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纳米气凝胶毡的特点及制备工艺

发表时间:2016年10月4日 来源:www.jinshinami.com 浏览量:10554

随着能源的日益匮乏及能源价格的不断上涨,节能减耗势在必行,传统的隔热材料隔热效果不是很理想,不能满足日益提高的隔热要求,2006年,我国开发出了纳米气凝胶毡,这种材料能有效的限制气相部分的热对流。另外,由于它的固相部分也是由纳米级的SiO2壁壳形成的网状结构,它的固相热导率也很小。因此,这种材料的结构决定了它具有超级的隔热性能,特别是在高温时的隔热性能,如平均温度在500度时,硅酸铝纤维的导热系数为0.153w/m.k,而纳米气凝胶毡的导热系数仅在0.05w/m.k。

1纳米气凝胶毡的隔热原理

现有理论和试验表明,物体的热导率与其尺度有关,例如:SiO2固体(石英,轴向)的热导率为41.6W・m-1・K-1,Si02凝胶粉的热导率为0.035W・m-1・K-1,而SiO2气凝胶的热导率为0.014—0.016W・m-1・K-1;当无机纤维直径由15μm减小到3μm时,矿物纤维棉的热导率降低12%,玻璃纤维棉的热导率降低6%。

根据微纳米尺度传热学,当介质尺度减小至微纳米级时,导热体可以变成热绝缘体。也就是说,当介质尺度小于热载子(分子、原子、电子、声子和光子等)的平均自由行程时,尺度效应和界面效应明显,接触热阻增大。热导率减小,热传递能力降低。因此,微纳米尺度传热学与宏观传热学的重要区别就在于反映介质热量传输的热导率、比热容等参数对介质尺度的依赖性。

制备纳米气凝胶毡的主要原料是大孔容纳米粉料。由于气孔率高,热导率就低;按照国际标准ISO2245—1972的规定,隔热制品的气孔率至少达到45%,一般隔热制品的气孔率为70%,而大孔容纳米粉料的孔隙率为1.8mL・g-1。所以用大孔容纳米粉料可以生产出超低导热的隔热板。

2纳米气凝胶毡的性能特点

如上所述,纳米气凝胶毡最突出的性能是在高温条件下的隔热性能。现用我们所做的试验结果并参照国外一些产品的资料来作归类分析

(1)导热系数

纳米气凝胶毡具有很小的导热系数,特别是在高温条件下它的导热系数与其它几种常用的舰船隔热材料相比具有很高的先进性(如图1)。

图1 纳米气凝胶保温毡和其它几种隔热材料导热系数对比

从图1中可以看出,在高温条件下它的导热系数约是其它几种隔热材料的1/3左右。

(2)容重

在图2中反映出在不同容重下,其导热系数的一些变化。对于原材料配比和相同工艺制作的产品,当容重减小时,纳米孔结构变得疏松,部分空隙形成了微米级尺寸,使得在高温时空气的热对流加快。因此,导热系数会随之增加。不过,如果容重增大到一定的数值时,虽然阻止了高温时其空气的热对流,但它固相部分的热传导变的明显起来,导热系数又开始变大。所以国外的一些纳米气凝胶毡的容重通常在160kg/m3~256kg/m3之间(即10~16Pcf)。而应用在舰船上,则要对材料的容重和导热系数综合起来考虑。

图2 不同容重的纳米隔热材料导热系数变化

(3)压缩强度

由SiO2壁壳组成网络结构的纳米气凝胶毡的强度往往是很低的。因此在制成产品时通常需要增强处理。一般用粉体颗粒作为填充骨料并用纤维材料来增强。但增强材料的过多使用会使得纳米气凝胶毡体积密度增大。而这些增强材料的直径都比较大,因此会影响材料的隔热性能。但它对材料的强度还是有所帮助的。同时为了增加强度,也有采用对制品用玻璃布进行贴面的方法。现有的纳米气凝胶毡有一定的压缩变形问题,几种非刚性隔热材料的压缩强度对比如表1。

表1 几种隔热材料的压缩强度

(4)加热线收缩率和使用温度纳米气凝胶毡的主要成分为SiO2。虽然SiO2的熔点可达1700℃,但由于有一些其它化学元素的存在,会产生较低温度的共融相。同时,在熔点以下的一段温度范围内还会有析晶。因此,它的实际使用温度要低一些,一般认为在1000℃左右。纳米气凝胶毡加热线收缩率和使用温度的关系见表3。

表3 纳米气凝胶保温毡加热线收缩率和使用温度的关系

3、纳米气凝胶毡的制备工艺

目前的纳米气凝胶毡的制备工艺通常采用溶胶一凝胶法和模压烧结法两大类。

(1)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法采用正硅酸乙酯、硅溶胶、水玻璃等为硅源材料。先将催化剂(如HCl、H2SO4等)加入在这些溶胶中,再用碱性物质来调节凝胶时间,使其形成具有纳米孔网络的SiO2凝胶体。再经过老化,使得凝胶体中的SiO2粒子形成网络结构,而网络内的空隙被液体即水或溶剂所占据。如果能够在干燥过程中保持原来由液体所占据的空隙被空气所取代,这样所得到的含有大量空气的SiO2材料称为硅气凝胶。在这个过程中有一个关键的技术,就是由于空隙的毛细管表面张力的作用,使得凝胶体在干燥过程中,会产生收缩,并使纳米孔结构产生塌陷。这样会使整块状的材料开裂,最终形成空隙率很低的干凝胶。因此,早期的研究是用超I临界干燥的方法。即在超临界状态下,气体和液体之间不再有界面存在,而是成为界于气体和液体之间的一种均匀的流体,这种流体逐渐从凝胶体中排出。由于不存在气一液界面,也就没有表面张力作用,因此就不会引起凝胶体的收缩和结构的破坏。但由于超临界干燥需要高温和高压条件,如水的临界温度是274.1℃,压力22.04MPa;乙醇的临界温度是239.4℃,压力8.09MPa;因此很难进行大规模制作。目前只有NASA用此种方法与陶瓷纤维做成复合绝热瓦应用于航天飞机上。其它仅仅停留在实验室的研究上,还没有商品化的产品。现在,一种比较流行的研究方法是通过表面改性来降低其表面张力。一般用三甲基氯硅烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等,使凝胶表面硅烷基化。这样减小了毛细管表面张力,因而可减小凝胶在干燥过程中的收缩和开裂,使得干燥能在常压下进行。另外还采取掺入粘结剂的方法来增加其骨架强度。不过这些方法的使用会降低该种材料的一些隔热效果。

用溶胶一凝胶法制作的纳米气凝胶毡可以做到壁薄孔匀和形成比较理想的纳米孔网络结构,因此性能优越,但是成本比较高。

(2)模压烧结法

纳米气凝胶毡的另一种做法是采用具有链状结梅的超细SiO2微粉为主要原材料,进行模压加工成一定的形状。而这种SiO2微粉其链状结构的原始粒径是在纳米级的范围内。因此,由其形成的网络结构的孔隙也是以纳米级范围为主。采用这种方法的关键是将这些纳米级的超细SiO2微粉能连成一个具有纳米孔网络结构的整体,而较好的方法是采用烧结的方法使SiO2微粒子互相反应而成为一体。由于SiO2微粒子是在纳米级的尺度范围内,因此控制烧结温度是这种方法的关键。另外在原材料中还需掺入纤维来增加强度,及加入遮光剂来有效地隔断高温时的辐射传热。用这种方法制作的产品其性能一般要比用溶胶一凝胶法做成的整块状产品的隔热性能略差一些。因为在这种网络结构中SiO2壁壳比溶胶一凝胶法的SiO2壁壳要厚(达20nm),这样增加了固相部分的热传导。而且在这些粉体间还存在着一些微米级的空隙,也增加了空气的热对流。但目前的纳米气凝胶毡产品主要是以此种方法制作的。