一种耐高温反红外热辐射节能涂料的制备方法

摘要

本发明公开了一种耐高温反红外热辐射节能涂料的制备方法，将无机晶须或/和纤维材料加入到含钛、钾元素的溶胶中，搅拌均匀，形成浆料，然后将浆料涂覆于隔热材料、耐火材料或保温材料的表面，在200℃～700℃下烧结0.5～5h，形成厚度为0.1～5mm的致密涂层；其中无机晶须或/和纤维材料在浆料中的含量为5～70wt％。该法制得的厚度为0.1～5mm的致密涂层在400℃～1200℃温度范围内，对波长500～2500nm的红外热辐射反射率大于90％，在1000℃进行热震稳定性检验，经过5次试验后，无裂纹出现。

说明书

技术领域

本发明属于隔热涂料领域，具体涉及一种可以反射高温下的红外热辐射的隔热涂层的制备方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源需求量日益增大，能源短缺已成为经济发展的重要制约因素。工业窑炉是工业生产中的主要能耗设备，每年消耗数量巨大的能源。尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业中的加热过程中，工业炉窑的能耗可占总能耗的40～70％^[1]。截止到2007年，我国共有各类工业炉约12万台，年总耗能达2.5亿tce，约占全国总能耗的1/4，占工业总能耗的60％。虽然我国工业炉技术自改革开放以来有了长足的进步，但工业炉的能源利用总体水平不高，仅相当于发达国家50～60年代的水平，工业炉的热效率平均不到30％，而国际上工业炉的热效率平均为50％以上^[2]。

当工业窑炉温度大于400℃时，以红外辐射传热为主。而红外热反射涂层对辐射中的红外波段具有高反射比，能抑制涂层表面温度上升并同时降低覆盖物内部温度，从而起到隔热和节能作用。

钛酸钾最初被美国航空航天管理局(NASA)用作土星火箭喷嘴的耐高温隔热材料^[3-4]，其中用到很高份额的硅溶胶，而硅溶胶红外反射率低，会减弱钛酸钾对热辐射的反射效果。由附图1^[4]可以看出，专利USA：US3296060发明的隔热材料的红外反射率(曲线B)和专利USA：US3551266发明的隔热材料的红外反射率(曲线A)在1200nm～2200nm的波段开始下降。HughGulledge的研究表明当将钛酸钾纤维做成厚度为2.54mm的垫片时，对波长900～2400nm的反射率为91.6％。将用钛酸钾纤维作隔热材料的特殊马弗炉与用耐火砖作隔热材料的标准马弗炉做比较，结果表明只要用标准马弗炉隔热材料1/3的厚度，用钛酸钾纤维做隔热材料的特殊马弗炉就可以节省约2/3的总体积，从21℃升温到1000℃的时间是标准马弗炉的1/6，在1038℃保温时消耗的能量只有标准马弗炉的1/2左右^[5]。但以上用到的钛酸钾纤维要求长度必须大于0.5mm，否则难以成形。然而这类钛酸钾长纤维需要在钼酸盐(M₂MoO₄)熔盐或钨酸盐(M₂WO₄)熔盐中才能生成^[6]，由于钼酸盐(M₂MoO₄)、钨酸盐(M₂WO₄)价格昂贵，所生产的钛酸钾长纤维价格超过10万元/吨；而目前国内生产的钛酸钾价格低于5万元/吨，长度仅有10～100μm^[7-8]，不利于成形，从而制约了其在隔热方面的工业化应用。

专利CN1995250A公开了一种耐高温隔热保温涂料^[9]，该涂料以有机硅树脂为基体，长期使用温度为只有600℃，不能满足一般工业窑炉的高温要求。

含有钛、钾元素的溶胶，当钛钾比为一定值时可以通过热处理原位生长为纯钛酸钾。钱清华等以Ti(n-OC₄H₉)₄和CH₃COOK为前驱体，按照不同钛酸钾分子组成中的钛钾比例配制了不同钛钾比例的溶胶。TiO₂/K₂O＝2，4，6(摩尔比)的Ti(n-OC₄H₉)₄-CH₃COOK溶胶，通过涂膜，经过热处理可以得到系列钛酸钾薄膜^[10-12]。但这种方法制得的钛酸钾薄膜厚度仅有300nm、结晶度和强度都较低，被用作电极材料；若作为隔热涂层使用，由于厚度太薄，则红外反射率低，只有20％；若直接用钛酸钾溶胶制成厚度超过100μm的涂层，在1000℃进行热震稳定性检验，经1次试验后便开裂、剥落，不能使用。

发明内容

由于当温度大于400℃时，辐射传热方式为主导传热方式，本发明的目的是为了克服现有的反红外热辐射涂料不能充分满足既耐高温(400～1200℃)，又对红外辐射具有高反射率的缺点，提供一种耐高温反红外热辐射节能涂料的制备方法。该法制得的厚度为0.1～5mm的致密涂层在400℃～1200℃温度范围内，对波长500～2500nm的红外热辐射反射率大于90％，在1000℃进行热震稳定性检验，经过5次试验后，无裂纹出现。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种耐高温反红外热辐射节能涂料的制备方法，将无机晶须或/和纤维材料加入到含钛、钾元素的溶胶中，搅拌均匀，形成浆料，然后将浆料涂覆于隔热材料、耐火材料或保温材料的表面，在200℃～700℃下烧结0.5～5h，形成厚度为0.1～5mm的致密涂层(原位生长)；其中无机晶须或/和纤维材料在浆料中的含量为5～70wt％。

本发明的致密涂层在400℃～1200℃温度范围内，对波长500～2500nm的红外热辐射反射率大于90％。该涂层在1000℃进行热震稳定性检验，经过5次试验后，无裂纹出现。

其中无机晶须选自TiO₂晶须、六钛酸钾晶须、八钛酸钾晶须、NaFeTiO₄晶须、六钛酸钠晶须、钛酸钙晶须、钛酸铝晶须、镁盐晶须或碳化硅晶须中的一种或几种；无机晶须的长度为10～100μm。

纤维材料选自氧化铝纤维、氧化硅纤维、氧化镁纤维、氧化铍纤维、氧化铬纤维、氧化锆纤维、硼纤维、硅酸铝纤维、高铝纤维、莫来石纤维、镁橄榄石纤维、SiO₂-CaO-MgO系纤维或Al₂O₃-CaO系纤维中的一种或几种；纤维材料的长度为0.1～2mm。

含钛、钾元素的溶胶，文献中已有报道，其含钛、钾元素的量以TiO₂、K₂O计，摩尔比为TiO₂∶K₂O＝8～2∶1，优选摩尔比为TiO₂∶K₂O＝2、4、6或8∶1。

本发明的有益效果：

1、本发明制得的涂层对400℃～1200℃的高温热辐射具有独特的高反射率，对波长500～2500nm的红外热辐射反射率大于90％。由于当炉膛温度高于400℃时炉膛内的能量为高品位的能量，本涂层可以直接涂于炉膛内壁也可涂于耐火砖表面以节约高品位的热能；使炉窑更快达到热稳态，利于提高炉窑中产品的烧结质量；

2、本涂层长期使用温度可高达1000℃，瞬时使用温度可达1200℃；

3、本涂层的无机晶须或纤维材料可使涂层粘附性增强、厚度可调，抗开裂能力和红外反射性能显著提高，使用寿命长。在1000℃进行热震稳定性检验，经5次试验后仍无裂纹出现，满足行业标准YB/T 134-1998；

4、本方法具有施工简便的优势，对于狭窄空间或不易到达的角落有很好的适用性，可以与其他耐火材料组合使用，发挥各自的优势；

5、本涂层的钛酸钾，耐酸碱腐蚀，强度高，可在酸性或碱性气氛的炉窑中使用；

6、本涂层的厚度、耐高温、高反射率的性能使之能够完全适应工业应用。

附图说明

图1是以硅溶胶为溶剂的隔热材料的红外反射率曲线图。

图中B为US3296060的隔热材料的红外反射率曲线，A为US3551266的隔热材料的红外反射率曲线。

图2为实施例1所得涂层的红外反射率图谱。

具体实施方式

实施例1：

将晶须长度10～50μm的六钛酸钾晶须加入到含钛、钾元素的溶胶中，钛、钾元素含量以TiO₂、K₂O计，TiO₂∶K₂O＝6∶1(摩尔比)，搅拌均匀，形成浆料，浆料中晶须的含量为40wt％；将浆料涂覆于传统耐火材料表面，在500℃烧结0.5h，形成厚度为2mm的涂层。用lambda 950型紫外-可见分光光度计对涂层在波长300～2500nm的反射率进行测试，结果如附图2所示，该涂层对波长500～2500nm的反射率大于96％，且在整个波长范围内并无衰减，而附图1中专利USA：US3296060发明的隔热材料的红外反射率(曲线B)和专利USA：US3551266发明的隔热材料的红外反射率(曲线A)在1200nm～2200nm的波段开始下降。结果表明本发明的隔热涂层效果优于附图1中的材料。本发明的涂层在1000℃进行热震稳定性检验，经过15次试验后，出现细微裂纹。

其他实施例按实施例1的方法，各例的原料组成、烧成制度及最终涂层性能如表1所示。

对比例按实施例1的方法，各例的原料组成、烧成制度及最终涂层性能如表2所示。

表1

  其他  实施  例  无机晶须或纤维材料  (wt％)  含钛、钾  溶胶  TiO₂  /K₂O  烧结温  度及时  间  涂层厚  度  mm  红外反  射率  1000℃  热震稳  定性，次  实施  例2  硅酸铝纤维5％(0.1～1  mm)  8  600℃  1h  0.1  91％  6  实施  例3  TiO₂晶须15％(10～20  μm)；  钛酸钙晶须20％  (20～50μm)  2  700℃  5h  3  96％  8

  其他  实施  例  无机晶须或纤维材料  (wt％)  含钛、钾  溶胶  TiO₂  /K₂O  烧结温  度及时  间  涂层厚  度  mm  红外反  射率  1000℃  热震稳  定性，次  实施  例4  NaFeTiO₄晶须10％  (10～50μm)；  氧化镁纤维15％  (0.5～1.5mm)  4  200℃  3h  5  97％  9  实施  例5  氧化铝纤维10％  (0.1～2mm)；  氧化硅纤维10％  (0.1～0.5mm)；  硼纤维20％  (1～2mm)  5.5  400℃  3h  2.5  94％  9  实施  例6  六钛酸钠晶须25％  (40～100μm)；  莫来石纤维20％  (0.5～1mm)；  Al₂O₃-CaO系纤维  5％  (0.1～1mm)  5  500℃  2h  2  95％  10  实施  例7  氧化铍纤维10％  (0.4～0.8mm)；  碳化硅晶须5％  (10～50μm)；  八钛酸钾晶须20％  (10～100μm)  7  610℃  1.5h  1.5  93％  15  实施  例8  氧化锆纤维15％  (0.5～2mm)；  钛酸铝晶须5％  (10～50μm)；  镁橄榄石纤维10％  (0.1～1.5mm)  6  450℃  3h  4.5  97％  10

  其他  实施  例  无机晶须或纤维材料  (wt％)  含钛、钾  溶胶  TiO₂  /K₂O  烧结温  度及时  间  涂层厚  度  mm  红外反  射率  1000℃  热震稳  定性，次  实施  例9  氧化铬纤维15％  (0.1～1mm)；  镁盐晶须6％  (50～100μm)；  高铝纤维14％  (0.4～1.2mm)；  SiO₂-CaO-MgO系纤维  35％  (1～1.5mm)  3  350℃  4h  0.8  93％  12

表2

  比较  例  无机晶须或纤维材  料(wt％)  含钛、钾溶胶  TiO₂/K₂O  烧结温度  及时间  涂层厚  度  mm  红外反  射率  1000℃热  震稳定性，  次  比较  例1  0  6  600℃  2h  0.0003  18％  1  比较  例2  六钛酸钠晶须3％  (5～20μm)  2  700℃  5h  0.5  70％  3  比较  例3  NaFeTiO₄晶须10％  (10～20μm)；  氧化铝纤维10％  (2～4mm)  4  200℃  3h  0.05  78％  4

  比较  例  无机晶须或纤维材  料(wt％)  含钛、钾溶胶  TiO₂/K₂O  烧结温度  及时间  涂层厚  度  mm  红外反  射率  1000℃热  震稳定性，  次  比较  例4  镁盐晶须10％  (80～120μm)  氧化硅纤维10％  (50～100μm)  硼纤维20％  (0.1～1mm)  5.5  100℃  3h  2.5  60％  2

对比例中，比较例1是按照参考文献[12]中报道的方法制成的六钛酸钾纳米薄膜；比较例2中无机晶须含量低于本发明要求的最低值5％；比较例3涂层的厚度小于本发明要求的最低值0.1mm；比较例4的烧结温度低于本发明要求的最低值200℃。由性能比较结果可以看出，比较例中涂层的红外反射率及抗热震性都低于实施例的。

参考文献

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