CN111548181A - 一种具有多级孔结构的真空复合隔热板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多级孔结构的真空复合隔热板及其制备方法，具有多级孔结构的真空复合隔热板采用纳米氧化物颗粒、多孔金属有机框架材料、遮光剂、胶黏剂制备得到。其制备方法包括如下步骤：将玻璃纤维、分散剂和水混合后得到料浆，向其中加入前驱体和氨水，搅拌后在玻璃纤维表面原位形成纳米氧化物颗粒，过滤后将过滤物与多孔金属有机框架材料、遮光剂和胶黏剂混合搅拌，将混合好的物料送入压制机中压制成型，得到芯材，将制得的芯材进行烘干处理，再使用包装材料包装抽真空后即可得到具有多级孔结构的真空复合隔热板。本发明制得的真空复合隔热板具有微孔‑介孔‑大孔的多级孔结构，气孔互不贯通，分布均匀，隔热板的热导率低、力学强度高。

Description

一种具有多级孔结构的真空复合隔热板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有多级孔结构的真空复合隔热板及其制备方法。

背景技术

能源是经济发展的物质基础，能源短缺已成为制约建设可持续发展社会的最大瓶颈，开发高效隔热材料是节约能源的重要方向之一。特别是在石油化工、制冷设备、核电等行业，优良的隔热保温材料能够减少能量损耗，降低成本，可以产生很大的社会效益。目前常用的隔热保温材料包括有机隔热材料和无机隔热材料，有机隔热材料主要用于温度较低的隔热场合，主要有酚醛泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料等，这类材料无法用于高温场合。无机隔热材料能够用于温度较高的隔热场合，主要有泡沫陶瓷、玻璃纤维毡、岩棉、膨胀珍珠岩、多孔隔热板等。多孔隔热板主要由石棉、玻璃纤维、陶土等材料按照一定的配方制作而成，这类隔热板具有多孔结构，因为孔隙内的空气导热系数很低，可以利用材料本身所含的孔隙隔热，所以这类隔热板能起到很好的隔热保温效果。目前市场上应用较为广泛的是由石棉类、纤维材料制成的隔热板。

要提升多孔隔热板的隔热保温效果，其根本在于降低隔热板的整体热导率。隔热板中的热传导行为是一个极其复杂的过程，由于多孔隔热板中大量的气孔的存在，热传导主要是通过固相与气相的传热。传热机制包括热传导、对流传热与辐射传热，在多孔隔热板的热传导过程中，各种传热机制都可能发挥作用。一般而言，固相的热导率高于气相的热导率，因此，在低温下，隔热板的热导率随着气孔率的增大而减小。在一般隔热材料气孔尺寸范围内(1微米～数毫米)，随着隔热板中气孔率增大，孔径变大以及气孔数量的减少会致使气固界面数量减小，在高温下易产生辐射传热。因此，每种隔热材料都会有一个最佳气孔率，在该特定温度下，过高或过低的气孔率都会使其热导率增大。此外，隔热板的热导率还与材料内部的气孔形状、孔径分布以及气孔之间的连通情况相关。目前应用较多的多孔隔热板往往存在气孔尺寸较大和气孔分布不均匀的问题，导致隔热板的整体隔热保温效果差。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有多级孔结构的真空复合隔热板。

本发明采用以下技术方案实现：

一种具有多级孔结构的真空复合隔热板，采用10－20重量份的纳米氧化物颗粒、50－70重量份的玻璃纤维、10－20重量份的多孔金属有机框架材料、5－10重量份的遮光剂、5－10重量份的胶黏剂制备得到。

上述技术方案中，进一步地，所述的氧化物为二氧化硅、二氧化钛或二氧化锆，氧化物颗粒的粒径为20－100nm；所述的玻璃纤维的直径为1－20μm，长度为2mm以上；所述的多孔金属有机框架材料的制备采用常规的溶剂热反应获得，所述的多孔金属有机框架材料中的金属离子为锌、铜、铬、锰、钇、铕或铽，有机配体为对苯二甲酸、均苯三甲酸、1，4－萘二酸、2，6－萘二酸或3，5-二甲基对苯二甲酸，金属有机框架材料的粒径为50－200nm，其内部孔道尺寸为0.1－1nm；所述的遮光剂为氧化锌、氧化铁、碳化硅中的一种或任意几种的组合；所述的胶黏剂为硅溶胶、水玻璃、聚乙烯醇中的一种或任意几种的组合。

本发明的具有多级孔结构的真空复合隔热板的制备方法，其步骤如下：

(1)将重量比为100:1的玻璃纤维和分散剂加入到50－200重量份的水中，搅拌均匀后得到料浆，再向料浆中缓慢加入20－50重量份的前驱体和5－10重量份的氨水，搅拌后在玻璃纤维表面原位形成纳米氧化物颗粒，然后过滤；

(2)将过滤物与多孔金属有机框架材料、遮光剂、胶黏剂共同加入高速混合机，在400－800rpm的转速下搅拌混合20－40分钟；

(3)将混合分散均匀的物料送入压制机中，在2－5Mpa的压强下压制成型，得到芯材；

(4)将制得的芯材在150－300℃下进行烘干处理；

(5)在芯材表面使用包装材料包裹封装后抽真空即可得到具有多级孔结构的真空复合隔热板。

上述制备方法中，所述的分散剂为烷基二苯醚磺酸钠、油酸聚氧乙烯酯或聚丙烯酰胺；所述的前驱体为正硅酸乙酯、钛酸丁酯或氧氯化锆；所述的烘干处理为热风烘干、红外烘干或微波烘干；所述的包装材料为有机高分子薄膜或铝箔纤维布。

本发明的发明原理为：

根据国际理论与应用化学协会(IUPAC)的定义，孔径小于2nm的称为微孔，孔径大于50nm的称为大孔，孔径在2到50nm之间的称为介孔。单纯由玻璃纤维制备的隔热板芯材中的气孔尺度在微米量级，属于大孔类型，隔热性能不佳。本发明以玻璃纤维、纳米氧化物颗粒和金属有机框架材料作为真空隔热板芯材的主要原料来产生多种不同尺寸的气孔，通过在玻璃纤维表面原位生成纳米氧化物颗粒形成介孔，再通过添加金属有机框架材料获得微孔，从而得到具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构。由于微孔、介孔等纳米孔的存在使得大尺寸的大孔被隔断，可以抑制对流传热。此外，根据Debye模型，当声子的平均自由程减小时，材料的热导率会随之下降。当隔热板的气孔孔径处于纳米量级，其尺度与声子的平均自由程相近，纳米尺度的微孔和介孔会对声子产生强的散射作用，使声子的平均自由程大大降低，从而导致芯材的整体热导率降低。此外，单纯由玻璃纤维制备的芯材在抽真空过程中会坍塌或破坏孔道结构，极大降低隔热效果。从真空复合隔热板的整体力学强度和孔道维持考虑，本发明采用的微孔-介孔-大孔的多级孔结构还能够起到相互支撑的作用，使得大尺寸的大孔在抽真空的后续制备过程中不会产生坍塌破坏，从而提高了隔热板的力学强度和整体稳定性。

本发明的有益效果在于：

本发明在真空复合隔热板制备过程中，创造性地将玻璃纤维、纳米氧化物颗粒和金属有机框架材料组合从而在隔热板芯材中获得了孔径大小和分布合理匹配的微孔-介孔-大孔的多级孔结构。不同尺度的气孔之间互不贯通，且气孔分布均匀，有效抑制了隔热板内的热传导及对流传热，降低了隔热板的热导率，而且微孔-介孔-大孔的多级孔结构还能够起到相互支撑的作用，避免了大尺寸的大孔在抽真空过程中的坍塌破坏，提高了真空复合隔热板的力学强度和整体稳定性，制得的真空复合隔热板具有密度低、力学强度高、稳定性好、隔热效果好的优点，其导热系数低于0.01w/m·k。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种具有多级孔结构的真空复合隔热板，采用10重量份的粒径为20nm的二氧化硅颗粒，70重量份的直径为1μm，长度为3mm的玻璃纤维、10重量份的粒径为50nm，其内部孔道尺寸为0.1nm的锌与对苯二甲酸配位形成的多孔金属有机框架材料、5重量份的氧化锌、5重量份的硅溶胶制备得到。具体制备方法为：

(1)将重量比为100:1的玻璃纤维和烷基二苯醚磺酸钠加入到50重量份的水中，搅拌均匀后得到料浆，再向料浆中缓慢加入30重量份的正硅酸乙酯和5重量份的氨水，搅拌后在玻璃纤维表面原位形成纳米二氧化硅颗粒，然后过滤；

(2)将过滤物和金属有机框架材料、氧化锌和硅溶胶共同加入高速混合机，在400rpm的转速下搅拌混合20分钟；

(3)将混合分散均匀的物料送入压制机中，在2Mpa的压强下压制成型，得到芯材；

(4)将制得的芯材在150℃下进行热风烘干处理；

(5)在芯材表面使用铝箔纤维布包裹封装后抽真空即可得到具有多级孔结构的真空复合隔热板。

制得的真空复合隔热板具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，不同气孔之间互不贯通，且气孔分布均匀，隔热板密度低、力学强度高、其导热系数低于0.01w/m·k。

实施例2：

本实施例的一种具有多级孔结构的真空复合隔热板，采用20重量份的粒径为100nm的二氧化钛颗粒，50重量份的直径为20μm，长度为5mm的玻璃纤维、10重量份的粒径为200nm，其内部孔道尺寸为1nm的钇与3，5-二甲基对苯二甲酸配位形成的多孔金属有机框架材料、5重量份的碳化硅、5重量份的水玻璃制备得到。具体制备方法为：

(1)将重量比为100:1的玻璃纤维和聚丙烯酰胺加入到200重量份的水中，搅拌均匀后得到料浆，再向料浆中缓慢加入50重量份的钛酸丁酯和10重量份的氨水，搅拌后在玻璃纤维表面原位形成纳米二氧化钛颗粒，然后过滤；

(2)将过滤物和金属有机框架材料、碳化硅和水玻璃共同加入高速混合机，在800rpm的转速下搅拌混合40分钟；

(3)将混合分散均匀的物料送入压制机中，在5Mpa的压强下压制成型，得到芯材；

(4)将制得的芯材在300℃下进行微波烘干处理；

(5)在芯材表面使用有机高分子薄膜包裹封装后抽真空即可得到具有多级孔结构的真空复合隔热板。

制得的真空复合隔热板具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，不同气孔之间互不贯通，且气孔分布均匀，隔热板密度低、力学强度高、其导热系数低于0.01w/m·k。

实施例3：

本实施例的一种具有多级孔结构的真空复合隔热板，采用10重量份的粒径为50nm的二氧化硅颗粒，50重量份的直径为5μm，长度为4mm的玻璃纤维、20重量份的粒径为100nm，其内部孔道尺寸为0.5nm的铬与1，4－萘二酸配位形成的多孔金属有机框架材料、10重量份的氧化铁、10重量份的聚乙烯醇制备得到。具体制备方法为：

(1)将重量比为50:1的玻璃纤维和油酸聚氧乙烯酯加入到100重量份的水中，搅拌均匀后得到料浆，再向料浆中缓慢加入20重量份的正硅酸乙酯和5重量份的氨水，搅拌后在玻璃纤维表面原位形成纳米二氧化硅颗粒，然后过滤；

(2)将过滤物和金属有机框架材料、氧化铁和聚乙烯醇共同加入高速混合机，在600rpm的转速下搅拌混合30分钟；

(3)将混合分散均匀的物料送入压制机中，在4Mpa的压强下压制成型，得到芯材；

(4)将制得的芯材在200℃下进行红外烘干处理；

(5)在芯材表面使用铝箔纤维布包裹封装后抽真空即可得到具有多级孔结构的真空复合隔热板。

制得的真空复合隔热板具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，不同气孔之间互不贯通，且气孔分布均匀，隔热板密度低、力学强度高、其导热系数低于0.01w/m·k。

Claims (10)

1.一种具有多级孔结构的真空复合隔热板，其特征在于，采用10－20重量份的纳米氧化物颗粒、50－70重量份的玻璃纤维、10－20重量份的多孔金属有机框架材料、5－10重量份的遮光剂、5－10重量份的胶黏剂制备得到。

2.根据权利要求1所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板，其特征在于，所述的纳米氧化物颗粒为二氧化硅、二氧化钛或二氧化锆，氧化物颗粒的粒径为20－100nm。

3.根据权利要求1所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板，其特征在于，所述的玻璃纤维的直径为1－20μm，长度为2mm以上。

4.根据权利要求1所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板，其特征在于，所述的多孔金属有机框架材料中的金属离子为锌、铜、铬、锰、钇、铕或铽，有机配体为对苯二甲酸、均苯三甲酸、1，4－萘二酸、2，6－萘二酸或3，5-二甲基对苯二甲酸，所述的多孔金属有机框架材料的粒径为50－200nm，其内部孔道尺寸为0.1－1nm。

5.根据权利要求1所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板，其特征在于，所述的遮光剂为氧化锌、氧化铁、碳化硅中的一种或任意几种的组合。

6.根据权利要求1所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板，其特征在于，所述的胶黏剂为硅溶胶、水玻璃、聚乙烯醇中的一种或任意几种的组合。

7.根据权利要求1-6任一项所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将重量比为10050－100:1的玻璃纤维和分散剂加入到50－200重量份的水中，搅拌均匀后得到料浆；再向料浆中缓慢加入20－50重量份的前驱体和5－10重量份的氨水，搅拌后在玻璃纤维表面原位形成纳米氧化物颗粒，然后过滤；

(2)将过滤物与多孔金属有机框架材料、遮光剂、胶黏剂按比例在400－800rpm的转速下搅拌混合20－40分钟；

(3)将混合分散均匀的物料送入压制机中，在2－5Mpa的压强下压制成型，得到芯材；

(4)将制得的芯材在150－300℃下进行烘干处理；

(5)在芯材表面使用包装材料包裹封装后抽真空即可得到具有多级孔结构的真空复合隔热板。

8.根据权利要求7所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的分散剂为烷基二苯醚磺酸钠、油酸聚氧乙烯酯或聚丙烯酰胺；所述的前驱体为正硅酸乙酯、钛酸丁酯或氧氯化锆。

9.根据权利要求7所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的烘干处理为热风烘干、红外烘干或微波烘干。

10.根据权利要求7所述的具有多级孔结构的真空复合隔热板的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的包装材料为有机高分子薄膜或铝箔纤维布。