CN110105044A - 一种轻质高强纳米级微孔隔热材料 - Google Patents

一种轻质高强纳米级微孔隔热材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，构成体积和重量百分比分别为：亚微米级的二氧化硅粉末（占成品总体积的）30～65%；纳米级二氧化硅粉末（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）0～20%；微米级气孔的隔热材料颗粒料（占成品总体积的）20～60%；增强用无机纤维（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）0.1～25%。本发明制得的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其密度在300～450Kg/m3,导热系数在600℃时0.050～0.080W/mK,抗压强度为0.5～2.0MPa,比同等密度陶瓷纤维板、微孔硅酸钙板传统隔热材料低1倍(600℃时0.12～0.15W/mK),比轻质隔热砖低2倍（密度500Kg/m3 600℃时0.19～0.20W/mK）,是一种非常好的纳米级微孔隔热材料。

Description

一种轻质高强纳米级微孔隔热材料
技术领域：
本发明涉及一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，其属于高温隔热材料领域。
背景技术：
市场上已有的纳米级微孔隔热材料，采用100%纳米级微孔粉末原料，由此制得的纳米级微孔隔热材料隔热性能非常好，比如市场流行的950型和1100型纳米级微孔隔热材料，采用原生二氧化硅粉末的粒子直径为7纳米左右，由这种纳米粉末形成的团聚体气孔在20～30纳米，导致固体的传导传热很小，同时，在材料中加入反红外射线的耐火粉末添加物（主要为纳米级或者微米级的碳化硅和硅酸锆粉末，参见专利：CN102838342B（晖能），EP1340729A1（德国），使得红外辐射传热也降到了很低的水平，再加入增强纤维，压制成块状的具有纳米级别气孔的隔热材料，密度为250Kg/m3,600℃导热系数0.026～0.035W/mK。但是，由于采用了50%以上体积比或者重量比的纳米级二氧化硅或者氧化铝粉末原料，其成本非常高，不利于大量推广；另外，950型和1100型纳米级微孔隔热材料的产品的抗压强度不高（密度230～450Kg/m3），与现有的传统隔热保温材料（如陶瓷纤维板和微孔硅酸钙板，密度一般200～450Kg/m3）接近，抗压强度为0.3～0.5MPa,限制了上述纳米级微孔材料和传统隔热材料产品在需要一定压力场合的应用。
目前市场上流行的另外一种纳米级微孔隔热材料，见专利(发明专利201810508383.1 南京紫阳新材料)，采用亚微米的二氧化硅粉末和纳米级微孔二氧化硅粉末为主要原料，添加增强无机纤维，制得密度450～700Kg/m3,导热系数在600℃时0.050～0.080W/mK,抗压强度0.5～2.5MPa，产品抗压强度远大于专利：CN102838342B，EP1340729A1（950型和1100型纳米隔热材料）。但是，这个专利（发明专利201810508383.1南京紫阳新材料）其产品密度较大（在450Kg/m3以上，为450～700Kg/m3），不利于需要重量轻的隔热材料应用要求。
发明内容：
本发明的目的是克服传统纳米级微孔隔热材料、陶瓷纤维、微孔硅酸钙板抗压强度和密度的不足，提供一种轻质高强度纳米级微孔隔热材料，该隔热材料导热系数低隔热性能好、原料成本低廉、密度小、抗压强度高。
本发明采用如下技术方案：一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，构成体积和重量百分比分别为：
亚微米级的二氧化硅粉末 （占成品总体积的 ） 30～65%；
纳米级二氧化硅粉末（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）0～20%；
微米级气孔的隔热材料颗粒料（占成品总体积的）20～60%；
增强用无机纤维 （重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的） 0.1～25%。
进一步地，所述亚微米级二氧化硅粉末为工业超细硅灰，比表面积为20～30m2/g，平均粒径为100～300纳米。
进一步地，所述纳米级二氧化硅粉末为气相二氧化硅，比表面积为180～400m2/g，原生粒子粒径为7～10纳米。
进一步地，所述微米级气孔隔热材料颗粒料粒径在3～40毫米，密度在100～400kg/m³。
进一步地，所述微米级气孔隔热材料颗粒料的材质为膨胀蛭石颗粒、膨胀珍珠岩、多孔浮石颗粒、粒状颗粒陶瓷纤维毡板、微孔硅酸钙板颗粒、轻质隔热砖颗粒。
进一步地，所述增强用纤维为无碱短切玻璃纤维、硅酸铝纤维、含锆陶瓷纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、短切高硅氧纤维或莫来石纤维，直径3～15微米，长度为3～50毫米。
本发明具有如下有益效果：
1、本轻质高强纳米级微孔隔热材料的隔热性能优于传统的陶瓷纤维和硅酸钙板等。
2、本轻质高强纳米级微孔隔热材料的抗压强度高于传统的陶瓷纤维和硅酸钙板等。
3、本发明具有原料成本低廉、易于推广使用的特点。
具体实施方式：
本发明轻质高强纳米级微孔隔热材料，其构成体积和重量百分比分别为：
亚微米级的二氧化硅粉末 （占成品总体积的 ） 30～65%；
纳米级二氧化硅粉末（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）0～20%；
微米级气孔的隔热材料颗粒料（占成品总体积的）20～60%；
增强用无机纤维 （重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的） 0.1～25%。
其中亚微米级二氧化硅粉末为工业超细硅灰，比表面积为20～30m2/g，平均粒径低于1微米，为0.1～0.3微米（100～300纳米）。
其中纳米级二氧化硅粉末为气相二氧化硅，比表面积为180～400m2/g，原生粒子粒径为7～10纳米。
其中微米级气孔隔热材料颗粒料粒径在3～40毫米，密度在100～400kg/m³，常用的材质为膨胀蛭石颗粒、膨胀珍珠岩、多孔浮石颗粒、粒状颗粒陶瓷纤维毡板、微孔硅酸钙板颗粒、轻质隔热砖颗粒。
其中增强用纤维为无碱短切玻璃纤维、硅酸铝纤维、含锆陶瓷纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、短切高硅氧纤维或莫来石纤维，直径3～15微米，长度为3～50毫米。
下面通过三个实施例来具体说明本发明轻质高强纳米级微孔隔热材料。
实施例1：
一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，其构成体积和重量百分比分别为：
亚微米级二氧化硅粉末（占成品总体积的）50%；
纳米级二氧化硅粉末（比表面积200m2/g或380m2/g）（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）15%；
微孔硅酸钙板颗粒（颗粒直径20～30mm，密度170Kg/m3） （占成品总体积的）50%；
含锆陶瓷纤维（直径4～6微米，长度25毫米）（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的15%；
制备方法是：
按重量配比将亚微米级二氧化硅粉末、纳米级二氧化硅粉末、微孔硅酸钙板颗粒、含锆陶瓷纤维干态混合均匀，填入模具压制成板状，即得到纳米级微孔隔热材料。
制得纳米级微孔隔热材料的板材厚度为25～100mm，也可以根据需要切割成小块板或者砖状的隔热材料，该材料密度在380～450Kg/m3,抗压强度在1.0MPa,导热系数在600℃时0.065W/mK。
实施例2：
一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，其构成体积和重量百分比分别为：
亚微米级二氧化硅粉末 （占成品总体积的 ）60%；
微孔硅酸钙板颗粒（颗粒直径20～30mm，密度140Kg/m3） （占成品总体积的）40%；
含锆陶瓷纤维（直径4～6微米，长度25毫米）（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）15%；
按重量配比将亚微米级二氧化硅粉末、微孔硅酸钙板颗粒、含锆陶瓷纤维纤维干态混合均匀，填入模具压制成板状，按此方法制成的薄板厚度为25～100mm，材料密度在300～350Kg/m3,抗压强度在1.2MPa,导热系数在600 ℃时0.055/mK。
实施例3：
一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，其构成体积和重量百分比分别为：
亚微米级二氧化硅粉末（占成品总体积的）60%；
轻质隔热砖颗粒（颗粒直径5～15mm，密度200～350Kg/m3） （占成品总体积的）40%；
含锆陶瓷纤维（直径4～6微米，长度25毫米） （重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）15%；
按上述原料混合均匀，填入模具压制成板状，材料密度在400～450Kg/m3,抗压强度在1.5MPa,导热系数在600 ℃时0.060/mK。
本发明采用一种新型配方特点是：亚微米级的二氧化硅粉末占产品的总体比为30～65%，采用特定尺寸的微米级气孔隔热材料颗粒（3～40毫米，密度在100～400kg/m³）占产品的总体积比为20～60%，少用甚至不用昂贵的纳米级二氧化硅粉末，再添加少量增强纤维，可以制得低密度和强度好的低成本纳米级微孔隔热材料，产品300～450Kg/m3，导热系数在600℃时0.050～0.080W/mK，抗压强度为0.5～2.0MPa。
其中，特定尺寸的微米级气孔隔热材料颗粒（3～40毫米，密度在100～400kg/m³）占一定的体积是关键，如果采用微米级隔热材料粉末时（粒度≤1mm），同时，微米级隔热材料粉末采用同本专利的相同体积和重量比，做出的隔热板密度即使大于450Kg/m3时（采用添加一定数量昂贵的纳米粉料进去，以降低产品密度），强度也是仍然很低（仅为0.35MPa），搬运储存使用中很容易损坏。
本发明制得的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其密度小于450Kg/m3，抗压强度却可以达到0.5～2.0MPa,这两个指标对需要高抗压和一定强度的场合应用非常重要，比如，水泥行业的烧成系统隔热材料采用600Kg/m3的纳米级微孔隔热材料时，日产5000吨熟料的水泥窑预热器系统需要600m3的隔热材料，隔热材料总的荷重达到330吨以上，如果采用本发明的350Kg/m3纳米级微孔隔热材料，荷重仅为210吨，隔热材料系统重量减轻120吨，这个水泥窑预热器系统的土建基础和预热器框架承重量就大幅度减小了，大幅度降低了基建费用。同时，由于本发明的轻质纳米级微孔隔热材料（密度350Kg/m3），比密度600Kg/m3的纳米级微孔隔热材料重量减少40%以上，水泥烧成系统在冷态升温时，达到同样热平衡状态的蓄热量就少40%，达到节约能源的目的。
在铝电解槽的底部隔热材料中，一般设计采用防渗透料，轻质隔热砖和微孔硅酸钙板，这类材料的抗压强度均要求在1MPa以上，而现在推广的950型纳米级微孔隔热材料密度为350Kg/m3的高密度板，抗压强度虽然勉强可以达到1MPa，但是，纳米隔热材料的高温抗蠕变性差（长期使用下沉变形），由于厚度在电解槽中使用中缓慢减薄，散失了开始优异的隔热效果，导致电解槽底部外壳温度缓慢升高，节能效果逐渐散失。采用本发明的轻质高强纳米隔热材料，由于密度低抗压强度高，可以保证长期使用时产品厚度不变，隔热的效果保持不变。
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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轻质高强纳米级微孔隔热材料，其特征在于：构成体积和重量百分比分别为：
亚微米级的二氧化硅粉末 （占成品总体积的 ） 30～65%；
纳米级二氧化硅粉末（重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的）0～20%；
微米级气孔的隔热材料颗粒料（占成品总体积的）20～60%；
增强用无机纤维 （重量占亚微米级的二氧化硅粉末重量的） 0.1～25%。
2.如权利要求1所述的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述亚微米级二氧化硅粉末为工业超细硅灰，比表面积为20～30m2/g，平均粒径为100～300纳米。
3.如权利要求1所述的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述纳米级二氧化硅粉末为气相二氧化硅，比表面积为180～400m2/g，原生粒子粒径为7～10纳米。
4.如权利要求1所述的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述微米级气孔隔热材料颗粒料粒径在3～40毫米，密度在100～400kg/m³。
5.如权利要求4所述的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述微米级气孔隔热材料颗粒料的材质为膨胀蛭石颗粒、膨胀珍珠岩、多孔浮石颗粒、粒状颗粒陶瓷纤维毡板、微孔硅酸钙板颗粒、轻质隔热砖颗粒。
6.如权利要求1所述的轻质高强纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述增强用纤维为无碱短切玻璃纤维、硅酸铝纤维、含锆陶瓷纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、短切高硅氧纤维或莫来石纤维，直径3～15微米，长度为3～50毫米。
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