CN103821239B

CN103821239B - 一种阻燃的纳米孔SiO2多级复合绝热板及其制备方法

Info

Publication number: CN103821239B
Application number: CN201410092551.5A
Authority: CN
Inventors: 王戈; 金召奎; 高鸿毅; 彭超豪; 栾奕; 齐悦; 彭雄; 钱伟
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103821239A

Abstract

本发明提供一种阻燃的纳米孔SiO2多级复合绝热板及其制备方法，所述的复合绝热板由有机泡沫内芯和超薄无机包覆层多级复合组成，所述的多级复合包括单层的有机泡沫内芯与多层的超薄无机包覆层复合、多层的有机泡沫内芯与单层的超薄无机包覆层复合、多层的有机泡沫内芯与多层的超薄无机包覆层复合。本发明的制备成本低，工艺简单，条件温和，适合批量化生产，在建筑、交通运输、石油化工、航空航天、能源领域具有广阔的应用前景。

Description

一种阻燃的纳米孔SiO2多级复合绝热板及其制备方法

技术领域

本发明技术领域属于建筑保温材料领域，涉及一种阻燃绝热复合材料的制备方法，具体为一种纳米孔SiO2/无机纤维针刺毡多级复合材料及制备方法。

背景技术

随着我国工业化进程的大幅推进，经济的高速发展，城市化程度不断提高，能源问题已经成为制约经济发展的主要因素，节约能源刻不容缓。而绝热材料的发展，与我国能否实现绿色、节能、可持续发展战略密切相关。随着我国对节约能源与保护环境的不断重视，建筑维护结构的保温技术也在日益加强，尤其是外墙保温技术得到长足的发展，并成为我国一项重要的建筑节能技术。目前常用的墙体保温材料主要分为无机和有机两类,无机材料如岩棉、玻璃棉、泡沫玻璃等,防火性能好,但导热系数较大,保温效果不理想,难以满足节能标准要求；有机材料如EPS、XPS和PU板等,质量轻,保温、隔热效果好,大量应用于工程实践。但其最大的缺陷是防火安全性差,易老化、易燃烧。燃烧时烟雾大、毒性大、使用年限、防火性均不如无机保温材料。随着火灾的频频发生,国家对建筑节能以及建筑防火的重视也与日俱增,大力推行更严格的新建筑节能设计标准的实施。同时，既有建筑的节能改造和公共建筑的节能工作将逐步展开。所以,目前市场上急需既节能又具有防火安全性的建筑保温材料。

纳米多孔材料SiO2具有许多优异性能如巨大的比表面积、极高的孔隙率、极低的体积密度和优良的保温隔热性能等，是一种研究最广泛的高性能隔热材料。但它的力学性能较差，成本较高，进而限制了其在实际工程中的大规模应用。国防科技大学冯军宗等以正硅酸乙酯为硅源，通过酸碱两步法制备溶胶，将纤维毡在溶胶中浸渍后凝胶，在超临界干燥下制备了柔性隔热复合材料(冯军宗，稀有金属材料与工程，2008，37(2)：170-173)，该文献的原料与本专利中的复合毡的原料类似，但具体工艺和改性较复杂，制备复合材料的厚度较厚，成本较高。申请号为95197068.2的中国专利《一种含有气凝胶的复合材料，其制备方法和应用》以及申请号为200510110528.5的中国专利《吸附用SiO2气凝胶-双组分无纺毡复合材料及制程方法》，也采用SiO2气凝胶与其他材料复合的技术，但其制品多以成本较高的无机纤维毡为芯材，综合成本较高，限制了其大规模应用于建筑节能领域。

为充分发挥纳米多孔SiO2在绝热方面的优势，本专利研究通过选取合适的骨架材料对纳米孔SiO2材料进行复合增强增韧，从而可以制备出大尺寸且能满足工程应用强度要求的复合气凝胶材料。同时，为了大规模商业化开发应用，其成本必须降低至合适的区间。通过研究合适的多级复合结构，结合无机阻燃绝热和有机工艺简单及成本低廉的特点，发挥出异质复合的优势，开发出新型阻燃绝热的多级复合材料是本专利的一个创新点。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种阻燃的纳米孔SiO2多级复合绝热板及其制备方法，以解决上述背景技术中的缺点。首先，本发明提供一种对纯纳米孔SiO2进行复合增强增韧的可行方案，以得到复合性能增强的超薄、大尺寸产品，以满足实际工程的应用。具体复合方案如下：

1、纳米孔SiO2/无机纤维针刺毡复合材料的具体原料配为：

正硅酸乙酯：7.67wt％-8.31wt％；

无水乙醇：28.32wt％-30.68wt％；

水：11.42wt％-12.37wt％；

氟化铵/氨水：0.009wt％/0.10wt％-0.010wt％/0.11wt％；

无机纤维针刺毡：48wt％-52wt％(其厚度控制在0.4-2mm之间)。

其中氟化铵/氨水是氟化铵和氨水掺在一起的混合配制的缓冲溶液；所述的无机纤维针刺毡可以是玻璃纤维，高硅氧纤维，陶瓷纤维中的一种。

2、纳米孔SiO2/无机纤维针刺毡复合材料的具体制备流程为：

第一步：按照1中的原料配比称取适量正硅酸乙酯、水、无水乙醇，超声均匀后，加入适量的碱催化剂氟化铵/氨水，再次超声混均匀后，快速通入真空处理后的装有一定尺寸无机纤维毡的密封模具中，静置凝胶(所述凝胶是前面所有的混合溶液从流动的溶胶逐渐变成凝固的凝胶)5min-240min。

第二步：向上一步中的复合凝胶中通入适量的无水乙醇，陈化12-36h。每隔12-24h换一次无水乙醇，重复2-4次。

第三步：将上一步陈化处理过的复合凝胶取出，放置于合适体积的超临界干燥釜中，升温进行超临界干燥，即得到复合的纳米孔SiO2纤维毡，其厚度控制在0.5-2mm范围内，纳米孔SiO2的负载量约占总重量的30-55％。

其次，本发明提供一种多级复合方案，结合有机保温材料成本低廉，工艺简单和无机材料优异阻燃绝热的优势，达到多级复合性能增强和成本控制在合适范围的目的。具体方案如下(参见图1和图2)：

1、将制备的大面积超薄纳米孔SiO2无机纤维复合毡裁剪成合适的尺寸，放置于与之相配合的发泡模具中。

2、选取一类合适的有机泡沫作为芯材，将适量的发泡前驱体胶液均匀涂覆于模具凹槽内，调整好模具厚度(20-50mm)后，放置于烘箱中在25-40度下发泡，即可得到单层有机芯材与单层超薄复合毡的复合板材。

3、当发泡模具的上表面也固定上相同的超薄复合毡时，调整厚度在20-50mm之间，将发泡前驱体胶液等分均匀涂覆于复合毡上，再放置于烘箱中，在25-40度下发泡，即可得到单层有机芯材与双层超薄复合毡的复合板材。

4、当将超薄复合毡置于模具的中间，在超薄复合毡两面涂覆等量的发泡前驱体胶液(所述发泡前驱体为本领域的常用，包括酚醛树脂、发泡剂、固化剂、添加剂等)放置于烘箱中，在25-40度下发泡，即可得到双层的有机发泡板与单层的超薄复合毡一体复合板。

5、根据施工环境的不同，可以灵活选择复合的层数和芯材厚度来达到不同需求的阻燃绝热要求。可以根据需求定制有机泡沫芯材与超薄复合毡的多级逐层复合，以达到更高的阻燃和绝热效果，满足实际工程的标准。

所述的有机芯材可以是酚醛泡沫板、聚氨脂板中的一种。

参见图1(a)，为双面复合板，为绝热和阻燃性能增强型，采用双面复合，阻燃性能更好，热导率更低，表面疏水；图1(b)为夹心复合板，为截面粘结性能兼容型；图1(c)为三明治复合板，为综合性能增强型，能满足不同厚度拼接的要求，综合性能更佳。

最后，本发明的有益效果如下：

1、通过一体成型法能够将有机保温芯材和无机超薄纳米孔SiO2复合毡直接粘结成复合阻燃绝热板，无需粘结剂，制备方法简单，得到产品阻燃效果可达到不燃A级，绝热效果优异。

2、采用溶胶凝胶法和超临界干燥技术制备的纳米孔SiO2-无机纤维复合毡，孔隙率高，厚度可控制在1mm以内，对固体传热和空气对流传热具有优异的阻隔作用。

3、一步法制备的纳米孔SiO2-无机纤维复合毡通过优选合适的连续纤维(玻璃纤维，高硅氧纤维，陶瓷纤维)制备的毡状成型体，具有良好的柔韧性和抗压强度，能够满足不同形状的复合制备。

4、为满足不同环境和使用需求，能够灵活调整有机芯材和无机超薄复合毡的复合方法和层数，使得本发明的实用性和功能性兼优，可以满足对热防护需求比较的高的场合使用。

附图说明

图1为本发明的多级复合板结构示意图：图1(a)为双面复合板，图1(b)为夹心复合板，图1(c)为三明治复合板；

图2为本发明的纳米孔SiO2复合毡的制备流程图。

具体实施例

为了使本发明实现的技术手段更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

【实施例1】：

1、称取1.852g氟化铵(NH4F)，加入到100mL的去离子水中。再称取20.5g的氨水溶液加入到上述溶液中，配制成氨水/氟化胺酸碱缓冲溶液。

2、取70g去离子水和86.8g的无水乙醇，混合均匀，再向其中加入3.64g的氨水/氟化胺溶液，超声混合均匀即得到催化剂溶液。取47g的正硅酸乙酯(TEOS)，加入86.8g的无水乙醇中，超声混合均匀得到前驱体溶液。将催化剂溶液加入前驱体溶液中，超声混合均匀后，快速倒入装有30cm*30cm*1mm无机纤维针刺毡的正方形模具中。静置5-30min得到复合凝胶。

3、向复合凝胶装置中加入适量无水乙醇溶液中陈化至少24h，每隔24h换一次乙醇溶液，换4次。采用无水乙醇为超临界溶剂，在260℃下进行超临界干燥，得到超薄大尺寸的复合毡。

4、将两块30cm*30cm*1mm的超薄复合毡固定于酚醛发泡板材模具的上下表面，调整好间距(约20mm)，然后将酚醛发泡原料搅拌均匀涂覆于下表面的复合毡上，最后在室温中静置一段时间发泡成型，即可得到一体成形的双层无机复合毡包覆的单层酚醛泡沫复合板。

【实施例2】：

前1-3步类同实施例1，在第4步中将一块30cm*30cm*1mm的超薄复合毡固定于酚醛发泡板材模具的中间，调整好与上下表面的间距(约15mm)，然后将酚醛发泡原料搅拌均匀涂覆于复合毡的上下表面，最后在室温中静置一段时间发泡成型，即可得到一体成形的单层无机复合毡和双层酚醛泡沫复合夹心板。

【实施例3】：

整体流程类似于实施例1，只是在第4步中将酚醛发泡板材换成聚氨脂发泡板材。即可得到一体成形的双层无机复合毡包覆的单层聚氨脂泡沫复合板。

【实施例4】：

整体流程类似于实施例2，只是在第4步中将酚醛发泡板材换成聚氨脂发泡板材。即可得到一体成形的单层无机复合毡和双层聚氨脂泡沫复合夹心板。上述实施例的性能测试数据如表1所示：

表1

编号	种类	压缩强度MPa	氧指数％	闭孔率％	导热系数w/(mk)
						1	实施例1	0.1392	51.5	86.19	0.028
2	实施例2	0.1453	50.5	88.26	0.026
						3	实施例3	0.1243	51.3	85.31	0.029
4	实施例4	0.1264	50.3	89.35	0.028

本发明的制备成本低，工艺简单，条件温和，适合批量化生产，在建筑、交通运输、石油化工、航空航天、能源领域具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种阻燃的纳米孔SiO₂多级复合绝热板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

第一步：按照原料重量百分比称取纳米孔SiO₂的原料，配制均匀的纳米孔SiO2溶胶溶液；

第二步：将配制好的纳米孔SiO₂溶胶快速倾倒入装有一定尺寸大小的无机纤维针刺毡的模具中，抽真空浸渍5-30min，得到纳米孔SiO₂复合的凝胶，静置凝胶5min-240min；

第三步：将第二步中复合的凝胶先在无水乙醇中陈化24h，每隔24h换一次无水乙醇溶液，换2-4次后，放置于超临界釜中进行超临界干燥，得到超轻纳米孔SiO₂/无机纤维针刺毡的复合毡；

第四步：将一定尺寸的超薄纳米孔SiO₂/无机纤维针刺毡的复合毡作为模具底衬，在其上面进行有机泡沫的发泡，利用有机泡沫本身的粘结性能制备得到外面包覆超薄复合毡的阻燃的多级复合绝热板。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一步具体为：按照原料配比称取适量正硅酸乙酯、水、无水乙醇，超声混合均匀后，加入适量的碱催化剂氟化铵/氨水，再次超声混合均匀后得到均匀的纳米孔SiO2溶胶溶液，所述原料配比为：

正硅酸乙酯：7.67wt％-8.31wt％；

无水乙醇：28.32wt％-30.68wt％；

水：11.42wt％-12.37wt％；

氟化铵/氨水：0.009wt％/0.10wt％-0.010wt％/0.11wt％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法制备的多级复合绝热板包括单层的有机泡沫内芯与多层的超薄无机包覆层复合、多层的有机泡沫内芯与单层的超薄无机包覆层复合、多层的有机泡沫内芯与多层的超薄无机包覆层复合。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的有机泡沫内芯为聚氨酯和酚醛泡沫中的一种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述有机泡沫内芯的厚度在20-50mm之间。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的超薄无机包覆层为复合毡，所述复合毡采用纳米孔SiO2/无机纤维针刺毡复合材料，所述复合毡的厚度在0.5-2mm之间。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述无机纤维为玻璃纤维，高硅氧纤维，陶瓷纤维中的一种。