電陶爐用輕質耐火材料的制備

2018-09-13 01:24:54劉艷春吳建青

中國陶瓷工業 2018年4期

孫千，劉艷春，吳建青

(1. 華南理工大學材料科學與工程學院，廣東廣州 510640；2. 廣州市紅日燃具有限公司，廣東廣州 510430)

0 引言

電陶爐起源于德國，是新一代的電子爐，在國外已經有三十年的發展歷史，其占據了歐美電子爐78.3%的市場份額。而電磁爐、電炒爐等其他傳統電子爐所占市場已不足23%[1]。電陶爐在國內出現的時間大概在 2007 年，與其他灶具相比，電陶爐加熱無污染、無噪音，熱效率可達70%[2]，高于普通燃氣灶，經濟實惠，在業內被普遍看好[3]。爐盤是電陶爐的核心部件之一，傳統電爐的爐盤通常是比較致密的耐火材料，密度在 2.1 g/cm3以上，難以滿足電陶爐用爐盤的需求：輕質耐火、電絕緣性，表面彈性、厚度薄?？紤]到電陶爐的廣闊市場前景，如果電陶爐用輕質耐火材料能得到廣泛利用，將對家電行業的節能減排做出有益的貢獻。

1 實驗

1.1 實驗原料

主要原料：Ⅱ級粉煤灰，隔熱和電絕緣的填充料，降低基體收縮；硅灰，隔熱和電絕緣的填充料，提高陶瓷纖維制品的常溫和高溫強度；硅溶膠、高鋁水泥高溫結合劑；莫來石纖維，輕質耐火材料的骨架。

輔助原料：聚丙稀酰胺、硅藻土、白云母。

1.2 樣品制備

先配置0.4wt.%的聚丙烯酰胺溶液，將40wt.%莫來石纖維加入到已配置好的聚丙烯酰胺溶液中(料漿濃度0.045 g/ml)，靜止24 h后攪拌直至完全分散。然后分別加入5wt.%粉煤灰、5wt.%硅藻土和5wt.%白云母粉，攪拌均勻置于干燥箱中110 ℃烘干，取出后再加入25wt.%硅灰、5wt.%高鋁水泥和15wt.%的硅溶膠溶液，倒入爐盤模具中壓制成型，3 h后脫模。為方便敘述，下文將900 ℃熱處理的樣品標記為S-900，未經熱處理的樣品標記為S-25。

1.3 性能檢測

用德國蔡司EVO18型掃描電鏡對樣品的表面進行顯微形貌觀察，表面經鍍金處理、成像信號為二次電子，電壓10 kV，束流5 PA；用德國耐馳STA449C同步熱分析儀對樣品的熱穩定性進行測定，以10 ℃/min的速度升溫，空氣氣氛；用吉時利Keithley2400電阻儀，采用電壓電流法測定樣品的電阻率，在待測樣品正反面的中部涂抹一層石墨以增大與電極的接觸，電壓設定為220 V。將樣品放置在馬弗爐中以20 min加熱到900 ℃，保溫4h，然后置于空氣中30 min，以這樣的重復操作次數表征爐盤的熱穩定性。

2 結果與討論

2.1 顯微形貌分析與討論

S-900與S-25的掃描電鏡圖片如圖1所示。

從圖1(a)可以看出，纖維與粉體膠團接觸面之間的空隙約10 μm，在材料基體體系中，孔徑分布均勻，孔徑大小也在1 μm以下，對材料的空氣對流熱導有很好的限制能力[4]。在復合隔熱材料表面，局部的纖維與熱流方向是垂直分布的，對熱量的傳導是有抑制作用的[5]。

從圖1(b)可以看出，經過900 ℃熱處理4 h時，粉體膠團仍填充于纖維與纖維之間的空隙中，孔徑大小也在1-10 μm之間，纖維與熱流方向呈垂直分布，材料表面的形貌未發生較大變化，基體中也未出現析晶現象。

2.2 熱性能分析與討論

將樣品S-25(左)與國外樣品(右)分別進行TGDSC檢測，其TG-DSC曲線圖分別如圖2所示。

圖1 (a)S-900，(b)S-25的掃描電鏡圖片Fig.1 SEM images of (a) S-900 and (b) S-25

圖2 (a)S-25，(b)國外樣品的TG-DSC曲線圖Fig.2 TG-DSC curves of (a) S-9 and (b) foreign sample

從圖2(a)中可以看出，樣品在75.8 ℃出現一個吸熱峰，是殘余水分開始排除吸收熱量所致。在250-300 ℃之間，樣品開始失重，失重量為0.6%，持續加熱，在372.1 ℃出現一個微弱的放熱峰，考慮到聚丙烯酰胺的熱分解溫度為350-380 ℃，因此該放熱峰是聚丙烯酰胺受熱分解導致，氧化放出的熱量稍大于受熱分解所需熱量，從而顯示出一個微弱的放熱峰。當熱處理溫度達到500 ℃時，樣品失重為0.36%，當溫度升到800 ℃左右時，添加在樣品中的硅藻土開始收縮，樣品失重為0.51%，之后一直持續到1100 ℃，TG-DSC線圖譜中沒有出現放熱峰和吸熱峰。說明該樣品在500 ℃-1100 ℃的高溫區域內結構穩定，樣品總失重為1.89%。從圖2(b)中可看出，樣品在250 ℃左右開始失重，失重量為0.28%，持續加熱，在387.9 ℃出現一個微弱的放熱峰，說明在這個溫度樣品中某種物質發生分解并且放出熱量；在500 ℃左右又開始出現失重，失重量為0.57%，之后一直持續到1100 ℃，差熱-熱重曲線圖譜中沒有出現放熱峰和吸熱峰。說明該樣品在500 ℃-1100 ℃的高溫區域內結構穩定。樣品的總失重為1.13%。

2.3 熱穩定性能分析

在電陶爐中，爐盤的溫度隨電陶爐工作時間推移而發生變化，這個導熱過程屬于非穩態導熱?？紤]到非穩態導熱的熱穩定性不能建立反應實際材料或器件的數學模型，本試驗采用直觀的方法來評價熱穩定性，將爐盤放置在馬弗爐中以20 min加熱到900 ℃，保溫4 h，然后置于空氣中30 min，以這樣的重復操作次數表征爐盤材料的熱穩定性。試驗結果說明，S-900經過20次的重復冷熱循環，未粉化，也未開裂，依舊保持完整的形態，如圖3所示。

2.4 電阻率分析

為了與國外爐盤產品對標，我們設計了一組對比試驗，樣品S-25與國外樣品的電阻與測試時間的關系，如圖4所示。

圖3 熱循環處理后的樣品S-900(A)表面(B)橫截面Fig.3 The optical images of samples after thermal cycling treatment (A) surface, (B) cross section

從圖4可看出，測試時間的前3 min，電阻與測試時間沒有規律。隨著測試時間的延長，樣品電阻持續增加， 6 min后，電阻值才趨于穩定，達到500 MΩ。S-25在常溫下的電阻值大于國外樣品，達到國際先進水平，兩者的室溫電阻值均大于國際電工委員會(IEC)標準規定測量帶電部件與殼體之間的絕緣電阻時基本絕緣條件的絕緣電阻值不應小于2 MΩ的要求。