CN107012591B - 干法复合真空绝热芯材及其制备方法 - Google Patents

干法复合真空绝热芯材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及干法复合真空绝热芯材，按质量百分比计，包括超细玻璃纤维棉70～80wt％，纳米级二氧化硅粉末15～25wt％和加工助剂1～5wt％；所述纳米级二氧化硅粉末直径为50～100nm；所述超细玻璃纤维棉中Na2O和K2O的总含量控制在11～17wt％。本发明还涉及干法复合真空绝热芯材的制备方法，将超细玻璃纤维棉和纳米级二氧化硅粉末结合在一起，利用干法热压来制备真空绝热芯材，导热系数低，强度高，寿命增加。

Description

干法复合真空绝热芯材及其制备方法
技术领域
本发明属于功能复合材料技术领域，涉及干法复合真空绝热芯材及其制备方法。
背景技术
真空绝热板(Vacuum Insulation Panel:VIP)是新一代高效保温材料，热导系数可低至2.0mW/(m·K)以下，相当于传统材料导热系数的1/10，是目前世界上导热系数最低的保温隔热材料。VIP被广泛应用于冰箱、冰柜、冷藏箱、冷库、建筑墙体保温、舰艇、船舶、汽车、电热水器等领域。
芯材作为真空绝热板VIP最核心的部件，其本身由多孔材料组成，限制了残留水气分子的***，并阻止了气体的对流和热传导。在真空封装过程中，作为支撑骨架的芯材能够承受大于98KPa的压力，保证阻隔膜与芯材良好贴合而不坍塌。对于以纤维材料制作的真空绝热板VIP芯材，芯材的孔径尺寸越接近于气体分子平均自由程，由分子互相碰撞引起的气体热传导就越小，所以孔隙率、纤维直径和孔径尺寸等因素共同决定了真空绝热板VIP的导热系数。随着使用时间的延长，芯材中吸附的气体会释放出来，真空绝热板VIP中的内压强会一定程度上有所提高，内压强与导热系数增高有很大的影响。对于以二氧化硅制作的真空绝热板VIP芯材，因其具有纳米孔结构特征，可以降低气体的传导传热。
公开号为CN104747862具有玻璃纤维片材和气相SiO2层的VIP芯材的专利中，公开了多层层叠的玻璃纤维片材构成的中间芯材，中间芯材的上端面和/或下端面覆盖有气相SiO2板，或所述中间芯材的外周包覆有气相SiO2粉层。
公开号为CN104628239干法制备真空绝热板芯材的方法的专利中，公开了一种干法制备真空绝热板芯材的方法。首先制备并收集玻璃纤维，将玻璃纤维加热至一定温度、施加适当的压力并维持一段时间后玻璃纤维表面形成半熔态的类硅胶的化合物，该半融态化合物使得玻璃纤维丝相互交联搭接最终冷却获得VIP芯材。
公开号为CN104291772一种粉煤灰掺杂的玻纤芯材及其制备方法的专利中，公开了采用湿法工艺制成玻璃棉毡，干燥过程中在其表面均匀喷涂硅烷偶联剂，待其固化后，在玻纤芯材上方放置一个振动加粉机，将粉煤灰颗粒放置其中，使粉煤灰颗粒均匀分布在芯材纤维的孔隙中。
上述三发明专利中，所公开的真空绝热板VIP芯材均是片状玻璃纤维片层芯材与粉末片层芯材铺叠复合而成，或单独玻璃纤维片层芯材或单独粉末片层芯材组成；其中所述的玻璃纤维片层芯材均是利用湿法打浆方式制备而成，相比于干法热压成型方式，湿法打浆过程会破坏纤维，成型工艺复杂，能耗成本较高；对于粉末片层芯材成型困难，强度较差，尤其针对纳米级颗粒粉末成型就更为困难，会造成抽真空过程中芯材发生变形，表面凹凸不平和导热系数增加。因此，如何制备出干法热压用玻璃纤维和纳米级粉末的复合芯材，是制备超低导热系数真空绝热板VIP亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种表面平整，强度高和导热系数低的干法复合真空绝热芯材，还提供所述干法复合真空绝热芯材的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、干法复合真空绝热芯材，按质量百分比计，包括如下组分：超细玻璃纤维棉70～80wt％，纳米级二氧化硅粉末15～25wt％和加工助剂1～5wt％；所述超细玻璃纤维棉按质量百分比计，由以下组分组成：SiO2：58.5～65wt％；Na2O：10.5～16wt％；K2O：0.5～3wt％；Al2O3：2.4～7wt％；MgO：1～4.5wt％；CaO：3～7.5wt％；B2O3：6～8wt％；Fe2O3：0.05～0.2wt％；ZnO：0～2wt％；BaO：0.5～3.5wt％。
进一步，所述纳米级二氧化硅粉末直径为50～100nm。
进一步，所述超细玻璃纤维棉中Na2O和K2O的总含量控制在11～17wt％。
进一步，所述纳米级二氧化硅粉末选用气相二氧化硅、沉淀二氧化硅或气凝胶二氧化硅中的一种或几种。
进一步，所述加工助剂选用KH792、KH550、KH560硅烷偶联剂、NDZ-101或NDZ-311钛酸酯偶联剂中的一种或几种。
2、干法复合真空绝热芯材的制备方法，包括如下步骤：
(1)根据超细玻璃纤维棉组成成分选取石英砂、纯碱、钾长石、钠长石、方解石、硼砂、白云石、碳酸钡和氧化锌均匀混合并熔炼成无杂质透明的玻璃液；
(2)玻璃液通过高速旋转的离心盘甩出超细玻璃纤维；
(3)将混合有加工助剂的纳米级二氧化硅粉末均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，通过负压引风吸到集棉机内形成干法复合超细玻璃纤维棉；
(4)将制得的干法复合超细玻璃纤维棉经过温度为550～650℃的固化炉热压3～10min，得到干法复合真空绝热芯材。
进一步，所述超细玻璃纤维的直径95％正态分布在2.5～4μm，所述超细玻璃纤维的长度90％正态分布在15～30mm。
进一步，步骤(4)所述干法复合真空绝热芯材的厚度控制在15～35mm，密度控制在150～300Kg/m3。
进一步，步骤(3)中均匀雾化喷洒的喷射压力控制在0.3～0.5Mpa，喷射流量控制在150～250Kg/h。
本发明的有益效果在于：本发明所述超细玻璃纤维棉化学成分中碱性金属Na2O+K2O含量控制在11～17wt％，可有效提高纤维的综合力学性能，降低导热系数；超细玻璃纤维中B2O3含量为6～8wt％，可有效降低导热系数；制备出的超细玻璃纤维直径95％都正态分布在2.5～4μm，纤维长度90％都正态分布在15～30mm，芯材厚度控制在15～35mm，密度控制在150～300Kg/m3，可有效降低制备出干法复合真空绝热芯材的导热系数。本发明将导热系数非常低的超细玻璃纤维棉和纳米级二氧化硅粉末有效结合在一起，而且利用干法热压来制备真空绝热芯材，打破了传统的湿法打浆对纤维的破坏，制备出的干法复合真空绝热芯材使用寿命大大增加，利用纳米级二氧化硅与超细玻璃纤维棉复合，经过干法热压来制备复合真空绝热芯材，相比于其它干法热压制备的单一材质芯材，其导热系数更低，强度高，寿命更长；相比于湿法打浆制备的芯材，其制备过程不破坏纤维，成型工艺简单，能耗成本低，同时实现了纳米二氧化硅的有效添加。本发明制备出的干法复合真空绝热芯材表面平整，强度高和导热系数低，非常适用于冰箱、冰柜、冷藏箱、冷库、建筑墙体保温、舰艇、船舶、汽车、电热水器等领域。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
按重量比选取23.5份石英砂、11份纯碱、4.5份钾长石、5.5钠长石、2.5份方解石、8.5硼砂、6白云石、1.5份碳酸钡和1份氧化锌均匀混合后投入窑炉煅烧，熔化出成分均匀和无杂质透明的玻璃液；然后玻璃液通过高速旋转的离心盘甩出超细玻璃纤维，制备出的超细玻璃纤维直径95％都正态分布在2.5～3μm，纤维长度90％都正态分布在20～30mm；将混合有含量1％KH560硅烷偶联剂的纳米级气相二氧化硅粉末均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，其中射压力控制在0.4Mpa,喷射流量控制在200Kg/h；然后通过负压引风吸到集棉机内形成干法复合超细玻璃纤维棉；最后将制得的干法复合超细玻璃纤维棉经过温度为600℃的固化8min；
经检测干法复合真空绝热芯材厚度15mm，密度245Kg/m3，芯材压缩比18％，测得导热系数与其它真空绝热芯材相比，具体结果如下：
由此可以看出制备出的干法复合真空绝热芯材的导热系数要低于单一的干法玻璃纤维芯材和二氧化硅片层玻璃纤维片层芯材，同时也要小于湿法玻璃纤维芯材。
实施例2
按重量比选取26.5份石英砂、12份纯碱、4份钾长石、6钠长石、3份方解石、7.5硼砂、6白云石、2份碳酸钡和1.5份氧化锌均匀混合后投入窑炉煅烧，熔化出成分均匀和无杂质透明的玻璃液；然后玻璃液通过高速旋转的离心盘甩出超细玻璃纤维，制备出的超细玻璃纤维直径95％都正态分布在2.5～3μm，纤维长度90％都正态分布在15～25mm；将混合有含量3％KH792硅烷偶联剂的纳米级二氧化硅气凝胶粉末均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，其中射压力控制在0.5Mpa,喷射流量控制在250Kg/h；然后通过负压引风吸到集棉机内形成干法复合超细玻璃纤维棉；最后将制得的干法复合超细玻璃纤维棉经过温度为630℃的固化5min；
经检测干法复合真空绝热芯材厚度17mm，密度255Kg/m3，芯材压缩比20％，测得导热系数与其它真空绝热芯材相比，具体结果如下：
由此可以看出由纳米二氧化硅和超细玻璃纤维棉热压形成的干法复合真空绝热芯材的导热系数要低于单一的干法玻璃纤维芯材，同时也要小于湿法玻璃纤维芯材。证明本发明制备出的干法复合真空绝热芯材具有成本低，导热系数低等特点。因此，在冰箱、冰柜、冷藏箱、冷库、建筑墙体保温等领域具有广阔的市场前景。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.干法复合真空绝热芯材，其特征在于，按质量百分比计，包括如下组分：超细玻璃纤维棉70~80 wt%，纳米级二氧化硅粉末15~25 wt%和加工助剂1~5 wt%；所述超细玻璃纤维棉按质量百分比计，由以下组分组成：SiO2 ：58.5~65 wt%；Na2O：10.5~16 wt%；K2O：0.5~3wt%；Al2O3：2.4~7 wt%；MgO：1~4.5 wt%；CaO：3~7.5 wt%；B2O3：6~8 wt%；Fe2O3：0.05~0.2wt%；ZnO：0~2 wt%；BaO：0.5~3.5 wt%;所述纳米级二氧化硅粉末直径为50~100nm。
2.如权利要求1所述的干法复合真空绝热芯材，其特征在于，所述超细玻璃纤维棉中Na2O和 K2O的总含量控制在11～17 wt %。
3.如权利要求1所述的干法复合真空绝热芯材，其特征在于，所述纳米级二氧化硅粉末选用气相二氧化硅、沉淀二氧化硅或气凝胶二氧化硅中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的干法复合真空绝热芯材，其特征在于，所述加工助剂选用KH792、KH550、KH560硅烷偶联剂、NDZ-101或NDZ-311钛酸酯偶联剂中的一种或几种。
5.权利要求1-4任一所述的干法复合真空绝热芯材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据超细玻璃纤维棉组成成分选取石英砂、纯碱、钾长石、钠长石、方解石、硼砂、白云石、碳酸钡和氧化锌均匀混合并熔炼成无杂质透明的玻璃液；
（2）玻璃液通过高速旋转的离心盘甩出超细玻璃纤维；
（3）将混合有加工助剂的纳米级二氧化硅粉末均匀雾化喷洒于超细玻璃纤维表面，通过负压引风吸到集棉机内形成干法复合超细玻璃纤维棉；
（4）将制得的干法复合超细玻璃纤维棉经过温度为550~650℃的固化炉热压3~10min，得到干法复合真空绝热芯材。
6.如权利要求5所述的干法复合真空绝热芯材的制备方法，其特征在于，所述超细玻璃纤维的直径95%正态分布在2.5～4μm，所述超细玻璃纤维的长度90%正态分布在15～30mm。
7.如权利要求5所述的干法复合真空绝热芯材的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述干法复合真空绝热芯材厚度控制在15~35mm，密度控制在150~300Kg/m3。
8.如权利要求5所述的干法复合真空绝热芯材的制备方法，其特征在于，步骤（3）中均匀雾化喷洒的喷射压力控制在0.3~0.5Mpa，喷射流量控制在150~250Kg/h。
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