CN105563950A - 一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料，由氧化锆纤维毡或纸和隔离反射层经多层复合，制成复合片材，包裹在液态气体的储存、运输设备上。可满足液化天然气、液氢、液氧等易燃、助燃介质的储运安全要求。

Description

一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料
技术领域
本发明涉及一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料，属于超低温设备隔热材料技术领域。
背景技术
低温液态气体的沸点很低，例如液氮为-196℃，液氧为-183℃，液氢为-253℃，氦气更低为-268.9℃，液化天然气的沸点为-162℃。在世界能源生产总量中，天然气产量约占高达1/3。预计到2020年天然气在世界对能源需求总量中的比例将达到45％-50％。而其中液化天然气LNG的销售约占33％。随着对低温液体需求量的逐渐增大，低温容器如LNG低温气瓶、储罐、低温管道等的应用也越来越广泛，伴随着的是对低温绝热材料的要求越来越高。因此，对用于超低温液态气体的储存、运输的优质绝热材料需求日趋凸显。
常见的低温绝热结构类型分为普通堆积绝热、高真空绝热、真空粉末绝热和高真空多层绝热。真空多层绝热(MultilayerInsulation,MLI)是1951年瑞典的Peterson首次研制成功的，是由铝箔/镀铝薄膜和具有低热导率间隔材料(玻璃纤维或聚酯)复合而成，是目前世界上公认的在高真空下具有最低热导率的高真空绝热材料，被称之为“超级绝热”。
目前超低温低热导率间隔保温材料，最具代表性的是玻璃纤维纸和硬质聚氨酯泡沫材料。聚氨酯泡沫塑料最大的缺点是阻燃性差，低温下尺寸稳定性差，容易变形开裂，对于LNG船上的应用有一定的危险性。玻璃纤维超低温隔热材料在使用时需要和定量较低的铝箔或无纺布经多层复合后，做成像棉被一样的保温层，包裹在液态气体或冷冻样品的储存设备上。CN103836306A(201410106090.2)提供一种玻璃纤维超低温隔热材料生产工艺，以玻璃纤维棉为原料，加入软化增强剂，经过工艺处理以后，得到一种定量很低、保温及透气性好的新型玻璃纤维超低温隔热材料。能在-273～500℃的环境下使用，尤其是用于深冷状态下的液氮、液氢、液氦和石油液化气等气体的贮存、运输设备的保温；在使用过程中，抽真空速度快，节省工作时间。申请号201410106090.2提供的玻璃纤维超低温隔热材料生产工艺，是以玻璃纤维棉为原料生产的玻璃纤维纸。申请号201310022591.8提及的一种超强透气型深冷绝热材料及其制备方法，也是包括无碱玻璃纤维和水拉丝玻璃纤维制备的玻璃纤维纸，但是，玻璃纤维不耐高温燃烧时收缩厉害，热导率系数不是最低的，低温下易脆化抗拉伸强度降低，生产过程中添加的化学物质会影响到换气率从而影响真空度使产品性能降低等缺点。
CN101357979A(200810021989.9)一种耐低温LNG保温材料及其制备方法,该材料是由混合多元醇为60-97％,催化剂为0.1-2％,匀泡剂为0.5-10％,发泡剂为2-15％,阻燃剂为2-15％,扩链剂为0.1-5％组成的A组分；再与异氰酸酯类的B组分反应制备而获得。该材料可以在-220℃以上的低温下长期使用,具有良好的保冷和机械性能,可适应300℃以上温差范围急速变化,具有高阻燃性,导热系数小,能有效防止超低温液体的热损耗,为环保节能,无污染的高性能保温、保冷材料。但该种材料不宜在高真空下应用，材料为有机材料换气率较高，不适宜多层真空绝热应用。
目前超低温绝热结构和材料存在突出的缺点是绝热效果差，主要是低温热导率较高，材料本身反射率较低，真空换气率较高。低温下强度降低。影响使用效果。
氧化锆纤维是兼有耐高温、低导热系数、低高温蒸汽压和优异的耐酸碱腐蚀等性能的氧化物。与其他无机纤维相比，氧化锆纤维具有许多独特的、不可替代的优越性能，在航空、航天和超高温工业窑炉隔热等领域都具有极其重要的应用价值。尤其是在超过1800℃的氧化气氛环境下可长期使用，因此现有技术中对氧化锆纤维的应用都集中在高温隔热应用，例如CN101462876A公开了一种一种氧化锆陶瓷纤维板的制备方法，制得的氧化锆陶瓷纤维板可在1700℃～2160℃的环境下长时间使用。CN103757751A提供一种超高温氧化锆陶瓷纤维的制备方法，制得的氧化锆陶瓷纤维可在2250℃以下的温度范围内长时间使用。但是现有的氧化锆纤维的应用研究都集中在高温/超高温隔热领域，经检索未发现有在超低温领域的作为主要绝热材料的应用研究报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料。
一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料，由氧化锆纤维毡或纸和隔离反射层经多层复合，制成复合片材，包裹在液态气体的储存、运输设备上。
所述的隔离反射层是铝箔，厚度6-8μm。
所述每层氧化锆纤维毡的厚度在1-20mm，纤维纸的厚度在0.06-0.09mm抗拉强度良好。
制成复合片材的总厚度在20mm左右。
本发明的超低温复合保温材料，使用时可多层缠绕在液态气体的储存、运输设备上。
根据本发明优选的，本发明的超低温复合保温材料在10-2～10-5Pa真空条件下应用。一种情形是直接将超低温复合保温材料抽真空后密封，另一种更为简洁的方式是，将所述的超低温复合保温材料置于抽真空的夹层中。
所述的液态气体储存、运输设备，是指深冷液体储运容器、其配套管路，例如低温液体储罐，低温液体汽车罐车，低温液体罐式集装箱，车用LNG气瓶，焊接绝热气瓶，快易冷用，生物杜瓦用，移动式橇装加气站，LNG船用气罐，低温真空管道，低温液体泵及泵池用；还可用于低温超导、航空航天等领域的低温绝热。
本发明的超低温复合保温材料的制备方法，包括步骤如下：
1、将氧化锆纤维棉均匀铺成毡或制备成纸；
2、将氧化锆纤维毡或纸与铝箔复合，一层氧化锆纤维毡或纸铺上一层铝箔，做成复合保温材料。
应用时，将复合后的材料均匀包裹在低温液态气体的储存、运输设备的内胆外壁上；储存、运输设备的内胆与外壳之间的夹层抽真空10-2～10-5Pa。
本发明所述的氧化锆纤维，ZrO2含量85％以上，纤维直径1-10μm。长度1-3厘米。单斜相、立方相或者四方相和立方相的混合均可。制备方法按现有技术。
本发明所述的氧化锆纤维超低温复合保温材料，用于-100℃至-273℃条件的保温隔热。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用的是无机超细氧化锆纤维棉与隔离反射层经多层复合，绝热性能好，氧化锆纤维可以耐低温到-270℃，不蓄热、遇见明火不燃烧，氧化锆纤维在液氮和液化天然气低温下性质稳定。可以满足液化天然气、液氢、液氧等易燃、助燃介质的储运安全要求。
2.氧化锆纤维真空下放气率小。本发明所用氧化锆纤维不含有任何有机化学材料，从而保证了产品在高真空下放气率很小，并能保持高真空度(10-2Pa以上)很长时间；
3.本发明的超低温复合保温材料、石英玻璃纤维棉、玻璃纤维纸铝箔复合材料做液氮下的低温保温实验，将上述材料分别缠绕在装有液氮的不锈钢筒的外壁，测量离不锈钢外壁不同厚度处的温度。在大气环境或高真空环境下，实验证实氧化锆细直径纤维和玻璃纤维相比都具有明显的低温绝热保温优势。
4.氧化锆纤维在液氮浸泡后扫描电镜照片显示纤维纤维结构及强度没有明显变化。在液氮温度-196摄氏度下，浸润氧化锆纤维达温度平衡后取出用电镜观察纤维形貌其微观结构和纤维强度未见明显变化。
附图说明
图1是氧化锆纤维毡和铝箔层层复合后的保温材料示意图。
图2是复合保温材料缠绕低温液态气体储存的不锈钢内胆上的示意图。其中，1、铝箔，2氧化锆纤维毡或纸，3、复合保温材料，4、不锈钢内胆。
图3液氮处理后氧化锆纤维显微微观结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1、
将单斜相氧化锆纤维棉制备成毡，氧化锆纤维直径在0.3-1μm，毡厚度5-6mm，毡的幅度为3000mm；将氧化锆纤维毡和6-7μm厚度铝箔层层复合。至总厚度约20mm。
将复合好的材料缠绕在液态气体储罐内胆筒体上，固定并套入外胆中，密闭后抽真空到10-4Pa，产品可以长期有效保持高真空度，低温绝热和阻燃性能好。
在内胆装载液氮的气瓶中，氧化锆纤维的保温效果比玻璃纤维纸的保温效果提高10％-20％。真空出气率相比玻璃纤维纸大大降低。
实施例2、
如实施例1所述，在内胆装载500L的液化天然气，氧化锆纤维的保温效果比玻璃纤维纸的保温效果提高10％-20％。真空换气率及静态蒸发率相比玻璃纤维纸大大降低。
实施例3、
(1)将单斜相氧化锆纤维棉制备成毡，纤维直径在3-4μm，毡厚度4-5mm，毡的幅度为1000mm；将纤维毡和7-8μm厚度铝箔层层复合。至总厚度约20mm。
(2)将复合好的材料缠绕的内胆筒体上，经固定套入外胆中，密闭后抽真空到10-3Pa，可以长期有效保持高真空度，低温绝热和阻燃性能好。在内胆装载液化天然气，氧化锆纤维符合材料的保温效果比玻璃纤维纸的保温效果提高20％。
实施例4、
(1)将单斜相氧化锆纤维棉制备成毡，纤维直径在3-4μm，毡厚度1-10mm，毡的幅度为250mm-5000mm；将纤维毡和0.006-0.007mm厚度铝箔复合。
(2)将复合好的材料缠绕的内胆筒体上，经固定套入外胆中，密闭后抽真空到10-4Pa，产品可以长期有效保持高真空度，低温绝热和阻燃性能好。
实施例5、
(1)将单斜相氧化锆纤维棉制备成毡，纤维直径在5-7μm，毡厚度1-10mm，毡的幅度为250mm-5000mm；将纤维毡和0.006-0.007mm厚度铝箔复合。
(2)将复合好的材料缠绕的内胆筒体上，经固定套入外胆中，密闭后抽真空到10-4Pa，产品可以长期有效保持高真空度，低温绝热和阻燃性能好。
实施例6、
如实施例1所述，是不同的是单斜相氧化锆纤维直径在7-10μm，毡厚度9-10mm，毡的幅度为4000mm；将纤维毡和8μm厚度铝箔复合。
实施例7、
如实施例1所述，将氧化锆纤维毡厚度改为10-20mm。
实施例8、
如实施例1所述，将氧化锆纤维替换为立方相二氧化锆纤维。
实施例9、
如实施例1所述，将氧化锆纤维替换为四方相和立方相混存的二氧化锆纤维。

Claims (5)

1.一种适用于液态气体储存、运输设备的超低温复合保温材料，其特征是由氧化锆纤维毡或纸和隔离反射层经多层复合，制成复合片材，包裹在液态气体的储存、运输设备上。
2.如权利要求1所述的超低温复合保温材料，其特征是所述的隔离反射层是铝箔，厚度6-8μm。
3.如权利要求1所述的超低温复合保温材料，其特征是所述每层氧化锆纤维毡的厚度在1-20mm，纤维纸的厚度在0.06-0.09mm。
4.如权利要求1所述的超低温复合保温材料，其特征是所述的制成复合片材的总厚度20mm。
5.如权利要求1所述的超低温复合保温材料，其特征是在10-2～10-5Pa真空条件下应用：将超低温复合保温材料抽真空后密封，或者，将所述的超低温复合保温材料置于抽真空的夹层中。
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