CN1214319A - 改性纳米保温材料及其生产工艺 - Google Patents
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本发明涉及一种掺杂改性纳米泡沫硅气凝胶保温隔热材料的组成及其生产工艺,由二氧化硅纳米颗粒交联形成的纤细网络之中镶嵌二氧化钛和无机增强剂组成,其生产工艺是:将二氧化硅硅源经溶胶－凝胶法先制成凝胶,将其老化后进行超临界干燥处理,即得具有纳米多孔结构、比表面积大、重量轻、机械强度高、易于成型、热导率低和阻燃性、疏水性、无污染、吸音隔音好等特点的能用于飞机、潜艇、工业管道及其电饭煲、焖锅和电冰箱等的保温隔热。
Description
本发明涉及一种掺杂改性的纳米泡沫硅气凝胶保温隔热材料及其生产工艺。
目前常用的保温隔热材料如聚胺酯泡沫等，虽然在常温下保温性能良好，但是不能耐高温，而且因其生产过程中利用含氟气体发泡，所以破坏了臭氧层而影响环境保护。此外，在长期使用过程中含氟气体的泄漏导致材料的保温隔热性降低。石棉、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩、微孔硅酸钙、泡沫玻璃以及中国专利CN-1094433A所公开的硅镁层耐火材料等均为常用的高温保温材料，但它们在500℃以上高温时的导热性能并不好，而且因其密度太大而影响应用范围。其中石棉、玻璃棉等在使用过程中对人体有害。
美国专利说明书US-4954327、5275796、5409683、5525643公开了硅气凝胶的制备，由于硅气凝胶具有纳米多孔结构，纤细的纳米网络有效的限制了局域热激发的传播，纳米微孔洞还抑制了气体分子对热传导的贡献，其固态的热导率比玻璃态时要低2-3个数量级，其折射率接近1，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，能有效地透过太阳光并阻止环境温度下的红外热幅射而成为理想的透明轻质纳米保温隔热材料。但是，由于该硅气凝胶能透过高温近红外热幅射，具有亲水性，机械强度差，一碰就碎。因而大大限制了硅气凝胶作为保温隔热材料的应用。
为了减少该材料在高温近红外区域的幅射热传导，美国专利说明书US-5122291公开了在硅气凝胶内掺入碳黑作为红外遮光剂来降低该材料的幅射热传导，掺碳黑的硅气凝胶在常温常压下的热传导率可低达0.013W/M.K。但是，由于在高温下碳黑容易氧化燃烧，因此该材料也只能限制在300℃以下使用。
为了提高硅气凝胶制成的保温隔热材料的机械强度，美国专利说明书US-4925584公开了将无机纤维和硅气凝胶粉未以及红外遮光剂混合成型，该法的缺点是加压成型导致了部份纳米材料网络塌陷，使材料密度增加。
本发明的目的是：提供一种热导率低，机械强度高，易于成型并具有疏水性的硅气凝胶保温隔热材料及其用于生产该材料的工艺方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案来实现的。由二氧化硅纳米颗粒交联形成的纤细网络之中镶嵌二氧化钛和无机增强剂组成本发明的具有优异的保温隔热性能的纳米泡沫硅气凝胶保温隔热材料。
以正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)、水玻璃、硅溶胶等作为硅源，以甲醇、乙醇、丙酮、乙腈等作为溶剂，按硅源∶水∶溶剂=1.0∶1.0-10.0∶1.0-10.0摩尔比的比例混合均匀，然后，在溶胶-凝胶过程中掺入结构稳定的二氧化钛粉未作为红外遮光剂，掺入玻璃纤维、高岭土、蒙脱土、凹凸棒土等作为无机增强剂，按混合物∶二氧化钛∶无机增强剂=1.0∶0.01-10.0∶0.01-5.0的重量比比例加在一起混合均匀后注入模具，用盐酸、硝酸、氨水、硫酸、氢氟酸等作为催化剂控制凝胶时间，使得混合溶液注入模具后快速形成凝胶，成型的凝胶经老化后以甲醇、乙醇、二氧化碳作为干燥介质进行超临界干燥，即可获得具有纳米多孔结构的完整无裂纹轻质高强度硅气凝胶保温隔热材料。
本发明具有以下优点：
1．本发明的掺杂改性的硅气凝胶保温隔热材料，由于具有纳米多孔结构(孔径1-100纳米)、比表面积大(400-1000m2/g)、重量轻(5-300Kg/m3)机械强度高、易于成型、热导率低(室温和800K的热导率分别为0.021和0.045w/m.K)和阻燃性、疏水性、无污染、吸音隔音(声速传播率低达约100m/S)等特点，因此不仅可有效用作国防军工部门的飞机、潜艇等相关装置的保温隔热，而且可广泛地应用于石油运输、化工、火力发电厂等工业管道及其家用电饭煲、焖锅和电冰箱等的保温隔热。
2．由于制造生产本发明的材料时，整个掺杂混合过程都是在溶胶-凝胶过程中完成的，所以混合十分均匀。且又掺杂了无机增强剂和结构稳定的二氧化钛红外遮光剂，使制得的本发明材料机械强度明显增强，而且使用温度范围大大增宽(从绝对零度到800℃)。
3．采用溶胶-凝胶方法控制纳米网络结构制成材料后，用注模方法成型，可获任何形状的分体或整体的隔热保温材料。
4．甲醇、乙醇等作为干燥介质，不仅在宏观上使材料保持溶胶注模所形成的整体形状，而且在微观上能有效地保留在溶胶-凝胶过程中形成的纳米多孔结构，并在微孔表面形成疏水基团。
5．本发明在生产工艺过程中特别是使用过程中无有毒有害物质产生，保护了环境，具有很高的社会效益。
附图说明
图1为本发明的掺杂改性纳米泡沫硅气凝胶保温隔热材料的结构示意图
图2为溶胶-凝胶法制备掺杂改性硅气凝胶的工艺流程图
图3超临界干燥装置示意图
图4为常压下本发明的材料的热导率与温度的变化曲线图
图5为常温下本发明的材料的热导率与气压的变化曲线图
图6为本发明的材料作为保温套筒应用的示意图
结合附图对本发明作进一步的说明
实施例1
图1显示本发明掺杂改性纳米泡沫硅气凝胶保温隔热材料的结构，由二氧化硅纳米颗粒交联形成的纤细网络1，及镶嵌于纳米网络之中的二氧化钛2和无机增强剂3组成，该材料中的纳米微孔洞的线度小于气体分子的平均自由程，分子碰撞传热的贡献也受到很大抑制，因此隔断了辐射传热的通道，使得该材料的固态传导热量很少，又因增加了材料的机械强度，从而成为性能优异的保温隔热材料。
实施例2
图2显示的溶胶-凝胶法制备掺杂改性硅气凝胶的工艺流程中首先按正硅酸乙酯(HEOS)∶水∶乙醇摩尔比=1.0∶2.0-10.0∶2.0-10.0的比例混合均匀，然后在上述混合物中按混合物∶二氧化钛∶无机增强剂玻璃纤维重量比=1.0∶0.05-0.5∶0.05-0.5的比例加在一起，快速搅拌，使其均匀分散后用氢氟酸(HF)作为催化剂调节凝胶时间，最后将所得混合液注入模具、快速结成凝胶、使其老化后放入如图3所示的超临界干燥装置内进行超临界干燥处理，即获得本发明的具有较高机械强度、良好的保温隔热性能(如图4所示的在常压下800K时的热导率为0.045w/m.K，图5在常温下热导率随气压降低而降低，最低可达0.004w/m.K)、结构完整无裂纹、掺杂改性硅气凝胶保温隔热材料。
实施例3
首先按正硅酸甲酯(TMOS)∶水∶乙醇=1.0∶2.0-10.0∶2.0-10.0的摩尔比例混合均匀，然后在上述混合物中按混合物∶二氧化钛∶无机增强剂高岭土=1.0∶0.05-0.5∶0.05-0.5的重量比例加在一起，快速搅拌，使其均匀分散后用氨水作为催化剂调节凝胶时间，最后将所得混合液注入模具、快速结成凝胶、使其老化后放入如图3所示的超临界干燥装置内进行超临界干燥处理，即获得本发明的具有较高机械强度、良好的保温隔热性能、结构完整无裂纹、掺杂改性硅气凝胶保温隔热材料。
实施例4
首先按水玻璃∶水∶乙醇=1.0∶1.0-5.0∶2.0-10.0的摩尔比例混合均匀，然后在上述混合物中按混合物∶二氧化钛∶无机增强剂蒙脱土=1.0∶0.05-0.5∶0.05-0.5的重量比例加在一起，快速搅拌，使其均匀分散后用盐酸(HCl)作为催化剂调节凝胶时间，最后将所得混合液注入模具、快速结成凝胶、使其老化后放入如图3所示的超临界干燥装置内进行超临界干燥处理，即获得本发明的具有较高机械强度、良好的保温隔热性能、结构完整无裂纹、掺杂改性硅气凝胶保温隔热材料。
实施例5
首先按硅溶胶∶水∶乙醇=1.0∶1.0-5.0∶2.0-10.0的摩尔比例混合均匀，然后在上述混合物中按混合物∶二氧化钛∶无机增强剂凹凸棒=1.0∶0.05-0.5∶0.05-0.5的重量比例加在一起，快速搅拌，使其均匀分散后用硫酸作为催化剂调节凝胶时间，最后将所得混合液注入模具、快速结成凝胶、使其老化后放入如图3所示的超临界干燥装置内进行超临界干燥处理，即获得本发明的具有较高机械强度、良好的保温隔热性能、结构完整无裂纹、掺杂改性硅气凝胶保温隔热材料。
实施例6
可按图6将本发明的所得混合液注入筒状、球状或条状模具、快速结成凝胶、使其老化后放入如图3所示的超临界干燥装置内进行超临界干燥处理，即获得本发明的具有较高机械强度、良好的保温隔热性能、结构完整无裂纹、掺杂改性硅气凝胶筒状保温隔热材料4套在被保温物5(如热电池、管道等)外面，从而达到保温目的，或以球状、条状等保温材料填充在被保温物的外面达到保温隔热的效果。
Claims (6)
1．一种改性纳米保温材料，其特征是：由二氧化硅纳米颗粒交联形成的纤细网络(1)之中镶嵌二氧化钛(2)和无机增强剂(3)组成。
2．根据权利要求1所述的改性纳米保温材料，其特征是：所述的无机增强剂(3)为玻璃纤维、高岭土、蒙脱土、凹凸棒土。
3．一种改性纳米保温材料的生产工艺，其特证是：首先按二氧化硅硅源∶水∶溶剂=1.0∶1.0-10.0∶1.0-10.0的摩尔比例混合均匀，然后将上述混合物∶二氧化钛(2)∶无机增强剂(3)=1.0∶0.01-10.0∶0.01-5.0的重量比例加在一起，快速搅拌，使其均匀分散后用催化剂调节凝胶时间，最后将所得混合液注入模具、结成凝胶、并使其老化后以甲醇、乙醇、二氧化碳作为干燥介质进行超临界干燥处理，即可获得具有纳米多孔结构的完整无裂纹轻质高强度硅气凝胶保温隔热材料。
4．根据权利要求3所述的改性纳米保温材料的生产工艺，其特征是：所述的二氧化硅硅源是正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)、水玻璃、硅溶胶。
5．根据权利要求3所述的改性纳米保温材料的生产工艺，其特征是：所述的溶剂是甲醇、乙醇、丙酮、乙腈。
6．根据权利要求3所述的改性纳米保温材料的生产工艺，其特征是；所述的催化剂是盐酸、硝酸、硫酸、氨水、氢氟酸。
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