一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法与流程

1.本发明涉及电极保护涂层的制备领域，具体为一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法。


背景技术：

2.氧化锆传感器原理是使用氧化锆陶瓷敏感元件测量各种加热炉或排气管中的氧势，并根据化学平衡原理计算相应的氧浓度，以监测和控制炉内的燃烧空气比，以确保产品质量，并且测量元件具有废气排放标准，广泛应用于各类煤燃烧、燃油燃烧、燃气燃烧等炉内气氛控制，它是目前测量燃烧气氛的最佳方式，结构简单，快速响应、易于维护、易于使用、精确测量，氧化锆传感器用于燃烧气氛测量和控制不仅可以稳定和提高产品质量，优势还在于缩短生产周期并节省能源。
3.氧化锆氧传感器的核心元件分为管式的与片式的，管式的由氧化锆基体、电极与电极保护层组成，片式的由保护层、铂电极、氧化锆基体与绝缘层组成，目前氧化锆氧传感器的保护层的制备方法多采用镁铝尖晶石进行制备，镁铝尖晶石具有良好的耐高温性、耐腐蚀性和多孔性，是氧化锆氧传感器保护层的主流材料，但是镁铝尖晶石与氧化锆基体存在附着力不强等问题，因此在受热冲击时容易脱落，使氧化锆氧传感器的使用寿命大大缩短，并且由于废气中大都含有有机硅或一些无机硅，这些硅的化合物
‑‑
般都是活性硅，他们可以穿过保护层到达电极表面和电极与锆管的三相界面，并在上面沉积而使传感器检测性能下降，引起所谓的电极的硅中毒，因此现有的保护涂层的制备方法不能够有效避免电极在工作过程中，保护层发生脱落或者电极出现硅中毒等问题，因此需要提供一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法来满足使用者的需求。


技术实现要素：

4.鉴于现有氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法中存在的问题，提出了本发明。
5.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法，包括如下步骤：
6.s1：球磨：将氧化锆和氧化镁加入到球磨机中，按质量百分比计，氧化锆的用量占60～80％，余量为氧化镁，利用球磨机对氧化锆和氧化镁进行精细球磨，得到混合粉料；
7.s2：载体混合：将造孔剂、无机粘结剂和有机溶剂加入到反应釜中，按质量百分比计，造孔剂5％-10％、无机粘结剂10％-20％、有机溶剂70％-85％，反应釜加热温度设置为70
°‑
90
°
，进行混合溶解搅拌，制备得到有机载体；
8.s3：浆料混合：将氧化锆和氧化镁球磨制得的混合粉料加入到反应釜中，与反应釜中制得的有机载体进行混合溶解搅拌，风干后得到保护层浆料；
9.s4：一次涂覆：将保护层浆料进行脱泡处理，随后可将保护层浆料均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第一保护涂层；
10.s5：制备纳米钛溶胶：将硬脂酸放入三口瓶中，70℃下使硬脂酸熔融形成透明的溶
液，机械搅拌下将一定量的钛酸四丁酯加入到已熔融的硬脂酸中，硬脂酸:钛酸四丁酯＝1:2(摩尔比)，75℃下磁力搅拌3h,形成半透明的棕红色溶胶，自然冷却形成凝胶后，置于马弗炉中450℃煅烧2h，研磨后得到纳米tio2粉体，并利用混合设备将纳米tio2粉体与水相介质混合制得纳米钛溶胶；
11.s6：二次涂覆：将纳米钛溶胶均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第二保护涂层；
12.s7：烧结：将氧化锆传感器电极置于120℃红外烘箱内烘20min，然后升温至400～600℃并保温2～4h，最后再升温至1300～1500℃并保温5～30min进行烧结，然后冷却，得到氧化锆传感器电极保护涂层。
13.作为本发明所述的一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述第一保护涂层的气孔率为20％-50％，所述第一保护涂层的厚度为100-200μm，所述第二保护涂层的厚度为80-150μm。
14.作为本发明所述的一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述无机粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、乙基纤维素和邻苯二甲酸二乙酯中的任意一种或多种的混合，所述造孔剂的组成成分主要为无机物，主要包括高温可分解盐类如碳酸铵等铵盐，以及煤粉、炭粉等可分解化合物。
15.作为本发明所述的一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述有机溶剂为松油醇、乙二醇丁醚乙酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、乙醇和甲基乙基酮中的任意一种或多种的混合。
16.作为本发明所述的一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述氧化锆的平均粒度和氧化镁的平均粒度均为5-10μm，所述水相介质为水。
17.作为本发明所述的一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述保护层浆料的涂覆方式和纳米钛溶胶的涂覆方式均为提拉涂抹。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1、通过氧化镁的添加能够在高温下阻止氧化锆的相间移动，增强氧化锆的稳定性，且氧化镁在常温下的硬化速度较快,当氧化镁达到一定量时，会因硬化速度过快而容易形成多孔疏松的胶凝体，这对生成一定气孔率是有利的，并且氧化镁可将检测气中的活性硅转变为氧化硅或si-mg化合物，使之失去活性而避免电极硅中毒。
20.2、利用纳米钛溶胶涂覆制成的第二保护涂层能将废气中的甲醛、甲苯、二甲苯、氨、氡、tvoc等有害有机物、污染物、臭气、细菌、微生物等有害有机物彻底分解成无害的co2和h2o，避免电极受腐蚀而粉化，并具有去除污染物、亲水性、自洁性等特性，性能持久，不产生二次污染，并且tio2颗粒粒径小、比表面积大，表面能和表面张力大，对金属离子的吸附能力强，因此第二保护涂层具有极强的附着力，进而能够有效避免保护涂层受到热冲击后出现脱落。
21.3、将多工序分为一个一个独立的过程，实现了每道流程的工序控制，从而更好地保证了浆料制备的可重复性，保证批量制造过程中浆料性能参数一致性。
22.4、通过制备涂覆第一保护涂层和第二保护涂层，能够在电极表面制备生成多层保护涂层，能够对电极表面进行多级防护，有效提升的保护涂层的防护性能，且制备的第一保护涂层和第二保护涂层均具有良好的印刷性能，具有多孔性与极强的附着力，并且利用提
拉的方法在电极表面均匀涂覆，能保证在受热的情况下变形均匀，不会额外增加保护涂层内部缺陷。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
24.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
25.实施例1
26.一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法，包括如下步骤：
27.s1：球磨：将氧化锆和氧化镁加入到球磨机中，按质量百分比计，氧化锆的用量占60％，余量为氧化镁，利用球磨机对氧化锆和氧化镁进行精细球磨，得到混合粉料；
28.s2：载体混合：将造孔剂、无机粘结剂和有机溶剂加入到反应釜中，按质量百分比计，造孔剂5％、无机粘结剂10％、有机溶剂85％，反应釜加热温度设置为70
°
，进行混合溶解搅拌，制备得到有机载体；
29.s3：浆料混合：将氧化锆和氧化镁球磨制得的混合粉料加入到反应釜中，与反应釜中制得的有机载体进行混合溶解搅拌，风干后得到保护层浆料；
30.s4：一次涂覆：将保护层浆料进行脱泡处理，随后可将保护层浆料均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第一保护涂层；
31.s5：制备纳米钛溶胶：将硬脂酸放入三口瓶中，70℃下使硬脂酸熔融形成透明的溶液，机械搅拌下将一定量的钛酸四丁酯加入到已熔融的硬脂酸中，硬脂酸:钛酸四丁酯＝1:2(摩尔比)，75℃下磁力搅拌3h,形成半透明的棕红色溶胶，自然冷却形成凝胶后，置于马弗炉中450℃煅烧2h，研磨后得到纳米tio2粉体，并利用混合设备将纳米tio2粉体与水相介质混合制得纳米钛溶胶；
32.s6：二次涂覆：将纳米钛溶胶均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第二保护涂层；
33.s7：烧结：将氧化锆传感器电极置于120℃红外烘箱内烘20min，然后升温至400℃并保温4h，最后再升温至1300℃并保温30min进行烧结，然后冷却，得到氧化锆传感器电极保护涂层。
34.实施例2
35.一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法，包括如下步骤：
36.s1：球磨：将氧化锆和氧化镁加入到球磨机中，按质量百分比计，氧化锆的用量占80％，余量为氧化镁，利用球磨机对氧化锆和氧化镁进行精细球磨，得到混合粉料；
37.s2：载体混合：将造孔剂、无机粘结剂和有机溶剂加入到反应釜中，按质量百分比计，造孔剂10％、无机粘结剂20％、有机溶剂70％，反应釜加热温度设置为90
°
，进行混合溶解搅拌，制备得到有机载体；
38.s3：浆料混合：将氧化锆和氧化镁球磨制得的混合粉料加入到反应釜中，与反应釜中制得的有机载体进行混合溶解搅拌，风干后得到保护层浆料；
39.s4：一次涂覆：将保护层浆料进行脱泡处理，随后可将保护层浆料均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第一保护涂层；
40.s5：制备纳米钛溶胶：将硬脂酸放入三口瓶中，70℃下使硬脂酸熔融形成透明的溶液，机械搅拌下将一定量的钛酸四丁酯加入到已熔融的硬脂酸中，硬脂酸:钛酸四丁酯＝1:2(摩尔比)，75℃下磁力搅拌3h,形成半透明的棕红色溶胶，自然冷却形成凝胶后，置于马弗炉中450℃煅烧2h，研磨后得到纳米tio2粉体，并利用混合设备将纳米tio2粉体与水相介质混合制得纳米钛溶胶；
41.s6：二次涂覆：将纳米钛溶胶均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第二保护涂层；
42.s7：烧结：将氧化锆传感器电极置于120℃红外烘箱内烘20min，然后升温至600℃并保温2，最后再升温至1500℃并保温5min进行烧结，然后冷却，得到氧化锆传感器电极保护涂层。
43.实施例3
44.一种氧化锆传感器电极保护涂层的制备方法，包括如下步骤：
45.s1：球磨：将氧化锆和氧化镁加入到球磨机中，按质量百分比计，氧化锆的用量占70％，余量为氧化镁，利用球磨机对氧化锆和氧化镁进行精细球磨，得到混合粉料；
46.s2：载体混合：将造孔剂、无机粘结剂和有机溶剂加入到反应釜中，按质量百分比计，造孔剂8％、无机粘结剂15％、有机溶剂77％，反应釜加热温度设置为80
°
，进行混合溶解搅拌，制备得到有机载体；
47.s3：浆料混合：将氧化锆和氧化镁球磨制得的混合粉料加入到反应釜中，与反应釜中制得的有机载体进行混合溶解搅拌，风干后得到保护层浆料；
48.s4：一次涂覆：将保护层浆料进行脱泡处理，随后可将保护层浆料均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第一保护涂层；
49.s5：制备纳米钛溶胶：将硬脂酸放入三口瓶中，70℃下使硬脂酸熔融形成透明的溶液，机械搅拌下将一定量的钛酸四丁酯加入到已熔融的硬脂酸中，硬脂酸:钛酸四丁酯＝1:2(摩尔比)，75℃下磁力搅拌3h,形成半透明的棕红色溶胶，自然冷却形成凝胶后，置于马弗炉中450℃煅烧2h，研磨后得到纳米tio2粉体，并利用混合设备将纳米tio2粉体与水相介质混合制得纳米钛溶胶；
50.s6：二次涂覆：将纳米钛溶胶均匀涂覆在氧化锆传感器电极表面，得到第二保护涂层；
51.s7：烧结：将氧化锆传感器电极置于120℃红外烘箱内烘20min，然后升温至500℃并保温34h，最后再升温至1400℃并保温20min进行烧结，然后冷却，得到氧化锆传感器电极保护涂层。
52.虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。