CN110655379A - 一种纳米复合隔热板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纳米复合隔热板，由以下原料制备得到；所述原料包括：30～40重量份粒径为20～30nm的二氧化硅；30～40重量份粒径为400～600nm的二氧化硅；5～10重量份的膨胀珍珠岩；5～10重量份的红外遮光剂；2～5重量份的无机耐火纤维；5～8重量份的无机胶黏剂。与现有技术相比，本发明通过引入粒径为400～600nm的二氧化硅和膨胀珍珠岩，使纳米复合隔热板具有更好地颗粒配级，从而使内部孔洞直径分布更加均匀，有效降低对流传热，同时引入无机胶黏剂，可保证纳米复合隔热板的常温和烧后强度，其为纯无机制品，高温下无烟无味，且成本较低。

Description

一种纳米复合隔热板及其制备方法
技术领域
本发明属于隔热材料技术领域，尤其涉及一种纳米复合隔热板及其制备方法。
背景技术
随着国家环保治理和节能减排力度的逐步加大，石化、冶金、陶瓷窑炉、玻璃窑炉等行业正在寻求更加节能效果更好、更加环保的轻质隔热材料。目前传统的轻质隔热材料包括陶瓷纤维制品和硅酸钙制品，为保证产品强度，生产过程中通常都会引入部分有机结合剂。有机成分的存在导致使用过程中产生大量烟气，对环境造成污染。并且，这两种轻质隔热材料的平均500℃的导热系数均为0.12W/(m·K)左右，相比于纳米材料导热系数偏高，隔热性差。目前，市场上比较成熟的纳米材料是纳米微孔隔热板，平均粒径为20～30nm的二氧化硅材料占80％以上，平均500℃导热系数为0.03W/(m·K)，导热系数低，隔热性能极佳。但是这种材料受制于原材料成本，价格普遍较高，行业应用受阻。市场更需要性价比更高的产品。
公开号为CN104086116A的中国专利公开了一种纳米微孔绝热板材，由20～35％高岭土、50～65％白炭黑和纳米级SiO2粉、5～15％聚丙烯纤维、3～5％耐火纤维棉和5～10％粘结剂组成，白炭黑和纳米级SiO2粉的重量比例为1:1；其制备过程通过磨制、混料和等静压成型制成半成品，并经烘干、切割和包装后制成成品，该成品800℃时的加热线收缩≤1.9％，加热线收缩小而均匀；而且使用过程中不易氧化、掉渣，热稳定性好；该绝热板中的纳米微孔结构延长了热量的传导路径，可得到较低的固体传导率，该微孔结构能够提供产品的绝热性能，其导热率仅为陶瓷纤维的三分之一。但是，此纳米微孔绝热板材包括聚丙烯纤维，高温环境下，聚丙烯纤维会出现熔化、挥发等现象，熔化挥发的过程中会引起纳米孔洞的坍塌，导致导热系数的增加；同时高温下会产生刺鼻气味和烟气，危害环境和人体健康。
公开号为CN108298995A的中国专利公开了一种低维SiO2高强度轻质保温材料及其制备方法，其以粒度为300～500nm的二氧化硅微粉和粒度为100～200nm的二氧化硅为主要原料，CaO-MgO-SiO2质耐火纤维为增强材料得到低维SiO2高强度轻质保温材料，在该材料表面设超细无机纤维喷涂胶，再通过低温烧成得到轻量化保温材料。该轻质保温材料以副产二氧化硅微粉为主要原料，以对人体无害的生物质可溶性纤维为增强材料，在砖坯表面设置喷涂胶提高了砖坯的强度，降低了成型压力，增加了砖坯内部孔隙率，降低了保温材料的导热率；低温烧成，提高了制品强度，且不改变保温材料的微孔结构，不增加高温工作时导热率，防止了保温砖吸潮水化的发生，进一步增加了保温性能。但保温材料需在800～900℃煅烧0.5～1h，能源消耗大，生产成本较高，且选用的基体材料实际为微米材料，堆积形成的孔洞较大。
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孔洞直径分布均匀、导热系数低且强度较高的纳米复合隔热板及其制备方法。
本发明提供了一种纳米复合隔热板，由以下原料制备得到；所述原料包括：30～40重量份粒径为20～30nm的二氧化硅；30～40重量份粒径为400～600nm的二氧化硅；5～10重量份的膨胀珍珠岩；5～10重量份的红外遮光剂；2～5重量份的无机耐火纤维；5～8重量份的无机胶黏剂。
优选的，所述膨胀珍珠岩的堆积密度为60～80kg/m3。
优选的，所述红外遮光剂选自碳化硅、炭黑、硅酸锆与钛白粉中的一种或多种。
优选的，所述红外遮光剂的粒径为3～5μm。
优选的，所述无机纳米纤维选自玻璃纤维、高硅氧纤维与陶瓷纤维中的一种或多种。
优选的，所述玻璃纤维与高硅氧纤维的纤维直径各自独立地为7～9μm；所述陶瓷纤维的纤维直径为3～5μm。
优选的，所述无机胶黏剂选自硅溶胶或水玻璃。
优选的，所述硅溶胶的浓度为30～40wt％；所述水玻璃的浓度为20～30wt％。
本发明还提供了一种上述的纳米复合隔热板的制备方法，包括：
S1)将粒径为20～30nm的二氧化硅、粒径为400～600nm的二氧化硅、膨胀珍珠岩、红外遮光剂与无机耐火纤维混合搅拌，得到混合物；
S2)向所述混合物中喷淋无机胶黏剂，喷淋结束后，继续搅拌，压制成型后，得到纳米复合隔热板。
优选的，所述步骤S1)中搅拌的速度为400～600rpm；搅拌的时间为10～15min；所述步骤S2)中继续搅拌的速度为300～400rpm；继续搅拌的时间为3～5min；所述压制成型的压力为300～500MPa；压制成型时保压时间为60～90s。
本发明提供了一种纳米复合隔热板，由以下原料制备得到；所述原料包括：30～40重量份粒径为20～30nm的二氧化硅；30～40重量份粒径为400～600nm的二氧化硅；5～10重量份的膨胀珍珠岩；5～10重量份的红外遮光剂；2～5重量份的无机耐火纤维；5～8重量份的无机胶黏剂。与现有技术相比，本发明通过引入粒径为400～600nm的二氧化硅和膨胀珍珠岩，使纳米复合隔热板具有更好地颗粒配级，从而使内部孔洞直径分布更加均匀，有效降低对流传热，同时引入无机胶黏剂，可保证纳米复合隔热板的常温和烧后强度，其为纯无机制品，高温下无烟无味，且成本较低。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供了一种纳米复合隔热板，由以下原料制备得到；所述原料包括：30～40重量份粒径为20～30nm的二氧化硅；30～40重量份粒径为400～600nm的二氧化硅；5～10重量份的膨胀珍珠岩；5～10重量份的红外遮光剂；2～5重量份的无机耐火纤维；5～8重量份的无机胶黏剂。
其中，在本发明提供的一些实施例中，所述粒径为20～30nm的二氧化硅的含量优选为30重量份；在本发明提供的一些实施例中，所述粒径为20～30nm的二氧化硅的含量优选为35重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述粒径为20～30nm的二氧化硅的含量优选为40重量份。
在本发明提供的一些实施例中，所述粒径为400～600nm的二氧化硅的含量优选为40重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述粒径为400～600nm的二氧化硅的含量优选为30重量份。
所述粒径为20～30nm的二氧化硅与粒径为400～600nm的二氧化硅的质量比优选为(3～4)：(4～3)。
本发明提供的纳米复合隔热板中添加有膨胀珍珠岩，通过引入粒径为400～600nm的二氧化硅和膨胀珍珠岩，使纳米复合隔热板具有更好地颗粒配级，从而使内部孔洞直径分布更加均匀，有效降低对流传热。所述粒径为400～600nm的二氧化硅与膨胀珍珠岩的质量比有漩涡内(3～8)：1；所述珍珠膨胀岩的堆积密度优选为60～80kg/m3；在本发明提供的一些实施例中，所述膨胀珍珠岩的含量优选为10重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述膨胀珍珠岩的含量优选为5重量份。
按照本发明，所述红外遮光剂的含量优选为8～10重量份；所述红外遮光剂优选为碳化硅、炭黑、硅酸锆与钛白粉中的一种或多种；所述红外遮光剂的粒径优选为3～5μm；在本发明提供的一些实施例中，所述红外遮光剂的含量优选为8重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述红外遮光剂的含量优选为10重量份。本发明提供的纳米复合隔热板中加入红外遮光剂，进一步降低了高温下的辐射传热系数，提高了隔热性能。
所述无机耐火纤维优选为玻璃纤维、高硅氧纤维与陶瓷纤维中的一种或多种；所述玻璃纤维与高硅氧纤维的纤维直径各自独立地优选为7～9μm；所述陶瓷纤维的纤维直径优选为3～5μm；所述无机耐火纤维的平均长度优选为5～15mm；在本发明提供的一些实施例中，所述无机耐火纤维的含量优选为2重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述无机耐火纤维的含量优选为5重量份。
所述无机胶黏剂优选为硅溶胶或水玻璃；所述硅溶胶的浓度优选为30～40wt％；所述水玻璃的浓度优选为20～30wt％，更优选为30wt％；在本发明提供的一些实施例中，所述无机胶黏剂的含量优选为8重量份；在本发明提供的一些实施例中，所述无机胶黏剂的含量优选为5重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述无机胶黏剂的含量优选为7重量份。
本发明通过引入粒径为400～600nm的二氧化硅和膨胀珍珠岩，使纳米复合隔热板具有更好地颗粒配级，从而使内部孔洞直径分布更加均匀，有效降低对流传热，同时引入无机胶黏剂，可保证纳米复合隔热板的常温和烧后强度，其为纯无机制品，高温下无烟无味，且成本较低。
本发明还提供了一种上述纳米复合隔热板的制备方法，包括：S1)将粒径为20～30nm的二氧化硅、粒径为400～600nm的二氧化硅、膨胀珍珠岩、红外遮光剂与无机耐火纤维混合搅拌，得到混合物；S2)向所述混合物中喷淋无机胶黏剂，喷淋结束后，继续搅拌，压制成型后，得到纳米复合隔热板。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
将粒径为20～30nm的二氧化硅、粒径为400～600nm的二氧化硅、膨胀珍珠岩、红外遮光剂与无机耐火纤维混合搅拌，得到混合物；所述二氧化硅、膨胀珍珠岩、红外遮光剂及无机耐火纤维均同上所述，在此不再赘述；所述混合搅拌的速度优选为400～600rpm；所述混合搅拌的时间优选为10～15min。
向所述混合物中喷淋无机胶黏剂；所述无机胶黏剂同上所述，在此不再赘述。
喷淋结束后，继续搅拌；所述继续搅拌的转速优选为300～400rpm；所述继续搅拌的时间优选为3～5min。
搅拌结束后，压制成型，得到纳米复合隔热板；所述压制成型优选采用液压机进行；所述压制成型的压力优选为300～500MPa；所述压制成型的保压时间优选为60～90s。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种纳米复合隔热板及其制备方法进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售；为便于对比说明，以下实施例及对比例制备的样品尺寸均为300×300×20mm。
实施例1
称取30重量份粒径20～30nm的二氧化硅粉末、40重量份粒径400～600nm的二氧化硅粉末、10重量份膨胀珍珠岩、10重量份红外遮光剂和2重量份无机耐火纤维加入搅拌机中，其中膨胀珍珠岩的堆积密度为60kg/m3，红外遮光剂为粒径3μm的碳化硅，无机耐火纤维为直径4μm，平均长度15mm的陶瓷纤维。开启搅拌机，搅拌速度为400rpm，搅拌时间15min。待物料搅拌均匀后，停止搅拌，然后向搅拌机中喷淋8重量份浓度为30％的硅溶胶，喷淋完成后，开启搅拌机，搅拌速度300rpm，搅拌时间5min。搅拌完成后，将物料输送至成型模具内，使用液压机压制成型，液压机压力为300MPa，保压时间为90s，得到纳米复合隔热板。
实施例2
称取40重量份粒径20～30nm的二氧化硅粉末、30重量份粒径400～600nm的二氧化硅粉末、10重量份膨胀珍珠岩、10重量份红外遮光剂和5重量份无机耐火纤维加入搅拌机中，其中膨胀珍珠岩的堆积密度为70kg/m3，红外遮光剂为粒径4μm的钛白粉，无机耐火纤维为直径7μm，平均长度8mm的无碱玻璃纤维。开启搅拌机，搅拌速度为500rpm，搅拌时间12min。待物料搅拌均匀后，停止搅拌，然后向搅拌机中喷淋5重量份浓度40％的硅溶胶，喷淋完成后，开启搅拌机，搅拌速度350rpm，搅拌时间4min。搅拌完成后，将物料输送至成型模具内，使用液压机压制成型，液压机压力为400MPa，保压时间为70s，得到纳米复合隔热板。
实施例3
称取35重量份粒径20～30nm的二氧化硅粉末、40重量份粒径400～600nm的二氧化硅粉末、5重量份膨胀珍珠岩、8重量份红外遮光剂和5重量份无机耐火纤维加入搅拌机中，其中膨胀珍珠岩的堆积密度为80kg/m3，红外遮光剂为粒径5μm的炭黑，无机耐火纤维为直径9μm，平均长度5mm的高硅氧纤维。开启搅拌机，搅拌速度为600rpm，搅拌时间10min。待物料搅拌均匀后，停止搅拌，然后向搅拌机中喷淋7重量份浓度30％的水玻璃，喷淋完成后，开启搅拌机，搅拌速度400rpm，搅拌时间3min。搅拌完成后，将物料输送至成型模具内，使用液压机压制成型，液压机压力为500MPa，保压时间为60s，得到纳米复合隔热板。
对比例1
纳米微孔绝热板，按重量百分比，由24％的高岭土、55％的白炭黑和纳米级SiO2粉、10％的聚丙烯纤维、4％的耐火纤维棉(直径4μm，平均长度15mm)和7％的粘接剂组成，其中，高岭土的细度为320目筛余≤5％，白炭黑和纳米级SiO2粉的重量比例为1:1，所述高岭土的化学组成为：Al2O3≥42％，Fe2O3≤0.8％，TiO2≤1.0％，R2O≤1.0％。
纳米微孔绝热板的制备方法，包括以下步骤：
1.1按照上述配比称取各原料，备用；
1.2将1.1中称取的高岭土、聚丙烯纤维和白炭黑混合后，再依次加入步骤一称取的耐火纤维棉和纳米级SiO2粉，混合均匀，备用；
1.3将1.2中的混合物料投入研磨机中研磨2h，然后将研磨物料和步骤一称取的粘接剂加入到混炼机中进行混炼15min；
1.4将混炼后的物料装入弹性模具中，将封闭后的弹性模具置于内压力为230MPa的容器中加压3min，在弹性模具中制得所需的板体，将成型后的板体送入窑头温度为15℃、窑尾温度为85℃的窑炉中匀速烘干48h；
1.5将烘干后的板体用平板机运载切割，通过封装机包装后裁边、拣选入库。
对比例2
一种低维SiO2高强度轻质保温材料，所述的低维SiO2高强度轻质保温材料由以下重量百分含量的原料制备而成：
粒度为300～500nm的二氧化硅微粉：45％；
粒度为100～200nm的二氧化硅微粉：30％；
CaO-MgO-SiO2质耐火纤维：25％；
其中，所述的粒度为300～500nm的二氧化硅微粉及粒度为100～200nm的二氧化硅微粉中均包含有以下成分：SiO2≥98.5％，C≤0.8％，Al2O3≤0.13％，MgO≤0.16％，CaO≤0.07％，Fe2O3≤0.01％，K2O≤0.33％；且均为非晶态球形；
其中，所述CaO-MgO-SiO2质耐火纤维的长度为3～5mm，直径4μm；其中CaO的含量为35.0％，MgO的含量为8.0％，SiO2的含量为57.0％。
上述的低维SiO2高强度轻质保温材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
2.1准备所需原料：粒度为300～500nm的二氧化硅微粉45％，粒度为100～200nm的二氧化硅微粉30％，CaO-MgO-SiO2质耐火纤维25％，超细无机纤维喷涂胶；
2.2将2.1中准备的原料：粒度为300～500nm的二氧化硅微粉，粒度为100～200nm的二氧化硅微粉，CaO-MgO-SiO2质耐火纤维，按照要求的重量百分比加入到卧式搅拌机中进行混合，搅拌机转速15000转/分钟，混合均匀后得到混合干料；
2.3将2.2中得到的混合干料加入四柱液压机的模具中，在压力为3.5MPa的条件下将混合干料压制成为成型砖坯；压制完成后，液压机自动脱模取出成型砖坯，然后在砖坯的表面均匀喷涂步骤(1)准备好的超细无机纤维喷涂胶，喷涂的厚度为0.5mm，喷涂完成后得到表面设有超细无机纤维喷涂胶的成型砖坯；
2.4将2.3中所述表面设有超细无机纤维喷涂胶的成型砖坯放置在干燥窑中在110±5℃条件下干燥6h；干燥完成后，送入低温隧道窑中在800～900℃条件下保温0.8h，保温完成后、喷涂胶层自然烧失，随窑冷却至室温，即得到本发明所述的低维SiO2高强度轻质保温材料。
对比例3
称取70重量份粒径400～600nm的二氧化硅粉末、10重量份膨胀珍珠岩、10重量份红外遮光剂和2重量份无机耐火纤维加入搅拌机中，其中膨胀珍珠岩的堆积密度为60kg/m3，红外遮光剂为粒径3μm的碳化硅，无机耐火纤维为直径4μm，平均长度15mm的陶瓷纤维。开启搅拌机，搅拌速度为400rpm，搅拌时间15min。待物料搅拌均匀后，停止搅拌，然后向搅拌机中喷淋8重量份浓度为30％的硅溶胶，喷淋完成后，开启搅拌机，搅拌速度300rpm，搅拌时间5min。搅拌完成后，将物料输送至成型模具内，使用液压机压制成型，液压机压力为300MPa，保压时间为90s，得到纳米复合隔热板。
对比例4
称取40重量份粒径20～30nm的二氧化硅粉末、40重量份粒径400～600nm的二氧化硅粉末、10重量份红外遮光剂和5重量份无机耐火纤维加入搅拌机中，其中红外遮光剂为粒径4μm的钛白粉，无机耐火纤维为直径7μm，平均长度8mm的无碱玻璃纤维。开启搅拌机，搅拌速度为500rpm，搅拌时间12min。待物料搅拌均匀后，停止搅拌，然后向搅拌机中喷淋5重量份浓度40％的硅溶胶，喷淋完成后，开启搅拌机，搅拌速度350rpm，搅拌时间4min。搅拌完成后，将物料输送至成型模具内，使用液压机压制成型，液压机压力为400MPa，保压时间为70s，得到纳米复合隔热板。
对比例5
称取75重量份粒径20～30nm的二氧化硅粉末、5重量份膨胀珍珠岩、8重量份红外遮光剂和5重量份无机耐火纤维加入搅拌机中，其中膨胀珍珠岩的堆积密度为80kg/m3，红外遮光剂为粒径5μm的炭黑，无机耐火纤维为直径9μm，平均长度5mm的高硅氧纤维。开启搅拌机，搅拌速度为600rpm，搅拌时间10min。待物料搅拌均匀后，停止搅拌，然后向搅拌机中喷淋7重量份浓度30％的水玻璃，喷淋完成后，开启搅拌机，搅拌速度400rpm，搅拌时间3min。搅拌完成后，将物料输送至成型模具内，使用液压机压制成型，液压机压力为500MPa，保压时间为60s，得到纳米复合隔热板。
将本发明实施例1～3制备得到的纳米复合隔热板依次编号为A、B、C，将对比例1、2、3、4和5制备的样品编号为D、E、F、G、H。分别测试样品的体积密度、耐压强度和平均500℃导热系数，得到检测结果如表1所示。
表1性能检测结果
Figure BDA0002241201500000091
由表1可知，本发明所述的纳米复合隔热板(A、B、C)容重小，导热系数不超过0.036W/(m·K)，绝热效果优异。对比例1制备的样品D在相同检测条件下，容重高，导热系数大，绝热性能差；对比例2制备的样品E在相同检测条件下，容重高，成本高，导热系数大，绝热性能同样较差。对比例3制备的样品F相比于实施例1制备的样品A，因为粒径20～30nm的二氧化硅粉末的缺失，样品耐压强度低、导热系数高；对比例4制备的样品G相比于实施例2制备的样品B，因为膨胀珍珠岩的缺失，样品耐压强度降低明显；对比例5制备的样品H相比于实施例3制备的样品C，因为粒径400～600nm的二氧化硅粉末的缺失，样品生产成本提高近一倍。

Claims (10)

1.一种纳米复合隔热板，其特征在于，由以下原料制备得到；所述原料包括：30～40重量份粒径为20～30nm的二氧化硅；30～40重量份粒径为400～600nm的二氧化硅；5～10重量份的膨胀珍珠岩；5～10重量份的红外遮光剂；2～5重量份的无机耐火纤维；5～8重量份的无机胶黏剂。
2.根据权利要求1所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述膨胀珍珠岩的堆积密度为60～80kg/m3。
3.根据权利要求1所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述红外遮光剂选自碳化硅、炭黑、硅酸锆与钛白粉中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述红外遮光剂的粒径为3～5μm。
5.根据权利要求1所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述无机纳米纤维选自玻璃纤维、高硅氧纤维与陶瓷纤维中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述玻璃纤维与高硅氧纤维的纤维直径各自独立地为7～9μm；所述陶瓷纤维的纤维直径为3～5μm。
7.根据权利要求1所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述无机胶黏剂选自硅溶胶或水玻璃。
8.根据权利要求7所述的纳米复合隔热板，其特征在于，所述硅溶胶的浓度为30～40wt％；所述水玻璃的浓度为20～30wt％。
9.一种权利要求1～8任意一项所述的纳米复合隔热板的制备方法，其特征在于，包括：
S1)将粒径为20～30nm的二氧化硅、粒径为400～600nm的二氧化硅、膨胀珍珠岩、红外遮光剂与无机耐火纤维混合搅拌，得到混合物；
S2)向所述混合物中喷淋无机胶黏剂，喷淋结束后，继续搅拌，压制成型后，得到纳米复合隔热板。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1)中搅拌的速度为400～600rpm；搅拌的时间为10～15min；所述步骤S2)中继续搅拌的速度为300～400rpm；继续搅拌的时间为3～5min；所述压制成型的压力为300～500MPa；压制成型时保压时间为60～90s。
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