一種低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于輕質(zhì)隔熱材料領(lǐng)域，具體涉及一種低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，能源的消耗與日倶增，能源危機(jī)日益突出，國(guó)家對(duì)于高能耗企業(yè)合理利用和節(jié)約能源提出越來(lái)越高的要求;在電解鋁行業(yè)，已開始推廣低溫低電壓電解技術(shù)，鋁電解槽都要進(jìn)行節(jié)能改造;新型節(jié)能鋁電解槽要求側(cè)壁外使用具有優(yōu)異保溫性能的隔熱材料，按照設(shè)計(jì)要求，側(cè)壁隔熱材料的熱導(dǎo)率在1273K時(shí)要低于0.25W/(m.K);目前我國(guó)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)的節(jié)能鋁電解槽保溫層使用的隔熱材料為硅酸鋁纖維板和蛭石板，它們都具有低密度、低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，保溫效果好，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)隔熱材料逐漸被電解鋁產(chǎn)生的冰晶石蒸汽侵蝕，其保溫效果逐漸變差;這導(dǎo)致電解槽的熱效率降低，工作狀況隨之惡化，一段時(shí)間后即不能滿足設(shè)計(jì)最低要求，必須停爐更換隔熱材料，大大降低了電解鋁的生產(chǎn)效率并使其成本升高。因此，研發(fā)節(jié)能鋁電解槽用抗冰晶石侵蝕型長(zhǎng)壽隔熱材料具有迫切的需求和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]氮化硅和碳化硅具有抗冰晶石熔體侵蝕性能好的優(yōu)點(diǎn)，是鋁電解槽側(cè)壁材料的主要組分；申請(qǐng)人在申請(qǐng)?zhí)枮?01310004557.8的專利中提出一種低熱導(dǎo)率氮化硅結(jié)合碳化硅的制備方法，以金屬硅粉和碳化硅粉為原料制備氮化硅結(jié)合碳化硅多孔陶瓷，其保溫性能較好、耐腐蝕性優(yōu)異；由于氮化硅和碳化硅是極易導(dǎo)熱的材料，若要使其熱導(dǎo)率降低至滿足新型節(jié)能鋁電解槽的使用要求，必須使其氣孔率極高，但這樣會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度很低，生產(chǎn)、運(yùn)輸及使用過程中極易破損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明基于目前鋁電解槽用隔熱材料存在的技術(shù)問題，提出一種低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明為完成上述目的采用如下技術(shù)方案:
一種低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料的制備方法，所述的制備方法以金屬硅粉和阻礙熱量傳遞的遮光劑為主要原料，并引入大量氣孔，之后在氮化助劑作用下進(jìn)行氮化，使金屬硅轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟枥w維，纖維間彌散分布著遮光劑顆粒，形成一種低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料，具體步驟如下:
具體步驟如下:
I)穩(wěn)定楽料的配制:
將金屬硅粉、遮光劑、氮化助劑、分散劑、水、單體、交聯(lián)劑球磨混合均勻，得到穩(wěn)定的金屬硅漿料;金屬硅粉的加入量占粉體質(zhì)量的60%?90%、遮光劑的的加入量占粉體質(zhì)量的10%?40%;氮化助劑、分散劑、水、單體、交聯(lián)劑的加入量分別為粉體質(zhì)量的1~5%、0.002-0.02倍、0.2?I 倍、0.02?0.2 倍、0.002?0.02 倍； 2 )多孔坯體的制備成型:
在步驟I)所得的金屬硅漿料中加入發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑攪拌發(fā)泡，或者在步驟I)所得的金屬硅漿料中加入造孔劑，使金屬硅漿料體積增大2?4倍;然后再在體積增大后的金屬硅漿料中加入引發(fā)劑和催化劑，并快速澆注于模具之中，靜置待其固化成型后脫模，得到多孔生坯；
3)干燥
將步驟2)所制得的多孔生坯先自然放置干燥3-10天，再放入烘箱升溫至120°C干燥6h，除去其中的自由水，得到干燥的坯體；
4)氮化燒結(jié)
將步驟3)所制得的干燥坯體放入氮化爐中，進(jìn)行氮化燒結(jié)，即在氮?dú)鈿夥障?，升溫?300?14500C，保溫4?20h，得到低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料。
[0006]所述金屬娃粉的平均粒徑在I?100微米。
[0007]所述的遮光劑為硅酸鋯粉、氧化鋯粉、氧化鈦粉、六鈦酸鉀晶須中的一種，遮光劑的平均粒徑在0.1?10微米。
[0008]所述氮化助劑為鐵粉、鐵鹽、鎳鹽中的一種。
[0009]所述分散劑為聚乙二醇、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、四甲基氫氧化銨中的一種。
[0010]所述單體為丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、羧甲基丙烯酰胺中的一種。
所述的交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酰胺、丙烯基丙烯酸甲酯中的一種。
[0011]所述發(fā)泡劑為十二烷基溴化銨、十二烷基硫酸銨、檸檬酸銨中的一種。
[0012]所述的穩(wěn)泡劑為聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、蛋白、多肽、淀粉、纖維素中的一種。
[0013]發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑的加入量分別為粉體質(zhì)量的0.02-0.2倍、0.01?0.1倍。
[0014]所述造孔劑為聚苯乙烯球、塑料球、碳粉、鋸末中的一種;加入量依據(jù)漿料體積增大至所需倍數(shù)時(shí)停止加入造孔劑即可。
[0015]所述引發(fā)劑為過硫酸銨。
[0016]所述的催化劑為N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。
[0017]所述的引發(fā)劑和催化劑加入量分別為粉體質(zhì)量的0.05-0.5倍、0.05-0.5倍。
[0018]所述干燥工藝為先自然放置干燥3-10天，然后放入烘箱升溫至120°C分別干燥6h。
[0019]所述氮化工藝為在氮?dú)鈿夥障?，升溫?300?1450°C，保溫4?20h。
[0020]本發(fā)明的一種低熱導(dǎo)率氮化硅隔熱材料的制備方法，采用上述技術(shù)方案，具有如下特點(diǎn):
1、本發(fā)明添加氮化助劑促使金屬硅轉(zhuǎn)化為α相氮化硅纖維，纖維結(jié)構(gòu)互相交織，使其具有較高強(qiáng)度和優(yōu)異的熱震性;氮化硅材質(zhì)使其具有優(yōu)異的抗冰晶石侵蝕性，可用于新型節(jié)能招電解槽。
[0021]2、本發(fā)明添加具有阻礙熱量傳遞作用的遮光劑細(xì)粉，使其彌散分布于纖維中，阻礙熱量在纖維間的傳遞，大大降低隔熱材料的熱導(dǎo)率。
[0022]3、本發(fā)明的氮化燒結(jié)過程在普通氮化窯爐中即可完成，工藝成熟簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)且成本低。
[0023]4、本發(fā)明的制備方法中使用的主要原料為金屬硅粉，不需要價(jià)格昂貴的氮化硅粉，成本低，拓展了氮化硅材料的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制樣品斷面的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0025]結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以說(shuō)明:
實(shí)施例1
將0.9單位金屬硅粉、0.1單位硅酸鋯粉、0.05單位鐵粉作為氮化助劑、0.002單位三聚磷酸鈉作為分散劑、0.2單位水、0.02單位丙烯酰胺作為單體、0.002單位亞甲基雙丙烯酰胺做為交聯(lián)劑放入球磨罐中，以轉(zhuǎn)速30r/min球磨混合600min，得到穩(wěn)定的楽料；然后加入
0.02單位十二烷基溴化銨作為發(fā)泡劑、0.01單位聚丙烯酰胺作為穩(wěn)泡劑，以轉(zhuǎn)速60r/min繼續(xù)球磨發(fā)泡，使其體積增大2倍;再加入0.05單位的引發(fā)劑過硫酸銨和0.05單位的催化劑N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，并快速澆注于管型模具之中，靜置一段時(shí)間后固化成型；之后脫模得到試樣坯體，先自然放置干燥3天，再放在烘箱中升溫至120°C干燥6h，除去坯體中的自由水，得到干燥的坯體;最后將干燥的坯體放入氮?dú)鈿夥崭G爐之中，TC/min升溫至1300°C并保溫20h，得到硅酸鋯顆粒彌散分布于氮化硅纖維間隙的隔熱材料，其氣孔率為60%，熱導(dǎo)率為0.4W/(M.K)，耐壓強(qiáng)度為50MPa;該實(shí)施例所制樣品斷面的掃描電子顯微鏡照片如圖1所示。
[0026]實(shí)施例2
將0.8單位金屬硅粉、0.2單位硅酸鋯粉、0.04單位鐵鹽、0.02單位聚乙烯醇作為分散劑、I單位水、0.2單位丙烯酰胺作為單體、0.02單位亞甲基雙丙烯酰胺做為交聯(lián)劑放入球磨罐中，以轉(zhuǎn)速10r/min球磨混合60min，得到穩(wěn)定的楽料;然后加入0.2單位十二燒基溴化錢作為發(fā)泡劑、0.1單位聚乙烯醇作為穩(wěn)泡劑，以轉(zhuǎn)速30r/min繼續(xù)球磨發(fā)泡，使其體積增大4倍;再加入0.5單位的引發(fā)劑過硫酸銨和0.5單位的催化劑N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，并快速澆注于管型模具之中，靜置一段時(shí)間后固化成型;之后脫模得到試樣坯體，先自然放置干燥10天，再放在烘箱中升溫至120°C干燥6h，除去坯體中的自由水，得到干燥的坯體;最后將干燥的坯體放入氮?dú)鈿夥崭G爐之中，l°C/min升溫至1300°C并保溫5h，得到硅酸鋯顆粒彌散分布于氮化硅纖維間隙的隔熱材料，其氣孔率為90%，熱導(dǎo)率為0.15W/(M.K)，耐壓強(qiáng)度為4MPa0
[0027]實(shí)施例3
將0.7單位金屬硅粉、0.3單位硅酸鋯粉、0.03單位鎳鹽為氮化助劑、0.002單位六偏磷酸鈉作為分散劑、0.8單位水、0.02單位丙烯酰胺作為單體、0.002單位亞甲基雙丙烯酰胺做為交聯(lián)劑放入容器中，以轉(zhuǎn)速100r/min機(jī)械攪拌混合600min，得到穩(wěn)定的楽料;然后加入
0.15單位十二烷基溴化銨作為發(fā)泡劑、0.08單位聚乙烯醇作為穩(wěn)泡劑，以轉(zhuǎn)速30r/min繼續(xù)球磨發(fā)泡，使其體積增大3倍;再加入0.05單位的引發(fā)劑過硫酸銨和0.05單位的催化劑N ,N，N’，N’ -四甲基乙二胺，并快速澆注于管型模具之中，靜置一段時(shí)間后固化成型；之后脫模得到試樣坯體，先自然放置干燥3天，再放在烘箱中升溫至120°C干燥6h，除去坯體中的自由水，得到干燥的坯體;最后將干燥的坯體放入氮?dú)鈿夥崭G爐之中，TC/min升溫至1450°C并保溫20h，得到硅酸鋯顆粒彌散分布于氮化硅纖維間隙的隔熱材