CN108441006A - 一种高转化率黑体辐射涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高转化率黑体辐射涂料，包括30‑60重量份的粉体基料和20‑50重量份的载体粘结剂；所述的粉体基料包括以下重量份原材料制备得到：5‑15份的二氧化硅，10‑30份的三氧化二铁，10‑30份的氧化铬，5‑20份的二氧化钛，0.5‑10份的氧化钴，2‑5份的氧化铜，1‑5份的硅酸锆，2‑5份的高岭土，0.5‑2份的二氧化锰；该辐射涂料通过调整粉体基料配方中各物质的组成及其含量配比，使粉体基料在制备的烧结过程中结晶更容易，晶粒更规则，从而显著提高了釉面涂层热辐射转化效率。

Description

一种高转化率黑体辐射涂料
技术领域
本发明涉及节能材料领域，具体涉及一种高转化率黑体辐射涂料，是一种红外辐射涂料。
背景技术
红外辐射涂料是由辐射粉体基料与载体粘结剂组成的特种功能节能涂料,其中,辐射粉体基料的作用是提供高辐射性能,载体粘结剂则使涂料牢固地粘结在基体表面。随着红外技术的不断发展,人们从大量的物质光谱中发现了许多物质的红外光谱发射率较高,并以这些物质为基料研制出多种红外辐射涂料,以改善物体表面的辐射特性达到强化辐射传热的目的。随着红外辐射涂料应用环境的不断改变，早期单种物质或数种物质的简单机械混合物得到的红外辐射涂料已难以满足其在更为苛刻环境中的应用。随着材料研究技术的不断发展,材料设计及其复合技术给红外辐射涂料的研制与应用注入了新的活力,使红外辐射涂料的辐射主成分逐步从单种物质或化合物向复合材料发展,使红外辐射涂料的研制出现了空前多元化发展势头。
现今，为了加大工业加热炉窑内辐射传热，提高炉窑内壁的发射率，红外辐射涂料已被广泛应用，其中，既有单种物质或数种物质的简单机械混合物得到的红外辐射涂料，也有通过材料设计及其复合技术制备得到的红外辐射涂料。然而，虽然通过红外辐射涂料的应用，显著改善了工业加热炉窑内辐射传热，提高了炉窑内壁的发射率，对节能减排起到了积极作用，但也由于红外辐射涂料中原材料的配比和/或制备方法的不合理等原因，导致大多红外辐射涂料依然存在热辐射转化率较低的不足，严重限制了红外辐射涂料的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有红外辐射涂料存在的热辐射转化率较低的不足，提供一种高转化率黑体辐射涂料；本发明辐射涂料通过调整粉体基料配方中各物质的组成及其含量配比，使粉体基料在制备的烧结过程中结晶更容易，晶粒更规则，从而显著提高了釉面涂层热辐射转化效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种高转化率黑体辐射涂料，包括30-60重量份的粉体基料和20-50重量份的载体粘结剂；
其中，所述的粉体基料包括以下重量份原材料制备得到：5-15份的二氧化硅，10-30份的三氧化二铁，10-30份的氧化铬，5-20份的二氧化钛，0.5-10份的氧化钴，2-5份的氧化铜，1-5份的硅酸锆，2-5份的高岭土，0.5-2份的二氧化锰。
载体粘结剂包括硅溶胶、PA-80胶、水玻璃、羧甲基纤维素、磷酸二氢铝、铝溶胶中的一种或多种。
一种高转化率黑体辐射涂料，通过调整粉体基料配方中各物质的组成及其含量配比，使粉体基料在制备的烧结过程中结晶更容易，生成的晶粒形状更规则，大小更均匀，从而对热辐射的吸收效率更高，转化效率更大；本发明辐射涂料具有更高的热辐射转化效率，可显著改善工业加热炉窑内辐射传热，提高炉窑内壁的发射率，对红外辐射涂料的大规模推广应用具有积极作用。
上述一种高转化率黑体辐射涂料，其中，所述的二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰在辐射涂料中起到红外吸收和辐射作用；优选的，其粒径为0.5-5μm，该粒径范围内，混合煅烧后得到的材料质地更均匀，各项性能更好；最优选地，其粒径为0.5-4μm。
上述一种高转化率黑体辐射涂料，其中，所述的粉体基料是将所述原材料通过以下方法制备得到的，包括以下步骤：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料在超声波中进行烧结，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粉体基料。
其中，步骤（2）中，在混合料的烧结过程中进行超声波处理能减小烧结形成的晶粒粒径，晶粒粒径分布范围更窄，更均匀，热传导性更好，对热辐射的吸收和发射效率更高；优选的，所述的超声波频率为80-150KHz，该频率范围内，烧结得到的粉体基料性能更好；最优选的，所述的超声波频率为100-120KHz。
其中，步骤（2）中烧结的温度和时间是根据烧结的材料和所要达到的性能决定的；优选的，所述的烧结采用分段式烧结：包括预热阶段、熔融阶段和成晶阶段；其中，预热阶段的烧结温度为600-800℃，时间为0.5-1h；熔融阶段的烧结温度为1300-1500℃，时间为10-30min；成晶阶段的烧结温度为1100-1200℃，时间为1-3h；通过分段烧结，并对烧结温度和时间进行针对性选择，能增加粉体基料的结晶率，并控制晶粒的大小和均匀性，能显著提高涂料的热辐射转化效率，烧结料的性能更好；最优选的，预热阶段的烧结温度为700℃，时间为45min；熔融阶段的烧结温度为1400℃，时间为20min；成晶阶段的烧结温度为1150℃，时间为2h。
其中，优选的，步骤（3）中研磨得到的粉体基料粒径为0.1-2μm，在该粒径范围内，粉体基料的分散性更好，应用更方便。
本发明的另一目的是提供一种制备上述高转化率黑体热辐射材料的方法，确保黑体热辐射材料的性能品质更加稳定符合设计要求。
本发明一种高转化率黑体辐射涂料是将所述粉体基料和所述载体粘结剂按所述重量份配比进行混合得到的。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明辐射涂料的通过调整粉体基料配方中各物质的组成及其含量配比，使粉体基料在制备的烧结过程中结晶更容易，生成的晶粒形状更规则，大小更均匀，从而对热辐射的吸收效率更高，转化效率更大。
2、本发明辐射涂料中的粉体基料在烧结过程中进行了超声波处理，形成的晶粒粒径更小，晶粒粒径分布范围更窄，粒径更均匀，热传导性更好，涂料对热辐射的吸收和发射效率更高。
3、本发明辐射涂料中的粉体基料通过分段烧结，并对烧结温度和时间进行针对性的选择，增加了粉体基料的结晶率，晶粒的大小和均匀性更好，涂料的热辐射转化效率显著提高。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种辐射涂料原材料：包括45重量份的粉体基料和35重量份的载体粘结剂；
其中，粉体基料由以下重量份原材料制备得到：10份的二氧化硅，20份的三氧化二铁，20份的氧化铬，12份的二氧化钛，5份的氧化钴，3份的氧化铜，3份的硅酸锆，4份的高岭土，1份的二氧化锰；其中，二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰的粒径为0.5-5μm；载体粘结剂为硅溶胶和PA-80胶；
制备方法为：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料在频率为100KHz超声波中进行烧结，烧结采用分段式烧结：包括预热阶段、熔融阶段和成晶阶段；其中，预热阶段的烧结温度为700℃，时间为45min；熔融阶段的烧结温度为1400℃，时间为20min；成晶阶段的烧结温度为1150℃，时间为2h，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粒径为1μm的粉体基料；
（4）将粉体基料和载体粘结剂按上述重量份配比进行混合得到辐射涂料。
实施例2
一种辐射涂料原材料：包括30重量份的粉体基料和50重量份的载体粘结剂；
其中，粉体基料由以下重量份原材料制备得到：5份的二氧化硅，30份的三氧化二铁，10份的氧化铬，20份的二氧化钛，0.5份的氧化钴，5份的氧化铜，1份的硅酸锆，5份的高岭土，0.5份的二氧化锰；其中，二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰的粒径为0.5-5μm；载体粘结剂为水玻璃和羧甲基纤维素；
制备方法为：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料在频率为80KHz超声波中进行烧结，烧结采用分段式烧结：包括预热阶段、熔融阶段和成晶阶段；其中，预热阶段的烧结温度为600℃，时间为1h；熔融阶段的烧结温度为1300-℃，时间为30min；成晶阶段的烧结温度为1100℃，时间为3h，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粒径为0.1μm的粉体基料；
（4）将粉体基料和载体粘结剂按上述重量份配比进行混合得到辐射涂料。
实施例3
一种辐射涂料原材料：包括60重量份的粉体基料和20重量份的载体粘结剂；
其中，粉体基料由以下重量份原材料制备得到：15份的二氧化硅，10份的三氧化二铁，30份的氧化铬，5份的二氧化钛，10份的氧化钴，2份的氧化铜，5份的硅酸锆，2份的高岭土，2份的二氧化锰；其中，二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰的粒径为0.5-5μm；载体粘结剂为磷酸二氢铝；
制备方法为：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料在频率为150KHz超声波中进行烧结，烧结采用分段式烧结：包括预热阶段、熔融阶段和成晶阶段；其中，预热阶段的烧结温度为800℃，时间为0.5h；熔融阶段的烧结温度为1500℃，时间为10min；成晶阶段的烧结温度为1200℃，时间为1h，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粒径为2μm的粉体基料；
（4）将粉体基料和载体粘结剂按上述重量份配比进行混合得到辐射涂料。
对比例1
一种辐射涂料原材料：包括45重量份的粉体基料和35重量份的载体粘结剂；
其中，粉体基料由以下重量份原材料制备得到：10份的二氧化硅，20份的三氧化二铁，20份的氧化铬，2份的二氧化钛，5份的氧化钴，3份的氧化铜，10份的硅酸锆，4份的高岭土，1份的二氧化锰；其中，二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰的粒径为0.5-5μm；载体粘结剂为硅溶胶和PA-80胶；
制备方法与实施例1相同。
对比例2
一种辐射涂料原材料：包括45重量份的粉体基料和35重量份的载体粘结剂；
其中，粉体基料由以下重量份原材料制备得到：10份的二氧化硅，20份的三氧化二铁，20份的氧化铬，12份的二氧化钛，5份的氧化钴，3份的氧化铈，3份的硅酸锆，4份的高岭土，1份的二氧化锰；其中，二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铈、硅酸锆、高岭土和二氧化锰的粒径为0.5-5μm；载体粘结剂为硅溶胶和PA-80胶；
制备方法与实施例1相同。
对比例3
一种辐射涂料原材料：原材料及配比与实施例1相同；
制备方法为：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料进行烧结，烧结采用分段式烧结：包括预热阶段、熔融阶段和成晶阶段；其中，预热阶段的烧结温度为700℃，时间为45min；熔融阶段的烧结温度为1400℃，时间为20min；成晶阶段的烧结温度为1150℃，时间为2h，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粒径为1μm的粉体基料；
（4）将粉体基料和载体粘结剂按上述重量份配比进行混合得到辐射涂料。
对比例4
一种辐射涂料原材料：原材料及配比与实施例1相同；
制备方法为：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料在频率为100KHz超声波中进行烧结，烧结温度为1450℃，烧结时间为3h，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粒径为1μm的粉体基料；
（4）将粉体基料和载体粘结剂按上述重量份配比进行混合得到辐射涂料。
将上述实施例1-3和对比例1-4中制备得到的辐射涂料，依据ASTM C 1371-04等检查方法，进行性能检测，记录数据如下：
性能 红外线发射率 节能率（%） 提高热效率（%）
实施例1 0.98 ≥9 8.5
实施例2 0.98 ≥9 8.4
实施例3 0.97 ≥9 8.3
对比例1 0.94 ＜8 7.5
对比例2 0.95 ＜8 7.9
对比例3 0.92 ＜7 6.7
对比例4 0.92 ＜7 6.4
对上述实验数据分析可知，实施例1-3中制备得到的辐射涂料，红外发射率高，节能和提高热效率效果好；而对比例1中，原材料未采用本发明配比，辐射涂料中晶粒形状不规则，大小不均匀，导致辐射涂料的节能和提高热效率的效果显著降低；对比例2中，原材料中将氧化铜替换成了氧化铈，对晶粒的形成造成一定影响，辐射涂料的节能和提高热效率的效果有较大幅度的降低；对比例3中，在制备过程中，烧结时未用超声波进行处理，涂料的晶粒粒径大、粒径大小不均，导致辐射涂料的红外线发射率、节能和提高热效率的效果均显著降低；对比例4中，在制备过程中，烧结时未采用分段烧结，涂料的结晶率降低，且粒径大小不均，导致辐射涂料的红外线发射率、节能和提高热效率的效果均显著降低。

Claims (10)

1.一种辐射涂料，其特征在于，包括30-60重量份的粉体基料和20-50重量份的载体粘结剂；所述的粉体基料包括以下重量份原材料制备得到：5-15份的二氧化硅，10-30份的三氧化二铁，10-30份的氧化铬，5-20份的二氧化钛，0.5-10份的氧化钴，2-5份的氧化铜，1-5份的硅酸锆，2-5份的高岭土，0.5-2份的二氧化锰。
2.根据权利要求1所述的辐射涂料，其特征在于，载体粘结剂包括硅溶胶、PA-80胶、水玻璃、羧甲基纤维素、磷酸二氢铝、铝溶胶中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的辐射涂料，其特征在于，所述的二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰的粒径为0.5-5μm。
4.根据权利要求1所述的辐射涂料，其特征在于，所述的粉体基料是将原材料通过以下方法制备得到的，包括以下步骤：
（1）将二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、二氧化钛、氧化钴、氧化铜、硅酸锆、高岭土和二氧化锰混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料在超声波中进行烧结，得到烧结料；
（3）将烧结料进行研磨，得到粉体基料。
5.根据权利要求4所述的辐射涂料，其特征在于，步骤（2）中的超声波频率为80-150KHz。
6.根据权利要求5所述的辐射涂料，其特征在于，步骤（2）中的超声波频率为100-120KHz。
7.根据权利要求4所述的辐射涂料，其特征在于，步骤（2）中的烧结采用分段式烧结，包括预热阶段、熔融阶段和成晶阶段。
8.根据权利要求7所述的辐射涂料，其特征在于，预热阶段的烧结温度为600-800℃，时间为0.5-1h；熔融阶段的烧结温度为1300-1500℃，时间为10-30min；成晶阶段的烧结温度为1100-1200℃，时间为1-3h。
9.根据权利要求8所述的辐射涂料，其特征在于，预热阶段的烧结温度为700℃，时间为45min；熔融阶段的烧结温度为1400℃，时间为20min；成晶阶段的烧结温度为1150℃，时间为2h。
10.根据权利要求4所述的辐射涂料，其特征在于，步骤（3）中研磨得到的粉体基料粒径为0.1-2μm。
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