CN110845145A - 一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，属于功能复合材料技术领域，所述复合耐热材料按质量百分比计，包括气凝胶二氧化硅颗粒70～80wt％，超细玻璃纤维棉20～25wt％，阻燃剂5～8wt％和偶联剂0.5～3wt％；本发明还涉及该复合耐热材料的制备方法，通过均匀雾化喷洒气凝胶二氧化硅颗粒、阻燃剂和偶联剂混合液于离心法制备的超细玻璃纤维表面，然后在进行热压使之进行有机结合来制得复合耐热材料，该复合耐热材料可用于汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，具有耐600℃以上高温、低导热系数、低烧蚀量的等特点。同时，以废旧平板玻璃为主要原料来生产该汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，不仅降低了生产成本，而且大大的缓解了环保压力。

Description

一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能复合材料技术领域，涉及一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料及其制备方法。
背景技术
汽车发动机是一个将燃料燃烧产生的热能转化为机械能的动力装置，但是通常它产生的热能只有30-50％转化为机械能，其余的能量都会以热量的形式散发出来。发动机散发的热量一部分通过壳体散发，其余则通过排气管排出，散发的热量会造成发动机附近温度升高，有时局部温度高达600-800℃。汽车发动机附近安装有大量的橡胶、树脂、ECU(电子控制单元)等不耐温部件，高温极易造成它们失效损坏。此外，油温升高也会使油质发生劣化，影响发动机工作效率。因此，为发动机增加隔热罩尤为重要，可以防止它的高散热，以保护其他部件。
隔热罩的关键部分是耐高温隔热材料。在当前的耐高温隔热材料中，气凝胶由于具有低密度、高孔隙率、大比表面积和低热导率等特点，是一种理想的隔热材料。由于SiO2气凝胶的耐热性＞600℃，使其成为理想的汽车发动机隔热罩的耐高温隔热材料。但是SiO2气凝胶由于是以纳米级的颗粒存在，制备出的隔热材料有容易出现塌陷和凹凸不平的缺陷，并且粉状纳米SiO2气凝胶价格非常昂贵，制约了SiO2气凝胶隔热材料的产业化。超细玻璃纤维属于玻璃纤维中的一个特殊类别，是一种性能优异的棉絮状无机多孔非金属材料，其绝热性能好、耐热性强、非易燃、无毒、防腐、低容重、导热系数低、化学性能稳定和性价比高等特点。同时，利用超细玻璃纤维制备出的隔热材料具有优异的表面平整度、机械强度和加工性能。因此，基于SiO2气凝胶和超细玻璃纤维自身的特性及其二者在耐高温隔热领域中的广泛应用，开发出SiO2气凝胶与超细玻璃纤维有机结合的复合耐热材料以满足汽车发动机隔热罩对隔热性能的苛刻要求，不仅具有重要的理论和实用价值，而且对其早日实现产业化具有非常深远的战略意义。
公开号为CN207643850U公开了一种隔热罩隔热材料,内层设置于所述外层的内侧面,外层和内层的中间位置设有隔热材料内衬,隔热材料内衬由离心剥离纤维棉层、聚氨醋发泡层、玻璃纤维棉毡层和气凝胶毡层构成,聚氨醋发泡层设置于所述离心剥离纤维棉层的底端,并与剥离纤维棉层贴合,玻璃纤维棉毡层设置于所述聚氨醋发泡层的底端,并与聚氨醋发泡层贴合,该种改良的隔热罩隔热材料,由单层结构改为双层结构,可有效提高产品的隔热性能,厚度更加均匀平整,双层叠起来以后整体间隙一致性高,可以有效降低振动松散的失效风险,提高产品安全性,具有广阔的市场前景和应用前景。
公开号为CN106439392A公开了一种耐高温抗氧化的轻质隔热材料,由高温合金薄膜与纤维反射隔热芯材经真空封装而成的板材,纤维反射隔热芯材由超细陶瓷纤维纸层和玻璃纤维纸层构成,纤维纸层内部间隔分布超薄镍箔和铝箔反射层,实现热量最大程度的反射,高温合金薄膜与陶瓷纤维纸层交界处温度不超过1200℃,陶瓷纤维纸层与玻璃纤维纸层交界处温度不超过500℃。轻质隔热材料抗氧化性能好,能在高温环境下长时间服役,同时在高低温交变环境作用下,能长时间保持内部真空度,在900℃时的导热系数低至0.06W/(m·K),面密度低至1.6Kg/m2,与传统保温材料相比,在减少保温层厚度降低整体重量的同时提高了隔热性能,能广泛应用于发动机外壳、热力管道等高温领域。
上述两个发明专利中，所公开的复合耐热材料是由玻璃纤维片层与SiO2粉末片层铺叠复合组成，其中所述的玻璃纤维片层均是利用湿法成型制备而成，但湿法打浆制备过程会破坏纤维的完整性，成型工艺复杂，能耗成本较高，从而相对增加耐热材料的导热系数。同时，没有真正实现超细玻璃纤维棉与纳米级SiO2气凝胶颗粒的有机融合，从而导致制备出的复合耐热材料的孔隙率，导热系数和烧失量都无法得到保障。因此，如何制备出超细玻璃纤维棉与纳米级SiO2气凝胶有效复合的耐热材料，是制备高孔隙率、低导热系数和低烧失量汽车发动机隔热罩用复合耐热材料亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于(1)提供一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，(2)提供一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，包括如下组分：气凝胶二氧化硅颗粒70～80wt％，超细玻璃纤维棉20～25wt％，阻燃剂5～8wt％和偶联剂0.5～3wt％。
进一步，所述气凝胶二氧化硅颗粒直径为20～100nm，比表面积250～550m2/g。
进一步，所述所述超细玻璃纤维棉由如下组分组成:SiO2(58.5～67.5wt％)，B2O3(7.5～10.5wt％),CaO(3.2～7.5wt％),Al2O3(2.2～6.6wt％),MgO(2.8～7.2wt％),Fe2O3<0.33wt％,碱金属氧化物R2O(4.5～9wt％)(R为Na和K其中的一种或两种)。
进一步，所述阻燃剂为磷酸三丁酯、羟基铝、氢氧化镁、磷酸甲苯-二苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、二溴甲烷、三氯溴甲烷和氯丹酸酐中的一种或几种。
进一步，所述偶联剂为KH792、KH550、KH560、NDZ-101、NDZ-311、DL602和DL171中的一种或几种。
2、一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)根据超细玻璃纤维棉的组成成分选取适量石英砂、纯碱、钾长石、钠长石、方解石、硼砂、白云石和废旧碎平板玻璃，将选取的原料混合均匀后投入窑炉进行高温煅烧，排除气泡和杂质后熔炼成均匀透明的玻璃液；
(2)玻璃液通过合金漏板流入高速旋转的离心盘甩出超细玻璃纤维；
(3)将气凝胶二氧化硅、阻燃剂和偶联剂的混合液均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，然后再通过负压引风吸到集棉机内形成面密度均匀的复合材料；
(4)将制得的复合材料经过温度为500～800℃的固化炉热压5±1min，得到最终的复合耐热材料。
进一步，所述窑炉煅烧温度为1430±10℃，玻璃液温度为1150±10℃。
进一步，所述复合耐热材料的纤维直径99.5％正态分布在1.5～6μm，纤维长度98％正态分布在10～55mm，纤维最大孔径≤8.5μm，所述复合耐热材料的孔隙率≥99.2％。
进一步，所述漏板材质为GH1015、GH2018、GH3030、GH4033和GH4169其中的一种，所述漏板温度为995±10℃，离心盘温度为980±5℃。
进一步，所述雾化喷洒的喷射压力控制在0.5～1.5Mpa，喷射流量控制在225～350Kg/h，所述负压引风频率控制在25～50Hz,复合后的超细玻璃纤维棉落下速度控制在15～75m/s。
进一步，所述经过固化炉热压后，复合耐热材料的厚度控制在3～20mm，密度控制在55～350Kg/m3。
本发明的有益效果在于：由于纳米级SiO2气凝胶颗粒和超细玻璃纤维表面之间交互作用受到改性介质的影响，提出采用超细玻璃纤维离心法制备过程中雾化喷涂气凝胶二氧化硅、阻燃剂和偶联剂的混合液体的方式保证其在超细玻璃纤维表面的均匀分散。同时，纳米级SiO2气凝胶颗粒表面改性附着在超细玻璃纤维表面后，以表面微观形貌、粗糙度和接触角，以及孔隙结构梯度和纤维层网络结构等为纤维结构参数来构建复合耐热材料的纤维结构性能参数和其隔热性能参数的表征体系。同时，以废旧平板玻璃为主要原料来生产该汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，变废为宝，不仅降低了耐热材料的生产成本，而且提升了废旧固体的回收率，大大的缓解了环保压力。通过本发明的制备方法，保证制备出的复合耐热材料的纤维直径99.5％正态分布在1.5～6μm，纤维长度98％正态分布在10～55mm，纤维最大孔径≤8.5μm，所述复合耐热材料的孔隙率≥99.2％；导热系数：(1)600℃下，导热系数≤0.13W/(m.K)；(2)常温下，导热系数≤0.056W/(m.K)；烧蚀量：(1)600℃下，烧蚀量≤7％；(2)800℃下，烧蚀量≤10％。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
制备汽车发动机隔热罩用复合耐热材料
按质量比称取选取54.5份石英砂、5份纯碱、4份钾长石、3.5份钠长石、4份方解石、5.5份硼砂、5.5份白云石，18份废旧碎平板玻璃，矿物原料均匀混合后投入1435℃窑炉煅烧，排除气泡和杂质熔炼成透明均匀1155℃玻璃液；然后玻璃液自然流过1000℃GH4169高温合金漏板，玻璃液流入高速旋转温度为990℃离心盘中甩出超细玻璃纤维。在离心法制备超细玻璃纤维棉的同时，将混合有45nm直径和450m2/g比表面积SiO2气凝胶颗粒(75wt％)、氢氧化镁阻燃剂(6.5wt％)、NDZ-101偶联剂(1wt％)喷射流量均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，所述雾化喷洒的喷射压力控制在1.5Mpa，喷射流量控制在300Kg/h。然后通过45Hz负压引风吸到集棉机内形成面密度均匀的复合耐热材料；最后将制得的复合耐热材料经过650℃的固化炉热压5min。复合耐热材料的纤维直径99.7％正态分布在1.8～2.2μm，纤维长度98.5％正态分布在25～35mm，纤维最大孔径6.5μm，孔隙率99.6％；厚度10mm，密度75Kg/m3；导热系数：(1)600℃下，导热系数0.103W/(m.K)；(2)常温下，导热系数0.032W/(m.K)；烧蚀量：(1)600℃下，烧蚀量4％；(2)800℃下，烧蚀量6.5％。
实施例2
制备汽车发动机隔热罩用复合耐热材料
按质量比称取选取53.5份石英砂、4.5份纯碱、4份钾长石、3份钠长石、4份方解石、5.5份硼砂、5.5份白云石，20份废旧碎平板玻璃，矿物原料均匀混合后投入1430℃窑炉煅烧，排除气泡和杂质熔炼成透明均匀1150℃玻璃液；然后玻璃液自然流过995℃GH1015高温合金漏板，玻璃液流入高速旋转温度为985℃离心盘中甩出超细玻璃纤维。在离心法制备超细玻璃纤维棉的同时，将混合有30nm直径和500m2/g比表面积SiO2气凝胶颗粒(80wt％)、氢氧化镁阻燃剂(7.5wt％)、NDZ-101偶联剂(1.8wt％)喷射流量均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，所述雾化喷洒的喷射压力控制在1.5Mpa，喷射流量控制在330Kg/h。然后通过50Hz负压引风吸到集棉机内形成面密度均匀的复合耐热材料；最后将制得的复合耐热材料经过700℃的固化炉热压3min。复合耐热材料的纤维直径99.8％正态分布在1.6～1.9μm，纤维长度99.2％正态分布在28～36mm，纤维最大孔径5.5μm，孔隙率99.8％；厚度20mm，密度285Kg/m3；导热系数：(1)600℃下，导热系数0.098W/(m.K)；(2)常温下，导热系数0.030W/(m.K)；烧蚀量：(1)600℃下，烧蚀量3.2％；(2)800℃下，烧蚀量5.2％。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (12)

1.一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，其特征在于，包括如下组分：气凝胶二氧化硅颗粒70～80wt％，超细玻璃纤维棉20～25wt％，阻燃剂5～8wt％和偶联剂0.5～3wt％。
2.如权利要求1所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，其特征在于，所述气凝胶二氧化硅颗粒直径为20～100nm，比表面积250～550m2/g。
3.如权利要求1所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，其特征在于，所述超细玻璃纤维棉由如下组分组成:SiO2(58.5～67.5wt％)，B2O3(7.5～10.5wt％),CaO(3.2～7.5wt％),Al2O3(2.2～6.6wt％),MgO(2.8～7.2wt％),Fe2O3<0.33wt％,碱金属氧化物R2O(4.5～9wt％)(R为Na和K其中的一种或两种)。
4.如权利要求1所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，其特征在于，所述阻燃剂为磷酸三丁酯、羟基铝、氢氧化镁、磷酸甲苯-二苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、二溴甲烷、三氯溴甲烷和氯丹酸酐中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料，其特征在于，所述偶联剂为KH792、KH550、KH560、NDZ-101、NDZ-311、DL602和DL171中的一种或几种。
6.权利要求1-5任一所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据超细玻璃纤维棉的组成成分选取适量石英砂、纯碱、钾长石、钠长石、方解石、硼砂、白云石和废旧碎平板玻璃，将选取的原料混合均匀后投入窑炉进行高温煅烧，排除气泡和杂质后熔炼成均匀透明的玻璃液；
(2)玻璃液通过合金漏板流入高速旋转的离心盘甩出超细玻璃纤维；
(3)将气凝胶二氧化硅、阻燃剂和偶联剂的混合液均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，然后再通过负压引风吸到集棉机内形成面密度均匀的复合材料；
(4)将制得的复合材料经过温度为500～800℃的固化炉热压5±1min，制得最终的复合耐热材料。
7.如权利要求6所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，所述复合耐热材料的纤维直径99.5％正态分布在1.5～6μm，纤维长度98％正态分布在10～55mm，纤维最大孔径≤8.5μm，孔隙率≥99.2％。
8.如权利要求6任一所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述窑炉煅烧温度为1430±10℃，玻璃液温度为1150±10℃。
9.如权利要求6任一所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述漏板材质为GH1015、GH2018、GH3030、GH4033和GH4169其中的一种，漏板温度为995±10℃，离心盘温度为980±5℃。
10.如权利要求6任一所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中雾化喷洒的喷射压力控制在0.5～1.5Mpa，喷射流量控制在225～350Kg/h，负压引风频率控制在25～50Hz,复合改性后的超细玻璃纤维棉落下速度控制在15～75m/s；。
11.如权利要求6任一所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中经过固化炉热压后，复合耐热材料的厚度控制在3～20mm，密度控制在55～350Kg/m3。
12.如权利要求6任一所述的一种汽车发动机隔热罩用复合耐热材料的制备方法，其特征在于，最终制备出的复合耐热材料的导热系数：(1)600℃下，导热系数≤0.13W/(m.K)；(2)常温下，导热系数≤0.056W/(m.K)；烧蚀量：(1)600℃下，烧蚀量≤7％；(2)800℃下，烧蚀量≤10％。
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