CN108017368A - 一种耐高温纳米孔高效绝热板及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温纳米孔高效绝热板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐高温纳米孔高效绝热板，由以下重量份的原料制备而成：60～80重量份气相Al2O3；15～30重量份红外遮光剂，所述红外遮光剂的粒径为5.5～7.5μm；5～10重量份无机短切纤维，所述无机短切纤维的直径为2～4μm，长度为2～5mm。本发明以气相Al2O3为基体材料，所选特定粒度的红外遮光剂、以及特定尺寸的增强纤维制备得到一种耐温1050℃以上的纳米孔高效绝热板，该制品平均800℃导热系数低于0.04W/(m·K)，具有极佳的高温稳定性，1050℃煅烧24h线收缩率不高于2％，随着煅烧时间的延长，线收缩率增加的幅度非常小。

Description

一种耐高温纳米孔高效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，具体涉及一种耐高温纳米孔高效绝热板及其制备方法。
背景技术
随着国家节能减排力度的逐步加大，石化、冶金、陶瓷窑炉等行业正在寻求不同温度范围内具有高效绝热效果的耐火保温材料。目前，纳米硅质绝热材料已经在工业上得到较好的推广应用，该材料具有纳米孔结构，导热系数低于静止空气，是一种纳米孔高效绝热板材。但是纳米SiO2高温稳定性差，长期使用温度不应高于800℃，在更高的温度环境下，会出现纳米孔洞坍塌及破坏性的收缩，导致纳米板材之间出现较大缝隙，板材导热系数急剧上升，严重影响使用效果。
气相Al2O3为一种γ型的纳米级氧化铝粉末，该材料在1050℃的收缩率仅为2％左右，且常温导热系数仅为0.029W/(m·K)，是制备耐高温高效绝热板的理想材料。
专利(CN101041770A)“一种耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料及其制备方法”公开了一种耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料，该耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料由无机陶瓷纤维毡和/或无机陶瓷纤维预制件与氧化铝气凝胶或掺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、无机陶瓷纤维毡和/或无机陶瓷纤维预制件混合、老化、干燥等步骤。
专利(CN103964813A)“一种纳米微孔隔热板及其制造方法”公开了一种纳米微孔隔热板，包括粒径范围为5～20nm的二氧化硅、粒径范围为2～12μm的碳化硅、粒径范围为2～15μm的硅酸锆、和直径范围为5～15μm的高硅氧玻璃纤维。本发明还包括所述纳米微孔隔热板的制造方法，具体是将二氧化硅、碳化硅、硅酸锆、高硅氧玻璃纤维原材料按重量比秤好，将配好的原材料在高速混料机中充分混匀，将混合好的材料在液压机的专用模具中干压成型。
上述现有技术能够有效解决SiO2气凝胶高温稳定性差的问题，但也存在着一定的缺陷。专利CN101041770A所涉及的一种耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料及其制备方法存在的缺点是超临界干燥工艺复杂、制备出的产品存在脱粉的问题。专利CN103964813A所涉及的一种纳米微孔隔热板及其制造方法所选用的增强纤维为高硅氧玻璃纤维，该纤维的长期连续使用温度不宜超过1000℃，在1050℃以上的环境下收缩较大；同时依据该方法制备的纳米微孔隔热板至少加入了20％的纳米二氧化硅，该材料的高温稳定性同样较差，无法在1050℃以上的高温环境下长期使用。
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耐高温纳米孔高效绝热板及其制备方法，本发明提供的耐高温纳米孔高效绝热板制备方法简单，并且耐温在1050℃以上。
本发明提供了一种耐高温纳米孔高效绝热板，由以下重量份的原料制备而成：
60～80重量份气相Al2O3；
15～30重量份红外遮光剂，所述红外遮光剂的粒径为5.5～7.5μm；
5～10重量份无机短切纤维，所述无机短切纤维的直径为2～4μm，长度为2～5mm。
优选的，所述气相Al2O3堆积密度为0.05～0.07g/cm3，粒径为30～50nm。
优选的，所述红外遮光剂为锆英粉，锆含量≥65％。
优选的，所述无机短切纤维选自硅酸铝纤维和/或多晶莫来石纤维，所述硅酸铝纤维中铝含量≥45wt％，所述多晶莫来石纤维中铝含量为72～75wt％。
本发明还提供了一种上述耐高温纳米孔高效绝热板的制备方法，包括以下步骤：
A)将气相Al2O3、红外遮光剂以及无机短切纤维混合搅拌，得到混合物料；
B)将所述混合物料干压成型，得到耐高温纳米孔高效绝热板。
优选的，所述混合搅拌的速度为400～600rpm，所述混合搅拌的时间为15～20min。
优选的，所述干压成型的方法为：
根据所述耐高温纳米孔高效绝热板的容重，将相应质量的混合物料置于模具内；
采用液压机进行干压成型。
优选的，所述干压成型的压力为5～10MPa，保压时间为3～5min。
与现有技术相比，本发明提供了一种耐高温纳米孔高效绝热板，由以下重量份的原料制备而成：60～80重量份气相Al2O3；15～30重量份红外遮光剂，所述红外遮光剂的粒径为5.5～7.5μm；5～10重量份无机短切纤维，所述无机短切纤维的直径为2～4μm，长度为2～5mm。本发明以气相Al2O3为基体材料，所选特定粒度的红外遮光剂、以及特定尺寸的增强纤维制备得到一种耐温1050℃以上的纳米孔高效绝热板，该制品平均800℃导热系数低于0.04W/(m·K)，具有极佳的高温稳定性，1050℃煅烧24h线收缩率不高于2％，随着煅烧时间的延长，线收缩率增加的幅度非常小。
具体实施方式
本发明提供了一种耐高温纳米孔高效绝热板，由以下重量份的原料制备而成：
60～80重量份气相Al2O3；
15～30重量份红外遮光剂，所述红外遮光剂的粒径为5.5～7.5μm；
5～10重量份无机短切纤维，所述无机短切纤维的直径为2～4μm，长度为2～5mm。
本发明提供的耐高温纳米孔高效绝热板的制备原料包括60～80重量份气相Al2O3，优选为65～75重量份，更优选为68～72重量份。所述气相Al2O3堆积密度为0.05～0.07g/cm3，优选为0.06～0.07g/cm3，粒径为30～50nm，优选为35～45nm。
本发明提供的耐高温纳米孔高效绝热板的制备原料还包括15～30重量份红外遮光剂，优选为20～25重量份，更优选为22～24重量份。所述红外遮光剂的粒径为5.5～7.5μm，优选为6.0～7.0μm。所述红外遮光剂为锆英粉，锆含量≥65％。
本发明选用锆英粉为遮光剂，首先是因为锆英粉具有显著的红外遮蔽效果，同时该材料耐火度达到2000℃以上，可以提高纳米孔高效绝热板的耐温性。根据维恩位移定律可知，黑体的光谱辐射密度峰值对应的波长λm与黑体的绝对温度T满足关系式：
λm·T＝2897.8μm·K
由上式可知，高温物体发射波长较短的电磁波，低温物体发射波长较长的电磁波。辐射光波波长λ会随着T的增加而减小。
遮光剂的红外散射作用是评价其红外遮蔽效果的重要指标，使遮光剂最大程度发挥散射作用的粒度称为最优粒度，用d来表示。d正比于入射光波长λ，反比于遮光剂与基体材料的折射率差△N。公式如下：
已知基体材料气相Al2O3的折射率为1.77，锆英粉的折射率为1.95，当平均温度为800℃～1000℃时，试样辐射光波波长近似为2.3μm～2.7μm，气相Al2O3与锆英粉的折射率差△N等于0.18，对应遮光剂的最优粒度为6.08μm～7.14μm。因此，本技术方案选择的遮光剂粒度为5.5μm～7.5μm，可以保证最佳的红外遮蔽效果。
本发明提供的耐高温纳米孔高效绝热板的制备原料还包括5～10重量份无机短切纤维，所述无机短切纤维选自硅酸铝纤维和/或多晶莫来石纤维，所述硅酸铝纤维中铝含量≥45wt％，所述多晶莫来石纤维中铝含量为72～75wt％。
在本发明中，所述无机短切纤维的直径为2～4μm，优选为2.5～3.5μm；长度为2～5mm，优选为3～4mm。
本发明选择的无机短切纤维(即增强纤维)为经过短切处理的硅酸铝纤维和/或多晶莫来石纤维。短切处理可以解决高速搅拌机无法切断纤维、导致纤维过长不好分散及形成直通热桥等问题。
本发明还提供了一种上述耐高温纳米孔高效绝热板的制备方法，包括以下步骤：
A)按照原料配比，将气相Al2O3、红外遮光剂以及无机短切纤维混合搅拌，得到混合物料；
B)将所述混合物料干压成型，得到耐高温纳米孔高效绝热板。
本发明首先按照原料配比，将气相Al2O3、红外遮光剂以及无机短切纤维混合搅拌，得到混合物料。
其中，所述混合搅拌的速度为400～600rpm，优选为450～550rpm；所述混合搅拌的时间为15～20min。在本发明中，优选采用高速搅拌机进行混合搅拌。
得到混合物料后，将所述混合物料进行干压成型，得到耐高温纳米孔高效绝热板。
所述干压成型的方法为：
根据所述耐高温纳米孔高效绝热板的容重，将相应质量的混合物料置于模具内；
采用液压机进行干压成型，所述干压成型的压力为5～10MPa，优选为6～9MPa；保压时间为3～5min。
本发明以气相Al2O3为基体材料，所选特定粒度的红外遮光剂、以及特定尺寸的增强纤维制备得到一种耐温1050℃以上的纳米孔高效绝热板，该制品平均800℃导热系数低于0.04W/(m·K)，具有极佳的高温稳定性，1050℃煅烧24h线收缩率不高于2％，随着煅烧时间的延长，线收缩率增加的幅度非常小。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的耐高温纳米孔高效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。
下面给出本发明的实施例，为便于对比说明，以下实施例制备的样品尺寸均为300mm×300mm×20mm，并不用于限制本发明。
实施例1
称取60重量份气相Al2O3、30重量份锆英粉和10重量份短切硅酸铝纤维，其中，气相Al2O3堆积密度为0.06g/cm3，平均粒径为35nm；锆英粉平均粒径为6.0μm；短切硅酸铝纤维平均直径为2μm，纤维长度为2mm；将搅拌速度设定为400rpm，搅拌15min；称取混合好的物料放入模具内，通过液压机压制成型，制备出耐高温纳米孔高效绝热板，压力为5MPa，保压时间为3min。
实施例2
称取70重量份气相Al2O3、22重量份锆英粉和8重量份质量比为1:1的短切硅酸铝纤维和多晶莫来石纤维，其中，气相Al2O3堆积密度为0.065g/cm3，平均粒径为40nm；锆英粉平均粒径为6.5μm；短切硅酸铝纤维平均直径为3μm，纤维长度为4mm；多晶莫来石纤维平均直径为3.5μm，纤维长度为3mm；将搅拌速度设定为500rpm，搅拌18min；称取混合好的物料放入模具内，通过液压机压制成型，制备出耐高温纳米孔高效绝热板，压力为8MPa，保压时间为4min。
实施例3
称取80重量份气相Al2O3、15重量份锆英粉和5重量份短切多晶莫来石纤维，其中，气相Al2O3堆积密度为0.07g/cm3，平均粒径为45nm；锆英粉平均粒径为7.0μm；短切硅酸铝纤维平均直径为4μm，纤维长度为5mm；将搅拌速度设定为600rpm，搅拌20min；称取混合好的物料放入模具内，通过液压机压制成型，制备出耐高温纳米孔高效绝热板，压力为10MPa，保压时间为5min。
对比实施例
称取30重量份纳米二氧化硅、30重量份碳化硅、35重量份硅酸锆和5重量份高硅氧玻璃纤维，其中，纳米二氧化硅平均粒径为20nm；碳化硅平均粒径为6.0μm；硅酸锆平均粒径为3.0μm；高硅氧纤维平均直径为10μm，纤维长度为6mm；将称量好的物料放入高速混料机中混合，然后通过模压成型制备出纳米微孔隔热板。
实验例
将本发明实施例1～3制备得到的耐高温气凝胶复合绝热毡依次编号为A、B、C，将对比实施例制备的样品编号为D。分别测试样品的体积密度、平均800℃导热系数和加热线收缩率(1050℃煅烧24h、1050℃煅烧96h)，得到如下表所示数据：
表中数据显示，本发明所述的耐高温纳米孔高效绝热板(样品A、B、C)导热系数低于0.04W/(m·K)，绝热效果优异，高温热稳定性优异，随着煅烧时间的延长，加热线收缩率增加的幅度非常小。对比例制备的样品D在相同检测条件下，导热系数高，高温热稳定性差，随着煅烧时间的延长，加热线收缩率大幅度增加，影响绝热效果。
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 (8)

1.一种耐高温纳米孔高效绝热板，其特征在于，由以下重量份的原料制备而成：
60～80重量份气相Al2O3；
15～30重量份红外遮光剂，所述红外遮光剂的粒径为5.5～7.5μm；
5～10重量份无机短切纤维，所述无机短切纤维的直径为2～4μm，长度为2～5mm。
2.根据权利要求1所述的耐高温纳米孔高效绝热板，其特征在于，所述气相Al2O3堆积密度为0.05～0.07g/cm3，粒径为30～50nm。
3.根据权利要求1所述的耐高温纳米孔高效绝热板，其特征在于，所述红外遮光剂为锆英粉，锆含量≥65％。
4.根据权利要求1所述的耐高温纳米孔高效绝热板，其特征在于，所述无机短切纤维选自硅酸铝纤维和/或多晶莫来石纤维，所述硅酸铝纤维中铝含量≥45wt％，所述多晶莫来石纤维中铝含量为72～75wt％。
5.一种如权利要求1～4任意一项所述的耐高温纳米孔高效绝热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将气相Al2O3、红外遮光剂以及无机短切纤维混合搅拌，得到混合物料；
B)将所述混合物料干压成型，得到耐高温纳米孔高效绝热板。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述混合搅拌的速度为400～600rpm，所述混合搅拌的时间为15～20min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述干压成型的方法为：
根据所述耐高温纳米孔高效绝热板的容重，将相应质量的混合物料置于模具内；
采用液压机进行干压成型。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述干压成型的压力为5～10MPa，保压时间为3～5min。
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