CN103601358A - 二氧化硅-三氧化二硼低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料制备方法 - Google Patents
二氧化硅-三氧化二硼低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种SiO2-B2O3低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料的制备方法。正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比(0.56～1.68)：1量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；经过搅拌后，置于磨具中，压成坯体；经过凝胶、干燥、烧结制得微珠与微珠直接结合的保温材料。本发明采用空心玻璃微珠为主体材料制备隔热保温材料，得到一种微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。显气孔达到30-60%；体积密度0.30-0.50g/cm3。抗压强度高最高能达到14MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种保温材料，尤其涉及一种轻质高强且具有阻燃隔热保温材料；是二氧化硅-三氧化二硼（SiO2-B2O3）低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料的制备方法。
背景技术
目前轻质隔热保温材料的原料主要有膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、漂珠、氧化铝空心球、空心玻璃微珠，在这几种材料中，膨胀蛭石和膨胀珍珠岩密度和导热系数均较低，但其防水性很差。而漂珠和氧化铝空心球的导热率很低，强度也比较大，但是其密度相对来说比较高。空心玻璃微珠，粒度为2-120微米、壁厚为1-2微米。容重0.08-0.16g/cm3，抗压强度3-5Mpa，导热系数0.03-0.043W/m·K，既能拥有膨胀珍珠岩、蛭石的低密度，低导热系数，强度也比较大。所以空心玻璃微珠应用于保温材料很有前景。
但是国内对于空心微珠制备保温材料的研究，主要是将空心玻璃微珠填充于环氧树脂或者聚氨酯等有机的基体材料中，得到这种微珠填充树脂的复合材料虽然密度降低，力学性能改善，但是由于树脂等有机材料的最高使用温度不超过300℃，所以这种复合材料只能适用于低温条件下的应用。而采用漂珠制备高温隔热材料，强度虽然比较大，但是密度相对比较大。国外利用高温下空心玻璃微珠表面软化产生液相，将微珠粘结，得到微珠与微珠直接结合的绝热保温材料，这种材料由于在较高的温度下烧结，导致微珠本身的强度下降，得到的制品强度存在缺陷。本发明采用低熔点的玻璃将微珠在较低的温度下粘结，充分发挥微珠本身质轻高强的特点，获得的制品不仅适用温度较高（600～800℃），而且在密度，强度，保温等性能上均显现出极大的优势。
发明内容
本发明的目的是开发一种空心玻璃微珠直接结合的轻质高强绝热的结构材料。本发明的另一目的是提供一种工艺简单，成本低廉的该材料的制备方法。
本发明的技术如下：
一种SiO2-B2O3低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料制备方法，步骤如下：
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，氨水调节溶液的pH为7，搅拌作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中，于室温下搅拌作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比(0.56～1.68)：1量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将溶胶液滴加到空心玻璃微珠中，溶胶液的量为微珠质量的76%，搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的底部有水的密闭瓶中保存48h，使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有强度后，然后再将坯体于室温干燥，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在650～780℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的保温材料。
所述的正硅酸乙酯：乙醇：去离子水摩尔比优选1:5:3。
一种SiO2-B2O3低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料，保温材料微珠与微珠直接结合，排除传统的有机树脂基体空心微珠与空心微珠直接结合，同时，空心微珠之间的直接结合使受力得以均匀的传递，使材料具有较高的抗压强度，较高的刚性。气孔率高，密度低，导热系数低。显气孔达到30-60%；体积密度0.30-0.50g/cm3。抗压强度高最高能达到14MPa，同时能在780℃高温的条件下结构不发生破坏。
本发明采用空心玻璃微珠为主体材料制备隔热保温材料，充分利用空气的导热率低的优势，同时满足质量轻，保温性能优越的特点。采用乙醇-水为主要溶剂的氧化物溶胶凝胶的方法，使氧化物溶胶润湿微珠，溶胶形成凝胶后将微珠结合成坯体。再经高温热处理，得到一种微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。这样的保温材料不仅在保温性能上达到领先的水平，密度也比普通的保温材料低很多，同时性能稳定，强度高。同时空心微珠本身不燃，且内部为N2或者CO2，即使微球超过它承受的压力而破裂，或在高温下软化，球内N2和CO2气体逸出，更有利于灭火。因此本项目对应用于航空航天质轻高强的隔热材料有十分重要的研究意义。此外，制品可作为航空用电池之间的间隔材料，用于防止电池组紧密相连过热，起火。
附图说明
图1为玻璃微珠填充有机树脂的复合材料的断面SEM图。
图2为本发明中实施例1的保温材料的SEM图。
具体实施方式
实施例1：
本发明具体实施例中，轻质高强绝热保温材料中采用的溶胶液中B2O3/SiO2的摩尔比为0.56，烧结温度为650℃。
本实施例中轻质高强绝热保温材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，三者按照摩尔比(1:5:3)进行配置。氨水调节溶液的pH为7，将溶液于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中制得浓度约为0.02mol/L的硼酸乙醇溶液，于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比0.56量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将一定量的溶胶液滴加到空心玻璃微珠中（溶胶液的量为微珠质量的76%），搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的潮湿密闭环境下保存48h使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有一定的强度，然后再将坯体于室温干燥24h，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在650℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。
本实施例中所得的轻质高强绝热保温材料的收缩率为2.35%，表观密度为0.4066g/cm3，显气孔率为34.59%，抗压强度为6.54MPa。
实施例2：
本发明具体实施例中，轻质高强绝热保温材料中采用的溶胶液中B2O3/SiO2的摩尔比为0.56，烧结温度为700℃。
本实施例中轻质高强绝热保温材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，三者按照摩尔比(1:5:3)进行配置。氨水调节溶液的pH为7，将溶液于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中制得浓度约为0.02mol/L的硼酸乙醇溶液，于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比0.56量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将一定量的溶胶液滴加到空心玻璃微珠中（溶胶液的量为微珠质量的76%），搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的潮湿密闭环境下保存48h使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有一定的强度，然后再将坯体于室温干燥24h，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在700℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。
本实施例中所得的轻质高强绝热保温材料的收缩率为2.94%，表观密度为0.4247g/cm3，显气孔率为34.59%，抗压强度为7.10MPa。
实施例3：
本发明具体实施例中，轻质高强绝热保温材料中采用的溶胶液中B2O3/SiO2的摩尔比为0.56，烧结温度为780℃。
本实施例中轻质高强绝热保温材料的制备方法，包括以下步骤，
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，三者按照摩尔比(1:5:3)进行配置。氨水调节溶液的PH为7，将溶液于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中制得浓度约为0.02mol/L的硼酸乙醇溶液，于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比0.56量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将一定量的溶胶液滴加到空心玻璃微珠中（溶胶液的量为微珠质量的76%），搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的潮湿密闭环境下保存48h使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有一定的强度，然后再将坯体于室温干燥24h，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在780℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。
本实施例中所得的轻质高强绝热保温材料的收缩率为7.25%，表观密度为0.4771g/cm3，显气孔率为62.31%，抗压强度为12.18MPa。
实施例4：
本发明具体实施例中，轻质高强绝热保温材料中采用的溶胶液中B2O3/SiO2的摩尔比为1.12，烧结温度为700℃。
本实施例中轻质高强绝热保温材料的制备方法，包括以下步骤，
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，三者按照摩尔比(1:5:3)进行配置。氨水调节溶液的PH为7，将溶液于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中制得浓度约为0.02mol/L的硼酸乙醇溶液，于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比1.12量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将一定量的溶胶液滴加到空心玻璃微珠中（溶胶液的量为微珠质量的76%），搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的潮湿密闭环境下保存48h使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有一定的强度，然后再将坯体于室温干燥24h，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在700℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。
本实施例中所得的轻质高强绝热保温材料的收缩率为2.94%，表观密度为0.3982g/cm3，显气孔率为34.96%，抗压强度为6.32MPa。
实施例5：
本发明具体实施例中，轻质高强绝热保温材料中采用的溶胶液中B2O3/SiO2的摩尔比为1.68，烧结温度为700℃。
本实施例中轻质高强绝热保温材料的制备方法，包括以下步骤，
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，三者按照摩尔比(1:5:3)进行配置。氨水调节溶液的PH为7，将溶液于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中制得浓度约为0.02mol/L的硼酸乙醇溶液，于室温下磁力搅拌20min，作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比1.68量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将一定量的溶胶液滴加到空心玻璃微珠中（溶胶液的量为微珠质量的76%），搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的潮湿密闭环境下保存48h使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有一定的强度，然后再将坯体于室温干燥24h，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在700℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的轻质高强结构材料。
本实施例中所得的轻质高强绝热保温材料的收缩率为2.94%，表观密度为0.3831g/cm3，显气孔率为35.14%，抗压强度为5.87MPa。
Claims (3)
1.一种SiO2-B2O3低熔点玻璃结合空心玻璃微珠保温材料制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）溶胶液的制备：正硅酸乙酯作为SiO2的前驱体，乙醇作为溶剂，加入去离子水促进正硅酸乙酯的水解，氨水调节溶液的pH为7，搅拌作为溶液S1；硼酸作为B2O3的前驱体，溶于乙醇中，于室温下搅拌作为溶液S2；将上述两溶液按照B2O3/SiO2的摩尔比(0.56～1.68)：1量取，混合搅拌均匀；密封置于室温48h，得到所需的溶胶液；
（2）材料成型：将溶胶液滴加到空心玻璃微珠中，溶胶液的量为微珠质量的76%，搅拌使微珠混合均匀，置于磨具中，压成坯体；
（3）坯体的干燥：将生坯置于70℃的底部有水的密闭瓶中保存48h，使微珠之间的溶胶完全形成凝胶，坯体具有强度后，然后再将坯体于室温干燥，得到干燥的坯体；
（4）烧结：将所得的坯体在650～780℃下烧结，保温1h后，在炉中自然冷却至室温，制得微珠与微珠直接结合的保温材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的正硅酸乙酯：乙醇：去离子水摩尔比=1:5:3。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所制备的保温材料微珠与微珠直接结合，显气孔达到30-60%；体积密度0.30-0.50g/cm3。
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