CN104478395A - 一种复合SiO2气凝胶隔热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发公开了一种复合SiO₂气凝胶隔热材料及其制备方法，涉及隔热窗和壁面的保温隔热材料领域。本发明由以下重量份数的原料配比而成：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80～100份，水玻璃20～40份，增强剂20～30份，分散剂1～2份，无水乙醇20～40份，第一改性剂20～40份，第二改性剂20～40份，催化剂10～20份。本发明成本低，保温性好，其他指标均好于目前保温隔热材料。在建筑保温方面不但节约材料、方便施工、同时减少了白色污染。提高了气凝胶的力学性能，使产品表面平整，结构均匀，收缩率小，稳定性好，并且简化了制造工艺和设备，使生产成本大幅降低，环保无污染，使气凝胶成为建筑保温隔热材料变为现实。

Description

一种复合SiO2气凝胶隔热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及隔热窗和壁面的保温隔热材料领域，特别涉及一种复合SiO₂气凝胶隔热材料及其制备方法。

背景技术

我国每年城乡新建房屋面积近20亿平方米,95％以上是高能耗建筑,单位建筑面积能耗是发达国家的2～3倍以上。建筑能耗主要来自窗户和壁面。按照《建筑节能标准》要求,如此巨大的建筑工程量，迫切需要大量的质量轻、环保、阻燃、力学性能好的材料，用于隔热保温窗和壁面保温隔热。目前建筑保温材料多以有机和无机两种材料为主，有机材料主要是泡沫塑料，它保温性能好，但主要缺点易燃、成本高、不能分解，会带来白色污染。无机材料多以珍珠岩、膨胀水泥、灰渣等，它们主要缺点是吸水、保温性能差、强度低。

资源、能源和环境问题制约我国经济和社会发展，建筑能耗(主要是建筑物窗户和壁面)是我国能源消耗中的重要组成部分，约占全社会总能耗的30％。因此提高建筑隔热材料的质量在节能环保方面起着至关重要的作用。

目前市场建筑隔热窗主要是工程塑料，缺点是易燃和废弃材料不降解，而造成白色污染。壁面保温隔热材料分为有机保温材料和无机保温材料两种；无机温材料有矿物棉、膨胀珍珠岩等，其价格低廉，但具有很强的亲水性，由于水的导热系数远高于膨胀珍珠岩材料，吸水后会导致其保温隔热性能急剧下降。同时膨胀珍珠岩为无机多孔物质,易破碎,在运输过程可能由于挤压或撞击而造成破碎。有机壁面隔热材料主要是泡沫塑料，它有较好保温隔热性能，但易燃，且施工十分复杂，废弃材料长期不能降解，而造成白色污染。

随着纳米技术的飞速发展,气凝胶作为一种新型的轻质纳米多孔性固态材料越来越引起人们的重视。它常温下热导率可低至0.013W/m·K，其保温性能是目前应用保温隔热材料的4-6倍。孔隙率可高达99％，比表面积高达1000m²/g，密度可低至0.003g/cm³,同时还具有良好的吸声、减震、无毒无味、阻燃、环保等和较好的力学性能。它将成为目前世界上最好隔热窗和壁面的保温隔热材料。由于气凝胶具有独特性质，它不但是保温隔热得到青睐，还在在热学、声学、光学、电学等领域获得更为广泛的应用。20世纪末气凝胶的研究非常活跃，在性能和基础研究上取得了注目的成就，被世界最权威杂志《科学》列为十大热门研 究之一。

由于目前气凝胶生产原料以硅酸酯为硅源，采用超临界干燥，生产成本高。产品仅用于尖端技术。

本发明利用价格低廉的水玻璃和水镁石为原料，采用溶胶-凝胶、常压干燥法，制备复合SiO₂气凝胶，不仅提高了气凝胶的力学性能，并且简化了制造工艺和设备，使生产成本大幅降低。使气凝胶成为建筑保温隔热材料变为现实。复合SiO₂气凝胶新材料的面世将会对全国甚至世界资源、能源的节约和环境保护具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用溶胶-凝胶、常压干燥法制备的复合SiO₂气凝胶，提高气凝胶的力学性能，使产品表面平整，结构均匀，收缩率小，稳定性好。并且简化制造工艺和设备，使生产成本大幅降低，环保无污染的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料及其制备方法，使气凝胶成为建筑保温隔热材料变为现实。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80～100份，水玻璃20～40份，增强剂20～30份，分散剂1～2份，无水乙醇20～40份，第一改性剂20～40份，第二改性剂20～40份，催化剂10～20份。

进一步的技术方案在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80份，水玻璃20份，增强剂20份，分散剂1份，无水乙醇20份，第一改性剂20份，第二改性剂20份，催化剂10份。

进一步的技术方案在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水100份，水玻璃40份,增强剂30份，分散剂2份，无水乙醇40份，第一改性剂40份，第二改性剂40份，催化剂20份。

进一步的技术方案在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水90份，水玻璃30份,增强剂25份，分散剂1.5份，无水乙醇30份，第一改性剂30份，第二改性剂30份，催化剂15份。

进一步的技术方案在于：所述的增强剂为水镁石纤维。

进一步的技术方案在于：所述的第一改性剂为三甲基氯硅烷。

进一步的技术方案在于：所述的第二改性剂为正己烷。

进一步的技术方案在于：所述的催化剂为硫酸、盐酸或硝酸中的任意一种。

进一步的技术方案在于：所述的分散剂为十二烷基硫酸钠或二辛基磺化琥珀酸钠的任意一种。

进一步的技术方案在于：所述的一种复合SiO2气凝胶隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加入适量份数的水镁石纤维和分散剂，将水镁石纤维进行劈分；

(2)将适量份数的去离子水和工业水玻璃混合到一起，搅拌均匀后加入劈分后的水镁石纤维，继续搅拌均匀；

(3)向步骤(2)中所得产物中加入适量份数的催化剂，调节PH值5-10左右，2-3小时后形成复合湿凝胶。

(4)向复合湿凝胶中加入适量份数的无水乙醇、三甲基氯硅烷和环己烷的混合溶液，浸泡48小时后洗涤。

(5)将步骤(4)制得的复合凝胶采用常压、常温下干燥，制得复合SiO₂气凝胶。

(6)将无水乙醇、三甲基氯硅烷和正己烷的混合溶剂进行回收，然后进行精馏分离后，循环使用。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明抗压强度22.3Mpa远高于GB-4272-1992要求无机隔热材料不低0.3MPa硬度标准，抗折强度达22.KN、收缩率4.4％，密度0.003/cm³、孔隙率84.3％、SiO2含量83％，大部分孔隙小于100nm、导热系数0.01-0.03W/m.K之间。本发明与目前市场上应用的其它保温隔热材料价格相仿，但保温性能是它们的4-6倍，其他指标均好于目前保温隔热材料，且施工方便。大规模生产成本下降，推动保温隔热材料领域应用，同时将带动气凝胶其它应用领域扩大和SiO2气凝胶产业的发展。在建筑保温方面不但节约材料、方便施工、同时减少了白色污染。提高了气凝胶的力学性能，使产品表面平整，结构均匀，收缩率小，稳定性好，并且简化了制造工艺和设备，使生产成本大幅降低，环保无污染，使气凝胶成为建筑保温隔热材料变为现实。

说明书附图 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的复合SiO₂气凝胶制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80～100份，水玻璃20～40份，增强剂20～30份，分散剂1～2份，无水乙醇20～40份，第一改性剂20～40份，第二改性剂20～40份，催化剂10～20份。

该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80份，水玻璃20份，增强剂20份，分散剂1份，无水乙醇20份，第一改性剂20份，第二改性剂20份，催化剂10份。

该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水100份，水玻璃40份,增强剂30份，分散剂2份，无水乙醇40份，第一改性剂40份，第二改性剂40份，催化剂20份。

该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水90份，水玻璃30份,增强剂25份，分散剂1.5份，无水乙醇30份，第一改性剂30份，第二改性剂30份，催化剂15份。

所述的增强剂为水镁石纤维，所述的第一改性剂为三甲基氯硅烷，所述的第二改性剂为正己烷，所述的催化剂为硫酸、盐酸或硝酸中的任意一种，所述的分散剂为十二烷基硫酸钠或二辛基磺化琥珀酸钠的任意一种。

该复合SiO2气凝胶隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加入适量份数的水镁石纤维和分散剂，将水镁石纤维进行劈分；

(2)将适量份数的去离子水和工业水玻璃混合到一起，搅拌均匀后加入劈分后的水镁石纤维，继续搅拌均匀；

(3)向步骤(2)中所得产物中加入适量份数的催化剂，调节PH值5-10左右，2-3小时后形成复合湿凝胶。

(4)向复合湿凝胶中加入适量份数的无水乙醇、三甲基氯硅烷和环己烷的混合溶液，浸泡48小时后洗涤。

(5)将步骤(4)制得的复合凝胶采用常压、常温下干燥，制得复合SiO₂气凝胶。

(6)将无水乙醇、三甲基氯硅烷和正己烷的混合溶剂进行回收，然后进行精馏分离后，循环使用。

水镁石纤维的耐热温度低于温石棉,但入值比温石棉小,可用于使用温度低水镁石纤维具良好的耐热性,脱水温度400～500℃,熔点1960℃，导热系数入＝0.131-0.213W/m.K,是良好的绝缘材料，且水镁石纤维具吸音、隔音性能,还具有耐燃、可抵抗明火、高温火焰,是很好的不燃、阻燃材料水镁石纤维的耐热温度低于温石棉,但入值比温石棉小,可用于使用温度低于600℃的保温材料。

水镁石纤维的纤维分散程度,其比表面积可在较大范围内变化具良好的劈分性、分散性,长度特佳,细度适中,经机械或化学分散打浆,分散性和打浆度会明显提高,适用于纺织(湿纺)、造纸。纤维具亲水性、吸湿性不强、吸油性较低,可做纸张、塑料、橡胶、油漆、涂料等填料。

本发明以廉价的水玻璃为硅源，蒸馏水为溶剂，水镁石纤维为增强剂，采用常压干燥法制备复合SiO₂气凝胶。简化复合SiO₂气凝胶制造工艺、设备。研究表面活性剂对水镁石纤维的化学分散技术，使水镁石纤维达到纳米劈分，且在气凝胶中呈弥散态分布，制得复合SiO₂气凝胶固体是一种水镁石纳米纤维增强的纳米孔无机材料。研究水量、纤维量的加入对气凝胶密度、孔隙率、收缩率以及抗折、抗压强度的影响。研究复合SiO₂气凝胶表面经疏水处理后对防水性能的提高。

本发明的工艺路线为：

1、使用分散剂实现对水镁石的纳米劈分；

以按纤维水镁石干料重加入15％的分散剂二辛基磺化琥珀酸钠为分散剂,通过搅拌分散、球磨、超声波分散等物理分散方法相互结合的工艺可以制备出长径比在70以上,单根直径在30nm左右的、非单根形式直径约在50～150nm的水镁 石纳米纤维。

2、采用溶胶-凝胶法制备复合SiO2气凝胶；

将去离子水和工业级水玻璃按照体积比100：25加入水镁石纳米纤维混合搅拌加入催化剂如硫酸、盐酸pH值为5～10的硅酸将硅酸静置得到凝胶将制备的湿凝胶

3、对复合SiO2气凝胶进行表面疏水处理，增强耐水性；

向复合湿凝胶中加入无水乙醇、三甲基氯硅烷[(CH₃)₃SiClTMCS]/C₆H₁₄正己烷的混合溶液，将混合溶液倒入盛有湿凝胶的模具中,室温下静置一段时间,然后在在常温、常压下干燥，制得复合气凝胶。

4、混合溶液回收循环使用。

乙醇、三甲基氯硅烷、环己烷等溶剂使用后经精馏分离后，循环使用。

本发明的技术关键：：

(1)减小SiO₂水凝胶内部液体表面张力。经水解缩聚形成的湿凝胶网络孔洞中充满的溶剂主要是水和醇,由于水的表面张力大,易在干燥过程中造成凝胶开裂破碎。可通过加入一些乙醇和正己烷等降低凝胶内部液体的表面张力。

(2)增加SiO₂水凝胶骨架强度。通过优化制备工艺和材料配比,从而改善凝胶网络骨架密度,增加骨架的柔韧性,使凝胶的结构稳定性得到提高。

(3)使SiO₂凝胶孔径分布均匀。凝胶孔径分布不均匀易造成网络内部应力的不均衡,从而产生巨大的毛细压力差,使凝胶在干燥时收缩开裂。可在溶胶-凝胶过程中添加化学干燥控制剂,使湿凝胶网络孔道均匀,从而减少干燥过程中凝胶破裂的可能性。

创新点：

1、采用廉价水玻璃和水镁石纤维生产复合SiO₂气凝胶为原料，降低了原料成本。

2、实现复合SiO₂气凝胶常压、常温干燥，简化了制备工艺和设备。

3、采用参杂水镁石来增强改变复合SiO₂气凝胶力抗压和抗折强度。

制备条件对凝胶的影响：

溶胶-凝胶化过程发生的水解和缩聚反应是同时进行的化学反应,反应物的配比和pH值对其结构有很大的影响。水的用量对凝胶时间和干燥后的缩裂和成块性的影响，水的加入量大会导致水解缩聚反应速度加快,同时也会导致干燥后的气凝胶产生大的缩裂,影响其成块性,这是由于在水凝胶孔洞内含有大量水分 子增加了孔洞内和孔洞间的毛细张力。因此,pH值一定的条件下,减少水的用量,可以减少二氧化硅气凝胶的收缩和开裂,但是参加反应的水也不能太少,过少则使先驱体不能凝胶。凝胶时间与温度pH值都有关系，在25℃、pH值小于5时完全不能凝胶；pH值为10～13时,随着pH值的升高凝胶时间急剧缩短；当pH值为11～13时,凝胶时间只有几分钟。因此,在实验中控制SiO₂溶液pH值为5-10左右。

本发明抗压强度22.3Mpa远高于GB-4272-1992要求无机隔热材料不低0.3MPa硬度标准，抗折强度达22.KN、收缩率4.4％，密度0.003/cm³、孔隙率84.3％、SiO2含量83％，大部分孔隙小于100nm、导热系数0.01-0.03W/m.K之间。本发明与目前市场上应用的其它保温隔热材料价格相仿，但保温性能是它们的4-6倍，其他指标均好于目前保温隔热材料，且施工方便。大规模生产成本下降，推动保温隔热材料领域应用，同时将带动气凝胶其它应用领域扩大和SiO2气凝胶产业的发展。在建筑保温方面不但节约材料、方便施工、同时减少了白色污染。提高了气凝胶的力学性能，使产品表面平整，结构均匀，收缩率小，稳定性好，并且简化了制造工艺和设备，使生产成本大幅降低，环保无污染，使气凝胶成为建筑保温隔热材料变为现实。

Claims (10)

1.一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80～100份，水玻璃20～40份，增强剂20～30份，分散剂1～2份，无水乙醇20～40份，第一改性剂20～40份，第二改性剂20～40份，催化剂10～20份。

2.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水80份，水玻璃20份，增强剂20份，分散剂1份，无水乙醇20份，第一改性剂20份，第二改性剂20份，催化剂10份。

3.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水100份，水玻璃40份,增强剂30份，分散剂2份，无水乙醇40份，第一改性剂40份，第二改性剂40份，催化剂20份。

4.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：该材料由以下重量份数的原料配比而成：蒸馏水90份，水玻璃30份,增强剂25份，分散剂1.5份，无水乙醇30份，第一改性剂30份，第二改性剂30份，催化剂15份。

5.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：所述的增强剂为水镁石纤维。

6.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：所述的第一改性剂为三甲基氯硅烷。

7.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：所述的第二改性剂为正己烷。

8.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：所述的催化剂为硫酸、盐酸或硝酸中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的一种复合SiO₂气凝胶隔热材料，其特征在于：所述的分散剂为十二烷基硫酸钠或二辛基磺化琥珀酸钠的任意一种。

10.根据权利要求1～9所述的一种复合SiO2气凝胶隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加入适量份数的水镁石纤维和分散剂，将水镁石纤维进行劈分；

(2)将适量份数的去离子水和工业水玻璃混合到一起，搅拌均匀后加入劈分后的水镁石纤维，继续搅拌均匀；

(3)向步骤(2)中所得产物中加入适量份数的催化剂，调节PH值5-10左右，2-3小时后形成复合湿凝胶。

(4)向复合湿凝胶中加入适量份数的无水乙醇、三甲基氯硅烷和环己烷的混合溶液，浸泡48小时后洗涤。

(5)将步骤(4)制得的复合凝胶采用常压、常温下干燥，制得复合SiO₂气凝胶。

(6)将无水乙醇、三甲基氯硅烷和正己烷的混合溶剂进行回收，然后进行精馏分离后，循环使用。