CN107630205B - 一种保温结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种保温结构，其从内至外包括：第一纳米绝热层、反射层、第二纳米绝热层和第一类金刚石薄膜层。所述第一纳米绝热层和/或第二纳米绝热层的材质为纳米微孔SiO2玻璃‑高分子复合材料，厚度均为10～500μm。本发明通过改进保温结构，绝热同时反射红外线或电磁波辐射，使得保温效果更佳。

Description

一种保温结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其是一种保温结构及其制备方法。
背景技术
目前，保温用品已广泛应用在人们日常生活中各个领域，例如保温饭盒、保温杯、保温水壶等。
但是，目前的保温用品保温材料多为单层或双层的金属密封结构，一方面，金属是热的良导体，金属本身就容易使保温材料内外的热量进行传递；另一方面，金属外表面及其容易刮花或磕碰变形。
人们希望找到一种保温结构能够同时解决现有的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种保温结构，其从内至外包括：第一纳米绝热层、反射层、第二纳米绝热层和第一类金刚石薄膜层。
进一步地，所述第一纳米绝热层和/或第二纳米绝热层的材质为为纳米微孔SiO2玻璃球与4-甲基戊烯聚合物形成的复合材料，所述纳米微孔SiO2玻璃球与所述4-甲基戊烯聚合物的体积比为5～10％：1。
进一步地，所述纳米微孔SiO2玻璃球的粒径为1～100μm，孔径为1～6nm，比表面积达360～700m2/g。
进一步地，所述第一纳米绝热层和/或第二纳米绝热层的厚度为10～500μm。
进一步地，所述反射层的材质为Ag或Al或Cu，厚度为0.5～10μm。
进一步地，所述第一类金刚石薄膜层和/或所述第二类金刚石薄膜层厚度不大于10μm。
本发明还提供这种保温结构的制备方法，包括如下步骤：
提供一反射层；
将纳米微孔SiO2玻璃球与4-甲基戊烯聚合物混合，喷涂在所述反射层两相对设置的第一表面和第二表面，固化后分别在所述第一表面、第二表面上形成所述第一纳米绝热层、第二纳米绝热层；其中，述纳米微孔SiO2玻璃球与所述4-甲基戊烯聚合物的体积比为5～10％：1；
进一步地，所述密闭腔体采用透明材质制备。
利用微波等离子体化学气相沉积方法，控制微波频率为915MHz，在反应腔中通入甲烷、氢气和氧气的混合气体，控制温度400℃、功率1.5kw～4kw,气压20～45mbar，在所述第一纳米绝热层或者第二纳米绝热层上形成类金刚石薄膜层。
进一步地，所述混合气体中：所述甲烷、氢气和氧气分别为12sccm、400sccm、4sccm。
进一步地，所述类金刚石薄膜的镀膜时间为60min。
进一步地，所述第一纳米绝热层和/或第二纳米绝热层的材质为纳米微孔SiO2玻璃-高分子复合材料。
有益效果：
本发明采用纳米微米SiO2玻璃球、4-甲基戊烯聚合物形成复合的绝热材料，形成在Ag金属反射层两侧，组合成改进的保温结构，隔绝保温结构内外的热量传递。对于保温结构内的保温材料高于室温，则保温结构可以通过金属反射层将保温材料发出的红外线反射在保温结构的内部，第一纳米绝热层作为热的不良导体能够进一步将热量阻隔在保温结构内部。同理，对于保温结构内的保温材料低温室温，则保温结构可以通过金属反射层将外界环境中的红外线截留在保温结构的外，第二纳米绝热层作为热的不良导体能够进一步将热量阻隔在保温结构外，能有效阻隔保温结构内外的热量传递，使得保温效果更佳。
附图说明
图1为本发明的保温结构的结构示意图。
图2为本发明的保温结构保温效果图。
具体实施例方式
下面，将结合具体实施例对本发明作详细说明。
本实施例利用具有辐射冷却、低导热率功能的纳米微米SiO2玻璃球形成保温结构，能有效降低需要保温材料的温度变化速率，起到与外界温度阻隔的作用。
本实施例提供一种保温结构，如图1所示，这种保温结构形成在密闭腔体50的外表面，以维持或降低所述密闭腔体50中的温度变化速率。其中，密闭腔体50可例如为杯子、或饭盒或水壶等。优选地，密闭腔体50采用透明材料形成，例如可以是透明的塑料材料：聚邻苯二酰胺(简称PPA)树脂。本实施例的保温结构从内至外包括：第一纳米绝热层10、反射层20、第二纳米绝热层30和第一类金刚石薄膜层40。
所述第一纳米绝热层10直接与需要保温的固体或液体接触，位于最内层，定义第一纳米绝热层10面向需要保温的固体或液体的一面为内侧。第一纳米绝热层10、第二纳米绝热层30分别形成在反射层20的相对的第一表面(例如内表面)、第二表面(例如外表面)的材质可例如为纳米微孔SiO2玻璃球-高分子复合材料材料。其中，高分子材料优选为4-甲基戊烯(4-methylpentene-1)的聚合物(俗称TPX)，具有高耐热性、低比重、高透光率等特点，密度：0.82-0.83；吸水率：0.01％；熔点：240℃；维卡软化点160℃～170℃；收缩率：1.5％～3.0％；透光率：90％～92％。而所述纳米微孔SiO2玻璃球材料选用粒径为1～100μm，孔径为1～6nm，比表面积达360～700m2/g范围的多种纳米级微孔SiO2玻璃球。
其中，所述反射层20的材质优选为导热金属，例如为Ag或Al或Cu，厚度为0.5～10μm，具有反射各种电磁波的功能。反射层的涂覆厚度可以在0.5～10μm的范围内调整，当厚度比较薄的时候，将使得该反射层半透明或接近透明。
在TPX中混入纳米微孔SiO2玻璃球，固化后可得到一种透明的、复合材料，能够具有低导热、低比重的功能性质。在本实施例中，优选纳米微孔SiO2玻璃球的体积占所述TPX的体积为5～10％，按照该比例将两者混合均匀、固化后形成厚度为10～500μm的纳米微孔SiO2玻璃球-高分子复合材料作为纳米绝热层。
上述的纳米绝热材料与反射层结合形成的保温结构具有辐射冷却的性能，对红外线具有高达90％以上的反射率，能够将吸收到的热量作为红外线向外部环境辐射。一方面，在本实施例的保温结构包覆在密闭腔体外，密闭腔体并非金属，而是具有良好透光率的透明材料。这种使得从密封腔体中发出的红外线、或者从保温结构中反射回来的红外线均能够顺利透过，但所有红外线的反射均只能限制在反射层当中进行；而第一纳米绝热材料作为热的不良导体，很好地阻隔了反射层与密闭腔体之间的热交换。同理，反射层同样阻隔了外部红外线对密闭腔体的加热，而位于反射层外部的第二纳米绝热层将吸收的热量转为红外线进行辐射冷却，使得外界难以与内部材料进行热传递。
进一步地，在面向外界的所述第二纳米绝热层表面形成第一类金刚石薄膜层，厚度不大于10μm。第一类金刚石薄膜具有高硬度、高透光率，能够保护第二纳米绝热层不受损坏。
下面结合对照实验，验证本实施例保温结构的保温效果。
实验条件，准备两杯100℃的水装入直径为9cm的圆柱状透明玻璃水杯(顶部有盖密封)A、B作为装有保温材料的密封腔体，A玻璃水杯的侧面外表面包覆本实施例的保温结构、B玻璃水杯则无包覆，均置于室温为23℃的环境下自然冷却。
从图2可以看到，A玻璃水杯的降温速度大大减缓，在70min后仍然保持有50℃以上。
下面介绍这种保温结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：提供一基底，该基底可以是需要覆盖散热结构的工件表面，也可以是散热结构形成的承载件后续再粘合在需要散热的工件上。例如，该基底可以是塑料、玻璃等。在所述基底上形成反射层20，本实施例优选为Ag。反射层20可通过物理气相沉积技术制备形成，厚度为0.5～10μm。
按照纳米微孔SiO2玻璃球的体积占所述TPX的体积为5～10％，将纳米微孔SiO2玻璃球与TPX混合，通过喷涂装置喷涂在所述反射层的内表面、外表面分别制备第一纳米绝热层、第二纳米绝热层；经过固化、冷却等工序获得纳米绝热层，厚度为10～500μm。
将所述准备好的第一纳米绝热层10、反射层20、第二纳米绝热层30置于反应腔中，在反应腔中按照体积流量比为3：100：1通入甲烷、氢气和氧气的混合气体。优选地，在本实施例中控制甲烷、氢气和氧气的标准气体流量分别为：甲烷12sccm和氢气400sccm，氧气4sccm。进一步地，控制反应条件：微波频率915MHZ、温度400℃、微波功率1.5kw～4kw、气压20～45mbar，在所述透明基底下表面形成亲水性类金刚石薄膜。具体地，亲水性类金刚石薄膜的镀膜速度优选为45～60min沉积1μm，形成厚度接近5μm(最大厚度不超过10μm)的类金刚石薄膜层。
本发明通过改进保温结构，绝热同时反射各种电磁波辐射，使得保温效果更佳。本发明能够广泛应用在保温杯、保温饭盒、保温水壶、焖烧锅等需要保温的生活用品当中，保温效果显著，且高硬度的外保护膜使得这种保温结构还很经久耐用。日常应用，如冰箱中的冷饮，装在水杯中的热水，都可以得到更持久的保温。

Claims (9)

1.一种保温结构，包覆于一密闭腔体外，其特征在于，从内至外包括：第一纳米绝热层、反射层、第二纳米绝热层和第一类金刚石薄膜层；所述密闭腔体采用透明材质制备；所述反射层的材质为导热金属，具有反射各种电磁波的功能；所述第一纳米绝热层直接与所述密闭腔体接触；所述第一纳米绝热层和/或第二纳米绝热层的材质为纳米微孔SiO2玻璃球与4-甲基戊烯聚合物形成的复合材料。
2.根据权利要求1所述保温结构，其特征在于，所述纳米微孔SiO2玻璃球与所述4-甲基戊烯聚合物的体积比为5～10％：1。
3.根据权利要求2所述保温结构，其特征在于，所述纳米微孔SiO2玻璃球的粒径为1～100μm，孔径为1～6nm。
4.根据权利要求1或2或3所述保温结构，其特征在于，所述第一纳米绝热层和/或第二纳米绝热层的厚度为10～500μm。
5.根据权利要求1所述保温结构，其特征在于，所述反射层的材质为Ag或Al或Cu，厚度为0.5～10μm。
6.根据权利要求1所述保温结构，其特征在于，所述第一类金刚石薄膜层厚度不大于10μm。
7.一种保温结构的制备方法，其特征在于，所述保温结构包覆于一密闭腔体外，所述密闭腔体采用透明材质制备；所述保温结构的制备方法包括如下步骤：
提供一反射层；其中，所述反射层的材质为导热金属，具有反射各种电磁波的功能；
将纳米微孔SiO2玻璃球与4-甲基戊烯聚合物混合，喷涂在所述反射层两相对设置的第一表面和第二表面，固化后分别在所述第一表面、第二表面上形成所述第一纳米绝热层、第二纳米绝热层；其中，所述纳米微孔SiO2玻璃球与所述4-甲基戊烯聚合物的体积比为5～10％：1；
利用微波等离子体化学气相沉积方法，控制微波频率为915MHz，在反应腔中通入甲烷、氢气和氧气的混合气体，控制温度400℃、功率1.5kw～4kw,气压20～45mbar，在所述第一纳米绝热层或者第二纳米绝热层上形成类金刚石薄膜层；其中，未与所述类金刚石薄膜层接触的所述第一纳米绝热层或者所述第二纳米绝热层直接与所述密闭腔体接触。
8.根据权利要求7所述保温结构的制备方法，其特征在于，所述混合气体中：所述甲烷、氢气和氧气分别为12sccm、400sccm、4sccm。
9.根据权利要求7所述保温结构的制备方法，其特征在于，所述类金刚石薄膜的镀膜时间为60min。
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