环氧树脂、触变剂、溶剂在反应釜内搅拌分散，转速为7500转/分，搅拌1小时，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
(3)将球磨得到的混合粉体加入到环氧树脂溶液中继续搅拌分散，转速7500转/分，搅拌30分钟，将搅拌分散后的浆料进入剪切机，剪切分散2遍，制得涂料甲组份。
(4)将固化剂溶解在乙醇中，搅拌均匀，得到乙组份；
(5)将甲组份和乙组份按照20：1的质量比混合均匀，即得到用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
实施例5
一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，由甲组份和乙组份组成，
甲组份的重量份组成包括：
同时涂料中添加的硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆的粒径为325目。
乙组份的重量组成包括：
聚酰胺 82份；
乙醇 18份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、碳化硼、硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体在振动磨上进行球磨，球磨时间3小时，球料比为3：1；得到混合粉体；
(2)将环氧树脂、触变剂、溶剂在反应釜内搅拌分散，转速为7500转/分，搅拌1小时，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
(3)将球磨得到的混合粉体加入到环氧树脂溶液中继续搅拌分散，转速7500转/分，搅拌30分钟，将搅拌分散后的浆料进入剪切机，剪切分散2遍，制得涂料甲组份。
(4)将固化剂溶解在乙醇中，搅拌均匀，得到乙组份；
(5)将甲组份和乙组份按照20：1的质量比混合均匀，即得到用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
实施例6
所述近红外辐射陶瓷涂料通过以下步骤应用在乙烯裂解炉35Cr245Ni合金基层上被涂物表面：
使用涂料前，先将被涂金属基层表面进行预备处理，清除表面油污和锈层；将混合好的近红外辐射陶瓷涂料均匀的涂刷到35Cr245Ni合金基层上被涂物表面，常温干燥12～24小时。
将实施例1所得涂料涂刷在35Cr245Ni合金基层上，其在800℃下的发射率曲线如图1所示，从图中看出高温下涂层在近红外(3-5微米)波段发射率达0.86。
将以上实施例制备得到的涂料进行性能检测，具体结果见表1.
表1涂料的性能
| 性能 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 附着力/MPa | 5～6 | 5～6 | 6～7 | 5～6 | 6～7 |
| 常温干燥时间/h | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| 抗热震性K/s | ＞500 | ＞500 | ＞500 | ＞500 | ＞500 |
| 发射率(3～5μm) | 0.89 | 0.91 | 0.92 | 0.86 | 0.87 |
对比例1
涂料的组成和制备方法同实施例1，区别在于：
甲组分中不包含环氧树脂。
对比例2
涂料的组成和制备方法同实施例1，区别在于：
甲组分中不包含硼硅玻璃粉。
对比例3
涂料的组成和制备方法同实施例1，区别在于：
甲组分中不包含硼化物和碳化物。
对比例4
将对比例1～3所得的近红外辐射陶瓷涂料应用在乙烯裂解炉35Cr245Ni合金基层上被涂物表面，使用方法同实施例6。
将以上实施例制备得到的涂料进行性能检测，具体结果见表2.
表2涂料的性能
| 性能 | 实施例1 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 附着力/MPa | 5～6 | — | 2～3 | 5～6 |
| 常温干燥时间/h | 12 | 2 | 12 | 12 |
| 抗热震性K/s | ＞500 | — | <5 | ＞500 |
| 发射率(3～5μm) | 0.89 | — | 0.74 | 0.46 |
从该表可以看出，不加入环氧树脂，会导致涂层剥落；缺少硼硅玻璃粉，会导致附着力降低，抗热震性下降，发射率降低；缺少硼化物和碳化物会导致发射率显著降低。
结论：双组分的环氧树脂和硼硅玻璃粉、以及硼化物和碳化物之间相互配合，协同作用，使涂料在常温下和高温下的附着力、抗热震性、在近红外波段的发射率和辐射节能效率的作用效果最优，缺少任一组分都会使得涂料在某些方面有不同程度的减弱。本发明的产品改善了涂层在常温和高温下与耐高温合金基层的结合强度，提高了其抗热震性，提高了涂层在近红外波段的发射率，增强了辐射节能效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (15)
1.一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，其特征在于，所述近红外辐射陶瓷涂料包括甲组份和乙组份，所述甲组份和乙组份的质量比为20：1；
其中，甲组份包括以下组分，按重量份数计：
环氧树脂 15~20份；
硼硅玻璃粉 24~45份；
二氧化硅 5~10份；
碳化硅 7~15份；
碳化硼 2~7份；
二硼化钛 2~5份；
二硼化铪 2~5份；
二硼化锆 2~5份；
溶剂 10~15份；
触变剂 2~3份；
乙组分包括以下组分，按重量份数计：
固化剂 75~85份；
乙醇 15~25份。
2.根据权利要求1所述的用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，其特征在于，所述硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆的粒径均为300~325目。
3.根据权利要求1所述的用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，其特征在于，所述环氧树脂为酚醛环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，其特征在于，所述溶剂选自二甲苯、甲苯和丙酮中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，其特征在于，所述触变剂选自气相二氧化硅和有机膨润土中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料，其特征在于，所述固化剂选自聚酰胺和酚醛胺中的一种或多种。
7.一种如权利要求1-6任一所述的用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将硼硅玻璃粉、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪和二硼化锆粉体按比例混合球磨，得到混合粉体；
将环氧树脂、触变剂和溶剂按比例混合搅拌分散，得到溶解均匀的环氧树脂溶液；
将混合粉体加入到环氧树脂溶液中搅拌、剪切得到甲组份；
将固化剂溶于乙醇得到乙组份；
将甲组份和乙组份按比例混合均匀，得到所述用于乙烯裂解炉的近红外辐射陶瓷涂料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为2-3小时。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为3小时。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的球料比为3：1。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合粉体的粒径为300~325目。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述将混合粉体加入到环氧树脂溶液中搅拌的条件为：搅拌的转速为7500转/分，搅拌的时间为30~60分钟。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，搅拌的时间为30分钟。
14.一种如权利要求1~6任一项权利要求所述的近红外辐射陶瓷涂料在乙烯裂解炉的应用。
15.一种乙烯裂解炉金属基层表面的近红外辐射陶瓷涂层，其特征在于，所述近红外辐射陶瓷涂层由如权利要求1~6任一项权利要求所述的近红外辐射陶瓷涂料涂覆在乙烯裂解炉的金属基层表面，常温干燥制得。
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