本發(fā)明屬于保溫絕熱材料領(lǐng)域，具體涉及一種相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈及其制備方法。

背景技術(shù)：

氣凝膠是世界上最輕的固體材料，具有低密度、高孔隙率、大比表面積和低熱導(dǎo)率等特點，在諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。以水玻璃、正硅酸乙酯等材料作為硅源制備的SiO₂氣凝膠是目前生產(chǎn)工藝最為成熟的氣凝膠類型，已在航空航天、工業(yè)管道、建筑等領(lǐng)域的保溫絕熱方面獲得了成功應(yīng)用，被認(rèn)為是目前最高效的保溫絕熱材料。SiO₂氣凝膠通過與纖維、粘結(jié)劑等材料復(fù)合制成保溫氈或保溫板，是目前氣凝膠類保溫絕熱材料的主要產(chǎn)品形式。

然而，氣凝膠類保溫材料同有機(jī)發(fā)泡材料一樣，雖具有較低的熱導(dǎo)率，但由于材料自身密度較低，熱容較小，導(dǎo)致蓄熱能力較差，抵擋外界溫度波動的能力較弱，是其作為輕質(zhì)保溫材料的主要性能弱點。目前，改善輕質(zhì)材料蓄熱能力的比較先進(jìn)的方法是在基體中引入相變儲能材料，通過相變儲能材料發(fā)生相變反應(yīng)時的吸/放熱現(xiàn)象，增大基體材料蓄熱/蓄冷能力的同時賦予其調(diào)溫控溫功能。

相變材料通常是以經(jīng)過包覆的粉末或顆粒狀態(tài)引入基體材料中，其摻量的多少直接影響復(fù)合后基體的物理力學(xué)性能，摻量過少不能有效發(fā)揮儲能調(diào)溫作用，摻量過多有可能導(dǎo)致基體的物理力學(xué)性能顯著下降，并且當(dāng)基體中含有多種功能組分時，相變材料的摻量受到其他組分的限制或者制約其他組分的摻量，使多功能復(fù)合材料難以實現(xiàn)理想的性能指標(biāo)。例如在氣凝膠保溫氈中引入相變材料時，粉末或顆粒狀態(tài)相變材料的引入必將降低氣凝膠組分的含量，使保溫氈的保溫隔熱性能下降，同時相變材料的摻量也會受到很大制約，難以發(fā)揮顯著的儲能調(diào)溫作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提出了一種兼具高效保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈及其制備方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈，其特征在于，包括：20-40重量份的相變儲能纖維；10-30重量份的無機(jī)纖維；10-20重量份的SiO₂氣凝膠顆粒；0-12重量份的阻燃劑；2-5重量份的增稠劑；20-50重量份的粘結(jié)劑；8-15重量份的固化劑；1.5-2重量份的偶聯(lián)劑；0.5-0.8重量份的憎水劑。

由此，本發(fā)明上述實施例的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈兼具高效的保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能。相變儲能纖維既發(fā)揮骨架支撐作用，又發(fā)揮儲能調(diào)溫作用，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能一體化，提高了材料的空間利用率。無機(jī)纖維與相變儲能纖維均混后纏繞在其周圍，再輔以阻燃劑和熱固性樹脂粘結(jié)劑，共同構(gòu)成了有效的阻燃體系，保證了復(fù)合氈的耐火性能。SiO₂氣凝膠顆粒均勻填充于纖維空隙之中，發(fā)揮超級隔熱作用，利用納米孔結(jié)構(gòu)阻止熱量傳遞。通過纖維傳遞的熱量有一大部分被相變介質(zhì)截留儲存，待環(huán)境溫度下降至相變點以下時再釋放出發(fā)，發(fā)揮顯著的調(diào)溫控溫功能。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在本發(fā)明的一些實施例中，所述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的表觀密度為40-230kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02-0.04W/(m·K)，相變溫度為0-60℃，相變潛熱為10-35kJ/kg，垂直于表面的抗拉強(qiáng)度大于80kPa。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述相變儲能纖維的長度為3-12mm，平均直徑為10-50μm，相變溫度0-60℃，潛熱值為50-80kJ/kg。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述相變儲能纖維含有烷烴、聚多元醇、脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯中的至少一種。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述無機(jī)纖維為玻璃纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維、石英纖維、莫來石纖維、氧化鋯纖維中的至少一種；所述SiO₂氣凝膠顆粒為疏水性SiO₂氣凝膠顆粒；所述阻燃劑為聚磷酸銨、磷酸三苯酯、硼酸鋅、磷酸鋅、氫氧化鋁、氫氧化鎂、聚硅烷、聚硅氧烷、聚有機(jī)硅倍半硅氧烷中的至少一種；所述增稠劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、甲基羥乙基纖維素、甲基羥丙基纖維素、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚胺、雙氰胺中的至少一種；所述粘結(jié)劑為水溶性酚醛樹脂和/或水性環(huán)氧樹脂乳液；所述固化劑為脂肪族多胺、脂環(huán)族多胺、低分子聚酰胺、改性芳胺中的至少一種；所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑和/或鈦酸酯偶聯(lián)劑；所述憎水劑為有機(jī)硅憎水劑；其中，所述無機(jī)纖維的長度為4-15mm；所述SiO₂氣凝膠顆粒的粒徑為0.5-5mm，堆積密度為40-150kg/m³。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提出了一種制備前面所述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的方法，包括：

A、將0-12重量份的阻燃劑、2-5重量份的增稠劑、1.5-2重量份的偶聯(lián)劑、0.5-0.8重量份的憎水劑溶于250-300重量份的水中攪拌形成第一混合液體；

B、將10-20重量份的SiO₂氣凝膠顆粒加入所述第一混合液體攪拌形成第二混合液體；

C、將20-40重量份的相變儲能纖維和10-30重量份的無機(jī)纖維加入所述第二混合液體攪拌形成塑性纖維團(tuán)狀物；

D、將20-50重量份的粘結(jié)劑與8-15重量份的固化劑混合后噴灑浸漬所述塑性纖維團(tuán)狀物；

E、使所述纖維團(tuán)狀物加熱脫水、固化、模壓成型，即得所述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈。

由此，利用上述方法，可以有效制備得到兼具高效保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈。該方法將相變儲能纖維和SiO₂氣凝膠兩種先進(jìn)功能材料結(jié)合在一起，相變儲能纖維同時發(fā)揮骨架支撐和儲能調(diào)溫作用，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能一體化，提高了材料的空間利用率，保證了SiO₂氣凝膠顆粒的大比例摻入，以及復(fù)合氈最佳物理力學(xué)性能的獲得。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的制備相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在本發(fā)明的一些實施例中，所述步驟E中加熱溫度為50-130℃，加熱方式為鼓風(fēng)加熱，加熱時間為5-40min，模壓成型壓強(qiáng)為0.5-2MPa。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈，該相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈包括：20-40重量份的相變儲能纖維；10-30重量份的無機(jī)纖維；10-20重量份的SiO₂氣凝膠顆粒；0-12重量份的阻燃劑；2-5重量份的增稠劑；20-50重量份的粘結(jié)劑；8-15重量份的固化劑；1.5-2重量份的偶聯(lián)劑；0.5-0.8重量份的憎水劑。

由此，本發(fā)明上述實施例的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈兼具高效的保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能。相變儲能纖維既發(fā)揮骨架支撐作用，又發(fā)揮儲能調(diào)溫作用，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能一體化，提高了材料的空間利用率。無機(jī)纖維與相變儲能纖維均混后纏繞在其周圍，再輔以阻燃劑和熱固性樹脂粘結(jié)劑，共同構(gòu)成了有效的阻燃體系，保證了復(fù)合氈的耐火性能。SiO₂氣凝膠顆粒均勻填充于纖維空隙之中，發(fā)揮超級隔熱作用，利用納米孔結(jié)構(gòu)阻止熱量傳遞，通過纖維傳遞的熱量有一大部分被相變介質(zhì)截留儲存，待環(huán)境溫度下降至相變點以下時再釋放出發(fā)，發(fā)揮顯著的調(diào)溫控溫功能。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述相變儲能纖維的長度為3-12mm，平均直徑為10-50μm，相變溫度0-60℃，潛熱值為50-80kJ/kg。由此該相變儲能纖維在溶劑水中具有較好的分散性，同時具有適宜的相變溫度和較大的相變潛熱。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述相變儲能纖維含有烷烴、聚多元醇、脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯中的至少一種。由此該相變儲能纖維具有相變儲能調(diào)溫功能，所含相變材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較大的儲能密度以及較低的過冷度。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈中采用的無機(jī)纖維為玻璃纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維、石英纖維、莫來石纖維、氧化鋯纖維中的至少一種。由此采用該無機(jī)纖維可以提高相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的耐火性能。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述SiO₂氣凝膠顆粒為疏水性SiO₂氣凝膠顆粒。由此采用該SiO₂氣凝膠顆粒能夠避免復(fù)合氈在使用過程中因吸收空氣中水分而增大了熱導(dǎo)率。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述阻燃劑為聚磷酸銨、磷酸三苯酯、硼酸鋅、磷酸鋅、氫氧化鋁、氫氧化鎂、聚硅烷、聚硅氧烷、聚有機(jī)硅倍半硅氧烷中的至少一種。由此采用該阻燃劑能有效提高相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的耐火性能。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述增稠劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、甲基羥乙基纖維素、甲基羥丙基纖維素、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚胺、雙氰胺中的至少一種。由此采用該增稠劑能夠保證溶劑水具有適宜的粘度，使密度較低、易漂浮的SiO₂氣凝膠顆粒能夠均勻分散于溶劑水中。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述粘結(jié)劑為水溶性酚醛樹脂和/或水性環(huán)氧樹脂乳液。由此采用該粘結(jié)劑具有較低的VOC含量，并因其具有熱固性而具有較好的耐高溫性能。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述固化劑為脂肪族多胺、脂環(huán)族多胺、低分子聚酰胺、改性芳胺中的至少一種。由此采用該固化劑能夠使粘結(jié)劑在較短的時間內(nèi)固化，并且提高其固化強(qiáng)度。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑和/或鈦酸酯偶聯(lián)劑。由此采用該偶聯(lián)劑能夠提高復(fù)合氈內(nèi)有機(jī)和無機(jī)組份之間的結(jié)合力。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述憎水劑為有機(jī)硅憎水劑。由此采用該憎水劑能夠提高相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的整體疏水性，避免因內(nèi)部水汽集聚使保溫隔熱性能下降。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述無機(jī)纖維的長度為4-15mm。由此該無機(jī)纖維能夠較好的在溶劑中分散。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述SiO₂氣凝膠顆粒的粒徑為0.5-5mm，堆積密度為40-150kg/m³。由此該SiO₂氣凝膠顆粒具有較好的分散性、較低的密度和熱導(dǎo)率。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，具有上述組分及組分含量的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈具有優(yōu)良的保溫隔熱和儲能調(diào)溫性能，以及較好的力學(xué)性能。具體地，表現(xiàn)為上述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的表觀密度為40-230kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02-0.04W/(m·K)，相變溫度為0-60℃，相變潛熱為10-35kJ/kg，垂直于表面的抗拉強(qiáng)度大于80kPa。由此該相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈能夠通過高效保溫隔熱和儲能調(diào)溫兩方面作用，實現(xiàn)對所應(yīng)用領(lǐng)域的顯著節(jié)能降耗，并憑借相變作用提供有效的溫控管理。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提出了一種制備前面所述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈的方法，該方法包括：A、將0-12重量份的阻燃劑、2-5重量份的增稠劑、1.5-2重量份的偶聯(lián)劑、0.5-0.8重量份的憎水劑溶于250-300重量份的水中攪拌形成第一混合液體；B、將10-20重量份的SiO₂氣凝膠顆粒加入所述第一混合液體攪拌形成第二混合液體；C、將20-40重量份的相變儲能纖維和10-30重量份的無機(jī)纖維加入所述第二混合液體攪拌形成塑性纖維團(tuán)狀物；D、將20-50重量份的粘結(jié)劑與8-15重量份的固化劑混合后噴灑浸漬所述塑性纖維團(tuán)狀物；E、使所述纖維團(tuán)狀物加熱脫水、固化、模壓成型，即得所述相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈。

由此，利用上述方法，可以有效制備得到兼具高效保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈。該方法將相變儲能纖維和SiO₂氣凝膠兩種高性能材料結(jié)合在一起，相變儲能纖維同時發(fā)揮骨架支撐和儲能調(diào)溫作用，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能一體化，提高了材料的空間利用率，保證了SiO₂氣凝膠顆粒的大比例摻入，以及復(fù)合氈最佳物理力學(xué)性能的獲得。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，上述步驟E中加熱溫度為50-130℃，加熱方式為鼓風(fēng)加熱，加熱時間為5-40min，模壓成型壓強(qiáng)為0.5-2MPa。由此能夠使粘結(jié)劑迅速固化，使復(fù)合氈具有較好的力學(xué)性能。

實施例1

原料：正十八烷基纖維(長度6mm，平均直徑24μm，相變溫度28℃，潛熱值72kJ/kg)40份，玻璃纖維(長度6mm)20份，疏水SiO₂氣凝膠顆粒(粒徑1-2mm，堆積密度80kg/m³)15份，聚磷酸銨6份，羧甲基纖維素3份，水溶性酚醛樹脂25份，二亞乙基三胺6份，KH-570硅烷偶聯(lián)劑1.5份，有機(jī)硅憎水劑0.5份。

制備方法：

A、將上述阻燃劑、增稠劑、偶聯(lián)劑、憎水劑溶于280份水中攪拌形成第一混合液體；

B、將上述SiO₂氣凝膠顆粒加入所述第一混合液體攪拌形成第二混合液體；

C、將上述相變儲能纖維和玻璃纖維加入上述第二混合液體攪拌形成塑性纖維團(tuán)狀物；

D、將上述粘結(jié)劑與固化劑混合后噴灑浸漬上述塑性纖維團(tuán)狀物；

E、使上述纖維團(tuán)狀物在100℃下鼓風(fēng)加熱30min，1.2MPa下模壓成型，即得相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈。

上述制備得到的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈具有高效的保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能，表觀密度為125kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)為0.026W/(m·K)，相變溫度為28℃，相變潛熱為32kJ/kg，垂直于表面的抗拉強(qiáng)度為110kPa。

實施例2

原料：硬脂酸甲酯基纖維(長度4mm，平均直徑15μm，相變溫度35℃，潛熱值64kJ/kg)35份，硅酸鋁纖維(長度8mm)25份，疏水SiO₂氣凝膠顆粒(粒徑0.5-1.5mm，堆積密度110kg/m³)15份，磷酸三苯酯4份，羥乙基纖維素3份，水性環(huán)氧樹脂乳液35份，二乙烯三胺6份，Si-602硅烷偶聯(lián)劑1.5份，有機(jī)硅憎水劑0.5份。

制備方法同實施例1。

上述制備得到的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈具有高效的保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能，表觀密度為155kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)為0.028W/(m·K)，相變溫度為35℃，相變潛熱為20kJ/kg，垂直于表面的抗拉強(qiáng)度為125kPa。

實施例3

原料：十二醇基纖維(長度6mm，平均直徑32μm，相變溫度22℃，潛熱值80kJ/kg)35份，石英纖維(長度8mm)20份，疏水SiO₂氣凝膠顆粒(粒徑1.5-3mm，堆積密度65kg/m³)20份，聚硅氧烷3份，甲基羥丙基纖維素2.5份，水性環(huán)氧樹脂乳液20份，二乙烯三胺4份，三異硬脂?；佀岙惐?.5份，有機(jī)硅憎水劑0.5份。

制備方法同實施例1。

上述制備得到的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈具有高效的保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能，表觀密度為82kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/(m·K)，相變溫度為22℃，相變潛熱為26kJ/kg，垂直于表面的抗拉強(qiáng)度為85kPa。

實施例4

原料：正十四烷基纖維(長度6mm，平均直徑18μm，相變溫度6℃，潛熱值85kJ/kg)40份，氧化鋁纖維(長度9mm)20份，疏水SiO₂氣凝膠顆粒(粒徑1.5-3mm，堆積密度65kg/m³)15份，氫氧化鋁5份，聚丙烯酰胺2份，水溶性酚醛樹脂25份，二亞乙基三胺6份，KH-550硅烷偶聯(lián)劑1.5份，有機(jī)硅憎水劑0.5份。

制備方法同實施例1。

上述制備得到的相變儲能纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合氈具有高效的保溫隔熱和儲能調(diào)溫功能，表觀密度為116kg/m³，導(dǎo)熱系數(shù)為0.025W/(m·K)，相變溫度為6℃，相變潛熱為32kJ/kg，垂直于表面的抗拉強(qiáng)度為105kPa。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。