一种硅酸锆复合陶瓷辊棒及其制备方法
阅读说明：本技术 一种硅酸锆复合陶瓷辊棒及其制备方法 (Zirconium silicate composite ceramic roller and preparation method thereof ) 是由 刘溧 钱东琴 章杰 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种硅酸锆复合陶瓷辊棒及其制备方法,该陶瓷辊棒由改性硅酸锆颗粒和强化纤维共混压制制得,改性硅酸锆颗粒通过改性剂处理,使岛状结构变形,[SiO-(4)]四面体和[ZrO-(8)]十二面体脱离。SiO-(2)-Al-(2)O-(3)复合氧化物具有更稳定的结构,通过添加剂的控制,使[SiO-(4)]四面体,[AlO-(6)]八面体在一定条件下形成紧密连接的球形结构,这种球形结构与[ZrO-(8)]十二面体重新复合,形成环[ZrO-(8)]十二面体岛状结构,硅酸锆的岛状结构不变,增加了辊棒的耐高温性、耐磨性、韧性,强化纤维表面的十七氟癸基层为疏水层,能够有效地防止陶瓷辊棒吸收空气中水分,避免了陶瓷辊棒在使用时出现裂痕。(The invention discloses a zirconium silicate composite ceramic roller and a preparation method thereof, the ceramic roller is prepared by blending and pressing modified zirconium silicate particles and reinforcing fibers, the modified zirconium silicate particles are treated by a modifier to deform island-shaped structures, [ SiO ] 4 ]Tetrahedra and [ ZrO ] 8 ]The dodecahedron is detached. SiO 2 2 ‑Al 2 O 3 The composite oxide has a more stable structure, and the [ SiO ] is controlled by the additive 4 ]Tetrahedron, [ AlO 6 ]Octahedron forms a tightly connected spherical structure under certain conditions, and the spherical structure is connected with [ ZrO ] 8 ]The dodecahedron is recombined to form the ring [ ZrO ] 8 ]Island-shaped structure of dodecahedron, island-shaped structure of zirconium silicateAnd the high temperature resistance, the wear resistance and the toughness of the roller rod are improved, and the heptadecafluorodecyl base layer on the surface of the reinforcing fiber is a hydrophobic layer, so that the ceramic roller rod can be effectively prevented from absorbing moisture in the air, and cracks are avoided when the ceramic roller rod is used.)
技术领域
本发明涉及辊棒制备技术领域，具体涉及一种硅酸锆复合陶瓷辊棒及其制备方法。
背景技术
辊道窑由于具有烧成温差小、烧成周期短、成品率高、能耗低和易于控制等特点，在建筑卫生陶瓷（尤其是墙地砖和卫生洁具）、日用瓷、特种陶瓷和铁氧体的生产，以及玻璃和金属退火等行业得到广泛应用。随着辊道窑应用范围的日益扩大，对辊道窑的制造技术和所使用的耐火材料的要求在不断提高。
在辊道窑中，辊棒是最关键的耐火材料，在窑炉中起着承载和传送产品的作用，即辊棒的强度和高温力学性能决定了辊道窑的使用温度与装载量，进而决定辊道窑的使用范围，因此研究制作辊棒使用的材料用以提高辊棒的性能是辊道窑得以进一步的推广应用的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅酸锆复合陶瓷辊棒及其制备方法，通过改性硅酸锆颗粒和强化纤维解决了现阶段使用的陶瓷辊棒，在高温条件下，自身机械性能降低的问题，同时由于自身吸水性较高，使得在高温下，陶瓷辊棒自身易出现裂纹。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种硅酸锆复合陶瓷辊棒，包括如下重量份原料：改性硅酸锆颗粒95-100份和强化纤维3-5份；
该硅酸锆复合陶瓷辊棒由如下步骤制成：
将改性硅酸锆颗粒、强化纤维、聚乙烯醇共混均匀后，在压强为25-35MPa的条件下，压制成型后，在温度为1570-1580℃的条件下，烧成保温2-3h，制得耐高温辊棒。
所述的改性硅酸锆颗粒由如下步骤制成：
步骤A1：将硅酸锆、改性剂、氯化钠水溶液混合均匀后，进行球磨3-5h，制得混合料；
步骤A2：将混合料在温度为1570-1580℃的条件下，烧成保温1-3h，得改性硅酸锆颗粒。
进一步的，所述的改性硅酸锆颗粒的尺寸为D50:1.6-2.0μm，D97:2.0-3.0μm，小于2μm的颗粒数量≥85%，改性硅酸锆颗粒的比表面积为5.0-10.0m2/c.c.。
进一步的，所述的改性剂包括如下原料：ZrO2≥64.0%、SiO2≤35.0%、Al2O3≤3.0%、CaO+MgO≤0.1%、K2O≤0.1%、Na2O≤0.1%、Fe2O3+TiO2≤0.5%。
进一步的，所述的强化纤维由如下步骤制成：
步骤B1：将过硫酸钾、五氧化二磷、浓硫酸加入反应釜中，在转速为200-300r/min，温度为80-90℃的条件下，进行搅拌至过硫酸钾和五氧化二磷完全溶解后，加入石墨，继续搅拌5-8h后，降温至温度为25-30℃，用去离子水洗涤至中性后，真空干燥，制得预氧化石墨，将预氧化石墨溶解于浓硫酸中，在温度为3-5℃的条件下，加入高锰酸钾，在温度为35-40℃的条件下，进行反应2-3h后，加入去离子水，静置5-10min后，加入双氧水，至反应液呈亮黄色，用去离子水洗涤至中性后，依次用丙酮和浓盐酸洗涤3次后，再次洗涤至中性后，真空干燥，制得氧化石墨烯；
步骤B2：将氧化石墨烯分散在去离子水中，在频率为40-60kHz的条件下，进行超声处理2-3h后，加入钛酸四丁酯和乙醇，在转速为200-300r/min的条件下，进行搅拌5-10min后，加入醋酸，在温度为60-70℃的条件下，进行反应2-3h后，过滤去除滤液，将滤饼在温度为500-550℃的条件下，进行焙烧2-3h，制得预改性石墨烯；
步骤B3：将预改性石墨烯分散在乙醇中，在转速为200-300r/min，温度为70-80℃的条件下，进行搅拌并加入十七氟癸基三乙氧基硅烷和去离子水，调节反应液pH值为3-4，进行反应2-4h后，过滤去除滤液，制得改性石墨烯，将碳纤维、过硫酸钾、硝酸银、去离子水加入反应釜中，在转速为150-200r/min，温度为80-90℃的条件下，进行反应2-3h后，加入乙二胺、改性石墨烯、1-羟基苯并三唑，在温度为50-60℃，频率为60-80kHz的条件下，超声处理3-4h后，过滤去除滤液，制得强化纤维。
进一步的，步骤B1所述的过硫酸钾、五氧化二磷、浓硫酸、石墨的用量比为1g:1g:5mL:0.5g，预氧化石墨、浓硫酸、高锰酸钾、去离子水、双氧水的用量比为1.5g:30mL:3g:50mL:3mL，浓硫酸的质量分数均为98%，浓盐酸的质量分数为36%，双氧水质量分数为30%。
进一步的，步骤B2所述的氧化石墨烯、去离子水、钛酸四丁酯、乙醇、醋酸的用量比为1g:80mL:6mL:30mL:5mL。
进一步的，步骤B3所述的预改性石墨烯和十七氟癸基三乙氧基硅烷的用量比为1g:3mL，碳纤维、过硫酸钾、硝酸银、去离子水、乙二胺、改性石墨烯、1-羟基苯并三唑的用量比为1g:2g:2g:20mL:1.5mL:0.8g:1.2g。
本发明的有益效果：
本发明制备的一种硅酸锆复合陶瓷辊棒由改性硅酸锆颗粒和强化纤维共混压制制得，改性硅酸锆颗粒通过改性剂处理，使岛状结构变形，[SiO4]四面体和[ZrO8]十二面体脱离。SiO2-Al2O3复合氧化物具有更稳定的结构，通过添加剂的控制，使[SiO4]四面体，[AlO6]八面体在一定条件下形成紧密连接的球形结构，这种球形结构与[ZrO8]十二面体重新复合，形成环[ZrO8]十二面体岛状结构，硅酸锆的岛状结构不变，增加了辊棒的耐高温性、耐磨性、韧性，并制备了强化纤维，该强化纤维以石墨为原料进行氧化处理，制得氧化石墨烯，将氧化石墨烯用钛酸四丁酯进行处理，使得氧化石墨烯表面镶嵌由纳米二氧化钛，制得预改性石墨烯，再用十七氟癸基三乙氧基硅烷水解与改性石墨烯上纳米二氧化钛表面的活性羟基反应，使得表面形成十七氟癸基层，再将碳纤维进行处理，制得氧化碳纤维，用乙二胺将氧化碳纤维和改性石墨烯交联共混，制得强化纤维，该强化纤维进一步的提升了陶瓷辊棒韧性，同时表面的十七氟癸基层为疏水层，能够有效地防止陶瓷辊棒吸收空气中水分，避免了陶瓷辊棒在使用时出现裂痕。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种硅酸锆复合陶瓷辊棒，包括如下重量份原料：改性硅酸锆颗粒95份和强化纤维3份；
该硅酸锆复合陶瓷辊棒由如下步骤制成：
将改性硅酸锆颗粒、强化纤维、聚乙烯醇共混均匀后，在压强为25MPa的条件下，压制成型后，在温度为1570℃的条件下，烧成保温2h，制得耐高温辊棒。
改性硅酸锆颗粒由如下步骤制成：
步骤A1：将硅酸锆、改性剂、氯化钠水溶液混合均匀后，进行球磨3h，制得混合料；
步骤A2：将混合料在温度为1570℃的条件下，烧成保温1h，得改性硅酸锆颗粒。
改性剂包括如下原料：ZrO2 64.0%、SiO2 35.0、Al2O3 0.2%、CaO+MgO 0.1%、K2O0.1%、Na2O 0.1%、Fe2O3+TiO2 0.5%。
强化纤维由如下步骤制成：
步骤B1：将过硫酸钾、五氧化二磷、浓硫酸加入反应釜中，在转速为200r/min，温度为80℃的条件下，进行搅拌至过硫酸钾和五氧化二磷完全溶解后，加入石墨，继续搅拌5h后，降温至温度为25℃，用去离子水洗涤至中性后，真空干燥，制得预氧化石墨，将预氧化石墨溶解于浓硫酸中，在温度为3℃的条件下，加入高锰酸钾，在温度为35℃的条件下，进行反应2h后，加入去离子水，静置5min后，加入双氧水，至反应液呈亮黄色，用去离子水洗涤至中性后，依次用丙酮和浓盐酸洗涤3次后，再次洗涤至中性后，真空干燥，制得氧化石墨烯；
步骤B2：将氧化石墨烯分散在去离子水中，在频率为40kHz的条件下，进行超声处理2h后，加入钛酸四丁酯和乙醇，在转速为200r/min的条件下，进行搅拌5min后，加入醋酸，在温度为60℃的条件下，进行反应2h后，过滤去除滤液，将滤饼在温度为500℃的条件下，进行焙烧2h，制得预改性石墨烯；
步骤B3：将预改性石墨烯分散在乙醇中，在转速为200r/min，温度为70℃的条件下，进行搅拌并加入十七氟癸基三乙氧基硅烷和去离子水，调节反应液pH值为3，进行反应2h后，过滤去除滤液，制得改性石墨烯，将碳纤维、过硫酸钾、硝酸银、去离子水加入反应釜中，在转速为150r/min，温度为80℃的条件下，进行反应2h后，加入乙二胺、改性石墨烯、1-羟基苯并三唑，在温度为50℃，频率为60kHz的条件下，超声处理3h后，过滤去除滤液，制得强化纤维。
实施例2
一种硅酸锆复合陶瓷辊棒，包括如下重量份原料：改性硅酸锆颗粒98份和强化纤维4份；
该硅酸锆复合陶瓷辊棒由如下步骤制成：
将改性硅酸锆颗粒、强化纤维、聚乙烯醇共混均匀后，在压强为30MPa的条件下，压制成型后，在温度为1575改性硅酸锆颗粒由如下步骤制成：
步骤A1：将硅酸锆、改性剂、氯化钠水溶液混合均匀后，进行球磨4h，制得混合料；
步骤A2：将混合料在温度为1575℃的条件下，烧成保温2h，得改性硅酸锆颗粒。
改性剂包括如下原料：ZrO2 76.2%、SiO2 20.0%、Al2O3 3.0%、CaO+MgO 0.1%、K2O0.1%、Na2O 0.1%、Fe2O3+TiO2 0.5%。
强化纤维由如下步骤制成：
步骤B1：将过硫酸钾、五氧化二磷、浓硫酸加入反应釜中，在转速为300r/min，温度为85℃的条件下，进行搅拌至过硫酸钾和五氧化二磷完全溶解后，加入石墨，继续搅拌6h后，降温至温度为28℃，用去离子水洗涤至中性后，真空干燥，制得预氧化石墨，将预氧化石墨溶解于浓硫酸中，在温度为4℃的条件下，加入高锰酸钾，在温度为38℃的条件下，进行反应2.5h后，加入去离子水，静置8min后，加入双氧水，至反应液呈亮黄色，用去离子水洗涤至中性后，依次用丙酮和浓盐酸洗涤3次后，再次洗涤至中性后，真空干燥，制得氧化石墨烯；
步骤B2：将氧化石墨烯分散在去离子水中，在频率为50kHz的条件下，进行超声处理2.5h后，加入钛酸四丁酯和乙醇，在转速为200r/min的条件下，进行搅拌8min后，加入醋酸，在温度为65℃的条件下，进行反应2.5h后，过滤去除滤液，将滤饼在温度为530℃的条件下，进行焙烧2.5h，制得预改性石墨烯；
步骤B3：将预改性石墨烯分散在乙醇中，在转速为300r/min，温度为75℃的条件下，进行搅拌并加入十七氟癸基三乙氧基硅烷和去离子水，调节反应液pH值为4，进行反应3h后，过滤去除滤液，制得改性石墨烯，将碳纤维、过硫酸钾、硝酸银、去离子水加入反应釜中，在转速为180r/min，温度为85℃的条件下，进行反应2.5h后，加入乙二胺、改性石墨烯、1-羟基苯并三唑，在温度为55℃，频率为70kHz的条件下，超声处理3.5h后，过滤去除滤液，制得强化纤维。
实施例3
一种硅酸锆复合陶瓷辊棒，包括如下重量份原料：改性硅酸锆颗粒100份和强化纤维5份；
该硅酸锆复合陶瓷辊棒由如下步骤制成：
将改性硅酸锆颗粒、强化纤维、聚乙烯醇共混均匀后，在压强为35MPa的条件下，压制成型后，在温度为1580℃的条件下，烧成保温3h，制得耐高温辊棒。
改性硅酸锆颗粒由如下步骤制成：
步骤A1：将硅酸锆、改性剂、氯化钠水溶液混合均匀后，进行球磨5h，制得混合料；
步骤A2：将混合料在温度为1580℃的条件下，烧成保温3h，得改性硅酸锆颗粒。
改性剂包括如下原料：ZrO2 87.2%、SiO2 10.0%、Al2O3 2.0%、CaO+MgO 0.1%、K2O0.1%、Na2O 0.1%、Fe2O3+TiO2 0.5%。
强化纤维由如下步骤制成：
步骤B1：将过硫酸钾、五氧化二磷、浓硫酸加入反应釜中，在转速为300r/min，温度为90℃的条件下，进行搅拌至过硫酸钾和五氧化二磷完全溶解后，加入石墨，继续搅拌8h后，降温至温度为30℃，用去离子水洗涤至中性后，真空干燥，制得预氧化石墨，将预氧化石墨溶解于浓硫酸中，在温度为5℃的条件下，加入高锰酸钾，在温度为40℃的条件下，进行反应3h后，加入去离子水，静置10min后，加入双氧水，至反应液呈亮黄色，用去离子水洗涤至中性后，依次用丙酮和浓盐酸洗涤3次后，再次洗涤至中性后，真空干燥，制得氧化石墨烯；
步骤B2：将氧化石墨烯分散在去离子水中，在频率为60kHz的条件下，进行超声处理3h后，加入钛酸四丁酯和乙醇，在转速为300r/min的条件下，进行搅拌10min后，加入醋酸，在温度为70℃的条件下，进行反应3h后，过滤去除滤液，将滤饼在温度为550℃的条件下，进行焙烧3h，制得预改性石墨烯；
步骤B3：将预改性石墨烯分散在乙醇中，在转速为300r/min，温度为80℃的条件下，进行搅拌并加入十七氟癸基三乙氧基硅烷和去离子水，调节反应液pH值为4，进行反应4h后，过滤去除滤液，制得改性石墨烯，将碳纤维、过硫酸钾、硝酸银、去离子水加入反应釜中，在转速为200r/min，温度为90℃的条件下，进行反应3h后，加入乙二胺、改性石墨烯、1-羟基苯并三唑，在温度为60℃，频率为80kHz的条件下，超声处理4h后，过滤去除滤液，制得强化纤维。
对比例1
本对比例与实施例1相比用硅酸锆颗粒代替改性硅酸锆颗粒，其余步骤相同。
对比例2
本对比例与实施例1相比用碳纤维代替强化纤维，其余步骤相同。
对比例3
本对比例为中国专利CN108975923A公开的陶瓷棍棒。
将实施例1-3和对比例1-3辊棒依照GB/T 4741-1999的标准，在温度为1200、1300、1400℃的环境下检测抗弯曲强度，在空气湿度50%的环境下，快速升温至1200℃再降至室温，循环20、30、50次，观察陶瓷辊棒是否出现裂纹，结果如下表所示；
实施例1
实施例2
实施例3
对比例1
对比例2
对比例3
1200℃下抗弯曲强度（MPa）
56
55
57
42
37
47
1300℃下抗弯曲强度（MPa）
57
56
57
38
31
45
1400℃下抗弯曲强度（MPa）
57
57
56
35
28
36
循环20次
未出现裂纹
未出现裂纹
未出现裂纹
出现裂纹
出现裂纹
未出现裂纹
循环30次
未出现裂纹
未出现裂纹
未出现裂纹
出现裂纹
出现裂纹
出现裂纹
循环50次
未出现裂纹
未出现裂纹
未出现裂纹
出现裂纹
出现裂纹
出现裂纹
由上表可知实施例1-3制得的陶瓷辊棒在温度分别为1200、1300、1400℃下的抗弯曲强度均未出现明显变化，而对比例1-3均出现了明显下降，同时在空气湿度高的情况下，突然加热不会对实施例1-3制得的陶瓷辊棒造成影响，表明本发明具有很好机械性能，且不会吸水。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
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