一種利用粉煤灰和頁巖製備儲熱蜂窩陶瓷的方法與流程
2023-04-26 17:41:26
本發明屬於環保節能和新材料領域，具體涉及一種利用粉煤灰和頁巖製備儲熱蜂窩陶瓷的方法。
背景技術：
在太陽能熱利用系統中，由於太陽能的間斷性和不穩定性，通常需要設置儲熱系統來保障其連續運行。按照儲熱方式的不同，儲熱材料有顯熱儲熱、相變潛熱儲熱和化學反應儲熱三類。顯熱儲熱是利用儲熱材料的熱容量，通過材料溫度的升高或降低來實現儲放熱，其原理簡單，技術成熟，是使用最為廣泛的儲熱方式。陶瓷因其耐高溫、化學穩定性好等優點，是一種極具潛力的儲熱材料。
目前常見的儲熱陶瓷多為莫來石質、堇青石質和氧化鋁質等，其原料成本較高，燒成溫度高，能耗大。中國發明專利《蓄熱陶瓷材料及其製備方法》(CN103304226A)公開了一種以堇青石、滑石和氧化鋁為主要原料製備堇青石-莫來石質陶瓷的方法。中國發明專利《一種堇青石莫來石質蜂窩陶瓷蓄熱體及製備方法》(CN104909732A)公開了一種以莫來石、蘇州土和滑石等為主要原料製備堇青石-莫來石質蜂窩陶瓷蓄熱體的方法。為進一步降低成本，包啟富的中國專利《一種利用稀土尾砂製備的蜂窩陶瓷蓄熱體及其製造方法》採用稀土尾砂和鋁礬土為主要原料，在1370-1390℃下燒成了蜂窩陶瓷蓄熱體。陳平的中國專利《一種利用廢礦渣製備環保型蜂窩陶瓷蓄熱體的方法》採用紅頁巖廢料、廢礦渣、廢玻璃等為主要原料，經壓製成型、雷射燒結制的蜂窩陶瓷蓄熱體。利用廢渣或廢料能夠降低原料成本，但仍存在燒成溫度低、熱導率較低等缺點。
粉煤灰是從煤燃燒後的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物，其主要成分為SiO2與Al2O3，且顆粒較細無需磨細即可用作陶瓷生產的原料。中國發明專利《一種粉煤灰基蓄熱蜂窩陶瓷及其製備方法》(CN102875128A)公開了一種以粉煤灰和燒結助劑為主要原料，在1200-1450℃下燒成製備蜂窩陶瓷的方法，具有原料成本低、強度高等優點，但其燒成溫度偏高，熱導率較低。
技術實現要素：
本發明目的在提供一種利用粉煤灰和頁巖製備儲熱蜂窩陶瓷的方法，該方法製備的儲熱陶瓷儲熱密度大、抗熱震性好、熱導率較優，並且燒成溫度低，生產成本低廉。
為達到上述目的，採用技術方案如下：
一種利用粉煤灰和頁巖製備儲熱蜂窩陶瓷的方法，包括以下步驟：
1)原料預處理：將頁巖、長石、石英三種原料分別破碎至5mm以下，再用球磨機研磨4h-10h並過250目篩；粉煤灰過250目篩；
2)配料及混合：將上述粉煤灰、頁巖、長石和石英粉料混合，所得混合料再中加入粘結劑、潤滑劑和水，在捏合機中混合20-30min得到可塑泥料；
3)練泥與陳腐：用真空練泥機對可塑泥料進行練泥，再經陳腐36-48h得到陳腐好的泥料；
4)蜂窩坯體擠出：將陳腐好的泥料通過立式擠出機擠出蜂窩體生坯；
5)坯體乾燥：將擠出的蜂窩體生坯放入微波爐中定型10-20min，然後放入紅外乾燥箱中乾燥1-2h；
6)坯體燒成：將乾燥好的坯體放入高溫爐內，升溫至1140-1220℃燒成得到蜂窩陶瓷儲熱體。
按上述方案，步驟2中各粉料按質量百分數計為：
粉煤灰30-45wt％、頁巖5-35wt％、長石15-20wt％、石英15-30wt％；水在混合料中的添加量為15-20wt％。
按上述方案，步驟2中所述粘結劑為羧甲基纖維素(CMC)；粘結劑在混合料中的添加量為3-5wt％。
按上述方案，步驟2中所述潤滑劑為桐油、豆油中的一種或任意混合；潤滑劑在混合料中的添加量為3-5wt％。
按上述方案，步驟4擠出機的擠出壓力為2-4MPa。
按上述方案，步驟5所述微波爐功率為5kW，頻率為2450MHz±50MHz；紅外乾燥箱中乾燥溫度在100-110℃。
按上述方案，步驟6高溫爐升溫速率3～5℃/min。
本發明的有益效果是：
成本低廉，節約資源。粉煤灰是一種固體廢棄物，提高粉煤灰的利用率可以實現廢物有效利用，減少環境汙染。頁巖作為一種低品位粘土，儲量豐富，價格低廉。
綜合性能良好。本發明製備的蜂窩陶瓷儲熱體採用粉煤灰和頁巖為主要原料，頁巖在高溫下促進液相的生成，有助於粉煤灰漂珠結構的解體，從而以漂珠為模板，短柱狀莫來石交叉生長成殼狀結構，具有良好的熱學性能，其熱導率高於中國發明專利《一種粉煤灰基蓄熱蜂窩陶瓷及其製備方法》(CN102875128A)中陶瓷的熱導率1.32-1.48W/(m·K)。同時由於該莫來石殼狀結構有助於鬆弛應力，改善抗熱震性，可滿足太陽能中溫熱利用儲熱系統中對於儲熱材料的性能要求。此外，長石作為熔劑在高溫下形成的液相能夠溶解粘土、石英等原料，Al2O3和SiO2在液相中相互作用，促進了莫來石晶體的形成和長大，同時長石熔化後形成的液相能夠填充坯體空隙，增大緻密度，提高坯體的機械強度。石英在陶瓷燒成過程的體積膨脹起到了補償坯體收縮的作用，同時石英顆粒作為坯體的骨架，起增強的作用，減少了坯體變形的可能性。另外，羧甲基纖維素(CMC)作為粘結劑用來提高可塑泥料的塑性，增強蜂窩陶瓷生坯的強度，桐油、豆油作為潤滑劑可提高粉料的潤溼性，減少粉料顆粒之間及粉料與模壁之間的摩擦，促進擠出坯體的密度增大和均勻化。
節能減排。本發明所製備的蜂窩陶瓷儲熱體燒成溫度為1140-1220℃，相比現有技術的燒成溫度較低，節約能源。
附圖說明
圖1：實施例1製備儲熱陶瓷的電鏡掃描圖。
具體實施方式
以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護範圍的限制。
實施例1
一種利用粉煤灰和頁巖製備中溫儲熱蜂窩陶瓷的方法，它包括如下步驟：
①原料預處理：將頁巖、長石、石英三種原料分別用破碎機破碎至5mm以下，再用球磨機研磨4h並過250目篩，粉煤灰直接過250目篩，備用；
②配料及混合：將粉煤灰、頁巖、長石和石英按照：粉煤灰30wt％、頁巖35wt％、長石20wt％、石英15wt％的配比在混料機中混合2h，混合料再中加入3wt％粘結劑、4wt％潤滑劑和15wt％水，在捏合機中混合20min得到可塑泥料。
所述粘結劑為羧甲基纖維素(CMC)，潤滑劑為桐油；
③練泥與陳腐：用真空練泥機對可塑泥料進行練泥，再經陳腐40h得到陳腐好的泥料；
④蜂窩坯體擠出:將陳腐好的泥料通過立式擠出機擠出蜂窩體生坯，擠出機的擠出壓力為3MPa；
⑤坯體乾燥：將擠出的蜂窩體生坯放入微波爐中定型10min，然後放入紅外乾燥箱中在110℃下乾燥1.5h；所述微波爐功率為5kW，頻率為2450MHz；
⑥坯體燒成：將乾燥好的坯體放入高溫爐內，經1140℃燒成(1000℃以下升溫速率為5℃/min，1000℃以上升溫速率為3℃/min)得到蜂窩陶瓷儲熱體；
經測試，本發明的儲熱蜂窩陶瓷的儲熱密度為1180J/cm3，熱導率為1.702W/(m·K)，從室溫到600℃經熱震30次後不開裂，綜合性能優良。
如圖1所示，從微觀形貌中可以看出，短柱狀的莫來石互相交叉生長成殼狀結構，該莫來石殼狀結構有助於鬆弛應力，改善抗熱震性。同時分布於莫來石周圍的液相填充了陶瓷內部氣孔，促進了緻密化，改善了陶瓷的儲熱和導熱性能。
對比例1
將頁巖全部替換為粉煤灰，即粉煤灰配比為65％，重複實施例1的設計。
經測試，該儲熱蜂窩陶瓷的儲熱密度為1103J/cm3，實施例1較對比例1中的儲熱密度提高了6.98％；熱導率為1.532W/(m·K)，對比例1較實施例1的熱導率降低了11％；從室溫到600℃經熱震30次後不開裂，抗熱震性良好。
對比例2
將粉煤灰全部替換為頁巖，即頁巖配比為65％，重複實施例1的設計。
經測試，該儲熱蜂窩陶瓷的儲熱密度為1055J/cm3，實施例1較對比例2中的儲熱密度提高了11.85％；熱導率為1.570W/(m·K)，對比例2較實施例1的熱導率降低了8％；從室溫到600℃經熱震30次後有裂紋出現，強度下降82.5％，抗熱震性較差。
實施例2
一種利用粉煤灰和頁巖製備中溫儲熱蜂窩陶瓷的方法，它包括如下步驟：
①原料預處理：將頁巖、長石、石英三種原料分別用破碎機破碎至5mm以下，再用球磨機研磨6h並過250目篩，粉煤灰直接過250目篩，備用；
②配料及混合：將粉煤灰、頁巖、長石和石英按照：粉煤灰40wt％、頁巖15wt％、長石20wt％、石英25wt％的配比在混料機中混合2.5h，混合料再中加入5wt％粘結劑、5wt％潤滑劑和18wt％水，在捏合機中混合25min得到可塑泥料。
所述粘結劑為羧甲基纖維素(CMC)，潤滑劑豆油；
③練泥與陳腐：用真空練泥機對可塑泥料進行練泥，再經陳腐48h得到陳腐好的泥料；
④蜂窩坯體擠出:將陳腐好的泥料通過立式擠出機擠出蜂窩體生坯，擠出機的擠出壓力為4MPa；
⑤坯體乾燥：將擠出的蜂窩體生坯放入微波爐中定型15min，然後放入紅外乾燥箱中在110℃下乾燥2h；所述微波爐功率為5kW，頻率為2450MHz；
⑥坯體燒成：將乾燥好的坯體放入高溫爐內，經1180℃燒成(1000℃以下升溫速率5℃/min，1000℃以上升溫速率3℃/min)得到蜂窩陶瓷儲熱體；
經測試，本發明的儲熱蜂窩陶瓷的儲熱密度為1193J/cm3，熱導率為2.090W/(m·K)，從室溫到600℃經熱震30次後不開裂，綜合性能優良。
實施例3
一種利用粉煤灰和頁巖製備中溫儲熱蜂窩陶瓷的方法，它包括如下步驟：
①原料預處理：將頁巖、長石、石英三種原料分別用破碎機破碎至5mm以下，再用球磨機研磨10h並過250目篩，粉煤灰直接過250目篩，備用；
②配料及混合：將粉煤灰、頁巖、長石和石英按照：粉煤灰45wt％、頁巖5wt％、長石20wt％、石英30wt％的配比在混料機中混合2h，混合料再中加入4wt％粘結劑、4wt％潤滑劑和20wt％水，在捏合機中混合30min得到可塑泥料。
所述粘結劑為羧甲基纖維素(CMC)，潤滑劑為桐油、豆油按照1：1的比例進行配製；
③練泥與陳腐：用真空練泥機對可塑泥料進行練泥，再經陳腐48h得到陳腐好的泥料；
④蜂窩坯體擠出:將陳腐好的泥料通過立式擠出機擠出蜂窩體生坯，擠出機的擠出壓力為4MPa；
⑤坯體乾燥：將擠出的蜂窩體生坯放入微波爐中定型10min，然後放入紅外乾燥箱中在110℃下乾燥1.5h；所述微波爐功率為5kW，頻率為2450MHz；
⑥坯體燒成：將乾燥好的坯體放入高溫爐內，經1220℃燒成(1000℃以下升溫速率5℃/min，1000℃以上升溫速率3℃/min)得到蜂窩陶瓷儲熱體；
經測試，本發明的儲熱蜂窩陶瓷的為1240J/cm3，熱導率為2.218W/(m·K)，從室溫到600℃經熱震30次後不開裂，綜合性能優良。
經測試，本發明的中溫蜂窩陶瓷儲熱體的體積密度達到2.40-2.44g/cm3，常溫下(25℃)熱擴散係數為0.88-1.01mm2/s，熱導率為1.7-2.2W/(m·K)，常溫(25℃)到500℃的儲熱密度為1180-1240J/cm3，室溫到600℃熱震循環30次不開裂。本發明的蜂窩陶瓷儲熱體適用於太陽能熱利用中溫段(100-500℃)的儲熱系統。
本發明所列舉的各原料以及本發明各原料的上下限、區間取值，以及工藝參數(如溫度、時間等)的上下限、區間取值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。