CN102603348A - 一种纳米孔绝热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米孔绝热材料，同时还涉及该绝热材料的制备方法，属于绝热材料领域。一种纳米孔绝热材料，主要由以下质量百分比的组分制备而成：气相二氧化硅40～90％、超细轻质粉体0～50％、增强纤维5～25％、添加助剂2～10％。本发明的纳米孔绝热材料制备工艺为干法，主要包括配料、混合、均料、成型、包装、干燥等步骤。本发明的纳米孔绝热材料应用广泛，导热系数低，尤其是高温领域，具有相比于其它材料更稳定的热力学性能，本发明提供的纳米孔绝热材料的制备方法，通过控制成型密度，所得成品板内形成大量纳米级孔隙，获得最佳的保温性能，从工艺上讲，比传统制备方法更为简洁，提高了生产效率，节约制备成本。

Description

一种纳米孔绝热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米孔绝热材料，同时还涉及该绝热材料的制备方法，属于绝热材料领域。

背景技术

在1992年，美国人Hunt A J等在国际材料工程大会上就提出了超级绝热(Super insulation)材料的概念。认为超级绝热材料是指在特定的使用条件下，其导热系数低于“静止空气”导热系数的绝热材料，此类材料应具有大量的纳米孔隙，亦被称为纳米孔超级绝热材料。材料孔隙一般小于100nm，且85％以上的孔隙小于50nm，可以更强的表现出材料的纳米效应。空气中的氧气、氮气分子平均自由程大约为70nm，所以当孔隙小于该自由程时，空气分子可以被视为“静止”，有效的消除了气体的对流传热。

超级绝热材料拥有广泛的应用领域：(1)太阳能热水器。在民用领域，太阳能热水器及其他集热装置的高效保温成了能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键因素。将纳米孔超级绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器，将比现有太阳能热水器的集热效率提高1倍以上，而热损失下降到现有水平的30％以下。(2)热电池。可延长热电池的工作寿命，防止生成的热影响热电池周围的元器件。(3)军事及航天领域。与传统绝热材料相比，超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势。如果用作航空发动机的隔热材料，既起到了极好的隔热作用，又减轻了发动机的重量。作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有很好的应用前景。(4)工业及建筑绝热领域。在工业及民用领域纳米孔超级绝热材料有着广泛和极具潜力的应用价值。在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其他工业领域，热工设备普遍存在。工业节能中，纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用，其中有些特殊的部位和环境，由于受重量、体积或空间的限制，急需高效的超级绝热材料。

目前超级绝热材料研究对象主要为二氧化硅气凝胶复合材料，其制备工艺为湿法，制备相对复杂，加工周期长，且制备过程中涉及到使用大量的有机溶剂和多次的水洗处理，后续的干燥过程能耗大，整个过程对环境污染严重，同时导致制造成本过高，规模化生产受限。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术中存在的不足，提供一种纳米孔绝热材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种纳米孔绝热材料，主要由以下质量百分比的组分制备而成：气相二氧化硅40～90％、超细轻质粉体0～50％、增强纤维5～25％、添加助剂2～10％。

所述的超细轻质粉体选自气凝胶、沉淀二氧化硅、微硅粉、膨胀珍珠岩粉、蛭石粉、高岭土、蒙脱土、海泡石、硅藻土中的一种或几种以任意比例组成的混合物。

所述的增强纤维选自陶瓷纤维、短切玻璃纤维、矿物纤维等无机纤维或棉纤维、植物纤维、聚丙烯纤维等有机类纤维中的一种或几种以任意比例组成的混合物。

所述的添加助剂选自二氧化钛、炭黑、石墨、碳化硅中的一种。

增强纤维主要为增强作用，增强纤维的加入起到固定粉体作用，能有效的提高成型效果，提高制品的抗压、抗折性能，能够提高材料对热的稳定性

本发明的另一个目的是提供一种纳米孔绝热材料的制备方法，该制备工艺为干法，主要包括配料、混合、均料、成型、包装、干燥：具体步骤描述如下：

(1)将所需材料按照比例称取后，投入到混合设备中，充分分散约2～5min，得到均匀的混合物料，

(2)根据具体要求，将定量的混合物料加入到一定规格的模具中，再经过振动，结合推板工具将混合物料均平，对物料缓慢加压，加压速度50～600mm/min，至1～12MPa，并保压0.5～5s；

(3)脱模后，得到的板材如需要变动规格尺寸可对其进行切割、钻孔处理，再以无纺布、热收缩膜、或耐高温玻纤布等对其进行包装处理，防止粉体纤维等散落；

(4)将包装好的产品，放入温度为80～200℃烘箱干燥1～5h后得到成品。

本发明的纳米孔绝热材料应用广泛，导热系数低，常温下导热系数约0.015W/(m·K)，形状可控，能适用于不同温度条件下(一般-60～1200℃)，尤其是高温领域，具有相比于其它材料更稳定的热力学性能，其制备方法操作简单，加工能耗低，周期短，可连续大规模生产；可以控制不同的原材料配比，得到具有不同初始导热系数、不同耐温范围的产品；选择不同的成型模具和压力设备可得到不同规格，不同形状的成品。

本发明提供一种干法制备纳米孔绝热材料的方法，通过控制成型密度，所得成品板内形成大量纳米级孔隙，获得最佳的保温性能。从工艺上讲，比传统制备方法更为简洁，提高了生产效率，节约制备成本，可视为绿色制备工艺；在产品性能上，因为其制备过程无溶剂，有效的克服了纳米粒子间的团聚，可以获得更好的保温效果，同时成型过程无有机/无机粘结剂成分加入，在高温使用条件下无有害成分释放，整个使用过程亦是绿色环保。

附图说明

图1是本发明的纳米孔绝热材料与传统无机纤维保温板在不同温度条件下导热系数的变化曲线图。

具体实施方式

实施例1一种纳米孔绝热材料，由15Kg气相二氧化硅，1.88Kg陶瓷纤维，0.54Kg棉纤维、1.63Kg炭黑制备而成，具体制备步骤如下描述：

(1)按上述质量配比称取各组分原料，加入到LDH犁型飞刀混合机中，搅拌2min后，得到均匀的混合物料；

(2)称取1Kg上述混合物料，投入到规格为400×600×50mm的模具中，简单振动后，以推板将混合物料推平；对混合物料以300mm/min的速度施加压力，当压力达到4MPa时，停止加压并保持压力1s；

(3)脱掉模具后，用规格为750×820mm的玻纤布包裹整齐，放入温度为150℃的烘烤箱内，烘烤2h，得到成品板规格。

实施例2一种纳米孔绝热材料，由10Kg气相二氧化硅，1Kg微硅粉，1Kg高岭土，1Kg膨胀珍珠岩粉，1Kg陶瓷纤维，0.5Kg短切玻璃纤维，0.8Kg碳化硅制备而成，具体制备步骤如下描述：

(1)按上述质量配比称取各组分原料，加入到LDH犁型飞刀混合机中，搅拌3min后，得到均匀的混合物料；

(2)称取0.4Kg上述混合物料，投入到规格为400×600×50mm的模具中，简单振动后，以推板将混合物料推平，物料流动性极好，会均匀充实到模具中；对混合物料以500mm/min的速度施加压力，当压力达到9MPa时，停止加压并保持压力5s；

(3)脱掉模具后，用规格为210×415的无纺布袋包裹，对袋进行锁边封口，封口宽度为5mm，放入温度为180℃的烘烤箱内，烘烤4h，得到成品板。

实施例3一种纳米孔绝热材料，由18Kg气相二氧化硅，1Kg海泡石，2Kg沉淀二氧化硅，1.5Kg陶瓷纤维，1Kg聚丙烯纤维，1Kg二氧化钛制备而成，具体制备步骤如下描述：

(1)按上述质量配比称取各组分原料，加入到LDH犁型飞刀混合机中，搅拌5min后，得到均匀的混合物料；

(2)称取1.5Kg上述混合物料，投入到规格为400×600×50mm的模具中，简单振动后，以推板将混合物料推平，物料流动性极好，会均匀充实到模具中；对混合物料以350mm/min的速度施加压力，当压力达到5MPa时，停止加压并保持压力2s；

(3)脱掉模具后，用规格为210×415的热收缩膜包裹，放入温度为100℃的烘烤箱内，烘烤1.5h，得到成品板。

对本发明的纳米孔绝热材料的密度、抗压强度、导热系数等性能进行测试，选用普通的气凝胶板和岩棉板作为对照，具体测试指标如下表所示(表1)：

表1本发明的纳米孔绝热材料的性能测试结果

本发明的纳米孔绝热材料应用在高温领域，其导热系数随着温度的变化呈现一定的规律；在不同温度条件下，本发明的纳米孔绝热材料导热系数保持在一个稳定的范围内，而传统材料无机纤维板，随着使用温度升高，导热系数变化非常大(见图1)。

Claims (7)

1.一种纳米孔绝热材料，其特征在于：主要由以下质量百分比的组分制备而成：气相二氧化硅40～90％、超细轻质粉体0～50％、增强纤维5～25％、添加助剂2～10％。

2.根据权利要求1所述的纳米孔绝热材料，其特征在于：所述的超细轻质粉体选自气凝胶、沉淀二氧化硅、微硅粉、膨胀珍珠岩粉、蛭石粉、高岭土、蒙脱土、海泡石、硅藻土中的一种或几种以任意比例组成的混合物。

3.根据权利要求1所述的纳米孔绝热材料，其特征在于：所述的增强纤维选自无机纤维或有机类纤维中的一种或几种以任意比例组成的混合物。

4.根据权利要求3所述的纳米孔绝热材料，其特征在于：所述的无机纤维选自陶瓷纤维、短切玻璃纤维、矿物纤维。

5.根据权利要求3所述的纳米孔绝热材料，其特征在于：所述的有机纤维选自棉纤维、植物纤维、聚丙烯纤维。

6.根据权利要求1所述的纳米孔绝热材料，其特征在于：所述的添加助剂选自二氧化钛、炭黑、石墨、碳化硅中的一种。

7.一种如权利要求1所述的纳米孔绝热材料的制备方法，该制备工艺为干法，主要包括配料、混合、均料、成型、包装、干燥，具体步骤如下所述：

(1)将所需材料按照质量配比称取后，投入到混合设备中，充分分散约2～5min，得到均匀的混合物料；

(2)根据具体要求，将定量的混合物料加入到一定规格的模具中，再经过振动，结合推板工具将混合物料均平，对物料缓慢加压，加压速度50～600mm/min，至1～12MPa，并保压0.5～5s；

(3)脱模后，得到的板材如需要变动规格尺寸可对其进行切割、钻孔处理，再以无纺布、热收缩膜、或耐高温玻纤布等对其进行包装处理，防止粉体纤维等散落；

(4)将包装好的产品，放入温度为80～200℃烘箱干燥1～5h后得到成品。

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