[发明专利]一种耐热冲击纤维增强气凝胶隔热材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种耐热冲击纤维增强气凝胶隔热材料，其制备原料包括气凝胶粉体、耐火纤维、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体、硅烷偶联剂和有机结合剂。本发明在纤维增强气凝胶隔热材料的基础上，加入了低膨胀/负膨胀粉体，并通过调整控制各原料之间的添加量，既平衡了来自耐火纤维和红外遮光剂带来的高热膨胀系数，使所述气凝胶隔热材料的膨胀系数保证在3.0×10^‑6/K以下，又保证了气凝胶隔热材料的强度，使所述气凝胶隔热材料的抗弯折强度保证在0.1MPa以上，从而使得本发明的隔热材料的具有较高的使用温度和良好的耐热冲击性。

技术领域

本发明涉及一种隔热材料及其制备方法，尤其是一种具有低膨胀系数、较高使用温度和抗弯折强度较大的纤维增强气凝胶隔热材料及其制备方法，属于无机材料技术领域。

背景技术

气凝胶是一种纳米多孔非晶固体材料，由于其孔隙率可以达到80％以上，所以其本身的堆积密度非常小，最低可以达到3kg/m³，所以其内部的固态热传导非常低。而且，二氧化硅气凝胶的气孔孔径尺寸一般小于空气分子的平均自由程，因而具有极低的气态热传导。所以在室温下，气凝胶总体的热导率小于0.022W/(m·K)，比静止空气的热导率0.026W/(m·K)还低，是一种潜在的建筑外墙保温材料。

但正是由于气凝胶的堆积密度较小，导致其自身强度不足，使得在施工中轻微的磕碰都会使其破碎、开裂，无法正常使用。为了增强气凝胶隔热材料的强度，研究人员很容易就想到把耐火纤维加入到气凝胶材料当中增强其强度。专利CN113402253A使用了有机纤维(如涤纶、腈纶、氨纶等)或者无机纤维(如氮化硼纤维、玄武岩纤维、凹凸棒土纤维等)来增强二氧化硅气凝胶的强度。虽然气凝胶的强度得到了增强，但是像涤纶或者氨纶等有机纤维的使用温度一般不高于200℃，大大降低了二氧化硅气凝胶的工作温度，限制了其使用范围。

专利CN10631187A在二氧化硅气凝胶当中加入了氧化铝纤维或者陶瓷纤维，使得二氧化硅气凝胶的抗弯折强度达到了1.5MPa，大大增加了气凝胶隔热材料自身的强度。但是其所述纤维复合二氧化硅气凝胶的制备过程非常繁琐，在酸碱的配合下需要高温水浴、低于室温的老化，还需要有机溶剂的交换、改性，整个制备过程长达三天，对生产设备要求较高，不适合大规模生产。

专利CN109336545A也通过加入玻璃纤维、氧化铝纤维等陶瓷纤维来增强二氧化硅气凝胶的强度。但由于其起始材料为硅烷偶联剂，需要在酸性催化条件下生成二氧化硅气凝胶颗粒，不但时间长达24小时，而且还消耗了大量的酸性溶液，对环境造成了影响。而后还需要溶胶凝胶反应、老化、溶液置换、干燥等步骤才能和纤维复合，整个合成过程不但漫长，而且极不环保，不适合大规模推广。

另外，还有专利CN108314413A和专利CN102010179A，虽然都利用了纤维材料增强了二氧化硅气凝胶的强度，但是目前公开的相关文献中，还没有研究过纤维材料对气凝胶隔热材料耐久性的影响。一般的陶瓷纤维，像氧化铝纤维(8.1×10^-6/K)和氧化锆纤维(9.1×10^-6/K)，都具有较高的热膨胀系数，而即便是属于中膨胀性的莫来石纤维(5.3×10^-6/K)也有着相当高的热膨胀系数。而在二氧化硅气凝胶当中添加陶瓷纤维的比重一般较大，相对较少的也有25％(CN108314413A)，而有些添加量甚至超过了80％(CN104529369A)，陶瓷纤维的大量添加，势必增加气凝胶隔热材料的热膨胀系数。而我国的民用建筑设计寿命最低也有50年，在白天日晒温度达到70℃，夜间温度为20℃的环境下不断经受热胀冷缩的冲击，高热膨胀系数的气凝胶隔热材料会迅速开裂、粉化，无法继续使用。另外，摩天大楼里的火灾蔓延速度一般都相当迅速，数秒之内就能使建筑材料被炙烤面的温度从室温上升到900℃，这就给建筑材料的耐热冲击性提出了要求。耐热冲击性一般与材料的热膨胀系数成反比，与材料的抗弯折强度成正比，与材料的热导率成反比。而气凝胶隔热材料的热导率本身较低，这就给耐热冲击性带来了不利影响。而且即便加入了陶瓷纤维，气凝胶隔热材料的抗弯折强度也不能跟普通耐火砖动辄几十几百兆帕的强度相媲美，在强度上气凝胶隔热材料也输一程。