一种凹凸棒土复合玻纤芯材及其制备方法

本发明涉及一种玻璃纤维及其制备方法，特别涉及一种凹凸棒土复合玻纤芯材及其制备方法。

背景技术：

凹凸棒土，又称坡缕石，是一种含水富镁硅酸盐矿物，其理想的化学分子式为：mg5si8o20(ho)2(oh2)4·4h2o。凹凸棒土呈纤维状多孔晶体，因其具有良好的吸附、净化、粘结、脱色等性能，被广泛应用于化工、纺织、建材、环保等领域。我国的凹凸棒土矿产资源丰富且性能优异。随着使用要求的提高，天然的凹凸棒土因杂质多、结构散乱等缺陷逐渐被纳米棒晶凹凸棒土所取代。纳米棒晶凹凸棒土在耐腐蚀、耐高温、绝缘、绝热及环保等方面表现出了优异性能。天然的纳米棒晶凹凸棒土多数是以鸟巢状或柴垛状聚集。鸟巢状或柴垛状的凹凸棒土具有结构稳定性高和热导率低等特点。此外，纳米棒晶凹凸棒土与高聚物复合得到均匀的悬浮液，经一定的干燥技术制成气凝胶材料，其内部结构从原有的棒状纳米晶体转变成由纳米骨架相互连接形成的含有大量疏松孔道的层链状，甚至三维纤维网络状结构，严重阻碍了热量的转移和热对流的传递，使其具有极低的热导率，显示出优异的保温隔热性，具有广泛运用前景。

随着我国能源法的提出，建筑节能的重要性日益凸显。真空绝热板作为一种新型、高效的绝热材料备受人们关注。传统的真空绝热板一般是玻璃纤维作为芯材，该芯材具有保温性能好、厚度小等优点，但因玻璃纤维之间孔隙较大导致该芯材无法阻挡气体扩散，只要渗透进少量气体，真空绝热板就会因导热系数升高而失效。

申请号为201710505291.3的中国发明专利公开了一种环保型真空隔热板，该发明的优点是选用热导率低的玻璃纤维作为芯材的主要材料，加入硅藻土和凹凸棒增加芯材的可塑性，方便芯材压制成型。此外，硅藻土和凹凸棒石等粉体混合玻璃纤维棉时，可以大大减少材料中的热传导。但是，该发明仅优化了玻璃纤维的表层微小孔隙，当渗透进少量气体时，可能因气体热扩散引起的热导系数明显升高进而导致真空绝热板的失效。

技术实现要素：

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种凹凸棒土复合玻纤芯材及其制备方法。

为实现本发明的目的所采用的方案是：一种凹凸棒土复合玻纤芯材。按质量百分比包括60％～78％的玻璃纤维、15％～25％的纳米棒晶凹凸棒土、5％～10％凹凸棒土气凝胶和2％～5％的粘结剂。一方面利用热导率低的玻璃纤维可以极大提高芯材的保温效果；另一方面利用纳米棒晶凹凸棒土的鸟巢状结构，该结构使得芯材在承受外力时能够较均匀受力进而使芯材保持稳定。此外，加入层链状纳米纤维结构的凹凸棒土气凝胶使得该芯材在抗热导方面得到提升。该芯材实现了微结构孔隙分级和孔隙尺寸的调控，若将其应用到真空绝热板，可显著提高真空绝热板的结构稳定性、绝热性能，同时可大大降低真空绝热板气压敏感性，延长其服役寿命。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

所述凹凸棒土复合玻纤芯材中的玻纤为高碱玻璃纤维，平均直径8～12μm，长度10～20mm。

所述的纳米棒晶凹凸棒土是凹凸棒土以鸟巢状或柴垛状聚集的天然颗粒，颗粒直径50～70μm，纳米棒晶直径20～70nm，长度1～5μm。

所述的凹凸棒土气凝胶是以层链状聚集的纳米纤维，直径50～70μm。

所述的粘结剂为氧化硅或硅酸钠。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种凹凸棒土复合玻纤芯材的制备方法，该方法包括以下制备步骤：

(1)取纳米棒晶凹凸棒土和聚丙烯酰胺加水混合，经超声、搅拌后配置成均匀的凹凸棒土悬浮液；

(2)将正硅酸四乙酯、氯化铝和硼酸在水中混合均匀制备al/b/si摩尔比为(2.0～2.2)∶5∶1的al-b-si溶胶；

(3)将al-b-si溶胶加入凹凸棒土悬浮液中搅拌均匀得到分散体，将分散体在真空室中脱气后转移到模具中，经冷冻、煅烧除去杂质得到层链状结构的凹凸棒土气凝胶；

(4)将步骤(3)中得到的凹凸棒土气凝胶与纳米棒晶凹凸棒土、玻璃纤维和粘结剂在酸性水溶液环境下进行分散化和搅拌处理得到均匀混合的复合芯材浆料；

(5)将复合芯材浆料送入网前箱，采用成型网对浆料脱水成型，形成复合棉毡毛坯；

(6)将复合棉毡负压除水后送入烘烤箱内烘干固化，冷却剪裁后即可得到凹凸棒土复合玻纤芯材。

本发明的有益效果是：(1)纳米棒晶凹凸棒土具有耐腐蚀、耐高温、绝缘、绝热以及环保等优异性能，通过纳米棒晶凹凸棒土的复合可以提高玻纤芯材的耐腐蚀、耐高温和绝热性能，扩大其应用范围，且具有环保意义；(2)在玻璃纤维中添加纳米棒晶凹凸棒土和凹凸棒土气凝胶，可以实现微结构孔隙分级(既有微米级孔隙又有纳米级孔隙)和微结构孔隙尺寸的调控。该方法充分利用纳米棒晶凹凸棒土的鸟巢状孔隙结构和凹凸棒土气凝胶的层链状结构及其纳米孔隙，优化孔隙分布，降低热导率的同时，提高玻璃纤维的气压敏感性，从而提高临界内压，延长了真空绝热板的服役寿命；(3)鸟巢状结构具有结构稳定性和热导率低等优点，该方法充分利用鸟巢状纳米棒晶凹凸棒土，制备了一种结构稳定性高、回弹率低的复合芯材；(4)该方法因凹凸棒土矿产资源丰富，价格低廉，具有成本上的优势。

附图说明

图1是凹凸棒土复合玻纤芯材示意图；

图中1为玻璃纤维，2为鸟巢状纳米棒晶凹凸棒土，3为层链状凹凸棒土气凝胶。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

参照图1，是一种凹凸棒土复合玻纤芯材，1为玻璃纤维，2为鸟巢状纳米棒晶凹凸棒土，3为层链状凹凸棒土气凝胶，其特征在于：芯材纤维之间有粘结剂，玻纤孔隙之间掺杂有纳米棒晶凹凸棒土和凹凸棒土气凝胶，按质量百分比包括70％的玻璃纤维、25％的纳米棒晶凹凸棒土、3％的凹凸棒土气凝胶和2％的硅酸钠。在制备时的具体工艺如下：

(1)取纳米棒晶凹凸棒土和聚丙烯酰胺加水混合，经超声、搅拌后配置成均匀的凹凸棒土悬浮液；

(2)将正硅酸四乙酯、氯化铝和硼酸在水中混合均匀制备al/si/b摩尔比为2∶5∶1的al-b-si溶胶；

(3)将al-b-si溶胶加入凹凸棒土悬浮液中搅拌均匀得到分散体，分散体在真空室中脱气后，转移到模具中，经干冰/丙酮浴冷冻处理，获得凹凸棒土气凝胶前驱体。将该气凝胶前驱体在高温、流动空气中煅烧，除去聚丙烯酰胺，生成层链状结构凹凸棒土气凝胶；

(4)将步骤(3)中制备好的的凹凸棒土气凝胶与纳米棒晶凹凸棒土、玻璃纤维和硅酸钠放入配浆池中，加入浓硫酸后进行搅拌处理，得到均匀的复合芯材浆料；

(5)将复合芯材浆料送入网前箱，采用成型网对浆料脱水成型，形成复合棉毡毛坯；

(6)将复合棉毡毛坯负压除水，去除毛坯中70％的水分；将去除水分的复合棉毡毛坯送入烘烤箱内烘干固化，烘烤温度为350℃，烘烤时间为30min；待其冷却至常温，再根据使用要求进行剪裁，即得到凹凸棒土复合玻纤芯材。

该实施例制备的凹凸棒土复合玻纤芯材气压敏感性从100pa降低到300pa，导热系数小于0.003w/(m·k)，耐受温度提高30℃，在建筑节能领域具有重要应用价值。

实施例2

参照图1，是一种凹凸棒土复合玻纤芯材，1为玻璃纤维，2为鸟巢状纳米棒晶凹凸棒土，3为层链状凹凸棒土气凝胶，其特征在于：芯材纤维之间有粘结剂，玻纤孔隙之间掺杂有纳米棒晶凹凸棒土和凹凸棒土气凝胶，按质量百分比包括65％的玻璃纤维、25％的纳米棒晶凹凸棒土、5％的凹凸棒土气凝胶和5％的硅酸钠。在制备时的具体工艺如下：

(1)取纳米棒晶凹凸棒土和聚丙烯酰胺加水混合，经超声、搅拌后配置成均匀的凹凸棒土悬浮液；

(2)将正硅酸四乙酯、氯化铝和硼酸在水中混合均匀制备al/si/b摩尔比为2∶5∶1的al-b-si溶胶；

(3)将al-b-si溶胶加入凹凸棒土悬浮液中搅拌均匀得到分散体，分散体在真空室中脱气后，转移到模具中，经干冰/丙酮浴冷冻处理，获得凹凸棒土气凝胶前驱体。将该气凝胶前驱体在高温、流动空气中煅烧，除去聚丙烯酰胺，生成层链状结构凹凸棒土气凝胶；

(4)将步骤(3)中制备好的的凹凸棒土气凝胶与纳米棒晶凹凸棒土、玻璃纤维和硅酸钠放入配浆池中，加入浓硫酸后进行搅拌处理，得到均匀的复合芯材浆料；

(5)将复合芯材浆料送入网前箱，采用成型网对浆料脱水成型，形成复合棉毡毛坯；

(6)将复合棉毡毛坯负压除水，去除毛坯中70％的水分；将去除水分的复合棉毡毛坯送入烘烤箱内烘干固化，烘烤温度为350℃，烘烤时间为30min；待其冷却至常温，再根据使用要求进行剪裁，即得到凹凸棒土复合玻纤芯材。

该实施例制备的凹凸棒土复合玻纤芯材气压敏感性从100pa降低到350pa，导热系数小于0.003w/(m·k)，耐受温度提高40℃，在建筑节能领域具有重要应用价值。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。