專利名稱：：一種改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到改善輕質(zhì)耐火磚表面性能和力學(xué)性能的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)不改變輕質(zhì)耐火磚氣孔率和耐火度的同時(shí)，將其抗壓強(qiáng)度提高50150%。
背景技術(shù)：
：輕質(zhì)耐火磚又稱隔熱耐火磚，是氣孔率高、體積密度低、熱導(dǎo)率低的耐火材料，其特點(diǎn)是具有多孔結(jié)構(gòu)(氣孔率一般40%85%)和高的隔熱性。輕質(zhì)耐火磚包括輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)剛玉磚、輕質(zhì)堇青石磚、輕質(zhì)粘土磚、輕質(zhì)硅磚、輕質(zhì)空心球制品等，常常用作工業(yè)窯爐爐體保溫材料，它可以減輕爐體質(zhì)量，簡(jiǎn)化窯爐結(jié)構(gòu)，降低燃料消耗，還有助于實(shí)現(xiàn)窯爐的快速升溫和冷卻，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，同時(shí)其生產(chǎn)成本低，使得輕質(zhì)耐火磚在該領(lǐng)域有著不可替代的地位。但輕質(zhì)耐火磚氣孔率較高，組織疏松，力學(xué)性能低，耐磨性差，不能用于承重結(jié)構(gòu)，同時(shí)抗渣能差，與爐料直接接觸時(shí)，熔渣會(huì)很快侵入磚體氣孔內(nèi)，使之碎裂。降低耐火磚的氣孔率時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度會(huì)有所增加，但其熱導(dǎo)率也會(huì)增加，保溫性能下降，因此，在不改變耐火磚氣孔率的前提系，提高輕質(zhì)耐火磚的力學(xué)強(qiáng)度具有現(xiàn)實(shí)思o(jì)有機(jī)硅是以Si-O-Si為主鏈，在高溫惰性環(huán)境中可以通過(guò)支鏈的裂解和主鏈的重排轉(zhuǎn)變成耐燒蝕性能優(yōu)良的C-Si-O無(wú)定形陶瓷，廣泛運(yùn)用于航空、航天和軍事等領(lǐng)域，是低成本制造高性能陶瓷材料的理想先驅(qū)體。但是有機(jī)硅在從有機(jī)向無(wú)機(jī)陶瓷轉(zhuǎn)變過(guò)程中，伴隨質(zhì)量減少和密度增大，必然發(fā)生體積收縮，表現(xiàn)為開(kāi)裂，使得裂解的C-Si-O無(wú)定形陶瓷不再具有力學(xué)強(qiáng)度。在有機(jī)硅中外加纖維或者微粉，能顯著制約有機(jī)硅在高溫裂解時(shí)的體積收縮，分別稱為連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CFR-CMCs)和顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(PR-CMCs)，這兩項(xiàng)技術(shù)國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)相當(dāng)成熟，二者的基本思想都是防止有機(jī)硅在裂解過(guò)程中的開(kāi)裂，利用裂解產(chǎn)物C-Si-O無(wú)定形陶瓷優(yōu)良的耐燒蝕和力學(xué)性能。由于有機(jī)硅屬于有機(jī)高分子，具有流動(dòng)性好、成型方便，以及結(jié)構(gòu)、組分可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，因此近些年，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正在致力于有機(jī)硅做粘結(jié)劑粘接異形陶瓷塊體的研究，當(dāng)有機(jī)硅均勻分散在陶瓷體粘結(jié)面并形成薄膜后，控制一定的升溫速率，可以實(shí)現(xiàn)硅樹(shù)脂在裂解時(shí)不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，其裂解產(chǎn)物與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)鍵合作用將陶瓷塊體牢牢粘結(jié)到一起。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)硅浸漬到輕質(zhì)耐火磚中，用類似于有機(jī)硅做陶瓷連接的工藝處理之后，也能實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅在高溫惰性環(huán)境中從有機(jī)轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)時(shí)不發(fā)生開(kāi)裂，而裂解產(chǎn)生的少量C-Si-O無(wú)定形陶瓷附著在輕質(zhì)耐火材料孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壁，修復(fù)了其骨架上的微裂紋，使其力學(xué)強(qiáng)度大大增加，同時(shí)少量C-Si-0無(wú)定形陶瓷的存在對(duì)輕質(zhì)耐火磚氣孔率的影響相當(dāng)小。對(duì)國(guó)內(nèi)外專利與文獻(xiàn)的查新結(jié)果表明還沒(méi)有使用有機(jī)硅對(duì)輕質(zhì)耐火磚進(jìn)行力學(xué)改性的研究報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種比較簡(jiǎn)易的方法，在常見(jiàn)的輕質(zhì)耐火磚基礎(chǔ)上進(jìn)行改性處理，不改變耐火磚氣孔率和耐火度，大大提高輕質(zhì)耐火磚力學(xué)強(qiáng)度的一種新技術(shù)。使用的改性工藝是將輕質(zhì)耐火磚浸漬少量有機(jī)硅，然后控制后續(xù)熱處理工藝制度來(lái)實(shí)現(xiàn)提高耐火磚力學(xué)強(qiáng)度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機(jī)硅溶液中，浸漬時(shí)間為25小時(shí)；取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機(jī)硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化溫度為20025(TC，同化時(shí)間為25小時(shí)；再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解溫度為S001300'C，熱裂解時(shí)間為13小時(shí)，然后降溫至室溫得到所述改性輕質(zhì)耐火磚；整個(gè)熱裂解和降溫過(guò)程在氮?dú)饣驓鍤饣虬睔獾臍夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下顯著的效果在改性過(guò)程中，幾乎不會(huì)改變輕質(zhì)耐火磚的氣孔率和耐火度，但其抗壓強(qiáng)度可以提高50150%。并且具有工藝簡(jiǎn)單，易調(diào)節(jié)和控制，可重復(fù)性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)。圖1是輕質(zhì)堇青石耐火磚改性前的SEM圖。圖2是輕質(zhì)堇青石耐火磚改性后(120(TC熱處理)的SEM圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，具體是將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機(jī)硅溶液中，浸漬時(shí)間為25小時(shí)。取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機(jī)硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化期間，從室溫起以0.52'C/分鐘的升溫速率升至20025(TC，并保溫25小時(shí)。再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解期間，從室溫起以25'C/分鐘的升溫速率升至S00130(TC，并保溫13小時(shí)，最后以5。C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。整個(gè)熱裂解和降溫過(guò)程在氮?dú)饣驓鍤饣虬睔獾臍夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)行。所述有機(jī)硅溶液，是將有機(jī)硅溶解于有機(jī)溶劑丙酮或異丙醇或甲苯中制備而成的均勻溶液，并調(diào)節(jié)其粘度為1100mPas。該有機(jī)硅溶液，它在200250'C空氣中能夠交聯(lián)成固體，被加熱到800130(TC時(shí)，仍有4095%的質(zhì)量剩余。所述輕質(zhì)耐火磚為輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)剛玉磚、輕質(zhì)堇青石磚、輕質(zhì)粘土磚或輕質(zhì)硅磚，它們可以是任何形狀和尺、f，具有連通氣孔，氣孔率為4090%，孔徑為102000Mm。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限定本發(fā)明。具體實(shí)例11.將輕質(zhì)革青石耐火磚(密度0.52g/cm3，氣孔率70.5%，孔徑約0.3mm)浸漬在有機(jī)硅樹(shù)脂SAR-9(匕海樹(shù)脂廠生產(chǎn)，無(wú)色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為S35mPa's)中，浸漬時(shí)間為3小時(shí)。2.取出輕質(zhì)堇青石耐火磚放入烘箱中，以rC/分鐘的升溫速率升至20(TC，并保溫5小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氮?dú)?N2)氣氛下，以2'C/分鐘的升溫速率分別升至800、1000、1200、130(TC并保溫1小時(shí)，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表l可知改性后，輕質(zhì)堇青石磚的氣孔率變化并不明顯，而其力學(xué)性能得到顯著提卨，抗壓強(qiáng)度的增幅在30~105%之間，當(dāng)熱處理溫度在120(TC時(shí)，最有利于輕質(zhì)堇青石耐火磚力學(xué)強(qiáng)度的改性。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在145(TC空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。熱處理溫度在120(TC改性前后輕質(zhì)堇青石耐火磚的SEM圖片如圖2所示可以看出有機(jī)硅樹(shù)脂的引入并沒(méi)有顯著影響耐火磚的孔隙結(jié)構(gòu)，而是將其孔隙周圍的微裂紋加以修復(fù)(見(jiàn)圖2標(biāo)記處)，從而增大了耐火磚的力學(xué)強(qiáng)度。具體實(shí)例21.將輕質(zhì)高鋁耐火磚(密度1.04g/cm3，氣孔率58.2%，孔徑約0.2mm)浸漬在有機(jī)硅樹(shù)脂SAR-9(上海樹(shù)脂廠生產(chǎn)，無(wú)色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為835mPa's)中，浸漬時(shí)間為3小時(shí)。2.取出輕質(zhì)高鋁耐火磚放入烘箱中，以rC/分鐘的升溫速率升至200'C，并保溫4小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氮?dú)?N2)氣氛下，以2'C/分鐘的升溫速率升至12(KTC并保溫1小時(shí)，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強(qiáng)度從起初的3.1MPa，增大到4.6MPa，強(qiáng)度增大了50%。氣孔率從改性之前的58.2%變成改性之后的56.4%，密度從改性之前的1.04g/cmS變成改性之后的1.18g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在160(TC空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)對(duì)塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。具體實(shí)例31.將有機(jī)硅樹(shù)脂(美國(guó)道康寧公司硅樹(shù)脂SR249)與丙酮充分混合，調(diào)節(jié)粘度至3565mPa.s,再將輕質(zhì)堇青石耐火磚(密度0.52g/cm3，氣孔率70.5%，孔徑約0.3mm)浸漬在該液體中，浸漬時(shí)間為5小時(shí)。2.取出輕質(zhì)堇青石耐火磚放入烘箱中，以0.5'C/分鐘的升溫速率升^25(TC，并保溫2.5小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚休在氮?dú)?N2)氣氛下，以2'C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫3小時(shí)，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強(qiáng)度從起初的1.9MPa，增大到4.1MPa,強(qiáng)度增大了116%。氣孔率從改性之前的70.5%變成改性之后的66.8%，密度從改性之前的0.54g/cm^變成改性之后的0.72g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚起放在1450'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。具體實(shí)例41.將輕質(zhì)粘土磚(密度0.92g/cm3，氣孔率62.5%，孔徑約0.05mm)浸漬在有機(jī)硅樹(shù)脂SAR-9(上海樹(shù)脂廠生產(chǎn)，無(wú)色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為835mPas)中，浸漬時(shí)間為3小時(shí)。2.取出輕質(zhì)粘土磚放入烘箱屮，以rc/分鐘的升溫速率升至2oo。c，并保溫4小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)粘土磚復(fù)合磚體在氬氣(Ar)氣氛下，以5'C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫1小時(shí)，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強(qiáng)度從起初的3.9MPa，增大到5.4MPa，強(qiáng)度增大了38.5%。氣孔率從改性之前的62.5%變成改性之后的60.0%，密度從改性之前的0.92g/ci^變成改性之后的1.09g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)粘土磚與改性前的耐火磚一起放在1150'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。具體實(shí)例51.將輕質(zhì)硅磚(密度1.02g/cm3,氣孔率65.4%，孔徑約O.lmm)浸漬在有機(jī)硅樹(shù)脂SAR-9(上海樹(shù)脂廠生產(chǎn)，無(wú)色均勻透明液體，溶劑為甲苯，固含量51%，粘度為835mPas)巾，浸潰時(shí)間為3小時(shí)。2.取出輕質(zhì)硅磚放入烘箱中，以rC/分鐘的升溫速率升至200'C，并保溫4小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚休。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氬氣(Ar)氣氛下，以5'C/分鐘的升溫速率升至1200°C并保溫1小時(shí)，再以5°C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強(qiáng)度從起初的2.2MPa，增大到3.2MPa，強(qiáng)度增大了46%。氣孔率從改性之前的65.4%變成改性之后的61.8%，密度從改性之前的1.02g/cn^變成改性之后的1.26g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在1200'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)對(duì)塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。具體實(shí)例61.將有機(jī)硅樹(shù)脂(美國(guó)道康寧公司硅樹(shù)脂SR249)與異丙醇充分混合，調(diào)節(jié)粘度至60100mPa.s，再將輕質(zhì)莫來(lái)石耐火磚(密度0.50g/cm3，氣孔率72.5%，孔徑約0.4mm)浸漬在該液體中，浸漬時(shí)間為4小時(shí)。2.取出輕質(zhì)莫來(lái)石耐火磚放入烘箱中，以0.5'C/分鐘的升溫速率升至25(TC，并保溫5小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氨氣(NH3)氣氛下，以2"C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫3小時(shí)，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強(qiáng)度從起初的1.5MPa，增大到3.6MPa，強(qiáng)度增大了125%。氣孔率從改性之前的72.5%變成改性之后的64.8%，密度從改性之前的0.52g/cn^變成改性之后的0.74g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在1450'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。具體實(shí)例71.將有機(jī)硅樹(shù)脂(美國(guó)道康寧公司硅樹(shù)脂SR249)與異丙醇充分混合，調(diào)節(jié)粘度至60100mPa.s，再將輕質(zhì)莫來(lái)石耐火磚(密度0.50g/cm3，氣孔率72.5%，孔徑約0.4mm)浸涼在該液體中，浸漬時(shí)間為4小時(shí)。2.取出輕質(zhì)莫來(lái)石耐火磚放入烘箱中，以0.5'C/分鐘的升溫速率升至25(TC，并保溫5小時(shí)，得到有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體。3.將有機(jī)硅與輕質(zhì)耐火磚復(fù)合磚體在氬氣(Ar)氣氛下，以5'C/分鐘的升溫速率升至120(TC并保溫1小時(shí)，再以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫，得到所述改性輕質(zhì)耐火磚。改性后，其抗壓強(qiáng)度從起初的1.5MPa，增大到2.8MPa，強(qiáng)度增大了86.6%。氣孔率從改性之前的72.5%變成改性之后的65.9%，密度從改性之前的0.52g/ci^變成改性之后的0.71g/cm3。此外，將該改性后的輕質(zhì)耐火磚與改性前的耐火磚一起放在1450'C空氣環(huán)境中，均未出現(xiàn)坍塌，表明該改性過(guò)程并沒(méi)有影響耐火磚的耐火度。上述實(shí)施例2至7的性能測(cè)試結(jié)果己經(jīng)在有關(guān)段落中描述，故未列表。附表表1不同熱處理溫度下硅樹(shù)脂改性輕質(zhì)堇青石耐火磚的性能測(cè)試<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機(jī)硅溶液中，浸漬時(shí)間為2～5小時(shí)；取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機(jī)硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化溫度為200～250℃，固化時(shí)間為2～5小時(shí)；再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解溫度為800～1300℃，熱裂解時(shí)間為1～3小時(shí)，然后降溫至室溫得到所述改性輕質(zhì)耐火磚；整個(gè)熱裂解和降溫過(guò)程在還原性氣氛或者惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于所述有機(jī)硅溶液，是有機(jī)硅溶解于有機(jī)溶劑丙酮或異丙醇或甲苯中制備成的均勻溶液，并調(diào)節(jié)其粘度為1100mPas。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特祉在于所述輕質(zhì)耐火磚為輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)剛玉磚、輕質(zhì)堇青石磚、輕質(zhì)粘士磚或輕質(zhì)硅磚。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于在烘箱中固化階段，從室溫起以0.52'C/分鐘的升溫速率升至200250°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于在氣氛爐中熱裂解階段，從室溫起以25tV分鐘的升溫速率升至8001300°C，以5'C/分鐘的降溫速率降至室溫。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于還原性氣氛是氮?dú)饣虬睔狻?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，其特征在于惰性氣氛是氬氣。全文摘要本發(fā)明涉及一種改進(jìn)輕質(zhì)耐火磚力學(xué)性能的方法，具體是將輕質(zhì)耐火磚浸漬在有機(jī)硅溶液中，浸漬時(shí)間為2～5小時(shí)；取出輕質(zhì)耐火磚放入烘箱中固化得到有機(jī)硅與耐火磚的復(fù)合磚體，固化溫度為200～250℃，固化時(shí)間為2～5小時(shí)；再將所述復(fù)合磚體放入氣氛爐中熱裂解，熱裂解溫度為800～1300℃，熱裂解時(shí)間為1～3小時(shí)，然后降溫至室溫得到所述改性輕質(zhì)耐火磚；整個(gè)熱裂解和降溫過(guò)程在還原性氣氛或者惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下顯著的效果在改性過(guò)程中，幾乎不會(huì)改變輕質(zhì)耐火磚的氣孔率和耐火度，但其抗壓強(qiáng)度可以提高50～150％。并且具有工藝簡(jiǎn)單，易調(diào)節(jié)和控制，可重復(fù)性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)C04B35/66GK101386545SQ20081019738公開(kāi)日2009年3月18日申請(qǐng)日期2008年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日發(fā)明者張聯(lián)盟,強(qiáng)沈,熊遠(yuǎn)祿,斐陳,陳常連申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)