CN104086116A - 纳米微孔绝热板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

纳米微孔绝热板及其制备方法，该绝热板由20~35%高岭土、50~65%白炭黑和纳米级SiO₂粉、5~15%聚丙烯纤维、3~5%耐火纤维棉和5~10%粘接剂组成，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1；其制备过程通过磨制、混料和等静压成型制成半成品，并经烘干、切割和包装后制成成品，该成品800℃时的加热线收缩≤1.9%，加热线收缩小而均匀；而且使用过程不易氧化、掉渣，热稳定性好；本发明绝热板中的纳米微孔结构延长了热量的传导路径，可得到较低的固体传导率，该微孔结构能够提供产品的绝热性能，其导热率仅为陶瓷纤维的三分之一。

Description

纳米微孔绝热板及其制备方法

技术领域

本发明涉及轻质材料领域，具体的说是一种纳米微孔绝热板及其制备方法。

背景技术

传统上将室温（25℃）导热系数小于0.23W/m·k的材料成为绝热材料。绝热材料被广泛应用于工业窑炉中，窑炉设备是投资大、耗能大的关键设施，一般占工业能耗的50~60%，其性能的优劣直接影响能耗高低和产品的质量，其炉衬材料一般采用聚苯泡沫保温板、聚氨酯保温板、陶瓷纤维（即硅酸铝纤维）和聚苯板等，聚苯板是由聚苯乙烯泡沫塑料经破碎而成的颗粒，经水泥、水、以及相应的助剂等材料，经加工而成的隔热材料。这些材料耐高温性能差，绝热性能欠佳，易老化、开裂，陶瓷纤维的导热率较高；还有如美国专利US 6468205采用至少一层气凝胶颗粒层和至少另外一层间隔物组成，气凝胶颗粒层为气凝胶颗粒层与粘接剂混合成型，所制备的多层材料具有较低的导热系数，但由于气凝胶粉体强度不足，必须包覆使用，实用性欠佳。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种导热系数低、且易于切割成型的纳米微孔绝热板及其制备方法。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：纳米微孔绝热板，由高岭土、白炭黑和纳米级SiO₂粉、聚丙烯纤维、耐火纤维棉和粘接剂组成，各原料的重量占原料总重量的百分比为：高岭土20~35%，白炭黑和纳米级SiO₂粉50~65%，聚丙烯纤维5~15%，耐火纤维棉3~5%，粘接剂5~10%，其中，高岭土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1，纳米级SiO₂粉的粒径为10~20nm，白炭黑的粒径为20~60nm。

上述高岭土的化学组成为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

一种纳米微孔绝热板的制备方法，利用纳米复合工艺生产出纳米微孔绝热板，包括以下步骤：步骤一、按照上述配比称取各原料，备用；

步骤二、将步骤一称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO₂粉，混合均匀，备用；

步骤三、将步骤二的混合物料投入研磨机中研磨1.5~2h，然后将研磨物料和步骤一称取的粘接剂加入到混炼机中进行混炼10~15min；

步骤四、将混炼后的物料装入弹性模具中，将封闭后的弹性模具置于内压力为200~240MPa的容器中加压2~3min，在弹性模具中制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；

步骤五、将烘干后的板体用平板机切割后，通过封装机包装后裁边、拣选入库。

上述制备方法制得的是一种高性能的绝热板，质量较轻，导热系数低，保温效果相当于常规聚苯板的5倍，挤塑板的4倍，聚氨酯的2.8倍，是基于纳米微孔原理制备而成的窑炉专用材料。

本发明的纳米微孔绝热板由高岭土、白炭黑和纳米级SiO₂粉、聚丙烯纤维、耐火纤维棉和粘接剂制成，利用高岭土和白炭黑形成纳米机制两个组成部分，通过磨制、混料和等静压成型制成半成品，并经烘干、切割和包装后制成成品。其中，白炭黑和纳米级SiO₂粉的纳米颗粒级配，使得二者在成品中均匀的分散，二氧化硅表面的化学键相互结合，并形成链状纳米微孔结构，由不同粒径的二氧化硅纳米颗粒形成不同结构的纳米颗粒链最终相互混合成型，这些纳米颗粒链能够改变红外线在其颗粒表面的折射方向；而且二氧化硅微小颗粒的堆积，形成一些封闭的空间，阻止气体分子将热量通过运动传递。原料中以聚丙烯纤维作为有机添加剂，使所制得的成品具有阻燃作用。

有益效果：其一、本发明利用白炭黑和纳米级SiO₂粉，形成链状的纳米微孔结构，一方面能够延长热量的传导路径和热辐射，另一方面，封闭微孔结构能够抑制气体分子的碰撞和对流。其二、由于纳米微孔结构延长了热量的传导路径，纳米微孔结构根据固体传导率与穿过传导路径的面积成正比、与传导路径的直径成反比这两个原理，可得到较低的固体传导率，该微孔结构能够提供产品的绝热性能，其导热率仅为陶瓷纤维的三分之一。其三、所制得的纳米微孔绝热板，200℃时导热系数≤0.020W/m.k，400℃时导热系数≤0.022W/m.k，600℃时导热系数≤0.024W/m.k，800℃时导热系数≤0.028W/m.k，1000℃时导热系数≤0.035W/m.k，800℃时的加热线收缩≤1.9%，加热线收缩小而均匀；而且使用过程不易氧化、掉渣，热稳定性好。其四、安装使用方便，易于切割成型。

具体实施方式

纳米微孔绝热板，由高岭土、白炭黑和纳米级SiO₂粉、聚丙烯纤维、耐火纤维棉和粘接剂组成，各原料的重量占原料总重量的百分比为：高岭土20~35%，骨料50~65%，聚丙烯纤维5~15%，耐火纤维棉3~5%，粘接剂5~10%，其中，高岭土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1，纳米级SiO₂粉的粒径为10~20nm，，白炭黑的粒径为20~60nm，炭黑和纳米级SiO₂粉的化学成分为：SiO₂≥99%。

进一步的，上述高岭土的组成成分及各成分的重量百分比为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

本发明所制得的纳米微孔绝热板，是一种耐高温纳米微孔隔热材料，微粉状高岭土具有良好的可塑性和粘结性，聚丙烯纤维和耐火纤维棉可增加绝热板的强度。

实施例1

纳米微孔绝热板，按重量百分比，由20%的高岭土、65%的白炭黑和纳米级SiO₂粉、5%的聚丙烯纤维、5%的耐火纤维棉和5%的粘接剂组成，其中，高岭土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1，所述高岭土的化学组成为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

纳米微孔绝热板的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照上述配比称取各原料，备用；

步骤二、将步骤一称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO₂粉，混合均匀，备用；

步骤三、将步骤二的混合物料投入研磨机中研磨2h，然后将研磨物料加入到混炼机中进行混炼15min，混炼的过程加入步骤一所称取的粘接剂；

步骤四、将混炼后的物料通过等静压成型法制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；

步骤五、将烘干后的板体用平板机运载切割，通过封装机包装后裁边、拣选入库。

上述步骤四中，等静压成型法是将混炼后的物料装入弹性模具内，将弹性模具口封闭严紧，置于高压容器内，然后将高压容器入口封闭，用超高压泵打入加压介质油，使容器内压力升高到200~240MPa，高压器内的液体介质对弹性模具从各个方向均匀加压，在2~3min后，再将加压介质油放出，然后打开设备容器口，从弹性模具中取出成型好的板体。

实施例2

纳米微孔绝热板，按重量百分比，由24%的高岭土、55%的白炭黑和纳米级SiO₂粉、10%的聚丙烯纤维、4%的耐火纤维棉和7%的粘接剂组成，其中，高岭土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1，所述高岭土的化学组成为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

纳米微孔绝热板的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照上述配比称取各原料，备用；

步骤二、将步骤一称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO₂粉，混合均匀，备用；

步骤三、将步骤二的混合物料投入研磨机中研磨2h，然后将研磨物料和步骤一称取的粘接剂加入到混炼机中进行混炼15min；

步骤四、将混炼后的物料装入弹性模具中，将封闭后的弹性模具置于内压力为230MPa的容器中加压3min，在弹性模具中制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；

步骤五、将烘干后的板体用平板机运载切割，通过封装机包装后裁边、拣选入库。

所制得的纳米微孔绝热板，具有热导率低，加热线性收缩小而均匀，无氧化，不掉渣，热稳定性好、绝热效果好、质轻等质量特性。本产品运用纳米技术，适量加入聚丙烯纤维与耐火纤维棉配以有机添加剂，混合均匀，与最常用的硅酸铝纤维相比，它的导热率只有后者的1/3。因此非常适合绝热要求高，空间要求紧凑的各种热工设施。另外，微孔技术的革新能更好的提高制品的绝热性能，降低制品的热导率。

实施例3

纳米微孔绝热板，按重量百分比，由35%的高岭土、50%的白炭黑和纳米级SiO₂粉、6%的聚丙烯纤维、3%的耐火纤维棉和6%的粘接剂组成，其中，耐火粘土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1，所述高岭土的化学组成为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

纳米微孔绝热板的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照上述配比称取各原料，备用；

步骤二、将步骤一称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO₂粉，混合均匀，备用；

步骤三、将步骤二的混合物料投入研磨机中研磨2h，然后将研磨物料和步骤一称取的粘接剂加入到混炼机中进行混炼15min；

步骤四、将混炼后的物料装入弹性模具中，将封闭后的弹性模具置于内压力为240MPa的容器中加压3min，在弹性模具中制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；

步骤五、将烘干后的板体用平板机运载切割，通过封装机包装后裁边、拣选入库。

实施例4

纳米微孔绝热板，按重量百分比，由22%的高岭土、50%的白炭黑和纳米级SiO₂粉、15%的聚丙烯纤维、3%的耐火纤维棉和10%的粘接剂组成，其中，耐火粘土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1，所述高岭土的化学组成为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

纳米微孔绝热板的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照上述配比称取各原料，备用；

步骤二、将步骤一称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO₂粉，混合均匀，备用；

步骤三、将步骤二的混合物料投入研磨机中研磨2h，然后将研磨物料和步骤一称取的粘接剂加入到混炼机中进行混炼15min；

步骤四、将混炼后的物料装入弹性模具中，将封闭后的弹性模具置于内压力为220MPa的容器中加压3min，在弹性模具中制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；

步骤五、将烘干后的板体用平板机运载切割，通过封装机包装后裁边、拣选入库。

本发明所制得的绝热板可用于工业窑炉，其所产生的效果表征如下：其一、能够减少窑炉中隔热层的厚度，使隔热装置小型化，增加装置的容积；其二、减少蓄热量，大幅度缩短窑炉的升温时间，不仅取得节能效果，还能提高生产力，易于进行温度控制；其三、减少散热表面积，大幅减少热损失，可以降低窑炉的表面温度，改善作业环境；其四、能够使温度最大限度的实现均匀化，其结果可以使窑炉内的金属溶液、玻璃溶液等热处理产品温度更均匀，提高产品质量。

纳米二氧化硅在成品中形成的纳米微孔结构，具有很高的孔隙率和较低的体密度，能够有效地阻隔热量的传导。经检测，本发明实施例1~4所制得的纳米微孔绝热板性能参数为：密度为220~250kg/m³，使用温度≤1000℃，常温下抗压强度为0.8~1.2MPa，常温下导热率≤0.008W/m·k，800℃时的加热线收缩≤1.9%。

Claims (4)

1.纳米微孔绝热板，其特征在于：由高岭土、白炭黑和纳米级SiO₂粉、聚丙烯纤维、耐火纤维棉和粘接剂组成，各原料的重量占原料总重量的百分比为：高岭土20~35%，白炭黑和纳米级SiO₂粉50~65%，聚丙烯纤维5~15%，耐火纤维棉3~5%，粘接剂5~10%，其中，高岭土的细度为320目筛余≤5%，白炭黑和纳米级SiO₂粉的重量比例为1:1。

2.根据权利要求1所述的纳米微孔绝热板，其特征在于：所述高岭土的化学组成为：Al₂O₃≥42%，Fe₂O₃≤0.8%，TiO₂≤1.0%，R₂O≤1.0%。

3.根据权利要求1所述的纳米微孔绝热板，其特征在于：所述纳米级SiO₂粉的粒径为10~20nm，白炭黑的粒径为20~60nm。

4.根据权利要求1所述的纳米微孔绝热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照权利要求1中的配比称取各原料，备用；

步骤二、将步骤一称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO₂粉，混合均匀，备用；

步骤三、将步骤二的混合物料投入研磨机中研磨1.5~2h，然后将研磨物料和步骤一称取的粘接剂加入到混炼机中进行混炼10~15min；

步骤四、将混炼后的物料装入弹性模具中，将封闭后的弹性模具置于内压力为200~240MPa的容器中加压2~3min，在弹性模具中制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；

步骤五、将烘干后的板体用平板机切割后，通过封装机包装后裁边、拣选入库。