CN115677339B - 一种高温隔热节能涂料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温隔热节能涂料及其制备方法和应用，高温隔热节能涂料按质量份数计，包括氧化镧铈20～30份，稀土磷酸盐20‑30份，复合粘结剂40～60份，水20～30份，分散剂0.1～0.5份。将涂料喷涂在高温窑炉炉壁上形成涂层，涂层的导热系数≤1.0W/(m·K)，红外全波长发射率≥0.95。本发明高温隔热节能涂料可以在800℃～1600℃温度下使用，涂层导热系数低，减少炉内热量通过炉壁的散热，红外发射率高，可以增强炉内辐射传热，降低窑炉的能耗，具有显著的应用价值。
Description
技术领域
本发明创造属于无机涂料及其制备方法领域，尤其是涉及一种高温隔热节能涂料及其制备方法和应用。
背景技术
我国窑炉的热效率在30～40％之间，热能利用率低。通过提高炉膛隔热保温性能，将热量锁在炉膛内，防止热量逃逸，是提高窑炉热能利用率的方法之一。比如使用新型的耐火材料，如锆质耐火材料、纤维类耐火材料、碳复合耐火材料等，替代传统的硅质、粘土质耐火材料，可以有效减少炉壁散热，提高节能效果。例如CN108863314A提供一种高效节能复合耐火材料，由氧化镁、氧化钙、改性氧化锆纤维、高硅煤矸石、高铝赤泥、结合剂和增塑剂制备而成。即为了提高耐火度，大量使用重质高铝砖作为炉壁材料，重质高铝砖耐高温性能好，但是发射率低、导热系数较高，不具有隔热保温的功能。因此耐高温、高发射率、低热导率的保温涂层被应用于窑炉内衬。例如，CN110229007B公开了一种保温过渡层和高发射率涂层共同实现超高温红外高辐射保温效果，保温过渡层以微孔电熔氧化锆空心球为主要原料，高发射率涂层以Me-LaAlO3-La2Zr2O7-ZrO2高发射率陶瓷材料为主要原料。CN113429213A提供了一种具有尖晶石结构的低热导、高发射率红外节能高熵材料，以尖晶石结构(A3O4结构)为主相，A位为Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Mg、Cu、Zn、Al的三种到五种金属元素，发射率0.80-0.95。
上述方法的问题在于，采用的新型耐火材料，通常原料及工艺成本较高，在高温窑炉上的使用率较低，改造现有的窑炉工程量大、成本高。因此对于现有的炉衬进行改进，要采用涂层涂覆的方式提高耐材的红外发射率、降低其导热系数。
氧化镧铈是一种氧化镧溶于氧化铈晶格的固溶体稀土氧化物，具有优异的化学稳定性和高温稳定性，发射率高、导热系数低。2021年我国氧化镧铈产出量为17.32万吨，产能丰富、供应充足、价格低廉，是一种极具高价值开发潜力的稀土资源。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高温隔热节能涂料及其制备方法，降低氧化镧铈灼烧过程中的能源消耗。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
作为本发明的第一方面，提供了一种高温隔热节能涂料，按质量份数计，包括氧化镧铈20～30份，稀土磷酸盐20-30份，复合粘结剂40～60份，水20～30份，分散剂0.1～0.5份。
优选的，所述稀土磷酸盐为磷酸镧、磷酸铈、磷酸镧铈中的一种或几种。
优选的，所述复合粘结剂为含有(La0.36Ce0.64)PO4和Al(H2PO4)3水溶液。
优选的，所述复合粘结剂中(La0.36Ce0.64)PO4和Al(H2PO4)3的质量比为1：(5～20)。
优选的，所述稀土磷酸盐为经过高温煅烧的单斜晶系独居石结构。
优选的，所述复合粘结剂中的(La0.36Ce0.64)PO4为六方结构，具有粘结性。
作为本发明的第二方面，提供了上述高温隔热节能涂料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将氧化镧铈、稀土磷酸盐、水、分散剂均匀混合，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)将隔热节能浆料与复合粘结剂分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料。
作为本发明的第三方面，提供了一种高温隔热节能涂层，所述高温隔热节能涂层通过上述的高温隔热节能涂料附着在被保护体表面形成。
优选的，所述被保护体表面为高温窑炉炉壁或重质高铝砖表面，涂层厚度0.3mm，涂层导热系数≤1.0W/(m·K)，红外全波长发射率≥0.95。
本发明的核心是：氧化镧铈是一种氧化镧溶于氧化铈晶格的固溶体，具有稳定的化学性质和耐高温性能，同时氧化镧铈具有高的发射率和低导热系数，与复合粘结剂(La0.36Ce0.64)PO4和Al(H2PO4)3混合水溶液高速分散后制备高温隔热节能涂料，涂层具有耐高温、高发射率、低热导率的性能。
氧化镧铈和稀土磷酸盐为具有高发射率的功能粉体，复合粘结剂(La0.36Ce0.64)PO4和Al(H2PO4)3配合耐高温性能更强，高温使部分(La0.36Ce0.64)PO4生成纳级米氧化镧铈，Al(H2PO4)3生成AlPO4，纳米级氧化镧铈和AlPO4，共同作用生产一层致密陶瓷相结构，该结构在高温下耐火材料烧结在一起，并形成一层釉面，屏蔽了耐火材料释放的化合物；另一方面，由于粘结剂和基料中都存在稀土磷酸盐，高温时会发生高温固相反应，将基料与粘结剂烧结在一起，由此氧化镧铈、稀土磷酸盐以及复合粘结剂和耐火材料就成为一个有机整体，既可以保持结构的稳定，又可以避免耐火材料产生的污染。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本发明的涂料使用产能高、价格低的氧化镧铈作为功能粉体，制备工艺中免去了高温煅烧步骤，降低成本；
(2)本发明中的氧化镧铈和稀土磷酸盐具有稳定的化学性质和耐高温性能，粘结剂采用(La0.36Ce0.64)PO4改性的Al(H2PO4)3溶液，高温煅烧后形成稀土磷酸盐，具有高的高温稳定性，可以应用于1600℃工况；
(3)本发明中的氧化镧铈和稀土磷酸盐的红外发射率高，导热系数低，本发明的涂层红外全波长发射率≥0.95，导热系数≤1.0W/(m·K)；
(4)本发明的涂涂覆在重质高铝砖或高温窑炉炉衬等耐火材料上，可以减少炉内热量通过炉壁向外散热，实现节能20％以上。
附图说明
图1为本发明实施例3的涂层在高铝砖基材上的SEM图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1：
(1)氧化镧铈20重量份，磷酸镧铈25重量份，水20重量份，分散剂0.1重量份，混合后搅拌均匀，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)隔热节能浆料与复合粘结剂60重量份高速分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料，复合粘结剂为(La0.36Ce0.64)PO4与Al(H2PO4)3质量比为1:20的混合水溶液，固含量50％；
(3)上述涂料涂覆到重质高铝砖上，测试发射率、导热系数、1600℃煅烧后发射率。
(4)上述涂料涂覆到电加热炉内壁，测试一定温度下保温1小时的能耗，与未涂覆的电加热炉对比，计算节能率。
经测试，该涂料室温下红外全波长发射率为0.95，导热系数为0.95W/(m·K)；1600℃煅烧100小时，发射率为0.93；在电加热炉上的节能率为22.2％。
实施例2：
(1)氧化镧铈30重量份，磷酸镧25重量份，水30重量份，分散剂0.5重量份，混合后搅拌均匀，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)隔热节能浆料与复合粘结剂60重量份高速分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料；复合粘结剂为(La0.36Ce0.64)PO4与Al(H2PO4)3质量比为1:10的混合水溶液，固含量50％。
(3)上述涂料涂覆到重质高铝砖上，测试发射率、导热系数、1600℃煅烧后发射率。
(4)上述涂料涂覆到电加热炉内壁，测试一定温度下保温1小时的能耗，与未涂覆的电加热炉对比，计算节能率。
经测试，该涂料室温下红外全波长发射率为0.96，导热系数为0.97W/(m·K)；1600℃煅烧100小时，发射率为0.94；在电加热炉上的节能率为23.9％。
实施例3：
(1)氧化镧铈20重量份，磷酸铈25重量份，水20重量份，分散剂0.1重量份，混合后搅拌均匀，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)隔热节能浆料与复合粘结剂40重量份高速分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料，复合粘结剂为(La0.36Ce0.64)PO4与Al(H2PO4)3质量比为1:5的混合水溶液，固含量50％；
(3)上述涂料涂覆到重质高铝砖上，测试发射率、导热系数、1600℃煅烧后发射率。
(4)上述涂料涂覆到电加热炉内壁，测试一定温度下保温1小时的能耗，与未涂覆的电加热炉对比，计算节能率。
经测试，该涂料室温下红外全波长发射率为0.96，导热系数为0.94W/(m·K)；1600℃煅烧100小时，发射率为0.94；在电加热炉上的节能率为25.1％。
对比例1：
(1)氧化镧铈20重量份，磷酸铈25重量份，水20重量份，分散剂0.1重量份，混合后搅拌均匀，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)隔热节能浆料与粘结剂40重量份(磷酸二氢铝水溶液，固含量50％)高速分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料；
(3)上述涂料涂覆到重质高铝砖上，测试发射率、导热系数、1600℃煅烧后发射率。
(4)上述涂料涂覆到电加热炉内壁，测试一定温度下保温1小时的能耗，与未涂覆的电加热炉对比，计算节能率。
经测试，该涂料室温下红外全波长发射率为0.89，导热系数为1.89W/(m·K)；1600℃煅烧100小时，发射率为0.87；在电加热炉上的节能率为12.2％。
对比例2：
(1)氧化镧铈45重量份，水20重量份，分散剂0.1重量份，混合后搅拌均匀，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)隔热节能浆料与复合粘结剂40重量份高速分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料，复合粘结剂为(La0.36Ce0.64)PO4与Al(H2PO4)3质量比为1:20的混合水溶液，固含量50％；
(3)上述涂料涂覆到重质高铝砖上，测试发射率、导热系数、1600℃煅烧后发射率。
(4)上述涂料涂覆到电加热炉内壁，测试一定温度下保温1小时的能耗，与未涂覆的电加热炉对比，计算节能率。
经测试，该涂料室温下红外全波长发射率为0.90，导热系数为1.58W/(m·K)；1600℃煅烧100小时，发射率为0.88；在电加热炉上的节能率为12.7％。
对比例3：
(1)磷酸铈45重量份，水20重量份，分散剂0.1重量份，混合后搅拌均匀，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2)隔热节能浆料与复合粘结剂40重量份高速分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料，复合粘结剂为(La0.36Ce0.64)PO4：Al(H2PO4)3＝1:20的混合水溶液，固含量50％；
(3)上述涂料涂覆到重质高铝砖上，测试发射率、导热系数、1600℃煅烧后发射率。
(4)上述涂料涂覆到电加热炉内壁，测试一定温度下保温1小时的能耗，与未涂覆的电加热炉对比，计算节能率。
经测试，该涂料室温下红外全波长发射率为0.91，导热系数为1.76W/(m·K)；1600℃煅烧100小时，发射率为0.89；在电加热炉上的节能率为11.5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高温隔热节能涂料，其特征在于：按质量份数计，包括氧化镧铈20~30份，稀土磷酸盐20-30份，复合粘结剂40~60份，水20~30份，分散剂0.1~0.5份；所述复合粘结剂为含有(La0.36Ce0.64)PO4和Al(H2PO4)3的水溶液。
2.根据权利要求1所述的高温隔热节能涂料，其特征在于：所述稀土磷酸盐为磷酸镧、磷酸铈、磷酸镧铈中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高温隔热节能涂料，其特征在于：所述复合粘结剂中(La0.36Ce0.64)PO4和Al(H2PO4)3的质量比为1：（5~20）。
4.据权利要求1所述的高温隔热节能涂料，其特征在于：所述稀土磷酸盐为经过高温煅烧的单斜晶系独居石结构。
5.据权利要求1所述的高温隔热节能涂料，其特征在于：所述复合粘结剂中的(La0.36Ce0.64)PO4为六方结构，具有粘结性。
6.权利要求1-5任一所述的高温隔热节能涂料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1) 将氧化镧铈、稀土磷酸盐、水、分散剂均匀混合，球磨至浆液中固体颗粒的粒径D90≤2.0μm，得到隔热节能浆料；
(2) 将隔热节能浆料与复合粘结剂分散，均匀混合得到高温隔热节能涂料。
7.一种高温隔热节能涂层，其特征在于：所述高温隔热节能涂层通过权利要求1-5任一所述的高温隔热节能涂料附着在被保护体表面形成。
8.根据权利要求7所述的涂层，其特征在于：所述被保护体表面为高温窑炉炉壁或重质高铝砖表面，涂层厚度0.3mm，涂层导热系数≤1.0W/(m·K)，红外全波长发射率≥0.95。
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