CN113415045B - 一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法 - Google Patents

一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，包括以下步骤：1)物料混合，将所需原材料按照颗粒尺寸从小到大依次加入到混合容器中，两两加入混合均匀后，加入下一种原材料，混匀后再加入下一种，直至所有原材料加完，得到混合料；2)模具中铺料，以硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层为一个单元层，按照1单元层、无纺布层、2单元层、无纺布层、......N单元层的方式，在模具中进行铺料，N≥2；3)成型，室温下以1‑10Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到上下表面均匀覆盖硅橡胶的增韧纳米多孔隔热材料。采用本发明的方法制备冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料，能够兼顾材料韧性、整体性，并可有效防止表面掉粉现象的发生。

Description

一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法。
背景技术
冰包是一种具有高效保冷效果、易于携带的轻便容器，外层主要采用多孔材料实现保冷功能，主要包括多孔塑料、有机泡沫等，此类材料是微米多孔结构，不能抑制气相传热，对辐射传热也没有很好的解决办法，无法满足长期保冷的需求。
纳米多孔隔热材料是一种高孔隙率的固体材料，以纳米二氧化硅粉、陶瓷纤维等为原材料，通常采用压制或喷涂成型，具有保温/保冷效果好、轻质和随形性好的特性，制备周期短、易于大规模制造的特点，是节能减排、保温/保冷、防火隔热等领域绝佳的防护材料方案。纳米多孔隔热材料保冷结构既能减小气体的对流传热，还能减小辐射传热，从而大幅减小热量交换速度，实现冰包保冷效果的提升，推动冰包向更高性能方向发展。
但是板状的多孔纳米隔热材料易脆，韧性差，长期搬运容易造成结构破坏等问题；同时板状的多孔纳米隔热材料也不容易弯折，装配难度大，不能满足冰包的使用工况要求。而连续布增韧的多孔纳米隔热材料有望解决现有材料面临的应用难题，但如何制备出结构完整、表面状态牢固的增韧多孔纳米隔热材料难度较大，比如脱模难度大，易出现开裂、材料表面仍然有颗粒物掉落等现象。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，来解决现有板状的多孔纳米隔热材料易脆、韧性差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
1)物料混合：将所需原材料按照颗粒尺寸从小到大依次加入到混合容器中，两两加入混合均匀后，加入下一种原材料，混匀后再加入下一种，直至所有原材料加完，得到混合料；
2)模具中铺料：以硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层为一个单元层，按照1单元层、无纺布层、2单元层、无纺布层、......N单元层的方式，在模具中进行铺料，N≥2；
3)成型：室温下以1-10Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到上下表面均匀覆盖硅橡胶的增韧纳米多孔隔热材料。
优选地，所述步骤1)中，所述原材料主要包括纳米粉体材料、微米粉体材料以及纤维材料，其中纳米粉体材料尺寸为1-100nm，微米粉体材料尺寸为1-50μm，纤维材料直径为0.5-50μm。原材料尺寸超出上限，成型出的材料微观孔尺寸太大，保温效果差；原材料尺寸低于下限，成型出材料密度太大，不易被弯折。
优选地，所述步骤2)中，单层混合料层的厚度为0.1-2mm，单层硅橡胶层的厚度为0.1-0.Smm，单层无纺布层的厚度为0.2mm以下。单层混合料层厚度超过上限，材料很难被弯折。单层混合料层厚度低于下限，成型难度增大；单层硅橡胶层厚度超过上限，胶层占比较多，保温效果受影响。单层硅橡胶层低于下限，不能起到抑制纳米材料表面掉粉现象的发生；单层无纺布厚度太厚，非保温功能材料占厚度比例太多，劣化材料的保温效果。
优选地，所述步骤2)中，N为2或3，即铺料后的各层组成为：硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层；或者为：硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层。
优选地，所述步骤3)中压制成型后的最终厚度为5mm以下，更优选为3mm以下。
本发明的有益效果：
(1)采用本发明的方法制备冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料，能够兼顾材料韧性、整体性，并可有效防止表面掉粉现象的发生。
(2)采用本发明的方法制备的纳米隔热材料可通过逐层包裹的方法进行装配，解决了硬脆板型纳米隔热材料的装配难题。
(3)采用本发明的方法制备的纳米隔热材料能够有效抑制气体和辐射传热，能极大提升冰包的保冷性能，促进冰包产品性能的升级换代。
(4)采用本发明的方法制备冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料，通过材料设计和制备工艺的优化实现材料所需功能的提升，简单快捷。
具体实施方式
本发明通过改进纳米多孔隔热材料的制备方法来提高隔热材料的韧性、整体性以及防止隔热材料表面掉粉的发生。作为本发明的优选技术方案，纳米多孔隔热材料是通过设置特定的铺料方式，由多层硅橡胶层、混合料层以及无纺布层以特定的组合方式进行铺料，压制而成。
作为组成混合料层的原材料，主要包括纳米粉体材料、微米粉体材料以及纤维材料。作为纳米粉体材料可以选择纳米二氧化硅、气相二氧化硅等，微米粉体材料可以选择钛白粉、二氧化钛颗粒、碳化硅粉等，纤维材料可以选择无机纤维，例如玻璃纤维等。其中，纳米粉体材料的尺寸为1纳米-100纳米，微米粉体原材料尺寸为1微米-50微米，纤维原材料直径为0.5微米-50微米。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例中选择纳米二氧化硅、玻璃纤维、钛白粉颗粒为原材料制备纳米多孔隔热材料。其中，三种原材料的粒度分别为：纳米二氧化硅尺寸为8纳米、钛白粉尺寸为9微米，玻璃纤维直径为7微米。
三种原材料的质量比为：纳米二氧化硅∶玻璃纤维∶钛白粉颗粒＝80∶5∶15。
先将纳米二氧化硅与钛白粉颗粒加入混合容器中混合均匀，再加入玻璃纤维，继续混合均匀得到混合料。在模具中依次铺设混合料层、无纺布层、混合料层，其中单层混合料层的厚度为6mm，无纺布层的厚度为0.1mm，总厚度为12.1mm。最后，在室温下以2.5Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到隔热材料。
所得到的隔热材料的厚度为2.1mm，密度为0.5g/cm3。压缩强度为2.1MPa，室温下的热导率为0.028W/(m·k)，表面掉粉，可弯折，最大弯折角度为120度。
实施例2
本实施例中选择纳米二氧化硅、玻璃纤维、钛白粉颗粒为原材料制备纳米多孔隔热材料。其中，三种原材料的粒度分别为：纳米二氧化硅尺寸为8纳米、钛白粉尺寸为9微米，玻璃纤维直径为7微米。
三种原材料的质量比为：纳米二氧化硅∶玻璃纤维∶钛白粉颗粒＝80∶5∶15。
先将纳米二氧化硅与二氧化钛颗粒加入混合容器中混合均匀，再加入玻璃纤维，继续混合均匀得到混合料。在模具中依次铺设混合料层、无纺布层、混合料层，其中单层混合料层的厚度为9mm，无纺布层的厚度为0.1mm，总厚度为18.1mm。最后，在室温下以3.5Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到隔热材料。
所得到的隔热材料的厚度为2.1mm，密度为0.7g/cm3。压缩强度为3.2MPa，室温下的热导率为0.033W/(m·k)，表面轻微掉粉，很难弯折。
实施例1和实施例2的制备出的材料主要是密度不一样，对本发明制备的增韧纳米多孔隔热材料来说，材料密度越大，强度越大，就越难弯折；密度越大，材料越致密，原材料颗粒之间结合的更紧密，就越不容易掉粉。因此，实施例2制备出的增韧纳米多孔隔热材料弯折性更差，但是表面不容易掉粉。
实施例3
本实施例中选择气相二氧化硅、钛白粉、玻璃纤维为原材料制备纳米多孔隔热材料。其中，三种原材料的粒度分别为：纳米二氧化硅尺寸为8纳米、钛白粉尺寸为9微米，玻璃纤维直径为7微米。
三种原材料的质量比为：气相二氧化硅∶钛白粉∶玻璃纤维＝80∶15∶5。
先将气相二氧化硅、钛白粉加入混合容器中混合均匀，再加入玻璃纤维，继续混合均匀得到混合料。在模具中依次铺设硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层，其中单层硅橡胶层的厚度为0.1mm，单层混合料层的厚度为5.5mm，总厚度为11.3mm。最后，在室温下以2Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到隔热材料。
所得到的隔热材料的厚度为2.1mm，密度为0.5g/cm3。压缩强度为1.8MPa，室温下的热导率为0.028W/(m·k)，表面不掉粉，可简单弯折，最大弯折角度为140度。
实施例4
本实施例中选择气相二氧化硅、钛白粉、玻璃纤维为原材料制备纳米多孔隔热材料。其中，三种原材料的粒度分别为：纳米二氧化硅尺寸为8纳米、钛白粉尺寸为9微米，玻璃纤维直径为7微米。
三种原材料的质量比为：气相二氧化硅∶钛白粉∶玻璃纤维＝80∶15∶5。
先将气相二氧化硅、钛白粉加入混合容器中混合均匀，再加入玻璃纤维，继续混合均匀得到混合料。在模具中依次铺设硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层，其中单层硅橡胶层的厚度为0.1mm，单层混合料层的厚度为7.5mm，总厚度为15.3mm。最后，在室温下以3Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到隔热材料。
所得到的隔热材料的厚度为2.1mm，密度为0.7g/cm3。压缩强度为2.9MPa，室温下的热导率为0.033W/(m·k)，表面不掉粉，不能弯折。
实施例3和实施例4的制备出的材料主要是密度不一样，对本发明制备的增韧纳米多孔隔热材料来说，材料密度越大，强度越大，就越难弯折；密度越大，材料越致密，原材料颗粒之间结合的更紧密，就越不容易掉粉。又因为实施例3和实施例4的增韧纳米隔热材料中都有硅橡胶层，此层能够抑制掉粉现象的发生。因此，实施例3和实施例4制备的增韧纳米多孔隔热材料表面都不掉粉。但实施例4制备的材料因为强度太大，仍然不能弯折。
实施例5
本实施例中选择气相二氧化硅、碳化硅粉、玻璃纤维为原材料制备纳米多孔隔热材料。其中，三种原材料的粒度分别为：纳米二氧化硅尺寸为8纳米、钛白粉尺寸为9微米，玻璃纤维直径为7微米。
三种原材料的质量比为：气相二氧化硅∶钛白粉∶玻璃纤维＝80∶15∶5。
先将气相二氧化硅和钛白粉加入混合容器中混合均匀，再加入玻璃纤维，继续混合均匀得到混合料。在模具中依次铺设硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层，其中单层硅橡胶层的厚度为0.1mm，单层混合料层的厚度为3.2mm，无纺布层的厚度为0.1mm，总厚度为6.9mm。最后，在室温下以2.5Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到隔热材料。
所得到的隔热材料的厚度为2.1mm，密度为0.5g/cm3。压缩强度为2.0MPa，室温下的热导率为0.028W/(m·k)，表面不掉粉，可弯折，最大弯折角度为90度。
实施例5和实施例1、3相比，制备出的材料密度等性能基本一样，不同在于，实施例5中既有硅橡胶层，又有无纺布层，起到了双重增韧增强的目的，能够提高所制备材料的弯折性能，同时又能抑制掉粉现象的发生，是最佳的结构组合，能够保证制备出的增韧纳米多孔隔热材料具有较好的弯折性能，满足冰包的使用需求。

Claims (5)

1.一种冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）物料混合：将所需原材料按照颗粒尺寸从小到大依次加入到混合容器中，两两加入混合均匀后，加入下一种原材料，混匀后再加入下一种，直至所有原材料加完，得到混合料；所述原材料主要包括纳米粉体材料、微米粉体材料以及纤维材料，其中纳米粉体材料尺寸为1-100nm，微米粉体材料尺寸为1-50µm，纤维材料直径为0.5-50µm；
2）模具中铺料：以硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层为一个单元层，按照1单元层、无纺布层、2单元层、无纺布层、……N单元层的方式，在模具中进行铺料，N≥2；
3）成型：室温下以1-10Mpa的压力缓慢压制物料至不再变化，缓慢泄压后得到上下表面均匀覆盖硅橡胶的增韧纳米多孔隔热材料。
2.根据权利要求1所述的冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，单层混合料层的厚度为0.1-2mm，单层硅橡胶层的厚度为0.1-0.5mm，单层无纺布层的厚度为0.2mm以下。
3.根据权利要求1所述的冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，N为2或3，即铺料后的各层组成为：硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层；或者为：硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层、无纺布层、硅橡胶层、混合料层、硅橡胶层。
4.根据权利要求1所述的冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中压制成型后的最终厚度为5mm以下。
5.根据权利要求4所述的冰包保冷用增韧纳米多孔隔热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中压制成型后的最终厚度为3mm以下。
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