專利名稱：一種SiO₂-Al₂O₃系中空陶瓷球及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種用于輕質耐火材料領域、煤層氣領域的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球及其制備方法。
背景技術：
美國早在20世紀80年代就開始了空心陶瓷球的研制工作，已經能夠工業化生產。試驗研制工作最早是由亞特蘭大喬治亞理工學院材料科學與工程系的AlanT. Chapman和Joe K. Ochran兩位工程技術人員開始的，他們采用二元共軸噴嘴，噴嘴有內管和外管，內管是氣管，主要是用來釋放氣體的，內管外壁和外管內壁之間裝有處于高度懸浮狀態的陶瓷粉體的漿體，陶瓷粉體粒徑在O. 5^3微米之間，該工藝非常類似用細管吹肥皂泡。該方法具有球體粒徑可控、密度可控、壁厚可控、生產陶瓷球類型眾多等優異特點。但是該方法有三個技術上難點一是陶瓷粉體需高度均勻分散開，以保證空心陶瓷成分的均勻；二是陶瓷 粉體的精細加工成本過高；三是噴口尺寸設計和精度加工難度稍高。該空心陶瓷小球可用來制作延長工業爐的壽命絕熱材料，也可用于汽車用催化裝置的發射-吸收丸。科克倫的陶瓷填料公司將開發并銷售這種空心陶瓷小球。不僅如此，具有一定壁厚的空心陶瓷球還可以用作煤層氣的支撐劑。據有關報道，美國新澤西州愛迪生的邁克若西勒技術公司已能批量生產粒徑為廣6. 0mm，對應的整體球體密度分別是O. 6Γ . 10g/cm3和O. 13^0. 18g/cm3的α-氧化鋁、莫來石和日用瓷質陶瓷球。球體直徑和體密度的偏差可以控制在5%以內。用此工藝還可以生產鎳質、氧化鋯和氧化硅等球體。全球著名的3Μ公司已經在批量生產并銷售名稱為3Μ 中空陶瓷微球系列(氧化硅鋁陶瓷)，該中空陶瓷球真實密度為O. 7g/cm3,最大粒徑為225微米。目前，現有工業化生產空心陶瓷球(氧化鋁和氧化鋯等空心陶瓷球)是通過熔融噴吹法制備而來，該法需將原料高溫熔化(2000 2200攝氏度(°C ))，然后通過高速氣流吹制而成。此方法能耗大、粒徑分布不均，實心球的比率較高。本發明SiO2-Al2O3系中空陶瓷球不僅原料來源廣泛、而且燒結溫度適中。同時該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球制備方法簡單易操作，可廣泛推廣使用。

發明內容
本發明的目的在于提供一種SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，該中空陶瓷球密度較低、空心、球形度較好、壁厚較厚、耐火度較高、強度較高，是一種新型的輕質耐火材料和低密度支撐劑。本發明的另一目的在于提供一種SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法，該制備方法操作簡便，原料就是傳統的工業水玻璃和三氧化二鋁或葉蠟石，來源廣泛，對于后期的產業化過程具有重大意義。為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案。一種SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，該中空陶瓷球主要由硅、鋁、氧三種元素組成，并含有少量的鈉元素，其重量百分比為硅15 23%，鋁6 12%，鈉小于1%，其余為氧，相組成為二氧化硅(Si02)、三氧化二鋁(A1203)、莫來石。該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，球體外徑為O. 04 O. 8mm，真實密度為O. 7 I. 7g/cm3,壁厚為5 70 μ m，耐靜壓強度為60 120MPa。所述中空陶瓷球，其制備原料為硅酸鈉(水玻璃)、a -Al2O3或葉蠟石，發泡劑為尿素，以上所述原料均為市售。該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法如下在20 35重量份水玻璃中，依次加入I 10重量份a -Al2O3或葉蠟石，I 5重量份尿素，高速攪拌至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒、預燒、酸洗除鈉、高溫燒結為中空陶瓷球。所述水玻璃的模數為2. 5 3. 5，所述a -Al2O3或葉蠟石，其粉體粒徑為O. 5 15 μ m0所述預燒是將已造粒的含鈉空心陶瓷球置于電爐中，在300 1000°C下預燒I 2小時。所述酸洗除鈉是將預燒好的空心陶瓷球按一定比例(每500克空心陶瓷球需要1000 1500毫升的酸性溶液)置于酸性溶液中，除去鈉；所用酸液是硫酸、硝酸、鹽酸或其混合溶液，其H+濃度為O. 5 3摩爾/升，酸洗時間為I 12小時。所述高溫燒結是將酸洗除鈉后的空心陶瓷球與膨潤土按以下重量百分比混合均勻空心陶瓷球95 99%，膨潤土 I 5%，置于天然氣窯爐或電爐中，燒結溫度為1300 1600。。，燒結I 3小時。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果(I)該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球燒結溫度適中，能耗低。(2)該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球密度和壁厚可以調整。(3)該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球制備方法簡單易操作，對生產設備性能要求較低。(4)該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球密度低、壁厚較厚、耐火度高。


圖I本發明的空心陶瓷微球SEM照片圖2本發明的空心陶瓷球壁厚SEM照片
具體實施例方式一、本發明SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備(以下所述原料均為重量份)實施例I在25份水玻璃中，依次加入3份a -Al2O3,1份尿素，高速攪拌30分鐘至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒，預燒溫度為300 400°C，保溫時間I小時，然后酸洗除鈉，酸洗溶液H+濃度為I摩爾/升，酸洗時間為I小時，最后在1300°C高溫燒結，保溫2小時，得到中空陶瓷球。實施例2在25份水玻璃中，依次加入4份葉蠟石，I份尿素，高速攪拌30分鐘至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒，預燒溫度為400 500°C，保溫時間I小時，然后酸洗除鈉，酸洗溶液H+濃度為I摩爾/升，酸洗時間為2小時，最后在1350°C高溫燒結，保溫2小時，得到中空陶瓷球。實施例3在25份水玻璃中，依次加入4份a -Al2O3,1份尿素，高速攪拌30分鐘至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒，預燒溫度為500 700°C，保溫時間I小時，然后酸洗除鈉，酸洗溶液H+濃度為I摩爾/升，酸洗時間為3小時，最后在1400°C高溫燒結，保溫2小時，得到中空陶瓷球。實施例4在25份水玻璃中，依次加入5份葉蠟石，I份尿素，高速攪拌30分鐘至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒，預燒溫度為700 800°C，保溫時間I小時，然后酸洗除鈉，酸洗溶液H+濃度為I摩爾/升，酸洗時間為4小時，最后在1450°C高溫燒結，保溫2小時，得到中 空陶瓷球。實施例5在25份水玻璃中，依次加入6份a -Al2O3,1份尿素，高速攪拌30分鐘至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒，預燒溫度為800 ΙΟΟΟ ，保溫時間I小時，然后酸洗除鈉，酸洗溶液H濃度為I摩爾/升，酸洗時間為5小時，最后在1500 V高溫燒結，保溫2小時，得到中
空陶瓷球。二、本發明SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的基本參數與性能測試按照依據SY/T5108-2006壓裂支撐劑性能指標及測試方法測試中空陶瓷球的球度、視密度，同時依據GB/T 5989-1998耐火制品荷重軟化溫度試驗方法示差-升溫法，對中空陶瓷球軟化溫度進行測試，測試結果見圖I、圖2和表I。表ISiO2-Al2O3系中空陶瓷球的基本參數與性能測試
權利要求
1.一種SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，該中空陶瓷球主要由硅、鋁、氧三種元素組成，并含有少量的鈉元素，其重量百分比為硅15 23%，鋁6 12%，鈉小于1%，其余為氧，相組成為二氧化硅、三氧化二鋁、莫來石；該SiO2-Al2O3系中空陶瓷球，球體外徑為0. 04 0. 8mm,真實密度為0. 7 I. 7g/cm3,壁厚為5 70 ii m，耐靜壓強度為60 120MPa。
2.如權利要求I所述的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法如下在20 35重量份水玻璃中，依次加入I 10重量份a -Al2O3或葉蠟石，I 5重量份尿素，高速攪拌至原料均勻分布，通過噴霧干燥造粒、預燒、酸洗除鈉、高溫燒結為中空陶瓷球。
3.如權利要求2所述的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法，其特征在于，所述水玻璃的模數為2. 5 3. 5，所述a -Al2O3或葉蠟石，其粉體粒徑為0. 5 15 y m。
4.如權利要求2所述的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法，其特征在于，所述預燒是將已造粒的含鈉空心陶瓷球置于電爐中，在300 1000°C下預燒I 2小時。
5.如權利要求2所述的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法，其特征在于，所述酸洗除鈉是將預燒好的空心陶瓷球按每500克空心陶瓷球需要1000 1500毫升酸性溶液的比例置于酸性溶液中，除去鈉。
6.如權利要求5所述的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法，其特征在于，所用酸液是硫酸、硝酸、鹽酸或其混合溶液，其H+濃度為0. 5 3摩爾/升，酸洗時間為I 12小時。
7.如權利要求2所述的SiO2-Al2O3系中空陶瓷球的制備方法，其特征在于，所述高溫燒結是將酸洗除鈉后的空心陶瓷球與膨潤土按以下重量百分比混合均勻空心陶瓷球95 99%，膨潤土 I 5%，置于天然氣窯爐或電爐中，燒結溫度為1300 1600°C，燒結I 3小時。
全文摘要
本發明涉及一種SiO2-Al2O3系中空陶瓷球及其制備方法，該中空陶瓷球主要由硅、鋁、氧三種元素組成，并含有少量的鈉元素，相組成為二氧化硅、三氧化二鋁、莫來石，其球體外徑為0.04～0.8mm，真實密度為0.7～1.7g/cm3，壁厚為5～70μm，耐靜壓強度為60～120MPa。其制備方法如下在20～35重量份水玻璃中，依次加入1～10重量份α-Al2O3或葉蠟石，1～5重量份尿素，高速攪拌至原料均勻分布，通過造粒、預燒、酸洗除鈉、高溫燒結為中空陶瓷球。該中空陶瓷球密度較低、空心、球形度較好、壁厚較厚、耐火度較高、強度較高，是新型的輕質耐火材料和低密度支撐劑，其制備方法操作簡便，原料來源廣泛。
文檔編號C04B35/622GK102826840SQ20121035838
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者薛屺, 鄧洪斌 申請人:西南石油大學