CN113582714B - 一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷的闭气孔率为75～95％，所述隔热陶瓷的组分包括：二氧化硅、三氧化铝、氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化镁、碳化硅、氧化铁和碳酸盐；所述碳化硅与氧化铁的摩尔比为0.5～1:1。所述隔热陶瓷采用碳化硅和碳酸盐联合发泡，并通过氧化铁促进气泡产生，从而能够得到孔洞均匀且高闭气孔率的隔热陶瓷。

Description

一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷及其制备方法和用途。
背景技术
多孔陶瓷的孔结构可以分为开孔和闭孔，闭孔结构能够阻隔空气的热对流传热，具有更好的隔热效果。另外，闭孔支撑结构拥有互相支撑的拱形壁面，其机械强度比开孔结构更高。因此，闭孔陶瓷材料在隔热领域受到了广泛的研究和应用。
CN108558435A公开了一种隔热陶瓷材料，该隔热陶瓷材料通过先制备陶瓷空心颗粒：将纳米陶瓷粉体分散至溶剂中，经干燥制得纳米团聚颗粒；再利用纳米团聚颗粒与有机预混液配制成型浆料，烧成形成隔热陶瓷材料；但该隔热陶瓷材料中引用有机物质，制备工艺复杂且生产环境较差。
CN101003433A公开了一种具有隔热保温功能的陶瓷砖，在现有陶瓷砖生产基础上添加发泡材料，并通过温度、加热时间的控制来实现最佳的发泡效果，但该陶瓷砖所采用的发泡材料孔洞难以控制且闭气孔率较低。
CN106431488A公开了一种轻质高强陶瓷板及其制备方法，所述制备方法轻质高强陶瓷板是在烧制温度为1050～1120摄氏度的条件下烧制的具有类蜂窝状封闭气孔内部结构的轻质陶瓷板，其容重为1.55～2.1g/cm3，厚度为18～30mm，吸水率为0.1～0.5％，断裂模数≥20MPa；所述轻质高强陶瓷板主要由以下原料配方制成：碳化硅1～3份、陶瓷废固物15～50份、污泥或底泥10～35份、膨润土10～35份、坯体增强剂0.1～2份、解胶剂0.1～3份，但该陶瓷材料中仍采用部分有机物，存在生产环境较差，且随时间推移材质性能老化严重的情况。
因此，针对现有无机隔热陶瓷的孔洞控制不均，含有有机材质的隔热陶瓷存在易老化且生产环境较差的问题，亟需开发一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷及其制备方法和用途。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷及其制备方法和用途，所述隔热陶瓷解决了现有化学法制备隔热陶瓷中存在的孔洞不均匀的问题，且无需采用有机物质，不存在材料老化的问题；而且所述隔热陶瓷各处的耐压能力和传热系数相差较小，且闭气孔率高，具有较高的应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷的闭气孔率为75～95％，所述隔热陶瓷的组分包括：二氧化硅、三氧化铝、氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化镁、碳化硅、氧化铁和碳酸盐；所述碳化硅与氧化铁的摩尔比为0.5～1:1。
本发明提供的隔热陶瓷选用碳化硅和碳酸盐混合作为复合发泡剂，利用碳酸盐分解产生的气泡提高隔热陶瓷中的气孔率，同时在碳酸盐分解温度区间通过盐离子与硅网络结构相互作用降低此时的液相黏度，，再利用碳化硅在产生气泡的同时辅助调节高温下的液相黏度。
而且选用氧化铁作为促泡剂，能够产生更加细小的气泡，避免大气泡的产生；并且还可高温下利用SiC的还原性能将氧化铁还原为铁，调节高温下液相的黏度，控制产生的气泡固溶在液相熔体中，形成闭孔气泡。
即本发明通过控制原料的选择以及碳化硅与氧化铁的配比，达到了控制气泡大小和液相黏度的双重作用，从而既避免了气泡的过多聚并和破裂导致的孔洞不均匀情况，也避免气泡从液相中的逸出产生过多开气孔率的情况。
本发明中隔热陶瓷的闭气孔率为75～95％，例如可以是75％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、89％、90％、92％或95％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中闭气孔率能够达到75～85％，具有优良的隔热效果，导热系数低，且由于基本均为闭气孔率，因此吸水率低且材料的强度较高。
优选地，所述隔热陶瓷的气孔率为40～55％，例如可以是40％、42％、45％、48％、50％、52％、53％或55％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述气孔率均是指体积气孔率。
优选地，所述气孔的孔洞大小为10～100μm，例如可以是10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明通过组分调控等方式，能够优选得到大小为10～100μm的孔洞，相较于更大的孔洞而言，该孔洞大小交联存在于陶瓷材料中，孔洞较小且均匀，陶瓷材料的机械性能更佳。
优选地，所述隔热陶瓷的组分中二氧化硅的质量含量为65～80％，例如可以是65％、67％、69％、70％、72％、74％、75％、77％、79％或80％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，粒径为20μm以上的二氧化硅占二氧化硅总量的0.5～5％，例如可以是0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，粒径为10～20μm且不包括20μm的二氧化硅占二氧化硅总量的35～45％，例如可以是35％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％或45％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，粒径为2～10μm且不包括10μm的二氧化硅占二氧化硅总量的35～45％，例如可以是35％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％或45％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，粒径为2μm以下且不包括2μm的二氧化硅占二氧化硅总量的10～29％，例如可以是10％、13％、15％、17％、19％、21％、23％、25％、27％或29％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述隔热陶瓷的组分中三氧化铝的质量含量为10～17％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％或17％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明优选采用上述级配的方式配制二氧化硅，通过不同级配的二氧化硅，利用大颗粒中间加塞小颗粒的原理，提高孔洞的均匀性；尽管现有级配的利用一般是为了提高材料的密度，增加强度；但发明人意识到，通过大小颗粒级配的方式能够为隔热陶瓷提供一定量的孔洞，虽然颗粒堆积的二氧化硅之间的孔洞并不均匀，但本发明通过优选级配的方式，从而使以二氧化硅为主的颗粒与颗粒之间的纹络是均匀的，且仅级配后孔隙均较小，虽然存在不均匀的情况，但通过后续碳化硅和碳酸盐的发泡，气泡产生后优先突破颗粒与颗粒之间均匀的纹络隙缝，由于级配产生的均匀隙缝，为后续气泡的均匀分布提供了基础，从而能够得到闭气孔率高且孔洞均匀的隔热陶瓷。
优选地，所述隔热陶瓷的组分中氧化钠和氧化钾的质量含量合计为10～17％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％或17％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述隔热陶瓷的组分中氧化钙和氧化镁的质量含量合计为2～4％，例如可以是2％、2.3％、2.5％、2.7％、2.9％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％或4％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述隔热陶瓷的组分中碳化硅的质量含量为0.5～1.2％，例如可以是0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.1％或1.2％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述碳酸盐占二氧化硅质量的1～3％且碳酸盐与碳化硅的摩尔比控制在1:1～2。
本发明中碳酸盐与碳化硅的含量需要严格控制，二者复配的发泡剂需要兼顾发泡效果和液相黏度，氧化铁对碳化硅的发泡有促进作用，但碳酸盐是高温后分解发泡的发泡剂，因此在制备过程中碳酸盐先分解产生部分气泡，此时温度相对较低，液相黏度较大，需要控制碳酸盐仅占二氧化硅质量的1～3％，从而避免此时气泡的产生量较大，避免气泡的逸出和开气孔率的产生；随着温度的逐渐升高，液相黏度逐渐降低，整体物料脆性下降，此时碳化硅与氧化铁反应在原来细气泡核的基础上长大为更大一点的气泡最终形成大小合适的孔洞，提高了隔热陶瓷的闭气孔率。
本发明中碳酸盐占二氧化硅质量的1～3％，例如可以是1％、1.3％、1.5％、1.7％、1.9％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％或3％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中碳酸盐与碳化硅的摩尔比控制在1:1～2，例如可以是1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9或1:2.0等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述碳酸盐的粒径为100～500nm，例如可以是100nm、145nm、189nm、234nm、278nm、323nm、367nm、412nm、456nm或500nm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明进一步控制碳酸盐的粒径大小，能够更好地控制前期气泡产生的大小，从而可以达到更佳的孔洞大小控制和闭气孔率控制效果。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷的制备方法，所述制备方法包括：混合所述隔热陶瓷的原料组分，混合后的物料依次经模压和1040～1120℃烧结，得到所述隔热陶瓷。
本发明所述制备方法经升温至1040～1120℃再烧结，进一步结合组分与烧结温度，有利于更好地控制液相黏度，保障闭气孔率和孔洞大小的控制。
本发明所述制备方法中控制烧结的温度为1040～1120℃，例如可以是1040℃、1049℃、1058℃、1067℃、1076℃、1085℃、1094℃、1103℃、1112℃或1120℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明提供一种第一方面所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷在隔墙材料或建筑材料中的用途。
本发明所述隔热陶瓷的机械性能和导热系数均优良，且所述隔热陶瓷中孔洞均匀，不存在有机材料的老化现象等，可较好地应用在隔墙材料或建筑材料中，比如可作为隔热陶瓷保温砖、保温板等。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的具有高闭气孔率的隔热陶瓷孔洞均匀，且闭气孔率为75～95％，在气孔率高达50％以上的情况下能实现闭气孔率92％以上，导热系数在0.042W·m-1·k-1以下，较优条件下在0.025W·m-1·k-1以下，吸水率≤0.5％，性能优良；
(2)本发明提供的具有高闭气孔率的隔热陶瓷的组分中无需添加有机物质，避免后期有机材料老化的情况；
(3)本发明提供的具有高闭气孔率的隔热陶瓷可较好地应用在隔墙材料或建筑材料中，应用前景广阔。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷的组分包括：二氧化硅70％、三氧化铝10％、氧化钠10％、氧化钾2％、氧化钙2％、氧化镁合计为0.5％、碳化硅0.5％、氧化铁3％和100～400nm的碳酸钙2％；
粒径为20μm以上的二氧化硅占二氧化硅总量的5％；粒径为10～20μm且不包括20μm的二氧化硅占二氧化硅总量的45％；粒径为2～10μm且不包括10μm的二氧化硅占二氧化硅总量的40％；粒径为2μm以下且不包括2μm的二氧化硅占二氧化硅总量的10％。
本实施例还提供所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷的制备方法，所述制备方法包括：混合所述隔热陶瓷的原料组分，混合后的物料放于模具中，经15MPa模压和215MPa冷等静压压制成型，得到陶瓷坯体，将所述陶瓷坯体至于马弗炉中，以5℃/min升温至1100℃烧结，保温5h，得到所述隔热陶瓷。
实施例2
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷的组分包括：二氧化硅65％、三氧化铝15％、氧化钠5％、氧化钾5％、氧化钙1％、氧化镁合计为1％、碳化硅1.2％、氧化铁5％和300～500nm的碳酸钠1.8％；
粒径为20μm以上的二氧化硅占二氧化硅总量的0.5％；粒径为10～20μm且不包括20μm的二氧化硅占二氧化硅总量的35％；粒径为2～10μm且不包括10μm的二氧化硅占二氧化硅总量的44.5％；粒径为2μm以下且不包括2μm的二氧化硅占二氧化硅总量的20％。
本实施例还提供所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷的制备方法，所述制备方法包括：混合所述隔热陶瓷的原料组分，混合后的物料放于模具中，经5MPa模压和280MPa冷等静压压制成型，得到陶瓷坯体，将所述陶瓷坯体至于马弗炉中，以6℃/min升温至1120℃烧结，保温7h，得到所述隔热陶瓷。
实施例3
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷的组分包括：二氧化硅72％、三氧化铝10％、氧化钠6％、氧化钾4％、氧化钙1.9％、氧化镁合计为1％、碳化硅0.5％、氧化铁3.8％和100～300nm的碳酸钙0.8％；
粒径为20μm以上的二氧化硅占二氧化硅总量的3.5％；粒径为10～20μm且不包括20μm的二氧化硅占二氧化硅总量的40％；粒径为2～10μm且不包括10μm的二氧化硅占二氧化硅总量的40％；粒径为2μm以下且不包括2μm的二氧化硅占二氧化硅总量的16.5％。
本实施例还提供所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷的制备方法，所述制备方法包括：混合所述隔热陶瓷的原料组分，混合后的物料放于模具中，经12MPa模压和220MPa冷等静压压制成型，得到陶瓷坯体，将所述陶瓷坯体至于马弗炉中，以2℃/min升温至1040℃烧结，保温3h，得到所述隔热陶瓷。
实施例4
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除二氧化硅全部采用粒径为20μm以上的二氧化硅外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除二氧化硅采用粒径为2～10μm且不包括10μm的二氧化硅50％和粒径为2μm以下且不包括2μm的二氧化硅50％外，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除碳酸钙的粒径为100～200μm外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除碳化硅占1％，碳酸钙占1.5％外，其余均与实施例1相同。
对比例2
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除碳化硅占0.3％，碳酸钙占2.2％外，其余均与实施例1相同。
对比例3
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除碳化硅占2.2％，氧化铁占1.8％外，其余均与实施例1相同。
对比例4
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除碳化硅替换为碳酸钙外，其余均与实施例1相同。
对比例5
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除碳酸钙替换为碳化硅外，其余均与实施例1相同。
对比例6
本实施例提供一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，所述隔热陶瓷除不添加氧化铁，氧化铁替换为2μm以下的二氧化硅外，其余均与实施例1相同。
测试方法：采用JGT511-2017中所规定的方法进行检测。
以上实施例和对比例的测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003204506900000101
从表1可以看出以下几点：
(1)综合实施例1～3可以看出，实施例1～3中采用本发明提供的陶瓷组分，能够将空洞大小控制在10～100μm之间，孔洞大小均匀，而且在气孔率高达50％以上的情况下能实现闭气孔率92％以上，达到导热系数0.025W·m-1·k-1以下，吸水率≤0.5％，该隔热陶瓷砖性能优良，应用前景广阔；
(2)综合实施例1和实施例4～5可以看出，本发明通过优选采用特定级配的二氧化硅，显著提高了孔洞的均匀性，孔洞跨度范围窄，机械强度更高；
(3)综合实施例1和实施例6可以看出，本发明优选采用颗粒较小的碳酸钙，相较于微米级碳酸钙而言，实施例1中孔洞大小更小且更均匀，闭气孔率和气孔率具有更佳的效果，由此表明，本发明通过采用特定粒径的碳酸钙，进一步降低了隔热陶瓷的导热系数并提高了孔洞的均匀性；
(4)综合实施例1和对比例1～6可以看出，实施例1的隔热陶瓷的组分中含有氧化铁、碳化硅和碳酸钙并将其控制在特定含量和比例，相较于对比例1～6中不全含上述组分或不控制特定含量和比例而言，实施例1中闭气孔率为94.3％，气孔率高达52.8％，导热系数高达0.021W·m-1·k-1，吸水率仅为0.2％，孔洞大小仅控制在40～80μm之间，而对比例1～6中性能较差，由此表明，本发明通过碳化硅、氧化铁和碳酸钙的协同作用，显著提高了隔热陶瓷的闭气孔率和气孔率以及其物理性能。
综上所述，本发明提供的具有高闭气孔率的隔热陶瓷采用碳化硅和碳酸盐联合发泡，并通过氧化铁促进气泡产生，解决了现有化学法制备隔热陶瓷中存在的孔洞不均匀的问题，且无需采用有机物质，得到的隔热陶瓷耐老化能力强，各处的耐压能力和传热系数相差较小，应用前景广阔。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、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。

Claims (8)

1.一种具有高闭气孔率的隔热陶瓷，其特征在于，所述隔热陶瓷的闭气孔率为75~95%，所述隔热陶瓷的组分包括：二氧化硅、三氧化二铝、氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化镁、碳化硅、氧化铁和碳酸盐；
所述碳化硅与氧化铁的摩尔比为0.5~1:1；
所述隔热陶瓷的组分中二氧化硅的质量含量为65~80%；
所述隔热陶瓷的组分中碳化硅的质量含量为0.5~1.2%；
所述碳酸盐占二氧化硅质量的1~3%且碳酸盐与碳化硅的摩尔比控制在1:1~2；
粒径为20μm以上的二氧化硅占二氧化硅总量的0.5~5%；粒径为10~20μm且不包括20μm的二氧化硅占二氧化硅总量的35~45%；粒径为2~10μm且不包括10μm的二氧化硅占二氧化硅总量的35~45%；粒径为2μm以下且不包括2μm的二氧化硅占二氧化硅总量的10~29%。
2.根据权利要求1所述的隔热陶瓷，其特征在于，所述隔热陶瓷的气孔率为40~55%。
3.根据权利要求1所述的隔热陶瓷，其特征在于，所述气孔的孔洞大小为10~100μm。
4.根据权利要求1所述的隔热陶瓷，其特征在于，所述隔热陶瓷的组分中三氧化二铝的质量含量为10~17%。
5.根据权利要求1所述的隔热陶瓷，其特征在于，所述隔热陶瓷的组分中氧化钠和氧化钾的质量含量合计为10~17%。
6.根据权利要求1所述的隔热陶瓷，其特征在于，所述隔热陶瓷的组分中氧化钙和氧化镁的质量含量合计为2~4%。
7.一种根据权利要求1~6任一项所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：混合所述隔热陶瓷的原料组分，混合后的物料依次经模压和1040~1120℃烧结，得到所述隔热陶瓷。
8.一种根据权利要求1~6任一项所述具有高闭气孔率的隔热陶瓷在隔墙材料或建筑材料中的用途。
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