[发明专利]碳纳米管补强透气通道的透气功能元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于耐火材料领域，具体涉及一种碳纳米管补强透气通道的透气功能元件，本发明还涉及所述碳纳米管补强透气通道的透气功能元件的制备方法。

背景技术

常压吹氩技术以及真空吹氩辅助处理技术是火法冶金中常用的去除金属液内部的氧化物夹杂以及气体夹杂的方法，在上述处理技术实施的过程中，弥散型透气塞或直通孔透气砖是将氩气从冶金设备外部成功导入金属熔液内部的关键功能元件之一，透气塞或者直通孔透气砖性能的优劣直接影响金属液的精炼过程能否顺利进行，和冶炼综合成本的降低。在实际使用时，以铜液为例，其在冶炼温度下具有较低的粘度，其向透气塞或者直通孔透气砖的孔道内进行渗透的能力极强，极易渗透进入透气塞或者直通孔透气砖的气孔内部，从而引起耐火材料的变质与损毁。

考虑到上述技术问题，目前，在大多数铜水精炼设备中都是采用氧化镁质、刚玉质或者镁铬质多孔塞作为氩气导入的功能元件；为了降低气流的阻力系数，保证单位时间内导入铜水内的氩气量，所以要考虑尽可能地提高氧化镁质或者镁铬质多孔塞内的气孔孔径尺寸，将其控制在几十甚至上百微米；上述设置虽然在单位时间内保证了导入铜水内部的氩气量，但是由于气孔孔径尺寸较大，加之铜水的流动性和渗透性都极强，所以很容易导致在停止供气时铜水极易在静压力的作用下，渗透进入多孔塞，并堵塞多孔塞，使多孔塞丧失导气功能，进而影响吹氩设备的正常运转。经测试表面，铜水渗透进入多孔塞的深度一般都会达到100mm以上。所以，在这种情况下若要通过清除铜水来恢复多孔塞的正常使用是极为困难的。

所以，在保证氩气供气流量的前提下，提高多孔塞抵抗粘度较低的金属液向其内部渗透的能力，并进一步提高多孔塞的使用寿命，是本领域技术人员一直关注的热点。

碳纳米管作为一维纳米材料，其重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的性能，诸如力学性能、电学性能、储氢、光学性能。但是，目前现有技术中还没有碳纳米管应用于透气功能元件的相关报道。

中国专利文献CN101269980A公开了一种粗大碳纳米管及碳纳米纤维在碳复合耐火材料中的生成方法，该方法通过向含碳复合耐火材料中加入适量催化剂，在一定高温下进行焙烧从而得到内部形成有数量大、生长良好的粗大碳纳米管或碳纳米纤维的碳复合耐火材料，该文献还公开，纳米炭黑的加入可以提高碳复合耐火材料的抗氧化性、抗熔渣侵蚀性及其强度；但是，该技术以耐火材料原料中的石墨为碳源在催化剂的作用下形成均散于碳复合耐火材料内部的碳纳米管及碳纳米纤维，因为该方法中的石墨作为碳源是固定在复合材料内部，从而焙烧时无法向透气通道中生长形成碳纳米管。同时，按照该方法生产的碳复合耐火材料产品中的碳纳米管没有生长在透气通道中，从而无法提高透气功能元件抵抗金属液进入透气通道的能力。

同时，该中国专利文献CN101269980A还公开了通过将催化剂和其他原料混合来制备具有粗大碳纳米管及碳纳米纤维的碳复合耐火材料的方法，即首先将催化剂溶于水，然后将催化剂的水溶液和原料中的板状刚玉粉或者石墨充分混合，烘干后再和其他原料混合，这是因为催化剂一般为粒状，无法直接和耐火材料的基材混合均匀，上述混料方式在一定程度上解决了粒状催化剂无法和基料混合均匀的问题，但是，由于催化剂在水溶液中溶解过程比较缓慢，表面上看已经溶解，没有沉淀，实际上此时催化剂在水中还是以比较大的分子群的形式存在，若以这种状态下的催化剂溶液和粉料混合、干燥形成的混合物中，催化剂还是会在一定程度上存在团聚现象，使得催化剂的比表面积降低，无法在最大程度上起到催化剂的催化活性。上述在耐火材料内部形成碳纳米管的技术中，因为坯体内部整个作为碳纳米管的形成区域，相对而言，面积较大，所以一定程度的催化剂的团聚并不会对碳纳米管的生成造成直接的影响，但是对于透气功能元件而言，要在数量较少的透气通道中形成碳纳米管，这就需要透气通道的内表面上均匀分布有足够数量的催化剂，一定程度的催化剂的团聚就很有可能导致数量很少的透气通道中仅有少量的催化剂分布，从而影响透气通道中碳纳米管的形成。