CN102219495B - 一种红外辐射涂料及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于工业窑炉内衬表面的红外辐射涂料，其由下列质量百分含量的原料配置而成：尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料：30~60%、无机结合助剂：1~10%、粘结剂：25~60%、防沉降剂：0~2%、分散剂：0~1%、消泡剂：0~1%、流平剂：0~1%。本发明还公开了一种红外辐射涂料的使用方法。本发明的涂料干燥固化后，形成的涂层表面致密，具有优良的红外辐射性能，能够与耐火材料、金属等种类的基体牢固结合，在高温下长期使用不开裂，不脱落，耐腐蚀，抗热震性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射节能材料领域，尤其涉及一种能与耐火材料、金属等基体牢固结合的红外辐射涂料及其使用方法。
背景技术
红外辐射是波长在0.76μm-1000μm范围内的电磁波，热效应是其基本特征，红外辐射加热具有均匀快速加热、高效利用能源的优点。将红外辐射涂料应用在工业窑炉耐火材料内壁或蓄热器、热交换器的表面，可以有效提高炉内参与辐射传热物体表面的红外辐射能力及其光谱特性，增强炉内的辐射传热效率，改善窑炉内部温度的均匀性，促进加热、蓄热、热交换等过程的进行，提高工业窑炉使用过程中能源利用的有效性，并具有减少有害气体排放、降低排放烟气温度、延长工业窑炉使用寿命等良好的综合效益。
在过去20多年时间里，我国的红外辐射涂料得到了很大发展，在工业窑炉中的应用日益广泛，在提高工业窑炉的能源利用效率方面取得了较好的效果。但目前我国的红外辐射涂料在组成和制备技术上还存在一些需要解决的问题，主要有涂层红外辐射性能的稳定性、涂层与基体的结合等问题。
涂层的红外辐射性能是影响节能效果的重要因素。国内的红外辐射涂料主要是将各种氧化物经过简单的机械混合后直接用于配制涂料，通过在高温使用过程中各种氧化物之间的固相反应，来形成所需要的红外辐射材料。由于很难完全控制涂料配制和施涂过程中各种氧化物混合的均匀性，加之各种应用对象的使用温度不同，这种工艺方法难以从根本上控制涂层中红外辐射材料的组成与结构，造成涂层的红外辐射性能与节能效果不够稳定。
红外辐射材料在高温使用过程中产生化学变化，这是涂层的红外辐射性能不稳定的另一个重要原因。SiC的红外辐射性能优良，是一种节能涂料中常用的红外辐射材料，但在高温和氧化性气氛条件下，SiC发生氧化反应，引起涂层的组成和结构出现变化，造成涂层的红外辐射性能降低，影响涂层的节能效果。
红外辐射涂层与基体的牢固结合是发挥其节能功能的前提。目前我国的红外辐射涂料主要用于耐火材料基体表面，红外辐射涂料在金属基体表面的应用尚比较困难，在使用过程中涂层从金属基体表面涂层脱落的现象还比较常见，这已经成为影响红外辐射节能涂料推广应用的一个重要原因。
如何提高涂层红外辐射性能的稳定性、涂层与基体的结合的牢固性是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明是要解决现有涂层红外辐射性能的稳定性不够、涂层与基体结合不够牢固的技术问题，提供一种红外辐射涂料及其使用方法。该发明形成的涂层表面致密，具有优良的红外辐射性能和高温稳定性，能与耐火材料、金属等基体牢固结合，在高温下长期使用不开裂，不脱落，耐腐蚀，抗热震性能优良。
为解决所述的技术问题，本发明提供的一种红外辐射涂料，由下列质量百分含量的原料配置而成：
尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料：30~60%、
无机结合助剂：1~10%、粘结剂：25~60%、防沉降剂：0~2%、
分散剂：0~1%、消泡剂：0~1%、流平剂：0~1%。
其中，所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料由下列质量百分含量的原料配置而成：
Fe2O ：0~60%3、 MnO2 : 0~60%、 Al2O3 ：5~50%、 SiO2 ：5~50%、
CuO：0~12%、Co2O3：0~10%、MgO：0~10%、Mo2O3：0~6%、NiO：0~6%、
TiO2：0~6%、V2O5 ：0~5%、WO3 ：0~5%、BaO：0~3%、CaO：0~3%。
该红外辐射粉料为过渡金属氧化物尖晶石型固溶体与堇青石、莫来石、刚玉、镁铝尖晶石等其它物相中的一种或几种组成的多相复合结构，可以采用陶瓷加工技术制备。
所述的无机结合助剂由下列质量百分含量的原料配置而成：
Al2O3：20~40%、SiO2：20~60%、MgO：2~10%、TiO2：2~10%、NiO：0~10%、
Cr2O3：0~10%、B2O5：0~10%、Ti粉：0~50%、Zn粉：0~50%。
本发明还提供一种红外辐射涂料的使用方法，其步骤如下：
步骤1：先在金属基体表面喷刷10~30%的氟硅酸钠水溶液；
步骤2：然后喷刷无机结合助剂浆料；
步骤3：最后喷刷所述的红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。
其中，所述无机结合助剂浆料由下列质量百分含量的原料配置而成：
无机结合助剂：30~60%、水玻璃：30~60%、水：0~20%。
若在耐火材料表面使用时，可直接在基体表面喷刷本发明的红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。
与现有技术相比，本发明的红外辐射节能涂料具有明显的优点：
（1）采用预先制备的尖晶石-硅酸盐多相复合体系粉料作为涂料中的红外辐射材料，其组成和结构具有优良的高温稳定性，保证了使用过程中涂层红外辐射性能的稳定性；
（2）通过在涂料中加入无机结合助剂和采用针对不同基体的使用方法，促进了涂层与基体的结合，提高了涂层的抗热震冲击能力；
（3）在高温使用过程中，涂料中各种组份形成致密的陶瓷膜，具有良好的耐腐蚀性能，对基体起到保护作用。
本发明的红外辐射涂料可以用于建材、冶金、热电、石化、化工、轻工等行业的工业窑炉内衬材料表面，从而提高了工业窑炉的能源利用效率，可以保护窑炉的内衬材料，延长窑炉内衬材料的使用寿命。
附图说明
图1a为实施例1红外辐射陶瓷粉料的XRD图谱；
图1b为实施例1热震循环后金属基体表面红外辐射涂层的XRD图谱。
具体实施方式
本发明提出的红外辐射涂料，可以由下列质量百分含量的原料配置而成：
尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料：30~60%、
无机结合助剂：1~10%、粘结剂：25~60%、防沉降剂：0~2%、
分散剂：0~1%、消泡剂：0~1%、流平剂：0~1%。
其中的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料可由下列质量百分含量的原料配置而成：
Fe2O ：0~60%3、 MnO2 : 0~60%、 Al2O3 ：5~50%、 SiO2 ：5~50%、
CuO：0~12%、Co2O3：0~10%、MgO：0~10%、Mo2O3：0~6%、NiO：0~6%、
TiO2：0~6%、V2O5 ：0~5%、WO3 ：0~5%、BaO：0~3%、CaO：0~3%。
无机结合助剂可由下列质量百分含量的原料配置而成：
Al2O3：20~40%、SiO2：20~60%、MgO：2~10%、TiO2：2~10%、NiO：0~10%、
Cr2O3：0~10%、B2O5：0~10%、Ti粉：0~50%、Zn粉：0~50%。
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：按质量比为55%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、5%无机结合助剂、39.8%粘结剂、0.2%消泡剂的配方，将上述各种组份按配比称重，搅拌混合7小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：10%Fe2O3、14%MnO2、9%CuO、2%Mo2O3、50%Al2O3、12%SiO2、1.5%MgO、0.5%TiO2和1%BaO。
无机结合助剂中各组成的质量比为：20%Al2O3、25%SiO2、8%MgO、2%TiO2、10%NiO、7%Cr2O3、3%B2O5和25%Ti粉。
粘结剂按80%水玻璃和20%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在金属基体上使用时，先在基体表面喷刷20%氟硅酸钠水溶液；然后喷刷无机结合助剂浆料，无机结合助剂浆料中各组份的质量比为：40%无机结合助剂、40%水玻璃和20%水；最后喷刷红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.92，8μm~25μm波段的辐射率为0.91，8μm~14μm波段的辐射率为93，14μm~25μm波段的辐射率为0.93。红外辐射涂层在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
图1a显示：红外辐射陶瓷粉料中主要含有过渡金属氧化物尖晶石型固溶体和莫来石，此外，还含有少量的镁铝尖晶石。而图1b的XRD图谱与图1a相一致，说明涂层中红外辐射陶瓷组分的结构在经过热震循环后保持不变，表明涂层中红外辐射陶瓷组分具有很好的高温稳定性。
实施例2：按质量比为30%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、10%无机结合助剂、57.5%粘结剂、1%防沉降剂、0.5%分散剂、0.5%消泡剂和0.5%流平剂的配方，将上述各组分按配比称重配料，搅拌混合1小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为： 28%MnO2、12%CuO、6%Mo2O3、5%V2O5、5%WO3、5%Al2O3、20%SiO2、
10%MgO、6%TiO2和3%CaO。
无机结合助剂中各组份的质量比为：40%Al2O3、27%SiO2、2%MgO、10%TiO2、5%NiO、10%Cr2O3和6%Zn粉。
粘结剂按：80%水玻璃、1%乙基纤维素的水溶液(浓度为10%)和19%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在金属基体上使用时，先在基体表面喷刷20%氟硅酸钠水溶液；然后喷刷无机结合助剂浆料，无机结合助剂浆料中各组份的质量比为：45%无机结合助剂、45%水玻璃和10%水；最后喷刷红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.89，8μm~25μm波段的辐射率为0.91，8μm~14μm波段的辐射率为0.92，14μm~25μm波段的辐射率为0.93。红外辐射涂层在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
实施例3：按质量比为60%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、1%无机结合助剂、36%粘结剂、1%分散剂、1%消泡剂和1%流平剂的配方，将上述各种组份按配比称重，搅拌混合3小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：9%Fe2O3、60%MnO2、4%CuO、4%Co2O3、3%NiO、2%WO3、8%Al2O3、5%SiO2、
3% BaO和2%CaO。
无机结合助剂中各组成的质量比为：20%Al2O3、20%SiO2、6%MgO、2%TiO2、2%NiO、50%Ti粉。
粘结剂按90%水玻璃和10%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在金属基体上使用时，先在基体表面喷刷15%氟硅酸钠水溶液；然后喷刷无机结合助剂浆料，无机结合助剂浆料中各组份的质量比为：30%无机结合助剂、60%水玻璃和10%水；最后喷刷红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.90，8μm~25μm波段的辐射率为0.92，8μm~14μm波段的辐射率为0.93，14μm~25μm波段的辐射率为0.94。红外辐射涂层在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
实施例4：按质量比为60%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、10%无机结合助剂、25%粘结剂、2%防沉降剂、1%分散剂1%消泡剂和1%流平剂的配方，将上述各种组份按配比称重，搅拌混合5小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：
60%Fe2O3、10%Co2O3、6%NiO、2%V2O5、10%Al2O3、10%SiO2、1.5%TiO2和0.5%BaO。
无机结合助剂中各组成的质量比为：20%Al2O3、30%SiO2、3%MgO、2%TiO2、10%NiO、10%B2O5和25%Zn粉。
粘结剂按85%水玻璃和15%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在金属基体上使用时，先在基体表面喷刷25%氟硅酸钠水溶液；然后喷刷无机结合助剂浆料，无机结合助剂浆料中各组份的质量比为：50%无机结合助剂和50%水玻璃；最后喷刷红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.89，8μm~25μm波段的辐射率为0.91，8μm~14μm波段的辐射率为0.92，14μm~25μm波段的辐射率为0.93。红外辐射涂层在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
实施例5：按质量比为：47%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、5.5%无机结合助剂、42.5%粘结剂、2%防沉降剂、1%分散剂、1%消泡剂和1%流平剂的配方，将上述各组分按配比称重配料，搅拌混合2小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：30%Fe2O3、5%MnO2、6%CuO、5%Co2O3、3%Mo2O3、2.5%V2O5、2.5%WO3、25%Al2O3、10%SiO2、5%MgO、3%TiO2、1.5%BaO和1.5%CaO。
无机结合助剂中各组份的质量比为：20%Al2O3、40%SiO2、10%MgO、6%TiO2、5%Cr2O3、5%B2O5、5%Ti粉和9%Zn粉。
粘结剂按：70%水玻璃、2%乙基纤维素的水溶液(浓度为5%)和28%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在金属基体上使用时，先在基体表面喷刷10%氟硅酸钠水溶液；然后喷刷无机结合助剂浆料，该无机结合助剂浆料中各组份的质量比为：60%无机结合助剂、30%水玻璃和10%水；最后喷刷本发明的红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.92，8μm~25μm波段的辐射率为0.91，8μm~14μm波段的辐射率为0.94，14μm~25μm波段的辐射率为0.94。红外辐射涂层在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
实施例6：按质量比为34%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、4%无机结合助剂、60%粘结剂、1%防沉降剂和1%流平剂的配方，将上述各种组份按配比称重，搅拌混合4小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：6%Fe2O3、21%MnO2、6%Co2O3、5.6%Mo2O3、1.4%NiO、6%Al2O3、50%SiO2、1.5%MgO、0.5%TiO2和2%BaO。
无机结合助剂中各组成的质量比为：20%Al2O3、20%SiO2、2%MgO、3%TiO2、2%NiO、3%Cr2O3和50%Zn粉
粘结剂按75%水玻璃、0.5%乙基纤维素的水溶液(浓度为8%)和24.5%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在金属基体上使用时，先在基体表面喷刷30%氟硅酸钠水溶液；然后喷刷无机结合助剂浆料，无机结合助剂浆料中各组份的质量比为：45%无机结合助剂、50%水玻璃和5%水；最后喷刷红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.89，8μm~25μm波段的辐射率为0.91，8μm~14μm波段的辐射率为0.92，14μm~25μm波段的辐射率为0.93。红外辐射涂层在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
实施例7：按质量比为50%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、9%无机结合助剂、40%粘结剂和1%消泡剂的配方，将上述各种组份按配比称重，搅拌混合6小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：30%MnO2、8.5%CuO、8%Co2O3、6.4%Mo2O3、1.6%NiO、22.5%Al2O3、22.5%SiO2和0.5%MgO。
无机结合助剂中各组成的质量比为：20%Al2O3、60%SiO2、3%MgO、2%TiO2、5%NiO、5%Cr2O3和5%Ti粉。
粘结剂按82%水玻璃、5%乙基纤维素的水溶液(浓度为5%)和13%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在耐火材料上使用时，可直接喷刷红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.88，8μm~25μm波段的辐射率为0.90，8μm~14μm波段的辐射率为0.89，14μm~25μm波段的辐射率为0.93。红外辐射涂层在常温~1200℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环30次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
实施例8：按质量比为45%尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料、7%无机结合助剂、45%粘结剂、1%分散剂、1%消泡剂和1%流平剂的配方，将上述各种组份按配比称重，搅拌混合8小时，经胶体磨分散后即制得粘稠状悬浮流体的红外辐射涂料。
其中，尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料中各组份的质量比为：52%Fe2O3、20.2%MnO2、7.2%CuO、5%V2O5、3.6%WO3、6%Al2O3、5%SiO2和1%CaO。
无机结合助剂中各组成的质量比为：25%Al2O3、35%SiO2、5%MgO、8%TiO2、4%Cr2O3、3%B2O5和20%Zn粉。
粘结剂按78%水玻璃、2%乙基纤维素的水溶液(浓度为3%)和20%水的质量比配制而成。
上述红外辐射涂料在耐火材料上使用时，可直接喷刷红外辐射节能涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。红外辐射涂层的法向全波段辐射率为0.90，8μm~25μm波段的辐射率为0.93，8μm~14μm波段的辐射率为0.93，14μm~25μm波段的辐射率为0.95。红外辐射涂层在常温~1200℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环30次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
经红外辐射性测试证明，本发明形成的红外辐射涂层具有优良的红外辐射性能，其法向全波段辐射率为0.88~0.92，8μm~25μm波段的辐射率为0.90~0.93，8μm~14μm波段的辐射率为0.89~0.94，14μm~25μm波段的辐射率为0.91~0.95。对金属基体表面的红外辐射涂层，在常温~800℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环20次涂层表面无裂纹，涂层不脱落；对耐火材料表面的红外辐射涂层，在常温~1200℃范围内进行空气自然冷却热震循环，循环30次涂层表面无裂纹，涂层不脱落。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种红外辐射涂料， 其特征在于由下列质量百分含量的原料配制而成：
尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料：30~60%、
无机结合助剂：1~10%、粘结剂：25~60%、防沉降剂：0~2%、
分散剂：0~1%、消泡剂：0~1%、流平剂：0~1%；
其中所述无机结合助剂由下列质量百分含量的原料配制而成：
Al2O3：20~40%、SiO2：20~60%、MgO：2～10%、TiO2：2~10%、NiO：0~10%、
Cr2O3：0~10%、B2O5：0~10%、Ti粉：0~50%、Zn粉：0~50%；
所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射粉料由下列质量百分含量的原料配制而成：
Fe2O3：10~60%、MnO2：14~60%、Al2O3：5~50%、SiO2：5~50%、
CuO：0~12%、Co2O3：0~10%、MgO：0~10%、Mo2O3 ：0~6%、NiO：0~6%、
TiO2：0~6%、V2O5：0～5%、WO3：0～5%、BaO：0~3%、CaO：0~3%。
2.一种如权利要求1所述红外辐射涂料的使用方法，其特征在于包括如下步骤 ：
步骤1：先在金属基体表面喷刷10~30%的氟硅酸钠水溶液；
步骤2：然后喷刷无机结合助剂浆料；所述无机结合助剂浆料由下列质量百分含量的原料配制而成：无机结合助剂：30~60%、水玻璃：30~60%、水：0~20%；
步骤3：最后喷刷所述的红外辐射涂料，干燥固化后形成红外辐射涂层。
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