CN101653960B - 一种轻质隔热保温材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻质隔热保温材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种轻质隔热保温材料及其制备方法。所采用的技术方案是：先将30～70wt％的SiO2细粉、10～45wt％的红外遮蔽剂细粉和5～35wt％的玻璃纤维在50～70℃条件下分别保温干燥8～12小时，外加上述混合料0.5～5wt％的结合剂，进行搅拌，成型，然后在100～250℃条件下保温2～6小时，再升温至500～700℃，保温1～6小时。本发明所制备的轻质隔热保温材料的体积密度为0.3～0.5g/cm3，平均孔径为1～100nm，材料的导热系数在200℃时为0.01～0.05W/m.K，500℃时为0.02～0.07W/m.K，900℃时为0.03～0.09W/m.K。因此，本发明制备的轻质隔热保温材料具有体积密度小、平均孔径小、气孔分布均匀和导热系数低的特点。

Description

一种轻质隔热保温材料及其制备方法
技术领域
本发明属于隔热保温材料技术领域，具体涉及一种轻质隔热保温材料及其制备方法。
背景技术
隔热材料主要有三大应用领域：传统的工业低温热工设备的保温，以及交通工具、家用电器等工业设施的隔热保温；建筑围护结构的隔热保温；工业高温窖炉的隔热保温。性能优良的保温绝热材料和良好的保温技术，在工业保温中往往可起到事半功倍的效果。
目前，可往返工作的载人航天飞机以及核潜艇和导弹驱逐舰的一些关键部位，也对隔热材料提出了更高的要求。随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，特别是一些关键设备使得许多传统的保温材料已不再适合要求，寻求具有轻质、高效保温和良好的防火性能保温材料已是当务之急，许多国家均对此投入了大量的人力和物力。
传统的保温隔热材料是以提高气相孔隙率，降低导热系数和传导系数为主，其中人造矿棉，玻璃纤维，耐火陶瓷纤维，以及硅酸钙和蛭石产品就是代表。这些材料都是固体材料，且最高有约95％的孔隙率。但是很多气孔通常是贯通的且开口气孔具有较大的尺寸(1～100μm)，使其无法阻止气体热传导，而且也无法阻挡热辐射的传播。
有学者认为通过纳米技术将材料中的孔隙直径降低到纳米级，就会产生“零对流”、“无穷多遮热板”、“无穷长路径”等纳米效应，使材料热传递的能力下降到接近到极限。因而提出了“超级绝热材料”的概念。超级绝热材料是指预定使用条件下，导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。
隔热保温纳米材料主要有纳米硬硅钙石、硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料、纳米级纤维保温材料、纤维型纳米隔热材料、超级绝热材料等。
迄今为止，国内外所报导的纳米孔超级绝热材料均是以SiO2气凝胶作为纳米孔的载体。其多孔率可达80～99.8％，典型的孔洞尺寸在1～100nm范围，其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表面积。由于其成孔机理在于将凝胶置于临界温度和压力以上以维持孔洞结构使其在干燥时不至于坍塌，所以现有的二氧化硅气凝胶生产方法，在公开发表的国内外学术论文和专利中，二氧化硅气凝胶的制备大都是用四烷氧基硅和烷基硅酸酯之类的有机硅或者水玻璃做原料，然后采用超临界流体技术进行干燥的，存在原料昂贵和干燥设备要求高，流程复杂，周期长等导致成本过高等问题，这直接影响了气凝胶的规模化生产和应用。且常用的正硅酸乙酯中SiO2质量含量仅约为28％，因此寻找其替代材料是该材料研究的方向之一。超轻气凝胶虽然是良好的纳米孔载体，但都存在强度低、韧性差的缺点。而目前虽有研究者将硅酸钙材料及SiO2气凝胶材料分别制成后混合制备出硅酸钙-二氧化硅气凝胶超级绝热材，使材料在强度和韧性方面性能有所改善，但由于其原材料成本较高、生产条件苛刻、工艺复杂而仍然难以在工业生产上大规模推广使用。
“一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法”(200810225985.2)专利技术所制备的多孔轻质隔热保温材料为耐火砖，体积密度≤0.48g/cm3，400℃导热系数≤0.13W/m.K，800℃导热系数≤0.20W/m.K，耐压强度≥1.2MPa，但导热系数偏高，达不到超级绝热的要求。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种体积密度小、平均孔径小、气孔分布均匀和导热系数低的轻质隔热保温材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先将30～70wt％的SiO2细粉、10～45wt％的红外遮蔽剂细粉和5～35wt％的玻璃纤维在50～70℃条件下分别保温干燥8～12小时，外加上述混合料0.5～5wt％的结合剂，进行搅拌，成型，然后在100～250℃条件下保温2～6小时，再升温至500～700℃，保温1～6小时。
其中：SiO2细粉为稻壳灰细粉、介孔型细粉、气相型细粉中的一种，SiO2细粉的粒径≤80μm；红外遮蔽剂细粉为金红石型TiO2细粉、锐钛矿型TiO2细粉、ZrSiO4细粉、SiC细粉中的一种，红外遮蔽剂细粉的粒径≤80μm；玻璃纤维为经硝酸或盐酸或氢氟酸处理，长度≤9mm；结合剂为轻质碳酸钙、磷酸二氢铵、羧甲基纤维素、树脂粉中的一种以上；成型方法为干压成型。
由于采用上述技术方案，本发明以几种SiO2细粉为主要原料，SiO2细粉本身含大量微纳米气孔，红外遮蔽剂可有效阻隔热辐射传热，利用纤维增强可提高材料的抗折和耐压强度，结合剂一方面可提高材料强度，另一方面能形成微小气孔，用干法制得轻质隔热保温材料。所制备的轻质隔热保温材料的体积密度为0.3～0.5g/cm3，平均孔径为1～100nm，材料的导热系数在200℃时为0.01～0.05W/m.K，500℃时为0.02～0.07W/m.K，900℃时为0.03～0.09W/m.K。
因此，本发明制备的轻质隔热保温材料具有体积密度小、平均孔径小、气孔分布均匀和导热系数低的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式中的所涉及到有关组分的粒径和玻璃纤维进行统一描述，下面各实施例中将不赘述：
稻壳灰细粉、介孔型细粉、气相型细粉、金红石型TiO2细粉、锐钛矿型TiO2细粉、ZrSiO4细粉和SiC细粉的粒径≤80μm；
玻璃纤维为经硝酸或盐酸或氢氟酸处理，长度≤9mm。
实施例1：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将35～50wt％的介孔SiO2细粉、30～40wt％的金红石型TiO2细粉和15～30wt％的玻璃纤维在50～60℃条件下分别保温干燥10～12小时，外加上述混合料0.5～1.5wt％的轻质碳酸钙，进行搅拌，成型，然后在100～150℃条件下保温2～4小时，再升温至500～600℃，保温1～3小时。
本实施例1所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.33～0.48g/cm3，200℃时为0.024～0.039W/m.K；500℃时导热率为0.040～0.055W/m.K；900℃时导热率为0.055～0.070W/m.K；抗折强度为0.75～1.20MPa；耐压强度为0.90～2.30MPa。
实施例2：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将55～70wt％的稻壳灰细粉、10～20wt％的ZrSiO4细粉和10～25wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥10～12小时，外加上述混合料0.5～1.5wt％的轻质碳酸钙和1.5～2.5wt％的磷酸二氢铵，进行搅拌，成型，然后在150～200℃条件下保温4～6小时，再升温至600～700℃，保温4～6小时。
本实施例2所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.32～0.47g/cm3，200℃时为0.025～0.040W/m.K；500℃时导热率为0.045～0.060W/m.K；900℃时导热率为0.068～0.083W/m.K；抗折强度为0.80～1.25MPa；耐压强度为0.95～2.35MPa。
实施例3：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将30～45wt％的气相SiO2细粉、35～45wt％的SiC细粉和15～30wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥8～10小时，外加上述混合料0.5～1.5wt％的羧甲基纤维素和1～2wt％的树脂粉，进行搅拌，成型，然后在200～250℃条件下保温4～6小时，再升温至500～600℃，保温1～3小时。
本实施例3所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.25～0.40g/cm3，200℃时为0.017～0.032W/m.K；500℃时导热率为0.025～0.040W/m.K；900℃时导热率为0.038～0.053W/m.K；抗折强度为0.71～1.16MPa；耐压强度为0.80～2.20MPa。
实施例4：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将45～60wt％的介孔SiO2细粉、20～30wt％的ZrSiO4细粉和15～30wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥9～11小时，外加上述混合料3～4.5wt％的羧甲基纤维素，进行搅拌，成型，然后在200～250℃条件下保温4～6小时，再升温至600～700℃，保温1～3小时。
本实施例4所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.30～0.45g/cm3，200℃时为0.021～0.036W/m.K；500℃时导热率为0.035～0.050W/m.K；900℃时导热率为0.050～0.065W/m.K；抗折强度为0.73～1.18MPa；耐压强度为0.85～2.25MPa。
实施例5：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将45～60wt％的介孔SiO2细粉、15～25wt％的SiC细粉和15～30wt％的玻璃纤维在50～60℃条件下分别保温干燥9～11小时，外加上述混合料1.5～3wt％的磷酸二氢铵，进行搅拌，成型，然后在100～150℃条件下保温2～4小时，再升温至500～600℃，保温2～4小时。
本实施例5所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.28～0.43g/cm3，200℃时为0.018～0.033W/m.K；500℃时导热率为0.031～0.046W/m.K；900℃时导热率为0.045～0.060W/m.K；抗折强度为0.70～1.15MPa；耐压强度为0.82～2.22MPa。
实施例6：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将50～65wt％的稻壳灰细粉、15～25wt％的锐钛矿型TiO2细粉和15～30wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥8～10小时，外加上述混合料2～3.5wt％的树脂粉，进行搅拌，成型，然后在100～150℃条件下保温2～4小时，再升温至600～700℃，保温2～4小时。
本实施例6所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.33～0.48g/cm3，200℃时为0.030～0.045W/m.K；500℃时导热率为0.050～0.065W/m.K；900℃时导热率为0.070～0.085W/m.K；抗折强度为0.80～1.25MPa；耐压强度为0.98～2.38MPa。
实施例7：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将55～70wt％的稻壳灰细粉、25～35wt％的SiC细粉和5～20wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥10～12小时，外加上述混合料1～2wt％的轻质碳酸钙、0.5～1.5wt％的磷酸二氢铵和0.5～1.5wt％的羧甲基纤维素，进行搅拌，成型，然后在150～200℃条件下保温4～6小时，再升温至500～600℃，保温2～4小时。
本实施例7所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.35～0.50g/cm3，200℃时为0.035～0.050W/m.K；500℃时导热率为0.055～0.070W/m.K；900℃时导热率为0.075～0.090W/m.K；抗折强度为0.83～1.28MPa；耐压强度为1.05～2.45MPa。
实施例8：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将45～60wt％的气相SiO2细粉、15～25wt％的金红石型TiO2细粉和20～35wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥8～10小时，外加上述混合料1～2wt％的轻质碳酸钙、0.5～1.5wt％的磷酸二氢铵和0.5～1.5wt％的树脂粉，进行搅拌，成型，然后在150～200℃条件下保温2～4小时，再升温至600～700℃，保温3～5小时。
本实施例8所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.22～0.37g/cm3，200℃时为0.015～0.030W/m.K；500℃时导热率为0.024～0.039W/m.K；900℃时导热率为0.035～0.050W/m.K；抗折强度为0.65～1.10MPa；耐压强度为0.77～2.17MPa。
实施例9：
一种轻质隔热保温材料及其制备方法。先将45～60wt％的气相SiO2细粉、15～25wt％的ZrSiO4细粉和20～35wt％的玻璃纤维在60～70℃条件下分别保温干燥10～12小时，外加上述混合料0.5～1wt％的轻质碳酸钙、1.5～2wt％的磷酸二氢铵、0.5～1wt％的羧甲基纤维素和0.5～1wt％的树脂粉，进行搅拌，成型，然后在200～250℃条件下保温4～6小时，再升温至500～600℃，保温4～6小时。
本实施例9所制得的轻质隔热材料的体积密度为0.20～0.35g/cm3，200℃时为0.010～0.025W/m.K；500℃时导热率为0.020～0.035W/m.K；900℃时导热率为0.030～0.045W/m.K；抗折强度为0.62～1.07MPa；耐压强度为0.65～2.05MPa。
本具体实施方式以几种SiO2细粉为主要原料，SiO2细粉本身含大量微纳米气孔，红外遮蔽剂可有效阻隔热辐射传热，利用纤维增强可提高材料的抗折和耐压强度，结合剂可一方面提高材料强度，另一方面能形成微小气孔，用干法制得轻质隔热保温材料。所制备的轻质隔热保温材料的体积密度为0.3～0.5g/cm3，平均孔径为1～100nm，材料的导热系数在200℃时为0.01～0.05W/m.K，500℃时为0.02～0.07W/m.K，900℃时为0.03～0.09W/m.K。
因此，本具体实施方式制备的轻质隔热保温材料具有体积密度小、平均孔径小、气孔分布均匀和导热系数低的特点。

Claims (7)

1.一种轻质隔热保温材料的制备方法，其特征在于先将30～70wt％的SiO2细粉、10～45wt％的红外遮蔽剂细粉和5～35wt％的玻璃纤维在50～70℃条件下分别保温干燥8～12小时，外加上述混合料0.5～5wt％的结合剂，进行搅拌，成型，然后在100～250℃条件下保温2～6小时，再升温至500～700℃，保温1～6小时。
2.根据权利要求1所述的轻质隔热保温材料的制备方法，其特征是在于所述的SiO2细粉为稻壳灰细粉、介孔型细粉、气相型细粉中的一种，SiO2细粉的粒径≤80μm。
3.根据权利要求1所述的轻质隔热保温材料的制备方法，其特征是在于所述的红外遮蔽剂细粉为金红石型TiO2细粉、锐钛矿型TiO2细粉、ZrSiO4细粉、SiC细粉中的一种，红外遮蔽剂细粉的粒径≤80μm。
4.根据权利要求1所述的轻质隔热保温材料的制备方法，其特征在于所述的玻璃纤维为经硝酸或盐酸或氢氟酸处理，长度≤9mm。
5.根据权利要求1所述的轻质隔热保温材料的制备方法，其特征在于所述的结合剂为轻质碳酸钙、磷酸二氢铵、羧甲基纤维素、树脂粉中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的轻质隔热保温材料的制备方法，其特征在于所述的成型方法为干压成型。
7.根据权利要求1～6项中任一项所述的轻质隔热保温材料的制备方法所制的轻质隔热保温材料。
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