CN108822873A - 一种新型纳米级微孔隔热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型纳米级微孔隔热材料及其制备方法，隔热材料构成组分及重量百分比分别为：亚微米级的二氧化硅粉末50～95%；纳米级的二氧化硅粉末0～35%，增强用纤维0.1～15%，对新型纳米级微孔隔热材料进行一定的热处理，热处理温度为350～950℃，使得材料硬化形成一定强度的同时，又具备了防止水和液体破坏纳米级微气孔的作用。本发明制得的新型纳米级微孔隔热材料，其密度在450～700Kg/m³，导热系数在600℃时0.050～0.080W/mK，比同等密度陶瓷纤维板、微孔硅酸钙板和轻质隔热砖等传统隔热材料（600℃时0.12～0.15W/mK）低很多，是一种非常好的新型纳米级微孔隔热材料。

Description

一种新型纳米级微孔隔热材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种新型纳米级微孔隔热材料及其制备方法，其属于高温隔热材料领域。

背景技术：

现有的隔热性能比较好的隔热保温材料，如陶瓷纤维、微孔硅酸钙板和轻质隔热砖，采用微米级耐火粉末或者微米级纤维制成的，其材料的气孔在2～10微米之间，其导热系数在600℃时为0.12～0.15W/mK，但是，在需要更好隔热性能的场合中，上述普通隔热材料的隔热性能还是难以满足要求的。

目前市场上流行的一种纳米级微孔隔热材料，采用纳米级微孔二氧化硅粉末如气相二氧化硅纳米粉末和或二氧化硅气凝胶纳米粉料为主要原料，其原生二氧化硅的纳米粒子直径为7～10纳米左右，由这种二氧化硅纳米级微孔粉末形成的团聚体气孔在20～30纳米，这样导致这种材料的固体传导传热很小。同时，在这种纳米级微孔隔热材料中又加入了耐高温的反红外射线的耐火粉末添加物，使得隔热材料的红外辐射传热也降到了很低的水平上。再加入微米级的增强纤维，压制成板块状的具有纳米级微气孔的隔热材料，其导热系数在600℃时为0.022～0.035W/mK，这种纳米级微孔隔热材料的隔热性能比微米级气孔的陶瓷纤维和硅酸钙板好3～4倍以上，解决了许多对空间和厚度要求苛刻场合的隔热要求，是一种非常好的纳米级微孔隔热材料。

但是，上述的纳米级微孔隔热材料也有其不足之处，首先，这种纳米级微孔隔热材料不能抵抗水之类的液体对纳米级微气孔的破坏作用，因为这种纳米级微孔隔热材料在遭受水和液体浸渍后，在水和液体重新干燥挥发时，由于水和液体的表面张力的收缩压力的作用，使得纳米级微气孔坍塌破坏而增大为微米级甚至毫米级的孔洞，在宏观上就形成了许多的贯通气孔和裂缝，彻底散失了纳米级微孔隔热材料的优异隔热性能。一般的解决方法是在这种纳米级微孔隔热材料或者气凝胶纳米级微孔隔热材料中添加额外的防水剂，才能应用到水分比较多的场合，比如作为耐火浇注料的背衬隔热材料应用场合中。由于这种防水剂是有机类材料在纳米级微孔材料粉末表面形成的疏水膜，使得纳米级微孔隔热材料具有优异的疏水作用，从而具备了防止水和液体对材料纳米级微气孔的破坏作用。但是，疏水的隔热材料一旦暴露在300～500℃以上高温中时，纳米级微孔隔热材料中的有机类防水剂被完全烧除后，隔热材料就散失了疏水作用，这种纳米级微孔隔热材料再次遇到水或者液体浸渍时，其纳米级微气孔就会被液体的表面张力形成的收缩压力破坏，导致这类纳米级微孔隔热材料的隔热性能大幅度下降，严重的导致材料宏观上出现大量的裂缝和收缩，引起隔热材料破坏甚至耐火衬的整体失效。

其次的防水解决方法，是在纳米级微孔隔热材料外加热缩膜、包裹塑料膜或者疏水材料之类的防水保护层，以达到防水作用。但是，在隔热材料运输搬运和施工中，不可避免地对外层的热缩膜、塑料膜或者防水保护层有着摩擦破坏作用，很容易导致防水层的局部破损，即使在破损处临时粘贴透明胶带进行修补，也难免存在着漏水的缝隙之处，水和液体还是容易渗透进去，导致隔热材料的纳米级微气孔被破坏掉；即使塑料膜等防水层保护的好，没有出现漏水情况，同样的道理，这类塑料膜等防水层在高温300～500℃以上使用后，塑料膜等防水层收缩碳化分解掉，暴露出被保护的纳米级微孔隔热材料，这样当再次有水分或者液体浸入隔热材料时，纳米级微孔隔热材料的纳米级微气孔还是很容易被破坏掉，从而散失其优异的隔热性能。最后，这类采用纳米级气相二氧化硅粉末或者二氧化硅气凝胶纳米粉末为主要原料制成的纳米级微孔隔热材料，由于这两种原料的成本非常高，不利于大量的推广应用。

本发明采用一种新型配方和制作工艺，该配方和制作工艺所用的原材料为亚微米级微孔材料粉末和纳米级微孔材料粉末复合，作为主体的亚微米级微孔材料粉末粒子直径在0.05～0.5微米即50～500纳米范围，与纳米级微孔材料粉末一起组成了新型的纳米级微孔隔热材料。这种新型纳米级微孔隔热材料经过350～950℃的高温热处理后，其中亚微米级微孔粉末和纳米级微孔材料粉末烧结形成牢固的陶瓷结合，由此形成的纳米级微孔结构的隔热材料在水或者液体浸泽时，其纳米级微气孔能够抵抗水和液体的表面张力的收缩压力作用，保持纳米级微气孔结构稳定不变，从而具有了不怕水和液体的浸渍破坏作用，在水和液体重新干燥后，其隔热性能不受影响，一举解决了传统纳米级微孔隔热材料和气凝胶纳米级微孔隔热材料遇水破坏的问题。

这种新型纳米级微孔隔热材料的隔热性能比传统的微米级陶瓷纤维和硅酸钙板要好2～2.5倍，可以满足很多的高级隔热要求，同时又可以应用于大量水和液体存在的场合中，按这种配方制成的新型纳米级微孔隔热材料，主要成分是亚微米级二氧化硅粉末即工业超细硅灰，其成本比纳米级微孔的气相二氧化硅粉末和纳米级微孔的气凝胶粉末低很多，因此，具有更加广阔的应用领域。

发明内容：

本发明的目的是克服陶瓷纤维、微孔硅酸钙板和普通纳米级微孔隔热材料的不足，提供一种新型纳米级微孔隔热材料及其制备方法，该隔热材料具有隔热性能好，导热系数低、原料成本低廉，不惧怕水和液体的破坏作用。

本发明采用如下技术方案：一种新型纳米级微孔隔热材料，其构成组分及重量百分比分别为：

亚微米级二氧化硅粉末 50～95%

纳米级的二氧化硅粉末 0～35%

增强用纤维 0.1～15%。

进一步地，所述亚微米级二氧化硅粉末为工业超细硅灰，比表面积为10～100m²/g，平均粒径低于1微米。

进一步地，所述亚微米级二氧化硅粉末的平均粒径为0.05～0.5微米。

进一步地，所述纳米级二氧化硅粉末为气相二氧化硅纳米粉末，或者二氧化硅气凝胶纳米粉末，其比表面积为150～500m²/g，原生粒子粒径为7～10纳米。

进一步地，所述增强用纤维为无碱短切玻璃纤维、玄武岩短切纤维、1100～1260型硅酸铝陶瓷纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、高硅氧短切纤维或莫来石纤维，直径3～15微米，长度为5～15毫米。

进一步地，所述1100～1260型硅酸铝陶瓷纤维的使用温度为1100～1260℃，采用散状纤维使用，长度为3～50毫米，所述高硅氧短切纤维直径为6～12微米，长度为6～12毫米。

本发明还采用如下技术方案：一种新型纳米级微孔隔热材料的制备方法，包括如下步骤：将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板块状，该板块再经过350～950℃热处理0.5～6小时，即得到新型纳米级微孔隔热材料。

本发明又采用如下技术方案：一种新型纳米级微孔隔热材料的制备方法，包括如下步骤：将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板块状，该板块直接用热缩膜、塑料膜或者复合铝箔包裹，或者直接装入塑料袋中抽真空形成定型板材，即得到新型纳米级微孔隔热材料。

本发明具有如下有益效果：

（1）.本发明的新型纳米级微孔隔热材料产品，隔热性能优于普通的陶瓷纤维、硅酸钙板和和轻质隔热砖，隔热保温性能是他们的2～2.5倍；

（2）.对本发明的产品进行热处理后，使得材料本身具有防止水和液体对纳米级微气孔的破坏作用，从而，可以在有大量水份和液体存在的场合中安全使用；

（3）.本发明具有原料成本低廉，应用领域广阔。

具体实施方式：

本发明新型纳米级微孔隔热材料，其构成组分及重量百分比分别为：

亚微米级二氧化硅粉末 50～95%

纳米级的二氧化硅粉末 0～35%

增强用纤维 0.1～15%

其中亚微米级二氧化硅粉末为工业超细硅灰，比表面积为10～100m²/g，平均粒径低于1微米，为0.05～0.5微米（50～500纳米）。

其中纳米级二氧化硅粉末为气相二氧化硅纳米粉末，或者二氧化硅气凝胶纳米粉末，其比表面积为150～500m²/g，原生粒子粒径为7～10纳米。

其中增强用纤维为无碱短切玻璃纤维、玄武岩短切纤维、1100～1260型硅酸铝陶瓷纤维（使用温度为1100～1260℃）、氧化硅纤维、氧化铝纤维、高硅氧短切纤维或莫来石纤维，直径3～15微米，长度为5～15毫米。

其中1100～1260型硅酸铝陶瓷纤维的使用温度为1100～1260℃，采用散状纤维使用，长度为3～50毫米。所述高硅氧短切纤维直径为6～12微米，长度为6～12毫米。

通过上述原料压制而成的新型纳米级微孔隔热材料，材料本身可以不经过热处理，而能够直接应用于没有水和液体渗透浸渍的场合做隔热应用；也可以经过350～950℃的热处理，使得材料硬化从而可以不依靠有机防水剂和塑料膜等防水层，而其本身具备了防止水和液体对纳米级气孔的破坏作用。

下面通过三个实施例来具体说明本发明新型纳米级微孔隔热材料。

实施案例1：

一种新型纳米级微孔隔热材料，其构成组分及重量百分比分别为：

亚微米级二氧化硅粉末（工业超细硅灰0.05～0.5微米） 86%

纳米级二氧化硅（气相法或气凝胶法，比表面积为380m²/g） 5%

高硅氧短切纤维（直径9～12微米，长度12毫米） 0.5%

1100型硅酸铝陶瓷纤维（直径4～6微米，长度6毫米） 8.5%

制备方法是：

将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板块状，该板块再经过750℃热处理1～2小时，即得到新型纳米级微孔隔热材料，该材料具有不怕水和液体的浸渍破坏作用。

制得的新型纳米级微孔隔热材料的板材厚度为25～100mm，也可以根据需要制成砖状的隔热材料，该材料密度在450～580Kg/m³,抗压强度在0.35～2 MPa,导热系数在600℃时为0.055～0.085W/mK。

实施案例2：

一种纳米级微孔隔热材料，其构成组分及重量百分比分别为：

亚微米级二氧化硅粉末（工业超细硅灰0.05～0.5微米） 85%

纳米级二氧化硅粉末（气相法或气凝胶法，比表面积为200m²/g） 5%

高硅氧短切纤维（直径9～12微米，长度12毫米） 1%

1100型硅酸铝陶瓷纤维（直径4～6微米，长度6毫米） 9%

将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板块状，该板块再经过550℃热处理1～2小时，然后切割包装成需要的尺寸；或者不经过热处理，直接用热缩膜、塑料膜或者复合铝箔包裹，或者直接装入塑料袋中抽真空形成定型板材。

按此方法制成的板材厚度为10～100mm，材料密度在550～650Kg/m³,抗压强度在0.5～2.5 MPa,导热系数在600 ℃时为0.060～0.090W/mK。

实施案例3：

一种纳米级微孔隔热材料，其构成组分及重量百分比分别为：

亚微米级二氧化硅粉末（工业超细硅灰0.05～0.5微米） 90%

高硅氧短切纤维（直径9～12微米，长度12毫米） 1%

1100型硅酸铝陶瓷纤维（直径4～6微米，长度6毫米） 9%

将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板状，该板块再经过950℃热处理1～2小时，然后切割包装成需要的尺寸，用热缩膜、塑料膜或者复合铝箔包裹；或者不经过热处理，直接装入塑料袋中抽真空形成定型板材。

按此方法制成的板材厚度为10～50mm，材料密度在580～650Kg/m³,抗压强度在1～2.5 MPa,导热系数在600 ℃时为0.066～0.095W/mK。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型纳米级微孔隔热材料，其特征在于：其构成组分及重量百分比分别为：

亚微米级二氧化硅粉末 50～95%

纳米级的二氧化硅粉末 0～35%

增强用纤维 0.1～15%。

2.如权利要求1所述的新型纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述亚微米级二氧化硅粉末为工业超细硅灰，比表面积为10～100m²/g，平均粒径低于1微米。

3.如权利要求2所述的新型纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述亚微米级二氧化硅粉末的平均粒径为0.05～0.5微米。

4.如权利要求1所述的新型纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述纳米级二氧化硅粉末为气相二氧化硅纳米粉末，或者二氧化硅气凝胶纳米粉末，其比表面积为150～500m²/g，原生粒子粒径为7～10纳米。

5.如权利要求1所述的新型纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述增强用纤维为无碱短切玻璃纤维、玄武岩短切纤维、1100～1260型硅酸铝陶瓷纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、高硅氧短切纤维或莫来石纤维，直径3～15微米，长度为5～15毫米。

6.如权利要求5所述的新型纳米级微孔隔热材料，其特征在于：所述1100～1260型硅酸铝陶瓷纤维的使用温度为1100～1260℃，采用散状纤维使用，长度为3～50毫米，所述高硅氧短切纤维直径为6～12微米，长度为6～12毫米。

7.一种如权利要求1所述的新型纳米级微孔隔热材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板块状，该板块再经过350～950℃热处理0.5～6小时，即得到新型纳米级微孔隔热材料。

8.一种如权利要求1所述的新型纳米级微孔隔热材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将上述粉末按重量配比干态混合均匀，填入模具压制成板块状，该板块直接用热缩膜、塑料膜或者复合铝箔包裹，或者直接装入塑料袋中抽真空形成定型板材，即得到新型纳米级微孔隔热材料。