本發(fā)明涉及保溫隔熱材料領(lǐng)域，具體涉及氣凝膠保溫隔熱材料，進(jìn)一步涉及一種連續(xù)制備氣凝膠保溫隔熱氈的方法。
背景技術(shù)：
建筑能耗、工業(yè)能耗是目前能源增加最快的領(lǐng)域，因此通過使用高效的節(jié)能系統(tǒng)能夠有效的減少能耗。其中采用保溫隔熱材料是實(shí)現(xiàn)能耗降低的主要措施之一。但傳統(tǒng)保溫隔熱材料已越來越難以滿足節(jié)能的需求。因此低導(dǎo)熱系數(shù)、高溫不燃的高性能無機(jī)保溫材料成為建筑保溫節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵。
二氧化硅氣凝膠是一種由納米量級(jí)顆粒相互聚合形成的連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因其具有特殊的納米級(jí)微孔和骨架結(jié)構(gòu)而致使其熱傳導(dǎo)效率、對(duì)流傳熱效率和輻射傳熱效率都得到了有效的限制，所以氣凝膠具有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)，其在常溫常壓下為0.01W/(m.K)，是目前世界上導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料。近年來隨著研究的深入和應(yīng)用的拓展，氣凝膠逐漸由航天等領(lǐng)域向民用建筑保溫隔熱領(lǐng)域、工業(yè)保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用。其節(jié)能效果實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的提高，因此日益展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)和前景。特別是在建筑墻面保溫、石化行業(yè)、冶金行業(yè)的管道、爐窯及其它熱工設(shè)備，用氣凝膠作保溫隔熱材料替代傳統(tǒng)的保溫材料，節(jié)能優(yōu)勢(shì)最為明顯。
氣凝膠性能主要由其納米孔洞結(jié)構(gòu)決定，一般通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架，然后干燥除去液相溶劑從而得到氣凝膠。但由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會(huì)造成骨架的坍縮，氣凝膠制備技術(shù)核心在于避免干燥過程中由于毛細(xì)管力導(dǎo)致納米孔洞結(jié)構(gòu)塌陷。
超臨界干燥技術(shù)是一種成熟的制備氣凝膠的技術(shù)，其通過反應(yīng)釜內(nèi)高壓，使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而實(shí)現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。但由于超臨界干燥技術(shù)對(duì)原料要求較高，通常以高純的有機(jī)硅為原料，而且設(shè)備處于高壓工作，因此對(duì)設(shè)備、工藝要求極高，特別是難以連續(xù)化量產(chǎn)。顯然，難以滿足建筑和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
研究人員通過常壓干燥制備氣凝膠極大地降低了氣凝膠的成本，首先其原料適應(yīng)性更廣，適應(yīng)于包括硅酸鈉在內(nèi)的各類無機(jī)硅，而且生產(chǎn)設(shè)備要求低、能耗低。但存在的問題是氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)缺陷多，強(qiáng)度和韌性差。因此增強(qiáng)和復(fù)合成為氣凝膠應(yīng)用首要解決的問題。
中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01010515083.X公開了一種玻璃纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，將玻璃纖維預(yù)處理與二氧化硅濕凝膠復(fù)合，然后老化、干燥得到增強(qiáng)的氣凝膠。這種通過纖維作為增強(qiáng)相，制備出增強(qiáng)型氣凝膠復(fù)合材料，提高了氣凝膠的力學(xué)性能，但氣凝膠以粉體存在，且氣凝膠與纖維連接不牢，在二次加工中易粉化掉粉。
中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01610165874.1公開了一種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法，通過玻璃纖維氈與二氧化硅氣凝膠膠液復(fù)合干燥得到了氣凝膠氈。玻璃纖維只能作外圍增強(qiáng)，氣凝膠自身增強(qiáng)并不明顯，因此干燥時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)塌陷缺陷較多。通常需要溶劑交換、長時(shí)間干燥老化才能保持氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整。
常壓干燥制備氣凝膠降低了成本，但得到的氣凝膠易破碎，盡管采用各類纖維氈作增強(qiáng)載體，在使用中仍存在嚴(yán)重的掉粉和粉塵。而且為了防止氣凝膠在常壓干燥過程中網(wǎng)絡(luò)塌陷，通常需要長達(dá)幾十小時(shí)的老化和干燥。因此，存在難以連續(xù)化、規(guī)模化、穩(wěn)定化制備的缺陷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種連續(xù)制備氣凝膠保溫隔熱氈的方法。該方法是將礦物纖維表面的基團(tuán)激活，并通過與親水性高分子材料交聯(lián)凝膠化，使礦物纖維表面形成凝膠從而具有柔性，進(jìn)一步與二氧化硅濕凝膠復(fù)合均勻后形成復(fù)合凝膠，并將復(fù)合凝膠連續(xù)成型、階梯干燥得到成卷的氣凝膠保溫隔熱氈。該方法不但實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定制備氣凝膠保溫隔熱氈，而且制備過程無需溶劑置換，氣凝膠網(wǎng)絡(luò)保持完整，得到的氣凝膠保溫隔熱氈具有柔性，不掉粉，極大地推動(dòng)了氣凝膠在建筑保溫隔熱、石化行業(yè)、冶金行業(yè)的管道、爐窯及其它熱工設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
一種連續(xù)制備氣凝膠保溫隔熱氈的方法，其特征在于包括以下步驟：
（1）制備二氧化硅濕凝膠
以含硅無機(jī)物為原料，通過堿液浸出得到水溶性硅源溶液，然后酸化形成硅酸水溶液，進(jìn)一步通過氨水調(diào)制溶液的pH 值至5-8，形成二氧化硅濕凝膠；
（2）礦物纖維凝膠化
將礦物纖維通過分散劑分散在水中形成漿體，加入氫氧化鈉，在400-800rpm高速攪拌條件下，活化15-20min，使礦物纖維表面基團(tuán)活化，然后加入親水性高分子材料、交聯(lián)劑，進(jìn)一步攪拌得到凝膠化的礦物纖維；
（3）制備氣凝膠氈雛形
將步驟（1）預(yù)備的二氧化硅濕凝膠、步驟（2）預(yù)備的凝膠化礦物纖維以體積比1:2-5配制，加入粘合劑混合均勻，以瀑布狀流體形式連續(xù)平鋪引入模壓輥，模壓輥溫度設(shè)置為80-100℃，通過模壓輥定型和紫外光照射形成厚度小于0.5cm的氣凝膠氈雛形；
（4）階梯干燥
將步驟（3）得到的氣凝膠氈雛形通過牽引輥引入烘干隧道，烘干隧道設(shè)置階梯溫度，分別為一段烘干溫度100-120℃、二段溫度130-150℃、三段溫度180-200℃，通過階梯烘干，凝膠化礦物纖維與二氧化硅濕凝膠逐步干燥、相互交織，形成均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌；
（5）冷卻卷取
通過烘干隧道干燥，經(jīng)牽引進(jìn)入冷卻輥冷卻，然后卷取得到氣凝膠保溫隔熱氈。
優(yōu)選的，步驟（1）所述含硅無機(jī)物為高嶺土、硅酸鈉、粉煤灰、硅灰石中的至少一種。
優(yōu)選的，步驟（2）所述的礦物纖維為玄武巖纖維、石膏纖維、海泡石纖維、水鎂石纖維中的至少一種；
優(yōu)選的，步驟（2）所述的分散劑為六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、磺化琥珀酸鈉中的至少一種，用量為礦物纖維質(zhì)量的0.3-2%。
優(yōu)選的，步驟（2）所述的親水性高分子材料為纖維素醚、殼聚糖、聚乙烯醇、羧甲基淀粉、海藻酸鈉中的至少一種。
優(yōu)選的，步驟（2）所述的交聯(lián)劑為N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、乙二醇雙丙烯酸酯、1,3- 丙二醇雙丙烯酸酯、硼酸、環(huán)氧氯丙烷、戊二醛中的一種。
進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟（2）所述的礦物纖維、氫氧化鈉、親水性高分子材料、交聯(lián)劑的質(zhì)量比例為：100:（5-10）:（3-5）:（0.01-0.1）。
優(yōu)選的，步驟（3）所述的粘合劑為酚醛樹脂、環(huán)氧聚脂、聚氨酯中的一種。
優(yōu)選的，步驟（4）氣凝膠氈雛形通過烘干隧道中的時(shí)間為30-60min。
本發(fā)明通過對(duì)礦物纖維表面的基團(tuán)激活，并輔助親水性高分子材料交聯(lián)凝膠化，使礦物纖維表面形成凝膠從而具有柔性，其突出的優(yōu)勢(shì)是與二氧化硅濕凝膠混合后能形成相互交織、均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免干燥時(shí)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌，進(jìn)一步通過紫外光輔助老化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)成型和干燥。該方法無需溶劑置換，可連續(xù)化生產(chǎn)，獲得氣凝膠保溫隔熱氈柔性好、無掉粉、可卷取。大幅降低氣凝膠的生產(chǎn)成本，推進(jìn)了氣凝膠規(guī)?；€(wěn)定量產(chǎn)，對(duì)氣凝膠在建筑保溫隔熱、工業(yè)管路保溫隔熱、熱工設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。
一個(gè)典型的制備過程得到的氣凝膠保溫隔熱氈在保溫隔熱性能和使用方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。通過測(cè)試，氣凝膠保溫隔熱氈的厚度為0.45cm，密度為260kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.03w/m·k，具有良好的強(qiáng)度和可裁切性，抗拉強(qiáng)度超過250kPa。
一種連續(xù)制備氣凝膠保溫隔熱氈的方法，與現(xiàn)技術(shù)相比突出的特點(diǎn)和有益的效果在于：
1、通過對(duì)礦物纖維凝膠化，使凝膠化礦物纖維與二氧化硅濕凝膠相互交織，形成均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免常壓干燥時(shí)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌。
2、通過礦物纖維表面形成凝膠，賦予良好的柔性，并通過紫外光輔助老化實(shí)現(xiàn)了連續(xù)干燥、卷取，得到質(zhì)量穩(wěn)定、柔性良好的氣凝膠保溫隔熱氈。
3、本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)穩(wěn)定易控，可連續(xù)化封閉生產(chǎn)，適合于大規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
以下通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
實(shí)施例1
本實(shí)施列步驟如下：
（1）制備二氧化硅濕凝膠
以含硅無機(jī)物高嶺土為原料，通過堿液浸出得到水溶性硅源溶液，然后酸化形成硅酸水溶液，進(jìn)一步通過氨水調(diào)制溶液的pH 值至5-8，形成二氧化硅濕凝膠；
（2）礦物纖維凝膠化
將100kg玄武巖纖維與0.3kg分散劑六偏磷酸鈉分散在水中形成漿體，加入10kg氫氧化鈉，在400rpm高速攪拌條件下，活化15min，使玄武巖纖維表面基團(tuán)活化，然后加入3kg親水性高分子材料聚乙烯醇、0.1kg交聯(lián)劑硼酸，進(jìn)一步攪拌得到凝膠化的礦物纖維；
（3）制備氣凝膠氈雛形
將步驟（1）預(yù)備的二氧化硅濕凝膠、步驟（2）預(yù)備的凝膠化礦物纖維以體積比1:5配制，加入適量水性聚氨酯混合均勻，以瀑布狀流體形式連續(xù)平鋪引入模壓輥，模壓輥溫度設(shè)置為80-100℃，通過模壓輥定型和紫外光照射形成厚度小于0.5cm的氣凝膠氈雛形；水性聚氨酯的量為二氧化硅濕凝膠和凝膠化礦物纖維體積總量的1%；
（4）階梯干燥
將步驟（3）得到的氣凝膠氈雛形通過牽引輥引入烘干隧道，烘干隧道設(shè)置階梯溫度，分別為一段烘干溫度100-120℃、二段溫度130-150℃、三段溫度180-200℃，通過階梯烘干，凝膠化礦物纖維與二氧化硅濕凝膠逐步干燥、相互交織，形成均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌；
（5）冷卻卷取
通過烘干隧道干燥，經(jīng)牽引進(jìn)入冷卻輥冷卻，然后卷取得到氣凝膠保溫隔熱氈。
實(shí)施例1得到的氣凝膠保溫隔熱氈在保溫隔熱性能和使用方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。通過測(cè)試，氣凝膠保溫隔熱氈的厚度為0.45cm，密度為260kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.03w/m·k，具有良好的強(qiáng)度和可裁切性，抗拉強(qiáng)度超過250kPa。
實(shí)施例2
本實(shí)施列步驟如下：
（1）制備二氧化硅濕凝膠
以含硅無機(jī)物粉煤灰為原料，通過堿液浸出得到水溶性硅源溶液，然后酸化形成硅酸水溶液，進(jìn)一步通過氨水調(diào)制溶液的pH 值至5-8，形成二氧化硅濕凝膠；
（2）礦物纖維凝膠化
將100kg水鎂石纖維與1kg分散劑三聚磷酸鈉分散在水中形成漿體，加入5kg氫氧化鈉，在500rpm高速攪拌條件下，活化15min，使水鎂石纖維表面基團(tuán)活化，然后加入5kg親水性高分子材料海藻酸鈉、0.05kg交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，進(jìn)一步攪拌得到凝膠化的礦物纖維；（3）制備氣凝膠氈雛形
將步驟（1）預(yù)備的二氧化硅濕凝膠、步驟（2）預(yù)備的凝膠化礦物纖維以體積比1:3配制，加入適量環(huán)氧聚酯混合均勻，以瀑布狀流體形式連續(xù)平鋪引入模壓輥，模壓輥溫度設(shè)置為80-100℃，通過模壓輥定型和紫外光照射形成厚度小于0.5cm的氣凝膠氈雛形；
（4）階梯干燥
將步驟（3）得到的氣凝膠氈雛形通過牽引輥引入烘干隧道，烘干隧道設(shè)置階梯溫度，分別為一段烘干溫度100-120℃、二段溫度130-150℃、三段溫度180-200℃，通過階梯烘干，凝膠化礦物纖維與二氧化硅濕凝膠逐步干燥、相互交織，形成均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌；
（5）冷卻卷取
通過烘干隧道干燥，經(jīng)牽引進(jìn)入冷卻輥冷卻，然后卷取得到氣凝膠保溫隔熱氈。
實(shí)施例2得到的氣凝膠保溫隔熱氈在保溫隔熱性能和使用方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。通過測(cè)試，氣凝膠保溫隔熱氈的厚度為0.3cm，密度為280kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.025w/m·k，具有良好的強(qiáng)度和可裁切性，抗拉強(qiáng)度超過300kPa。
實(shí)施例3
本實(shí)施列步驟如下：
（1）制備二氧化硅濕凝膠
以含硅無機(jī)物硅灰石為原料，通過堿液浸出得到水溶性硅源溶液，然后酸化形成硅酸水溶液，進(jìn)一步通過氨水調(diào)制溶液的pH 值至5-8，形成二氧化硅濕凝膠；
（2）礦物纖維凝膠化
將100kg石膏纖維與0.5kg分散劑磺化琥珀酸鈉分散在水中形成漿體，加入10kg氫氧化鈉，在800rpm高速攪拌條件下，活化20min，使石膏纖維表面基團(tuán)活化，然后加入3kg親水性高分子材料殼聚糖、0.1kg交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷，進(jìn)一步攪拌得到凝膠化的礦物纖維；
（3）制備氣凝膠氈雛形
將步驟（1）預(yù)備的二氧化硅濕凝膠、步驟（2）預(yù)備的凝膠化礦物纖維以體積比1:3配制，加入適量酚醛樹脂混合均勻，以瀑布狀流體形式連續(xù)平鋪引入模壓輥，模壓輥溫度設(shè)置為80-100℃，通過模壓輥定型和紫外光照射形成厚度小于0.5cm的氣凝膠氈雛形
（4）階梯干燥
將步驟（3）得到的氣凝膠氈雛形通過牽引輥引入烘干隧道，烘干隧道設(shè)置階梯溫度，分別為一段烘干溫度100-120℃、二段溫度130-150℃、三段溫度180-200℃，通過階梯烘干，凝膠化礦物纖維與二氧化硅濕凝膠逐步干燥、相互交織，形成均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌；
（5）冷卻卷取
通過烘干隧道干燥，經(jīng)牽引進(jìn)入冷卻輥冷卻，然后卷取得到氣凝膠保溫隔熱氈。
實(shí)施例3得到的氣凝膠保溫隔熱氈在保溫隔熱性能和使用方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。通過測(cè)試，氣凝膠保溫隔熱氈的厚度為0.40cm，密度為255kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.028w/m·k，具有良好的強(qiáng)度和可裁切性，抗拉強(qiáng)度超過320kPa。
實(shí)施例4
本實(shí)施列步驟如下：
（1）制備二氧化硅濕凝膠
以含硅無機(jī)物硅酸鈉為原料，通過堿液浸出得到水溶性硅源溶液，然后酸化形成硅酸水溶液，進(jìn)一步通過氨水調(diào)制溶液的pH 值至5-8，形成二氧化硅濕凝膠；
（2）礦物纖維凝膠化
將100kg海泡石纖維與2kg分散劑磺化琥珀酸鈉分散在水中形成漿體，加入8kg氫氧化鈉，在600rpm高速攪拌條件下，活化20min，使海泡石纖維表面基團(tuán)活化，然后加入3kg親水性高分子材料纖維素醚、0.05kg交聯(lián)劑、戊二醛，進(jìn)一步攪拌得到凝膠化的礦物纖維；
（3）制備氣凝膠氈雛形
將步驟（1）預(yù)備的二氧化硅濕凝膠、步驟（2）預(yù)備的凝膠化礦物纖維以體積比1:5配制，加入適量水性聚氨酯混合均勻，以瀑布狀流體形式連續(xù)平鋪引入模壓輥，模壓輥溫度設(shè)置為80-100℃，通過模壓輥定型和紫外光照射形成厚度小于0.5cm的氣凝膠氈雛形；
（4）階梯干燥
將步驟（3）得到的氣凝膠氈雛形通過牽引輥引入烘干隧道，烘干隧道設(shè)置階梯溫度，分別為一段烘干溫度100-120℃、二段溫度130-150℃、三段溫度180-200℃，通過階梯烘干，凝膠化礦物纖維與二氧化硅濕凝膠逐步干燥、相互交織，形成均勻的支撐網(wǎng)絡(luò)，從而避免氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的坍塌；通過控制隧道長度和牽引速度，使氣凝膠氈烘干時(shí)間為達(dá)到60min；
（5）冷卻卷取
通過烘干隧道干燥，經(jīng)牽引進(jìn)入冷卻輥冷卻，然后卷取得到氣凝膠保溫隔熱氈。
實(shí)施例4連續(xù)化制備氣凝膠氈的牽引速度達(dá)到20m/min，得到的氣凝膠保溫隔熱氈柔性好、無掉粉、可卷取、可裁切。
盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。