專利名稱：：一種高溫管道用高效隔熱材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于保溫材料領(lǐng)域，特別涉及一種高溫管道用高效隔熱材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：目前用于50(TC以上的高溫管道絕熱材料主要包括①硅酸鋁纖維及其制品；②巖棉、礦渣棉及其制品；③玻璃棉制品(無(wú)堿超細(xì)玻璃棉)；膨脹蛭石及其復(fù)合材料；⑤石棉制品(泡沫石棉)。長(zhǎng)期以來(lái)，上述絕熱材料在使用過(guò)程中，暴露出大量問(wèn)題和使用缺陷，主要包括1)絕熱性能差常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.06-0.2W/nvK，且隨使用溫度快速上升，如在40(TC時(shí)高質(zhì)量玻璃棉毯的導(dǎo)熱系數(shù)為0.13W/nvK。導(dǎo)熱系數(shù)大，直接導(dǎo)致包敷厚度加大，以使用溫度50(TC、直徑為76mm的蒸汽管道為例，做完保溫層后其外部直徑達(dá)300mm以上，占有大量有效容積，即便如此其周圍的環(huán)境溫度仍很高，達(dá)到5(TC以上。2)吸濕吸潮、腐蝕管路和設(shè)備纖維類絕熱材料在海洋及高溫高濕環(huán)境中，容易吸濕潮解(吸水率97%以上)，且不易散發(fā)，導(dǎo)致管路、熱力設(shè)備、閥門等的過(guò)早腐蝕，影響其使用壽命和性能的發(fā)揮，造成維修經(jīng)費(fèi)的大幅增長(zhǎng)。3)對(duì)人體有害更為嚴(yán)重的是，在維修和安裝過(guò)程中纖維類絕熱材料還會(huì)造成放射性污染、刺激皮膚和引起呼吸系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重危害人體健康，國(guó)外被定為2B類致癌物質(zhì)。4)占有過(guò)多的有效空間和重量，導(dǎo)致周圍環(huán)境擁擠不堪，人員可達(dá)性差，設(shè)備維修不便。實(shí)際上，絕熱材料的選型長(zhǎng)期以來(lái)一直是困擾設(shè)計(jì)、維修和使用部門的重大技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)絕熱材料已到了不得不改的地步。在能源短缺的今3天，迫切需要一種絕熱性能優(yōu)良，對(duì)人體及設(shè)備無(wú)毒害，性質(zhì)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)的超級(jí)高效隔熱材料。以溶膠-凝膠法制備的氣凝膠基超級(jí)絕熱材料，有望用于高溫管道的高效隔熱。這種材料是以增強(qiáng)纖維預(yù)制成所需尺寸的管殼狀，然后與氣凝膠復(fù)合，經(jīng)超臨界干燥而成。超臨界干燥以乙醇、異丙醇或C02為超臨界介質(zhì)。其中乙醇、異丙醇的超臨界溫度/壓力分別為243.4°C/6.38MPa、235.3°C/4.76MPa，C02的超臨界溫度/壓力為31.06°C/7.39MPa。由于超臨界干燥設(shè)備為(高溫)高壓設(shè)備，這種設(shè)備的長(zhǎng)期使用存在很大的安全隱患，導(dǎo)致這種材料生產(chǎn)成本過(guò)高，不能有效地加以工業(yè)化利用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的就是針對(duì)高溫管道使用環(huán)境及技術(shù)要求，克服溶膠-凝膠法制備氣凝膠基材料需要超臨界干燥的缺點(diǎn)，提供一種制備過(guò)程安全、工藝簡(jiǎn)便，無(wú)毒無(wú)害，材料性能穩(wěn)定的高溫管道用高效隔熱材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的它由下述原料按重量百分比混合而成納米Si02粉末40-80%、紅外遮光劑5-40%、增強(qiáng)纖維0-25%。本發(fā)明較好的技術(shù)方案是它由下述原料按重量百分比混合而成納米Si02粉末70^、紅外遮光劑25%、增強(qiáng)纖維5%。其中所述的納米Si02粉末包括氣相法Si02粉末、氣相法白炭黑粉末、Si02氣凝膠粉末，其單體SiO2粒徑小于50nm，純度99.5%以上，比表面積卯-500m々g，優(yōu)選為150-300m2/g。所述的紅外遮光劑為SiC、鋯英石、金紅石、銳鈦礦石、赤鐵礦石或鈦鐵礦石。所述的紅外遮光劑粒徑范圍為0.5-l(Him，優(yōu)選l-5pm。所述的增強(qiáng)纖維為水鎂石纖維、硅酸鋁纖維、陶瓷纖維、莫來(lái)石纖維、石英玻璃纖維或硬硅鈣石纖維。所述的增強(qiáng)纖維的直徑為0.5-20pm，優(yōu)選l-10pm;纖維長(zhǎng)度為0.5mm-20mm，優(yōu)選l-5mm。本發(fā)明的制備方法依序包括下列步驟(1)將納米Si02粉末40國(guó)80%、紅外遮光劑5-40%、增強(qiáng)纖維0畫25%在高速攪拌機(jī)中混合攪拌10-60分鐘，形成纖維-粉末混合物。(2)將纖維-粉末混合物裝入不同規(guī)格要求的管殼狀模具內(nèi)，在帶有負(fù)壓裝置的成型設(shè)備中經(jīng)過(guò)0.5-6MPa下干法壓制成型。(3)在管殼狀成型體外側(cè)包覆玻璃纖維布，對(duì)材料表面及邊角進(jìn)行保護(hù)。熱傳導(dǎo)有三種方式導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射。本發(fā)明從這三個(gè)方面同時(shí)對(duì)熱量的傳導(dǎo)進(jìn)行抑制。采用納米Si02粉末，大大降低粉末顆粒的接觸面積，同時(shí)，在材料基體中增強(qiáng)纖維、紅外遮光劑等組成并不直接接觸，而是通過(guò)納米粉末分隔開(kāi)，因而固體導(dǎo)熱比例大大降低。在混合粉末制備及材料成型過(guò)程中納米粉末顆粒形成低密度且具有一定強(qiáng)度的中空?qǐng)F(tuán)聚體，團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙直徑小于100nm，這樣材料中的氣體在這么小的空間內(nèi)被"鎖住"，不發(fā)生流動(dòng)，極大消除氣體對(duì)流的影響；抑制輻射，則采用紅外遮光劑粉末，把入射的熱射線散射開(kāi)，使其不能穿過(guò)材料。本方法中短切纖維無(wú)需預(yù)分散處理，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)，使增強(qiáng)纖維與納米粉末同時(shí)受剪切作用與壓縮作用，纖維團(tuán)聚體在剪切力作用下分散開(kāi)，同時(shí)由于壓力作用使單體纖維表面吸附的納米顆粒，與纖維表面緊緊結(jié)合在一起。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)不同之處1)納米Si02粉末與紅外遮光劑、增強(qiáng)纖維，經(jīng)纖維分散與均勻混合后可直接壓制成型。成型體無(wú)需千燥，原料中也不添加粘結(jié)劑，其工藝路線與溶膠-凝膠法制備氣凝膠基超級(jí)絕熱材料完全不同。2)本發(fā)明中的高效隔熱材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮對(duì)固體導(dǎo)熱、氣體對(duì)流及高溫下的輻射傳熱同時(shí)進(jìn)行抑制。紅外遮光劑和單根纖維表面包裹納米粉末顆粒，固體間的接觸以納米顆粒點(diǎn)接觸為主，使得固體熱傳導(dǎo)比例大大降低。同時(shí)納米SiO2粉末團(tuán)聚體孔隙平均直徑在100nm以下，對(duì)氣體的對(duì)流有很好的抑制作用。3)紅外遮光劑的引入，提高了材料在3.75pm(對(duì)應(yīng)于50(TC輻射熱波長(zhǎng))的紅外消光系數(shù)，因而對(duì)50(TC高溫輻射熱具有強(qiáng)烈阻隔作用，導(dǎo)熱系5數(shù)隨之大幅降低至靜止空氣值以下。本發(fā)明的高溫管道用高效隔熱材料物理性能，如表1所示。表l物理性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>圖1不同紅外遮光劑對(duì)納米Si02粉末成型體紅外消光系數(shù)的影響；圖2紅外遮光劑SiC加入量對(duì)隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響；具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述本發(fā)明采用納米Si02粉末為主要原料，添加紅外遮光劑、增強(qiáng)纖維經(jīng)分散混合工藝后，干法壓制成型。最高使用溫度為80(TC，而且性質(zhì)穩(wěn)定。在使用溫度下其導(dǎo)熱系數(shù)低于靜止空氣導(dǎo)熱系數(shù)，材料密度適中。在同樣50(TC使用溫度下，其導(dǎo)熱系數(shù)只是目前廣泛使用的硅酸鋁纖維材料的1/3-1/4。以(D168mm管道為例，采用硅酸鋁纖維材料設(shè)計(jì)，外表面溫度55°C時(shí)，需要隔熱層厚度99mm;而采用本發(fā)明的高效隔熱材料，其厚度只有44mm，隔熱層厚度減少55.6%。隔熱施工后管道斷面直徑從365mm減小至257mm，管道每米長(zhǎng)度減少使用空間約0.05m3，重量降低約2.1kg。本發(fā)明的高效隔熱材料具有納米氣孔結(jié)構(gòu)特征，能有效防止cr的滲透，對(duì)管道等本體具有保護(hù)作用。比較實(shí)施例采用比表面積200m2/g納米Si02粉末95wt%，與直徑l-10pm、長(zhǎng)度l-5mm的無(wú)堿超細(xì)玻璃纖維5wt%，在轉(zhuǎn)速2400rpm的高速攪拌機(jī)中混合5分鐘。置于210xll0x75mm的鋼制模具中，2MPa壓力下千壓成型成厚度約30mm的樣品(表2中樣A)。成型體指壓有彈性，測(cè)定其體積密度279kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.033W/(nvK)，平均500。C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.119W/(nrK)。而體積密度220kg/m3的硅酸鋁纖維材料常溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.040W/(m'K)，500°C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.120W/(nvK)。二者50(TC導(dǎo)熱系數(shù)均遠(yuǎn)大于靜止空氣500°C導(dǎo)熱系數(shù)0.058W/(m'K)。實(shí)施例1采用比表面積200m2/g納米Si02粉末60wt%，與粒徑范圍0.39-13.98pm、中位粒徑2.216pm的鋯英石粉末35wt。/。、直徑l-10jxm、長(zhǎng)度l-5mm的無(wú)堿超細(xì)玻璃纖維5wt%，在轉(zhuǎn)速2400rpm的高速攪拌機(jī)中混合5分鐘。置于210x110x75mm的鋼制模具中，2MPa壓力下干壓成型成厚度約30mm的樣品(表2中樣K)。成型體指壓有彈性，測(cè)定其體積密度424kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.036W/(m'K)，平均500。C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.053W/(nvK)。納米Si02基體中加入鋯英石后，高溫導(dǎo)熱系數(shù)降低至比較例中的無(wú)遮光劑試樣A的一半。其50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)小于靜止空氣50(TC導(dǎo)熱系數(shù)值。實(shí)施例2將鋯英石粉末替換為粒徑范圍1.29-5.97pm、中位粒徑3.029pm的SiC粉末，其它不變。成型體(表2中樣D)指壓有彈性，測(cè)定其體積密度412kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.039W/(m-K)，平均50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.048W/(m'K)。其500"C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)小于靜止空氣500'C導(dǎo)熱系數(shù)值。表2納米Si02/遮光劑銜維復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例3在比較實(shí)施例中，分別加入粒徑范圍1.29-5.97|im、中位粒徑3.029pim的SiC粉末10wt°/。、25wt%、35wt%，保持相同纖維5wtW，調(diào)整比表面積200m々g納米SiO2粉末加入量至總量為100%。在轉(zhuǎn)速2400rpm的高速攪拌機(jī)中混合5分鐘。置于210xll0x75mm的鋼制模具中，2MPa壓力下干壓成型成厚度約30mm的樣品。成型體指壓有彈性，測(cè)定其性質(zhì)分別為樣B—10wt。/。SiC加入量，體積密度308kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.036W/(m'K)，平均50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.048W/(m'K);樣C—25wt%SiC加入量，體積密度346kg/m3,常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.034W/(m'K)，平均500。C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.044W/(m'K);樣D—35wt%SiC加入量，體積密度412kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.039W/(m'K)，平均500。C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.048W/(m'K)。樣B、樣C和樣D其50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)均小于靜止空氣500'C導(dǎo)熱系數(shù)值。其中樣C加工成60X60X8mm樣塊，進(jìn)行平壓強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試樣無(wú)屈服。取樣塊壓縮應(yīng)變25%時(shí)的壓縮應(yīng)力作為壓縮強(qiáng)度，測(cè)得六塊樣品壓縮強(qiáng)度值在2.41-2.84MPa之間，平均值為2.63MPa，離散系數(shù)6.20/0。實(shí)施例4采用比表面積200m2/g納米Si02粉末70wt%，與粒徑范圍1.29-5.97pm、中位粒徑3.029pm的SiC粉末25wt%、直徑l-10pm、長(zhǎng)度l-5mm的無(wú)堿超細(xì)玻璃纖維5wt%，在轉(zhuǎn)速2400rpm的高速攪拌機(jī)中混合5分鐘。置于210x110x75mm的鋼制模具中，分別在l.OMPa、1.5MPa、2.0MPa禾卩2.8MPa壓力下干壓成型成厚度約30mm的樣品。成型體指壓有彈性，測(cè)定其性質(zhì)分別為樣H—成型壓力l.OMPa，體積密度306kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.033W/(m'K)，平均500。C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.041W/(m'K);樣I一成型壓力1.5MPa，體積密度336kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.034W/(m'K)，平均500。C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.044W/(m'K);樣C一成型壓力2.0MPa，體積密度346kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.034W/(m'K)，平均50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.044W/(m'K);樣J一成型壓力2.8MPa，體積密度396kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.0393W/(m'K)，平均50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.050W/(nvK)。樣H、樣I、樣C和樣J其50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)均小于靜止空氣50(TC導(dǎo)熱系數(shù)值。實(shí)施例5采用比表面積200m2/g納米Si02粉末70wt%，分別與不同粒徑的SiC粉末25wt。/。、直徑l-10iim、長(zhǎng)度l-5mm的無(wú)堿超細(xì)玻璃纖維5wt。/0，在轉(zhuǎn)9速2400rpm的高速攪拌機(jī)中混合5分鐘。置于210><110x75mm的鋼制模具中，在2.0MPa壓力下干壓成型成厚度約30mm的樣品。成型體指壓有彈性，測(cè)定其性質(zhì)分別為樣E—SiC粒徑范圍0.65-4.24pm、中位粒徑1.969pm，體積密度358kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.036W/(m'K)，平均500°C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.046W/(nvK);樣C一SiC粒徑范圍1.29-5.97pm、中位粒徑3.029|im，體積密度346kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.034W/(rrrK)，平均500°C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.044W/(m.K);樣G—SiC粒徑范圍0.65-8.39pm、中位粒徑3.112pm,體積密度360kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.037W/(nvK),平均500°C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0.046W/Cm'K》樣F—SiC粒徑范圍1.81-8.39(am、中位粒徑4.314nm，體積密度356kg/m3，常溫導(dǎo)熱系數(shù)0.038W/(nvK)，平均500°C時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)0馬W/(m-K)。樣E、樣C、樣G和樣F其50(TC時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)均小于靜止空氣50(TC導(dǎo)熱系數(shù)值。權(quán)利要求1.一種高溫管道用高效隔熱材料，它由下述原料按重量百分比混合而成納米SiO2粉末40-80％、紅外遮光劑5-40％、增強(qiáng)纖維0-25％。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高溫管道用高效隔熱材料，它由下述原料按重量百分比混合而成納米Si02粉末70。/。、紅外遮光劑25%、增強(qiáng)纖維5%。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高溫管道用高效隔熱材料，其中所述的納米Si02粉末包括氣相法Si02粉末、氣相法白炭黑粉末、Si02氣凝膠粉末，其單體SiO2粒徑小于50nm，純度99.5%以上，比表面積90-500m2/g。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高溫管道用高效隔熱材料，其中所述的紅外遮光劑為SiC、鋯英石、金紅石、銳鈦礦石、赤鐵礦石或鈦鐵礦石。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高溫管道用高效隔熱材料，其中所述的紅外遮光劑粒徑范圍為0.5-10pm。6、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高溫管道用高效隔熱材料，其中所述的增強(qiáng)纖維為水鎂石纖維、硅酸鋁纖維、陶瓷纖維、莫來(lái)石纖維、石英玻璃纖維或硬硅鈣石纖維。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高溫管道用高效隔熱材料，其中所述的增強(qiáng)纖維的直徑為0.5-20(im，纖維長(zhǎng)度為0.5mm-20mm。8、一種高溫管道用高效隔熱材料的制備方法，依序包括下列步驟(1)將納米Si02粉末40-80°/。、紅外遮光劑5-40%、增強(qiáng)纖維0-25%在高速攪拌機(jī)中混合攪拌10-60分鐘，形成纖維-粉末混合物。(2)將纖維-粉末混合物裝入不同規(guī)格要求的管殼狀模具內(nèi)，在帶有負(fù)壓裝置的成型設(shè)備中經(jīng)過(guò)0.5-6MPa下干法壓制成型。(3)在管殼狀成型體外側(cè)包覆玻璃纖維布，對(duì)材料表面及邊角進(jìn)行保護(hù)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種可用于高溫管道隔熱要求的高效隔熱材料。它由下述原料按重量百分比混合而成納米SiO₂粉末40-80％、紅外遮光劑5-40％、增強(qiáng)纖維0-25％。本發(fā)明材料采用干法成型，克服溶膠-凝膠法制備氣凝膠基材料需要超臨界干燥的缺點(diǎn)。本發(fā)明中的高效隔熱材料通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)導(dǎo)熱、對(duì)流及高溫下的輻射傳熱進(jìn)行充分抑制，使材料在使用溫度下導(dǎo)熱系數(shù)低于靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。文檔編號(hào)C04B30/02GK101671157SQ200910272199公開(kāi)日2010年3月17日申請(qǐng)日期2009年9月22日優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日發(fā)明者毅楊,楊自春,俊陳,陳德平,陳林根申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)