二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結合劑復合隔熱材料的研制的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型隔熱材料，具體是一種玻璃粘結劑粘附二氧化硅氣凝膠粉體 的復合隔熱材料。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用，將低熔點玻璃結合劑與二氧化硅氣凝膠粉體混 合制備的隔熱材料強度高，氣密性好，隔熱性能優異，在中低溫隔熱領域有著巨大的潛力。
【背景技術】
[0002] 二氧化硅氣凝膠是一種輕質納米非晶固態材料，具有獨特的三維網狀結構以及納 米級的固體相和孔隙結構。氣凝膠的熱穩定性好，甚至在900°c高溫下仍具有較好的多孔網 絡結構。常用二氧化硅氣凝膠主要有兩種形式，一種是塊體材料。但是塊體氣凝膠質脆易 碎，制備時容易產生裂紋，實際應用過程中，會出現填充不充分的問題。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合生成其他復合材料， 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，一種是機械法，即通過機械方法將大塊的氣凝膠粉碎成形狀不規則的小 顆粒，然后通過篩網篩選，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 行凝膠，由這種方法得到的二氧化硅氣凝膠顆粒外觀形態為微米級的小球，形狀規則，宏觀 粒徑可控，品質均勻穩定。
[0003] 二氧化硅氣凝膠粉體具有良好的隔熱性能，在實際應用中常用聚合物作為載體。 目前市場上常用的聚合物結合劑為有機物乳液(包括純丙乳液，苯丙乳液，丙烯酸乳液等） 以及一些有機樹脂(環氧樹脂，丙烯酸樹脂，酚醛樹脂，聚氨酯等)。這些粘結劑具有很強的 粘結性，與二氧化硅氣凝膠粉體復合制備的隔熱涂料，熱導率較市場同類產品更低，隔熱性 更好。但是這些有機粘結劑的熔點較低，耐熱性差，溫度升高時易分解，這就導致復合材料 只能在低溫時使用。如果要提高材料的隔熱范圍，必須采用一種的無機材料作為氣凝膠微 球的粘結劑，低熔點玻璃粘結劑是一個不錯的選擇。低熔點玻璃結合劑具有良好的耐熱性 和化學穩定性，機械強度高。使用時選擇具有合適溫度和熱膨脹系數的玻璃，可實現不同材 料之間的相互封接。低熔點玻璃結合劑的成分復雜，主要有以下幾個體系。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穩定性。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節析出晶相的種類和數量來調節膨脹系數和 膨脹特性。目前鉛鋅硼三元體系中應用最廣的是PbO,B203,ZnO和低膨脹系數的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 點玻璃也在加緊研制。低熔點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。本發明將這種低熔點玻璃作為一種中溫粘結劑制備 二氧化硅氣凝膠粉體復合隔熱材料。低熔點玻璃結合劑屬于無機材料，長期使用不易開裂， 使用壽命長。
【發明內容】
[0004] 本發明提供了一種二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結合劑復合隔熱材料，這種復合材 料隔熱性能好，導熱系數低。采用的技術方案主要是采用高分子聚合物將玻璃結合劑與二 氧化硅氣凝膠粉體粘結后在室溫下干燥固化，然后再通過高溫燒結。為了加快玻璃結合劑 的熔化速度，應盡量減小粘結劑的粒徑。
[0005] 本發明中二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結合劑復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個小時以上，涂覆方式為旋涂或噴涂或浸漬，試板為金屬或半導體試 板。然后將試樣放入馬弗爐中加熱，預設溫度為330?480°C。設定溫度在330°C?480°C， 這是因為聚合物的分解溫度在310°C?550°C左右，而玻璃結合劑的熔化溫度在500°C以 上。當溫度達到310°C到480°C時，聚合物開始分解，而玻璃結合劑還沒有開始熔化。在這一 溫度下保持3?5個小時，聚合物就可以完全分解。然后調節設定溫度到500°C?1000°C， 馬弗爐繼續升溫。當溫度再次達到設定的溫度后，保溫3?5個小時，玻璃結合劑完全熔化 后，停止升溫，冷卻2到4個小時取出樣品。此時聚合物已經分解，而玻璃結合劑也完全熔 化，二氧化硅氣凝膠粉體保持了完整的三維網狀結構，被玻璃結合劑粘結在一起。樣品制備 過程中各組分加入量如表1。
【主權項】
1. 采用低熔點玻璃結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合劑，聚合物混合，同時添加少量助劑， 混合均勻，制成漿料，然后將漿料制成固定尺寸的樣品，通過加熱燒結的方式得到最終的產 品。
3. 由于氣凝膠輕質易碎，在制備漿料時，可加入玻璃纖維，或陶瓷纖維，以增強復合材 料的強度，同時也可向漿料中添加二氧化鈦TiO 2等遮光性物質，提高對紅外光的反射。
4. 根據權利要求1所述的低熔點玻璃結合劑，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，組成低熔點玻璃結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. 根據權利要求1所述的玻璃結合劑，其特征在于熔點在500°C?800°C 根據權利要求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狀結 構，制備時可通過機械方法制備形狀不規則的粉體顆粒，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. 根據權利要求1所述的新型隔熱材料，其特征在于漿料制備時，聚合物質量為總質 量的2%?15%，玻璃結合劑質量分數為10%?40%，二氧化硅氣凝膠粉體的質量分數5%? 50%，助劑消泡劑，潤濕劑，分散劑，增稠劑，固化劑的質量分數0%?0. 3%，其它添加物如玻 璃纖維，鈦白粉等，質量分數控制在1%以下。
7. 根據權利要求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個小時，第二段550°C? 800°C，保溫3?5個小時，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/玻璃結合劑混合制備的新型隔熱材料。本發明以二氧化硅氣凝膠粉體和低熔點玻璃結合劑為主要成分，將玻璃結合劑與二氧化硅氣凝膠粉體、高分子聚合物混合，同時向其中添加消泡劑，潤濕劑等助劑，制備混合漿料，然后將漿料涂抹成試樣，再將試樣進行熱處理，加熱燒結后得到二氧化硅氣凝膠粉體/玻璃結合劑復合材料。二氧化硅氣凝膠粉體隔熱性能優異，將它與玻璃粘結劑混合制備的復合材料，在500℃～800℃下具有良好的隔熱性，擴大了二氧化硅氣凝膠應用的溫度范圍。
【IPC分類】C04B32-00
【公開號】CN104556967
【申請號】CN201310497962
【發明人】何方, 吳菊英, 黃渝鴻, 鄭偉, 王宏雁, 馬秋花, 朱賀
【申請人】河南工業大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月22日