一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡的制作方法
【专利摘要】<b>本实用新型公开了一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，包括纤维毡和填充纤维毡的气凝胶，其特征在于，所述纤维毡为</b><b>2.5</b><b>维增强</b><b>纤维毡，它是由若干</b><b>X-Y</b><b>平面的薄层纤维网胎于</b><b>Z</b><b>向叠层后再针刺连接而成。本实用新型的保温隔热毡结合了纤维毡和气凝胶两者的优点，增强了气凝胶的各项力学性能，具有较好的柔顺性和良好的机械强度，同时其尤其加强了气凝胶在高温条件下的红外热辐射阻挡能力，降低了纤维毡的热传导和热对流，因此整体相比其他隔热材料的保温隔热效果更明显，可广泛应用于中、高温条件下的保温领域。</b>
【专利说明】
一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡
技术领域
[0001]本实用新型属于中、高温条件下的保温材料技术领域，具体的涉及一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡。
【背景技术】
[0002]随着新能源等工业的发展，国内的单晶硅炉、多晶硅炉、高温气氛炉等中、高温冶炼炉应用广泛。单晶硅炉的工作温度在1500°C以上，用于高温处理的石墨化炉工作温度在2000°C左右，这些工业炉的工作温度高，能耗大，必须选用合适的高温保温材料，尽量提高隔热性能，提尚能量的利用率。
[0003]传统的高温炉大多采用碳纤维毡包裹碳/碳复合材料或石墨支撑材料进行保温，但是碳纤维软毡在使用过程中会产生较多的碳粉尘污染炉内环境，影响产品质量;而且保温效果有限，导致包裹层数多，安装不便。部分厂商采用了将碳纤维软毡固化制成碳纤维硬毡的方法，如公布号为CN101948327B，CN103009698A和CN104058777A的专利。这种固化碳毡较之传统碳纤维软毡具有低挥发性、良好支撑性能等优点，已得到部分应用。但是在实际生产中，尤其是高温热流较多的炉体中，大量热量随热流沿着硬毡从高温区向低温区(炉壁)传递，并不能有效提高软毡的隔热性能，降低能耗。
[0004]气凝胶是对轻质、多孔和大比表面积的纳米孔材料的通称，其制备方法为本领域专业人士所熟悉。它的低密度和大量的微孔可减少传导带来的热量损失，纳米小孔可将对流最小化。但是，其低密度和高孔隙率同时导致气凝胶的机械强度很低，易于破碎，限制了其应用。而且，尽管气凝胶在常温下能有效的阻挡红外热辐射，但随着温度的升高，其红外热辐射透过率增强。通过纤维来改善其机械性能是一种有效而普遍被接受的方法。
[0005]公布号为CN10331914A的专利，介绍了一种气凝胶复合材料，它通过选择合适的X-Y平面的纺织纤维网格和Z方向的无纺或纺织纤维来改善气凝胶的三维机械性能，同时保留气凝胶的保温性能。但是其增强纤维分为独立的X-Y平面纤维网格和Z向的无纺纤维两部分。这样Z向增强纤维与X-Y平面增强纤维结合不牢，使得平面剪切性能得不到有效改善；同时X-Y平面采用厘米级的纺织纤维网格，纤维含量低，增强效果有限，而且不能有效提高气凝胶的对高温下的红外热辐射的阻挡效果，因而限制了所述气凝胶复合材料在单晶硅炉一类高温炉中的应用。
【发明内容】
[0006]本实用新型目的是:提供一种保温隔热效果和红外热辐射阻挡效果更好，并且内部纤维的结合力和机械性能更佳的适用于中、高温条件下的整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其用于炉体中能够进一步有效的降低能耗。
[0007]本实用新型的技术方案是:一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，包括纤维毡和填充纤维毡的气凝胶，其特征在于，所述纤维毡为2.5维增强纤维毡，它是由若干X-Y平面的薄层纤维网胎于Z向叠层后再针刺连接而成。
[0008]进一步的，本实用新型中所述气凝胶均匀填充在所述2.5维增强纤维毡内部的纤维间隙中，并且气凝胶还覆盖所述2.5维增强纤维毡的上下表面。
[0009]进一步的，本实用新型中相邻的薄层纤维网胎之间通过Z向针刺纤维连接，所述Z向针刺纤维是在连续针刺时由刺针针头上的倒钩带入到针刺方向的原属于所述薄层纤维网胎上的纤维。也就是说，本实用新型中在Z向并未像现有技术那样引入无纺纤维，其Z向是针刺引入的出自薄层纤维网胎本身的短纤。
[0010]需要指出:本实用新型中2.5维的概念即准三维，是现有技术中已有的概念，因为本案中Z向的纤维连接为层间连接，但并不连续，不如X-Y面内的纤维连接明显。所述的X、Y和Z即构成空间三维坐标系。
[0011]本实用新型中的气凝胶为现有技术，其是采用溶液状的原料混合配比，搅拌成溶胶，然后在一定的条件下联结成固态的凝胶，然后再通过老化和溶剂挥发后形成多孔状的气凝胶固体块状结构。实际实施时，通过将气凝胶的溶胶溶液填充进2.5D增强纤维毡内，再通过老化和溶剂挥发后形成嵌置于2.f5D增强纤维毡内部和附着于表面的气凝胶。其形式类似于钢筋混凝土，2.f5D增强纤维毡相当于钢筋结构，气凝胶相当于混凝土。
[0012]进一步的，本实用新型中所述薄层纤维网胎的的纤维排布趋向无序，且其纤维网格为毫米级。
[0013]进一步的，本实用新型中所述薄层纤维网胎为短切纤维梳理成网网胎和气流成网网胎中的一种。
[0014]优选的，本实用新型还包括设置在所述2.5维增强纤维毡表层的致密纤维薄层，用于进一步降低高温热辐射和增强抗热冲击和耐腐蚀性能。因表层致密纤维薄层的存在，实际实施时，所述气凝胶凝固后覆盖所述上下表层的致密纤维薄层的表面。
[0015]更进一步的，本实用新型中所述致密纤维薄层通过针刺或粘结固定在所述2.5维增强纤维毡上。
[0016]更进一步的，本实用新型中所述致密纤维薄层为平纹布、斜纹布、缎纹布和高面密度无纺布中的一种或是两种，当所述致密纤维薄层选用所述两种布时，这两种布为叠层关系O
[0017]进一步的，本实用新型中所述气凝胶选自碳气凝胶、二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和过渡金属氧化物气凝胶中的一种。
[0018]进一步的，本实用新型中所述2.5维增强纤维毡中的薄层纤维网胎选自薄层碳纤维网胎、薄层玻璃纤维网胎、薄层预氧丝纤维网胎、薄层石英纤维网胎、薄层硅酸铝纤维网胎中的一种。
[0019]本实用新型的优点是:
[0020]本实用新型的整体复合结构气凝胶保温隔热毡与现有技术相比具有以下有益效果，
[0021](I)所述气凝胶保温隔热毡，在增强纤维毡内部和上下表面均匀填充了气凝胶材料，杜绝了传统中、高温炉中包裹用的碳纤维软毡或其他纤维毡在使用过程中挥发出来的碳粉或其他无机纤维粉末的对炉内环境的污染。
[0022](2)所述气凝胶保温隔热毡，复合了保温性能更加优良的气凝胶材料，相比现阶段已有应用的固化硬毡具有更好的隔热性能，降低了炉内热量随热流在毡内从高温区向低温区的热传导，有效降低能量损耗。
[0023](3)所述气凝胶保温隔热毡，采用2.5维的纤维毡作为增强材料，且所述2.5维增强纤维毡是由薄层网胎叠层针刺而成。因而相较于以往的平面纺织纤维网联合垂直方向的无纺纤维的增强体的密度更高，垂直向纤维结合更牢，增强效果更优;而且由于密度更高，尤其是平面内的网格更小，因而在高温条件下，具有更佳的红外热辐射阻挡效果，因而具有更优异的保温性能。
[0024](4)所述气凝胶保温隔热毡，比较柔顺，可用在各种形状容器和管道的保温，便于制成标准的规格尺寸，形成规模化生产，以降低生产成本，且便于存贮。通过选择合适的气凝胶种类和纤维种类及密度，可获得蒸汽管道和反应釜保温等中等温度环境，还可以用于光伏单晶娃炉、多晶娃炉和尚温处理的石墨化炉等尚温环境。
[0025]总结来说，该整体复合气凝胶毡结合了纤维毡和气凝胶两者的优点，增强了气凝胶的各项力学性能，同时加强了气凝胶在高温条件下的红外热辐射阻挡能力，降低了纤维毡的热传导和热对流。该整体复合气凝胶毡在中、高温条件下，具有优良的保温隔热效果和机械性能，且比较柔顺，便于安装拆卸，可用于各种形状容器及管道的保温。
【附图说明】
[0026]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述:
[0027]图1为本实用新型实施例1中整体复合气凝胶保温隔热毡的立体结构示意图(局部剖面)，
[0028]其中1、薄层纤维网胎;2、Z向针刺纤维;3、气凝胶。
[0029]图2为本实用新型实施例2中整体复合气凝胶保温隔热毡的立体结构示意图(局部剖面，且省略表层覆盖的气凝胶)，
[0030]其中1、薄层纤维网胎;2、Z向针刺纤维;3、气凝胶;4、致密纤维薄层。
[0031]下面通过【具体实施方式】结合附图对本实用新型作进一步详细说明，而并非局限如此。
[0032]实施例1:
[0033]如图1所示，本实施例提供的这种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，由2.5维增强纤维毡和气凝胶3构成，所述2.5维增强纤维毡是由若干X-Y平面的薄层纤维网胎I于Z向叠层后再针刺连接而成，所述气凝胶3均匀填充在所述2.5维增强纤维毡内部的纤维间隙中，并且气凝胶还覆盖所述2.5维增强纤维毡的上下表面。
[0034]具体见图1的局部剖面，相邻的薄层纤维网胎I之间通过Z向针刺纤维2连接，所述Z向针刺纤维2是在连续针刺时由刺针针头上的倒钩带入到针刺方向的原属于所述薄层纤维网胎I上的短纤维。
[0035]本例中，上述2.5维增强纤维毡采用气流成网的网格密度为30g/cm2的薄层预氧丝纤维网胎叠层针刺而成，针刺密度为30针/cm2，得到的2.5维增强纤维毡空间密度为0.0Sg/cm3。上述气凝胶采用以正硅酸乙酯为前驱体经过超临界干燥得到的二氧化硅气凝胶。预氧丝纤维具有高阻燃性，具有优良的热稳定性，制备得到的2.5维增强纤维毡中因二氧化硅气凝胶复合了预氧丝纤维，故具有良好的柔顺性，整体密度约为0.15g/cm3，耐温为450°C以上，可以用作高温蒸汽管道保温包裹层，有效阻隔高温蒸汽管道的热损失，降低能耗。
[0036]实施例2:
[0037]如图2所示，本实施例提供的这种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，由2.5维增强纤维毡、气凝胶3和2.5维增强纤维毡上下表面的致密纤维薄层4共同构成，所述2.5维增强纤维毡是由若干X-Y平面的薄层纤维网胎I于Z向叠层后再针刺连接而成，所述致密纤维薄层4通过针刺连接在所述2.5维增强纤维毡中最上层和最下层的薄层纤维网胎I的表面。所述气凝胶3均匀填充在所述2.5维增强纤维毡和致密纤维薄层4内部的纤维间隙中，并且气凝胶还覆盖所述上下表层的致密纤维薄层4的表面。
[0038]具体见图2的局部剖面，相邻的薄层纤维网胎I之间通过Z向针刺纤维2连接，所述Z向针刺纤维2是在连续针刺时由刺针针头上的倒钩带入到针刺方向的原属于所述薄层纤维网胎I上的短纤维。
[0039]本例中，上述2.5维增强纤维毡采用气流成网的网格密度为50g/cm2的薄层碳纤维网胎叠层针刺而成，针刺密度为60针/cm2，得到的2.5维增强纤维毡空间密度为0.15g/cm3。本例中上下表层的致密纤维薄层4采用200克重的3K碳纤维平纹布，通过针刺结合在薄层碳纤维网胎上。
[0040]上述气凝胶采用以二水合硝酸氧锆为前驱体经过超临界干燥得到的二氧化锆气凝胶。本例提供的保温隔热毡结合了高性能碳纤维的高强度、高耐温性和二氧化锆气凝胶的高耐温性和低导热率，并且通过增强纤维毡上下表面结合的致密碳纤维平纹布层，进一步有效阻挡了保温隔热毡在高温下的红外热辐射，因而具有优良的高温保温隔热性能。同时本例的保温隔热毡还具有较好的柔顺性，整体密度约为0.25g/cm3，耐温高达1200°C以上，可以包裹在单晶硅炉的保温桶外侧，有效隔热，在节约材料用量，方便装卸的同时，降低能耗。
[0041]当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，包括纤维毡和填充纤维毡的气凝胶(3)，其特征在于，所述纤维毡为2.5维增强纤维毡，它是由若干X-Y平面的薄层纤维网胎(I)于Z向叠层后再针刺连接而成。2.根据权利要求1所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于所述气凝胶(3)均匀填充在所述2.5维增强纤维毡内部的纤维间隙中，并且气凝胶(3)还覆盖所述2.5维增强纤维毡的上下表面。3.根据权利要求1所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于相邻的薄层纤维网胎(I)之间通过Z向针刺纤维(2)连接，所述Z向针刺纤维(2)是在连续针刺时由刺针针头上的倒钩带入到针刺方向的原属于所述薄层纤维网胎(I)上的纤维。4.根据权利要求1所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于，所述薄层纤维网胎(I)的的纤维排布趋向无序，且其纤维网格为毫米级。5.根据权利要求1或4所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于，所述薄层纤维网胎(I)为短切纤维梳理成网网胎和气流成网网胎中的一种。6.根据权利要求2所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于，还包括设置在所述2.5维增强纤维毡上下表层的致密纤维薄层(4)，所述气凝胶(3)覆盖所述上下表层的致密纤维薄层(4)的表面。7.根据权利要求6所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于，所述致密纤维薄层(4)通过针刺或粘结固定在所述2.5维增强纤维毡上。8.根据权利要求6所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于，所述致密纤维薄层(4)为平纹布、斜纹布、缎纹布和高面密度无纺布中的一种或是两种，当所述致密纤维薄层(4)选用两种布时，这两种布为叠层关系。9.根据权利要求1所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于所述气凝胶(3)选自碳气凝胶、二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和过渡金属氧化物气凝胶中的一种。10.根据权利要求1所述的一种整体复合结构气凝胶保温隔热毡，其特征在于所述2.5维增强纤维毡中的薄层纤维网胎(I)选自薄层碳纤维网胎、薄层玻璃纤维网胎、薄层预氧丝纤维网胎、薄层石英纤维网胎、薄层硅酸铝纤维网胎中的一种。
【文档编号】B32B5/28GK205439395SQ201521097943
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月24日
【发明人】谭俊文, 张俊娟, 刘江平
【申请人】嘉兴启晟碳材料有限公司