專利名稱：一種高溫納米微傳熱板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫納米微傳熱板及其制備方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)爐和各種高溫反應(yīng)器是大量消耗能源的設(shè)備，窯爐的能耗約占總生產(chǎn)能耗的40%-75%，大部分的能源被浪費損失。目前，用于熱工設(shè)備隔熱的材料主要有高溫硅酸鋁陶瓷纖維制品、硅酸鈣絕熱制品、玻璃纖維及礦棉制品等。硅酸鈣絕熱制品、玻璃纖維及巖棉制品主要用于中低溫條件下的隔熱材料；高溫硅酸鋁陶瓷纖維制品的耐火等級較高，但由于輻射熱的影響，熱導(dǎo)率隨容重的增加而上升。因此，新一代質(zhì)輕高效的耐火隔熱材料成為發(fā)展的主要趨勢。熱量的傳遞方式包括傳導(dǎo)、對流、輻射三種，不同條件下，每種傳熱方式所占的比 例不同。相對于其他物質(zhì)，常溫靜止的狀態(tài)下，空氣具有較低的熱導(dǎo)率和熱容量，在工業(yè)上被廣泛用作絕熱體。普通耐火隔熱材料就是利用這一特點，生產(chǎn)制造出具有較低容重、較大孔隙率的產(chǎn)品，用于隔絕熱量，典型產(chǎn)品如高溫硅酸鋁陶瓷纖維制品。研究發(fā)現(xiàn)，若將隔熱材料的空隙控制在IOOnm以下，氣孔尺寸控制在50nm以下，此時材料不僅具有較低的體積密度，而且其導(dǎo)熱系數(shù)可相當(dāng)或者低于靜止?fàn)顟B(tài)下的空氣，科學(xué)上將這一技術(shù)稱之為納米效應(yīng)，所述材料為納米微傳熱材料。目前納米微傳熱研究的領(lǐng)域主要集中在采用SiO2氣凝膠作為絕熱材料。SiO2氣凝膠具有三維多孔非晶固態(tài)結(jié)構(gòu)，孔洞率大于80%，孔洞尺寸小于lOOnm，比表面積大、折射率低、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸附性強(qiáng)等特點，在隔熱方面具有良好的性能，但SiO2氣凝膠單獨使用也存在強(qiáng)度低、韌性差等缺點，限制了其使用的范圍和條件。為有效改善這一缺陷，目前市場上多采用在SiO2氣凝膠混配低熔點玻璃態(tài)無機(jī)纖維或有機(jī)纖維作為增強(qiáng)組分的方式，以提高該類產(chǎn)品在工程上應(yīng)用中具有的力學(xué)性能。低熔點纖維的添加雖可一定程度上提高SiO2氣凝膠的力學(xué)強(qiáng)度，但卻降低了 SiO2氣凝膠的使用溫度和耐溫等級，在實際使用中還存在運輸易破損、切割易斷裂粉化等不良現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率及使用條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述缺陷，提供一種高溫納米微傳熱板。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高溫納米微傳熱板，該傳熱板為SiO2氣凝膠外表面包裹玻璃纖維布或鋁箔，其中，SiO2氣凝膠由以下重量份的組分組成水玻璃2-5 份，硅灰55-60 份，TiO235-38 份，Al2O31-3 份，Cr2O30.02-0.2 份氧化鋁纖維2-5 份。本發(fā)明為實現(xiàn)高溫納米微傳熱板具有的優(yōu)良隔熱性能及力學(xué)性能，采用如下原料進(jìn)行制備硅灰=SiO2含量彡95%，粒徑O. 05-0. 2 μ m ;水玻璃=Na2O含量7. 80%-8. 50%, SiO2含量 28. 57%-30. 25%,固含量彡 36% ；Ti02 :粒徑 80_100nm ；Zr02 :粒徑 80_100nm ；A1203純度彡90%粒徑80-100nm ；Cr2O3:純度彡90%粒徑80_100nm ;氧化鋁纖維直徑20-50 μ m、長度10-30mm ;包裹材料招箔厚度O.1mm ;玻璃纖維布厚度O. 2mm。
本發(fā)明中硅灰用于制備納米級空心微球，作為基體材質(zhì)，可提供足夠的孔隙率，TiO2, ZrO2作為擋光劑和防輻射用散射劑，可有效阻止通過輻射方式傳遞的熱量，降低光子導(dǎo)熱；Α1Α作為添加劑可有效提高傳熱板的耐溫等級；Cr203炭黑對光有較高的吸收率，用作吸收劑；氧化鋁纖維作為支撐材料，增加整體的強(qiáng)度和韌性；鋁箔和玻璃纖維布采用全包裹的形式，粘結(jié)或包裹在高溫納米微傳熱板的表面，提高制品的韌性和強(qiáng)度，便于運輸和機(jī)械加工。本發(fā)明的另一目的是提供一種高溫納米微傳熱板的制備方法，該方法包括以下步驟(I)SiO2氣凝膠的制備首先將一定量的水玻璃用一定量的水稀釋，再向稀釋后的水玻璃溶液中先后加入硅灰、TiO2, A1203、Cr2O3并攪拌均勻，接著加入氧化鋁纖維作為支撐骨架，并攪拌3-5min，向上述混合料中加入催化劑，按重量計，O. 01-0. 05份，控制凝膠時間為30-90min，并采用鹽酸調(diào)節(jié)混合料的pH值為8_11，充分?jǐn)嚢韬蠡旌狭献優(yōu)镾iO2氣凝膠；(2)高溫納米微傳熱板的制備將由步驟(I)得到的SiO2氣凝膠進(jìn)行密封處理，在25-60°C的溫度下靜置3-5小時，靜置完畢后，將凝膠攪拌均勻注入模具，采用1. 5MPa的壓力對模具內(nèi)的凝膠反復(fù)壓制4-5次，每次時間為2-5min。壓制前可采用微振動機(jī)進(jìn)行2-5分鐘的微振動處理。壓制完畢后進(jìn)行脫模操作，脫模后的坯體置于鋁質(zhì)網(wǎng)孔托盤上，在80-200°C下烘干3-5小時，烘干后以玻璃纖維布或鋁箔為面料經(jīng)粘結(jié)、全包裹處理即成高溫納米微傳熱板。在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，該方法的步驟(I)中的催化劑為硫酸、鹽酸、乙二醇中的一種或兩種以上的混合物。本發(fā)明的高溫納米微傳熱板滿足長期暴露于高溫條件下的使用狀態(tài)，最高使用溫度為1000°C，其密度為240 350kg/m3，抗折強(qiáng)度O. 85-2. 5MPa，導(dǎo)熱系數(shù)如下在300°C時，O. 020-0. 026ff/m. K ;在 50(TC時，O. 030-0. 035ff/m. K ;在 80(TC時，O. 037-0. 040ff/m. K。本發(fā)明的高溫納米微傳熱板在具有上述優(yōu)良理化指標(biāo)的同時，突出的優(yōu)點還體現(xiàn)在產(chǎn)品的全包裹處理，對需要機(jī)械加工的異型部件，可首先采用裸板進(jìn)行加工，而后以玻璃纖維布或鋁箔為面料經(jīng)粘結(jié)、全包裹處理，保證制品具有良好的強(qiáng)度和韌性，便于使用和運輸。
具體實施例方式下面通過具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實施例1( I)高溫納米微傳熱板的制備方法DSiO2氣凝膠的制備稱取40g水玻璃置于燒杯中，加入500g水稀釋并使其分散均勻后，稱取硅灰460g、Ti02300g、Al20324g、Cr2O3L 6g先后加入到稀釋后的水玻璃溶液中 并攪拌均勻，接著稱取40g氧化鋁纖維投入混合料中并攪拌3-5min，確保氧化鋁纖維在混合料中分散均勻，向上述容器中加入O. 2g催化劑乙二醇，控制凝膠時間為60min，并采用鹽酸調(diào)節(jié)混合料的pH值為10，充分?jǐn)嚢韬蠡旌狭献優(yōu)槟z；2)高溫納米微傳熱板的制備將盛放凝膠的容器密封處理，放置在溫度45°C的環(huán)境中靜置4小時。靜置完畢后，將凝膠攪拌均勻注入模具中，對注入模具的凝膠采用微振動機(jī)進(jìn)行振動處理3分鐘，確保模具內(nèi)各方向凝膠填充均勻。上述操作完成后，采用1.5MPa的壓力對模具內(nèi)的凝膠反復(fù)壓制4-5次，每次時間不低于2min。壓制完畢后進(jìn)行脫模操作，脫模后的坯體置于鋁質(zhì)網(wǎng)孔托盤上，在120°C下烘干4小時。在烘干后的裸板各表面涂覆無機(jī)粘結(jié)劑，采用玻璃纖維或鋁箔為面料進(jìn)行全包裹處理。(2)高溫納米微傳熱板的性能檢測結(jié)果最高使用溫度為1000°C，密度為320kg/m3，抗折強(qiáng)度1. OMPa，導(dǎo)熱系數(shù)如下在300°C時，O. 026ff/m. K ;在 500°C時，O. 031ff/m. K ;在 800°C時，O. 037ff/m. K。實施例2( I)高溫納米微傳熱板的制備方法DSiO2氣凝膠的制備稱取30g水玻璃置于燒杯中，加入500g水稀釋并使其分散均勻，稱取硅灰480g、Ti02300g、Al20320g、Cr2O3L 8g先后加入稀釋后水玻璃溶液中并攪拌均勻，接著稱取50g氧化鋁纖維投入混合料中并攪拌3-5min，確保氧化鋁纖維在混合料中分散均勻，向上述容器中加入O. 25g催化劑乙二醇，控制凝膠時間為45min，并采用鹽酸調(diào)節(jié)混合料的PH值為11，充分?jǐn)嚢韬蠡旌狭献優(yōu)槟z；2)高溫納米微傳熱板的制備將盛放凝膠的容器密封處理，放置在溫度25°C的環(huán)境中靜置5小時。靜置完畢后，將凝膠攪拌均勻注入模具中，對注入模具的凝膠采用微振動機(jī)進(jìn)行振動處理3分鐘，確保模具內(nèi)各方向凝膠填充均勻。上述操作完成后采用1. 5MPa的壓力對模具內(nèi)的凝膠反復(fù)壓制4-5次，每次時間不低于2min。壓制完畢后進(jìn)行脫模操作，脫模后的坯體置于鋁質(zhì)網(wǎng)孔托盤上，在150°C下烘干3小時。在烘干后的裸板各表面涂覆無機(jī)粘結(jié)劑，采用玻璃纖維或鋁箔為面料進(jìn)行全包裹處理。(2)高溫納米微傳熱板的性能檢測結(jié)果最高使用溫度為1000°C，密度為300kg/m3，抗折強(qiáng)度O. 85MPa，導(dǎo)熱系數(shù)如下在300°C時，O. 025ff/m. K ;在 500°C時，O. 032ff/m. K ;在 800°C時，O. 038ff/m. K。實施例3( I)高溫納米微傳熱板的制備方法DSiO2氣凝膠的制備稱取30g水玻璃置于燒杯中，加入500g水稀釋并使其分散均勻，稱取硅灰500g、Ti022 50g、Al20322g、Cr2O3L 5g先后加入稀釋后水玻璃溶液的容器中并攪拌均勻，接著稱取40g氧化鋁纖維放入混合料中并攪拌3-5min，確保氧化鋁纖維在混合料中分散均勻，向上述容器中加入O.1g催化劑硫酸，控制凝膠時間為45min，并采用鹽酸調(diào)節(jié)混合料的pH值為11，充分?jǐn)嚢韬蠡旌狭献優(yōu)槟z；2)高溫納米微傳熱板的制備將盛放凝膠的容器密封處理，放置在溫度50°C的環(huán)境中靜置4小時。靜置完畢后，將凝膠攪拌均勻注入模具中，對注入模具的凝膠采用微振動機(jī)進(jìn)行振動處理3分鐘，確保模具內(nèi)各方向凝膠填充均勻。上述操作完成后，采用1.5MPa的壓力對模具內(nèi)的凝膠反復(fù)壓制4-5次，每次時間不低于2min。壓制完畢后進(jìn)行脫模操作，脫模后的坯體置于鋁質(zhì)網(wǎng)孔托盤上，在120°C下烘干4小時。在烘干后的裸板各表面涂覆無機(jī)粘結(jié)劑，采用玻璃纖維或鋁箔為面料進(jìn)行全包裹處理。(2)高溫納米微傳熱板的性能檢測結(jié)果
最高使用溫度為1000°C，密度為280kg/m3，抗折強(qiáng)度1. 5MPa，導(dǎo)熱系數(shù)如下在300°C時，O. 024ff/m. K ;在 500°C時，O. 032ff/m. K ;在 800°C時，O. 040ff/m. K。實施例4( I)高溫納米微傳熱板的制備方法DSiO2氣凝膠的制備稱取20g水玻璃置于燒杯中，加入500g水稀釋并使其分散均勻，稱取硅灰520g、Ti02280g、Al20324g、Cr2032. Og先后加入稀釋后水玻璃溶液的容器中并攪拌均勻，接著稱取30g氧化鋁纖維放入混合料中并攪拌3-5min，確保氧化鋁纖維在混合料中分散均勻，向上述容器中加入O. 2g催化劑硫酸，控制凝膠時間為60min，并采用鹽酸調(diào)節(jié)混合料的pH值為10，充分?jǐn)嚢韬蠡旌狭献優(yōu)槟z；2)高溫納米微傳熱板的制備將盛放凝膠的容器密封處理，放置在溫度40°C的環(huán)境中靜置5小時。靜置完畢后，將凝膠攪拌均勻注入模具中，對注入模具的凝膠采用微振動機(jī)進(jìn)行振動處理5分鐘，確保模具內(nèi)各方向凝膠填充均勻。上述操作完成后，采用1.5MPa的壓力對模具內(nèi)的凝膠反復(fù)壓制4-5次，每次時間不低于lmin。壓制完畢后進(jìn)行脫模操作，脫模后的坯體置于鋁質(zhì)網(wǎng)孔托盤上，在120°C下烘干4小時。在烘干后的裸板各表面涂覆無機(jī)粘結(jié)劑，采用玻璃纖維或鋁箔為面料進(jìn)行全包裹處理。(2)高溫納米微傳熱板的性能檢測結(jié)果最高使用溫度為1000°C，密度為300kg/m3，抗折強(qiáng)度1，2MPa，導(dǎo)熱系數(shù)如下在300°C時，O. 025ff/m. K ;在 500°C時，O. 033ff/m. K ;在 800°C時，O. 039ff/m. K。本發(fā)明的高溫納米微傳熱板，為新一代耐火隔熱材料，其產(chǎn)品除在熱傳導(dǎo)、熱對流方面對熱量的隔絕有十分明顯的效果外，對因熱輻射傳導(dǎo)的熱量也有極好的防護(hù)屏蔽作用，可以廣泛應(yīng)用于民用蓄熱取暖設(shè)備、熱工窯爐、電子工業(yè)、航天科技、建筑耐火隔熱防護(hù)等各個方面。
權(quán)利要求
1.一種高溫納米微傳熱板，其特征在于，該傳熱板為SiO2氣凝膠外表面包裹玻璃纖維布或鋁箔，其中，SiO2氣凝膠由以下重量份的組分組成 水玻璃2-5份， 桂灰55-60份，TiO235-38 份， Al2O31-3 份， Cr2O30.02-0.2 份，氧化銀纖維 2-5份。
2.—種權(quán)利要求1所述的高溫納米微傳熱板的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)SiO2氣凝膠的制備首先將一定量的水玻璃用一定量的水稀釋，再向稀釋后的水玻璃溶液中先后加入硅灰、TiO2, A1203、Cr2O3并攪拌均勻，接著加入氧化鋁纖維作為支撐骨架，并攪拌3-5min，向上述混合料中加入催化劑，按重量計，O. 01-0. 05份，控制凝膠時間為30-90min,并采用鹽酸調(diào)節(jié)混合料的pH值為8_11，充分?jǐn)嚢韬蠡旌狭献優(yōu)镾iO2氣凝膠； (2)高溫納米微傳熱板的制備將由步驟(I)得到的SiO2氣凝膠進(jìn)行密封處理，在25-600C的溫度下靜置3-5小時，靜置完畢后，將凝膠攪拌均勻注入模具，采用1. 5MPa的壓力對模具內(nèi)的凝膠反復(fù)壓制4-5次，每次時間為2-5min。壓制前可采用微振動機(jī)進(jìn)行2-5分鐘的微振動處理。壓制完畢后進(jìn)行脫模操作，脫模后的坯體置于鋁質(zhì)網(wǎng)孔托盤上，在80-200°C下烘干3-5小時，烘干后以玻璃纖維布或鋁箔為面料經(jīng)粘結(jié)、全包裹處理即成高溫納米微傳熱板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫納米微傳熱板的制備方法，其特征在于，該方法的步驟(I)中的催化劑為硫酸、鹽酸、乙二醇中的一種或兩種以上的混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫納米微傳熱板及其制備方法，該傳熱板為SiO2氣凝膠外表面包裹玻璃纖維布或鋁箔，其中，SiO2氣凝膠由以下重量份的組分組成水玻璃2-5份，硅灰55-60份，TiO235-38份，Al2O31-3份，Cr2O30.02-0.2份，氧化鋁纖維2-5份。本發(fā)明提供的一種高溫納米微傳熱板，通過對現(xiàn)有SiO2氣凝膠配方的改進(jìn)調(diào)整，尤其是在產(chǎn)品外表面包裹玻璃纖維布或鋁箔的設(shè)計，在保證材料使用溫度和耐溫等級的同時，進(jìn)一步提高材料的力學(xué)強(qiáng)度，便于運輸和機(jī)械加工，為該種材料提供了更廣闊的使用環(huán)境。
文檔編號C04B28/26GK102992730SQ20121053568
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者張朝禮 申請人:上海伊索熱能技術(shù)有限公司