CN112681009B - 一种纸基耐高温复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸基耐高温复合材料及其制备方法和应用，所述的制备方法是先利用短切纤维、玻璃棉、粘结纤维进行疏解，分别得到两种悬浮液，通过斜网多层成型工艺，得到具有两层玻纤纸，然后一起进行压榨、干燥制得复合玻纤纸，通过优化纤维原料的配比和纤维尺寸，来提高玻纤纸的力学性能，进一步将玻纤纸浸渍于二氧化硅气凝胶溶液，通过调控二氧化硅气凝胶溶液的浓度，来控制玻纤纸纤维之间的空隙结构，制得具有多层结构的纸基耐高温复合材料，进一步提高材料的力学性能，并且防止二氧化硅气凝胶的泄漏，从而保证隔热性能，并且制备过程没有使用其他添加剂，在高温下使用不会产生有毒气体或者可燃气体，使用安全。

Description

一种纸基耐高温复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及造纸工业技术领域，更具体地，涉及一种纸基耐高温复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

隔热材料又称为绝热材料，主要用于阻滞热流传递、防止设备及管道热量散失、降低建筑能耗等，属于功能材料，一般要求材料的热导率小于0.23W/(m·K)。隔热材料按照材质的不同可以分为有机隔热材料和无机隔热材料。有机隔热材料主要有泡沫橡胶、聚氨酯泡沫及泡沫塑料等，在日常生活中应用广泛，如用在冰箱、油罐的隔热层及建筑外墙保温芯等。但有机隔热材料也有其局限性，它们在高温条件下易分解，一旦起火容易引起严重的火灾危害。此外，在长期使用过程中，还会散发有毒物质，影响身体健康。无机隔热材料按其形态不同，可以分为多孔状、纤维状及粉末状，无机隔热材料具有一定的耐火性，可以用于高温场所，一般用于建筑、冶金、化工、电力、石油、热电池隔热等领域需要隔热的设备中。

气凝胶是一种具有独特纳米多孔网络结构的轻质材料，是目前已知的热导率最低的固体物质，被称为超级绝热材料。二氧化硅气凝胶是一种常用的气凝胶材料，具有高孔隙率、高比表面积、低密度、低热导率等优异性能，常用于制备隔热材料。但是由于二氧化硅气凝胶机械强度差，阻碍了它的进一步发展。为了拓宽二氧化硅气凝胶的应用范围，通常将纤维与二氧化硅气凝胶复合制备一类新型复合材料。

中国专利CN201010563640.5公开了一种高强隔热纸的制备方法，将长玻璃纤维、针叶木浆作为原料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，制得纤维纸基材，然后浸渍到含有促凝剂的溶胶中，在超临界CO₂干燥，最后浸渍到聚乙烯醇水溶液，加热加压干燥后制得复合有纳米二氧化硅气凝胶粉体的隔热纸基材料，所制备的产品力学性能和隔热性能(常温热导率0.06W/m·K)有一定的提高，但是该方法使用的聚乙烯醇粘结剂是一种致癌物，而且在高温下使用会分解释放出可燃气体，降低了该隔热纸高温使用时的安全性，并且隔热性能不够好，制备方法较为繁琐。

因此，如何提供一种隔热材料，使其同时具有力学性能好、热导率低的特性，且能在高温条件下使用，并简化制造工艺、降低生产成本成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有纸基隔热材料不能同时具备力学性能好、热导率低以及能在高温条件下使用、制备步骤简便的缺陷和不足，提供一种纸基耐高温复合材料的制备方法，本发明先制得两层玻纤纸，作为纸基材料，进一步改进纸基材料与二氧化硅气凝胶的复合工艺，制得力学性能好，热导率低，隔热性能好，可高温使用的纸基耐高温复合材料，同时简化了制造工艺。

本发明的另一目的是提供一种纸基耐高温复合材料。

本发明的又一目的是提供一种纸基耐高温复合材料的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种纸基耐高温复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将质量比为1：(3～9)的短切纤维和玻璃棉进行疏解，得到第一悬浮液，将质量比为1：(0～0.5)：(0～0.3)的短切玻纤、玻璃棉和粘结纤维进行疏解得到第二悬浮液；然后将第一悬浮液和第二悬浮液通过斜网多层成型工艺制得两层玻纤纸，分别为第一玻纤纸和第二玻纤纸，其中，所述第一玻纤纸和第二玻纤纸中的短切纤维的长度为3～12mm；第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比为1：

(0.1～1)；

S2.将步骤S1制得的第一玻纤纸和第二玻纤纸一起进行压榨，干燥；然后一起浸入二氧化硅气凝胶溶液中，待溶剂完全挥发后，即得纸基耐高温复合材料；其中所述二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度为1％～10％。

本发明采用短切纤维、玻璃棉作为纤维原料，制得第一悬浮液，然后将的短切纤维、玻璃棉和粘结纤维进行疏解，得到第二悬浮液，通过斜网多层成型工艺，一次成型操作，同时得到双层玻纤纸，在湿纸状态下复合，复合更为紧密，有利于提高耐高温效果，然后进行一起压榨、干燥制得具有两层结构的复合玻纤纸，最后与二氧化硅气凝胶溶液混合制得纸基耐高温复合材料，本发明通过优化纤维原料的配比和纤维尺寸，来提高玻纤纸的力学性能，进一步将玻纤纸浸渍于二氧化硅气凝胶溶液，通过调控二氧化硅气凝胶溶液的浓度，来控制玻纤纸纤维之间的空隙结构，制得具有双层结构的纸基耐高温复合材料，所使用的原料无毒无害，更为安全，进一步提高材料的力学性能，并且防止二氧化硅气凝胶的泄漏，从而得到力学性能较好、热导率较低、隔热性能好、可以高温使用的纸基耐高温复合材料，本发明的制备过程没有使用其他添加剂，可充分发挥出二氧化硅气凝胶热导率低的优势，并采用湿法成型技术，简化了制造工艺。

优选地，步骤S1所述短切纤维的长度为3～6mm。

优选地，步骤S1所述短切纤维和玻璃棉质量比为1：4～8。

优选地，步骤S1所述第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比为1：0.2～0.85。

优选地，步骤S2所述二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度为2％～7％。

优选地，步骤S1所述第一玻纤纸和第二玻纤纸中的短切纤维为玻璃纤维、石英纤维、玄武岩纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维中的一种或几种。

优选地，步骤S1所述粘结纤维为双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(PET纤维)、聚烯烃纤维(ES纤维)、双组分尼龙纤维、水溶性聚乙烯醇纤维(PVA纤维)中的一种或几种。

优选地，步骤S1将短切纤维和玻璃棉分散于水中，得到第一悬浮液，再将短切纤维、玻璃棉和粘结纤维分散于水中，得到第二悬浮液，然后分别将第一和第二悬浮液放置于不同的流浆箱中，进行斜网多层成型工艺的操作。

优选地，所述悬浮液的质量百分浓度为0.01％～0.25％。

优选地，所述悬浮液的制备方法为将短切纤维、粘结纤维和玻璃棉分散于水中，采用疏解机将短切纤维和玻璃棉疏解均匀，得到悬浮液。

优选地，步骤S1所述第一玻纤纸和第二玻纤纸中的玻璃棉直径为0.2～2μm。

优选地，步骤S1所述粘结纤维长度为3～12mm。

优选地，步骤S1所述的二氧化硅气凝胶溶液是由二氧化硅气凝胶溶于有机溶剂中，通过超声分散后得到。

优选地，所述有机溶剂为乙醇或丙酮。

优选地，步骤S2所述干燥的温度为90～155℃。

优选地，步骤S2所述压榨的压力为0～0.4MPa，时间为10s～70s。

优选地，还包括第三玻纤纸，其制备方法与第二玻纤纸相同，然后按照从里到外为第二玻纤纸、第一玻纤纸和第三玻纤纸一起进行压榨，干燥；然后一起浸入二氧化硅气凝胶溶液中，待溶剂完全挥发后，即得纸基耐高温复合材料。第三玻纤纸有利于进一步提高材料的力学性能，更好地防止二氧化硅气凝胶的泄漏。

本发明保护上述制备方法制得的纸基耐高温复合材料。

本发明还保护上述纸基耐高温复合材料在制备隔热材料中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用短切纤维、玻璃棉、粘结纤维作为纤维原料，先将一定配比的短切纤维和玻璃棉制得第一悬浮液，然后将一定配比的短切纤维、玻璃棉和粘结纤维制得第二悬浮液，通过斜网多层成型工艺，得到双层玻纤纸，然后一起进行压榨、干燥制得具有多层结构的复合玻纤纸，通过优化纤维原料的配比和纤维尺寸，来提高玻纤纸的力学性能，进一步将玻纤纸浸渍于二氧化硅气凝胶溶液，通过调控二氧化硅气凝胶溶液的浓度，来控制玻纤纸纤维之间的空隙结构，制得具有多层结构的纸基耐高温复合材料，进一步提高材料的力学性能，并且防止二氧化硅气凝胶的泄漏，从而保证隔热性能，并且制备过程没有使用其他添加剂，在高温下使用不会产生有毒气体或者可燃气体，使用安全，可充分发挥出二氧化硅气凝胶热导率低的优势，采用湿法成型技术，简化了制造工艺，本发明制得的纸基耐高温复合材料具有力学性能好、热导率低、隔热性能好、可以高温使用的特点，可广泛应用于建筑、冶金、化工、电力、石油、热电池隔热等领域。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。

附图说明

图1为实施例1制备纸基耐高温复合材料的流程示意图。

图2为斜网多层成型工艺示意图。

实施例1

一种纸基耐高温复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将玻璃纤维和玻璃棉按照1：3分散于水中，疏解得到质量百分浓度为0.1％的第一悬浮液，再将玻璃纤维疏解得到质量百分浓度比为0.01％的第二悬浮液，将两种悬浮液分别倒入流浆箱中，通过斜网多层成型工艺制得两层玻纤纸，分别为第一玻纤纸和第二玻纤纸，其中，第一玻纤纸和第二玻纤纸的玻璃纤维的长度均为6mm；其中第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比为1：0.1；

S2.然后将第一玻纤纸和第二玻纤纸一起进行成型、压榨，压榨后放在平板干燥器中干燥；干燥温度为100℃，时间为180s；最后再将成型后的玻纤纸一起浸在二氧化硅气凝胶质量百分浓度为2％二氧化硅气凝胶溶液中，待乙醇完全挥发后，即得耐高温复合材料。

实施例2

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸中玻璃纤维和玻璃棉配比替换为1:4；采用质量比为1:0.5的短切玻纤和玻璃棉制得第二玻纤纸。

实施例3

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸玻璃纤维和玻璃棉配比替换为1:9；采用质量比为1:0.2:0.1的短切玻纤:玻璃棉:双组分PET制得第二玻纤纸。

实施例4

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将玻璃纤维的长度替换为3mm。

实施例5

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将玻璃纤维的长度替换为12mm。

实施例6

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将玻璃纤维的长度替换为9mm。

实施例7

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度替换为1％。

实施例8

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将玻璃纤维替换为氧化铝纤维。

实施例9

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将玻璃纤维替换为玄武岩纤维。

实施例10

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度替换为10％。

实施例11

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度替换为4.5％。

实施例12

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度替换为7.0％。

实施例13

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比替换为1：0.5。

实施例14

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比替换为1：1。

实施例15

本实施例的制备方法与实施例1相同，区别在于，还包括第三玻纤纸，其制备方法与第二玻纤纸相同，将制备好的第二和第三玻纤纸分别放在第一玻纤纸的上下两侧，然后进行压榨干燥；最后一起浸入二氧化硅气凝胶溶液中，待溶剂完全挥发后，即得纸基耐高温复合材料。

对比例1

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸中玻璃纤维和玻璃棉配比替换为1：11。

对比例2

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，玻璃纤维和玻璃棉配比替换为1：2。

对比例3

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸和第二玻纤纸中玻璃纤维替换长度为2mm。

对比例4

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将第一玻纤纸和第二玻纤纸中玻璃纤维替换长度为15mm。

对比例5

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度替换为0.5％。

对比例6

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，将二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度替换为20％。

对比例7

本对比例的制备方法与实施例1相同，区别在于，步骤S2中将玻纤纸浸渍于二氧化硅气凝胶溶液中的步骤替换为将二氧化硅气凝胶溶液涂布在抄好的玻纤纸上面。

对比例8

本对比例不含有第二玻纤纸，直接将第一玻纤纸浸渍于二氧化硅气凝胶溶液中，取出干燥制得玻纤纸。

性能测试

1、测试方法

(1)拉伸强度：根据国标《GBT 12914-2018纸和纸板抗张强度》的方法测抗张强度，然后根据国标《GB/T 451.3-2002纸和纸板厚度的测定》测量厚度，最后根据拉伸强度＝抗张强度/厚度，得出试样断裂时所承受的最大拉伸应力。

(2)常温热导率：采用瞬态平面热源法测试，测量过程中，将探头置于两片平整的样品之间，在探头上通过恒定的电流，温度增加使探头的电阻发生变化，从而在探头两端产生一定的电压降，由于电压与探头的温度上升成正比，因此从温度对时间的数据就可以计算出样品的导热系数。测试过程中，要求上下两个样品都具有平整的一面，而且该面的面积不小于探头面积的两倍。

2、测试结果

表1各实施例和对比例制得的复合材料性能测试结果

由表1可知，实施例1～15所制得的纸基耐高温复合材料在拉伸强度上有一定的提高，说明具有较好的力学性能，并且热导率较低，隔热性能好，不需要使用有毒的有机高分子粘结剂，可以在高温下使用。而对比例1和对比例2由于改变了玻璃纤维和玻璃棉的用量配比，材料的拉伸强度下降，热导率变大；对比例3的玻璃纤维长度变短，拉伸强度降低，热导率变大；对比例4换成较长的玻璃纤维，复合材料的拉伸强度变大，但热导率也随之变大；对比例5使用二氧化硅的质量百分浓度较小的二氧化硅气凝胶溶液，热导率明显变大；对比例6使用二氧化硅的质量百分浓度较大的二氧化硅气凝胶溶液，虽然热导率较低，但是拉伸强度也降低，不能满足使用的要求；对比例7改变了二氧化硅气凝胶的添加方式，虽然二氧化硅气凝胶的质量百分浓度与实施例1相同，但是由于涂布过程中乙醇迅速挥发，导致二氧化硅气凝胶在玻纤纸上分布不均匀，材料热导率变大，隔热性能较差。而对比例8仅采用一层玻纤纸制得的纸基材料，由于没有第二层纤维起增强作用，导致纤维的强度明显变小。由以上结果可知，随着二氧化硅质量百分浓度的增加，复合材料的热导率越来越低，因为二氧化硅质量很轻，所以随着二氧化硅含量的增多，密度越来越小，但是二氧化硅几乎没有强度，所以随着二氧化硅含量的增多，力学强度也会越来越低，因此二氧化硅质量百分浓度需要在一个合适的范围内以及采用合适的与纸基材料复合工艺才能保证制得的纸基耐高温复合材料具有较好的力学性能和隔热性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纸基耐高温复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将质量比为1：(3～9)的短切纤维和玻璃棉进行疏解，得到第一悬浮液，将质量比为1：(0～0.5)：(0～0.3)的短切玻纤、玻璃棉和粘结纤维进行疏解得到第二悬浮液；然后将第一悬浮液和第二悬浮液通过斜网多层成型工艺制得两层玻纤纸，分别为第一玻纤纸和第二玻纤纸，其中，所述第一玻纤纸和第二玻纤纸中的短切纤维的长度为3～12mm；第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比为1：(0.1～1)；

S2.将步骤S1制得的第一玻纤纸和第二玻纤纸一起进行压榨，干燥；然后一起浸入二氧化硅气凝胶溶液中，待溶剂完全挥发后，即得纸基耐高温复合材料；其中所述二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度为1％～10％。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述第一玻纤纸和第二玻纤纸中的短切纤维的长度为3～6mm。

3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述短切纤维和玻璃棉的质量比为1：4～8。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述第一玻纤纸和第二玻纤纸的厚度比为1：0.2～0.85。

5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S2所述二氧化硅气凝胶溶液中二氧化硅的质量百分浓度为2％～7％。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述第一玻纤纸和第二玻纤纸中的短切纤维为玻璃纤维、石英纤维、玄武岩纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1将短切纤维和玻璃棉分散于水中，得到第一悬浮液，再将短切纤维、玻璃棉和粘结纤维分散于水中，得到第二悬浮液，然后分别将第一和第二悬浮液放置于不同的流浆箱中，进行斜网多层成型工艺的操作。

8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述粘结纤维为双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚烯烃纤维、双组分尼龙纤维、水溶性聚乙烯醇纤维中的一种或几种。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制得的纸基耐高温复合材料。

10.权利要求9所述纸基耐高温复合材料在制备隔热材料中的应用。

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