CN108328929A - 一种用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，所述玻璃包括以下组分：Bi2O3 30～55重量份、ZnO 0～15重量份、SiO2 5～20重量份、B2O3 5～15重量份、BaO 5～30重量份、TiO2 0.5～5重量份、Al2O3 0.5～5重量份。其制备包括制成混合料，升温热处理后快速冷却固化得到玻璃体；得到的玻璃体破碎后造粒、成型、排胶玻化后得到封接玻璃，封接玻璃可于空气中进行加热封接。本发明可用于不锈钢管体和不锈钢引针的电热管的端口封接，气密性良好，在长期高温下可以保持良好的电阻，不含对环境有害的物质，满足RoHS等指令要求。

Description

一种用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃及其制备方法
技术领域
本发明设计一种封接玻璃及其制备工艺，特别涉及一种可以广泛应用于各种不锈钢管材高温电热管封接的具有低封接温度、使用方便、高膨胀、长期高温下使用、无毒、无污染的玻璃以及制备工艺。
背景技术
电热管是管状电加热元件，如今在工业及日常的生活中应用非常广泛，如烘箱、电烤箱、电加热器、洗衣机等。电热管主要由不锈钢外管、电热丝及氧化镁填充物组成。由于氧化镁极易吸潮，使电热丝与不锈钢之间绝缘效果下降，因此，在电热管的两端，需要封口材料。
国内电热管生产企业长久以来，一直使用环氧树脂类的有机胶黏剂作为电热管的封口材料。使用这类材料，电热管工作中产生的高温会使有机物老化，致使封口漏气，氧化镁吸潮，电热管漏电而危及生命安全。性能得不到国际市场的认可。
现国际上流行使用封接玻璃作为封口材料，传统的封接玻璃往往含PbO，众所周知，重金属Pb对人体是有还害的，铅的中毒剂量仅为1mg，致死剂量为1g，封接玻璃组分中含PbO，不符合RoHS等法规规定。
高温电热管的端口，需要采用高绝缘值、封接温度低、热膨胀系数与不锈钢匹配的玻璃粉作为封口材料。因此国内的很多封接玻璃的文献，含K、Na等碱金属，电导率普遍较高，不适用于电热管行业使用。而以SiO2为主体的玻璃，玻璃的封接温度高，软化温度均大于550℃，需要在950℃进行热处理30min左右才能封接好，这样的工艺需要链式炉进行封接，链式炉为保证温度均一性炉膛一般在150mm～200mm之间，而电热管长短不一，但大多较长，因此不适于电热管行业使用，即使特制设备，该方法成本高，效率低。
因此高温电热造业提供不含铅、高绝缘性、使用方便的封口玻璃成为必须要解决的问题。
玻璃中含大量SnO，可制成封接温度低、高绝缘的玻璃，但是此类玻璃在生产和使用过程中，需要气氛保护，难以进行产业化和后续的封接应用，且成本较高。
采用磷酸盐玻璃也可不添加碱金属制成低封接温度、高膨胀的封接玻璃，但是磷组分容易在升温熔制过程中大量挥发，以致玻璃的性能一致性差，且磷酸盐玻璃耐水性差，不适合作为防水的封口材料。
在无铅的封接玻璃体系中，还有采用氧化铋代替氧化铅的铋系玻璃，但该类玻璃重复性差，对坩埚腐蚀严重，熔制条件苛刻，且熔点附近粘度低，易析晶，不易制成稳定一致的产品。且高温电热管还需要1、电热管在300℃时，引针与外壳之间的电阻R≥105MΩ；2、电热管封装完后，端口在300℃保温300h，引针与外壳电阻R≥100MΩ。大多铋系玻璃，在300小时的保温过程中，与氧化镁接触到部位会因长期处于无氧的环境下，变黑，析出金属Bi，使电阻值下降，而导致绝缘失效。且现有的铋酸盐玻璃往往膨胀系数较低，不是很符合不锈钢间的封接要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种电热管用封接玻璃，该玻璃不含铅等不符合法规的成分，且不含贵金属及其氧化物，并能满足长期在高温下使用、高膨胀、使用方便等要求。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，包括以下组分：Bi2O3 30～55重量份、ZnO 0～15重量份、SiO2 5～20重量份、B2O3 5～15重量份、BaO 5～30重量份、TiO2 0.5～5重量份、Al2O3 0.5～5重量份。
优选的，由以下质量百分比的组分组成：Bi2O3 30～55％、ZnO 0～15％、SiO2 5～20％、B2O3 5～15％、BaO 5～30％、TiO2 0.5～5％、Al2O3 0.5～5％。
优选的，所述Bi2O3和B2O3总的质量比为40～70％。
优选的，所述BaO和TiO2总的质量比不超过30％。
优选的，所述玻璃在25～300℃下的热膨胀系数为95±5×10-7/℃。
上述用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃的制备方法包括以下步骤：
1)按所述比例称取Bi2O3、ZnO、SiO2、B2O3、BaO、TiO2、Al2O3粉体，并混合均匀；
2)将混合均匀的物料升温至500～700℃保温1～2小时、升温至950～1050℃保温0.5～2小时、升温至1100～1300℃均化1～3小时，然后快速冷却固化得到玻璃体，破碎得到玻璃粉，筛选后使用石蜡造粒，压制成形，排胶玻化得到封接玻璃。
优选的，所述排胶玻化制度为：升温至250～350℃保温3～5小时，升温至450～550℃保温10～60min，然后随炉冷却至室温。
优选的，所述筛选合适的玻璃粉的粒度为30～100μm。
优选的，所述石蜡的添加量为质量比5～10％。
上述用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃的应用方法是：在空气中用火焰喷枪或高频加热设备进行封接，封接时间0.5～5分钟；或在空气气氛中用马弗炉、链式炉封接，封接温度580℃～620℃。
本发明的有益效果为：
本发明的高温高绝缘玻璃可用于不锈钢管体和不锈钢引针的电热管的端口封接，气密性良好，在长期高温下可以保持良好的电阻，不含对环境有害的物质，满足RoHS等指令要求。并能满足长期在高温下使用、使用方便的要求，且膨胀系数满足高膨胀的不锈钢间封接要求，达到大于90×10-7/℃(25～300℃)。
附图说明
图1为实施例的热处理曲线；
图2为实施例的排胶玻化曲线；
图3为实施例的封接玻璃环的示意图；
图4为实施例的热膨胀曲线；
图5为实施例的封接玻璃环用于电热管封口的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
本发明的用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，包括以下组分：Bi2O3 30～55重量份、ZnO 0～15重量份、SiO2 5～20重量份、B2O3 5～15重量份、BaO 5～30重量份、TiO20.5～5重量份、Al2O3 0.5～5重量份。优选的，由以下质量百分比的组分组成：Bi2O3 30～55％、ZnO 0～15％、SiO2 5～20％、B2O3 5～15％、BaO 5～30％、TiO2 0.5～5％、Al2O3 0.5～5％。其中所述Bi2O3和B2O3总的质量比为40～70％。所述BaO和TiO2总的质量比不超过30％。所述ZnO的质量分数优选为5～15％。得到的玻璃在25～300℃下的热膨胀系数为95±5×10-7/℃。
上述用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃的制备方法包括以下步骤：
1)按上述比例称取Bi2O3、ZnO、SiO2、B2O3、BaO、TiO2、Al2O3粉体，并混合均匀；
2)将混合均匀的物料升温至500～700℃保温1～2小时、升温至950～1050℃保温0.5～2小时、升温至1100～1300℃均化1～3小时，然后快速冷却固化得到玻璃体，破碎得到玻璃粉，筛选合适的玻璃粉的粒度为30～100μm，使用石蜡造粒，石蜡的添加量为玻璃粉质量的5～10％，压制成所需形状，排胶玻化得到封接玻璃。所述排胶玻化制度为：升温至250～350℃保温3～5小时，升温至450～550℃保温10～60min，然后随炉冷却至室温。
上述用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃的应用方法是：在空气中用火焰喷枪或高频加热设备进行封接，封接时间0.5～5分钟；或在空气气氛中用马弗炉、链式炉封接，封接温度580℃～620℃。
以下为一具体实施例。
原料按重量百分比：
Bi2O3 45％
ZnO 8％
BaO 15％
SiO2 15％
B2O3 9％
TiO2 5％
Al2O3 3％
制备步骤如下：
1、按各组分的重量百分比称取各原料；
2、使用V型混料机进行混料，混料时间12小时；
3、将混合后的物料放入坩埚中，进行热处理，热处理制度见图1的热处理曲线，以10℃/min的速度升温至600℃并保温1h，随之以10℃/min的速度升温至1000℃并保温1h，随之以10℃/min的速度升温至1200℃并保温1h，然后快速冷却；
4、快速冷却固化得到玻璃体。使用行星球磨机进行破碎，得到玻璃粉，转速200rpm，时间4小时，球磨罐采用氧化锆材质。
5、筛选30～100μm的玻璃粉，使用石蜡造粒，石蜡的添加量为6％；
6、使用冲压机压制成所需形状，排胶玻化得到封接玻璃环，排胶玻化见图2排胶玻化曲线，以10℃/min的速度升温至320℃并保温4h，随之以10℃/min的速度升温至510℃并保温30min，然后随炉冷却，玻化好的封接玻璃环见图3。
得到的封接玻璃，采用卧式热膨胀仪测量，玻璃样品为规格的圆柱体，由室温按5℃/min速率升温。热膨胀曲线见图4，测试结果如下表：
该封接玻璃于空气气氛中采用火焰喷枪用于电热管封口后，封口效果见图5，对封口位置进行引针与外壳间的高温电阻测试，数据如下表：
封口绝缘电阻失效温度测试数据
可见高温绝缘效果良好。并将采用了该玻璃封口的电热管，整体置于300℃的马弗炉中，保温300小时，冷却至室温，测试引针与外壳间的电阻，电阻值大于100GΩ，亦可耐长时间高温使用。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，其特征在于包括以下组分：Bi2O3 30～55重量份、ZnO 0～15重量份、SiO2 5～20重量份、B2O3 5～15重量份、BaO 5～30重量份、TiO2 0.5～5重量份、Al2O3 0.5～5重量份。
2.根据权利要求1所述的用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Bi2O3 30～55％、ZnO 0～15％、SiO2 5～20％、B2O3 5～15％、BaO 5～30％、TiO2 0.5～5％、Al2O3 0.5～5％。
3.根据权利要求2所述的用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，其特征在于：所述Bi2O3和B2O3总的质量比为40～70％。
4.根据权利要求2或3所述的用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，其特征在于：所述BaO和TiO2总的质量比不超过30％。
5.根据权利要求1所述的用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃，其特征在于：所述玻璃在25～300℃下的热膨胀系数为95±5×10-7/℃。
6.权利要求1～5任一项所述用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按所述比例称取Bi2O3、ZnO、SiO2、B2O3、BaO、TiO2、Al2O3粉体，并混合均匀；
2)将混合均匀的物料升温至500～700℃保温1～2小时、升温至950～1050℃保温0.5～2小时、升温至1100～1300℃均化1～3小时，然后快速冷却固化得到玻璃体，破碎得到玻璃粉，筛选后使用石蜡造粒，压制成形，排胶玻化得到封接玻璃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述排胶玻化制度为：升温至250～350℃保温3～5小时，升温至450～550℃保温10～60min，然后随炉冷却至室温。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述筛选合适的玻璃粉的粒度为30～100μm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述石蜡的添加量为质量比5～10％。
10.权利要求1～5任一项所述用于电热管端口封接的高温高绝缘玻璃的应用方法，其特征在于：在空气中用火焰喷枪或高频加热设备进行封接，封接时间0.5～5分钟；或在空气气氛中用马弗炉、链式炉封接，封接温度580℃～620℃。
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Application publication date: 20180727