CN107986743A - 一种气凝胶复合绝热板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气凝胶复合绝热板，由包括以下质量份的原料制备而成：100质量份的陶瓷纤维；3～8质量份的有机结合剂；5～15质量份的无机结合剂；10～30质量份的气凝胶粉体，所述气凝胶粉体中包括5wt％～15wt％的结构水；0～15质量份的红外遮光剂。本发明通过采用含部分结构水的气凝胶粉作为陶瓷纤维板的填充材料，将陶瓷纤维板中的部分微米孔结构变成纳米孔和微米孔复合结构，降低陶瓷纤维板的对流和传导传热；可选择性地加入红外遮光剂作为陶瓷纤维板中的红外不透明物质，降低陶瓷纤维板高温下的辐射传热。

Description

一种气凝胶复合绝热板及其制备方法

技术领域

本发明属于绝热板技术领域，具体涉及一种气凝胶复合绝热板及其制备方法。

背景技术

气凝胶是迄今为止绝热性能最好的材料，孔隙率高达95～99.8％，室温导热系数可低至0.007～0.013W/(m·K)，只有陶瓷纤维制品导热系数的1/3～1/10。气凝胶尽管导热系数极低，但很脆，强度差，基本上无法单独使用，通常是与玻璃纤维、岩棉等制成气凝胶复合材料使用。目前开发应用最多的是二氧化硅气凝胶复合材料，但使用温度一般在650℃以下。气凝胶复合材料主要包括气凝胶毡、板、纸等。陶瓷纤维板具有优良的耐高温性能和较好的绝热性能，还具有优良的韧性和强度，可任意切割加工，是窑炉背衬隔热和热面耐火绝热的优选材料。传统的气凝胶复合材料是通过溶胶～凝胶工艺，先制作含玻璃纤维等增强纤维的溶胶液体，再通过催化剂等材料及加热、调节溶液酸碱度等方式让溶胶固化成凝胶，再用低表面张力的正己烷、三甲基氯硅烷等做表面修饰处理，强化凝胶结构网络，最后用超临界干燥工艺、或者亚临界干燥工艺、或者常压干燥工艺、或者冷冻干燥工艺，脱除湿凝胶孔隙中的水分，从而制成气凝胶复合材料。

专利(CN 103332696B)“一种用冷冻干燥法制作水玻璃气凝胶制品的方法及应用”公开了一种水玻璃气凝胶制品，其特征在于：包括如下步骤：制备二氧化硅湿凝胶、表面改性修饰、清洗、冷冻干燥、出模；所述冷冻干燥为将水玻璃湿凝胶制品冷冻至制品内液态物质结晶，再在真空度10～30Pa通过加热、直至冷冻制品中冰晶全部升华，完成干燥；所述干燥为两次干燥；第一次干燥为在真空度20～30Pa下保持6～10h，升温，冻体中水分扩散至捕水器，捕水器温度降低，继续加热隔板，晶体升华，直至升华完成；第二次干燥为将隔板升温至40～60℃，捕水器温度控制在-50～-70℃，保持10～30Pa的真空度1～2h，完成二次干燥。

上述现有技术给出了制备气凝胶复合绝热制品的方法，具有可实施性，但也存在一定的缺陷：一是生产工序多、工艺过程十分复杂，产品生产成本居高不下，不利于实现工业化大批量生产；二是采用的增强纤维一般为玻璃纤维，从而使得制备的气凝胶复合绝热制品只能使用在650℃以下温度范围，在长期工作温度800℃以上的工业窑炉中气凝胶复合绝热制品的应用较少，不利于我国高温工业领域节能减排目标的实现。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种气凝胶复合绝热板，本发明提供的气凝胶复合绝热板的制备方法简单，并且能够在工作温度800℃以上领域甚至1200℃以上领域使用。

本发明提供了一种气凝胶复合绝热板，由包括以下质量份的原料制备而成：

100质量份的陶瓷纤维；

3～8质量份的有机结合剂；

5～15质量份的无机结合剂；

10～30质量份的气凝胶粉体，所述气凝胶粉体中包括5wt％～15wt％的结构水；

0～15质量份的红外遮光剂。

优选的，所述气凝胶粉体选自二氧化硅气凝胶粉、氧化铝气凝胶粉、氧化锆气凝胶粉和碳化硅气凝胶粉中的一种或多种。

优选的，所述有机结合剂为阳离子玉米淀粉、阳离子木薯淀粉和阳离子马铃薯淀粉中的一种或多种。

优选的，所述无机结合剂为二氧化硅溶胶和/或氧化铝溶胶，所述二氧化硅溶胶的浓度为30％，所述氧化铝溶胶的浓度为10％。

优选的，所述红外遮光剂选自碳化硅微粉、锆英石微粉、二氧化钛微粉和炭黑中的一种或多种。

本发明还提供了一种上述气凝胶复合绝热板的制备方法，包括以下步骤：

A)将有机结合剂、无机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和经过打浆除砂的陶瓷纤维混合搅拌，得到混合物；

B)将混合物进行成型和干燥，得到气凝胶复合绝热板；

所述干燥为常压干燥，包括前段干燥、中段干燥和末段干燥：

所述前段干燥为微波干燥，温度80～120℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

所述中段干燥为热风干燥，温度100～140℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

所述末段干燥为微波干燥，温度40～80℃，干燥时间占总干燥时间的1/5；

所述总干燥时间为前段干燥、中段干燥和末段干燥的时间总和，所述总干燥时间为1～10小时。

优选的，所述混合搅拌的时间为10～30min。

优选的，所述成型的方式为真空吸滤方式、压滤方式或长网抄取方式。

优选的，所述打浆除砂的方法为：

a)将陶瓷纤维与水混合进行打浆20～40min，得到陶瓷纤维棉浆；

b)将所述陶瓷纤维棉浆与水混合，稀释至所述陶瓷纤维棉浆浓度至1.0wt％～2.0wt％后，去除陶瓷纤维中的渣球。

与现有技术相比，本发明提供了一种气凝胶复合绝热板，由包括以下质量份的原料制备而成：100质量份的陶瓷纤维；3～8质量份的有机结合剂；5～15质量份的无机结合剂；10～30质量份的气凝胶粉体，所述气凝胶粉体中包括5wt％～15wt％的结构水；0～15质量份的红外遮光剂。本发明通过采用含部分结构水的气凝胶粉作为陶瓷纤维板的填充材料，将陶瓷纤维板中的部分微米孔结构变成纳米孔和微米孔复合结构，降低陶瓷纤维板的对流和传导传热；可选择性地加入红外遮光剂作为陶瓷纤维板中的红外不透明物质，降低陶瓷纤维板高温下的辐射传热。本发明提供的气凝胶复合绝热板，能够在工作温度800℃以上领域甚至1200℃以上领域长期使用，较好地解决了高温工业领域气凝胶的使用问题。

另外，通过微波干燥与热风循环干燥的组合干燥模式，无需采用复杂的冷冻干燥、超临界干燥等气凝胶常规干燥工艺，能够实现气凝胶复合绝热板的大批量低成本制造，同等温度和产品体积密度条件下，本发明产品的导热系数比传统陶瓷纤维板的导热系数降低20％以上。本发明产品与传统气凝胶产品相比，在高温煅烧后能够保持较好的强度，在保证绝热效果的同时具有良好的自重支撑能力。

具体实施方式

本发明提供了一种气凝胶复合绝热板，由包括以下质量份的原料制备而成：

100质量份的陶瓷纤维；

3～8质量份的有机结合剂；

5～15质量份的无机结合剂；

10～30质量份的气凝胶粉体，所述气凝胶粉体中包括5wt％～15wt％的结构水；

0～15质量份的红外遮光剂。

本发明提供的气凝胶复合绝热板的制备原料包括100质量份的陶瓷纤维，其中，所述陶瓷纤维优选为硅酸铝陶瓷纤维或硅酸镁陶瓷纤维。

在本发明中，所述陶瓷纤维经过打浆和除渣处理，本发明对所述打浆和除渣的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可。

优选为：

a)将陶瓷纤维与水混合进行打浆20～40min，得到陶瓷纤维棉浆；

b)将所述陶瓷纤维棉浆与水混合，稀释至所述陶瓷纤维棉浆浓度至1.0～2.0％后，去除陶瓷纤维中的渣球。

经过打浆后的陶瓷纤维的长度优选为3～5mm；每100质量份陶瓷纤维原棉中，可通过螺旋除渣器除掉20～30质量份渣球，具体除掉的渣球重量取决于陶瓷纤维原棉的渣球含量和除渣时间。

本发明提供的气凝胶复合绝热板的制备原料还包括3～8质量份的有机结合剂，优选为4～7质量份，更优选为5～6质量份。所述有机结合剂为阳离子玉米淀粉、阳离子木薯淀粉和阳离子马铃薯淀粉中的一种或多种。

本发明提供的气凝胶复合绝热板的制备原料还包括5～15质量份的无机结合剂，优选为7～13质量份，更优选为9～11质量份。所述无机结合剂为二氧化硅溶胶和/或氧化铝溶胶，所述二氧化硅溶胶的浓度为30％，所述氧化铝溶胶的浓度为10％。

本发明提供的气凝胶复合绝热板的制备原料还包括10～30质量份的气凝胶粉体，优选为14～26质量份，更优选为18～22质量份。所述气凝胶粉体选自二氧化硅气凝胶粉、氧化铝气凝胶粉、氧化锆气凝胶粉和碳化硅气凝胶粉中的一种或多种。

本发明提供的气凝胶复合绝热板的制备原料还包括0～15质量份的红外遮光剂，优选为3～12质量份，优选为6～9质量份。所述红外遮光剂选自碳化硅微粉、锆英石微粉、二氧化钛微粉和炭黑中的一种或多种。

本发明还提供了一种上述气凝胶复合绝热板的制备方法，包括以下步骤：

A)将有机结合剂、无机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和经过打浆除砂的陶瓷纤维混合搅拌，得到混合物；

B)将混合物进行成型和干燥，得到气凝胶复合绝热板；

所述干燥为常压干燥，包括前段干燥、中段干燥和末段干燥：

前段干燥为微波干燥，温度80～120℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

中段干燥为热风干燥，温度100～140℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

末段干燥为微波干燥，温度40～80℃，干燥时间占总干燥时间的1/5；

所述总干燥时间为前段干燥、中段干燥和末段干燥的时间的总和，所述总干燥时间为1～10小时。

本发明首先将有机结合剂、无机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和经过打浆除砂的陶瓷纤维混合搅拌，得到混合物。

其中，本发明在将原料进行混合之前，需要将陶瓷纤维进行打浆除砂，其中，本发明对所述打浆和除渣的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可。

优选为：

a)将陶瓷纤维与水混合进行打浆20～40min，得到陶瓷纤维棉浆；

b)将所述陶瓷纤维棉浆与水混合，稀释至所述陶瓷纤维棉浆浓度至1.0～2.0％后，去除陶瓷纤维中的渣球。

具体的，将陶瓷纤维投入预先注入水的水力碎浆机或伏特式打浆机中，并开启电源，打浆20～40min，得到陶瓷纤维棉浆；经过打浆后的陶瓷纤维的长度优选为3～5mm；

接着，将陶瓷纤维棉浆泵入储浆池中，加水，稀释棉浆浓度至1.0wt％～2.0wt％，然后，通过螺旋除渣器，将陶瓷纤维中的渣球除去，每100质量份陶瓷纤维原棉中，可通过螺旋除渣器除掉20～30质量份渣球，具体除掉的渣球重量取决于陶瓷纤维原棉的渣球含量和除渣时间。

得到经过打浆除砂的陶瓷纤维后，将有机结合剂、无机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和经过打浆除砂的陶瓷纤维混合搅拌，得到混合物；

所述混合搅拌的时间优选为10～30min，更优选为15～25min。

将得到的混合物进行成型和干燥，得到气凝胶复合绝热板；

其中，所述成型的方式优选为真空吸滤方式、压滤方式或长网抄取方式。

成型后，得到湿坯，将所述湿坯进行干燥。

在本发明中，所述干燥为常压干燥，包括前段干燥、中段干燥和末段干燥：

所述前段干燥为微波干燥，温度80～120℃，优选为90～110℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

所述中段干燥为热风干燥，温度100～140℃，优选为110～130℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

所述末段干燥为微波干燥，温度40～80℃，优选为50～70℃，干燥时间占总干燥时间的1/5；

所述总干燥时间为前段干燥、中段干燥和末段干燥的时间总和，所述总干燥时间为1～10小时，优选为2.5～10小时。

上述方法可以实现气凝胶粉和红外遮光剂在纤维板中的均匀分散，并附着于纤维的表面，烘干过程中气凝胶粉中的结构水不会被快速、完全地干燥掉，从而使得烘干后的气凝胶粉体中的纳米孔结构较为完整。在气凝胶复合绝热板的储存和使用过程中，气凝胶复合绝热板气孔中的空气与气凝胶粉体中未完全干燥出来的少量结构水还可以通过气凝胶表面的膜孔结构进行交换，实现气凝胶复合绝热板中纳米孔中的水份被空气完全取代，通过以上烘干制度脱除气凝胶复合绝热板中的自由水和结构水，保证了气凝胶复合绝热板的强度和绝热性能。

本发明通过采用含部分结构水的气凝胶粉作为陶瓷纤维板的填充材料，将陶瓷纤维板中的部分微米孔结构变成纳米孔和微米孔复合结构，降低陶瓷纤维板的对流和传导传热；可选择性地加入红外遮光剂作为陶瓷纤维板中的红外不透明物质，降低陶瓷纤维板高温下的辐射传热。本发明提供的气凝胶复合绝热板，能够在工作温度800℃以上领域甚至1200℃以上领域长期使用，较好地解决了高温工业领域气凝胶的使用问题。

另外，通过微波干燥与热风循环干燥的组合干燥模式，无需采用复杂的冷冻干燥、超临界干燥等气凝胶常规干燥工艺，能够实现气凝胶复合绝热板的大批量低成本制造，同等温度和产品体积密度条件下，本发明产品的导热系数比传统陶瓷纤维板的导热系数降低20％以上。本发明产品与传统气凝胶产品相比，在高温煅烧后能够保持较好的强度，在保证绝热效果的同时具有良好的自重支撑能力。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的气凝胶复合绝热板及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

由如下重量份数的原料制成：硅酸铝陶瓷纤维100份、有机结合剂5份、无机结合剂10份、含水率10％的二氧化硅气凝胶粉20份、红外遮光剂碳化硅微粉12份。其中硅酸铝陶瓷纤维为山东鲁阳节能材料股份有限公司生产的标准硅酸铝纤维，有机结合剂为河北恒奥化工有限公司生产的阳离子木薯淀粉；无机结合剂为湖北裕隆化工有限公司生产的浓度为30％的氧化硅溶胶；二氧化硅气凝胶粉购于浙江绍兴圣诺节能技术有限公司，红外遮光剂购于山东金蒙新材料股份有限公司。

具体的制备方法包括以下步骤：

(1)将硅酸铝陶瓷纤维投入预先注入水的水力碎浆机中，并开启打浆机，搅拌30min；

(2)待纤维切断至3～5mm后，泵入储浆池进行加水稀释及除渣作业，除去约20％的渣球。

(3)在除渣后的料浆中，加入有机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和无机结合剂，搅拌20min；

(4)采用真空吸滤方式成型，湿坯厚度为20mm。

(5)然后进行梯度干燥，前段用微波干燥，干燥温度90℃，干燥时间2小时；中段用热风循环干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为2小时；末段用微波干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为1小时。

实施例2

由如下重量份数的原料制成：硅酸镁陶瓷纤维100份、有机结合剂7份、无机结合剂14份、含水率12％的二氧化硅气凝胶粉30份。其中硅酸镁陶瓷纤维为山东鲁阳节能材料股份有限公司生产的碱土硅酸盐可溶性陶瓷纤维，有机结合剂为河北恒奥化工有限公司生产的阳离子玉米淀粉；无机结合剂为湖北裕隆化工有限公司生产的浓度为30％的氧化硅溶胶；二氧化硅气凝胶粉购于浙江绍兴圣诺节能技术有限公司。

具体的制备方法包括以下步骤：

(1)将硅酸镁陶瓷纤维投入预先注入水的水力碎浆机中，并开启打浆机，搅拌20min；

(2)待纤维切断至3-5㎜后，泵入储浆池进行加水稀释及除渣作业，除去约12％的渣球。

(3)在除渣后的料浆中，加入有机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和无机结合剂，搅拌15min；

(4)采用长网抄取方式成型，湿坯厚度为50mm。

(5)然后进行梯度干燥，前段用微波干燥，干燥温度110℃，干燥时间4小时；中段用热风循环干燥，干燥温度为140℃，干燥时间为4小时；末段用微波干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为2小时。

实施例3

由如下重量份数的原料制成：硅酸铝陶瓷纤维100份、有机结合剂3份、无机结合剂6份、含水率6％的二氧化硅气凝胶粉10份、红外遮光剂锆英石微粉15份。其中硅酸铝陶瓷纤维为山东鲁阳节能材料股份有限公司生产的高铝纤维，有机结合剂为河北恒奥化工有限公司生产的阳离子马铃薯淀粉；无机结合剂为湖北裕隆化工有限公司生产的浓度为30％的氧化硅溶胶；二氧化硅气凝胶粉购于浙江绍兴圣诺节能技术有限公司；锆英石微粉购于灵寿县兴书矿产品加工厂。

具体的制备方法包括以下步骤：

(1)将高铝陶瓷纤维投入预先注入水的水力碎浆机中，并开启打浆机，搅拌25min；

(2)待纤维切断至3-5mm后，泵入储浆池进行加水稀释及除渣作业，除去约18％的渣球。

(3)在除渣后的料浆中，加入有机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和无机结合剂，搅拌18min；

(4)采用压滤方式成型，湿坯厚度为10mm。

(5)然后进行梯度干燥，前段用微波干燥，干燥温度80℃，干燥时间1小时；中段用热风循环干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为1小时；末段用微波干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为0.5小时。

对比例1

由如下重量份数的原料制成：硅酸铝陶瓷纤维100份、有机结合剂6份、无机结合剂12份。其中硅酸铝陶瓷纤维为山东鲁阳节能材料股份有限公司生产的高铝纤维，有机结合剂为河北恒奥化工有限公司生产的阳离子木薯淀粉；无机结合剂为湖北裕隆化工有限公司生产的浓度为30％的氧化硅溶胶。湿法真空成型出20mm厚湿坯，采用传统的热风循环干燥，干燥温度110℃，干燥时间24小时，得到产品。

指标检测对比

将本发明实施例1～3制备得到的气凝胶复合绝热板依次编号为A、B、C，对比例1制备的样品编号为D。分别测试四种样品的体积密度、热面温度800℃、1000℃和1200℃下的导热系数、1000℃×24h加热永久线变化率和煅烧后的强度，结果如表1所示，表1为产品的性能测试结果：

表1产品的性能测试结果

表中数据显示，本发明所述的气凝胶复合绝热板导热系数比传统的陶瓷纤维板(对比例1)导热系数降低20％以上，部分产品导热系数降低幅度达到30％以上。气凝胶复合绝热板1000℃煅烧后的耐压强度较好，均在0.1MPa以上，满足高温使用条件下的自重支撑能力需要，1000℃保温24小时的加热永久线变化率在-3％以内，满足长期使用温度1000℃以上要求。

本发明在陶瓷纤维板中引入含有部分结构水的气凝胶粉作为纳米孔造孔剂，采用微波干燥和热风循环干燥模式和梯度干燥制度，确保干燥过程中气凝胶纳米孔结构的完整性，降低了陶瓷纤维板的对流与传导传热；引入红外遮光剂作为陶瓷纤维板中的红外不透明物质，降低陶瓷纤维板辐射传热；通过选用适当温度等级的陶瓷纤维作为增强纤维，提高了气凝胶制品的使用温度。本发明提供了一种耐800℃以上高温、导热系数比传统陶瓷纤维板降低20％以上的气凝胶复合绝热板及其制备方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气凝胶复合绝热板，其特征在于，由包括以下质量份的原料制备而成：

100质量份的陶瓷纤维；

3～8质量份的有机结合剂；

5～15质量份的无机结合剂；

10～30质量份的气凝胶粉体，所述气凝胶粉体中包括5wt％～15wt％的结构水；

0～15质量份的红外遮光剂。

2.根据权利要求1所述的气凝胶复合绝热板，其特征在于，所述气凝胶粉体选自二氧化硅气凝胶粉、氧化铝气凝胶粉、氧化锆气凝胶粉和碳化硅气凝胶粉中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的气凝胶复合绝热板，其特征在于，所述有机结合剂为阳离子玉米淀粉、阳离子木薯淀粉和阳离子马铃薯淀粉中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的气凝胶复合绝热板，其特征在于，所述无机结合剂为二氧化硅溶胶和/或氧化铝溶胶，所述二氧化硅溶胶的浓度为30％，所述氧化铝溶胶的浓度为10％。

5.根据权利要求1所述的气凝胶复合绝热板，其特征在于，所述红外遮光剂选自碳化硅微粉、锆英石微粉、二氧化钛微粉和炭黑中的一种或多种。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述的气凝胶复合绝热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)将有机结合剂、无机结合剂、气凝胶粉、红外遮光剂和经过打浆除砂的陶瓷纤维混合搅拌，得到混合物；

B)将混合物进行成型和干燥，得到气凝胶复合绝热板；

所述干燥为常压干燥，包括前段干燥、中段干燥和末段干燥：

所述前段干燥为微波干燥，温度80～120℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

所述中段干燥为热风干燥，温度100～140℃，干燥时间占总干燥时间的2/5；

所述末段干燥为微波干燥，温度40～80℃，干燥时间占总干燥时间的1/5；

所述总干燥时间为前段干燥、中段干燥和末段干燥的时间总和，所述总干燥时间为1～10小时。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述混合搅拌的时间为10～30min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述成型的方式为真空吸滤方式、压滤方式或长网抄取方式。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述打浆除砂的方法为：

a)将陶瓷纤维与水混合进行打浆20～40min，得到陶瓷纤维棉浆；

b)将所述陶瓷纤维棉浆与水混合，稀释至所述陶瓷纤维棉浆浓度至1.0wt％～2.0wt％后，去除陶瓷纤维中的渣球。