CN102775706B

CN102775706B - 空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102775706B
Application number: CN201210291048.3A
Authority: CN
Inventors: 汪海风; 杨辉; 徐意
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN102775706A

Abstract

本发明提供了一种空心微珠填充聚四氟乙烯(PTFE)隔热保温材料及其制备方法，所述隔热保温材料中空心微珠的质量分数为5~40%，其导热率≤0.2W/(m?K)，密度≤1.5g/cm³，抗压强度≥25MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。本发明还提供该隔热保温材料的制备方法，包括如下步骤：1)将按以下计算量(均为质量分数)的各组份混合并搅拌均匀：聚四氟乙烯60%~95%，空心微珠5%~40%；2)将步骤1)所得混合料在10MPa以上压强下模压成型，保压时间大于1分钟；3)将步骤2)所得成型物烧结并保温20分钟以上；4)将步骤3)所得烧结物冷却至室温得成品。本发明制备的隔热保温材料耐高低温，耐沾污，不易燃，可作为高温隔热板、输热管道、建筑工程上各类隔热保温材料等用途。

Description

空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料领域技术，具体涉及空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料。

背景技术

随着能源危机的日益加剧，人们对隔热保温材料的需求逐渐旺盛。目前工业化生产的保温隔热材料主要为有机保温材料和无机保温材料。有机保温材料主要是各种高分子的泡沫材料，如橡胶泡沫，聚乙烯泡沫，聚苯乙烯泡沫等等，这类保温材料的优点是技术成熟，规模化生产，导热系数低，保温效果好，但它们使用温度低(＜100℃)，易燃烧，消防等级低。无机保温材料又可分为硬质保温材料和软质保温材料，其中硬质保温材料如硅酸钙，泡沫玻璃等，它们易破碎，施工损耗大，而且必须预先成型，需要非常多的模具，所以成本高，使用不是很普遍，而软质保温材料主要是各种无机纤维材料制成的毡材，它们也存在缺陷，如对人造无机纤维制成的毡材，它们成分单一，仅用无机纤维，纤维间空隙较大，结构疏松，高温热空气很容易穿透保温层，形成较大范围的对流传导，导热系数大，保温效果差，而对天然无机纤维制成的毡材，它们无一例外都只能采用天然石棉纤维为主要材料，而石棉被怀疑为致癌物质，在越来越多的国家被禁用或限制使用。鉴于此，人们正在积极开发新型的隔热保温材料。

聚四氟乙烯(PTFE)俗称为“塑料王”，是一类常用的工程材料，它具有良好的化学稳定性、热稳定性、非粘附性，耐候性、低的吸湿性以及不燃烧性和良好的润滑性，同时聚四氟乙烯导热率很低，在128～182℃之间为0.25W/(m·K)，因此它有作为隔热保温材料的潜质(钱知勉，“氟树脂性能与加工应用”，化工生产与技术，2004,11(4)：1)。空心微珠是一种包覆有气体的球状颗粒，它表面光滑，质轻，粒径小，其里面包含的气体不会形成对流，即不参与传热，所以当热量传递到其一侧时不会直接传递过去，而是绕着微珠表面传递过去，这样就增加了热传递行程，即降低了热传导效率，因而它经常作为填料来制备隔热保温涂料(洪晓，朱长林，“耐高温隔热保温涂料的研制”，上海涂料，2007，46(9)：13~16)。鉴于PTFE和空心微珠的独特性能，如果将它们结合在一起，制备的复合材料就不仅具有PTFE的优良特性，还将具有低密度，低热导率的特点，从而可作为一种新型的隔热保温材料。

已有文献报道将空心玻璃微珠填充到PTFE中来制备低导热率、低密度的PTFE复合材料(张明强，曾黎明，向昊，“空心玻璃微珠/聚四氟乙烯复合材料的性能研究”，塑料工业，2008，36(9)：13~15)，该文报道当空心玻璃微珠的质量分数为15%时，复合材料的导热率降到了0.11W/(m·K)，只有纯PTFE的40%，同时其密度也从纯聚四氟乙烯的2.2gcm³降到了1.15g/cm³。尽管作者取得了较好的成绩，但由于空心玻璃微珠的强度很低，在制备复合材料过程中易被压碎，从而使复合材料的导热率发生增加。另外，空心玻璃微珠不耐强碱腐蚀，这也限制PTFE复合材料的应用领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料，以及该材料的制备方法，所述的空心微珠可以是空心陶瓷微珠，也可以是空心陶瓷微珠与空心玻璃微珠的混合物，本发明制备的隔热保温材料兼具空心陶瓷微珠和聚四氟乙烯的优点，性能优良，并且本发明的制备方法简单，生产成本低，应用范围广。

本发明的第一个目的是通过以下方式实现的：

一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料，其特征在于，所述隔热保温材料中空心微珠的质量分数为5~40%，其导热率≤0.2W/(m·K)，密度≤1.5g/cm³，抗压强度≥25MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

本发明所述的隔热保温材料可由如下步骤制得：

1)将按以下计算量(均为质量分数)的各组份混合并搅拌均匀：

聚四氟乙烯 60%~95%

空心微珠 5%~40%

2)将步骤1)所得混合料在10MPa以上压强下模压成型，保压时间大于1分钟；

3)将步骤2)所得成型物烧结并保温20分钟以上；

4)将步骤3)所得烧结物冷却至室温得成品。

其中，所述的空心微珠可以是空心陶瓷微珠；

所述的空心微珠也可以是空心陶瓷微珠与空心玻璃微珠的混合物，所述混合物中空心陶瓷微珠的质量分数为50~100%。

本发明利用空心陶瓷微珠来源丰富、价格便宜、硬度大、强度高、耐强酸、强碱、强氧化剂腐蚀的特点，将其填充到聚四氟乙烯中，制备的复合材料不仅具有低导热率、低密度的特点，同时在加工过程中微珠不会发生破碎，不会增加导热率，并且复合材料还能应用于强酸、强碱、强氧化剂等腐蚀性环境中，起隔热保温的作用。

作为优选，所述空心陶瓷微珠的粒径≤50μm，密度≤1.0g/cm³，导热率≤0.1W/(m·K)，抗压强度≥10MPa；所述空心玻璃微珠的粒径≤50μm，密度≤1.0gcm³，导热率≤0.1W/(m·K)，抗压强度≥10MPa。

本发明的第二个目的是提供该空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的方法，包括如下步骤：

1)将按以下计算量(均为质量分数)的各组份混合并搅拌均匀：

聚四氟乙烯 60%~95%

空心微珠 5%~40%

3)将步骤2)所得成型物烧结并保温20分钟以上；

4)将步骤3)所得烧结物冷却至室温得成品。

其中，所述的空心微珠可以是空心陶瓷微珠；

作为优选，为了达到更好的烧结的效果，所述的步骤3)的烧结过程可以是多步升温和保温：将步骤2)所得成型物以10~100℃/小时的升温速率加热，当温度达到270~315℃时保温1~2次，每次保温时间为20~60分钟，然后继续以10~100℃/小时的升温速率加热至350~400℃，保温时间大于20分钟。

作为优选，所述的步骤4)的冷却过程可以是逐步冷却，也就是将步骤3）所得烧结物以30~100℃/小时降温至270~315℃，然后保温20~60分钟，再自然冷却至室温得成品。

按照上述方法，所制得的空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料导热率≤0.2W/(m·K)，密度≤1.5g/cm³，抗压强度≥25MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

采用本发明技术方案制备的空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料，导热率低(≤0.2W/(m·K))，密度低(≤1.5g/cm³)，抗压强度高（≥25MPa）耐任意浓度强酸、强碱、强氧化剂腐蚀，并且耐高低温，耐沾污，不易燃，可作为高温隔热板，输热管道和建筑工程上各类隔热保温材料等。

具体实施方式

本发明利用空心陶瓷微珠来源丰富、价格便宜、硬度大、强度高、耐强酸、强碱腐蚀的特点，将其填充到PTFE中，制备的复合材料不仅具有低导热率、低密度的特点，同时在加工过程中微珠不会发生破碎，不会增加导热率，并且复合材料还能应用于强酸、强碱、强氧化剂等腐蚀性环境中，起隔热保温的作用。

一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料，其特征在于，所述隔热保温材料中空心微珠的质量分数为5~40%，其导热率≤0.2W/(m·K)，密度≤1.5g/cm³，抗压强度≥25MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。。

本发明所述的隔热保温材料可由如下步骤制得：

1)将按以下计算量(均为质量分数)的各组份混合并搅拌均匀：

聚四氟乙烯 60%~95%

空心微珠 5%~40%

3)将步骤2)所得成型物烧结并保温20分钟以上；

4)将步骤3)所得烧结物冷却至室温得成品。

其中，所述的空心微珠可以是空心陶瓷微珠；

作为优选，所述空心陶瓷微珠的粒径≤50μm，密度≤1.0g/cm³，导热率≤0.1W/(m·K)，抗压强度≥10MPa；所述空心玻璃微珠的粒径≤50μm，密度≤1.0g/cm³，导热率≤0.1W/(m·K)，抗压强度≥10MPa。

下面通过实施例做进一步的说明。

实施例1.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的制备方法，依次进行如下步骤：

1)、配料：

2)、将步骤1)配制所得的混合料放入搅拌器里高速搅拌均匀；然后在15MPa压强下模压成型，保压时间为3分钟。

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以10℃/小时的升温速率加热，当温度到达270℃时保温20分钟；继续以10℃/小时的升温速率加热至315℃，保温20分钟，再继续以10℃/小时的升温速率加热至370℃，保温1小时。

4)、将步骤3)所得的烧结产物以30℃/小时的速度降温至315℃时保温60分钟，再自然冷却至室温，得产品。该产品的导热率≤0.15W/(m·K)，密度≤1.3g/cm³，抗压强度≥30MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。。

实施例2.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的制备方法，依次进行如下步骤：

1)、配料：

2)、将步骤1)配制所得的混合料放入搅拌器里高速搅拌均匀；然后在40MPa压强下模压成型，保压时间为3分钟。

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以10℃/小时的升温速率加热，当温度到达270℃时保温60分钟；然后继续以10℃/小时的升温速率加热至350℃，保温30分钟。

4)、步骤3)所得的烧结产物以100℃/小时的速度降温至270℃时保温20分钟，再自然冷却至室温，得产品。该产品的导热率≤0.10W/(m·K)，密度≤0.9g/cm³，抗压强度≥35MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

实施例3.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的制备方法，依次进行如下步骤：

1)、配料：

2)、将步骤1)配制所得的混合料放入搅拌器里高速搅拌均匀；然后在45MPa压强下模压成型，保压时间为2分钟。

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以100℃/小时的升温速率加热，当温度到达315℃时保温20分钟；然后继续以100℃/小时的升温速率加热至400℃，保温21分钟。

4)、步骤3)所得的烧结产物以40℃/小时的速度降温至290℃时保温60分钟，再自然冷却至室温，得产品。该产品的导热率≤0.11W/(m·K)，密度≤1.0g/cm³，抗压强度≥30MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

实施例4.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的制备方法，依次进行如下步骤：

1)、配料：

2)、将步骤1)配制所得的混合料放入搅拌器里高速搅拌均匀；然后在35MPa压强下模压成型，保压时间为5分钟。

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以90℃/小时的升温速率加热，当温度到达290℃时保温25分钟；然后继续以90℃/小时的升温速率加热至350℃，保温1.5小时。

4)、步骤3)所得的烧结产物以90℃/小时的速度降温至290℃时保温60分钟，再自然冷却至室温，得产品。该产品的导热率≤0.12W/(m·K)，密度≤1.0gcm³，抗压强度≥28MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

实施例5.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的制备方法，依次进行如下步骤：

1)、配料：

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以30℃/小时的升温速率加热，当温度到达270℃时保温30分钟；然后继续以30℃/小时的升温速率加热至370℃，保温1小时。

4)、步骤3)所得的烧结产物以30℃/小时的速度降温至300℃时保温30分钟，再自然冷却至室温，得产品。该产品的导热率≤0.10W/(m·K)，密度≤0.9gcm³，抗压强度≥32MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

实施例6.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料的制备方法，依次进行如下步骤：

1)、配料：

2)、将步骤1)配制所得的混合料放入搅拌器里高速搅拌均匀；然后在20MPa压强下模压成型，保压时间为3分钟。

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以60℃/小时的升温速率加热，当温度到达280℃时保温30分钟；然后继续以60℃/小时的升温速率加热至370℃，保温1小时。

4)、步骤3)所得的烧结产物以60℃/小时的速度降温至280℃时保温30分钟，再自然冷却至室温，得产品。该产品的导热率≤0.15W/(m·K)，密度≤1.3gcm³，抗压强度≥28MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

通过实施例发现，本发明制备的空心陶瓷微球填充聚四氟乙烯隔热保温材料具有低的导热率，低的密度，且该复合材料耐高低温，耐化学品，耐沾污，不易燃，可作为高温隔热板，输热管道，建筑工程上各类隔热保温材料等，用途广泛。最后，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种空心微珠填充聚四氟乙烯隔热保温材料，其特征在于：所述的隔热保温材料中空心陶瓷微珠的质量分数为25％，聚四氟乙烯的质量分数为75％，其导热率≤0.15W/(m·K)，密度≤1.3g/cm³，抗压强度≥30MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。

2.权利要求1所述的隔热保温材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将质量分数25％的空心陶瓷微珠与质量分数75％的聚四氟乙烯混合，配制混合料，所述的空心陶瓷微珠的平均粒径为50μm，密度≤0.50g/cm³，导热率≤0.04W/(m·K)，抗压强度≥10MPa，所述的聚四氟乙烯的平均粒径为50μm，密度≤2.14g/cm³，导热率为0.25W/(m·K)；

2)、将步骤1)配制所得的混合料放入搅拌器里高速搅拌均匀；然后在15MPa压强下模压成型，保压时间为3分钟；

3)、将步骤2)所得的成型物放入高温烧结炉中，以10℃/小时的升温速率加热，当温度到达270℃时保温20分钟；继续以10℃/小时的升温速率加热至315℃，保温20分钟，再继续以10℃/小时的升温速率加热至370℃，保温1小时；

4)、将步骤3)所得的烧结产物以30℃/小时的速度降温至315℃时保温60分钟，再自然冷却至室温，得产品，所述产品的导热率≤0.15W/(m·K)，密度≤1.3g/cm³，抗压强度≥30MPa，耐任意浓度硫酸、氢氧化钠、高锰酸钾溶液腐蚀。