CN115849863B - 一种耐火型气凝胶复合保温材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及保温材料技术领域，具体公开了一种耐火型气凝胶复合保温材料及其制备方法，包括S1‑1、制备前驱体溶液，S1‑2、陈化处理，S1‑3、干燥改性，S2‑1、耐火涂料制备，S2‑2、固化成型；本发明工艺过程简单，通过依次添加耐热涂料、耐火涂料以及工艺的调整进一步提高复合材料的保温性能与耐火性能，能够在满足气凝胶复合保温材料的耐火性能以及保温性能的基础上对气凝胶复合保温材料的韧性进行改善。
Description
技术领域
本发明涉及保温材料技术领域，具体是涉及一种耐火型气凝胶复合保温材料及其制备方法。
背景技术
气凝胶被称为保温材料之王，虽然是固体，密度却仅为空气密度的1/6。由于具有绝佳的绝热性和保温性，所以在军事、航空航天、建筑、石油化工、交通运输等诸多领域都有着重要作用；特别是如今新能源车产业崛起，而气凝胶正是生产动力电池的重要材料。
由于气凝胶中一般80％以上是空气，所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能；即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损；纳米气凝胶保温毡是目前已知导热系数最低的隔热材料，它是把二氧化硅气凝胶复合于纤维中，能够同时具备柔软、易裁剪、整体疏水等的诸多优势，可用于不同领域的保温隔热。
但是复合保温材料在除这些特点外，还有不同领域的工作人员更加注重复合保温材料的耐火性能以及抗拉强度，避免复合保温材料在使用过程中发生燃烧或因外力因素对保温材料造成撕裂最终导致复合保温材料的使用周期变短，需要频繁更换的问题，从而提高使用成本。基于此，本发明提出一种能够增强气凝胶复合材料的抗拉强度以及耐火性能的耐火型气凝胶复合保温材料。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐火型气凝胶复合保温材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备气凝胶绝热材料
S1-1、制备前驱体溶液
按照体积比为1：1～1.5向烧瓶中加入水玻璃与乙醇，然后向烧瓶中加入占水玻璃与乙醇总体积30～50％的耐热涂料，电磁搅拌5～10min，得到混合溶液；搅拌过程中向烧瓶表面喷洒占混合溶液5～10％的调节剂，直至溶液呈中性，得到前驱体溶液；
S1-2、陈化处理
向步骤S1-1中获得的前驱体溶液中置入氮化硅纤维毡，完全浸渍，静置10～15min，得到湿凝胶；陈化时间过短，容易造成颗粒尺寸分布不均匀，时间过长，则容易导致粒子长大，团聚，不易形成超细结构，时间介于10～15min内能够制备处更加分布更均匀的湿凝胶；
S1-3、干燥改性
按照1g：100～200mL的比例向步骤S1-2中获得的湿凝胶中加入改性剂并超声振荡3～4h，然后放入微波炉干燥处理，得到气凝胶绝热材料；
S2、涂覆耐火涂料
S2-1耐火涂料制备
按照质量比为2～5:1：1称取发泡剂、纤维石棉粉、双氰胺混合得到混合原料，倒入球磨机，按照混合原料与辅助磨料比例0.5～0.8g：1mL向球磨机中加入辅助磨料并进行研磨，融合成浆液，对浆液进行收集，得到耐火涂料；
S2-2、固化成型
将步骤S3-3获得的气凝胶绝热材料倒入模具中，以30～50次/min的速度向模具中喷淋耐火涂料，挤压得到耐火型气凝胶复合保温材料。
进一步地，步骤S1-1中，所述耐热涂料采用二硫化钼粉末、陶瓷粉末与正硅酸乙酯按照任意比例混合的组合物；
说明：陶瓷粉末的加入能够显著提升气凝胶复合保温材料的耐热性能，而二硫化钼粉末能够极大提高涂料的耐刮擦力，从而有效提高耐热气凝胶对外力的抵抗能力与形变吸收力，进而有效延长耐热气凝胶的使用寿命，从而降低生产成本。
进一步地，步骤S1-1中，所述调节剂采用浓度为0.0025～0.005mol/L的五水硅酸溶液或浓度为1.1～1.3mol/L的氢氧化钠；
说明：实验可得，浓度在上述范围内对前驱体溶液的pH调节能力更佳；采用五水硅酸溶液在有效调节前驱体溶液pH的同时，在前驱体溶液中容易生成二氧化硅沉淀，并能够以胶态离子或凝胶的形式出现，能够进一步对气凝胶进行补给，从而提高气凝胶的制备效率。
进一步地，步骤S1-3中，所述改性剂采用浓度为50％的的正己烷溶液与浓度为97％的甲基苯基硅烷溶液按照体积比为2～5：1混合得到的混合溶液；
说明：正己烷溶液与甲基苯基硅烷溶液具备较高的疏水性能够减少对孔隙结构的改变，同时采用甲基苯基硅烷代替甲基氯硅烷能够避免引入氯离子，从而避免对生产设备造成腐蚀。
进一步地，步骤S1-3中，振荡参数为：振荡频率为50～260次/min，振荡幅度为20～30mm；
说明：在上述条件下能够加快改性剂与湿凝胶的混合速率，同时介于上述范围内的振荡频率能够有效减轻对气凝胶结构产生的破坏，提高气凝胶的制备效率。
进一步地，步骤S1-3中，干燥处理工艺的参数为：以5～10℃/min的升温速率升至270～320℃，保温30～50min；
说明：干燥处理能够在对气凝胶处理能够将气凝胶孔隙中残余的溶剂有效去除的同时保证干凝胶中的气孔尽可能减少，升温过程中伴随着较大的体积收缩以及其他气体的释放，不宜过快，升温速度保持在5～10℃/min能够减少对孔隙结构造成的影响；温度介于270～320℃能够有效脱去吸附干凝胶表面的水和醇；实验证明，在上述条件下制备得到的气凝胶，进一步提高了孔隙结构的完整度。
进一步地，步骤S2-1中，所述球磨机研磨参数为：筒体转速为300～400r/min，研磨时间为20～30min；
说明：通过对筒体转速的控制能够使得物料与辅助磨料充分混合，从而得到同时具备高疏水、耐高温且保温效果强的耐火涂料。
进一步地，步骤S2-1中，所述辅助磨料采用去离子水与氧化铁按照体积质量比为1mL：0.7g混合的混合磨料；
说明：去离子水能够对混合原料中的离子态杂质进行有效去除从而得到近于纯净的水，与氧化铁按照体积质量比为1mL：0.7g混合生成的辅助磨料呈细砂态，能够加强混合原料打磨程度，使物料中的纳米粒子与辅助磨料产生更加强烈的摩擦，达到提高微细纳米离子分散效率的目的，提高了耐火涂料成分的均匀性；同时，氧化铁作为打磨介质能够有效降低研磨过程中对研磨机的磨损。
进一步地，步骤S2-2中，挤压固化工艺为：采用挤压辊在气凝胶绝热材料表面进行往复滚压，挤压压力为10～20N，频率为30～40次/min；
说明：采用挤压辊挤压能够有效增加气凝胶复合材料与耐火涂料的接触面积，从而充分混合。通过实验发现，上述挤压工艺参数能够使耐火涂料均匀有效地掺杂进气凝胶复合保温材料，并达到稳定状态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明耐火型气凝胶复合保温材料通过依次添加耐热涂料、耐火涂料进一步提高复合材料的保温性能与耐火性能，通过喷洒特定浓度的五水硅酸溶液或的氢氧化钠与尿素按照任意比例的混合溶液作为调节剂能够加快调节时间，进一步提高气凝胶的制备效率；然后采用氮化硅纤维毡进行初步陈化处理，氮化硅纤维毡本身具备耐火性能，将其应用在气凝胶制备的过程中能够进一步增强气凝胶复合保温材料的耐火性。
(2)本发明耐火型气凝胶复合保温材料通过使用发泡剂、纤维石棉粉、双氰胺制备混合原料作为耐火涂料的原料，按照一定比例混合后在遇到火或高温时，能够有效延缓燃烧，得到同时具备高疏水、耐高温且保温效果强的耐火涂料。
(3)本发明耐火涂料的制备采用氧化铁和去离子水做辅助磨料，相较于普通的球磨法能够使耐火涂料中的粒子与辅助磨料之间产生更加强烈的摩擦作用，从而进一步加快微细纳米粒子的分散，同时辅助磨料选择氧化铁作为辅助磨料能够有效减少研磨过程中对研磨设备的磨损，进一步降低制备成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
实施例1
一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备气凝胶绝热材料
S1-1、制备前驱体溶液
按照体积比为1：1.2向烧瓶中加入水玻璃与乙醇，然后向烧瓶中加入占水玻璃与乙醇总体积40％的耐热涂料，电磁搅拌8min，得到混合溶液；搅拌过程中向烧瓶表面喷洒占混合溶液7％的调节剂，直至溶液呈中性，得到前驱体溶液；其中，所述耐热涂料采用二硫化钼粉末、陶瓷粉末与正硅酸乙酯按照任意比例混合的组合物；所述调节剂采用浓度为0.004mol/L的五水硅酸溶液或浓度为1.2mol/L的氢氧化钠溶液；
S1-2、陈化处理
向步骤S1-1中获得的前驱体溶液中置入氮化硅纤维毡，完全浸渍，静置13min，得到湿凝胶；
S1-3、干燥改性
按照1g：150mL的比例向步骤S1-2中获得的湿凝胶中加入改性剂并超声振荡3.5h，然后放入微波炉干燥处理，得到气凝胶绝热材料；其中，采用浓度为50％的的正己烷溶液与浓度为97％的甲基苯基硅烷溶液按照体积比为3：1混合得到的混合溶液；其中，振荡参数为：振荡频率为150次/min，振荡幅度为25mm；干燥处理工艺的参数为：以7℃/min的升温速率升至300℃，保温40min；
S2、涂覆耐火涂料
S2-1耐火涂料制备
按照质量比为2～5：1：1称取发泡剂、纤维石棉粉、双氰胺混合得到混合原料，倒入球磨机，按照混合原料与辅助磨料比例为0.7g：1mL向球磨机中加入辅助磨料并进行研磨，融合成浆液，对浆液进行收集，得到耐火涂料；所述球磨机研磨参数为：筒体转速为350r/min，研磨时间为25min；所述辅助磨料采用去离子水与氧化铁按照体积质量比为1mL：0.7g混合的混合磨料；
S2-2、固化成型
将步骤S3-3获得的气凝胶绝热材料加工后放置在模具中，以40次/min的速度向模具中喷涂耐火涂料，挤压固化得到耐火型气凝胶复合保温材料；其中，挤压固化工艺为：采用挤压辊在模具表面进行往复滚压，挤压压力为15N，频率为35次/min。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-1中，按照体积比为1：1向烧瓶中加入水玻璃与乙醇，然后向烧瓶中加入占水玻璃与乙醇总体积30％的耐热涂料，电磁搅拌5min，得到混合溶液；
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-1中，按照体积比为1：1.5向烧瓶中加入水玻璃与乙醇，然后向烧瓶中加入占水玻璃与乙醇总体积50％的耐热涂料，电磁搅拌10min，得到混合溶液；
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-1中，调节剂采用浓度为0.0025mol/L的五水硅酸溶液或浓度为1.1mol/L的氢氧化钠溶液；
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-1中，调节剂采用浓度为0.005mol/L的五水硅酸溶液或浓度为1.3mol/L的氢氧化钠溶液；
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-2中，静置10min，得到湿凝胶；
实施例7
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-2中，静置15min，得到湿凝胶；
实施例8
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-3中，改性剂采用浓度为50％的的正己烷溶液与浓度为97％的甲基苯基硅烷溶液按照体积比为2：1混合得到的混合溶液；
实施例9
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-3中，改性剂采用浓度为50％的的正己烷溶液与浓度为97％的甲基苯基硅烷溶液按照体积比为5：1混合得到的混合溶液；
实施例10
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-3中，振荡频率为50次/min，振荡幅度为20mm；
实施例11
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-3中，振荡频率为260次/min，振荡幅度为30mm；
实施例12
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-3中，干燥处理工艺的参数为：以5℃/min的升温速率升至270℃，保温30min；
实施例13
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S1-3中，干燥处理工艺的参数为：以10℃/min的升温速率升至320℃，保温50min；
实施例14
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-1中，按照质量比为2：1：1称取发泡剂、纤维石棉粉、双氰胺混合得到混合原料；
实施例15
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-1中，按照质量比为5：1：1称取发泡剂、纤维石棉粉、双氰胺混合得到混合原料；
实施例16
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-1中，按照混合原料与辅助磨料比例为0.5g：1mL向球磨机中加入辅助磨料并进行研磨，融合成浆液，对浆液进行收集，得到耐火涂料；
实施例17
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-1中，按照混合原料与辅助磨料比例为0.8g：1mL向球磨机中加入辅助磨料并进行研磨，融合成浆液，对浆液进行收集，得到耐火涂料；
实施例18
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-1中，所述球磨机研磨参数为：筒体转速为300r/min，研磨时间为20min；
实施例19
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-1中，所述球磨机研磨参数为：筒体转速为400r/min，研磨时间为30min；
实施例20
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-2中，挤压固化工艺为：采用挤压辊在模具表面进行往复滚压，挤压压力为10N，频率为30次/min；
实施例21
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-2中，挤压固化工艺为：采用挤压辊在模具表面进行往复滚压，挤压压力为20N，频率为40次/min；
实验例
针对各个实施例制备得到的耐火型气凝胶复合保温材料，分别取得到的样品若干份并对样品的各项性能进行检测，最终取若干份检测结果的平均值，结果如下：
1、探究制备方法中的各个步骤参数对气凝胶复合保温材料性能的影响。
对照例1：与实施例1不同的是，在步骤S1-3中，直接调整微波炉的温度为300℃，保温40min；
对照例2：与实施例1不同的是，在步骤S1-3中，取消超声振荡步骤；
对照例3：与实施例1不同的是，在步骤S2-1中，单独采用去离子水做辅助磨料进行研磨；
以实施例1-21以及对照例1-3作为实验对比，结果如表1所示：
表1实施例1-21以及对照例对气凝胶复合保温材料的性能影响
由实施例1、实施例12、实施例13、对照例1的数据对比可得，梯度升温的速率介于5～10℃/min之间时对气凝胶复合保温材料的性能影响较小；梯度升温过程能够将气凝胶孔隙中残余的溶剂有效去除的同时保证干凝胶中的气孔尽可能减少，升温过程中伴随着较大的体积收缩以及其他气体的释放，直接调整温度为300℃对复合材料孔隙结构造成影响，从而降低了复合保温材料的各项性能；
由实施例1、实施例10、实施例11、对照例2的数据对比可得，超声振荡能够加快改性剂与湿凝胶的混合速率，同时介于50～260次/min范围内的振荡频率能够有效减轻对气凝胶结构产生的破坏，而不进行超声振荡操作则由于混合不均匀导致复合材料的各项性能相对下降；
由实施例1、对照例3的数据对比可得，去离子水能够对混合原料中的离子态杂质进行有效去除从而得到近于纯净的水，而去离子水与氧化铁按照1：0.7混合的辅助磨料呈细砂态，能够加强混合原料打磨程度，使物料中的纳米粒子与辅助磨料产生更加强烈的摩擦，达到提高微细纳米离子分散效率的目的，提高了耐火涂料成分的均匀性；因此综合各方面因素，实施例1为最优方案。
Claims (7)
1.一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备气凝胶绝热材料
S1-1、制备前驱体溶液
按照体积比为1：1~1.5向烧瓶中加入水玻璃与乙醇，然后向烧瓶中加入占水玻璃与乙醇总体积30~50%的耐热涂料，电磁搅拌5~10min，得到混合溶液；搅拌过程中向烧瓶表面喷洒占混合溶液5~10%的调节剂，直至溶液呈中性，得到前驱体溶液；
所述耐热涂料采用二硫化钼粉末、陶瓷粉末与正硅酸乙酯按照任意比例混合的组合物；
S1-2、陈化处理
向步骤S1-1中获得的前驱体溶液中置入氮化硅纤维毡，完全浸渍，静置10~15min，得到湿凝胶；
S1-3、干燥改性
按照1g：100~200mL的比例向步骤S1-2中获得的湿凝胶中加入改性剂并超声振荡3~4h，然后放入微波炉干燥处理，得到气凝胶绝热材料；所述改性剂采用浓度为50%的正己烷溶液与浓度为97%的甲基苯基硅烷溶液按照体积比为2~5：1混合得到的混合溶液；
S2、涂覆耐火涂料
S2-1、按照质量比为2~5:1：1称取发泡剂、纤维石棉粉、双氰胺混合得到混合原料，倒入球磨机，按照混合原料与辅助磨料比例为0.5~0.8g：1mL向球磨机中加入辅助磨料并进行研磨，融合成浆液，对浆液进行收集，得到耐火涂料；
S2-2、将步骤S1-3获得的气凝胶绝热材料加工后放置在模具中，以30~50次/min的速度向模具中喷涂耐火涂料，挤压固化得到耐火型气凝胶复合保温材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，步骤S1-1中，所述调节剂采用浓度为0.0025~0.005mol/L的五水硅酸溶液或浓度为1.1~1.3mol/L的氢氧化钠。
3.根据权利要求1所述的一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，步骤S1-3中，振荡参数为：振荡频率为50~260次/min，振荡幅度为20~30mm。
4.根据权利要求1所述的一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，步骤S1-3中，干燥处理工艺的参数为：以5~10℃/min的升温速率升至270~320℃，保温30~50min。
5.根据权利要求1所述的一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述球磨机研磨参数为：筒体转速为300~400r/min，研磨时间为20~30min。
6.根据权利要求1所述的一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述辅助磨料采用去离子水与氧化铁按照体积质量比为1mL：0.7g混合的混合磨料。
7.根据权利要求1所述的一种耐火型气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，挤压固化工艺为：采用挤压辊在气凝胶绝热材料表面进行往复滚压，挤压压力为10~20N，频率为30~40次/min。
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