一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法
2023-09-21 08:03:15 1
專利名稱：一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷原料製備方法，尤其是一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法。
背景技術：
遠紅外乾燥技術是近20年發展起來的一種高效、節能，同時又具環保特性的新型快速乾燥技術，它是利用輻射器輻射紅外線，並用遠紅外線照射物料，引起物料分子的振動，使內部水分迅速升溫，促使物料內部水分向外部轉移，達到乾燥的目的。如果輻射器發射的輻射能全部或大部分集中在被乾燥物料的紅外光譜吸收帶，則輻射能大部分被吸收，從而實現了良好匹配，提高了熱效率和能效比。然而，現有的紅外輻射技術的應用多在工業中和醫療中，如在大型鋼鐵加熱爐的內壁上添加輻射塗料，提高效率，汽車工業中車體烤漆，對木材的烘乾，以及醫療中的探傷和治療手術傷口等，用於食品、農產品加工中的大部分是碳化矽管、石英管等普適性紅外輻射器，使紅外輻射元件發出的光譜與乾燥對象的吸收光譜的匹配性較差，導致熱效率低，乾燥(制)不均勻，造成產品品質下降。
申請(專利)號8510050.6申請日1985.04.01公開(公告)號CN 85100506公開(公告)日1986.08.13申請(專利)號00133680.0申請日2000.12.01公開(公告)號CN 1309107公開(公告)日2001.08.22發明內容為了解決電力(電爐、電烤箱等用電器)乾燥能耗過大，能效比過低的問題，解決火力(燃煤、燃油或燃生物質)乾燥設備龐大、煙氣洩漏會造成產品汙染、出現異味、焙烤不均和能耗過大方面的問題，本發明根據光譜匹配原則，設計了便於進行遠紅外複合陶瓷輻射材料開發的計算機輔助設計應用程式，設計了適於穀物、水果、蔬菜類農產品物料及中草藥類原料和製品乾燥的不同遠紅外複合陶瓷輻射材料配方。
1)根據光譜匹配原則，以C++Builder作為開發平臺，開發了一套基於聚類分析ISODATA(Iterative Self-Organizing Data Analytics Techniques)算法的匹配分析程序，建立了適用於農產品、食品及果蔬類物料和中草藥類原料及製品的光譜匹配分析軟體。程序開始部分是初始化聚類中心；然後修改聚合類成員，重新分配模式到聚合類內；再根據計算的馬氏距離確定刪除或合併聚合類；運算過程中迭代次數與設定閾值即要求精度有關，閾值大，則迭代次數少，反之則迭代次數多，當誤差小於閾值時完成算法過程，程序停止運行。該程序簡化了工作過程，縮短了設計時間，減少了在設計中的不確定因素，加速遠紅外複合陶瓷輻射材料配方的研製。
2)遠紅外複合陶瓷輻射原料應用所開發的光譜匹配分析軟體，根據被乾燥物料的遠紅外吸收光譜，經分析優化後得到遠紅外複合陶瓷輻射原料。遠紅外複合陶瓷輻射原料包括基料和輔料。其基料(全部以質量分數計)為ZrO2(60～85％)、TiO2(5～20％)，輔料為SiO2(2～3％)、Al2O3(2～5％)、Y2O3(2～4％)、CaO(0.5～3％)、MgO(0.2～2％)、Fe2O3(2～6％)、CuO(0.05～5％)。
3)遠紅外複合陶瓷輻射塗料一種遠紅外輻射率達到0.91的遠紅外陶瓷輻射塗料的最佳配方為TiO2(15％)、ZrO2(80％)、Fe2O3(3％)、MnO2(1.5％)、CuO(0.05％)、水玻璃(10～15％)。
取遠紅外複合陶瓷輻射原料85-90％加入粘合劑水玻璃10～15％即成塗料。使用於塗刷乾燥室內表面或乾燥機中角狀管外表面、或爐體內表面，乾燥後即可。
4)遠紅外複合陶瓷輻射板的燒制工藝TiO2和ZrO2的含量對燒結後試樣的最終遠紅外輻射率的大小有著重要影響。研究結果表明，遠紅外輻射性能隨TiO2和ZrO2含量增加呈上升趨勢，但在TiO2含量接近15％，ZrO2含量接近80％時，遠紅外輻射率上升趨勢減緩。
遠紅外複合陶瓷輻射板的製作原料配方為ZrO2(70％)、TiO2(10％)、SiO2(2.5％)、Al2O3(3.5％)、Y2O3(2.5％)、CaO(1％)、MgO(0.5％)、Fe2O3(4％)、CuO(2％)。其中Y2O3起ZrO2晶型穩定劑的作用，MgO、CaO混合加入也能起到Y2O3相似的作用。SiO2是瘠性原料，可以調節泥料的可塑性，降低坯體的乾燥收縮，縮短乾燥時間並防止坯體變形。Al2O3可以提高陶瓷製品的物理化學性能和機械強度，並可防止ZrO2陶瓷的低溫老化問題。Fe2O3、CuO和上述輔料具有調整發射光譜範圍的作用。
製備遠紅外陶瓷輻射板的工藝流程為混料、造粒、成型、乾燥、燒結。
(1)造粒本發明採用聚乙烯醇6--9％作為膠黏劑，與遠紅外複合陶瓷輻射原料60--91％混勻，進行輻射板燒結前的造粒。該膠黏劑的特點是，生產工藝簡單，瓷料氣孔率小，聚乙烯醇水溶液的配製方法是將水加熱到80℃左右，然後加入聚乙烯醇8％～12％充分攪拌後慮去上層粘稠物後即可。將配料與配製的聚乙烯醇水溶液9％混合均勻，採用手工或造粒機完成造粒。
(2)成型採用300×100(+3裕度)鋼製模具，利用四柱式液壓成型機壓製成型，成形壓力為40Mpa。壓力過小，坯體緻密度不夠，且其中的水分不易排出；過大，則容易出現裂紋、層裂和脫模困難等問題。加壓速度和保壓時間對坯體的性能有很大的影響。如加壓過快、保壓時間過短，坯體中氣體不易排出。保壓時間短，則壓力還未傳遞到應有深度時，壓力就已卸掉，也難以得道較為理想的坯體。由於輻射板的面積較大，且較薄，因而壓制速度應較慢，保壓時間應在3～5秒為宜。
(3)乾燥乾燥是為了降低坯體的含水率；提高坯體的機械強度，減少在搬運和加工過程中的破損；使坯體具有最低的入窯水分，縮短燒成周期，降低燃料損耗。具體乾燥制度是，先緩慢升溫至50℃，保溫5小時，再將溫度升至100℃保溫10小時，然後，再降溫至50℃，保溫至燒結前。
(4)燒結在燒結過程中，隨著溫度的升高和熱處理時間延長，氣孔不斷減少，顆粒間的結合力不斷增強，當達到一定溫度和一定熱處理時間，顆粒間的結合力呈極大值。超過極大值後，就出現氣孔微增的傾向，同時晶粒增大，機械強度減小。在陶瓷的生產工藝過程中，燒成是至關重要的工序之一。坯體在燒成過程中要發生一系列的物理化學變化，如膨脹、收縮、氣體的產生、液相的出現、舊晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的溫度、氣氛條件下，所發生變化的內容與程度也不同，從而形成不同的礦物組成和顯微結構，決定了陶瓷製品不同的質量和性能。因此，燒成制度是燒成過程中影響陶瓷最終性能的關鍵因素。
燒成制度主要包括升溫過程、最高燒結溫度、保溫時間和降溫方式。
升溫過程由於輻射板結構相對簡單，厚度較薄且均勻，故起始階段升溫速度可以較快，以快速升溫方式升溫，升溫速度為100℃/h，為了保證排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分別保溫兩小時，在600℃～900℃之間，由於水分和粘結劑已基本排除乾淨、液相尚未出現且體積收縮不嚴重，故升溫速度仍可較快，確定升溫速度為100℃/h。900℃以後，由於液相大量出現且體積收縮加劇，故升溫速度不易過快，確定為中速升溫方式升溫，升溫速度為50℃/h。
最高燒結溫度經實驗研究，當最高溫度為1190℃時，輻射板結構平整，無明顯變形，無開裂，敲擊聲音清脆；當最高溫度為1150℃時，輻射板有起層現象，且色澤、敲擊聲音均符合欠燒時的特徵；當最高溫度為1350℃時，輻射板發生了嚴重的變形和粘結現象，這些特徵屬於過燒現象。故本發明的最高燒結溫度為1190℃±20℃。
保溫時間保溫階段主要是坯體中的各組分進一步進行物理變化和化學反應，是獲得輻射板具有緻密、良好的結構和性能的重要階段。保溫時間為2h。
降溫方式降溫過程是從最高燒結溫度冷卻至常溫的過程。在降溫過程中，輻射板伴隨有玻璃相凝固、析晶、晶體生長、相變等物理和化學變化發生。本發明降溫方式採用隨爐冷卻。
有益效果經國家紅外研究所測試，輻射板的法向全輻射率達到0.87。通過對輻射板相對輻射能譜的測試，該輻射板輻射能量主要集中在5～12μm光譜區間。
按照國家標準GB4654-84.1984《碳化矽、鋯英砂陶瓷類紅外輻射加熱器通用技術條件》進行測試，該輻射器的紅外性能指標均符合國標要求。
實施例一基料(全部以質量分數計)為ZrO2(60～85％)、TiO2(5～20％)，輔料為SiO2(2～3％)、Al2O3(2～5％)、Y2O3(2～4％)、CaO(0.5～3％)、MgO(0.2～2％)、Fe2O3(2～6％)、CuO(0.05～5％)，根據被乾燥物料的遠紅外吸收光譜，經分析優化後得到遠紅外複合陶瓷輻射原料。
實施例二遠紅外陶瓷輻射塗料的最佳配方為TiO2(15％)、ZrO2(80％)、Fe2O3(3％)、MnO2(1.5％)、CuO(0.05％)、水玻璃(10～15％)；遠紅外複合陶瓷輻射原料85-90％加入粘合劑水玻璃10～15％即成塗料。
實施例三遠紅外複合陶瓷輻射板的製作原料配方為ZrO2(70％)、TiO2(10％)、SiO2(2.5％)、Al2O3(3.5％)、Y2O3(2.5％)、CaO(1％)、MgO(0.5％)、Fe2O3(4％)、CuO(2％)。
實施例四聚乙烯醇6--9％作為膠黏劑，與遠紅外複合陶瓷輻射原料60--91％混勻，進行輻射板燒結前的造粒。該膠黏劑的特點是，生產工藝簡單，瓷料氣孔率小，聚乙烯醇水溶液的配製方法是將水加熱到80℃左右，然後加入聚乙烯醇8％～12％充分攪拌後慮去上層粘稠物後即可。將配料與配製的聚乙烯醇水溶液9％混合均勻，採用手工或造粒機完成造粒。採用300×100(+3裕度)鋼製模具，利用四柱式液壓成型機壓製成型，成形壓力為40Mpa。壓力過小，坯體緻密度不夠，且其中的水分不易排出；過大，則容易出現裂紋、層裂和脫模困難等問題。加壓速度和保壓時間對坯體的性能有很大的影響。如加壓過快、保壓時間過短，壞體中氣體不易排出。保壓時間短，則壓力還未傳遞到應有深度時，壓力就已卸掉，也難以得道較為理想的坯體。由於輻射板的面積較大，且較薄，因而壓制速度應較慢，保壓時間應在3～5秒為宜。乾燥是為了降低坯體的含水率；提高坯體的機械強度，減少在搬運和加工過程中的破損；使坯體具有最低的入窯水分，縮短燒成周期，降低燃料損耗。具體乾燥制度是，先緩慢升溫至50℃，保溫5小時，再將溫度升至100℃保溫10小時，然後，再降溫至50℃，保溫至燒結前。在燒結過程中，隨著溫度的升高和熱處理時間延長，氣孔不斷減少，顆粒間的結合力不斷增強，當達到一定溫度和一定熱處理時間，顆粒間的結合力呈極大值。超過極大值後，就出現氣孔微增的傾向，同時晶粒增大，機械強度減小。在陶瓷的生產工藝過程中，燒成是至關重要的工序之一。坯體在燒成過程中要發生一系列的物理化學變化，如膨脹、收縮、氣體的產生、液相的出現、舊晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的溫度、氣氛條件下，所發生變化的內容與程度也不同，從而形成不同的礦物組成和顯微結構，決定了陶瓷製品不同的質量和性能。因此，燒成制度是燒成過程中影響陶瓷最終性能的關鍵因素。
燒成制度主要包括升溫過程、最高燒結溫度、保溫時間和降溫方式。
升溫過程由於輻射板結構相對簡單，厚度較薄且均勻，故起始階段升溫速度可以較快，以快速升溫方式升溫，升溫速度為100℃/h，為了保證排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分別保溫兩小時，在600℃～900℃之間，由於水分和粘結劑已基本排除乾淨、液相尚未出現且體積收縮不嚴重，故升溫速度仍可較快，確定升溫速度為100℃/h。900℃以後，由於液相大量出現且體積收縮加劇，故升溫速度不易過快，確定為中速升溫方式升溫，升溫速度為50℃/h。
最高燒結溫度經實驗研究，當最高溫度為1190℃時，輻射板結構平整，無明顯變形，無開裂，敲擊聲音清脆；當最高溫度為1150℃時，輻射板有起層現象，且色澤、敲擊聲音均符合欠燒時的特徵；當最高溫度為1350℃時，輻射板發生了嚴重的變形和粘結現象，這些特徵屬於過燒現象。故本發明的最高燒結溫度為1190℃±20℃。
保溫時間保溫階段主要是坯體中的各組分進一步進行物理變化和化學反應，是獲得輻射板具有緻密、良好的結構和性能的重要階段。保溫時間為2h。
降溫方式降溫過程是從最高燒結溫度冷卻至常溫的過程。在降溫過程中，輻射板伴隨有玻璃相凝固、析晶、晶體生長、相變等物理和化學變化發生。本發明降溫方式採用隨爐冷卻。
具體實施例方式基料(全部以質量分數計)為ZrO2(60～85％)、TiO2(5～20％)，輔料為SiO2(2～3％)、Al2O3(2～5％)、Y2O3(2～4％)、CaO(0.5～3％)、MgO(0.2～2％)、Fe2O3(2～6％)、CuO(0.05～5％)根據被乾燥物料的遠紅外吸收光譜，經分析優化後得到遠紅外複合陶瓷輻射原料。遠紅外陶瓷輻射塗料的最佳配方為TiO2(15％)、ZrO2(80％)、Fe2O3(3％)、MnO2(1.5％)、CuO(0.05％)、水玻璃(10～15％)；遠紅外複合陶瓷輻射原料85-90％加入粘合劑水玻璃10～15％即成塗料。遠紅外複合陶瓷輻射板的製作原料配方為ZrO2(70％)、TiO2(10％)、SiO2(2.5％)、Al2O3(3.5％)、Y2O3(2.5％)、CaO(1％)、MgO(0.5％)、Fe2O3(4％)、CuO(2％)。聚乙烯醇6--9％作為膠黏劑，與遠紅外複合陶瓷輻射原料60--91％混勻，進行輻射板燒結前的造粒。該膠黏劑的特點是，生產工藝簡單，瓷料氣孔率小，聚乙烯醇水溶液的配製方法是將水加熱到80℃左右，然後加入聚乙烯醇8％～12％充分攪拌後慮去上層粘稠物後即可。將配料與配製的聚乙烯醇水溶液9％混合均勻，採用手工或造粒機完成造粒。採用300×100(+3裕度)鋼製模具，利用四柱式液壓成型機壓製成型，成形壓力為40Mpa。壓力過小，坯體緻密度不夠，且其中的水分不易排出；過大，則容易出現裂紋、層裂和脫模困難等問題。加壓速度和保壓時間對坯體的性能有很大的影響。如加壓過快、保壓時間過短，坯體中氣體不易排出。保壓時間短，則壓力還未傳遞到應有深度時，壓力就已卸掉，也難以得道較為理想的坯體。由於輻射板的面積較大，且較薄，因而壓制速度應較慢，保壓時間應在3～5秒為宜。乾燥是為了降低坯體的含水率；提高坯體的機械強度，減少在搬運和加工過程中的破損；使坯體具有最低的入窯水分，縮短燒成周期，降低燃料損耗。具體乾燥制度是，先緩慢升溫至50℃，保溫5小時，再將溫度升至100℃保溫10小時，然後，再降溫至50℃，保溫至燒結前。在燒結過程中，隨著溫度的升高和熱處理時間延長，氣孔不斷減少，顆粒間的結合力不斷增強，當達到一定溫度和一定熱處理時間，顆粒間的結合力呈極大值。超過極大值後，就出現氣孔微增的傾向，同時晶粒增大，機械強度減小。在陶瓷的生產工藝過程中，燒成是至關重要的工序之一。坯體在燒成過程中要發生一系列的物理化學變化，如膨脹、收縮、氣體的產生、液相的出現、舊晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的溫度、氣氛條件下，所發生變化的內容與程度也不同，從而形成不同的礦物組成和顯微結構，決定了陶瓷製品不同的質量和性能。因此，燒成制度是燒成過程中影響陶瓷最終性能的關鍵因素。
燒成制度主要包括升溫過程、最高燒結溫度、保溫時間和降溫方式。
升溫過程由於輻射板結構相對簡單，厚度較薄且均勻，故起始階段升溫速度可以較快，以快速升溫方式升溫，升溫速度為100℃/h，為了保證排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分別保溫兩小時，在600℃～900℃之間，由於水分和粘結劑已基本排除乾淨、液相尚未出現且體積收縮不嚴重，故升溫速度仍可較快，確定升溫速度為100℃/h。900℃以後，由於液相大量出現且體積收縮加劇，故升溫速度不易過快，確定為中速升溫方式升溫，升溫速度為50℃/h。
最高燒結溫度經實驗研究，當最高溫度為1190℃時，輻射板結構平整，無明顯變形，無開裂，敲擊聲音清脆；當最高溫度為1150℃時，輻射板有起層現象，且色澤、敲擊聲音均符合欠燒時的特徵；當最高溫度為1350℃時，輻射板發生了嚴重的變形和粘結現象，這些特徵屬於過燒現象。故本發明的最高燒結溫度為1190℃±20℃。
保溫時間保溫階段主要是坯體中的各組分進一步進行物理變化和化學反應，是獲得輻射板具有緻密、良好的結構和性能的重要階段。保溫時間為2h。
降溫方式降溫過程是從最高燒結溫度冷卻至常溫的過程。在降溫過程中，輻射板伴隨有玻璃相凝固、析晶、晶體生長、相變等物理和化學變化發生。降溫方式採用隨爐冷卻。
權利要求
1.本發明公開了一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法，其特徵是所說的遠紅外複合陶瓷輻射原料，是一組方，包括基料和輔料，其基料全部以質量分數計為ZrO265～85％、TiO25～15％，輔料為SiO22～3％、Al2O32～5％、Y2O31.5～3.5％、CaO0.5～3％)、MgO 0.2～2％、Fe2O32～6％、CuO 0.05～5％，遠紅外複合陶瓷輻射材料組方，加入粘結劑水玻璃，成為遠紅外複合陶瓷陶瓷輻射塗料；根據被乾燥物料的遠紅外吸收光譜，經分析優化後得到遠紅外複合陶瓷輻射原料。
2.根據權利要求1所述的一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法，其特徵在於，遠紅外陶瓷輻射塗料的最佳配方為TiO215％、ZrO280％、Fe2O33％、MnO21.5％、CuO 0.05％、水玻璃10～15％；遠紅外複合陶瓷輻射原料85-90％加入粘合劑水玻璃10～15％即成塗料。
3.一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法，其特徵在於，遠紅外複合陶瓷輻射板的製作原料配方為ZrO270％、TiO210％、SiO22.5％、Al2O33.5％、Y2O32.5％、CaO 1％、MgO 0.5％、Fe2O34％、CuO 2％；聚乙烯醇6--9％作為膠黏劑，與遠紅外複合陶瓷輻射原料60--91％混勻。
4.根據權利要求3所述的一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法，其特徵在於，進行輻射板燒結前的造粒，該膠黏劑的特點是，生產工藝簡單，瓷料氣孔率小，聚乙烯醇水溶液的配製方法是將水加熱到80℃左右，然後加入聚乙烯醇8％～12％充分攪拌後慮去上層粘稠物後即可。將配料與配製的聚乙烯醇水溶液9％混合均勻，採用手工或造粒機完成造粒。採用300×100(+3裕度)鋼製模具，利用四柱式液壓成型機壓製成型，成形壓力為40Mpa。壓力過小，坯體緻密度不夠，且其中的水分不易排出；過大，則容易出現裂紋、層裂和脫模困難等問題，加壓速度和保壓時間對坯體的性能有很大的影響，如加壓過快、保壓時間過短，坯體中氣體不易排出，保壓時間短，則壓力還未傳遞到應有深度時，壓力就已卸掉，也難以得道較為理想的坯體，由於輻射板的面積較大，且較薄，因而壓制速度應較慢，保壓時間應在3～5秒為宜，乾燥是為了降低坯體的含水率；提高坯體的機械強度，減少在搬運和加工過程中的破損；使坯體具有最低的入窯水分，縮短燒成周期，降低燃料損耗，具體乾燥制度是，先緩慢升溫至50℃，保溫5小時，再將溫度升至100℃保溫10小時，然後，再降溫至50℃，保溫至燒結前，在燒結過程中，隨著溫度的升高和熱處理時間延長，氣孔不斷減少，顆粒間的結合力不斷增強，當達到一定溫度和一定熱處理時間，顆粒間的結合力呈極大值，超過極大值後，就出現氣孔微增的傾向，同時晶粒增大，機械強度減小，在陶瓷的生產工藝過程中，燒成是至關重要的工序之一，坯體在燒成過程中要發生一系列的物理化學變化，如膨脹、收縮、氣體的產生、液相的出現、舊晶相的消失、新晶相的形成等，在不同的溫度、氣氛條件下，所發生變化的內容與程度也不同，從而形成不同的礦物組成和顯微結構，決定了陶瓷製品不同的質量和性能，因此，燒成制度是燒成過程中影響陶瓷最終性能的關鍵因素；燒成制度主要包括升溫過程、最高燒結溫度、保溫時間和降溫方式；升溫過程由於輻射板結構相對簡單，厚度較薄且均勻，故起始階段升溫速度可以較快。以快速升溫方式升溫，升溫速度為100℃/h，為了保證排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分別保溫兩小時，在600℃～900℃之間，由於水分和粘結劑已基本排除乾淨、液相尚未出現且體積收縮不嚴重，故升溫速度仍可較快，確定升溫速度為100℃/h。900℃以後，由於液相大量出現且體積收縮加劇，故升溫速度不易過快，確定為中速升溫方式升溫，升溫速度為50℃/h；最高燒結溫度經實驗研究，當最高溫度為1190℃時，輻射板結構平整，無明顯變形，無開裂，敲擊聲音清脆；當最高溫度為1150℃時，輻射板有起層現象，且色澤、敲擊聲音均符合欠燒時的特徵；當最高溫度為1350℃時，輻射板發生了嚴重的變形和粘結現象，這些特徵屬於過燒現象，故本發明的最高燒結溫度為1190℃±20℃；保溫時間保溫階段主要是坯體中的各組分進一步進行物理變化和化學反應，是獲得輻射板具有緻密、良好的結構和性能的重要階段。保溫時間為2h；降溫方式降溫過程是從最高燒結溫度冷卻至常溫的過程。在降溫過程中，輻射板伴隨有玻璃相凝固、析晶、晶體生長、相變等物理和化學變化發生。本發明降溫方式採用隨爐冷卻。
全文摘要
本發明提供的一種遠紅外複合陶瓷輻射材料的系列製備方法是，運用遠紅外複合陶瓷輻射材料研製基料(全部以質量分數計)為ZrO
文檔編號C04B35/622GK1900016SQ20061004847
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月27日 優先權日2006年7月27日
發明者劉建學, 朱文學, 張仲欣, 任廣躍, 吳龍奇, 劉雲宏 申請人:河南科技大學