CN112424144A - 在环境压力下使基于二氧化硅的成型隔绝材料体疏水化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产疏水化的成型绝热体的方法，所述方法包括压制或压实包含二氧化硅、IR遮光剂、有机硅化合物A和有机硅化合物B的绝热混合物，其中有机硅化合物A是六甲基二硅氮烷(HMDS)且有机硅化合物B对应于式RnSiX4‑n的物质，其中R＝具有1至18个碳原子的烃基，n＝0、1或2，X＝Cl、Br或烷氧基–OR1，其中R1＝具有1至8个碳原子的烃基，或有机硅化合物B对应于式HO[‑Si(CH3)2O‑]mH的硅醇，其中m＝2‑100。

Description

在环境压力下使基于二氧化硅的成型隔绝材料体疏水化的 方法
技术领域
本发明涉及生产具有改进的抗压强度的基于二氧化硅的疏水性成型体的方法，并且涉及其在绝热和隔音中的用途。
背景技术
房屋、工厂、管道等的有效绝热是重要的经济问题。大多数基于有机物质的隔绝材料(诸如聚氨酯泡沫)都是可燃的，并且只能在受限的温度下使用。迄今为止，基于无机氧化物例如高度多孔的二氧化硅的较不广泛的绝热材料没有表现出这些缺点。
这种基于二氧化硅的绝热材料通常基于所谓的气凝胶和基于沉淀或热解法二氧化硅。与这些二氧化硅类型有关的更详细的信息例如可以在线上发表于15.04.2008,DOI:10.1002/14356007.a23_583.pub3处的Ullmann's Encyclopedia of IndustrialChemistry(乌尔曼工业化学百科全书)的“二氧化硅”章节中找到。
这种基于二氧化硅的绝热材料通常是非斥水的。但是，应防止水分在芯隔绝材料中的附着和吸收。这种水分吸收的原因是硅醇基团，该硅醇基团位于二氧化硅上并且与水附着。DE3037409 A1公开了使用碱金属和/或碱土金属硬脂酸盐、蜡和脂肪使由发泡珍珠岩组成的芯斥水。这些物质具体发生的是表面覆盖，这称为“涂覆”。尽管用这种方法处理过的芯材对液态水具有排斥性，但是它们吸收了空气湿气形式的水蒸气，因此导致隔绝性能劣化。例如，DE4221716 A1公开了使热解法二氧化硅与有机硅烷反应并从而使它们具有疏水性，即斥水性。
然而，因为具有硅醇基团的二氧化硅颗粒由于被有机基团饱和而不再相互结合，因此这种疏水性二氧化硅不能被充分压实并且不是可压制的。同样，包含疏水性二氧化硅的混合物在压制过程中也不能给出令人满意的结果。然而，压制对于确保机械稳定性以及将这种材料应用于绝热是必要的。
EP0032176A1公开了绝热混合物，其包含10重量％至80重量％的二氧化硅、5重量％至40重量％的遮光剂、1重量％至10重量％的无机纤维和1重量％至20重量％的式R1 xSi(OR2)4-x或R1R2R3R4Si的有机硅化合物，其中取代基R1-R4特别是烷基。将这种绝热混合物压制以形成片材然后在1000℃下进行热处理，可以减少经热处理的片材的收缩。
EP1988228 A1公开了具有疏水性微孔绝热材料的建筑砌块和建筑系统，其中所述材料由包含式RnSiX4-n(其中n＝1-3)或(R3Si)2Y(其中Y＝NH或O，R＝CH3或C2H5)的硅烷的绝热混合物构成，在硅烷添加后立即将该材料压制或压实以形成片材或其他成型制品。以这种方式生产的片材或成型制品是永久疏水的并且具有14至20mW/(m*K)的导热率。
以这种方式生产的成型绝热体的缺点在于，它们仅具有相对较低的抗压强度，因此不能在机械上保持足够稳定。特别地，这在具有小于200g/l的相对较低的材料密度时是明显的。该缺点限制了这种片材在建筑行业的应用；从应用绝热的角度来看，希望生产密度小于200g/l且抗压强度大于60kPa的成型绝热体例如绝热片材。
WO 2013013714 A1公开了一种在耐压疏水化腔室中用气态有机硅烷使包含亲水性二氧化硅的成型绝热体疏水化的方法。尽管所述方法非常适合于疏水化绝热片材的不连续生产，但是将其应用到连续生产方式中仍然是有技术难度的。另外，所述方法的应用需要耐压设备，这导致相应高的投资成本。
WO 2005028195 A1公开了一种由微孔干绝热材料混合物通过其连续压制生产绝热片材的连续方法。在该方法中使用的绝热材料混合物是亲水的，即没有用疏水剂处理。如EP 1988228 A1中所述，由于无法将疏水化的二氧化硅压实以形成诸如绝热片材的压实产品，因此压实基于疏水化的二氧化硅的混合物的类似方法无法在技术上实现。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种生产基于二氧化硅的疏水性成型体的方法，该方法可以技术上简单且成本有效的方式进行并且可以转变为连续的操作模式。本发明的另一个目的是生产疏水化的绝热成型体，更特别地绝热片材，其具有小于50mW/(m*K)的导热率和大于60kPa的抗压强度。另一个目的是在小于200g/l的材料密度下获得上述的导热率和抗压强度。
这些目的通过一种生产疏水化的成型绝热体的方法实现，所述方法包括压制或压实包含二氧化硅、IR遮光剂、有机硅化合物A和有机硅化合物B的绝热混合物，其中有机硅化合物A是六甲基二硅氮烷且有机硅化合物B对应于式RnSiX4-n的物质，其中R＝具有1至18个碳原子的烃基，n＝0、1或2，X＝Cl、Br或烷氧基–OR1，其中R1＝具有1至8个碳原子的烃基，或有机硅化合物B对应于式HO[-Si(CH3)2O-]mH的硅醇，其中m＝2-100。
在本发明的上下文中，术语“疏水性”或“疏水化的”涉及对极性介质诸如水具有低亲和力的颗粒和成型体。相反，亲水性颗粒或成型体对极性介质诸如水具有高亲和力。疏水化材料的疏水性通常可通过将适当的非极性基团施加至二氧化硅表面来实现。疏水化材料的疏水性程度可以通过包括其甲醇可润湿性在内的参数来确定，例如在WO2011/076518A1第5-6页中作了详细描述。在纯水中，疏水性二氧化硅与水完全分离并漂浮在其表面上，而不会被溶剂润湿。相反，在纯甲醇中，疏水性二氧化硅分布在整个溶剂体积中；发生完全润湿。当在本发明中测量甲醇可润湿性时，确定的是在二氧化硅被部分润湿(即，在与测试混合物接触后，约50％的所用二氧化硅从测试混合物中分离并保持未润湿)时甲醇/水测试混合物中的最大甲醇含量。甲醇/水混合物中以体积％计的该甲醇含量称为甲醇可润湿性。甲醇可润湿性越高，则材料的疏水性越强。甲醇可润湿性越低，则材料的疏水性越低且亲水性越高。
可通过根据本发明的方法生产的疏水化的成型绝热体的甲醇可润湿性为在甲醇/水混合物中甲醇含量按体积计大于5％，优选为10％至80％，更优选为15％至70％，特别优选为20％至65％，最优选为25％至60％。
绝热混合物中存在的二氧化硅优选选自气凝胶、干凝胶、珍珠岩、沉淀二氧化硅、热解法二氧化硅及其混合物。当亲水性二氧化硅(即甲醇可润湿性为在甲醇/水混合物中甲醇含量小于20体积％的亲水性二氧化硅)用作制备绝热混合物的原料时，则是特别有利的。最优选地，使用热解法二氧化硅或二氧化硅气凝胶。
热解法二氧化硅通过火焰水解或火焰氧化制备。这涉及通常在氢气/氧气火焰中氧化或水解可水解或可氧化的原料。可以用于热解法的原料包括有机和无机物质。四氯化硅是特别合适的。由此获得的亲水性二氧化硅是无定形的。热解法二氧化硅通常以聚集形式。“聚集的”应理解为是指在生成过程中首先形成的所谓的初级颗粒在反应的进一步过程中形成强互连，从而形成三维网络。初级颗粒几乎基本上没有孔并且在其表面上具有游离羟基。
二氧化硅气凝胶通过特定的干燥方法由含水二氧化硅凝胶生产。通常，起点是水玻璃(硅酸钠)或硅的烷氧基化物(有机硅酸盐)诸如原硅酸四乙酯(TEOS)和原硅酸四甲酯(TMOS)作为硅原料，其最初形成二氧化硅溶胶并随后形成二氧化硅凝胶。它们具有非常高程度的孔结构，因此是高效的隔绝材料。
所用的二氧化硅的BET表面积可以大于20m2/g，优选为30至500m2/g，特别优选为50至400m2/g，最优选为70至350m2/g。比表面积(也简称为BET表面积)根据DIN 9277:2014根据Brunauer-Emmett-Teller方法通过氮吸附来确定。
在根据本发明的方法中压制或压实的绝热混合物包含至少一种IR遮光剂。这种IR遮光剂减小了绝热材料的红外透射率，因此使由于辐射引起的热传递最小化。优选地，IR遮光剂选自碳化硅、二氧化钛、二氧化锆、钛铁矿、铁的钛酸盐、铁的氧化物、锆的硅酸盐、锰的氧化物、石墨、炭黑及其混合物。所使用的IR遮光剂的粒径通常在0.1至25μm之间。
在根据本发明的方法中使用的含二氧化硅的绝热混合物可以进一步包含纤维和/或细小的无机添加剂。
为了增强，即用于机械增强，可以将纤维添加到通过根据本发明的方法生产的成型体中。所述纤维可以是无机或有机来源的，并且可以作为绝热混合物中的成分以1重量％至10重量％的程度存在。可以使用的无机纤维的实例是玻璃棉、石棉、玄武岩纤维、矿渣棉和由氧化铝和/或二氧化硅的熔体组成以及还由其他无机金属氧化物组成的陶瓷纤维。纯二氧化硅纤维的实例是二氧化硅纤维。可以使用的有机纤维的实例是纤维素纤维、纺织纤维和合成纤维。纤维的直径优选为1-12μm，特别优选为6-9μm，并且长度优选为1-25mm，特别优选为3-10mm。
此外，可以将无机填料添加到通过根据本发明的方法生产的成型体中。可以使用各种以合成方式生产的二氧化硅形式，诸如沉淀二氧化硅、电弧二氧化硅、在硅或硅铁的电化学生产过程中通过挥发性一氧化硅的氧化反应产生的含SiO2的飞灰。也可以采用通过用酸沥滤硅酸盐诸如硅酸钙、硅酸镁和混合硅酸盐诸如橄榄石产生的二氧化硅。此外，可以使用天然存在的含SiO2的化合物，诸如硅藻土(diatomaceous earth)和硅藻土(kieselguhr)。同样可以添加热膨胀的矿物诸如珍珠岩和蛭石，以及细颗粒的金属氧化物诸如氧化铝、二氧化钛、氧化铁。
在根据本发明的方法中使用的有机硅化合物(硅烷)与二氧化硅的硅醇基团反应，从而使成型绝热体斥水(即疏水)。在本发明的方法中，使用至少两种不同的有机硅化合物。
有机硅化合物A，六甲基二硅氮烷(HMDS)，主要用于实现所形成的成型体的高度疏水性。
有机硅化合物B有助于所形成的成型体的较高的机械强度。在该功能中，有机硅化合物B应能够在至少两个游离硅醇基团之间形成化学键。为此，有机硅化合物B应包含至少两个反应性基团，即可水解或化学上可取代的基团。有机硅化合物B可以是通式RnSiX4-n的物质，其中
R＝具有1至18个碳原子、优选具有1至6个碳原子的烃基，
n＝0、1或2，
X＝Cl、Br或烷氧基-OR1，其中R1＝具有1至8个碳原子的烃基。
特别优选地，所使用的式RnSiX4-n的有机硅化合物B是具有1-3个碳原子(甲基、乙基、正丙基或异丙基)的烷氧基硅烷(当X＝烷氧基时)。最优选地，使用的通式RnSiX4-n的有机硅化合物B是四烷氧基硅烷(或者称为原硅酸四烷基酯)诸如四甲氧基硅烷(原硅酸四甲酯，TMOS)、四乙氧基硅烷(原硅酸四乙酯，TEOS)和四丙氧基硅烷(原硅酸四丙酯，TPOS)。
或者，有机硅化合物B可以是通式HO[-Si(CH3)2O-]mH的硅醇，其中m＝2-100。这种硅醇，也称为具有羟基端基的聚二甲基硅氧烷或硅油，通常通过二甲基二氯硅烷的水解制备且摩尔质量为162至7500g/mol、密度为0.76至1.07g/ml且粘度为0.6至1 000 000mPa*s。
在实施根据本发明的方法时，在制备绝热混合物中使用水是更有利的；优选地，绝热混合物包含0.01重量％至10重量％的水。添加的水可有助于成品成型体的加快的疏水化和固化。
通过混合相关组分来制备根据本发明的方法中使用的绝热混合物。优选地，所述混合物通过混合按重量计30％至95％、特别优选按重量计50％至90％的二氧化硅；按重量计5％至50％、特别优选按重量计7％至25％的IR遮光剂；按重量计1％至20％、特别优选按重量计2％至10％的有机硅化合物A；按重量计1％至20％、特别优选按重量计2％至10％的有机硅化合物B；和按重量计0.1％至10％，特别优选按重量计0.5％至5％的水来制备，重量比例均基于绝热混合物的总质量。
当制备绝热混合物时，有机硅化合物A∶有机硅化合物B∶水的摩尔比可以是1:(0.1-20.0):(0-10)；优选为1:(1.0-10.0):(0.1-5)。
根据本发明的生产疏水化的成型绝热体优选包括以下方法步骤：
a)通过混合各个组分来制备绝热混合物；b)压制或压实绝热混合物；c)使所形成的成型绝热体熟化，和d)对所述成型体进行热式处理(热处理)。
绝热混合物的制备通常可以在各种混合单元中进行。但是，优选使用行星式混合器。向混合物中添加各个组分的顺序可以根据需要改变。然而，优选地，在混合顺序中最后要做的是添加有机硅化合物，特别优选以液体形式。在这里重要的是要对各组分进行强烈均匀的混合，以确保彻底地进行反应(疏水化)。为此，可以例如通过喷雾将液体有机硅化合物添加到绝热混合物的其余组分中。原则上，有机硅化合物也可以在其与混合物的其他组分接触之前添加到所述各个组分(诸如二氧化硅、遮光剂和其他替代物)中。当将纤维用于成型绝热体的增强时，有利的是将纤维与一部分所述其他混合组分预混合作为一种母料，从而确保纤维完全溶解。纤维溶解后，添加大多数混合组分。
绝热混合物的制备可以在至多70℃、优选至多50℃、特别优选10℃至40℃的温度下进行。这可以确保二氧化硅没有或仅有最小的会损害后续压制的过早疏水化。
出于相同的原因，优选限制在将有机硅化合物A和有机硅化合物B添加至绝热混合物与压制或压实绝热混合物之间的时间，并且该时间可以最多至3小时，但是优选最多1小时，特别优选最多30分钟。
有机硅化合物与二氧化硅的硅醇基团的反应主要发生在压制或压实过程中以及在此后立即发生。如果需要，可以任选地在轻微的正压力下借助于供热或除热(冷却)并借助所谓的促进剂来加速或延迟(即控制)反应，这些促进剂是极性物质诸如水、醇或氯化氢。
在混合过程完成后，根据各组分的性质和量，绝热混合物的堆积密度可以在40-180g/l之间，优选在40-90g/l之间。所得绝热混合物的可流动性非常好，这意味着可以将其压制、压实或填充到空心建筑砌块的空隙中并压制，以毫无困难地并以均匀方式形成成型绝热体，例如形成片材。当压制或压实以形成成型绝热体时，可以设定一定的密度，并且这实质上影响绝热材料的导热率。压实材料的密度越低，则通常导热率越低并且绝热性能越好。然而，在密度小于约150g/l的情况下，绝热性能可能劣化。
在压制或压实绝热混合物后，可以将形成的成型绝热体在20至80℃的温度下在1至24小时内熟化。在此过程中，疏水化反应可以进一步进行并且可以改善所得成型绝热体的机械和化学性能。
在成型绝热体已经熟化后，可以在90℃至200℃的温度下在1至24小时内进行热处理。在此过程中，可以完成疏水化并且可以从成品中除去过量的所用组分或疏水化过程的裂解产物。
为了机械稳定并为了更好的处理(包括无尘处理)，疏水化的成型绝热体可用非织造物和膜(优选收缩膜)包封。
所得的成型绝热体，诸如片材或其他成型制品，是连续的材料并且是永久疏水的。
本发明的方法使得可以生产疏水化的成型绝热体，所述绝热体具有
50至300g/l、优选75至250g/l、特别优选100至200g/l的密度；
大于60kPa、优选65至150kPa、特别优选80至120kPa的抗压强度和
小于50mW/(m*K)、优选5至45mW/(m*K)、特别优选10至40mW/(m*K)、最优选15至35mW/(m*K)的导热率。
可根据本发明的方法生产的成型绝热体的机械强度(抗压强度)可以根据DIN EN826:2013“Thermal insulating products for building applications-Determinationof compression behavior(用于建筑应用的热绝缘产品-压缩行为的测定)”通过测量在压力下产生的压缩应力来确定。
成型绝热体的导热率可以根据EN 12667:2001在10℃的平均测量温度、250Pa的接触压力下在空气气氛和标准压力下确定。
本发明进一步提供了通过根据本发明的方法生产的疏水化的成型绝热体在隔音或绝热中的用途。特别地，疏水化的成型绝热体可用于生产空心建筑砌块中的隔绝材料、多层建筑砌块中的芯隔绝材料、用于建筑物内部和外部隔绝的绝热材料复合系统的芯隔绝材料、双叶砌体(double-leaf masonry)中的隔绝材料、炉构造中的隔绝材料和真空隔绝板。
通过根据本发明的方法生产的所述疏水化的成型绝热体的使用领域包括其中隔绝材料暴露于水分或潮气的所有应用。
具体实施方式
实施例
甲醇可润湿性的测定
手工研磨片状样品。将粉末混合物在800μm的筛上过筛，并弃去筛余物。在分析天平上从过筛的样品中精确称量200±5mg到离心管中。使用Eppendorf移液管(10ml)将8.0ml甲醇/水混合物(MeOH从0体积％至90体积％，甲醇含量以5体积％的步长增加)添加至各称取的量。将管紧紧密封并在Turbula混合器中均匀混合30秒。随后将样品以2500rpm离心5分钟。
甲醇可润湿性的规定值(体积％)与二氧化硅被部分润湿(即与试验混合物接触后约50％的所用二氧化硅从其分离并在溶剂表面上保持未润湿)时甲醇/水试验混合物中的最大甲醇含量有关。
片材的导热率的确定
成型绝热体的导热率根据EN 12667:2001在10℃的平均测量温度、250Pa的接触压力下在空气气氛和标准压力下确定。
片材的平均抗压强度的确定
片材的平均抗压强度根据DIN EN 826:2013“Thermal insulating products forbuilding applications-Determination of compression behavior(用于建筑应用的热绝缘产品-压缩行为的测定)”通过测量在压力下产生的压缩应力来确定。由三个测量结果确定的平均值也称为平均抗压强度。
片材生产(工艺说明)
比较例1-4和实施例1-5
混合物A由82％重量的
Figure BDA0002902330930000091
300亲水性二氧化硅(BET＝300m2/g，制造商：EVONIK Resource Efficiency GmbH)、15％重量的碳化硅1000F(Carsimet，制造商：Keyvest)和3％重量的短切二氧化硅纤维(
Figure BDA0002902330930000092
直径6μm；L 6mm，制造商：
Figure BDA0002902330930000093
technofibre GmbH)组成，并通过混合各个组分来制备。在25℃下将混合物A(3000g)与表1中规定量的HMDS、水和TEOS混合以获得绝热混合物。就此而言，混合物的熟化时间(＝混合后直至压制的时间)小于30分钟。表2提供了各个实施例和比较例的关于混合时间和混合物熟化时间的更精确的细节。
在25℃下于20秒内在螺旋压机中完成先前制备的绝热混合物的压制以形成尺寸为约30×30×2cm的片材；在压制后的保持时间为100秒。压制后在密闭系统中在25-80℃下将片材熟化1-24小时。表2中规定了更精确的片材熟化时间和温度。熟化后，在开放系统中在165℃下24小时内对片材进行热处理，然后让其冷却至25℃(室温)。
如此生产的片材的密度、抗压强度、甲醇可润湿性和导热率总结于表3中。
表1：用于制备绝热混合物的原料
Figure BDA0002902330930000101
表2：工艺参数
Figure BDA0002902330930000102
表3：片材的材料性能
Figure BDA0002902330930000111
除了来自比较例3的片材以外，所有片材都是疏水性的并且甲醇可湿性≥20体积％的MeOH。这可以归因于有机硅化合物A(HMDS)的作用。使用不含TEOS(有机硅化合物B)的HMDS(有机硅化合物A)导致所得片材的机械强度(平均抗压强度)不足(比较例1、2、4)。来自比较例1、2和4的片材的平均抗压强度低于来自实施例1-5的片材，实施例1-5中使用了HMDS(有机硅化合物A)、TEOS(有机硅化合物B)和水。比较例4在没有TEOS但是其他条件与实施例5相同的情况下进行。这导致比较例4中片材的抗压强度显著降低。

Claims (14)

1.一种生产疏水化的成型绝热体的方法，所述方法包括压制或压实包含二氧化硅、IR遮光剂、有机硅化合物A和有机硅化合物B的绝热混合物，其中
有机硅化合物A是六甲基二硅氮烷(HMDS)且
有机硅化合物B对应于式RnSiX4-n的物质，其中
R＝具有1至18个碳原子的烃基，
n＝0、1或2，
X＝Cl、Br或烷氧基–OR1，其中R1＝具有1至8个碳原子的烃基，或
有机硅化合物B对应于式HO[-Si(CH3)2O-]mH的硅醇，其中m＝2-100。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
所述二氧化硅选自气凝胶、干凝胶、珍珠岩、沉淀二氧化硅、热解法二氧化硅及其混合物。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于
所述IR遮光剂选自碳化硅、二氧化钛、二氧化锆、钛铁矿、铁的钛酸盐、铁的氧化物、锆的硅酸盐、锰的氧化物、石墨、炭黑及其混合物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于
所述绝热混合物包含0.01重量％至10重量％的水。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于
所述绝热混合物通过混合以下物质制备：
30重量％至95重量％的二氧化硅，
5重量％至50重量％的IR遮光剂，
1重量％至20重量％的有机硅化合物A，
1重量％至20重量％的有机硅化合物B和
0.1重量％至10重量％的水。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于
当制备绝热混合物时，有机硅化合物A∶有机硅化合物B∶水的摩尔比为1:(0.1-20.0):(0-10)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于
所述绝热混合物包含1重量％至10重量％的纤维。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于
绝热混合物的制备在10℃至40℃的温度下进行。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于
将有机硅化合物A和有机硅化合物B添加至绝热混合物与压制或压实绝热混合物之间的时间最多为30分钟。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于
在绝热混合物已经压制或压实后，将形成的成型绝热体在20至80℃的温度下在1至24小时内熟化。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于
在成型绝热体已经熟化后，将其在90至200℃的温度下在1至24小时内进行热处理。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法生产的疏水化的成型绝热体，所述绝热体具有100至200g/l的密度，65至150kPa的抗压强度和10至40mW/(m*K)的导热率。
13.通过根据权利要求1至11所述的方法生产的成型绝热体在隔音或绝热中的用途。
14.通过根据权利要求1至11所述的方法生产的成型绝热体用于生产空心建筑砌块中的隔绝材料、多层建筑砌块中的芯隔绝材料、用于建筑物内部和外部隔绝的绝热材料复合系统的芯隔绝材料、双叶砌体中的隔绝材料、炉构造中的隔绝材料和真空隔绝板的用途。
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