专利名称：：一种高温管道用高效隔热材料及其制备方法
技术领域：
：本发明属于保温材料领域，特别涉及一种高温管道用高效隔热材料及其制备方法。
背景技术：
：目前用于50(TC以上的高温管道绝热材料主要包括①硅酸铝纤维及其制品；②岩棉、矿渣棉及其制品；③玻璃棉制品(无碱超细玻璃棉)；膨胀蛭石及其复合材料；⑤石棉制品(泡沫石棉)。长期以来，上述绝热材料在使用过程中，暴露出大量问题和使用缺陷，主要包括1)绝热性能差常温导热系数0.06-0.2W/nvK，且随使用温度快速上升，如在40(TC时高质量玻璃棉毯的导热系数为0.13W/nvK。导热系数大，直接导致包敷厚度加大，以使用温度50(TC、直径为76mm的蒸汽管道为例，做完保温层后其外部直径达300mm以上，占有大量有效容积，即便如此其周围的环境温度仍很高，达到5(TC以上。2)吸湿吸潮、腐蚀管路和设备纤维类绝热材料在海洋及高温高湿环境中，容易吸湿潮解(吸水率97%以上)，且不易散发，导致管路、热力设备、阀门等的过早腐蚀，影响其使用寿命和性能的发挥，造成维修经费的大幅增长。3)对人体有害更为严重的是，在维修和安装过程中纤维类绝热材料还会造成放射性污染、刺激皮肤和引起呼吸系统疾病，严重危害人体健康，国外被定为2B类致癌物质。4)占有过多的有效空间和重量，导致周围环境拥挤不堪，人员可达性差，设备维修不便。实际上，绝热材料的选型长期以来一直是困扰设计、维修和使用部门的重大技术难题，国内绝热材料已到了不得不改的地步。在能源短缺的今3天，迫切需要一种绝热性能优良，对人体及设备无毒害，性质稳定，使用寿命长的超级高效隔热材料。以溶胶-凝胶法制备的气凝胶基超级绝热材料，有望用于高温管道的高效隔热。这种材料是以增强纤维预制成所需尺寸的管壳状，然后与气凝胶复合，经超临界干燥而成。超临界干燥以乙醇、异丙醇或C02为超临界介质。其中乙醇、异丙醇的超临界温度/压力分别为243.4°C/6.38MPa、235.3°C/4.76MPa，C02的超临界温度/压力为31.06°C/7.39MPa。由于超临界干燥设备为(高温)高压设备，这种设备的长期使用存在很大的安全隐患，导致这种材料生产成本过高，不能有效地加以工业化利用。
发明内容本发明目的就是针对高温管道使用环境及技术要求，克服溶胶-凝胶法制备气凝胶基材料需要超临界干燥的缺点，提供一种制备过程安全、工艺简便，无毒无害，材料性能稳定的高温管道用高效隔热材料及其制备方法。本发明的技术方案是这样实现的它由下述原料按重量百分比混合而成纳米Si02粉末40-80%、红外遮光剂5-40%、增强纤维0-25%。本发明较好的技术方案是它由下述原料按重量百分比混合而成纳米Si02粉末70^、红外遮光剂25%、增强纤维5%。其中所述的纳米Si02粉末包括气相法Si02粉末、气相法白炭黑粉末、Si02气凝胶粉末，其单体SiO2粒径小于50nm，纯度99.5%以上，比表面积卯-500m々g，优选为150-300m2/g。所述的红外遮光剂为SiC、锆英石、金红石、锐钛矿石、赤铁矿石或钛铁矿石。所述的红外遮光剂粒径范围为0.5-l(Him，优选l-5pm。所述的增强纤维为水镁石纤维、硅酸铝纤维、陶瓷纤维、莫来石纤维、石英玻璃纤维或硬硅钙石纤维。所述的增强纤维的直径为0.5-20pm，优选l-10pm;纤维长度为0.5mm-20mm，优选l-5mm。本发明的制备方法依序包括下列步骤(1)将纳米Si02粉末40國80%、红外遮光剂5-40%、增强纤维0画25%在高速搅拌机中混合搅拌10-60分钟，形成纤维-粉末混合物。(2)将纤维-粉末混合物装入不同规格要求的管壳状模具内，在带有负压装置的成型设备中经过0.5-6MPa下干法压制成型。(3)在管壳状成型体外侧包覆玻璃纤维布，对材料表面及边角进行保护。热传导有三种方式导热、对流及辐射。本发明从这三个方面同时对热量的传导进行抑制。采用纳米Si02粉末，大大降低粉末颗粒的接触面积，同时，在材料基体中增强纤维、红外遮光剂等组成并不直接接触，而是通过纳米粉末分隔开，因而固体导热比例大大降低。在混合粉末制备及材料成型过程中纳米粉末颗粒形成低密度且具有一定强度的中空团聚体，团聚体内部孔隙直径小于100nm，这样材料中的气体在这么小的空间内被"锁住"，不发生流动，极大消除气体对流的影响；抑制辐射，则采用红外遮光剂粉末，把入射的热射线散射开，使其不能穿过材料。本方法中短切纤维无需预分散处理，通过高速旋转，使增强纤维与纳米粉末同时受剪切作用与压縮作用，纤维团聚体在剪切力作用下分散开，同时由于压力作用使单体纤维表面吸附的纳米颗粒，与纤维表面紧紧结合在一起。本发明与现有技术不同之处1)纳米Si02粉末与红外遮光剂、增强纤维，经纤维分散与均匀混合后可直接压制成型。成型体无需千燥，原料中也不添加粘结剂，其工艺路线与溶胶-凝胶法制备气凝胶基超级绝热材料完全不同。2)本发明中的高效隔热材料微观结构设计，充分考虑对固体导热、气体对流及高温下的辐射传热同时进行抑制。红外遮光剂和单根纤维表面包裹纳米粉末颗粒，固体间的接触以纳米颗粒点接触为主，使得固体热传导比例大大降低。同时纳米SiO2粉末团聚体孔隙平均直径在100nm以下，对气体的对流有很好的抑制作用。3)红外遮光剂的引入，提高了材料在3.75pm(对应于50(TC辐射热波长)的红外消光系数，因而对50(TC高温辐射热具有强烈阻隔作用，导热系5数随之大幅降低至静止空气值以下。本发明的高温管道用高效隔热材料物理性能，如表1所示。表l物理性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>图1不同红外遮光剂对纳米Si02粉末成型体红外消光系数的影响；图2红外遮光剂SiC加入量对隔热材料导热系数的影响；具体实施例方式以下结合实施例对本发明做进一步描述本发明采用纳米Si02粉末为主要原料，添加红外遮光剂、增强纤维经分散混合工艺后，干法压制成型。最高使用温度为80(TC，而且性质稳定。在使用温度下其导热系数低于静止空气导热系数，材料密度适中。在同样50(TC使用温度下，其导热系数只是目前广泛使用的硅酸铝纤维材料的1/3-1/4。以(D168mm管道为例，采用硅酸铝纤维材料设计，外表面温度55°C时，需要隔热层厚度99mm;而采用本发明的高效隔热材料，其厚度只有44mm，隔热层厚度减少55.6%。隔热施工后管道断面直径从365mm减小至257mm，管道每米长度减少使用空间约0.05m3，重量降低约2.1kg。本发明的高效隔热材料具有纳米气孔结构特征，能有效防止cr的渗透，对管道等本体具有保护作用。比较实施例采用比表面积200m2/g纳米Si02粉末95wt%，与直径l-10pm、长度l-5mm的无碱超细玻璃纤维5wt%，在转速2400rpm的高速搅拌机中混合5分钟。置于210xll0x75mm的钢制模具中，2MPa压力下千压成型成厚度约30mm的样品(表2中样A)。成型体指压有弹性，测定其体积密度279kg/m3，常温导热系数0.033W/(nvK)，平均500。C时导热系数0.119W/(nrK)。而体积密度220kg/m3的硅酸铝纤维材料常温导热系数为0.040W/(m'K)，500°C时导热系数为0.120W/(nvK)。二者50(TC导热系数均远大于静止空气500°C导热系数0.058W/(m'K)。实施例1采用比表面积200m2/g纳米Si02粉末60wt%，与粒径范围0.39-13.98pm、中位粒径2.216pm的锆英石粉末35wt。/。、直径l-10jxm、长度l-5mm的无碱超细玻璃纤维5wt%，在转速2400rpm的高速搅拌机中混合5分钟。置于210x110x75mm的钢制模具中，2MPa压力下干压成型成厚度约30mm的样品(表2中样K)。成型体指压有弹性，测定其体积密度424kg/m3，常温导热系数0.036W/(m'K)，平均500。C时导热系数0.053W/(nvK)。纳米Si02基体中加入锆英石后，高温导热系数降低至比较例中的无遮光剂试样A的一半。其50(TC时导热系数小于静止空气50(TC导热系数值。实施例2将锆英石粉末替换为粒径范围1.29-5.97pm、中位粒径3.029pm的SiC粉末，其它不变。成型体(表2中样D)指压有弹性，测定其体积密度412kg/m3，常温导热系数0.039W/(m-K)，平均50(TC时导热系数0.048W/(m'K)。其500"C时导热系数小于静止空气500'C导热系数值。表2纳米Si02/遮光剂銜维复合材料导热系数测定结果(中国科学院上海硅酸盐研究所)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例3在比较实施例中，分别加入粒径范围1.29-5.97|im、中位粒径3.029pim的SiC粉末10wt°/。、25wt%、35wt%，保持相同纤维5wtW，调整比表面积200m々g纳米SiO2粉末加入量至总量为100%。在转速2400rpm的高速搅拌机中混合5分钟。置于210xll0x75mm的钢制模具中，2MPa压力下干压成型成厚度约30mm的样品。成型体指压有弹性，测定其性质分别为样B—10wt。/。SiC加入量，体积密度308kg/m3，常温导热系数0.036W/(m'K)，平均50(TC时导热系数0.048W/(m'K);样C—25wt%SiC加入量，体积密度346kg/m3,常温导热系数0.034W/(m'K)，平均500。C时导热系数0.044W/(m'K);样D—35wt%SiC加入量，体积密度412kg/m3，常温导热系数0.039W/(m'K)，平均500。C时导热系数0.048W/(m'K)。样B、样C和样D其50(TC时导热系数均小于静止空气500'C导热系数值。其中样C加工成60X60X8mm样块，进行平压强度测试，发现试样无屈服。取样块压縮应变25%时的压縮应力作为压縮强度，测得六块样品压縮强度值在2.41-2.84MPa之间，平均值为2.63MPa，离散系数6.20/0。实施例4采用比表面积200m2/g纳米Si02粉末70wt%，与粒径范围1.29-5.97pm、中位粒径3.029pm的SiC粉末25wt%、直径l-10pm、长度l-5mm的无碱超细玻璃纤维5wt%，在转速2400rpm的高速搅拌机中混合5分钟。置于210x110x75mm的钢制模具中，分别在l.OMPa、1.5MPa、2.0MPa禾卩2.8MPa压力下干压成型成厚度约30mm的样品。成型体指压有弹性，测定其性质分别为样H—成型压力l.OMPa，体积密度306kg/m3，常温导热系数0.033W/(m'K)，平均500。C时导热系数0.041W/(m'K);样I一成型压力1.5MPa，体积密度336kg/m3，常温导热系数0.034W/(m'K)，平均500。C时导热系数0.044W/(m'K);样C一成型压力2.0MPa，体积密度346kg/m3，常温导热系数0.034W/(m'K)，平均50(TC时导热系数0.044W/(m'K);样J一成型压力2.8MPa，体积密度396kg/m3，常温导热系数0.0393W/(m'K)，平均50(TC时导热系数0.050W/(nvK)。样H、样I、样C和样J其50(TC时导热系数均小于静止空气50(TC导热系数值。实施例5采用比表面积200m2/g纳米Si02粉末70wt%，分别与不同粒径的SiC粉末25wt。/。、直径l-10iim、长度l-5mm的无碱超细玻璃纤维5wt。/0，在转9速2400rpm的高速搅拌机中混合5分钟。置于210><110x75mm的钢制模具中，在2.0MPa压力下干压成型成厚度约30mm的样品。成型体指压有弹性，测定其性质分别为样E—SiC粒径范围0.65-4.24pm、中位粒径1.969pm，体积密度358kg/m3，常温导热系数0.036W/(m'K)，平均500°C时导热系数0.046W/(nvK);样C一SiC粒径范围1.29-5.97pm、中位粒径3.029|im，体积密度346kg/m3，常温导热系数0.034W/(rrrK)，平均500°C时导热系数0.044W/(m.K);样G—SiC粒径范围0.65-8.39pm、中位粒径3.112pm,体积密度360kg/m3，常温导热系数0.037W/(nvK),平均500°C时导热系数0.046W/Cm'K》样F—SiC粒径范围1.81-8.39(am、中位粒径4.314nm，体积密度356kg/m3，常温导热系数0.038W/(nvK)，平均500°C时导热系数0馬W/(m-K)。样E、样C、样G和样F其50(TC时导热系数均小于静止空气50(TC导热系数值。权利要求1.一种高温管道用高效隔热材料，它由下述原料按重量百分比混合而成纳米SiO2粉末40-80％、红外遮光剂5-40％、增强纤维0-25％。2、根据权利要求l所述的一种高温管道用高效隔热材料，它由下述原料按重量百分比混合而成纳米Si02粉末70。/。、红外遮光剂25%、增强纤维5%。3、根据权利要求1或2所述的一种高温管道用高效隔热材料，其中所述的纳米Si02粉末包括气相法Si02粉末、气相法白炭黑粉末、Si02气凝胶粉末，其单体SiO2粒径小于50nm，纯度99.5%以上，比表面积90-500m2/g。4、根据权利要求1或2所述的一种高温管道用高效隔热材料，其中所述的红外遮光剂为SiC、锆英石、金红石、锐钛矿石、赤铁矿石或钛铁矿石。5、根据权利要求4所述的一种高温管道用高效隔热材料，其中所述的红外遮光剂粒径范围为0.5-10pm。6、根据权利要求1或2所述的一种高温管道用高效隔热材料，其中所述的增强纤维为水镁石纤维、硅酸铝纤维、陶瓷纤维、莫来石纤维、石英玻璃纤维或硬硅钙石纤维。7、根据权利要求6所述的一种高温管道用高效隔热材料，其中所述的增强纤维的直径为0.5-20(im，纤维长度为0.5mm-20mm。8、一种高温管道用高效隔热材料的制备方法，依序包括下列步骤(1)将纳米Si02粉末40-80°/。、红外遮光剂5-40%、增强纤维0-25%在高速搅拌机中混合搅拌10-60分钟，形成纤维-粉末混合物。(2)将纤维-粉末混合物装入不同规格要求的管壳状模具内，在带有负压装置的成型设备中经过0.5-6MPa下干法压制成型。(3)在管壳状成型体外侧包覆玻璃纤维布，对材料表面及边角进行保护。全文摘要本发明公开了一种可用于高温管道隔热要求的高效隔热材料。它由下述原料按重量百分比混合而成纳米SiO<sub>2</sub>粉末40-80％、红外遮光剂5-40％、增强纤维0-25％。本发明材料采用干法成型，克服溶胶-凝胶法制备气凝胶基材料需要超临界干燥的缺点。本发明中的高效隔热材料通过微观结构设计，同时对导热、对流及高温下的辐射传热进行充分抑制，使材料在使用温度下导热系数低于静止空气的导热系数。文档编号C04B30/02GK101671157SQ200910272199公开日2010年3月17日申请日期2009年9月22日优先权日2009年9月22日发明者毅杨,杨自春,俊陈,陈德平,陈林根申请人:中国人民解放军海军工程大学