CN102603349A

CN102603349A - 一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102603349A
Application number: CN2012100810194A
Authority: CN
Inventors: 赵雷; 王俊杰; 李淑静; 李远兵; 雷中兴
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。其技术方案是：先将55~75wt%的硅灰、10~30wt%的红外遮蔽剂、10~25wt%的玻璃纤维和5~10wt%的结合剂在室温条件下混合2~6h，再压制成型，然后以1~5℃/min的升温速率升温至200~600℃，保温2~4h，即得纳米孔超级绝热材料。本发明所制备的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.4~0.7g/cm³，平均孔径为50~70nm，导热系数在300℃时为0.035~0.06W/m·K，500℃时为0.05~0.08W/m·K，900℃时为0.07~0.09W/m·K；抗折强度为1.20~1.85MPa；耐压强度为1.25~1.95MPa。因此，本发明具有体积密度小、气孔分布均匀、力学性能好和导热系数低的特点。

Description

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔隔热保温材料技术领域，具体涉及一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。

技术背景

隔热材料主要有三大应用领域：传统的工业低温热工设备、交通工具、家用电器等设施的隔热保温；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。

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。这些材料因为都是固体材料，体积密度一般较高，且很多气孔通常是贯通的或开口的气孔，气孔分布也不均匀，一般具有较大的尺寸（1～100μm），使其无法阻止气体热传导，而且也无法阻挡热辐射。

目前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和超级绝热材料等。

迄今为止，国内外报道的纳米孔超级绝热材料均是以SiO₂ 气凝胶为主的超级绝热材料，SiO₂气凝胶因其具有纤细的三维网络结构，是一种良好的纳米孔载体，但以SiO₂气凝胶直接取代传统的隔热材料除了制备工艺复杂等原因以外，还存在一定的困难，主要有两个方面的原因：其一，SiO₂气凝胶低密度、高孔隙率的特点导致力学性能急剧下降，气凝胶强度低、脆性大。虽然Woignier等认为通过提高气凝胶密度、高温热处理以及增强颗粒骨架结构等方法可改善气凝胶的强度，但仍难以满足实际应用的要求；其二，气凝胶在高温下对波长为3~8μm的近红外热辐射具有较强的透过性，高温阶段遮挡红外辐射能力差，致使气凝胶热导率随温度的升高显著上升。正是以上这两个方面限制了SiO₂气凝胶在隔热领域的应用。虽然有些方法制备的气凝胶复合材料的隔热性能和力学性能较好，但还存在两者协调性的问题。有些气凝胶材料引入遮光剂降低了气凝胶材料的热导率，但材料的力学性能没有得到改善；有些气凝胶材料通过添加增强体使材料的力学性能提高，但是由于纤维本身较高的热导率增加了材料的固相热传导致材料的隔热效果降低。

发明内容

本发明旨在克服上述缺陷，目的是提供一种体积密度小、气孔分布均匀、力学性能好和导热系数低的纳米孔超级绝热材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先将55~75wt%的硅灰、10~30wt%的红外遮蔽剂、10~25wt%的玻璃纤维和5~10wt%的结合剂在室温条件下混合2~6h，再压制成型，然后以1~5℃/min的升温速率升温至200~600℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

在上述技术方案中：硅灰中SiO₂含量≥95wt%，硅灰的粒径为0.1~0.3μm；红外遮蔽剂为金红石型TiO₂纳米粉、ZrSiO₄细粉和SiC细粉中的一种，其中，TiO₂纳米粉的粒径为80~120nm，ZrSiO₄细粉和SiC细粉的粒径≤80μm；玻璃纤维为经过硫酸或盐酸或氢氟酸处理所形成的分散状玻璃纤维，长度为3~12mm；结合剂为糊精、木质素、纤维素、六偏磷酸钠中的一种；压制成型的压力为1.8~2.6MPa。

由于采用上述技术方案，本发明以SiO₂含量≥95wt% 的硅灰为主要原料，硅灰本身含有大量的微纳米气孔可以原位形成均匀的孔隙；所采用的红外遮蔽剂可以通过散射作用有效阻隔热辐射传热，所采用的玻璃纤维作为增强体可以提高材料的耐压、抗折强度，结合剂在材料内也可以形成大量微纳米气孔。

本发明所制备的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.4~0.7g/cm³，平均孔径为50~70nm，材料的导热系数在300℃时为0.035~0.06W/m·K，500℃时为0.05~0.08W/ m·K，900℃时为0.07~

0.09W/ m·K；抗折强度为1.20~1.85MPa；耐压强度为1.25~1.95MPa。

因此，本发明所制备的材料具有体积密度小、气孔分布均匀、力学性能好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，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式中所涉及到的有关组分的理化参数统一描述，下面各实施例中将不赘述：

硅灰中SiO₂含量≥95wt%，硅灰的粒径为0.1~0.3μm；TiO₂纳米粉的粒径为80~120nm，ZrSiO₄细粉和SiC细粉的粒径≤80μm；玻璃纤维为经过硫酸或盐酸或氢氟酸处理所形成的分散状玻璃纤维，长度为3~12mm；压制成型的压力为1.8~2.6MPa。

实施例1

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。先将55~60wt%的硅灰、20~30wt%的红外遮蔽剂、10~20wt%的玻璃纤维和5~10wt%的糊精在室温条件下混合4~6h，再压制成型，然后以1~3℃/min的升温速率升温至200~300℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

本实施例1所制得的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.4~0.55g/cm³，300℃时为0.035~0.05W/m·K；500℃时导热率为0.050~0.070W/m·K；900℃时导热率为0.07~0.08W/m·K；抗折强度为1.70~1.85MPa；耐压强度为1.75~1.95MPa。

实施例2

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。先将60~65wt%的硅灰、15~25wt%的红外遮蔽剂、10~20wt%的玻璃纤维和5~10wt%的木质素在室温条件下混合2~3h，再压制成型，然后以2~4℃/min的升温速率升温至400~500℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

本实施例2所制得的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.45~0.65g/cm³，300℃时为0.04~0.05W/m·K；500℃时导热率为0.055~0.07W/m·K；900℃时导热率为0.075~0.085W/m·K；抗折强度为1.63~1.75MPa；耐压强度为1.67~1.80MPa。

实施例3

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。先将65~70wt%的硅灰、15~20wt%的红外遮蔽剂、10~15wt%的玻璃纤维和5~10wt%的纤维素在室温条件下混合2~3h，再压制成型，然后以3~5℃/min的升温速率升温至300~400℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

本实施例3所制得的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.5~0.65g/cm³，300℃时为0.045~0.055W/m·K；500℃时导热率为0.05~0.07W/m·K；900℃时导热率为0.075~0.09W/m·K；抗折强度为1.25~1.52MPa；耐压强度为1.44~1.56MPa。

实施例4

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。先将70~75wt%的硅灰、10~15wt%的红外遮蔽剂、10~15wt%的玻璃纤维和5~10wt%的六偏磷酸钠在室温条件下混合2~4h，再压制成型，然后以2~5℃/min的升温速率升温至500~600℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

本实施例4所制得的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.55~0.70g/cm³，300℃时为0.055~0.06W/m·K；500℃时导热率为0.06~0.08W/m·K；900℃时导热率为0.075~0.09W/m·K；抗折强度为1.2~1.49MPa；耐压强度为1.25~1.46MPa。

实施例5

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。先将60~70wt%的硅灰、10~20wt%的红外遮蔽剂、15~25wt%的玻璃纤维和5~10wt%的纤维素在室温条件下混合3~5h，再压制成型，然后以3~5℃/min的升温速率升温至450~550℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

本实施例5所制得的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.50~0.55g/cm³，300℃时为0.055~0.06W/m·K；500℃时导热率为0.065~0.07W/m·K；900℃时导热率为0.075~0.09W/m·K；抗折强度为1.35~1.55MPa；耐压强度为1.38~1.56MPa。

实施例6

一种纳米孔超级绝热材料及其制备方法。先将70~75wt%的硅灰、10~15wt%的红外遮蔽剂、10~15wt%的玻璃纤维和5~10wt%的木质素在室温条件下混合3~4h，再压制成型，然后以2~4℃/min的升温速率升温至450~550℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

本实施例6所制得的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.50~0.65g/cm³，300℃时为0.055~0.06W/m·K；500℃时导热率为0.065~0.07W/m·K；900℃时导热率为0.075~0.085W/m·K；抗折强度为1.30~1.45MPa；耐压强度为1.38~1.46MPa。

本具体实施方式以SiO₂含量≥95wt% 的硅灰为主要原料，硅灰本身含有大量的微纳米气孔可以原位形成均匀的孔隙；所采用的红外遮蔽剂可以通过散射作用有效阻隔热辐射传热，所采用的玻璃纤维作为增强体可以提高材料的耐压、抗折强度，结合剂在材料内也可以形成大量微纳米气孔。

本具体实施方式所制备的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.4~0.7g/cm³，平均孔径为50~70nm，材料的导热系数在300℃时为0.035~0.06W/m·K，500℃时为0.05~0.08W/ m·K，900℃时为0.07~0.09W/ m·K；抗折强度为1.20~1.85MPa；耐压强度为1.25~1.95MPa。

因此，本具体实施方式所制备的材料具有体积密度小、气孔分布均匀、力学性能好和导热系数低的特点。

Claims

1.一种纳米孔超级绝热材料的制备方法，其特征在于先将55~75wt%的硅灰、10~30wt%的红外遮蔽剂、10~25wt%的玻璃纤维和5~10wt%的结合剂在室温条件下混合2~6h，再压制成型，然后以1~5℃/min的升温速率升温至200~600℃，保温2~4 h，即得纳米孔超级绝热材料。

2.根据权利要求1所述的纳米孔超级绝热材料的制备方法，其特征在于所述硅灰中SiO₂含量≥95wt%；硅灰粒径为0.1~0.3μm。

3.根据权利要求1所述的纳米孔超级绝热材料的制备方法，其特征在于所述红外遮蔽剂为金红石型TiO₂纳米粉、ZrSiO₄细粉和SiC细粉中的一种；其中，TiO₂纳米粉的的粒径为80~120nm，ZrSiO₄细粉和SiC细粉的粒径≤80μm。

4.根据权利要求1所述的纳米孔超级绝热材料的制备方法，其特征在于所述玻璃纤维为经过硫酸或盐酸或氢氟酸处理所形成的分散状玻璃纤维，长度为3~12mm。

5.根据权利要求1所述的纳米孔超级绝热材料的制备方法，其特征在于所述结合剂为糊精、木质素、纤维素、六偏磷酸钠中的一种。

6.根据权利要求1所述的纳米孔超级绝热材料的制备方法，其特征在于所述压制成型的压力为1.8~2.6MPa。

7.根据权利要求1~6项中任一项所述的纳米孔超级绝热材料的制备方法所制备的纳米孔超级绝热材料。