CN110406135A - 一种轻质高效多层隔热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻质高效多层隔热材料及其制备方法。所述方法包括:(1)将纤维预制体浸渍溶胶,制得气凝胶复合材料;(2)用纤维布包裹缝合步骤(1)制得的气凝胶复合材料,得到隔热材料预制体;和(3)在步骤(2)得到的隔热材料预制体的表面粘接反射膜,制得轻质高效多层隔热材料。本发明还提供了由本发明所述的制备方法制得的轻质高效多层隔热材料,该材料可在室温~500℃对目标结构实施高效隔热防护。本发明的制备工艺简单、成本低,有望在航空航天中低温隔热及民用隔热领域得到推广应用。

Description

一种轻质高效多层隔热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域,尤其涉及一种轻质高效多层隔热材料及其制备方法。
背景技术
气凝胶是目前发现的最高效隔热材料,在建筑、冶金、航空航天等领域都获得了重要应用,针对航空航天对隔热材料耐高温的需求,应用于航空航天的气凝胶侧重于耐高温性能的研究和开发,比如,耐1000度、1100度、1200度气凝胶的研究与应用,但是耐温性的提高意味着需要使用更优质的原材料和更苛刻的工艺,随之而来的是成本的增加,航空航天注重质量过于成本的理念在民用领域是不适用的,气凝胶的高成本限制了其在民用领域的应用。而目前针对民用领域研究和开发的气凝胶材料则存在隔热性能较差的问题。如何兼顾成本与隔热性能是气凝胶进一步推广使用的关键。
热量传递的方式主要有三种:热传导、热对流和热辐射。研究表明,当温度达到300℃以上的时候,辐射传热对热量传递的贡献逐渐显著,所以随着温度的升高,气凝胶材料的导热系数会增大,隔热性能下降,温度越高,隔热性能下降越明显。所以抑制高温下热辐射是提高气凝胶材料隔热性能的关键。传统的方法是在材料内部添加抗辐射剂或者在材料表面制备抗辐射涂层来抑制高温热辐射。但都存在工艺复杂、成本较高等诸多问题。
鉴于此,非常有必要提供一种新型的轻质高效多层隔热材料及其制备方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题,本发明以航空航天中低温以及民用领域低成本高效隔热需求为背景,针对室温~500℃的使用环境,提供了一种轻质高效多层隔热材料及其制备方法。
本发明在第一方面提供了一种轻质高效多层隔热材料的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将纤维预制体浸渍溶胶,制得气凝胶复合材料;
(2)用纤维布包裹缝合步骤(1)制得的气凝胶复合材料,得到隔热材料预制体;和
(3)在步骤(2)得到的隔热材料预制体的表面粘接反射膜,制得轻质高效多层隔热材料。
优选地,步骤(1)包括如下子步骤:
(a)利用溶胶前驱体浸渍纤维预制体,得到浸渍体;和
(b)将步骤(a)得到的浸渍体依次进行室温老化步骤、溶剂置换步骤和超临界干燥步骤,由此制得所述气凝胶复合材料。
优选地,所述反射膜为聚合物镀金属膜或陶瓷膜;优选的是,所述反射膜为聚酯镀金属膜或聚酰亚胺镀金属膜;和/或在步骤(3)中,采用硅橡胶胶粘剂将所述反射膜粘接于所述隔热材料预制体的表面;优选的是,所用硅橡胶胶粘剂为室温硫化硅橡胶胶粘剂。
优选地,所述纤维预制体由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组的纤维制成;优选的是,所述纤维预制体由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维和玄武岩纤维组成的组的纤维制成。
优选地,在步骤(a)中,所述溶胶前驱体为含有硅酸酯、溶剂、水和催化剂的胶液或所述溶胶前驱体为含有硅溶胶和催化剂的胶液;和/或在步骤(a)中,所述浸渍为常温常压浸渍;和/或在步骤(b)中,所述室温老化的时间为12~48h;和/或在步骤(b)中,所用溶剂置换的溶剂为乙醇,每次所述溶剂置换的时间为1~3天,所述溶剂置换的次数为2~4次;和/或在步骤(b)中,所用超临界干燥的干燥介质为CO2
优选地,所述溶胶前驱体为由硅酸酯、溶剂、水和催化剂组成的胶液,所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯中的一种或多种,所述溶剂为乙醇和/或丙酮,优选的是,所述溶剂为乙醇,所述催化剂为盐酸、氨水和氟化铵中的一种或多种。
优选地,所述纤维布由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组的纤维纱线制成;优选的是,所述纤维布由选自由玻璃纤维和玄武岩纤维组成的组的纤维纱线制成;和/或所述纤维布的面密度为80~500g/m2,所述纤维布的厚度为0.1~0.4mm。
优选地,所述纤维纱线的线密度为20~50tex,所述纤维纱线的捻度为50~80T/M。
优选地,在步骤(2)中,采用缝合线进行所述缝合;所述缝合线采用纤维缝合线,所述纤维缝合线采用线密度为90~200tex的纱线制得,所述缝合的缝合间距为20~40mm。
本发明在第二方面由本发明在第一方面所述的制备方法制得的轻质高效多层隔热材料;优选的是,所述轻质高效多层隔热材料的密度为0.16~0.22g/cm3、室温导热系数为0.012~0.020W/m·K,200℃导热系数为0.016~0.022W/m·K,400℃导热系数为0.018~0.026W/m·K,耐热温度为500℃。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果:
(1)本发明以航空航天中低温以及民用领域低成本高效隔热需求为背景,针对室温~500℃的使用环境,创新性的提出利用气凝胶材料、纤维布、反射膜组合制备多层隔热材料的方法,一方面利用气凝胶材料凭借其特殊纳米孔结构抑制对流传热的优势,另一方面利用反射膜高温下通过反射辐射热抑制辐射传热的优势,二者协同配合,使制备的多层隔热材料具备高效隔热性能;另外,本发明使用纤维布包裹气凝胶的方式,在避免气凝胶掉粉的同时可提高气凝胶的整体性和韧性。
(2)本发明制备的轻质高效多层隔热材料可在室温~500℃对目标结构实施高效隔热防护。
(3)本发明制备的轻质高效多层隔热材料质轻,密度可以被控制为0.16~0.22g/cm3之间。
(4)本发明制备的轻质高效多层隔热材料导热系数低,具有优良的隔热性能,室温导热系数仅为0.012~0.020W/m·K,200℃导热系数为0.016~0.022W/m·K,400℃导热系数为0.018~0.026W/m·K。
(5)本发明制备的隔热材料可设计性强,可通过采用不同厚度的气凝胶复合材料、纤维布、反射膜以获得目标隔热材料。
(6)本发明的制备工艺简单、成本低,有望在航空航天中低温隔热及民用隔热领域得到推广应用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,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的一部分实施例,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的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。
本发明在第一方面提供了一种轻质高效多层隔热材料的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将纤维预制体浸渍溶胶,制得气凝胶复合材料;所述纤维预制体优选为由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组的纤维制成,即在本发明中,所述纤维预制体优选为由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维中的一种或多种(两种及两种以上)纤维制成;在本发明中,所述纤维预制体例如可以制成棉毡、针刺毡、纤维毯等形式;更优选的是,所述纤维预制体由选自由玻璃纤维(低成本玻璃纤维)、高硅氧纤维和玄武岩纤维组成的组的纤维制成;在本发明中,所述气凝胶复合材料的厚度例如可以为3~15mm(例如3、5、10、12或15mm);
(2)用纤维布包裹缝合步骤(1)制得的气凝胶复合材料,得到隔热材料预制体;本发明对所述缝合用纤维纱线的选用没有特别的限制,只要能够保证缝合用强度即可;但是在一些优选的实施方式中,所述缝合线采用纤维缝合线,并且采用线密度为90~200t的纱线制得;在本发明中,所述缝合的作用是为了使纤维布与气凝胶复合材料成为一体,防止气凝胶掉粉,并且平衡气凝胶的低韧性,适当的缝合间距可以实现这一效果,因此在一些优选的实施方式中,所述缝合的缝合间距为20~40mm,例如为25mm;和
(3)在步骤(2)得到的隔热材料预制体的表面粘接反射膜,制得轻质高效多层隔热材料。
众所周知,现有技术中提高气凝胶材料的中低温隔热性能的方法主要是在材料内部添加抗辐射剂或者在材料表面制备抗辐射涂层来抑制高温热辐射;但都存在抗辐射性较差、工艺复杂难控、成本较高等问题;例如,在材料内部添加抗辐射剂会对隔热材料本身的结构产生影响,进而影响材料本体的隔热性能,另外还存在工艺较难控制,抗辐射剂分布不均匀,从而导致隔热材料的隔热性能不稳定的问题;而抗辐射涂层的制备一般需要经过涂刷、烘干、烧结等过程,工艺复杂,特别地,由于气凝胶为多孔材料,涂层物质在制备的过程中会渗入隔热材料本体中,进而影响隔热材料本体的性能,另外制备的涂层粗糙度一般较差,对辐射热的反射效果不佳,抗辐射性能较差。而本发明针对气凝胶材料由于独特的纳米孔结构抑制热传导性能优良,但其发射率高导致高温抗热辐射性能不足的问题,首次提出利用隔热反射膜高温下可很好反射热辐射的性能,将气凝胶材料与隔热反射膜组合制备了所述轻质高效多层隔热材料。
本发明以航空航天中低温以及民用领域低成本高效隔热需求为背景,针对室温~500℃的使用环境,创新性的提出利用气凝胶材料、纤维布、反射膜组合制备多层隔热材料的方法,一方面利用气凝胶材料凭借其特殊纳米孔结构抑制对流传热的优势,另一方面利用反射膜高温下通过反射辐射热抑制辐射传热的优势,二者协同配合,使制备的多层隔热材料具备高效隔热性能;另外,本发明使用纤维布包裹气凝胶的方式,在避免气凝胶掉粉的同时可提高气凝胶的整体性和韧性。具体做法为首先制备纤维增强气凝胶复合材料,然后用纤维布包裹缝制气凝胶复合材料,最后在缝制好的材料表面粘接反射膜,得到所需的轻质高效多层隔热材料。本发明制备的隔热材料轻质、高效隔热、可设计性强、成本低;在建筑、冶金、航空航天尤其是民用领域具有良好的应用前景。
根据一些优选的实施方式,步骤(1)包括如下子步骤:
(a)利用溶胶前驱体浸渍纤维预制体,得到浸渍体;在本发明中,所述溶胶前躯体例如可以优选为含有硅酸酯、溶剂、水和催化剂的胶液或所述溶胶前驱体例如可以优选为含有硅溶胶和催化剂的胶液;和
(b)将步骤(a)得到的浸渍体依次进行室温老化步骤、溶剂置换步骤和超临界干燥步骤,由此制得所述气凝胶复合材料。
根据一些优选的实施方式,所述反射膜为聚合物镀金属膜(例如聚酯镀金属膜或聚酰亚胺镀金属膜)或陶瓷膜;优选的是,所述反射膜为聚酯镀金属膜或聚酰亚胺镀金属膜;更优选的是,所述反射膜为聚酰亚胺镀铝膜,所述反射膜的厚度为20~40μm。在本发明中,所述聚合物镀金属膜指的是在聚合物膜基底上镀金属膜构成的复合膜,例如以聚酰亚胺镀金属膜为例,所述聚酰亚胺镀金属膜指的是在聚酰亚胺膜基底上镀金属膜构成的复合膜。
根据一些优选的实施方式,在步骤(3)中,采用硅橡胶胶粘剂将所述反射膜粘接于所述隔热材料预制体的表面;优选的是,所用硅橡胶胶粘剂为室温硫化硅橡胶胶粘剂;在本发明中,所述室温硫化硅橡胶胶粘剂例如可以为市售产品,例如可以为KH-CL-RTV硅橡胶胶粘剂或KH-HP-RTV硅橡胶胶粘剂。
根据一些优选的实施方式,在步骤(a)中,所述溶胶前驱体为含有硅酸酯、溶剂、水和催化剂的胶液或所述溶胶前驱体为含有硅溶胶和催化剂的胶液;优选的是,所述溶胶前驱体为由硅酸酯、溶剂、水和催化剂组成的胶液;这是因为,硅溶胶为前驱体制备的气凝胶往往结构相对粗壮,力学性能较好,耐温性能好,而孔隙率、比表面积较低,导致隔热性能较差,所以为了使气凝胶材料具有更好隔热性能,在本发明中,更优选为所述溶胶前驱体为含有硅酸酯、溶剂、水和催化剂的胶液。
根据一些优选的实施方式,所述溶胶前驱体为由硅酸酯、溶剂、水和催化剂组成的胶液(硅酸酯胶液),所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯中的一种或多种(两种及两种以上);更优选的是,所述硅酸酯为正硅酸乙酯;所述硅酸酯胶液中含有的所述溶剂为乙醇和/或丙酮,优选的是,所述硅酸酯胶液中含有的所述溶剂为乙醇;所述硅酸酯胶液中含有的所述催化剂为盐酸、氨水和氟化铵中的一种或多种(两种以两种以上)。
根据一些优选的实施方式,在步骤(a)中,所述浸渍为常温常压浸渍;本发明所用浸渍优选为选用常温常压浸渍即可满足需求,相对于压力浸渍,采用常温常压浸渍极大降低对操作设备的要求,有效降低了工艺成本,具体做法为将纤维预制体裁剪为目标尺寸,称取一定量的溶胶前驱体装入成型模具中,将纤维预制体放置于模具中,浸渍溶胶前驱体即可。
根据一些优选的实施方式,在步骤(b)中,所述室温(例如20~30℃)老化的时间为12~48h(例如12h、18h、24h、30h、40h或48h);和/或在步骤(b)中,所用溶剂置换的溶剂为乙醇,每次所述溶剂置换的时间为1~3天(例如溶剂置换单次时间为2天),所述溶剂置换的次数为2~4次(例如2、3或4次);和/或在步骤(b)中,所用超临界干燥的干燥介质为CO2;即所述超临界干燥为超临界二氧化碳干燥
根据一些优选的实施方式,所述纤维布由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组的纤维纱线制成;优选的是,所述纤维布由选自由玻璃纤维(低成本玻璃纤维)和玄武岩纤维组成的组的纤维纱线制成;和/或所述纤维布的面密度为80~500g/m2(例如为80、100、200、300、400或500g/m2),所述纤维布的厚度为0.1~0.4mm(例如为0.1、0.2、0.3或0.4mm)。
根据一些优选的实施方式,所述纤维纱线的线密度为20~50tex(例如可以为20、25、30、35、40、45或50tex),所述纤维纱线的捻度为50~80T/M(例如可以为50、55、60、65、70、75或80T/M)。在本发明中,就纤维纱线的线密度而言,由于是二维编织,所以密度越大,纤维布厚度越大,就纤维纱线的捻度而言,在一定范围内,捻度越大,纱线强力越大。本发明在一些优选的实施方式中,通过调节纤维纱线的线密度和/或纱线捻度,可以根据需要制得不同厚度、面密度、强度的纤维布;在本发明中,优选的是,采用线密度为20~50tex,捻度为50~80T/M的所述纤维纱线,以得到面密度为80~500g/m2、厚度为0.1~0.4mm的所述纤维布,如此更有利于保证气凝胶复合材料的整体性和韧性更好以及更好地保证制得隔热性能更优的所述轻质高效多层隔热材料。
在本发明中,单位tex表示单位特克斯,也记为t,单位T/M表示单位长度纱线具有的捻回数。
根据一些优选的实施方式,在步骤(2)中,采用缝合线进行所述缝合;所述缝合线采用纤维缝合线,所述纤维缝合线采用线密度为90~200tex(例如90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200tex)的纱线制得,所述缝合的缝合间距为20~40mm(例如20、25、30、35或40mm)。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的轻质高效多层隔热材料。
根据一些优选的实施方式,所述轻质高效多层隔热材料的密度为0.16~0.22g/cm3、室温导热系数为0.012~0.020W/m·K,200℃导热系数为0.016~0.022W/m·K,400℃导热系数为0.018~0.026W/m·K,耐热温度为500℃。
下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明,但是本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例1
制备本发明所述的中温使用的轻质高效多层隔热材料。气凝胶利用纤维预制体常温常压浸渍溶胶前驱体,经溶胶-凝胶工艺成型,其中纤维预制体选用玻璃纤维毡,溶胶前驱体由正硅酸乙酯、溶剂、水、催化剂组成。纤维布由玻璃纤维纱线(玻璃纱线的线密度为30tex,捻度为70T/M)二维编织制成,反射膜选用聚酰亚胺镀铝膜,反射膜厚度为25μm,粘结剂选用KH-CL-RTV室温硫化硅橡胶粘结剂。
①首先将玻璃纤维混合成型为玻璃纤维毡(提供纤维预制体),然后将玻璃纤维毡常温常压浸渍由正硅酸乙酯、溶剂、水、催化剂组成的溶胶前驱体,经溶胶-凝胶和超临界干燥制备气凝胶复合材料(玻璃纤维气凝胶),制得的玻璃纤维气凝胶厚度为5mm。
②利用玻璃纤维纱线二维编制成玻璃纤维布(提供纤维布),然后用玻璃纤维布包裹步骤①得到的气凝胶复合材料缝制成型为隔热材料预制体(厚度为5mm),在本发明中,忽略所述纤维布的厚度,即认为所述隔热材料预制体的厚度等于气凝胶复合材料的厚度。
③再通过KH-CL-RTV室温硫化硅橡胶粘结剂将聚酰亚胺镀铝膜粘接于步骤②得到的隔热材料预制体表面,得到所述轻质高效多层隔热材料。
本实施例制得的轻质高效多层隔热材料的室温热导率(室温导热系数)为0.016W/m·K,200℃热导率(200℃导热系数)为0.020W/m·K,400℃热导率(400℃导热系数)为0.023W/m·K,石英灯考核500℃1600s背温为140℃,结果如表1所示。
实施例2~3、对比例1~5除表1所列内容之外,采用与实施例1相同的实施方式,制得的隔热材料性能如表1所示;表1中对比例2、对比例3中的玻璃纤维棉毡,指的是实施例1的步骤①中,未进行浸渍溶胶的,采用玻璃纤维混合成型而成的玻璃纤维毡。
由表1的数据可以看出,本发明实施例1-3制备的所述轻质高效多层隔热材料相比对比例具有中温(200~400℃)导热系数低、中温环境下(200~400℃)导热系数增加不明显以及石英灯500℃1600s考核后背温较低的优点,本发明制备的轻质高效多层隔热材料可在室温~500℃对目标结构实施高效隔热防护。
最后应说明的是:以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种轻质高效多层隔热材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)将纤维预制体浸渍溶胶,制得气凝胶复合材料;
(2)用纤维布包裹缝合步骤(1)制得的气凝胶复合材料,得到隔热材料预制体;和
(3)在步骤(2)得到的隔热材料预制体的表面粘接反射膜,制得轻质高效多层隔热材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)包括如下子步骤:
(a)利用溶胶前驱体浸渍纤维预制体,得到浸渍体;和
(b)将步骤(a)得到的浸渍体依次进行室温老化步骤、溶剂置换步骤和超临界干燥步骤,由此制得所述气凝胶复合材料。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:
所述反射膜为聚合物镀金属膜或陶瓷膜;
优选的是,所述反射膜为聚酯镀金属膜或聚酰亚胺镀金属膜;和/或
在步骤(3)中,采用硅橡胶胶粘剂将所述反射膜粘接于所述隔热材料预制体的表面;
优选的是,所用硅橡胶胶粘剂为室温硫化硅橡胶胶粘剂。
4.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法,其特征在于:
所述纤维预制体由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组的纤维制成;
优选的是,所述纤维预制体由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维和玄武岩纤维组成的组的纤维制成。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:
在步骤(a)中,所述溶胶前驱体为含有硅酸酯、溶剂、水和催化剂的胶液或所述溶胶前驱体为含有硅溶胶和催化剂的胶液;和/或
在步骤(a)中,所述浸渍为常温常压浸渍;和/或
在步骤(b)中,所述室温老化的时间为12~48h;和/或
在步骤(b)中,所用溶剂置换的溶剂为乙醇,每次所述溶剂置换的时间为1~3天,所述溶剂置换的次数为2~4次;和/或
在步骤(b)中,所用超临界干燥的干燥介质为CO2
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:
所述溶胶前驱体为由硅酸酯、溶剂、水和催化剂组成的胶液,所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯中的一种或多种,所述溶剂为乙醇和/或丙酮,优选的是,所述溶剂为乙醇,所述催化剂为盐酸、氨水和氟化铵中的一种或多种。
7.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法,其特征在于:
所述纤维布由选自由玻璃纤维、高硅氧纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维和莫来石纤维组成的组的纤维纱线制成;
优选的是,所述纤维布由选自由玻璃纤维和玄武岩纤维组成的组的纤维纱线制成;和/或
所述纤维布的面密度为80~500g/m2,所述纤维布的厚度为0.1~0.4mm。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:
所述纤维纱线的线密度为20~50tex,所述纤维纱线的捻度为50~80T/M。
9.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法,其特征在于:
在步骤(2)中,采用缝合线进行所述缝合;
所述缝合线采用纤维缝合线,所述纤维缝合线采用线密度为90~200tex的纱线制得,所述缝合的缝合间距为20~40mm。
10.由权利要求1至9任一项所述的制备方法制得的轻质高效多层隔热材料;优选的是,所述轻质高效多层隔热材料的密度为0.16~0.22g/cm3、室温导热系数为0.012~0.020W/m·K,200℃导热系数为0.016~0.022W/m·K,400℃导热系数为0.018~0.026W/m·K,耐热温度为500℃。
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