CN102464468B

CN102464468B - 纳米复合绝热材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102464468B
Application number: CN 201010532593
Authority: CN
Inventors: 陈林; 陈小川; 田兴友; 姜寅; 张教均; 李顺忠; 阚志鹏; 郑康; 胡坤
Original assignee: CHUZHOU YINXING ELECTRIC CO LTD; Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: CHUZHOU YINXING ELECTRIC CO LTD; Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2010-10-30
Filing date: 2010-10-30
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-10-30
Also published as: CN102464468A

Abstract

本发明公开了一种纳米复合绝热材料及其制备方法。材料由改性纳米氧化硅、有机纤维、辐射阻隔剂和粘合剂按照重量百分比为80～95％∶4.85～14％∶0.1～5％∶0.05～1％的比例组成，其中，改性纳米氧化硅为纳米氧化硅的表面包裹有作为改性剂的乙基三乙氧基硅烷或苯基三乙氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷，粘合剂为聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯或聚乙烯基吡咯烷酮；方法为先将改性剂溶于乙醇水溶液，再将其喷洒至纳米氧化硅上并搅拌均匀后干燥，得到改性纳米氧化硅，之后，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂混合均匀，再向其中喷洒粘合剂并混合均匀得到复合料，最后，将复合料模压后干燥，制得纳米复合绝热材料。它的常温导热系数低于0.02W/m.K，当制备真空绝热板时仅为0.005～0.004W/m.K。

Description

纳米复合绝热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种绝热材料及制备方法，尤其是一种纳米复合绝热材料及其制备方法。

背景技术

绝热材料是一种可广泛地用于各种领域的隔热保温材料，人们为了不断地提高其绝热性能，作出了不懈的努力，如在2010年6月16日公开的中国发明专利申请公布说明书CN 101734903A中披露的一种“纳米二氧化硅绝热材料及其制备方法”。其中的纳米二氧化硅绝热材料由重量百分比为60～100％的纳米二氧化硅粉体、0～35％的增强纤维和0～30％的红外遮光剂组成；制备方法为将上述重量百分比的纳米二氧化硅粉体、增强纤维和红外遮光剂混合后放入封闭式搅拌器中，采用干法高速搅拌来得到分散均匀的混合物，以制成不定型绝热材料，或者通过模压方式制成成型制品绝热材料。但是，无论是绝热材料，还是其制备方法，均存在着不足之处，首先，绝热材料的常温导热系数虽小于等于0.026W/m.K，然其仍偏高，尤为将其作为填充芯材与真空保护表层复合成真空绝热板时，难以满足其对绝热的要求；其次，绝热材料的容重为150～500kg/m³，也略重了点，不利于用于对重量要求较高的场合；再次，制备方法不能制得常温导热系数更低的绝热材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种常温导热系数更低的纳米复合绝热材料。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述纳米复合绝热材料的制备方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：纳米复合绝热材料包括二氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂，特别是，

所述纳米复合绝热材料还包括粘合剂，所述粘合剂为聚乙烯醇(PVA)，或聚醋酸乙烯酯(PVAc)，或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)；

所述二氧化硅为改性纳米氧化硅，所述改性纳米氧化硅为纳米氧化硅的表面包裹有改性剂，所述改性剂为乙基三乙氧基硅烷，或苯基三乙氧基硅烷，或甲基三乙氧基硅烷；

所述纳米复合绝热材料由改性纳米氧化硅、有机纤维、辐射阻隔剂和粘合剂按照重量百分比为80～95％∶4.85～14％∶0.1～5％∶0.05～1％的比例组成。

作为纳米复合绝热材料的进一步改进，所述的纳米氧化硅为纳米氧化硅气凝胶，或多孔纳米二氧化硅，或沉积纳米二氧化硅，其粒径为5～50nm、比表面积为≥200m²/g；所述的有机纤维为聚酯纤维，或聚乙烯醇纤维，或聚丙烯纤维，其直径为5～20μm、长度为0.1～1cm；所述的辐射阻隔剂为纳米碳化硅，或纳米氮化硅，或纳米氮化钛，其形貌为颗粒状，粒径为5～50nm。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述纳米复合绝热材料的制备方法包括物理混合法，特别是完成步骤如下：

步骤1，先按照重量百分比为0.1～5％∶95～99.9％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中，得到改性溶液，再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.001～0.01∶1，接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于55～65℃下干燥5～10h，得到改性纳米氧化硅；

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂混合均匀，得到混合料，再向混合料中喷洒浓度为0.1～5wt％的粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液并混合均匀，得到复合料；

步骤3，先将复合料置于模具中模压，模压的压力为使复合料的体积密度≤0.14g/cm³，得到中间产物，再将中间产物依次置于65～75℃下干燥至少5h，压力为50～100Pa、温度为65～75℃下干燥至少2h，制得纳米复合绝热材料。

作为纳米复合绝热材料的制备方法的进一步改进，所述的乙醇水溶液的体积浓度为≥90％；所述的喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒；所述的将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂混合均匀为将其置于混合机中，于转速为200～4000r/min下，混合10～60min；所述的喷洒粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液为使用雾化器将粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液雾化后喷洒；所述的向混合料中喷洒浓度为0.1～5wt％的粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为50～200r/min下，混合5～10min；所述的将中间产物置于65～75℃下干燥的时间为5～24h，置于压力为50～100Pa、温度为65～75℃下干燥的时间为2～5h。

相对于现有技术的有益效果是，其一，经分别按国标GB/T10699对制得的产物的常温导热系数和容重进行表征，由其结果可知，产物的常温导热系数为低于0.020W/m.K，比现有技术的0.026W/m.K要低。当将其用来制备真空绝热板时，真空绝热板的常温导热系数仅为0.005～0.004W/m.K，即产物在低真空度下具有优良的隔热效果。产物的体积密度低于0.14g/cm³，即容重为≤140kg/m³，这也低于现有技术的150～500kg/m³，其容重的减轻是由于其基本结构为纳米空隙的疏松结构，这种结构延缓了因真空度的变化而引起的真空隔热性能的退化，带来了延长真空绝热板使用寿命的效果。其二，制备方法科学、有效，通过对纳米氧化硅的改性和增加粘合剂，既使产物的常温导热系数更低，又使产物的容重降低了，还使产物在降低了容重的前提下提高了抗压强度，从而使产物的应用范围和使用场合均得到了拓展和扩大。

作为有益效果的进一步体现，一是纳米氧化硅优选为其粒径为5～50nm、比表面积为≥200m²/g的纳米氧化硅气凝胶，或多孔纳米二氧化硅，或沉积纳米二氧化硅，有机纤维优选为其直径为5～20μm、长度为0.1～1cm的聚酯纤维，或聚乙烯醇纤维，或聚丙烯纤维，辐射阻隔剂优选为其形貌为颗粒状，粒径为5～50nm的纳米碳化硅，或纳米氮化硅，或纳米氮化钛，不仅使得原料的来源较为丰富，还使制备工艺更易实施且灵活；二是乙醇水溶液的体积浓度优选为≥90％，便于改性剂的充分溶解；三是喷洒改性溶液优选为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒，喷洒粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液优选为使用雾化器将粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液雾化后喷洒，利于改性溶液或粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液的均匀喷洒；四是将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂混合均匀优选为将其置于混合机中，于转速为200～4000r/min下，混合10～60min，向混合料中喷洒浓度为0.1～5wt％的粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液后混合均匀优选为将其置于混合机中，于转速为50～200r/min下，混合5～10min，均利于对混合物的混合均匀；五是将中间产物置于65～75℃下干燥的时间优选为5～24h，置于压力为50～100Pa、温度为65～75℃下干燥的时间优选为2～5h，均利于充分地去除产物中的水分，确保了产物的品质。

具体实施方式

首先从市场购得或用常规方法制得：

作为改性剂的乙基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷；作为其粒径为5～50nm、比表面积为≥200m²/g的纳米氧化硅的纳米氧化硅气凝胶、多孔纳米二氧化硅和沉积纳米二氧化硅；作为其直径为5～20μm、长度为0.1～1cm的有机纤维的聚酯纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维；作为其形貌为颗粒状、粒径为5～50nm的辐射阻隔剂的纳米碳化硅、纳米氮化硅和纳米氮化钛；作为粘合剂的聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯和聚乙烯基吡咯烷酮。

接着，

实施例1

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照重量百分比为0.1％∶99.9％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中；其中，改性剂为乙基三乙氧基硅烷，乙醇水溶液的体积浓度为90％，得到改性溶液。再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.001∶1，纳米氧化硅为沉积纳米二氧化硅，喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒。接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于55℃下干燥10h，得到改性纳米氧化硅。

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂按照重量百分比为80％∶14％∶5％的比例置于混合机中，其中，有机纤维为聚酯纤维，辐射阻隔剂为纳米碳化硅，于转速为200r/min下，混合60min，得到混合均匀的混合料。再向混合料中喷洒浓度为0.1wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)并混合均匀；其中，粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)中的粘合剂与混合料中的改性纳米氧化硅之间的重量百分比为1％∶80％，粘合剂为聚乙烯醇，喷洒粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)为使用雾化器将粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)雾化后喷洒，向混合料中喷洒浓度为0.1wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为50r/min下，混合10min，得到复合料。

步骤3，先将复合料置于模具中模压，模压的压力为使复合料的体积密度为0.12g/cm³，得到中间产物。再将中间产物依次置于65℃下干燥24h，压力为50Pa、温度为65℃下干燥为5h，制得纳米复合绝热材料。

实施例2

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照重量百分比为1％∶99％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中；其中，改性剂为乙基三乙氧基硅烷，乙醇水溶液的体积浓度为90.5％，得到改性溶液。再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.003∶1，纳米氧化硅为沉积纳米二氧化硅，喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒。接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于58℃下干燥9h，得到改性纳米氧化硅。

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂按照重量百分比为83％∶12％∶3.5％的比例置于混合机中，其中，有机纤维为聚酯纤维，辐射阻隔剂为纳米碳化硅，于转速为900r/min下，混合50min，得到混合均匀的混合料。再向混合料中喷洒浓度为1wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)并混合均匀；其中，粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)中的粘合剂与混合料中的改性纳米氧化硅之间的重量百分比为0.6％∶83％，粘合剂为聚乙烯醇，喷洒粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)为使用雾化器将粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)雾化后喷洒，向混合料中喷洒浓度为1wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为90r/min下，混合9min，得到复合料。

步骤3，先将复合料置于模具中模压，模压的压力为使复合料的体积密度为0.125g/cm³，得到中间产物。再将中间产物依次置于68℃下干燥20h，压力为58Pa、温度为68℃下干燥为4h，制得纳米复合绝热材料。

实施例3

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照重量百分比为2％∶98％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中；其中，改性剂为乙基三乙氧基硅烷，乙醇水溶液的体积浓度为91％，得到改性溶液。再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.005∶1，纳米氧化硅为沉积纳米二氧化硅，喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒。接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于60℃下干燥7.5h，得到改性纳米氧化硅。

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂按照重量百分比为87％∶10％∶2％的比例置于混合机中，其中，有机纤维为聚酯纤维，辐射阻隔剂为纳米碳化硅，于转速为2000r/min下，混合35min，得到混合均匀的混合料。再向混合料中喷洒浓度为2wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)并混合均匀；其中，粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)中的粘合剂与混合料中的改性纳米氧化硅之间的重量百分比为0.1％∶87％，粘合剂为聚乙烯醇，喷洒粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)为使用雾化器将粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)雾化后喷洒，向混合料中喷洒浓度为2wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为130r/min下，混合7.5min，得到复合料。

步骤3，先将复合料置于模具中模压，模压的压力为使复合料的体积密度为0.13g/cm³，得到中间产物。再将中间产物依次置于70℃下干燥15h，压力为75Pa、温度为70℃下干燥为3h，制得纳米复合绝热材料。

实施例4

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照重量百分比为3.5％∶96.5％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中；其中，改性剂为乙基三乙氧基硅烷，乙醇水溶液的体积浓度为91.5％，得到改性溶液。再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.008∶1，纳米氧化硅为沉积纳米二氧化硅，喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒。接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于63℃下干燥6h，得到改性纳米氧化硅。

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂按照重量百分比为91％∶7％∶1％的比例置于混合机中，其中，有机纤维为聚酯纤维，辐射阻隔剂为纳米碳化硅，于转速为3000r/min下，混合25min，得到混合均匀的混合料。再向混合料中喷洒浓度为3.5wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)并混合均匀；其中，粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)中的粘合剂与混合料中的改性纳米氧化硅之间的重量百分比为0.08％∶91％，粘合剂为聚乙烯醇，喷洒粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)为使用雾化器将粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)雾化后喷洒，向混合料中喷洒浓度为3.5wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为170r/min下，混合6min，得到复合料。

步骤3，先将复合料置于模具中模压，模压的压力为使复合料的体积密度为0.135g/cm³，得到中间产物。再将中间产物依次置于73℃下干燥10h，压力为83Pa、温度为73℃下干燥为3h，制得纳米复合绝热材料。

实施例5

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照重量百分比为5％∶95％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中；其中，改性剂为乙基三乙氧基硅烷，乙醇水溶液的体积浓度为92％，得到改性溶液。再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.01∶1，纳米氧化硅为沉积纳米二氧化硅，喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒。接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于65℃下干燥5h，得到改性纳米氧化硅。

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂按照重量百分比为95％∶4.85％∶0.1％的比例置于混合机中，其中，有机纤维为聚酯纤维，辐射阻隔剂为纳米碳化硅，于转速为4000r/min下，混合10min，得到混合均匀的混合料。再向混合料中喷洒浓度为5wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)并混合均匀；其中，粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)中的粘合剂与混合料中的改性纳米氧化硅之间的重量百分比为0.05％∶95％，粘合剂为聚乙烯醇，喷洒粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)为使用雾化器将粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)雾化后喷洒，向混合料中喷洒浓度为5wt％的粘合剂水溶液(或粘合剂乙醇溶液)后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为200r/min下，混合5min，得到复合料。

步骤3，先将复合料置于模具中模压，模压的压力为使复合料的体积密度为0.14g/cm³，得到中间产物。再将中间产物依次置于75℃下干燥5h，压力为100Pa、温度为75℃下干燥为2h，制得纳米复合绝热材料。

再分别选用作为改性剂的乙基三乙氧基硅烷，或苯基三乙氧基硅烷，或甲基三乙氧基硅烷；作为纳米氧化硅的纳米氧化硅气凝胶，或多孔纳米二氧化硅，或沉积纳米二氧化硅；作为有机纤维的聚酯纤维，或聚乙烯醇纤维，或聚丙烯纤维；作为辐射阻隔剂的纳米碳化硅，或纳米氮化硅，或纳米氮化钛；作为粘合剂的聚乙烯醇，或聚醋酸乙烯酯，或聚乙烯基吡咯烷酮，重复上述实施例1～5，同样制得了纳米复合绝热材料。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的纳米复合绝热材料及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种纳米复合绝热材料的制备方法，包括物理混合法，其特征在于完成步骤如下：

步骤1，先按照重量百分比为0.1～5％∶95～99.9％的比例，将改性剂溶于乙醇水溶液中，其中，改性剂为乙基三乙氧基硅烷，或苯基三乙氧基硅烷，或甲基三乙氧基硅烷，得到改性溶液，再将改性溶液喷洒至纳米氧化硅之上并搅拌均匀，其中，改性溶液中的改性剂与纳米氧化硅之间的重量比为0.001～0.01∶1，纳米氧化硅为纳米氧化硅气凝胶，或多孔纳米二氧化硅，或沉积纳米二氧化硅，接着，将表面包裹有改性剂的纳米氧化硅置于55～65℃下干燥5～10h，得到改性纳米氧化硅；

步骤2，先将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂按照重量百分比为80～95％∶4.85～14％∶0.1～5％的比例混合均匀，其中，有机纤维为聚酯纤维，或聚乙烯醇纤维，或聚丙烯纤维，辐射阻隔剂为纳米碳化硅，或纳米氮化硅，或纳米氮化钛，得到混合料，再向混合料中喷洒浓度为0.1～5wt％的粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液并混合均匀，其中，粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液中的粘合剂与混合料中的改性纳米氧化硅之间的重量百分比为0.05～1％∶80～95％，粘合剂为聚乙烯醇，或聚醋酸乙烯酯，或聚乙烯基吡咯烷酮，得到复合料；

2.根据权利要求1所述的纳米复合绝热材料的制备方法，其特征是喷洒改性溶液为使用雾化器将改性溶液雾化后喷洒。

3.根据权利要求1所述的纳米复合绝热材料的制备方法，其特征是将改性纳米氧化硅、有机纤维和辐射阻隔剂混合均匀为将其置于混合机中，于转速为200～4000r/min下，混合10～60min。

4.根据权利要求1所述的纳米复合绝热材料的制备方法，其特征是喷洒粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液为使用雾化器将粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液雾化后喷洒。

5.根据权利要求1所述的纳米复合绝热材料的制备方法，其特征是向混合料中喷洒浓度为0.1～5wt％的粘合剂水溶液或粘合剂乙醇溶液后混合均匀为将其置于混合机中，于转速为50～200r/min下，混合5～10min。

6.根据权利要求1所述的纳米复合绝热材料的制备方法，其特征是将中间产物置于65～75℃下干燥的时间为5～24h；置于压力为50～100Pa、温度为65～75℃下干燥的时间为2～5h。