红外辐射涂料及其制备方法
阅读说明：本技术 红外辐射涂料及其制备方法 (Infrared radiation coating and preparation method thereof ) 是由 樊河雲 刘功国 秦洁 倪伟 于 2021-10-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种红外辐射涂料及其制备方法,属于红外节能材料领域。红外辐射涂料,其主要制备原料按质量百分比为高炉渣90-95％、过渡金属氧化物A5-10％；制备原料还包括过渡金属氧化物B和高温粘结剂,所述过渡金属氧化物B的质量为高炉渣和过渡金属氧化物A总质量的5-10％,所述高温粘结剂的质量为高炉渣、过渡金属氧化物A和过渡金属氧化物B总质量的5-10％。本发明制备的红外辐射涂料,高温粘结性较好,软化温度不低于1400℃,综合发射率不低于0.9,其低波段发射率(1-5μm)不低于0.95,综合性能优异,本发明利用冶金固废为原料制备得到红外辐射涂料,生产成本低廉,可有效解决现有高温条件下红外辐射涂料辐射性能较差、使用成本较高的问题。(The invention discloses an infrared radiation coating and a preparation method thereof, belonging to the field of infrared energy-saving materials. The infrared radiation coating is prepared from 90-95% of blast furnace slag and 78-10% of transition metal oxide A5 by mass percent; the preparation raw materials also comprise a transition metal oxide B and a high-temperature binder, wherein the mass of the transition metal oxide B is 5-10% of the total mass of the blast furnace slag and the transition metal oxide A, and the mass of the high-temperature binder is 5-10% of the total mass of the blast furnace slag, the transition metal oxide A and the transition metal oxide B. The infrared radiation coating prepared by the invention has better high-temperature cohesiveness, the softening temperature is not lower than 1400 ℃, the comprehensive emissivity is not lower than 0.9, the low-band emissivity (1-5 mu m) is not lower than 0.95, and the comprehensive performance is excellent.)
技术领域
本发明属于红外节能材料领域，涉及一种红外辐射涂料及其制备方法。
背景技术
我国燃料炉的工艺水平自改革开放以来，已经有了广泛的发展，但是燃料炉整体的利用率仍不高，平均热效率仅为30-45％，远低于发达国家的工业炉热效率(50％以上)。而我国资源紧缺，亟待需要推进工业炉先进节能技术，促进工业炉技术进步，特别是工业炉热效率的高低在产品的成本上能直接反映出来，影响产品的竞争力，因此提高和改进工业炉的热效率是工业炉行业发展的重中之重。
红外辐射涂料作为一种具有红外辐射能力的新型耐热保护涂料，主要起到节能降耗作用，在我国已广泛应用于冶金、石化、陶瓷、医药等行业领域，可以直接喷涂或者涂刷在各种工业锅炉、电站锅炉、火焰炉等炉体的受热面或炉体内侧，能够强化热源与受热面或受热体之间的辐射热交换，以达到提高炉子热利用率以及节约能源的目的。但由于目前高发射率红外涂层材料价格比较昂贵，大规模地应用于工业炉窑的成本很高，同时现有的红外辐射涂料耐热性能较差，因此亟需研究一种性能优良且生产和使用成本较低的红外辐射涂料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有高温条件下红外辐射涂料辐射性能较差、使用成本较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：红外辐射涂料，其主要制备原料按质量百分比为高炉渣90-95％、过渡金属氧化物A 5-10％；制备原料还包括过渡金属氧化物B和高温粘结剂，所述过渡金属氧化物B的质量为高炉渣和过渡金属氧化物A总质量的5-10％，所述高温粘结剂的质量为高炉渣、过渡金属氧化物A和过渡金属氧化物B总质量的5-10％。
上述高炉渣为以钒钛磁铁矿为原料的高炉冶炼后产生，其化学成分按质量百分比为CaO 20-30％，SiO2 19-32％，Al2O3 13-17％，TiO2 6-31％，MgO 7-9％，MnO2 0.3-1.2％，FeO 1.2-1.9％，及不可避免的杂质。
上述过渡金属氧化物A为CuO、CoO、Cr2O3、MnO2、ZrO2中的一种。
上述过渡金属氧化物B为CuO、CoO、Cr2O3、MnO2、ZrO2中除过渡金属氧化物A的一种。
上述高温粘结剂为水玻璃，模数为2.0-2.5。
上述红外辐射涂料的制备方法，包括如下步骤：
a.将高炉渣机械破碎至粒度-200目的占比≥80％，按质量百分比为高炉渣90-95％、过渡金属氧化物A 5-10％的比例将其混合后，在1000-1200℃下烧结1-3h后冷却，得到中间产物；
b.将中间产物A破碎至粒度-200目的占比≥80％，按中间产物A质量的5-10％加入过渡金属氧化物B充分混合，在1300-1400℃下烧结1-3h后冷却，将冷却后的产物破碎至-300目，得到红外辐射涂层粉料；
c.将红外辐射涂层粉料与高温粘结剂、热水充分混合，得到红外辐射涂料，其中高温粘结剂的加入量为红外辐射涂层粉料质量的5-10％。
上述步骤a中，所述高炉渣为以钒钛磁铁矿为原料的高炉冶炼后产生，其化学成分按质量百分比为CaO 20-30％，SiO2 19-32％，Al2O3 13-17％，TiO2 6-31％，MgO 7-9％，MnO20.3-1.2％，FeO 1.2-1.9％，及不可避免的杂质。
上述步骤a中，所述过渡金属氧化物A为CuO、CoO、Cr2O3、MnO2、ZrO2中的一种。
上述过渡金属氧化物B为CuO、CoO、Cr2O3、MnO2、ZrO2中除过渡金属氧化物A的一种。
上述步骤c中，所述高温粘结剂为水玻璃，模数为2.0-2.5。
本发明的有益效果是：本发明利用高炉渣成分中的TiO2、CaO与过渡金属氧化物在1000-1200℃的温度下进行高温固相熔融反应得到钙钛矿复合氧化物，能极大提高材料红外辐射性能；其次，通过高炉渣成分中的Al2O3、SiO2、MgO在1300-1400℃高温熔融状态下合成堇青石(Mg2Al4Si5O18)，然后利用过渡金属氧化物对堇青石改性，使其具有较强的红外辐射相应特性。
本发明制备方法利用钒钛冶炼过程的高炉渣有效成分掺混过渡金属氧化物，采用两步高温固相熔融反应制备杂项堇青石和钙钛矿复合氧化物，同时结合对高温粘结剂的控制配合制备得到堇青石-钙钛矿晶体即红外辐射涂料，这种晶体材料具有良好耐热性能和高发率，其软化温度不低于1400℃，高温粘结性较好，综合发射率不低于0.9，其低波段发射率(1-5μm)不低于0.95，综合性能优异，本发明利用冶金固废为原料制备得到红外辐射涂料，生产成本低廉，可大规模生产应用。
具体实施方式
本发明的技术方案，具体可以按照以下方式实施。
红外辐射涂料，其主要制备原料按质量百分比为高炉渣90-95％、过渡金属氧化物A5-10％；制备原料还包括过渡金属氧化物B和高温粘结剂，所述过渡金属氧化物B的质量为高炉渣和过渡金属氧化物A总质量的5-10％，所述高温粘结剂的质量为高炉渣、过渡金属氧化物A和过渡金属氧化物B总质量的5-10％。
上述红外辐射涂料的制备方法，包括如下步骤：
a.将高炉渣机械破碎至粒度-200目的占比≥80％，按质量百分比为高炉渣90-95％、过渡金属氧化物A 5-10％的比例将其混合后，在1000-1200℃下烧结1-3h后冷却，得到中间产物；
b.将中间产物A破碎至粒度-200目的占比≥80％，按中间产物A质量的5-10％加入过渡金属氧化物B充分混合，在1300-1400℃下烧结1-3h后冷却，将冷却后的产物破碎至-300目，得到红外辐射涂层粉料；
c.将红外辐射涂层粉料与高温粘结剂、热水充分混合，得到红外辐射涂料，其中高温粘结剂的加入量为红外辐射涂层粉料质量的5-10％。
上述步骤a中，所述高炉渣为以钒钛磁铁矿为原料的高炉冶炼后产生，其化学成分按质量百分比为CaO 20-30％，SiO2 19-32％，Al2O3 13-17％，TiO2 6-31％，MgO 7-9％，MnO20.3-1.2％，FeO 1.2-1.9％，及不可避免的杂质。
上述步骤a中，所述过渡金属氧化物A为CuO、CoO、Cr2O3、MnO2、ZrO2中的一种。
钙钛矿型复合氧化物ABO3是一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料，A位一般是稀土或碱土元素离子，B位为过渡元素离子，A位和B位皆可被半径相近的其他金属离子部分取代而保持其晶体结构基本不变。
而本发明采用的高炉渣成分中的TiO2、CaO在1000-1200℃高温条件下进行一次烧结时可以生成CaTiO3晶体，同时本发明利用过渡金属氧化物的金属离子在同等高温条件下与CaTiO3晶体反应，可以替代晶体中B位离子形成钙钛矿复合氧化物。钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构，尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能，杂质的引入致使晶格产生畸变，增强了晶格振动吸收，能极大提高材料红外辐射性能，尤其是短波段(1-5μm)。
上述步骤b中，所述过渡金属氧化物B为CuO、CoO、Cr2O3、MnO2、ZrO2中除过渡金属氧化物A的一种，即过渡金属氧化物A与过渡金属氧化物B为不同种。
其次，堇青石是一种环状硅酸盐矿物材料，其晶体结构为斜方晶系，内部硅氧四面体呈六元环状，并沿着c轴排列并形成一定的内部通道，内部通道内空间较大。由于这种不紧密的晶体结构，其内部离子容易产生非简谐振动致使晶格扭曲。其次这种非致密结构易被过渡金属元素所替代，进一步造成晶格畸变，加强晶格振动吸收。因此，其具有较高的红外辐射能力。此外，堇青石由于具有热稳定性能好、热膨胀系数小的优点，固被作为红外辐射材料的化学组成的骨架。
而本发明的高炉渣成分中的Al2O3、SiO2、MgO在1300-1400℃高温条件下进行二次烧结的时候，可以在高温熔融状态下合成堇青石(Mg2Al4Si5O18)，同时本发明再次加入的过渡金属氧化物可以替代堇青石的中的金属元素，在高温条件下改性堇青石，使其对称性变差，晶格振动的时偶极矩变化较大，具有较强的红外辐射相应特性。
水玻璃模数是水玻璃的重要参数，一般在1.5-3.5之间。水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大。因此优选的是，上述步骤c中，所述高温粘结剂为水玻璃，模数为2.0-2.5。本发明采用模数2.0-2.5的水玻璃，是为了工业规模化制备，采用热水进行混合有利于规模化制备，而模数太低不利于分解硬化，高温粘结性会变低，经过试验后确定2.0-2.5的范围。水玻璃的中氧化硅成分在炉内高温下能进一步的促进杂项堇青石-钙钛矿晶体的形成。
下面通过实际的例子对本发明的技术方案和效果做进一步的说明。
实施例
本发明提供一组采用本发明方法制备红外辐射涂料的实施例，本实施例中采用的高炉渣的化学成分按质量百分比为：CaO 20.2％，SiO2 27.1％，Al2O3 16.4％，TiO226.9％，MgO 7.1％，MnO2 0.8％，FeO 1.0％，及不可避免的杂质。
本发明制备红外辐射涂料的具体实验步骤如下：
a.将高炉渣机械破碎至粒度-200目的占比≥80％后，按照质量百分比将90％的高炉渣与10％的Cr2O3均匀混合，放入马弗炉中，在1100℃高温下进行焙烧，保温1h，随炉冷却后取出，得到样品A；
b.将样品A破碎至粒度-200目占比≥80％后，按照质量百分比将90％的样品A与10％的CoO均匀混合，放入马弗炉中，在1400℃高温下进行焙烧，保温1h，随炉冷却后取出，碎至-300目，得到红外辐射粉料；
c.按照质量百分比将90％的红外辐射粉料与10％的高温粘结剂混合，并加入热水进行搅拌，得到得到红外辐射涂料。
对实施例制备得到的红外辐射粉料和涂料进行检测，具体如下：
1、通过熔点仪和发射率测试仪对实施例制备得到的红外辐射粉料进行检测，结果为：其软化温度为＞1450℃，1-22μm波段内的平均发射率为0.91，其中1-5μm的短波段发射率在0.96。
2、将实施例制备得到的红外辐射涂料涂覆到基体表面，然后进行检测：
(1)将红外辐射涂料涂抹到装有500ml水的1L烧杯底部，然后在烧杯底部进行火焰加热；
(2)将红外辐射涂料涂抹到1块进行了抛光处理的300mm×300mm耐火砖上，放入马弗炉中，温度从常温升至1000℃，然后随炉冷却，重复25次，然后进行观察涂层形貌。
同时，本发明按专利CN101302365A、CN155279A中方法制备了涂料，同样进行(1)(2)的实验，作为对比例进行对比分析，实验结果如表1所示。
表1红外辐射涂料测试结果
由表1可知，采用本发明实施例制备的红外辐射涂料涂覆后的烧杯，将水加热至沸腾所需时间比没有涂覆的烧杯快了27％，比对比例中时间最短的CN101302365A-试样2快了12.5％，由此可知，采用本发明方法制备的红外辐射涂料具有优异的节能降耗性能；并且本发明实施例的红外辐射涂料进行25次热震实验后，高温粘结性良好，耐热温度为1480℃，平均发射率为0.91，综合性能优于同类产品。