一种纳米硅质绝热材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种纳米硅质绝热材料，包括高温层和复合于所述高温层上的低温层；所述低温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份炭黑组成；所述高温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份红外遮光剂组成；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种。本发明专利技术充分利用不同种类红外遮光剂的有效消光系数及耐温性能，通过梯度使用不同种类的红外遮光剂制备得到可在中高温区使用的具有超低导热系数的纳米硅质绝热材料。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米硅质绝热材料及其制备方法
本专利技术涉及绝热材料领域，特别涉及纳米硅质绝热材料及其制备方法。
技术介绍
轻质砖、耐火纤维、陶瓷纤维毯等传统绝热耐火材料导热系数相对较高，在给定厚度下无法满足工业设备外壁温度低于70℃的节能要求，因此低导热率的绝缘材料越来越受到人们的青睐。20世纪90年代初，A.J.Hunt等人率先提出了超级绝热材料的概念，即在特定的使用条件下，导热系数低于“静止空气”导热系数的绝热材料。目前，超级绝热材料主要有两种：一种是真空绝热材料，另一种是纳米孔绝热材料。纳米硅质绝热材料的结构中具有大量的纳米孔隙，且85％以上的孔隙直径小于50nm。空气中的氧气分子和氮气分子的平均自由程约为70nm，当孔隙直径小于气体的平均自由程时，空气分子可以被视为“静止”，气体的对流传热被有效遏制，同时超高气孔率又使得纳米二氧化硅质绝热材料的固相传热受到限制，所以其被认为是目前绝热性能最佳的固体材料，在隔热材料领域具有广阔的应用前景。但是研究发现，随着温度的升高，纳米硅质绝热材料内部的红外辐射传热作用越来越明显，而二氧化硅对于辐射红外线几乎“透明”，红外遮蔽效果差，导致高温下材料的导热系数急剧增大，绝热效果受到严重制约。针对上述问题，现有技术最常用的方法是引入红外遮光剂，将所有的原料混合均匀，然后压制成所需的形状。该方法在一定程度上可以降低材料在高温下的导热系数。公开号为CN103807568A的中国专利公开了一种纳米微孔绝热保温板，其结构从冷面到热面依次为保温层、反辐射层和增强层。其反辐射层中只含有红外遮光剂，不含有任何增强材料，干法压制无法保证其强度，影响使用效果。而且，虽然反辐射层的加入可以有效抑制辐射传热，但是组成增强层和反辐射层的成分自身的导热系数都很大，另外反辐射层的厚度比较薄，随着热面温度的升高，特别是高于600℃以后，热量会很快传至保温层，反辐射层和保温层的界面温度也会不断升高，根据玻尔兹曼定律可知，在保温层部分的辐射传热作用增强，表现为导热系数增大，绝热性能不佳。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种纳米硅质绝热材料及其制备方法，在中高温区仍然具有超低导热系数。本专利技术提供了一种纳米硅质绝热材料，包括高温层和复合于所述高温层上的低温层；所述低温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份炭黑组成；所述高温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份红外遮光剂组成；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种。优选的，所述炭黑和红外遮光剂的质量比为(0.5～2)：1。优选的，所述高温层中的无机纤维为无碱玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、多晶莫来石纤维和氧化铝纤维中的一种或多种。优选的，所述低温层中的无机纤维为无碱玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、多晶莫来石纤维和氧化铝纤维中的一种或多种。优选的，所述纳米二氧化硅的粒径小于60nm。优选的，所述低温层由60重量份纳米二氧化硅、10重量份无机纤维和30份炭黑组成；所述高温层由60重量份纳米二氧化硅、15重量份无机纤维和25份碳化硅组成。优选的，所述低温层由75重量份纳米二氧化硅、10重量份无机纤维和15份炭黑组成；所述高温层由70重量份纳米二氧化硅、15重量份无机纤维和15份六钛酸钾晶须组成。优选的，所述低温层由60重量份纳米二氧化硅、5重量份无机纤维和35份炭黑组成；所述高温层由60重量份纳米二氧化硅、5重量份无机纤维和35份二氧化钛和氧化锆组成。优选的，所述低温层由60重量份纳米二氧化硅、10重量份无机纤维和30份炭黑组成；所述高温层由60重量份纳米二氧化硅、10重量份无机纤维和30份红外遮光剂组成。本专利技术还提供了一种纳米硅质绝热材料的制备方法，包括以下步骤：(A)将60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份炭黑混合均匀，得到第一混合物；将60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份红外遮光剂混合均匀，得到第二混合物；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种；(B)将第一混合物和第二混合物中的任意一种放入模具内刮平，然后在其表面铺设另外一种混合物并刮平，经过压制得到纳米硅质绝热材料。与现有技术相比，本专利技术的纳米硅质绝热材料，包括包高温层和复合于所述高温层上的低温层；所述低温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份炭黑组成；所述高温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份红外遮光剂组成；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种。所述高温层和低温层均由纳米二氧化硅、无机纤维和红外遮光剂组成，导热系数均比较低。其中纳米二氧化硅为基体材料，无机纤维为增强材料，使高温层和低温层均具有较好的强度。低稳层中使用了炭黑作为红外遮光剂，炭黑的红外消光系数为100m2/kg，是二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须等红外遮光剂的2～4倍，在外部环境600℃以下时，红外遮光效果优异；高温层中使用的红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须等，保证外部环境高于600℃时，依然具有较好的遮光效果。本专利技术充分利用不同种类红外遮光剂的有效消光系数及耐温性能，通过梯度使用不同种类的红外遮光剂制备得到可在中高温区使用的具有超低导热系数的纳米硅质绝热材料。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种纳米硅质绝热材料，包括高温层和复合于所述高温层上的低温层；所述低温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份炭黑组成；所述高温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份红外遮光剂组成；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种。在本专利技术中的纳米硅质绝热材料，包括高温层和低温层，在使用时，高温层靠近外部环境温度较高的位置，低温层靠近外部环境温度较低的位置。所述低温层复合于所述高温层上，即高温层与低温层相互接触连接。所述低温层由纳米二氧化硅、无机纤维和炭黑组成。所述的纳米二氧化硅为基体材料，粒径优选小于60nm，导热系数低，在压力作用下，可以形成空隙率约为90％的块体材料，高孔隙率可以有效降低固体热传导；而且，相互接触的二氧化硅颗粒结合成绵延曲折的颗粒链，延长了热传导的路径长度，使热量在固体中的传导过程中最大程度的消耗，达到绝热目的。纳米硅质绝热材料内部大部分的孔隙尺寸小于氮气与氧气的平均自由程70nm，材料内部气体分子的相对移动会受到限制，对流传热被限制，从而获得比静止空气更低的导热系数。所述无机纤维为增强材料，保证纳米硅质绝热材料的强度。所述无机纤维优选为无碱玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、多晶莫来石纤维和氧化铝纤维中的一种或多种。当选用多种类型的无机纤维时，本专利技术对于各种无机纤维的比例没有特殊限制。所述炭黑的红外消光系数为100m2/kg，是二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米硅质绝热材料，包括高温层和复合于所述高温层上的低温层；所述低温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份炭黑组成；所述高温层由60～80重量份纳米二氧化硅、5～15重量份无机纤维和15～35份红外遮光剂组成；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种纳米硅质绝热材料，包括高温层和复合于所述高温层上的低温层；所述低温层由60~80重量份纳米二氧化硅、5~15重量份无机纤维和15~35份炭黑组成；所述高温层由60~80重量份纳米二氧化硅、5~15重量份无机纤维和15~35份红外遮光剂组成；所述红外遮光剂为二氧化钛、氧化锆、碳化硅和六钛酸钾晶须中的一种或多种；所述炭黑和红外遮光剂的质量比为（0.5~2）：1。2.根据权利要求1所述的纳米硅质绝热材料，其特征在于，所述高温层中的无机纤维为无碱玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、多晶莫来石纤维和氧化铝纤维中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的纳米硅质绝热材料，其特征在于，所述低温层中的无机纤维为无碱玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、多晶莫来石纤维和氧化铝纤维中的一种或多种。4.根据权利要求1~3任意一项所述的纳米硅质绝热材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径小于60nm。5.根据权利要求4所述的纳米硅质绝热材料，其特征在于，所述低温层由60重量份纳米二氧化硅、10重量份无机纤维和30份炭黑组成；所述高温层由60重量份纳米二氧化硅、15重量份无机纤维和25份碳化硅组成。6.根据权利要求4所述的纳米硅质绝热材料，其特征在于，所述低温层由75重量份...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成贺，刘超，任大贵，张成，
申请(专利权)人：山东鲁阳股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37