CN108623169A - 一种气凝胶复合玻璃的制备方法 - Google Patents

一种气凝胶复合玻璃的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种气凝胶复合玻璃的制造方法，所述气凝胶复合玻璃由芯部和表层构成，所述芯部为气凝胶，所述表层为玻璃相。其制造方法包括以下步骤：（1）玻璃熔液的制备，将玻璃粉体加热熔化得到玻璃熔液；（2）预成型，将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上；（3）铺置气凝胶，将气凝胶连续均匀地铺放于步骤（2）的玻璃熔液表面上；（4）气凝胶复合玻璃的制备，再将玻璃熔液连续地引入到步骤（3）的气凝胶表面上，冷却；（5）退火。本发明公开的气凝胶复合玻璃的制造方法，充分利用浮法玻璃生产线资源，只需在线引入气凝胶即可实现与浮法玻璃同步在线生产，获得的气凝胶复合玻璃具有较好的隔热保温性能和透光性以及良好的安全性能、隔声降噪性能，适用于绿色建筑和超低能耗建筑以及近零能耗建筑的门窗、幕墙玻璃和采光屋顶等领域。

Description

一种气凝胶复合玻璃的制备方法
技术领域
本发明涉及玻璃制备技术领域，特别涉及一种气凝胶复合玻璃的制造方法。
背景技术
气凝胶是一种以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。其孔隙率高达99.8%，孔洞的典型尺寸为1～40nm，比表面积为400～1200m2/g，而密度可低至3kg/m3，室温导热系数可低至0.010W/（m•K）以下，表现出优异的轻质、透光、隔热、保温、隔音、防火、抗冲击性能，以及优异的化学稳定性和不燃性。正是由于这些特点使二氧化硅气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测等方面具有很广阔的应用潜力。
然而，由于常规溶胶-凝胶工艺过程复杂，且生产大尺寸完整透明气凝胶板材的综合技术门槛极高，不仅涉及到材料技术，而且还涉及工艺技术以及工艺装备技术等众多技术领域，因此，难以制备出大尺寸的完整气凝胶。此外，由于气凝胶是脆性材料，抗折强度较差，很难单独使用，只能作为中空玻璃的夹芯层使用，一定程度上限制了气凝胶在建筑透明围护结构领域的应用范围。
公开号为CN104556967A的中国专利申请公开了“二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料的研制”，主要制备工艺：将二氧化硅气凝胶粉体与玻璃结合剂、聚合物混合，同时添加分散剂、润湿剂、消泡剂、增稠剂等少量助剂，混合均匀，制成浆料，然后将浆料制成固定尺寸的样品，在10～25℃下干燥固化48个小时以上，再进行热处理，第一段330～500℃，保温2～5个小时，第二段550～800℃，保温3～5个小时，然后自然冷却到常温。但是，该方法存在以下问题：（1）由于加入助剂，导致有机溶剂会进入气凝胶纳米孔洞内，破坏气凝胶的三维网络结构；（2）采用聚合物作为过渡粘结剂，由于在330～500℃下高分子聚合物分解时易产生气体，而且不易排除，从而影响了所得复合隔热材料的纯度；（3）由于本方法制得的二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料是非透明的，限制了其在建筑透明围护结构方面的应用；（4）由于采用室温干燥固化及两步热处理工艺，导致工艺时间过长，生产效率低，不适合产业化生产。
发明内容
本发明为了克服现有技术的上述问题，获得高透型且具有优异隔热保温性能的气凝胶复合玻璃材料，提供一种适合于工业化连续化生产的方法。
本发明的解决方案是：（1）采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的透明绝热气凝胶技术，解决气凝胶与玻璃熔液难以混合的问题。气凝胶与玻璃熔液的密度差别大，很难直接混入玻璃熔液中，通过在气凝胶的表面上形成硅羟基，同时保持内部疏水特性，增强气凝胶表面与玻璃熔液之间的界面结合作用，有利于消除分层现象，实现均匀混合，同时又保持了气凝胶的优异特性，且省去了助剂及热处理过程，更易获得高透型的气凝胶复合玻璃，此外，显著缩短工艺时间。（2）将气凝胶有机融合到浮法成型工艺中，实现工业化连续化生产。在传统浮法玻璃生产工艺的基础上，在线分别将具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶与玻璃熔液引入到浮抛介质上有机融合后实现成型，即实现与浮法玻璃同步在线生产，从而实现在线浮法连续制造气凝胶复合玻璃的方法。
本发明的解决方案是这样实现的：一种气凝胶复合玻璃的制造方法，包括以下步骤：
（1）玻璃熔液的制备，将玻璃粉体加热熔化得到玻璃熔液；
（2）预成型，将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上；
（3）铺置气凝胶，将气凝胶连续均匀地铺放于步骤（2）的玻璃熔液表面上；
（4）气凝胶复合玻璃的制备，再将玻璃熔液连续地引入到步骤（3）的气凝胶表面上，冷却，得到气凝胶复合玻璃；
（5）退火。
如此，通过上述步骤，可得到一种由表层为玻璃相、芯部为气凝胶的具有隔热保温性能的气凝胶复合玻璃。本发明将气凝胶有机融合到浮法成型工艺中，实现工业化连续化生产。在传统浮法玻璃生产工艺的基础上，在线分别将具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶与玻璃熔液引入到浮抛介质上有机融合后实现成型，即实现与浮法玻璃同步在线生产，从而实现在线浮法连续制造气凝胶复合玻璃的方法，生产效率高。所获得的气凝胶复合玻璃使用了质轻、本身具有优异的隔热保温性能、隔声降噪性能、吸能特性的透明气凝胶作为功能结构层，而玻璃作为增强粘结层，由于玻璃抗压强度和硬度均较高，易获得大尺寸，且使用温度较高，不仅可使气凝胶复合玻璃实现大尺寸生产，而且也使其具有较高强度、硬度和使用温度。因此，采用本发明方法制得的气凝胶复合玻璃不仅具有玻璃本身的大尺寸、高强度和较高使用温度以外，而且还具有良好的隔热保温性能、隔声降噪性能、安全性能以及重量轻等特性，解决了单纯的气凝胶抗折强度低不能单独作为玻璃直接使用的问题，显著地扩大了气凝胶在建筑透明围护结构领域的应用范围。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在将所述玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面之后和退火之前交替重复在玻璃熔液表面上铺置气凝胶步骤和在气凝胶表面上引入玻璃熔液步骤。如此，得到芯部为气凝胶和玻璃粘结相的交替叠层结构，上表层与下表层为玻璃相的气凝胶复合玻璃，这样的气凝胶复合玻璃不仅因为内部复合了气凝胶具有良好的隔热保温性能，而且由于其芯部和上下两个表层都复合了具有良好力学性能的玻璃支撑体，因此还具有良好的力学性能与安全性能。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在将所述玻璃粉体加热熔化之前还包括玻璃破碎步骤，即将玻璃破碎成玻璃粉体。其中玻璃还可以是废旧玻璃，如此，将废旧玻璃作为再生原材料进行回收再利用，降低了能耗和生产成本，减少了环境污染，切实地实现节能环保。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在将所述玻璃粉体加热熔化得到玻璃熔液之后和将玻璃熔液引入到浮抛介质表面之前还包括澄清工艺。如此，将玻璃熔液静置以达到排除其中气体的目的。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在所述浮抛介质上通入保护气体。通常地，浮抛介质为锡液，在锡液槽上方通入氮气和氢气的混合气体作为惰性及还原性保护气体，如此，以达到保护浮抛介质不被氧化的目的，实现清洁生产。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述气凝胶与玻璃的体积比为0.1-10:1。如此，气凝胶占比可以很小，此时相当于普通玻璃，气凝胶占比可以很大，此时相当于气凝胶材料，因此根据性能需要，气凝胶与玻璃的体积比范围可以为0.1：1到10：1。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述气凝胶具有内部疏水、表面亲水特性。如此，采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的透明绝热气凝胶技术，解决气凝胶与玻璃熔液难以混合的问题。气凝胶与玻璃熔液的密度差别大，很难直接混入玻璃熔液中，通过在气凝胶的表面上形成硅羟基，同时保持内部疏水特性，增强气凝胶表面与玻璃熔液之间的界面结合作用，有利于消除分层现象，实现均匀混合，同时又保持了气凝胶的优异特性，且省去了助剂及热处理过程，更易获得高透型的气凝胶复合玻璃，此外，显著缩短工艺时间。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述气凝胶的形状可以为块状、颗粒状、粉末，根据性能需要确定。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明涉及的芯部为气凝胶的气凝胶复合玻璃的结构剖面图；
图2为本发明涉及的芯部为气凝胶和玻璃相的交替叠层结构的气凝胶复合玻璃的结构剖面图；
其中：
1—玻璃相； 2—气凝胶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，一种气凝胶复合玻璃的制备方法，包括以下步骤：
（1）将玻璃粉体加热至熔化得到玻璃熔液；
（2）将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上；
（3）将气凝胶连续均匀地铺放于浮抛介质上的玻璃熔液表面上；
（4）再将玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面上，冷却，得到气凝胶复合玻璃；
（5）将气凝胶复合玻璃进行退火。
本发明在浮法玻璃生产线上，将气凝胶与玻璃熔液作为浮法玻璃生产线的原料液，其它与制备浮法玻璃生产方式相同，以此作为制造气凝胶复合玻璃的方法。
如此，通过上述步骤，可得到一种表层为玻璃1、芯部为气凝胶2的气凝胶复合玻璃，如图2所示。本发明将气凝胶有机融合到浮法成型工艺中，实现工业化连续化生产。在传统浮法玻璃生产工艺的基础上，在线分别将具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶与玻璃熔液引入到浮抛介质上有机融合后实现成型，即实现与浮法玻璃同步在线生产，从而实现在线浮法连续制造气凝胶复合玻璃的方法，生产效率高。所获得的气凝胶复合玻璃使用了质轻、本身具有优异的隔热保温性能、隔声降噪性能、吸能特性的透明气凝胶作为功能结构层，而玻璃作为增强粘结层，由于玻璃抗压强度和硬度均较高，易获得大尺寸，且使用温度较高，不仅可使气凝胶复合玻璃实现大尺寸生产，而且也使其具有较高强度、硬度和使用温度。因此，采用本发明方法制得的气凝胶复合玻璃不仅具有玻璃本身的大尺寸、高强度和较高使用温度以外，而且还具有良好的隔热保温性能、隔声降噪性能、安全性能以及重量轻等特性，解决了单纯的气凝胶抗折强度低不能单独作为玻璃直接使用的问题，显著地扩大了气凝胶在建筑透明围护结构领域的应用范围。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，在将所述玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面之后和退火之前交替重复在玻璃熔液表面上铺置气凝胶步骤和在气凝胶表面上引入玻璃熔液步骤。如此，得到芯部为气凝胶和玻璃粘结相的交替叠层结构，上表层与下表层为玻璃相的气凝胶复合玻璃，这样的气凝胶复合玻璃不仅因为内部复合了气凝胶具有良好的隔热保温性能，而且由于其芯部和上下两个表层都复合了具有良好力学性能的玻璃支撑体，因此还具有良好的力学性能与安全性能。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，在将所述玻璃粉体加热熔化之前还包括玻璃破碎步骤，即将玻璃破碎成玻璃粉体。其中玻璃还可以是废旧玻璃，如此，将废旧玻璃作为再生原材料进行回收再利用，降低了能耗和生产成本，减少了环境污染，切实地实现节能环保。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，在将所述玻璃粉体加热熔化得到玻璃熔液之后和将玻璃熔液引入到浮抛介质表面之前还包括澄清工艺。如此，将玻璃熔液静置以达到排除其中气体的目的。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，在所述浮抛介质上通入保护气体。通常地，浮抛介质为锡液，在锡液槽上方通入氮气和氢气的混合气体作为惰性及还原性保护气体，如此，以达到保护浮抛介质不被氧化的目的，实现清洁生产。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述气凝胶1与玻璃的体积比为0.1-10:1。如此，气凝胶占比可以很小，此时相当于普通玻璃，气凝胶占比可以很大，此时相当于气凝胶材料，因此根据性能需要，气凝胶与玻璃的体积比范围可以为0.1：1到10：1。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述气凝胶具有内部疏水、表面亲水特性。如此，采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的透明绝热气凝胶技术，解决气凝胶与玻璃熔液难以混合的问题。气凝胶与玻璃熔液的密度差别大，很难直接混入玻璃熔液中，通过在气凝胶的表面上形成硅羟基，同时保持内部疏水特性，增强气凝胶表面与玻璃熔液之间的界面结合作用，有利于消除分层现象，实现均匀混合，同时又保持了气凝胶的优异特性，且省去了助剂及热处理过程，更易获得高透型的气凝胶复合玻璃，此外，显著缩短工艺时间。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述气凝胶1的形状可以为块状、颗粒状、粉末，根据性能需要确定。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种气凝胶复合玻璃采用以下步骤制备：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为0.1:1，将定比的玻璃粉体加热至熔化得到玻璃熔液；
（2）静置，排出玻璃熔液中的气泡；
（3）将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上，其中浮抛介质为锡液，并在锡液槽的上方通入N2和H2的混合气体作为保护气体；
（4）将定比的透明块状气凝胶连续均匀地铺放于浮抛介质上的玻璃熔液表面上；
（5）再将玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面上，冷却，得到气凝胶复合玻璃；
（6）将气凝胶复合玻璃进行退火。
通过上述步骤得到的气凝胶复合玻璃如图1所示，其中，气凝胶层厚度为10mm，表层玻璃厚度均为5mm，测试结果显示，其可见光透过率为90%，传热系数为2.89W/（m2·K）。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种气凝胶复合玻璃采用以下步骤制备：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为5:1，将定比的玻璃粉体加热至熔化得到玻璃熔液；
（2）静置，排出玻璃熔液中的气泡；
（3）将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上，其中浮抛介质为锡液，并在锡液槽的上方通入N2和H2的混合气体作为保护气体；
（4）将定比的透明块状气凝胶连续均匀地铺放于浮抛介质上的玻璃熔液表面上；
（5）再将玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面上，冷却凝固；
（6）然后在玻璃熔液表面上铺置气凝胶，之后再在气凝胶表面上引入玻璃熔液步骤，冷却，得到气凝胶复合玻璃；
（7）将气凝胶复合玻璃进行退火。
通过上述步骤得到的气凝胶复合玻璃如图2所示，其中，气凝胶层厚度均为10mm，玻璃层厚度均为1.3mm，测试结果显示，其可见光透过率为85%，传热系数为0.56W/（m2•K）。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种气凝胶复合玻璃采用以下步骤制备：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为2:1，将定比的玻璃粉体加热至熔化得到玻璃熔液；
（2）静置，排出玻璃熔液中的气泡；
（3）将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上，其中浮抛介质为锡液，并在锡液槽的上方通入N2和H2的混合气体作为保护气体；
（4）将定比的透明块状气凝胶连续均匀地铺放于浮抛介质上的玻璃熔液表面上；
（5）再将玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面上，冷却，得到气凝胶复合玻璃；
（6）将气凝胶复合玻璃进行退火。
通过上述步骤得到的气凝胶复合玻璃如图1所示，其中，气凝胶层厚度为10mm，表层玻璃厚度均为2.5mm，测试结果显示，的可见光透过率为80%，传热系数为0.96W/（m2•K）。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种气凝胶复合玻璃采用以下步骤制备：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为9:1，将定比的玻璃粉体加热至熔化得到玻璃熔液；
（2）静置，排出玻璃熔液中的气泡；
（3）将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上，其中浮抛介质为锡液，并在锡液槽的上方通入N2和H2的混合气体作为保护气体；
（4）将定比的透明块状气凝胶连续均匀地铺放于浮抛介质上的玻璃熔液表面上；
（5）再将玻璃熔液连续地引入到气凝胶表面上；
（6）然后在玻璃熔液表面上铺置气凝胶，之后再在气凝胶表面上引入玻璃熔液步骤，冷却，得到气凝胶复合玻璃；
（7）将气凝胶复合玻璃进行退火。
通过上述步骤得到的气凝胶复合玻璃如图2所示，其中，气凝胶层厚度均为12mm，玻璃层厚度均为0.8mm，测试结果显示，的可见光透过率为77%，传热系数为0.43W/（m2•K）。
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 (7)

1.一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）玻璃熔液的制备，将玻璃粉体加热熔化得到玻璃熔液；
（2）预成型，将玻璃熔液连续地引入到浮抛介质上；
（3）铺置气凝胶，将气凝胶连续均匀地铺放于步骤（2）的玻璃熔液表面上；
（4）气凝胶复合玻璃的制备，再将玻璃熔液连续地引入到步骤（3）的气凝胶表面上，冷却；
（5）退火。
2.根据权利要求1所述的一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）之后和步骤（5）之前交替重复步骤（3）和步骤（4），即铺置气凝胶步骤和成型步骤。
3.根据权利要求1或2所述的一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）之后和步骤（2）之前还包括澄清工艺。
4.根据权利要求1所述的一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，所述浮抛介质上通入保护气体。
5.根据权利要求1所述的一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，所述气凝胶与玻璃粉体的体积比为0.1-10:1。
6.根据权利要求1所述的一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，所述气凝胶具有内部疏水、表面亲水特性。
7.根据权利要求1所述的一种气凝胶复合玻璃的制备方法，其特征在于，所述气凝胶的形状为块状、颗粒状、粉末中的一种。
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