本發(fā)明涉及保溫隔熱材料領域，具體涉及一種疏水性保溫隔熱紙及其制備方法。
背景技術：
目前，無機纖維紙不含有機材料組分，因此能耐高溫并且不會被燃燒，但它的熱導率有限，滿足不了在狹小空間隔熱保溫的使用要求。
二氧化硅氣凝膠是一種新型的輕質納米多孔材料，它具有密度低、比表面積大、孔洞率高等特點，是一種具有廣闊應用前景的新型納米材料。二氧化硅氣凝膠所具有的納米網(wǎng)絡孔洞結構，眾多的納米孔以及其孔洞尺寸小于氣體分子熱運動的平均自由程，從而非常有效地限制了固相傳熱和對流傳熱和氣體分子的熱運動傳熱。因此二氧化硅氣凝膠被公認為是目前世界上最低熱導率，即絕熱性能最佳的固體材料。二氧化硅氣凝膠納米網(wǎng)絡孔洞結構形成的巨大的比表面可以使其具有特殊表面張力分布，可對液相的進出進行調控。
目前將二氧化硅氣凝膠和纖維材料復合的做法主要有以下幾類：1)首先制取二氧化硅氣凝膠粉體，然后加入纖維材料，同時加入有機或無機粘合劑，最后壓制成型(中國專利95197068.2《一種含有氣凝膠的復合材料，其制備方法及其應用》，96196879.6《含有氣凝膠和粘合劑的復合材料，其制備方法及其應用》)。由于二氧化硅氣凝膠粉體密度低，比表面積大，分散性很差，難以與纖維及其它材料均勻混合，故難以保證制品最后有好的隔熱特性和耐熱阻燃效果。2)通過在制備氣凝膠的前驅體中加入短纖維制得氣凝膠(中國專利97106652.3《改性納米保溫材料及生產(chǎn)工藝》)，所制得的材料性能有所提高，但由于加入的纖維量和纖維難以均勻分散的問題，使用的范圍和對象局限較大。3)以纖維和多孔制品為骨架制備氣凝膠復合材料(美國專利us6068882，中國專利cn1749214)，由于纖維和多孔制品選擇的局限性大，摻入的比例和分散性不好控制，產(chǎn)品的成品率和性能都比較低，機械強度較低。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對上述問題，提出了一種疏水性保溫隔熱紙，解決了現(xiàn)有保溫隔熱材料中纖維隔熱效果差、機械強度較低、使用的范圍和對象局限較大的缺陷。
本發(fā)明采取的技術方案如下：
一種疏水性保溫隔熱紙，包括：基礎材料層；所述基礎材料層上附著有二氧化硅納米多孔氣凝膠，所述基礎材料層采用無機纖維紙，所述二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面為400g/m2～800g/m2，密度0.015g/cm3～0.20g/cm3，孔洞率80％～95％，孔洞尺寸30nm～100nm。
本發(fā)明將具有納米網(wǎng)絡孔洞結構的二氧化硅氣凝膠復合到無機纖維紙上形成保溫隔熱紙不僅保留了原有的耐高溫、不燃燒的特性，還大大降低了整體的導熱系數(shù)，顯著提高了保溫隔熱特性；二氧化硅氣凝膠密度高，比表面積小，分散性較好的優(yōu)點。另外二氧化硅氣凝膠具有很好的疏水特性因此進一步擴展了材料的優(yōu)點，使其應用價值和應用范圍得到極大的提升。本發(fā)明產(chǎn)品具有耐高溫，遇火不會燃燒，疏水性好，熱導率較低等優(yōu)點，具有極好的保溫隔熱效果。本發(fā)明形成的產(chǎn)品厚度可以控制在1mm以下，機械強度高，可彎曲，可裁剪；可以滿足航空、航天、軍事裝備以及民用中各類苛刻的熱防護要求，還可以應用于防火、阻燃、隔音、減震等領域。
可選的，所述無機纖維紙由玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、海泡石纖維或玄武巖纖維中一種或多種材料組成。
可選的，所述二氧化硅納米多孔氣凝膠的制備原料包括前驅體、醇溶劑、純水、酸性催化劑和堿性催化劑，其中前驅體、醇溶劑、純水、酸性催化劑和堿性催化劑的摩爾質量配比為1:(1～10):(1～10):(0.0005～0.1):(0.0005～0.1)。
可選的，所述前驅體采用為硅醇鹽，所述硅醇鹽由正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丁酯中一種或多種材料組成。
可選的，所述醇溶劑由甲醇、乙醇、異丙醇中一種或多種溶劑組成。
可選的，所述酸性催化劑由鹽酸、硫酸、硝酸、草酸、氫氟酸中一種或多種組成。
可選的，所述堿性催化劑由是氫氧化鈉、氫氧化鈣中一種組成。
本發(fā)明還公開了一種疏水性保溫隔熱紙的制備方法，采用連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝，所述連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝包括以下步驟：
a.將預定的摩爾質量配比的前驅體、醇溶劑、純水和酸性催化劑配制成溶膠；
b.將所述無機纖維紙平整放入噴淋設備并以15m/hr～20m/hr的速度依次通過溶膠噴淋區(qū)和堿性催化劑噴淋區(qū)，并40m/hr～50ml/hr的流量噴淋溶膠和以8m/hr～10ml/hr的流量噴淋堿性催化劑；
c.在25℃～60℃的溫度條件下保留4～8小時后，在無機纖維紙上形成二氧化硅納米多孔氣凝膠。目前已經(jīng)有采用浸漬的方法制備復合氣凝膠保溫隔熱紙的制備方法對生產(chǎn)場地要求高，生產(chǎn)周期比較長，生產(chǎn)質量不易控制。本發(fā)明采用連續(xù)分別噴淋溶膠和堿性催化劑的方法制備復合氣凝膠保溫隔熱紙生產(chǎn)場地緊湊，生產(chǎn)周期縮短，產(chǎn)品質量明顯提高。
可選的，所述疏水性保溫隔熱紙的制備方法還包括超臨界干燥工藝，所述超臨界干燥工藝包括以下步驟：
a.將復合了二氧化硅納米多孔氣凝膠的無機纖維紙放入干燥裝置中；
b.打入二氧化碳干燥介質，逐步加壓至6mpa～20mpa；
c.在35℃～80℃的溫度條件下，使干燥介質以100～200l/h的流量將凝膠中的液相分離；
d.完成分離后，釋放壓力直至干燥裝置內外大氣壓力達到平衡。
可選的，所述干燥裝置的釋放壓力速度為1～6mpa/h。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將具有納米網(wǎng)絡孔洞結構的二氧化硅氣凝膠復合到無機纖維紙上形成保溫隔熱紙不僅保留了原有的耐高溫、不燃燒的特性，還大大降低了整體的導熱系數(shù)，顯著提高了保溫隔熱特性；二氧化硅氣凝膠密度高，比表面積小，分散性較好的優(yōu)點。另外二氧化硅氣凝膠具有很好的疏水特性因此進一步擴展了材料的優(yōu)點，使其應用價值和應用范圍得到極大的提升。本發(fā)明產(chǎn)品具有耐高溫，遇火不會燃燒，疏水性好，熱導率較低等優(yōu)點，具有極好的保溫隔熱效果。本發(fā)明形成的產(chǎn)品厚度可以控制在1mm以下，機械強度高，可彎曲，可裁剪；可以滿足航空、航天、軍事裝備以及民用中各類苛刻的熱防護要求，還可以應用于防火、阻燃、隔音、減震等領域。
另外，本發(fā)明采用連續(xù)分別噴淋溶膠和堿性催化劑的方法制備復合氣凝膠保溫隔熱紙生產(chǎn)場地緊湊，生產(chǎn)周期縮短，產(chǎn)品質量明顯提高。
附圖說明：
圖1是本發(fā)明疏水性保溫隔熱紙的制備方法的操作流程示意圖。
具體實施方式：
下面結合各附圖，對本發(fā)明做詳細描述。
本發(fā)明公開了一種疏水性保溫隔熱紙，包括：基礎材料層；所述基礎材料層上附著有二氧化硅納米多孔氣凝膠，所述基礎材料層采用無機纖維紙，所述二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面為400g/m2～800g/m2，密度0.015g/cm3～0.20g/cm3，孔洞率80％～95％，孔洞尺寸30nm～100nm。本發(fā)明制得的產(chǎn)品厚度為0.2～1mm，寬度為300～1000mm，長度為1000～5000mm。二氧化硅納米多孔氣凝膠密度過大，會導致隔熱性能下降，密度過小可能導致力學強度下降。
本發(fā)明將具有納米網(wǎng)絡孔洞結構的二氧化硅氣凝膠復合到無機纖維紙上形成保溫隔熱紙不僅保留了原有的耐高溫、不燃燒的特性，還大大降低了整體的導熱系數(shù)，顯著提高了保溫隔熱特性；二氧化硅氣凝膠密度高，比表面積小，分散性較好的優(yōu)點。另外二氧化硅氣凝膠具有很好的疏水特性因此進一步擴展了材料的優(yōu)點，使其應用價值和應用范圍得到極大的提升。本發(fā)明產(chǎn)品具有耐高溫，遇火不會燃燒，疏水性好，熱導率較低等優(yōu)點，具有極好的保溫隔熱效果。本發(fā)明形成的產(chǎn)品厚度可以控制在1mm以下，機械強度高，可彎曲，可裁剪；可以滿足航空、航天、軍事裝備以及民用中各類苛刻的熱防護要求，還可以應用于防火、阻燃、隔音、減震等領域。
所述無機纖維紙由玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、海泡石纖維或玄武巖纖維中一種或多種材料組成。
可選的，所述二氧化硅納米多孔氣凝膠的制備原料包括前驅體、醇溶劑、純水、酸性催化劑和堿性催化劑，其中前驅體、醇溶劑、純水、酸性催化劑和堿性催化劑的摩爾質量配比為1:(1～10):(1～10):(0.0005～0.1):(0.0005～0.1)。需要說明的是，本發(fā)明中純水可以是去離子水、蒸餾水或其他過濾水，優(yōu)選為去離子水。
所述前驅體采用為硅醇鹽，所述硅醇鹽由正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丁酯中一種或多種材料組成。
所述醇溶劑由甲醇、乙醇、異丙醇中一種或多種溶劑組成。
所述酸性催化劑由鹽酸、硫酸、硝酸、草酸、氫氟酸中一種或多種組成。
所述堿性催化劑由是氫氧化鈉、氫氧化鈣中一種組成。
本發(fā)明公開了一種疏水性保溫隔熱紙的制備方法見(附圖1)，
采用連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝，所述連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝包括以下步驟：
a.將預定的摩爾質量配比的前驅體、醇溶劑、純水和酸性催化劑配制成溶膠；
b.將所述無機纖維紙平整放入噴淋設備并以15m/hr～20m/hr的速度依次通過溶膠噴淋區(qū)和堿性催化劑噴淋區(qū)，并40m/hr～50ml/hr的流量噴淋溶膠和以8m/hr～10ml/hr的流量噴淋堿性催化劑；
c.在25℃～60℃的溫度條件下保留4～8小時后，在無機纖維紙上形成二氧化硅納米多孔氣凝膠。需要說明的是本發(fā)明的噴淋設備可采用市面上噴淋設備。例如昆山新正隆機械科技有限公司的型號zl-q01的噴淋設備。
還包括超臨界干燥工藝，所述超臨界干燥工藝包括以下步驟：
a.將復合的二氧化硅納米多孔氣凝膠的無機纖維紙放入干燥裝置中；
b.打入二氧化碳干燥介質，逐步加壓至6mpa～20mpa；
c.在35℃～80℃的溫度條件下，使干燥介質以100～200l/h的流量將凝膠中的液相分離；
d.完成分離后，釋放壓力直至干燥裝置內外大氣壓力達到平衡。
其中，所述干燥裝置的釋放壓力速度為1～6mpa/h。本發(fā)明中的干燥裝置可采用市面上的超臨界干燥裝置；例如南通立凱超臨界干燥裝置。
實施例1：
采用連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝：
a.將預定的摩爾質量配比的制備原料正硅酸甲酯、甲醇、純水、鹽酸配制成溶膠；其中，正硅酸甲酯、甲醇、純水和鹽酸的摩爾質量配比為1:1:1:0.0005；
b.將所述石英纖維紙平整放入噴淋設備并以15m/hrr的速度依次通過溶膠噴淋區(qū)和堿性催化劑噴淋區(qū)，并40m/hr的流量噴淋溶膠和以8m/hr的流量噴淋堿性催化劑；其中正硅酸甲酯與氫氧化溶液的摩爾質量比1:0.0005；
c.在25℃的溫度條件下保留4小時后，在石英纖維紙上形成二氧化硅納米多孔氣凝膠。需要說明的是本發(fā)明的噴淋設備可采用市面上噴淋設備。
超臨界干燥工藝：
a.將復合的二氧化硅納米多孔氣凝膠的石英纖維紙放入干燥裝置中；
b.打入二氧化碳干燥介質，逐步加壓至6mpa；
c.在35℃的溫度條件下，使干燥介質以100l/h的流量將凝膠中的液相分離；
d.完成分離后，釋放壓力直至干燥裝置內外大氣壓力達到平衡。
其中，所述干燥裝置的釋放壓力速度為1mpa/h。
制得的二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面為400g/m2，密度0.015g/cm3，孔洞率85％，孔洞尺寸50nm。最終的疏水性保溫隔熱紙的厚度為0.2mm；其室溫導熱系數(shù)(依據(jù)標準gb/t10295-2008)為：0.012w/m·k；壓縮強度(依據(jù)標準gjb1585a-2004)為：6.5mpa。
實施例2：
采用連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝：
a.將預定的摩爾質量配比的制備原料正硅酸乙酯、乙醇、純水、硫酸配制成溶膠；其中，正硅酸乙酯、乙醇、純水、硫酸的摩爾質量配比為1:10:10:0.1；
b.將所述莫來石纖維紙平整放入噴淋設備并以20m/hr的速度依次通過溶膠噴淋區(qū)和堿性催化劑噴淋區(qū)，并50ml/hr的流量噴淋溶膠和以10ml/hr的流量噴淋堿性催化劑；其中正硅酸甲酯與氫氧化溶液的摩爾質量比1:0.1；
c.在60℃的溫度條件下保留8小時后，在莫來石纖維紙上形成二氧化硅納米多孔氣凝膠。需要說明的是本發(fā)明的噴淋設備可采用市面上噴淋設備。
超臨界干燥工藝：
a.將復合的二氧化硅納米多孔氣凝膠的無機纖維紙放入干燥裝置中；
b.打入二氧化碳干燥介質，逐步加壓至20mpa；
c.在80℃的溫度條件下，使干燥介質以200l/h的流量將凝膠中的液相分離；
d.完成分離后，釋放壓力直至干燥裝置內外大氣壓力達到平衡。
其中，所述干燥裝置的釋放壓力速度為6mpa/h。
制得的二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面為800g/m2，密度0.20g/cm3，孔洞率95％，孔洞尺寸65nm。最終的疏水性保溫隔熱紙的厚度為0.6mm；其室溫導熱系數(shù)(依據(jù)標準gb/t10295-2008)為：0.014w/m·k；壓縮強度(依據(jù)標準gjb1585a-2004)為：6.9mpa。
實施例3：
采用連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝：
a.將預定的摩爾質量配比的制備原料正硅酸丁酯、異丙醇、純水、硝酸配制成溶膠；其中，正硅酸丁酯、異丙醇、純水、硝酸的摩爾質量配比為1:5.5:5.5:0.05；
b.將所述石英纖維紙平整放入噴淋設備并以17.5m/hr的速度依次通過溶膠噴淋區(qū)和堿性催化劑噴淋區(qū)，并45ml/hr的流量噴淋溶膠和以9ml/hr的流量噴淋堿性催化劑；其中正硅酸甲酯與氫氧化溶液的摩爾質量比1:0.05；
c.在47.5℃的溫度條件下保留6小時后，在石英纖維紙上形成二氧化硅納米多孔氣凝膠。需要說明的是本發(fā)明的噴淋設備可采用市面上噴淋設備。
超臨界干燥工藝：
a.將復合的二氧化硅納米多孔氣凝膠的無機纖維紙放入干燥裝置中；
b.打入二氧化碳干燥介質，逐步加壓至13mpa；
c.在57.5℃的溫度條件下，使干燥介質以150l/h的流量將凝膠中的液相分離；
d.完成分離后，釋放壓力直至干燥裝置內外大氣壓力達到平衡。
其中，所述干燥裝置的釋放壓力速度為3.5mpa/h。
制得的二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面為630g/m2，密度0.20g/cm3，孔洞率80％，孔洞尺寸100nm。最終的疏水性保溫隔熱紙的厚度為1.0mm；其室溫導熱系數(shù)(依據(jù)標準gb/t10295-2008)為：0.014w/m·k；壓縮強度(依據(jù)標準gjb1585a-2004)為：7.1mpa。
對比例1：
采用連續(xù)分別噴淋-凝膠工藝：
a.將預定的摩爾質量配比的制備原料正硅酸甲酯、甲醇、純水、鹽酸配制成溶膠；其中，正硅酸甲酯、甲醇、純水和鹽酸的摩爾質量配比為1:0.9:0.9:0.0004；
b.將所述石英纖維紙平整放入噴淋設備并以14m/hr的速度依次通過溶膠噴淋區(qū)和堿性催化劑噴淋區(qū)，并39ml/hr的流量噴淋溶膠和以7ml/hr的流量噴淋堿性催化劑；其中正硅酸甲酯與氫氧化溶液的摩爾質量比1:0.0004；
c.在70℃的溫度條件下保留3小時后，在石英纖維紙上形成二氧化硅納米多孔氣凝膠。需要說明的是本發(fā)明的噴淋設備可采用市面上噴淋設備。
超臨界干燥工藝：
a.將復合的二氧化硅納米多孔氣凝膠的無機纖維紙放入干燥裝置中；
b.打入二氧化碳干燥介質，逐步加壓至4mpa；
c.在90℃的溫度條件下，使干燥介質以210l/h的流量將凝膠中的液相分離；
d.完成分離后，釋放壓力直至干燥裝置內外大氣壓力達到平衡。
其中，所述干燥裝置的釋放壓力速度為7mpa/h。
制得的二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面為1200g/m2，密度0.18g/cm3，孔洞率60％，孔洞尺寸110nm。最終的疏水性保溫隔熱紙的厚度為1.2mm；其室溫導熱系數(shù)(依據(jù)標準gb/t10295-2008)為：0.028w/m·k；壓縮強度(依據(jù)標準gjb1585a-2004)為：3.2mpa。
綜上所述，通過實施例一、二、三、四和對比例的數(shù)據(jù)進行比較，可以看出，采取本發(fā)明工藝范圍內制得的二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面較小，密度較高，最終制得的成品室溫導熱系數(shù)更小，壓縮強度更高。而采取超出該工藝范圍的數(shù)據(jù)，最終制得的二氧化硅納米多孔氣凝膠其比表面較大，密度較低，最終制得的成品室溫導熱系數(shù)更大，壓縮強度更低。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此即限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡是運用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的保護范圍內。