CN103408279A - 一种建筑保温隔热气凝胶材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种建筑保温隔热气凝胶材料及制备方法。所述建筑保温隔热气凝胶材料其特征在于原料组成（重量份）为：二氧化硅溶胶70-90份，聚乙烯醇热熔胶10-28份、疏水剂1-2份。本发明以二氧化硅溶胶为主体，以聚乙烯醇热熔胶为热塑性熔胶体，以惰性气体为支撑体，通过连续捏炼式螺杆反应机的瞬时高温、高压，使凝胶在挤压筒中被挤压，湿凝胶中的液体成分在模口因瞬间的蒸发而产生膨胀，在液体成分挥发的同时惰性气体作为气凝胶支撑体，确保气凝胶完整的骨架结构不坍缩，完成了湿凝胶向气凝胶的转变。本发明制备工艺避免了超临界干燥法的复杂工艺，也避免了常压干燥时气凝胶孔道塌陷的缺陷。生产工艺简单、操作稳定、可连续大规模生产，得到的气凝胶强度好、孔隙率高、保温性能优异，可应用于建筑保温板材、保温砂浆、保温涂料等领域。

Description

一种建筑保温隔热气凝胶材料及制备方法
技术领域
本发明涉及建筑保温隔热材料领域，具体涉及一种建筑保温隔热气凝胶材料及制备方法。
背景技术
当今世界能源问题已经成为影响发展的重大问题，由于建筑耗能在整个能源消耗中占30%～40%，所以建筑节能意义重大。建筑保温隔热材料是建筑节能的一个重要措施，目前国内市场应用最为广泛的保温形式是外墙外保温，由于有机保温材料导热系数低，隔热保温性能良好，目前被广泛应用于建筑节能。但是有机保温材料存在着种种弊端，比如原材料使用石油资源、环保性差、易燃、耐候性差、易老化等。尤其是随着推广应用进一步深入，有机保温材料易燃的缺陷逐步暴露，严重的威胁到人们的安全。因此低导热系数、高温不燃的保温材料成为建筑保温节能领域的发展趋势。
气凝胶具有三维纳米多孔结构，孔洞率高，比表面积大，热导率低，是当前热导率最低的固态材料，具有优异的保温性能和防火性能，是传统保温材料的理想替代品，具有良好的应用前景，被国内外所高度关注。但气凝胶因其制备工艺复杂，生产成本昂贵，一直以来仅在航天航空、军工、医药载体等高端领域应用。应用于建筑保温节能领域面临着成本高、产量低的瓶颈限制。目前，气凝胶的制备通常由溶胶-凝胶过程和超临界干燥处理, 在溶胶-凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成多孔道构的纳米原子团，纳米原子团之间相互粘结形成凝胶体，凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液体试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞塌陷，通常采用超临界干燥工艺处理。超临界干燥工艺可以较好地保持凝胶的多孔网络结构，但是超临界干燥所需的条件很苛刻，制备周期耗时长，对设备要求高，能耗大，无法实现连续生产，导致气凝胶产品的价格极其昂贵。尽管气凝胶具有良好的保温、隔热、防火性能，但现有技术生产的气凝胶由于成本过高，无法在建筑保温领域大规模应用。为了突破气凝胶在建筑保温隔热领域应用中成本的限制，近年来，不断出现了采用非超临界干燥法制备气凝胶。
中国专利公开号为CN102557577A公开了一种二氧化硅气凝胶复合材料的制备及方法。该方法用纤维做增强材料，通过洗涤、不同温度下分段常压干燥得到了二氧化硅气凝胶，不但需要大量溶剂，而且耗时长。
中国专利公开号为CN201310000374公开了一种二氧化硅气凝胶的低成本制备方法。该气凝胶的制备采用表面活性剂，将液/气界面消除或者转化为较小附着力的界面，使其在干燥过程中对网络结构的完整程度破坏在有限范围内，但随着气凝胶孔道率的增加和大量细小气孔的尺寸处于纳米级，毛细管效应导致干燥困难，而且难以获得高孔率的气凝胶。
到目前为止，采用非超临界干燥法制备气凝胶技术主要集中在提高凝胶结构网络结构的支撑强度和降低毛细吸附力的影响，还未形成较为成熟的技术方案，无法在完全保证气凝胶网络结构不破坏的前提下达到是气凝胶材料干燥。为此本发明提出了一种技术方案，借以达到气凝胶连续干燥、高强度、低成本的关键指标。使气凝胶材料可以替代现有有机保温板在外墙外保温系统中的应用，替代无机玻化微珠应用于保温砂浆，混入涂料致使涂料具备保温隔热效果，达到气凝胶材料在墙体保温领域的广泛应用。
发明内容  
本发明针对目前气凝胶强度低、制备工艺复杂、成本昂贵的缺陷，提供一种可用于建筑节能领域的建筑保温隔热气凝胶材料。所述建筑保温隔热气凝胶由二氧化硅溶胶和聚乙烯醇热熔胶组成。
本发明进一步的目的是提供一种建筑保温隔热气凝胶材料的制备方法，该方法是以二氧化硅溶胶为主体，以聚乙烯醇热熔胶为热塑性熔胶体，以惰性气体为支撑体，通过连续捏炼式螺杆反应机的瞬时高温、高压，使凝胶在挤压筒中被挤压，湿凝胶中的液体成分在模口因瞬间的蒸发而产生膨胀，在液体成分挥发的同时惰性气体作为气凝胶支撑体，确保气凝胶完整的骨架结构不坍缩，完成了湿凝胶向气凝胶的转变。
本发明一种建筑保温隔热气凝胶，提供如下解决方案：
1、本发明一种建筑保温隔热气凝胶材料，其特征在于原料组成（重量份）为：二氧化硅溶胶70-90份，聚乙烯醇热熔胶10-28份、疏水剂1-2份。
2、上述二氧化硅溶胶是由正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯水解而得的溶胶，固含量50-60%。
3、上述聚乙烯醇热熔胶是由聚乙烯醇、丙三醇、聚乙二醇-2000、交联剂通过机械力化学研磨改性而得的微细粉末，其中聚乙烯醇选用细度200目、醇解度87%～89%的17-88，交联剂为己二酸、丁二酸、顺丁烯二酸酐、硼砂中至少一种。
4、上述所述疏水剂为异丙氧基三（焦磷酸二辛酯）钛、乙二酯基（焦磷酸二辛酯）钛、二硬脂酰乙撑钛中至少一种。
5、本发明一种建筑保温隔热气凝胶材料的制备方法有如下步骤：
（1）制备二氧化硅溶胶；
（2）制备聚乙烯醇热熔胶；
（3）制备陈化湿凝胶；
（4）制备建筑保温隔热气凝胶。
6、如上述制备方法所述的制备二氧化硅溶胶，是将50-60重量份的正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯、20-30重量份醇溶剂加入到容器中搅拌5-10分钟，加入5-10重量份甲基三乙氧基硅烷，加入10-15份水，搅拌3-5分钟，加入盐酸调节溶液pH为3-5，设定容器油温加热温度80-100℃继续搅拌水解30-60分钟而得。
7、如上述制备方法所述的制备聚乙烯醇热熔胶，是将80-90份的聚乙烯醇、5-10份丙三醇、2-8份聚乙二醇-2000、1-3份交联剂通过机械力化学研磨改性而得，研磨机采用涡流研磨机，通过涡流流动使聚乙烯醇与改性剂充分剥离反应，并通过转盘电机调速机调整转盘速度为1000-1200r/min，是达到一定粒度和反应的聚乙烯醇粉末连续排出，具有连续高效的生产效果。
8、 如上述制备方法所述的制备陈化湿凝胶，是将10-28重量份聚乙烯醇热熔胶、1-2份疏水剂加入70-90份二氧化硅溶胶液，添加三乙醇胺调节pH值为8～10，搅拌均匀，聚乙烯醇热熔胶在高温下具有热塑性，同时在水溶剂中具有溶解性，可均匀分散于湿凝胶，然后放入密闭陈化槽陈化24小时得到陈化湿凝胶。
9、如上述制备方法所述的制备建筑保温隔热气凝胶，将连续捏炼式螺杆反应机筒体温度升至100-120℃，打开循环冷却水阀，控制螺杆压力机温度维持在100-120℃，将陈化湿凝胶加入连续捏炼式螺杆反应机，湿凝胶不断加入螺杆反应机，同时泵入惰性气体源，湿凝胶在聚乙烯醇热熔胶的拉伸下变为瞬时熔融态，进入模头的湿凝胶由于液体成分在模口因瞬间的蒸发而产生膨胀，在液体成分挥发的同时惰性气体作为气凝胶支撑体，完成了湿凝胶向气凝胶的转变，通过切粒机切断形成均匀的颗粒状气凝胶。
10、上述所述的惰性气体源为碳酸氢钠，其在湿凝胶进入模头时泵入，在瞬时高压、高温条件下持续释放惰性气体，确保气凝胶完整的骨架结构不坍缩。
11、上述所述连续捏炼式螺杆反应机为渐缩式单螺杆机，螺杆直径从进料到出料由Φ60cm缩减为Φ40mm,螺杆长径比为5:1—8:1，其对熔体物料可进行快速压缩，使水等湿润剂迅速从组织结构中蒸发出来，使湿凝胶内部形成无数微孔结构，具有连续高效脱挥功能。
本发明以热塑性熔胶体作为熔融态辅助，以惰性气体作为支撑，通过捏炼式螺杆反应机实现了连续、高效生产建筑保温隔热气凝胶材料，其突出的特点在于：
1、强度好。本发明使用的热塑性熔胶体不但辅助气凝胶在熔融状态下快速干燥，而且在气凝胶形成后热塑性熔胶体形成连续的网状结构，达到气凝胶材料增韧。
2、孔隙率高，保温性能优异。本发明采用惰性气体源，在气凝胶快速排水过程中，持续供给气源，维持了完整的气凝胶纳米骨架结构，导热系数低于 0.02 W/(m K)，孔隙率可大于96%，比表面积大于800 m2/g，具有极好的保温隔热性能。
3、生产工艺简单高效。本发明连续捏炼式螺杆反应机使湿凝胶瞬间干燥而产生膨胀，在液体成分挥发的同时惰性气体作为气凝胶支撑体，确保气凝胶完整的骨架结构不坍缩，完成了湿凝胶向气凝胶的转变，制备工艺避免了超临界干燥法的复杂工艺，也避免了常压干燥时气凝胶孔道塌陷的缺陷。生产工艺简单、操作稳定、可连续大规模生产。
4、应用广泛。本发明具有可连续大规模生产的特点，有效降低气凝胶成本，促使在建筑节能领域广泛应用，可应用于保温板材、保温砂浆、保温涂料等领域。 

Claims (8)

1.一种建筑保温隔热气凝胶材料，其特征在于原料组成（重量份）为：
二氧化硅溶胶       70-90份
聚乙烯醇热熔胶     10-28份
疏水剂             1-2份
其中，所述二氧化硅溶胶是由正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯水解而得的溶胶，固含量50-60%；
所述聚乙烯醇热熔胶是由聚乙烯醇、丙三醇、聚乙二醇-2000、交联剂通过机械力化学研磨改性而得的微细粉末，其中聚乙烯醇选用细度200目、醇解度87%～89%的17-88，交联剂选用己二酸、丁二酸、顺丁烯二酸酐、硼砂中至少一种；
所述疏水剂为异丙氧基三（焦磷酸二辛酯）钛、乙二酯基（焦磷酸二辛酯）钛、二硬脂酰乙撑钛中至少一种。
2.制备权利要求1所述一种建筑保温隔热气凝胶材料的方法，其特征在于按照如下步骤制备：
（1）制备二氧化硅溶胶；
（2）制备聚乙烯醇热熔胶；
（3）制备陈化湿凝胶；
（4）制备建筑保温隔热气凝胶。
3.制备权利要求1所述一种建筑保温隔热气凝胶材料的方法，其特征是权利要求2所述的制备二氧化硅溶胶，是将50-60重量份的正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯、20-30重量份醇溶剂加入到容器中搅拌5-10分钟，加入5-10重量份甲基三乙氧基硅烷，加入10-15份水，搅拌3-5分钟，加入盐酸调节溶液pH为3-5，设定容器油温加热温度80-100℃继续搅拌水解30-60分钟而得。
4.制备权利要求1所述一种建筑保温隔热气凝胶材料的方法，其特征是权利要求2所述的制备聚乙烯醇热熔胶，是将80-90份的聚乙烯醇、5-10份丙三醇、2-8份聚乙二醇-2000、1-3份交联剂通过机械力化学研磨改性而得。
5.制备权利要求1所述一种建筑保温隔热气凝胶材料的方法，其特征是权利要求2所述的制备陈化湿凝胶，是将10-28重量份聚乙烯醇热熔胶、1-2份疏水剂加入70-90份二氧化硅溶胶液，添加三乙醇胺调节pH值为8～10，搅拌均匀，聚乙烯醇热熔胶在高温下具有热塑性，同时在水溶剂中具有溶解性，可均匀分散于湿凝胶，然后放入密闭陈化槽陈化24小时得到陈化湿凝胶。
6.制备权利要求1所述一种建筑保温隔热气凝胶材料的方法，其特征是权利要求2所述的制备建筑保温隔热气凝胶，是将连续捏炼式螺杆反应机筒体温度升至100-120℃，打开循环冷却水阀，控制螺杆压力机温度维持在100-120℃，将陈化湿凝胶加入连续捏炼式螺杆反应机，湿凝胶不断加入螺杆反应机，同时泵入惰性气体源，湿凝胶在聚乙烯醇热熔胶的拉伸下变为瞬时熔融态，进入模头的湿凝胶由于液体成分在模口因瞬间的蒸发而产生膨胀，在液体成分挥发的同时惰性气体作为气凝胶支撑体，完成了湿凝胶向气凝胶的转变，通过切粒机切断形成均匀的颗粒状气凝胶。
7.如权利要求6所述一种建筑保温隔热气凝胶材料，其特征是制备方法中的惰性气体源为碳酸氢钠，其在湿凝胶进入模头时泵入，在瞬时高压、高温条件下持续释放惰性气体，确保气凝胶完整的骨架结构不坍缩。
8.如权利要求6所述一种建筑保温隔热气凝胶材料，其特征是制备方法中所述连续捏炼式螺杆反应机为渐缩式单螺杆机，螺杆直径从进料到出料由Φ60cm缩减为Φ40mm,螺杆长径比为5:1—8:1。
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