CN105314999A

CN105314999A - 触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及制备方法

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Publication number: CN105314999A
Application number: CN201410365341.9A
Authority: CN
Inventors: 金承黎
Original assignee: Individual
Current assignee: Zhejiang Shengrun Nano Technology Co ltd
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-02-10

Abstract

本发明涉及一种高温隔热材料及制备方法，特别涉及以触变性胶体为模板剂，形成水相均匀三维网络纳米多孔结构，通过添加结合剂、骨料、粉料、遮光剂和外加剂，制备出一种具备有纳米多孔结构的高温隔热材料。本发明高温隔热材料制备方法具有操作简易、无需高压特种设备、生产成本低，没有易燃易爆或其他有害物质过程绿色环保、安全，有利于大批量的生产。本发明涉及的高温隔热材料具有轻质、高强、低导热系数的特点，可制备成高温隔热砖、隔热板、异形件和涂料，可应用于航天军工、冶金锻造、石油炼化、电力等领域的高温炉膛、管线、阀门等装备的隔热防护，提高使用安全性和节能降耗水平。

Description

触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温隔热材料及制备方法，特别涉及以触变性胶体为为模板剂，形成水相均匀三维网络纳米多孔结构，通过添加结合剂、骨料、粉料、遮光剂和外加剂，制备出一种具备有纳米多孔结构的高温隔热材料。本发明高温隔热材料制备方法具有操作简易、无需高压特种设备、生产成本低，没有易燃易爆或其他有害物质过程绿色环保、安全，有利于大批量的生产。本发明涉及的高温隔热材料具有轻质、高强、低导热系数的特点，可制备成高温隔热砖、隔热板、异形件和涂料，可应用于航天军工、冶金锻造、石油炼化、电力等领域的高温炉膛、管线、阀门等装备的隔热防护，提高使用安全性和节能降耗水平。

背景技术

纳米多孔材料是指材料内部具有纳米尺寸孔洞结构的材料，因纳米孔结构表现出的“无穷长路径”、“零对流”、“无穷多遮热板”效应分别显著消弱了热量传递的传导、对流和辐射三种方式，因而纳米多孔材料显示出了低于空气的超低导热系数，成为目前性能最好的绝热材料。

根据工艺路线的不同，纳米多孔绝热材料一般分为两种，一种是通过溶胶-凝胶工艺制备具有网络状纳米多孔结构的气凝胶材料，另一种是通过将纳米粉体混合压制成型或加入胶黏剂制成涂料，依靠纳米颗粒堆积形成的纳米尺寸孔洞结构的纳米多孔材料。为获得高温下优异的绝热性能，往往在上述两种工艺的制备工程中添加红外遮光剂。

气凝胶具有溶胶-凝胶过程中形成的以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，孔隙率高达80～99.8％，密度可低达0.003g/cm³，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，使用温度可达1300℃，是迄今为止最轻的固体材料和绝热性能最好的材料。高温下使用气凝胶包括硅气凝胶、铝气凝胶、锆气凝胶、碳气凝胶，及其上述组分混合气凝胶。专利CN200710034510.0公开了一种耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料及其制备方法，由无机陶瓷纤维毡或/和无机陶瓷纤维预制件与氧化铝气凝胶或掺杂有遮光剂的氧化铝气凝胶构成。其制备方法包括氧化铝溶胶配制、与无机陶瓷纤维毡或/和无机陶瓷纤维预制件混合、老化、干燥等步骤。专利CN200910210998.7公开了一种硅铝气凝胶复合材料及其制备方法，包括硅溶胶制备、铝溶胶制备、硅铝复合溶胶制备、浸胶、胶凝、老化和超临界干燥等步骤。专利CN201110110947.4公开了一种耐高温Si-C-O气凝胶隔热复合材料及其制备方法，将硅源和碳源混合,经水解和缩聚反应,形成具有纳米多孔三维网络骨架结构并在网络结构中含有Si、C、O三种元素的溶胶,将所述溶胶与耐高温无机陶瓷纤维复合,形成纤维与凝胶混合体,然后通过超临界流体干燥,得到具有纳米多孔结构的Si-C-O气凝胶先驱体复合材料,再对Si-C-O气凝胶先驱体复合材料进行高温惰性气氛裂解,形成具有Si-O键和Si-C键并存的Si-C-O气凝胶隔热复合材料。本发明制备的Si-C-O气凝胶隔热复合材料,800℃、1000℃、1200℃的热导率分别低达0.032W/m·K、0.043W/m·K、0.051W/m·K;抗弯强度达2.6MPa。专利CN200710023436.2公开了一种块状低密度凝胶隔热复合材料，利用高聚合度聚丙烯酸作为多孔纳米二氧化硅增强构架,使二氧化硅凝胶及其复合材料具有一定的弹性和收缩性,有效抑制了凝胶制备及超临界干燥过程的裂纹的产生;采用三氧化二铝、二氧化钛、碳化硅、空心玻璃微珠或四氧化三铁等粉末与水玻璃、有机硅树脂或二氧化硅溶胶等组成的封装浆料对大块二氧化硅气凝胶表面进行封装,封装后的气凝胶复合材料经650～700℃煅烧,可以在最高温度1000℃条件下使用。专利CN201110331274.5公开了一种氧化铝纳米多孔隔热材料的制备方法，将纳米氧化铝粉体利用机械分散和化学分散结合的方法均匀分散在乙醇等有机溶剂中，配制成均匀的有机悬浮液，然后再向上述有机悬浮液中逐滴加入一定量配制好的凝胶剂，加入一定配比的催化剂，使得凝胶剂发生缩聚反应，体系凝胶。所得湿凝胶经静置老化、无水乙醇溶剂置换后，在常压或者超临界条件下干燥即可得到氧化铝的气凝胶隔热材料，可以在1100℃使用。专利CN201210256688.0公开了一种氧化锆块体气凝胶的制备方法，采用锆无机盐为原料，结合阴离子交换技术和溶胶-凝胶技术，以环氧化物为凝胶促进剂制备ZrO₂凝胶，并通过螯合剂、分散剂、干燥控制剂等的添加调整凝胶网络和孔结构的均匀性，通过凝胶老化工艺的改进增强凝胶网络骨架强度，再结合高温超临界干燥工艺，制备出了高强度、低密度、低导热系数的ZrO₂块体气凝胶。

纳米粉体混合制备纳米多孔材料的工艺，由于粉体材料的选择自由度较大，制备工艺相对简单，以及高温下绝热性能较好等优势也受到技术人员的重视。专利CN200510000149.0公开了一种隔热涂料及其用途，其组成包括:成膜物15～65重量份;纳米多孔SiO₂3～20重量份;纳米氧化铁黄1～12重量份;颜料5～30重量份;填料3～22重量份;助剂0.4～8重量份；溶剂6～30重量份。20μm的涂层厚度即可明显改善隔热降温效果,最佳涂膜厚度为35～45μm。该隔热涂料对太阳热和红外辐射都有高反射率、隔热效率高、抗紫外线能力强,且具有超耐候性、强附着力及高自洁性性能。专利CN200510134166.3公开了一种高温隔热涂料，包含耐热树脂、溶剂、纳米多孔性填充物及中空微球无机填充物,其中耐热树脂包含一种以上的耐热高分子,纳米多孔性填充物具有纳米微孔结构,中空微球无机填充物为中空的球形体。专利CN201110332231.9公开了一种蛭石与纳米二氧化硅复合纳米多孔绝热板及其制造方法，将蛭石原矿在膨化炉中加热膨化，形成膨胀蛭石；取30％～60％膨胀蛭石与40％-70％纳米二氧化硅在纳米包覆机中混合；在混合过程中将膨胀蛭石剥离成微纳米蛭石片，同时微纳米蛭石片被纳米二氧化硅颗粒包覆，微纳米蛭石片之间互不接触，得到混合原料；将混合原料在成型设备中压制成绝热板材。专利CN201110363370.8公开了一种纳米多孔高效隔热板的制备方法，本将纳米粉体利用机械分散和化学分散结合的方法与纤维、结合剂、遮光剂、增塑剂、干燥控制剂、分散剂及适量的调节干湿程度的试剂均匀的混合；利用干压成型、流延成型或挤压成型等方法使其成型；控制干燥条件，对成型样品进行干燥，然后覆上一定厚度和材质的反射层，即可得到纳米多孔高效隔热板。专利CN200910201253.4公开了一种纳米二氧化硅微孔绝热体及其制备方法，由纳米二氧化硅、遮光剂、无机纤维、反应活性剂组成,其各个组分的质量百分比为:纳米二氧化硅55-85%，遮光剂10-35%,无机纤维3-10%,反应活性剂2-12%。本发明以纳米二氧化硅为基本原料,加上碳化硅和二氧化钛遮光剂、用玄武岩纤维或硅酸铝纤维增强,利用氟化钠、磷酸二氢铝作为反应活性剂使其在200-450℃的低烧结温度条件下形成化学反应,使得各原材料颗粒接触面生成氟、磷硅酸类化物并连接成一整体，在平均温度500℃时的导热系数不大于0.038w/m·k。专利CN201210573808.X公开了一种气相SiO2纳米微孔绝热材料，采用易制备的气相纳米二氧化硅粉体代替传统载体二氧化硅气凝胶，加入红外遮光剂和增强材料。

上述专利的公开和实施将有利于纳米多孔材料开发和应用的推进，但是仍然存在许多问题。溶胶-凝胶形成网络纳米孔制备气凝胶材料的工艺，或需要特殊设备如超临界干燥设备，或需要大量的有机溶胶置换如乙醇、正己烷等，工艺过程复杂、设备投资大而且因为有机溶剂易燃易爆还不安全。纳米粉体压制成型制备纳米多孔材料，需要将不同的纳米粉料进行分散混合，由于纳米粉体自身的团聚问题和纳米粉体与其他物料密度和粒度的差异，要获得均匀分散较为困难，并且制成的产品强度较低容易破碎限制了应用领域。纳米粉体加入胶黏剂制成涂料，因纳米粉体本身价格较高，所得产品的成本也较高。

为解决以上问题，本发明提出了一种新的纳米多孔隔热材料及其制备方法。

发明内容

为解决传统纳米多孔材料存在的不足，本发明提出了一种以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其包括以下步骤。

（1）制备触变性胶体。

所述触变性胶体，包括无机触变性胶体和有机触变性胶体中一种或几种。

所述无机触变性胶体包括氧化铝胶体、氧化钛胶体、氧化锆胶体、氢氧化铁胶体、五氧化二钒胶体、氧化硅-氧化铝胶体、硅酸镁铝、硅酸镁锂、蒙脱石、钠基膨润土、有机膨润土、白土、凹凸棒石粉、气相二氧化硅、气凝胶、预剪切硅凝胶。优选氧化铝胶体、氧化硅-氧化铝胶体、硅酸镁铝、硅酸镁锂、白土、凹凸棒石粉和预剪切硅凝胶。

所述有机触变性胶体包括纤维素衍生物、淀粉、明胶、海藻酸钠、干酪素、瓜尔胶、甲壳胺、阿拉伯胶、黄原胶、大豆蛋白胶、天然橡胶、羊毛脂、琼脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸盐，优选纤维素衍生物、淀粉、黄原胶和聚乙烯醇。

所述氧化硅-氧化铝胶体，由硅溶胶与铝溶胶生成，将硅溶胶用水稀释，硅溶胶与水质量分数为1~50:100，得稀释硅溶胶；铝溶胶用水稀释，铝溶胶与水质量分数为1~50:100，得稀释铝胶体。将硅溶胶与铝溶胶按1~100:1~100混合得粘稠状的氧化硅-氧化铝胶体。

所述预剪切硅凝胶，是在硅溶胶变稠即将转变为凝胶时，或在已经变成凝胶后，对硅凝胶进行搅拌等剪切处理制成硅凝胶浆料。

所述纤维素衍生物包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素纤维素。

（2）按比例称取骨料、粉料、遮光剂，搅拌均匀，形成预混干料。

所述预混干料组成的质量分数比为骨料：粉料：遮光剂=0~40:1~30:0.1~5。

所述骨料包括细沙、玻化微珠、漂珠、氧化硅空心珠、氧化铝空心珠、氧化锆空心珠、硅酸铝空心微珠、膨胀珍珠岩、碎石、卵石、粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、浮石、火山渣中的一种或几种。

所述粉料包括粉煤灰、高炉矿渣、火山灰、沸石粉、蛭石粉、硅灰、硅微粉、硅藻土、膨润土、凹凸棒石粘土、稻壳灰中的一种或几种。

所述遮光剂包括炭黑、氧化铁、氧化钛、偏钛酸、硫酸氧钛、钛酸锆、六钛酸钾晶须、氮化钛、氧化锆、硅酸锆、碳化锆、碳化硅、碳化硼。

（3）将触变性胶体、预混干料、结合剂、外加剂混合，得到预混湿料。

所述预混湿料，其物料质量分数比是：触变性胶体：预混干料：结合剂：外加剂=10~:1000：10~1000:1~1000:0.01~1；优选触变性胶体：预混干料：结合剂：外加剂=50~:200：50~400:0.5~200:0.01~1，特别优选触变性胶体：预混干料：结合剂：外加剂=100~150:120~300:1~100:0.01~1。

所述的结合剂包括无机结合剂和有机结合剂中一种或几种。

所述无机结合剂包括高铝水泥、氧化铝水泥、铝酸钡水泥、白云石水泥、镁质水泥、锆酸盐水泥、硅酸钾、硅酸钠、硅酸乙酯、磷酸、磷酸二氢铝、磷酸铝、磷酸镁、聚磷酸钠、硫酸铝、硫酸镁、氯化镁、聚合氯化铝、硼酸、硼砂、硼酸铵、氯酸钠、氯酸钙、硅溶胶、铝溶胶，优选高铝水泥、硅酸钾、硅酸钠、磷酸二氢铝、硅溶胶、铝溶胶。

所述有机结合剂包括酚醛树脂、聚丙烯、糊精、淀粉、阿拉伯胶、糖蜜、CMC、PVAC、PVA、木质素、聚丙烯酸、焦油沥青、蒽油沥青，优选酚醛树脂、聚丙烯。

所述外加剂包括减水剂、减缩剂、分散剂、防水剂、增稠剂、泵送剂、早强剂、缓凝剂中的一种或几种。

（4）将预混湿料与纤维增强材料结合，得到高温隔热砖、高温隔热板、高温隔热纸、高温隔热异形件和高温隔热涂料。

所述的纤维增强材料包括无机纤维和有机纤维的一种或几种及其相应纤维浆、纸、布、毡和板。

所述无机纤维包括高硅氧纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、氮化硼纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维、海泡石纤维、无碱玻璃纤维。

所述有机纤维包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、木纤维、纤维素纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、芳纶。

所述高温隔热砖，采用的增强纤维是短纤维，与预混湿料一起搅拌混合后注入磨具固化成型。

所述高温隔热板，采用的增强纤维可以是短纤维，与预混湿料搅拌混合后注入磨具成型，干燥；也可以是长纤维或短纤维与长纤维混用及其制成的纤维纸、布、毡、板，与预混湿料层粘结复合固化成型。

所述高温隔热板，制备过程中包括纤维铺设、加入预混湿料、辊压、固化、裁切。

所述高温隔热纸，制备过程中包括纤维打浆、加入预混湿料、铺网、固化、收卷。

所述高温隔热异形件，采用的增强纤维是短纤维，与预混湿料一起搅拌混合注入一定形状的磨具，固化成型，干燥。

所述高温隔热涂料，采用的增强纤维是短纤维，与预混湿料一起搅拌混合所得粘稠膏体。

首先介绍触变性胶体为模板剂制备纳米多孔高温隔热材料的机理。

模板剂又叫结构导向剂，在微孔化合物生成过程中起着结构模板作用，诱导特殊结构的生成，在沸石分子筛的制备过程中广泛采用有机胺类和季铵离子作为模板剂。

触变性胶体，一类具有触变结构的胶体，其具有以下特点：(1)从有结构到无结构，或从结构的拆散作用到结构的恢复作用是一个等温可逆转换过程；(2)体系结构的这种反复转换与时间有关，即结构的破坏和结构的恢复过程是时间的函数。同时结构的机械强度变化也与时间有关。实际上，触变性是体系在恒温下“凝胶-溶胶”之间的相互转换过程的表现，对于触变性胶体，只用机械力(振摇等)，不需加热就可使凝胶变为溶胶；不需冷却，只需静置一定时间，又由溶胶变为凝胶。

实际上也可以理解为触变性胶体是介于溶胶和凝胶之间粘稠状胶体。胶体的基本粒子为1~100nm，基本粒子之间相互结合形成具有三维网络结构的纳米多孔骨架，故而，简单的来说，触变性胶体就是在剪切力下仍然具有纳米多孔结构的粘稠性物质。

当结合剂和其他物质与触变性胶体混合时，由于胶体粘稠性和可剪切性，结合剂和其他物质可以均匀地分散在胶体中，直到逐步硬化从而具备了触变性胶体原有的纳米多孔结构。这就是本发明中触变性胶体发挥的模板剂作用。

无机胶体触变剂一般具有棒状或片状的结构，比表面积较大、表面带有电荷，具较好的悬浮性，吸水后会膨胀胶化从而具有胶黏性和触变性。其中氧化铝胶体还具有易分散性、水溶可逆性、稳定性等特性。氧化硅-氧化铝胶体目前研究较少，这里稍作介绍。

氧化硅-氧化铝胶体，由硅溶胶与铝溶胶反应生成，其反应原理如下：

SiO₂·nH₂O+Al₂O₃·mH₂OAl2O₃·SiO₂·(m+n)H₂O

在搅拌条件下，上述反应生成氧化硅-氧化铝胶体不能长大，成为微小颗粒物，由于水溶液中的氧化硅-氧化铝胶体具有众多水合羟基，从而使得生成的氧化硅-氧化铝胶体微小颗粒均匀悬浮于水相中而成为一种灰蓝色的粘稠胶体物质。如果视氧化硅-氧化铝胶体为观察主体，则可以认为氧化硅-氧化铝胶体颗粒团聚堆积成松散的网络结构，结构内部填充着水分。试验表明，氧化硅-氧化铝胶体具有较好的稳定性，可以长达数月不沉积于底部，也不会发生重结晶或交联而成为凝胶，同时还有较好的触变性，静置的氧化硅-氧化铝胶体经搅拌后粘度会恢复到初始的水平。

硅凝胶是一种刚性凝胶，本来不具备触变性，即硅溶胶转化为硅凝胶后不能通过搅拌的方式再由硅凝胶转变成硅溶胶。不过硅凝胶性脆，在高剪切力下可以破碎成颗粒细小的硅凝胶，这些硅凝胶表面有高活性的羟基和并带有电荷，加上硅凝胶内部90%以上体积都是水，故而可以悬殊于水中，在与结合剂和其他物质混合时，也能起到增稠防沉降的作用，并起到了一定的纳米多孔模板剂的作用。

总体而言，无机触变性胶体有以下非常独特的优异性质。

1）具有良好的胶体纳米多孔结构，可以形成稳定的具有触变性的粘稠水相胶体物质。

2）与各类结合剂有很高的相容性。

3）相比有机类模板剂无毒无害，且不需要后期去除。

4）可以耐800℃的高温。

有机触变性胶体中纤维素类的触变性机理是疏水主链与周围水分子通过氢键缔合，提高了聚合物本身的流体体积，减少了颗粒自由活动的空间，从而提高了体系黏度。也可以通过分子链的缠绕实现黏度的提高，表现为在静态和低剪切有高黏度，在高剪切下为低黏度。这是因为静态或低剪切速度时，纤维素分子链处于无序状态而使体系呈现高粘性；而在高剪切速度时，分子平行于流动方向作有序排列，易于相互滑动，所以体系黏度下降。

聚丙烯酸类触变性胶体其触变机理是触变剂溶于水中，通过羧酸根离子的同性静电斥力，分子链由螺旋状伸展为棒状，从而提高了水相的黏度。

有机触变性胶体虽然不耐高温，但用量少，价格便宜，还可以与无机触变性胶体配合使用，增强模板剂的作用，而在高温使用中自行分解不影响产品质量。

正是基于以上特性，触变性胶体被选为本发明的纳米多孔高温隔热材料的模板剂。下面详述，触变性胶体在纳米多孔高温隔热材中发挥的作用。

当结合剂是水泥类材料时，水泥的粒径大部分分布在3~45μm，而要形成胶体一般需要100nm以下，这就是为什么当水泥的水灰比较高时，大部分水泥颗粒并不能悬浮于水中，而是直接沉入底部。换句话说，我们不能通过多加水来获得较低密度的混凝土产品。不能实现低密度，就无法实现让混凝土具备良好的隔热性能。

触变性胶体中加入水泥等胶体材料时，不论水泥的比例多少，都不会出现水泥沉底或团聚的现象，同时水泥和其他加入的物料可以均匀地分散在整个触变性胶体中，并通过在触变性胶体中发生的水化反应形成大量具有类似触变性胶体纳米多孔结构的混凝土材料。由此我们看到触变性胶体在水泥结合剂的纳米多孔高温隔热材料中，起到了非常好模板剂的作用。

触变性胶体内部的水相不仅可以促进水泥类结合剂的水化，同时还能达到水泥浸水养护的效果，触变性胶体因含有纳米粒子反应活性高可以提高水泥水化强度，缩短脱模时间。

当结合剂是硅酸钠、磷酸二氢铝、酚醛树脂和聚丙烯时，触变性胶体同样可以使得硅酸钠、磷酸二氢铝、酚醛树脂和聚丙烯与预混湿料均匀分散在其内部，当硅酸钠、磷酸二氢铝、酚醛树脂和聚丙烯与材料发生反应形成坚硬多孔结构时，触变性胶体同样起到了良好的模板剂的作用。

下面详述本发明技术方案实施的控制要点和方案的技术特点。

硅溶胶与铝溶胶反应生成氧化硅-氧化铝胶体时，硅溶胶溶液和铝溶胶水的浓度越低，搅拌速度越快，二者反应生成氧化硅-氧化铝胶体粒径也越小，但如果硅溶胶溶液和铝溶胶水的浓度过低，形成的氧化硅-氧化铝胶体颗粒虽然以胶体的形式存在，但由于氧化硅-氧化铝胶体颗粒太少，不能形成粘稠的胶体物，也就起不到均为分散水泥等结合剂，发挥模板剂的作用。从成本的角度考虑，氧化硅-氧化铝胶体作为模板剂也不希望用太多。故而优选方案中会限定一个较佳的硅溶胶和铝溶胶与水的比例。

步骤（2）中选择合适的结合剂、骨料、粉料和遮光剂搭配，可以获得最佳的隔热材料导热系数、强度、密度和其他综合性能。

骨料中的玻化微珠、漂珠、氧化硅空心珠、氧化铝空心珠、氧化锆空心珠、膨胀珍珠岩、粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、浮石、火山渣均为轻骨料，可以进一步降低所得隔热材料的密度。骨料的添加量视产品类型和功能需要可以有一定的变动一范围，甚至不加。

步骤（3）触变性胶体和预混料混合的物料比，直接影响了所得隔热材料的密度、强度和导热系数。总体上，触变性胶体比例越高，隔热材料密度越低、导热系数越低、强度也越低，反之亦然。外加剂和增强纤维的加入可以改善隔热材料施工和易性、隔热材料的防水性、抗收缩性、抗裂性和耐久性等。

借助相应的设备和模具，通过本发明技术方案可以获得高温隔热砖、隔热板和异形件。

有益效果。

综上所述，相对于已有技术，本发明具有以下突出的优势。

1）本发明以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料，可以获得类似气凝胶材料的三维网络纳米多孔结构，制备过程为水体系，无需气凝胶材料制备过程中必须的易燃易爆有机溶剂置换过程，也不需要超临界干燥的高压特种设备，避免了废水废气的排放，是一个绿色环保、安全高效的新型工艺。

2）本发明以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料，可获得高度分散的三维网络纳米多孔粘稠胶体，从而获得具有高度一致性的高温隔热材料，避免了纳米粉体材料与其他组分均匀分散混合困难，堆积形成的纳米孔结构尺寸大小不一等难题，同时避免了纳米粉体材料自身的团聚和分散问题以及其他复杂的加工环节，制备工艺简单易行，原料低廉易得，物料相容性好，稳定性高，生产过程易于控制，生产成本低，有利于自动化大批量工业化生产。

3）本发明以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料，可以制备成高温隔热砖、隔热板、隔热纸、异形件和涂料，满足不同项目的需求。

4）本发明以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料，生产工艺设备可兼容传统的高温隔热砖、隔热板、隔热纸、异形件和涂料的制备工艺，有利于传统高温隔热材料产业的转型升级。

5）本发明以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料，强度、密度可调，使用温度600~1300℃，导热系数0.02~0.06w/m·k，可应用于航天军工、冶金锻造、石油炼化、电力等领域的高温炉膛、管线、阀门等装备的隔热防护，提高使用安全性和节能降耗水平。

具体实施方式

下面提供了一种以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料的具体实施方式，作为对本发明进一步详细说明。

实施例1。

取4.0kg浓度40%的铝溶胶溶于50.0kg水，配制稀释铝溶胶，静置2d，得到半透明触变性氧化铝胶体。预混干料按如下配比混合搅拌：氧化铝空心微珠38.0kg，硅微粉8.0kg，硅灰1.0kg，氧化钛0.5kg。预混湿料按如下配比混合搅拌：氧化铝胶体54.0kg，预混干料47.5kg，模数3.3硅酸钠10.0kg，甲基硅酸防水剂0.1kg。往预混湿料中加入1.0kg海泡石纤维，搅拌后所得粘稠膏体注入磨具，85℃下烘干3d，在110摄氏度下烘干3h，得高温隔热砖，密度1040kg/m³，强度11MPa，导热系数0.14w/m·k。

实施例2。

取5.0kg浓度30%硅溶胶溶于30.0kg水，配制稀释硅溶胶，取4.0kg浓度40%的铝溶胶溶于50.0kg水，配制稀释铝溶胶。将稀释铝溶胶置于容器内，在600r/min搅拌的情况下缓慢加入稀释硅溶胶，得到半透明触变性氧化硅-氧化铝胶体。预混干料按如下配制并混合：粘土陶粒15.0kg，玻化微珠8.0kg，细沙20.0kg，火山灰1.0kg，硅酸锆粉1.0kg。预混湿料按如下配比混合搅拌:高铝水泥35.0kg，氧化硅-氧化铝胶体80.0kg，氧化铝纤维1.2kg，聚酯纤维0.2kg和聚乙烯醇减缩剂0.1kg。将所得浆料倒入模具制成砖块，自然养护28d后，所高温隔热砖，密度1560kg/m³，强度14MPa，导热系数0.18w/m·k。

实施例3。

取10.5kg硅酸镁铝加水50.0kg，浸泡24h，然后以1800r/mim的速度剪切分散3h，制得粘稠触变性硅酸镁铝胶体。预混干料按如下配比混合搅拌：氧化锆空心微珠15.0kg，稻壳灰8.0kg，硅灰1.0kg，六钛酸钾晶须1.0kg。预混湿料按如下配比混合搅拌：硅酸镁铝胶体50.0kg，预混干料25.0kg，磷酸二氢铝10.0kg，聚醚减缩剂0.1kg。将经过梳理的莫来石纤维先在金属履带上铺一层约1mm厚度，然后从上方注入预混湿料，辊压；再铺一层约1mm厚度莫来石纤维，再从上方注入预混湿料，再辊压，重复上述步骤直到纤维厚度为15mm，90℃下烘烤8h完成固化，裁切后高温隔热板，密度400kg/m³，强度1.8MPa，导热系数0.08w/m·k。

实施例4。

取10.0kg白土和1.0kg气相二氧化硅加水50.0kg，浸泡24h，然后以1500r/mim的速度剪切分散3h，制得粘稠触变性白土-气相二氧化硅胶体。预混干料按如下配比混合搅拌：漂珠20.0kg，粉煤灰8.0kg，硅藻土1.0kg，碳化硅0.5kg。预混湿料按如下配比混合搅拌：白土-气相二氧化硅胶体54.0kg，预混干料47.5kg，磷酸铝8.0kg，有机硅氧烷防水剂0.1kg。往预混湿料中加入水镁石纤维1.kg和碳纤维0.1kg，搅拌后所得粘稠膏体注入特定形状的磨具，85℃下烘干3d，在110摄氏度下烘干3h，得高温异形件。

实施例5。

取10.0kg凹凸棒石粉和0.2kg羟乙基纤维素加水40.0kg，浸泡24h，然后以2400r/mim的速度剪切分散3h，制得粘稠凹凸棒石-羟乙基纤维素触变性胶体。预混干料按如下配比混合搅拌：硅灰20.0kg，炭黑5.0kg。预混湿料按如下配比混合搅拌：粘稠凹凸棒石-羟乙基纤维素胶体40.0kg，预混干料25.0kg，硅酸钾10.0kg，聚甲基丙烯酸铵分散剂0.1kg。将硅酸铝纤维先加水进行打浆除渣，然后通过真空抽滤去除硅酸铝纤维浆体中大部分水分，再将预混湿料与硅酸铝纤维浆体混合，再次打浆分散，然后在金属网带上铺一层约1mm厚度硅酸铝纤维与预混湿料的混合浆料，90℃下烘干1.5h，在110摄氏度下烘干1h，得高温隔热纸。

实施例6。

取10.0kg预剪切硅凝胶和0.1kg聚乙烯醇加水40.0kg，浸泡24h，然后以2400r/mim的速度剪切分散3h，制得粘稠预剪切硅凝胶-聚乙烯醇触变性胶体。预混干料按如下配比混合搅拌：硅酸铝空心微珠20.0kg，硅微粉2.0kg，硅灰8.0kg，氧化钛0.5kg。预混湿料按如下配比混合搅拌：粘稠预剪切硅凝胶-聚乙烯醇触变性胶体40kg，预混干料30.5kg，磷酸二氢铝10kg，有机硅氧烷防水剂0.05kg。往预混湿料中加入海泡石纤维1.kg，混合搅拌得高温隔热涂料。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims

1.一种以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其包括以下步骤：

（1）制备触变性胶体；

所述触变性胶体，包括无机触变性胶体和有机触变性胶体中一种或几种；

所述无机触变性胶体包括氧化铝胶体、氧化钛胶体、氧化锆胶体、氢氧化铁胶体、五氧化二钒胶体、氧化硅-氧化铝胶体、硅酸镁铝、硅酸镁锂、蒙脱石、钠基膨润土、有机膨润土、白土、凹凸棒石粉、气相二氧化硅、气凝胶、预剪切硅凝胶；

所述有机触变性胶体包括纤维素衍生物、淀粉、明胶、海藻酸钠、干酪素、瓜尔胶、甲壳胺、阿拉伯胶、黄原胶、大豆蛋白胶、天然橡胶、羊毛脂、琼脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸盐；

（2）按比例称取骨料、粉料、遮光剂，搅拌均匀，形成预混干料；

所述预混干料组成的质量分数比为骨料：粉料：遮光剂=0~40:1~30:0.1~5；

所述骨料包括细沙、玻化微珠、漂珠、氧化硅空心珠、氧化铝空心珠、氧化锆空心珠、硅酸铝空心微珠、膨胀珍珠岩、碎石、卵石、粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、浮石、火山渣中的一种或几种；

所述粉料包括粉煤灰、高炉矿渣、火山灰、沸石粉、蛭石粉、硅灰、硅微粉、硅藻土、膨润土、凹凸棒石粘土、稻壳灰中的一种或几种；

所述遮光剂包括炭黑、氧化铁、氧化钛、偏钛酸、硫酸氧钛、钛酸锆、六钛酸钾晶须、氮化钛、氧化锆、硅酸锆、碳化锆、碳化硅、碳化硼；

（3）将触变性胶体、预混干料、结合剂、外加剂混合，得到预混湿料;

所述预混湿料，其物料质量分数比是：触变性胶体：预混干料：结合剂：外加剂=10~1000:10~1000:1~1000:0.01~1；

所述的结合剂包括无机结合剂和有机结合剂中一种或几种;

所述无机结合剂包括高铝水泥、氧化铝水泥、铝酸钡水泥、白云石水泥、镁质水泥、锆酸盐水泥、硅酸钾、硅酸钠、硅酸乙酯、磷酸、磷酸二氢铝、磷酸铝、磷酸镁、聚磷酸钠、硫酸铝、硫酸镁、氯化镁、聚合氯化铝、硼酸、硼砂、硼酸铵、氯酸钠、氯酸钙、硅溶胶、铝溶胶；

所述有机结合剂包括酚醛树脂、聚丙烯、糊精、淀粉、阿拉伯胶、糖蜜、CMC、PVAC、PVA、木质素、聚丙烯酸、焦油沥青、蒽油沥青，优选酚醛树脂、聚丙烯；

所述外加剂包括减水剂、减缩剂、分散剂、防水剂、增稠剂、泵送剂、早强剂、缓凝剂中的一种或几种；

（4）将预混湿料与纤维增强材料结合，得到高温隔热砖、高温隔热板、高温隔热纸、高温隔热异形件和高温隔热涂料；

所述的纤维增强材料包括无机纤维和有机纤维的一种或几种及其相应纤维浆、纸、布、毡和板；

所述无机纤维包括高硅氧纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、碳纤维、氮化硼纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维、海泡石纤维、无碱玻璃纤维；

所述有机纤维包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、木纤维、纤维素纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、芳纶；

所述高温隔热砖，采用的增强纤维是短纤维，与预混湿料一起搅拌混合后注入磨具固化成型;

所述高温隔热板，采用的增强纤维可以是短纤维，与预混湿料搅拌混合后注入磨具成型，干燥；也可以是长纤维或短纤维与长纤维混用及其制成的纤维纸、布、毡、板，与预混湿料层粘结复合固化成型；

所述高温隔热板，制备过程中包括纤维铺设、加入预混湿料、辊压、固化、裁切；

所述高温隔热纸，制备过程中包括纤维打浆、加入预混湿料、铺网、固化、收卷；

所述高温隔热异形件，采用的增强纤维是短纤维，与预混湿料一起搅拌混合注入一定形状的磨具，固化成型，干燥；

2.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（1）所述无机触变性胶体优选氧化铝胶体、氧化硅-氧化铝胶体、硅酸镁铝、硅酸镁锂、白土、凹凸棒石粉和预剪切硅凝胶。

3.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（1）所述氧化硅-氧化铝胶体，由硅溶胶与铝溶胶生成，将硅溶胶用水稀释，硅溶胶与水质量分数为1~50:100，得稀释硅溶胶；铝溶胶用水稀释，铝溶胶与水质量分数为1~50:100，得稀释铝溶胶。

4.将硅溶胶与铝溶胶按1~100:1~100混合得粘稠状的氧化硅-氧化铝胶体。

5.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（1）所述预剪切硅凝胶，是在硅溶胶变稠即将转变为凝胶时，或在已经变成凝胶后，对硅凝胶进行搅拌等剪切处理制成硅凝胶浆料。

6.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（1）所述机触变性胶体优选纤维素衍生物、淀粉、黄原胶和聚乙烯醇。

7.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（1）所述纤维素衍生物包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素纤维素。

8.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（3）所述预混湿料，其物料质量分数比是：触变性胶体：预混干料：结合剂：外加剂=50~:200：50~400:0.5~200:0.01~1，特别优选触变性胶体：预混干料：结合剂：外加剂=100~150:120~300:1~100:0.01~1。

9.根据权利要求1所述的以触变性胶体为模板剂的纳米多孔高温隔热材料及其制备方法，其特征是步骤（3）所述无机结合剂优选高铝水泥、硅酸钾、硅酸钠、磷酸二氢铝、硅溶胶、铝溶胶。