刚性二氧化硅气凝胶绝热板的制备方法
【专利说明】刚性二氧化硅气凝胶绝热板的制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种气凝胶绝热板的制备方法，尤其是一种刚性二氧化硅气凝胶绝热板的制备方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]建筑保温材料种类众多，可分为有机和无机两大类。有机材料主要有模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沬塑料(XPS)、聚氨酯硬质泡沬塑料和酚醛保温板。有机材料价格低廉，保温效果较好，但材料防火等级低，如EPS板属于易燃材料，绝大多数材料在火灾时会产生浓烟。无机保温材料主要有岩棉、发泡混凝土、膨胀珍珠岩和空玻化微珠。无机保温材料容重大，保温效果较差；但防火阻燃，抗老化，性能稳定。二氧化硅气凝胶超级绝热材料是传统绝热材料革命性的替代产品，与传统材料相比，节能30%左右，并具有下列显著优点:
(1)超低导热系数，超级绝热性能，提升节能效果；
(2)极强的抗老化能力，使用寿命是常规材料的8?10倍；
(3)二氧化硅气凝胶的使用厚度是普通材料1/2?1/5，节省空间；
(4)更为简便的施工过程，并大量节省辅助材料；
(5)更少的维护成本，更为可靠的绝热效果；
(6)防火阻燃，宽温度使用范围，耐温差冲击；
(7)防水、抗渗、抗裂、抗震；
(8)绿色环保、保护环境和人体健康。
[0005]然而，目前市场上气凝胶绝热材料主要产品是气凝胶绝热毡，毡体较软，不适合在建筑领用使用。
[0006]气凝胶是一种由纳米粒子堆积而成的具有纳米孔结构、高比表面积(>700m2/g)、低密度的高分散固态材料，其中二氧化硅气凝胶最低密度可达到lmg/cm3，曾入选吉尼斯世界纪录。1931年斯坦福大学Kistler成功通过水解硅酸钠的方式首次制得二氧化硅气凝胶，但受限于其方法的繁琐工艺和长周期，二氧化硅气凝胶并未引起广泛的关注。在沉寂40年，法国Claud Bernard大学Teichner教授的课题组在材料与制备工艺上有重大突破，成功获得高质量的二氧化硅气凝胶。由此自1970年代起，越来越多的科研工作者加入到气凝胶的研宄之中。伴随气凝胶快速发展的亦有溶胶凝胶科学，二者互相促进，时至今日，气凝胶不论种类或是用途都被极大得扩展了。二氧化硅气凝胶绝热材料室温导热系数可低至0.013w/ (m?k)，使用温度可高达1300 °C，是迄今为止最轻的固体材料和绝热性能最好的材料，是传统绝热材料革命性的替代产品，与传统材料相比能节能30%左右。建筑节能领域是二氧化硅气凝胶材料的最大应用市场。目前制约其在建筑应用的主要障碍是价格较高，但随着工艺不断改进完善，成本逐步下降，目前已经达到市场接受能力，建筑市场是非常巨大的。目前，我国涉及与建筑节能外墙保温系统产品有关的生产和销售企业全国达到8000家，预计到2020年，建筑节能改造和新建建筑保温节能市场空间合计约达5万亿元，超级气凝胶绝热材料的市场是巨大的。
[0007]目前二氧化硅气凝胶的生产工艺主要是超临界干燥法，又可分为醇类高温超临界干燥(如乙醇超临界干燥，超临界状态Tc=241.15°C，Pc=6.38MPa。)和低温超临界干燥(如二氧化碳超临界干燥，超临界状态Tc=31.2°C，Pc=7.38MPa)。无论哪一种超临界干燥工艺都存在设备复杂，能耗高，生产时间长，制造成本昂贵等问题。市场上销售的气凝胶材料，多采用正硅酸乙酯为硅源，三甲基氯硅烷做疏水，含有对不锈钢严重腐蚀的氯离子，不能在核电和液化天然气领域应用。同时，市场上销售的气凝胶绝热毡强度低，不抗折，受外力撕扯容易断裂、分层，限制了该类材料在建筑领域的大范围应用。
[0008]常压干燥技术是大规模工业化生产气凝胶材料的重要手段，以往的常压干燥技术需要繁琐的水洗、溶剂交换、表面改性，因此限制了该类技术发展。例如专利101671029首先将正硅酸乙酯、无水乙醇、草酸和水混合后进行水解反应48?60h，其中正硅酸乙酯和水的摩尔比为1:1，正硅酸乙酯与无水乙醇的摩尔比为1: 7，正硅酸乙酯和草酸的摩尔比为1: 9X 10_4 ;第二，再加入水、N，N_ 二甲基甲酰胺和氨水，静置24?48h得到凝Jj父；二、将步骤二制备的凝胶在20?60°C干燥箱内放置2?6h后，然后置于体积浓度为80%乙醇的水溶液中，在40?60°C条件下老化处理12?24h，再置于体积比为1: 5的正硅酸乙酯和乙醇混合液中，在40?60°C条件下老化处理12?24h ;四、将经老化处理后的凝胶放入异丙醇中进行溶剂置换4?8h，然后放入体积比为I?4: 5的异丙醇和正己烷混合液中进行溶剂置换I?5次，每次4?8h，再放入正己烷中进行溶剂置换4?8h，然后用体积比为1:1?50三甲基氯硅烷和正己烷混合液进行表面修饰至完全透明，再用体积比为I: I?50异丙醇和正己烷混合液清洗4?8h，再用正己烷清洗4?8h ;五、将经步骤四处理后的凝胶在40?80°C条件下干燥6?10h，获得气凝胶，过程极其繁琐，又使用含氯、有毒的三甲基氯硅烷作为改性剂，不适用于工业化生产。
[0009]专利CN101691227先用正硅酸四乙酯和甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷制备湿凝胶；接着将湿凝胶浸泡在乙醇氛围中静置老化；老化后将凝胶浸泡在三甲基氯硅烷、无水乙醇和正己烷混合溶液中；然后在三甲基氯硅烷、无水乙醇和正己烷混合溶液中取出凝胶，用正己烷浸洗，去除残留在样品表面的混合溶液，并使之浸泡在正己烷中；再干燥，最终获得二氧化硅气凝胶材料，过程同样十分繁琐。专利CN101863480A也是经过繁琐的溶剂交换后，加入有毒的三甲基氯硅烷和烷烃将凝胶骨架表面S1-OH烷基化，然后进行常压干燥制得二氧化硅气凝胶。
[0010]本发明公开的刚性二氧化硅气凝胶板制备技术，完美的解决了毡体较软的缺点，同时先进的常压干燥技术有利于气凝胶绝热板的大规模工业化生产，生产工艺低温、低压、无毒，生产过程低碳、环保，该类板材是性能极佳的绿色建材。
[0011]
【发明内容】
[0012]本发明提供了一种强度好、低碳环保的刚性二氧化硅气凝胶绝热板的制备方法。
[0013]实现本发明目的的刚性二氧化硅气凝胶绝热板的制备方法，包括如下步骤:
(1)取模数3.1-3.6的钠水玻璃68~120g，加入纯水100~200g搅拌均匀，得到稀释水玻璃；
(2)称取40wt%硫酸25~100g，加入10?40g乙醇，搅拌均匀，得到硫酸溶液；
(3)将稀释水玻璃和硫酸溶液混合，调节PH为3.5?4.5，得到溶胶；
(4)将溶胶倒入放有增强纤维的模具中，溶胶将在10?15min后凝胶，然后保温50?80°C静置2?10h，制得凝胶板；
(5)一体化老化和酸醇化含醇水凝胶板:配制95wt%乙醇和20~40wt%硫酸质量比为20:1?60:1的混合溶1500?3000ml，将凝胶板置入，保温50?80