CN101220898A

CN101220898A - 一种纳米孔真空保温板及其制备方法

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Publication number: CN101220898A
Application number: CNA2007101797514A
Authority: CN
Inventors: 林庚; 倪文; 陈德平
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: CN101220898B

Abstract

本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种低成本、长寿命纳米孔真空保温板的制备方法。其特征是真空保温板外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填纳米孔材料，纳米孔材料为：SiO₂气凝胶微球材料掺加质量15～28％Fe(NO₃)₃或Ti₂O₃或CuSO₄或Al粉末，保温板真空度为20Pa。在有机玻璃壳体中，置入干燥的纳米孔绝热芯材，抽真空，密封。用于制冷设备、建筑、船舶等领域的保温隔热方面，将大大降低能源的消耗。

Description

一种纳米孔真空保温板及其制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及一种提高绝热能力即较低导热系数的纳米多孔，特别涉及一种低成本、长寿命纳米孔真空保温板的制备方法。

背景技术：

纳米孔真空绝热板是一种由真空腔体、纳米孔支撑芯材、纳米孔支撑芯材外包纤维袋共同构成的高效保温隔热材料，具有低导热系数、质量轻、形状各异等特点，在建筑、船舶、制冷等许多领域具有非常广阔的应用前景，受到了材料研究者及其他研究人员的高度重视。

现有的真空绝热板通常由三种结构，1.在层叠袋中设置多层玻璃纤维或玻璃棉形成的绝热芯材，将层叠袋抽为真空，并在层叠袋中设置气体吸附剂，提高层叠袋中真空度。2.将二氧化硅气凝胶作为芯材，制成真空绝热板。3.将玻璃纤维交织于二氧化硅气凝胶之间作为芯材，制成真空绝热板，专利号为：ZL 200420053407.2。

目前，公知的真空保温板构造是由真空腔体、内部支撑芯材和吸气剂构成。将真空保温板置于制冷等设备上。但是，还没有大范围的应用。这是由于该材料的使用寿命较短、造价较高、导热系数偏高等问题制约了其广泛的使用。文献：真空绝热板制作研究一《机电设备》2005年第4期。

发明内容：

本发明的目的在于为了克服现有的真空保温板寿命较低、造价较高和导热系数偏高等问题，提供一种纳米孔真空保温板，该纳米孔真空保温板不仅能够降低导热系数和延长寿命，而且能够降低其造价成本。

一种纳米孔真空保温板，外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填纳米孔材料，纳米孔材料为：SiO₂气凝胶微球材料掺加质量15～28％Fe(NO₃)₃、Ti₂O₃、CuSO₄、Al等粉末，保温板真空度为20Pa。

纳米孔真空保温板制备方法分三步：

(1)制成SiO₂气凝胶微球降低密度

SiO₂气凝胶微球的制备采用悬浊液成球技术。首先SiO₂醇凝胶微球以为原材料，在亚化学计量水的作用下进行部分水解，获得SiO₂前驱体。将SiO₂前驱体与浓度为1.3～1.8％氨水以及水相混合，制得SiO₂前驱体溶胶。在持续搅拌的条件下将该溶液胶分散在二甲基硅油中的有机相，如，形成SiO₂溶胶的悬浊液。以微滴形式分散在有机相中的SiO₂前驱体溶胶经过一段时间后发生凝胶化，生成SiO₂凝胶微球。SiO₂微球经溶剂交换、超临界CO₂干燥处理后即可得到SiO₂气凝胶微球。

(2)掺杂Fe(NO₃)₃(Ti₂O₃、CuSO₄、Al等粉末)量，增加芯材的透光遮蔽性。

气凝胶微球体材料掺杂其他物质后，热传输性质发生较大的变化。如果掺杂物质的热传导率高于材料自身的导热系数，则会增大热传导，使材料隔热效果下降，但如果掺杂的物质能够起到遮光的作用，就可以减小辐射传热，从而提高材料在高温下的保温效果。同时掺杂量的多少，掺杂物质的尺寸也会对材料的微结构产生很大的影响，从而改变其热传输特性。这是因为硅气凝胶为固态导热系数与密度有很大的关系，硅气凝胶内部为纤细的纳米网络结构，热量只能沿曲折路径传播，传热效率大幅度降低，而不同密度的硅气凝胶内部网络结构有很大的差异。

掺杂Fe(NO₃)₃、Ti₂O₃、CuSO₄、Al等粉末能够增大材料的红外消光系数，起到遮光的作用，可以减小辐射传热。随着掺杂Fe(NO₃)₃、Ti₂O₃、CuSO₄、Al等粉末量的增加，硅气凝胶的导热系数降低。掺杂Fe(NO₃)₃、Ti₂O₃、CuSO₄、Al质量分数为15～28％时硅气凝胶的消光系数为60m²/g。再继续提高Fe(NO₃)₃、Ti₂O₃、CuSO₄、Al质量分数对增加红外消光系数没有明显好处，反而会增大硅气凝胶固态导热系数，且对其纳米网络结构产生不良影响。因此，掺杂15～28％质量分数的Fe(NO₃)₃、Ti₂O₃、CuSO₄、Al等粉末量是减小低温下硅气凝胶总导热系数的一种有效的途径。

在真空度下，Fe(NO₃)₃掺杂比例增多，硅气凝胶的气态导热系数增大。因为随着Fe(NO₃)₃掺杂比例增多，而所掺Fe(NO₃)₃粉末颗粒较大，在材料内部形成大的微孔洞，使得单位体积内气体分子数目增多，硅气凝胶的单位体积内的散射截面积增大，比表面积减小，相应的硅气凝胶的气态导热系数增大。

(3)控制纳米孔真空绝热板制成过程中的真空度

随着气压降低，硅气凝胶的气态导热系数不断减小。当真空度低于10Pa时，材料气态导热系数非常小。因为真空度提高，硅气凝胶中气体分子的密度减小，当真空度低于10Pa时，气体分子密度小于1.29×10^-4kg/m³，从而使气体分子的导热系数降低到可以忽略不计的程度。

为保证纳米孔真空绝热板的真空度，本发明设计了产品打压装置和制备真空板的抽真空装置。

a.对产品进行打压装置

打压装置包括产品1、连接管路2、传感器3、电磁阀4、电磁阀5、过滤器6、电脑7、气泵8、进气管9。在产品打压时，打开电磁阀5，关闭电磁阀4，开启气泵8。当达到设定压力时计算机自动控制电磁阀5关闭及制动气泵8。电磁阀4作为旁通，在出现过滤器6发生故障时，应急启动。

用气泵对密封后的壳体进行试压，当压力表显示数据达到0.1MPa时，停止打压，然后对气孔进行密封，保持24小时，见图1。

b.对制备的真空板抽真空装置

真空板抽真空装置包括连接管10、信号线11、排气阀12、传感器13、电磁阀14，气瓶15、电磁阀16、电磁阀17、滤器18、电脑19、真空泵20、排气口21。在抽真空时，连接管与真空泵之间需要安装控制装置和阀门。抽真空之前电磁阀14、16、17关闭而排气阀12打开。开始抽真空时排气阀12关闭，电磁阀17打开，因为开始气流比较大可能会有杂物，滤器18用来收集这些杂物。当压力降到几百Pa时，气流速度比较减缓时就不会抽出杂物，为了加快抽真空而关上电磁阀17，打开电磁阀16。当压力降到100Pa以下时，可以选择关上电磁阀16，打开电磁阀14。在气瓶15里放的是氦气，充氦气的目的是使纳米孔真空保温板里的残余气体是氦气，这样可提高热阻，然后关上电磁阀14打开电磁阀16继续抽真空。每个阀门的关闭和调节都由电脑来控制完成，电脑会周期性的关闭所有的阀门，停顿几秒钟检测真空度水平和气密性情况，特别是在热封以前一定要确保不漏气。用真空泵对制作好的真空板进行抽真空，具体装置见图2。

研究降低纳米孔真空保温板内部支撑芯材的成本和导热系数及提高其吸附性而延长保温板的寿命。在有机玻璃壳体中，置入干燥的纳米孔绝热芯材，抽真空，密封。用于制冷设备、建筑、船舶等领域的保温隔热方面，将大大降低能源的消耗。

附图说明

图1为产品打压装置

图2为真空板抽真空设备

图3为产品结构图

22为SiO₂气凝胶球，23为真空绝热板壳体，24为Fe(NO₃)₃粉末，25为牛皮纸衬纸。

具体实施方式

实施例1

纳米孔真空保温板，外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填SiO₂气凝胶微球材料掺加质量22％Fe(NO₃)₃粉末，保温板真空度为20Pa。

制作步骤为：

1.SiO₂气凝胶微球的制备采用悬浊液成球技术。首先SiO₂醇凝胶微球以为原材料，在亚化学计量水的作用下进行部分水解，获得SiO₂前驱体。将SiO₂前驱体与浓度为1.3～1.8％氨水以及水相混合，制得SiO₂前驱体溶胶。在持续搅拌的条件下将该溶液胶分散在二甲基硅油中的有机相，形成SiO₂溶胶的悬浊液。以微滴形式分散在有机相中的SiO₂前驱体溶胶经过一段时间后发生凝胶化，生成SiO₂凝胶微球。SiO₂微球经溶剂交换、超临界CO₂干燥处理后即可得到SiO₂气凝胶微球。

2.SiO₂气凝胶微球材料掺加质量22％Fe(NO₃)₃粉末。

3.控制纳米孔真空绝热板制成过程中的真空度

(1)用气泵对密封后的壳体进行试压，当压力表显示数据达到0.1MPa时，停止打压，然后对气孔进行密封，保持24小时。

(2)用真空泵对制作好的真空板进行抽真空。

实施例2

纳米孔真空保温板，外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填SiO₂气凝胶微球材料掺加质量25％Ti₂O₃粉末，保温板真空度为20Pa。

制作步骤为同实施例1，只是将掺加物改成Ti₂O₃粉末。

实施例3

纳米孔真空保温板，外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填SiO₂气凝胶微球材料掺加质量16％CuSO₄粉末，保温板真空度为20Pa。

制作步骤为同实施例1，只是将掺加物改成CuSO₄粉末。

实施例4

纳米孔真空保温板，外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填SiO₂气凝胶微球材料掺加质量26％Al粉末，保温板真空度为20Pa。

制作步骤为同实施例1，只是将掺加物改成Al粉末。

Claims

1.一种纳米孔真空保温板，其特征是外壳体为有机玻璃材料和金属材料，壳体内部装填纳米孔材料，纳米孔材料为：SiO₂气凝胶微球材料掺加质量15～28％Fe(NO₃)₃或Ti₂O₃或CuSO₄或Al粉末，保温板真空度为20Pa。

2.如权利要求1所述一种纳米孔真空保温板，其特征是真空保温板制备方法分三步：

(1)制成SiO₂气凝胶微球降低密度

首先SiO₂醇凝胶微球以为原材料，在亚化学计量水的作用下进行部分水解，获得SiO₂前驱体；将SiO₂前驱体与浓度为1.3～1.8％的氨水以及水相混合，制得SiO₂前驱体溶胶；在持续搅拌的条件下将该溶液胶分散在二甲基硅油中形成SiO₂溶胶的悬浊液。以微滴形式分散在有机相中的SiO₂前驱体溶胶经过一段时间后发生凝胶化，生成SiO₂凝胶微球。SiO₂微球经溶剂交换、超临界CO₂干燥处理后即可得到SiO₂气凝胶微球；

(2)掺杂15～28％Fe(NO₃)₃或Ti₂O₃或CuSO₃或Al粉末，增加芯材的透光遮蔽性；

(3)控制纳米孔真空绝热板制成过程中的真空度：

a.用气泵对密封后的壳体进行试压，当压力表显示数据达到0.1MPa时，停止打压，然后对气孔进行密封，保持24小时；

b.用真空泵对制作好的真空板进行抽真空，真空度为20Pa。

3.如权利要求1或2所述一种纳米孔真空保温板，其特征是真空保温板的打压装置包括产品(1)、连接管路(2)、传感器(3)、电磁阀(4)、电磁阀(5)、过滤器(6)、电脑(7)、气泵(8)、进气管(9)；在产品打压时，打开电磁阀(5)，关闭电磁阀(4)，开启气泵(8)。当达到设定压力时计算机自动控制电磁阀(5)关闭及制动气泵(8)；电磁阀(4)作为旁通，在出现过滤器(6)发生故障时，应急启动。.对制备的真空板抽真空装置

4.如权利要求1或2所述一种纳米孔真空保温板，其特征是真空板抽真空装置包括连接管(10)、信号线(11)、排气阀(12)、传感器(13)、电磁阀(14)，气瓶(15)、电磁阀(16)、电磁阀(17)、滤器(18)、电脑(19)、真空泵(20)、排气口(21)；在抽真空时，连接管与真空泵之间要求安装控制装置和阀门；抽真空之前电磁阀(14)、(16)、(17)关闭而排气阀(12)打开；开始抽真空时排气阀(12)关闭，电磁阀(17)打开，滤器(18)用来收集因开始气流大带出的杂物；当压力降到几百Pa时，关上电磁阀(17)，打开电磁阀(16)；当压力降到100Pa以下时，关上电磁阀(16)，打开电磁阀(14)充氦气，气瓶(15)里放的是氦气，目的是使纳米孔真空保温板里的残余气体是氦气，提高热阻；80Pa时然后关上电磁阀(14)打开电磁阀(16)继续抽真空；每个阀门的关闭和调节都由电脑来控制完成，电脑会周期性的关闭所有的阀门，停顿几秒钟检测真空度水平和气密性情况，特别是在热封以前一定要确保不漏气。