[发明专利]具有规整层状结构的二氧化硅隔热材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有规整层状结构的二氧化硅隔热材料制备方法，属于工程隔热材料领域。

背景技术

传统耐火材料如刚玉砖、镁铬砖、碳化硅砖等，虽然强度较高，但隔热性能欠佳，更重要的是密度较大。一般隔热材料如泡沫材料、纤维材料等具有优异的隔热性能，但缺乏高温强度。所以，研发具有优良隔热性能和一定高温强度，且密度较低的复合功能型耐火隔热材料在航空航天、能源、化工和冶金等众多工业领域至关重要。就目前需求和研究来看，需要在材料配方设计和制造工艺中协调和兼顾隔热性能和高温强度这两个相互制约的矛盾。

二氧化硅具有耐磨损、耐高温、抗氧化、低膨胀系数、耐化学腐蚀等优良特性，是工业领域理想的隔热材料。二氧化硅气凝胶具有多孔网络结构、高孔隙率和低密度等特点，所以其隔热性能优异，是目前被研究较多的一种隔热材料，但是其力学强度很低、易碎裂，并且在温度较高的环境中，半透明的二氧化硅气凝胶材料很难阻抗热辐射形式的传热。因此气凝胶较难作为隔热材料单独使用，需要对其进行掺杂处理，这使其干燥设备复杂，生产成本极高，从而阻碍气凝胶大规模批量生产。

经检索，目前国内外没有关于直接利用定向冷冻联合冷冻干燥技术制备具有多级微结构二氧化硅隔热材料的专利报道，仅有使用冷冻干燥制备多孔氧化铝材料的报道。国家知识产权局于2010年7月公开了名称为“溶胶凝胶-冷冻干燥工艺制备氧化铝多孔陶瓷的方法”（专利号CN1962547A）的发明专利，其以异丙醇铝为前驱体，将氧化铝溶液冷冻干燥制备成多孔陶瓷。2012年8月公开了名称为“聚轻莫来石隔热材料及其真空冷冻干燥制备方法”（专利号CN101786832B）的发明专利，其采用水基丙烯酰胺体系凝胶注模和真空冷冻干燥制备莫来石隔热材料。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种高力学强度的隔热材料。本发明通过采用定向冷冻技术与冷冻干燥技术合成具有微米、纳米多级结构的二氧化硅隔热材料，该材料具有结构尺寸均匀、方向可控、高比表面积、超轻、高强、低导热等优点，以满足航天、电子、军工、生物医药、化工催化和科研等领域对隔热的需求。

本发明提供了一种具有规整层状结构的二氧化硅隔热材料制备方法，所述制备方法包括定向冷冻步骤、干燥步骤、烧结步骤，所述定向冷冻步骤为将粘结剂与二氧化硅胶体混合液注入模具内，使粘结剂与二氧化硅胶体混合液的凝固界面从模具的一端向另一端逐渐定向凝固，得到粘结剂与二氧化硅胶体混合液的凝固产物。

现有技术中的冷冻步骤为非定向冷冻，其缺陷为所制备材料的微观结构为无序的多孔结构，不规整不定向，可控性差。本发明中的冷冻步骤为定向冷冻，使混合液的凝固界面从模具的一端向另一端逐渐定向凝固，其优点为制备的多孔二氧化硅隔热材料具有规整定向排列层状结构。

本发明所述粘结剂与二氧化硅胶体混合液的凝固界面优选为以1～100mm/min的速度从模具的一端向另一端定向凝固。

本发明所述模具优选为底面为导热材料其余面为绝热材料的模具Ⅰ，模具Ⅰ高度≤1cm，将模具Ⅰ底面置于﹣40～﹣196℃的冷冻剂界面上至粘结剂与二氧化硅胶体混合液凝固；或由热的不良导体制成的模具Ⅱ，模具Ⅱ的高度＞1cm，将模具Ⅱ以一定速度浸入冷冻剂内至粘结剂与二氧化硅胶体混合液凝固。

本发明所述模具Ⅰ底面导热材料优选为不锈钢或铜。所述模具Ⅰ其余面绝热材料优选为聚四氟乙烯。所述热的不良导体优选为聚丙烯或聚乙烯。

本发明所述模具Ⅱ优选为以1～100mm/min速度浸入冷冻剂内至粘结剂与二氧化硅胶体混合液凝固。

本发明所述粘结剂与二氧化硅胶体混合液优选为将1～15%wt的粘结剂溶液与5～50%wt的二氧化硅胶体分散液混匀；

所述粘结剂溶液与二氧化硅胶体分散液的质量比为1：1；

所述粘结剂为水溶性有机聚合物。

本发明所述粘结剂优选为聚乙烯醇、壳聚糖、聚甲基丙烯酸甲酯、葡萄糖和麦芽糖中的至少一种。

本发明所述干燥步骤优选为将定向冷冻步骤所得粘结剂与二氧化硅胶体混合液的凝固产物置于冷冻干燥机内使其干燥，得到具有规整层状结构的二氧化硅/粘结剂复合材料。