一种高强氧化铝轻质砖及其制备方法与流程

1.本发明属于轻质耐火材料技术领域，涉及一种氧化铝轻质砖及其制备方法，具体涉及一种高强氧化铝轻质砖及其制备方法。


背景技术：

2.节约能源，是经济保持可持续发展的重要措施之一。保温绝热则是节能的重要措施之一，因而，具有微纳米孔的隔热保温材料在隔热保温领域具有重要的地位。隔热材料是指气孔率高、体积密度低、热导率低的材料。为了在各种气氛(空气、h2、n2及co等)下，满足金属、非金属及其制品的高温热处理工艺要求，并降低能源消耗，不少科技人员致力于研究在高温(1750-1800℃)下使用的轻质隔热材料。
3.目前，现有的各种隔热材料中，氧化铝隔热材料品种最多，使用温度高、隔热节能效果好，是当今重点发展的隔热材料。隔热材料的制备方法有很多，主要有燃尽加入物法、泡沫法、气体发生法、多孔材料法等。燃尽加入物法是采用锯末、木屑、泡沫塑料球等可燃物或可升华添加物引入气孔；泡沫法是通过泡沫剂发泡后与浆料共混而引入气孔；气体发生法则通过化学反应产生气体引入气孔；多孔材料法则是利用天然轻质原料或人工制造的各种空心球引入孔隙；上述各种方法各有其优缺点。
4.cn1554616a公开了一种制备轻质高强氧化铝空心球陶瓷的制备方法，该方法以氧化铝空心球为骨料、α-al2o3微粉为基质、磷酸溶液为结合剂，振动加压成型。该方法的主要缺点体现在：(1)此方法适用范围有限；(2)氧化铝空心球的制备需消耗大量能源，能耗高；(3)该产品体积密度较大，导热系数较高。
5.综上所述，提供一种高强、超轻、低导热的材料成为当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高强氧化铝轻质砖及其制备方法，所述高强氧化铝轻质砖通过引入微纳米造孔剂，避免了现有常规方法中的弊端，且制备工艺简单，节约能源，有利于工业化生产。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种高强氧化铝轻质砖，所述高强氧化铝轻质砖的原料包括50～80份的al2o3细粉、20～50份的α-al2o3微粉，5～30份的微纳米造孔剂、5～20份的水以及0.1～5份的结合剂；
9.所述高强氧化铝轻质砖的原料还包括助剂。
10.本发明中，所述高强氧化铝轻质砖在原料中引入了微纳米造孔剂，其在烧失后遗留的气孔呈类球形，且再经过助剂的二次作用，使得气孔球形度更高，极大地降低了产品所受的应力集中；另一方面，高球形度的微纳米气孔还会使气体分子很难相互碰撞，大大降低材料的热导率；所述高强氧化铝轻质砖原料简单易得，成本较低，具有较好的工业应用前景。
11.本发明中，微纳米造孔剂的加入量还对最终的成品品质具有重要的影响。若微纳米造孔剂的加入量过少，会导致样品总气孔率低，导热系数较高；若微纳米造孔剂的加入量过多，则会导致样品总气孔率高，气孔孔径大，导热系数高且强度降低。
12.这里指耐压强度达到15mpa以上的氧化铝轻质砖为高强氧化铝轻质砖。
13.以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
14.作为本发明优选的技术方案，所述al2o3细粉中al2o3的含量≥98wt％，例如98wt％、98.2wt％、98.5wt％、98.8wt％、99wt％、99.2wt％或99.5wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
15.优选地，所述al2o3细粉中al2o3颗粒的粒径2～74μm，例如2μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或74μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16.优选地，所述α-al2o3微粉的粒径≤2μm，例如1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm或2μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
17.作为本发明优选的技术方案，所述微纳米造孔剂包括纳米炭黑、稻壳或淀粉中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：纳米炭黑和稻壳的组合，纳米炭黑和淀粉的组合，纳米炭黑、稻壳和淀粉的组合等。
18.作为本发明优选的技术方案，所述结合剂包括糊精、羧甲基纤维素或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：糊精和羧甲基纤维素的组合，羧甲基纤维素和聚乙烯醇的组合等。
19.作为本发明优选的技术方案，所述助剂包括氧化铝溶胶。
20.优选地，所述氧化铝溶胶的固含量为5～30wt％，例如5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％或30wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.本发明中，助剂的固含量同样对最终成品质量具有一定的影响。若氧化铝溶胶的固含量过小，会导致被修饰气孔孔径较大且球形度低，进而导致样品耐压强度较低；若氧化铝溶胶的固含量过大，则会导致样品线收缩率大，气孔率降低，进而导致样品导热系数增大。
22.优选地，所述氧化铝溶胶的ph为2.4～3.8，例如2.4、2.6、2.8、3.0、3.2、3.4、3.6或3.8等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
23.第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的高强氧化铝轻质砖的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
24.(1)将50～80份的al2o3细粉、20～50份的α-al2o3微粉，5～30份的微纳米造孔剂、5～20份的水以及0.1～5份的结合剂混合，压制成型后预烧结，得到预烧制品；
25.(2)将步骤(1)得到的预烧制品在助剂中进行真空浸渍，然后进行烧结，得到高强氧化铝轻质砖。
26.本发明中，所述制备方法有别于现有的一次性混合，干燥、烧结的方法，先将主体原料混合预烧，再采用助剂进行真空浸渍，本发明采用两步法有效提升微纳米气孔的球形度，极大地降低了成品的应力集中情况以及材料的导热率；且本发明所述制备方法无需耗
费大量能源生产空心球，工艺简单、节约能源，所制备的氧化铝轻质砖可媲美于现行的氧化铝空心球制品。
27.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述混合的时间为3～5min，例如3min、3.5min、4min、4.5min或5min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
28.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述压制成型和所述预烧结之间进行干燥。
29.优选地，所述预烧结的温度为800～1000℃，例如1000℃、1000℃、1000℃、1000℃或1000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30.优选地，所述预烧结的时间为1～3h，例如1h、1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h或3h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
31.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述真空浸渍的真空度为103～104pa，例如103pa、2
×
103pa、4
×
103pa、6
×
103pa、8
×
103pa或104pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
32.优选地，步骤(2)所述真空浸渍的时间为10～30min，例如10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
33.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述真空浸渍与所述烧结之间进行干燥。
34.优选地，步骤(2)所述烧结的温度为1550～1700℃，例如1550℃、1580℃、1600℃、1620℃、1650℃、1680℃或1700℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35.优选地，步骤(2)所述烧结的时间为2～6h，例如2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
36.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
37.(1)本发明所述高强氧化铝轻质砖在原料中引入了微纳米造孔剂，其在烧结后遗留的气孔呈类球形，且再经过助剂的二次作用，使得气孔球形度更高，极大地降低了产品所受的应力集中；另一方面，高球形度的微纳米气孔还会使气体分子很难相互碰撞，大大降低材料的热导率；所得氧化铝轻质砖的体积密度为1.39～2.52g/cm3，导热系数为0.190～0.516w/(m
·
k)，耐压强度达到31～76mpa；
38.(2)本发明所述制备方法原料简单易得、成本较低、工艺简单、节约能源，所制备的氧化铝轻质砖可媲美于现行的氧化铝空心球制品，具有较好的工业应用前景。
附图说明
39.图1是本发明实施例1提供的一种高强氧化铝轻质砖的sem图。
具体实施方式
40.为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
41.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种高强氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
42.(1)将50～80wt％的al2o3细粉、20～50wt％的α-al2o3微粉，5～30wt％的微纳米造孔剂、5～20wt％的水以及0.1～5wt％的结合剂混合3～5min，压制成型，干燥后在800～1000℃的条件下预烧结1～3h，得到预烧制品；
43.(2)将步骤(1)得到的预烧制品在固含量为5～30wt％的氧化铝溶胶中进行真空浸渍(真空度为103～104pa)，时间为10～30min，干燥后在1550～1700℃的条件下烧结2～6h，得到高强氧化铝轻质砖。
44.本发明涉及的测试方法如下：
45.(1)体积密度：按照gb/t2998-2001测定；
46.(2)导热系数：按照yb/t4130-2005测定；
47.(3)耐压强度：按照gb/t5072-2008测定。
48.以下为本发明典型但非限制性实施例：
49.基于具体实施方式中的制备方法，本发明提供的实施例1-4的具体条件参数以及性能测试结果如表1所示。
50.表1
[0051][0052]
其中，al2o3细粉中al2o3的含量为99wt％，al2o3颗粒的粒径为74μm；α-al2o3微粉的粒径为1μm。
[0053]
本发明还提供了以下对比例：
[0054]
对比例1：
[0055]
本对比例提供了一种氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中不加入微纳米造孔剂。
[0056]
由于没有加入微纳米造孔剂，导致气孔率低，使得到的氧化铝轻质砖体积密度为2.6g/cm3，导热系数为0.736w/(m
·
k)，耐压强度为93mpa。
[0057]
对比例2：
[0058]
本对比例提供了一种氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中微纳米造孔剂的加入量为2份。
[0059]
由于加入的微纳米造孔剂过小，导致样品气孔率较低，使得到的氧化铝轻质砖体积密度为2.68g/cm3，导热系数为0.712w/(m
·
k)，耐压强度为84mpa。
[0060]
对比例3：
[0061]
本对比例提供了一种氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中微纳米造孔剂的加入量为35份。
[0062]
由于加入的微纳米造孔剂过多，导致气孔率较高，使得到的氧化铝轻质砖体积密度为1.28g/cm3，导热系数为0.234w/(m
·
k)，耐压强度为26mpa。
[0063]
对比例4：
[0064]
本对比例提供了一种氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法参照实施例4中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)中助剂的固含量为2wt％。
[0065]
由于浸渍用助剂的固含量过小，导致气孔孔径较大，气孔率较高，使得到的氧化铝轻质砖体积密度为1.45g/cm3，导热系数为0.228w/(m
·
k)，耐压强度为28mpa。
[0066]
对比例5：
[0067]
本对比例提供了一种氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法参照实施例4中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)中助剂的固含量为35wt％。
[0068]
由于浸渍用助剂的固含量过大，导致孔隙率降低，使得到的氧化铝轻质砖体积密度为1.48g/cm3，导热系数为0.239w/(m
·
k)，耐压强度为34mpa。
[0069]
对比例6：
[0070]
本对比例提供了一种氧化铝轻质砖及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0071]
参照实施例3中al2o3细粉、α-al2o3微粉，微纳米造孔剂、水以及结合剂(主体原料)的加入量，本对比例再加入固含量为25wt％的氧化铝溶胶(氧化铝溶胶的加入量占主体原料质量的5wt％)，混合5min，压制成型，干燥后在1650℃的条件下烧结4h，得到氧化铝轻质砖。
[0072]
本对比例将所有原料一次性混合后，直接烧结，导致气孔孔径较大，气孔球形度低，使得到的氧化铝轻质砖体积密度为1.58g/cm3，导热系数为0.204w/(m
·
k)，耐压强度为47mpa。
[0073]
此外，本发明还对实施例1高强氧化铝轻质砖进行了sem表征，其sem图如图1所示。由图1可以看出，样品气孔均匀，气孔呈类球形。
[0074]
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述高强氧化铝轻质砖在原料中引入了微纳米造孔剂，其在烧结后遗留的气孔呈类球形，且再经过助剂的二次作用，使得气孔球形度更高，极大地降低了产品所受的应力集中；另一方面，高球形度的微纳米气孔还会使气体分子很难相互碰撞，大大降低材料的热导率；所得氧化铝轻质砖的体积密度为1.39～2.52g/cm3，导热系数为0.190～0.516w/(m
·
k)，耐压强度达到31～76mpa；所述制备方法原料简单易得、成本较低、工艺简单、节约能源，所制备的氧化铝轻质砖可媲美于现行的氧化
铝空心球制品，具有较好的工业应用前景。
[0075]
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的产品和详细方法，但本发明并不局限于上述产品和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述产品和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。