專利名稱：一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于輕質(zhì)隔熱材料制備技術(shù)領域，具體涉及一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著能源的日益枯竭，國家和企業(yè)對生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗有著更高的要求。在工業(yè)窯爐、高溫電爐等熱工設備中使用輕質(zhì)隔熱材料是一種能夠顯著節(jié)能降耗的簡便而有效的方法。其中以剛玉和莫來石為主要晶相的剛玉-莫來石復相輕質(zhì)隔熱材料，兼有兩種材質(zhì)的優(yōu)良特性，具有氣孔率高、熱導率低、抗熱震性能優(yōu)異、耐高溫性能良好和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，是比較理想的中高溫節(jié)能材料之一。如英國摩根公司開發(fā)的剛玉莫來石系列輕質(zhì)隔熱磚，最高使用溫度從1650°C到1760°C。 目前制備輕質(zhì)隔熱材料的典型造孔方法有添加造孔劑法和發(fā)泡法。添加造孔劑法是通過在陶瓷坯料中添加造孔劑(如石墨、淀粉、鋸末、聚苯乙烯球等)，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，經(jīng)過燒結(jié)后，造孔劑離開基體而形成氣孔來獲得輕質(zhì)隔熱材料。公開號CN 101768005A的專利公布了一種高鋁輕質(zhì)隔熱耐火磚的制備方法，以高鋁礬土熟料和高嶺土為原料，以聚輕球和鋸末為造孔劑，制備了輕質(zhì)隔熱耐火磚。公開號CN 102381880A的專利公開了一種剛玉莫來石輕質(zhì)磚的制備方法，以高鋁礬土、a -Al2O3微粉、磷酸二氫鋁為原料，以聚苯乙烯球為造孔劑，制備了輕質(zhì)隔熱磚。該工藝的缺點是制品內(nèi)氣孔大小不均勻、氣孔分布不均且氣孔率偏低，進而導致制品強度較低、熱導率較高。發(fā)泡法是向陶瓷組分中添加有機或無機化學物質(zhì)即發(fā)泡劑，在處理期間形成揮發(fā)性氣體，產(chǎn)生泡沫，經(jīng)干燥和燒成制得輕質(zhì)多孔陶瓷。發(fā)泡法更容易控制制品的形狀和密度，且制品結(jié)構(gòu)分布均勻、閉孔隙率高，特別適于制備輕質(zhì)隔熱材料。在陶瓷漿料中通過發(fā)泡劑機械發(fā)泡是簡單而實用的發(fā)泡工藝之一。但由于氣泡為熱力學非穩(wěn)定狀態(tài)，在陶瓷漿料中會發(fā)生氣泡的上浮排出、結(jié)合變大和奧斯特瓦爾德熟化等不穩(wěn)定的現(xiàn)象，故發(fā)泡法的關鍵是結(jié)合原位凝固成型技術(shù)以實現(xiàn)對氣泡的快速原位固化。文獻“凝膠注模工藝制備莫來石泡沫陶瓷”(《天津大學學報》，第41卷，第12期)和專利CN 101591175Α采用凝膠注模工藝，在陶瓷漿料發(fā)泡的基礎上，通過有機單體的原位聚合固化制備出了高孔隙率的輕質(zhì)陶瓷。凝膠注模工藝對原料的適用范圍廣，制備的坯體強度高。但是其使用的有機單體具有一定毒性，對人體健康和環(huán)保不利；且坯體排膠工藝復雜、燒結(jié)收縮大，易導致制品的開裂。溶膠-凝膠成型工藝作為一種新型的膠態(tài)成型工藝，它是利用溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)漿料的原位凝固成型。在無機溶膠中硅溶膠制備工藝成熟、成本低；凝膠化反應更易控制；在堿性條件下更穩(wěn)定、與陶瓷漿料(等電點偏向酸性)的匹配性好，應用最為廣泛。Takamitsu Fujiu 等人(J. Am. Ceram. Soc. 73 (I) :85-90, 1990)在娃溶膠中通過氟利昂發(fā)泡，十二烷基硫磺酸鈉穩(wěn)定氣泡，利用硅溶膠的凝膠化反應來固定泡沫，泡沫體經(jīng)干燥、燒結(jié)后制得發(fā)泡二氧化娃。Takahiro Tomita 等人(Journal of Porous Materials11:107-115，2004)以硅溶膠為原料，月桂酸鈉硫酸酯為發(fā)泡劑，通過溶膠-凝膠反應結(jié)合機械發(fā)泡法制備了泡沫二氧化硅。以上文獻所述的方法的缺點是在硅溶膠中發(fā)泡，僅依靠納米二氧化硅粒子來圍孔，其干燥周期長(超過30天)且干燥困難、易開裂，難以制備具有標磚大小的試樣，實際應用價值不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，采用的是溶膠-凝膠成型工藝與發(fā)泡法結(jié)合的方式，其原理是利用利用硅溶膠的凝膠化反應實現(xiàn)泡沫漿料的快速固化成型。為達到發(fā)明目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先將陶瓷粉體、硅溶膠、去離子水和干燥控制化學添加劑配料，通過球磨的方式制備出漿料；再向陶瓷漿料中加入發(fā)泡劑，采用 機械攪拌的方式進行發(fā)泡得到泡沫漿料；最后向泡沫漿料中加入NH4Cl溶液作為促凝劑，攪拌均勻后注入模具，泡沫漿料固化成型；脫模后的坯體經(jīng)干燥、燒成后得到剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料，該方法依次包含如下步驟
(O將陶瓷粉體、陶瓷粉體質(zhì)量O 15%的去離子水、陶瓷粉體質(zhì)量35 50%的硅溶膠、陶瓷粉體質(zhì)量O. 2 O. 6%的干燥控制化學添加劑進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的PH值，得到pH=9 10的漿料；
(2)將步驟(I)得到的漿料移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量5 10%的發(fā)泡劑，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制泡沫漿料中的NH4Cl的濃度為O. 08 O. 12mol/L,攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；
(3)將步驟(2)泡沫漿料固化成型后得到的生坯先后在恒溫恒濕箱和電熱鼓風干燥箱中干燥；干燥后的坯體經(jīng)高溫燒成后得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。所述的陶瓷粉體的平均粒徑不大于20 μ m。所述的陶瓷粉體為下列陶瓷粉體或復合陶瓷粉體中的一種；①氧化鋁微粉、②質(zhì)量比為5:1的氧化鋁微粉與二氧化硅微粉的復合陶瓷粉體、③質(zhì)量比5:1的氧化鋁微粉與硅線石粉的復合陶瓷粉體、④質(zhì)量比為5:1的氧化鋁微粉與紅柱石粉的復合陶瓷粉體。所述的硅溶膠為氨離子穩(wěn)定型或鈉離子穩(wěn)定型，其二氧化硅濃度為20 30wt%。所述的干燥控制化學添加劑為甲酰胺、乙二醇、冰醋酸中的任意一種。所述的發(fā)泡劑為十_■燒基硫酸納、十_■燒基苯橫酸納、十_■燒基硫酸胺、十_■燒基硫酸三乙醇胺中的中的一種或任意幾種以任意質(zhì)量比的混合物。所述的泡沫漿料的固化成型是通過硅溶膠的凝膠化反應來實現(xiàn)。所述的干燥制度為坯體在恒溫恒濕箱中進行干燥的溫度和相對濕度分別控制在40 60°C、60 80%，持續(xù)時間為24 60h ;在電熱鼓風干燥箱中進行干燥的溫度控制在60 100°C，持續(xù)時間為18 48h。所述的燒成溫度為1500°C 1700°C，保溫時間為3 5小時。本發(fā)明的優(yōu)點
(I)利用無機溶膠的凝膠化反應實現(xiàn)泡沫陶瓷漿料的快速原位凝固，漿料固化時間可通過NH4Cl的濃度來控制，工藝過程簡單易控。
(2)工藝過程無有毒物質(zhì)引入，對人體健康和環(huán)保有利。(3)利用本發(fā)明的工藝，成型的坯體內(nèi)部均勻性好、干燥收縮小，燒成過程中無需排膠同時利用莫來石化產(chǎn)生的體積膨脹，避免燒結(jié)收縮過大導致的樣品開裂。(4)通過硅溶膠引入的二氧化硅納米粒子活性高，在燒成過程會產(chǎn)生液相促進燒結(jié)，提高孔壁的致密程度，降低燒結(jié)溫度。


圖1和圖2分別為實施例1得到的剛玉/莫來石輕質(zhì)隔熱材料的宏觀照片和顯微結(jié)構(gòu)照片。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于此
實施例1
將平均粒徑為5. O μ m的氧化鋁微粉、氧化鋁微粉質(zhì)量15%的去離子水、氧化鋁微粉質(zhì)量35%的鈉離子穩(wěn)定型硅溶膠(SiO2質(zhì)量濃度為30wt. %，浙江上虞宇達化工有限公司生產(chǎn))，氧化鋁微粉質(zhì)量O. 4%的甲酰胺進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的pH值，得到pH=9 10的漿料。將球磨混合得到的漿料轉(zhuǎn)移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量5%的十二烷基硫酸鈉，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制泡沫漿料中的NH4Cl的濃度為O. 10mol/L,攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后坯體先在恒溫恒濕箱中干燥36h，溫度和相對濕度分別控制在60°C和80% ;后移入電熱鼓風干燥箱中100°C保溫18h。干燥后的坯體放入電爐中以2°C /min的升溫速率升至1600°C并保溫5h，燒成得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。所得多孔陶瓷的孔隙率為75%，抗壓強度為40MPa，在1000°C時的熱導率為O. 598ff/(m · K)。所得樣品的宏觀照片和顯微結(jié)構(gòu)照片分別如圖1和圖2所示。實施例2
將平均粒徑為1. 5 μ m的氧化鋁微粉、氧化鋁微粉質(zhì)量15%的去離子水、氧化鋁微粉質(zhì)量50%的鈉離子穩(wěn)定型硅溶膠(SiO2質(zhì)量濃度為30wt. %，浙江上虞宇達化工有限公司生產(chǎn))，氧化鋁微粉質(zhì)量O. 6%的甲酰胺進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的pH值，得到pH=9 10的漿料。將球磨混合得到的漿料轉(zhuǎn)移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量10%的十二烷基苯磺酸鈉，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制泡沫漿料中的NH4Cl的濃度為O. 08mol/L，攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后坯體先在恒溫恒濕箱中干燥60h，溫度和相對濕度分別控制在40°C和60% ;后移入入電熱鼓風干燥箱中60°C保溫48h。干燥后的坯體放入電爐中以2V /min的升溫速率升至1500°C并保溫5h，燒成得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。實施例3
將平均粒徑為5. O μ m的氧化鋁微粉、氧化鋁微粉質(zhì)量10%的去離子水、氧化鋁微粉質(zhì)量40%的銨離子穩(wěn)定型硅溶膠(SiO2質(zhì)量濃度為20wt. %，浙江上虞宇達化工有限公司生產(chǎn))，氧化鋁微粉質(zhì)量O. 2%的乙二醇進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的pH值，得到pH=9 10的漿料。將球磨混合得到的漿料轉(zhuǎn)移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量8%的十二烷基硫酸銨，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制泡沫漿料中的NH4Cl的濃度為O. 12mol/L,攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后坯體先在恒溫恒濕箱中干燥24h，溫度和相對濕度分別控制在50°C和70% ;后移入入電熱鼓風干燥箱中80°C保溫36h。干燥后的坯體放入電爐中以2°C /min的升溫速率升至1650°C并保溫3h，燒成得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。實施例4
將平均粒徑為19. 3 μ m的氧 化鋁微粉與平均粒徑為3. 5 μ m的二氧化硅微粉的復合陶瓷粉體、陶瓷粉體質(zhì)量5%的去離子水、陶瓷粉體質(zhì)量45%的銨離子穩(wěn)定型硅溶膠(SiO2質(zhì)量濃度為30wt. %)，陶瓷粉體質(zhì)量O. 5%的乙二醇進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的PH值，得到pH=9 10的漿料。將球磨混合得到的漿料轉(zhuǎn)移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量5%的十二烷基硫酸鈉、十二烷基硫酸胺與十二烷基苯磺酸鈉的混合物，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制漿料中的NH4Cl的濃度為O. lOmol/L，攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后坯體先在恒溫恒濕箱中干燥24h，溫度和相對濕度分別控制在50°C和70% ;后移入入電熱鼓風干燥箱中80°C保溫36h。干燥后的坯體放入電爐中以2°C /min的升溫速率升至1700°C并保溫3h，燒成得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。實施例5
將平均粒徑為19. 3 μ m的氧化鋁微粉與平均粒徑為4. 9 μ m的硅線石粉的復合陶瓷粉體、陶瓷粉體質(zhì)量50%的銨離子穩(wěn)定型硅溶膠(SiO2質(zhì)量濃度為25wt. %，浙江上虞宇達化工有限公司生產(chǎn))，陶瓷粉體質(zhì)量O. 5%的冰醋酸進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的PH值，得到pH=9 10的漿料。將球磨混合得到的漿料轉(zhuǎn)移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量10%的十二烷基三乙醇胺，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制漿料中的NH4Cl的濃度為O. lOmol/L，攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后坯體先在恒溫恒濕箱中干燥24h，溫度和相對濕度分別控制在50°C和70% ;后移入入電熱鼓風干燥箱中80°C保溫36h。干燥后的坯體放入電爐中以2°C /min的升溫速率升至1700°C并保溫3h，燒成得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。實施例6
將平均粒徑為10. 6 μ m的氧化鋁微粉與平均粒徑為18. 9 μ m的紅柱石粉的復合陶瓷粉體、陶瓷粉體質(zhì)量50%的銨離子穩(wěn)定型硅溶膠(SiO2質(zhì)量濃度為25wt. %，浙江上虞宇達化工有限公司生產(chǎn))，陶瓷粉體質(zhì)量O. 5%的冰醋酸進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的PH值，得到pH=9 10的漿料。將球磨混合得到的漿料轉(zhuǎn)移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量5%的十二烷基硫酸三乙醇胺與十二烷基硫酸胺的混合物，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制漿料中的NH4Cl的濃度為
O.lOmol/L，攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后坯體先在恒溫恒濕箱中干燥24h，溫度和相對濕度分別控制在50°C和70% ;后移入入電熱鼓風干燥箱中80°C保溫36h。干燥后的坯體放入電爐中以2°C /min的升溫速率升至1700°C并保溫3h，燒成得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。
權(quán)利要求
1.一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述制備方法是將陶瓷粉體、硅溶膠和干燥控制化學添加劑配料，通過球磨的方式制備出漿料；再向陶瓷漿料中加入發(fā)泡劑，采用機械攪拌的方式進行發(fā)泡得到泡沫漿料；最后向泡沫漿料中加入NH4Cl溶液作為促凝劑，攪拌均勻后注入模具，泡沫漿料固化成型，所述泡沫漿料的固化成型通過硅溶膠的凝膠化反應實現(xiàn)；脫模后的坯體經(jīng)干燥、燒成后得到剛玉/莫來石輕質(zhì)隔熱材料，該方法依次包含如下步驟 Cl)將陶瓷粉體、陶瓷粉體質(zhì)量O 15%的去離子水、陶瓷粉體質(zhì)量35 50%的硅溶膠、陶瓷粉體質(zhì)量O. 2 O. 6%的干燥控制化學添加劑進行配料，通過球磨混合和氨水調(diào)節(jié)漿料的PH值，得到pH=9 10的漿料； (2)將步驟(I)得到的漿料移至攪拌桶中，加入漿料中游離水質(zhì)量5 10%的發(fā)泡劑，通過機械攪拌發(fā)泡得到泡沫漿料，然后在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，控制泡沫漿料中的NH4Cl的濃度為O. 08 O. 12mol/L,攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型； (3)將步驟(2)泡沫漿料固化成型后得到的生坯先后在恒溫恒濕箱和電熱鼓風干燥箱中干燥；干燥后的坯經(jīng)高溫燒成后得到剛玉/莫來石多孔陶瓷。
2.按權(quán)利要求1所述的一種剛玉/莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述的陶瓷粉體的平均粒徑不大于20 μ m。
3.按權(quán)利要求1或2所述的一種剛玉/莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述的陶瓷粉體為下列陶瓷粉體或復合陶瓷粉體中的一種；①氧化鋁微粉、②質(zhì)量比為5:1的氧化鋁微粉與二氧化硅微粉的復合陶瓷粉體、③質(zhì)量比5:1的氧化鋁微粉與硅線石粉的復合陶瓷粉體、④質(zhì)量比為5:1的氧化鋁微粉與紅柱石粉的復合陶瓷粉體。
4.按權(quán)利要求1所述的一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述的硅溶膠為氨離子穩(wěn)定型或鈉離子穩(wěn)定型，硅溶膠中SiO2含量為20 30wt. %。
5.按權(quán)利要求1所述的一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述的干燥控制化學添加劑為甲酰胺、乙二醇、冰醋酸中的任意一種。
6.如權(quán)利要求1所述的一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述的發(fā)泡劑為十_■燒基硫酸納、十_■燒基苯橫酸納、十_■燒基硫酸胺、十_■燒基硫酸二乙醇胺中的一種或任意幾種以任意質(zhì)量比的混合物。
7.按權(quán)利要求1所述的一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于坯體在恒溫恒濕箱中進行干燥的溫度和相對濕度分別控制在40 60°C、60 80%，持續(xù)時間為24 60h ;在電熱鼓風干燥箱中進行干燥的溫度控制在60 100°C，持續(xù)時間為18 48h。
8.按權(quán)利要求1所述的一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其特征在于所述的燒成溫度為1500°C 1730°C，保溫時間為3 5小時。
全文摘要
本發(fā)明屬于隔熱材料制備技術(shù)領域，具體涉及一種剛玉莫來石輕質(zhì)隔熱材料的制備方法，其制備工藝可按照如下步驟實現(xiàn)首先以陶瓷粉體、硅溶膠、去離子水、氨水和干燥控制化學添加劑為起始原料，采用球磨的方式制備出陶瓷漿料；再向陶瓷漿料中加入發(fā)泡劑，采用機械攪拌的方式進行發(fā)泡得到泡沫漿料；在泡沫漿料中邊攪拌邊加入NH4Cl溶液，攪拌均勻后的泡沫漿料注入模具，泡沫漿料快速固化成型；脫模后的坯體經(jīng)干燥、燒成后得到剛玉/莫來石輕質(zhì)隔熱材料。本發(fā)明的特點是利用硅溶膠的凝膠化反應實現(xiàn)泡沫漿料的固化成型，同時利用燒成過程莫來石化產(chǎn)生的體積膨脹，避免燒結(jié)收縮過大導致樣品的開裂，此外所用原料無毒且廉價，制備過程簡單易控，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C04B38/02GK103011884SQ20131000462
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者王剛, 曹賀輝, 李紅霞, 袁波, 吳海波, 韓建燊 申請人:中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司