CN115231873A - 一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导热胶凝材料领域，具体公开了一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料及其制备方法。本发明先将短纤维与部分水超声分散，得到短纤维分散液；再依次在硅酸盐水泥添加填充剂、消泡助剂、水和短纤维分散液，经过搅拌，养护后制备得到基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料。本发明得到的基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料具有致密，绝缘等特点，应用于电取暖领域时体现出了较高的导热效果以及安全性能。

Description

一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及导热胶凝材料领域，尤其涉及一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料及其制备方法。
背景技术
传统取暖方式，以燃煤、燃油等为原料，不仅污染环境，也消耗了大量资源。随着国家煤改电的大力推行，极大的推动了电取暖系统的发展。
但电取暖系统普遍存在导热效率低，耗能高，电热发热体寿命短的问题。造成上述问题的主要原因是现有的导热材料导热性能差，进而表现为电取暖系统的导热效率低，导热效率低一方面会带来电热发热体产生的热量主要集中在电热发热体周围，造成热量聚集，使电热发热体一直处于过高温环境工作，最终导致电热发热体使用寿命变短。另一方面会影响电热发热体热量的导出，达不到预期的取暖效果，增加了能耗与取暖成本。
中国专利申请CN 105174860A公开了一种高导热胶凝材料，虽然该材料具有较高的导热系数，但是其主要作用为增强地热换热，方案中掺杂了大量的钢渣或铜矿渣，并不能保证材料的绝缘性能。
中国专利CN 101948277 A公开了一种无机胶凝材料、CN 106186757 A公开了一种建筑胶凝材料，但上述胶凝材料均起到保温隔热效果，并不能提高电热发热体的散热效果。
因此，如何提供一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料及其制备方法，提高导热胶凝材料的导热性能，同时保证导热胶凝材料的绝缘性能，安全性能是本领域亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料及其制备方法，本发明提高了导热胶凝材料的导热性能，同时保证导热胶凝材料的绝缘性能，安全性能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，包含如下质量份数的组分：
Figure BDA0003754936310000021
优选的，所述硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的一种。
优选的，所述短纤维为碳纤维和矿物纤维中的一种或多种。
优选的，所述短纤维的长度为120～300μm。
优选的，所述填充剂为氮化硅、氮化硼、氧化铝和碳化硅中的一种或多种。
优选的，所述消泡助剂为纳米二氧化硅和硅酸锂的混合物；其中纳米二氧化硅与硅酸锂的质量比为5～7:2～3。
本发明的另一目的是提供一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将短纤维与部分水超声分散，得到短纤维分散液；
2)依次在硅酸盐水泥中添加填充剂、消泡助剂、剩余部分水和短纤维分散液，搅拌，养护得到导热胶凝材料。
优选的，步骤1)与步骤2)中水的添加质量比为2～3:1。
优选的，所述超声分散的时间为20～30min，超声功率为800～1200khz，振幅为40～100μm。
优选的，搅拌速度300～500rpm，搅拌时间为10～15min。
优选的，所述养护为常温养护，养护时间为36～48h。
短纤维具有优异的热传导性能，与所述填充剂进行复配，短纤维之间通过填充剂直接或间接连接，在胶凝材料内部形成导热网络，极大的提高了胶凝材料的导热性能，避免了纤维导热的定向性和各向异性，同时具有良好的绝缘性；通过添加消泡助剂，显著减少了硅酸盐水泥中由于掺入短纤维造成的微小气泡，消泡助剂与短纤维复配，充分起到其填充效应，避免了由于气泡过多导致的导热性能差的问题，提高了材料的导热性能。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明制备的导热胶凝材料具有优异的导热性能，导热系数高，不存在定向导热，导热均匀；同时本发明制备的材料具有较高的热扩散系数，利于热量的扩散，避免了电取暖系统电热发热体周围的热量聚集；
本发明制备的导热胶凝材料具有良好的绝缘性，应用于电取暖系统安全性高；
本发明公开的制备方法简单易操作，有利于批量生产，降低生产成本，能够提高电热器的寿命，为电取暖系统的推广奠定了基础。
具体实施方式
本发明提供了一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，包含如下质量份数的组分：
Figure BDA0003754936310000051
优选的：
Figure BDA0003754936310000052
进一步优选的：
Figure BDA0003754936310000053
在本发明中，所述硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的一种。
在本发明中，所述短纤维为碳纤维和矿物纤维中的一种或多种，优选为碳纤维。
在本发明中，所述短纤维的长度为120～300μm，优选为180～280μm，进一步优选为260μm。
在本发明中，所述填充剂为氮化硅、氮化硼、氧化铝和碳化硅中的一种或多种。
在本发明中，所述消泡助剂为纳米二氧化硅和硅酸锂的混合物；其中纳米二氧化硅与硅酸锂的质量比为5～7:2～3，优选为7:3。
本发明还提供了一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将短纤维与部分水超声分散，得到短纤维分散液；
2)依次在硅酸盐水泥中添加填充剂、消泡助剂、剩余部分水和短纤维分散液，搅拌，养护得到导热胶凝材料。
在本发明中，步骤1)与步骤2)中水的添加质量比为2～3:1；优选为3:1。
在本发明中，所述超声分散的时间为20～30min，超声功率为800～1200kHz，振幅为40～100μm。
在本发明中，搅拌速度300～500rpm，搅拌时间为10～15min；优选的，搅拌速度为400rpm，搅拌时间为15min。
在本发明中，所述养护为常温养护，养护时间为36～48h，优选为48h。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所有实施例所用超声设备为Prosonic1000超声分散机，所用养护箱为SBY-40型水泥胶砂试体养护箱，所用导热系数测定仪为LFA427激光法导热仪。本发明将不会被限制于本文所应用的试验设备。
实施例1
1)短纤维分散液的制备：
称取8份碳纤维(长度为250～260μm之间的混合物)，与22份水混合，置于超声分散机中进行超声分散(超声功率为1000khz，振幅为50μm)，超声分散25min后，得到短纤维分散液。
2)导热胶凝材料的制备：
依次称取10份的氮化硅、8份碳化硅、0.56份纳米二氧化硅、0.24份硅酸锂、8份水，置于62份的普通硅酸盐水泥中，最后加入步骤1)得到的短纤维分散液，在400rpm的搅拌速度下搅拌15min，经过室温(设置为25℃)养护36h得到所述导热胶凝材料。
实施例2
1)短纤维分散液的制备：
称取5份碳纤维(长度为120～200μm之间的混合物)，与17.5份水混合，置于超声分散机中进行超声分散(超声功率为1000khz，振幅为50μm)，超声分散20min后，得到短纤维分散液。
2)导热胶凝材料的制备：
依次称取10份的氮化硅、0.35份纳米二氧化硅、0.15份硅酸锂、7.5份水，置于50份的普通硅酸盐水泥中，最后加入步骤1)得到的短纤维分散液，在300rpm的搅拌速度下搅拌15min，经过室温(设置为25℃)养护48h得到所述导热胶凝材料。
实施例3
1)短纤维分散液的制备：
称取8份氧化铝矿物纤维(长度为260～300μm之间的混合物)，与26份水混合，置于超声分散机中进行超声分散(超声功率为1000khz，振幅为50μm)，超声分散30min后，得到短纤维分散液。
2)导热胶凝材料的制备：
依次称取8份的氮化硼、8份氧化铝、0.7份纳米二氧化硅、0.3硅酸锂、9份水，置于70份的矿渣硅酸盐水泥中，最后加入步骤1)得到的短纤维分散液，在500rpm的搅拌速度下搅拌10min，经过室温(设置为25℃)养护48h得到所述导热胶凝材料。
对比例1
本对比例不添加短纤维，保留部分水的超声分散工艺，其他组分的质量份数与操作同实施例1。
对比例2
本对比例不添加消泡助剂，其他组分的质量份数与操作同实施例1。
实验例1
对实施例1～3和对比例1～2制备得到的导热胶凝材料试验件的导热系数、热扩散系数进行检测(检测方法为激光散射法)。检测结果如表1所示。
表1导热胶凝材料导热系数和热扩散系数检测表
Figure BDA0003754936310000091
Figure BDA0003754936310000101
从表1显示的检测结果，可以观察得出本发明制备的导热胶凝材料具有较高的导热系数和热扩散系数。其中，与对比例1相比，可以看出短纤维的添加可以极大的提高导热胶凝材料的的导热系数，进而提升导热效果；与对比例2相比，可以分析得到对比例2中存在大量的微小气泡，而空气的导热系数较小，进而导致整体材料的导热系数较低。
实验例2
采用绝缘电阻测试仪对实施例1～3制备得到的导热胶凝材料试验件进行检测，结果显示均为绝缘试件。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，其特征在于，包含如下质量份数的组分：
Figure FDA0003754936300000011
2.根据权利要求1所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，其特征在于，所述短纤维为碳纤维和矿物纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，其特征在于，所述短纤维的长度为120～300μm。
5.根据权利要求4所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，其特征在于，所述填充剂为氮化硅、氮化硼、氧化铝和碳化硅中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料，其特征在于，所述消泡助剂为纳米二氧化硅和硅酸锂的混合物；其中纳米二氧化硅与硅酸锂的质量比为5～7:2～3。
7.权利要求1～6任一项所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将短纤维与部分水超声分散，得到短纤维分散液；
2)依次在硅酸盐水泥中添加填充剂、消泡助剂、剩余部分水和短纤维分散液，搅拌，养护得到导热胶凝材料。
8.根据权利要求7所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤1)与步骤2)中水的添加质量比为2～3:1。
9.根据权利要求7所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述超声分散的时间为20～30min，超声功率为800～1200kHz，振幅为40～100μm。
10.根据权利要求7所述的一种基于硅酸盐水泥的导热胶凝材料的制备方法，其特征在于，搅拌速度300～500rpm，搅拌时间为10～15min。
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