CN108215372A - 纳米二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纳米二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡及其制备方法，涉及保温隔热毡技术领域，该二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层，缓解了现有技术的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡导热系数大的技术问题，达到了降低复合毡导热系数的技术效果。

Description

纳米二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡及其制备方法
技术领域
本发明涉及保温隔热毡技术领域，尤其是涉及一种纳米二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡及其制备方法。
背景技术
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。
二氧化硅气凝胶是一种纳米多孔轻质无机材料，它具有极低的固态热传导和气态热传导。它在常温常压下的导热系数仅为0.011W/(m·K)，是左右固态材料中隔热性能最好的一种，同时，二氧化硅气凝胶还具有良好的耐温性能，可耐受最高600-900℃的高温，低温使用范围接近绝对零度，是一种性能优良的保温材料。
利用玻璃纤维和二氧化硅气凝胶可以制备复合隔热毡。目前，制备二氧化硅气凝胶-玻璃纤维复合毡的方法主要有原位法和复合法。相对于原位法，复合法是在二氧化硅气凝胶颗粒或粉料中掺入纤维和添加剂，再经过模压或注塑成型，最后制备得到二氧化硅气凝胶-玻璃纤维复合毡。利用复合法制备得到的二氧化硅气凝胶-玻璃纤维复合毡其力学性能能明显改善，尤其是表现出很好的柔性，可满足直接使用的要求。但是这种复合材料中由于玻璃纤维的间隔使得二氧化硅气凝胶往往不是连续的，颗粒之间的孔隙能达到微米级甚至毫米级，增大了气态导热系数；另外，由于大量玻璃纤维在复合毡的厚度方向贯通，因此，也会增加复合毡的导热系数；此外，由于粘合剂存在于整个复合毡的内部且粘合剂的导热系数也较大，因此，也会增加复合毡的导热系数。由此，利用传统的复合方法得到的复合毡的导热系数较大。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，以缓解现有技术的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡导热系数大的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，利用该方法可以得到以层状结构交替铺设的复合毡。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层。
进一步的，所述二氧化硅气凝胶层的厚度为50-200微米，优选为50-150微米。
进一步的，所述二氧化硅气凝胶层中的二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为15-70纳米，优选为20-50纳米。
进一步的，所述玻璃纤维层的厚度为250-400微米，优选为270-350微米。
进一步的，所述玻璃纤维层中的玻璃纤维的直径为1-4微米，玻璃纤维的长度为5-10cm；
优选地，所述玻璃纤维层中的玻璃纤维的直径为1-3微米，玻璃纤维的长度为5-8cm。
一种上述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，包括将二氧化硅气凝胶和玻璃纤维逐层交替铺设的步骤。
进一步的，上述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法包括以下步骤：
先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后铺设于毡板上，再将玻璃纤维铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡；
优选地，铺设二氧化硅气凝胶浆体时采用喷撒的方式铺设。
进一步的，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒15-30份、硅烷偶联剂1-3份、硅酸钠3-6份和溶剂20-30份。
进一步的，先将玻璃纤维履平，再进行玻璃纤维的铺设。
进一步的，铺设玻璃纤维时采用文丘里管进行铺设，所述玻璃纤维从文丘里管顶端进入，从底部出口流出并以自由落体的方式降落在二氧化硅气凝胶浆体表面；
优选地，所述文丘里管的上下端孔径比例为1：(4-6)。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡通过交替设置二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层在结构上使二氧化硅气凝胶和玻璃纤维分离，使二氧化硅气凝胶为连续结构，减小二氧化硅气凝胶颗粒之间的间隙，从而降低复合毡的导热系数。另外，二氧化硅气凝胶和玻璃纤维分离，这样可避免大量的玻璃纤维穿插于二氧化硅气凝胶中，进而复合毡的导热系数。此外，采用分层结构，粘结剂可以只存在于二氧化硅气凝胶层中或者只存在于玻璃纤维层中，因此，可以避免粘结剂的连续导热，从而降低复合毡的导热系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的结构示意图。
图标：1-二氧化硅气凝胶层；2-玻璃纤维层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的一个方面提供了一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层。
本发明提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡通过交替设置二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层在结构上使二氧化硅气凝胶和玻璃纤维分离，使二氧化硅气凝胶为连续结构，减小二氧化硅气凝胶颗粒之间的间隙，从而降低复合毡的导热系数。另外，二氧化硅气凝胶和玻璃纤维分离，这样可避免大量的玻璃纤维穿插于二氧化硅气凝胶中，进而复合毡的导热系数。此外，采用分层结构，粘结剂可以只存在于二氧化硅气凝胶层中或者只存在于玻璃纤维层中，因此，可以避免粘结剂的连续导热，从而降低复合毡的导热系数。
作为本发明优选的实施方式，所述二氧化硅气凝胶层的厚度为50-200微米，优选为50-150微米。通过优化二氧化硅气凝胶层的厚度，可以在保证复合毡导热性的同时，提高复合毡的柔韧性。
在上述优选实施方式中，二氧化硅气凝胶层典型但非限制性的厚度例如为50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米、110微米、120微米、130微米、140微米、150微米、160微米、170微米、180微米、190微米或120微米。
作为本发明优选的实施方式，所述二氧化硅气凝胶层中的二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为15-70纳米，优选为20-50纳米。通过优化二氧化硅气凝胶的颗粒粒径可以降低二氧化硅气凝胶颗粒之间的孔隙，降低气态导热系数。二氧化硅气凝胶颗粒的粒径不宜过小，否则二氧化硅气凝胶颗粒之间容易发生团聚，影响二氧化硅气凝胶层的导热性能。
在上述优选实施方式中，二氧化硅气凝胶的颗粒粒径典型但非限制性的例如为：15纳米、20纳米、25纳米、30纳米、35纳米、40纳米、45纳米、50纳米、55纳米、60纳米、65纳米或70纳米。
作为本发明优选的实施方式，所述玻璃纤维层的厚度为250-400微米，优选为270-350微米。通过优化玻璃纤维层的厚度，可以平衡复合毡的柔韧性和刚度，防止玻璃纤维层过厚或过薄导致柔韧性和刚度某一项性能偏高或偏低。
在上述优选实施方式中，玻璃纤维层的厚度典型但非限制性的例如为：250微米、260微米、270微米、280微米、290微米、300微米、310微米、320微米、330微米、340微米、350微米、360微米、370微米、380微米、390微米或400微米。
作为本发明优选的实施方式，所述玻璃纤维层中的玻璃纤维的直径为1-4微米，玻璃纤维的长度为5-10cm；优选地，所述玻璃纤维层中的玻璃纤维的直径为1-3微米，玻璃纤维的长度为5-8cm。通过优化玻璃纤维的直径可以使玻璃纤维之间堆积的更加紧密，减少接触孔隙。通过优化玻璃纤维的长度，更容易使玻璃纤维的长度方向与层状结构平行，防止玻璃纤维垂直于层状结构，进而降低导热系数。
本发明的第二个方面提供了一种上述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，包括将二氧化硅气凝胶和玻璃纤维逐层交替铺设的步骤。
作为本发明的优选实施方式，上述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法包括以下步骤：
先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后铺设于毡板上，再将玻璃纤维铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡。
将二氧化硅气凝胶配制成浆体便于涂覆或喷洒成膜层结构。根据使用的涂覆或喷洒的设备以及二氧化硅气凝胶的浓度等参数信息可以很方便的进行涂覆或喷洒以得到特定厚度的二氧化硅气凝胶层。
作为本发明的优选实施方式，铺设二氧化硅气凝胶浆体时采用喷撒的方式铺设。
作为本发明的优选实施方式，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒15-30份、硅烷偶联剂1-3份、硅酸钠3-6份和溶剂20-30份。在上述优选实施方式中，硅烷偶联剂除了可以用作粘结剂外，还可以改善二氧化硅气凝胶颗粒的表面性能，减少二氧化硅气凝胶颗粒的团聚；硅酸钠也起到粘结剂的作用，提高二氧化硅气凝胶层与玻璃纤维层之间的粘附力，同时，硅酸钠还能进一步降低复合毡的导热系数。
在上述优选实施方式中，按重量份数计，二氧化硅气凝胶颗粒典型但非限制性的含量例如可以为：15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或30份；硅烷偶联剂典型但非限制性的含量例如可以为：1份、1.5份、2份、2.5份或3份；硅酸钠典型但非限制性的含量例如可以为：3份、3.5份、4份、4.5份、5份、5.5份或6份；溶剂典型但非限制性的含量例如可以为：20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或30份。
其中，溶剂可以为水，也可以为无水乙醇。
作为本发明的优选实施方式，先将玻璃纤维履平，再进行玻璃纤维的铺设。将玻璃纤维履平以防止玻璃纤维插入二氧化硅气凝胶层中破坏复合毡的性能。
作为本发明的优选实施方式，铺设玻璃纤维时采用文丘里管进行铺设，所述玻璃纤维从文丘里管顶端进入，从底部出口流出并以自由落体的方式降落在二氧化硅气凝胶浆体表面；优选地，所述文丘里管的上下端孔径比例为1：(4-6)。利用文丘里管可以吹散玻璃纤维，并且使玻璃纤维在出口处以平行于二氧化硅气凝胶层的方式铺设于二氧化硅气凝胶层表面。另外，通过优化文丘里管的上下端孔径可以减少文丘里管出口处的流速，使玻璃纤维在出口处以自由落体方式降落，防止玻璃纤维团聚或跑偏。
下面将结合实施例和对比例对本发明提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡做进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例是一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层1和玻璃纤维层2。其中，二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层各有8层。二氧化硅气凝胶层的厚度为50微米，二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为15纳米；玻璃纤维层的厚度为250微米，玻璃纤维的直径为1微米，玻璃纤维的长度为5。
实施例2
本实施例是实施例1提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后采用喷射的方式铺设于毡板上，再将玻璃纤维履平后铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡。其中，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒15份、硅烷偶联剂2份、硅酸钠3份和溶剂20份。
实施例3
本实施例是一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层。其中，二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层各有8层。二氧化硅气凝胶层的厚度为100微米，二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为20；玻璃纤维层的厚度为300微米，玻璃纤维的直径为2微米，玻璃纤维的长度为7cm。
实施例4
本实施例是实施例3提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后采用喷射的方式铺设于毡板上，再用文丘里管将玻璃纤维铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡。其中，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒20份、硅烷偶联剂1份、硅酸钠6份和溶剂25份。
实施例5
本实施例是一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层。其中，二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层各有8层。二氧化硅气凝胶层的厚度为150微米，二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为50纳米；玻璃纤维层的厚度为350微米，玻璃纤维的直径为3微米，玻璃纤维的长度为8cm。
实施例6
本实施例是实施例5提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后采用喷射的方式铺设于毡板上，再用文丘里管将玻璃纤维铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡。其中，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒25份、硅烷偶联剂3份、硅酸钠5份和溶剂30份。
实施例7
本实施例是一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层。其中，二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层各有8层。二氧化硅气凝胶层的厚度为200微米，二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为70纳米；玻璃纤维层的厚度为400微米，玻璃纤维的直径为4微米，玻璃纤维的长度为10cm。
实施例8
本实施例是实施例7提供的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后采用喷射的方式铺设于毡板上，再将玻璃纤维履平后铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡。其中，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒30份、硅烷偶联剂1份、硅酸钠6份和溶剂28份。
对比例1
本对比例是一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，该复合毡利用传统的制备方法制备而成，是在二氧化硅气凝胶颗粒中掺入纤维和添加剂，再经过模压或注塑成型，最后制备得到二氧化硅气凝胶-玻璃纤维复合毡。其中，该对比例中所采用的原料与实施例2中的相同。
测试实施例2、4、6、8和对比例1中的复合毡的导热系数，结果列于表1。
表1各实施例和对比例的复合毡的导热系数
性能参数 实施例2 实施例4 实施例6 实施例8 对比例1
导热系数/W/(m·K) 0.010 0.009 0.007 0.009 0.025
从表1的数据可以看出，利用本发明提供的方法得到二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的导热系数在0.007-0.010W/(m·K)之间，比传统复合方法得到的复合毡的导热系数降低了一半以上。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，其特征在于，包括交替设置的二氧化硅气凝胶层和玻璃纤维层。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶层的厚度为50-200微米，优选为50-150微米。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶层中的二氧化硅气凝胶的颗粒粒径为15-70纳米，优选为20-50纳米。
4.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，其特征在于，所述玻璃纤维层的厚度为250-400微米，优选为270-350微米。
5.根据权利要求1或4所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡，其特征在于，所述玻璃纤维层中的玻璃纤维的直径为1-4微米，玻璃纤维的长度为5-10cm；
优选地，所述玻璃纤维层中的玻璃纤维的直径为1-3微米，玻璃纤维的长度为5-8cm。
6.一种权利要求1-5任一项所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，其特征在于，包括将二氧化硅气凝胶和玻璃纤维逐层交替铺设的步骤。
7.根据权利要求6所述的所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
先将二氧化硅气凝胶配制成浆体，然后铺设于毡板上，再将玻璃纤维铺设于二氧化硅气凝胶浆体表面；之后再将二氧化硅气凝胶浆体铺设于玻璃纤维表面，依次重复进行，铺设结束后经挤压和干燥即得所述二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡；
优选地，铺设二氧化硅气凝胶浆体时采用喷撒的方式铺设。
8.根据权利要求7所述的所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，其特征在于，按重量份数计，所述二氧化硅气凝胶浆体的原料包括：二氧化硅气凝胶颗粒15-30份、硅烷偶联剂1-3份、硅酸钠3-6份和溶剂20-30份。
9.根据权利要求7或8所述的所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，其特征在于，先将玻璃纤维履平，再进行玻璃纤维的铺设。
10.根据权利要求9所述的所述的二氧化硅气凝胶玻璃纤维复合毡的制备方法，其特征在于，铺设玻璃纤维时采用文丘里管进行铺设，所述玻璃纤维从文丘里管顶端进入，从底部出口流出并以自由落体的方式降落在二氧化硅气凝胶浆体表面；
优选地，所述文丘里管的上下端孔径比例为1：(4-6)。
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