CN114180881A - 一种可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料及其制备方法。关键是该复合保温材料为内、外层(2、1)的两层结构，且外层(1)的外表面至内、外层(2、1)的交界面(3)的孔隙度是递增的，内、外层(2、1)的交界面(3)至内层(2)的另一表面的孔隙度是递增的。本发明结合多个组分的不同粒径和组分的改性，具有极佳的阻热传导的性能。

Description

一种可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高温设备用的无机保温材料，具体地说是一种可卷曲并具有多级孔隙的陶瓷复合保温材料以及制备方法。
背景技术：
高温设备以及高温设备之间的管道均需要设置保温材料，目前高温管道的保温材料主要由软质可卷曲的无机棉制备，如硅酸铝棉、玻璃棉或岩棉，也可使用预先制备成管壳状的具有一定强度但无变形能力的硬质无机保温材料，如硅酸钙材料。无论是上述的软质或硬质保温材料，其通常由一种主要原料，配合多种辅料复合而成，材料内部所形成的孔隙尺寸通常较为单一，使其最佳保温温度区局限在较窄的范围，尤其是在较高温使用时，软质材料容易变形，在保温材料与保温设备如管道之间产生较大的空隙，造成严重的热损失；而硬质材料则容易粉化，失去保温能力。近年来出现了介于软质材料和硬质材料之间的多腔孔陶瓷复合保温材料，其具有一定的可卷曲性，又有一定强度，在较高温下具有较好的保温性能，但是当前的多腔孔陶瓷复合保温材料需要较长的烘干过程，能耗较高，生产周期长，并且在保温性能上仍有不足，卷曲性能也有待提高，因此具有更佳性能的保温材料仍是一个有待解决的问题。
发明内容：
本发明的发明目的是公开一种具有良好的综合性能，使用方便和制备成本较低的陶瓷复合保温材料及其制备方法。
实现本发明的技术解决方案如下：该复合保温材料为内、外层的两层结构，外层按重量份数计的组分是：40份陶瓷纤维、30份陶瓷空心珠、10份纳米级气相型二氧化硅粉、5份聚乙烯醇、5份分散剂和适量水；内层按重量份数计的组分是：40份陶瓷纤维、30份陶瓷空心珠、10份纳米级气相型二氧化硅粉、10份片状蛭石、5份聚乙烯醇、5份分散剂和适量水；且外层的外表面至内、外层的交界面的孔隙度是递增的，内、外层的交界面至内层的另一表面的孔隙度是递增的。
所述的陶瓷空心珠为按重量份数计的20份玻化微珠和10份陶瓷空心微珠；分散剂由3份起泡剂和2份聚硼硅氧烷构成。
所述的陶瓷纤维为氧化铝纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、氧化镁纤维的一种或两种以上的组合；陶瓷空心微珠为氧化铝空心微珠，二氧化硅空心微珠的一种或两种。
所述的玻化微珠表面包覆有氧化钇的表面层。
所述的陶瓷纤维的直径为5～10微米，长度5～10厘米；陶瓷空心珠的粒径为10～30微米；纳米级气相型二氧化硅粉的粒径为10～50纳米；片状蛭石的最大长度为70微米，厚度为5微米；玻化微珠的粒径为70～150微米。
所述的保温材料的内、外层的含水量为8～12％。
所述的保温材料的外层的表面有一有多孔的有机材料薄膜，或在保温材料的两表面均有一多孔的有机材料薄膜。
所述的可卷曲具有微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料的制备方法是：
a.外层浆料的制备：陶瓷纤维加入适量水和分散剂进行分散得混合浆料，将陶瓷空心珠、纳米级气相型二氧化硅粉进行干混至均匀后，与聚乙烯醇加入上述的混合浆料得外层浆料，静置4～6小时；
b.内层浆料的制备：在上述步骤a的部分外层浆料中加入片状蛭石置入混合机进行搅拌混合，静置4～6小时得内层浆料；
c.在离心桶内置入外层浆料，离心桶以离心线速度为10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5m/s，最后增速至离心线速度为10～12m/s，得附着于离心桶壁的保温材料外层；
d.在离心桶内再置入内层浆料，离心桶以离心线速度为10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5m/s，最后增速至离心线速度为10～12m/s，内层附着于上述的外层；
e.步骤d得到的两层结构的得品经干燥得含水量为8～12％的保温材料。
所述的步骤c和步骤d的离心桶的离心旋转时间为10～15分钟。
在步骤e的得品保温材料的外层的外表面贴覆一多孔的有机材料薄膜，或在保温材料的两表面均贴覆一多孔的有机材料薄膜。
本发明通过精心且反复多次试验和检测得到一个优化的多组分的配方与配比，并结合多个组分的不同粒径和组分的改性，使保温材料具有极佳的阻热传导的性能，同时使保温材料从一表面至另一表面形成两个孔隙度的梯度构成，进一步增加了保温材料的隔热性能，保温材料具有的特定的含水率使保温材料具有极佳的可卷曲度，同时使保温材料在高温如500℃～800℃使用状态时，具有更佳的性能。同时保温材料的制备方法不仅较现有技术在工艺上简化，使制备成本大幅降低和节约能源。
附图说明：
图1为本发明的结构和应用于管道保温的断面示意图。
具体实施方式：
结合图1给出本发明的具体实施例的详细描述，需要指出的是对具体实施的描述是为便于对本发明的技术实质的深入理解，而不应是对本发明的权利要求的保护范围的限制。
请参见图1，本发明的具体实施例的技术解决方案是：一种可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，该复合保温材料为内、外层(2、1)的两层结构，内层2为接触高温部件如高温管道的部分，外层1是指与内层2结合并与大气环境接触部分，外层1按重量份数计的组分构成是：40份的陶瓷纤维、30份的陶瓷空心珠、10份的纳米级气相型二氧化硅粉、5份的聚乙烯醇、5份的分散剂和适量水；而内层2按重量份数计的组分构成是：40份的陶瓷纤维、30份的陶瓷空心珠、10份的纳米级气相型二氧化硅粉、10份的片状蛭石、5份的聚乙烯醇、5份的分散剂和适量水。上述的内、外层(2、1)按后面将要描述的制备方法制备成两层结构，其中陶瓷纤维材料除具有耐高温性能外，具有一定长度的陶瓷纤维可使保温材料具有良好的整体连接性能、韧性和可卷曲性，其长度和长径比是经过大量的试验而确定的，长度过长不利于内、外层(2、1)材料的混合和混合的均匀性，会出现局部堆积和局部的强度的弱化，长度过短则影响连接性能和可卷曲性能；陶瓷空心珠和纳米级气相型二氧化硅粉即起到在陶瓷纤维之间的填充作用，同时具有良好的隔热性能和使保温材料具有不同的孔隙度的分层，而不同的孔隙度的分层对提高保温材料的隔热性能有重要作用，而这种孔隙度的分层对粒径和含量有特定的要求；内层2中的片状蛭石具有较大的尺寸和质量，其起到在内层2中的定向排列而增加韧性外，也起到抑制辐射传热的作用，同时由于其具有较大的质量使其多数集中在内、外层(2、1)的交界面3附近，使内层2接近交界面3的部分具有较大的孔隙度(这在后续的制备方法中将更详细地描述)；聚乙烯醇和分散剂提高内、外层(2、1)的流变性能和形成孔隙的性能。上述的两层结构的保温材料具有极佳的保温性能，特别是在500℃以上高温状态下使用时较现有保温材料，性能更为突出。
为进一步提高保温材料的性能，所述的陶瓷空心珠为按重量份数计的20份的玻化微珠和10份的陶瓷空心微珠；分散剂由3份的起泡剂和2份的聚硼硅氧烷构成；上述的起泡剂为常规使用的起泡剂即可，无特定要求。上述的玻化微珠和陶瓷空心微珠具有不同的直径和比重，在内层2和外层1中分布不同，形成不同的孔隙度，对提高隔热材料的隔热性能有较大的提高。
所述的陶瓷纤维为氧化铝纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、氧化镁纤维的一种或两种以上的组合；陶瓷空心微珠为氧化铝空心微珠，二氧化硅空心微珠的一种或两种；视隔热材料的使用时的要求，进行陶瓷纤维和陶瓷空心微珠的选择。
为进一步提高隔热效果，所述的玻化微珠表面包覆有氧化钇的表面层，具有氧化钇的表面玻化微珠可有效地反射来自高温管道的热辐射，可进一步提高隔热效果。
上述的陶瓷纤维的直径为5～10微米，长度5～10厘米；陶瓷空心珠的粒径为10～30微米，纳米级气相型二氧化硅粉的粒径为5～10纳米；片状蛭石的最大长度为70微米，厚度为5微米；玻化微珠的粒径为70～150微米。上述的较大尺寸的玻化微珠和/或片状蛭石在内层2和外层1中形成较大的孔隙，由于比重不同，在内层2和外层1中有不同的密度分布，同时较小尺寸的陶瓷空心珠和纳米级气相型二氧化硅粉的混合，填充上述的较大孔隙，增加隔热材料的整体的密实度并提高强度。上述的陶瓷纤维以杂乱状态适应上述的孔隙度，其长度的选择也是经反复试验而确定的，既可有效地均匀分散又具有良好的连接效果，提高隔热材料的强度和可卷曲性能。
所述的保温材料的内、外层(2、1)中的含水量为8～12％，保温材料成型后具有特定的含水量可使保温材料具有良好的可卷曲性能，并且在高温使用时会有部分水份蒸发而在保温材料中再形成更多的孔隙，进一步增加保温材料的隔热性能。为避免保温材料在高温使用时过渡失去含水量，在保温材料的外层1的表面有一有多孔的有机材料薄膜，或保温材料的两表面均有一多孔的有机材料薄膜；由于多孔的有机材料薄膜覆盖在保温材料的外层1的表面，在允许保温材料中的部分水份缓慢蒸发的同时，又保证水份不会完全蒸发掉，保证保温材料不会因为完全失去水份而出现裂纹，保证保温材料在长期的使用中保持强度和整体性，大幅提高保温材料的使用寿命。
上面已详细地给出了本发明的保温材料的整体结构特点，下面详细描述保温材料的制备方法，该制备方法是：a.外层浆料的制备：陶瓷纤维加入适量水和分散剂进行分散得混合浆料，将陶瓷空心珠、纳米级气相型二氧化硅粉进行干混至均匀后，与聚乙烯醇加入上述的混合浆料得外层浆料，静置4～6小时；b.内层浆料的制备：在上述步骤a的部分外层浆料中加入片状蛭石置入混合机进行搅拌混合，静置4～6小时得内层浆料；c.在离心桶内置入外层浆料，离心桶以离心线速度为10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5m/s，最后增速至离心线速度为10～12m/s，得附着于离心桶壁的保温材料外层；d.在离心桶内再置入内层浆料，离心桶以离心线速度为10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5m/s，最后增速至离心线速度为10～12m/s，内层附着于上述的外层；e.步骤d得到的两层结构的得品经干燥得含水量为8～12％的保温材料。
在上述的制备方法中，所述的步骤a和步骤b中的分段分散、混合的过程可以使内层2和外层1的浆料的混合均匀性达到最佳，当外层浆料置入离心桶后，离心桶旋转，在离心力的驱动下，外层浆料将附着于离心桶的侧壁表面，随着外层浆料内的水份的减小，外层浆料可完全附着于离心桶的侧壁面，上述的离心线速度是指离心桶桶壁边缘的速度。上述的离心桶的旋转过程分为三个阶段，第一阶段的离心线速度为10m/s，是为外层浆料迅速沿离心桶壁面爬升并基本均匀附着于离心桶壁面；第二阶段的离心线速度为5m/s，减速是为继续减少外层浆料中的水份的同时使外层逐渐密实；第三阶段的离心桶的离心线速度又增速至10～12m/s，是为使外层1的水份进一步减少和进一步增加外层1的密度。整个离心旋转的步骤c和步骤d的过程时间为10～15分钟，步骤c的该时间可保证外层材料的密实和有充分时间允许不同粒度尺寸和质量的各组分颗粒在振动状态的旋转过程中，实现各组分颗粒的非均匀的分布。同理，步骤d的上述10～15分钟的旋转时间，也同样实现内层2中的各组分颗粒的非均匀的分布；在上述的外层1中，大尺寸的颗粒如陶瓷空心珠特别是玻化微珠形成整体的空间堆积结构，陶瓷空心珠之间形成较大的孔隙，而旋转过程中，较小的颗粒会通过上述的较大的孔隙形成的通道向外层1外表面(与离心桶接触的表面)运动汇集，最终形成外层1的外表面至内、外层(2、1)的交界面3的孔隙度是递增的，即密度是递减的。同理，在上述的内层2中，形成内、外层(2、1)的交界面3至内层2的另一表面的孔隙度也是递增的，即密度是递减的。这样在保温材料中形成两个孔隙度较大的区段，一个是外层1接近交界面3的区段，一个是内层2接近外表面(即与高温管道接触的表面)的区段，由于较大孔隙度的区段的隔热效果更好，上述的保温材料的两个渐变孔隙度的内、外层(2、1)具有更佳的隔热效果。为提高保温材料的可卷曲性能，上述的保温材料含有一定的水份，该水份过小保温材料的可卷曲性能下降，并且在保管、运输和使用过程中易于开裂，使保温性能下降，水份过多也有缺陷，如使保温材料的强度降低而损伤，故在步骤e的得品保温材料的外层1的外表面贴覆一多孔的有机材料薄膜，或在保温材料的两表面均贴覆一多孔的有机材料薄膜，该多孔的有机薄膜可避免保温材料中的特定含量的水份过快和过量的蒸发逸出，而在高温使用状态(如图1所示)，保温材料受到高温，使保温材料内的水份蒸发，该多孔的有机薄膜允许上述的蒸汽逐渐逸出而不至出现保温材料的过度的体积膨胀，水份的部分蒸发又会形成部分的孔隙，可进一步提高保温材料的隔热保温性能和整体的强度。
上述的保温材料由两次进料形成孔隙度变化的两层结构，当然也可以通过多次进料形成三或四层以上的多层保温材料。上述的保温材料的两表面贴覆多孔的有机材料薄膜，也可采用涂覆或热收缩方式进行覆膜，所述的多孔是指有机材料薄膜上有若干或大量的微小通孔。上述步骤e的得品保温材料通过离心桶的高度方向切割，可得平面状的保温材料，离心桶的直径与高度决定了保温材料的长度和宽度，视具体要求选择离心桶的尺寸即可。

Claims (10)

1.一种可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于该复合保温材料为内、外层(2、1)的两层结构，外层(1)按重量份数计的组分是：
Figure FSA0000258855400000011
内层(2)按重量份数计的组分是：
Figure FSA0000258855400000012
且外层(1)的外表面至内、外层(2、1)的交界面(3)的孔隙度是递增的，内、外层(2、1)的交界面(3)至内层(2)的另一表面的孔隙度是递增的。
2.按权利要求1所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于所述的陶瓷空心珠为按重量份数计的20份玻化微珠和10份陶瓷空心微珠；分散剂由3份起泡剂和2份聚硼硅氧烷构成。
3.按权利要求1或2所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于所述的陶瓷纤维为氧化铝纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、氧化镁纤维的一种或两种以上的组合；陶瓷空心微珠为氧化铝空心微珠、二氧化硅空心微珠的一种或两种。
4.按权利要求3所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于所述的玻化微珠表面包覆有氧化钇的表面层。
5.按权利要求4所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于所述的陶瓷纤维的直径为5～10微米，长度5～10厘米；陶瓷空心珠的粒径为10～30微米；纳米级气相型二氧化硅粉的粒径为5～10纳米；片状蛭石的最大长度为70微米，厚度为5微米；玻化微珠的粒径为70～150微米。
6.按权利要求5所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于所述的保温材料的内、外层(2、1)的含水量为8～12％。
7.按权利要求6所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料，其特征在于所述的保温材料的外层(1)的表面有一有多孔的有机材料薄膜，或保温材料的两表面均有一多孔的有机材料薄膜。
8.按权利要求1～7所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料的制备方法是：
a.外层浆料的制备：陶瓷纤维加入适量水和分散剂进行分散得混合浆料，将陶瓷空心珠、纳米级气相型二氧化硅粉进行干混至均匀后，与聚乙烯醇加入上述的混合浆料得外层浆料，静置4～6小时；
b.内层浆料的制备：在上述步骤a的部分外层浆料中加入片状蛭石置入混合机进行搅拌混合，静置4～6小时得内层浆料；
c.在离心桶内置入外层浆料，离心桶以离心线速度为10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5m/s，最后增速至离心线速度为10～12m/s，得附着于离心桶壁的保温材料外层；
d.在离心桶内再置入内层浆料，离心桶以离心线速度为10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5m/s，最后增速至离心线速度为10～12m/s，内层附着于上述的外层；
e.步骤d得到的两层结构的得品经干燥得含水量为8～12％的保温材料。
9.按权利要求8所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料的制备方法，其特征在于所述的步骤c和步骤d的离心桶的离心旋转时间为10～15分钟。
10.按权利要求8所述的可卷曲微纳米多级孔隙陶瓷复合保温材料的制备方法，其特征在于在步骤e的得品保温材料的外层的外表面贴覆一多孔的有机材料薄膜，或在保温材料的两表面均贴覆一多孔的有机材料薄膜。
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