本发明涉及一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备方法，属于化工材料技术领域。
背景技术：
气凝胶是世界上已知密度最低的人造发泡物质，目前最轻的气凝胶仅有0.16mg/cm3，比空气密度略低，因此也被叫做“凝结的烟”或“蓝烟”。它是一种结构可控的轻质纳米多孔性非晶固态材料，其孔隙率高达80%～99.8%，孔洞尺寸为1～100nm，高比表面积200～1000m2/g，常温常压下热导率小于0.013w/m.k，比静止空气的热导率（0.026w/m.k）还低。
目前，二氧化硅气凝胶产业化面临的主要问题包括：制备工艺复杂、制备周期长、溶剂消耗量大、废液多等缺点，特别是纯硅气凝胶的红外热辐射随着温度的升高而急剧升高，限制了纯气凝胶在高温条件下的应用。通过添加相应的改性剂可以有效的解决这一问题，对实现其工业化具有重大的现实意义。
目前，国外从事气凝胶的研究与商业化的公司和研究机构主要集中在欧美地区和日本；在国内，自2012年以来相继有十几家企业进入sio2气凝胶绝热保温行业。而现在二氧化硅气凝胶复合材料主要用于热量工程、航天航空、建筑、新能源汽车、管道保温等领域。经过市场调研，我们发现如今的保温行业中缺乏高效绿色的保温材料，尤其是在高温保温领域，而纯气凝胶的红外热辐射随着温度的升高而急剧升高，限制了纯气凝胶在高温条件下的应用，因此，研制一种适合在高温条件下使用的高效绿色纳米气凝胶绝热材料，具有重大的实际意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备方法，以满足高温保温领域对保温材料的需求。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1）纳米气凝胶前驱体的配备，所述纳米气凝胶前驱体的原料包括硅源前驱体、水解催化剂、溶剂；
2）陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合；
3）复合后的纳米气凝胶绝热材料的成型；
4）成型后的纳米气凝胶绝热材料的陈化；
5）陈化后的纳米气凝胶绝热材料的干燥及测试。
前述制备方法中，所述硅源前驱体包括正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、三甲基氯硅烷、聚多硅氧烷中的一种或两种以上混合物。
前述制备方法中，所述水解催化剂包括纯水、盐酸、草酸、硝酸、硫酸、醋酸，氨水、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或两种以上的组合。
前述制备方法中，所述溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丙酮中的一种或两种以上的组合。
前述制备方法中，所述纳米气凝胶前驱体的配备，由以下组分按一定的体积比配制而成：正硅酸乙酯:99%工业甲醇:水催化剂=10:（20~100）:（2~5）。
前述制备方法中，所述陶瓷纤维毡包括陶瓷纤维板、陶瓷纤维棉、陶瓷纤维毡、陶瓷纤维纸等以直径为纳米级的陶瓷纤维材质制成的，密度不大于200kg/m³，质地均匀的板或毡。
前述制备方法中，所述陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合是先将纳米气凝胶前驱体输送到缓冲罐加热到（25~60）℃，再与碱性催化剂在管道混合搅拌均匀，然后将其喷淋到陶瓷纤维毡中，使毡体吸饱溶液，与前驱体合二为一，达到复合的目的。
前述制备方法中，所述纳米气凝胶绝热材料的成型是将复合完成后的材料输送到温度（35~45）℃的环境中保持（10~30）min，通过反应使液体变为胶状与毡溶为一体，固定成型。
前述制备方法中，所述纳米气凝胶绝热材料的陈化是将成型后的材料放入（35~50）℃溶剂中浸泡（24-48）h，完善胶体结构，增强前驱体与陶瓷纤维毡之间的复合。
前述制备方法中，所述干燥是将陈化后的纳米气凝胶绝热材料放入干燥设备中，利用超临界co2流体将其中的溶剂带走，使溶剂与材料分离，从而达到干燥的目的。所述测试是将在最佳工艺下制备得到的材料选择三个位置取样（三个位置应尽可能反应材料的情况），将三个位置取的样品分别进行导热系数（25℃）、密度、燃烧等级、产烟毒性测试，压缩强度（25%变形）。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，本发明具有以下特点：采用超临界设备进行干燥，以无色无味、无环境污染的二氧化碳作干燥介质，二氧化碳可循环使用，溶剂消耗量少，且二氧化碳售价便宜，因此材料干燥成本低。采用此制备工艺，生产周期短，在48h内即可生产出一卷纳米气凝胶绝热材料。采用超临界流体技术干燥出的材料，性能更优越。本发明的制备工艺简单，可实现连续化、大批量生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1）纳米气凝胶前驱体的配备，所述纳米气凝胶前驱体的原料包括硅源前驱体、水解催化剂、溶剂；所述硅源前驱体包括正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、三甲基氯硅烷、聚多硅氧烷中的一种或两种以上混合物；所述水解催化剂包括纯水、盐酸、草酸、硝酸、硫酸、醋酸，氨水、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或两种以上的组合；所述溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丙酮中的一种或两种以上的组合；所述纳米气凝胶前驱体的配备，由以下组分按一定的体积比配制而成：正硅酸乙酯:99%工业甲醇:水催化剂=10:（20~100）:（2~5）；
2）陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合；所述陶瓷纤维毡包括陶瓷纤维板、陶瓷纤维棉、陶瓷纤维毡、陶瓷纤维纸等以直径为纳米级的陶瓷纤维材质制成的，密度不大于200kg/m³，质地均匀的板或毡；所述陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合是先将纳米气凝胶前驱体输送到缓冲罐加热到（25~60）℃，再与碱性催化剂在管道混合搅拌均匀，然后将其喷淋到陶瓷纤维毡中，使毡体吸饱溶液，与前驱体合二为一，达到复合的目的；
3）复合后的纳米气凝胶绝热材料的成型；所述纳米气凝胶绝热材料的成型是将复合完成后的材料输送到温度（35~45）℃的环境中保持（10~30）min，通过反应使液体变为胶状与毡溶为一体，固定成型；
4）成型后的纳米气凝胶绝热材料的陈化；所述纳米气凝胶绝热材料的陈化是将成型后的材料放入（35~50）℃溶剂中浸泡（24-48）h，完善胶体结构，增强前驱体与陶瓷纤维毡之间的复合；
5）陈化后的纳米气凝胶绝热材料的干燥及测试；所述干燥是将陈化后的纳米气凝胶绝热材料放入干燥设备中，利用超临界co2流体将其中的溶剂带走，使溶剂与材料分离，从而达到干燥的目的；所述测试是将在最佳工艺下制备得到的材料选择三个位置取样（三个位置应尽可能反应材料的情况），将三个位置取的样品分别进行导热系数（25℃）、密度、燃烧等级、产烟毒性测试，压缩强度（25%变形）。
实施例1：
一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备工艺包括以下步骤：纳米气凝胶前驱体的配制→陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合→纳米气凝胶绝热材料的成型→纳米气凝胶绝热材料的陈化→纳米气凝胶绝热材料的干燥及测试。配制如下体积比的纳米气凝胶前驱体：正硅酸乙酯:99%工业甲醇:水催化剂=26:208:5。水催化剂为99.5%的草酸反应时间2h。将纳米气凝胶前驱体输送到缓冲罐加热到35℃，加入碱性催化剂（0.01mol/l氨水溶液），向上述溶液喷淋到陶瓷纤维毡中，使毡体吸饱溶液，与前驱体合二为一，启动传送带，将复合完成后的材料输送到温度35℃的环境中保持20min，通过反应使液体变为胶状与毡溶为一体，固定成型。将成形后的材料放入40℃的甲醇中浸泡28h，完成陈化。将陈化后的材料采用超临界二氧化碳流体干燥技术进行干燥，超临界压力为15mpa、超临界温度为50℃，二氧化碳流量为210kg/h，干燥时间为7h。
将干燥后的材料选择三个位置取样（三个位置应尽可能反应材料的情况），将三个位置取的样品分别进行导热系数（25℃）、密度、燃烧等级、产烟毒性测试，得到测试结果：导热系数（25℃）0.0172w/m.k、600℃时，导热系数为0.049w/m.k、密度187kg/m³、燃烧等级a级、产烟毒性za1级，压缩强度92.4kpa（25%变形）。
实施例2：
一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备工艺包括以下步骤：纳米气凝胶前驱体的配制→陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合→纳米气凝胶绝热材料的成型→纳米气凝胶绝热材料的陈化→纳米气凝胶绝热材料的干燥及测试。配制如下体积比的纳米气凝胶前驱体：正硅酸乙酯:99%工业甲醇:水催化剂=26:208:5。水催化剂为99.5%的草酸反应时间2h。将纳米气凝胶前驱体输送到缓冲罐加热到35℃，加入碱性催化剂（0.01mol/l氨水溶液），向上述溶液喷淋到陶瓷纤维毡中，使毡体吸饱溶液，与前驱体合二为一，启动传送带，将复合完成后的材料输送到温度35℃的环境中保持20min，通过反应使液体变为胶状与毡溶为一体，固定成型。将成形后的材料放入45℃的甲醇中浸泡30h，完成陈化。将陈化后的材料采用超临界二氧化碳流体干燥技术进行干燥，超临界压力为15mpa、超临界温度为50℃，二氧化碳流量为210kg/h，干燥时间为7h。
将干燥后的材料选择三个位置取样（三个位置应尽可能反应材料的情况），将三个位置取的样品分别进行导热系数（25℃）、密度、燃烧等级、产烟毒性测试，得到测试结果：导热系数（25℃）0.017w/m.k、600℃时，导热系数为0.047w/m.k、密度188kg/m³、燃烧等级a级、产烟毒性za1级，压缩强度92.5kpa（25%变形）。
实施例3：
一种高温管道用纳米气凝胶绝热材料的制备工艺包括以下步骤：纳米气凝胶前驱体的配制→陶瓷纤维毡与纳米气凝胶前驱体的复合→纳米气凝胶绝热材料的成型→纳米气凝胶绝热材料的陈化→纳米气凝胶绝热材料的干燥及测试。配制如下体积比的纳米气凝胶前驱体：正硅酸乙酯:99%工业甲醇:水催化剂=26:208:5。水催化剂为99.5%的草酸反应时间2.5h。将纳米气凝胶前驱体输送到缓冲罐加热到40℃，加入碱性催化剂（0.01mol/l氨水溶液），向上述溶液喷淋到陶瓷纤维毡中，使毡体吸饱溶液，与前驱体合二为一，启动传送带，将复合完成后的材料输送到温度35℃的环境中保持20min，通过反应使液体变为胶状与毡溶为一体，固定成型。将成形后的材料放入45℃的甲醇中浸泡35h，完成陈化。将陈化后的材料采用超临界二氧化碳流体干燥技术进行干燥，超临界压力为15mpa、超临界温度为55℃，二氧化碳流量为230kg/h，干燥时间为6h。
将干燥后的材料选择三个位置取样（三个位置应尽可能反应材料的情况），将三个位置取的样品分别进行导热系数（25℃）、密度、燃烧等级、产烟毒性测试，得到测试结果：导热系数（25℃）0.0167w/m.k、600℃时，导热系数为0.043w/m.k、密度186kg/m³、燃烧等级a级、产烟毒性za1级，压缩强度92.7kpa（25%变形）。其相关数据略优于实施例2。
当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的制备工艺方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。