CN101585948B - 二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法 - Google Patents
二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101585948B CN101585948B CN2008101122335A CN200810112233A CN101585948B CN 101585948 B CN101585948 B CN 101585948B CN 2008101122335 A CN2008101122335 A CN 2008101122335A CN 200810112233 A CN200810112233 A CN 200810112233A CN 101585948 B CN101585948 B CN 101585948B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon dioxide
- dioxide hollow
- sphere
- hollow sphere
- heat insulating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 152
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 75
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title claims abstract description 75
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 title claims abstract description 37
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229920005990 polystyrene resin Polymers 0.000 claims abstract description 20
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 10
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 105
- 229960001866 silicon dioxide Drugs 0.000 claims description 69
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 36
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 28
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 28
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 23
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 22
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 22
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 14
- 238000010792 warming Methods 0.000 claims description 14
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 claims description 9
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 claims description 9
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 8
- CBQHQSHKRAQDOY-UHFFFAOYSA-N C(C=C)(=O)OOCCC[Si](C)(C)C Chemical compound C(C=C)(=O)OOCCC[Si](C)(C)C CBQHQSHKRAQDOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical group C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 claims description 7
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 claims description 7
- VVWRJUBEIPHGQF-UHFFFAOYSA-N propan-2-yl n-propan-2-yloxycarbonyliminocarbamate Chemical compound CC(C)OC(=O)N=NC(=O)OC(C)C VVWRJUBEIPHGQF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 7
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 7
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 7
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 29
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract 2
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 abstract 1
- 238000010559 graft polymerization reaction Methods 0.000 abstract 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 10
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 10
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 7
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 7
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910002012 Aerosil® Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004604 Blowing Agent Substances 0.000 description 2
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 2
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 description 2
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 235000012204 lemonade/lime carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 239000010451 perlite Substances 0.000 description 1
- 235000019362 perlite Nutrition 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 206010063401 primary progressive multiple sclerosis Diseases 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000010455 vermiculite Substances 0.000 description 1
- 229910052902 vermiculite Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019354 vermiculite Nutrition 0.000 description 1
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及一种二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法。该复合材料包括一聚苯乙烯树脂的基体，和均匀分散于该基体中的亚微米、无团聚、单分散的二氧化硅中空球，所述的亚微米二氧化硅中空球的中空内径为100～720nm，外壁厚度为50～100nm，所述的亚微米二氧化硅中空球占聚苯乙烯树脂重量的1～35％。本发明制备上述复合材料的方法是先制备无团聚、单分散、亚微米二氧化硅中空球粉体；然后采用表面接枝聚合改性技术将其改性；最后与聚苯乙烯材料复合。本发明的复合隔热材料展示出优异的隔热性能，且该隔热性能在亚微米范围表现出尺寸依赖的特性。此外，由于在制备过程中避免使用有机发泡剂，因而对环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料，及其制备方法。
技术背景
材料的维度、形貌及结构是影响材料的物理化学性能的重要因素。对于隔热材料，除了选用材质具有低密度、高反射率等特性外，选用结构上多孔的材料是获得低热导性能的主要因素。常规隔热材料大多是多孔材料，例如发泡聚合物(模塑型发泡聚苯乙烯(EPS)，挤出型发泡聚苯乙烯(XPS)及聚氨酯泡沫等)和无机矿物(石棉，碳酸钙，粘土，蛭石，粉煤灰，珍珠岩等)。材料中丰富的多孔孔道包含了低热导率的气体，不仅降低了本体材料的密度也大大降低了材料整体的导热率。
但是，这些现有的隔热材料还存在一些问题。例如，发泡聚苯乙烯往往存在尺寸不稳定及热稳定性差的缺陷；聚氨酯泡沫易燃，且发泡过程使用氟利昂发泡剂容易带来环境污染；无机矿物易吸潮，耐热冲击及机械性能差，并且无机矿物热导率较高，隔热效果不理想等。尤其是它们都普遍存在污染环境或隔热效果不理想问题，限制了这些隔热材料的应用范围，使得这些材料仅仅能够满足一些对隔热性能要求不高的场合。
此外，在隔热节能材料领域，还开发了新型复合隔热材料，通过复合不同材料的特性来弥补不同组分的不足，成为新型节能材料研究开发的一个发展趋势。例如聚合物或纤维类无机矿物增强的二氧化硅气凝胶中，二氧化硅气凝胶是具有纳米粒子的“分形”网络结构和大量包含气体的纳米孔结构的优异隔热绝热材料，但是其机械强度差，采用与聚合物或纤维类矿物复合的办法进行补强，使得机械性能得到改善，但是由于较高热导材料的添加，又导热复合隔热材料的整体隔热效果变差，即虽然通过材料复合可以改善部分性能，但是对于复合材料来说，异相的引入对材料性能的改善，往往是以牺牲别的性能为代价。
发明内容
本发明的目的在于通过合理地设计复合材料中各组份的结构，从而获得一种具有良好的隔热性能并能满足应用场合对其它性能的要求的复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种对环境友好的制备该复合材料的方法。
本发明提供一种二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料，其包括一聚苯乙烯树脂的基体，和均匀分散于该基体中的亚微米、无团聚、单分散的二氧化硅中空球，所述的亚微米二氧化硅中空球的中空内径为100～720nm，外壁厚度为50～100nm，所述的亚微米二氧化硅中空球占聚苯乙烯树脂重量的1～35％。
本发明提供一种制备上述二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，包括如下的步骤：
1)无团聚、单分散、亚微米二氧化硅中空球粉体的制备：通过如在文献1：武晓峰，陈运法，魏连启，王奇过程工程学报，2006，6(Suppl.2)285-289中所述的基于沉淀动力学控制的模板法合成技术，将0.2～0.5g单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理20～30min后，滴加0.65～2.3ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯(TEOS)1.9～4.5ml，反应8～12h，之后，离心分离出固体并用乙醇洗涤三次后，分离烘干；之后，以1～5℃/min升温速度，升温至550～650℃并保温1～3h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体；
所述的单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒的平均粒径范围在112～757nm；
2)二氧化硅粉体的改性：采用表面接枝聚合改性技术，将0.5～1g步骤1)中得到的二氧化硅中空球粉体加入到含有1～2g硅烷偶联剂的100ml甲苯溶液中，超声20～30min；然后在N2保护下，60～80℃回流搅拌4～8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤2～3次，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.002～0.01g偶氮类引发剂，搅拌下N2保护，升温至70～80℃，并逐滴加入5～10ml苯乙烯单体，反应持续8～10h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3～5次，抽真空烘干，得到改性的二氧化硅中空球粉体；
所述的硅烷偶联剂为丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷；
所述的偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈；
3)二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合材料的制备：将2～10g聚苯乙烯树脂溶解到5～20ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的1～35％的量，加入步骤2)得到的改性的二氧化硅中空球粉体，按照聚苯乙烯树脂用量的1wt％加入消泡剂并搅拌下超声处理15～20min，之后，将混合浆料倒入不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，70～80℃下抽真空干燥，脱模后得到本发明的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料。
本发明通过所采用无团聚、单分散、亚微米二氧化硅中空球结构上是封闭有空气的亚微米(100～720nm)的空腔和均匀的纳米级球壁，其球壁外表面经过表面接枝聚合改性后形成聚合物分子层，以增强无机物与有机树脂的亲和力和其在聚苯乙烯树脂中的分散性，以降低中空球颗粒在树脂中的团聚，进而降低中空球颗粒间的串联热导。然后将不同空腔尺寸表面接枝改性的二氧化硅中空球按重量百分比1％-35％均匀分散在商用聚苯乙烯树脂中。由于树脂基体中分散着大量封闭有空气且相互隔离的亚微米“小室”，其内壁有效地抑制了封闭气体对流传热，因此该复合隔热材料展示出优异的隔热性能，并且随着均匀分散在树脂基体中的二氧化硅中空球的空腔尺寸变化，其隔热性能在亚微米范围表现出尺寸依赖的特性。当聚苯乙烯树脂中添加5％亚微米二氧化硅中空球填料时，该复合隔热材料的导热系数为0.0110-0.0510W/K.m。而且，相比传统的聚合物发泡材料，本发明可以预先设计复合隔热材料的结构参数，以符合应用场合要求；并且在制备过程中避免使用有机发泡剂，因而该复合隔热材料环境友好。
具体实施方式
实施例1
参照在文献1：武晓峰，陈运法，魏连启，王奇 过程工程学报，2006，6(Suppl.2)285-289中所述的基于沉淀动力学控制的模板法合成技术制备无团聚、单分散、亚微米二氧化硅中空球粉体。将0.3g单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒(平均粒径范围在112～757nm)分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理25min后，滴加1.3ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯(TEOS)2.5ml，反应10h，之后，离心分离出固体，重新分散于94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，重复上述沉淀过程，离心分离后，用乙醇洗涤三次后，分离烘干；之后，以3℃/min升温速度，升温至600℃并保温2h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体，其平均内径为120nm。
采用表面接枝聚合改性技术，将0.8g上述二氧化硅中空球粉体加入到含有1.5g丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷(硅烷偶联剂)的100ml甲苯溶液中，超声25min；然后在N2保护下，70℃回流搅拌6h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.006g偶氮二异丁腈，搅拌下N2保护，升温至75℃，并逐滴加入8ml苯乙烯单体，反应持续9h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤4次，抽真空烘干，得到平均直径为120nm的、接枝改性的二氧化硅中空球粉体；
将8g市售聚苯乙烯树脂溶解到15ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的0、5、15、25和35％的量，分别加入上述接枝改性的二氧化硅中空球粉体，加入0.08g消泡剂，并搅拌下超声处理20min，之后，将混合浆料倒入5mm×5mm×2mm尺寸的不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，70℃下抽真空干燥，脱模后得到本发明的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料S-120nm。
对S-120nm系列样品进行隔热性能检测。本发明中，材料复合隔热性能检测在Physical Property Measurement System(PPMS-9，USA)进行，扫描温度范围为298K～358K。不同样品(S，代表样品，数字代表中空颗粒的空腔平均直径)的热性能测试结果如表1所示。
实施例2
类似于实施例1中的方法，将0.2g单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒(平均粒径范围在112～757nm)分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理20min后，滴加0.65ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯(TEOS)1.9ml，反应8h，之后，离心分离出固体，重新分散于94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，重复上述沉淀过程，离心分离后，并用乙醇洗涤三次后，分离烘干；之后，以1℃/min升温速度，升温至550℃并保温3h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体，其平均内径为220nm。
采用表面接枝聚合改性技术，将0.5g上述二氧化硅中空球粉体加入到含有1g丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷(硅烷偶联剂)的100ml甲苯溶液中，超声20min；然后在N2保护下，60℃回流搅拌8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.002g偶氮二异丁腈，搅拌下N2保护，升温至70℃，并逐滴加入5ml苯乙烯单体，反应持续8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，抽真空烘干，得到平均直径为220nm的、接枝改性的二氧化硅中空球粉体；
将2g市售聚苯乙烯树脂溶解到5ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的0、5、15、25和35％的量，分别加入上述接枝改性的二氧化硅中空球粉体，加入0.02g消泡剂，并搅拌下超声处理15min，之后，将混合浆料倒入5mm×5mm×2mm尺寸的不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，75℃下抽真空干燥，脱模后得到本发明的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料S-220nm。
类似于实施例1中的方法，对S-220nm系列样品进行隔热性能检测，并列于表1。
实施例3
类似于实施例1中的方法，将0.5g单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒(平均粒径范围在112～757nm)分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理30min后，滴加2.3ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯(TEOS)4.5ml，反应12h，之后，离心分离出固体，重新分散于94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，重复上述沉淀过程，离心分离后，用乙醇洗涤三次后，分离烘干；之后，以5℃/min升温速度，升温至650℃并保温1h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体，其平均内径为358nm。
采用表面接枝聚合改性技术，将1g上述二氧化硅中空球粉体加入到含有2g丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷(硅烷偶联剂)的100ml甲苯溶液中，超声30min；然后在N2保护下，80℃回流搅拌4h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤2次，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.01g偶氮二异丁腈，搅拌下N2保护，升温至80℃，并逐滴加入10ml苯乙烯单体，反应持续10h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤5次，抽真空烘干，得到平均直径为358nm的、接枝改性的二氧化硅中空球粉体；
将10g市售聚苯乙烯树脂溶解到20ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的0、5、15、25和35％的量，分别加入上述接枝改性的二氧化硅中空球粉体，加入0.1g消泡剂，并搅拌下超声处理20min，之后，将混合浆料倒入5mm×5mm×2mm尺寸的不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，80℃下抽真空干燥，脱模后得到本发明的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料S-358nm。
类似于实施例1中的方法，对S-358nm系列样品进行隔热性能检测，并列于表1。对该系列材料中加入5％接枝改性的二氧化硅中空球粉体的复合材料进行导热系数随温度的变化的测试，结果列于表2。
实施例4
类似于实施例1中的方法，将0.5g单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒(平均粒径范围在112～757nm)分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理30min后，滴加2.3ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯(TEOS)4.5ml，反应12h，之后，离心分离出固体，重新分散于94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，重复上述沉淀过程，离心分离后，用乙醇洗涤三次后，分离烘干；之后，以5℃/min升温速度，升温至650℃并保温1h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体，其平均内径为442nm。
采用表面接枝聚合改性技术，将0.5g上述二氧化硅中空球粉体加入到含有1g丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷(硅烷偶联剂)的100ml甲苯溶液中，超声20min；然后在N2保护下，60℃回流搅拌8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.002g偶氮二异丁腈，搅拌下N2保护，升温至70℃，并逐滴加入5ml苯乙烯单体，反应持续8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，抽真空烘干，得到平均直径为442nm的、接枝改性的二氧化硅中空球粉体；
将2g市售聚苯乙烯树脂溶解到5ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的0、5、15、25和35％的量，分别加入上述接枝改性的二氧化硅中空球粉体，加入0.2g消泡剂，并搅拌下超声处理15min，之后，将混合浆料倒入5mm×5mm×2mm尺寸的不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，75℃下抽真空干燥，脱模后得到本发明的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料S-442nm。
类似于实施例1中的方法，对S-442nm系列样品进行隔热性能检测，并列于表1。对该系列材料中加入5％接枝改性的二氧化硅中空球粉体的复合材料进行导热系数随温度的变化的测试，结果列于表2。
实施例5
类似于实施例1中的方法，将0.5g单分散聚苯乙烯(PS)胶体颗粒(平均粒径范围在112～757nm)分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理30min后，滴加2.3ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯(TEOS)4.5ml，反应12h，之后，离心分离出固体，重新分散于94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，重复上述沉淀过程，离心分离后，用乙醇洗涤三次后，分离烘干；之后，以5℃/min升温速度，升温至650℃并保温1h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体，其平均内径为719nm。
采用表面接枝聚合改性技术，将0.5g上述二氧化硅中空球粉体加入到含有1g丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷(硅烷偶联剂)的100ml甲苯溶液中，超声20min；然后在N2保护下，60℃回流搅拌8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.002g偶氮二异丁腈，搅拌下N2保护，升温至70℃，并逐滴加入5ml苯乙烯单体，反应持续8h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤3次，抽真空烘干，得到平均直径为719nm的、接枝改性的二氧化硅中空球粉体；
将2g市售聚苯乙烯树脂溶解到5ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的0、5、15、25和35％的量，分别加入上述接枝改性的二氧化硅中空球粉体，加入0.2g消泡剂，并搅拌下超声处理15min，之后，将混合浆料倒入5mm×5mm×2mm尺寸的不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，75℃下抽真空干燥，脱模后得到本发明的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料S-719nm。
类似于实施例1中的方法，对S-719nm系列样品进行隔热性能检测，并列于表1。对该系列材料中加入5％接枝改性的二氧化硅中空球粉体的复合材料进行导热系数随温度的变化的测试，结果列于表2。
表1不同样品室温下的导热系数
| 0％ | 5％ | 15％ | 25％ | 35％ | |
| S-120nm(W/K.m) | 0.0784 | 0.0741 | 0.0902 | 0.1072 | 0.2113 |
| S-220nm(W/K.m) | 0.0784 | 0.0680 | 0.0841 | 0.0904 | 0.1231 |
| S-358nm(W/K.m) | 0.0784 | 0.0510 | 0.0982 | -- | 0.1200 |
| S-442nm(W/K.m) | 0.0784 | 0.0110 | 0.0238 | 0.0274 | 0.1974 |
| S-719nm(W/K.m) | 0.0784 | 0.0272 | 0.0344 | 0.0322 | -- |
表2不同样品导热系数随温度的变化
| 298K | 308K | 318K | 328K | 338K | 348K | |
| S-358nm(W/k.m) | 0.0510 | 0.0517 | 0.0529 | 0.0536 | 0.0551 | 0.0559 |
| S-442nm(W/k.m) | 0.0110 | 0.0115 | 0.0117 | 0.0123 | 0.0131 | 0.0140 |
| S-719nm(W/k.m) | 0.0272 | 0.0269 | 0.0265 | 0.0273 | 0.0273 | 0.0305 |
对本发明的不同样品(S，代表样品，数字代表中空颗粒的空腔平均直径)的热性能测试结果如表1所示，结果显示随着无机固体含量的增加，复合材料的隔热性能，先有一个降低的趋势，当固含量达到5％时，复合材料的导热系数达到最低值，当固体含量大于5％时，不同样品(不同空腔尺寸)导热系数又随着固含量的增加，呈现不同程度的增加。在填料固含量为5％时，不同样品的亚微米二氧化硅中空球/PS复合材料展示优异的隔热性能，其导热系数在0.011～0.0741W/K.m。其中，对样品S-442nm，最低导热系数达到0.011W/K.m。比较表1导热系数最低的样品结果(固含量5％)，可以发现，随着空腔尺寸减少，复合材料导热系数先减小，在空腔尺寸达到442nm时，其导热系数达到0.011W/K.m，随后，导热系数随着二氧化硅中空球的空腔尺寸减小而增加。这取决于在固体含量一定下，分散在树脂体系中中空球数目及分散状态，由于中空球的数目在亚微米范围，随着空腔尺寸的减小而增加，故而，在一定范围，颗粒数目增加造成颗粒串联效应抵消了尺寸减小对气体对流的抑制作用，从表1结果可以看出，在亚微米范围，空腔尺寸从719nm降低到442nm时，空腔尺寸对其内部的气体对流抑制作用起主要作用。随着空腔尺寸的进一步降低，颗粒数目增多，颗粒之间串联增加，复合材料的导热系数明显增加，因此，在这个范围，复合材料热导系数，表现出一定的尺寸依赖性。
体系温度是孔道内部气体对流运动影响的一个重要因素，在接近10倍的空气分子自由程尺度范围内，升温增加了气体自由程，强化了气体对流传热。表2显示了部分代表性样品(固体含量为5％)的导热系数随温度的变化。结果显示，复合材料的导热性能随着体系温度升高，出现轻微升高趋势，反应了在亚微米尺寸空间，束缚气体对流强化行为，对复合材料的隔热性能影响不明显。
因此，本发明通过合理地设计复合材料中各组份的结构，从而获得一种具有良好的隔热性能并能满足应用场合对其它性能的要求的复合材料。并且由于在制备过程中避免了使用有机发泡剂，因而该复合隔热材料的制备方法是一种对环境友好的方法。
Claims (8)
1.一种二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料，其包括一聚苯乙烯树脂的基体，和均匀分散于该基体中的亚微米、无团聚、单分散的二氧化硅中空球，所述的亚微米二氧化硅中空球的中空内径为100～720nm，外壁厚度为50～100nm，所述的亚微米二氧化硅中空球占聚苯乙烯树脂重量的1～35％。
2.一种制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，包括如下的步骤：
1)无团聚、单分散、亚微米二氧化硅中空球粉体的制备：将0.2～0.5g单分散聚苯乙烯胶体颗粒分散在94.5ml/5.5ml乙醇/水的混合溶液中，超声处理后，滴加0.65～2.3ml的浓氨水，搅拌均匀后，继续滴加硅酸四乙酯1.9～4.5ml，反应8～12h后，离心分离出固体并用乙醇洗涤后，分离烘干；之后，以1～5℃/min升温速度，升温至550～650℃并保温1～3h，以除去作为模板剂的聚苯乙烯胶体颗粒，得到二氧化硅中空球粉体；
所述的单分散聚苯乙烯胶体颗粒的平均粒径范围在112～757nm；
2)二氧化硅粉体的改性：采用表面接枝聚合改性技术，将0.5～1g步骤1)中得到的二氧化硅中空球粉体加入到含有1～2g硅烷偶联剂的100ml甲苯溶液中，超声；然后在N2保护下，60～80℃回流搅拌；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤，重新分散在100ml甲苯溶液中，加入0.002～0.01g偶氮类引发剂，搅拌下N2保护，升温至70～80℃，并逐滴加入5～10ml苯乙烯单体，反应持续8～10h；冷却至室温后，分离出固体并用甲苯洗涤，抽真空烘干，得到改性的二氧化硅中空球粉体；
3)二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合材料的制备：将2～10g聚苯乙烯树脂溶解到5～20ml甲苯中，然后按照相当于聚苯乙烯树脂质量的1～35％的量，加入步骤2)得到的改性的二氧化硅中空球粉体，按照聚苯乙烯树脂用量的1wt％加入消泡剂，并搅拌下超声处理，之后，将混合浆料倒入不锈钢模具中，室温干燥后，转入真空烘箱，70～80℃下抽真空干燥，脱模后得到所需的二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料。
3.根据权利要求2所述的制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，其特征在于：所述步骤1)的超声处理时间为20～30min。
4.根据权利要求2所述的制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，其特征在于：所述步骤2)的硅烷偶联剂为丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷。
5.根据权利要求2所述的制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，其特征在于：所述步骤2)的超声时间为20～30min。
6.根据权利要求2所述的制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，其特征在于：所述步骤2)的回流搅拌时间为4～8h。
7.根据权利要求2所述的制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，其特征在于：所述步骤2)的偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈。
8.根据权利要求2所述的制备二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料的方法，其特征在于：所述步骤3)的超声处理时间为15～20min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2008101122335A CN101585948B (zh) | 2008-05-22 | 2008-05-22 | 二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2008101122335A CN101585948B (zh) | 2008-05-22 | 2008-05-22 | 二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101585948A CN101585948A (zh) | 2009-11-25 |
| CN101585948B true CN101585948B (zh) | 2010-12-08 |
Family
ID=41370390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2008101122335A Expired - Fee Related CN101585948B (zh) | 2008-05-22 | 2008-05-22 | 二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101585948B (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102618016B (zh) * | 2011-01-31 | 2013-10-16 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种透光的隔热薄膜及其制备方法及其应用 |
| US9223363B2 (en) * | 2013-03-16 | 2015-12-29 | Henkel IP & Holding GmbH | Electronic devices assembled with heat absorbing and/or thermally insulating composition |
| TWI657132B (zh) | 2013-12-19 | 2019-04-21 | 德商漢高智慧財產控股公司 | 具有基質及經密封相變材料分散於其中之組合物及以其組裝之電子裝置 |
| CN104725778B (zh) * | 2015-01-27 | 2017-03-08 | 华中科技大学 | 一种聚合物基复合材料及其制备方法 |
| CN106827723A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-06-13 | 安徽华普环境修复材料科技有限公司 | 一种复合夹层板 |
| CN109400952A (zh) * | 2017-08-18 | 2019-03-01 | 臻鼎科技股份有限公司 | 无机壳体、树脂组合物及无机壳体的制备方法 |
| CN114805905B (zh) * | 2022-06-20 | 2023-10-31 | 上海纳鸿微球科技有限公司 | 一种功能化纳米SiO2空心微球-聚苯乙烯保温板材和制法 |
| CN115521552A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-12-27 | 安徽裕河新材料有限公司 | 一种隔热型发泡聚苯乙烯粒子的制备方法 |
| CN116355272B (zh) * | 2023-03-24 | 2024-06-11 | 西北有色金属研究院 | 一种乙基纤维素稳定的轻质隔热气凝胶的制备方法 |
-
2008
- 2008-05-22 CN CN2008101122335A patent/CN101585948B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101585948A (zh) | 2009-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101585948B (zh) | 二氧化硅中空球/聚苯乙烯复合隔热材料及其制备方法 | |
| CN101585954B (zh) | 一种二氧化硅中空球/聚合物复合隔热材料及其制备方法 | |
| US12005413B2 (en) | Fire-class reinforced aerogel compositions | |
| Peng et al. | Facile preparation for gelatin/hydroxyethyl cellulose‐SiO2 composite aerogel with good mechanical strength, heat insulation, and water resistance | |
| Qu et al. | An experimental investigation and fractal modeling on the effective thermal conductivity of novel autoclaved aerated concrete (AAC)-based composites with silica aerogels (SA) | |
| CN111039295A (zh) | 一步法制备二氧化硅气凝胶以及自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法 | |
| CN107353764B (zh) | 一种储能多功能涂料及其制备方法 | |
| CN102618016B (zh) | 一种透光的隔热薄膜及其制备方法及其应用 | |
| Rao et al. | Recent developments in thermally insulating materials based on geopolymers—a review article | |
| CN108503327B (zh) | 一种低成本气凝胶保温材料、制备方法及其应用 | |
| CN109020469A (zh) | 一种SiO2气凝胶/SiC泡沫复合绝热材料及其制备方法 | |
| CN113004652B (zh) | 耐高温酚醛泡沫复合保温材料及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Resilient silica-based aerogels with organic and inorganic molecular hybrid structure prepared by a novel self-catalyzed gelling strategy for efficient heat insulation and CO2 adsorption | |
| CN107140936A (zh) | 一种适合工业化批量生产的中空玻璃微球基保温材料的制备方法 | |
| CN112876072B (zh) | 一种微孔发泡玻璃的制备方法 | |
| CN111362582B (zh) | 真空发泡低温泡沫玻璃材料及其制备方法和应用 | |
| CN110668743A (zh) | 一种发泡混凝土的制备方法 | |
| CN113755123A (zh) | 一种绝热型环氧树脂胶粘剂及其制备方法 | |
| Li et al. | Rational synthesis of methylsilsesquioxane aerogels addressing thermal load and compression recovery issues in Li-ion batteries | |
| CN106366560A (zh) | 一种环氧改性抗压酚醛泡沫板及其制备方法 | |
| CN114180984B (zh) | 一种羟基磷灰石/氧化硅复合气凝胶及其制备方法 | |
| US20240350997A1 (en) | Fire-class reinforced aerogel compositions | |
| CN118580553A (zh) | 一种聚苯乙烯保温材料及其制备方法 | |
| Goryunova et al. | Insulating materials based on silica aerogel composites: synthesis, properties and application | |
| Fan et al. | Synthesis and Characterization of Novel Phenolic Resin/Siloxane Aerogels via Ambient Pressure Drying |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |