[发明专利]一种气凝胶改性棉纤维真空绝热板芯材及其制备方法

说明书

一种气凝胶改性棉纤维真空绝热板芯材及其制备方法，属于保温隔热材料技术领域。本发明配方包括以重量份计80～99份气凝胶、1～20份棉纤维和0～20份聚合物；所述芯材厚度小于或等于1.0mm，孔径为100～1000nm。所述气凝胶是以一种或多种烷氧基硅烷为主要原料，通过水解‑缩聚和辐照固化反应制备，由Si‑C‑O网络与Si‑O‑Si网络交错互联而成的有机‑无机纳米杂化材料。本发明利用溶胶‑凝胶与辐照交联技术使湿凝胶快速固化，不仅能精细化设计与调控气凝胶孔结构，还能将芯材孔隙内的气体分子快速抽离并难以热传导，可大幅提高真空绝热板的强韧度、绝热性能和使用寿命，非常适用于冷链、建筑、管道、船舶及海洋工程等领域。

技术领域

本发明涉及一种气凝胶改性棉纤维真空绝热板芯材及其制备方法，属于保温隔热材料技术领域。

背景技术

随着各国经济的高速发展，世界能源危机与环境恶化问题应运而生。采用绝热材料可大幅降低能耗，是实现全球经济可持续发展的主要措施。近些年，来自各个行业的隔热、保温、保冷、节能要求正逐年提高。常用绝热材料，如岩棉和珍珠岩的热导率大多高于20mW/(m·K)，隔热性能庸常，已经越来越难以满足当前的高标准和高要求。因此，开发新型、高效的绝热材料已迫在眉睫。

棉纤维真空绝热板是近年来快速发展起来的一种新型绝热材料，其热导率低于3.0mW/(m·K)，达到同样保温效果，其厚度仅是常用绝热材料的1/10～1/20，具有显著优势。然而，棉纤维真空绝热板的高效绝热性能非常依赖于其内部高真空度。真空绝热板外部气体渗透和真空绝热板内部材料脱气均会造成真空绝热板内部真空度的降低，使棉纤维真空绝热板在常温、静置环境下仅能有效服役5～15年，难以在服役环境更苛刻的领域中应用。为延长棉纤维真空绝热板有效服役寿命，现有文献通常在棉纤维中引入单组分或多组分的颗粒，利用颗粒搭接的多孔骨架分割棉纤维交织的大孔，以降低真空绝热板热导率对内部气压的敏感性，提高真空绝热板有效服役寿命。气凝胶是一种纳米多孔材料，具有轻质和低热导率等优异性能，是纤维芯材的常用复合体，能有效地降低棉纤维芯材的孔径，提高棉纤维真空绝热板的初期绝热性能和服役寿命。

中国专利CN103108749B公开了真空绝热材料用复合芯材及其制备方法、以及利用该复合芯材的真空绝热材料。该芯材由玻璃棉纤维和玻璃纤维板通过热压复合而成，所述玻璃纤维板包含气凝胶粉和玻璃纤维，形成于玻璃棉纤维的单面或双面。该专利获得的真空绝热板具有优异的初期绝热性能及长期耐久性。

中国专利CN103922643B公开了一种复合SiO₂气凝胶隔热毡垫及其制备方法。该毡垫的制备方法是在保持SiO₂气凝胶性质不变的前提下，通过热压成型实现气凝胶毡垫或板材的成型，缩短制备时间，大大提高了生产效率。

然而，气凝胶的脆性大、力学性能低，即使与棉纤维复合也易在使用中出现严重的掉粉现象，从而影响真空绝热板的实际应用效果。通过热压虽可降低芯材的成型时间，但是制备的芯材孔隙率较低，真空绝热板绝热性能不高。相比而言，采用溶胶-凝胶与常压干燥的方法能获得孔结构精细、性能可控的真空绝热板芯材，获得的真空绝热板热导率更低、服役寿命更长，但其制备周期太长，难以实现规模化生产。发展新型的棉纤维/气凝胶真空绝热板复合芯材及其高效、稳定的制备方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种气凝胶改性棉纤维真空绝热板芯材及其制备方法，其利用辐照引发胶体粒子快速交联，缩短制备周期，同时将溶胶-凝胶技术与辐照交联技术协同（反应机理如下所示），利用辐照引发湿凝胶中的反应性有机基团快速交联，以精细化设计并调控气凝胶微结构，改善单纯由溶胶-凝胶技术或辐照交联技术制备出来的气凝胶存在结构与性能单一的缺陷，赋予芯材高强度、高韧性和多功能性（如疏水、光学、热学、声学、磁学、电学、耐化学性），使其真空绝热板在冷链、建筑、管道、船舶及海洋工程等保温隔热领域具有优势。