剛玉－莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法
2023-05-13 08:49:11
專利名稱：剛玉－莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷燒成用結合劑，尤其是涉及一種剛玉-莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法。
背景技術：
結合劑在陶瓷及耐火材料製品中按其存在的時間可以分為暫時結合劑和永久性結合劑前者在制品燒結或使用過程中因升溫而分解，揮發而離開製品，其殘餘部分不再對製品或很少對製品性能產生影響；後者則在燒結和使用過程中永久地留在制品中，並必然對製品的性能產生影響。這種永久性結合劑往往又分為在燒結或使用過程中發生變化和不起變化兩類。一般說來，多數結合劑會使製品的高溫性能下降，對於高溫陶瓷和耐火材料而言，這種顆粒間或顆粒與細粉間的最佳結合相無疑是其主相本身或耐火性能與主晶相相近並對製品性能產生良好影響的第二相，在高溫陶瓷和耐火材料以固相燒結為主要機理的製品中，微粉加入作為燒結促進劑，同時也在制品燒結過程中充當這種結合相的作用。但是，在一般高溫陶瓷及耐火材料工藝中加入的微粉多為微米級，活性並不很高，更細的超微粉則價格昂貴，使一般高溫陶瓷難以接受，分散程度最高、活性最大的顯然是分散到離子、分子的溶液，但是在一般高溫陶瓷和耐火材料工藝中，作為結合相加入，它的量又太少。
近年來廣泛應用於製造超微粉的溶膠-凝膠法的中間產物——共沉澱(或水解)凝膠，由於它的分散度高於一般的微粉，而且混和十分均勻，活性較高，並且具有良好的結合性能，利用它作為結合劑能很好分布在顆粒與基質交界處，而且共沉澱凝膠極容易調整其多元組分，可以方便地按製品對性能的要求在其關鍵部位添加多組分的結合相，同樣它也可以應用溶膠凝膠法中的沉澱包裹法所形成的粉膠混合體作為結合劑。這為高溫陶瓷和耐火材料的低溫活性燒結開闢了新的途徑。
目前剛玉-莫來石和莫來石製品常用的結合劑有粘土、莫來石細粉，氧化鋁細粉及矽微粉，這些結合劑中只有粘土具有良好的塑性，能提供一定的結合強度，矽微粉則需較長時間的水化之後能產生一定的強度，而莫來石細粉和氧化鋁細粉則屬於脊性料根本無法提供相應的強度，粘土和矽微粉在引入的過程中易帶入較多量的雜質，而氧化鋁粉和莫來石細粉結合的陶瓷則需另外的有機結合劑，並且燒成溫度高。我們則在目前剛玉-莫來石陶瓷和莫來石陶瓷結合劑現狀的條件下開發了矽鋁凝膠作為這些陶瓷的結合劑，不僅能提供一定的生坯結合強度，還能減少雜質的引入，提高陶瓷的綜合性能。
目前製備商品化的矽鋁凝膠很少，只有單獨的鋁膠或矽膠可買，常用的矽鋁凝膠則是通過溶膠-凝膠的方法製備，利用醇鹽的水解和聚合反應製成均勻的溶膠，最後形成凝膠，製備矽鋁凝膠成本很高，根本無法在耐火材料或普通陶瓷領域應用，很難實現大規模的工業化生產和應用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種剛玉-莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法。利用鋁膠和矽膠為原料製備適合目前耐火材料和陶瓷使用的矽鋁凝膠。
本發明採用的技術方案是該方法包括以下各步驟1)將市售濃度為的10～20wt％氧化鋁含量的鋁膠加到盛有經酸化的PH值為2.5～3.0的去離子水進行稀釋，攪拌配置成氧化鋁含量為5～10wt％的鋁溶膠備用；2)在氧化矽含量為18wt％的矽溶膠中加入去離子水進行稀釋，攪拌配置成氧化矽含量為5～10wt％的矽溶膠備用；3)將配製好的鋁溶膠在60～95℃反應釜中攪拌回流半小時，冷卻到10～50℃按莫來石化學式比例加入定量的矽溶膠，邊加入邊攪拌，同時控制PH值≤3，攪拌時間為1～3小時製備矽鋁溶膠。
通過脫水可製備莫來石濃度為5～10％的矽鋁凝膠，加入氨水或有機鹼3-氨基丙醇可加快矽鋁溶膠的膠凝時間，加入乙醯丙酮可延緩矽鋁溶膠的膠凝時間。
用於去離子水酸化的材料為乙酸、硝酸、鹽酸或草酸。
製備好的矽鋁溶膠中加入矽鋁溶膠重量的2～10％的三氟化鋁礦化劑攪拌得到含礦化劑的矽鋁凝膠。
本發明具有的有益的效果是提供一種能有效提高陶瓷性能，又能在較低的溫度條件下實現燒結的矽鋁凝膠結合劑，主要是以矽溶膠和鋁溶膠作為原料，通過控制鋁膠的pH值，通過溶膠-凝膠過程製備矽鋁凝膠。在製備凝膠的過程中通過脫水可控制矽鋁含量，引入氨水或乙醯丙酮可控制膠凝時間，在矽鋁凝膠中引入三氟化鋁礦化劑可控制矽鋁凝膠在燒成過程中生成的莫來石物相的晶型。鋁矽凝膠能在陶瓷與耐火材料製備的過程中作為結合劑，也可用於超細莫來石粉體的製備，在使用過程中引入礦化劑可控制所生成莫來石組份的晶體形狀，促進陶瓷或耐火材料性能的提高。
圖1是幹凝膠粉末100℃烘乾後TEM照片；圖2是幹凝膠粉末1100℃熱處理後TEM照片；圖3是膠粉末經1250℃熱處理後TEM照片；圖4是含氟化鋁幹凝膠粉末經1250℃熱處理後TEM照片。
具體實施例方式
將鋁膠(氧化鋁含量10～20wt％)加到盛有乙酸酸化的去離子水(PH值為2.5)容器中進行稀釋，攪拌配置成氧化鋁含量為5％的鋁溶膠備用，同時也在矽溶膠(氧化矽含量為18wt％)中加入去離子水進行稀釋，攪拌配置成氧化矽含量為5％的矽溶膠備用。將鋁溶膠在80℃反應釜中攪拌回流半小時，冷卻到40℃按莫來石配比加入一定量氧化矽含量為5％的矽溶膠，邊加入邊攪拌，同時要控制PH值≤3，攪拌時間為2小時製備矽鋁溶膠，然後通過脫水製備不同濃度的矽鋁凝膠，加入氨水或有機鹼3-氨基丙醇可加快矽鋁溶膠的膠凝時間，加入乙醯丙酮可延緩矽鋁溶膠的膠凝時間。
表1為鋁矽溶膠在不同PH值條件下的膠凝情況，發現pH值≤3.0的溶膠在很長時間內能保持半透明無沉澱，pH＝3.2～8.0的溶膠均呈現渾濁或沉澱現象。其中pH＝3.2、3.5兩試樣開始時濁度較小，隨著時間的延長濁度逐漸增大，而其他試樣一開始就顯得相當混濁，然後逐漸沉降。
表1鋁矽溶膠系統在不同pH值下的膠凝情況
表2鋁矽溶膠在不同溫度和PH值條件下的膠凝時間，隨著溫度和PH值的提高凝膠時間逐漸縮短，其中溫度的作用尤為明顯，室溫條件下的膠凝時間為10天左右，而在80℃僅需2小時。在鋁矽溶膠之中加入氨水，溶膠迅速膠凝失去流動性得到鹼化凝膠；而在鋁溶膠中予加入乙醯丙酮能延長鋁矽溶膠的膠凝時間，在200ml鋁溶膠中引入10ml乙醯丙酮，在80℃的條件下，膠凝時間為3.5小時，延長了1.5小時。
表2鋁矽溶膠在不同溫度和PH值條件下的膠凝時間
圖1、圖2、圖3是對凝膠粉末經不同溫度熱處理後的透射電鏡圖譜，經過100℃烘乾後的凝膠粉末是多孔團聚體；經過1100℃熱處理2小時後主要由30-40nm的等軸狀粒子構成；而經過1250℃熱處理2小時後，莫來石粉體為板狀晶粒，發育完全。圖4為矽鋁凝膠添加三氟化鋁經過1250℃熱處理後所得的粉體TEM照片，由圖可見，粉體形成了呈縱橫交錯的晶須狀結構，從圖4B可知晶須的長為28μm，寬為700nm，長徑比大於30，從圖4可以看出其晶型結構為莫來石相，氟化鋁的引入有利於矽鋁凝膠在高溫下生成莫來石晶須，在莫來石結合剛玉陶瓷中表現出良好抗熱震性。
權利要求
1.一種剛玉-莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法，其特徵在於該方法包括以下各步驟1)將市售濃度為的10～20wt％氧化鋁含量的鋁膠加到盛有經酸化的PH值為2.5～3.0的去離子水進行稀釋，攪拌配置成氧化鋁含量為5～10wt％的鋁溶膠備用；2)在氧化矽含量為18wt％的矽溶膠中加入去離子水進行稀釋，攪拌配置成氧化矽含量為5～10wt％的矽溶膠備用；3)將配製好的鋁溶膠在60～95℃反應釜中攪拌回流半小時，冷卻到10～50℃按莫來石化學式比例加入定量的矽溶膠，邊加入邊攪拌，同時控制PH值≤3，攪拌時間為1～3小時製備矽鋁溶膠。
2.根據權利要求1所述的一種剛玉-莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法，其特徵在於通過脫水可製備莫來石濃度為5～10％的矽鋁凝膠，加入氨水或有機鹼3-氨基丙醇可加快矽鋁溶膠的膠凝時間，加入乙醯丙酮可延緩矽鋁溶膠的膠凝時間。
3.根據權利要求1所述的一種剛玉-莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法，其特徵在於用於去離子水酸化的材料為乙酸、硝酸、鹽酸或草酸。
4.根據權利要求1所述的一種剛玉-莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法，其特徵在於製備好的矽鋁溶膠中加入矽鋁溶膠重量的2～10％的三氟化鋁礦化劑攪拌得到含礦化劑的矽鋁凝膠。
全文摘要
本發明公開了一種剛玉－莫來石複合陶瓷用矽鋁凝膠結合劑的製備方法。主要是以矽溶膠和鋁溶膠作為原料，通過控制鋁膠的pH值，通過溶膠－凝膠過程製備矽鋁凝膠。在製備凝膠的過程中通過脫水可控制矽鋁含量，引入氨水或乙醯丙酮可控制膠凝時間，在矽鋁凝膠中引入三氟化鋁礦化劑可控制矽鋁凝膠在燒成過程中生成的莫來石物相的晶型。鋁矽凝膠能在陶瓷與耐火材料製備的過程中作為結合劑，也可用於超細莫來石粉體製備，在使用過程中引入礦化劑可控制所生成莫來石組份的晶體形狀，促進陶瓷或耐火材料性能的提高。
文檔編號C04B35/185GK1669979SQ20051004935
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月14日 優先權日2005年3月14日
發明者王家邦, 楊輝, 茅宇雄, 陳桂華 申請人:浙江大學