专利名称：一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷原料制备方法，尤其是一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法。
背景技术：
远红外干燥技术是近20年发展起来的一种高效、节能，同时又具环保特性的新型快速干燥技术，它是利用辐射器辐射红外线，并用远红外线照射物料，引起物料分子的振动，使内部水分迅速升温，促使物料内部水分向外部转移，达到干燥的目的。如果辐射器发射的辐射能全部或大部分集中在被干燥物料的红外光谱吸收带，则辐射能大部分被吸收，从而实现了良好匹配，提高了热效率和能效比。然而，现有的红外辐射技术的应用多在工业中和医疗中，如在大型钢铁加热炉的内壁上添加辐射涂料，提高效率，汽车工业中车体烤漆，对木材的烘干，以及医疗中的探伤和治疗手术伤口等，用于食品、农产品加工中的大部分是碳化硅管、石英管等普适性红外辐射器，使红外辐射元件发出的光谱与干燥对象的吸收光谱的匹配性较差，导致热效率低，干燥(制)不均匀，造成产品品质下降。
申请(专利)号8510050.6申请日1985.04.01公开(公告)号CN 85100506公开(公告)日1986.08.13申请(专利)号00133680.0申请日2000.12.01公开(公告)号CN 1309107公开(公告)日2001.08.22发明内容为了解决电力(电炉、电烤箱等用电器)干燥能耗过大，能效比过低的问题，解决火力(燃煤、燃油或燃生物质)干燥设备庞大、烟气泄漏会造成产品污染、出现异味、焙烤不均和能耗过大方面的问题，本发明根据光谱匹配原则，设计了便于进行远红外复合陶瓷辐射材料开发的计算机辅助设计应用程序，设计了适于谷物、水果、蔬菜类农产品物料及中草药类原料和制品干燥的不同远红外复合陶瓷辐射材料配方。
1)根据光谱匹配原则，以C++Builder作为开发平台，开发了一套基于聚类分析ISODATA(Iterative Self-Organizing Data Analytics Techniques)算法的匹配分析程序，建立了适用于农产品、食品及果蔬类物料和中草药类原料及制品的光谱匹配分析软件。程序开始部分是初始化聚类中心；然后修改聚合类成员，重新分配模式到聚合类内；再根据计算的马氏距离确定删除或合并聚合类；运算过程中迭代次数与设定阈值即要求精度有关，阈值大，则迭代次数少，反之则迭代次数多，当误差小于阈值时完成算法过程，程序停止运行。该程序简化了工作过程，缩短了设计时间，减少了在设计中的不确定因素，加速远红外复合陶瓷辐射材料配方的研制。
2)远红外复合陶瓷辐射原料应用所开发的光谱匹配分析软件，根据被干燥物料的远红外吸收光谱，经分析优化后得到远红外复合陶瓷辐射原料。远红外复合陶瓷辐射原料包括基料和辅料。其基料(全部以质量分数计)为ZrO2(60～85％)、TiO2(5～20％)，辅料为SiO2(2～3％)、Al2O3(2～5％)、Y2O3(2～4％)、CaO(0.5～3％)、MgO(0.2～2％)、Fe2O3(2～6％)、CuO(0.05～5％)。
3)远红外复合陶瓷辐射涂料一种远红外辐射率达到0.91的远红外陶瓷辐射涂料的最佳配方为TiO2(15％)、ZrO2(80％)、Fe2O3(3％)、MnO2(1.5％)、CuO(0.05％)、水玻璃(10～15％)。
取远红外复合陶瓷辐射原料85-90％加入粘合剂水玻璃10～15％即成涂料。使用于涂刷干燥室内表面或干燥机中角状管外表面、或炉体内表面，干燥后即可。
4)远红外复合陶瓷辐射板的烧制工艺TiO2和ZrO2的含量对烧结后试样的最终远红外辐射率的大小有着重要影响。研究结果表明，远红外辐射性能随TiO2和ZrO2含量增加呈上升趋势，但在TiO2含量接近15％，ZrO2含量接近80％时，远红外辐射率上升趋势减缓。
远红外复合陶瓷辐射板的制作原料配方为ZrO2(70％)、TiO2(10％)、SiO2(2.5％)、Al2O3(3.5％)、Y2O3(2.5％)、CaO(1％)、MgO(0.5％)、Fe2O3(4％)、CuO(2％)。其中Y2O3起ZrO2晶型稳定剂的作用，MgO、CaO混合加入也能起到Y2O3相似的作用。SiO2是瘠性原料，可以调节泥料的可塑性，降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。Al2O3可以提高陶瓷制品的物理化学性能和机械强度，并可防止ZrO2陶瓷的低温老化问题。Fe2O3、CuO和上述辅料具有调整发射光谱范围的作用。
制备远红外陶瓷辐射板的工艺流程为混料、造粒、成型、干燥、烧结。
(1)造粒本发明采用聚乙烯醇6--9％作为胶黏剂，与远红外复合陶瓷辐射原料60--91％混匀，进行辐射板烧结前的造粒。该胶黏剂的特点是，生产工艺简单，瓷料气孔率小，聚乙烯醇水溶液的配制方法是将水加热到80℃左右，然后加入聚乙烯醇8％～12％充分搅拌后虑去上层粘稠物后即可。将配料与配制的聚乙烯醇水溶液9％混合均匀，采用手工或造粒机完成造粒。
(2)成型采用300×100(+3裕度)钢制模具，利用四柱式液压成型机压制成型，成形压力为40Mpa。压力过小，坯体致密度不够，且其中的水分不易排出；过大，则容易出现裂纹、层裂和脱模困难等问题。加压速度和保压时间对坯体的性能有很大的影响。如加压过快、保压时间过短，坯体中气体不易排出。保压时间短，则压力还未传递到应有深度时，压力就已卸掉，也难以得道较为理想的坯体。由于辐射板的面积较大，且较薄，因而压制速度应较慢，保压时间应在3～5秒为宜。
(3)干燥干燥是为了降低坯体的含水率；提高坯体的机械强度，减少在搬运和加工过程中的破损；使坯体具有最低的入窑水分，缩短烧成周期，降低燃料损耗。具体干燥制度是，先缓慢升温至50℃，保温5小时，再将温度升至100℃保温10小时，然后，再降温至50℃，保温至烧结前。
(4)烧结在烧结过程中，随着温度的升高和热处理时间延长，气孔不断减少，颗粒间的结合力不断增强，当达到一定温度和一定热处理时间，颗粒间的结合力呈极大值。超过极大值后，就出现气孔微增的倾向，同时晶粒增大，机械强度减小。在陶瓷的生产工艺过程中，烧成是至关重要的工序之一。坯体在烧成过程中要发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的温度、气氛条件下，所发生变化的内容与程度也不同，从而形成不同的矿物组成和显微结构，决定了陶瓷制品不同的质量和性能。因此，烧成制度是烧成过程中影响陶瓷最终性能的关键因素。
烧成制度主要包括升温过程、最高烧结温度、保温时间和降温方式。
升温过程由于辐射板结构相对简单，厚度较薄且均匀，故起始阶段升温速度可以较快，以快速升温方式升温，升温速度为100℃/h，为了保证排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分别保温两小时，在600℃～900℃之间，由于水分和粘结剂已基本排除干净、液相尚未出现且体积收缩不严重，故升温速度仍可较快，确定升温速度为100℃/h。900℃以后，由于液相大量出现且体积收缩加剧，故升温速度不易过快，确定为中速升温方式升温，升温速度为50℃/h。
最高烧结温度经实验研究，当最高温度为1190℃时，辐射板结构平整，无明显变形，无开裂，敲击声音清脆；当最高温度为1150℃时，辐射板有起层现象，且色泽、敲击声音均符合欠烧时的特征；当最高温度为1350℃时，辐射板发生了严重的变形和粘结现象，这些特征属于过烧现象。故本发明的最高烧结温度为1190℃±20℃。
保温时间保温阶段主要是坯体中的各组分进一步进行物理变化和化学反应，是获得辐射板具有致密、良好的结构和性能的重要阶段。保温时间为2h。
降温方式降温过程是从最高烧结温度冷却至常温的过程。在降温过程中，辐射板伴随有玻璃相凝固、析晶、晶体生长、相变等物理和化学变化发生。本发明降温方式采用随炉冷却。
有益效果经国家红外研究所测试，辐射板的法向全辐射率达到0.87。通过对辐射板相对辐射能谱的测试，该辐射板辐射能量主要集中在5～12μm光谱区间。
按照国家标准GB4654-84.1984《碳化硅、锆英砂陶瓷类红外辐射加热器通用技术条件》进行测试，该辐射器的红外性能指标均符合国标要求。
实施例一基料(全部以质量分数计)为ZrO2(60～85％)、TiO2(5～20％)，辅料为SiO2(2～3％)、Al2O3(2～5％)、Y2O3(2～4％)、CaO(0.5～3％)、MgO(0.2～2％)、Fe2O3(2～6％)、CuO(0.05～5％)，根据被干燥物料的远红外吸收光谱，经分析优化后得到远红外复合陶瓷辐射原料。
实施例二远红外陶瓷辐射涂料的最佳配方为TiO2(15％)、ZrO2(80％)、Fe2O3(3％)、MnO2(1.5％)、CuO(0.05％)、水玻璃(10～15％)；远红外复合陶瓷辐射原料85-90％加入粘合剂水玻璃10～15％即成涂料。
实施例三远红外复合陶瓷辐射板的制作原料配方为ZrO2(70％)、TiO2(10％)、SiO2(2.5％)、Al2O3(3.5％)、Y2O3(2.5％)、CaO(1％)、MgO(0.5％)、Fe2O3(4％)、CuO(2％)。
实施例四聚乙烯醇6--9％作为胶黏剂，与远红外复合陶瓷辐射原料60--91％混匀，进行辐射板烧结前的造粒。该胶黏剂的特点是，生产工艺简单，瓷料气孔率小，聚乙烯醇水溶液的配制方法是将水加热到80℃左右，然后加入聚乙烯醇8％～12％充分搅拌后虑去上层粘稠物后即可。将配料与配制的聚乙烯醇水溶液9％混合均匀，采用手工或造粒机完成造粒。采用300×100(+3裕度)钢制模具，利用四柱式液压成型机压制成型，成形压力为40Mpa。压力过小，坯体致密度不够，且其中的水分不易排出；过大，则容易出现裂纹、层裂和脱模困难等问题。加压速度和保压时间对坯体的性能有很大的影响。如加压过快、保压时间过短，坏体中气体不易排出。保压时间短，则压力还未传递到应有深度时，压力就已卸掉，也难以得道较为理想的坯体。由于辐射板的面积较大，且较薄，因而压制速度应较慢，保压时间应在3～5秒为宜。干燥是为了降低坯体的含水率；提高坯体的机械强度，减少在搬运和加工过程中的破损；使坯体具有最低的入窑水分，缩短烧成周期，降低燃料损耗。具体干燥制度是，先缓慢升温至50℃，保温5小时，再将温度升至100℃保温10小时，然后，再降温至50℃，保温至烧结前。在烧结过程中，随着温度的升高和热处理时间延长，气孔不断减少，颗粒间的结合力不断增强，当达到一定温度和一定热处理时间，颗粒间的结合力呈极大值。超过极大值后，就出现气孔微增的倾向，同时晶粒增大，机械强度减小。在陶瓷的生产工艺过程中，烧成是至关重要的工序之一。坯体在烧成过程中要发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的温度、气氛条件下，所发生变化的内容与程度也不同，从而形成不同的矿物组成和显微结构，决定了陶瓷制品不同的质量和性能。因此，烧成制度是烧成过程中影响陶瓷最终性能的关键因素。
烧成制度主要包括升温过程、最高烧结温度、保温时间和降温方式。
升温过程由于辐射板结构相对简单，厚度较薄且均匀，故起始阶段升温速度可以较快，以快速升温方式升温，升温速度为100℃/h，为了保证排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分别保温两小时，在600℃～900℃之间，由于水分和粘结剂已基本排除干净、液相尚未出现且体积收缩不严重，故升温速度仍可较快，确定升温速度为100℃/h。900℃以后，由于液相大量出现且体积收缩加剧，故升温速度不易过快，确定为中速升温方式升温，升温速度为50℃/h。
最高烧结温度经实验研究，当最高温度为1190℃时，辐射板结构平整，无明显变形，无开裂，敲击声音清脆；当最高温度为1150℃时，辐射板有起层现象，且色泽、敲击声音均符合欠烧时的特征；当最高温度为1350℃时，辐射板发生了严重的变形和粘结现象，这些特征属于过烧现象。故本发明的最高烧结温度为1190℃±20℃。
保温时间保温阶段主要是坯体中的各组分进一步进行物理变化和化学反应，是获得辐射板具有致密、良好的结构和性能的重要阶段。保温时间为2h。
降温方式降温过程是从最高烧结温度冷却至常温的过程。在降温过程中，辐射板伴随有玻璃相凝固、析晶、晶体生长、相变等物理和化学变化发生。本发明降温方式采用随炉冷却。
具体实施例方式基料(全部以质量分数计)为ZrO2(60～85％)、TiO2(5～20％)，辅料为SiO2(2～3％)、Al2O3(2～5％)、Y2O3(2～4％)、CaO(0.5～3％)、MgO(0.2～2％)、Fe2O3(2～6％)、CuO(0.05～5％)根据被干燥物料的远红外吸收光谱，经分析优化后得到远红外复合陶瓷辐射原料。远红外陶瓷辐射涂料的最佳配方为TiO2(15％)、ZrO2(80％)、Fe2O3(3％)、MnO2(1.5％)、CuO(0.05％)、水玻璃(10～15％)；远红外复合陶瓷辐射原料85-90％加入粘合剂水玻璃10～15％即成涂料。远红外复合陶瓷辐射板的制作原料配方为ZrO2(70％)、TiO2(10％)、SiO2(2.5％)、Al2O3(3.5％)、Y2O3(2.5％)、CaO(1％)、MgO(0.5％)、Fe2O3(4％)、CuO(2％)。聚乙烯醇6--9％作为胶黏剂，与远红外复合陶瓷辐射原料60--91％混匀，进行辐射板烧结前的造粒。该胶黏剂的特点是，生产工艺简单，瓷料气孔率小，聚乙烯醇水溶液的配制方法是将水加热到80℃左右，然后加入聚乙烯醇8％～12％充分搅拌后虑去上层粘稠物后即可。将配料与配制的聚乙烯醇水溶液9％混合均匀，采用手工或造粒机完成造粒。采用300×100(+3裕度)钢制模具，利用四柱式液压成型机压制成型，成形压力为40Mpa。压力过小，坯体致密度不够，且其中的水分不易排出；过大，则容易出现裂纹、层裂和脱模困难等问题。加压速度和保压时间对坯体的性能有很大的影响。如加压过快、保压时间过短，坯体中气体不易排出。保压时间短，则压力还未传递到应有深度时，压力就已卸掉，也难以得道较为理想的坯体。由于辐射板的面积较大，且较薄，因而压制速度应较慢，保压时间应在3～5秒为宜。干燥是为了降低坯体的含水率；提高坯体的机械强度，减少在搬运和加工过程中的破损；使坯体具有最低的入窑水分，缩短烧成周期，降低燃料损耗。具体干燥制度是，先缓慢升温至50℃，保温5小时，再将温度升至100℃保温10小时，然后，再降温至50℃，保温至烧结前。在烧结过程中，随着温度的升高和热处理时间延长，气孔不断减少，颗粒间的结合力不断增强，当达到一定温度和一定热处理时间，颗粒间的结合力呈极大值。超过极大值后，就出现气孔微增的倾向，同时晶粒增大，机械强度减小。在陶瓷的生产工艺过程中，烧成是至关重要的工序之一。坯体在烧成过程中要发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的温度、气氛条件下，所发生变化的内容与程度也不同，从而形成不同的矿物组成和显微结构，决定了陶瓷制品不同的质量和性能。因此，烧成制度是烧成过程中影响陶瓷最终性能的关键因素。
烧成制度主要包括升温过程、最高烧结温度、保温时间和降温方式。
升温过程由于辐射板结构相对简单，厚度较薄且均匀，故起始阶段升温速度可以较快，以快速升温方式升温，升温速度为100℃/h，为了保证排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分别保温两小时，在600℃～900℃之间，由于水分和粘结剂已基本排除干净、液相尚未出现且体积收缩不严重，故升温速度仍可较快，确定升温速度为100℃/h。900℃以后，由于液相大量出现且体积收缩加剧，故升温速度不易过快，确定为中速升温方式升温，升温速度为50℃/h。
最高烧结温度经实验研究，当最高温度为1190℃时，辐射板结构平整，无明显变形，无开裂，敲击声音清脆；当最高温度为1150℃时，辐射板有起层现象，且色泽、敲击声音均符合欠烧时的特征；当最高温度为1350℃时，辐射板发生了严重的变形和粘结现象，这些特征属于过烧现象。故本发明的最高烧结温度为1190℃±20℃。
保温时间保温阶段主要是坯体中的各组分进一步进行物理变化和化学反应，是获得辐射板具有致密、良好的结构和性能的重要阶段。保温时间为2h。
降温方式降温过程是从最高烧结温度冷却至常温的过程。在降温过程中，辐射板伴随有玻璃相凝固、析晶、晶体生长、相变等物理和化学变化发生。降温方式采用随炉冷却。
权利要求
1.本发明公开了一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法，其特征是所说的远红外复合陶瓷辐射原料，是一组方，包括基料和辅料，其基料全部以质量分数计为ZrO265～85％、TiO25～15％，辅料为SiO22～3％、Al2O32～5％、Y2O31.5～3.5％、CaO0.5～3％)、MgO 0.2～2％、Fe2O32～6％、CuO 0.05～5％，远红外复合陶瓷辐射材料组方，加入粘结剂水玻璃，成为远红外复合陶瓷陶瓷辐射涂料；根据被干燥物料的远红外吸收光谱，经分析优化后得到远红外复合陶瓷辐射原料。
2.根据权利要求1所述的一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法，其特征在于，远红外陶瓷辐射涂料的最佳配方为TiO215％、ZrO280％、Fe2O33％、MnO21.5％、CuO 0.05％、水玻璃10～15％；远红外复合陶瓷辐射原料85-90％加入粘合剂水玻璃10～15％即成涂料。
3.一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法，其特征在于，远红外复合陶瓷辐射板的制作原料配方为ZrO270％、TiO210％、SiO22.5％、Al2O33.5％、Y2O32.5％、CaO 1％、MgO 0.5％、Fe2O34％、CuO 2％；聚乙烯醇6--9％作为胶黏剂，与远红外复合陶瓷辐射原料60--91％混匀。
4.根据权利要求3所述的一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法，其特征在于，进行辐射板烧结前的造粒，该胶黏剂的特点是，生产工艺简单，瓷料气孔率小，聚乙烯醇水溶液的配制方法是将水加热到80℃左右，然后加入聚乙烯醇8％～12％充分搅拌后虑去上层粘稠物后即可。将配料与配制的聚乙烯醇水溶液9％混合均匀，采用手工或造粒机完成造粒。采用300×100(+3裕度)钢制模具，利用四柱式液压成型机压制成型，成形压力为40Mpa。压力过小，坯体致密度不够，且其中的水分不易排出；过大，则容易出现裂纹、层裂和脱模困难等问题，加压速度和保压时间对坯体的性能有很大的影响，如加压过快、保压时间过短，坯体中气体不易排出，保压时间短，则压力还未传递到应有深度时，压力就已卸掉，也难以得道较为理想的坯体，由于辐射板的面积较大，且较薄，因而压制速度应较慢，保压时间应在3～5秒为宜，干燥是为了降低坯体的含水率；提高坯体的机械强度，减少在搬运和加工过程中的破损；使坯体具有最低的入窑水分，缩短烧成周期，降低燃料损耗，具体干燥制度是，先缓慢升温至50℃，保温5小时，再将温度升至100℃保温10小时，然后，再降温至50℃，保温至烧结前，在烧结过程中，随着温度的升高和热处理时间延长，气孔不断减少，颗粒间的结合力不断增强，当达到一定温度和一定热处理时间，颗粒间的结合力呈极大值，超过极大值后，就出现气孔微增的倾向，同时晶粒增大，机械强度减小，在陶瓷的生产工艺过程中，烧成是至关重要的工序之一，坯体在烧成过程中要发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等，在不同的温度、气氛条件下，所发生变化的内容与程度也不同，从而形成不同的矿物组成和显微结构，决定了陶瓷制品不同的质量和性能，因此，烧成制度是烧成过程中影响陶瓷最终性能的关键因素；烧成制度主要包括升温过程、最高烧结温度、保温时间和降温方式；升温过程由于辐射板结构相对简单，厚度较薄且均匀，故起始阶段升温速度可以较快。以快速升温方式升温，升温速度为100℃/h，为了保证排水和排塑的充分性，在450℃和600℃分别保温两小时，在600℃～900℃之间，由于水分和粘结剂已基本排除干净、液相尚未出现且体积收缩不严重，故升温速度仍可较快，确定升温速度为100℃/h。900℃以后，由于液相大量出现且体积收缩加剧，故升温速度不易过快，确定为中速升温方式升温，升温速度为50℃/h；最高烧结温度经实验研究，当最高温度为1190℃时，辐射板结构平整，无明显变形，无开裂，敲击声音清脆；当最高温度为1150℃时，辐射板有起层现象，且色泽、敲击声音均符合欠烧时的特征；当最高温度为1350℃时，辐射板发生了严重的变形和粘结现象，这些特征属于过烧现象，故本发明的最高烧结温度为1190℃±20℃；保温时间保温阶段主要是坯体中的各组分进一步进行物理变化和化学反应，是获得辐射板具有致密、良好的结构和性能的重要阶段。保温时间为2h；降温方式降温过程是从最高烧结温度冷却至常温的过程。在降温过程中，辐射板伴随有玻璃相凝固、析晶、晶体生长、相变等物理和化学变化发生。本发明降温方式采用随炉冷却。
全文摘要
本发明提供的一种远红外复合陶瓷辐射材料的系列制备方法是，运用远红外复合陶瓷辐射材料研制基料(全部以质量分数计)为ZrO
文档编号C04B35/622GK1900016SQ20061004847
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月27日 优先权日2006年7月27日
发明者刘建学, 朱文学, 张仲欣, 任广跃, 吴龙奇, 刘云宏 申请人:河南科技大学