二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結(jié)合劑復(fù)合隔熱材料的研制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型隔熱材料，具體是一種玻璃粘結(jié)劑粘附二氧化硅氣凝膠粉體 的復(fù)合隔熱材料。二氧化硅氣凝膠作為一種新型隔熱保溫材料，其在建筑墻材，保溫窗，太 陽集熱器，航天航空器上有著廣泛的應(yīng)用，將低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑與二氧化硅氣凝膠粉體混 合制備的隔熱材料強(qiáng)度高，氣密性好，隔熱性能優(yōu)異，在中低溫隔熱領(lǐng)域有著巨大的潛力。
【背景技術(shù)】
[0002] 二氧化硅氣凝膠是一種輕質(zhì)納米非晶固態(tài)材料，具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及納 米級(jí)的固體相和孔隙結(jié)構(gòu)。氣凝膠的熱穩(wěn)定性好，甚至在900°c高溫下仍具有較好的多孔網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)。常用二氧化硅氣凝膠主要有兩種形式，一種是塊體材料。但是塊體氣凝膠質(zhì)脆易 碎，制備時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，實(shí)際應(yīng)用過程中，會(huì)出現(xiàn)填充不充分的問題。另外一種為二氧化 硅氣凝膠粉體。與塊體氣凝膠相比，氣凝膠粉體可以與其他材料相結(jié)合生成其他復(fù)合材料， 如氣凝膠防熱氈，氣凝膠涂料等，可以極大提高氣凝膠的使用范圍。二氧化硅氣凝膠粉體最 常用的制備方法，一種是機(jī)械法，即通過機(jī)械方法將大塊的氣凝膠粉碎成形狀不規(guī)則的小 顆粒，然后通過篩網(wǎng)篩選，粒徑均勻的氣凝膠顆粒，另一種可行的方法是霧化法，主要方法 是將硅源水解后形成的硅溶膠通過霧化器分散到乳化液中，然后在乳化液中添加催化劑進(jìn) 行凝膠，由這種方法得到的二氧化硅氣凝膠顆粒外觀形態(tài)為微米級(jí)的小球，形狀規(guī)則，宏觀 粒徑可控，品質(zhì)均勻穩(wěn)定。
[0003] 二氧化硅氣凝膠粉體具有良好的隔熱性能，在實(shí)際應(yīng)用中常用聚合物作為載體。 目前市場(chǎng)上常用的聚合物結(jié)合劑為有機(jī)物乳液(包括純丙乳液，苯丙乳液，丙烯酸乳液等） 以及一些有機(jī)樹脂(環(huán)氧樹脂，丙烯酸樹脂，酚醛樹脂，聚氨酯等)。這些粘結(jié)劑具有很強(qiáng)的 粘結(jié)性，與二氧化硅氣凝膠粉體復(fù)合制備的隔熱涂料，熱導(dǎo)率較市場(chǎng)同類產(chǎn)品更低，隔熱性 更好。但是這些有機(jī)粘結(jié)劑的熔點(diǎn)較低，耐熱性差，溫度升高時(shí)易分解，這就導(dǎo)致復(fù)合材料 只能在低溫時(shí)使用。如果要提高材料的隔熱范圍，必須采用一種的無機(jī)材料作為氣凝膠微 球的粘結(jié)劑，低熔點(diǎn)玻璃粘結(jié)劑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑具有良好的耐熱性 和化學(xué)穩(wěn)定性，機(jī)械強(qiáng)度高。使用時(shí)選擇具有合適溫度和熱膨脹系數(shù)的玻璃，可實(shí)現(xiàn)不同材 料之間的相互封接。低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑的成分復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)體系。硼鉛兩元體系， 主要組成為硅酸鹽、硼酸鹽、硼硅酸鹽玻璃。這類體系的熔化溫度高，常加入一些Si02，Ba0， Zn0，A1203等成分來增加其化學(xué)穩(wěn)定性。鉛鋅硼三元體系，次要成分為Si02，Ba0，A1203等。 它與硼鉛兩元體系最大的不同在于可通過調(diào)節(jié)析出晶相的種類和數(shù)量來調(diào)節(jié)膨脹系數(shù)和 膨脹特性。目前鉛鋅硼三元體系中應(yīng)用最廣的是PbO,B203,ZnO和低膨脹系數(shù)的Zn0-B203 體系。除此以外，磷酸鹽、釩酸鹽、Bi03-B203-Si02和ZnO-B203-Si02等不同體系的低熔 點(diǎn)玻璃也在加緊研制。低熔點(diǎn)玻璃目前多用作封裝材料，如管殼封裝，涂層封裝，鈍化膜層 以及陶瓷，金屬，玻璃之間的相互封接。本發(fā)明將這種低熔點(diǎn)玻璃作為一種中溫粘結(jié)劑制備 二氧化硅氣凝膠粉體復(fù)合隔熱材料。低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑屬于無機(jī)材料，長(zhǎng)期使用不易開裂， 使用壽命長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結(jié)合劑復(fù)合隔熱材料，這種復(fù)合材 料隔熱性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低。采用的技術(shù)方案主要是采用高分子聚合物將玻璃結(jié)合劑與二 氧化硅氣凝膠粉體粘結(jié)后在室溫下干燥固化，然后再通過高溫?zé)Y(jié)。為了加快玻璃結(jié)合劑 的熔化速度，應(yīng)盡量減小粘結(jié)劑的粒徑。
[0005] 本發(fā)明中二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結(jié)合劑復(fù)合隔熱材料的主要制備工藝：以 聚合物為基料，然后將分散劑，潤(rùn)濕劑，消泡劑，增稠劑等助劑加入聚合物中，攪拌均勻后， 在將二氧化硅氣凝膠粉體與玻璃結(jié)合劑加入乳液中，混合攪拌均勻，然后涂覆在試板上，在 10?25°C下干燥48個(gè)小時(shí)以上，涂覆方式為旋涂或噴涂或浸漬，試板為金屬或半導(dǎo)體試 板。然后將試樣放入馬弗爐中加熱，預(yù)設(shè)溫度為330?480°C。設(shè)定溫度在330°C?480°C， 這是因?yàn)榫酆衔锏姆纸鉁囟仍?10°C?550°C左右，而玻璃結(jié)合劑的熔化溫度在500°C以 上。當(dāng)溫度達(dá)到310°C到480°C時(shí)，聚合物開始分解，而玻璃結(jié)合劑還沒有開始熔化。在這一 溫度下保持3?5個(gè)小時(shí)，聚合物就可以完全分解。然后調(diào)節(jié)設(shè)定溫度到500°C?1000°C， 馬弗爐繼續(xù)升溫。當(dāng)溫度再次達(dá)到設(shè)定的溫度后，保溫3?5個(gè)小時(shí)，玻璃結(jié)合劑完全熔化 后，停止升溫，冷卻2到4個(gè)小時(shí)取出樣品。此時(shí)聚合物已經(jīng)分解，而玻璃結(jié)合劑也完全熔 化，二氧化硅氣凝膠粉體保持了完整的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，被玻璃結(jié)合劑粘結(jié)在一起。樣品制備 過程中各組分加入量如表1。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 采用低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑與二氧化硅氣凝膠粉體為主要原料，制備了一種新型隔熱材 料。
2. 主要工藝是將二氧化硅氣凝膠粉體與玻璃結(jié)合劑，聚合物混合，同時(shí)添加少量助劑， 混合均勻，制成漿料，然后將漿料制成固定尺寸的樣品，通過加熱燒結(jié)的方式得到最終的產(chǎn) 品。
3. 由于氣凝膠輕質(zhì)易碎，在制備漿料時(shí)，可加入玻璃纖維，或陶瓷纖維，以增強(qiáng)復(fù)合材 料的強(qiáng)度，同時(shí)也可向漿料中添加二氧化鈦TiO 2等遮光性物質(zhì)，提高對(duì)紅外光的反射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑，其特征在于主要成分為氧化物的組合， 可能的氧化物組成為 PbO, CdO2, B2O3, SnO, SnO3, ZrO3, La2O3, ZnO, SiO2, Al2O3, Li2O, Na2O, V2O5, P2O5, Bi2O3, Li2O, K20, BaO, CaO,MnO等，組成低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑可能的添加劑包括Al2O3, SiO2, SnO, ZrO2, RO (R 為 Zn、Ba、Mg, Cu, Co), W03, Li2O, SnCl2, CeO2, Ga2O3, Fe2O3, In2O3 等。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃結(jié)合劑，其特征在于熔點(diǎn)在500°C?800°C 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅氣凝膠粉體，其特征在于具有納米多孔及三維網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)，制備時(shí)可通過機(jī)械方法制備形狀不規(guī)則的粉體顆粒，也可以在凝膠制備過程中采用滴 液成球法或霧化法直接制備球形顆粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型隔熱材料，其特征在于漿料制備時(shí)，聚合物質(zhì)量為總質(zhì) 量的2%?15%，玻璃結(jié)合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?40%，二氧化硅氣凝膠粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%? 50%，助劑消泡劑，潤(rùn)濕劑，分散劑，增稠劑，固化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%?0. 3%，其它添加物如玻 璃纖維，鈦白粉等，質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%以下。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型隔熱材料，其特征在于漿料在干燥固化后，要在空氣或 有氧氣氛中進(jìn)行熱處理。
8. 熱處理溫度分為兩段，第一段330?500°C，保溫2到5個(gè)小時(shí)，第二段550°C? 800°C，保溫3?5個(gè)小時(shí)，然后自然冷卻到常溫。
【專利摘要】本文公開了一種二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結(jié)合劑混合制備的新型隔熱材料。本發(fā)明以二氧化硅氣凝膠粉體和低熔點(diǎn)玻璃結(jié)合劑為主要成分，將玻璃結(jié)合劑與二氧化硅氣凝膠粉體、高分子聚合物混合，同時(shí)向其中添加消泡劑，潤(rùn)濕劑等助劑，制備混合漿料，然后將漿料涂抹成試樣，再將試樣進(jìn)行熱處理，加熱燒結(jié)后得到二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結(jié)合劑復(fù)合材料。二氧化硅氣凝膠粉體隔熱性能優(yōu)異，將它與玻璃粘結(jié)劑混合制備的復(fù)合材料，在500℃～800℃下具有良好的隔熱性，擴(kuò)大了二氧化硅氣凝膠應(yīng)用的溫度范圍。
【IPC分類】C04B32-00
【公開號(hào)】CN104556967
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310497962
【發(fā)明人】何方, 吳菊英, 黃渝鴻, 鄭偉, 王宏雁, 馬秋花, 朱賀
【申請(qǐng)人】河南工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月22日