一种高强度用空心玻璃微珠及其制备方法与流程

本发明涉及无机非金属材料技术术领域，具体涉及一种高强度用空心玻璃微珠及其制备方法。

背景技术：

1、空心玻璃微珠是一种中空的微米级圆球粉末状超轻质无机非金属材料，因性能优异，被誉为“复合材料之王”、“新时代的空间材料”、“魔粉”，是二十一世纪高端复合材料的主流品种，是近些年来在全世界特别是发达国家得到广泛应用的新型功能性工业填料，具有质量轻、强度高、隔热保温、流动性好、耐腐蚀等诸多独特的特点。它是制造大飞机等航空航天器必需的特种材料，是海洋领域通用的基础材料，是军事工业不可或缺的核心材料，是油气田开采中最抗压的密度调节材料，是建筑、电子、化工、汽车、塑料、橡胶、油漆涂料、体育用品、玻璃钢、代木、人造大理石等众多行业的特种功能性填充料，有着广阔的市场应用前景和神奇的产品应用效果。

2、随着科学技术的发展，人类向深井、深海的探索欲增强，对耐高强度的空心微珠的需求越来越强烈。目前在深海领域应用时，为保证浮力材料具有较高的耐压强度和较大的安全可靠性，往往只能采用空心玻璃微珠与聚合物复合的复合泡沫固体浮力材料；同时，在油气开采领域，随着万米深井的技术突破，地层压力高达150mpa以上，对减轻材料的耐高压需求也越来越大，因此只有制备出低密度、高强度的空心玻璃微珠，才能实现人类对深井、深海的探索。

3、目前国内生产的空心微珠基本表现出耐压强度不足的问题，其中专利号为“cn103073176b”的专利文献提供了一种空心微珠的制备方法，其制得的空心玻璃微珠抗压强度在5～50mpa；专利为“cn 102320743b”的专利文献，提供了一种铝硅酸盐高强度空心玻璃微珠及其制备方法，其制得的空心玻璃微珠抗压强度在3～130mpa；专利号为“cn104891804b”的专利文献，提供了一种空心玻璃微珠及其制备方法，其制得的空心玻璃微珠耐压强度为3～80mpa。因此，为了实现微珠耐压强度达到180mpa，满足深井、深海的技术需要，还需进一步从产品配方上进行研究。

4、因此，现提出一种高强度用空心玻璃微珠及其制备方法，该方法制备得到的空心玻璃微珠耐压强度高，且可达到180mpa。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明的目的是克服现用技术制备得到的空心玻璃微珠耐压强度不足，不能满足深井、深海的技术使用需要的问题，本发明从产品配方出发，通过加入增强剂、处理剂等辅料，使得制备得到的空心玻璃微珠其耐压强度可达180mpa，且工艺流程简单，有利于节约能耗。

2、为了解决现有技术的不足，本发明采用的具体解决方案为：

3、一种高强度用空心玻璃微珠，是由以下重量份组分制备而成：

4、a、主料组分：石英砂62～75份，轻质氧化镁2～3份，氧化钙2～3份，钛白粉3～5份，三氧化锑2～5份，增强剂4～7份；

5、b、辅料组分：发气剂2～3份，助溶剂2～5份，降粘剂2～4份，助燃剂0.5～1.5份，处理剂0.5～2份；

6、其中，所述增强剂为经改性处理的氮化硼。

7、本发明选用氮化硼作为增强剂，其优点在于：氮化硼维氏硬度108gpa，比钻石还硬，常用作超硬材料，引入氮化硼可显著提供空心微珠的耐压强度；氮化硼经改性处理形成六方氮化硼纳米片，可以提高其相容性和加工性。

8、本发明制备原料中加入钛白粉的优点在于：钛白粉属于纳米级超微细二氧化钛，有高稳定性、高透明性、高活性和高分散性的性能，引入它可提供空心微珠的流动性以及表面光滑度。

9、进一步优选的，所述高强度用空心玻璃微珠是由以下重量份组分制备而成：

10、a、主料组分：石英砂70份，轻质氧化镁3份，氧化钙3份，钛白粉3.5份，三氧化锑3份，增强剂7份；

11、b、辅料组分：发气剂3份，助溶剂3份，降粘剂2份，助燃剂1份，处理剂1.5份；

12、其中，所述增强剂为经改性处理的氮化硼。

13、在本发明一种实施方案中，所述的处理剂为柠檬酸、羟基酸中的一种或两种。

14、在本发明一种实施方案中，所述发气剂为碳酸钠、硫酸钠、硫酸钙、硫酸钡中的两种或多种；

15、所述助溶剂为氧化钾、氧化钠、氧化锂、氧化钡中的两种或多种；

16、所述降粘剂为五氧化二磷、五氧化二钒、三氧化二铬中的两种或多种。

17、在本发明一种实施方案中，所述的助燃剂为焦炭。

18、本发明中引入助燃剂焦炭其优点在于，焦炭可提升窑炉温度，降低能耗成本。

19、在本发明一种实施方案中，所述的石英砂，其二氧化硅含量≥98.5％，氧化铁含量≤0.1％，其粒径为325目～500目。

20、本发明还提供了一种用于制备高强度用空心玻璃微珠的方法，包括以下步骤：

21、s1、称取原料

22、按照原料组成，称取主料石英砂、轻质氧化镁、氧化钙、钛白粉、三氧化锑、增强剂，辅料发气剂、助溶剂、降粘剂、处理剂、助燃剂；

23、s2、玻璃配合料的制备

24、将增强剂、处理剂混合后再与其他主料、辅料在混合机中充分混合，得到混合均匀的配合料；

25、s3、熔融处理

26、将配合料投入玻璃熔窑中，缓慢升温至高温，并在高温下熔化一定时间，得到澄清熔融玻璃液；

27、s4、玻璃粉制备

28、将熔融玻璃液从一个直径5～10毫米的溢流小孔流到高速旋转的剪切圆盘上，通过离心剪切将玻璃液分散成玻璃小液滴，小液滴经冷却形成玻璃粉末，玻璃粉末通过玻璃粉收集器沉降收集；

29、s5、球化发泡

30、将收集的玻璃粉末送入球化发泡炉内，在高温下球化、发泡形成空心玻璃微珠，空心玻璃微珠随着高温气流经过旋风收尘器和布袋收尘器收集，得到空心玻璃微珠产品。

31、在本发明一种实施方案中，所述的步骤s3中，玻璃熔窑内的温度控制在1400℃～1600℃，熔融时间控制在120min～240min。以确保各组分混合均匀，充分反应，同时防止有效组分挥发，最终得到澄清的玻璃液熟料。

32、在本发明一种实施方案中，所述的步骤s4中，玻璃液的流速为160kg/h～220kg/h，剪切圆盘的转速为11000rpm～16000rpm。

33、在本发明一种实施方案中，所述步骤s5中，球化发泡炉的温度控制在800℃～1200℃。

34、在本发明一种实施方案中，所述的剪切圆盘设置在电机上方，与电机输出轴传动连接以构成高速剪切装置；

35、且剪切圆盘外侧处还设有鼓风机的出风口，以用于对圆盘进行冷却，圆盘下方的冷却风经文丘里送料器将玻璃粉送入送料管，进入球化发泡炉进行球化发泡。

36、本发明的有益效果是：

37、(1)本发明采用石英砂、轻质氧化镁、氧化钙、钛白粉、三氧化锑、增强剂为主料，并加入发气剂、助溶剂、降粘剂、助燃剂、处理剂等辅料制备空心玻璃微珠，其中原料加入钛白粉有助于提高空心微珠的流动性以及表面光滑度，引入氮化硼显著提供空心微珠的耐压强度，且制备得到的空心玻璃微珠真实密度在0.40-0.60g/cm3之间，抗压强度在40-180mpa之间，成球率＞90％，粒径分布在1-100μm之间；

38、(2)本发明提供的空心玻璃微珠的制备方法，通过剪切圆盘离心剪切将玻璃液分散成玻璃小液滴，小液滴经冷却形成玻璃粉末，玻璃粉末通过玻璃粉收集器沉降收集，然后经球化发泡炉制备得到空心玻璃微珠，和已有的玻璃粉末法制备空心玻璃微珠相比，本方案简化了工艺流程，减少了很多中间环节，降低了固定资产投入；且本方案避免了玻璃粉末法制备空心玻璃微珠所需要的水碎、烘干、粗破、气流破碎和分级等高耗能的步骤，节约了大量的能源。