本发明专利技术公开了一种纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料及其制备方法，该气凝胶/纤维复合超级绝热材料组分包括二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉；其制备方法为：有机溶剂、交联剂、有机单体按一定比例配制成预混液，通过球磨工艺将一定配比的二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、造孔剂、悬浮剂、钛白粉配制成浆料，然后经过真空除泡向浆料中滴加一定量的引发剂、催化剂，通过凝胶注膜工艺实现复合材料原位固化，再经过脱模、真空干燥、脱脂排胶。本发明专利技术材料具有纳米多孔/增强纤维复合微观结构，其热导率为0.040~.046W·m-1·K-1(298K),抗弯强度高达12~14MPa；制备工艺简单，易大规模工业化应用；适于航空航天、军事及苛刻环境下的热防护。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高温绝热材料，尤其涉及一种包含有纳米孔气凝胶及纤维质隔热材料的复合超级绝热材料。本专利技术还涉及该复合绝热材料的制备方法。
技术介绍
超级绝热材料是指在预定的使用条件下，其热导率低于“无对流空气”热导率(0.026ff/m-k, 25°C )的绝热材料。气凝胶是典型的纳米孔超级绝热材料，它包括有硅系、碳系、硫系、金属氧化物系及金属系等等；气凝胶拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超闻孔体积率。SiO2气凝胶被认为是目前绝热性能最佳的固态材料，它是通过溶胶一凝胶工艺和超临界干燥技术制得的具有空间网络结构的轻质纳米多孔材料(如图1所示)，其密度低达3kg/m3，孔洞率高达99% ;纳米级多孔网络结构能够有效限制固态热传导和气态热传导，使得SiO2气凝胶具有优异的绝热性能。因此它作为一种轻质高效绝热材料在航空航天、化工、冶金、节能环保等领域具有广泛的应用前景。但SiO2气凝胶强度低、脆性大、韧性差，纳米孔结构在外力作用下易破坏等因素，成为限制其工业化大规模应用的主要难点。 纤维质隔热材料具有重量轻、熔点和软化点高、隔热性能好、易加工成型等特点，并具有较高的抗拉抗压等力学性能，被广泛用于工业领域的隔热里衬以及航天器的热防护结构中；其中氧化锆纤维是一种韧性好、抗氧化、耐酸碱腐蚀、抗热震性好和隔热性好等优良性能的绝热增强材料(如图2所示)。但纤维质隔热材料不能形成纳米级或微米级孔隙结构，难以达到超级绝热效果。因此，不管是气凝胶，还是纤维质隔热材料，均存在使用上的局限性，从而限制了绝热材料应用范围的拓展；而气凝胶和纤维质隔热材料的简单混合，并不能实现均匀和极高的孔洞率，以及两者间较高的结合强度和整体强度。业界总是力求寻找一种具有优异绝热效果和较高机械强度的复合性能高绝热材料，以此提高绝热材料的应用范围和使用性倉泛。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供，它不仅具有高孔洞率、低热导率，而且具有较高的强度和断裂韧性。本专利技术另一要解决的技术问题是，还要提供一种上述纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其原料组分包括二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉，其重量比为(0.6-1.3):(2.1-5.0):(1.2-3.3):(0.06-0.52)。所述二氧化硅气凝胶颗粒的平均粒径为23.1 μ m、热导率在温度为298K时为0.02W.πΓ1.Γ1、平均孔径为20nm、孔隙率大于97%、密度约为0.14 g/cm3、比表面积为857 g/m2。所述氧化铝微粉的平均粒径为0.51 μ m,所述氧化铝微粉的a -Al2O3含量大于99.9%。所述氧化锆纤维体积密度低于0.15g/cm3，所述氧化锆纤维的四方相氧化锆成份大于99.5%，所述氧化锆纤维导热系数在温度为298K时低于0.13 W.πΓ1.K'所述遮光剂钛白粉晶型为金红石型，所述遮光剂钛白粉平均粒径约为0.30μπι，所述遮光剂钛白粉中Ti O2的含量高于98%。一种以上述原料制备纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料的方法，其制备方法包括以下步骤: (1)预混液配制将有机溶剂、交联剂和有机单体混合搅拌至澄清透明液体，而制成预混液； (2)悬浮浆料配制向预混液中加入二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、遮光剂钛白粉、造孔剂及悬浮剂，经球磨混料制备出悬浮浆料；· (3)真空除泡对上述悬浮浆料进行真空除泡，除泡后再向该悬浮浆料中先后逐滴加引发剂和催化剂，同时进行搅拌，以制成除泡浆料； (4)凝胶注膜将除泡浆料浇注到模具中，经原位固化而得到凝胶复合体； (5 )静置脱模将凝胶复合体在室温下静置Γ8小时后，从模具中脱出而得到成型坯料； (6 )真空干燥对成型坯料进行真空干燥； (7)排胶处理对真空干燥处理的成型坯料进行加温、保温处理，以脱除有机溶剂、有机单体、交联剂、造孔剂、悬浮剂、引发剂、催化剂，而制得纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料成品。所述有机溶剂为叔丁醇，有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺。所述叔丁醇、丙烯酰胺及N，N’-亚甲基双丙烯酰胺三者的重量比为(17(Γ200):(29 100): (TlO)0所述二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、遮光剂钛白粉的重量比为(0.6-1.3):(2.1-5.0):(1.2-3.3):(0.06-0.52)。所述造孔剂为聚乙二醇-2000，该聚乙二醇-2000的添加量为二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉总重量的1.5^7.5% ;所述悬浮剂为三聚磷酸钠，该三聚磷酸钠的添加量为氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉总重量的0.05^3.5%。所述悬浮浆料的固相含量的体积分数为15 75%。所述引发剂为过硫酸铵，该过硫酸铵的添加量为有机单体丙烯酰胺重量的0.5^5% ;所述催化剂为N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，该催化剂N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺的添加量为有机单体丙烯酰胺重量的15 45%。所述真空除泡的温度控制在零下1(Γ55摄氏度。所述除泡浆料浇注入模具时模具的温度控制在15 85摄氏度。所述成型坯料被置于5(Γ120摄氏度的真空条件下干燥12 36小时。所述排胶处理的加温、保温处理过程依次为，将真空干燥的成型坯料在室温条件下静置I小时后，升温至105摄氏度，保温2 3小时；然后以I小时的升温时间将温度升至180摄氏度，保温f 3小时；再以2小时的升温时间将温度升至300摄氏度，保温f 3小时；再以70分钟的升温时间将温度升至370摄氏度，保温f 4小时；再以30分钟的升温时间将温度升至400摄氏度，保温I小时；再以200分钟的升温时间将温度升至500摄氏度，保温2^4小时；再以200分钟的升温时间将温度升至600摄氏度，保温2 4小时；然后在室温下冷却。本专利技术与现有技术相比具有如下显著优点: 1、由于采用本专利技术组分和含量的制备原料，在复合后保证了成品具有低热导率、高强度、高断裂韧性、优异的抗热震性能及长寿命的优点。从组织结构方面看:二氧化硅气凝胶所独有的低密度、高孔洞率、微观形貌富赋整个复合材料优异的隔热特性；氧化锆纤维在复合材料中引起的裂纹偏转、纤维拔出、纤维脱粘、微裂纹增韧、相变增韧及纤维桥接效应使得整个材料的抗压强度与断裂韧性得以显著提高；氧化铝微粉在整个复合材料中是作为骨料及合成莫来石(莫来石:3A1203 *2Si02)所必需的原料添加的，它不仅能够提高整个复合材料的使用温度及使用寿命，而且能够提高材料的抗热冲击性能；钛白粉作为遮光剂具有遮光性能稳定、持久，化学稳定性好的特性，不与复合材料中的其他原料参加反应，钛白粉能够吸收热辐射中大量的红外波段的射线，进一步提高复合材料的隔热性能。2、本专利技术制备方法运用了凝胶注模成型工艺，通过悬浮浆料中的有机单体在温度或引发剂诱导的作用下形成凝胶网络，把二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、遮光剂钛白粉、造孔剂聚合在一起而实现原位固化成型。有机单体与造孔剂在催化剂和引发剂的作用下缩聚形成密集的高分子网状结构，将氧化铝微粉、氧化锆纤维、钛白粉等原料“束缚”在原来的位置上，实本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其特征在于：该超级绝热材料的原料组分包括二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉，其重量比为（0.6?1.3）：（2.1?5.0）：（1.2?3.3）：（0.06?0.52）。
【技术特征摘要】
1.一种纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其特征在于:该超级绝热材料的原料组分包括二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉，其重量比为(0.6-1.3):(2.1-5.0):(1.2-3.3):(0.06-0.52)。2.根据权利要求1所述的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其特征在于:所述二氧化硅气凝胶颗粒的平均粒径为23.1 μ m、热导率在温度为298K时为0.02 W πΓ1平均孔径为20nm、孔隙率大于97%、密度约为0.14 g/cm3、比表面积为857 g/m2。3.根据权利要求1所述的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其特征在于:所述氧化铝微粉的平均粒径为0.51 μ m，所述氧化铝微粉的a -Al2O3含量大于99.9%。4.根据权利要求1所述的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其特征在于:所述氧化锆纤维体积密度低于0.15g/cm3，所述氧化锆纤维的四方相氧化锆成份大于99.5%，所述氧化锆纤维导热系数在温度为298K时低于0.13 W.πΓ1.K'5.根据权利要求1所述的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料，其特征在于:所述遮光剂钛白粉晶型为金红石型，所述遮光剂钛白粉平均粒径为0.30μπι，所述遮光剂钛白粉中Ti O2的含量高于98%。6.一种以权利要求1所述原料制备纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料的方法，其特征在于:该制备方法包括以下步骤: (1)预混液配制将有机溶剂、交联剂和有机单体混合搅拌至澄清透明液体，而制成预混液； (2)悬浮浆料配制向预混液中加入二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、遮光剂钛白粉、造孔剂及悬浮剂，经球磨混料制备出悬浮浆料； (3)真空除泡对上述悬 浮浆料进行真空除泡，除泡后再向该悬浮浆料中先后逐滴加引发剂和催化剂，同时进行搅拌，以制成除泡浆料； (4)凝胶注膜将除泡浆料浇注到模具中，经原位固化而得到凝胶复合体； (5)静置脱模将凝胶复合体在室温下静置Γ8小时后，从模具中脱出而得到成型坯料； (6 )真空干燥对成型坯料进行真空干燥； (7)排胶处理对真空干燥处理的成型坯料进行加温、保温处理，以脱除有机溶剂、有机单体、交联剂、造孔剂、悬浮剂、引发剂、催化剂，而制得纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料成品。7.根据权利要求6所述的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料的制备方法，其特征在于:所述有机溶剂为叔丁醇，有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺。8.根据权利要求7所述的纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料的制备方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐广平，宋扬，何江荣，何洁，刘鹏程，宋一华，徐溶，
申请(专利权)人：东台市节能耐火材料厂，
类型：发明
国别省市：
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