气凝胶岩棉复合材料制备技术线路及其关键技术分析.docx

气凝胶岩棉复合材料制备技术线路及其关键技术分析气凝胶是比表面积可超过100Om2g.孔径在250nm、孔隙率可高达95%以上的一种轻质多孔材料。利用气凝胶的结构特点和化学制备上的优势，可以制备纳米晶复合气凝胶材料，使多孔气凝胶成为纳米晶的载体，从而生产一些具有特殊性能的材料。与传统保温材料相比，气凝胶具有导热低、质量轻、无毒的特点，在符合高标准的节能要求同时，施工更加简便，同时气凝胶材料本身是无机材料，具有优异的防火性，在建筑领域具有广阔前景。北京建筑材料检验研究院有限公司对此展开研究，通过溶胶凝胶法生产气凝胶岩棉复合材料，并对其生产工艺和多条件因素实验，开发出建筑保温用高效气凝胶岩棉复合保温材料。一、技术线路.以硅溶胶等二氧化硅前驱体（以下简称前驱体）为起始原料，通过溶胶-凝胶过程控制技术，即先将制备的溶胶与岩棉等浸渍复合,然后凝胶化得到岩棉纤维增强的湿凝胶；.利用后处理技术，即通过老化、溶剂置换等过程，进一步完善凝胶的纳米结构，并排除湿凝胶中的水，得到醇凝胶；再通过超临界二氧化碳干燥技术把醇凝胶中的乙醇除去；.最后通过疏水化处理，保证其结构性能稳定，即制备出气凝胶岩棉复合材料。图1：气凝胶岩棉复合材料的制备工艺流程.二、气凝胶岩棉复合材料制备关键技术分析1、控制硅溶胶前驱体的粒径硅溶胶是无定形二氧化硅微粒在水中形成的胶体溶液，粒径一般在7100nm,大小可控，表面有大量的硅羟基，在一定催化条件下，可进一步缩聚交联，形成凝胶，具备制备骨架相对粗壮的二氧化硅气凝胶的可行性。本方案中用自制的硅溶胶前驱体，合理控制其的粒径大小及粒径分布，最终得到性能稳定的气凝胶复合材料。2、凝胶后处理技术凝胶后处理技术主要包括湿凝胶老化、疏水化等。老化过程可以进一步完善溶胶-凝胶过程中形成的三维网络结构，有助于提高材料的力学性能和隔热性能。疏水化处理可以改变气凝胶材料的表面特性,有助于提高材料结构稳定性和环境适应性。采用常规方法制备的气凝胶，含有一OH（亲水性基团），容易吸收水分，表面张力随着水的存在而产生，导致气凝胶的孔结构塌陷，这一缺点使气凝胶的应用受到很大限制。形成凝胶后通过化学反应取代二氧化硅的Si-OH,同时在原位上接上疏水的有机基团。例如,用三甲基氯硅烷(TMCS)对凝胶进行疏水改性。3、超临界干燥工艺控制超临界干燥是气凝胶材料实现从湿凝胶到气凝胶无损化转变的关键性过程。对于1000L大容积超临界二氧化碳干燥设备，目前可供参考的小容积超临界设备工艺参数并不适用。釜体尺寸大幅度地增加，超临界二氧化碳流体与湿凝胶块体之间传热和传质的难度和复杂程度大大提高，会大幅度增加湿凝胶收缩、破裂的风险。为了保证气凝胶材料的质量稳定，进行1000L大釜体超临界二氧化碳干燥气凝胶材料工艺研究后，确定进料温度、二氧化碳流速、压力等相关工艺参数，优化釜体料筒结构设计，提高了气凝胶结构均一性，保证气凝胶材料的干燥效果，其中，乙醇超临界状态的条件Tc=241.15>Pc=6.38mPa。4、优化气凝胶材料的力学性能纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的强度主要来自于三方面：气凝胶胶连度、纤维本身的强度以及气凝胶在纤维中的填充比例。一般认为，气凝胶胶连程度越大，纤维本身的强度越高，气凝胶在纤维中填充越密实，复合材料的强度越高。通过增加凝胶的胶连程度和气凝胶在纤维中填充度来提高复合材料的强度。使用硅溶胶/乙醇的母液加热浸泡已凝胶后的样品，加入反应物促使反应朝正反应的方向进行，增加乙酯的反应程度来提高凝胶的胶连程度。同时通过增加硅溶胶、乙醇、催化剂母液浸泡的方式进行“二次凝胶”，增加中空纤维块体中气凝胶的含量。三、气凝胶含量对复合材料导热系数的影响选择0、5%、7%和10%的气凝胶含量，通过上述实验方案分别添加至不同厚度和密度的岩棉板中，并测试复合材料的导热系数，以此判断产品的保温性能，结果见下表。表1不同气凝胶含量复合材料的导热系数气凝胶含量/%岩棉板厚度mm岩棉板密度/(kgm)导热系数/W(mK)401200.03630401400.0372501200.0366401200.02335401400.025050120().0250401200.02027401400.021550120().0250401200.019610401400.02()450120().0250当岩棉板厚度为40mm,密度为120kg/n?时，其导热系数随着气凝胶含量的增加而逐渐减小。当气凝胶含量为10%时，复合材料的导热系数可低至00196W(mK),气凝胶使岩棉板的导热系数降低了35.8%46.0%o当岩棉板厚度为40mm、密度为140kg/n?时，复合材料的导热系数随着气凝胶含量的增加而逐渐减小。当气凝胶含量为10%时，导热系数最低可达0.0204W(mK)o气凝胶使岩棉板的导热系数降低了32.8%45.2%o当岩棉板厚度为50mm、密度为120kg/n?时，复合材料的导热系数随着气凝胶含量的增加先减小后增大。当气凝胶含量达到7%时，导热系数最低可达00215W(mK)o气凝胶使岩棉板的导热系数降低了31.7%-41.3%o当气凝胶的掺量增加时，以不同厚度和密度的岩棉板制得的复合材料导热系数大多随之减小，尤其是以厚度为40mm、密度为120kg/n?的岩棉板为原材料，气凝胶的掺量为10%时，复合材料的导热系数最小，相应的保温效果也最好。但是，随着气凝胶含量的增加，相应的生产工艺成本也随之大幅增加。通过对比可以发现，当气凝胶含量为7%时，复合材料的导热系数与气凝胶含量为10%时相差不大。因此，考虑到经济性，最终选择气凝胶含量为7%。总结通过溶胶-凝胶过程控制技术成功制备了气凝胶岩棉复合材料，且相较于岩棉，复合材料的导热系数下降了31.7%460%。气凝胶含量、岩棉板厚度和密度都对复合材料的导热系数产生不同程度的影响，通过试验最终确定了保温效果最好的气凝胶岩棉复合材料的制备工艺参数为：气凝胶含量为7%,岩棉板厚度为40mm,密度为120kg/m3,按此工艺制备的复合材料导热系数最低，为0.0202亚(/11110。