二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料的研制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型隔热材料，具体是一种玻璃粘结剂粘附二氧化硅气凝胶粉体 的复合隔热材料。二氧化硅气凝胶作为一种新型隔热保温材料，其在建筑墙材，保温窗，太 阳集热器，航天航空器上有着广泛的应用，将低熔点玻璃结合剂与二氧化硅气凝胶粉体混 合制备的隔热材料强度高，气密性好，隔热性能优异，在中低温隔热领域有着巨大的潜力。
【背景技术】
[0002] 二氧化硅气凝胶是一种轻质纳米非晶固态材料，具有独特的三维网状结构以及纳 米级的固体相和孔隙结构。气凝胶的热稳定性好，甚至在900°c高温下仍具有较好的多孔网 络结构。常用二氧化硅气凝胶主要有两种形式，一种是块体材料。但是块体气凝胶质脆易 碎，制备时容易产生裂纹，实际应用过程中，会出现填充不充分的问题。另外一种为二氧化 硅气凝胶粉体。与块体气凝胶相比，气凝胶粉体可以与其他材料相结合生成其他复合材料， 如气凝胶防热毡，气凝胶涂料等，可以极大提高气凝胶的使用范围。二氧化硅气凝胶粉体最 常用的制备方法，一种是机械法，即通过机械方法将大块的气凝胶粉碎成形状不规则的小 颗粒，然后通过筛网筛选，粒径均匀的气凝胶颗粒，另一种可行的方法是雾化法，主要方法 是将硅源水解后形成的硅溶胶通过雾化器分散到乳化液中，然后在乳化液中添加催化剂进 行凝胶，由这种方法得到的二氧化硅气凝胶颗粒外观形态为微米级的小球，形状规则，宏观 粒径可控，品质均匀稳定。
[0003] 二氧化硅气凝胶粉体具有良好的隔热性能，在实际应用中常用聚合物作为载体。 目前市场上常用的聚合物结合剂为有机物乳液(包括纯丙乳液，苯丙乳液，丙烯酸乳液等） 以及一些有机树脂(环氧树脂，丙烯酸树脂，酚醛树脂，聚氨酯等)。这些粘结剂具有很强的 粘结性，与二氧化硅气凝胶粉体复合制备的隔热涂料，热导率较市场同类产品更低，隔热性 更好。但是这些有机粘结剂的熔点较低，耐热性差，温度升高时易分解，这就导致复合材料 只能在低温时使用。如果要提高材料的隔热范围，必须采用一种的无机材料作为气凝胶微 球的粘结剂，低熔点玻璃粘结剂是一个不错的选择。低熔点玻璃结合剂具有良好的耐热性 和化学稳定性，机械强度高。使用时选择具有合适温度和热膨胀系数的玻璃，可实现不同材 料之间的相互封接。低熔点玻璃结合剂的成分复杂，主要有以下几个体系。硼铅两元体系， 主要组成为硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐玻璃。这类体系的熔化温度高，常加入一些Si02，Ba0， Zn0，A1203等成分来增加其化学稳定性。铅锌硼三元体系，次要成分为Si02，Ba0，A1203等。 它与硼铅两元体系最大的不同在于可通过调节析出晶相的种类和数量来调节膨胀系数和 膨胀特性。目前铅锌硼三元体系中应用最广的是PbO,B203,ZnO和低膨胀系数的Zn0-B203 体系。除此以外，磷酸盐、钒酸盐、Bi03-B203-Si02和ZnO-B203-Si02等不同体系的低熔 点玻璃也在加紧研制。低熔点玻璃目前多用作封装材料，如管壳封装，涂层封装，钝化膜层 以及陶瓷，金属，玻璃之间的相互封接。本发明将这种低熔点玻璃作为一种中温粘结剂制备 二氧化硅气凝胶粉体复合隔热材料。低熔点玻璃结合剂属于无机材料，长期使用不易开裂， 使用寿命长。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料，这种复合材 料隔热性能好，导热系数低。采用的技术方案主要是采用高分子聚合物将玻璃结合剂与二 氧化硅气凝胶粉体粘结后在室温下干燥固化，然后再通过高温烧结。为了加快玻璃结合剂 的熔化速度，应尽量减小粘结剂的粒径。
[0005] 本发明中二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合隔热材料的主要制备工艺：以 聚合物为基料，然后将分散剂，润湿剂，消泡剂，增稠剂等助剂加入聚合物中，搅拌均匀后， 在将二氧化硅气凝胶粉体与玻璃结合剂加入乳液中，混合搅拌均匀，然后涂覆在试板上，在 10?25°C下干燥48个小时以上，涂覆方式为旋涂或喷涂或浸渍，试板为金属或半导体试 板。然后将试样放入马弗炉中加热，预设温度为330?480°C。设定温度在330°C?480°C， 这是因为聚合物的分解温度在310°C?550°C左右，而玻璃结合剂的熔化温度在500°C以 上。当温度达到310°C到480°C时，聚合物开始分解，而玻璃结合剂还没有开始熔化。在这一 温度下保持3?5个小时，聚合物就可以完全分解。然后调节设定温度到500°C?1000°C， 马弗炉继续升温。当温度再次达到设定的温度后，保温3?5个小时，玻璃结合剂完全熔化 后，停止升温，冷却2到4个小时取出样品。此时聚合物已经分解，而玻璃结合剂也完全熔 化，二氧化硅气凝胶粉体保持了完整的三维网状结构，被玻璃结合剂粘结在一起。样品制备 过程中各组分加入量如表1。
【主权项】
1. 采用低熔点玻璃结合剂与二氧化硅气凝胶粉体为主要原料，制备了一种新型隔热材 料。
2. 主要工艺是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，通过加热烧结的方式得到最终的产 品。
3. 由于气凝胶轻质易碎，在制备浆料时，可加入玻璃纤维，或陶瓷纤维，以增强复合材 料的强度，同时也可向浆料中添加二氧化钛TiO 2等遮光性物质，提高对红外光的反射。
4. 根据权利要求1所述的低熔点玻璃结合剂，其特征在于主要成分为氧化物的组合， 可能的氧化物组成为 PbO, CdO2, B2O3, SnO, SnO3, ZrO3, La2O3, ZnO, SiO2, Al2O3, Li2O, Na2O, V2O5, P2O5, Bi2O3, Li2O, K20, BaO, CaO,MnO等，组成低熔点玻璃结合剂可能的添加剂包括Al2O3, SiO2, SnO, ZrO2, RO (R 为 Zn、Ba、Mg, Cu, Co), W03, Li2O, SnCl2, CeO2, Ga2O3, Fe2O3, In2O3 等。
5. 根据权利要求1所述的玻璃结合剂，其特征在于熔点在500°C?800°C 根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶粉体，其特征在于具有纳米多孔及三维网状结 构，制备时可通过机械方法制备形状不规则的粉体颗粒，也可以在凝胶制备过程中采用滴 液成球法或雾化法直接制备球形颗粒。
6. 根据权利要求1所述的新型隔热材料，其特征在于浆料制备时，聚合物质量为总质 量的2%?15%，玻璃结合剂质量分数为10%?40%，二氧化硅气凝胶粉体的质量分数5%? 50%，助剂消泡剂，润湿剂，分散剂，增稠剂，固化剂的质量分数0%?0. 3%，其它添加物如玻 璃纤维，钛白粉等，质量分数控制在1%以下。
7. 根据权利要求1所述的新型隔热材料，其特征在于浆料在干燥固化后，要在空气或 有氧气氛中进行热处理。
8. 热处理温度分为两段，第一段330?500°C，保温2到5个小时，第二段550°C? 800°C，保温3?5个小时，然后自然冷却到常温。
【专利摘要】本文公开了一种二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂混合制备的新型隔热材料。本发明以二氧化硅气凝胶粉体和低熔点玻璃结合剂为主要成分，将玻璃结合剂与二氧化硅气凝胶粉体、高分子聚合物混合，同时向其中添加消泡剂，润湿剂等助剂，制备混合浆料，然后将浆料涂抹成试样，再将试样进行热处理，加热烧结后得到二氧化硅气凝胶粉体/玻璃结合剂复合材料。二氧化硅气凝胶粉体隔热性能优异，将它与玻璃粘结剂混合制备的复合材料，在500℃～800℃下具有良好的隔热性，扩大了二氧化硅气凝胶应用的温度范围。
【IPC分类】C04B32-00
【公开号】CN104556967
【申请号】CN201310497962
【发明人】何方, 吴菊英, 黄渝鸿, 郑伟, 王宏雁, 马秋花, 朱贺
【申请人】河南工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月22日