CN112679140A

CN112679140A - 一种纳米改性玻纤复合芯材及其制备方法

Info

Publication number: CN112679140A
Application number: CN202011514677.9A
Authority: CN
Inventors: 糜玥崎; 李承东; 张亮亮
Original assignee: Jiangsu Shanyou Diao Energy Saving New Material Co ltd
Current assignee: Jiangsu Shanyou Diao Energy Saving New Material Co ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-04-20

Abstract

本发明涉及一种纳米改性玻纤复合芯材，配方比例按重量份计包括：1~20份玻纤、70~98份纳米粉末和1～10份聚合物。所述的玻纤是短切高硅氧纤维、离心棉纤维和火焰棉纤维中的一种或几种按任意比例混合而成；所述的纳米粉末为气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、气凝胶、硅微粉、碳黑和SiC粉末中的一种或几种按任意比例混合。本发明的纳米改性玻纤复合芯材，使芯材综合利用玻纤的力学增强、纳米粉末的高热阻、低回弹和功能隔热的效果和聚合物的交联作用，使芯材的整体结构增强，达到兼具低导热、高耐久和高强度的目的。

Description

一种纳米改性玻纤复合芯材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种玻纤复合芯材及其制备方法，具体涉及一种纳米改性玻纤复合芯材及其制备方法，属于绝热材料技术领域，尤其适用于真空绝热、建筑和石油勘探等领域的保温隔热。

背景技术

减少温室气体排放、积极应对气候变化，已成为全球共识。碳排放权交易作为一种经国际实践检验的控制温室气体排放的有效市场手段，也已成为我国落实减排承诺、实现减排目标的重要政策工具。自2011年起，我国率先在北京、天津、上海、重庆、湖北、广东和深圳开展碳排放权交易试点，2017年全国统一碳排放权交易市场正式启动建设，并将在2020年底以发电行业为突破口率先启动上线交易。石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸、航空等高排放行业也将陆续纳入全国碳市场。

真空绝热板是近年来快速发展起来的一种新型绝热材料，是基于真空绝热原理通过最大限度地提高板内真空度，并采取多种措施以消除或弱化板内的热量传递使其传热量降至最低，成为目前导热系数最低的材料。相比于其他绝热材料，真空绝热板不仅具有5～10倍更加优异的绝热性能，还能保持较高的强度和低密度。在满足相同绝热效果的情况下，VIP的厚度仅为其他绝热材料的1/5～1/10，赋予了保温腔室更轻的重量、更薄的保温层厚度以及更小的外体积，非常适用于节能要求高、结构要求紧凑的场合。另外，真空绝热板在生产和应用过程中不使用消耗臭氧层物质，可回收利用，具有安全节能和绿色环保的双重优点。

玻纤芯材是真空绝热板的核心结构，具有低导热、低密度和防火阻燃等优异性能，但其回弹率高，导热系数对内部气压十分敏感，成为遏制其在建筑领域大规模应用的绊脚石。现有技术通常利用多种粉末与玻纤混杂，使其产生微纳米孔结构，从而降低真空绝热板导热系数对内部气压的敏感性；利用粉末的低压缩性来降低外力对玻纤骨架的厚度变化，从而降低芯材的回弹率。

中国专利CN102717579B公开了一种利用膨胀珍珠岩生产真空绝热板的方法。该法通过配料、烘干、芯料成型和包裹等工艺制得建筑用真空绝热板芯板，其优点在于制得的真空绝热板具有较低的导热系数且不易燃烧。

中国专利CN104631634B公开了一种建筑用粉体芯材真空绝热板及其制备方法。该法通过将水化硅酸钙粉、二氧化硅粉、增强纤维和辅料进行充分混合，然后将混合后的粉体压制成型并进行烘干，烘干后的粉体芯材用无纺布包裹，然后放入高阻隔性复合膜袋中，进行抽真空后并热封制成。该法采用水化硅酸钙粉为主原料，质轻价廉、防火阻燃，同时具有优异的压缩强度和较低的导热系数，适用于建筑墙体保温领域。

中国专利CN102873959B公开了一种新型真空绝热板的生产方法。该法将气相二氧化硅、微硅粉、碳黑、纤维和真空活性稳定剂充分混合，再经过烘干、成型和包裹等工艺制备建筑用真空绝热板芯材。其优点是，多种粉末的混合可以增强保温板的强度并降低导热系数；配方中碳黑的存在可吸收残余在芯材中的水分，并辅助真空活性稳定剂，维持袋内真空。

上述现有技术虽然取得了一定的效果，但是在纤维中仅仅通过多组分粉末掺杂的方法易产生粉末离散结构。芯材粉末在真空绝热板的抽真空或服役过程中易溃散，从而影响真空绝热板的尺寸稳定性及其与墙体间的粘接效果。由此芯材制备的真空绝热板上墙后，难以保证其服役性能，使用寿命也通常较短，难以经受住湿热、风压、日晒和冻融等气候环境的影响。近年来，因建筑外墙保温板脱开墙面并掉落造成的事故已有若干起，其主要原因便是材料的设计与制备问题，值得保温板制造商们广泛关注并采取新的措施加以改进。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种纳米改性玻纤复合芯材及其制备方法，使芯材综合利用玻纤的力学增强、纳米粉末的高热阻、低回弹和功能隔热的效果和聚合物的交联作用，使芯材的整体结构增强，达到兼具低导热、高耐久和高强度的目的。

本发明提供了一种纳米改性玻纤复合芯材，配方比例按重量份计包括1～20 份玻纤、70～98份纳米粉末和1～10份聚合物。

优选地方案是，所述的玻纤是短切高硅氧纤维、离心棉纤维和火焰棉纤维中的一种或几种按任意比例混合而成；优选地，所述的短切高硅氧纤维的平均直径为8～14μm，平均长度为3～12mm；优选地，所述的离心棉纤维的平均直径为 2～8μm；优选地，所述的火焰棉纤维的平均直径为1～6μm。

优选地方案是，所述的纳米粉末为气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、气凝胶、硅微粉、碳黑和SiC粉末中的一种或几种按任意比例混合。

优选地方案是，所述的聚合物为环氧树脂。

所述纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，包括如下步骤：

(1)混合纤维粉末：将玻纤和纳米粉末按照1～20：70～98的质量比混合，在容器内利用搅拌桨对其机械搅拌，获得纤维粉末混合料；

(2)配置改性液：将3-氨丙基三乙氧基硅烷、水和乙醇按照1：3～20：0～100 的体积比混合，搅拌0.1～1.5h，使其充分水解，获得改性液；

(3)改性混合料：按照纤维粉末混合料质量的1～10％和1～20％分别称取改性液和水性环氧树脂，并将其分别装入储罐A和储罐B中，通过喷雾装置将改性液喷洒于纤维粉末混合料的表面，期间不断地搅拌纤维粉末混合料，使改性液均匀地分散于混合料的表面，经搅拌0.1～2h后，再通过另外一个喷雾装置将水性环氧树脂喷洒于纤维粉末混合料的表面，经搅拌0.1～2h后分别在60～80℃、 100～150℃和160～250℃下干燥0.1～1.0h、0.5～2.5h和0～4h，得到改性混合料；

(4)压制成型：将改性混合料放入金属模具中，利用压机以60～400mm/s 的速度对改性混合料进行1～3次分级加压，每级加压的保压时间为0.1～15min，加压后的下一级加压压力递增，每级的加压压力为0.1～5MPa，获得芯材胚体；

(5)成品制备：将步骤(4)所得的芯材胚体脱模、顶出胚体、推出机外，得到纳米改性玻纤复合芯材。

优选地方案是，所述步骤(1)中的容器具体为圆筒状容器；步骤(4)中的金属模具具体为平板状或弧状或弯折状。

优选地方案是，所述步骤(1)的机械搅拌转速为200～1800r/min，搅拌时间为0.1～15min。

优选地方案是，所述步骤(4)中的压制成型的保压时间为0.1～15min，加压时的压板温度为室温～250℃。

有益效果：

本发明所述的一种纳米改性玻纤复合芯材综合利用玻纤的力学增强、纳米粉末的高热阻、低回弹和功能隔热的效果和聚合物的交联作用，使芯材的整体结构增强，达到兼具低导热、高耐久和高强度的目的。

本发明所述的制备方法与传统的干法压制成型工艺相比，能实现多次分级加压，压制速度及压缩比可调，可更好地达到柔性施压的目的，压出的胚体表面平整、周边断面规整、密度均匀，具有更好的胚体压制质量，无需通过无纺布包裹，便能防止芯材溃散；

本发明所述的生产工艺操作简单，能完成布料、压制、顶出胚体、推出机外等整个循环工作，能自动化连续压制成型，可实现大规模连续化生产，适用于生产流水线作业。

附图说明

图1是本发明所述纳米改性玻纤复合芯材的示意图。

图2是本发明所述改性液的制备示意图。

图3是本发明所述聚合物与玻纤和纳米粉末的微观界面结构示意图。

图4是本发明实施例1制备的纳米改性玻纤复合芯材的扫描电镜图。

附图标记说明：10、玻纤；20、纳米粉末；30、聚合物。

具体实施方式

实施例1

纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，包括如下步骤：

(1)混合纤维粉末：将长度为6mm、平均直径为8μm的短切高硅氧纤维和比表面积为300±25m2/g的气相二氧化硅粉末按照5：85的质量比混合，在圆筒状容器内利用搅拌桨对其机械搅拌，搅拌转速为200r/min，搅拌时间为10min，获得纤维粉末混合料；

(2)配置改性液：将3-氨丙基三乙氧基硅烷、水和乙醇按照1：5：20的体积比混合，搅拌1h，使其充分水解，获得改性液；

(3)改性混合料：按照纤维粉末混合料质量的5％和8％分别称取改性液和水性环氧树脂，并将其分别装入储罐A和储罐B中，通过喷雾装置将改性液喷洒于纤维粉末混合料的表面，期间不断地搅拌纤维粉末混合料，使改性液均匀地分散于混合料的表面，经搅拌0.5h后，再通过另外一个喷雾装置将水性环氧树脂喷洒于纤维粉末混合料的表面，经搅拌0.5h后分别在70℃、110℃和180℃下干燥0.5h、1.5h和0.5h，得到改性混合料；

(4)压制成型：将改性混合料放入平板金属模具中，利用压机以80mm/s 的速度对改性混合料进行2次分级加压，第1级加压的压力为0.5MPa、保压时间为5min、压板温度为20℃，第2级加压的压力为1.2MPa、保压时间为5min、压板温度为20℃，获得芯材胚体；

本实施例制备的纳米改性玻纤复合芯材的扫描电镜图如图4所示，其表面平整、断面规整，尺寸为300*300*10mm，密度为218kg/m3，导热系数为 48.4mW/(mK)，断裂强度为1.25MPa，制备的真空绝热板的导热系数为 5.6mW/(mK)。

实施例2

纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，包括如下步骤：

(1)混合纤维粉末：将平均直径为4μm的离心棉纤维、比表面积为 380±30m2/g的气相二氧化硅粉末和CTAB吸附比表面积为128m2/g的碳黑粉末按照5：85：5的质量比混合，在圆筒状容器内利用搅拌桨对其机械搅拌，搅拌转速为1600r/min，搅拌时间为8min，获得纤维粉末混合料；

(2)配置改性液：将3-氨丙基三乙氧基硅烷、水和乙醇按照1：8：40的体积比混合，搅拌0.5h，使其充分水解，获得改性液；

(3)改性混合料：按照纤维粉末混合料质量的3％和5％分别称取改性液和水性环氧树脂，并将其分别装入储罐A和储罐B中，通过喷雾装置将改性液喷洒于纤维粉末混合料的表面，期间不断地搅拌纤维粉末混合料，使改性液均匀地分散于混合料的表面，经搅拌0.5h后，再通过另外一个喷雾装置将水性环氧树脂喷洒于纤维粉末混合料的表面，经搅拌0.2h后分别在80℃和120℃下干燥0.5h 和1.5h，得到改性混合料；

(4)压制成型：将改性混合料放入平板金属模具中，利用压机以100mm/s 的速度对改性混合料进行1次加压，加压压力为1.2MPa、保压时间为10min、压板温度为80℃，获得芯材胚体；

本实施例制备的纳米改性玻纤复合芯材的表面平整、断面规整，尺寸为 400*600*20mm，密度为210kg/m3，导热系数为42.6mW/(mK)，断裂强度为 1.05MPa，制备的真空绝热板的导热系数为5.2mW/(mK)。

实施例3

纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，包括如下步骤：

(1)混合纤维粉末：将平均直径为3μm的火焰棉纤维、比表面积为 200±25m2/g的气相二氧化硅粉末、比表面积为115～135m2/g的沉淀二氧化硅和 2000目的SiC粉末按照8：25：55：5的质量比混合，在圆筒状容器内利用搅拌桨对其机械搅拌，搅拌转速为1200r/min，搅拌时间为10min，获得纤维粉末混合料；

(2)配置改性液：将3-氨丙基三乙氧基硅烷、水和乙醇按照1：10：80的体积比混合，搅拌0.5h，使其充分水解，获得改性液；

(3)改性混合料：按照纤维粉末混合料质量的2％和3％分别称取改性液和水性环氧树脂，并将其分别装入储罐A和储罐B中，通过喷雾装置将改性液喷洒于纤维粉末混合料的表面，期间不断地搅拌纤维粉末混合料，使改性液均匀地分散于混合料的表面，经搅拌0.2h后，再通过另外一个喷雾装置将水性环氧树脂喷洒于纤维粉末混合料的表面，经搅拌0.1h后分别在80℃和120℃下干燥1h 和2h，得到改性混合料；

(4)压制成型：将改性混合料放入弧形金属模具中，利用压机以120mm/s 的速度对改性混合料进行3次加压，第1级加压的压力为0.5MPa、保压时间为 8min、压板温度为20℃，第2级加压的压力为1.2MPa、保压时间为2min、压板温度为20℃，第3级加压的压力为1.5MPa、保压时间为2min、压板温度为20℃，获得芯材胚体；

本实施例制备的纳米改性玻纤复合芯材为弧状，厚度为15mm，密度为 238kg/m3，导热系数为46.6mW/(mK)，断裂强度为1.25MPa，制备的真空绝热板的导热系数为5.9mW/(mK)。

表1本发明实施例与传统的玻纤/气相二氧化硅复合芯材的性能对比

上述仅为本发明的几个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利于此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。

Claims

1.一种纳米改性玻纤复合芯材，其特征在于，配方比例按重量份计包括：1~20份玻纤、70~98份纳米粉末和1～10份聚合物。

2.根据权利要求1所述的纳米改性玻纤复合芯材，其特征在于，所述的玻纤是短切高硅氧纤维、离心棉纤维和火焰棉纤维中的一种或几种按任意比例混合而成；

所述的短切高硅氧纤维的平均直径为8~14μm，平均长度为3~12mm；

所述的离心棉纤维的平均直径为2~8μm；

所述的火焰棉纤维的平均直径为1~6μm。

3.根据权利要求1所述的纳米改性玻纤复合芯材，其特征在于，所述纳米粉末为气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、气凝胶、硅微粉、碳黑和SiC粉末中的一种或几种按任意比例混合。

4.根据权利要求1所述的纳米改性玻纤复合芯材，其特征在于，所述聚合物为环氧树脂。

5.一种纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，其特征在于，步骤如下：

（1）混合纤维粉末：将玻纤和纳米粉末按照1~20：70~98的质量比混合，在容器内利用搅拌桨对其机械搅拌，获得纤维粉末混合料；

（2）配置改性液：将3-氨丙基三乙氧基硅烷、水和乙醇按照1：3~20：0~100的体积比混合，搅拌0.1~1.5h，使其充分水解，获得改性液；

（3）改性混合料：按照纤维粉末混合料质量的1~10%和1~20%分别称取改性液和水性环氧树脂，并将其分别装入储罐A和储罐B中，通过喷雾装置将改性液喷洒于纤维粉末混合料的表面，期间不断地搅拌纤维粉末混合料，使改性液均匀地分散于混合料的表面，经搅拌0.1~2h后，再通过另外一个喷雾装置将水性环氧树脂喷洒于纤维粉末混合料的表面，经搅拌0.1~2h后分别在60~80℃、100~150℃和160~250℃下干燥0.1~1.0h、0.5~2.5h和0~4h，得到改性混合料；

（4）压制成型：将改性混合料放入金属模具中，利用压机以60~400mm/s的速度对改性混合料进行1~3次分级加压，每级加压的保压时间为0.1~15min，加压后的下一级加压压力递增，每级的加压压力为0.1~5MPa，获得芯材胚体；

（5）成品制备：将步骤（4）所得的芯材胚体脱模、顶出胚体、推出机外，得到纳米改性玻纤复合芯材。

6.根据权利要求5所述的纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的容器具体为圆筒状容器；步骤（4）中的金属模具具体为平板状或弧状或弯折状。

7.根据权利要求5所述的纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，其特征在于：步骤（1）的机械搅拌转速为200~1800r/min，搅拌时间为0.1~15min。

8.据权利要求5所述的纳米改性玻纤复合芯材的制备方法，其特征在于：步骤（4）中的压制成型的保压时间为0.1~15min，加压时的压板温度为室温~250℃。