[发明专利]一种纳米二氧化硅粉末基超级复合隔热材料的制备方法

说明书

本发明提供一种纳米二氧化硅粉末基超级复合隔热材料的制备方法，以纳米二氧化硅粉体和功能性添加剂为原料，所述的纳米二氧化硅粉体占原料总重量的60％以上，所述的功能性添加剂至少包括增强纤维；所述制备方法包括：将增强纤维在400～1000r/min的转速下搅拌分散0.5‑1.5min；将分散好的增强纤维与纳米二氧化硅粉体、其他功能性添加剂一起机械融合以完成纳米二氧化硅粉体对功能性添加剂表面的包覆改性；让融合得到的物料在80‑85℃下与蒸气充分接触28‑32min，挤出空气、压制成型、干燥后即得到所述的高性能纳米二氧化硅粉末基超级复合隔热材料。本发明的制备方法摒弃了现有制备工艺中条件苛刻的超临界干燥过程，通过简单的干法工艺制得了性能优异的纳米二氧化硅粉末基超级复合隔热材料。

技术领域

本发明属于隔热材料技术领域，涉及一种隔热材料的制备方法，具体涉及一种二氧化硅粉末基超级隔热材料的制备方法。

背景技术

超级隔热材料是指导热系数低于“无对流空气”导热系数的隔热材料，其设计原理是：根据分子运动及碰撞理论，气体传热主要是通过高温侧的高速分子与低温侧的低速分子相互碰撞来实现，由于空气中主要成分氮气和氧气的平均自由程为70nm左右，所以当材料内部的微孔尺寸小于这一临界尺寸时，气体分子的对流传热被抑制，从而获得比“无对流空气”更低的导热系数。因此，超级隔热材料又称为纳米孔超级隔热材料，其中，二氧化硅气凝胶隔热材料是目前研究最多也是最具代表性的纳米孔超级隔热材料。

二氧化硅气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，具有纳米网状孔隙结构，体积密度小，导热系数低等特点，一般采用溶胶-凝胶法制备而成，合成工艺包括水解缩合和超临界干燥两个过程。已有的研究和生产实践表明，二氧化硅气凝胶隔热材料在制备工艺和产品性能方面仍存在以下不足。

首先，二氧化硅气凝胶隔热材料制备工艺复杂，超临界干燥过程能耗高、危险性大，实现规模化工业生产难度大。从国内外的研究结果来看，块状气凝胶隔热材料的制备基本上都采用超临界干燥技术，以乙醇、异丙醇或二氧化碳作为超临界介质，其超临界温度/压力分别为243.4℃/6.38MPa、235.3℃/4.76MPa和31.06℃/7.39MPa。虽然也有大量研究采用常压干燥技术，然而到目前为止这种技术只是针对小体积材料，且仍处于实验室研究阶段。二氧化硅气凝胶隔热材料工业化制备存在以下问题：一是工艺流程繁琐，制备周期长；二是超临界干燥设备价格昂贵，且为高温高压设备，其安全使用与维修保养的要求严格；三是干燥过程需要消耗大量的能源和超临界介质，同时存在超临界介质的循环利用问题。这些问题导致二氧化硅气凝胶隔热材料成本昂贵，应用范围受到极大的限制。

其次，二氧化硅气凝胶隔热材料高温绝热性能和机械强度还有待提高。在高温环境下，热量传递以辐射传热为主，而二氧化硅气凝胶隔热材料对波长为3～8μm红外辐射热透过率很高，故高温绝热性能较差。为克服这一问题，研究者们采用复合红外遮光剂的方式来降低辐射传热。目前，研究较多的红外遮光剂有二氧化钛、碳黑、K₂Ti₆O₁₃等。然而，遮光剂颗粒在凝胶过程中极易发生沉淀团聚，团聚体不但会增加固相传热而且会导致气凝胶块体在干燥过程中开裂，严重影响其使用性能。针对气凝胶本身脆性大、强度低的特点，研究者们普遍采用纤维增强的方法来提高其力学性能。但是，陶瓷纤维在粘度较高的溶胶中分散极其困难，这无疑会导致气凝胶固相传热加剧，导热系数升高。

最后，二氧化硅气凝胶隔热材料耐温值不高，使用温度一般在400℃左右。若温度继续升高则会出现严重的体积收缩现象，导致材料致密化，内部纳米孔隙结构被破坏。虽然也有研究者研制了耐温值更高的三氧化二铝、锆英石、三氧化二铝-二氧化硅等气凝胶。但是，这几种高温气凝胶的制备工艺还不够成熟，到目前止尚处于实验室探索阶段。

总之，现有的二氧化硅气凝胶隔热材料制备工艺复杂，超临界干燥过程能耗高、危险大，规模化工业生产较难实施，且二氧化硅气凝胶自身力学性能、耐温性能和高温绝热性能均有待提高。

发明内容