CN107586472A

CN107586472A - Htee系列高温窑炉专用红外辐射涂料

Info

Publication number: CN107586472A
Application number: CN201610525840.9A
Authority: CN
Inventors: 司士辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明属于高温窑炉用红外辐射涂料，可用于石油化工窑炉、冶金、电力、陶瓷工业及民用窑炉等。技术方案是：将一定量苯胺单体或吡咯单体直接加到金属氧化物颗粒悬浮溶液中，并加入适量的无机酸或有机酸，配成苯胺(或吡咯)/金属氧化物混合悬浮溶液，采用过硫酸铵溶液作为氧化剂，得到无机酸或有机酸掺杂的聚苯胺(或聚吡咯)包裹的金属氧化物复合材料。采用含氮聚合物聚苯胺或聚吡咯高温分解作为高温氮源，与金属氧化物如锆英砂、氧化钇、氧化钽、氧化铈、氧化镧、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化铬等，在高温下自身分解的还原气氛下部分生成金属氮化物如氮化锆、氮化钇、氮化钽、氮化铈、氮化镧，氮化钛、氮化钒、氮化硅、氮化铝等，金属氮化物与金属氧化物在高温下形成牢固的高温红外辐射涂料，并能牢固地结合在金属或无机材料表面。

Description

HTEE系列高温窑炉专用红外辐射涂料

技术领域：本发明属于高温窑炉用红外辐射涂料，可用于石油化工窑炉、冶金、电力、陶瓷、建筑、航空、其他工业及民用窑炉等。

背景技术；目前，在高炉窑炉这一技术领域中，已将红外辐射技术用于生产加热设备，如红外线发射管、发射板生产加热设备等，由于红外电磁波能够被物体吸收使物质内部质点产生共振，从而使物体温度上升的特性充分加以利用。随着辐射物材质、分子结构和温度等条件的不同，其辐射波长也各不相同，这种性质极大程度上给生产加热设备提供新途径。然而，这类设备费用较高，安装和维修也多有不便，同时只有非金属材料的表面才能应用这类技术，对于黑色或有色金属表面上不能应用。随着材料科学技术不断发展，一些具有较高红外光谱发射率的物质被普遍用于研制红外辐射涂料，以改善物体表面的辐射性能，达到强化传热的目的。

早期红外辐射涂料主要以碳化硅、氧化锆、锆英砂等单物质和化合物为辐射成分，以简单的无机盐为粘结剂；随着研究不断深入，现在的红外辐射成分由多种物质或化合物通过特殊的材料复合工艺制成，粘结剂为多种微粉、溶胶及化学粘结剂组成的复合溶体。新型红外发射涂料使其可以做到与火焰直接接触，从而达到快速辐射传热的目的。根据国内外的大量研究表明，对于以辐射传热为主的工业炉，在炉衬内壁应用高温红外辐射涂料可大大提高炉内参与辐射传热的物体表面辐射系数，提高炉窑内壁的黑度、改善炉内热交换、提高物料与辐射波的匹配性、减少热损失，从而提高炉窑的热效率，改善炉内传热过程，达到节能、增效的目的。到目前为止，国内外在此项研究上已经获得一定进展：国外已先后推出了ET-4、C-10A、G-125、SBE、CRC1100、CRC1500和Enecoat等多种产品，最高发射率可达0.9～0.94，节能效果在5％以上，电阻炉最高节能可达30％；国内在该领域的研究于80年代中期得到快速发展，HTEE(High Temperature energy emission)系列涂料的产品相继在工业炉窑上应用，取得了节能效果。由于其制备过程和施工都相对简单便捷、价格低，可以被广泛用于冶金、电力、陶瓷、化工、建筑及航空等行业。

然而，通常红外辐射涂料在应用温度选择上一直存在问题，极高温度容易对涂料的性能造成极大的影响，涂料层开裂、从窑炉内壁剥落，涂料节能效率会因此下降甚至失效。本发明目的就在于提供一种能直接涂于金属加热设备的内衬上或高温炉窑的加热器及耐火和陶瓷材料上，经久耐用、节能效能显著的高温红外辐射涂料的制备方法和应用。

本发明为达到上述目的技术方案是：

本发明采用含氮导电聚合物聚苯胺或聚吡咯高温分解作为高温氮源，与金属氧化物如锆英砂、氧化钇、氧化钽、氧化铈、氧化镧、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化铬等，在高温下自身分解的还原气氛下部分生成金属氮化物如氮化锆、氮化钇、氮化钽、氮化铈、氮化镧，氮化钛、氮化钒、氮化硅、氮化铝等。金属氮化物与金属氧化物在高温下形成牢固的高温红外辐射涂料。

本发明为氮化物增强的高温窑炉专用红外辐射涂料，使用温度一般在1200℃～1800℃。高温涂料的固料选择为聚苯胺或聚吡咯包裹的锆英砂、氧化钇、氧化钛、氧化钽、氧化钒、氧化铝、氧化铈、氧化铬，以及磷酸钙。与之相适应的液料(粘接剂)为专用高温粘接剂，主要成分包括：中性水玻璃6～20％，三氧化二铝0.8～3.0％，三氧化二铁0.5～1.0％，氧化锰0.1～0.3％，碳酸钙0.6～0.9％，自来水18～30％，保持固料与液料的比为3∶2。将如上述固料和液料按比例混合，在常温下搅拌均匀，即可得到本发明所提到的高温红外辐射涂料。

当炉温升至300℃以上时聚苯胺或聚吡咯开始分解，产生含氮的还原气氛，在800℃以上的温度区间部分氧化物开始形成氮化物，表层氮化物与金属氧化物高温融合在窑炉内壁形成光亮的陶瓷壳体辐射增强涂层，可提高热效率1.5～3％，并且降低炉表温度15℃左右。本发明得到的高温红外辐射涂料耐高温性强，本发明的熔点约为2000℃，涂复于被涂层可在600℃～1800℃温度下长期使用。它具有极好的粘结度，使涂层坚固而致密，粘度不少于9.5度炉衬经过涂复系列高温辐射涂料在经高温烧结后形成结构致密的光亮陶瓷体，延长加热炉耐火材料的使用寿命，又减少了加热炉衬料维护和检修工作量和原材料消耗以及维修费用。使用过程中，可将涂料直接涂于工业锅炉的炉窑内衬上，加热器表面，也适用于生活用的电炉、液化气灶、煤气灶、铝锅和铁锅外表面，直接与火焰接触，可以节约能源10～20％。可以极大程度的防止因温度过高而导致对涂料性能的影响。

聚合物聚苯胺包裹的锆英砂、氧化钇、氧化钽、氧化铈、氧化镧、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化铬等粉体制备方法如下，将一定量苯胺单体和金属氧化物粉体如锆英砂、氧化钇、氧化钽、氧化铈、氧化镧、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化铬，粒径控制在5微米以下，以及适量的无机酸如盐酸，配成苯胺/氧化物混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到苯胺/氧化物混合悬浮溶液的溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次。按上述同样的方法，分别将其它各种无机(盐酸、硫酸、磷酸)或有机酸(对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸)对苯胺进行掺杂，可得到无机酸和有机酸掺杂的聚苯胺包裹的氧化物复合材料。聚吡咯包裹的氧化物复合材料制备方法与聚苯胺氧化物复合材料类似。将一定量吡咯单体和氧化物粉体如锆英砂、氧化钇、氧化钽、氧化铈、氧化镧、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化铬，粒径控制在5微米以下，以及适量的无机酸如盐酸，配成吡咯/氧化物混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到吡咯/氧化物混合悬浮溶液的溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次。按上述同样的方法，分别将其它各种无机(盐酸、硫酸、磷酸)或有机酸(对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸)对苯聚吡进行掺杂，可得到无机酸和有机酸掺杂的聚吡咯包裹的氧化物复合材料。在制备过程中含氮导电聚合包裹氧化物复合材料粒径控制在10微米到30微米之间，最优粒径值为20微米。导电聚合包裹氧化物复合材料中聚合物与金属氧化物的质量比为1∶20到6∶20之间，最佳比为为3∶20。

实施例一：锆英砂82％，氧化钽8％，三氧化二铁7％，三氧化二铬2％，磷酸钙1％，混合均匀后进行研磨，最后所得粉体材料的粒径小于5微米。按照粉体材料质量的3/20比例加入苯胺单体，以及适量的无机酸如盐酸，配成苯胺/氧化物粉体混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到苯胺/氧化物混合悬浮溶液的溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次，得到无机酸掺杂的聚苯胺包裹的氧化物复合材料。该聚苯胺包裹的氧化物复合材料作为高温红外辐射涂料的固料。与之相适应的液料(粘接剂)主要成分为：中性水玻璃20％，三氧化二铝1.2％，三氧化铁0.6％，氧化锰0.1％，碳酸钙0.7％，自来水77.4％，保持固料与液料的比为3∶2。将如上述固料和液料按比例混合，在常温下搅拌均匀，即可得到本发明所提到的高温红外辐射涂料。将如上述材料涂覆在窑炉内壁，在升温过程聚苯胺分解，产生含氮的还原气氛，在800℃以上的温度区间部分氧化物开始形成氮化物，表层氮化物与金属氧化物高温融合在窑炉内壁形成光亮的陶瓷壳体辐射增强涂层。

实施例二：锆英砂76％，氧化钇14％，三氧化二铁5％，二氧化锰3％，磷酸钙2％，混合均匀后进行研磨，最后所得粉体材料的粒径小于5微米。按照粉体材料质量的3/20比例加入吡咯单体，以及适量的无机酸如盐酸，配成吡咯/金属氧化物粉体混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到吡咯/金属氧化物粉体混合悬浮溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次，得到无机酸掺杂的聚吡咯包裹金属氧化物复合材料。该聚吡咯包裹的金属氧化物复合材料作为高温红外辐射涂料的固料。与之相适应的液料(粘接剂)为专用高温粘接剂，主要含比重为1.5的中性水玻璃20％，三氧化二铝1.2％，三氧化二铁0.8％，氧化锰0.2％，碳酸钙0.8％，自来水77％，保持固料与液料的比为3∶2。将如上述固料和液料按比例混合，在常温下搅拌均匀，也可得到本发明所提到的高温红外辐射涂料。

实施例三：锆英砂70％，氧化钒20％，三氧化二铁3％，三氧化二铬2％，磷酸钙5％，混合均匀后进行研磨，最后所得粉体材料的粒径小于5微米。按照粉体材料质量的3/20比例加入苯胺单体，以及适量的无机酸如盐酸，配成苯胺/氧化物粉体混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到苯胺/氧化物混合悬浮溶液的溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次，得到无机酸掺杂的聚苯胺包裹的氧化物复合材料。该聚苯胺包裹的氧化物复合材料作为高温红外辐射涂料的固料。与之相适应的液料(粘接剂)主要成分为：中性水玻璃20％，三氧化二铝1.2％，三氧化二铁0.6％，氧化锰0.1％，碳酸钙0.7％，自来水77.4％，保持固料与液料的比为3∶2。将如上述固料和液料按比例混合，在常温下搅拌均匀，即可得到本发明所提到的高温红外辐射涂料。将如上述材料涂覆在窑炉内壁，在升温过程聚苯胺分解，产生含氮的还原气氛，在800℃以上的温度区间部分氧化物开始形成氮化物，表层氮化物与金属氧化物高温融合在窑炉内壁形成光亮的陶瓷壳体辐射增强涂层。

实施例四：锆英砂68％，氧化铈20％，三氧化二铁3％，三氧化二铬2％，磷酸钙5％混合均匀后进行研磨，最后所得粉体材料的粒径小于5微米。按照粉体材料质量的3/20比例加入苯胺单体，以及适量的无机酸如盐酸，配成苯胺/氧化物粉体混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到苯胺/氧化物混合悬浮溶液的溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次，得到无机酸掺杂的聚苯胺包裹的氧化物复合材料。该聚苯胺包裹的氧化物复合材料作为高温红外辐射涂料的固料。与之相适应的液料(粘接剂)主要成分为：中性水玻璃20％，三氧化二铝1.2％，三氧化二铁0.6％，氧化锰0.1％，碳酸钙0.7％，自来水77.4％，保持固料与液料的比为3∶2。将如上述固料和液料按比例混合，在常温下搅拌均匀，即可得到本发明所提到的高温红外辐射涂料。将如上述材料涂覆在窑炉内壁，在升温过程聚苯胺分解，产生含氮的还原气氛，在800℃以上的温度区间部分氧化物开始形成氮化物，表层氮化物与金属氧化物高温融合在窑炉内壁形成光亮的陶瓷壳体辐射增强涂层。

实施例五：锆英砂70％，氧化镧10％，三氧化二铁10％，氧化锰10％，混合均匀后进行研磨，最后所得粉体材料的粒径小于5微米。按照粉体材料质量的3/20比例加入吡咯单体，以及适量的无机酸如盐酸，配成吡咯/金属氧化物粉体混合悬浮溶液，称取一定量过硫酸铵溶于水溶液中，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到吡咯/金属氧化物粉体混合悬浮溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。先用乙醇溶液洗涤抽滤一次，再用盐酸液洗涤抽滤一次，得到无机酸掺杂的聚吡咯包裹金属氧化物复合材料。该聚吡咯包裹的金属氧化物复合材料作为高温红外辐射涂料的固料。与之相适应的液料(粘接剂)为专用高温粘接剂，主要含比重为1.5的中性水玻璃20％，氧化二铝1.2％，三氧化二铁0.8％，氧化锰0.2％，碳酸钙0.8％，自来水77％，保持固料与液料的比为3∶2。将如上述固料和液料按比例混合，在常温下搅拌均匀，也可得到本发明所提到的高温红外辐射涂料。

Claims

1.一种能直接涂于金属加热设备的内衬上或高温炉窑内壁，以及耐火材料和陶瓷材料上的高温红外辐射涂料，其特征在于：采用含氮离子导电聚合物聚苯胺或聚吡咯高温分解作为高温氮源，与金属氧化物如锆英砂、氧化钇、氧化钛、氧化钽、氧化钒、氧化铝，在高温下自身分解的还原气氛下部分生成金属氮化物如氮化锆、氮化钇，氮化钛、氮化钽、氮化钒、氮化硅、氮化铝等。金属氮化物与金属氧化物在高温下形成牢固的高温红外辐射涂料。

2.本发明中高温红外辐射涂料含有金属氮化物如氮化钇、氮化锆，氮化钛、氮化钽、氮化钒、氮化硅、氮化铝，这些氮化物是通过含氮导电聚合物聚苯胺或聚吡咯高温分解作为氮源，在高温下在混合物料涂层中原位现场生成，不需要预先制备。

3.在高温红外辐射涂料成分中，采用含氮导电聚合物聚苯胺或聚吡咯直接包裹氧化物粉体如锆英砂、氧化钇、氧化钛、氧化钽、氧化钒、氧化铝、氧化铁、氧化铬等。

4.如权利要求3所述，将一定量苯胺单体或吡咯单体直接加到金属氧化物悬浮溶液中，并加入适量的无机酸如盐酸，或有机酸，配成苯胺(或吡咯)/金属氧化物混合悬浮溶液，然后在氧化剂作用下聚合。

5.如权利要求4所述，采过硫酸铵溶液作为生成聚合物所需的氧化剂，将反应体系置于超声波作用下，控制温度在20～23℃，将过硫酸铵溶液缓慢滴加到苯胺/金属氧化物混合悬浮溶液的溶液中，反应结束后，对反应产物进行抽滤，洗涤，除去水溶性杂质。

6.如权利要求4所述，导电聚合物聚合介质中无机酸为盐酸、硫酸、磷酸，或有机酸(对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸)对苯胺或吡咯进行掺杂，可得到无机酸或有机酸掺杂的聚苯胺(或聚吡咯)包裹的金属氧化物复合材料。

7.本发明采用的金属氧化物粉体粒径控制在5微米以下，制备的含氮导电聚合包裹氧化物复合材料粒径控制在10微米到30微米之间，最优粒径值为20微米。

8.如权利要求7所述导电聚合包裹氧化物复合材料中聚合物与金属氧化物的质量比为1∶20到6∶20之间，最佳比为为3∶20。

9.如权利要求7所述金属氧化物为锆英砂、氧化钇、氧化钽、氧化铈、氧化镧、氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化锰、氧化铬中几种，但锆英砂是主要成分，而且包括一种或多种稀土金属氧化物(主要是氧化钇、、氧化钽、氧化铈、氧化镧)。

10.本发明高温红外辐射涂料由上述导电聚合物包裹的金属氧化物粉体和与之相适应的粘接剂构成，施工时涂布在窑炉内壁，粘接剂主要成分为中性水玻璃，粉体与粘接剂液料的比约为3∶2。