CN113045284A - 一种基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米气凝胶颗粒的蒸汽管线专用长寿命、高强度、隔热铺垫瓦块，包括以下质量百分比的原料：氧化镁30～50％，卤片20～40％，陶瓷纤维0～20％，改性纳米气凝胶颗粒10～30％。改性纳米气凝胶是以异丁基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷为颗粒表面修饰剂，对纳米气凝胶颗粒进行表面预处理均匀后得到的。上述原料与去离子水混合后浇注养护得到本发明的隔热瓦块，去离子水与氧化镁和卤片的总质量之比为(50～80):(60～80)。本发明制备得到的隔热铺垫瓦块具有使用寿命长，强度高等特点，加入气凝胶作为隔热填料可以有效降低管道的热损失；物理性能稳定，没有放射性，环境安全，无毒无味。
Description
技术领域
本发明属于管道隔热保温技术领域，尤其涉及一种基于纳米气凝胶颗粒的蒸汽管线专用长寿命、高强度、隔热铺垫瓦块及其制备方法。
背景技术
随着新型高效隔热材料的不断推出，隔热材料已经渗入到长输蒸汽管线的保温和阀门、疏水装置、管支架等特殊部位的保温。其中，管支架通常通过支撑板、肋板导热和底板散热，把介质热量传递到大气中。经计算和实测可知，管道支架的热损失约占管道总热损的20％～30％，这就需要在施工过程中对此部位进行重点隔热保温。
国内常见的保温方法是用浇注料做硬质隔热材料，用陶瓷纤维毯做软质隔热材料，并与钢制管夹进行组合，加工成隔热型管支架。但是这类隔热管托在运行数年后节能效果逐渐丧失，造成这一现象的主要原因是:(1)隔热、抗压、耐压性能不理想。大多隔热管托厂家所采用的成品混合料的性能和质量受到约束，产品的导热系数大于0.2W/(m·K)，抗压强度小于8MPa，耐压强度约为2MPa。(2)防松设计失效。虽然管托采用弹垫等防松设计，但耳板在长期载荷作用及较高温度工况下产生的蠕变导致其防松失效，管托与管道发生相对位移，破坏了蒸汽管道的整体保温。(3)硬质隔热块易碎。在使用过程中受直接应力与二次应力(载荷)交变作用的影响，再加上温度骤变产生的温差应力，隔热瓦块抗拉、韧性不够；运输、装卸、安装就位过程中的外在冲击、振动等原因都会造成所使用的硬质隔热块开裂，致使其保温功能下降。上述原因表明，隔热瓦块受浇注料硬质隔热材料和原料热导率等影响，在使用过程中不能满足蒸汽管线长期安全、节能的需求。因此，从节能的角度考虑，需研制新的高强隔热材料，以解决上述问题，保证新型隔热管托满足蒸汽管线长期安全、节能的运行。
综上所述，针对现有市场产品和技术存在的耐热性差、保温效果差、韧性低、使用寿命短及生产成本高等问题，所以需要一种基于纳米气凝胶颗粒的蒸汽管线专用隔热铺垫瓦块，以解决现有技术中隔热铺垫瓦块耐热性差、保温效果差、韧性低、使用寿命短等问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种基于纳米气凝胶颗粒的蒸汽管线专用长寿命、高强度、隔热铺垫瓦块及其制备方法。本发明制备得到的隔热铺垫瓦块具有使用寿命长，强度高等特点，加入气凝胶作为隔热填料可以有效降低管道的热损失。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，包括以下质量百分比的原料：
氧化镁30～50％，卤片20～40％，陶瓷纤维0～20％，改性纳米气凝胶颗粒10～30％。
优选的，所述氧化镁的粒径为0.5～2μm。
优选的，所述卤片为卤片粉末，粒径为0.5～2μm。
优选的，所述陶瓷纤维的长度为1～3mm，直径为0.3～1mm。
优选的，所述改性纳米气凝胶颗粒的制备方法为：以颗粒表面修饰剂对纳米气凝胶颗粒的表面进行改性处理，所述颗粒表面修饰剂为异丁基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷，用量为纳米气凝胶颗粒质量的1.0～2.5％。
更为优选的，所述纳米气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒，粒径为0.5～8mm。
本发明的第二方面，提供基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块在蒸汽管线管道支架中的应用。
本发明的第三方面，提供基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块的制备方法，包括以下步骤：
(1)将去离子水加入到搅拌机内，再依次加入称量好的氧化镁、卤片、陶瓷纤维和改性纳米气凝胶颗粒，混合搅拌得到混合料；
(2)将步骤(1)得到的混合料浇注到模具中，浇注完24小时后脱模，阴凉通风环境中养护至少48小时得到基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块。
优选的，步骤(1)中，所述去离子水的电导率小于1；所述去离子水与氧化镁和卤片的总质量之比为(50～80):(60～80)。
优选的，步骤(1)中，制备时的环境温度为5℃～40℃。
本发明的有益效果：
(1)本发明首先利用了轻质气凝胶颗粒的低导热系数，将其作为隔热填料，不但提高了隔热瓦块的隔热效果，而且降低了重量，然后，利用高强的陶瓷纤维作为隔热瓦块的增强体，提高了隔热瓦块的强度，使其具有隔热的同时又质轻容易搬运施工，可有效节约成本，值得的隔热瓦块的导热系数低于0.120W/(m·k)，其耐压强度为17.7MPa。
(2)本发明的纳米气凝胶隔热瓦块物理性能稳定，没有放射性，环境安全，无毒无味；主要组分为无机材料，具有不燃烧的特性。
(3)本发明的隔热瓦块使用寿命长，能够长期在高温高耐压强度的环境下工作，能够作为管线支架中的隔热材料推广应用。
附图说明
图1为实施例4制备的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分介绍的，现有技术中的隔热管托(隔热瓦块)在运行数年后节能效果逐渐丧失，造成这一现象的主要原因是:隔热、抗压、耐压性能不理想；大多隔热管托厂家所采用的成品混合料的性能和质量受到约束，产品的导热系数大于0.2W/(m·K)，抗压强度小于8MPa，耐压强度约为2MPa。防松设计失效；虽然管托采用弹垫等防松设计，但耳板在长期载荷作用及较高温度工况下产生的蠕变导致其防松失效，管托与管道发生相对位移，破坏了蒸汽管道的整体保温。硬质隔热块易碎；所以隔热瓦块存在耐热性差、保温效果差、韧性低、使用寿命短等问题。
基于此，本发明的目的是提供一种基于纳米气凝胶颗粒的蒸汽管线专用长寿命、高强度、隔热铺垫瓦块，包括以下质量百分比的原料：氧化镁A 30～50％，卤片B 20～40％，陶瓷纤维C 0～20％，改性气凝胶颗粒D10～30％。配方组成的质量比为：
1)A:B＝(30～50):(20～40)
2)C:(A+B)＝(10～30):(70～100)
3)D:(A+B)＝(20～30):(60～90)
4)去离子水:(A+B)＝(50～80):(60～80)
本发明采用低导热系数的纳米气凝胶颗粒作为关键基础填料，气凝胶虽然可以用作隔热材料使用，但由于使用成本高、表面改性技术复杂等问题，所以并未见到气凝胶用于隔热瓦块的报道。鉴于上述原因，本发明对气凝胶进行了改性：以异丁基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷为颗粒表面修饰剂，对气凝胶颗粒进行表面预处理均匀后再进行使用。该表面修饰剂的使用，可以实现颗粒表面形成一斥水处理层，从而抑制水分进入到基底中，易于缩短瓦块产品的干燥时间；该修饰剂可在瓦块制作过程中的碱性环境下消除，对瓦块产品的性能和方法无影响。现有的气凝胶颗粒表面改性技术主要考虑的原因是仅为了实现在工程应用中气凝胶颗粒及气凝胶绝热毡工业化产品具备疏水的特性，改性剂将长期存在于颗粒表面；本发明表面修饰剂的选取和使用的目的是既能实现在瓦块制作的浆料配制过程中颗粒不吸水，又能实现在瓦块养护和胶凝增韧过程中由于瓦块内部碱性环境下参与反应，最终消除。本发明表面修饰剂的使用，不但实现了气凝胶颗粒与浆料的有效复合，而且保护了气凝胶颗粒内部不吸水，缩短了瓦块产品的干燥时间。
本发明还以陶瓷纤维作为隔热瓦块的增韧剂，虽然现有技术中有关于陶瓷纤维增强气凝胶做隔热材料的报道，但主要是利用陶瓷纤维对气凝胶进行改性，本发明中添加的是陶瓷纤维短纤，与其他原料混合后能够增强隔热瓦块的耐压强度。通过以上原料及配比可以有效解决现有普通浇注料瓦块存在的上述存在的问题。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
实施例1
采用喷雾的方式，每5分钟一次，将2.5kg异丁基三乙氧基硅烷加入到100kg粒径为4mm的二氧化硅气凝胶颗粒中，室温下混合1h，得到改性二氧化硅气凝胶颗粒。
实施例2
采用喷雾的方式，每5分钟一次，将1kg甲基三甲氧基硅烷入到100kg粒径为2mm的二氧化硅气凝胶颗粒中，室温下混合1h，得到改性二氧化硅气凝胶颗粒。
实施例3
一种高强气凝胶隔热瓦块的制备方法，包括以下步骤：
(一)制备前的准备
1)制备环境，应环境整洁干净，防止粉尘污染制样过程；环境温度应控制在5℃～40℃，温度低于5℃，应注意防冻，高于40℃，应注意降暑。
2)制备设备，制备前必须检查设备中的螺栓是否牢固，电路是否安全，设备是否有噪音。
3.)施工前必须清除设备上的水、铁锈、油污、积渣和其它杂物，以免影响材料强度；
(二)气凝胶隔热瓦块的制备方法；
(1)料比(均为质量比)
1)A:B＝40:30
2)C:(A+B)＝10:70
3)D:(A+B)＝20:70
4)去离子水:(A+B)＝50:70，除去离子水之外各组分的质量百分比之和为100％。
其中：A为氧化镁粉体、B为卤片、C为陶瓷纤维，D为实施例1制备得到的改性二氧化硅气凝胶颗粒。氧化镁的粒径为0.5～2μm，卤片粉末的粒径为0.5～2μm，陶瓷纤维的长度为1～3mm，直径为0.3～1mm。
(2)混合；
1)搅拌之前，先启动搅拌机1～3分钟，预热，然后将去离子水加入到搅拌机内，继续搅拌1.5～3分钟，将卤片、氧化镁、陶瓷纤维和改性二氧化硅气凝胶颗粒依次并少量的多次加入；
2)搅拌好的砂浆要及时浇筑成型，禁止二次加水；
(3)浇注；
1)采用浇注法施工，模具安装应符合规范要求，严格控制每次浇筑层的厚度；虚铺后的浇注料用工具压紧、刮平，密切控制浇筑试样与模具的匹配度，实至设计厚度；
2)模具的拆除一般应在浇注完24小时后，具有一定的强度后，才能进行拆除工作；
(三)养护
施工完毕后，应在阴凉通风环境中养护3天。
试验表明，本实施例的气凝胶隔热瓦块25℃下导热系数为0.150W/(m·k)，耐压强度为13MPa。
实施例4
(一)制备前的准备
1)制备环境，应整洁干净，防止粉尘污染制样过程；环境温度应控制在5℃～40℃，温度低于5℃，应注意防冻，高于40℃，应注意降暑。
2)制备设备，制备前必须检查设备中的螺栓是否牢固，电路是否安全，设备是否有噪音。
3.)施工前必须清除设备上的水、铁锈、油污、积渣和其它杂物，以免影响材料强度；
(二)气凝胶隔热瓦块的制备方法；
(1)料比(均为质量比)
1)A:B＝35:30
2)C:(A+B)＝12:65
3)D:(A+B)＝23:65
4)去离子水:(A+B)＝60:70，除去离子水之外各组分的质量百分比之和为100％。
其中：A为氧化镁粉体、B为卤片、C为陶瓷纤维，D为实施例2制备得到的改性二氧化硅气凝胶颗粒。氧化镁的粒径为0.5～2μm，卤片粉末的粒径为0.5～2μm，陶瓷纤维的长度为1～3mm，直径为0.3～1mm。
混合；
1)搅拌之前，先启动搅拌机1～3分钟，预热，然后将去离子水加入到搅拌机内，继续搅拌1.5～3分钟，将卤片、氧化镁、陶瓷纤维和改性二氧化硅气凝胶颗粒依次并少量的多次加入；
2)搅拌好的砂浆要及时浇筑成型，禁止二次加水；
(3)浇注；
1)采用浇注法施工，模具安装应符合规范要求，严格控制每次浇筑层的厚度；虚铺后的浇注料用工具压紧、刮平，密切控制浇筑试样与模具的匹配度，实至设计厚度；
2)模具的拆除一般应在浇注完24小时后，具有一定的强度后，才能进行拆除工作；
(三)养护
施工完毕后，如果在夏季，应在施工完后手指按表面不沾泥浆为准，进行封闭养护，持续24小时，然后在阴凉通风环境中养护48小时，并保持空气流动，表面防止日晒雨淋。
试验表明，本实施例的气凝胶隔热瓦块25℃下导热系数为0.140W/(m·k)，耐压强度为15MPa。
实施例5
(一)制备前的准备
1)制备环境，应整洁干净，防止粉尘污染制样过程；环境温度应控制在5℃～40℃，温度低于5℃，应注意防冻，高于40℃，应注意降暑。
2)制备设备，制备前必须检查设备中的螺栓否牢固，电路是否安全，设备是否有噪音。
3.)施工前必须清除设备上的水、铁锈、油污、积渣和其它杂物，以免影响材料强度；
(二)气凝胶隔热瓦块的制备方法；
(1)料比(均为质量比)
1)A:B＝30:30
2)C:(A+B)＝15:60
3)D:(A+B)＝25:60
4)去离子水:(A+B)＝50:70，除去离子水之外各组分的质量百分比之和为100％。
其中：A为氧化镁粉体、B为卤片、C为陶瓷纤维，D为实施例1制备得到的改性二氧化硅气凝胶颗粒。氧化镁的粒径为0.5～2μm，卤片粉末的粒径为0.5～2μm，陶瓷纤维的长度为1～3mm，直径为0.3～1mm。
(2)混合；
1)搅拌之前，先启动搅拌机1～3分钟，预热，然后将去离子水加入到搅拌机内，继续搅拌1.5～3分钟，将卤片、氧化镁、陶瓷纤维和改性二氧化硅气凝胶颗粒依次并少量的多次加入；
2)搅拌好的砂浆要及时浇筑成型，禁止二次加水；
(3)浇注；
1)采用浇注法施工，模具安装应符合规范要求，严格控制每次浇筑层的厚度；虚铺后的浇注料用工具压紧、刮平，密切控制浇筑试样与模具的匹配度，实至设计厚度；
2)模具的拆除一般应在浇注完24小时后，具有一定的强度后，才能进行拆除工作；
(三)养护
如果在夏季，应在施工完后手指按表面不沾泥浆为准，进行封闭养护，持续24小时，然后在阴凉通风环境中养护48小时，并保持空气流动，表面防止日晒雨淋。
试验表明，本实施例的气凝胶隔热瓦块25℃下导热系数为0.120W/(m·k)，耐压强度为17.7MPa。
实施例6
(一)制备前的准备
1)制备环境，应整洁干净，防止粉尘污染制样过程；环境温度应控制在5℃～40℃，温度低于5℃，应注意防冻，高于40℃，应注意降暑。
2)制备设备，制备前必须检查设备中的螺栓否牢固，电路是否安全，设备是否有噪音。
3.)施工前必须清除设备上的水、铁锈、油污、积渣和其它杂物，以免影响材料强度；
(二)气凝胶隔热瓦块的制备方法；
(1)料比(均为质量比)
1)A:B＝30:40
2)C:(A+B)＝0:70
3)D:(A+B)＝30:70
4)去离子水:(A+B)＝50:70，除去离子水之外各组分的质量百分比之和为100％。
其中：A为氧化镁粉体、B为卤片、C为陶瓷纤维，D为实施例1制备得到的改性二氧化硅气凝胶颗粒。氧化镁的粒径为0.5～2μm，卤片粉末的粒径为0.5～2μm。
(2)混合；
1)搅拌之前，先启动搅拌机1～3分钟，预热，然后将去离子水加入到搅拌机内，继续搅拌1.5～3分钟，将卤片、氧化镁和改性二氧化硅气凝胶颗粒依次并少量的多次加入；
2)搅拌好的砂浆要及时浇筑成型，禁止二次加水；
(3)浇注；
1)采用浇注法施工，模具安装应符合规范要求，严格控制每次浇筑层的厚度；虚铺后的浇注料用工具压紧、刮平，密切控制浇筑试样与模具的匹配度，实至设计厚度；
2)模具的拆除一般应在浇注完24小时后，具有一定的强度后，才能进行拆除工作；
(三)养护
如果在夏季，应在施工完后手指按表面不沾泥浆为准，进行封闭养护，持续24小时，然后在阴凉通风环境中养护48小时，并保持空气流动，表面防止日晒雨淋。
试验表明，本实施例的气凝胶隔热瓦块25℃下导热系数为0.126W/(m·k)，耐压强度为12.6MPa。
对比例1
将实施例5中的改性二氧化硅气凝胶颗粒替换成珍珠岩颗粒，粒径与实施例5相同，其他不变，制备得到隔热瓦块。试验表明，隔热瓦块25℃下导热系数为0.16W/(m·k)，耐压强度为14.4MPa。
对比例2
将实施例5中的改性二氧化硅气凝胶颗粒替换成未经改性的普通二氧化硅气凝胶，粒径与实施例5相同，通风干燥养护的时间至少72小时。其他条件不变，制备得到隔热瓦块。试验表明，隔热瓦块25℃下导热系数为0.13W/(m·k)，耐压强度为16.9MPa。
试验例：老化测试
将实施例3～5和对比例1～2制备得到的隔热瓦块置于老化箱中，300℃*7d，取出后，对隔热瓦块的导热系数和耐压强度进行测试并计算其变化率，所得结果见表1。
表1
本发明的隔热瓦块是放置在蒸汽管线支架内的，需要支撑蒸汽管线的重量；由于蒸汽管线温度较高，热量传递到隔热瓦块中，时间一长会使得隔热瓦块开裂、粉化，降低了隔热瓦块的使用寿命。通过老化试验以看出，实施例3～5制备的隔热瓦块其隔热能力略有下降，但耐压强度增加；其隔热效果和耐压强度均优于对比例1～2。说明本发明制备的隔热瓦块具有非常优异的老化性能，其导热系数和耐压强度变化较小，能够长期在高温环境中使用。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：
氧化镁30～50％，卤片20～40％，陶瓷纤维0～20％，改性纳米气凝胶颗粒10～30％。
2.根据权利要求1所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，其特征在于，所述氧化镁的粒径为0.5～2μm。
3.根据权利要求1所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，其特征在于，所述卤片为卤片粉末，粒径为0.5～2μm。
4.根据权利要求1所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，其特征在于，所述陶瓷纤维的长度为1～3mm，直径为0.3～1mm。
5.根据权利要求1所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，其特征在于，所述改性纳米气凝胶颗粒的制备方法为：以颗粒表面修饰剂对纳米气凝胶颗粒的表面进行改性处理，所述颗粒表面修饰剂为异丁基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷，用量为纳米气凝胶颗粒质量的1.0～2.5％。
6.根据权利要求5所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块，其特征在于，所述纳米气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒，粒径为0.5～8mm。
7.权利要求1～6任一项所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块在蒸汽管线管道支架中的应用。
8.权利要求1～6任一项所述的基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将去离子水加入到搅拌机内，再依次加入称量好的氧化镁、卤片、陶瓷纤维和改性纳米气凝胶颗粒，混合搅拌得到混合料；
(2)将步骤(1)得到的混合料浇注到模具中，浇注完24小时后脱模，阴凉通风环境中养护至少48小时得到基于纳米气凝胶颗粒的隔热铺垫瓦块。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备时的环境温度为5℃～40℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述去离子水的电导率小于1；所述去离子水与氧化镁和卤片的总质量之比为(50～80):(60～80)。
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