CN101671158B

CN101671158B - 一种二氧化硅绝热体及其制备方法

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Publication number: CN101671158B
Application number: CN200810042735A
Authority: CN
Inventors: 石明伟; 胡津津
Original assignee: Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute
Current assignee: Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: CN101671158A

Abstract

本发明公开了一种二氧化硅绝热体，其特征在于：所述的绝热体由气相纳米二氧化硅、无机纤维、遮光剂、稳定剂和助剂组成，它们组份的重量百分比为：气相纳米二氧化硅40-90％、无机纤维1-25％、遮光剂1-40％、稳定剂0-5％、助剂0-5％。本发明通过在碱性气氛下进行蒸压养护从而避免了高温烧结所带来的制作困难，同时由于是纳米二氧化硅微粒在表面之间的相互反应，因此并不会破坏制品的整体微观网络结构。本发明制作工艺简单、成品率高、绝热性能好、应用范围广。

Description

一种二氧化硅绝热体及其制备方法

技术领域：

本发明属于无机绝热材料的技术领域，特别是涉及一种具有低导热系数的纳米二氧化硅绝热体及其制备方法。

背景技术：

高性能绝热体的要求是导热系数小于或者接近于空气的绝热体，目前，国内外对高性能绝热体的制备方法通常是采用抽真空技术或使用超临界技术的气凝胶材料。但是采用这些方法制作工艺复杂，生产成本很高，因此无法得到广泛的应用。另有一些方法是以纳米级的二氧化硅为基本原材料，通过加入粘结剂或通过烧结的方法来进行成型。但是粘结剂的加入会使制品的绝热性能下降，烧结的方法则增加了制品的制造难度。

在专利us4895163，us5302444，us5556689中所述以二氧化硅为主体材料，并加入纤维以及粘结剂在200-900℃的条件下进行反应，采用粉体状粘结剂进行烧结的方法来进行制备，可制成绝热体。但是在采用这种方法的制作中，如果粘结剂含量很低时，则不能达到一定的机械强度。而如果粘结剂含量过高时，用粘结剂填充大量的孔隙而大幅度降低材料的孔隙率，会大大增加材料的容重及导热系数，从而影响材料的使用效果。而且对于大尺寸的制品，采用这种方法制作起来比较困难。在专利Cn1594197中公开了一种纳米生物二氧化硅绝热材料的制备方法，在该方法中采用了液体的粘结剂，将纳米生物二氧化硅灰状物体、无机纤维等材料混合，再进行成型和干燥。但是在具有纳米孔结构的绝热材料中，由于这种液体材料的直接加入而不对纳米生物二氧化硅灰状物体进行表面处理的话，将会对制品的毛细管状微观结构造成一些破坏，从而不能达到最佳的绝热效果。

发明内容

本发明的目的是：提供一种导热系数低、易于成形、制作方便的绝热体及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明是通过以下方法来实现的：一种二氧化硅绝热体，其特征在于：所述的绝热体由气相纳米二氧化硅、无机纤维、遮光剂、稳定剂和助剂组成，它们组份的重量百分比为：气相纳米二氧化硅40-90％、无机纤维1-25％、遮光剂1-40％、稳定剂0-5％、助剂0-5％，它们的组份重量百分比之和为100％。

一种二氧化硅绝热体的制备方法，其特征在于：所述的二氧化硅绝热体的制备方法包括以下步骤，a、将重量百分比为40-90％的气相纳米二氧化硅、1-25％的无机纤维、1-40％的遮光剂、0-5％的稳定剂、0-5％的助剂在高速混合机内进行充分混合；b、然后将上述混合体放入模具内进行压制成形，压力控制在0.1-1.0MPa；c、将压制成形的半成品放入蒸压釜内，在具有碱性气氛条件下进行养护，蒸压釜内的碱性气氛蒸汽是由PH值为10--13的碱性水溶液所产生；d、在蒸压釜内的蒸压养护时间为1.5-6小时，蒸汽压控制在0.10-0.40MPa。使气相二氧化硅微粉之间的表面进行相互反应，从而形成具有纳米孔隙的绝热体制品。

本发明在由反应剂所产生具有碱性气氛的蒸汽条件下进行反应处理而制成。本发明制作的绝热体所形成的纳米级孔隙率高，绝热效果好，并具有较好的机械强度。纳米级孔隙率占全部孔隙的90％以上，容重为180-280kg/m³，抗压强度不小于0.2MPa，常温下导热系数不大于0.025W/m.k，在平均温度500℃时的导热系数不大于0.045W/m.k，最高使用温度为950℃。

本发明的高性能绝热体采用一种方法，即用反应剂使蒸压釜内产生碱性气氛，采用在碱性气氛作用下的蒸压养护方法对纳米二氧化硅微粒表面之间进行反应处理，使二氧化硅微粒表面产生一种熔融状的表面层，并且能够使二氧化硅微粒表面相互反应连接而形成一种带有孔隙的整体网络结构。

本发明避免了高温烧结所带来的制作困难，同时由于是纳米二氧化硅微粒表面之间的相互反应，因此并不会破坏制品的整体微观网络结构。本发明制作工艺简单、成品率高、绝热性能好、应用范围广。

采用本发明制备出的高性能绝热体中孔隙为85％以上，其中孔隙尺度小于100nm的纳米级孔隙占全部孔隙的90％以上。容重可以控制在180-280kg/m³。经检测，本发明制备出的超级绝热材料在常温下的导热系数小于0.025W/m.k，在平均温度500℃时的导热系数小于0.045W/m.k，最高使用温度为950℃(非长期使用)。

本发明的超级绝热体主要应用在船舶建造中的耐火分隔、防火门、隔热管道、高温炉隔热等场合。

具体实施方式：

下面对本发明作进一步的描述并给出实施例。

本发明为一种二氧化硅绝热体，其特征在于：所述的绝热体由气相纳米二氧化硅、无机纤维、遮光剂、稳定剂和助剂组成，它们组份的重量百分比为：气相纳米二氧化硅40-90％、无机纤维1-25％、遮光剂1-40％、稳定剂0-5％、助剂1-5％，它们的组份重量百分比之和为100％。

一种二氧化硅绝热体的制备方法，其特征在于：所述的二氧化硅绝热体的制备方法包括以下步骤，a、将重量百分比为40-90％的气相纳米二氧化硅、1-25％的无机纤维、1-40％的遮光剂、0-5％的稳定剂、1-5％的助剂在高速混合机内进行充分混合；b、然后将上述混合体放入模具内进行压制成形，压力控制在0.1-1.0MPa；c、将压制成形的半成品放入蒸压釜内进行养护，蒸压釜内的碱性气氛蒸汽是由PH值为10--13的碱性水溶液所产生；d、在蒸压釜内的蒸压养护时间为1.5-6小时，蒸汽压控制在0.10-0.40MPa。使气相二氧化硅微粉进行表面反应，从而形成具有纳米孔的绝热体制品。为了进一步增加制品的强度，可在制品的单面或双面贴覆贴面材料，这种材料可以是玻璃纤维布、玻璃纤维毡、陶瓷纤维纸、陶瓷纤维毡、铝箔布等。这个贴面材料在制品的两面可以是同一种材料，也可以使用两种不相同的材料。这种贴面过程可以在蒸压养护前进行贴覆，也可在蒸压养护后再进行贴覆。

本发明所称的气相二氧化硅是一种具有纳米结构的超细微粉，比表面积在150m²/g以上。可以采用市售产品，如Degussa公司的Aerosil200或Aerosil300产品等，其原始粒径为不大于30nm。所说的无机纤维可以是单一的材料或它们的组合。要求这些纤维具有600℃以上的使用温度，并且在短时间内(如2小时)能承受950℃温度。纤维直径小于10μ，长度在5-40mm之间。

所说的遮光剂是二氧化钛、三氧化二铬、三氧化二铁、氧化锆、碳化硅等材料的微粉，可以是单一的材料或它们的组合；该微粉的粒径小于10μ。

所说的稳定剂是活性氢氧化铝、硫酸铝等。

所说的助剂是一种在蒸汽条件下能产生粘性的物质，如硅酸钠、氢氧化钠、氧化钠、硅酸钾、氢氧化钾、氧化钾、碳酸钠等。

所说的反应剂是一种在蒸汽条件下能产生碱性气氛的物质，如氨水、尿素、碳酸氨、碳酸氢氨等。将它们加入水中即成为能产生碱性气氛的水溶液。反应剂的加入量与水的重量百分比在3-25％的范围内，碱性水溶液的PH值控制在10—13的范围内。

本发明由于由具有纳米结构的气相二氧化硅微粉与添加材料包括无机增强纤维、遮光剂和稳定剂所组成。首先将上述材料的粉体部分进行充分混合，再与无机增强纤维进行分散混合。将混合好的材料放入模具内压制成形。然后放入蒸压釜内进行表面养护处理，同时在蒸压釜的蒸汽源内加入处理剂使其能产生具有碱性的气氛来对原材料中的微粉表面进行反应处理。经过蒸压养护后，即可制得绝热体制品。由于这种气相二氧化硅微粉是一种具有纳米结构的材料，较佳选用该气相二氧化硅微粉的原始粒径小于50nm，由这种气相二氧化硅微粉所连成的网络结构具有纳米级的孔隙(≤100nm)，能有效阻止热对流，因此能够获得很好的绝热效果。

本发明的绝热体是由如下重量百分比的组份组成：

气相二氧化硅微粉：30-90％

无机增强纤维：1-25％

遮光剂：1-40％

稳定剂：0-5％

助剂：0-5％

本发明较佳的绝热体是由如下重量百分比的组份组成：

气相二氧化硅微粉：40-80％

无机增强纤维：3-22％

遮光剂：1-40％

稳定剂：0-5％

助剂：1-5％

本发明更佳的绝热体是由如下重量百分比的组份组成：

气相二氧化硅微粉：50-78％

无机增强纤维：5-20％

遮光剂：5-30％

稳定剂：1-4％

助剂：2-4％

另外在蒸压养护时要使蒸汽具有碱性气氛，即采用如氨水或尿素或碳酸氨或碳酸氢氨等碱性反应剂，该碱性反应剂的重量百分比为3-25％余量为清水，将该碱性反应剂中的一种放入在蒸压釜的水源内，使得在蒸压釜内蒸汽水源的PH值达到10-13的碱性，即产生具有碱性气氛的蒸汽。本发明的材料制备过程是：将上述按配比组成的原材料在高速混合机内进行充分混合，然后将上述混合体放入模具内进行压制成形。压力控制在0.1-1.0MPa，容重控制在0.180g/m³-0.280g/m³之间。将上述所压制好的已成形的半成品放入蒸压釜内进行养护，并在蒸压釜内水溶液中加入反应剂将其PH值控制在10-13的范围内，使蒸压釜内产生的蒸汽呈碱性气氛。蒸汽压控制在0.10-0.40MPa。使气相二氧化硅微粉之间进行表面反应，从而形成具有纳米孔的绝热体制品。为了进一步提高纳米孔绝热体制品的机械强度，可以在蒸压养护后再进行加热干燥处理，加热温度在140-300℃之间，能使气相二氧化硅微粉之间的表面反应更加完全。

下面是具体的实施例：

实施例1

气相二氧化硅微粉65％，玻璃纤维5％，二氧化钛25％，氢氧化铝2％、氢氧化钠3％。

先将上述材料进行充分混合，然后将混合物放入模具内进行压制成型，通过计算使混合物压制成容重为0.200g/cm³的半成品，再将压制好的半成品放入压力为0.20MPa的蒸压釜内进行养护。在蒸压釜内的水源加入氨水，通过调节，使其成为PH值为11的水溶液，养护时间为4小时。取出即成为纳米二氧化硅绝热体制品。

实施例2

气相二氧化硅微粉68％，玄武岩纤维4％，碳化硅12％，二氧化钛12％，碳酸钠4％。

将上述混合物压制成容重为0.240g/cm³的半成品，然后将半成品放入压力为0.24MPa的蒸压釜内进行养护。在蒸压釜内的水源加入氨水，通过调节，使其成为PH值为12的水溶液，养护时间为2.5小时。将样品取出后，再放入200℃的烘箱内进行加热处理，即成为纳米二氧化硅绝热体制品。

实施例3

气相二氧化硅微粉72％，硅酸铝纤维3％，碳化硅20％，硫酸铝5％。

将上述混合物放入模具内然后进行压制成型，容重控制在0.200g/cm³。将压制好的半成品在脱模后放入压力为0.18MPa的蒸压釜内进行养护。在蒸压釜内的水源加入碳酸氢氨，通过调节，使其成为PH值为10的水溶液，养护时间为4小时。取出样品后用玻璃纤维布进行包覆，即成为纳米二氧化硅绝热体制品。

实施例4

气相二氧化硅微粉75％，氧化铝纤维4％，碳化硅18％，硅酸钠2％。在模具内铺上涂好胶的陶瓷纤维纸，将上述混合物放入模具内，再在这物料上面覆盖涂好胶的陶瓷纤维纸，然后进行压制成型，其中纳米二氧化硅绝热芯材容重为0.180g/cm³。将压制好的半成品在脱模后放入蒸压釜内进行养护，压力为0.25MPa。在蒸压釜内的水源加入尿素，通过调节，使其成为PH值为11的水溶液，养护时间为6小时。取出后即成为纳米二氧化硅绝热体制品。

实施例5

气相二氧化硅微粉70％，玄武岩纤维5％，二氧化钛16％，三氧化二铁6％，氢氧化铝3％。

将上述混合物放入模具内，进行压制成容重为0.240g/cm³的半成品。然后放入压力为0.28MPa的蒸压釜内进行养护。在蒸压釜内的水源加入氨水，通过调节，使其成为PH值为13的水溶液，养护时间为1.5小时将蒸压养护后的纳米二氧化硅绝热体取出，在其正反两面各贴上带有胶的铝箔布，即成为纳米二氧化硅绝热体制品。

实施例6

气相二氧化硅微粉75％，氧化铝纤维3％，碳化硅14％，氧化锆8％。将上述混合物放入模具内压制成容重为0.260g/cm³的半成品，然后放入压力为0.26MPa的蒸压釜内进行养护。在蒸压釜内的水源加入碳酸氨，通过调节，使其成为PH值为12的水溶液，养护时间为2小时。将样品取出后，再放入300℃的烘箱内进行加热处理，然后用自粘性玻璃纤维布在样品的两面进行贴覆，即成为纳米二氧化硅绝热体制品。

以上说明书中提及的气相二氧化硅微粉和气相纳米二氧化硅是同一物质，两种不同的名称；实施例是对本发明的内容作的具体说明，但并不局限于上述实施例。凡基于上述内容所涉及的技术均属于本发明的范围。

Claims

1.一种二氧化硅绝热体的制备方法，其特征在于：所述的二氧化硅绝热体的制备方法包括以下步骤，a、将重量百分比为40-90％的气相纳米二氧化硅、1-25％的无机纤维、1-40％的遮光剂、0-5％的稳定剂、0-5％的助剂在高速混合机内进行充分混合；b、然后将上述混合体放入模具内进行压制成形，压力控制在0.1-1.0MPa；c、将压制成形的半成品放入蒸压釜内在具有碱性气氛条件下进行养护，蒸压釜内的碱性气氛蒸汽是由PH值为10--13的碱性水溶液所产生；d、在蒸压釜内的蒸压养护时间为1.5-6小时，蒸汽压控制在0.10-0.40MPa，使气相二氧化硅微粉之间的表面进行相互反应，从而形成具有纳米孔隙的绝热体制品；所述的无机纤维为：玻璃纤维，石英纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的任意一种，或者为它们的任意组合，纤维直径小于10μ，长度在5-40mm之间；所说的遮光剂是二氧化钛、三氧化二铬、三氧化二铁、氧化锆、碳化硅的微粉，是其中的一种或它们的任意组合；所述的稳定剂是氢氧化铝、硫酸铝中的一种，或者两者的任意组合；所说的助剂是一种在蒸汽条件下能产生粘性的物质，具体为硅酸钠、氢氧化钠、氧化钠、硅酸钾、氢氧化钾、氧化钾、碳酸钠中的任意一种，或者为它们的任意组合；所述的气相二氧化硅是一种具有纳米结构的超细微粉，比表面积在150m²/g以上，其原始粒径为不大于30nm。

2.一种二氧化硅绝热体的制备方法，其特征在于：所述的二氧化硅绝热体的制备方法包括以下步骤，a、将重量百分比为40-90％的气相纳米二氧化硅、1-25％的无机纤维、1-40％的遮光剂、0-5％的稳定剂、1-5％的助剂在高速混合机内进行充分混合；b、然后将上述混合体放入模具内进行压制成形，压力控制在0.1-1.0MPa；c、将压制成形的半成品放入蒸压釜内在具有碱性气氛条件下进行养护，蒸压釜内的碱性气氛蒸汽是由PH值为10--13的碱性水溶液所产生；d、在蒸压釜内的蒸压养护时间为1.5-6小时，蒸汽压控制在0.10-0.40MPa，使气相二氧化硅微粉之间的表面进行相互反应，从而形成具有纳米孔隙的绝热体制品；所述的无机纤维为：玻璃纤维，石英纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的任意一种，或者为它们的任意组合，纤维直径小于10μ，长度在5-40mm之间；所述的遮光剂是二氧化钛、三氧化二铬、三氧化二铁、氧化锆、碳化硅的微粉，是其中的一种或它们的任意组合；所述的稳定剂是氢氧化铝、硫酸铝中的一种，或者两者的任意组合；所说的助剂是一种在蒸汽条件下能产生粘性的物质，具体为硅酸钠、氢氧化钠、氧化钠、硅酸钾、氢氧化钾、氧化钾、碳酸钠中的任意一种，或者为它们的任意组合；所述的气相二氧化硅是一种具有纳米结构的超细微粉，比表面积在150m²/g以上，其原始粒径为不大于30nm。