CN106832986B - 一种低导热保温材料、其制备方法及其应用 - Google Patents

一种低导热保温材料、其制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低导热保温材料、其制备方法及其应用，低导热保温材料，其原料包括如下组分：秸秆粉100份；醇180～300份；水70～150份；原硅酸8～23份；酯30～90份；阻燃剂2～5份；防霉剂1～3份；卤化物10～30份和草酸盐3～13份；上述份数为质量份数。本申请低导热保温材料具有优异的低密度、低导热系数、抗霉性和阻燃性；制备方法具有生产工艺简单易行、生产成本低、原料丰富且价廉、工艺稳定；低导热保温材料可以加工成片材、板材或填充体。

Description

一种低导热保温材料、其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种低导热保温材料、其制备方法及其应用，属于保温材料领域。
背景技术
保温材料一般是指导热系数小于或等于0.2W/(m.K)的材料。保温材料可收集多余热量，适时平稳释放，梯度变化小，有效降低损耗量，室温可趋、冬季保温均可起到平衡作用。随着经济的发展，保温材料发展很快，在日用品、工业和建筑领域中采用良好的保温技术与材料，往往可以起到事半功倍的效果。
目前，低导热保温材料正朝着高效、节能、薄层、隔热、防水外护一体化方向发展，然而现有的低导热保温材料在导热系数、成本、抗霉性、阻燃性、低密度等方面需要进一步提升。
发明内容
本发明提供一种低导热保温材料、其制备方法及其应用，低导热保温材料具有优异的低密度、低导热系数、抗霉性和阻燃性；制备方法具有生产工艺简单易行、生产成本低、原料丰富且价廉、工艺稳定；低导热保温材料可以加工成片材、板材或填充体。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种低导热保温材料，其原料包括如下组分：
上述份数为质量份数。
本申请低导热保温材料各原料简单易得、成本低廉，各物料之间协同效应显著，使所得低导热保温材料在低密度、低导热系数、抗霉性和阻燃性等方面提升显著。
为了进一步保证产品的低密度、低导热系数，同时更好的促进各组分之间的协同效应，秸秆粉所用原料为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、木屑或树枝中的至少一种，秸秆粉经100～200目筛网过筛。
为了利于秸秆粉在低温冷冻状态下形成晶体，醇为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇或丙三醇中的至少一种。
为了进一步利于秸秆粉在低温冷冻状态下形成晶体，酯为乙酸甲酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的至少一种。
为了提高产品的阻燃性能，同时促进各组分之间的协同效应，进而降低产品的密度和导热系数，阻燃剂为聚磷酸铵、氢氧化铝或氢氧化镁中的至少一种；防霉剂为五氯酚钠或苯甲酸钠中的至少一种。
为了提高溶剂对秸秆粉内部的渗透作用，使秸秆粉在溶剂中充分溶胀和软化，同时促进各物料之间的协同效应，降低产品的导热系数，卤化物为盐酸、氯化钠、氯化钾、氯化铵、氯化镁、氯化钙、氢氟酸、氟化钠或氟化钾中的至少一种。
为了提高秸秆粉内部的孔隙率，同时促进各组分之间的协同效应，进而降低产品的密度和导热系数，草酸盐为草酸钠、草酸钾、草酸钙、草酸镁或草酸铵中的至少一种。
上述低导热保温材料的导热系数为13～35mW/(m.k)
为了节约成本，同时保证产品的保温性能，卤化物为工业副产品；草酸盐为工业副产品。
上述低导热保温材料的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
(1)、将秸秆粉、醇、水和酯，在温度为3～45℃、搅拌速度为85～120r/min的条件下，反应10～30min，得到混合料；
(2)、将步骤(1)所得混合料在温度为-15～-80℃的条件下，冷冻0.5～5h，得到冷冻混合料；
(3)、将步骤(2)所得冷冻混合料粉碎后加入球磨机中，在筒体转速为37～60r/min的条件下反应5～20min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将步骤(3)所得冷冻混合料粉体、原硅酸、阻燃剂、防霉剂、卤化物和草酸盐，在温度为60～100℃、搅拌速度为70～100r/min的条件下反应0.5～2h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得预处理料液在温度为-30～-80℃的条件冷冻干燥0.5～2h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，在筒体转速为35～60r/min的条件下反应20～60min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得冷冻干燥混合料粉体在温度为-40～-70℃的条件冷冻干燥3～10h，然后再在温度为90～150℃、压力为-0.1～-5MPa的条件下减压干燥2～5h，得到低导热保温材料。
步骤(2)所得为冷冻混合料为固体；步骤(4)所得预处理料为高溶度秸秆溶胶。
申请人经研究发现：上述冷冻工艺的目的可以使秸秆粉与溶剂一起形成晶体，便于球磨机对秸秆粉的粉碎及颗粒尺寸均匀性的控制，这样一方面可以有效控制秸秆粉的颗粒粒径，另一方面，可以提高秸秆粉在混合溶剂中的溶解度；冷冻干燥工艺可以减少秸秆粉内部微观结构在干燥过程中的破坏，有效提高秸秆气凝胶的孔隙率，从而降低其导热系数；水、醇、酯可使秸秆粉在低温冷冻状态下形成晶体；原硅酸可以诱导秸秆粉由结晶相向非晶相转变，这样可以诱导和改善秸秆气凝胶的结晶性，从而调控秸秆气凝胶的导热系数；卤化物可以提高溶剂对秸秆粉内部的渗透作用，提高秸秆粉在混合溶剂中的溶胀度和溶解度，使秸秆粉在溶剂中充分溶胀和软化，从而有效减少溶剂的使用量，并提高秸秆气凝胶的产率；草酸盐可以提高秸秆粉内部的孔隙率；且各原料之间协同效应显著，使各种性能均有了非常显著的提升。
将上述低导热保温材料在真空度为-0.03～3MPa的条件下抽真空，然后加工成片材、板材或填充体使用，抽真空后真空低导热保温材料的导热系数为0.3～16mW/(m.k)。或将上述低导热保温材料直接加工成片材、板材或填充体。
本申请低导热保温材料可以做成片材、板材及填充体，可以放置于设备夹层及带保温物品表面，作为夹层的厚度优选为0.2mm～2cm。
本申请的低导热保温材料可以依据产品形状设计成各种形状，具有优异的可塑性及可设计性，可以应用于衣服、手套、围巾的保暖，血液、生鲜的保冷，食品的保热，设备的保温及保冷，建筑的保暖等领域。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明低导热保温材料具有较低的导热系数和密度低，抗霉性和阻燃性优异，原材料来源广泛、成本低；生产工艺简单易行、工艺稳定；秸秆粉在醇和酯的水溶液中分散后，在低温冷冻条件下因水醇酯的结晶而形成晶体，球磨机对于晶体物质具有优异的研磨效果，可以有效控制晶体颗粒尺寸大小及均匀度，从而有利于控制秸秆粉的尺寸大小及均匀度；卤化物小分子在水相中对秸秆粉具有优异的渗透性，而且可以提高醇酯在秸秆粉内部的渗透性，使秸秆粉在水醇酯体系中充分溶胀和软化，有利于提高秸秆粉内部的孔隙率；原硅酸在醇水体系中分解生成的二氧化硅为无定形二氧化硅，无定形二氧化硅会诱导秸秆粉向非晶相转变；冷冻干燥技术可以在干燥的过程中，保持秸秆粉内部的微观结构不被破坏，可以有效的提高秸秆粉的软化度和内部空隙率。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种低导热保温材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)、将100份玉米秸秆粉、230份乙醇、90份水、50份乙酸乙酯添加至反应釜中，在反应温度27℃，搅拌速度为95r/min条件下反应20min，得到混合料；
(2)、将混合料转移到冷冻机中，控制温度为-45℃条件冷冻3h，得到冷冻混合料；
(3)、将冷冻混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为50r/min反应15min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将470份冷冻混合料粉体、12份原硅酸、4份聚磷酸铵(厂家：云南天耀化工有限公司，型号：TY-1324)、3份苯甲酸钠、21份氯化铵、10份草酸铵添加至反应釜中，控制温度为80℃，搅拌速度为90r/min条件下反应1.5h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得预处理料液转移到冷冻干燥机中，控制温度为-50℃条件冷冻干燥1.5h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为50r/min反应40min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得冷冻干燥混合料粉体转移到冷冻干燥机中，控制温度为-60℃条件冷冻干燥5h，转移至130℃，-1.2MPa压力下减压干燥3h，得到低导热保温材料。
实施例2
一种低导热保温材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)、将100份小麦秸秆粉、180份异丙醇、70份水、30份乙酸丁酯添加至反应釜中，在反应温度3℃，搅拌速度为85r/min条件下反应10min，得到混合料；
(2)、将混合料转移到冷冻机中，控制温度为-15℃条件冷冻5h，得到冷冻混合料；
(3)、将冷冻混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为37r/min反应20min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将380份冷冻混合料粉体、8份原硅酸、2份氢氧化镁、1份苯甲酸钠、10份盐酸、3份草酸钾添加至反应釜中，控制温度为60℃，搅拌速度为100r/min条件下反应2h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-30℃条件冷冻干燥2h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为35r/min反应60min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-40℃条件冷冻干燥10h，转移至90℃，-5MPa压力下减压干燥5h，得到低导热保温材料。
实施例3
一种低导热保温材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)、将100份树枝粉、300份乙醇、150份水、90份乙酸乙酯添加至反应釜中，在反应温度45℃，搅拌速度为120r/min条件下反应10min，得到混合料；
(2)、将混合料转移到冷冻机中，控制温度为-80℃条件冷冻0.5h，得到冷冻混合料；
(3)、将冷冻混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为60r/min反应5min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将640份冷冻混合料粉体、23份原硅酸、5份氢氧化镁、3份五氯酚钠(厂家：广州市三昌化工有限公司)、30份氯化铵、13份草酸铵添加至反应釜中，控制温度为100℃，搅拌速度为100r/min条件下反应0.5h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-80℃条件冷冻干燥0.5h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为60r/min反应20min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-70℃条件冷冻干燥10h，转移至150℃，-0.1MPa压力下减压干燥2h，得到低导热保温材料。
实施例4
一种低导热保温材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)、将100份木屑、200份丙二醇、100份水、40份乙酸丁酯添加至反应釜中，在反应温度15℃，搅拌速度为100r/min条件下反应17min，得到混合料；
(2)、将混合料转移到冷冻机中，控制温度为-20℃条件冷冻4h，得到冷冻混合料；
(3)、将冷冻混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为50r/min反应12min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将440份冷冻混合料粉体、9份原硅酸、4份聚磷酸铵(厂家：云南天耀化工有限公司，型号：TY-1324)、2份五氯酚钠(厂家：广州市三昌化工有限公司)、17份氯化钾、8份草酸钾添加至反应釜中，控制温度为70℃，搅拌速度为90r/min条件下反应1.3h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-50℃条件冷冻干燥1h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为40r/min反应30min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-50℃条件冷冻干燥6h，转移至100℃，-4.5MPa压力下减压干燥3h，得到低导热保温材料。
实施例5
一种低导热保温材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)、将100份小麦秸秆粉、230份异丙醇、130份水、60份乙酸甲酯添加至反应釜中，在反应温度35℃，搅拌速度为110r/min条件下反应24min，得到混合料；
(2)、将混合料转移到冷冻机中，控制温度为-45℃条件冷冻3h，得到冷冻混合料；
(3)、将冷冻混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为45r/min反应11min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将520份冷冻混合料粉体、20份原硅酸、3份氢氧化铝、1份苯甲酸钠、16份氯化钙、9份草酸镁添加至反应釜中，控制温度为85℃，搅拌速度为85r/min条件下反应1.2h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-35℃条件冷冻干燥1.8h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为53r/min反应35min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-55℃条件冷冻干燥5h，转移至120℃，-1.7MPa压力下减压干燥4h，得到低导热保温材料。
实施例6
一种低导热保温材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)、将100份玉米秸秆粉、280份丙二醇、130份水、80份乙酸乙酯添加至反应釜中，在反应温度40℃，搅拌速度为105r/min条件下反应25min，得到混合料；
(2)、将混合料转移到冷冻机中，控制温度为-60℃条件冷冻1h，得到冷冻混合料；
(3)、将冷冻混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为50r/min反应17min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)、将590份冷冻混合料粉体、11份原硅酸、4份聚磷酸铵(厂家：云南天耀化工有限公司，型号：TY-1324)、3份五氯酚钠(厂家：广州市三昌化工有限公司)、27份氢氟酸、11份草酸镁添加至反应釜中，控制温度为70℃，搅拌速度为95r/min条件下反应1.4h，得到预处理料液；
(5)、将步骤(4)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-70℃条件冷冻干燥1.5h，得到冷冻干燥混合料；
(6)、将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，筒体转速为50r/min反应50min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)、将步骤(6)所得物料转移到冷冻干燥机中，控制温度为-60℃条件冷冻干燥4h，转移至100℃，-3MPa压力下减压干燥4h，得到低导热保温材料。
对比例1
本对例中，制备工艺中不经过冷冻处理和冷冻干燥工艺(也即省去步骤(2)、步骤(5)和步骤(7))，直接选用球磨机对秸秆粉处理，其它组分与制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例中，制备工艺中选用电加热150℃干燥3h替代实施例1中的冷冻干燥(也即代替步骤(2)、步骤(5)和步骤(7)中的冷冻干燥)，其它组分与制备方法与实施例1相同。
对实施例1～6和对比例1～2制得的低导热保温材料的导热系数、防霉性、阻燃等性能进行测试，测试方法如下，测试结果见下表1。
(1)导热系数
按IS 9490-1980/Amd 1-2002测试标准进行测试；
(2)氧指数
按GB/T2406.2-2009/ISO4589-2:1996标准进行测试；
(3)防霉性能
按GB/T 4768-2008标准进行测试；
(4)密度
按GB/T 4472-2011标准进行测试。
表1实施例1～6和对比例1～2制得的低导热保温材料的性能测定
由上表1可知，本发明各实施例制备得到的低导热保温材料的导热系数较低，这表明以本发明提供的原料制备得到的低导热保温材料具有较好的保温性能；相比之下，各对照例的原料制备得到的低导热保温材料的保温性能较差。另外，本发明各实施例制备得到的低导热保温材料具有较好的防霉、阻燃和低密度性能。

Claims (9)

1.一种低导热保温材料，其特征在于：其原料包括如下组分：
上述份数为质量份数；
其制备方法包括顺序相接的如下步骤：
(1)将秸秆粉、醇、水和酯，在温度为3～45℃、搅拌速度为85～120r/min的条件下，反应10～30min，得到混合料；
(2)将步骤(1)所得混合料在温度为-15～-80℃的条件下，冷冻0.5～5h，得到冷冻混合料；
(3)将步骤(2)所得冷冻混合料粉碎后加入球磨机中，在筒体转速为37～60r/min的条件下反应5～20min，过8000目筛网，得到冷冻混合料粉体；
(4)将步骤(3)所得冷冻混合料粉体、原硅酸、阻燃剂、防霉剂、卤化物和草酸盐，在温度为60～100℃、搅拌速度为70～100r/min的条件下反应0.5～2h，得到预处理料液；
(5)将步骤(4)所得预处理料液在温度为-30～-80℃的条件冷冻干燥0.5～2h，得到冷冻干燥混合料；
(6)将步骤(5)所得冷冻干燥混合料粉碎后放入球磨机中，在筒体转速为35～60r/min的条件下反应20～60min，得到冷冻干燥混合料粉体；
(7)将步骤(6)所得冷冻干燥混合料粉体在温度为-40～-70℃的条件冷冻干燥3～10h，然后再在温度为90～150℃、压力为-0.1～-5MPa的条件下减压干燥2～5h，得到低导热保温材料。
2.根据权利要求1所述低导热保温材料，其特征在于：秸秆粉所用原料为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、木屑或树枝中的至少一种，秸秆粉经100～200目筛网过筛。
3.根据权利要求1或2所述低导热保温材料，其特征在于：醇为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇或丙三醇中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述低导热保温材料，其特征在于：酯为乙酸甲酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述低导热保温材料，其特征在于：阻燃剂为聚磷酸铵、氢氧化铝或氢氧化镁中的至少一种；防霉剂为五氯酚钠或苯甲酸钠中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述低导热保温材料，其特征在于：卤化物为盐酸、氯化钠、氯化钾、氯化铵、氯化镁、氯化钙、氢氟酸、氟化钠或氟化钾中的至少一种；草酸盐为草酸钠、草酸钾、草酸钙、草酸镁或草酸铵中的至少一种。
7.根据权利要求1或2所述低导热保温材料，其特征在于：卤化物为工业副产品；草酸盐为工业副产品。
8.根据权利要求1或2所述低导热保温材料，其特征在于：低导热保温材料的导热系数为13～35mW/(m.k)。
9.权利要求1或2所述低导热保温材料的应用，其特征在于：将低导热保温材料在真空度为-0.03～3MPa的条件下抽真空，然后加工成片材、板材或填充体，抽真空后低导热保温材料的导热系数为0.3～16mW/(m.k)；或将低导热保温材料直接加工成片材、板材或填充体。
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