一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于耐火材料领域，具体涉及一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料及其制备方法。该含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料由基础原料、添加料和水制成；耐火材料中ZrO2的质量含量为5～98％。该含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料的外观呈白色、淡黄色或淡粉色，耐火材料中，球状气孔孔径分布在0.006～250μm间，平均孔径0.1～20μm，微纳米孔结构的存在保证了制品在低体积密度、高强度下较佳的绝隔热性能。该制备方法绿色环保无污染，制品的结构和性能易精确控制，通过调控各原料用量及工艺可使最终制得的耐火材料既满足超低导热和轻量化的需求，还具有较高的强度。还具有较高的强度。还具有较高的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于耐火材料
，具体涉及一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料及其制备方法。特别是涉及一种具有微纳米尺寸气孔结构、超低导热和体积密度、高气孔率、高强度并绿色可控制备的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料。

技术介绍

[0002]高温工业是我国工业生产中的主要耗能产业，各类窑炉的热能利用率低是其能耗大的主要原因，若能按国家要求将平均热效率提高20％，可节约能源相当于2.2亿吨标煤，可见我国高温工业节能潜力巨大。要提高工业窑炉热效率，最重要的就是发展高效保温技术，采用先进隔热材料，加强窑体保温效果，减少散热损失。
[0003]目前，我国隔热材料虽在不断改进和完善，但仍然无法满足高温工业愈来愈苛刻的隔热环境与要求。现在窑炉用保温材料多采用耐火纤维制品或轻质隔热砖。
[0004]耐火纤维制品的隔热性能虽然较好，但其对烧成气氛较敏感，易与还原性和腐蚀性气体发生反应，使其失去良好的隔热性能；且其在高温环境中长期服役，组成颗粒易析晶并长大，引起应力集中，导致隔热层的粉化，缩短使用寿命；此外，陶瓷纤维还危害人体健康，欧盟已将其列为二级致癌物。
[0005]传统的轻质隔热砖虽可克服耐火纤维制品的上述缺陷，但其多通过添加大量造孔剂(如聚苯乙烯颗粒、锯木屑、木炭、无烟煤灰、焦炭粉等)的方法制得，这些造孔剂在坯体中占据一定空间，经烧成后，造孔剂离开基体中原来的位置而形成气孔，从而获得轻质隔热耐火材料，方法简单易控，且生产效率较高，但此法所制制品的气孔率不高、气孔孔径较大、隔热效果较差且易产生应力集中而开裂，使强度较低。另外，其制备过程中采用的造孔剂多为有机烧失物，使原料成本较高，且其烧成时放出大量有毒有害气体，如无烟煤、锯木屑及焦炭粉等在较低温度下便可产生大量的硫氧化物，聚苯乙烯颗粒则产生苯乙烯、甲苯及氮/碳/氧化物及二噁英等，同时还会产生大量的VOCs微细颗粒物，严重污染环境，危害人体健康及周边农作物的生产。近年来，随着我国环保管控力度的不断加强，不少企业已经减产或停工。因此，迫切需要研究开发研究隔热性、耐久性和力学性能俱佳且绿色可控制备的高温工业用新型绝隔热耐火材料。
[0006]氧化锆质耐火材料具有耐高温(氧化锆熔点可达2715℃)、耐腐蚀、热导率极低(仅为1.675W/m
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K)、力学及热震稳定性好等特点，是近年来发展较快的新兴材料之一，被逐渐应用于冶金、电子、环保、生物、化工及航空航天等领域。如果在氧化锆材料中能够有效引入气孔，可进一步降低其热导率，从而制备具有较低热导率的氧化锆多孔陶瓷材料，制品则非常适用于高温环境下的隔热保温、发动机引擎隔热部件等，特别是在1800℃以上的超高温环境应用领域。
[0007]本课题组在前期已就轻质隔热耐火材料进行了大量应用研究，形成了微孔蓝晶石基轻质隔热耐火材料(CN103951452A)、微孔轻质硅砖(CN105565850A)等研究成果。氧化锆隔热耐火材料是一种导热系数低、隔热效果好且熔点较高的耐高温隔热陶瓷材料，但由于
氧化锆本身密度较高(为5.89g/cm3)，因此又很难制备低密度、高气孔率的隔热制品。在相同强度等级下，如何进一步有效降低隔热耐火材料的体积密度和热导率，从而利于轻型环保型窑炉的建造成为下一步的研究重点。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，该耐火材料具有微纳米尺寸孔径、封闭式球状气孔结构、超低热导率和体积密度、高气孔率、高强度等特点。可在保证材料强度满足需求的情况下，有效降低体积密度，从而利于轻型环保高档窑炉的构筑。
[0009]本专利技术的第二个目的在于提供上述含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料的制备方法。该制备方法过程绿色无污染，制品的结构和性能容易精确控制，且成品率较高，并可解决现有制备方法所得隔热耐火材料不能兼顾材料低导热、低体积密度和高强度高成品率的问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料的技术方案是：
[0011]一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，所述含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料由基础料、添加料和水制成。制品中ZrO2的质量百分含量为5～100％；
[0012]所述基础原料由以下重量百分比的原料组成：氧化锆质原料30～100％，氧化铝质原料0～30％，铝硅质原料0～40％，二氧化硅质原料0～20％，氧化钙质原料0～20％；
[0013]所述添加料至少包括发泡料，使用或不使用添加剂；所述发泡料由发泡剂、无机固化剂、有机固化剂和泡孔调节剂组成，以基础料的质量为基准，发泡剂、无机固化剂、有机固化剂、泡孔调节剂的添加质量分别为0.01～10％、0.1～20％、0.1～2％、0.01～1％；使用添加剂时，所述添加剂选自分散剂、悬浮剂、矿化剂、红外遮光剂中的一种或两种以上组合，以基础料的质量为基准，矿化剂和红外遮光剂的添加质量均不大于10％；
[0014]所述水的质量为基础料质量的20～200％。
[0015]分散剂、悬浮剂、红外遮光剂、矿化剂形成添加剂，相对于基础原料属外加成分，分散剂、悬浮剂在耐火材料制浆时促进形成稳定且均匀分散的悬浮浆体；红外遮光剂在高温下进一步有效降低了材料的辐射传热，使热导率降低；矿化剂利于有益晶体的生长发育，并可促进烧结，有利材料力学性能的进一步改善。
[0016]发泡剂、无机固化剂、有机固化剂、泡孔调节剂形成发泡料，主要用于隔热耐火材料中微纳米尺寸气孔结构的形成，为本专利技术的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料所用原料的重要组成部分，使制品最终呈现微纳米尺寸气孔孔径，保证制品在较低体积密度、高强度下较佳的绝隔热性能。
[0017]本专利技术提供的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，外观呈白色、淡粉色或淡黄色，制品中，除氧化锆外，还可含有莫来石相、刚玉相和/或石英相等。耐火材料的体积密度为0.3～3g/cm3，气孔率为50～95％，闭口型气孔率为20～70％，常温耐压强度为0.6～220MPa，室温下的热导率为0.02～0.25W/(m
·
K)，350℃时的热导率为0.03～0.33W/(m
·
K)，1100℃时的热导率为0.06～0.4W/(m
·
K)，使用温度≦2300℃，在1400℃～1732℃不同下保温24h的重烧线变化率为
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0.4～0％，优选
‑
0.3～0％，更优选
‑
0.2～0％，更特别优选
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0.1～0％。此绝隔热耐火材料中，气孔孔径分布在0.006～250μm间，平均孔径0.1～20μm，微
纳米尺寸的球状气孔结构保证了制品在低体积密度、高强度下较佳的绝隔热性能。
[0018]与现有技术相比，本专利技术提供的氧化锆质微纳孔绝隔热耐火材料具有超低导热、低体积密度，高气孔率且高强度等特点，是隔热性能最好的含氧化锆的定型隔热耐火制品，综合性能优良，使其可主要用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，所述含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料由基础料、添加料和水制成；制品中ZrO2的质量百分含量为5～100％；所述基础原料由以下重量百分比的原料组成：氧化锆质原料30～100％，氧化铝质原料0～30％，铝硅质原料0～40％，二氧化硅质原料0～20％，氧化钙质原料0～20％；所述添加料至少包括发泡料，使用或不使用添加剂；所述发泡料由发泡剂、无机固化剂、有机固化剂和泡孔调节剂组成，以基础料的质量为基准，发泡剂、无机固化剂、有机固化剂、泡孔调节剂的添加质量分别为0.01～10％、0.1～20％、0.1～2％、0.01～1％；使用添加剂时，所述添加剂选自分散剂、悬浮剂、矿化剂、红外遮光剂中的一种或两种以上组合，以基础料的质量为基准，矿化剂和红外遮光剂的添加质量均不大于10％；所述水的质量为基础料质量的20～200％。2.如权利要求1所述的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，所述微纳孔绝隔热耐火材料的体积密度为0.3～3g/cm3，气孔率为50～95％，闭口气孔率为20～70％，常温耐压强度为0.6～220MPa，室温下的热导率为0.02～0.25W/(m
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K)，350℃时的热导率为0.03～0.33W/(m
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K)，1100℃时的热导率为0.06～0.4W/(m
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K)。3.如权利要求1所述的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，按质量百分比计，所述基础原料由100％氧化锆质原料组成；或者由60～95％的氧化锆质原料和5～40％的铝硅质原料或二氧化硅质原料或氧化钙质原料组成；或者由氧化铝质原料、铝硅质原料、二氧化硅质原料、氧化钙质原料中的两种和40～60％的氧化锆质原料组成；或者由30～40％的氧化锆质原料、10～30％氧化铝质原料、20～40％铝硅质原料、10～20％二氧化硅质原料组成。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，所述氧化锆质原料为锆英石、斜锆石、锆刚玉、单斜氧化锆、四方氧化锆、立方氧化锆、部分稳定氧化锆中的一种或两组以上组合；所述部分稳定氧化锆为Y2O3稳定的氧化锆，Y2O3的摩尔占比为3～9％；所述氧化铝质原料为工业氧化铝、工业Al(OH)3、勃姆石、水铝石、β
‑
Al2O3、γ
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Al2O3、δ
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Al2O3、χ
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Al2O3、κ
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Al2O3、θ
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Al2O3、η
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Al2O3、ρ
‑
Al2O3、α
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Al2O3、Al(NO3)3、Al2(SO4)3、正丁醇铝、异丙醇铝、仲丁醇铝、六水合氯化铝、九水合硝酸铝或电熔刚玉粉或烧结刚玉粉、板状刚玉粉中的一种或两组以上组合；所述铝硅质原料为莫来石、高岭土、铝矾土、均质料、煤矸石、蓝晶石、红柱石、硅线石、叶蜡石、钾长石、钠长石、钙长石、钡长石、瓷石、碱石、云母、锂辉石、珍珠岩、蒙脱石、伊利石、埃洛石、迪开石、焦宝石、黏土、广西白土、苏州土、木节土、粉煤灰、漂珠中的一种或两种以上组合；所述二氧化硅质原料为
ɑ
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石英、β
‑
石英、
ɑ
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鳞石英、β
‑
鳞石英、
ɑ
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方石英、β
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方石英、脉石英、砂岩、石英岩、燧石、胶结硅石、河砂、海砂、白炭黑、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、稻壳、碳化稻壳、稻壳灰、硅藻土、硅微粉中的一种或两种以上组合。所述氧化钙质原料为石灰石、生石灰、熟石灰、硅灰石、白云石、方解石、CaO、CaCO3、Ca(OH)2、CaSO4中的一种或两种以上组合；其中，氧化铝质原料的化学组成中Al2O3的质量百分含量在45％以上；铝硅质原料中氧化铝的质量百分含量为18～90％，二氧化硅的质量百分含量为8～75％；二氧化硅质原料的
化学组成中SiO2的质量含量为18％以上；氧化钙质原料的化学组成中CaO的质量含量为30％以上。5.如权利要求1所述的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，所述氧化钙质原料为硅酸钙和/或铝酸钙，或所述氧化钙质原料为硅酸钙和/或铝酸钙与石灰石、生石灰、熟石灰、硅灰石、白云石、方解石、CaO、CaCO3、Ca(OH)2、CaSO4中的一种或两种以上的组合。6.如权利要求1所述的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，所述泡孔调节剂选自纤维素醚、淀粉醚、木质纤维素、皂素中的一种或两种以上组合；所述纤维素醚选自甲基纤维素醚、水溶性纤维素醚、羧甲基纤维素醚、羧甲基甲基纤维素醚、羧甲基乙基纤维素醚、羧甲基羟甲基纤维素醚、羧甲基羟乙基纤维素醚、羧甲基羟丙基纤维素醚、羧甲基羟丁基纤维素醚、羟甲基纤维素醚、羟乙基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、乙基纤维素醚、乙基甲基纤维素醚、羟乙基乙基纤维素醚、丙基纤维素醚、羟丙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚、羟丙基乙基纤维素醚、羟丙基羟丁基纤维素醚、羟丁基甲基纤维素醚、磺酸乙基纤维素醚中的一种或两种以上组合。7.如权利要求1所述的含氧化锆的微纳孔绝隔热耐火材料，其特征在于，所述无机固化剂选自氧化锆溶胶、氧化铝溶胶、氧化硅溶胶、硅铝溶胶、氧化锆凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭会师，李文凤，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：