六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103342571 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103342571 A *CN103342571A* (21)申请号 201310288581.9 (22)申请日 2013.07.10 C04B 35/81(2006.01) C04B 35/524(2006.01) C04B 38/06(2006.01) C04B 35/622(2006.01) (71)申请人 武汉理工大学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122 号 (72)发明人 吉晓莉 吴事江 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 崔友明。

2、 (54) 发明名称 六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法 (57) 摘要 本发明涉及六钛酸钾晶须隔热保温材料的制 备方法， 具体制备步骤是 ： 以含钛化合物与含钾 化合物为骨架原料， 以碳粉为增孔剂， 按设定比例 球磨混合 2 5 小时后， 于 80 100下干燥， 然 后以PVA溶液为粘结剂进行混合造粒， 最后于5 10MPa 压强下成型， 保压时间为 30s 1min， 再进 行煅烧， 所得烧结物水洗后得成品， 本发明具有以 下的主要优点 ： 1、 原料、 工艺简单， 操作方便， 效 率高， 生产设备简单。 2、 所制备的六钛酸钾隔热保 温材料密度低、 孔隙率高、 抗折强度大、 热导率低。。

3、 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103342571 A CN 103342571 A *CN103342571A* 1/1 页 2 1. 六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征是利用六钛酸钾晶须本身的隧道结 构形成的闭孔和晶须架桥效应形成的开孔制备多孔隔热保温材料， 具体制备步骤是 ： 以含 钛化合物与含钾化合物为骨架原料， 以碳粉为增孔剂， 按设定比例球磨混合 2 5 小时后， 于80100下干燥， 然后以PVA溶液为粘。

4、结剂进行混合造粒， 最后于510MPa压强下成 型， 保压时间为 30s 1min， 再进行煅烧， 所得烧结物水洗后得成品。 2. 根据权利要求 1 所述的六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征是 ： 含钛化 合物与含钾化合物的钛钾元素摩尔比为 5:1 5.5:1。 3. 根据权利要求 2 所述的六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征在于所述的 碳粉颗粒细度为 200 500 目。 4. 根据权利要求 2 所述的六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征在于所述的 骨架原料所占质量分数为 70 93%， 所述的碳粉所占质量分数为 7 30%。 5. 根据权利要求 1 所述的六钛酸。

5、钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征是在于所述 的 PVA 溶液的质量百分浓度为 3% 9%。 6. 根据权利要求 1 或 2 所述的六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征在于所 述的含钛化合物为二氧化钛或偏钛酸 ； 含钾化合物为碳酸钾、 硝酸钾、 硫酸钾或氯化钾中的 一种或多种的混合。 7. 根据权利要求 1 或 4 所述的六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征在于混 合造粒完成以后需要在室温下阴干或放在烘箱中烘干。 8. 根据权利要求 1 所述的六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法， 其特征在于所述的 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控制在 3 5 /min ； 第。

6、二段保温， 温度控制为 8001100， 保温时间为1.53小时 ； 第三段降温， 降温速度为随炉冷却， 温度降到室温 出炉。 权 利 要 求 书 CN 103342571 A 2 1/5 页 3 六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备方法 技术领域 0001 本发明属于多孔材料的制备技术领域， 具体涉及一种六钛酸钾晶须隔热保温材料 的制备方法。 背景技术 0002 钛酸钾晶须是美国 DuPont 公司于 1958 年开发的一种新型无机材料， 其组成为 K2OnTiO2(n=1、 2、 4、 6、 8)， 其中六钛酸钾 (K2Ti6O13) 属于单斜晶系结构， 空间群 C2/m， 结构 是以 TiO6。

7、八面体通过共面和共棱连结而成连锁的隧道状结构， K+离子占据隧道中间。由于 具备这种独特结构致使六钛酸钾具有优良的物理和化学性能， 如优异的耐腐蚀性、 耐热隔 热性、 耐磨性、 润滑性， 电气绝缘性和高的红外反射， 且其熔点高、 密度小、 拉伸强度高、 导热 系数低等。 0003 随着人们对能源危机意识的增强， 人们对隔热保温材料的需求也在不断增强。目 前工业化生产的隔热保温材料主要有聚乙烯泡沫、 聚苯乙烯泡沫和硅酸钙、 泡沫玻璃以及 用天然无机纤维制成的毡材等。 前者优点主要是技术成熟， 保温效果较好， 但是由于其组成 成分为有机质， 因此其耐热性较差， 适用温度范围低， 且易燃。后者在一定。

8、程度上可以克服 前者的缺点， 但是像硅酸钙、 泡沫玻璃等材料， 它们抗压、 抗折强度比较低， 因此容易破碎， 不便于施工操作。并且满足不了一些对温度要求更高， 条件更为苛刻的环境下使用。而一 些天然无机纤维材料 （石棉） 由于其对人体造成的伤害比较大， 现已被国家禁止使用或限制 使用。 鉴于六钛酸钾的耐腐蚀性、 耐热性和低的导热系数及高红外反射特性等， 可以考虑将 其开发成为一种新型高温隔热保温材料。 微细碳粉是一种比表面积较大、 活性很高的颗粒， 其在一定温度下会受热分解。分解后颗粒本身所占的体积会形成空隙， 在一定程度上降低 材料的热导率和体积密度， 从而起到更好的隔热保温效果。 0004。

9、 已有文献报道将六钛酸钾晶须用于制备多孔材料的研究。陆小华等人以六钛 酸钾晶须为基料， 外加其它钛酸盐和含钾化合物煅烧而成。其制备的多孔材料孔隙率为 15%-75%， 抗弯强度为 10-80MPa， 吸水率大于 20%（陆小华， 周亚新， 何明， 等 . 六钛酸钾晶须 多孔材料制备方法 . 中国 .CN 1730432AP， 2005.） 。赵力力等人将六钛酸钾晶须与硅溶 胶或偶联剂混合模压成型后， 于 1000煅烧 4-10 小时制备出六钛酸钾晶须隔热保温材料 （赵力力， 许茂军， 赵力杰， 等 . 一种六钛酸钾晶须高温隔热保温材料的制造方法 . 中国 .CN 102627460AP， 20。

10、05.） 。该材料体积密度为 1.66g/cm3； 导热系数 350下为 0.259W/m.K， 800下为 0.178W/m.K ； 抗压强度大于 16.6Mpa。以上两种方法制备出的隔热保温材料， 从 某种意义上讲， 其都经过了两次煅烧而成， 因为它们采用都是六钛酸钾晶须作为初始原料， 而六钛酸钾晶须的获得需要前期的制备过程。所以从总体上看， 这两种方法需要消耗更多 的能源， 不利于成本控制。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种六钛酸钾晶须隔热 说 明 书 CN 103342571 A 3 2/5 页 4 保温材料的制备方法， 所得的六钛酸钾晶须隔热保。

11、温材料不仅耐热、 耐腐蚀， 而且热导率较 低、 强度高。 0006 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案 ： 六钛酸钾晶须隔热保温材料的制备 方法， 其特征是利用六钛酸钾晶须本身的隧道结构形成的闭孔和晶须架桥效应形成的开孔 制备多孔隔热保温材料， 具体制备步骤是 ： 以含钛化合物与含钾化合物为骨架原料， 以碳粉 为增孔剂， 按设定比例球磨混合 2 5 小时后， 于 80 100下干燥， 然后以 PVA 溶液为粘 结剂进行混合造粒， 最后于510MPa压强下成型， 保压时间为30s1min， 再进行煅烧， 所 得烧结物水洗后得成品。 0007 按上述方案， 含钛化合物与含钾化合物的钛钾元素摩尔。

12、比为 5:1 5.5:1。 0008 按上述方案， 所述的碳粉颗粒细度为 200 500 目。 0009 按上述方案， 所述的骨架原料所占质量分数为 70 93%， 所述的碳粉所占质量分 数为 7 30%。 0010 按上述方案， 所述的 PVA 溶液的质量百分浓度为 3% 9%。 0011 按上述方案， 所述的含钛化合物为二氧化钛或偏钛酸 ； 含钾化合物为碳酸钾、 硝酸 钾、 硫酸钾或氯化钾中的一种或多种的混合。 0012 按上述方案， 混合造粒完成以后需要在室温下阴干或放在烘箱中烘干。 0013 按上述方案， 所述的煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控制在 3 5 / min ；。

13、 第二段保温， 温度控制为 800 1100， 保温时间为 1.5 3 小时 ； 第三段降温， 降温 速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉。 0014 本发明的基本原理是 ： 利用六钛酸钾晶须隧道结构的本身特性以及其耐热、 耐腐 蚀和高红外反射等特性为依据。六钛酸钾晶须的隧道结构是一种中空结构， K+占据隧道中 间。这种特殊的隧道结构相当陶瓷中的闭孔， 而闭孔中的气体的热导率低， 几乎不参与传 热， 所以当热量传递到其一侧时不会直接传递过去， 而是绕着晶须表面传递过去， 这样就增 加了热传递行程， 即降低了热传导效率。其次， 当热辐射比较强时， 六钛酸钾晶须的高红外 反射特性有助于其把辐射热反射。

14、回热源体， 使热源体的热量损失减少。 0015 本发明具有以下的主要优点 ： 0016 1、 原料、 工艺简单， 操作方便， 效率高， 生产设备简单。 本发明所使用的原料为普通 的含钛化合物和含钾化合物， 而我国是含钛化合物和含钾化合物的大国， 资源相当丰富 ； 工 艺上只需一步法完成六钛酸钾晶须合成和微孔材料成型， 工艺简单， 整个流程可以连续操 作， 周期短 (3 5h)。 0017 2、 所制备的六钛酸钾隔热保温材料密度低 （1.52-2.23g/cm3） 、 孔隙率高 （15 65%） 、 抗折强度大 （24.4 50.3MPa） 、 热导率低 （250下为 0.194 0.356W/。

15、m.K， 900下 为 0.157 0.279W/m.K） 。 0018 3、 利用材料本身的结构特性和材料焙烧过程中形成的空隙制备多孔隔热保温材 料， 即碳酸钾等含钾化合物在高温分解时会形成大量气体， 气体挥发后会形成空洞， 另外， 原料中加入的碳粉增孔剂也有助于孔隙率的提高， 烧结物水洗以后会溶解少量残留在晶须 表面上的熔融态K2O， 这也会提高材料的气孔率。 而且实验过程中可以通过控制碳粉的加入 量来调控孔隙率的大小， 以期获得材料的最佳性能。 说 明 书 CN 103342571 A 4 3/5 页 5 附图说明 0019 图 1 是实施例 1 所得隔热保温材料的 X 射线衍射图谱 (。

16、XRD) ； 0020 图2是实施例1所得六钛酸钾晶须隔热保温材料的场发射扫描电子照片图(SEM)。 具体实施方式 0021 下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明， 但不限定本发明。 0022 实施例 1 ： 0023 1） 以二氧化钛和碳酸钾为主要原料， 以碳粉为增孔剂， 并按以下计算量的各组 分混合 5 小时搅拌均匀 ： 其中钛钾化合物的质量分数为 93%， 碳粉为 7%， 且钛钾摩尔比为 5.5:1， 碳粉颗粒细度为 200 500 目 ； 0024 2） 将步骤 1） 所得混合物于 100下烘干。烘干后以质量百分浓度为 5% 的 PVA 溶 液为粘结剂进行混合造粒， 放在烘箱中烘干。

17、 ； 0025 3） 将造粒好后的混合料于 10MPa 压强下成型， 保压时间为 30s ； 0026 4） 将步骤 3） 所得成型物进行煅烧， 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控 制在 3 5 /min ； 第二段保温， 温度控制为 1050， 保温时间为 2 小时 ； 第三段降温， 降温 速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉 ； 0027 5） 将步骤 4） 所得烧结物水洗后得成品。 0028 本实施例制备的六钛酸钾晶须隔热保温材料， 其 X 射线衍射图谱和场发射扫描电 子照片分别参见图 1、 图 2， 由图 1 可知所制产品的产物均为六钛酸钾， 图 2 可知产物中生成 大量的六。

18、钛酸钾晶须， 晶须构成连续网络骨架， 晶须之间形成一定数量和一定尺寸的孔。 0029 经测试， 六钛酸钾晶须隔热保温材料体积密度为 2.23g/cm3、 孔隙率为 15%、 热导率 250下为 0.356W/m.K， 900下为 0.279W/m.K、 抗折强度为 50.3Mpa。 0030 实施例 2 ： 0031 1） 以二氧化钛和碳酸钾为主要原料， 以碳粉为增孔剂， 并按以下计算量的各组 分混合 5 小时搅拌均匀 ： 其中钛钾化合物的质量分数为 70%， 碳粉为 30%， 且钛钾摩尔比为 5.5:1， 碳粉颗粒细度为 200 500 目 ； 0032 2） 将步骤 1） 所得混合物于 8。

19、0下烘干。烘干后以质量百分浓度为 3% 的 PVA 溶 液为粘结剂进行混合造粒， 室温下阴干 ； 0033 3） 将造粒好后的混合料于 8MPa 压强下成型， 保压时间为 40s ； 0034 4） 将步骤 3） 所得成型物进行煅烧， 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控 制在 3 5 /min ； 第二段保温， 温度控制为 800， 保温时间为 1.5 小时 ； 第三段降温， 降 温速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉 ； 0035 5） 将步骤 4） 所得烧结物水洗后得成品。 0036 经测试， 六钛酸钾晶须隔热保温材料体积密度为 1.52g/cm3、 孔隙率为 65%、 热导率 。

20、（250下为 0.194W/m.K， 900下为 0.1579W/m.K） 、 抗折强度为 24.4Mpa。 0037 实施例 3 ： 0038 1） 以二氧化钛和碳酸钾为主要原料， 以碳粉为增孔剂， 并按以下计算量的各组分 混合4小时搅拌均匀 ： 其中钛钾化合物的质量分数为80%， 碳粉为20%， 并且钛钾摩尔比控制 在 5.5:1， 碳粉颗粒细度为 200 500 目 ； 说 明 书 CN 103342571 A 5 4/5 页 6 0039 2） 将步骤 1） 所得混合物于 90下烘干。烘干后以质量百分浓度为 7% 的 PVA 溶 液为粘结剂进行混合造粒， 室温下阴干 ； 0040 3）。

21、 将造粒好后的混合料于 9MPa 压强下成型， 保压时间为 50s ； 0041 4） 将步骤 3） 所得成型物进行煅烧， 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控 制在 3 5 /min ； 第二段保温， 温度控制为 950， 保温时间为 2 小时 ； 第三段降温， 降温 速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉 ； 0042 5） 将步骤 4） 所得烧结物水洗后得成品。 0043 经测试， 六钛酸钾晶须隔热保温材料体积密度为 1.63g/cm3、 孔隙率为 60%、 热导率 （250下为 0.221W/m.K， 900下为 0.164W/m.K） 、 抗折强度为 26.3Mpa。 0044。

22、 实施例 4 ： 0045 1） 以二氧化钛和碳酸钾为主要原料， 以碳粉为增孔剂， 并按以下计算量的各组 分混合搅拌均匀 ： 其中钛钾化合物的质量分数为 85%， 碳粉为 15%， 并且钛钾摩尔比控制在 5.5:1， 碳粉颗粒细度为 200 500 目 ； 0046 2） 将步骤 1） 所得混合物于 100下烘干。烘干后以质量百分浓度为 9% 的 PVA 溶 液为粘结剂进行混合造粒， 室温下阴干 ； 0047 3） 将造粒好后的混合料于 7MPa 压强下成型， 保压时间为 50s ； 0048 4） 将步骤 3） 所得成型物进行煅烧， 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控 制在 3 。

23、5 /min ； 第二段保温， 温度控制为 1000， 保温时间为 2.5 小时 ； 第三段降温， 降 温速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉 ； 0049 5） 将步骤 4） 所得烧结物水洗后得成品。 0050 经测试， 六钛酸钾晶须隔热保温材料体积密度为 1.71g/cm3、 孔隙率为 56%、 热导率 （250下为 0.274W/m.K， 900下为 0.187W/m.K） 、 抗折强度为 30.6Mpa。 0051 实施例 5 ： 0052 1） 以偏钛酸和碳酸钾为主要原料， 以碳粉为增孔剂， 并按以下计算量的各组分混 合3小时搅拌均匀 ： 其中钛钾化合物的质量分数为80%， 碳粉为20。

24、%， 并且钛钾摩尔比控制在 5:1， 碳粉颗粒细度为 200 500 目 ； 0053 2） 将步骤 1） 所得混合物于 100下烘干。烘干后以质量百分浓度为 7% 的 PVA 溶 液为粘结剂进行混合造粒， 室温下阴干 ； 0054 3） 将造粒好后的混合料于 6MPa 压强下成型， 保压时间为 1min ； 0055 4） 将步骤 3） 所得成型物进行煅烧， 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控 制在 3 5 /min ； 第二段保温， 温度控制为 1100， 保温时间为 3 小时 ； 第三段降温， 降温 速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉 ； 0056 5） 将步骤 4） 所得烧。

25、结物水洗后得成品。 0057 经测试， 六钛酸钾晶须隔热保温材料体积密度为 1.77g/cm3、 孔隙率为 50%、 热导率 （250下为 0.263W/m.K， 900下为 0.191W/m.K） 、 抗折强度为 30.6Mpa。 0058 实施例 6 ： 0059 1） 以偏钛酸和硝酸钾为主要原料， 以碳粉为增孔剂， 并按以下计算量的各组分混 合2小时搅拌均匀 ： 其中钛钾化合物的质量分数为70%， 碳粉为30%， 并且钛钾摩尔比控制在 5.5:1， 碳粉颗粒细度为 200 500 目 ； 说 明 书 CN 103342571 A 6 5/5 页 7 0060 2） 将步骤 1） 所得混合。

26、物于 100下烘干。烘干后以质量百分浓度为 5% 的 PVA 溶 液为粘结剂进行混合造粒， 室温下阴干 ； 0061 3） 将造粒好后的混合料于 5MPa 压强下成型， 保压时间为 1min ； 0062 4） 将步骤 3） 所得成型物进行煅烧， 煅烧的工艺条件为 ： 第一段升温， 升温速度控 制在 3 5 /min ； 第二段保温， 温度控制为 1050， 保温时间为 2 小时 ； 第三段降温， 降温 速度为随炉冷却， 温度降到室温出炉 ； 0063 5） 将步骤 4） 所得烧结物水洗后得成品。 0064 经测试， 六钛酸钾晶须隔热保温材料体积密度为 1.61g/cm3、 孔隙率为 61%、 热导率 （250下为 0.214W/m.K， 900下为 0.172W/m.K） 、 抗折强度为 25.6Mpa。 说 明 书 CN 103342571 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103342571 A 8 。