具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法及产品技术

本发明专利技术涉及一种具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法及产品，其制备方法包括：1)将二氧化硅空心微球和粘结剂分散于水中，配成混合溶液；2)将所述混合溶液置于模具中进行双向冰冻；所述模具的底部为硅橡胶块，硅橡胶块与混合溶液的接触面为斜面，冷源设置在硅橡胶块下部；3)将双向冰冻产物进行冷冻干燥以去除溶剂，得到具有多尺度结构的二氧化硅/粘结剂复合材料；4)将所述二氧化硅/粘结剂复合材料进行高温烧结。该制备方法使得隔热材料形成多尺度结构，降低其热传导效率。

【技术实现步骤摘要】
具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法及产品
本专利技术涉及工程隔热材料领域，具体涉及一种具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法及产品。
技术介绍
保温隔热材料是一类能大幅减少建筑物能耗的节能材料，是构筑可持续发展社会的重要手段。得益于材料本身的特性及一些特殊的结构设计，一些无机材料和有机材料被制成隔热材料。理想的隔热材料应兼顾隔热、阻燃、轻质、高强、环境友好等特性。以聚苯乙烯和聚氨酯为代表的有机隔热材料，具有低导热、轻质、廉价等优点，因而是现阶段应用最广泛的隔热材料，但是其易燃的特性为其大规模应用带来了不容忽视的安全隐患。而具有阻燃特性的无机隔热材料如玻璃棉等，其隔热性较差，且难以通过结构设计提升其隔热性。二氧化硅气凝胶具有高比表面积、低密度和超低导热系数等特性，是理想的保温隔热材料。但是纯二氧化硅气凝胶力学性能较差，很难单独作为隔热材料使用。工业上通常将二氧化硅气凝胶与其他材料复合使用，但往往伴随制作工艺复杂、复合材料性能降低、制作成本高等问题而无法得到广泛应用。中国专利技术专利申请(CN104609820A)公开一种玻璃纤维定向增强的纳米二氧化硅隔热材料制备方法，通过采用低温冷冻凝固实现玻璃纤维定向排列在纳米二氧化硅中，进而保证玻璃纤维定向增强的纳米二氧化硅隔热材料具有高强度和低导热率的特性。由于采用传统的定向冰冻法，仅能实现玻璃纤维的沿着定向冷冻方向排列，而无法使得二氧化硅形成片层取向结构。中国专利技术专利申请(CN103896561A)公开一种具有规整层状结构的二氧化硅隔热材料制备方法，包括定向冷冻步骤、干燥步骤、烧结步骤，定向冷冻步骤为将粘结剂与二氧化硅胶体混合液注入模具内，使粘结剂与二氧化硅胶体混合液的凝固界面从模具的一端向另一端逐渐定向凝固，得到粘结剂与二氧化硅胶体混合液的凝固产物。同样由于采用传统的定向冰冻法，二氧化硅隔热材料只能沿着冰冻方向得到取向，而无法在垂直于冰冻方向上得到取向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法，使得隔热材料形成多尺度结构，降低其热传导效率。本专利技术所提供的技术方案为：一种具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法，包括如下步骤：1)将二氧化硅空心微球和粘结剂分散于水中，配成混合溶液；2)将所述混合溶液置于模具中进行双向冰冻；所述模具的底部为硅橡胶块，硅橡胶块与混合溶液的接触面为斜面，冷源设置在硅橡胶块下部；3)将双向冰冻产物进行冷冻干燥以去除溶剂，得到具有多尺度结构的二氧化硅/粘结剂复合材料；4)将所述二氧化硅/粘结剂复合材料进行高温烧结。本专利技术采用双向冰冻法制备二氧化硅隔热材料，在传统定向冰冻法的基础上，在模具底部引入导热性较差且具有一定坡度的硅橡胶块。在冰冻时，由于具有坡度的硅橡胶块的存在，如图1所示，冰晶在一维的直线上成核，沿着二维平面生长，在垂直于冰冻方向的截面上形成大面积取向结构。如图2所示，传统的定向冰冻法在二维平面上随机成核，沿着单一的温度梯度生长，导致在垂直于冰冻方向的截面上形成多个小范围取向区域，无法得到大面积的片层取向结构，严重限制了其实际应用。此外，原料二氧化硅选择空心微球，配合双向冰冻法，使得二氧化硅隔热材料具有多尺度结构。多尺度体现在：在宏观尺度上隔热材料是一种多孔材料；在亚毫米尺度上隔热材料具有大面积的片层取向结构；在微米尺度上，每一个取向的片层结构由二氧化硅空心球堆叠而成。该特殊的多尺度结构，使得二氧化硅隔热材料的热传导效率进一步降低，从而提高了材料的隔热性能。作为优选，所述二氧化硅空心微球的直径为5～20μm。当直径过小时，微球易下沉；当直径过大时，微球易上浮。直径过大或过小都将影响混合溶液的稳定性。作为优选，所述二氧化硅空心微球的密度约为1～1.5g/cm3。进一步优选为1.1g/cm3。作为优选，所述二氧化硅空心微球在混合溶液中的体积分数为15～25％。浓度过小时，得到的二氧化硅多孔材料质脆，易坍塌。浓度过大时，一方面混合溶液易沉降，另一方面，双向冰冻时冰晶无法将过多的微球排开，使得片层间有较多的连接，从而影响隔热性能。作为优选，所述二氧化硅空心微球与粘结剂的质量比为10～15:1。粘结剂含量过少时，混合溶液中的二氧化硅微球易沉降；粘结剂含量过多时，混合溶液粘度过大，不利于形成大面积片层取向结构。作为优选，所述粘结剂为羟丙基纤维素、羟甲基纤维素或聚乙烯醇。作为优选，所述斜面的坡度为5～20°。坡度过小时，水平方向上的温度梯度过小，无法形成片层取向的结构；坡度过大时，水平方向上的温度梯度过大，也无法形成片层取向的结构。作为优选，所述硅橡胶块为楔形结构；进一步优选为直角三角形柱，斜面朝上与混合溶液接触。作为优选，所述双向冰冻反应的温度为-100～-60℃。温度过低时，冰晶生长速度过快，冰晶来不及形成片层结构就已结冰完毕；温度过高时，冰晶生长速度过慢，混合溶液易发生分层，导致后续烧结时易发生不均匀收缩，影响片层结构的取向从而影响隔热性能。作为优选，所述高温烧结是指以1～5℃/min从室温升温到500～700℃，在500～700℃下保温60～240min。烧结温度过低，二氧化硅空心微球表面未融化，烧结后的结构易坍塌；烧结温度过高，二氧化硅空心微球表面过度融化，导致体积收缩过大，热导率上升。本专利技术还提供一种如上述的制备方法制备得到的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料。本专利技术制备的二氧化硅隔热材料在垂直于冰冻方向上具有大面积片层取向结构，每一层都由二氧化硅空心微球堆叠而成，形成独特的多尺度结构。同现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：(1)本专利技术中的制备方法可通过调节冷冻温度、混合溶液浓度等条件，制备出具有不同层间距和微观形貌的二氧化硅隔热材料。(2)本专利技术中制备得到的二氧化硅隔热材料具有较好的隔热性能，空心微球的使用和大面积片层取向结构的设计降低了热传导效率，从而提高了材料的隔热性能。(3)本专利技术的制备方法操作简便、成本低廉、环境友好，适合工业放大应用。附图说明图1为本专利技术实施例中使用的双向冰冻法形成取向结构的示意图；图2为对比例中使用的传统的定向冰冻法形成取向结构的示意图；图3为本专利技术中所使用的双向冰冻装置的结构示意图；图4为实施例1制备的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的SEM图；图5为实施例2制备的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的SEM图；图6为实施例3制备的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的SEM图；图7为对比例1制备的二氧化硅多孔材料的SEM图；图8为对比例2制备的二氧化硅多孔材料的SEM图。具体实施方式以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本专利技术的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例中所用的双向冰冻装置如图3所示，其中1为低温乙醇，2为铜柱，3为铜板，4为硅橡胶块，5为聚四氟乙烯模具，6为混合溶液。其中，聚四氟乙烯模具5底部为硅橡胶块4，聚四氟乙烯模具5内加入混合溶液6，硅橡胶块4与混合溶液6的接触面为斜面，斜面的坡度为5～20°。低温乙醇1作为冷源，通过铜柱2和铜板3进行传热降温。实施例1(1)溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将二氧化硅空心微球和粘结剂分散于水中，配成混合溶液；2)将所述混合溶液置于模具中进行双向冰冻；所述模具的底部为硅橡胶块，硅橡胶块与混合溶液的接触面为斜面，冷源设置在硅橡胶块下部；3)将双向冰冻产物进行冷冻干燥以去除溶剂，得到具有多尺度结构的二氧化硅/粘结剂复合材料；4)将所述二氧化硅/粘结剂复合材料进行高温烧结。

【技术特征摘要】
1.一种具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将二氧化硅空心微球和粘结剂分散于水中，配成混合溶液；2)将所述混合溶液置于模具中进行双向冰冻；所述模具的底部为硅橡胶块，硅橡胶块与混合溶液的接触面为斜面，冷源设置在硅橡胶块下部；3)将双向冰冻产物进行冷冻干燥以去除溶剂，得到具有多尺度结构的二氧化硅/粘结剂复合材料；4)将所述二氧化硅/粘结剂复合材料进行高温烧结。2.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅空心微球的直径为5～20μm。3.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材料的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅空心微球在混合溶液中的体积分数为15～25％。4.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的二氧化硅隔热材...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏浩，赵妮芳，茅安然，邵子钰，杜高来，高微微，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33