一种高强度纳米陶瓷复合绝热材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种纳米陶瓷复合绝热材料，尤其涉及一种能够在炼钢转炉中使用的高强度保温绝热材料及其制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术
普通保温隔热材料多以粉体、玻璃纤维、硅酸铝纤维等为主体，导热系数多在0.1左右。普通保温隔热材料强度低、脆性大，遇到设备运动或产生复杂应力的工作环境，容易破碎，失去作用(如炼钢转炉的隔热内衬)。普通的硅酸铝纤维板抗压强度在0.4～1.5MPa之间，轻质莫来石保温隔热板抗压强度达到3MPa，但是导热系数偏高，达0.3w/m.k，而且它们都是脆性材料。
转炉永久层后的温度一般在600～700℃左右，如果永久层与炉壳之间没有隔热保温内衬，炉壳表面的温度平均在500℃左右。在这样的温度下，炉壳产生蠕变，强度下降，易埋伏安全隐患。目前，钢厂普遍采用在转炉永久层与炉壳钢板之间加石棉板等隔热材料，以降低炉壳温度，控制炉壳变形。然而，当石棉板厚度为30mm时，炉壳表面温度下降到367℃就能控制在炉壳材质(16Mn)的蠕变温度(450℃)以内。而当石棉板厚度为20mm时，炉壳表面温度只能降到405℃，非常接近炉壳材料的蠕变温度，达不到给炉壳降温的目的。另外，在600℃条件下使用，石棉板材易发生粉化、崩裂，使用寿命短。
【发明内容】
本发明的目的是克服上述不足而提供一种高强度纳米陶瓷复合绝热材料。
本发明的另一目的是提供该种高强度纳米陶瓷复合绝热材料的制备方法。
本发明解决问题采取的技术方案为：
一种高强度纳米陶瓷复合绝热材料，其样板尺寸为200mm×150mm×20mm，它由下列重量份比的原材料组成：漂珠120～180份，硅灰10～50份，钛酸钾晶须35～60份，硅凝胶或者无机粘合剂或者硅凝胶与无机粘合剂的混合物500～600份，二氧化钛5～24份，高岭土8～12份，硅藻土10～16份，硅酸铝纤维网格布50～108份。
所述的一种高强度纳米陶瓷复合绝热材料，优选由下列重量份比的原材料组成：漂珠120～180份，硅灰30～50份，钛酸钾晶须45～60份，硅凝胶或者无机粘合剂或者硅凝胶与无机粘合剂的混合物500～600份，二氧化钛5～15份，高岭土8～12份，硅藻土10～16份，硅酸铝纤维网格布50～108份。
所述的无机粘合剂为重量份比为钾水玻璃195～243份与钠水玻璃66～93份、氟硅酸钠6～9份、磷酸二氢铝4～6份的混合物。
所述硅凝胶即为钛酸钾凝胶，由重量份比的硅溶胶193～263份、钛酸钾晶须20～30份与磷酸二氢铝5～8份组成。
所述的硅凝胶与无机粘合剂的混合物，其中硅凝胶与无机粘合剂的质量比为1∶1。
所述的钛酸钾晶须为纳米级单晶钛酸钾晶须。
所述的高强度纳米陶瓷复合绝热材料的制备方法，包括以下步骤：
1)无机粘合剂的制备：将称量好的钾水玻璃、钠水玻璃先倒入搅拌器中，将称量好的氟硅酸钠和磷酸二氢铝研碎后倒入搅拌器中，搅拌均匀备用；
2)硅凝胶的制备：将钛酸钾晶须、磷酸二氢铝加入到硅溶胶中，搅拌至形成凝胶状态之后备用，或者形成凝胶状态后加入到装有无机粘合剂的搅拌器中搅拌0.5～1小时备用；
3)研磨浆料的制备：将步骤2)中得到的备用混合物，加入硅灰、二氧化钛、高岭土、硅藻土，在高速分散机上混合1～2小时，然后将混合浆料的60％(wt％)收集至带有搅拌器的混料设备中；另40％(wt％)盛在容器中备用；
4)混合涂料的制备：在步骤3)混料设备中研磨好的60％(wt％)浆料中，加入漂珠并开动搅拌使物料混合均匀备用；
5)复合型材制备：将硅酸铝纤维网格布裁剪成相同尺寸的布料片(200mm×150mm×20mm)，用毛刷浸步骤3)中得到的另40％(wt％)备用混合物在网格布上刷透，然后用刮刀将步骤4)得到的混合涂料刮涂在浸胶好的网格布上，每片网格布所用的混合涂料质量相同，且两面均涂，网格布涂好后紧密叠加在一起，用0.1kg/cm2～0.2kg/cm2的压力加压一次成型，晾干24～36小时后放在120～180℃下烘烤10～12小时。
将本发明制得的高强度纳米陶瓷复合绝热材料命名为GK-N90纳米陶瓷复合绝热材料，该种材料是一种高强度、高韧性和低导热系数的绝热材料，是专门为转炉炼钢隔热保温设计的内衬材料，也可应用于氧化铝回旋窑、水泥窑、石灰窑等工业窑炉的保温隔热内衬。GK-N90材料做成板材以后，在平面的平行方向抗拉强度非常高，而在平板垂直方向抗拉强度较弱。在填料中采用微米、纳米单晶结构钛酸钾晶须材料，能得到很好的分散性，具有很高的力学性能，在硅溶胶中凝胶化处理后，从而提高了板材的整体强度。GK-N90纳米陶瓷复合绝热材料抗压强度高，一般在10～20MPa；导热系数小，约为0.083w/m.k(200℃)，工业窑炉采用20mm厚度，热面温度在600℃时，冷面温度可降至200℃以下；可耐高温800℃～1000℃，且有很高的压缩变形率，一般在15～20％以上；材料容重轻，可根据需要将材料制成任意密度和尺寸的型材，并且可进行切、割、钉、锯等加工，使用方便；经济效益和社会效益好，提高转炉和工业窑炉的使用寿命，符合国家节能减排的发展方向。
具体实施方式：
本发明所用漂珠(产地青岛)，下面结合实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1
采用地原材料组分及重量份比为：漂珠180份，硅灰30份，钛酸钾晶须50份，无机粘合剂(钾水玻璃195份、钠水玻璃90份+固化剂氟硅酸钠9份，磷酸二氢铝6份)300份，硅凝胶300份，二氧化钛5份，高岭土10份，硅藻土10份，硅酸铝纤维网格布三层52份。
制备方法为：
1)无机粘合剂的配制：称量钾、钠水玻璃、固化剂氟硅酸钠和磷酸二氢铝，先将块状的氟硅酸钠成分粉碎、研细，然后和磷酸二氢铝逐渐加入到盛有水玻璃的搅拌容器中搅拌，待氟硅酸钠和磷酸二氢铝溶解备用；
2)硅凝胶的制备：将钛酸钾晶须粉末加入到溶解磷酸二氢铝的硅溶胶的搅拌器中搅拌0.5小时备用；
3)研磨浆料的制备：将步骤2)中得到的备用混合物，加入硅灰、钛酸钾晶须、二氧化钛、，在高速分散机上混合，然后混合物的60％(wt％)收集至带有搅拌器的混料设备中，另40％盛入容器中备用；
4)混合涂料的制备：将漂珠加入到步骤3)60％(wt％)研磨好的浆料中，并开动搅拌使物料混合均匀；
5)复合型材制备：将硅酸铝纤维网格布裁剪成相同尺寸的布料片，用毛刷浸步骤3)中得到的另40％(wt％)备用混合物在网格布上刷透，然后用刮刀将步骤4)得到的混合涂料刮涂在浸胶好的网格布上，每片网格布所用的混合涂料质量相同，且两面均涂，网格布涂好后紧密叠加在一起，用0.5kg/cm2的压力加压一次成型，晾干24h后，然后放在在150℃下烘烤10小时。
在本实施例中制得的材料，耐温1000℃，比重为0.7g/m3，抗压强度为12.1MPa，压缩变形率为20％，20mm的GK-N90板材在热面温度为600℃时，冷面温度为175℃。
实施例2
采用的原材料组分及重量份比为：漂珠150份，硅灰30份，钛酸钾晶须50份，无机粘合剂(钾水玻璃195份、钠水玻璃90份+固化剂氟硅酸钠9份，磷酸二氢铝6份)300份，硅凝胶300份，二氧化钛5份，高岭土10份，硅藻土10份，硅酸铝纤维网格布5层90份。
制备方法：
1)无机粘合剂的配制：称量钾、钠水玻璃、固化剂氟硅酸钠和磷酸二氢铝，先将块状的氟硅酸钠成分粉碎、研细，然后和磷酸二氢铝逐渐加入到盛有水玻璃的搅拌容器中搅拌，待氟硅酸钠和磷酸二氢铝溶解备用；
2)硅凝胶的制备：将钛酸钾晶须粉末加入到溶解磷酸二氢铝的硅溶胶的搅拌器中搅拌0.5小时备用；
3)研磨浆料的制备：将步骤2)中得到的备用混合物，加入硅灰、钛酸钾晶须、二氧化钛、，在高速分散机上混合，然后混合物的60％(wt％)收集至带有搅拌器的混料设备中，另40％盛入容器中备用；
4)混合涂料的制备：将漂珠加入到步骤3)60％(wt％)研磨好的浆料中，并开动搅拌使物料混合均匀；
5)复合型材制备：将硅酸铝纤维网格布裁剪成相同尺寸的布料片，用毛刷浸步骤3)中得到的另40％(wt％)备用混合物在网格布上刷透，然后用刮刀将步骤4)得到的混合涂料刮涂在浸胶好的网格布上，每片网格布所用的混合涂料质量相同，且两面均涂，网格布涂好后紧密叠加在一起，用0.5kg/cm2的压力加压一次成型，晾干24h后，然后放在在150℃下烘烤10小时。
在本实施例中制得的材料，耐温900℃，比重为0.8g/m3，抗压强度为17MPa，压缩变形率为19％，20mm的GK-N90板材在热面温度为600℃时，冷面温度为188℃。
实施例3
采用的原材料组分及重量份比为：漂珠120份，硅灰30份，钛酸钾晶须60份，无机粘合剂(钾水玻璃195份、钠水玻璃90份+固化剂氟硅酸钠9份，磷酸二氢铝6份)300份，硅凝胶300份，二氧化钛5份，高岭土10份，硅藻土10份，硅酸铝纤维网格布108份。
1)无机粘合剂的配制：称量钾、钠水玻璃、固化剂氟硅酸钠和磷酸二氢铝，先将块状的氟硅酸钠成分粉碎、研细，然后和磷酸二氢铝逐渐加入到盛有水玻璃的搅拌容器中搅拌，待氟硅酸钠和磷酸二氢铝溶解备用；
2)硅凝胶的制备：将钛酸钾晶须粉末加入到溶解磷酸二氢铝的硅溶胶的搅拌器中搅拌0.5小时备用；
3)研磨浆料的制备：将步骤2)中得到的备用混合物，加入硅灰、钛酸钾晶须、二氧化钛、，在高速分散机上混合，然后混合物的60％(wt％)收集至带有搅拌器的混料设备中，另40％盛入容器中备用；
4)混合涂料的制备：将漂珠加入到步骤3)60％(wt％)研磨好的浆料中，并开动搅拌使物料混合均匀；
5)复合型材制备：将硅酸铝纤维网格布裁剪成相同尺寸的布料片，用毛刷浸步骤3)中得到的另40％(wt％)备用混合物在网格布上刷透，然后用刮刀将步骤4)得到的混合涂料刮涂在浸胶好的网格布上，每片网格布所用的混合涂料质量相同，且两面均涂，网格布涂好后紧密叠加在一起，用0.5kg/cm2的压力加压一次成型，晾干24h后，然后放在在150℃下烘烤10小时。
在本实施例中制得的材料，耐温800℃，比重为0.64g/m3，抗压强度为12.2MPa，压缩变形率为17％，20mm的GK-N90板材在热面温度为600℃时，冷面温度为168℃。