CN110645445A - 一种无机纳米粉末复合绝热毡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无机纳米粉末复合绝热毡及其制备方法，所述绝热毡由无机纤维和无机纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构。该绝热毡是一种隔热性能优异的隔热卷材，其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，能有效避免空气的对流传热，而无机纳米粉末极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低，将其应用在隧道隔热结构中，能避免其高地温环境会对隧道工程产生各种不利的危害和影响。

Description

一种无机纳米粉末复合绝热毡及其制备方法
技术领域
本发明涉及隧道隔热技术领域，具体涉及一种无机纳米粉末复合绝热毡及其制备方法。
背景技术
根据我国地热和地下热水分布规律，西藏、云南、新疆西部和台湾是高温(＞150℃)地热地区，因此，未来在川藏线、滇藏线、甘藏线等铁路建设，滇西、川西等地区高速公路建设中，势必会出现越来越多的高地温隧道。目前即将开工的川藏铁路所经的藏东南地区是属地中海-南亚地热异常带的主要组成部分，沿线地温高，表现为高岩温与高水温，属大气降水深循环型的水热对流型热水***。全线有50余个对线路影响的高温热泉，沿线高地温和高温热水主要分布在康定-新都桥、理塘-巴塘、金沙江一带、左贡-东村，其中，康定榆林宫温泉呈高温蒸汽形式喷出，高温蒸汽最高可到210℃，在铁路隧道工程领域举世罕见。其中，川藏线拉林段隧道施工中揭示地温高达65～89.9℃。
高地温环境会对隧道工程产生各种不利的危害和影响。一方面，由于温度的不均匀分布，在衬砌结构中会产生温度应力，从而降低了隧道衬砌结构体系的承载能力和耐久性；另一方面，由于高地温的环境，在围岩内外的温差产生了温度场，温度场产生的拉应力值大，如将其作为不可消除荷载，结构所需的钢筋量也十分大，但实际在温度作用下配置大量的钢筋并不能抑制混凝土自身收缩而产生的裂缝。所以，对于高地温隧道结构的隔热研究显得尤为重要，但是目前隔热材料的隔热效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无机纳米粉末复合绝热毡及其制备方法，用于对高地温隧道结构的隔热，避免其高地温环境会对隧道工程产生各种不利的危害和影响。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种无机纳米粉末复合绝热毡，所述绝热毡由无机纤维和无机纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构，网格结构具有“无穷多”的空隙壁，无机纳米粉末极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低。
进一步改进在于，所述纳米孔的孔径低于常压下空气分子平均自由程，有效避免空气的对流传热。
进一步改进在于，所述无机纳米粉末选自MgO、ZnO、CuO、SiO2、Al2O3、TiC2、SiC或TiB2中的一种或多种。
进一步改进在于，所述无机纤维选自玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维或陶瓷纤维中的一种。
一种无机纳米粉末复合绝热毡的制备方法，步骤包括
(1)将无机纤维进行表面活化处理，处理后与无机纳米粉末混合，打浆，并利用超声波分散处理得到均匀混合物；
(2)将混合物真空脱水，再加压成型，然后在保护气氛中进行固化，即得到均匀分布有纳米孔的网格结构绝热毡。
进一步改进在于，所述表面活化处理是指采用质量浓度为20～45％的氢氟酸,在40～75℃温度下对无机纤维进行氧化刻蚀0.5～3h，增加纤维表面极性和粗糙度，由此增加无机纤维和无机纳米粉末之间的相容性。
进一步改进在于，所述超声波分散处理的功率为200W～400W，处理时间为15～20min，超声处理能使无机纳米粉末在无机纤维中均匀分散开来。
进一步改进在于，所述保护气氛为氮气或氩气保护。
进一步改进在于，所述固化的具体操作为：先以8～10℃/min的升温速率从室温升至150℃并保温0.3～1h，再以4～6℃/min的升温速率升至250℃并保温0.3～1h，最后以1～2℃/min的升温速率升至300℃并保温1～2h。
本发明的有益效果在于：该绝热毡是一种隔热性能优异的隔热卷材，其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，能有效避免空气的对流传热，而无机纳米粉末极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低，将其应用在隧道隔热结构中，能避免其高地温环境会对隧道工程产生各种不利的危害和影响。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种无机纳米粉末复合绝热毡，该绝热毡由玻璃纤维和MgO纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构，纳米孔的平均孔径为3.2×10-8m。该绝热毡通过以下方法制备而成：
步骤一、采用质量浓度为20％的氢氟酸,在75℃温度下对玻璃纤维进行氧化刻蚀3h，增加玻璃纤维表面极性和粗糙度；处理后与MgO纳米粉末混合，打浆，并利用超声波分散处理，功率为200，处理20min得到均匀混合物；
步骤二、将混合物真空脱水，再加压成型，然后在氮气保护气氛中进行固化，先以10℃/min的升温速率从室温升至150℃并保温1h，再以6℃/min的升温速率升至250℃并保温1h，最后以2℃/min的升温速率升至300℃并保温2h，即得到均匀分布有纳米孔的网格结构绝热毡。
实施例2
一种无机纳米粉末复合绝热毡，该绝热毡由石英玻璃纤维和SiO2纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构，纳米孔的平均孔径为1.6×10-8m。该绝热毡通过以下方法制备而成：
步骤一、采用质量浓度为30％的氢氟酸,在60℃温度下对石英玻璃纤维进行氧化刻蚀1.5h，增加石英玻璃纤维表面极性和粗糙度；处理后与SiO2纳米粉末混合，打浆，并利用超声波分散处理，功率为300W，处理18min得到均匀混合物；
步骤二、将混合物真空脱水，再加压成型，然后在氮气保护气氛中进行固化，先以9℃/min的升温速率从室温升至150℃并保温0.6h，再以5℃/min的升温速率升至250℃并保温0.6h，最后以2℃/min的升温速率升至300℃并保温1.5h，即得到均匀分布有纳米孔的网格结构绝热毡。
实施例3
一种无机纳米粉末复合绝热毡，该绝热毡由硼纤维和TiC2纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构，纳米孔的平均孔径为3.5×10-8m。该绝热毡通过以下方法制备而成：
步骤一、采用质量浓度为45％的氢氟酸,在40℃温度下对硼纤维进行氧化刻蚀0.5h，增加硼纤维表面极性和粗糙度；处理后与TiC2纳米粉末混合，打浆，并利用超声波分散处理，功率为400W，处理15min得到均匀混合物；
步骤二、将混合物真空脱水，再加压成型，然后在氩气保护气氛中进行固化，先以8℃/min的升温速率从室温升至150℃并保温0.3h，再以4℃/min的升温速率升至250℃并保温0.3h，最后以1℃/min的升温速率升至300℃并保温1h，即得到均匀分布有纳米孔的网格结构绝热毡。
对比例1
一种绝热毡，该绝热毡同样由石英玻璃纤维和SiO2纳米粉末混合制成，但是该绝热毡经混合、高压压制而成，其不具有带纳米孔的网格结构。
对比例2
一种绝热毡，该绝热毡同样由石英玻璃纤维和SiO2纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构。但是该绝热毡的纳米孔的平均孔径为2.5×10-7m，高于常压下空气分子平均自由程。
对比例3
一种绝热毡，其制备步骤与实施例2基本相同，唯一区别在于石英玻璃纤维未经过表面活性处理。
对比例4
一种绝热毡，其制备步骤与实施例2基本相同，唯一区别在于打浆后未进行超声波分散处理。
对比例5
一种绝热毡，其制备步骤与实施例2基本相同，唯一区别在于其固化操作是采用由室温一次性升温至300℃并保温1.5h。
对上述实施例1-3以及对比例1-5得到的绝热毡进行性能测试，制得下表：
Figure BDA0002209652250000061
从上表可以看出，本申请实施例1-3所制备的绝热毡的导热系数显著降低，最佳到达0.011W/(m·K)，且密度相对也十分小。通过比较实施例2与对比例1、2可知，无机纳米粉末极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，且孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，能有效避免空气的对流传热。通过比较实施例2与对比例3-5可知，无机纤维的表面活性处理、打浆后的超声波分散处理以及梯度升温固化处理的技术，均对绝热毡的密度、网格结构造成影响，这些影响最终在隔热效果上得到明显体现。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无机纳米粉末复合绝热毡，其特征在于：所述绝热毡由无机纤维和无机纳米粉末混合制成，且绝热毡为均匀分布有纳米孔的网格结构。
2.根据权利要求1所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡，其特征在于：所述纳米孔的孔径低于常压下空气分子平均自由程。
3.根据权利要求1所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡，其特征在于：所述无机纳米粉末选自MgO、ZnO、CuO、SiO2、Al2O3、TiC2、SiC或TiB2中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡，其特征在于：所述无机纤维选自玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维或陶瓷纤维中的一种。
5.一种无机纳米粉末复合绝热毡的制备方法，其特征在于：步骤包括
(1)将无机纤维进行表面活化处理，处理后与无机纳米粉末混合，打浆，并利用超声波分散处理得到均匀混合物；
(2)将混合物真空脱水，再加压成型，然后在保护气氛中进行固化，即得到均匀分布有纳米孔的网格结构绝热毡。
6.根据权利要求5所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡的制备方法，其特征在于：所述表面活化处理是指采用质量浓度为20～45％的氢氟酸,在40～75℃温度下对无机纤维进行氧化刻蚀0.5～3h，增加纤维表面极性和粗糙度。
7.根据权利要求5所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡的制备方法，其特征在于：所述超声波分散处理的功率为200W～400W，处理时间为15～20min。
8.根据权利要求5所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡的制备方法，其特征在于：所述保护气氛为氮气或氩气保护。
9.根据权利要求5所述的一种无机纳米粉末复合绝热毡的制备方法，其特征在于：所述固化的具体操作为：先以8～10℃/min的升温速率从室温升至150℃并保温0.3～1h，再以4～6℃/min的升温速率升至250℃并保温0.3～1h，最后以1～2℃/min的升温速率升至300℃并保温1～2h。
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