CN113651624A - 一种低热红外发射率的绝热保温涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低热红外发射率的绝热保温涂层，该涂层的厚度为1‑10mm，其原料组成包括微纳米颗粒，微纳米颗粒为红外辐射的消光效率因子大于等于1的材料，其粒径为100nm‑10μm，制备时，先将微纳米颗粒所需材料球磨至所需粒径以得到微纳米颗粒，再将微纳米颗粒与助剂混合均匀以得到涂层原料，然后将涂层原料压制成型后烘干即可。本设计不仅能够有效提高了保温性能，而且显著减少了材料的厚度。

Description

一种低热红外发射率的绝热保温涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于涂敷材料技术领域，具体涉及一种低热红外发射率的绝热保温涂层及其制备方法。
背景技术
能耗大、工业节能率低是影响工业经济发展的重要因素，而造成能耗大、工业节能率低的一个很重要的原因就是能源利用率低。实现能耗下降的主要方向之一是提高工作温度高、需要大量能源和高耗能电力维持生产的高温设备的节能率。然而目前应用于高温设备的保温材料主要有矿棉、 岩棉、 硅酸钙、硅酸铝纤维制品等，这些传统的保温材料存在着高温条件下换热系数高、隔热效果不理想等问题，造成设备能源损耗大。由于在高温环境下，红外辐射传热是主要的能量传递方式，而目前使用的隔热材料虽然在红外热辐射电磁波波段有较好的热辐射能力，可以通过降低热导率减小换热速度，但是其自身具有较强的热辐射能力，从而限制了换热能力的进一步下降，极大影响了其保温性能。同时，由于目前常用的隔热材料具有较大的辐射换热系数，使得其在高温设备中使用时需要制备成较厚的保温层（厚度通常在100mm以上），导致资源浪费的同时也使得高温设备内的空间无法得到充分的利用，降低了生产效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种能够有效提高保温性能、减少材料厚度的低热红外发射率的绝热保温涂层及其制备方法。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种低热红外发射率的绝热保温涂层，所述涂层的厚度为1-10mm，其原料组成包括微纳米颗粒，所述微纳米颗粒为红外辐射的消光效率因子大于等于1的材料，其粒径为100nm-10μm。
所述微纳米颗粒采用的材料为KBr、NaBr、NaCl、KCl、AgCl、TiO2、Si、Ge、ZnS、ZnSe中的至少一种。
所述涂层的原料组成还包括助剂，所述助剂为无水乙醇或聚乙烯粉体。
当所述助剂为无水乙醇时，其与微纳米颗粒的重量比为0.7-0.85:1；
当所述助剂为聚乙烯粉体时，其与微纳米颗粒的重量比为1:5-10，聚乙烯粉体的粒径为1-10μm，涂层内部结构为聚乙烯粉体包裹微纳米颗粒。
一种低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
步骤一、将微纳米颗粒所需材料球磨至所需粒径以得到微纳米颗粒；
步骤二、先将微纳米颗粒与助剂混合均匀以得到涂层原料，再将涂层原料压制成型后烘干即得到绝热蓄热涂层。
当微纳米颗粒所采用的材料为水溶性材料时，所述步骤一还包括微纳米颗粒的疏水改性操作，具体为：先将球磨后的微纳米颗粒与十二烷基硫酸钠按3-7:1的重量比混合均匀，再将该混合物球磨至所需粒径即可。
所述助剂为无水乙醇或聚乙烯粉体；
当所述助剂为无水乙醇时，其与微纳米颗粒的重量比为0.7-0.85:1，步骤二中所述压制成型的压力为4-5MPa，温度为80-100℃；
当所述助剂为聚乙烯粉体时，其与微纳米颗粒的重量比为1:5-10，步骤二中所述压制成型的压力为10-15MPa，温度为100-110℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明一种低热红外发射率的绝热保温涂层采用了粒径为100nm-10μm且红外辐射的消光效率因子大于等于1的颗粒材料，一方面，由于所选材料自身热辐射能力差，在使用时具有温度差的不同区域之间无法通过热辐射换热；另一方面，该涂层具有纳米颗粒堆积结构，颗粒之间为点接触，传热通道很窄、传热路径很长，可以有效抑制固相传热能力，且微纳米颗粒间小于空气自由程的间隙使得空气对流无法形成，材料内部的对流换热被有效抑制，同时，颗粒的微米级尺寸可以实现对热红外辐射的有效散射，隔绝高低温环境之间的直接辐射换热，该设计不仅可以有效减少高温设备因散热而损失的能量，提高设备的效率，而且使得涂层的厚度可降低至1mm，显著增加了高温设备的有效使用空间，改善了高温设备的结构。因此，本发明不仅能够有效提高保温性能，而且显著减少了材料的厚度。
附图说明
图1为本发明涂层的结构原理图。
图2为KCl涂层与SiO2涂层的保温曲线对比图。
图3为TiO2涂层与SiO2涂层的保温曲线对比图。
图4为Ge涂层与SiO2涂层的保温曲线对比图。
图5为ZnS涂层与SiO2涂层的保温曲线对比图。
图6为KCl涂层与SiO2涂层的降温曲线对比图。
图7为TiO2涂层与SiO2涂层的降温曲线对比图。
图8为Ge涂层与SiO2涂层的降温曲线对比图。
图9为ZnS涂层与SiO2涂层的降温曲线对比图。
图10为KCl与SiO2的消光散射吸收对比图。
图11为Ge与SiO2的消光散射吸收对比图。
图12为TiO2与SiO2的消光散射吸收对比图。
图13为ZnS与SiO2的消光散射吸收对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，一种低热红外发射率的绝热保温涂层，所述涂层的厚度为1-10mm，其原料组成包括微纳米颗粒、粘结剂，微纳米颗粒为红外辐射的消光效率因子大于等于1的材料，其粒径为100nm-10μm。
所述微纳米颗粒采用的材料为KBr、NaBr、NaCl、KCl、AgCl、TiO2、Si、Ge、ZnS、ZnSe中的至少一种。
所述涂层的原料组成还包括助剂，所述助剂为无水乙醇或聚乙烯粉体。
当所述助剂为无水乙醇时，其与微纳米颗粒的重量比为0.7-0.85:1；
当所述助剂为聚乙烯粉体时，其与微纳米颗粒的重量比为1:5-10，聚乙烯粉体的粒径为1-10μm，得到的涂层内部结构为聚乙烯粉体包裹微纳米颗粒。
一种低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
步骤一、将微纳米颗粒所需材料球磨至所需粒径以得到微纳米颗粒；
步骤二、先将微纳米颗粒与助剂混合均匀以得到涂层原料，再将涂层原料压制成型后烘干即得到绝热蓄热涂层。
当微纳米颗粒所采用的材料为水溶性材料时，所述步骤一还包括微纳米颗粒的疏水改性操作，具体为：先将球磨后的微纳米颗粒与十二烷基硫酸钠按3-7:1的重量比混合均匀，再将该混合物球磨至所需粒径即可。
所述助剂为无水乙醇或聚乙烯粉体；
当所述助剂为无水乙醇时，其与微纳米颗粒的重量比为0.7-0.85:1，步骤二中所述压制成型的压力为4-5MPa，温度为80-100℃；
当所述助剂为聚乙烯粉体时，其与微纳米颗粒的重量比为1:5-10，步骤二中所述压制成型的压力为10-15MPa，温度为100-110℃。
本发明的原理说明如下：
本发明提供了一种低热红外发射率的绝热保温涂层，其使用的隔热材料具有纳米颗粒堆积结构，可以有效抑制固相传导换热和气相对流换热。同时，所选材料的热辐射率接近于0，材料自身的热辐射换热能力差。此外，根据Mie散射理论，微米级尺寸的颗粒可以强烈散射热红外波段的电磁波，减少热辐射电磁波的透过率。因此，采用微纳米级颗粒作为主要原料，可以减少高低温环境之间的直接红外辐射换热。由于所制备的隔热涂层与环境的换热能力极差，有效抑制了热传导、热对流、热辐射换热途径，可以用于储热或储冷。
无水乙醇：本发明通过在微纳米颗粒中加入无水乙醇制备成具有流动性的浆料，增加了粉体之间的接触面，减少了颗粒与颗粒之间的缺陷空隙，降低了涂层破碎的可能。
聚乙烯粉体：聚乙烯粉体在110℃左右软化，其在压制成型中起到粘结的作用，使制得的产品不易破碎剥离，同时起到防水的作用。
十二烷基硫酸钠：对于选取的如卤素盐等溶于水的材料，本发明选用十二烷基硫酸钠对其进行疏水改性，防止产品在使用过程中因环境潮湿等原因产生润湿、脱落等情况而影响产品性能。
实施例1：
参见图1，一种低热红外发射率的绝热保温涂层，所述涂层的厚度为1.2mm，其原料组成为粒径在1-10μm的KCl微纳米颗粒、粒径为1-10μm的助剂聚乙烯粉体，所述聚乙烯粉体与微纳米颗粒的重量比为1:8，涂层内部结构为聚乙烯粉体包裹微纳米颗粒。
上述低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法依次按照以下步骤进行：
1、取优级纯KCl，使用干式磨粉机以300rpm的转速破碎10min，所得的颗粒再使用球磨机球磨得到所需粒径的KCl微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比6:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为：正转900s，停机60s，反转900s，停机60s，如此循环；
2、先将球磨后的KCl微纳米颗粒过1250目筛,然后与十二烷基硫酸钠按5:1的重量比在室温下混合均匀，再将该混合物球磨至所需粒径，得到经疏水改性的KCl微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比10:1，球磨机转速150rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为正转600s，停机60s，反转600s，停机60s，如此循环；
3、先将改性后的KCl微纳米颗粒与助剂按所需比例混合均匀，再使用球磨机球磨至所需粒径以得到涂层粉体，其中，所述球磨参数为：球料比7:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为正转600s，停机60s，反转600s，停机60s，如此循环；
4、先将涂层粉体倒入模具内使用压制成型机加热压制成型，然后放入烘箱中烘烤2h，取出后降至室温即得到微纳米绝热蓄热涂层，其中，所述压制成型工艺为：压力10MPa、温度110℃、时间12min，所述烘烤温度为120℃。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：
所述涂层的厚度为3mm，所述微纳米颗粒采用的材料为KCl和KBr，两者的重量比为1:1，所述助剂为无水乙醇，所述无水乙醇与微纳米颗粒的重量比为0.85:1。
上述低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法依次按照以下步骤进行：
1、取优级纯KCl和KBr，使用干式磨粉机以400rpm的转速破碎10min，所得的颗粒再使用球磨机球磨得到所需粒径的微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比6:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为：正转900s，停机60s，反转900s，停机60s，如此循环；
2、先将球磨后的微纳米颗粒过1250目筛,然后与十二烷基硫酸钠按5:1的重量比在室温下混合均匀，再将该混合物球磨至所需粒径，得到经疏水改性的微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比10:1，球磨机转速150rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为正转600s，停机60s，反转600s，停机60s，如此循环；
3、将改性后的微纳米颗粒与助剂按所需比例混合均匀，得到涂层浆料；
4、先将涂层浆料倒入模具内使用压制成型机加热压制成型，然后放入烘箱中烘烤2h，取出后降至室温即得到微纳米绝热蓄热涂层，其中，所述压制成型工艺为：压力5MPa、温度100℃、时间12min，所述烘烤温度为100℃。
实施例3：
与实施例2的不同之处在于：
所述微纳米颗粒采用的材料为TiO2，所述无水乙醇与微纳米颗粒的重量比为0.75:1。
上述低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法依次按照以下步骤进行：
1、取优级纯TiO2，使用干式磨粉机以300rpm的转速破碎10min，所得的颗粒再使用球磨机球磨得到所需粒径的TiO2微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比6:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为：正转900s，停机60s，反转900s，停机60s，如此循环；
2、将球磨后的TiO2微纳米颗粒与助剂按所需比例混合均匀，得到涂层浆料；
3、先将涂层浆料倒入模具内使用压制成型机加热压制成型，然后放入烘箱中烘烤2h，取出后降至室温即得到微纳米绝热蓄热涂层，其中，所述压制成型工艺为：压力4MPa、温度80℃、时间10min，所述烘烤温度为100℃。
实施例4：
与实施例1的不同之处在于：
所述微纳米颗粒采用的材料为Ge，所述聚乙烯粉体与微纳米颗粒的重量比为1:5。
上述低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法依次按照以下步骤进行：
1、取优级纯Ge，使用干式磨粉机以500rpm的转速破碎10min，所得的颗粒再使用球磨机球磨得到所需粒径的Ge微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比6:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为：正转900s，停机60s，反转900s，停机60s，如此循环；
2、先将球磨后的Ge微纳米颗粒与助剂按所需比例混合均匀，再使用球磨机球磨至所需粒径以得到涂层粉体，其中，所述球磨参数为：球料比7:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为正转600s，停机60s，反转600s，停机60s，如此循环；
3、先将涂层粉体倒入模具内使用压制成型机加热压制成型，然后放入烘箱中烘烤2h，取出后降至室温即得到微纳米绝热蓄热涂层，其中，所述压制成型工艺为：压力15MPa、温度110℃、时间13min，所述烘烤温度为120℃。
实施例5：
与实施例1的不同之处在于：
所述微纳米颗粒采用的材料为ZnS，所述聚乙烯粉体与微纳米颗粒的重量比为1:6。
上述低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法依次按照以下步骤进行：
1、取优级纯ZnS，使用干式磨粉机以300rpm的转速破碎10min，所得的颗粒再使用球磨机球磨得到所需粒径的ZnS微纳米颗粒，其中，所述球磨的参数为：球料比6:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为：正转900s，停机60s，反转900s，停机60s，如此循环；
2、先将球磨后的ZnS微纳米颗粒与助剂按所需比例混合均匀，再使用球磨机球磨至所需粒径以得到涂层粉体，其中，所述球磨参数为：球料比7:1，球磨机转速100rpm，球磨机工作时间1h，球磨机的工作方式为正转600s，停机60s，反转600s，停机60s，如此循环；
3、先将涂层粉体倒入模具内使用压制成型机加热压制成型，然后放入烘箱中烘烤2h，取出后降至室温即得到微纳米绝热蓄热涂层，其中，所述压制成型工艺为：压力12MPa、温度105℃、时间15min，所述烘烤温度为110℃。
为考察本发明涂层的保温以及辐射性能，进行如下测试：
1、保温性能及红外辐射能力测试
该测试采用的实验装置采用以下方法制备：取四片13cm×13cm的SiO2气凝胶毡，两片在中心挖出7cm×7cm的孔洞，四片气凝胶毡从下到上按无孔洞、无孔洞、有孔洞、有孔洞叠好，装置最终呈顶部有孔的盒状，并在孔洞底部放置温度传感器，将除顶部之外的其余5个面和孔洞顶部用锡纸包好。
将实施例1、3、4、5制备得到的涂层分别作为测试例1、2、3、4，以SiO2颗粒为原料、采用实施例1、3、4、5所述方法制备得到的SiO2涂层分别作为对比例1、2、3、4，依次进行测试例1与对比例1、测试例2与对比例2、测试例3与对比例3、测试例4与对比例4的保温曲线对比以及自身降温曲线对比实验，其中，
保温曲线对比实验的步骤为：取三个实验装置，连接好温度传感器，将3片直径为3cm，厚度为1mm的石英玻璃片放入到马弗炉中500℃加热15min，取出后立刻分别放入到三个实验装置的孔洞中，并在第一个装置中的玻璃片上盖上测试例的涂层，在第二个装置上盖上对应的对比例涂层，随后在每个实验装置的顶部都盖上一层附着银箔的13cm×13cm的玻璃片，银箔朝下，接着通过温度传感器记录温度变化，并利用Origin 做出保温曲线，结果参见图2-图5。
根据图2-图5所示结果可以看出，本发明制备的KCl、TiO2、Ge、ZnS涂层相较于SiO2涂层具有更优的保温性能。
自身降温曲线对比实验的步骤为：取两个实验装置，连接好温度传感器，将制备好的测试涂层和对比涂层放入马弗炉中500℃加热15min，取出后立刻分别置于两个实验装置的孔洞中，并在每个实验装置的顶部都盖上一层附着银箔的13cm×13cm的玻璃片，银箔朝下，然后通过温度传感器记录温度变化，并利用Origin 做出降温曲线，结果参见图6-图9。
根据图6-图9所示结果可以看出，本发明制备的KCl、TiO2、Ge、ZnS涂层相较于SiO2涂层具有更缓的降温速率，因此具有更弱的红外辐射能力。
这里需要强调的是，通过热通量的计算，可以得出SiO2气凝胶毡和SiO2涂层（相同粒径下）的以下厚度关系：假设涂层的厚度都是1mm，热导率都是0.018（相同粒径下，材料的热导率差别不大），被保温物体与环境温度相差100度，热导通量就是1800瓦每平方米，SiO2的热辐射功率是400K左右，在辐射比0.8的条件下，辐射通量大约1100瓦每平方米，剩下热传导只能700左右，要达到1800瓦每平方米热通量，其对应的气凝胶毡厚度则在2.5mm左右，而且温度越高，热辐射增长越快，热传导越小，即温度越高，上述两种材料的厚度相差越大。因此，通过上述结论可以得出，本发明KCl、TiO2、Ge、ZnS涂层具有比SiO2气凝胶毡更优的保温及更弱的红外辐射能力。
2、辐射阻挡性能测试
通过MiePlot软件计算了粒径为5μm的KCl、TiO2、Ge、ZnS颗粒在3000-8000nm波段的消光率Qext、散射率Qsca、吸收率Qabs，并将其与粒径为5μm的SiO2颗粒进行比较，结果参见图10-图13。
根据图10-图13所示结果可以看出，相较于SiO2颗粒，KCl、TiO2、Ge、ZnS颗粒在红外波段具有更高的消光率和散射率、更低的吸收率，整体表现出更优的辐射阻挡性能。

Claims (7)

1.一种低热红外发射率的绝热保温涂层，其特征在于：
所述涂层的厚度为1-10mm，其原料组成包括微纳米颗粒，所述微纳米颗粒为红外辐射的消光效率因子大于等于1的材料，其粒径为100nm-10μm。
2.根据权利要求1所述的低热红外发射率的绝热保温涂层，其特征在于：所述微纳米颗粒采用的材料为KBr、NaBr、NaCl、KCl、AgCl、TiO2、Si、Ge、ZnS、ZnSe 中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的低热红外发射率的绝热保温涂层，其特征在于：所述涂层的原料组成还包括助剂，所述助剂为无水乙醇或聚乙烯粉体。
4.根据权利要求3所述的低热红外发射率的绝热保温涂层，其特征在于：
当所述助剂为无水乙醇时，其与微纳米颗粒的重量比为0.7-0.85:1；
当所述助剂为聚乙烯粉体时，其与微纳米颗粒的重量比为1:5-10，聚乙烯粉体的粒径为1-10μm，涂层内部结构为聚乙烯粉体包裹微纳米颗粒。
5.一种权利要求1所述的低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法，其特征在于：
所述制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、将微纳米颗粒所需材料球磨至所需粒径以得到微纳米颗粒；
步骤二、先将微纳米颗粒与助剂混合均匀以得到涂层原料，再将涂层原料压制成型后烘干即得到绝热蓄热涂层。
6.根据权利要求5所述的一种低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法，其特征在于：
当微纳米颗粒所采用的材料为水溶性材料时，所述步骤一还包括微纳米颗粒的疏水改性操作，具体为：先将球磨后的微纳米颗粒与十二烷基硫酸钠按3-7:1的重量比混合均匀，再将该混合物球磨至所需粒径即可。
7.根据权利要求5所述的一种低热红外发射率的绝热保温涂层的制备方法，其特征在于：
所述助剂为无水乙醇或聚乙烯粉体；
当所述助剂为无水乙醇时，其与微纳米颗粒的重量比为0.7-0.85:1，步骤二中所述压制成型的压力为4-5MPa，温度为80-100℃；
当所述助剂为聚乙烯粉体时，其与微纳米颗粒的重量比为1:5-10，步骤二中所述压制成型的压力为10-15MPa，温度为100-110℃。
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