[發明專利]一種納米孔超級絕熱材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210081019.4
• 申請日: 2012-03-26
• 公開（公告）號: CN102603349A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 趙雷;王俊杰;李淑靜;李遠兵;雷中興
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于多孔隔熱保溫材料技術領域，具體涉及一種納米孔超級絕熱材料及其制備方法。

技術背景

隔熱材料主要有三大應用領域：傳統的工業低溫熱工設備、交通工具、家用電器等設施的隔熱保溫；建筑圍護結構的隔熱保溫；工業高溫窖爐的隔熱保溫。性能優良的保溫絕熱材料和良好的保溫技術，在工業保溫中往往可起到事半功倍的效果。

傳統的保溫隔熱材料是以提高氣相孔隙率，降低導熱系數和傳導系數為主，其中人造礦棉，玻璃纖維，耐火陶瓷纖維，以及硅酸鈣和蛭石產品就是代表。這些材料因為都是固體材料，體積密度一般較高，且很多氣孔通常是貫通的或開口的氣孔，氣孔分布也不均勻，一般具有較大的尺寸（1～100μm），使其無法阻止氣體熱傳導，而且也無法阻擋熱輻射。

目前有學者認為通過納米技術將材料中的孔隙直徑降低到納米級，就會產生“零對流”、“無窮多遮熱板”、“無窮長路徑”等納米效應，使材料熱傳遞的能力下降到接近極限。因而提出了“超級絕熱材料”的概念。超級絕熱材料是指預定使用條件下，導熱系數低于“無對流空氣”導熱系數的絕熱材料。

隔熱保溫納米材料主要有納米硬硅鈣石、硅酸鈣復合納米孔超級絕熱材料、納米級纖維保溫材料、纖維型納米隔熱材料和超級絕熱材料等。

迄今為止，國內外報道的納米孔超級絕熱材料均是以SiO₂?氣凝膠為主的超級絕熱材料，SiO₂氣凝膠因其具有纖細的三維網絡結構，是一種良好的納米孔載體，但以SiO₂氣凝膠直接取代傳統的隔熱材料除了制備工藝復雜等原因以外，還存在一定的困難，主要有兩個方面的原因：其一，SiO₂氣凝膠低密度、高孔隙率的特點導致力學性能急劇下降，氣凝膠強度低、脆性大。雖然Woignier等認為通過提高氣凝膠密度、高溫熱處理以及增強顆粒骨架結構等方法可改善氣凝膠的強度，但仍難以滿足實際應用的要求；其二，氣凝膠在高溫下對波長為3~8μm的近紅外熱輻射具有較強的透過性，高溫階段遮擋紅外輻射能力差，致使氣凝膠熱導率隨溫度的升高顯著上升。正是以上這兩個方面限制了SiO₂氣凝膠在隔熱領域的應用。雖然有些方法制備的氣凝膠復合材料的隔熱性能和力學性能較好，但還存在兩者協調性的問題。有些氣凝膠材料引入遮光劑降低了氣凝膠材料的熱導率，但材料的力學性能沒有得到改善；有些氣凝膠材料通過添加增強體使材料的力學性能提高，但是由于纖維本身較高的熱導率增加了材料的固相熱傳導致材料的隔熱效果降低。

發明內容

本發明旨在克服上述缺陷，目的是提供一種體積密度小、氣孔分布均勻、力學性能好和導熱系數低的納米孔超級絕熱材料及其制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：先將55~75wt%的硅灰、10~30wt%的紅外遮蔽劑、10~25wt%的玻璃纖維和5~10wt%的結合劑在室溫條件下混合2~6h，再壓制成型，然后以1~5℃/min的升溫速率升溫至200~600℃，保溫2~4?h，即得納米孔超級絕熱材料。

在上述技術方案中：硅灰中SiO₂含量≥95wt%，硅灰的粒徑為0.1~0.3μm；紅外遮蔽劑為金紅石型TiO₂納米粉、ZrSiO₄細粉和SiC細粉中的一種，其中，TiO₂納米粉的粒徑為80~120nm，ZrSiO₄細粉和SiC細粉的粒徑≤80μm；玻璃纖維為經過硫酸或鹽酸或氫氟酸處理所形成的分散狀玻璃纖維，長度為3~12mm；結合劑為糊精、木質素、纖維素、六偏磷酸鈉中的一種；壓制成型的壓力為1.8~2.6MPa。

由于采用上述技術方案，本發明以SiO₂含量≥95wt%?的硅灰為主要原料，硅灰本身含有大量的微納米氣孔可以原位形成均勻的孔隙；所采用的紅外遮蔽劑可以通過散射作用有效阻隔熱輻射傳熱，所采用的玻璃纖維作為增強體可以提高材料的耐壓、抗折強度，結合劑在材料內也可以形成大量微納米氣孔。

本發明所制備的納米孔超級絕熱材料的體積密度為0.4~0.7g/cm³，平均孔徑為50~70nm，材料的導熱系數在300℃時為0.035~0.06W/m·K，500℃時為0.05~0.08W/?m·K，900℃時為0.07~

0.09W/?m·K；抗折強度為1.20~1.85MPa；耐壓強度為1.25~1.95MPa。

因此，本發明所制備的材料具有體積密度小、氣孔分布均勻、力學性能好和導熱系數低的特點。