CN107857571B

CN107857571B - 一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN107857571B
Application number: CN201711107545.2A
Authority: CN
Inventors: 贾文宝; 陈若愚; 黑大千; 汪瑜凡
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN107857571A

Abstract

本发明涉及一种多层结构的莫来石‑堇青石基泡沫陶瓷及其制备方法，先将蓝晶石尾矿、粉煤灰、镁砂、氧化铝微粉、聚甲基丙烯酸铵、羟丙基甲基纤维素、聚羧酸盐、辛醇和水混匀，制得浆体Ⅰ；将氧化铝微粉、蓝晶石尾矿、聚羧酸盐、辛醇和水混匀，制得浆体Ⅱ。再在真空条件下将聚氨酯海绵浸渍于浆体Ⅰ中，采用压缩空气喷吹或者离心甩浆，微波干燥，保温，得到莫来石‑堇青石基泡沫陶瓷预制体；用浆体Ⅱ对莫来石‑堇青石基泡沫陶瓷预制体进行真空浸渍，压缩空气喷吹或者离心甩浆，微波干燥，得到莫来石‑堇青石基泡沫陶瓷坯体；最后在一定条件下保温，制得多层结构的莫来石‑堇青石基泡沫陶瓷。本发明具有工艺简单，成本低特点。

Description

一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫陶瓷技术领域，具体涉及一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷及其制备方法。

背景技术

泡沫陶瓷始于上世纪70年代，是一种孔隙率可高达90以上的多孔陶瓷材料。由于其具有优异的机械强度、耐高温、比表面积大、抗侵蚀和良好的过滤吸附性能而被广泛的应用于金属熔液过滤装置、汽车尾气吸附、工业污水处理和保温材料等领域。目前工业上主要采用有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷，但是有机泡沫基体（聚氨酯）在中低温条件下发生分解原位生成中空的孔筋结构，并且由于气体挥发导致陶瓷基体表面产生大量的裂纹，致使泡沫陶瓷的机械强度和热震稳定性显著下降。

莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂）是Al₂O₃-SiO₂二元系统中常压下唯一稳定的二元固溶体，其拥有耐高温（熔点为1850℃）、机械强度高和导热系数小等优异的性能。

堇青石（2MgO₂·2Al₂O₃·5SiO₂）是一种硅酸盐矿物，由于其具有耐火度高、热膨胀率低和优异的力学性能而被广泛的应用于陶瓷窑具、电子封装材料、催化剂载体、泡沫陶瓷、生物陶瓷和低温热辐射材料等领域。

步入到二十一世纪后我国的工业化快速发展，导致产生大量的工业废弃物致使资源得不到合理化利用污染环境。如何对工业废弃物进行综合应用使之变废为宝成为当今社会发展的主题。蓝晶石尾矿是蓝晶石开采过程中排放的废弃物。粉煤灰作为电厂排除的主要废弃物其主要化学组成为：SiO₂、Al₂O₃、FeO、CaO和TiO₂等。并且随着电力行业的迅猛发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，已成为我国最主要的工业废弃物之一。蓝晶石尾矿和粉煤灰作为固体废弃物侵占大量的农业耕地、堵塞河道，导致环境污染和生态破坏。因此如何使之资源化利用解决生态环境成为亟待解决的问题。

“一种蓝晶石尾矿制备玻璃纤维的方法”（ZL201310100863）的专利技术，公开了一种以蓝晶石尾矿、长石、石灰石、纯碱、石英砂、萤石按一定质量比配料，经干混、熔制、拉丝等工艺制备玻璃纤维。该方法在一定程度上解决了蓝晶石尾矿的利用问题，但是该技术制备工艺条件复杂、成本较高不适用于大规模工业生产。

“利用除杂后的煤矸石为原料制备堇青石质多孔陶瓷”（ CN201310556866）的专利技术，公开了一种以煤矸石、滑石、氧化铝和氧化镁为原料，外加活性炭作为造孔剂制备堇青石质多孔陶瓷。该方法在一定程度上实现了资源化合理利用，提堇青石多孔陶瓷的使用性能。但是该技术所制备的堇青石多孔陶瓷的孔结构和大小无法得到有效的控制，导致产品在工业生产中质量得不到有效的控制。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种环境友好、生产成本低和工艺简单的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷的制备方法，用该方法制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷机械强度高和优异的热震稳定性。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：

一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，制备步骤如下：

步骤一、将35~55质量份的蓝晶石尾矿、20~32质量份的粉煤灰、12~18质量份的镁砂、13~15质量份的氧化铝微粉混合，得混合粉Ⅰ；再向混合粉Ⅰ中加入0.2~2.3质量份的聚甲基丙烯酸铵、0.3~1.5质量份的羟丙基甲基纤维素、0.2~1.1质量份的聚羧酸盐、0.1~0.6质量份的辛醇和20~45质量份的水，球磨1~1.5h，制得浆体Ⅰ；

步骤二、向60~80质量份的氧化铝微粉中加入20~40质量份的蓝晶石尾矿混合，得混合粉Ⅱ；再向混合粉Ⅱ中加入0.3~1.5质量份的聚羧酸盐、0.1~0.7质量份的辛醇和25~50质量份的水，机械球磨1~3h，制得浆体Ⅱ；

步骤三、将聚氨酯海绵在真空条件下浸入浆体Ⅰ中，浸渍后压缩空气喷吹或者离心甩浆，经微波干燥5~10min，再以1~2℃/min的速率升温至600~850℃，保温0.5~1.5h，得到莫来石-堇青石基泡沫陶瓷预制体；然后将所述莫来石-堇青石基泡沫陶瓷预制体在真空条件下浸入浆体Ⅱ中，浸渍后压缩空气喷出或者离心甩浆，微波干燥，得到莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体；

步骤四、将所述的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2~3℃/min的速度升至1300~1400℃，保温2~5h，在随炉冷却至室温，即得到多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷。

所述的蓝晶石尾矿主要化学组分是：SiO₂为30~40wt%，Al₂O₃为50~60wt%，ZrO₂为2~3wt%，Fe₂O₃为0.5~1wt%，CaO+MgO为0.5~1.0wt%，烧失量为3~5wt%。

所述蓝晶石尾矿的平均粒度≤8μm。

所述的粉煤灰的主要化学组分是：SiO₂为40~50wt%，Al₂O₃为25~30wt%，Fe₂O₃为5~10wt%，CaO为6~10wt%，MgO为1~3wt%，TiO₂为0.2~0.9wt%，Na₂O+K₂O为0.5~1.0wt%，烧失量为2~6wt%。

所述粉煤灰的平均粒径≤7μm。

所述的镁砂的均粒径≤5μm。

所述的氧化铝微粉的均粒径≤7μm。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

本发明先将蓝晶石尾矿、粉煤灰、镁砂、氧化铝微粉、聚甲基丙烯酸铵、羟丙基甲基纤维素、聚羧酸盐、辛醇和水混匀，制得浆体Ⅰ；将氧化铝微粉、蓝晶石尾矿、聚羧酸盐、辛醇和水混匀，制得浆体Ⅱ。再在真空条件下将聚氨酯海绵浸渍于浆体Ⅰ中，采用压缩空气喷吹或者离心甩浆，微波干燥5~10min，600~850℃保温0.5~1.5h，得到莫来石-堇青石基泡沫陶瓷预制体；然后用浆体Ⅱ对莫来石-堇青石基泡沫陶瓷预制体进行真空浸渍，压缩空气喷吹或者离心甩浆，微波干燥，得到莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体；最后在空气气氛和1300~1400℃条件下保温2~5h，制得多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷。本发明具有工艺简单，成本低特点，所制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷机械强度高，且具有优异的热震稳定性。

本发明采用二次真空浸渍技术，通过二次真空浸渍技术将浆料Ⅱ涂覆至莫来石-堇青石陶瓷预制体表面以及中空孔筋内部，可使莫来石-堇青石孔筋因聚氨酯海绵挥发所产生的缺陷和中空孔筋得到修复，提高了莫来石-堇青石基泡沫陶瓷的机械性能和热震稳定性。

浆料Ⅱ中选用蓝晶石尾矿可在高温条件下发生分解反应生成莫来石和二氧化硅产生体积膨胀，并且在高温条件下蓝晶石分解所产生的二氧化硅与氧化铝微粉发生二次莫来石化产生体积膨胀，填充了由聚氨酯挥发原位生成的中空孔筋并且形成微小裂纹，提升莫来石-堇青石基泡沫陶瓷的高温力学性能和热震稳定性。

采用上述的技术方案，本发明以蓝晶石尾矿和粉煤灰为主要原料制备多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，能有效的避免将其直接堆放处置而造成的环境污染和资源的浪费，使之变废为宝，降低莫来石-堇青石基泡沫陶瓷工业生产成本。

本发明制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，经检测：常温耐压强度为2.5~5.3MPa；水冷循环次数为11~23次；抗碱溶液冲刷侵蚀15~20h后试样的耐压强度为2.3~5.1MPa。

因此，本发明制备的多层结构莫来石-堇青石基泡沫陶瓷的强度高、热震稳定性好和优异的抗侵蚀冲刷能力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

为避免重复，先将本具体实施方式所要涉及的技术参数统一描述如下，实施例中将不赘述：

所述的蓝晶石尾矿主要化学组分是：SiO₂为30~40wt%，Al₂O₃为50~60wt%，ZrO₂为2~3wt%，Fe₂O₃为0.5~1wt%，CaO+MgO为0.5~1.0wt%，烧失量为3~5wt%；所述蓝晶石尾矿的平均粒度≤8μm。

所述的粉煤灰的主要化学组分是：SiO₂为40~50wt%，Al₂O₃为25~30wt%，Fe₂O₃为5~10wt%，CaO为6~10wt%，MgO为1~3wt%，TiO₂为0.2~0.9wt%，Na₂O+K₂O为0.5~1.0wt%，烧失量为2~6wt%；所述粉煤灰的平均粒径≤7μm。

所述的镁砂的均粒径≤5μm。

所述的氧化铝微粉的均粒径≤7μm。

实施例1

步骤一、将35~45质量份的蓝晶石尾矿、26~32质量份的粉煤灰、15~18质量份的镁砂、14~15质量份的氧化铝微粉混合，得混合粉Ⅰ；再向混合粉Ⅰ中加入0.2~2.3质量份的聚甲基丙烯酸铵、0.3~1.5质量份的羟丙基甲基纤维素、0.2~1.1质量份的聚羧酸盐、0.1~0.6质量份的辛醇和20~45质量份的水，球磨1~1.5h，制得浆体Ⅰ；

步骤二、向60~70质量份的氧化铝微粉中加入30~40质量份的蓝晶石尾矿混合，得混合粉Ⅱ；再向混合粉Ⅱ中加入0.9~1.5质量份的聚羧酸盐、0.5~0.7质量份的辛醇和25~38质量份的水，机械球磨1~3h，制得浆体Ⅱ。

步骤三、将聚氨酯海绵在真空条件下浸入浆体Ⅰ中，浸渍后压缩空气喷吹或者离心甩浆，经微波干燥5~10min，再以1~2℃/min的速率升温至600~850℃，保温0.5~1.5h，得到莫来石-堇青石基泡沫陶瓷预制体；然后将所述莫来石-堇青石基泡沫陶瓷预制体在真空条件下浸入浆体Ⅱ中，浸渍后压缩空气喷出或者离心甩浆，微波干燥，得到莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体。

步骤四、将所述的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2~3℃/min的速度升至1300~1350℃，保温2~5h，在随炉冷却至室温，即得到多层结构莫来石-堇青石基泡沫陶瓷。

本实施例1所制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，经检测：常温耐压强度为2.5~3.7MPa；1100℃水冷循环次数为11~19次；抗碱溶液冲刷侵蚀15~20h后试样的耐压强度为2.3~3.5MPa。

实施例2

一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷及其制备方法。本实施例所示制备方法除步骤二外，其余同实施例1。

步骤二、向70~80质量份的氧化铝微粉中加入20~30质量份的蓝晶石尾矿混合，得混合粉Ⅱ；再向混合粉Ⅱ中加入0.3~0.9质量份的聚羧酸盐、0.1~0.5质量份的辛醇和38~50质量份的水，机械球磨1~3h，制得浆体Ⅱ。

本实施例2所制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，经检测：常温耐压强度为3.3~4.5MPa；1100℃水冷循环次数为13~21次；抗碱溶液冲刷侵蚀15~20h后试样的耐压强度为3.1~4.3MPa。

实施例3

步骤一、将45~55质量份的蓝晶石尾矿、20~26质量份的粉煤灰、12~15质量份的镁砂、13~14质量份的氧化铝微粉混合，得混合粉Ⅰ；再向混合粉Ⅰ中加入0.2~2.3质量份的聚甲基丙烯酸铵、0.3~1.5质量份的羟丙基甲基纤维素、0.2~1.1质量份的聚羧酸盐、0.1~0.6质量份的辛醇和20~45质量份的水，球磨1~1.5h，制得浆体Ⅰ；

步骤四、将所述的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2~3℃/min的速度升至1350~1400℃，保温2~5h，在随炉冷却至室温，即得到多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷。

本实施例3所制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，经检测：常温耐压强度为4.1~5.3MPa；1100℃水冷循环次数为16~23次；抗碱溶液冲刷侵蚀15~20h后试样的耐压强度为4.0~5.1MPa。

实施例4

一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷及其制备方法。本实施例所示制备方法除步骤二外，其余同实施例3。

本实施例4所制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，经检测：常温耐压强度为4.6~5.1MPa；1100℃水冷循环次数为17~23次；抗碱溶液冲刷侵蚀15~20h后试样的耐压强度为4.5~4.9MPa。

采用上述的技术方案，本发明以蓝晶石尾矿和粉煤灰为主要原料制备多层结构莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，能有效的避免将其直接堆放处置而造成的环境污染和资源的浪费，使之变废为宝，降低莫来石-堇青石基泡沫陶瓷工业生产成本。

因此，本发明制备的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷的强度高、热震稳定性好和优异的抗侵蚀冲刷能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：制备步骤如下：

步骤四、将所述的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2~3℃/min的速度升至1300~1400℃，保温2~5h，再随炉冷却至室温，即得到多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷。

2.根据权利要求1所述的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：所述的蓝晶石尾矿主要化学组分是：SiO₂为30~40wt%，Al₂O₃为50~60wt%，ZrO₂为2~3wt%，Fe₂O₃为0.5~1wt%，CaO+MgO为0.5~1.0wt%，烧失量为3~5wt%。

3.根据权利要求1所述的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：所述蓝晶石尾矿的平均粒度≤8μm。

4.根据权利要求1所述的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：所述的粉煤灰的主要化学组分是：SiO₂为40~50wt%，Al₂O₃为25~30wt%，Fe₂O₃为5~10wt%，CaO为6~10wt%，MgO为1~3wt%，TiO₂为0.2~0.9wt%，Na₂O+K₂O为0.5~1.0wt%，烧失量为2~6wt%。

5.根据权利要求1所述的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：所述粉煤灰的平均粒径≤7μm。

6.根据权利要求1所述的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：所述的镁砂的平均粒径≤5μm。

7.根据权利要求1所述的多层结构的莫来石-堇青石基泡沫陶瓷，其特征在于：所述的氧化铝微粉的平均粒径≤7μm。