CN104496399B - 一种气凝胶建筑保温隔热复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气凝胶建筑保温隔热复合材料及制备方法,该方法包括:提供含二氧化硅气凝胶的水性浆料,所述水性浆料是主要由二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合形成的稳定分散体系;向所述水性浆料内加入呈粉体状或流体状的建筑材料,并均匀混合形成混合物料;以及,将所述混合物料干燥成型,获得所述气凝胶建筑保温隔热复合材料。本发明的制备工艺简单易操作,可控性好,成本低廉,并且所获产品具有轻质、高强度、保温隔热性能优良且均一等优点。
Description
技术领域
本发明一种建筑用保温隔热材料,特别是一种气凝胶建筑保温隔热复合材料及其制备方法,属于建筑材料领域。
背景技术
随着世界范围内的能源紧缺以及能源利用所带来的环境问题,资源、能源和环保是制约当今人类社会和经济可持续发展的三大考验,节能降耗减排是实现社会和经济可持续发展的有效途径。除了能源的高效转化及可再生能源的合理开发外,充分提高能源的利用效率也是节能的关键。隔热保温材料可有效减少热量在产生、输送、储存和使用等过程中伴随的热量损失,广泛应用于建筑、化工、电子、服装、航空天等领域,已成为提高能量利用效率和实现节能降耗减排的重要途径。因此,研究新型轻质、高效和结构稳定的隔热保温复合材料,对于实现资源和能源的高效利用、节降耗减排以及人类环境和社会的可持续发展具有非常重要的意义。建筑物从主体结构到装饰装修施工中需要用到各种材料,为了节约能源,现在对住宅和商业房屋外墙的隔热保温要求越来越高,隔热保温建筑材料也成了各个建材厂商的研发对象,提高常规建材的隔热保温效果。
SiO2气凝胶高效的隔热性能可望大幅度降低能源的损耗,尤其是在建筑行业和热力工业行业,SiO2气凝胶隔热材料的应用可望大幅度降低建筑的空调能耗与热量传输过程中的损耗,而且SiO2气凝胶具有良好的疏水性能、耐热性能、耐腐蚀性能,成为现在发展前景最好的隔热保温材料。
专利号为CN101795857报道了一种气凝胶复合材料的制备方法,其使用硅前驱体溶液与催化剂混合后浸渍在玻璃纤维中凝胶成型,再进行超临界干燥制备气凝胶板,此制备方法制备的复合材料隔热性能较好,但是此方法过程繁琐,需要工艺复杂的超临界干燥,成本较高。另外,诸如CN103553502A等专利述及了含二氧化硅气凝胶的无机轻质保温板等,但因其中二氧化硅气凝胶的分散度较差,导致所形成的复合材料存在保温隔热性能较低以及各部位隔热性能、机械强度不均一等缺陷,严重影响了这些复合材料的综合性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种气凝胶隔热保温建筑复合材料及其制备方法,以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
一种气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,包括:
提供含二氧化硅气凝胶的水性浆料,所述水性浆料是主要由二氧化硅气凝胶粉体、表面活性剂、粘结剂与水均匀混合形成的稳定分散体系;
向所述水性浆料内加入呈粉体状或流体状的建筑材料,并均匀混合形成混合物料,所述混合物料包含:二氧化硅气凝胶粉体5wt%~40wt%,水25wt%~60wt%,表面活性剂0.05wt%~15.0wt%,建筑材料30wt%~60wt%;
以及,将所述混合物料干燥成型,获得所述气凝胶建筑保温隔热复合材料。
在一较佳实施方案之中,该制备方法还可包括:
将pH值为5~9的水与表面活性剂混合均匀,形成混合液;
向所述混合液内加入二氧化硅气凝胶粉体,混合均匀,形成悬浮液,
所述悬浮液内加入粘结剂和可选择添加或不添加的助剂,混合均匀,形成所述水性浆料,且所述水性浆料的密度为0.3g/ml~1.0g/ml,固含量为5wt%~25wt%。
尤为优选的,所述水性浆料包含按重量份计算的如下组份:水30~80份,二氧化硅气凝胶5~30份,表面活性剂0~10份,粘结剂2~30份。
进一步的,所述二氧化硅气凝胶粉体采用疏水性二氧化硅气凝胶,且所述气凝胶粉体的密度为0.05g/ml~0.3g/ml,孔隙率为80%~99%,粒径为0.1μm~500μm,比表面为500m2/g~1200m2/g之间,热导率为0.01W/m·k~0.04W/m·k。
进一步的,所述水性浆料中的水可选自去离子水或者自来水,所述自来水选自极软水、软水和中硬水。
进一步的,所述表面活性剂包括阴离子型,阳离子型或者非离子型表面活性剂,其中,所述阳离子型表面活性剂可选自但不限于脂族铵盐或胺盐,例如十六烷基二甲基苄基氯化铵、烷基溴化吡啶、十六烷基氯化吡啶、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵;
所述非离子表面活性剂至少选自蔗糖单月桂酸酯、蔗糖单油酸酯、蔗糖单棕榈酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、丙三醇脂肪酸酯、丙二醇脂肪酸酯、脱水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯、四油酸聚氧乙烯山梨糖醇、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯聚氧丙烯二醇、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、聚乙二醇脂肪酸酯、高级脂肪酸醇酯、多元醇脂肪酸酯中的任一种或两种以上的组合。
所述阴离子型表面活性剂可选自但不限于烷基硫酸盐或高级烷基醚硫酸盐,例如仲烷基磺酸钠、仲烷基磺酸钠、烷基苯磺酸盐、仲烷基硫酸钠与烷基苯磺酸钠的混合物、仲烷基硫酸钠。
或者,所述表面活性剂选自两性表面活性剂,所述两性表面活性剂为甜菜碱型或氧化型。
进一步的,所述粘结剂选自有机物含量小于2wt%的全水性粘结剂,所述全水性粘结剂可选自但不限于聚乙烯醇、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性环氧树脂,水性纤维素、丙烯酸乳液、环氧树脂乳液、有机硅乳液。
进一步的,所述水性浆料还可包含助剂,所述助剂包括增塑剂和/或成膜助剂;其中,所述增塑剂至少可选自但不限于聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚正丁基(二丁基)乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、硬脂酸丁酯、松香酸甲酯、磷酸三甲苯酯、碳酸丙烯酯;所述成膜助剂至少选自丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯。
进一步的,所述建筑材料可选自但不限于中性水泥、碱性水泥、建筑砂浆、高岭土、蒙脱土,蛭石,石膏中的任一种或两种以上的组合。
较为优选的,该制备方法还可包括:向所述水性浆料内加入纤维增强材料,并与所述建筑材料均匀混合形成所述混合物料,并且,所述混合物料包含1wt%~10wt%纤维增强材料。
所述纤维增强材料的加入可以使复合材料的强度提高,可选自但不限于聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、玻璃纤维、石纤维、矿渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维中的任一种或两种以上的组合。
进一步的,该制备方法还可包括:将混合物料置于选定模具内干燥成型,形成所述复合材料。
进一步的,该制备方法中采用的物料混合方式可以是机械搅拌,球磨,砂磨,胶体磨,超声混合等之中的任一种或多种的组合。
由前述方法制备的气凝胶建筑保温隔热复合材料。其中,若采用的建筑材料为石膏,则该复合材料的密度在0.3976g/cm3以下,导热率在0.086w/m·K以下。若采用的建筑材料为水泥,则该复合材料的密度在1.76kg/L以下,导热率在0.0890w/m·K以下。
本发明通过首先将疏水性二氧化硅气凝胶与表面活性剂、水、粘结剂等制成稳定的水性浆料,再与建筑材料复合形成建筑用复合材料的方式,可以使气凝胶相可以很均匀的分散在粘结剂三维网络中,并使气凝胶保持原始的微观形貌和隔热性能,进而可以很好的提高气凝胶复合材料的机械强度和隔热性能,使其能够很好的满足建筑领域的苛刻的机械强度,重量和隔热性能要求。
与现有技术相比,本发明的积极效果包括:该气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备工艺简单易操作,可控性好,成本低廉,并且所获产品具有轻质、高强度、保温隔热性能优良且均一等优点。
具体实施方式
以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
实施例1将疏水二氧化硅气凝胶粉体5g,聚乙二醇脂肪酸酯0.05g,去离子水30g,使用机械搅拌混合,搅拌速度100rpm,搅拌时间20min,混合均匀后,取出分散液放入容器待用。碱性水泥50g,沙子100g,水20g,使用NJ-160净浆搅拌机搅拌搅拌速度200rpm,搅拌10min。将所制备的混凝土浆与所制备的气凝胶分散液使用机械搅拌器搅拌混合,搅拌速度20rpm,搅拌时间10min,混合均匀后将所制备的浆料倒入200*300*5mm的木制模具中,在常温下干燥72小时,取出复合材料,所制备的复合材料表面平整,热导率为0.080W/m·k,密度约1.83g/cm3,抗压强度约2MPa、拉伸强度约1.5MPa、剪切强度约2.3MPa。
并且,当利用本实施例的工艺制得大规格(200*300*5mm)的复合材料后,分别在其不同部位切片观察,可以看到其中的气凝胶分布均匀,且各处的气凝胶分布密度基本相同。而对该大规格复合材料的不同部位的密度、导热率,机械性能(包括抗压强度、拉伸强度、剪切强度)等分别进行测试,亦可获得基本一致的测试结果。
实施例2将疏水二氧化硅气凝胶粉体15g,丙二醇脂肪酸酯0.1g,去离子水70g,机械搅拌,搅拌速度150rpm,搅拌时间15min混合均匀后,往分散液中加入石膏47g,聚丙烯纤维2g,超声混合均匀后,倒入200*300*5mm的木制模具中,放在烘箱中,在60℃条件下,干燥12h,取出复合材料,热导率为0.070W/m·k,密度约1.76g/cm3,抗压强度约20MPa、拉伸强度约1.1MPa、剪切强度约2.1MPa。
并且,当利用本实施例的工艺制得大规格(200*300*5mm)的复合材料后,分别在其不同部位切片观察,可以看到其中的气凝胶分布均匀,且各处的气凝胶分布密度基本相同。而对该大规格复合材料的不同部位的密度、导热率,机械性能(包括抗压强度、拉伸强度、剪切强度)等分别进行测试,亦可获得基本一致的测试结果。
实施例3将疏水二氧化硅气凝胶粉体10g,丙二醇脂肪酸酯0.1g,去离子水40g,机械搅拌,搅拌速度150rpm,搅拌时间15min混合均匀后,往分散液中加入石膏50g,玻璃纤维5g,超声混合均匀后,倒入200*300*5mm的木制模具中,放在烘箱中,在60℃条件下,干燥12h,取出复合材料,热导率为0.085W/m·k,密度约1.91gcm3,抗压强度约21MPa、拉伸强度约1.3MPa、剪切强度约2.3MPa。
并且,当利用本实施例的工艺制得大规格(200*300*5mm)的复合材料后,分别在其不同部位切片观察,可以看到其中的气凝胶分布均匀,且各处的气凝胶分布密度基本相同。而对该大规格复合材料的不同部位的密度、导热率,机械性能(包括抗压强度、拉伸强度、剪切强度)等分别进行测试,亦可获得基本一致的测试结果。
对照例:取与实施例1相同的原料,按照如下步骤制备复合材料:
a.表面活性剂溶液制备:将表面活性剂与水充分搅拌,制成均匀的表面活性剂溶液备用;
b.配置粉料:将水泥、二氧化硅气凝胶、沙子、水充分混合,搅拌均匀制成粉料备用;
c.制备复合材料:将混合均匀的粉料在5-10分钟内通过搅拌加入到表面活性剂的溶液中,之后,以500-800转/分的速度再搅拌10-20分钟,然后浆体装入200*300*5mm的木制模具中,在常温下干燥72小时,取出复合材料。
所制备的复合材料表面稍粗糙,热导率为1.124W/m·k,密度约2.39g/cm3,抗压强度约15MPa、拉伸强度约0.81MPa、剪切强度约1.71MPa。
并且,当利用本对照例的工艺制得大规格(200*300*5mm)的复合材料后,分别在其不同部位切片观察,可以看到其中的气凝胶分布不均匀,且各处的气凝胶分布密度有较大差异。而该大规格复合材料的不同部位的密度、导热率,机械性能(包括抗压强度、拉伸强度、剪切强度)等各不相同。
应当指出,以上所述仅是本申请的具体实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于包括:
将pH值为5~9的水与表面活性剂混合均匀形成混合液,之后向所述混合液内加入二氧化硅气凝胶粉体,混合均匀,形成悬浮液,再向所述悬浮液内加入粘结剂和可选择添加或不添加的助剂并混合均匀,形成含二氧化硅气凝胶的水性浆料,所述水性浆料为稳定分散体系,且所述水性浆料的密度为0.3g/ml~1.0g/ml,固含量为5wt%~25wt%;
向所述水性浆料内加入呈粉体状或流体状的建筑材料,并均匀混合形成混合物料,所述混合物料包含:二氧化硅气凝胶粉体5wt%~40wt%,水25wt%~60wt%,表面活性剂0.05wt%~15.0wt%,建筑材料30wt%~60wt%;
以及,将所述混合物料干燥成型,获得所述气凝胶建筑保温隔热复合材料。
2.根据权利要求1所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于:所述水性浆料包含按重量份计算的如下组份:水30~80份,二氧化硅气凝胶5~30份,表面活性剂0~10份,粘结剂2~30份。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于:所述二氧化硅气凝胶粉体采用疏水性二氧化硅气凝胶,且所述气凝胶粉体的密度为0.05g/ml~0.3g/ml,孔隙率为80%~99%,粒径为0.1μm~500μm,比表面积为500m2/g~1200m2/g之间,热导率为0.01W/m·k~0.04W/m·k。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于:所述表面活性剂包括阴离子型,阳离子型或者非离子型表面活性剂,其中,所述阳离子型表面活性剂包括脂族铵盐或胺盐,所述阴离子型表面活性剂包括烷基硫酸盐或高级烷基醚硫酸盐,所述非离子型表面活性剂包括丙三醇脂肪酸酯、丙二醇脂肪酸酯、脱水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯、四油酸聚氧乙烯山梨糖醇、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯聚氧丙烯二醇、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、聚乙二醇脂肪酸酯、高级脂肪酸醇酯、多元醇脂肪酸酯中的任一种或两种以上的组合;
或者,所述表面活性剂选自两性表面活性剂,所述两性表面活性剂为甜菜碱型或氧化型。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于:所述粘结剂选自有机物含量小于2wt%的全水性粘结剂,所述全水性粘结剂选自聚乙烯醇、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性环氧树脂,水性纤维素、丙烯酸乳液、环氧树脂乳液、有机硅乳液。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于:所述水性浆料还包含助剂,所述助剂包括增塑剂和/或成膜助剂;其中,所述增塑剂选自聚乙二醇400、聚乙二醇600、邻苯二甲酸二丁酯、硬脂酸丁酯、松香酸甲酯、磷酸三甲苯酯、碳酸丙烯酯;所述成膜助剂至少选自丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯。
7.根据权利要求1所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于:所述建筑材料包括中性水泥、碱性水泥、建筑砂浆、高岭土、蒙脱土,蛭石,石膏中的任一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的气凝胶建筑保温隔热复合材料的制备方法,其特征在于还包括:向所述水性浆料内加入纤维增强材料,并与所述建筑材料均匀混合形成所述混合物料,并且,所述混合物料包含1wt%~10wt%纤维增强材料,其中所述纤维增强材料包括聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、玻璃纤维、石纤维、矿渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维中的任一种或两种以上的组合。
9.由权利要求1-8中任一项所述方法制备的气凝胶建筑保温隔热复合材料。
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