浸漬燒結(jié)法制備的氧化物紅外光反射保溫炭氈及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化物紅外光反射保溫炭氈及其應(yīng)用，尤其是涉及一種浸漬燒結(jié)法制備的氧化物紅外光反射保溫炭氈及其應(yīng)用，屬于保溫?zé)釄?chǎng)材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫?zé)峁t是一種常見的工業(yè)設(shè)備，主要是通過(guò)加熱升溫，使得被處理的材料在高溫環(huán)境下發(fā)生性質(zhì)的改變，如重結(jié)晶，燒結(jié)，擴(kuò)散等，多用于晶體，陶瓷，金屬等材料的生產(chǎn)及處理，工作溫度也根據(jù)材料不同，跨度比較大，從400°C、500°C到3000°C均有。各行各業(yè)的高溫爐數(shù)目眾多，平均熱效率在30%左右，意味著有大于一半的熱量，由于高溫爐配套的保溫材料性能不好而被浪費(fèi)掉，這對(duì)工業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失。
[0003]熱量主要是通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射來(lái)傳播，在800°C以上的高溫環(huán)境中，熱量主要是依靠輻射傳播，即加熱器以黑體輻射的方式發(fā)射出紅外光，大部分熱量以紅外光的方式向外傳播。因此如果選用紅外光反射材料，將熱量以光反射的形式反射回?zé)釄?chǎng)內(nèi)部，可以提高熱效率。目前行業(yè)內(nèi)用到的高溫?zé)岱瓷洳牧?，工作溫度?00-2500°C的，主要是選用涂料燒結(jié)的方式，將紅外光反射材料涂覆在保溫磚的內(nèi)壁，對(duì)于高孔隙率的保溫材料而言，例如炭氈，涂料的方法很難使得紅外光反射材料牢固地粘結(jié)在炭氈上面，即使粘結(jié)上去，涂層的抗熱震性能很差，幾個(gè)工藝周期之后涂層就會(huì)開裂，甚至脫落，因此對(duì)于選用高孔隙率炭氈保溫材料而言的高溫設(shè)備，適合的氧化物紅外光反射材料幾乎沒有，但是國(guó)內(nèi)外有大量的高溫生產(chǎn)設(shè)備，如太陽(yáng)能、半導(dǎo)體的晶體硅生長(zhǎng)爐，冶金爐，陶瓷燒結(jié)爐等，都是選用炭氈作為保溫層，他們耗電量占了工業(yè)生產(chǎn)用電量的25%以上。中高溫度段選用炭氈、炭-炭復(fù)合材料進(jìn)行保溫的設(shè)備，保守估計(jì)國(guó)內(nèi)應(yīng)該有十幾萬(wàn)臺(tái)之多，主要分布在光伏，晶體生長(zhǎng)，粉末冶金及硬質(zhì)合金等領(lǐng)域；而放眼全球，國(guó)內(nèi)外選用炭氈作為保溫層的高溫設(shè)備則至少有百萬(wàn)臺(tái)之多，基本上都還沒有使用氧化物紅外光反射節(jié)能材料，其市場(chǎng)容量不容小覷，對(duì)保溫節(jié)能的需求尤其強(qiáng)烈。目前國(guó)家提倡鍋爐等設(shè)備節(jié)能減排，以炭氈為保溫基礎(chǔ)的高溫設(shè)備的節(jié)能改造已經(jīng)迫不及待，同時(shí)也是高能耗生產(chǎn)型企業(yè)降低成本，提升生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵步驟。
[0004]炭氈無(wú)論是固化炭氈還是軟氈，都是主要的保溫?zé)釄?chǎng)材料，被廣泛地用于晶體生長(zhǎng)爐(如多晶硅鑄錠爐，硅單晶提拉爐等)，工藝爐(如石墨化爐，壓力燒結(jié)爐等)等多種領(lǐng)域。另外，還有很多高密度炭-炭復(fù)合材料，由于其獨(dú)特的高強(qiáng)度，耐高溫，抗腐蝕等特性，作為結(jié)構(gòu)件用于高溫設(shè)備中，因此提高炭-炭復(fù)合材料的保溫性能，可以進(jìn)一步降低高溫設(shè)備中炭熱場(chǎng)的熱損失，使得設(shè)備進(jìn)一步節(jié)能，環(huán)保。
[0005]其中光伏行業(yè)中有單晶硅，多晶硅多種晶體爐1-2萬(wàn)臺(tái)，用于硅晶體的生長(zhǎng)，而且炭氈等保溫材料作為熱場(chǎng)耗材，每2年左右更換一次；同時(shí)為了節(jié)能降耗，降低整個(gè)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈的成本，炭氈與炭-炭復(fù)合材料本身的性能也在不斷提高，先后出現(xiàn)了低熱導(dǎo)率的黏膠基、預(yù)氧絲基、炭基氣凝膠基等炭氈，其共同的特點(diǎn)是都是以炭纖維作為基體，形成多孔，輕質(zhì)的氈體結(jié)構(gòu)。另外，由于炭氈作為保溫材料，碳也是晶體硅生長(zhǎng)過(guò)程中不可避免被帶入的雜質(zhì)之一，因此如何在使用當(dāng)前主流炭氈的前提下，最大程度地避免碳雜質(zhì)的污染，也是光伏行業(yè)研究的重點(diǎn)。
[0006]眾所周知，中高溫環(huán)境下，熱量的傳遞主要是以近紅外光輻射為主，在現(xiàn)有高溫設(shè)備中，保溫材料僅僅是具有很低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，其熱輻射的阻隔能力普遍偏弱，因此高溫下炭氈保溫材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)急劇升高，是其常溫下的10倍左右，高達(dá)1.5-2ff/m.K，主要原因在于加熱器的輻射熱量主要是以近紅外線發(fā)射為主，但是保溫的普通炭氈其近紅外光透射率大，很多熱量以近紅外線的形式輻射出來(lái)，造成了無(wú)端的浪費(fèi)。
[0007]高溫紅外反射涂料是指涂覆于設(shè)備內(nèi)表面，對(duì)高溫輻射過(guò)程中的近、中紅外波段具有很高的反射比，并將吸收的熱量以光學(xué)長(zhǎng)波的形式輻射回?zé)釄?chǎng)內(nèi)部，從而可以有效阻止涂層表面熱量的穿透和熱量損失。紅外光輻射涂料是由輻射粉體基料與載體粘結(jié)劑組成，其中，輻射粉體基料的作用是提供高熱輻射性能，載體粘結(jié)劑則使涂料牢固地粘結(jié)在基體表面。在工業(yè)爐的生產(chǎn)過(guò)程中，一般選用氧化物紅外反射材料作為涂料的填料，其中主要是過(guò)渡金屬的氧化物及碳化物，如SiC，T12, S12，空心微珠，氧化鋁等。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)主要是利用涂料的方法將氧化物紅外反射材料涂在熱場(chǎng)的內(nèi)表面，形成熱反射。而且一般對(duì)氧化物紅外反射材料的尺度要求在微納米級(jí)，要求在粘結(jié)劑中分散均勻，具有良好的成膜能力，并且粘結(jié)劑純度高，耐高溫，不對(duì)高溫產(chǎn)品產(chǎn)生污染。
[0009]但是，目前來(lái)說(shuō)，尤其對(duì)于炭氈及炭-炭復(fù)合材料而言，其工作溫度高，對(duì)涂料的抗熱震性能要求極高，絕大多數(shù)的粘結(jié)劑由于不能反復(fù)承受熱脹冷縮的工藝過(guò)程，熱反射涂層使用幾次后多數(shù)將龜裂，粉化以及脫落，從而影響了氧化物紅外光反射涂層的高溫保溫性能。
[0010]一般的氧化物紅外光反射涂層，適用于具有較高密度，較低孔隙率的保溫基底，如保溫磚，保溫瓦等，但是對(duì)于孔隙率較高的炭氈和炭-炭復(fù)合材料，涂層很難在其表面形成，而且由于氧化物紅外反射材料與炭氈、炭-炭復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)不一致，所以氧化物紅外光反射涂層在炭氈、炭-炭復(fù)合材料上的抗熱震性能差。溶膠凝膠法是一種有效的將氧化物紅外反射材料與炭氈、炭-炭復(fù)合材料進(jìn)行粘結(jié)復(fù)合的方法，但是其工藝相對(duì)比較復(fù)雜，需要有從溶膠變?yōu)槟z的過(guò)程，周期比較長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種能夠?qū)Ω邷責(zé)釄?chǎng)環(huán)境下的紅外光輻射熱進(jìn)行反射處理，提高氧化物紅外光反射材料與母體炭纖維結(jié)合能力，抗熱震性能好的浸漬燒結(jié)法制備的氧化物紅外光反射保溫炭氈；該氧化物紅外光反射保溫炭氈應(yīng)用于保溫?zé)釄?chǎng)，可大幅降低保溫?zé)釄?chǎng)能耗；而且，其制備方法比溶膠凝膠法簡(jiǎn)單，高效，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所選用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明之浸漬燒結(jié)法制備的氧化物紅外光反射保溫炭氈，按照以下方法制成:
(I)配制混合溶液:將氧化物紅外光反射材料的前驅(qū)體與樹脂、有機(jī)溶劑酒精混合而成混合溶液，所述前驅(qū)體的重量比例為混合溶液重量的1wt %-90wt % (優(yōu)選40 Wt %-60 wt%)；
所述前驅(qū)體主要是與氧化物相應(yīng)的金屬的酯鹽或者醇鹽；所述有機(jī)溶劑可選用酒精(從經(jīng)濟(jì)角度考慮，可以使用工業(yè)酒精)，用于調(diào)節(jié)溶液的粘度；
(2)浸漬處理:將待處理的炭氈母體或者炭-炭復(fù)合材料母體浸漬到步驟(I)配制的混合溶液中，使母體的炭纖維骨架基體與混合溶液充分接觸，浸潤(rùn)后，混合溶液成分包覆在炭骨架上；
(3)干燥處理:將經(jīng)步驟(2)處理后的母體取出干燥處理；或者將經(jīng)步驟(2)處理后的母體置于離心設(shè)備中進(jìn)行離心脫液處理，去除多余的溶液后，將離心處理后的母體從離心設(shè)備中取出進(jìn)行、燥處理；
(4)燒結(jié)處理:將經(jīng)步驟(3)處理后的母體進(jìn)行高溫煅燒，煅燒溫度為550°C?1650°C(優(yōu)選1200-1600°C)，煅燒時(shí)間為60?120min，氧化物紅外光反射材料的前驅(qū)體，炭化分解，部分分解成氧化物紅外光反射材料，粘接在母體炭骨架上；同時(shí)經(jīng)過(guò)煅燒處理，該氧化物紅外反射材料從無(wú)定型態(tài)轉(zhuǎn)變成為納米結(jié)晶態(tài)，而成納米氧化物紅外光反射材料，由此即得納米氧化物紅外光反射保溫炭氈。
[0013]進(jìn)一步，所述氧化物紅外光反射材料是T12紅外光反射材料、S1 2紅外光反射材料、Al2O3紅外光反射材料中的一種；所述前驅(qū)體為受熱可以分解出碳、二氧化碳及其相應(yīng)氧化物紅外光反射材料的金屬有機(jī)化合物；具體為:1102的前驅(qū)體為含氧有機(jī)鈦化合物，優(yōu)