專利名稱：一種環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以成分為特征的陶瓷組合物，具體涉及一種環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
多孔輕質(zhì)材料是高超聲速飛行器設(shè)計與制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器高超聲速、高機(jī)動性、遠(yuǎn)程打擊等性能的基礎(chǔ)和保障；高超聲速飛行器輕質(zhì)材料主要有蜂窩材料、泡沫金屬材料、點(diǎn)陣材料；這些材料具有超輕、高比強(qiáng)、高比剛度、高強(qiáng)韌、高能量吸收等優(yōu)良機(jī)械性能，以及減震、散熱、吸聲、電磁屏蔽等特殊性質(zhì)，它兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重作用，是一種性能優(yōu)異的多功能材料。這類材料的應(yīng)用涉及航空航天、原子能、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、冶金、機(jī)械、建筑、電化學(xué)和石油化工等行業(yè)，可用于分離、過濾、消音、吸振、包裝、屏蔽、 隔熱、熱交換，生物移植、電化學(xué)過程等諸多場合，在科學(xué)技術(shù)研究與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用，并且其作用日益顯著。
近年來，多孔材料主要作為結(jié)構(gòu)材料的場合，會處處受到各種形式的載荷作用。甚至在力學(xué)性能不是主要應(yīng)用的時候，如當(dāng)多孔材料用于隔熱、漂浮或過濾，其強(qiáng)度和斷裂行為仍然是重要的。粉煤灰漂珠是一種價格低廉，質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)低的半真空漂珠，靜壓強(qiáng)度高，很適合作為制備高強(qiáng)多孔材料使用。一般制備多孔的陶瓷方法均需添加有機(jī)發(fā)泡劑或造孔劑，部分有機(jī)造孔劑在高溫下分解釋放出有毒氣體，不僅對人體有害，還污染環(huán)境。因此，無機(jī)造孔劑取代有機(jī)造孔劑將會更加符合環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明采用漂珠作為第一類造孔劑，成本低，得到的多孔材料力學(xué)性能良好；采用CaCO3與硼酸發(fā)泡，釋放氣體無污染，而且能使氧化物間發(fā)生低溫共燒結(jié)的效果，降低燒結(jié)溫度，節(jié)約資源。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，在低溫1200°C左右制備出一種輕質(zhì)多孔的莫來石陶瓷材料。另外，克服現(xiàn)有技術(shù)的多孔陶瓷制備方法中存在部分有機(jī)造孔劑在高溫下分解釋放出有毒氣體的缺陷，提供一種以低成本的漂珠作為第一類造孔劑，采用CaCO3與化03在有水條件下反應(yīng)釋放ω2作為第二類造孔劑。其釋放氣體無污染，且化03可降低燒結(jié)溫度、節(jié)約資源的環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷，其原料組分及其質(zhì)量百分比含量為50%的漂珠、40 50%的 Al2O3-SiO2-CaCO3，及 0 10%的 B2O3，其中 Al2O3-SiO2-CaCO3 三者的質(zhì)量比為37. 5 9.5 3，保持不變。
莫來石陶瓷的氣孔率為60 81%，密度為0. 64 1. 15g/cm3，抗彎強(qiáng)度為5 13MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 11 0. 20W. (mk) ^10
環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷的制備方法，具有如下步驟
(1)備料
原料組分及其質(zhì)量百分比含量為50%的漂珠、40 50%的Al2O3-SiO2-CaCO3，及 0 10%的B2O3，其中Al2O3-SiO2-CaCO3S者的質(zhì)量比為37. 5 9. 5 3，保持不變。
(2)處理漂珠
將漂珠放置于沸水中10-20分鐘，待空心漂珠浮起，碎片或雜質(zhì)下沉，分離穩(wěn)定后，用笊籬撈起浮于水面的空心漂珠，烘干，待用；
(3)制備預(yù)混液
以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和水按 20 2 100的體積比混合后，放在磁子攪拌器中攪拌直至白色顆粒完全溶解。
⑷制備漿料
將Al2O3-SiO2-CaCO3 按質(zhì)量比 37. 5 9. 5 3 混合，外加 Al2O3-SiO2-CaCO3 總量的30%預(yù)混液和分散劑，所述分散劑為3%聚丙烯酰銨溶液，球磨4小時后，將步驟(2) 待用的漂珠和化03加入，再加入適量的預(yù)混液，調(diào)整漿料的固相含量為70 %，慢慢攪拌，待其充分混合成均勻分散的漿料。
(5)凝膠注模成型
在步驟(4)的漿料中加入8%的引發(fā)劑溶液，所述引發(fā)劑溶液為8%過硫酸銨溶液，在聚四乙烯模具中成型，然后放置于烘箱中80°C干燥，40-60min后脫模，得到多孔陶瓷坯體；
(6)燒結(jié)
將步驟(5)制得的多孔陶瓷壞體于高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)制度為600°C之前燒結(jié)速率為2°C /min，于600°C中保溫60min，從600°C -1000°C速率為3 °C /min，從 IOOO0C -1300°C速率為 5°C /min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)或O)的漂珠為發(fā)電廠煤灰提煉出來的粉煤灰漂珠，其成分質(zhì)量百分比分別為 62. 02% SiO2,25. 79% Α1203、4· 19% Fe203>l. 28% Na20,2. 49% Κ20，其余為雜質(zhì)。
本發(fā)明的有益效果是，提供了一種成本低，多孔材料力學(xué)性能良好的環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷；克服現(xiàn)有技術(shù)的多孔陶瓷制備方法中存在部分有機(jī)造孔劑在高溫下分解釋放出有毒氣體的缺陷，提供一種以低成本的漂珠作為第一類造孔劑，采用CaCO3與化03 在有水條件下反應(yīng)釋放ω2作為第二類造孔劑。其釋放氣體無污染，且氏03可降低燒結(jié)溫度、節(jié)約資源。本發(fā)明具有氣孔率高(60%-81%)、密度小(0.64-1.09g/cm3)、導(dǎo)熱系數(shù)低 (0. 11-0. 20ff/(mk)^)的特點(diǎn)。


圖1是實(shí)施例1沒有添加化03在1300°C燒結(jié)后得到的多孔莫來石形貌；
圖2是實(shí)施例4添加7. 5% B2O3后在1150°C燒結(jié)得到的多孔莫來石形貌。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1
選取50 %漂珠與50 %的Al2O3-SiO2-CaCO3的粘結(jié)劑粉料，其中50 %的Al2O3-SiO2-CaCO3的粘結(jié)劑粉料即37. 5% Al203、9. 5% SiO2和3% CaCO30首先制備預(yù)混液和分散劑，預(yù)混液是以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和去離子水按20 2 100的體積比攪拌混合得到；分散劑是3%的聚丙烯酰銨溶液。然后配制漿料，在Al2O3-SiO2-CaCO3的粉料中加入漿料的分散劑與30%的預(yù)混液，球磨4 小時后，加入50%漂珠和適量的預(yù)混液使?jié){料的固相含量為70%，慢慢攪拌直到均勻，使漂珠被粘結(jié)劑包裹，再加入8%的引發(fā)劑(8%的過硫酸銨溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型漿料，在80°C烘箱干燥，脫模，得到多孔陶瓷的壞體，再于高溫爐中經(jīng)1300°C燒結(jié)，保溫池，冷卻后得到多孔陶瓷。其微觀形貌如圖1所示，經(jīng)1300°C高溫?zé)Y(jié)后得到多孔的莫來石，孔壁致密光滑。
實(shí)施例1檢測后，其開氣孔率為47%，其總氣孔率為68%，密度為1.09g/cm3，抗彎強(qiáng)度達(dá)13MPa。
實(shí)施例2
選取50%漂珠、47. 5%的Al2O3-SiO2-CaCO3的粘結(jié)劑粉料和2. 5% B2O3配制，其中 47. 5% 的 Al2O3-SiO2-CaCO3 的粘結(jié)劑粉料即 35. 62% Al203>9. 03% SiO2,2. 85% CaCO30 首先制備預(yù)混液和分散劑，預(yù)混液是以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和去離子水按20 2 100的體積比攪拌混合得到；分散劑是3%的聚丙烯酰銨溶液。然后配制漿料，在Al2O3-SiO2-CaCO3的粉料中加入漿料的分散劑與30%的預(yù)混液，球磨4小時后，加入50%漂珠和2. 5%化03，再加入適量的預(yù)混液使?jié){料的固相含量為70%，慢慢攪拌直到均勻，使漂珠被粘結(jié)劑包裹，再加入8%的引發(fā)劑(8%的過硫酸銨溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型漿料，在80°C烘箱干燥，脫模，得到多孔陶瓷的壞體，再于高溫爐中經(jīng)1250°C燒結(jié)，保溫池，冷卻后得到多孔陶瓷。
實(shí)施例2檢測后，其開氣孔率比較高為37%，其總氣孔率為60%，密度為1. 15g/ cm3，抗彎強(qiáng)度達(dá)lOMPa。
實(shí)施例3
選取50%漂珠、45%&Al203-Si02-CaC03的粘結(jié)劑粉料和5% B2O3配制，其中45% 的 Al2O3-SiO2-CaCO3 的粘結(jié)劑粉料即 33. 75% Al203、8. 55% SiO2,2. 7% CaCO30 首先制備預(yù)混液和分散劑，預(yù)混液是以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和去離子水按20 2 100的體積比攪拌混合得到；分散劑是3%的聚丙烯酰銨溶液。 然后配制漿料，在Al2O3-SiO2-CaCO3的粉料中加入漿料的分散劑與30%的預(yù)混液，球磨 4小時后，加入50%漂珠和5%氏03，再加入適量的預(yù)混液使?jié){料的固相含量為70%，慢慢攪拌直到均勻，使漂珠被粘結(jié)劑包裹，再加入8%的引發(fā)劑(8%的過硫酸銨溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型漿料，在80°C烘箱干燥，脫模，得到多孔陶瓷的壞體，再于高溫爐中經(jīng)1200°C燒結(jié)，保溫池，冷卻后得到多孔陶瓷。
實(shí)施例3檢測后，其開氣孔率比較高為58 %，其總氣孔率為71 %，密度為0. 84g/ cm3，抗彎強(qiáng)度達(dá)8MPa。
實(shí)施例4
選取50%漂珠、42. 5%的Al2O3-SiO2-CaCO3的粘結(jié)劑粉料和7. 5% B2O3配制，其中 42. 5% 的 Al2O3-SiO2-CaCO3 的粘結(jié)劑粉料即 31. 87% Al203>8. 08% SiO2,2. 55% CaCO30 首先制備預(yù)混液和分散劑，預(yù)混液是以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和去離子水按20 2 100的體積比攪拌混合得到；分散劑是3%的聚丙烯酰銨溶液。然后配制漿料，在Al2O3-SiO2-CaCO3的粉料中加入漿料的分散劑與30%的預(yù)混液，球磨4小時后，加入50%漂珠和7. 5%化03，再加入適量的預(yù)混液使?jié){料的固相含量為70%，慢慢攪拌直到均勻，使漂珠被粘結(jié)劑包裹，再加入8%的引發(fā)劑(8%的過硫酸銨溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型漿料，在80°C烘箱干燥，脫模，得到多孔陶瓷的壞體，再于高溫爐中經(jīng)1150°C燒結(jié)，保溫2h，冷卻后得到多孔陶瓷。如圖2所示是添加7. 5% B2O3得到的多孔莫來石，燒結(jié)溫度低，在1150°C可以燒結(jié)得到，而且孔中凹凸不平，與圖1相比，圖2存在許多的微孔，這也是添加化03使氣孔率提高的原因。
實(shí)施例4檢測后，其開氣孔率比較高為67 %，其總氣孔率為76 %，密度為0. 74g/ cm3，抗彎強(qiáng)度達(dá)5. 5MPa。
實(shí)施例5
選取50%漂珠、40%&Al203-Si02-CaC03的粘結(jié)劑粉料和10%化03配制，其中40% 的Al2O3-SiO2-CaCO3的粘結(jié)劑粉料即30% Al203、7. 6% SiO2,2. 4% CaCO30首先制備預(yù)混液和分散劑，預(yù)混液是以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和去離子水按20 2 100的體積比攪拌混合得到；分散劑是3%的聚丙烯酰銨溶液。然后配制漿料，在Al2O3-SiO2-CaCO3的粉料中加入漿料的分散劑與30%的預(yù)混液，球磨4小時后，加入50%漂珠和10% B2O3且慢慢攪拌直到均勻，使漂珠被粘結(jié)劑包裹，再加入8%的引發(fā)劑(8%的過硫酸銨溶液)，充分混合后，用聚四氟乙烯模具成型漿料，在80°C烘箱干燥， 脫模，得到多孔陶瓷的壞體，再于高溫爐中經(jīng)1100°C燒結(jié)，保溫2h，冷卻后得到多孔陶瓷。
實(shí)施例5檢測后，其開氣孔率比較高為71 %，其總氣孔率為81 %，密度為0. 64g/ cm3，抗彎強(qiáng)度達(dá)5MPa。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷，其原料組分及其質(zhì)量百分比含量為50%的漂珠、40 50%的 Al2O3-SiO2-CaCO3，及 0 10%的 B2O3，其中 Al2O3-SiO2-CaCO3 三者的質(zhì)量比為37. 5 9.5 3，保持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷，其特征在于，莫來石陶瓷的氣孔率為60 81 %，密度為0. 64 1. 15g/cm3，抗彎強(qiáng)度為5 13MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0. 11 0. 20W. (mkr1。
3.權(quán)利要求1的環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷的制備方法，具有如下步驟(1)備料原料組分及其質(zhì)量百分比含量為50%的漂珠、40 50%的Al2O3-SiO2-CaCO3,及0 10%的化03，其中Al2O3-SiO2-CaCO3S者的質(zhì)量比為37. 5 9. 5 3，保持不變。(2)處理漂珠將漂珠放置于沸水中10-20分鐘，待空心漂珠浮起，碎片或雜質(zhì)下沉，分離穩(wěn)定后，用笊籬撈起浮于水面的空心漂珠，烘干，待用；(3)制備預(yù)混液以丙烯酰胺為有機(jī)單體、雙官能團(tuán)N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑和水按 20 2 100的體積比混合后，放在磁子攪拌器中攪拌直至白色顆粒完全溶解。(4)制備漿料將 Al2O3-SiO2-CaCO3 按質(zhì)量比 37. 5 9. 5 3 混合，外加 Al2O3-SiO2-CaCO3 總量的 30% 預(yù)混液和分散劑，所述分散劑為3%聚丙烯酰銨溶液，球磨4小時后，將步驟(2)待用的漂珠和化03加入，再加入適量的預(yù)混液，調(diào)整漿料的固相含量為70%，慢慢攪拌，待其充分混合成均勻分散的漿料。(5)凝膠注模成型在步驟(4)的漿料中加入8%的引發(fā)劑溶液，所述引發(fā)劑溶液為8%過硫酸銨溶液，在聚四乙烯模具中成型，然后放置于烘箱中80°C干燥，40-60min后脫模，得到多孔陶瓷坯體；(6)燒結(jié)將步驟(5)制得的多孔陶瓷壞體于高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)制度為600°C之前燒結(jié)速率為 20C /min，于 600°C 中保溫 60min，從 600°C _1000°C速率為 3°C /min，從 1000°C -1300°C 速率為5°C /min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟 (1)或( 的漂珠為發(fā)電廠煤灰提煉出來的粉煤灰漂珠，其成分質(zhì)量百分比分別為62. 02% SiO2,25. 79% Α1203、4· 19% Fe2O3^l- 28% Na20,2. 49% Κ20，其余為雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)保型輕質(zhì)多孔莫來石陶瓷及其制備方法，其原料組分及其質(zhì)量百分比含量為50％的漂珠，40～50％的Al2O3-SiO2-CaCO3，及0～10％的B2O3，其中Al2O3-SiO2-CaCO3三者的質(zhì)量比為37.5∶9.5∶3。通過凝膠注模成型的方法，在低溫1100℃-1250℃即可制得多孔輕質(zhì)的莫來石陶瓷，耗能低，無污染。本發(fā)明具有氣孔率高(60％-81％)、密度小(0.64-1.09g/cm3)、導(dǎo)熱系數(shù)低(0.11-0.20W/(mk)-1)的特點(diǎn)，應(yīng)用于高溫窯爐的內(nèi)襯、高溫容器、冶金通氣管道等保溫隔熱領(lǐng)域。
文檔編號C04B38/00GK102515820SQ20111040360
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者劉家臣, 趙赫, 黃春舒 申請人:天津大學(xué)