CN111621175A - 一种包含纳米氧化铝的陶瓷纤维涂料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包含纳米氧化铝的陶瓷纤维涂料，包括以下重量份的原料：氧化铝乳液15‑25份；陶瓷纤维10‑30份；纤维分散剂溶液1‑5份；絮凝剂溶液1‑5份；抗收缩添加剂1‑3份；水45‑65份。所述氧化铝乳液，以薄水铝石为氧化铝来源。本发明以陶瓷纤维为骨架，以薄水铝石提供氧化铝，配制氧化铝稳定乳液，可获得固含量高、pH值稳定的氧化铝乳液，通过溶胶凝胶法提供纳米氧化铝，活性高，可与纤维尽快形成莫来石相，提高涂料强度及抗侵蚀能力。配方中粉料添加剂含量很低，不会在低温阶段产生掉粉问题。通过对涂料成分及生产工艺的优化，显著提升了涂料的抗侵蚀、抗风速、抗热震性能，改善了涂料受环境侵蚀严重、易掉粉问题，显著提升窑炉陶瓷纤维炉衬使用寿命。

Description

一种包含纳米氧化铝的陶瓷纤维涂料

技术领域

本发明属于耐火纤维材料领域，具体涉及一种包含纳米氧化铝的陶瓷纤维涂料及其制备方法。

背景技术

目前，陶瓷纤维在各种窑炉隔热耐火方面应用广泛，比如在玻璃退火炉、玻璃熔炉等玻璃窑炉，金属冶金炉、加热炉、锻造炉等热处理炉，隧道窑、梭式窑等陶瓷烧成窑炉，裂解炉、焦化炉等石油化工行业窑炉。陶瓷纤维在应用过程中被加工成模块、纤维板等作为保温炉衬，尤其陶瓷纤维模块直接应用与热面接触。陶瓷纤维收缩率低、保温效果好、化学稳定性好，但是直接与热面接触时，热面环境恶劣，比如风速高（30米/秒以上）、气氛复杂、冷热震较强，容易导致陶瓷纤维侵蚀、掉渣等导致保温效果降低，甚至影响窑炉整体寿命。为解决此问题市面上出现了专门用于耐火纤维表面的热防护涂料，在陶瓷纤维模块表面进行涂覆形成模块的保护层，从而提高陶瓷纤维使用寿命。比如专利CN 102617159A、专利CN102603319A和专利CN 109054467A等均提供了一种陶瓷纤维表面涂料的生产方法，但在长期的使用过程中，上述高温防护涂料抗侵蚀能力差、掉渣等问题，尤其高温烟道复杂环境中。

因此，需要研制一种能抵抗恶劣环境侵蚀的保温涂料，确保高温环境下抵抗环境侵蚀不掉渣，延长保温涂料及陶瓷纤维炉衬使用寿命。

发明内容

针对目前陶瓷纤维涂料使用过程中，受环境侵蚀严重、易掉粉的问题，本发明提供一种陶瓷纤维涂料，在高温环境下能够抵抗环境侵蚀不掉渣，有效延长保温涂料及陶瓷纤维炉衬使用寿命。

本发明的另一目的是提供一种上述涂料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种包含纳米氧化铝的陶瓷纤维涂料，包括以下重量份的原料：

。

所述氧化铝乳液，以拟薄水铝石为氧化铝来源。

优选的，所述氧化铝乳液的制备过程为：

将拟薄水铝石配制成30%-50%wt的溶液，加入稳定剂调节溶液pH在4-5。

所述稳定剂选自HNO₃、HCl、柠檬酸、丙烯酸乳液中的一种或多种。所述丙烯酸乳液中丙烯酸的固含量为38%-42%。其他稳定剂均为市售分析纯。

所述陶瓷纤维选自高铝型、含锆型、多晶氧化铝陶瓷纤维中的一种或多种的混合。优选的，高铝型陶瓷纤维的Al₂O₃≧52wt%，Al₂O₃+SiO₂≧98.5wt%。含锆型陶瓷纤维的Al₂O₃+SiO₂+ZrO₂≧99wt%。多晶氧化铝纤维的Al₂O₃≧72wt%。

所述陶瓷纤维的直径为1-15微米，长度为1-30毫米。

所述纤维分散剂溶液为固含量1%-5%的分散剂溶液；所述分散剂选自聚丙烯酰胺和纤维素中的一种或者两种。

所述纤维絮凝剂溶液为固含量5%-10%的絮凝剂溶液；所述絮凝剂选自聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或者多种。

所述抗收缩添加剂选自红柱石、蓝晶石、尖晶石、硅酸镁铝和高铝矾土中的一种或多种。

所述涂料中的水含量为55%-65%，干燥后Al₂O₃含量≥70%（X射线荧光光谱法）。

上述陶瓷纤维涂料还包括硬化剂，所述硬化剂在喷涂时添加，添加量为涂料质量的5%-15%。所述硬化剂为铝系硬化剂，其Al₂O₃含量15%-20%wt。

上述陶瓷纤维涂料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将拟薄水铝石与水混合搅拌，配置成拟薄水铝石溶液，并添加稳定剂，得到稳定的氧化铝乳液；

（2）将纤维分散剂与水混合搅拌，制成纤维分散剂溶液，然后加入陶瓷纤维进行分散搅拌，得到纤维悬浮液；

（3）将絮凝剂与水混合搅拌，制成絮凝剂溶液；再将纤维悬浮液与氧化铝乳液混合搅拌，搅拌过程中加入絮凝剂溶液，得到混合液；

（4）在上述混合液中加入抗收缩添加剂，并搅拌均匀，得到涂料。

优选的，上述步骤中搅拌速度为500-800r/min，搅拌时间为5-30min。

本发明具有以下优点：

本发明以陶瓷纤维为骨架，以拟薄水铝石提供氧化铝，配制氧化铝稳定乳液，可获得固含量高、pH值稳定的氧化铝乳液，通过溶胶凝胶法提供纳米氧化铝，活性高，可与纤维尽快形成莫来石相，提高涂料强度及抗侵蚀能力。添加抗收缩添加剂，缓解高温环境下产生的收缩问题。另外，配方中粉料添加剂含量很低，不会在低温阶段产生掉粉问题。通过对涂料成分及生产工艺的优化，显著提升了涂料的抗侵蚀、抗风速、抗热震性能，改善了涂料受环境侵蚀严重、易掉粉问题，显著提升窑炉陶瓷纤维炉衬使用寿命。

附图说明

图1是实施例1制备的氧化铝扫描电镜图片；

图2是实施例2制备的氧化铝扫描电镜图片；

图3是实施例3制备的氧化铝扫描电镜图片；

图4是实施例4制备的氧化铝扫描电镜图片；

图5是实施例1涂料和市售涂料的腐蚀对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。

实施例1 陶瓷纤维涂料的制备

（1）配置固含量5%的纤维素分散剂溶液和固含量10%的聚丙烯酰胺絮凝剂溶液，搅拌器转速为800r/min，搅拌时间为30min；

（2）按照重量份进行原料的混配，将拟薄水铝石16重量份配置成40%溶液，添加HNO₃作为稳定剂，控制pH在4-5，600r/min搅拌15min，配置成稳定的氧化铝乳液；氧化铝的扫描电镜图如图1所示，粒径40-50nm的颗粒状纳米氧化铝堆叠形成0.5-2μm类球状颗粒，0.5-2μm类球状颗粒继续堆叠成约50μm的氧化铝大颗粒；

（3）将15重量份的高铝纤维（Al₂O₃≧52%wt，Al₂O₃+SiO₂≧98.5%wt，2-6μm×10-20mm），加入3重量份固含量5%的纤维素分散剂，加入25重量份的水，将纤维搅拌分散打散，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为25min；

（4）将步骤（2）和步骤（3）中得到的样品混合，同时加入1重量份固含量10%的聚丙烯酰胺絮凝剂溶液，混合搅拌，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为15min；

（5）步骤（4）中得到的样品中加入1重量份的蓝晶石粉和1重量份尖晶石粉，混合搅拌均匀，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为5min，得到成品涂料，涂料含水率65%；XRF检测的Al₂O₃含量为72.35%。

实施例2 陶瓷纤维涂料的制备

（1）配置固含量5%的纤维素分散剂溶液和固含量5%的聚氧化乙烯絮凝剂溶液，搅拌器转速为800r/min，搅拌时间为30min；

（2）按照重量份进行原料的混配，将拟薄水铝石21重量份配置成50%溶液，添加HCl作为稳定剂，控制pH在4-5，600r/min搅拌15min，配置成稳定的氧化铝乳液；氧化铝的扫描电镜图如图2所示，粒径20-50nm的颗粒状纳米氧化铝堆叠形成0.5-2μm类球状颗粒，0.5-2μm类球状颗粒继续堆叠成约50μm的氧化铝大颗粒；

（3）将20重量份的含锆型陶瓷铝纤维（Al₂O₃+SiO₂+ZrO₂≧99%wt，10-15μm×5-10mm），加入4重量份固含量5%的纤维素分散剂，加入13重量份的水，将纤维搅拌分散打散，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为20min；

（4）将步骤（2）和步骤（3）中得到的样品混合，同时加入1重量份固含量5%的聚氧化乙烯絮凝剂溶液，混合搅拌搅拌速度为500r/min，搅拌时间为15min；

（5）步骤（4）中得到的样品中加入1重量份的蓝晶石粉和1重量份高铝矾土，混合搅拌均匀，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为5min，得到成品涂料，涂料含水率55%；XRF检测的Al₂O₃含量为70.15%。

实施例3 陶瓷纤维涂料的制备

（1）配置固含量5%的聚丙烯酰胺分散剂溶液和固含量5%的聚乙烯醇絮凝剂溶液，搅拌器转速为800r/min，搅拌时间为30min；

（2）按照重量份进行原料的混配，将拟薄水铝石10重量份配置成30%溶液，添加固含量42%的丙烯酸溶液作为稳定剂，控制pH在4-5，配置成稳定的氧化铝乳液，搅拌器转速为800r/min，搅拌时间为30min；氧化铝的扫描电镜图如图3所示，氧化铝颗粒呈类球状，表面具有脑状的沟回，粒径约0.5-2μm，并堆叠形成粒径约10-25μm的氧化铝大颗粒；

（3）将15重量份的高铝纤维（Al₂O₃≧52%wt，Al₂O₃+SiO₂≧98.5%wt，2-6μm×10-20mm）和10重量份的多晶纤维（Al₂O₃≧72%wt，3-10μm×20-30mm），加入2重量份固含量5%的聚丙烯酰胺分散剂，加入28重量份的水，将纤维搅拌分散打散，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为25min；

（4）将步骤（2）和步骤（3）中得到的样品混合，同时加入5重量份固含量5%的聚乙烯醇絮凝剂溶液，混合搅拌，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为15min；

（5）步骤（4）中得到的样品中加入2重量份硅酸镁铝，混合搅拌均匀，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为5min，得到成品涂料，涂料含水率61%；XRF检测的Al₂O₃含量为70.81%。

实施例4 陶瓷纤维涂料的制备

（1）配置固含量5%的聚丙烯酰胺分散剂溶液和固含量5%的聚乙二醇絮凝剂溶液，搅拌器转速为800r/min，搅拌时间为30min；

（2）按照重量份进行原料的混配，将薄水铝石15重量份配置成40%溶液，添加质量比1：2的硝酸和柠檬酸作为稳定剂，控制pH在4-5，800r/min搅拌30min，配置成稳定的氧化铝乳液；氧化铝的扫描电镜图如图4所示，粒径20-40nm的颗粒状纳米氧化铝堆叠形成0.5-2μm类球状颗粒，0.5-2μm类球状颗粒继续堆叠成粒径约15-25μm的氧化铝大颗粒；

（3）将15重量份的多晶纤维（Al₂O₃≧72%wt，3-10μm×20-30mm），加入3重量份固含量5%的聚丙烯酰胺分散剂，加入28重量份的水，将纤维搅拌分散打散，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为25min；

（4）将步骤（2）和步骤（3）中得到的样品混合，同时加入1重量份固含量5%的聚乙二醇絮凝剂溶液，混合搅拌，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为15min；

（5）步骤（4）中得到的样品中加入加入1重量份的红柱石粉和1重量份尖晶石，混合搅拌均匀，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为5min，得到成品涂料，涂料含水率61%；XRF检测的Al₂O₃含量为83.36%。

对比例1 陶瓷纤维涂料的制备

（1）配置固含量5%的纤维素分散剂溶液和固含量10%的聚丙烯酰胺絮凝剂溶液，搅拌器转速为800r/min，搅拌时间为30min；

（2）按照重量份进行原料的混配，将12重量份氧化铝粉配置成40%溶液，添加HNO₃作为稳定剂，控制pH在4-5，600r/min搅拌15min，配置成稳定的氧化铝乳液；其中氧化铝呈颗粒状，粒径约80-200μm，由粒径约50nm的颗粒状纳米氧化铝堆叠形成2-5μm类球状颗粒并继续堆叠而成；

（3）将15重量份的高铝纤维（Al₂O₃≧52%wt，Al₂O₃+SiO₂≧98.5%wt，2-6μm×10-20mm），加入3重量份固含量5%的纤维素分散剂，加入25重量份的水，将纤维搅拌分散打散，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为25min；

（4）将步骤（2）和步骤（3）中得到的样品混合，同时加入1重量份固含量10%的聚丙烯酰胺絮凝剂溶液，混合搅拌，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为15min；

（5）步骤（4）中得到的样品中加入1重量份的蓝晶石粉和1重量份尖晶石粉，混合搅拌均匀，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为5min，得到成品涂料，涂料含水率65%；XRF检测的Al₂O₃含量为73.02%。

实施例5 产品效果

将实施例和对比例制备的样品，涂抹在实验用纤维板上，以涂抹ISOTAPF-16W型陶瓷纤维不定形耐火物（苏州伊索来特耐火纤维有限公司生产）为对照，干燥后获得实验试件，每样品制备3块。按照GB/T 17911-2018耐火纤维制品试验方法，测定加热线收缩、湿容重和干容重（体积密度）。

使用自制烧结炉，在1500℃下烧结7d，天然气烧结环境，烧嘴提供风速，模拟实际使用环境，炉内安放3×3合计九块含锆模块，表面涂抹实施例1、对比例1中的涂料自然干燥后固化，以涂抹市售ISOTAPF-16W型陶瓷纤维不定形耐火物（苏州伊索来特耐火纤维有限公司生产）为对照，进行7d烧结，测定抗风能力及试样抗腐蚀情况。抗腐蚀从腐蚀、开裂、掉粉及剥落方面进行评价：

0表示未观察到腐蚀；

1表示腐蚀深度不大于1mm、开裂宽度不大于1mm、掉粉或剥落面积不大于1%；

3表示腐蚀深度1-2mm、开裂宽度1-2mm、掉粉或剥落面积1-3%；

5表示腐蚀深度大于2mm、开裂宽度大于2mm、掉粉或剥落面积大于3%。

将实施例1中得到的产品和市售ISOTAPF-16W型陶瓷纤维不定形耐火物进行1500℃长期使用温度抗碱性能对比测试：在含锆板（200mm×150mm×40mm）上雕刻出两个长方形（100mm×70mm×20mm）凹槽，将实施例1中生产的涂料和对比产品分别涂抹到长方形凹槽内，表面涂抹平滑在其表面上放置等量富含钾钠的实验物（K₂CO₃、Na₂CO₃、富含钾钠矿石），模拟使用环境进行1500℃高温煅烧24h。

不同样品的性能结果如表1所示：

表1 不同试样的加热线收缩、干容重、抗风能力和耐腐蚀能力

。

由上表数据可知，与现有技术相比，本发明获得的陶瓷纤维涂料具有优良的加热线收缩、干容重、抗风能力和耐腐蚀能力。

实施例1样品和市售样品煅烧前后如图1所示，左侧为对照产品样品，右侧为实施例1样品，从测试结果可以看出，对比样品中K₂CO₃和富含钾钠矿石对涂料都有不同程度的侵蚀，尤其是矿石原料侵蚀严重，而实施例1样品对矿石有很好的抵抗侵蚀作用，起到很好的防护作用。薄水铝石提供纳米氧化铝，在较低温度下（1200℃左右）即可与纤维反应生成莫来石相，矿石融化（1200℃左右）时涂料已有较多莫来石相提供保护，进而抵抗侵蚀。

Claims (10)

1.一种包含纳米氧化铝的陶瓷纤维涂料，其特征在于，包括以下重量份的原料：

。

2.根据权利要求1所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述氧化铝乳液，以拟薄水铝石为氧化铝来源。

3. 根据权利要求1所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述氧化铝乳液的制备过程为：将拟薄水铝石配制成30 wt%-50wt%的溶液，加入稳定剂调节溶液pH在4-5。

4.根据权利要求3所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述稳定剂选自HNO₃、HCl、柠檬酸、丙烯酸乳液中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述陶瓷纤维选自高铝型、含锆型、多晶氧化铝陶瓷纤维中的一种或多种的混合；

所述高铝型陶瓷纤维的Al₂O₃≧52wt%，Al₂O₃+SiO₂≧98.5wt%；所述含锆型陶瓷纤维的Al₂O₃+SiO₂+ZrO₂≧99wt%；所述多晶氧化铝纤维的Al₂O₃≧72wt%；

所述陶瓷纤维的直径为1-15微米，长度为1-30毫米。

6.根据权利要求1所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述纤维分散剂溶液为固含量1%-5%的分散剂溶液；所述分散剂选自聚丙烯酰胺和纤维素中的一种或者两种；

所述纤维絮凝剂溶液为固含量5%-10%的絮凝剂溶液；所述絮凝剂选自聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或者多种；

所述抗收缩添加剂选自红柱石、蓝晶石、尖晶石、硅酸镁铝和高铝矾土中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述涂料中的水含量为55%-65%，干燥后Al₂O₃含量≥70%。

8.根据权利要求1所述的陶瓷纤维涂料，其特征在于，所述陶瓷纤维涂料还包括硬化剂，所述硬化剂在喷涂时添加，添加量为涂料质量的5%-15%；所述硬化剂优为铝系硬化剂，其Al₂O₃含量15%-20%wt。

9.一种如权利要求1-8任一所述陶瓷纤维涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将拟薄水铝石与水混合搅拌，配置成拟薄水铝石溶液，并添加稳定剂，得到稳定的氧化铝乳液；

（2）将纤维分散剂与水混合搅拌，制成纤维分散剂溶液，然后加入陶瓷纤维进行分散搅拌，得到纤维悬浮液；

（3）将絮凝剂与水混合搅拌，制成絮凝剂溶液；再将纤维悬浮液与氧化铝乳液混合搅拌，搅拌过程中加入絮凝剂溶液，得到混合液；

（4）在上述混合液中加入抗收缩添加剂，并搅拌均匀，得到涂料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）-（4）中，搅拌速度为500-800r/min，搅拌时间为5-30min。

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