[發(fā)明專利]具有規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)的二氧化硅隔熱材料制備方法

有效

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• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103896561A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 嚴(yán)佳;王海瑞;李小康;吳天昊
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C04B35/14
• 分類號: C04B35/14;C04B35/632;C04B35/634;C04B35/636
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)的二氧化硅隔熱材料制備方法，屬于工程隔熱材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)耐火材料如剛玉磚、鎂鉻磚、碳化硅磚等，雖然強(qiáng)度較高，但隔熱性能欠佳，更重要的是密度較大。一般隔熱材料如泡沫材料、纖維材料等具有優(yōu)異的隔熱性能，但缺乏高溫強(qiáng)度。所以，研發(fā)具有優(yōu)良隔熱性能和一定高溫強(qiáng)度，且密度較低的復(fù)合功能型耐火隔熱材料在航空航天、能源、化工和冶金等眾多工業(yè)領(lǐng)域至關(guān)重要。就目前需求和研究來看，需要在材料配方設(shè)計(jì)和制造工藝中協(xié)調(diào)和兼顧隔熱性能和高溫強(qiáng)度這兩個(gè)相互制約的矛盾。

二氧化硅具有耐磨損、耐高溫、抗氧化、低膨脹系數(shù)、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，是工業(yè)領(lǐng)域理想的隔熱材料。二氧化硅氣凝膠具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高孔隙率和低密度等特點(diǎn)，所以其隔熱性能優(yōu)異，是目前被研究較多的一種隔熱材料，但是其力學(xué)強(qiáng)度很低、易碎裂，并且在溫度較高的環(huán)境中，半透明的二氧化硅氣凝膠材料很難阻抗熱輻射形式的傳熱。因此氣凝膠較難作為隔熱材料單獨(dú)使用，需要對其進(jìn)行摻雜處理，這使其干燥設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)成本極高，從而阻礙氣凝膠大規(guī)模批量生產(chǎn)。

經(jīng)檢索，目前國內(nèi)外沒有關(guān)于直接利用定向冷凍聯(lián)合冷凍干燥技術(shù)制備具有多級微結(jié)構(gòu)二氧化硅隔熱材料的專利報(bào)道，僅有使用冷凍干燥制備多孔氧化鋁材料的報(bào)道。國家知識產(chǎn)權(quán)局于2010年7月公開了名稱為“溶膠凝膠-冷凍干燥工藝制備氧化鋁多孔陶瓷的方法”（專利號CN1962547A）的發(fā)明專利，其以異丙醇鋁為前驅(qū)體，將氧化鋁溶液冷凍干燥制備成多孔陶瓷。2012年8月公開了名稱為“聚輕莫來石隔熱材料及其真空冷凍干燥制備方法”（專利號CN101786832B）的發(fā)明專利，其采用水基丙烯酰胺體系凝膠注模和真空冷凍干燥制備莫來石隔熱材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的問題是提供一種高力學(xué)強(qiáng)度的隔熱材料。本發(fā)明通過采用定向冷凍技術(shù)與冷凍干燥技術(shù)合成具有微米、納米多級結(jié)構(gòu)的二氧化硅隔熱材料，該材料具有結(jié)構(gòu)尺寸均勻、方向可控、高比表面積、超輕、高強(qiáng)、低導(dǎo)熱等優(yōu)點(diǎn)，以滿足航天、電子、軍工、生物醫(yī)藥、化工催化和科研等領(lǐng)域?qū)Ω魺岬男枨蟆?/p>

本發(fā)明提供了一種具有規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)的二氧化硅隔熱材料制備方法，所述制備方法包括定向冷凍步驟、干燥步驟、燒結(jié)步驟，所述定向冷凍步驟為將粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液注入模具內(nèi)，使粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液的凝固界面從模具的一端向另一端逐漸定向凝固，得到粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液的凝固產(chǎn)物。

現(xiàn)有技術(shù)中的冷凍步驟為非定向冷凍，其缺陷為所制備材料的微觀結(jié)構(gòu)為無序的多孔結(jié)構(gòu)，不規(guī)整不定向，可控性差。本發(fā)明中的冷凍步驟為定向冷凍，使混合液的凝固界面從模具的一端向另一端逐漸定向凝固，其優(yōu)點(diǎn)為制備的多孔二氧化硅隔熱材料具有規(guī)整定向排列層狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液的凝固界面優(yōu)選為以1～100mm/min的速度從模具的一端向另一端定向凝固。

本發(fā)明所述模具優(yōu)選為底面為導(dǎo)熱材料其余面為絕熱材料的模具Ⅰ，模具Ⅰ高度≤1cm，將模具Ⅰ底面置于﹣40～﹣196℃的冷凍劑界面上至粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液凝固；或由熱的不良導(dǎo)體制成的模具Ⅱ，模具Ⅱ的高度＞1cm，將模具Ⅱ以一定速度浸入冷凍劑內(nèi)至粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液凝固。

本發(fā)明所述模具Ⅰ底面導(dǎo)熱材料優(yōu)選為不銹鋼或銅。所述模具Ⅰ其余面絕熱材料優(yōu)選為聚四氟乙烯。所述熱的不良導(dǎo)體優(yōu)選為聚丙烯或聚乙烯。

本發(fā)明所述模具Ⅱ優(yōu)選為以1～100mm/min速度浸入冷凍劑內(nèi)至粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液凝固。

本發(fā)明所述粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液優(yōu)選為將1～15%wt的粘結(jié)劑溶液與5～50%wt的二氧化硅膠體分散液混勻；

所述粘結(jié)劑溶液與二氧化硅膠體分散液的質(zhì)量比為1：1；

所述粘結(jié)劑為水溶性有機(jī)聚合物。

本發(fā)明所述粘結(jié)劑優(yōu)選為聚乙烯醇、殼聚糖、聚甲基丙烯酸甲酯、葡萄糖和麥芽糖中的至少一種。

本發(fā)明所述干燥步驟優(yōu)選為將定向冷凍步驟所得粘結(jié)劑與二氧化硅膠體混合液的凝固產(chǎn)物置于冷凍干燥機(jī)內(nèi)使其干燥，得到具有規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)的二氧化硅/粘結(jié)劑復(fù)合材料。