專利名稱：：一種改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到改善輕質(zhì)耐火磚表面性能和力學(xué)性能的領(lǐng)域，實現(xiàn)不改變輕質(zhì)耐火磚氣孔率和耐火度的同時，將其抗壓強度提高50150%。
背景技術(shù)：
：輕質(zhì)耐火磚又稱隔熱耐火磚，是氣孔率高、體積密度低、熱導(dǎo)率低的耐火材料，其特點是具有多孔結(jié)構(gòu)(氣孔率一般40%85%)和高的隔熱性。輕質(zhì)耐火磚包括輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)剛玉磚、輕質(zhì)堇青石磚、輕質(zhì)粘土磚、輕質(zhì)硅磚、輕質(zhì)空心球制品等，常常用作工業(yè)窯爐爐體保溫材料，它可以減輕爐體質(zhì)量，簡化窯爐結(jié)構(gòu)，降低燃料消耗，還有助于實現(xiàn)窯爐的快速升溫和冷卻，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，同時其生產(chǎn)成本低，使得輕質(zhì)耐火磚在該領(lǐng)域有著不可替代的地位。但輕質(zhì)耐火磚氣孔率較高，組織疏松，力學(xué)性能低，耐磨性差，不能用于承重結(jié)構(gòu)，同時抗渣能差，與爐料直接接觸時，熔渣會很快侵入磚體氣孔內(nèi)，使之碎裂。降低耐火磚的氣孔率時，其力學(xué)強度會有所增加，但其熱導(dǎo)率也會增加，保溫性能下降，因此，在不改變耐火磚氣孔率的前提系，提高輕質(zhì)耐火磚的力學(xué)強度具有現(xiàn)實思o(jì)有機硅是以Si-O-Si為主鏈，在高溫惰性環(huán)境中可以通過支鏈的裂解和主鏈的重排轉(zhuǎn)變成耐燒蝕性能優(yōu)良的C-Si-O無定形陶瓷，廣泛運用于航空、航天和軍事等領(lǐng)域，是低成本制造高性能陶瓷材料的理想先驅(qū)體。但是有機硅在從有機向無機陶瓷轉(zhuǎn)變過程中，伴隨質(zhì)量減少和密度增大，必然發(fā)生體積收縮，表現(xiàn)為開裂，使得裂解的C-Si-O無定形陶瓷不再具有力學(xué)強度。在有機硅中外加纖維或者微粉，能顯著制約有機硅在高溫裂解時的體積收縮，分別稱為連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料(CFR-CMCs)和顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料(PR-CMCs)，這兩項技術(shù)國內(nèi)外都已經(jīng)相當(dāng)成熟，二者的基本思想都是防止有機硅在裂解過程中的開裂，利用裂解產(chǎn)物C-Si-O無定形陶瓷優(yōu)良的耐燒蝕和力學(xué)性能。由于有機硅屬于有機高分子，具有流動性好、成型方便，以及結(jié)構(gòu)、組分可設(shè)計等特點，因此近些年，國內(nèi)外許多學(xué)者正在致力于有機硅做粘結(jié)劑粘接異形陶瓷塊體的研究，當(dāng)有機硅均勻分散在陶瓷體粘結(jié)面并形成薄膜后，控制一定的升溫速率，可以實現(xiàn)硅樹脂在裂解時不會出現(xiàn)開裂，其裂解產(chǎn)物與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)鍵合作用將陶瓷塊體牢牢粘結(jié)到一起。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機硅浸漬到輕質(zhì)耐火磚中，用類似于有機硅做陶瓷連接的工藝處理之后，也能實現(xiàn)有機硅在高溫惰性環(huán)境中從有機轉(zhuǎn)變成無機時不發(fā)生開裂，而裂解產(chǎn)生的少量C-Si-O無定形陶瓷附著在輕質(zhì)耐火材料孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壁，修復(fù)了其骨架上的微裂紋，使其力學(xué)強度大大增加，同時少量C-Si-0無定形陶瓷的存在對輕質(zhì)耐火磚氣孔率的影響相當(dāng)小。對國內(nèi)外專利與文獻的查新結(jié)果表明還沒有使用有機硅對輕質(zhì)耐火磚進行力學(xué)改性的研究報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種比較簡易的方法，在常見的輕質(zhì)耐火磚基礎(chǔ)上進行改性處理，不改變耐火磚氣孔率和耐火度，大大提高輕質(zhì)耐火磚力學(xué)強度的一種新技術(shù)。使用的改性工藝是將輕質(zhì)耐火磚浸漬少量有機硅，然后控制后續(xù)熱處理工藝制度來實現(xiàn)提高耐火磚力學(xué)強度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機硅溶液中，浸漬時間為25小時；取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化溫度為20025(TC，同化時間為25小時；再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解溫度為S001300'C，熱裂解時間為13小時，然后降溫至室溫得到所述改性輕質(zhì)耐火磚；整個熱裂解和降溫過程在氮氣或氬氣或氨氣的氣氛保護下進行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下顯著的效果在改性過程中，幾乎不會改變輕質(zhì)耐火磚的氣孔率和耐火度，但其抗壓強度可以提高50150%。并且具有工藝簡單，易調(diào)節(jié)和控制，可重復(fù)性好和成本低等優(yōu)點。圖1是輕質(zhì)堇青石耐火磚改性前的SEM圖。圖2是輕質(zhì)堇青石耐火磚改性后(120(TC熱處理)的SEM圖。具體實施例方式本發(fā)明提供的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，具體是將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機硅溶液中，浸漬時間為25小時。取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化期間，從室溫起以0.52'C/分鐘的升溫速率升至20025(TC，并保溫25小時。再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解期間，從室溫起以25'C/分鐘的升溫速率升至S00130(TC，并保溫13小時，最后以5。C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。整個熱裂解和降溫過程在氮氣或氬氣或氨氣的氣氛保護下進行。所述有機硅溶液，是將有機硅溶解于有機溶劑丙酮或異丙醇或甲苯中制備而成的均勻溶液，并調(diào)節(jié)其粘度為1100mPas。該有機硅溶液，它在200250'C空氣中能夠交聯(lián)成固體，被加熱到800130(TC時，仍有4095%的質(zhì)量剩余。所述輕質(zhì)耐火磚為輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)剛玉磚、輕質(zhì)堇青石磚、輕質(zhì)粘土磚或輕質(zhì)硅磚，它們可以是任何形狀和尺、f，具有連通氣孔，氣孔率為4090%，孔徑為102000Mm。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。具體實例11.將輕質(zhì)革青石耐火磚(密度0.52g/cm3，氣孔率70.5%，孔徑約0.3mm)浸漬在有機硅樹脂SAR-9(匕海樹脂廠生產(chǎn)，無色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為S35mPa's)中，浸漬時間為3小時。2.取出輕質(zhì)堇青石耐火磚放入烘箱中，以rC/分鐘的升溫速率升至20(TC，并保溫5小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氮氣(N2)氣氛下，以2'C/分鐘的升溫速率分別升至800、1000、1200、130(TC并保溫1小時，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚，其測試結(jié)果見表1。由表l可知改性后，輕質(zhì)堇青石磚的氣孔率變化并不明顯，而其力學(xué)性能得到顯著提卨，抗壓強度的增幅在30~105%之間，當(dāng)熱處理溫度在120(TC時，最有利于輕質(zhì)堇青石耐火磚力學(xué)強度的改性。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在145(TC空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。熱處理溫度在120(TC改性前后輕質(zhì)堇青石耐火磚的SEM圖片如圖2所示可以看出有機硅樹脂的引入并沒有顯著影響耐火磚的孔隙結(jié)構(gòu)，而是將其孔隙周圍的微裂紋加以修復(fù)(見圖2標(biāo)記處)，從而增大了耐火磚的力學(xué)強度。具體實例21.將輕質(zhì)高鋁耐火磚(密度1.04g/cm3，氣孔率58.2%，孔徑約0.2mm)浸漬在有機硅樹脂SAR-9(上海樹脂廠生產(chǎn)，無色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為835mPa's)中，浸漬時間為3小時。2.取出輕質(zhì)高鋁耐火磚放入烘箱中，以rC/分鐘的升溫速率升至200'C，并保溫4小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氮氣(N2)氣氛下，以2'C/分鐘的升溫速率升至12(KTC并保溫1小時，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強度從起初的3.1MPa，增大到4.6MPa，強度增大了50%。氣孔率從改性之前的58.2%變成改性之后的56.4%，密度從改性之前的1.04g/cmS變成改性之后的1.18g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在160(TC空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)對塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。具體實例31.將有機硅樹脂(美國道康寧公司硅樹脂SR249)與丙酮充分混合，調(diào)節(jié)粘度至3565mPa.s,再將輕質(zhì)堇青石耐火磚(密度0.52g/cm3，氣孔率70.5%，孔徑約0.3mm)浸漬在該液體中，浸漬時間為5小時。2.取出輕質(zhì)堇青石耐火磚放入烘箱中，以0.5'C/分鐘的升溫速率升^25(TC，并保溫2.5小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚休在氮氣(N2)氣氛下，以2'C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫3小時，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強度從起初的1.9MPa，增大到4.1MPa,強度增大了116%。氣孔率從改性之前的70.5%變成改性之后的66.8%，密度從改性之前的0.54g/cm^變成改性之后的0.72g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚起放在1450'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。具體實例41.將輕質(zhì)粘土磚(密度0.92g/cm3，氣孔率62.5%，孔徑約0.05mm)浸漬在有機硅樹脂SAR-9(上海樹脂廠生產(chǎn)，無色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為835mPas)中，浸漬時間為3小時。2.取出輕質(zhì)粘土磚放入烘箱屮，以rc/分鐘的升溫速率升至2oo。c，并保溫4小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機硅與輕質(zhì)粘土磚復(fù)合磚體在氬氣(Ar)氣氛下，以5'C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫1小時，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強度從起初的3.9MPa，增大到5.4MPa，強度增大了38.5%。氣孔率從改性之前的62.5%變成改性之后的60.0%，密度從改性之前的0.92g/ci^變成改性之后的1.09g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)粘土磚與改性前的耐火磚一起放在1150'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。具體實例51.將輕質(zhì)硅磚(密度1.02g/cm3,氣孔率65.4%，孔徑約O.lmm)浸漬在有機硅樹脂SAR-9(上海樹脂廠生產(chǎn)，無色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為835mPas)巾，浸潰時間為3小時。2.取出輕質(zhì)硅磚放入烘箱中，以rC/分鐘的升溫速率升至200'C，并保溫4小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚休。3.將有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氬氣(Ar)氣氛下，以5'C/分鐘的升溫速率升至1200°C并保溫1小時，再以5°C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強度從起初的2.2MPa，增大到3.2MPa，強度增大了46%。氣孔率從改性之前的65.4%變成改性之后的61.8%，密度從改性之前的1.02g/cn^變成改性之后的1.26g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在1200'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)對塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。具體實例61.將有機硅樹脂(美國道康寧公司硅樹脂SR249)與異丙醇充分混合，調(diào)節(jié)粘度至60100mPa.s，再將輕質(zhì)莫來石耐火磚(密度0.50g/cm3，氣孔率72.5%，孔徑約0.4mm)浸漬在該液體中，浸漬時間為4小時。2.取出輕質(zhì)莫來石耐火磚放入烘箱中，以0.5'C/分鐘的升溫速率升至25(TC，并保溫5小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氨氣(NH3)氣氛下，以2"C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫3小時，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強度從起初的1.5MPa，增大到3.6MPa，強度增大了125%。氣孔率從改性之前的72.5%變成改性之后的64.8%，密度從改性之前的0.52g/cn^變成改性之后的0.74g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在1450'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。具體實例71.將有機硅樹脂(美國道康寧公司硅樹脂SR249)與異丙醇充分混合，調(diào)節(jié)粘度至60100mPa.s，再將輕質(zhì)莫來石耐火磚(密度0.50g/cm3，氣孔率72.5%，孔徑約0.4mm)浸涼在該液體中，浸漬時間為4小時。2.取出輕質(zhì)莫來石耐火磚放入烘箱中，以0.5'C/分鐘的升溫速率升至25(TC，并保溫5小時，得到有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氬氣(Ar)氣氛下，以5'C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫1小時，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強度從起初的1.5MPa，增大到2.8MPa，強度增大了86.6%。氣孔率從改性之前的72.5%變成改性之后的65.9%，密度從改性之前的0.52g/ci^變成改性之后的0.71g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在1450'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過程并沒有影響耐火磚的耐火度。上述實施例2至7的性能測試結(jié)果己經(jīng)在有關(guān)段落中描述，故未列表。附表表1不同熱處理溫度下硅樹脂改性輕質(zhì)堇青石耐火磚的性能測試<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機硅溶液中，浸漬時間為2～5小時；取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化溫度為200～250℃，固化時間為2～5小時；再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解溫度為800～1300℃，熱裂解時間為1～3小時，然后降溫至室溫得到所述改性輕質(zhì)耐火磚；整個熱裂解和降溫過程在還原性氣氛或者惰性氣氛保護下進行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于所述有機硅溶液，是有機硅溶解于有機溶劑丙酮或異丙醇或甲苯中制備成的均勻溶液，并調(diào)節(jié)其粘度為1100mPas。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特祉在于所述輕質(zhì)耐火磚為輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)剛玉磚、輕質(zhì)堇青石磚、輕質(zhì)粘士磚或輕質(zhì)硅磚。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于在烘箱中固化階段，從室溫起以0.52'C/分鐘的升溫速率升至200250°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于在氣氛爐中熱裂解階段，從室溫起以25tV分鐘的升溫速率升至8001300°C，以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于還原性氣氛是氮氣或氨氣。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于惰性氣氛是氬氣。全文摘要本發(fā)明涉及一種改進輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，具體是將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機硅溶液中，浸漬時間為2～5小時；取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化溫度為200～250℃，固化時間為2～5小時；再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解溫度為800～1300℃，熱裂解時間為1～3小時，然后降溫至室溫得到所述改性輕質(zhì)耐火磚；整個熱裂解和降溫過程在還原性氣氛或者惰性氣氛保護下進行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下顯著的效果在改性過程中，幾乎不會改變輕質(zhì)耐火磚的氣孔率和耐火度，但其抗壓強度可以提高50～150％。并且具有工藝簡單，易調(diào)節(jié)和控制，可重復(fù)性好和成本低等優(yōu)點。文檔編號C04B35/66GK101386545SQ20081019738公開日2009年3月18日申請日期2008年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日發(fā)明者張聯(lián)盟,強沈,熊遠(yuǎn)祿,斐陳,陳常連申請人:武漢理工大學(xué)