CN1546312A - 气凝胶复合柔性保温隔热薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种气凝胶复合柔性保温隔热薄膜及其制造方法。以正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水为原料，用溶胶—凝胶方法制备出透明的SiO₂多孔气凝胶。气凝胶其孔洞率大于90％，孔径尺寸20nm左右，体积密度0.03g/cm³，比表面1120m²/g，该气凝胶经粉碎与有机硅树脂混合，均匀涂布到聚酰亚胺薄膜上。在聚酰亚胺薄膜的另一表面用真空镀膜沉积金属铝(Al)膜，形成以SiO₂多孔气凝胶/聚酰亚胺薄膜/金属铝(Al)膜为结构的复合柔性保温隔热薄膜，该气凝胶复合柔性保温隔热薄膜在500℃时热导率为0.035w/mk，是一种优秀的保温隔热材料。

Description

气凝胶复合柔性保温隔热薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属保温材料技术领域，具体涉及一种气凝胶复合柔性保温隔热薄膜及其制备方法。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种高比表面积低密度的多孔材料，由于纳米网络结构的存在，导致了这种材料本身具有特殊的性质，在光学、电学、声学、环保、冶金等众多领域有着广泛的应用前景，被美国第250期《科学》列为世界十大热门科学技术。我国也有许多人在进行这方面的研究。SiO₂纳米多孔气凝胶作为一种轻质高效保温材料，是目前保温性能最佳的固态材料(Nicola Huling Ulrich Schubert Angew Chem Int Ed.1998，37：22～45)。但实际使用不多这主要是由于气凝胶的机械强度不够，成型困难，因此阻碍了大面积或大范围的广泛使用。为解决这个问题有人尝试用气凝胶与其它材料复合(中国专利95197068.2《一种含有气凝胶的复合材料、其制备方法和应用》96196879.6《含有气凝胶和粘合剂的复合材料，其制备方法及其应用》)但其制品均为复合板材，不适合异形物体包覆，且不是专用于保温隔热领域。为此我们在进行了纳米多孔气凝胶颗粒和有机硅树脂复合的研究的基础上发明了兼有很好保温性能和机械性能的柔性保温隔热薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提出一种兼具良好保温性能和机械性能的柔性保温隔热薄膜及其制备方法。

本发明提出的柔性保温隔热薄膜，是由SiO₂多孔气凝胶层、耐热塑料薄膜、金属热反射层依次组成的复合膜。

上述复合柔性膜中，SiO₂多孔气凝胶层的厚度为2-5mm，耐热塑料薄膜的厚度为0.8-2mm，金属热反射层的厚度为0.001-0.004mm。

上述复合柔性膜中，耐热塑料薄膜可采用聚酰亚胺薄膜，金属热反射层可以采用铝(Al)。

本发明中，多孔气凝胶是绝热的主体材料，它以正硅酸乙酯为前驱体，采用溶胶—凝胶的方法进行制备获得。通过优化工序，可以使气凝胶的气孔率和比表面积增高，孔径尺寸和热导率下降。本发明复合前气凝胶孔洞率最高可达90％以上，孔径尺寸在15-50nm左右，比表面积为1000-1200m²/g，体积密度0.025-0.035g/cm³。作为保温隔热材料制品在500℃时的热导率低于0.035w/mk。氧化硅材料本身的热传导系数很低，由于创造了很高的孔洞率和低的体积密度使之能非常有效地阻隔热量的固体传导和气体对流传导。特别当孔径小于红外波长时绝热效果将有本质上的突变和提高。

耐热塑料薄膜经比较可以选用热学性质十分优良的聚酰亚胺薄膜，即便在350℃左右的环境温度也不会碳化或变质。在这里聚酰亚胺不仅起到了整个薄膜的骨架的作用，其本身也具有很好的绝热功能。聚酰亚胺在适当厚度情况下为柔性，可折叠和缠绕，因此十分适合各种场合和形状的保温隔热需求。当SiO₂纳米多孔气凝胶与之复合后，以聚酰亚胺薄膜为载体将SiO₂纳米多孔气凝胶包复到需要保温或隔热的物体上，从而大大提高了保温隔热特性，也极大地扩展了应用范围。

除了固体和对流以外第三个热传导机制是辐射导热，以金属铝等金属作为反射层，具有很好的热反射效果。将铝用热蒸发的方法镀在聚酰亚胺薄膜上，有效地阻隔了热源的红外辐射，使保温隔热效果更提高一步。

本发明提出的复合柔性保温隔热薄膜可用下述方法制备：以正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水为原料，用溶胶—凝胶方法制备出SiO₂多孔气凝胶；气凝胶经粉碎与耐高温胶粘剂混合，均匀涂布到聚酰亚胺薄膜上；在聚酰亚胺薄膜的另一表面用真空镀膜法沉积金属铝膜，形成以SiO₂多孔气凝胶/聚酰亚胺薄膜/金属铝膜为结构的复合柔性保温隔热薄膜。

本发明详细的制作步骤如下：

步骤一，以正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水为原料，以HF为催化剂按下述体积比例混合后搅拌0.4-0.6hr，静止存放2-4hr，得到SiO₂湿凝胶，正硅酸乙酯∶无水乙醇∶蒸馏水∶HF为1∶(8-10)∶(0.4-0.6)∶(0.08-0.012)；

步骤二，将SiO₂湿凝胶放入三甲基氯硅烷溶液，浸泡20-30hr取出，待表面干燥后放入烘箱加温至200-280℃进行热处理，得到透明的SiO₂多孔气凝胶。作表面修饰的三甲基氯硅烷用量为SiO₂湿凝胶重量为8-12％；

步骤三，将经修饰处理的透明的SiO₂多孔气凝胶过筛粉碎至3mm以下直径的小颗粒，按体积比1∶(0.5-0.7)的量与有机硅树脂混合成糊状，用涂布机涂复到聚酰亚胺薄膜上，涂层厚度为2-5mm，在涂布机的烘道中烘干；

步骤四，将经涂布的聚酰亚胺薄膜送入连续式真空镀膜机，用常规的真空镀铝方法在没有涂复的面上沉积金属铝膜，蒸发源为98％铝线材。

本发明的特点是：

1.采用溶胶—凝胶的方法制作纳米多孔材料，孔洞率高，孔径小，对固体热传导和热空气的对流有很好的阻隔作用。

2.采用常压干燥方法制备纳米多孔材料，制作成本大为降低，使制品能被大量使用。

3.经过表面修饰使纳米多孔材料能与胶粘剂均匀混合，涂布到聚酰亚胺薄膜上。

4.以柔性的聚酰亚胺薄膜为载体将SiO₂纳米多孔气凝胶包复到需要保温或隔热的物体上，使保温隔热材料能被折叠或缠绕，极大地扩展了适用范围。

附图说明

图1为柔性保温隔热薄膜结构示意图。

图中标号：1为SiO₂多孔气凝胶层，2为耐热塑料薄膜，3为金属反射层。

具体实施方式

实施例1：

将100ml正硅酸乙酯、1000ml无水乙醇、50ml蒸馏水和10mlHF均匀混合后搅拌0.5hr，静止存放3hr，得到SiO₂湿凝胶。然后将SiO₂湿凝胶放入由1000ml正己烷与100ml三甲基氯硅烷均匀混合成的溶液作表面修饰。待24hr后取出，待表面干燥后放入烘箱，加温至200℃进行热处理，得到透明的SiO₂多孔气凝胶。

实施例2：

将经修饰处理的透明的SiO₂多孔气凝胶过筛粉碎至3mm一下直径的小颗粒，按体积比1∶0.6的量与有机硅树脂混合成糊状，倒入涂布机的料斗内，用涂布机涂复到聚酰亚胺薄膜上，涂层厚度3mm。薄膜在涂布机上的运行速度5m/min，烘道温度110℃，，在涂布机的烘道中烘干。

实施例3：将经涂布的复合薄膜送入连续式真空镀膜机，用常规的真空镀铝方法在薄膜没有涂复复合材料的面上沉积金属铝(Al)膜。工作真空度为4×10^-2pa，蒸发源为98％铝线材，薄膜在镀膜机上的运行速度50m/min。即得到所需的性能良好的柔性保温隔热薄膜。

Claims (5)

1.一种气凝胶复合柔性保温隔热薄膜，其特征在于为由SiO₂多孔气凝胶层、耐热塑料薄膜、金属热反射层依次组成的复合膜；其中，SiO₂多孔气凝胶层的厚度为2-5mm，耐热塑料薄膜的厚度为0.8-2mm，金属热反射层的厚度为0.001-0.004mm。

2.根据权利要求1所述的保温隔热薄膜，其特征在于SiO₂多孔气凝胶的孔洞率为90％以上，孔径尺寸为15-50nm，比表面积为1000-1200m²/g，体积密度0.025-0.035g/cm³。

3.根据权利要求1所述的保温隔热薄膜，其特征在于耐热塑料薄膜为聚酰亚胺薄膜，金属热反射层为铝。

4.一种如权利要求1-3之一所述的气凝胶复合保温隔热薄膜的制备方法，其特征在于以正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水为原料，用溶胶—凝胶方法制备出SiO₂多孔气凝胶；气凝胶经粉碎与耐高温胶粘剂混合，均匀涂布到聚酰亚胺薄膜上；在聚酰亚胺薄膜的另一表面用真空镀膜法沉积金属铝膜，形成以SiO₂多孔气凝胶/聚酰亚胺薄膜/金属铝膜为结构的复合柔性保温隔热薄膜。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

步骤一，以正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水为原料，以HF为催化剂按下述体积比例混合后搅拌0.4-0.6hr，静止存放2-4hr，得到SiO₂湿凝胶，正硅酸乙酯∶无水乙醇∶蒸馏水∶HF为1∶(8-10)∶(0.4-0.6)∶(0.08-0.012)；

步骤二，将SiO₂湿凝胶放入三甲基氯硅烷溶液，浸泡20-30hr取出，待表面干燥后放入烘箱加温至200-280℃进行热处理，得到透明的SiO₂多孔气凝胶，作表面修饰的三甲基氯硅烷用量为SiO₂湿凝胶重量为8-12％；

步骤三，将经修饰处理的透明的SiO₂多孔气凝胶过筛粉碎至3mm以下直径的小颗粒，按体积比1∶(0.5-0.7)的量与有机硅树脂混合成糊状，用涂布机涂复到聚酰亚胺薄膜上，涂层厚度为2-5mm，在涂布机的烘道中烘干；

步骤四，将经涂布的聚酰亚胺薄膜送入连续式真空镀膜机，用常规的真空镀铝方法在没有涂复的面上沉积金属铝膜，蒸发源为98％铝线材。

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