CN115515897A - 用于生产已膨胀的二氧化硅颗粒的方法和炉 - Google Patents

用于生产已膨胀的二氧化硅颗粒的方法和炉 Download PDF

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Abstract

本公开内容涉及生产已膨胀二氧化硅颗粒的方法。该方法包括提供包含振动板(5)的炉(1)，所述振动板(5)相对于水平方向倾斜。该方法还包括将包含膨胀剂的可膨胀的二氧化硅颗粒进料至振动板(5)上和通过以至少25Hz的频率和至少3g的最大加速度振动该振动板(5)，引起可膨胀的二氧化硅颗粒中定向的无序运动。该方法最后包括在炉(1)中将可膨胀的二氧化硅颗粒加热至大于膨胀剂的活化温度以形成已膨胀的二氧化硅颗粒。

Description

用于生产已膨胀的二氧化硅颗粒的方法和炉
技术领域
本公开内容涉及用于生产已膨胀二氧化硅颗粒的方法，由该方法生产的已膨胀的二氧化硅颗粒，已膨胀的二氧化硅颗粒的用途和生产已膨胀的二氧化硅颗粒的炉。
背景技术
已膨胀的二氧化硅颗粒使用在各种领域中，例如作为基质材料如混凝土或环氧树脂中的填料，作为绝缘材料，或作为水过滤介质。几种有利的物理性质与已膨胀的二氧化硅颗粒有关，例如低密度、低吸水率、高尺寸稳定性和压缩强度、和高绝缘能力。添加至基质材料的已膨胀的二氧化硅颗粒还可在硬化之前改进基质材料的加工性，例如通过改进流动性和减小的基质收缩。另外，已膨胀的二氧化硅颗粒可减小整体材料成本，特别是对于昂贵的基质材料。最后，通过使用消费后再循环利用的玻璃，已膨胀的二氧化硅材料有助于环境持续性。
可由再循环利用的玻璃粉末、水玻璃、一种或多种膨胀剂和任选偏高领土或另外的添加剂生产已膨胀的二氧化硅颗粒。将这些成分混合形成浆料，造粒成为可膨胀的二氧化硅颗粒并随后干燥。干燥的可膨胀的二氧化硅颗粒然后在炉例如回转窑中在780℃-950℃的温度下膨胀。供选择地，当碳化硅用作膨胀剂时，在两阶段烧结过程中，膨胀可发生在大于850℃的温度下。在已膨胀的二氧化硅颗粒的生产期间，期望使用膨胀的二氧化硅颗粒接近从塑性状态至熔融状态转变的高温度。在这些温度下膨胀的二氧化硅颗粒的材料提供对正在进行的膨胀的最小阻力。由此实现已膨胀的二氧化硅颗粒的更优的膨胀和更均匀的球形形状。
在炉中膨胀期间，二氧化硅颗粒处于软化状态。因软化的二氧化硅颗粒而出现的问题是颗粒彼此附着和/或与周围的炉附着。当大量的颗粒同时在炉中膨胀以便实现大的生产量时这个问题特别明显。为了防止颗粒附着，可膨胀的二氧化硅颗粒可涂覆有脱模剂例如高岭土粉末。然而在850℃或大于850℃，高岭土转变成偏高领土，并可失去它作为脱模剂的一些性质。另外，偏高岭土可熔融进入软化的膨胀的颗粒的表面，由此进一步减小它作为脱模剂的效应。这些效果在较高的处理温度下和使用不断提高膨胀剂量的情况下被放大。由颗粒中受膨胀剂(SiC)驱动的放热反应所致过量的热降低颗粒粘性并软化颗粒表面。由此，额外的偏高领土可熔入二氧化硅颗粒表面并进一步降低脱模剂效应。
因此，明显需要在高温下膨胀二氧化硅颗粒的方法和装置，其中软化的颗粒彼此附着和/或与炉附着的风险明显减小。
发明内容
本公开内容涉及根据权利要求1的生产已膨胀二氧化硅颗粒的方法。本公开内容还涉及根据权利要求11的已膨胀的二氧化硅颗粒，根据权利要求12的已膨胀的二氧化硅颗粒的用途和根据权利要求13的用于制备已膨胀的二氧化硅颗粒的炉。
在本公开内容中，发现了通过使炉内的二氧化硅颗粒经受高频振动并具有高的最大加速度，在二氧化硅颗粒中引起定向的、无序的运动，如以下详述。由于明显减小的颗粒间接触时间，软化的二氧化硅颗粒彼此附着明显减小。另外，由于颗粒和炉底之间减小的接触时间，软化的二氧化硅颗粒与炉附着减小。
附图说明
图1示意显示了根据公开内容的炉的纵向横截面。
图2示意显示了根据公开内容的炉的横向横截面。
图3A显示在振动板上二氧化硅颗粒的成角度的顶视图照片。
图3B显示在振动板上二氧化硅颗粒的侧视图照片。
具体实施方式
在图1中以纵向横截面和在图2中以横向横截面示意显示根据本公开内容用于膨胀二氧化硅颗粒的炉1。图1和2中相同的特征由相同的附图标记表示。炉1包含腔室2，所述腔室包含入口3和出口4。腔室包含侧壁、顶部和底部。底部包含振动板5。炉1还包含与入口3连接的进料系统。进料系统可包含振动进料器、传送带进料器、料斗或高压气流进料器。炉1包含加热装置例如电驱动或气体驱动加热装置。加热装置经构造成加热该腔室2至560-950℃、优选850-900℃的温度。炉1还可包含与出口4连接的冷却区。冷却区可包含冷却装置例如喷气冷却元件或喷雾冷却元件。在运行中，可由进料系统通过入口3进料可膨胀的二氧化硅颗粒并进入腔室2。可膨胀的二氧化硅颗粒然后可在腔室2中加热、软化和膨胀。已膨胀二氧化硅颗粒然后可通过出口4离开腔室2并进入任选的冷却区。
炉1还可包含支架6，支撑振动板5。支架6可包含一个或多个腿(在图1的侧视图中显示两个腿)，优选四个腿，最优选六个腿。支架6可为高度可调节的。支架6可与振动板5铰链连接。炉1还可包含可安装支架6的支架板7。炉1还可包含其上可安装支架板7的基座8。基座8可为可调节的，以将炉1相对于水平方向保持在水平位置。优选地，支架板7与基座8铰链连接，使得支架板7可相对于水平方向以期望的角度倾斜。为此，支架板7可包含倾斜机构(未显示)，构造成调节支架板7相对于水平方向的倾斜角度。
振动板5可相对于水平方向倾斜0.1-25°、优选1-5°、最优选3°(图1中点线和点划线之间的倾斜α)。振动板5从入口3向下向出口4倾斜。有利地，振动板由此构造用于将二氧化硅颗粒从入口传送至出口。可通过使支架板7倾斜而倾斜该振动板5。供选择地，可通过支架6上提供的倾斜机构而倾斜该振动板5。振动板5可具有板形状。供选择地，振动板5可包含托盘，所述托盘包含具有纵向侧壁和/或横向侧壁的矩形底部。优选地，振动板5具有900mm的长度(图1中从左至右)和700mm的宽度。振动板5构造成经受至少950℃温度下的循环氧化和冶金学改变。振动板5还构造成经受由于使用至少25Hz的频率振动所致的应力。优选地，振动板5包含耐热钢。振动板5可涂覆有非氧化涂层。另外，振动板5可涂覆有一种或多种脱模剂。有利地，软化的二氧化硅颗粒与振动板5附着的风险由此减小。
炉1包含至少一个振动发动机9，经构造成驱动振动板5的振动。优选地，炉1包含两个振动发动机9，经构造使得两个振动发动机9的旋转方向彼此相反。有利地，至少一个振动发动机9将定向线性振动能量传递到振动板。至少一个振动发动机9可固定至振动板5、固定至支架板7或固定至基座8。至少一个振动发动机9构造成以至少25Hz、优选25-75Hz、更优选28-50Hz的频率振动该振动板5。此外，振动发动机9构造成以至少3g、优选3-8g的最大加速度振动该振动板5，其中g表示万有引力常数。振动板5的最大加速度等于2*π2*(频率)2*行程+g。至少一个振动发动机9具有1-7mm、优选1-5mm的行程。至少一个振动发动机9具有相对于竖直方向0-45°、优选10-35°、最优选30°的行程角。有利地，高振动频率和高最大加速度的组合引起炉腔室中的二氧化硅颗粒进入定向的、无序的运动状态，如以下详述。由此，炉中二氧化硅颗粒之间和颗粒与炉自身之间的接触时间明显减小。因此，软化的颗粒彼此附着或与炉附着的风险减小。
炉1可包含控制装置。控制装置可控制进料系统、支架6上的倾斜机构、支架板7上的倾斜机构、至少一个振动发动机9、加热装置和/或冷却区。控制装置可构造成通过控制行程、行程角和/或频率来控制至少一个振动发动机9。控制装置可包含CPU、显示器和/或用户输入设备例如键盘或触屏。控制装置还可包含一个或多个传感器(未显示)例如温度传感器、压力传感器和/或光学传感器。一个或多个传感器可与CPU连接，以促进监测炉1的运行。优选地，一个或多个传感器位于腔室2中。有利地，可在炉的运行期间由此调节运行参数，以控制或优化二氧化硅颗粒的膨胀过程。
接下来，描述根据本公开内容用于制备已膨胀二氧化硅颗粒的方法，参考图1和2。该方法包括提供根据本公开内容的炉1，所述炉包含振动板5。振动板5相对于水平方向倾斜0.1-25°、优选1-5°、更优选3°。将包含膨胀剂的可膨胀的二氧化硅颗粒进料至腔室2中的振动板5上。可膨胀的二氧化硅颗粒通过进料系统进料。在腔室2中，将可膨胀的二氧化硅颗粒加热至大于膨胀剂的活化温度以形成已膨胀的二氧化硅颗粒，其同时暴露于振动。在加热期间，二氧化硅颗粒从入口3传送至出口4。在离开腔室2时，已膨胀二氧化硅颗粒可进入冷却区并可在冷却和硬化之后涂覆有合适的涂层(以下详述)。
可膨胀的二氧化硅颗粒包含60-99重量％的二氧化硅粉末。二氧化硅粉末的颗粒可具有0.01-700μm的直径。优选地，二氧化硅粉末包含再循环利用的玻璃粉末。再循环利用的玻璃粉末可例如来源于消费后再循环利用的玻璃、钠钙玻璃、浮法玻璃、风挡、太阳能板。有利地，可膨胀的二氧化硅颗粒由此形成环境友好的材料。
可膨胀的二氧化硅颗粒包含1-10重量％的至少一种膨胀剂。膨胀剂可包含粉末。优选地，粉末的颗粒具有0.01-40.0μm的直径。至少一种膨胀剂可包含氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、二氧化锰(MnO2)、碳酸钠(Na3CO3)、碳酸钠钙(CaNa3CO3)或它们的组合。优选地，至少一种膨胀剂包含碳化硅粉末。任选地，可膨胀的二氧化硅颗粒可包含硅灰。可膨胀的二氧化硅颗粒可具有0.3-1.7kg/l、优选0.5-1.5kg/l的堆密度。可膨胀的二氧化硅颗粒可具有0.1-40mm、优选0.25-5.60mm、最优选0.8-1.60mm的直径。
可膨胀的二氧化硅颗粒可涂覆有脱模剂。脱模剂优选包含0.5-10重量％的高岭土粉末(Al2SiO5(HO)4)。由此，膨胀的二氧化硅颗粒彼此和/或与炉附着和/或融合的风险进一步减小。这对于其中同时膨胀许多颗粒的大的生产量是尤其重要的。
在腔室2中，将可膨胀的二氧化硅颗粒加热至大于膨胀剂的活化温度，至560-950℃、优选850-900℃的温度。在腔室2内，可控制温度和停留时间，由此控制可膨胀的二氧化硅颗粒的膨胀速率。可通过控制腔室2中颗粒的传送速度来控制停留时间。在加热期间二氧化硅颗粒软化。一旦二氧化硅颗粒达到大于膨胀剂的活化温度的温度，发生放热反应，驱使软化的二氧化硅颗粒膨胀。由此，制备已膨胀的二氧化硅颗粒。优选地，在进料或传送至腔室2中之前，可膨胀的二氧化硅颗粒可首先进料到预加热腔室。有利地，在预加热期间使可膨胀的二氧化硅颗粒的芯和表面之间的温差最小化。优选地，已膨胀二氧化硅颗粒具有150-900g/l的堆密度。已膨胀的二氧化硅颗粒可包含在表面处几乎密封的、封闭的孔(cell)结构和在内部具有基本上封闭孔的孔状结构。优选地，已膨胀二氧化硅颗粒具有球形或接近球形状。已膨胀二氧化硅颗粒可用作混凝土、灰泥、石膏、砂浆、环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸酯或合适的有机粘合剂、或人造草皮中的填料，或用作水过滤盒中的填料。有利地，已膨胀的二氧化硅颗粒具有明显减小的流体吸收能力，并当用作混凝土基质材料中的填料时可例如吸收可忽略量的混凝土添加剂。
在腔室2中，在二氧化硅颗粒中引起定向的、无序的运动。运动由振动板5的振动引起。振动板5的振动由至少一个振动发动机9驱动。振动具有至少25Hz、优选25-75Hz、更优选28-50Hz的频率。在振动期间，振动板5具有至少3g、优选3-8g的最大加速度。至少一个振动发动机9具有1-7mm、优选1-5mm的行程。至少一个振动发动机9具有相对于竖直方向0-45°、优选10-35°、最优选30°的行程角。
由于二氧化硅颗粒以不规则、无序的或湍流的方式从振动板5弹开并且由于重力而落回，因此出现运动的无序分量。二氧化硅颗粒可在表面法向方向上达到大于振动板的表面5-15mm的高度。在低于25Hz的振动频率下，以低于3g的最大加速度，无序的运动变为振荡的有序运动。在这个有序运动期间，大多数二氧化硅颗粒同步运动，由此提高颗粒间接触时间并提高颗粒彼此附着的风险。
运动的定向分量在振动板5的表面平行方向上。定向分量主要由倾斜角、频率和/或行程角控制。定向分量保证二氧化硅颗粒通过腔室2从入口3至出口4的运输。优选地，二氧化硅颗粒以0.01-0.1m/s、更优选0.07m/s的平均速度从入口3至出口4运动。优选地，在振动板5上任两点之间的加速度差在任一时间为至多1.5g，优选至多1g。有利地，通过最小化在振动板5上任两个点之间的加速度差，实现均匀的定向分量。
图3A中显示在环境温度下在振动板上定向的无序运动的二氧化硅颗粒的实例，显示振动板成角度的顶视图照片。振动板上方运动中的二氧化硅颗粒以浅灰色显示，振动板上这些颗粒的阴影以深灰色显示。图3B中显示了在850℃的温度下振动板上方处于定向的无序运动的状态的二氧化硅颗粒的侧视图。清楚地，在每个情况下大多数颗粒悬浮在振动板上方。
定向的无序运动允许二氧化硅颗粒保持悬浮在振动板5上方持续二氧化硅颗粒在炉中的停留时间的至少85％。由此，炉1中二氧化硅颗粒之间的接触时间限制为至多40毫秒，优选至多28毫秒。通过限制二氧化硅颗粒之间的接触时间，颗粒彼此附着和颗粒融合的风险最小化。需要的振动频率与颗粒直径成反比例；较大的二氧化硅直径需要较低的振动频率，且较小的二氧化硅颗粒需要较高的振动频率，以限制二氧化硅颗粒之间的接触时间。此外，通过主要维持二氧化硅颗粒悬浮在振动板上方，限制了二氧化硅颗粒和振动板之间的接触时间。由此，最小化了软化的二氧化硅颗粒与振动板附着的风险。
在离开炉1时，已膨胀二氧化硅颗粒可进入冷却区，其包含保持在逐步降低温度下的一个或多个阶段。在冷却区中优选将已膨胀二氧化硅颗粒冷却至环境温度，允许已膨胀二氧化硅颗粒的进一步处理。在冷却区内，可控制每阶段的温度和停留时间，由此控制已膨胀的二氧化硅颗粒的冷却速率。有利地，由于颗粒表面处和颗粒内部中不同冷却速率所致的已膨胀二氧化硅颗粒内的内在张力可由此最小化。冷却之后，已膨胀二氧化硅颗粒可涂覆有硅酸钠溶液(还已知为水玻璃)，优选在0.1-200℃的温度下。有利地，硅酸钠溶液还减小可膨胀的二氧化硅颗粒的表面孔隙率，由此改进抗流体吸收性。
根据示例性实施方案，提供可膨胀的二氧化硅颗粒，其包含再循环利用的玻璃粉末和SiC粉末的烧结混合物作为膨胀剂。可膨胀的二氧化硅颗粒的直径为1-2mm，和可膨胀的二氧化硅颗粒的堆密度为约1100g/l。可膨胀的二氧化硅颗粒涂覆有高岭土粉末。根据本公开内容将可膨胀的二氧化硅颗粒进料到炉腔室中和振动板上。振动板相对于水平方向以3°的倾斜角倾斜。振动板受振动发动机驱动从而以43Hz的频率振动。在环境温度下，振动期间振动板具有4.8-5.2g的最大加速度。在炉腔室中，将可膨胀的二氧化硅颗粒加热至850℃的温度。在该温度下，可膨胀的二氧化硅颗粒软化，和膨胀剂活化从而使二氧化硅颗粒膨胀。由振动板引起的定向的无序运动造成二氧化硅颗粒保持悬浮在振动板上方空气中持续在炉中停留时间的至少85％。二氧化硅颗粒在振动板上方从入口朝向炉的出口运动，具有0.07m/s的平均速度。观察到没有颗粒彼此附着或颗粒的融合。
标记列表
1 炉
2 腔室
3 炉入口
4 炉出口
5 振动板
6 支架
7 支架板
8 基座
9 振动发动机

Claims (18)

1.用于制备已膨胀二氧化硅颗粒的方法，该方法包括：
-提供包含振动板(5)的炉(1)，所述振动板(5)相对于水平方向倾斜；
-将包含膨胀剂的可膨胀的二氧化硅颗粒进料至振动板(5)上；
-通过以至少25Hz的频率和至少3g的最大加速度振动该振动板(5)，引起可膨胀的二氧化硅颗粒中定向的无序运动；和
-在炉(1)中将可膨胀的二氧化硅颗粒加热至大于膨胀剂的活化温度以形成已膨胀的二氧化硅颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中振动板(5)相对于水平方向倾斜0.1-25°、优选1-5°、更优选3°。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中频率在25-75Hz、更优选28-50Hz的范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中振动板(5)由至少一个振动发动机(9)，优选两个相对于彼此倾斜的振动发动机(9)驱动，其中至少一个振动发动机(9)具有相对于竖直方向0-45°、优选10-35°、最优选30°的行程角。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中炉(1)包含控制装置，且至少倾斜角、行程角和/或频率由控制装置控制。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中最大加速度在3-8g的范围内。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中在振动板(5)上任两点之间的加速度差在任一时间为至多1.5g，优选至多1g。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中炉(1)中的加热温度在560-950℃、优选850-900℃的范围内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，还包括在冷却区中冷却已膨胀二氧化硅颗粒，和任选在冷却之后用二氧化硅水溶液涂覆已膨胀的二氧化硅颗粒，优选在1-200℃的温度下。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中可膨胀的二氧化硅颗粒包含60-99重量％的二氧化硅粉末和1-10重量％的膨胀剂。
11.已膨胀的二氧化硅颗粒，根据权利要求1-10中任一项的方法制备。
12.根据权利要求11所述的已膨胀二氧化硅颗粒的用途，作为混凝土、灰泥、石膏、砂浆、环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸酯、或人造草皮中的填料，或作为水过滤盒中的填料。
13.用于根据权利要求1-10中任一项的方法制备已膨胀的二氧化硅颗粒的炉(1)，该炉(1)包含：
-振动板(5)，相对于水平方向倾斜；和
-至少一个振动发动机(9)，优选两个相对于彼此倾斜的振动发动机(9)，其中至少一个振动发动机(9)构造成以至少25Hz的频率和至少3g的最大加速度振动该振动板(5)。
14.根据权利要求13所述的炉(1)，其中振动板(5)相对于水平方向倾斜0.1-25°、优选1-5°、更优选3°。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的炉(1)，其中至少一个振动发动机(9)构造成以25-75Hz、优选28-50Hz的频率振动该振动板(5)。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的炉(1)，其中至少一个振动发动机(9)具有相对于竖直方向0-45°、优选10-35°、最优选30°的行程角。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的炉(1)，其中至少一个振动发动机(9)构造成以3-8g的最大加速度振动该振动板(5)。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的炉(1)，还包含控制装置，经构造成控制倾斜角、行程角和/或频率。
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