本发明涉及节能玻璃技术领域，尤其涉及一种包含气凝胶的隔热保温玻璃及其制备方法。
背景技术：
气凝胶是一种以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。其孔隙率高达99.8%，孔洞的典型尺寸为1～40nm，比表面积为400～1200m2/g，而密度可低至3kg/m3，室温导热系数可低至0.010w/（m•k）以下，表现出优异的轻质、透光、隔热、保温、隔音、防火、抗冲击性能，以及优异的化学稳定性和不燃性。正是由于这些特点使二氧化硅气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测等方面具有很广阔的应用潜力。
然而，由于常规溶胶-凝胶工艺过程复杂，且生产大尺寸完整透明气凝胶板材的综合技术门槛极高，不仅涉及到材料技术，而且还涉及工艺技术以及工艺装备技术等众多技术领域，因此，难以制备出大尺寸的完整气凝胶。此外，由于气凝胶是脆性材料，抗折强度较差，很难单独使用，只能作为中空玻璃的夹芯层使用，一定程度上限制了气凝胶在建筑透明围护结构领域的应用范围。
公开号为cn104556967a的中国专利申请公开了“二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料的研制”，主要制备工艺：将二氧化硅气凝胶粉体与玻璃结合剂、聚合物混合，同时添加分散剂、润湿剂、消泡剂、增稠剂等少量助剂，混合均匀，制成浆料，然后将浆料制成固定尺寸的样品，在10～25℃下干燥固化48个小时以上，再进行热处理，第一段330～500℃，保温2～5个小时，第二段550～800℃，保温3～5个小时，然后自然冷却到常温。但是，该方法存在以下问题：（1）由于加入助剂，导致有机溶剂会进入气凝胶纳米孔洞内，破坏气凝胶的三维网络结构；（2）采用聚合物作为过渡粘结剂，由于在330～500℃下高分子聚合物分解时易产生气体，而且不易排除，从而影响了所得复合隔热材料的纯度；（3）由于本方法制得的二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料是非透明的，限制了其在建筑透明围护结构方面的应用；（4）由于采用室温干燥固化及两步热处理工艺，导致工艺时间过长，生产效率低，不适合产业化生产。
技术实现要素：
本发明为了克服现有技术的上述问题，获得高透型且具有优异隔热保温性能的气凝胶复合玻璃材料，提供一种适合工业化的快速生产方法。
本发明提出的解决方案是：本发明通过采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶，利用气凝胶表面上存在的硅羟基，在外加温度与压力场下，与软化态/熔融态的玻璃之间可以形成键合，且可使软化态/熔融态的玻璃部分嵌入气凝胶纳米孔内，实现气凝胶表面与玻璃熔液之间良好的界面结合作用，而且，一方面可实现一体化成型，简化工序，提高生产效率，另一方面上下表层均为玻璃相，内部为气凝胶/玻璃复合体，得到的隔热保温玻璃兼具玻璃的良好力学性能和气凝胶特有的优异隔热保温、隔声降噪性能等。
本发明提出的一种隔热保温玻璃的制备方法，主要包括以下步骤：
（1）合片，将气凝胶与玻璃粉体均匀混合后，铺放于一片玻璃上，将另一片玻璃覆盖于混合料上，得到组合体；（2）热压成型，在一定温度和压力下，将组合体进行热压成型。
如此，通过合片与热压成型步骤，可得到一种上下表层为玻璃相、芯部为气凝胶及粘结所述气凝胶的玻璃相构成的气凝胶/玻璃复合体的隔热保温玻璃。本发明通过采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶，利用气凝胶表面上存在的硅羟基，在外加温度与压力场下，与软化态/熔融态的玻璃之间可以形成键合，且可使软化态/熔融态的玻璃部分嵌入气凝胶纳米孔内，实现气凝胶表面与玻璃熔液之间良好的界面结合作用，而且，一方面可实现一体化成型，简化工序，提高生产效率，另一方面上下表层均为玻璃相，内部为气凝胶/玻璃复合体，得到的隔热保温玻璃兼具玻璃的良好力学性能和气凝胶特有的优异隔热保温、隔声降噪性能及高透明等。因此，采用上述方法制得的隔热保温玻璃不仅具有玻璃本身的大尺寸和高强度以外，而且还具有良好的隔热保温性能、隔声降噪性能、安全性能以及重量轻等特性，解决了单纯的气凝胶抗折强度低不能单独作为玻璃直接使用的问题，显著地扩大了气凝胶在建筑透明围护结构领域的应用范围。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述热压成型步骤中的温度为450~800℃，压力为0.1~20mpa。如此，由于玻璃是无规则结构的非晶态固体，无固定熔点，玻璃由固态转变为熔融态是在一定温度区域（即软化温度范围）内进行的，因此在450~800℃的温度范围内玻璃通过一定时间达到软化态至熔融态，再在0.1~20mpa的外加圧力场下，最优地与气凝胶表面之间形成良好的界面结合强度。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述合片步骤之前，还包括玻璃的清洗和玻璃表面预处理。此外，玻璃表面预处理可以是利用含有硅烷偶联剂，如kh550的溶液处理玻璃内表面。如此，步骤（1）前对玻璃进行清洗和表面预处理可以提高玻璃的透光度以及玻璃与气凝胶的界面结合强度。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在将所述玻璃粉体与气凝胶混合之前还包括玻璃破碎步骤，即将玻璃破碎成玻璃粉体。其中玻璃还可以是废旧玻璃，如此，将废旧玻璃作为再生原材料进行回收再利用，降低了能耗和生产成本，减少了环境污染，切实地实现节能环保。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述气凝胶与玻璃粉体的体积比为（0.1-9）:1。如此，气凝胶占比可以很小，此时相当于普通玻璃，气凝胶占比可以很大，此时相当于气凝胶材料，因此根据性能需要，气凝胶与玻璃粉体的体积比范围可以为0.1：1到9：1。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述气凝胶具有内部疏水、表面亲水特性。如此，通过采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶，利用气凝胶表面上存在的硅羟基，在外加温度与压力场下，与软化态/熔融态的玻璃之间可以形成键合，且可使软化态/熔融态的玻璃部分嵌入气凝胶纳米孔内，实现气凝胶表面与玻璃熔液之间良好的界面结合作用。因此，直接用表面亲水内部疏水的气凝胶与玻璃熔液混合，可实现一体化成型，简化工序，提高生产效率，可获得高透型的隔热保温玻璃。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述气凝胶的形状可以为块状、颗粒状、粉末，根据性能需要确定。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述步骤（2）中，所述热压成型是在真空环境中进行。如此，在一定温度和压力条件下，玻璃发生软化或熔融，具有变形性或流动性，此时在真空环境中，进一步排除玻璃与气凝胶之间的气泡，冷却后获得隔热保温玻璃。如此，进一步提高隔热保温玻璃的隔热保温性能。
本发明的另一技术方案，一种隔热保温玻璃，其特征在于，由芯部和表层构成，所述芯部为由气凝胶及粘结所述气凝胶的玻璃相构成的气凝胶/玻璃复合体，所述表层为玻璃相。如此，由于隔热保温玻璃的上下表层均为玻璃相，芯部为气凝胶/玻璃复合体，因此兼具玻璃的良好力学性能和气凝胶特有的优异隔热保温、隔声降噪性能及高透明等，解决了单纯的气凝胶抗折强度低不能单独作为玻璃直接使用的问题。
附图说明
图1为本发明的隔热保温玻璃的结构剖面图。
其中：1—玻璃相；2—气凝胶。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明的一个实施例，一种隔热保温玻璃的制造方法，包括以下步骤：
（1）将气凝胶与玻璃粉体均匀混合后，铺放于一片玻璃上，再将另一片玻璃平行地覆盖于气凝胶与玻璃粉体的混合料上，得到组合体；
（2）在一定温度和压力下，将组合体进行热压成型。
如此，通过合片与热压成型步骤，可得到一种上下表层为玻璃相、芯部为气凝胶及粘结所述气凝胶的玻璃相构成的气凝胶/玻璃复合体的隔热保温玻璃，如图1所示。本发明通过采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶，利用气凝胶表面上存在的硅羟基，在外加温度与压力场下，与软化态/熔融态的玻璃之间可以形成键合，且可使软化态/熔融态的玻璃部分嵌入气凝胶纳米孔内，实现气凝胶表面与玻璃熔液之间良好的界面结合作用，而且，一方面可实现一体化成型，简化工序，提高生产效率，另一方面上下表层均为玻璃相，内部为气凝胶/玻璃复合体，得到的隔热保温玻璃兼具玻璃的良好力学性能和气凝胶特有的优异隔热保温、隔声降噪性能及高透明等。因此，采用上述方法制得的隔热保温玻璃不仅具有玻璃本身的大尺寸和高强度以外，而且还具有良好的隔热保温性能、隔声降噪性能、安全性能以及重量轻等特性，解决了单纯的气凝胶抗折强度低不能单独作为玻璃直接使用的问题。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述热压成型步骤中的温度为450~800℃，压力为0.1~20mpa。如此，由于玻璃是无规则结构的非晶态固体，无固定熔点，玻璃由固态转变为熔融态是在一定温度区域（即软化温度范围）内进行的，因此在450~800℃的温度范围内玻璃通过一定时间达到软化态至熔融态，再在0.1~20mpa的外加圧力场下，最优地与气凝胶表面之间形成良好的界面结合强度。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述合片步骤之前，还包括玻璃的清洗和玻璃表面预处理。此外，玻璃表面预处理可以是利用含有硅烷偶联剂，如kh550的溶液处理玻璃内表面。如此，步骤（1）前对玻璃进行清洗和表面预处理可以提高玻璃的透光度以及玻璃与气凝胶的界面结合强度。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，在将所述玻璃粉体与气凝胶混合之前还包括玻璃破碎步骤，即将玻璃破碎成玻璃粉体。其中玻璃还可以是废旧玻璃，如此，将废旧玻璃作为再生原材料进行回收再利用，降低了能耗和生产成本，减少了环境污染，切实地实现节能环保。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述气凝胶2与玻璃粉体1的体积比为（0.1-9）:1。如此，气凝胶占比可以很小，此时相当于普通玻璃，气凝胶占比可以很大，此时相当于气凝胶材料，因此根据性能需要，气凝胶与玻璃粉体的体积比范围可以为0.1：1到9：1。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述气凝胶具有内部疏水、表面亲水特性。如此，通过采用表面具有硅羟基、内部为疏水特性的气凝胶，利用气凝胶表面上存在的硅羟基，在外加温度与压力场下，与软化态/熔融态的玻璃之间可以形成键合，且可使软化态/熔融态的玻璃部分嵌入气凝胶纳米孔内，实现气凝胶表面与玻璃熔液之间良好的界面结合作用。因此，直接用表面亲水内部疏水的气凝胶与玻璃熔液混合，可实现一体化成型，简化工序，提高生产效率，可获得高透型的隔热保温玻璃。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述气凝胶2的形状可以为块状、颗粒状、粉末，根据性能需要确定。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤（2）中，所述热压成型是在真空环境中进行。如此，在一定温度和压力条件下，玻璃发生软化或熔融，具有变形性或流动性，此时在真空环境中，进一步排除玻璃与气凝胶之间的气泡，冷却后获得隔热保温玻璃。如此，进一步提高隔热保温玻璃的隔热保温性能。
本发明另一实施例，一种隔热保温玻璃，其特征在于，由芯部和表层构成，所述芯部为由气凝胶及粘结所述气凝胶的玻璃相构成的气凝胶/玻璃复合体，所述表层为玻璃相。如此，由于隔热保温玻璃的上下表层均为玻璃相，芯部为气凝胶/玻璃复合体，因此兼具玻璃的良好力学性能和气凝胶特有的优异隔热保温、隔声降噪性能及高透明等，解决了单纯的气凝胶抗折强度低不能单独作为玻璃直接使用的问题。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种隔热保温玻璃的制造方法，包括以下步骤：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为0.1:1，将定比的透明块状气凝胶与玻璃粉体均匀混合后，均匀铺放于一片玻璃上，再将另一片玻璃平行地覆盖于气凝胶与玻璃粉体的混合料上，得到组合体；
（2）在一定温度和压力下，将组合体进行热压成型，成型温度为450℃，成型压力为20mpa，在此条件下保持30min，得到隔热保温玻璃。
通过上述步骤得到的隔热保温玻璃如图1所示，其中，气凝胶/玻璃复合体的厚度为10mm，上、下表层玻璃厚度均为4mm，测试结果显示，其可见光透过率为90%，传热系数为2.90w/（m2·k）。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种隔热保温玻璃的制造方法，包括以下步骤：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为5:1，将定比的透明颗粒状气凝胶与玻璃粉体均匀混合后，均匀铺放于一片玻璃上，再将另一片玻璃平行地覆盖于气凝胶与玻璃粉体的混合料上，得到组合体；
（2）在一定温度和压力下，将组合体进行热压成型，成型温度为800℃，成型压力为0.1mpa，在此条件下保持20min，得到隔热保温玻璃。
通过上述步骤得到的隔热保温玻璃如图1所示，其中，气凝胶/玻璃复合体的厚度为10mm，上、下表层玻璃厚度均为4mm，测试结果显示，其可见光透过率为85%，传热系数为1.57w/（m2·k）。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种隔热保温玻璃的制造方法，包括以下步骤：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为2:1，将定比的透明粉末状气凝胶与玻璃粉体均匀混合后，均匀铺放于一片玻璃上，再将另一片玻璃平行地覆盖于气凝胶与玻璃粉体的混合料上，得到组合体；
（2）在一定温度和压力下，将组合体进行热压成型，成型温度为550℃，成型压力为10mpa，在此条件下保持25min，得到隔热保温玻璃。
通过上述步骤得到的隔热保温玻璃如图1所示，其中，气凝胶/玻璃复合体的厚度为10mm，上、下表层玻璃厚度均为4mm，测试结果显示，其可见光透过率为80%，传热系数为1.82w/（m2•k）。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，一种隔热保温玻璃的制造方法，包括以下步骤：
（1）按气凝胶与玻璃粉体的体积比为9:1，将定比的透明颗粒状气凝胶与玻璃粉体均匀混合后，均匀铺放于一片玻璃上，再将另一片玻璃平行地覆盖于气凝胶与玻璃粉体的混合料上，得到组合体；
（2）在一定温度和压力下，将组合体进行热压成型，成型温度为600℃，成型压力为1mpa，在此条件下保持30min，得到隔热保温玻璃。
通过上述步骤得到的隔热保温玻璃如图1所示，其中，气凝胶/玻璃复合体的厚度为10mm，上、下表层玻璃厚度均为4mm，测试结果显示，其可见光透过率为77%，传热系数为1.22w/（m2•k）。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。