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7种工艺方法制备优质保温隔热耐火材料

放大字体  缩小字体    发布日期:2019-08-26  来源:随想并杂谈  浏览次数:580
核心提示:保温隔热耐火材料的制备方法很多,主要有空心球粘结法、烧失法、泡沫胶凝法、有机泡沫浸渍法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法、和乳液模板法等。实际生产中最常用的方法是空心球粘结法和预埋造孔剂法。

保温隔热耐火材料的制备方法很多,主要有空心球粘结法、烧失法、泡沫胶凝法、有机泡沫浸渍法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法、和乳液模板法等。实际生产中最常用的方法是空心球粘结法和预埋造孔剂法。不同方法制备的轻质隔热材料性能存在较大的差别。如以烧失法生产的轻质隔热材料导热系数比泡沫胶凝法的小,但其显微结构疏松,强度远不如后者。这是因为预埋造孔剂法在?#31896;?#21518;,材料的组织结构呈气相连续、固相散布的开放结构。相反,泡沫胶凝法生产的轻质砖泡沫结构相?#36828;?#31435;,整体呈固相连续和气相散布的结构。

 

(1) 空心球体粘结成型法


此方法将预先制备好的多孔骨料、原料粉体以及粘结剂均匀混合,粘结成型,干燥后在?#23454;?#28201;度?#31896;?#32780;获得制品。该法的优点是制备工艺简单、制品强度高,缺点是利用天然轻质原料或者人工制造的各种空心球引入空隙,其适用范围有限,而且人工制造空心球体工艺复杂成本高昂。空心球体粘结成型法最为典型的应用就是制备氧化铝空心球制品,这种氧化铝空心球制品弥补了传统泡沫氧化铝产品高温抗蠕变性能差、强度低的不足,可直接接触火焰作为内衬结构材料使用,为新型窑炉结构的设计以及传统高温窑炉结构改造提供保障,是保温隔热耐火材料?#38469;?#36827;步的一个里程碑。


轻质氧化铝空心球制品以氧化铝粉和氧化铝空心球为基本原料,通过结合?#26009;?#20114;粘接,并压制成型,得到氧化铝空心球制品素坯。氧化铝空心球不仅引入气孔,而且具有骨料的作用,是决定轻质氧化铝空心球制品性能的关键。影响轻质氧化铝空心球制品性能的另一个因素是结合剂,没有结合剂无法实现轻质骨料坯体成型,也无法给予坯体足够的强度便于搬运和装窑。结合剂的选用应尽量减少或避免对轻质骨料高温性能可能带来的不利影响,并通过结合剂来提高材料的综合物理性能。?#26680;?#20964;等以水玻璃为主要原料,通过添加漂珠、铝硅酸纤维和钛白粉等组分,制备出纳米孔硅质保温隔热耐火材料,在这里水玻璃既是原料,又作为无机结合剂使用。李德周等在以部分硅微粉取代部分α-Al2O3,制备了莫?#35789;?#32467;合轻质氧化铝空心球保温隔热耐火材料,热震性能有较大改善,这种制品导热系数0.433W·m-1·k-1,常温耐压强度达3MPa,体积密度0.43g/cm3,但硅微粉的引入降低了氧化铝空心球砖的荷重软化温度,对空心球砖的耐高温性能产生较大影响。Ilker等[19]采用珍珠岩作骨料与粘土以不同比例混合,制备了性能各异的的轻质隔热砖。黄春舒等[20]以黏土为粘结剂,煤灰空心球作为造孔骨料,研究了煤灰空心球加入量对试样物理性能的影响,并添加B2O3和CaCO3作为第二造孔剂,最终制备了气孔率81%,热导系数0.09~0.3W·(m·K)-1的莫?#35789;?#20445;温隔热耐火材料。


(2) 烧失法


烧失法通过原料配料中添加?#27426;?#37327;的造孔剂,在烧结过程中,造孔剂离开基体留下空洞,从而得到多孔结构,可以制得气孔率较高的保温隔热耐火材料,是目前生产轻质隔热材料最主要的方法。常用的造孔剂有木炭、焦炭粉、无烟煤灰、水?#31350;恰?#36719;木粉、聚苯乙烯颗粒、锯木屑、?#37327;?#31890;等。Mucahit等以造纸污泥为填充剂,粘土质原料作为结合剂,利用造纸污泥中残留的纤维素和碳酸钙经烧结后留下的空隙,制备了导热系数为0.33~0.42W·m-1·k-1,耐压强度达7MPa,容重为1.3g/cm3的轻质隔热砖。徐建峰]使用橄榄石废弃粉矿、无烟煤、轻烧氧化镁为原料,通过烧失法制备了导热率可达0.3W·m-1·k-1,重烧线收缩率为0.1%~0.3%(1450×2h),体积密度为1.3~1.6g/cm3镁橄榄石保温隔热耐火材料。ToshihiroIsobe等采用有机纤维(尼龙)作为造孔剂,制备了具有圆柱状气孔定向分布的氧化铝保温隔热耐火材料,相比于传统氧化铝保温隔热制品,其力学性能更?#36873;?#28903;失法的优点在于:气孔率的大小和孔形状可以调节,工艺简单,既可用于干法成型,又能适用于湿法成型;不足之处在于气孔分布不均匀,不宜用于制备高气孔率制品,并且制品强度低。


 


(3) 泡沫胶凝法


泡沫胶凝法全称泡沫胶凝注模成型,它是发泡法和胶凝成型[25]两种方法在轻质材料多孔坯体制备工艺上的结合。泡沫胶凝法通常包括泡沫预混浇注法和化学起泡法,前者通过机?#21040;?#25292;发泡而直接将气孔引入,后者则是通过使掺入料浆中的成孔剂与液相组分发生化学反应释?#29260;?#20307;而引入气孔,两者均采用浇注成型,经过干燥,并在?#27426;?#28201;度下?#31896;桑?#21487;制备气孔率达55%~75%的隔热耐火材料,尤其适合制造纯氧化物隔热耐火制品。常用的化学反应有苛性钠与铝或酸与铝反应产生氢气、碳酸钠与酸产生CO2等。目前,发泡剂品种主要有木质素磺酸盐发泡剂、?#19978;恪?#26641;脂皂类发泡剂、水解血胶发泡剂、驰龙水解物及高分子表面活性剂、石油磺酸铝发泡剂等。该法最常用的胶凝剂包括各种硅?#20102;?#27877;、硅溶胶、有机凝胶以及水硬性活性氧化铝。首先尝试利用泡沫法生产轻质隔热砖的是20世纪三十四年代的前苏联工程师根兹列尔。夏光华等以白水泥作为结合剂,蓝晶石为原料,利用泡沫法制备了最高使用温度超过1400℃,容重仅0.5g/cm3,耐压强度大于3.5MPa,350℃下的导热系数仅0.15W·m-1·k-1的钙长石结合莫?#35789;?#36731;质耐火砖。该法的优点在于工艺简单,适合于低密度、高孔隙?#26159;?#36136;隔热耐火材料的制备,缺点是制得的轻质隔热耐火材料孔径较大,通常为100-500μm。蔡群等以琼脂作为凝胶体系,结合发泡法,研究了搅拌速率、搅拌时间、凝胶化时间等对氧化铝多孔材料平均孔径的影响。Smith]将泡沫法同凝胶注模成型相结合,利用发泡的悬浮体来生产保温隔热耐火材料,提出了泡沫注凝法,为泡沫法的发展提供新的可能。


(4) 有机泡沫浸浆法


这种成型工艺最早是由Schwartzwalde发明的,从19世纪70年代?#20004;瘢?#35813;成型工艺一直被视为工业化生产高性能泡沫保温制品最?#34892;?#30340;工艺方法。有机泡沫浸浆法[37]是利用有机泡沫浸渍原料浆体,使有机泡沫的孔筋上充分附着满泥浆,干燥后的半成品中有机泡沫在烧结过程中被去除,从而获得和有机泡沫几乎一致的多孔结构,虽制备的材料气孔率高,但不宜制备具?#34892;?#23380;径闭气孔的保温隔热耐火材料,而且密度不好控制。戴蔚等[38]采用有机泡沫浸渍法制备了氧化铝-氧化锆复相保温隔热耐火材料,研究了挂浆工艺对材料孔径结构以及力学性能的影响,?#33539;?#20102;最佳的挂浆工艺。李飞舟[39]采用大孔径有机泡沫制备不同孔系结构氧化铝保温隔热耐火材料,考察了分散剂对α-Al2O3悬浮液沉降性能的影响,并对坯体的干燥过程进行了研究,结果表明PAA-NH4(1.0%)和阿拉伯树胶(0.8%)两种分散剂交互分散时分散效果最佳,坯体的最佳排胶温度范围:200~600℃℃,最佳升温速率:0.5~1.0/min℃。


(5) 溶胶-凝胶法


溶胶-凝胶法是制备纳?#20934;?#23380;隙多孔材料的重要方法,该法利用溶胶凝胶过程中,胶体粒子相互侨联形成网络结构,在经热处理后,网状的空隙中溶液蒸发留下纳米孔。溶胶凝胶法对pH非常敏感,可以通过调节溶胶的pH?#36947;纯?#21046;孔径的尺寸。溶胶凝胶法主要应用于制备具有纳米孔结构的气凝胶材料,1931年SamuelStephensKistler第一次制备了气凝胶,由于其高孔隙率和精细的纳米孔网络结构,能够?#34892;б种?#32418;外辐射和热传导,被认为是目前保温隔热效果最好的材料。气凝胶典型的制备工艺如下:首先由溶胶-凝胶反应形成连续的纳?#20934;?#30340;凝胶网络结构,然后经过超临界干燥工艺除去凝胶纳米孔洞内的溶剂,最终得到纳米孔气凝胶。不同的气凝胶(如?#35745;?#20957;胶、二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶)由不同的起始原料合成(如硅溶胶、正硅酸乙酯、?#38142;佳?#31561;)。薛明俊等将铝粉和成孔剂加入到?#28982;?#38109;溶液中,利用铝粉水解得到铝溶胶,成功制备了氧化铝保温隔热耐火材料。研究了成孔剂含量、铝离?#20248;?#24230;、温度等对试样制备以及材料显微结构气孔分布、和气孔率的影响。


溶胶凝胶法与其它方法相比具?#34892;?#22810;独特的优点:


1) 原料分散到溶剂中,在很短的时间内达到分子水平的均匀混合,形成凝胶?#20445;?#21453;应物在分子水平上均匀分布;

2) 很容易在分子水平上的定量均匀地掺入微量元素;

3) 在液相中化学反应更易进行,合成温度?#31995;汀?

4) 选择恰当的反应条件可制备很多新材料。


但是,溶胶-凝胶法也不可避免的存在一些问题。如:溶胶凝胶过程时间较长,常需数天或数周;有机溶剂对人体有危害;原料金属?#20339;?#20215;格昂贵;干燥过程中有机物挥发逸出气体,并产生收缩。


(6) 冷冻干燥法


冷冻注模法是湿法成型制备保温隔热耐火材料的一种,其原理是将制备好的原料浆料进行冷?#24120;?#35753;溶剂由液相变为固相,通过降压?#26500;?#30456;溶剂直接升华,从而制备多孔坯体,最后烧结得到具有多孔结构的保温隔热耐火材料。由于不同的溶剂凝固?#26412;?#20307;生长的形态不同,晶体去除后留下的气孔结构也有很大的差异,故采用不同的溶剂,可制备具有不同孔结构的保温隔热耐火材料。冷冻干燥法不?#35272;?#26448;料本身的化学性质,仅与溶剂和颗粒的物理性质有关。低粘度的浆料流动性好,有利于更好地填充模具和冷冻成型,从而得到复?#26377;?#29366;的多孔坯体,因此,制备均匀稳定的低粘度原料浆料是冷冻干燥法的关键。目前应用比较成熟、报道最多的两种溶剂是莰烯和水。刘波涛等采用冷冻干燥法,以莰烯作为冷冻溶剂,制备了具有定向贯通直孔结构的氧化铝保温隔热耐火材料。杜建聪等以莰烯为冷冻溶剂,亚微米氧化铝为原料,采用冷冻干燥法制备了高孔隙率、具有三维网络孔结构的氧化铝多孔材料,研究了制备工艺对材料性能与孔隙结构的影响。


(7) 乳液模板法


乳液模板法以乳液为模板,加入原料粉体和胶凝剂,经过胶凝固化以稳定分散相,最后经过干燥使分散相挥发而得到多孔坯体。乳液模板法是一种制备保温隔热耐火材料的新方法,由于该法可通过改变乳液模板的种类、大小,轻松实现对多孔材料结构的控制,因而受到国内外学者的广泛关注。乳液是两种或两种以上互不相容的液体在乳化剂及外力的作用下形成的具有?#27426;?#31283;定性的分散体系,其中以极小的液滴的形式分散于另一种液体中的液相?#21697;?#25955;相;而另一相则被称为分散介质。乳液主要分为水包油和油包水两种类型。乳液模板法制备轻质多孔材料的优点在于可以通过改变油水体积比、油与乳化剂的质量比以及乳化悬浮液的固含量方便调节制品的气孔率、气孔尺寸和体积密度。相比于传统的牺牲模板法(以碳粉、锯木屑、淀粉等作为造孔剂),乳液模板法得到的气孔更均匀、孔径更小,当气孔率较高?#20445;?#20197;乳液模板法制备的多孔材料显示出更好的力学性能。目前利用乳液模板法可以生产出孔径十几微米,气孔率40%~65%的轻质多孔隔热材料。

 
 
 
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