CN115893984B

CN115893984B - 一种陶瓷蛭石隔热板及其制备工艺

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Publication number: CN115893984B
Application number: CN202211322363.8A
Authority: CN
Inventors: 曾勇健
Original assignee: Hunan Gallop Special Heat Insulating Material Co ltd
Current assignee: Hunan Gallop Special Heat Insulating Material Co ltd
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2042-10-27
Also published as: CN115893984A

Abstract

本发明公开一种陶瓷蛭石隔热板及其制备工艺，涉及建筑材料技术领域。本发明公开的陶瓷蛭石隔热板，是由以下质量百分比的原料组成：55～65％蛭石混料、4～25％球状硅微粉、8～45％硅质粘土、3～6％钠基膨润土、1～4％锂云母粉、0.5～3％硼酸粉末、1～9％木质素磺酸钙和0.01～0.05％的分散剂；本发明还公开了陶瓷蛭石隔热板的制备工艺。本发明提供的陶瓷蛭石隔热板，其常温和高温强度高，高温导热系数较低，抗化学腐蚀性能优异，高温体积稳定，综合性能较好，可用于铝电解槽保温层，彻底解决铝电解槽现有保温层在使用周期内被压缩、被电解质气体腐蚀等问题。

Description

一种陶瓷蛭石隔热板及其制备工艺

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷蛭石隔热板及其制备工艺。

背景技术

膨胀蛭石是一种云母类矿物，具有优异的隔热性能，且化学稳定性好。高温下可产生热反射，可用作良好的保温材料，但其烧结性能较差，目前蛭石保温材料以化学结合的蛭石保温板砖为主，用高可塑性粘土通过产生陶瓷结合蛭石保温材料，只有俄罗斯有少量生产，其常温强度都很低，小于0.8MPa。因此，低强度的陶瓷蛭石保温材料制品限制了其使用范围。

铝电解预焙槽是一种特殊电、热容器，其内衬的配置需要精心的设计，以解决好电解槽保温和散热的矛盾。铝电解槽的保温层主要靠保温材料，且应具有耐高温、适宜的强度、低热导率和结构稳定的特性。因为保温性能好的高比容材料，其空隙或颗粒粘结较薄，其强度和抗蚀性较差，易发生粉碎或破裂，因此铝电解槽不宜使用比容过大的保温材料；而且，现有的电解槽保温层在使用周期内存在被压缩、被电解质气体腐蚀等问题。现有的铝电解槽保温材料主要是轻质保温砖、硅酸钙板和石棉板。轻质保温砖的导热系数为0.2～0.4w/m·k，具有质轻、保温隔热、耐久等特性，但是其气孔率较大，组织疏松，力学强度较低且耐磨性差；硅酸钙板的导热系数为0.036～0.068w/m·k，具有质轻、抗压强度高、耐酸碱等，但是其吸水率高，对导热系数的影响大，在潮湿的环境下，致使保温性较差；石棉板的导热系数为0.022～0.033w/m·k，其保温效果可以，但是耐酸性较差，很弱的有机酸就能将石棉中的氧化镁析出，使石棉纤维的强度下降，致使其在使用不久后容易碎掉。

中国发明专利CN106366860A公开的纳米陶瓷隔热保温材料，包括隔热层、辅助层以及防腐层，该隔热层是由纳米级稀土中空陶瓷微珠改性环氧树脂、改性膨胀蛭石以及陶瓷纤维，具有良好的隔热保温性能、耐腐蚀性且热传导系数较低，但是其高温导热系数较高(也就是说高温下保温性能较差)，抗压强度较低，并且该保温材料中含有有机物，不能较高温度下使用。中国发明专利CN107986733A公开的包含陶瓷纤维改性膨胀蛭石的阻燃保温材料，在高温条件下，用刚经过含钛化合物预处理的陶瓷纤维改性天然蛭石粉末制得的，具有较低的导热系数和较优的阻燃性能，但是该保温材料在800～1000℃的温度区间的保温性能较差，高温使用性不佳，从而不能完全满足铝电解预焙槽工作环境的保温材料。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种陶瓷蛭石隔热板，其常温和高温强度高，高温导热系数较低，抗化学腐蚀性能优异，高温体积稳定，综合性能较好，可用于铝电解槽保温层，彻底解决铝电解槽现有保温层在使用周期内被压缩、被电解质气体腐蚀等问题。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种陶瓷蛭石隔热板，是由以下质量百分比的原料组成：55～65％蛭石混料、4～25％球状硅微粉、8～45％硅质粘土、3～6％钠基膨润土、1～4％锂云母粉、0.5～3％硼酸粉末、1～9％木质素磺酸钙和0.01～0.05％的分散剂。

进一步的，以质量百分比计，所述蛭石混料是由30～35％粗膨胀蛭石、39～47％细膨胀蛭石和20～30％保温集料组成。

进一步的，所述粗膨胀蛭石的粒径为0.5～2mm，所述细膨胀蛭石的粒径小于0.5mm。

进一步的，所述保温集料为粒径1～5mm的陶粒。

进一步的，所述硅质粘土中含硅量＞50％。

进一步的，所述分散剂为阴离子分散剂聚丙烯酰胺，主要用来减少各组分粉料的摩擦力。

进一步的，所述分散剂为MC/PAM-Al₂SiO₅，是由甲基纤维素和聚丙烯酰胺包裹硅酸铝纤维棉复合而成。

进一步的，所述MC/PAM-Al₂SiO₅的制备方法为：

将硅酸铝纤维棉加入到反应釜中搅拌10～15min进行打散，然后边搅拌边加入氧化镁粉末，继续搅拌10min；将甲基纤维素和聚丙烯酰胺加入到适量去离子水中搅拌至溶解，然后加入到上述反应釜中，浸渍1～2h，然后升温至60～70℃，搅拌30min，真空干燥，制得MC/PAM-Al₂SiO₅粉末。

本发明的MC/PAM-Al₂SiO₅是将硅酸铝纤维棉在氧化镁和搅拌的作用下分散均匀，然后浸渍在甲基纤维素和聚丙烯酰胺的混合溶液中，使甲基纤维素和聚丙烯酰胺包裹住硅酸铝纤维棉，进而使MC/PAM-Al₂SiO₅加入到本发明的隔热板原料中，可提高各有机和无机无机物料之间的分散性，使MC/PAM-Al₂SiO₅均匀分散中隔热板原料中，并在高温烧结作用下，甲基纤维素和聚丙烯酰胺高温碳化后，硅酸铝纤维棉均匀插入膨胀蛭石、硅质粘土等原料之间，增加了隔热板的孔隙率，降低了本发明的导热系数；硅酸铝纤维棉的加入还提高了本发明的力学强度和高温使用性能。

进一步的，所述甲基纤维素与聚丙烯酰胺的质量比为1：(2～3)，所述硅酸铝纤维棉与甲基纤维素的质量比为(0.5～1)：1，所述氧化镁粉末与硅酸铝纤维棉的质量比为0.03：1。

本发明还提供了一种陶瓷蛭石隔热板的制备工艺，具体包括以下步骤：

S1、称取所需质量的粗膨胀蛭石、细膨胀蛭石和保温集料混合均匀，制成蛭石混料；

S2、按上述质量百分比称取硅质粘土、钠基膨润土、球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；

S3、将硼酸粉末、锂云母粉、木质素磺酸钙、分散剂和适量水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入步骤S2制得的预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；

S4、将上述浆状物加入到步骤S1制得蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌10～20min，制得的粗混料放入模具中，采用成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中烧结，再自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

进一步的，所述步骤S4中，烧结温度为800～1000℃，烧结时间为3～5h。

本发明取得了以下有益效果：

1、本发明利用球状硅微粉的烧结活性，以及球状硅微粉和木质素磺酸钙粉体所形成的微气孔结构，通过制成的高流动性泥浆，来覆盖和包裹烧结性能很差的蛭石颗粒，通过高温(800～1000℃热处理后)使膨胀蛭石颗粒之间形成充满微气孔的网状陶瓷结构，从而赋予产品很高的力学强度、极低的热导率和高温低导热率特性。

2、本发明采用的球状硅微粉为球状结构，因球状的表面流动性好，可提高硅微粉的填充率，因此，本发明利用球状硅微粉的球状结构和高强度，在微粉体制浆过程中，插入硅质粘土颗粒之间，使之产生孔隙，充满微气孔，这种物理造孔方法加上引入木质硅酸钙高温烧结后所形成的微气孔，保证了产品的低导热性能。

3、本发明通过加入硼酸和锂云母粉，将含硼和含锂材料引入到浆状物中，与SiO₂在高温下形成热膨胀系数比较低的含硼玻璃，既降低了产品的烧成温度，又提高了陶瓷网状结构的力学性能以及化学气体的腐蚀性能。

4、本发明采用适当比例的粗膨胀蛭石和细膨胀蛭石进行配比，随着膨胀蛭石加入量的增加，隔热板的导热率降低，体积密度也相应降低，因此，膨胀蛭石的过量，会导致隔热板的力学强度显著降低，降低了在铝电解槽中使用效果；若是膨胀蛭石的量太少，则导热率降低不明显。本发明中粗膨胀蛭石和细膨胀蛭石的使用配比，可使本发明在保持较低导热系数的同时，还具有较高的力学强度。

5、本发明木质素磺酸钙的加入，使产品微气孔量增加，减少了隔热板的热辐射传热，降低了常温和高温的导热率。

6、本发明陶粒的增加，增加了隔热板的常温、高温强度，同时体积密度增加，导热率提高，因此，本发明使用特定比例的陶粒，使其在增加隔热板力学强度的同时，还能保证本发明具有较低的导热率。

7、本发明的球状硅微粉、硅质粘土、钠基膨润土、锂云母粉、硼酸、木质素磺酸钙和分散剂组成的复合粉体的烧结性好，分散性高，包裹能力强，且在高温下能产生微气孔结构，还可与膨胀蛭石颗粒混合并对膨胀蛭石颗粒表面进行改性，致使在高温下形成包裹住蛭石颗粒的陶瓷网状结构，从而使本发明的隔热板在常温强度和高温强度均高，高温下的导热系数很低，还具有优异的抗化学腐蚀性和高温体积稳定性，综合性能大幅优于所有化学结合的蛭石保温材料和普通烧结的蛭石保温材料，可彻底解决铝电解槽现有保温层在使用周期内被压缩，被电解质气体腐蚀等问题。

8、本发明的复合粉体是流体型微粉体，具有很高的强度，且可作为结合相将蛭石混料中各组分有效结合，从而使本发明在800～1000℃的温度区间的保温性能优于硅酸铝纤维制品，高温使用性能大幅优于采用化学结合的蛭石制品，且价格比化学结合的蛭石制品低50％以上，是一种能完全满足铝电解预焙槽工作环境的保温材料。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的粗膨胀蛭石粒径为0.5～2mm，实施例中优选使用20～40目的粗膨胀蛭石；细膨胀蛭石粒径小于0.5mm，实施例中优选使用100目的细膨胀蛭石。

本发明的陶粒粒径为1～5mm，实施例中优选的，在使用前，将粒径为1～5mm的陶粒置于球磨机中球磨，过筛80目。

本发明实施例中使用的球状硅微粉的粒径为325目；硅质粘土中二氧化硅含量大于50％，实施例中优选的使用二氧化硅含量为52％，粒径为325目的煅烧硅粘土。

本发明实施例中的水的加入量为硅质粘土、钠基膨润土、球状硅微粉、硼酸粉末、锂云母粉和木质素磺酸钙总量之和的一半。

下面结合具体实施例对本发明的陶瓷蛭石隔热板及其制备方法予以说明。

实施例1

本实施例1陶瓷蛭石隔热板的制备工艺具体包括以下步骤：

以质量百分比计，取20％粗膨胀蛭石、25％细膨胀蛭石和11.5％陶粒混合均匀，制成蛭石混料；取24％硅质粘土、4.5％钠基膨润土和6％球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；将1.5％硼酸粉末、2.5％锂云母粉、5％木质素磺酸钙、0.03％聚丙烯酰胺和22％水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；将该浆状物加入到蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌15min，制得的粗混料放入模具中，使用液压成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中，以10℃/min的速率升温至1000℃烧结4h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

实施例2

本实施例2陶瓷蛭石隔热板的制备工艺具体包括以下步骤：

以质量百分比计，取18％粗膨胀蛭石、23％细膨胀蛭石和17.5％陶粒混合均匀，制成蛭石混料；取24％硅质粘土、4.5％钠基膨润土和6％球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；将1.5％硼酸粉末、2.5％锂云母粉、3％木质素磺酸钙、0.03％聚丙烯酰胺和21％水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；将该浆状物加入到蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌15min，制得的粗混料放入模具中，使用液压成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中，以5℃/min的速率升温至900℃烧结5h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

实施例3

本实施例3陶瓷蛭石隔热板的制备工艺具体包括以下步骤：

以质量百分比计，取19％粗膨胀蛭石、24％细膨胀蛭石和14.5％陶粒混合均匀，制成蛭石混料；取24％硅质粘土、4.5％钠基膨润土和6％球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；将1.5％硼酸粉末、2.5％锂云母粉、4％木质素磺酸钙、0.03％聚丙烯酰胺和21％水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；将该浆状物加入到蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌15min，制得的粗混料放入模具中，使用液压成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中，以10℃/min的速率升温至1000℃烧结4h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

实施例4

本实施例4陶瓷蛭石隔热板的制备工艺具体包括以下步骤：

以质量百分比计，取20％粗膨胀蛭石、25％细膨胀蛭石和11.5％陶粒混合均匀，制成蛭石混料；取26％硅质粘土、4.5％钠基膨润土和4％球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；将1.5％硼酸粉末、2.5％锂云母粉、5％木质素磺酸钙、0.03％聚丙烯酰胺和22％水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；将该浆状物加入到蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌15min，制得的粗混料放入模具中，使用液压成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中，以10℃/min的速率升温至1000℃烧结4h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

实施例5

本实施例5陶瓷蛭石隔热板的原料和制备工艺与实施例1相同，具体参照实施例1。不同的是，本实施例5中使用的分散剂为MC/PAM-Al₂SiO₅，该MC/PAM-Al₂SiO₅的制备方法如下：

以质量份数计，将10份甲基纤维素和20份聚丙烯酰胺加入到15份去离子水中搅拌至溶解，得溶液A；将5份硅酸铝纤维棉加入到反应釜中搅拌15min进行打散，然后边搅拌边加入0.15份氧化镁粉末，继续搅拌10min；然后将溶液A加入到反应釜中，浸渍2h，然后升温至65℃，搅拌30min，真空干燥，制得MC/PAM-Al₂SiO₅粉末。

实施例6

本实施例6陶瓷蛭石隔热板的原料和制备工艺与实施例1相同，具体参照实施例1。不同的是，本实施例6中使用的分散剂为MC/PAM-Al₂SiO₅，该MC/PAM-Al₂SiO₅的制备方法如下：

以质量份数计，将10份甲基纤维素和30份聚丙烯酰胺加入到20份去离子水中搅拌至溶解，得溶液A；将10份硅酸铝纤维棉加入到反应釜中搅拌15min进行打散，然后边搅拌边加入0.1份氧化镁粉末，继续搅拌10min；然后将溶液A加入到反应釜中，浸渍2h，然后升温至65℃，搅拌30min，真空干燥，制得MC/PAM-Al₂SiO₅粉末。

实施例7

本实施例7陶瓷蛭石隔热板的制备工艺具体包括以下步骤：

以质量百分比计，取17％粗膨胀蛭石、26％细膨胀蛭石和12％陶粒混合均匀，制成蛭石混料；取18％硅质粘土6％钠基膨润土和5％球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；将3％硼酸粉末、4％锂云母粉、9％木质素磺酸钙、0.03％聚丙烯酰胺和23％水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；将该浆状物加入到蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌20min，制得的粗混料放入模具中，使用液压成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中，以10℃/min的速率升温至1000℃烧结4h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

实施例8

本实施例8陶瓷蛭石隔热板的制备工艺具体包括以下步骤：

以质量百分比计，取20％粗膨胀蛭石27％细膨胀蛭石和18％陶粒混合均匀，制成蛭石混料；取14.5％硅质粘土3％钠基膨润土和15％球状硅微粉加入到搅拌机中混合均匀，得预混料；将0.5％硼酸粉末、1％锂云母粉、1％木质素磺酸钙、0.03％聚丙烯酰胺和18％水，然后加入到伏特式打浆机中，再加入预混料，混合均匀，制得高流动性的浆状物；将该浆状物加入到蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌10min，制得的粗混料放入模具中，使用液压成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中，以10℃/min的速率升温至1000℃烧结4h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。

对比例1

本对比例1的陶瓷蛭石隔热板的制备工艺与实施例1相同，具体原料和步骤参照实施例1，不同的是，本对比例1中未加入球状微硅粉和木质素磺酸钙，硅质粘土的加入量为35％。

对比例2

本对比例2的陶瓷蛭石隔热板的制备工艺与实施例1相同，具体原料和步骤参照实施例1，不同的是，本对比例2中硅微粉为325目角形硅微粉。

对比例3

本对比例3的陶瓷蛭石隔热板的制备工艺与实施例1相同，具体原料和步骤参照实施例1，不同的是，本对比例3中未加入木质素磺酸钙。

对比例4

本对比例4的陶瓷蛭石隔热板的制备工艺与实施例1相同，具体原料和步骤参照实施例1，不同的是，本对比例4中的分散剂为羧甲基纤维素，加入量为0.06％。

对比例5

本对比例5的陶瓷蛭石隔热板的制备工艺与实施例1相同，具体原料和步骤参照实施例1，不同的是，本对比例5中未加入硼酸粉末和锂云母粉，硅质粘土的加入量为28％，烧结温度为1100℃，烧结时间为4h。

将上述实施例1-8和对比例1-5中的隔热板制品进行性能检测，性能检测结果如下表1所示。

表1隔热板制品性能检测结果表

从表1的隔热板制品性能检测结果可以看出，本发明的陶瓷蛭石隔热板具有优异的力学强度和较低的导热系数，并且在高温条件下(500℃和800℃)仍有较低的导热系数，则本发明具有优异的隔热保温能力。本发明自制的分散剂MC/PAM-Al₂SiO₅可显著提高本发明的力学强度和隔热保温性能；球状微硅粉和木质素磺酸钙的加入可提高本发明的力学强度，提高体积密度，常温和高温条件下均有较低的导热系数，具有较优的隔热保温性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种陶瓷蛭石隔热板，其特征在于，是由以下质量百分比的原料组成：55～65%蛭石混料、4～25%球状硅微粉、8～45%硅质粘土、3～6%钠基膨润土、1～4%锂云母粉、0.5～3%硼酸粉末、1～9%木质素磺酸钙和0.01～0.05%的分散剂；

以质量百分比计，所述蛭石混料是由30～35%粗膨胀蛭石、39～47%细膨胀蛭石和20～30%保温集料组成；

所述保温集料为粒径1～5mm的陶粒；

所述分散剂为阴离子分散剂聚丙烯酰胺。

2.一种陶瓷蛭石隔热板，其特征在于，是由以下质量百分比的原料组成：55～65%蛭石混料、4～25%球状硅微粉、8～45%硅质粘土、3～6%钠基膨润土、1～4%锂云母粉、0.5～3%硼酸粉末、1～9%木质素磺酸钙和0.01～0.05%的分散剂；

所述保温集料为粒径1～5mm的陶粒；

所述分散剂为MC/PAM-Al₂SiO₅，所述MC/PAM-Al₂SiO₅是由甲基纤维素和聚丙烯酰胺包裹硅酸铝纤维棉复合而成的。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷蛭石隔热板，其特征在于，所述粗膨胀蛭石的粒径为0.5～2mm，所述细膨胀蛭石的粒径小于0.5mm。

4.根据权利要求1或2所述的陶瓷蛭石隔热板，其特征在于，所述硅质粘土中含硅量＞50%。

5.根据权利要求2所述的陶瓷蛭石隔热板，其特征在于，所述 MC/PAM-Al₂SiO₅的制备方法为：

将硅酸铝纤维棉加入到反应釜中搅拌10～15min进行打散，然后边搅拌边加入氧化镁粉末，继续搅拌10min；将甲基纤维素和聚丙烯酰胺加入到适量去离子水中搅拌至溶解，然后加入到上述反应釜中，浸渍1～2h，然后升温至60～70℃，搅拌30min，真空干燥，制得 MC/PAM-Al₂SiO₅粉末。

6.根据权利要求5所述的陶瓷蛭石隔热板，其特征在于，所述甲基纤维素与聚丙烯酰胺的质量比为1：（2～3），所述硅酸铝纤维棉与甲基纤维素的质量比为（0.5～1）：1，所述氧化镁粉末与硅酸铝纤维棉的质量比为0.03：1。

7.如权利要求1或2所述的陶瓷蛭石隔热板的制备工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

S4、将上述浆状物加入到步骤S1制得蛭石混料中，通过强制式搅拌机搅拌10～20min，制得的粗混料放入模具中，采用成型设备压制成坯体，然后将坯体置于烧结炉中烧结，烧结温度为800～1000℃，烧结时间为3～5h，自然冷却至室温，制得陶瓷蛭石隔热板。