CN105217950A - 一种复合玻璃棉 - Google Patents
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Abstract
本发明属于保温技术领域，具体涉及一种复合玻璃棉。所述复合玻璃棉包含至少两个玻璃纤维层，并且在相邻的两个玻璃纤维层之间具有纳米粒子层；所述纳米粒子的平均粒径为大于0～约100nm；所述纳米粒子中包含纳米SiO2；所述纳米粒子层的厚度为50～1000nm。与现有技术的玻璃棉相比，在厚度相同的前提下，本发明的复合玻璃棉制成的保温板可以显著提高保温板的保温和绝热效果。
Description
技术领域
本发明属于保温材料领域，涉及一种玻璃棉，更具体而言，本发明涉及一种复合玻璃棉。
背景技术
玻璃棉属于玻璃纤维中的一个类别，是一种人造无机纤维。玻璃棉是将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维。具有成型性好、体积密度小、热导率彽、保温绝热、吸音性能好、耐腐蚀、化学性能稳定。
目前市场上的玻璃棉分白色的无甲醛玻璃棉和黄色的酚醛树脂玻璃棉两种。白色的无甲醛玻璃棉主要采用废玻璃为原料，通过融化、离心，喷吹成棉，然后用无甲醛的丙烯酸树脂为粘结剂，做成玻璃棉板。市场上其他的玻璃棉采用的粘结剂为酚醛树脂颜色为黄色，为含甲醛不环保的玻璃棉制品。
据国务院发布的国家建筑节能专项计划：“十一五”期间，我国执行的建筑节能标准主要为50％节能标准，“十一五”期末逐步提高到65％节能标准的水平。“十二五”期间提出了新的规划要求：到2015年，城镇新建建筑执行不低于65％的建筑节能标准，城镇新建建筑95％达到建筑节能强制性标准的要求。鼓励北京、天津、上海、重庆四个直辖市和有条件的地区率先实施节能75％的标准。
节能标准的提高导致市场上现有的厚度为2cm的玻璃棉已无法满足要求；而多数玻璃棉企业采用了增加玻璃棉厚度牺牲建筑有效体积的办法，这势必会对生产和安装系统进行大幅度调整，消耗大量的人力，物力，财力同时也与国家建筑节能的长期规划发展相悖，不利于社会的可持续发展。另外对于空间狭小、管道复杂的部位的保温目前还没有合适的材料。因此，对于导热系数低的玻璃棉仍存在需求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新的复合玻璃棉。
根据本发明的目的，本发明提供的复合玻璃棉，其包含至少两个玻璃纤维层，并且在相邻的两个玻璃纤维层之间具有纳米粒子层。
本发明的复合玻璃棉，通过在玻璃纤维层之间增加纳米粒子层，从而可以显著降低玻璃棉的热传导，从而使得玻璃棉具有低导热系数。
本领域技术人员应当理解，可以达到上述效果的具有任何粒径的纳米粒子均适用于本发明。
优选地，所述纳米粒子的平均粒径可以为大于0～约100nm。例如，可以为约1nm、约3nm、约5nm、约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm、约90nm或约100nm。当所述纳米粒子的平均粒径为上述数值时，本发明玻璃棉的玻璃纤维与纳米粒子之间以及纳米粒子和纳米粒子之间形成的空腔的体积小，其中的空气分子基本上失去了自由流动的能力而附着在空腔壁上，使得本发明的玻璃棉处于近似于真空状态，从而可以降低玻璃棉的热对流，从而使得玻璃棉具有低导热系数。
更优选地，所述纳米粒子的平均粒径可以为大于0～约60nm。例如，可以为约1nm、约3nm、约5nm、约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm或约60nm。当所述纳米粒子的平均粒径为上述数值时，本发明玻璃棉的玻璃纤维与纳米粒子之间以及纳米粒子和纳米粒子之间形成的空腔的体积进一步减小，其中的空气分子进一步失去了自由流动的能力而附着在空腔壁上，使得本发明的玻璃棉进一步处于近似于真空状态，从而可以进一步降低玻璃棉的热对流。
进一步优选地，所述纳米粒子的平均粒径可以为约10nm～约20nm。例如，可以为约11nm、约12nm、约13nm、约14nm、约15nm、约16nm、约17nm、约18nm、约19nm或约20nm。当所述纳米粒子的平均粒径为上述数值时，所述纳米粒子在市场上可以容易地获得且成本相对较低；从而使得所述玻璃棉在降低热对流的同时也具有相对较低的成本。
优选地，所述纳米粒子层的厚度为50～1000nm。所述纳米粒子层太厚会使得成本增加，太薄起不到绝热的效果，从而不利益导热系数的降低。
更优选地，所述纳米粒子层的厚度为50nm～500nm。进一步优选地，所述纳米粒子层的厚度为60nm～200nm。此时，成本和绝热效果的性价比高。
优选地，所述纳米粒子中包含纳米SiO2。所述纳米SiO2与玻璃棉的成分相同，性质相似，兼容性好，并且价格便宜，适合工业化。
优选地，所述纳米粒子中进一步包含纳米Al2O3(纳米三氧化二铝)。所述纳米SiO2的比表面积大、自由能高，温度高时容易团聚。纳米三氧化铝具有较高的稳定性，可以将纳米SiO2隔开从而有效阻止其团聚。
优选地，所述纳米Al2O3的平均粒径可以为约30nm～约50nm。如果粒径太大，纳米Al2O3自身会聚集；如果粒径太小，成本太高。
优选地，所述纳米Al2O3的重量为所述纳米SiO2重量的5％～10％。此时，效果好且成本低。
所述玻璃纤维可以是现有技术中可以使用的任何尺寸的适于制备玻璃棉的玻璃纤维。
优选地，所述玻璃纤维的直径为5μm～8μm。
优选地，所述玻璃纤维层的厚度为0.1cm～2cm。
更优选地，所述玻璃纤维层的厚度为0.5cm～1.5cm。
优选地，所述玻璃棉的玻璃纤维层包含粘结剂。
优选地，所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维重量的5％～15％。所述粘结剂的用量过少，会导致玻璃棉的强度低；所述粘结剂的用量过多，虽然玻璃棉强度高，但粘结剂是有机物，会使得玻璃棉达不到燃烧性能A级不燃的指标。
更优选地，所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维重量的7％～12％。此时，玻璃棉的强度和燃烧性能最佳。
所述粘结剂可以是本领域的任何可以将纳米粒子和/或玻璃纤维胶粘的粘结剂。
所述粘结剂包括但不限于丙烯酸树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂。
优选地，所述粘结剂可以是专利文献CN200680044591.6中的无甲醛粘结剂。
进一步优选地，所述纳米粒子中可以掺和有红外遮光剂粒子。
所述红外遮光剂粒子可以进行多层反射和/或多次散射，从而降低玻璃棉的热辐射。
本领域技术人员应当理解，可以达到上述效果的任何红外遮光剂粒子均适用于本发明。
所述红外遮光剂粒子可以包括但不限于SiC(碳化硅)粒子、BN(氮化硼)粒子、ZrSiO4(锆英石)粒子或KT6(六钛酸钾)粒子。
优选地，所述红外遮光剂粒子为SiC粒子。其在宽泛的波长范围内具有更好而稳定的红外消光能力。
优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径可以为约1.5μm～约5μm。例如，可以为约1.5μm、约1.8μm、约2μm、约2.5μm、约3μm、约3.5μm、约4μm、约4.5μm或约5μm。在此范围内具有好的消光能力。
更优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径可以为约2μm～约4μm。例如，可以为约2μm、约2.5μm、约3μm、约3.2μm、约3.5μm、约3.8μm或者约4μm。在此范围内具有更好的消光能力。
进一步优选地，所述红外遮光剂粒子的粒径可以为约3μm。此时，具有最好的消光能力。
优选地，所述红外遮光剂与所述纳米粒子中SiO2的重量比为0.8～1.2:1。
更优选地，所述红外遮光剂与所述纳米粒子中SiO2的重量比为1:1。
最优选地，本发明提供的复合玻璃棉，其包含两个玻璃纤维层，并且在该两个玻璃纤维层之间具有纳米粒子层；所述玻璃纤维的直径为5μm～8μm；所述纳米粒子的平均粒径为约10nm～约20nm；所述纳米粒子层的厚度为60nm～200nm；所述玻璃纤维层的厚度为0.5cm～1.5cm；所述纳米粒子中包含纳米SiO2和纳米Al2O3，并掺和有红外遮光剂粒子；所述纳米Al2O3的平均粒径为约30nm～约50nm，重量为纳米SiO2重量的5％～10％；所述玻璃棉的玻璃纤维层包含粘结剂；所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维重量的7％～12％，为丙烯酸树脂粘结剂或酚醛树脂粘结剂；所述红外遮光剂粒子为SiC粒子，平均粒径为约3μm，与SiO2的重量比为1:1。
此外，本发明提供上述复合玻璃棉的制备方法，其包括以下步骤：在一玻璃纤维层上喷涂含有所述纳米粒子的溶液形成纳米粒子层，然后在所述纳米粒子层上覆盖另一玻璃纤维层。
所述含有所述纳米粒子的溶液的溶剂可以是将纳米粒子悬浮其中并便于喷涂的溶剂，例如可以是水、乙醇或丙醇。
优选地，所述纳米粒子的平均粒径可以为大于0～约100nm。例如，可以为约1nm、约3nm、约5nm、约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm、约90nm或约100nm。
更优选地，所述纳米粒子的平均粒径可以为大于0～约60nm。例如，可以为约1nm、约3nm、约5nm、约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm或约60nm。
进一步优选地，所述纳米粒子的平均粒径可以为约10nm～约20nm。例如，可以为约11nm、约12nm、约13nm、约14nm、约15nm、约16nm、约17nm、约18nm、约19nm或约20nm。
优选地，所述纳米粒子层的厚度为50～1000nm。
更优选地，所述纳米粒子层的厚度为50nm～500nm。
进一步优选地，所述纳米粒子层的厚度为60nm～200nm。
优选地，所述纳米粒子包含纳米SiO2。
优选地，所述纳米粒子进一步包含纳米Al2O3。
优选地，所述纳米Al2O3的平均粒径可以为约30nm～约50nm。
优选地，所述纳米Al2O3的重量为所述纳米SiO2重量的5％～10％。
所述玻璃纤维可以是现有技术中可以使用的任何尺寸的适于制备玻璃棉的玻璃纤维。
优选地，所述玻璃纤维的直径为5μm～8μm。
优选地，所述玻璃纤维层的厚度为0.1cm～2cm。
更优选地，所述玻璃纤维层的厚度为0.5cm～1.5cm。
进一步优选地，所述纳米粒子中可以掺和有红外遮光剂粒子。
所述红外遮光剂粒子可以包括但不限于SiC粒子、BN粒子、ZrSiO4粒子或KT6粒子。
优选地，所述红外遮光剂粒子为SiC粒子。
优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径为约1.5μm～约5μm。例如，可以为约1.5μm、约1.8μm、约2μm、约2.5μm、约3μm、约3.5μm、约4μm、约4.5μm或约5μm。
更优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径为约2μm～约4μm。例如，可以为约2μm、约2.5μm、约3μm、约3.2μm、约3.5μm、约3.8μm或者约4μm。
进一步优选地，所述红外遮光剂粒子的粒径为约3μm。
优选地，所述红外遮光剂与SiO2的重量比为0.8～1.2:1。
更优选地，所述红外遮光剂与SiO2的重量比为1:1。
本发明提供的上述复合玻璃棉的制备方法，进一步包括以下步骤：
向玻璃纤维喷涂含有粘结剂的溶液形成玻璃纤维层。
优选地，所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维重量的5％～15％。更优选地，所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维的7％～12％。
所述粘结剂可以是本领域的任何可以将纳米粒子和/或玻璃纤维胶粘的粘结剂。
所述粘结剂包括但不限于丙烯酸树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂。
优选地，所述粘结剂可以是专利文献CN200680044591.6中的无甲醛粘结剂。
所述含有粘结剂的溶液的溶剂可以为将粘结剂溶解其中并便于喷涂的溶剂，例如可以是水、乙醇或丙醇。
所述喷涂可以采用本领域技术人员已知的任何方法进行。例如，采用高压喷枪装置进行喷涂。
优选地，所述复合玻璃棉的制备方法可以进一步包括以下步骤：
将上述步骤得到的产物压制成型，然后加热固化。
优选地，所述固化是于80℃加热4小时。
此外，本发明提供的上述复合玻璃棉可以用于保温、绝热等用途。
本发明提供的复合玻璃棉，由于其具有低导热系数，因此与现有技术的玻璃棉相比，在制成的保温板厚度相同的前提下，本发明的玻璃棉制成的保温板可以显著提高保温板的保温和绝热效果。
具体的，本发明提供的复合玻璃棉可以用于以下领域：
常规保温领域：暖通工程和建筑外保温；船舶领域：主航海数据记录仪、涡轮机和主发动机的排烟道的绝热；发电厂、炼钢厂等能源消耗型企业的保温；轨道交通领域：高速列车排烟道及车载数据记录仪的绝热，车厢地板的绝热，机车排烟道系统的绝热；石化领域：控制管道的热损失；发电厂：管道的绝热。
本发明的玻璃棉制成的保温板，由于显著降低了玻璃棉的导热系数，因此可以在现有厚度的基础上满足新的节能要求。本发明的玻璃棉制成的保温板能够在新的形式下不改变施工体系和产品的规格来满足新的国家的节能要求，为企业生产和建筑施工带来极大便利。
附图说明
图1为背温实验装置的示意图。
图2为本发明复合玻璃棉的截面示意图。
图3为背温实验结果的温度曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行更加详细的描述。应当理解，这些实施例仅用于具体举例和说明，不能构成对于本发明的限制。
导热系数是材料直接传导热量的能力的重要指标。相同厚度、相同密度条件下，导热系数越低，材料的保温性能越好。宏观表现为：相同厚度、相同密度的两种材料在一面给与相同的热源，由于导热系数不同，另一面的温度会不同。
背温实验是一种直观有效的测量方法，在实验室可以通过背温实验去直观体现。本申请中的背温实验所采用的设备如图1所示。图1为背温实验装置的示意图(数显温控仪(数据巡检仪(是根据YK-19系列分体式巡检仪记录仪加上高精度传感器组装成的)。测试样品周围由硅酸铝纤维隔热层包裹，上方包裹有抑制空气流动挡圈，测试样品的热面由加热炉盘加热导热钢板提供热量，通过数显温控仪控制热面温度。将热电偶分别放置于测试样品的上下表面，即冷面和热面，从加热开始，利用电脑软件记录测试样品的热面和冷面温度，记录间隔为5min/次。当热面温度到达500℃时控制热面恒温，继续读取冷面温度直至冷面温度稳定。
测定玻璃纤维的直径所使用的仪器为扫描电子显微镜。
强力搅拌机为日本三菱公司厂家生产的产品。
图2为本发明复合玻璃棉的截面示意图。
图3中，所述热面为图1中靠近加热炉盘的数显温控仪测定的温度。对于不同的测试样品，热面的温度曲线不变。
图3中，所述冷面为图1中远离加热炉盘的数显温控仪测定的温度(即为热穿过测试样品后的温度)。
将玻璃棉原棉在强力搅拌机中以100r/min的转速搅拌3次，每次3分钟，使玻璃棉原棉形成玻璃纤维。该玻璃纤维的直径为7.34μm。
比较例1
向73g上述玻璃纤维中喷入8g的丙烯酸树脂粘结剂，之后放入模具中使用YES-300压力试验机压制成型。在压制过程中，首先通过控制压力的施加速率进行缓慢的加压直至样品达到2cm厚，停止压力输送。然后将压制成型的样品放入烘箱中，在80℃恒温加热4小时使其固化，即得到玻璃棉。
背温实验测定结果如图3所示。可见，该玻璃棉的热面和冷面1的最大温差仅为33度。
实施例1
纳米SiO2，具有如下的基本性质：比表面积为200±25m2/g；干燥减量为1％(100℃干燥2h)；灼烧减量为4％(1000℃灼烧2h)；纯度为99.8％；悬浮液pH值为3.7～4.7(4％的水悬浊液)；堆积密度为50g/L；粒径范围为10nm～20nm；平均粒径为约15nm。
向37g上述玻璃纤维中喷入4g的丙烯酸树脂粘结剂，之后放入模具中使用YES-300压力试验机压制成型。在压制过程中，首先通过控制压力的施加速率进行缓慢的加压直至样品达到1cm厚，停止压力输送，得到玻璃纤维层。
将适量的纳米SiO2的乙醇溶液喷涂到上述玻璃纤维层上使得溶剂挥干后形成120nm厚的纳米粒子层。
向36g上述玻璃纤维中喷入4g的丙烯酸树脂粘结剂，之后放入模具中使用YES-300压力试验机压制成型。在压制过程中，首先通过控制压力的施加速率进行缓慢的加压直至样品达到1cm厚，停止压力输送，得到第二玻璃纤维层。
之后将上述第二玻璃纤维层覆盖到所述纳米粒子层上。然后将样品放入烘箱中，在80℃恒温加热4小时使其固化，即得到本发明的复合玻璃棉。
背温实验测定结果如图3所示。可见，该玻璃棉的热面和冷面2的最大温差为43度。
实施例2
除了加入半量的纳米SiO2、与纳米SiO2等量的碳化硅(粒径范围为2μm～4μm；平均粒径为约3μm)之外，采用与实施例1相同方法制备本发明的复合玻璃棉。
背温实验测定结果如图3所示。可见，该玻璃棉的热面和冷面3的最大温差为119度，且有差距不断扩大的趋势。
实施例3
除了加入半量的纳米SiO2、与纳米SiO2等量的碳化硅(粒径范围为2μm～4μm；平均粒径为约3μm)、纳米SiO2的1/10量的纳米Al2O3(平均粒径为约30nm～约50nm)之外，采用与实施例1相同方法制备本发明的复合玻璃棉。
背温实验测定结果显示，该玻璃棉的隔热效果优于实施例2。
Claims (9)
1.一种复合玻璃棉，其特征在于，所述玻璃棉包含至少两个玻璃纤维层，并且在相邻的两个玻璃纤维层之间具有纳米粒子层；所述纳米粒子的平均粒径为大于0～约100nm；所述纳米粒子中包含纳米SiO2；所述纳米粒子层的厚度为50～1000nm。
2.根据权利要求1所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述纳米粒子的平均粒径为大于0～约60nm；所述纳米粒子层的厚度为50nm～500nm；所述玻璃纤维层的厚度为0.1cm～2cm。
3.根据权利要求1所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述纳米粒子的平均粒径为约10nm～约20nm；所述纳米粒子层的厚度为60nm～200nm；所述玻璃纤维层的厚度为0.5cm～1.5cm。
4.根据权利要求1所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述纳米粒子中包含纳米Al2O3；所述纳米Al2O3的平均粒径为约30nm～约50nm；所述纳米Al2O3的重量为所述纳米SiO2重量的5％～10％。
5.根据权利要求1所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述玻璃纤维的直径为5μm～8μm。
6.根据权利要求1所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述玻璃棉的玻璃纤维层包含粘结剂；所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维重量的5％～15％；所述粘结剂为丙烯酸树脂粘结剂或酚醛树脂粘结剂。
7.根据权利要求1所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述纳米粒子中掺和有红外遮光剂粒子。
8.根据权利要求7所述的复合玻璃棉，其特征在于，所述红外遮光剂粒子为SiC粒子、BN粒子、ZrSiO4粒子或KT6粒子；优选地，所述红外遮光剂粒子为SiC粒子；优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径为约1.5μm～约5μm；更优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径为约2μm～约4μm；进一步优选地，所述红外遮光剂粒子的平均粒径为约3μm；优选地，所述红外遮光剂与所述纳米粒子中SiO2的重量比为0.8～1.2:1；更优选地，所述红外遮光剂与所述纳米粒子中SiO2的重量比为1:1。
9.一种复合玻璃棉，其特征在于，所述玻璃棉包含两个玻璃纤维层，并且在该两个玻璃纤维层之间具有纳米粒子层；所述玻璃纤维的直径为5μm～8μm；所述纳米粒子的平均粒径为约10nm～约20nm；所述纳米粒子层的厚度为60nm～200nm；所述玻璃纤维层的厚度为0.5cm～1.5cm；所述纳米粒子中包含纳米SiO2和纳米Al2O3，并掺和有红外遮光剂粒子；所述纳米Al2O3的平均粒径为约30nm～约50nm，重量为纳米SiO2重量的5％～10％；所述玻璃棉的玻璃纤维层包含粘结剂；所述粘结剂的用量为所述玻璃纤维重量的7％～12％，为丙烯酸树脂粘结剂或酚醛树脂粘结剂；所述红外遮光剂粒子为SiC粒子，平均粒径为约3μm，与SiO2的重量比为1:1。
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| CN105217950B (zh) | 2018-11-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181116 Termination date: 20200907 |