气相二氧化硅在超级绝热材料中的应用.pdf

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气相二氧化硅在超级绝热材料中
的应用
段先健陈日旺
(广州吉必盛科技实业有限公司,广州
前言
在1992年,美国学者 Hunl A J等在国际材料工程大会上就提出了超
级绝热( Super insulation)材科的概念。通常,超级绝热材料是指在预定使
用条件下,导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。目前,
超级绝热材料主要有两种:一种是真空绝热材料,另一种就是纳米孔绝
热材料.
真空绝热板一般是由芯材、隔膜以及吸气剂(干燥剂)三个部分构
成,在真空绝热板中,其芯材的选择非常重要,它除了作为支撑材料外
它还可以限制残余在真空绝热板中的一些气体分子的运动空间,因而可
以阻止对流以及气体传到这两种传热。根据传热理论,多孔芯板的气孔
孔径越小,气体的对流及传导传热就越少,当多孔芯板的孔径与气体分
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子的平均自由程相当是,气体的对流及传导传热基本上可以被阻止。此外它还可以起到对红外辐射进
行吸收、散射的作用。
纳米孔超级绝热材料的特征
纳米孔超级绝热材料则具有以下几个特征:(1)材料内几乎所有的孔隙都应在100nm以下,因
为低于100nmオ算进入了纳米材料的范畴;(2)材料内大部分(80%以上)的气孔尺寸都应<50nm
根据分子运动及碰撞理论,气体的热量传递主要是通过高温侧的较高速度的分子与低温侧的较低速度
的分子相互碰撞来进行的,由于空气中主要成分氮气和氧气的自由程均在70nm左右,当材料内部的
微孔尺寸小于这一临界尺寸时,材料内部就消除了对流,从本质上切断了气体分子的热传导,从而可
获得比“无对流空气更低的导热系数;(3)材料应具有很低的体积密度;(4)材料在常温和设定的使
用温度下,都应该有比“无对流空气”更低的导热系数;(5)材料还应具有较好的耐高温性能。
二氧化硅气溶胶制备工艺
目前,国内外报导的纳米孔超级绝热材料多是以二氧化硅作为纳米孔载体,其中以二氧化硅气凝
胶研究和应用最多。二氧化硅气凝胶的制备是关键,通常有两种工艺制备二氧化硅气凝胶:一种是水
玻璃或者有机硅(正硅酸乙酯(TEOS)或者正硅酸甲酯(TMOS))为原料进行水解制备二氧化硅溶
胶,再加入凝胶剂获得二氧化硅凝胶,然后进行的陈化、洗涤、干燥等工艺制得二氧化硅气凝胶,图1
是利用水玻璃或者有机硅为原料制备二氧化硅气凝胶的流程示意图。
有机硅
催化剂
水解
加阻光剂或增加纤维
水玻璃
去离子
调节pH
凝胶
老化
超临界千燥
筛分
研磨
干燥
表面修饰
溶剂交换
成型
去粘结剂
性能检测
常压干燥
粘结剂
阻光剂
增强纤维
单体
图1用水玻璃或有机硅制备二氧化硅气凝胶的流程示意图
另一种方法是以微孔状液体微模版制备二氧化硅气凝胶,其流程示意图如图2。从生产工艺看,二
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氧化硅气凝胶的制备工艺复杂,效率低(凝胶的陈化时间就需要数天),而且要获得高质量的气凝胶
还需要进行超临界干燥,导致成本和效率低,难于实现产业化。
催化剂
聚乙烯
阻光剂
有机硅%高压雾化
收集粒子
成型
烧结去有机物
去离子
表面活性剂
微乳状液
性能检测
水玻璃
图2以表面活性剂或微孔状液体为模版制备二氧化硅气凝胶的流程示意图
四、气相二氧化硅颗粒的形成及特点
气相二氧化硅是通过氯硅烷在氢氧火焰中高温水解缩聚所制得的一种无定形纳米二氧化硅。其比
表面积为100~400m3/g,堆积密度为30~60gL,孔隙率大于90%,随着成型技术的发展,气相二氧
化硅用于制备二氧化硅纳米孔超级绝热材料越来越多的受到人们的关注。图3是气相二氧化硅在生产
过程中颗粒形成的示意图。在实际生产中,氯硅烷(四氯化硅、甲基三氯硅烷等)汽化后与氢气、氧
气混合均匀后在燃烧炉中燃烧水解,形成粒径为7~40nm的二氧化硅原生粒子,原生粒子相互碰撞之
后,嫆结在一起形成聚集体( aggregate),然后聚集体之间通过形成氢键或通过范德华力连接在一起形
成附聚体( agglomerate)。
氧气
氢气
有机硅烷
图3气相二氧化硅形成示意图
气相二氧化硅非常适合于制备真空超级绝热材料和纳米孔超级绝热材料,因为它具备了制备这两
种超级绝热材料所需的特点。首先,它的粒径比较小,原生粒径只有7~40nm,比表面积高,可以达
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