CN102992730B

CN102992730B - 一种高温纳米微传热板及其制备方法

Info

Publication number: CN102992730B
Application number: CN201210535683.1A
Authority: CN
Inventors: 张朝礼
Original assignee: SHANGHAI YESO HEAT ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanghai Aesop thermal energy technology Limited by Share Ltd
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN102992730A

Abstract

本发明涉及一种高温纳米微传热板及其制备方法，该传热板为SiO₂气凝胶外表面包裹玻璃纤维布或铝箔，其中，SiO₂气凝胶由以下重量份的组分组成：水玻璃2-5份，硅灰55-60份，TiO₂35-38份，Al₂O₃1-3份，Cr₂O₃0.02-0.2份，氧化铝纤维2-5份。本发明提供的一种高温纳米微传热板，通过对现有SiO₂气凝胶配方的改进调整，尤其是在产品外表面包裹玻璃纤维布或铝箔的设计，在保证材料使用温度和耐温等级的同时，进一步提高材料的力学强度，便于运输和机械加工，为该种材料提供了更广阔的使用环境。

Description

一种高温纳米微传热板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温纳米微传热板及其制备方法。

背景技术

工业炉和各种高温反应器是大量消耗能源的设备，窑炉的能耗约占总生产能耗的40％-75％，大部分的能源被浪费损失。目前，用于热工设备隔热的材料主要有高温硅酸铝陶瓷纤维制品、硅酸钙绝热制品、玻璃纤维及矿棉制品等。硅酸钙绝热制品、玻璃纤维及岩棉制品主要用于中低温条件下的隔热材料；高温硅酸铝陶瓷纤维制品的耐火等级较高，但由于辐射热的影响，热导率随容重的增加而上升。因此，新一代质轻高效的耐火隔热材料成为发展的主要趋势。

热量的传递方式包括传导、对流、辐射三种，不同条件下，每种传热方式所占的比例不同。相对于其他物质，常温静止的状态下，空气具有较低的热导率和热容量，在工业上被广泛用作绝热体。普通耐火隔热材料就是利用这一特点，生产制造出具有较低容重、较大孔隙率的产品，用于隔绝热量，典型产品如高温硅酸铝陶瓷纤维制品。研究发现，若将隔热材料的空隙控制在100nm以下，气孔尺寸控制在50nm以下，此时材料不仅具有较低的体积密度，而且其导热系数可相当或者低于静止状态下的空气，科学上将这一技术称之为纳米效应，所述材料为纳米微传热材料。

目前纳米微传热研究的领域主要集中在采用SiO₂气凝胶作为绝热材料。SiO₂气凝胶具有三维多孔非晶固态结构，孔洞率大于80％，孔洞尺寸小于100nm，比表面积大、折射率低、导热系数小、吸附性强等特点，在隔热方面具有良好的性能，但SiO₂气凝胶单独使用也存在强度低、韧性差等缺点，限制了其使用的范围和条件。为有效改善这一缺陷，目前市场上多采用在SiO₂气凝胶混配低熔点玻璃态无机纤维或有机纤维作为增强组分的方式，以提高该类产品在工程上应用中具有的力学性能。

低熔点纤维的添加虽可一定程度上提高SiO₂气凝胶的力学强度，但却降低了SiO₂气凝胶的使用温度和耐温等级，在实际使用中还存在运输易破损、切割易断裂粉化等不良现象，影响产品的生产合格率及使用条件。

发明内容

本发明为克服上述缺陷，提供一种高温纳米微传热板。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：

一种高温纳米微传热板，该传热板为SiO₂气凝胶外表面包裹玻璃纤维布或铝箔，其中，SiO₂气凝胶由以下重量份的组分组成：

本发明为实现高温纳米微传热板具有的优良隔热性能及力学性能，采用如下原料进行制备：硅灰：SiO₂含量≥95％，粒径0.05-0.2μm；水玻璃：Na₂O含量7.80％-8.50％，SiO₂含量28.57％-30.25％，固含量≥36％；TiO₂：粒径80-100nm；ZrO₂：粒径80-100nm；Al₂O₃:纯度≥90％粒径80-100nm；Cr₂O₃:纯度≥90％粒径80-100nm；氧化铝纤维：直径20-50μm、长度10-30mm；包裹材料：铝箔：厚度0.1mm；玻璃纤维布：厚度0.2mm。

本发明中硅灰用于制备纳米级空心微球，作为基体材质，可提供足够的孔隙率，TiO₂、ZrO₂作为挡光剂和防辐射用散射剂，可有效阻止通过辐射方式传递的热量，降低光子导热；Al₂O₃作为添加剂可有效提高传热板的耐温等级；Cr₂O₃炭黑对光有较高的吸收率，用作吸收剂；氧化铝纤维作为支撑材料，增加整体的强度和韧性；铝箔和玻璃纤维布采用全包裹的形式，粘结或包裹在高温纳米微传热板的表面，提高制品的韧性和强度，便于运输和机械加工。

本发明的另一目的是提供一种高温纳米微传热板的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)SiO₂气凝胶的制备：首先将一定量的水玻璃用一定量的水稀释，再向稀释后的水玻璃溶液中先后加入硅灰、TiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃并搅拌均匀，接着加入氧化铝纤维作为支撑骨架，并搅拌3-5min，向上述混合料中加入催化剂，按重量计，0.01-0.05份,控制凝胶时间为30-90min，并采用盐酸调节混合料的pH值为8-11，充分搅拌后混合料变为SiO₂气凝胶；

(2)高温纳米微传热板的制备：将由步骤(1)得到的SiO₂气凝胶进行密封处理，在25-60℃的温度下静置3-5小时，静置完毕后，将凝胶搅拌均匀注入模具，采用1.5MPa的压力对模具内的凝胶反复压制4-5次，每次时间为2-5min。压制前可采用微振动机进行2-5分钟的微振动处理。压制完毕后进行脱模操作，脱模后的坯体置于铝质网孔托盘上，在80-200℃下烘干3-5小时，烘干后以玻璃纤维布或铝箔为面料经粘结、全包裹处理即成高温纳米微传热板。

在本发明的一优选实施例中，该方法的步骤(1)中的催化剂为硫酸、盐酸、乙二醇中的一种或两种以上的混合物。

本发明的高温纳米微传热板满足长期暴露于高温条件下的使用状态，最高使用温度为1000℃，其密度为240～350kg/m³，抗折强度0.85-2.5MPa，导热系数如下：在300℃时，0.020-0.026W/m.K；在500℃时，0.030-0.035W/m.K；在800℃时，0.037-0.040W/m.K。

本发明的高温纳米微传热板在具有上述优良理化指标的同时，突出的优点还体现在产品的全包裹处理，对需要机械加工的异型部件，可首先采用裸板进行加工，而后以玻璃纤维布或铝箔为面料经粘结、全包裹处理，保证制品具有良好的强度和韧性，便于使用和运输。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

(1)高温纳米微传热板的制备方法

1)SiO₂气凝胶的制备：称取40g水玻璃置于烧杯中，加入500g水稀释并使其分散均匀后，称取硅灰460g、TiO₂300g、Al₂O₃24g、Cr₂O₃1.6g先后加入到稀释后的水玻璃溶液中并搅拌均匀，接着称取40g氧化铝纤维投入混合料中并搅拌3-5min，确保氧化铝纤维在混合料中分散均匀，向上述容器中加入0.2g催化剂乙二醇，控制凝胶时间为60min，并采用盐酸调节混合料的pH值为10，充分搅拌后混合料变为凝胶；

2)高温纳米微传热板的制备：将盛放凝胶的容器密封处理，放置在温度45℃的环境中静置4小时。静置完毕后，将凝胶搅拌均匀注入模具中，对注入模具的凝胶采用微振动机进行振动处理3分钟，确保模具内各方向凝胶填充均匀。上述操作完成后，采用1.5MPa的压力对模具内的凝胶反复压制4-5次，每次时间不低于2min。压制完毕后进行脱模操作，脱模后的坯体置于铝质网孔托盘上，在120℃下烘干4小时。在烘干后的裸板各表面涂覆无机粘结剂，采用玻璃纤维或铝箔为面料进行全包裹处理。

(2)高温纳米微传热板的性能检测结果

最高使用温度为1000℃，密度为320kg/m³，抗折强度1.0MPa，导热系数如下：在300℃时，0.026W/m.K；在500℃时，0.031W/m.K；在800℃时，0.037W/m.K。

实施例2

(1)高温纳米微传热板的制备方法

1)SiO₂气凝胶的制备：称取30g水玻璃置于烧杯中，加入500g水稀释并使其分散均匀，称取硅灰480g、TiO₂300g、Al₂O₃20g、Cr₂O₃1.8g先后加入稀释后水玻璃溶液中并搅拌均匀，接着称取50g氧化铝纤维投入混合料中并搅拌3-5min，确保氧化铝纤维在混合料中分散均匀，向上述容器中加入0.25g催化剂乙二醇，控制凝胶时间为45min，并采用盐酸调节混合料的pH值为11，充分搅拌后混合料变为凝胶；

2)高温纳米微传热板的制备：将盛放凝胶的容器密封处理，放置在温度25℃的环境中静置5小时。静置完毕后，将凝胶搅拌均匀注入模具中，对注入模具的凝胶采用微振动机进行振动处理3分钟，确保模具内各方向凝胶填充均匀。上述操作完成后采用1.5MPa的压力对模具内的凝胶反复压制4-5次，每次时间不低于2min。压制完毕后进行脱模操作，脱模后的坯体置于铝质网孔托盘上，在150℃下烘干3小时。在烘干后的裸板各表面涂覆无机粘结剂，采用玻璃纤维或铝箔为面料进行全包裹处理。

(2)高温纳米微传热板的性能检测结果

最高使用温度为1000℃，密度为300kg/m³，抗折强度0.85MPa，导热系数如下：在300℃时，0.025W/m.K；在500℃时，0.032W/m.K；在800℃时，0.038W/m.K。

实施例3

(1)高温纳米微传热板的制备方法

1)SiO₂气凝胶的制备：称取30g水玻璃置于烧杯中，加入500g水稀释并使其分散均匀，称取硅灰500g、TiO₂250g、Al₂O₃22g、Cr₂O₃1.5g先后加入稀释后水玻璃溶液的容器中并搅拌均匀，接着称取40g氧化铝纤维放入混合料中并搅拌3-5min，确保氧化铝纤维在混合料中分散均匀，向上述容器中加入0.1g催化剂硫酸，控制凝胶时间为45min，并采用盐酸调节混合料的pH值为11，充分搅拌后混合料变为凝胶；

2)高温纳米微传热板的制备：将盛放凝胶的容器密封处理，放置在温度50℃的环境中静置4小时。静置完毕后，将凝胶搅拌均匀注入模具中，对注入模具的凝胶采用微振动机进行振动处理3分钟，确保模具内各方向凝胶填充均匀。上述操作完成后，采用1.5MPa的压力对模具内的凝胶反复压制4-5次，每次时间不低于2min。压制完毕后进行脱模操作，脱模后的坯体置于铝质网孔托盘上，在120℃下烘干4小时。在烘干后的裸板各表面涂覆无机粘结剂，采用玻璃纤维或铝箔为面料进行全包裹处理。

(2)高温纳米微传热板的性能检测结果

最高使用温度为1000℃，密度为280kg/m³，抗折强度1.5MPa，导热系数如下：在300℃时，0.024W/m.K；在500℃时，0.032W/m.K；在800℃时，0.040W/m.K。

实施例4

(1)高温纳米微传热板的制备方法

1)SiO₂气凝胶的制备：称取20g水玻璃置于烧杯中，加入500g水稀释并使其分散均匀，称取硅灰520g、TiO₂280g、Al₂O₃24g、Cr₂O₃2.0g先后加入稀释后水玻璃溶液的容器中并搅拌均匀，接着称取30g氧化铝纤维放入混合料中并搅拌3-5min，确保氧化铝纤维在混合料中分散均匀，向上述容器中加入0.2g催化剂硫酸，控制凝胶时间为60min，并采用盐酸调节混合料的pH值为10，充分搅拌后混合料变为凝胶；

2)高温纳米微传热板的制备：将盛放凝胶的容器密封处理，放置在温度40℃的环境中静置5小时。静置完毕后，将凝胶搅拌均匀注入模具中，对注入模具的凝胶采用微振动机进行振动处理5分钟，确保模具内各方向凝胶填充均匀。上述操作完成后，采用1.5MPa的压力对模具内的凝胶反复压制4-5次，每次时间不低于1min。压制完毕后进行脱模操作，脱模后的坯体置于铝质网孔托盘上，在120℃下烘干4小时。在烘干后的裸板各表面涂覆无机粘结剂，采用玻璃纤维或铝箔为面料进行全包裹处理。

(2)高温纳米微传热板的性能检测结果

最高使用温度为1000℃，密度为300kg/m³，抗折强度1,2MPa，导热系数如下：在300℃时，0.025W/m.K；在500℃时，0.033W/m.K；在800℃时，0.039W/m.K。

本发明的高温纳米微传热板，为新一代耐火隔热材料，其产品除在热传导、热对流方面对热量的隔绝有十分明显的效果外，对因热辐射传导的热量也有极好的防护屏蔽作用，可以广泛应用于民用蓄热取暖设备、热工窑炉、电子工业、航天科技、建筑耐火隔热防护等各个方面。

Claims

1.一种高温纳米微传热板，其特征在于，该传热板为SiO₂气凝胶外表面包裹玻璃纤维布或铝箔，其中，SiO₂气凝胶由以下重量份的组分组成：

所述的高温纳米微传热板的制备方法，包括以下步骤：

(1)SiO₂气凝胶的制备：首先将一定量的水玻璃用一定量的水稀释，再向稀释后的水玻璃溶液中先后加入硅灰、TiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃并搅拌均匀，接着加入氧化铝纤维作为支撑骨架，并搅拌3-5min，向上述混合料中加入催化剂，按重量计，0.01-0.05份，控制凝胶时间为30-90min，并采用盐酸调节混合料的pH值为8-11，充分搅拌后混合料变为SiO₂气凝胶；

(2)高温纳米微传热板的制备：将由步骤(1)得到的SiO₂气凝胶进行密封处理，在25-60℃的温度下静置3-5小时，静置完毕后，将凝胶搅拌均匀注入模具，采用1.5MPa的压力对模具内的凝胶反复压制4-5次，每次时间为2-5min；压制前采用微振动机进行2-5分钟的微振动处理；压制完毕后进行脱模操作，脱模后的坯体置于铝质网孔托盘上，在80-200℃下烘干3-5小时，烘干后以玻璃纤维布或铝箔为面料经粘结、全包裹处理即成高温纳米微传热板。

2.根据权利要求1所述的高温纳米微传热板，其特征在于，其步骤(1)中的催化剂为硫酸、盐酸、乙二醇中的一种或两种以上的混合物。