CN115874348A - 一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法。所述无溶剂气凝胶绝热毡的制备原料包括纤维毡和气凝胶粉体；所述气凝胶粉体包括如下重量份数的组分：绝热剂和/或导热系数稳定剂、粘合剂；所述粘合剂的质量与绝热剂和/或导热系数稳定剂的质量和之比为(0.04~0.9):1。所述制备方法包括如下步骤：将气凝胶粉体填充至纤维毡后，加热后复合，冷却，得到所述无溶剂气凝胶绝热毡。本发明提供的气凝胶绝热毡具有较好绝热效果，且制备工艺简便，无需使用溶剂，提高了生产过程的安全性、环保型，缩短了生产周期，降低了生产能耗。

Description

一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法

技术领域

本发明属于绝热材料技术领域，具体涉及一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种三维网络结构的纳米先进材料，气凝胶的空间网状结构中充满的介质是空气，因此气凝胶具有极低密度、低导热系数、高孔隙率等优越性能，在保温隔热、节能降耗领域具有非常广阔的应用前景。气凝胶毡是以气凝胶为主体材料，通过特殊工艺与玻璃纤维棉或预氧化纤维毡等纤维毡复合而成的柔性保温毡，其特点是导热系数低，具有一定的抗拉及抗压强度，便于保温施工应用，属于保温材料。随着社会的发展以及对保温材料需求的增长，人们越来越关注气凝胶绝热毡的组成及制备。

CN108640641A公开了一种由有机溶剂超临界干燥制得的气凝胶绝热毡及其制备方法。所述气凝胶绝热毡主要由二氧化硅气凝胶和增强纤维依次经溶胶、成胶、老化和有机溶剂超临界干燥制得；所述二氧化硅气凝胶包括硅源、亲水改性剂和遮光剂，其中硅源为正硅烷四乙脂，亲水改性剂为甲基三乙氧基硅烷，遮光剂为二氧化锆；所述有机溶剂超临界干燥的介质为醇、烷、酮中的一种。该技术方案提供的气凝胶绝热毡在保持气凝胶优异的性能的同时，提高了材料的强度与耐热性能，改善了现有气凝胶材料机械强度差，脆性大等方面的不足。且由此制备得到的气凝胶绝热毡整体性较好，可制成一定规则形状的块状材料，也相应的扩大了气凝胶的应用范围。

CN109336544A公开了一种二氧化硅改性PVDF气凝胶绝热毡及其制备方法，涉及介质材料技术领域，所述气凝胶绝热毡主要由增强纤维浸入二氧化硅改性PVDF前驱体溶胶后，经陈化干燥制得；所述二氧化硅改性PVDF前驱体溶胶主要由偏氟乙烯、水溶性有机溶液和前驱体硅源制得前驱体溶液后水解得到。该气凝胶绝热毡在制备过程中由于加入了偏氟乙烯，在气凝胶的内部结构中形成了PVDF(聚偏氟乙烯)的结构，进而能够显著提高气凝胶材料的耐高温和耐酸碱性能，有效地改善现有气凝胶材料机械强度差，耐高温和耐酸碱性能不佳等方面的不足。此外，本发明气凝胶绝热毡整体性较好，可制成一定规则形状的块状材料，也相应的扩大了气凝胶的应用范围。

现有技术中，气凝胶绝热毡一般采用原位复合如采用溶胶-凝胶法制备前驱体和纤维毡复合及采用超临界干燥、常压干燥或冷冻干燥等方法制备，过程需要大量的溶剂介质，存在安全隐患、生产周期长成本高昂、设备特定、产量受限等缺陷；同时使用的二氧化硅气凝胶也存在高温阶段导热系数迅速增加的缺陷。

因此，如何提供一种无需溶剂、制备方法简便，且在高温条件下仍具有较低导热系数的气凝胶绝热毡，已成为目前亟待解决的技术方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法。本发明中通过对气凝胶绝热毡制备原料的设计，进一步通过特定纳米粉体粘合剂和导热系数稳定剂的使用，制备得到了具有较好绝热效果的气凝胶绝热毡，且制备工艺简便，无需使用溶剂，提高了生产过程的安全性、环保型，缩短了生产周期，降低了生产能耗。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种无溶剂气凝胶绝热毡，所述无溶剂气凝胶绝热毡的制备原料包括纤维毡和气凝胶粉体；

所述气凝胶粉体包括如下重量份数的组分：绝热剂和/或导热系数稳定剂、粘合剂；

所述粘合剂的质量与绝热剂和/或导热系数稳定剂的质量和之比为(0.04~0.9):1。

本发明中通过对气凝胶绝热毡制备原料的设计，进一步通过特定纳米粉体粘合剂和导热系数稳定剂的使用，制备得到了具有较好绝热效果的气凝胶绝热毡，且制备工艺简便，无需使用溶剂，提高了生产过程的安全性、环保型，缩短了生产周期，降低了生产能耗。

本发明中，通过特定纳米粉体粘合剂的使用，可以改善气凝胶绝热毡掉粉的缺陷，同时通过控制纳米粉体粘合剂的含量在特定的范围内，可以制备得到性能优异的气凝胶绝热毡。若气凝胶粉体中纳米粉体粘合剂的含量过少，制备得到的气凝胶绝热毡易掉粉，不满足使用要求；若纳米粉体粘合剂的含量过多，制备得到的气凝胶绝热毡的导热性较好，绝热性较差。

本发明中，通过本发明中导热系数稳定剂的使用，改善了绝热剂在高温条件下导热系数急剧增加的缺陷，使气凝胶绝热毡在高温条件下仍具有较好的绝热效果。导热系数稳定剂的用量可根据实际应用需求进行调控，若气凝胶绝热毡需要在高温下使用，可适当调高导热系数稳定剂的用量；若气凝胶绝热毡在低温下使用，可以仅选用绝热剂和粘合剂作为气凝胶粉体组分制备气凝胶绝热毡。

本发明中，绝热剂和导热系数稳定剂同时可作为阻燃剂，使气凝胶绝热毡具有较好的阻燃性。

本发明中，所诉粘合剂的质量与绝热剂和/或导热系数稳定剂的质量和之比可以是0.04:1、0.05:1、0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1或0.9:1等。

以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。

作为本发明的优选技术方案，所述粘合剂的质量与绝热剂和/或导热系数稳定剂的质量和之比为(0.04~0.4):1（例如可以是0.04:1、0.05:1、0.1:1、0.2:1、0.3:1或0.4:1等），进一步优选为(0.04~0.2):1。

作为本发明的优选技术方案，所述粘合剂选自聚烯烃、乙烯共聚物、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为聚酰亚胺。

聚酰亚胺具有耐高温特性和不燃特性，经和二氧化硅类气凝胶复合后，耐温温度提高，可以满足温度650℃以下的应用环境，和单纯的二氧化硅气凝胶的应用环境匹配。

优选地，所述粘合剂的平均粒径≤20 μm，例如可以是8 μm、10 μm、12 μm、14 μm、16 μm、18 μm或20 μm等。

本发明中，通过控制粘合剂的平均粒径在特定的范围内，选用平均粒径较小的粘合剂，使粘合剂与绝热剂和/或导热系数稳定剂易于混合均匀，且使每颗粘合剂的质量较轻，避免后续制备气凝胶绝热毡中，粘合剂由于质量过大，沉降，导致气凝胶绝热毡绝热性较差问题的发生。

作为本发明的优选技术方案，所述绝热剂选自无机气凝胶粉体和/或有机气凝胶粉体。

优选地，所述无机气凝胶粉体选自二氧化硅气凝胶、氧化铝、氧化镁粉体、氧化锆中的任意一种或至少两种的组合。

作为本发明的优选技术方案，所述导热系数稳定剂选自硅酸盐和/或金属氧化物。

优选地，所述导热系数稳定剂选自硅酸铝、硅酸锌、硅酸锆、氧化铝、氧化锌、氧化锆中的任意一种或至少两种的组合。

作为本发明的优选技术方案，所述气凝胶粉体采用如下方法制备得到，所述方法包括如下步骤：

将绝热剂和/或导热系数稳定剂、粘合剂混合均匀，得到所述气凝胶粉体。

优选地，所述混合后还后处理步骤，所述后处理包括研磨、过筛。

作为本发明的优选技术方案，所述气凝胶粉体的平均粒径≤100 μm，例如可以是10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm或100 μm等。

作为本发明的优选技术方案，所述无溶剂气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的填充量为5~100 kg/m³，例如可以是50 kg/m³、10 kg/m³、20 kg/m³、30 kg/m³、40 kg/m³、50 kg/m³、60kg/m³、70 kg/m³、80 kg/m³、90 kg/m³或100 kg/m³等。

本发明中通过控制气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的填充量在特定的范围内，制备得到的气凝胶绝热毡具有优异的性能。若气凝胶粉体的填充量过少，制备得到的气凝胶绝热毡的绝热性较差；若气凝胶粉体的填充量过高，气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的含量过于饱和，无法填充。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的无溶剂气凝胶绝热毡的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将气凝胶粉体填充至纤维毡后，加热后复合，冷却，得到所述无溶剂气凝胶绝热毡。

本发明采用粉体填充，避免了大量有机溶剂减少了安全隐患和大气VOC的排放，减少了液体过程产生的废液，工艺具有优异的环保性，同时减少了气凝胶溶胶-凝胶阶段和溶剂置换阶段或超临界阶段，生产周期短，能耗低。

作为本发明的优选技术方案，所述填充的方法包括：针刺注射填充、过滤、静电吸附、真空吸滤、混纺。

优选地，所述加热的方法包括：红外加热、电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、介质加热、微波加热、波导加热、光波加热、超声波加热、激光加热。

优选地，所述复合的方法包括：单辊挤压压实、双辊挤压压实、平板挤压压实。

优选地，所述复合的温度为300~400℃，例如可以是300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃或400℃等。

若复合的温度过低，制备得到的气凝胶绝热毡易掉粉；若复合的温度过高，纤维毡易碳化。

优选地，所述复合的压力≤纤维毡的最大压缩弹性压力，进一步优选为0~1 MPa，例如可以是0 kPa、10 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa或1MPa等。

若复合的压力大纤维毡的最大压缩弹性压力，复合后，气凝胶绝热毡无法回弹，影响使用。

优选地，所述冷却的方法包括：水冷、风冷、冰浴、冷冻。

作为本发明的优选技术方案，所述制备方法具体包括如下步骤：

将气凝胶粉体填充至纤维毡后，加热至300~400℃后，复合，冷却，得到所述无溶剂气凝胶绝热毡；

其中，所述复合的压力≤纤维毡的最大压缩弹性压力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中通过无溶剂气凝胶绝热毡组分及制备方法进行设计，通过采用特殊的粘合剂，改善了气凝胶毡产品掉粉缺陷，且制备得到的提供的气凝胶绝热毡具有较低的导热系数＜0.25 w/(m.k)，通过优化粘合剂的用量，可使气凝胶绝热毡的导热系数≤0.035w/(m.k)；本发明通过采用导热系数稳定剂，改变了绝热剂在高温条件下导热系数急剧增加的缺陷。当温度由25℃上升至300℃，气凝胶绝热毡的导热系数变化≤0.01 w/(m.k)。

（2）同时本发明采用粉体填充，避免了大量有机溶剂减少了安全隐患和大气VOC的排放，减少了液体过程产生的废液，工艺具有优异的环保性，同时减少了气凝胶溶胶-凝胶阶段和溶剂置换阶段或超临界阶段，生产周期短，能耗低。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例和对比例中部分组分来源如下：

纤维毡：山东友信，E玻纤毡；

聚酰亚胺：美国EAIPI ，P115；

二氧化硅气凝胶：国产中凝，AD5。

对下述实施例和对比例提供的无溶剂气凝胶绝热毡的性能进行测试，测试方法如下：

掉粉现象：根据GB/T34336，《气凝胶及其复合制品》-附录B中的测试方法，使用振动筛进行测试；

导热系数w/(m.k) （25℃/300℃）：根据GB/T 10294-2008 《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定》标准，使用耐驰导热系数仪进行测试。

实施例1

本实施例提供一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法，所述无溶剂气凝胶绝热毡的制备原料包括纤维毡和气凝胶粉体；

所述气凝胶粉体的制备方法为：将二氧化硅气凝胶、聚酰亚胺和硅酸铝在粉体混合罐中混合均匀，得到气凝胶粉体，其中二氧化硅气凝胶、聚酰亚胺和硅酸铝的质量比为100:5:1。

所述无溶剂气凝胶绝热毡的制备方法如下：

用中空管针刺将气凝胶粉体注射到纤维毡中（气凝胶粉体的填充量为60 kg/m³），然后将填充有气凝胶粉体的纤维毡加热至350℃下，在压力为100 kPa的条件下，进行复合后冷却，得到所述无溶剂气凝胶绝热毡。

实施例2-5和对比例1-3

实施例2-5和对比例1-3分别提供一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法，与实施例1的区别仅在于，气凝胶粉体中绝热剂、聚酰亚胺和硅酸铝的质量比不同，其质量比详见下表1，其他条件与实施例1相同。

表1

由表1的内容可知，本发明中通过控制气凝胶粉体中粘合剂的用量在特定的范围内（实施例1-5），可以制备得到性能优异的气凝胶绝热毡，不易掉粉，且导热系数较低，绝热性较好，其导热系数＜0.25 w/(m.k)，通过优化粘合剂的用量，可使气凝胶绝热毡的导热系数≤0.035 w/(m.k)。若气凝胶粉体中纳米粉体粘合剂的含量过少（对比例1-2），制备得到的气凝胶绝热毡易掉粉，不满足使用要求；若纳米粉体粘合剂的含量过多（对比例3），制备得到的气凝胶绝热毡的导热性较好，绝热性较差。

实施例6-8

实施例6-8分别提供一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法，与实施例1的区别仅在于，气凝胶粉体中二氧化硅气凝胶、聚酰亚胺和硅酸铝的质量比不同，其质量比详见下表2，其他条件与实施例1相同。

表2

由表2的内容可知，本发明中，通过导热系数稳定剂的使用，可改善了绝热剂在高温条件下导热系数急剧增加的缺陷，使气凝胶绝热毡在高温条件下仍具有较好的绝热效果。且气凝胶粉体中导热系数稳定剂的含量越高，在升高相同温度下，气凝胶绝热毡的导热系数增长的越少，气凝胶绝热毡在高温下仍具有较好的绝热性。若气凝胶粉体中不含导热系数稳定剂（实施例6），在升高相同温度下，气凝胶绝热毡的导热系数增长的较大，气凝胶绝热毡在高温下绝热性较差。

由于导热系数在低温下具有较高的导热系数，因此常温下实施例8提供的气凝胶绝热毡的导热系数比实施例7提供的气凝胶绝热毡的导热系数大。

实施例9-16

实施例9-16分别提供一种无溶剂气凝胶绝热毡及其制备方法，与实施例1的区别仅在于，无溶剂气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的填充量不同，详见下表3，其他条件与实施例1相同。

表3

由表3的内容可知，本发明中通过控制气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的填充量在特定的范围内，制备得到的气凝胶绝热毡具有较好的绝热性，其导热系数＜0.03。若气凝胶粉体的填充量过少（实施例10），制备得到的气凝胶绝热毡的绝热性较差；若气凝胶粉体的填充量过高（实施例16），气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的含量过于饱和，会导致气凝胶粉体的浪费，且由此制备得到的气凝胶绝热毡硬度较大，不适于使用。

综上所述，本发明中通过无溶剂气凝胶绝热毡组分及制备方法进行设计，通过采用特殊的粘合剂，改善了气凝胶毡产品掉粉缺陷，且制备得到的提供的气凝胶绝热毡具有较低的导热系数＜0.25 w/(m.k)，通过优化粘合剂的用量，可使气凝胶绝热毡的导热系数≤0.035 w/(m.k)；本发明通过采用导热系数稳定剂，改变了绝热剂在高温条件下导热系数急剧增加的缺陷。当温度由25℃上升至300℃，气凝胶绝热毡的导热系数变化≤0.01 w/(m.k)。

同时本发明采用粉体填充，避免了大量有机溶剂减少了安全隐患和大气VOC的排放，减少了液体过程产生的废液，工艺具有优异的环保性，同时减少了气凝胶溶胶-凝胶阶段和溶剂置换阶段或超临界阶段，生产周期短，能耗低。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述无溶剂气凝胶绝热毡的制备原料包括纤维毡和气凝胶粉体；

所述气凝胶粉体包括如下重量份数的组分：绝热剂和/或导热系数稳定剂、粘合剂；

所述粘合剂的质量与绝热剂和/或导热系数稳定剂的质量和之比为(0.04~0.9):1。

2.根据权利要求1所述的无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述粘合剂选自聚烯烃、乙烯共聚物、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯中的任意一种或至少两种的组合。

3.根据权利要求1所述的无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述粘合剂的平均粒径≤20 μm。

4.根据权利要求1所述的无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述绝热剂选自无机气凝胶粉体和/或有机气凝胶粉体。

5.根据权利要求1所述的无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述导热系数稳定剂选自硅酸盐和/或金属氧化物。

6.根据权利要求1所述的无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述气凝胶粉体采用如下方法制备得到，所述方法包括如下步骤：

将绝热剂和/或导热系数稳定剂、粘合剂混合均匀，得到所述气凝胶粉体。

7.根据权利要求1所述的无溶剂气凝胶绝热毡，其特征在于，所述无溶剂气凝胶绝热毡中气凝胶粉体的填充量为5~100 kg/m³。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的无溶剂气凝胶绝热毡的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

将气凝胶粉体填充至纤维毡后，加热后复合，冷却，得到所述无溶剂气凝胶绝热毡。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述填充的方法包括：针刺注射填充、过滤、静电吸附、真空吸滤、混纺。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述复合的压力≤纤维毡的最大压缩弹性压力。