CN112110677A - 一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料及其制备方法。该方法选取合适的纳米粉体、陶瓷纤维及红外遮光剂依次加入机械分散装置中，进行融合分散；再向其中加入适量的固体粘结剂颗粒或短切纤维，低转速下继续搅拌分散；将均匀的混合物料加入到成型模具中，热压成型，使得粘结剂在纳米隔热材料内部形成粘结作用，提高材料的强度，最后将材料脱模后即可获得高强度的纳米隔热材料。该制备方法思路新颖，且获得的纳米隔热材料力学强度较优，未来在隔热、保温等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种刚性纳米隔热材料及其制备新方法，具体涉及一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料及其制备方法。
背景技术
纳米隔热材料以纳米粉体和纤维为主体原料，以物理组装的模式将机械融合分散的物料压制成型制备而来，具有轻质、耐高温和导热系数低的特点，在各类工业过程有着极其重要的应用前景。但是现有的纳米隔热材料存在力学强度差，表面易掉粉、掉渣等问题，给材料的应用带来诸多不便。
纳米隔热材料力学强度主要通过密度增强来提高，该方法原材料消耗较多，压制的材料易反弹、导热系数较大，且材料表面掉粉问题未得到有效解决。纳米隔热材料掉粉、掉渣问题主要通过物理包覆和表面涂层化解决。物理包覆是采用有机材料或铝箔对纳米隔热材料进行包覆，该方法仅仅是对材料进行物理性的包裹，对材料本身刚性强度无任何改善，且往往存在包覆不严、运输使用过程材料易粉化等问题；表面涂层化是指在材料表面涂覆一层物质，使表面强韧化，但是涂层仅仅停留在表面，无法有效渗入材料内部，该方法一定程度上解决材料表面掉粉问题，但是材料在运输、装配以及使用过程中往往会发生磕碰、振动等，极易造成材料表面破损或粉末化，致使材料性能大打折扣。因此，急需开发出一种新型的高强度刚性纳米隔热材料制备方法，克服现有方式方法的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刚性纳米隔热材料的制备方法，是一种基于热压粘结机制的高强度纳米隔热材料制备新方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
1)称取一定质量的纳米粉体、陶瓷纤维及红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以一定转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入适量的固体粘结剂颗粒或短切纤维，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在一定压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在一定温度条件下保压一段时间，使得固体粘结剂产生固化粘结效应，在纳米隔热材料内部形成粘结作用，提高材料的强度，最后将材料脱模后即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
进一步地，步骤1)，纳米粉体包括纳米氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化镁以及纳米氧化锆等材料；陶瓷纤维为石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维、莫来石纤维以及氧化铝纤维等材料；红外遮光剂为碳化硅微粉、氧化锆粉、二氧化钛微粉以及钛酸钾晶须等可抗红外辐射的组分。
进一步地，步骤1)中，纳米粉体的粒径为10-100nm，陶瓷纤维直径为3-20um，纤维长度为3-30mm。
进一步地，步骤1)中，纳米粉体与陶瓷纤维的质量比例为20:1-5:1，纳米粉体与红外遮光剂的质量比例控制在10:1-1:1。
进一步地，步骤1)中，机械融合的转速为500-5000rpm，时间为10-60min。
进一步地，步骤2)中，固体粘结剂包括热固性酚醛树脂、热固性环氧树脂、热固性脲醛树脂以及热固性芳纶树脂等树脂颗粒或短切纤维。
进一步地，步骤2)中，固体粘结剂加入量为纳米粉体的质量的1％-20％。
进一步地，步骤3)中，所述压制成型的模压压力为0.5-6MPa。
进一步地，步骤3)中，所述在一定温度条件下保压一段时间，保压时间为20-60min。
进一步地，步骤3)中，所述在一定温度条件下保压一段时间，热压温度为50-120摄氏度。
基于同一发明构思，本发明还提供一种采用上述方法制备的刚性纳米隔热材料。
本发明取得的有益效果为：
本发明提供了一种高强度刚性纳米隔热材料的制备新方法，解决纳米隔热材料力学强度不足、表面易掉粉等问题。该制备方法简单、思路新颖，热压粘结效应有效克服传统干法制备纳米隔热材料易掉粉、掉渣问题，制备的纳米隔热材料压缩强度和抗拉强度均有明显的提升，未来在隔热、保温、吸声等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下面介绍本专利具体实施的方式。本专利具体实施有三步，首先是纳米隔热材料组分的设计选择和机械融合分散，纳米隔热材料组分主要包括纳米粉体、纤维增强体以及抗辐射组分；其中，优选的纳米粉体包括纳米氧化硅、纳米氧化铝和纳米氧化锆等材料中的一种或几种，优选的纳米粉体的粒径为10-100nm；优选的陶瓷纤维主要为石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维、莫来石纤维以及氧化铝纤维等材料中一种或几种，优选的纤维直径为3-20um，优选的纤维长度为3-30mm；优选的抗辐射剂为石墨微粉、碳化硅微粉、氧化锆粉、二氧化钛微粉以及钛酸钾晶须等物质中的一种或几种；为了获得不同力学强度和隔热效果的纳米隔热材料，需对材料各组分配比进行设计，优选的纳米粉体与陶瓷纤维的质量比例为20:1-5:1，纳米粉体与红外遮光剂的质量比例控制在10:1-1:1。将选择的材料组分进行机械融合分散，确保材料的均一性，优选的机械融合设备的转速为500-5000rpm，机械融合时间为10-60min。
其次，将固体粘结剂加入到混合体系中，优选的固体粘结剂为热固性的固体粘结剂，固体粘结剂包括热固性酚醛、热固性环氧、热固性脲醛以及芳纶等树脂颗粒或短切纤维，该类粘结剂既不需要引入大量水溶剂造成结构塌陷，同时又便于与固体物料分散；其含量对于力学强度和隔热效果有较大的影响，本专利优选的固体粘结剂加入量为纳米粉体的1％-20％。
最后，将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，将材料压制成型，优选的模压压力为0.5-6Mpa；开启热压温控开关，使得粘结剂产生固化粘结效应，热压成型获得高强度的刚性纳米隔热材料，优选的热压温度和保压成型时间为20-60min。
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
1)称取80份10nm的氧化硅纳米粉体、4份直径20um长度30mm高硅氧陶瓷纤维及16份碳化硅红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以500rpm转速对物料进行融合分散5min；
2)待物料分散完毕后，向其中加入纳米粉体质量1％的热固性酚醛树脂颗粒，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在2Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90摄氏度条件下保压30min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。。
实施例2
1)称取60份20nm氧化硅纳米粉体12份直径3um长度3mm高硅氧陶瓷纤维及6份二氧化钛红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以5000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入5％的热固性环氧树脂颗粒，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在0.5Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90度条件下保压60min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。。
实施例3//
1)称取45份20nm氧化硅纳米粉体、10份直径7um长度6mm高硅氧陶瓷纤维及45份钛酸钾晶须红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入20％的热固性芳纶树脂颗粒，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
实施例4
1)称取70份100nm氧化硅纳米粉体、5份直径7um长度6mm石英陶瓷纤维及25份碳化硅红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入10％的热固性脲醛树脂颗粒，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在120度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
实施例5
1)称取70份20nm纳米粉体、5份直径7um长度6mm硅酸铝陶瓷纤维及25份氧化锆红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入10％的热固性脲醛短切纤维，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在120度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
实施例6
1)称取70份20nm氧化铝纳米粉体、5份直径9um长度8mm氧化铝纤维及25份碳化硅红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入5％的热固性芳纶短切纤维，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
实施例7
1)称取70份20nm氧化铝纳米粉体、5份直径7um长度6mm莫来石纤维及25份碳化硅红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入5％的热固性酚醛短切纤维，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
实施例8
1)称取70份20nm氧化锆纳米粉体、5份直径7um长度6mm氧化锆纤维及25份碳化硅红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入5％的热固性酚醛短切纤维，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
实施例9
1)称取70份20nm氧化镁纳米粉体、5份直径7um长度6mm氧化铝纤维及25份碳化硅红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入5％的热固性酚醛树脂短切纤维，低转速下继续搅拌将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料加入到热压模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，同时开启热压温控开关，在90度条件下保压20min，使得粘结剂产生固化粘结效应，最后经脱模处理即可获得高强度的刚性纳米隔热材料。
对比例：
1)称取70份20nm氧化硅纳米粉体、5份直径7um长度6mm石英纤维及25份钛酸钾晶须红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以1000rpm转速对物料进行融合分散；
2)将分散好的混合物料加入到模具中，在3Mpa压力下将材料压制成型，保压20min，最后经脱模获得纳米隔热材料。
表1是实施例和对比例材料压缩强度和导热系数，通过实施例制备的纳米隔热材料较好的保持低导热系数的情况下，抗压强度得到明显提升。
表1实施例和对比例材料压缩强度和导热系数
Figure BDA0002643823870000061
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种基于热压粘结机制的刚性纳米隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取一定质量的纳米粉体、陶瓷纤维及红外遮光剂依次加入机械分散装置中，以一定转速对物料进行融合分散；
2)待物料分散完毕后，向其中加入适量的固体粘结剂，将其均匀分散在混合体系中；
3)将含有固体粘结剂的混合物料在一定压力下将材料压制成型，并在一定温度条件下保压一段时间，使得固体粘结剂产生固化粘结效应，脱模后即获得刚性纳米隔热材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述纳米粉体为纳米氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化镁以及纳米氧化锆中的一种；所述陶瓷纤维为石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维、莫来石纤维以及氧化铝纤维中的一种；所述红外遮光剂为碳化硅微粉、氧化锆粉、二氧化钛微粉以及钛酸钾晶须中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中纳米粉体的粒径为10-100nm，陶瓷纤维的直径为3-20um，纤维长度为3-30mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中纳米粉体与陶瓷纤维的质量比例为20:1-5:1，纳米粉体与红外遮光剂的质量比例为10:1-1:1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中机械分散装置的转速为500-5000rpm，时间为10-60min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中固体粘结剂为热固性酚醛树脂、热固性环氧树脂、热固性脲醛树脂以及热固性芳纶树脂的树脂颗粒或短切纤维。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中固体粘结剂加入量为纳米粉体的质量的1％-20％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中压制成型的模压压力为0.5-6MPa。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述在一定温度条件下保压一段时间，其保压时间为20-60min，热压温度为50-120摄氏度。
10.根据权利要求1～9中任一权利要求所述方法制备的刚性纳米隔热材料。
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