CN103964814A - 一种纳米绝热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米绝热材料，由55~60重量份纳米SiO₂、35~55重量份复合红外遮光材料、和1-5重量份莫来石晶体纤维组成，复合红外遮光材料由10~15重量份ZrSiO₄、10~15重量份ZrO₂、和7~25重量份TiO₂组成。本发明既满足钢铁、有色金属、石油化工、水泥建材、及电力行业等热工设备对绝热材料极低导热系数的要求，同时又能保证在较高温度下使用，达到节能、环保、节约热工设备空间、安全的目的。

Description

一种纳米绝热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种绝热材料，尤其是一种纳米绝热材料及其制备方法。

背景技术

热工设备涉及到钢铁、有色金属、石油化工、水泥建材、电力等各个领域，是工艺过程中必不可少的重要设备，其主要特点是高温作业，与环境温度相差极大，甚至可达1700℃以上，巨大的温差导致工艺过程中大量热量损失。

随着对热工设备进行节能降耗、及环境保护和提高经济效益要求的不断提高，开发和使用绝热保温材料十分必要，相继开发出各种保温材料用于热工设备，如矿棉、硅酸铝纤维棉、高铝纤维棉、莫来石晶体纤维棉、轻质浇注料、泡沫耐火砖、空心球耐火砖等。这些保温材料的采用，极大地减少了热工设备热量损失。但是这些传统保温材料由于导热系数并不是十分低，绝热保温效果有限，往往为了减少热损失，被迫加大保温层的厚度，这样使得热工设备的有效空间减小，影响作业率和经济效益，或者加大了热工设备的体积，增大设备投入，体积增大对空间要求高，如军舰等，更为不利。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的之一是提供一种具有极低导热系数、高温下使用安全、可靠的纳米绝热材料。

一种纳米绝热材料，由50~60重量份纳米SiO₂、优选55重量份，35~45重量份复合红外遮光材料、优选42重量份，和1-5重量份莫来石晶体纤维，优选3重量份组成，其中，上述复合红外遮光材料由10 ~ 15重量份ZrSiO₄、优选15重量份，10~ 15重量份ZrO₂、优选15重量份，和7~25重量份TiO₂，优选12重量份组成。

上述纳米绝热材料可以制备为绝热板的形式。

从成本因素考虑，纳米SiO₂ 可选用多晶硅生产的副产物；从成本因素和分散性考虑，莫来石晶体纤维可选用胶体法喷吹制得的莫来石晶体纤维；复合红外遮光材料ZrSiO₄ 、ZrO₂ 、TiO₂可选用气相沉积法制得的ZrSiO₄ 、ZrO₂ 、TiO₂。

本发明的目的之二在于提供一种上述纳米绝热材料的制备方法。

一种上述纳米绝热材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）分散莫来石晶体纤维：将莫来石晶体纤维超声分散1-10分钟，优选3分钟；

（2）混合：将步骤（1）的分散后的莫来石晶体纤维、和纳米SiO₂、复合红外遮光材料同时缓慢加入混料机，混合均匀。

本制备方法的关键在于将分散后的莫来石晶体纤维、纳米SiO₂和复合红外遮光材料同时缓慢加入混料机中，从而克服了现有技术莫来石晶体纤维不易达到高分散，或为了高分散迫使长时间高强度搅拌导致纤维断裂的难题。纤维和纳米材料同时加入能缩短一半的混合、搅拌时间。

上述步骤（2）的混合步骤可以通过两个加料容器来实现，分散后的莫来石晶体纤维在一个加料容器中，纳米SiO₂和复合红外遮光材料在另一个加料容器中，两个加料容器同时缓慢加入混料机中，从而实现原料的同时缓慢加入。

上述制备方法还可以包括（3）压制成型步骤来制备纳米绝热板，并优选地还包括（4）抽真空步骤。

上述步骤（3）压制成型步骤具体可以为：将模具固定在液压机上，并在模具中铺上塑料膜，放入步骤（2）得到的绝热材料，放入的材料与模具高度一致即可，刮板，找平，液压机压制。

上述步骤（4）抽真空步骤具体可以为：将压制成型的绝热板覆盖塑料膜，热烫封边，留小孔，接入真空泵，抽气，封口。

对于绝热材料而言，热运动主要有三个途径:（1）热传导，主要由绝热材料中的固体部分来完成;（2）热对流，主要由绝热材料中的空气来完成;（3）热辐射，它的传递不需要任何介质。因此，要实现超级绝热的目的，一是要使材料在保持足够的机械强度的同时，其体积密度应尽可能小；二是要将空气的对流减弱到极限；三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射经发射、散射和吸收而降到最低。

纳米SiO₂ 粒子经压制后的空隙小于100nm，这时大部分气孔尺寸小于气体分子的平均自由程，纳米孔使得热流只能沿着气孔内壁传递，“无穷多”的气孔壁既散射了部分“声子”，又使得热流传导路径“无穷长”，表现出比静止空气的导热系数还要低的绝热效果（常温下静态空气的导热系数为0.026w/mK）。

当热辐射投射到物体表面时，会被分解为吸收能量、反射能源和通过能量三部分，物体对热辐射的吸收比α、反射比κ及透过比τ的关系为α+κ+τ=C （C为常数）。斯蒂芬-波尔兹曼定律揭示热辐射量与温度T的4次方成正比，高温下热传递主要是通过辐射传热完成，可见当添加红外遮光材料时，物体对红外辐射的反射比增大，透过比减少，即红外辐射作用被削弱，材料的导热系数被降低。

研究表明，采用复合红外遮光材料，能显著降低材料的消光系数，降低热量的透过比，从而实现材料极低的导热系数，达到超级绝热的目的。几种材料的选择和配比也在效果方面具有重要的意义。实验证实，本发明的复合红外遮光材料的配比，在较高温度下比较，绝热效果显著，如热面温度为1200℃时，加入42重量份ZrSiO₄，冷面温度为147℃；加入30重量份ZrSiO₄、12重量份ZrO₂，冷面温度为121℃；加入15重量份ZrSiO₄、15重量份ZrO₂和12重量份TiO₂，冷面温度为92℃。

目前，在绝热材料领域，为了优化纳米绝热板的成型工艺和提高绝热板的强度，都通过加入玻璃纤维的方式。然而，由于玻璃纤维熔点较低，大大限制了材料的使用范围。本发明加入莫来石晶体纤维代替玻璃纤维，提高了纳米绝热板的使用温度。

进一步地，使用莫来石晶体纤维代替玻璃纤维，对于绝热板的制备工艺提出了挑战，由于莫来石晶体纤维的脆性大，在加入莫来石晶体纤维制备绝热板的过程中存在分散的困难，纤维不能高分散，易团聚，就难以达到弥撒增韧、增强的目的，本发明采用了首先对莫来石晶体纤维进行超声振动分散，再同时缓慢将分散后的莫来石晶体纤维和其他原料同步缓慢加入混料机的制备方式。

综上，本发明提供一种以纳米材料、复合红外遮光体和莫来石晶体纤维为原料，组配以一定比例制成纳米超级绝热材料的方法。

本发明既满足钢铁、有色金属、石油化工、水泥建材、及电力行业等热工设备对绝热材料极低导热系数的要求，同时又能保证在较高温度下使用，达到节能、环保、节约热工设备空间、安全的目的。

本发明的有益效果为：

（1）、解决了钢铁、有色金属、石油化工、水泥建材、及电力行业等热工设备对绝热材料极低导热系数的要求，达到节能、环保的目的。

（2）、保证在较高温度下使用安全、可靠。

（3）、节约热工设备空间：微米级原料及复合红外遮光材料的应用，绝热效果有了显著提高，导热率只有现常用的陶瓷纤维制品的1/2-1/10，特别适合用于绝热要求高、结构空间有限或要求释放自由空间的热工装备上，其保温、节能效果极佳。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

称取50份纳米SiO₂、15份ZrSiO₄、15份ZrO₂、17份TiO₂、3份莫来石晶体纤维，将莫来石晶体纤维经超声振动分散3分钟后，各原料同步缓慢放入混料机中混合，模具中铺上塑料膜，放入混合均匀的原料，放入的原料与模具高度一致即可，开启自动刮板，找平，开启液压机压制，将压制成型妥的绝热板覆盖塑料膜，热烫封边，留1cm长度小孔，接入真空泵，抽气2分钟，封口，制备得到纳米绝热板1。

实施例2

称取55份纳米SiO₂、15份ZrSiO₄、15份ZrO₂、12份TiO₂、3份莫来石晶体纤维，将莫来石晶体纤维超声振动分散3分钟后，各原料同步缓慢放入混料机中混合，模具中铺上塑料膜，放入混合均匀的原料，放入的原料与模具高度一致即可，开启自动刮板，找平，开启液压机压制。将压制成型妥的绝热板覆盖塑料膜，热烫封边，留1cm长度小孔，接入真空泵，抽气2分钟，封口，制备得到纳米绝热板2。

实施例3

称取60份纳米SiO₂、15份ZrSiO₄、15份ZrO₂、7份TiO₂、3份莫来石晶体纤维，将莫来石晶体纤维超声振动分散3分钟后，各原料同步放入混料机中混合，模具中铺上塑料膜，放入混合均匀的原料，放入的物料与模具高度一致即可，开启自动刮板，找平，开启液压机压制，将压制成型妥的绝热板覆盖塑料膜，热烫封边，留1cm长度小孔，接入真空泵，抽气2分钟，封口，制备得到纳米绝热板3。

实施例4 实施例1-3的纳米绝热板的绝热试验

实验方法：共设4个处理，重复3次，测试其物理性能和保温效果。

处理1：普通纤维绝热板；

普通纤维绝热板配方为：硅酸铝纤维60%、粘土粉30%（小于0.088mm）、硅溶胶10%。

处理2：实施例1的纳米超级绝热板1。

处理3：实施例2的纳米超级绝热板2。

处理4：实施例3的纳米超级绝热板3。

测试结果如表1和表2所示。

表1纳米超级绝热板的物理性能(板厚10mm)

编号	处理	线收缩率（%,1100℃,3h）	体积密度(g/cm3)	导热系数（w/m.k 800℃）	耐压强度（MPa）
						1	普通纤维绝热板	94	0.67	0.76	1.17
2	纳米超级绝热板1	21	0.19	0.033	1.98
						3	纳米超级绝热板2	27	0.21	0.056	1.88
4	纳米超级绝热板3	29	0.26	0.075	1.82

表2纳米超级绝热板的保温效果(板厚10mm)

编号	处理	冷面温度（热面温度600℃）	冷面温度(热面温度800℃)	冷面温度（热面温度1000℃）	冷面温度（热面温度1200℃）
						1	普通纤维绝热板	166	196	236	289
2	纳米超级绝热板1	53	61	69	77
						3	纳米超级绝热板2	68	79	92	112
4	纳米超级绝热板3	72	88	103	135

从试验结果表明，本发明实施例1-3的纳米超级绝热板的物理性能显著优于普通纤维绝热板，尤其是高温下，复合红外遮光体的加入，保温效果尤为显著。

此外，经计算得到，纳米超级绝热板1的成本为335元/m²; 纳米超级绝热板2的成本为287元/m²，纳米超级绝热板3的成本为231元/m²（厚度10mm），综合考虑，纳米超级绝热板2在经济因素方面占有较大的优势。

对比例1

利用3重量份硅酸铝纤维代替实施例1的3重量份莫来石晶体纤维，试验结果表明，1100℃烧后线收缩率为66%；利用3重量份高铝纤维代替实施例1的3重量份莫来石晶体纤维，1100℃烧后线收缩率为48%。可见莫来石晶体纤维能显著提高材料的使用温度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种纳米绝热材料，其特征在于，由50~60重量份纳米SiO₂、35~45重量份复合红外遮光材料、和1-5重量份莫来石晶体纤维组成，所述复合红外遮光材料由10 ~ 15重量份ZrSiO₄、10~ 15重量份ZrO₂、和7~25重量份TiO₂组成。

2.如权利要求1所述的一种纳米绝热材料，其特征在于，由55重量份纳米SiO₂、15重量份ZrSiO₄、15重量份ZrO₂、12重量份TiO₂、和3重量份莫来石晶体纤维组成。

3.如权利要求1或2所述的一种纳米绝热材料，其特征在于，所述绝热材料为绝热板。

4.一种如权利要求1所述的纳米绝热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）分散莫来石晶体纤维：将莫来石晶体纤维超声分散1-10分钟；

（2）混合：将步骤（1）的分散后的莫来石晶体纤维、和纳米SiO₂、复合红外遮光材料同时缓慢放入混料机，混合均匀。

5.如权利要求4所述的一种纳米绝热材料的制备方法，其特征在于，还包括（3）压制成型步骤。

6.如权利要求5所述的一种纳米绝热材料的制备方法，其特征在于，还包括（4）抽真空步骤。

7.如权利要求4-6中任一权利要求所述的一种纳米绝热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的超声分散时间为3分钟。