CN102040390A - 一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料及制备方法 - Google Patents

一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料及制备方法，其特征在于：以零维的SiO2纳米粉和SiO2微米粉为主要原料，以一维的硅酸铝纤维为增强骨架，通过高速搅拌切碎纤维使纳米、微米颗粒和纤维分散均匀，采用干压成型工艺制备出SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料。本发明方法简单，制备条件容易控制，成本低，制备的SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料具有耐高温、低热导率、低成本等特点，可以在1000℃以下使用的新型低维隔热材料。

Description

一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料及制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料领域，具体涉及一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料及制备方法。
背景技术
在高温容器、军工和航空航天领域使用的热防护系统要求隔热材料具有耐高温、轻质、隔热效果更优异的高效隔热材料。目前高效的超轻质隔热材料主要有耐火纤维和硅酸钙板。低温时，耐火纤维、硅酸钙制品的导热系数尚可，温度升高以后这些材料的导热系数显著变差。比如20℃时，耐火纤维制品的导热系数为0.03W/m.k，硅酸钙板的导热系数为0.06W/m.k。600℃时，耐火纤维制品的导热系数为0.2W/m.k，硅酸钙板的导热系数增为0.7W/m.k，这些材料的导热系数随温度升高而明显变大。
在纳米孔隔热材料中,具有超微细且致密的多孔结构, 这种纳米级的多孔结构有利于减少气体分子的导热和材料的气体对流传热,所以能够保持极低的热导率。降低材料中的孔隙尺寸就能明显改善隔热材料的高温绝热性能，材料的导热系数不随温度升高而明显变大。
公开号为CN101705075A中国专利申请公开的“纳米级隔热材料”提供了一种分及重量百分比分别为：纳米级二氧化硅粉末5～95％，纳米级或微米级二氧化锆粉末或硅酸锆粉末和/或碳化硅粉末5～50％，增强用纤维3～15％，加溶剂至100％。专利号为CN200810047741.X中国专利申请公开的“ 一种纳米孔硅质复合隔热材料及其制备方法”提供了一种纳米孔硅质复合隔热材料，其由纳米孔硅质粉末30～60份、硅酸铝纤维40～20份、六钛酸钾晶须5～20份和黏结剂5～20份制成。加入黏结剂，经过纤维预处理、疏解、成型、干燥和热处理工序制成。文章名“高性能纳米孔硅质隔热材料制备，非金属矿，2007,30（4）：20-23”提供了一种采用溶胶凝胶工艺，以水玻璃制备的硅酸凝胶为基本原料，掺入硅灰、漂珠、硅酸铝纤维和钛白粉，制备了纳米孔硅质隔热材料。文章名“SiO2纳米多孔绝热材料的制备与绝热性能研究，硅酸盐学报，2009，,3（10）：1740-1743”提供了一种以纳米SiO2粉末为主要原料，添加红外遮光剂和无碱超细玻璃纤维，采用干压法成型成功制备了密度小、导热系数低的SiO2纳米多孔绝热材料。但其不含SiO2微米粉，且添加遮光剂。
以上专利公开、文献都无法得到SiO2纳米/微米复合低维隔热材料，且目前尚没有检索到任何关于SiO2纳米/微米复合低维隔热材料方面的公知技术。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术中所存在的不足之处而言之的一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料及制备方法。本发明的纳米SiO2复合低维隔热材料是由零维的纳米/微米SiO2颗粒、一维的纤维所构成的低维隔热材料，颗粒之间是无烧结的点接触，这些无烧结的点接触构成热阻；颗粒与颗粒之间形成了大量的微孔，微孔尺寸越小，空内气体的对流传热越小，降低了热传递，添加硅酸铝耐火纤维增强，且不需要添加遮光剂，制备出一种具有耐高温、低热导率、低成本等特点，可以在1000℃以下使用的新型低维隔热材料，并且制备方法简单，利于工业化生产。
    本发明的技术方案可通过以下技术措施来实现：
本发明的SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料以零维的SiO2纳米粉和SiO2微米粉为主要原料，以一维的硅酸铝纤维为增强骨架制备而成；其组份按重量份数比计为：SiO2纳米粉 20-80%，SiO2微米粉10-50%，硅酸铝纤维10-30%。
本发明的所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米。
本发明的所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
本发明的SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料的制备方法包括下述步骤：
a、将经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在5000-20000转/分钟的转速下搅拌30-600秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入SiO2纳米粉和SiO2微米粉，在5000-20000转/分钟的转速下搅拌30-600秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在0.3-5MPa成型压力下干压成型。
本发明的有益效果如下：
由于本发明以零维的SiO2纳米粉和SiO2微米粉为主要原料，以一维的硅酸铝纤维为增强骨架，通过高速搅拌切碎纤维使纳米、微米颗粒和纤维分散均匀，采用干压成型工艺制备而成SiO2纳米/微米复合低维隔热材料。这就使得本发明相比现有技术具有如下优点：
1、隔热性能优异：SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料具有耐高温、低热导率等特点，其800℃热导率为0.035-0.050W/mK；其密度为200-500Kg/m3；
2、SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料可以在1000℃以下使用；
3、SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料的制备方法简单、成本低，应用范围广。
 
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步说明，但不限制本发明。
实施例1
按重量份数比取SiO2纳米粉80份，SiO2微粉10份，硅酸铝纤维10份，备用；所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米；所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
a、将10份经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在10000转/分钟转速下搅拌120秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入80份SiO2纳米粉和10份SiO2微米粉，在10000转/分钟转速下搅拌180秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在2MPa成型压力下干压成型。
本实施例所得到的材料800℃的热导率为0.038 W/m.k；体积密度为310Kg/m3。
实施例2
按重量份数比取SiO2纳米粉50份，SiO2微粉40份，硅酸铝纤维10份，备用；所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米；所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
a、将10份经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在20000转/分钟转速下搅拌100秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入50份SiO2纳米粉和40份SiO2微米粉，在15000转/分钟转速下搅拌240秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在1MPa成型压力下干压成型。
本实施例所得到的材料800℃的热导率为0.044 W/m.k；体积密度为300Kg/m3。
实施例3
按重量份数比取SiO2纳米粉30份，SiO2微粉45份，硅酸铝纤维25份，备用；所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米；所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
a、将25份经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在20000转/分钟转速下搅拌400秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入30份SiO2纳米粉和45份SiO2微米粉，在5000转/分钟转速下搅拌480秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在0.5MPa成型压力下干压成型。
本实施例所得到的材料800℃的热导率为0.047 W/m.k，体积密度为330Kg/m3。
实施例4
按重量份数比取SiO2纳米粉40份，SiO2微粉40份，硅酸铝纤维20份，备用；所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米；所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
a、将20份经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在20000转/分钟转速下搅拌120秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入40份SiO2纳米粉和40份SiO2微米粉，在20000转/分钟转速下搅拌60秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在4MPa成型压力下干压成型。
本实施例所得到的材料800℃的热导率为0.046 W/m.k；体积密度300Kg/m3。
实施例5
按重量份数比取SiO2纳米粉70份，SiO2微粉15份，硅酸铝纤维15份，备用；所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米；所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
a、将15份经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在15000转/分钟转速下搅拌300秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入70份SiO2纳米粉和15份SiO2微米粉，在8000转/分钟转速下搅拌500秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在3MPa成型压力下干压成型。
本实施例所得到的材料800℃的热导率为0.042 W/m.k；体积密度为320Kg/m3
实施例6
按重量份数比取SiO2纳米粉50份，SiO2微粉35份，硅酸铝纤维15份，备用；所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米；所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
a、将15份经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在15000转/分钟转速下搅拌400秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入50份SiO2纳米粉和35份SiO2微米粉，在12000转/分钟转速下搅拌1500秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在2MPa成型压力下干压成型。
本实施例所得材料800℃的热导率为0.043 W/m.k；体积密度为340Kg/m3。

Claims (4)

1.一种SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料，其特征在于：所述材料以零维的SiO2纳米粉和SiO2微米粉为主要原料，以一维的硅酸铝纤维为增强骨架制备而成；其组份按重量份数比计为：SiO2纳米粉 20-80%，SiO2微米粉10-50%，硅酸铝纤维10-30%。
2.根据权利要求1所述的SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料，其特征在于：所述的SiO2纳米粉为无定形SiO2纳米粉，粒径为10-100纳米；所述的SiO2微米粉为无定形SiO2微米粉，粒径为0.2-5微米。
3.根据权利要求1所述的SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料，其特征在于：所述的硅酸铝纤维为直径1-10微米，长度为为1-20微米。
4.一种用于制备权利要求1所述SiO2纳米/微米粉复合低维隔热材料的制备方法，其特征在于：它包括下述步骤：
a、将经过除渣处理的硅酸铝纤维放置于搅拌器内，在5000-20000转/分钟的转速下搅拌30-600秒实现切短，备用；
b、在步骤a所得到的纤维中加入SiO2纳米粉和SiO2微米粉，在5000-20000转/分钟的转速下搅拌30-600秒后，备用； 
c、将步骤b所得到的物料装入模具内，在0.3-5MPa成型压力下干压成型。
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