CN105294159A - 复合纳米孔绝热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合纳米孔绝热材料及其制备方法，其主要原料包括硅灰、红外遮蔽剂、玻璃纤维和结合剂，其制备步骤包括配料、混合、压制和烧结。本发明原料来源广泛，成本低廉，工艺简单可控，生产能耗低，产量大，产品气孔分布均匀，绝热性能好，且力学性能良好，能满足实际应用的需要，具有较强的市场竞争力，应用前景广泛。

Description

复合纳米孔绝热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及隔热保温材料技术领域，具体涉及一种复合纳米孔绝热材料及其制备方法。

背景技术

绝热保温材料在建筑围护结构、工业高温窖炉和传统的工业低温热工设备、交通工具、家用电器设施等领域已得到广泛的应用。目前，常用的绝热保温材料如人造矿棉、玻璃纤维、耐火陶瓷纤维、硅酸钙和蛭石等均为固体材料，通常采用提高气相孔隙率的方法来降低其导热系数和传导系数，然而由于其体积密度较高，气孔通常贯通或开口，气孔尺寸较大(1-100μm)且分布不均匀，导致其无法阻止气体热传导，同时也无法阻挡热辐射。

随着科学技术的日益进步，纳米孔绝热材料也逐步得到应用，与传统绝热材料相比，纳米孔绝热材料的热导率比静止空气更低，且随着温度的升高，特别在高温区，其热导率的递升远远低于传统绝热材料。

迄今为止，国内外研究和报道最多的纳米孔绝热材料是SiO₂气凝胶纳米孔绝热材料，由于其具有纤细的三维网络结构，是一种良好的纳米孔载体，但由于SiO₂气凝胶的制备需要在高温高压下采用超临界干燥工艺，且该工艺复杂、能耗高，同时产量低、综合成本高，最终导致SiO₂气凝胶纳米孔绝热材料的价格是传统绝热材料的几十倍，甚至上百倍，进而导致其规模化生产和实际应用受限；另外，SiO₂气凝胶的低密度、高孔隙率的特点导致力学性能急剧下降，气凝胶强度低、脆性大，虽然Woignier等学者认为通过提高气凝胶密度、高温热处理以及增强颗粒骨架结构等方法可改善气凝胶的强度，但仍难以满足实际应用的要求；再者，SiO₂气凝胶在高温下对波长为3-8μm的近红外热辐射具有较强的透过性，高温阶段遮挡红外辐射能力差，致使SiO₂气凝胶热导率随温度的升高显著上升。

因此，合理设计纳米孔绝热材料的成分及结构，开发一种简单可控的生产工艺，通过严格控制各工艺参数，研究开发一种具有良好力学性能和绝热性能的复合纳米孔绝热材料具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种体积密度小、气孔分布均匀、力学性能好和导热系数低的复合纳米孔绝热材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种复合纳米孔绝热材料，由如下重量百分比原料制备而成：硅灰55-75wt％、红外遮蔽剂10-30wt％、玻璃纤维10-25wt％和结合剂5-10wt％。

进一步地，所述复合纳米孔绝热材料由如下重量百分比原料制备而成：硅灰60-70wt％、红外遮蔽剂10-25wt％、玻璃纤维10-20wt％和结合剂5-8wt％。

进一步地，所述复合纳米孔绝热材料由如下重量百分比原料制备而成：硅灰65wt％、红外遮蔽剂16wt％、玻璃纤维14wt％和结合剂5wt％。

进一步地，所述硅灰中SiO2含量≥95wt％，且硅灰粒径为0.1-0.3μm。

进一步地，所述红外遮蔽剂为金红石型TiO₂纳米粉、ZrSiO₄细粉和SiC细粉中的一种或几种以任意比例组成的混合物，且TiO₂纳米粉的粒径为80-120nm，ZrSiO₄细粉和SiC细粉的粒径≤80μm。

进一步地，所述玻璃纤维为经过硫酸或盐酸或氢氟酸处理所形成的分散状玻璃纤维，且长度为3-12mm。

进一步地，所述结合剂为糊精、木质素、纤维素、六偏磷酸钠中的一种或几种以任意比例组成的混合物。

进一步地，本发明的复合纳米孔绝热材料通过原料组分种类和含量的科学设计，在合理控制制备工艺的基础上实现了具有优良综合性能的复合纳米孔绝热材料，其体积密度为0.4-0.7g/cm³，平均孔径为50-70nm；导热系数在300℃、500℃和900℃时分别为0.035-0.06W/m·K、0.05-0.08W/m·K和0.07-0.09W/m·K；抗折强度和耐压强度分别为1.20-1.85MPa和1.25-1.95MPa。

上述复合纳米孔绝热材料的制备方法，包括如下步骤：配料、混合、压制和烧结，所述压制步骤中，成型压力为1.8-2.6MPa；所述烧结步骤中，烧结温度为200-600℃。

进一步地，所述混合步骤中，混合时间为2-6h；所述烧结步骤中，升温速率为1-5℃/min，炉温到达峰值后的保温时间为2-4h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明以SiO₂含量≥95wt％的硅灰为主要原料，由于硅灰本身含有大量的微纳米气孔，制备复合纳米孔绝热材料时可原位形成均匀的孔隙，同时，原料中的结合剂在后续烧结过程中也可形成大量微纳米孔，最终产品的气孔分布均匀，绝热性能好。

2、本发明中的红外遮蔽剂能通过散射作用有效阻隔热辐射传热，最终导致产品绝热性能良好；玻璃纤维作为增强体，可有效提高其耐压强度和抗折强度，最终达到具有良好力学性能的目的。

3、本发明的制备复合纳米孔绝热材料的方法工艺简单可控，生产设备所需能耗小，易于规模化生产，产量高，综合成本低，具有较强的市场竞争力，具有广泛的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例1-22的复合纳米孔绝热材料的原料及其质量百分配比如表1所示。

本发明实施例1-22的复合纳米孔绝热材料的制备方法，包括如下步骤：配料、混合、压制和烧结。

本发明实施例1-22的复合纳米孔绝热材料的原料特性及具体生产工艺参数如表2所示。

本发明实施例1-22的复合纳米孔绝热材料的物理性能参数如表3所示。

表3木发明各实施例的复合纳米孔绝热材料的物理性能

由表3可见，本发明实施例1-22所制备的纳米孔超级绝热材料的体积密度为0.4-0.7g/cm³，平均孔径为50-70nm，导热系数在300℃、500℃和900℃时分别为0.035-0.06W/m·K、0.05-0.08W/m·K和0.07-0.09W/m·K，抗折强度和耐压强度分别为1.20～1.85MPa和1.25～1.95MPa。

综上，本发明的具体实施方式所制备的复合纳米孔绝热材料具有体积密度小、气孔分布均匀、力学性能好和导热系数低的特点；且其制备方法简单，工艺可控，生产能耗低，产量高，综合成本低，易于批量生产。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

其它未经详细说明的部分均为现有技术。

Claims (10)

1.一种复合纳米孔绝热材料，其特征在于：由如下重量百分比原料制备而成：硅灰55-75wt％、红外遮蔽剂10-30wt％、玻璃纤维10-25wt％和结合剂5-10wt％。

2.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：由如下重量百分比原料制备而成：硅灰60-70wt％、红外遮蔽剂10-25wt％、玻璃纤维10-20wt％和结合剂5-8wt％。

3.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：由如下重量百分比原料制备而成：硅灰65wt％、红外遮蔽剂16wt％、玻璃纤维14wt％和结合剂5wt％。

4.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：所述硅灰中SiO₂含量≥95wt％，且硅灰粒径为0.1-0.3μm。

5.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：所述红外遮蔽剂为金红石型TiO₂纳米粉、ZrSiO₄细粉和SiC细粉中的一种或几种以任意比例组成的混合物，且TiO₂纳米粉的粒径为80-120nm，ZrSiO₄细粉和SiC细粉的粒径≤80μm。

6.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：所述玻璃纤维为经过硫酸或盐酸或氢氟酸处理所形成的分散状玻璃纤维，且长度为3-12mm。

7.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：所述结合剂为糊精、木质素、纤维素、六偏磷酸钠中的一种或几种以任意比例组成的混合物。

8.根据权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料，其特征在于：所述绝热材料的体积密度为0.4-0.7g/cm³，平均孔径为50-70nm；所述绝热材料的导热系数在300℃、500℃和900℃时分别为0.035-0.06W/m·K、0.05-0.08W/m·K和0.07-0.09W/m·K；所述绝热材料的抗折强度和耐压强度分别为1.20-1.85MPa和1.25-1.95MPa。

9.一种权利要求1所述的复合纳米孔绝热材料的制备方法，包括如下步骤：配料、混合、压制和烧结，其特征在于：所述压制步骤中，成型压力为1.8-2.6MPa；所述烧结步骤中，烧结温度为200-600℃。

10.根据权利要求9所述的复合纳米孔绝热材料的制备方法，其特征在于：所述混合步骤中，混合时间为2-6h；所述烧结步骤中，升温速率为1-5℃/min，炉温到达峰值后的保温时间为2-4h。