纳米孔二氧化硅绝热材料的研究.pdf

第4卷第4期
材料研究
应用
2010年12月
MATERIALS RESEARCH AND APPLICATION
Dec.2010
文章编号:1673-9981(2010)04-0622-04
纳米孔二氧化硅绝热材料的研究
康旭',赵雷,段先健',李振华,李远兵2,李淑静2
(1.广州吉必盛科技实业有限公司,广东广州510450;
2.武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉430081)
摘要:纳米孔SiO)2绝热材料因其低密度、低导热率和耐高温等优良特性引起了越来越多的关注.本文
采用气相法二氧化硅、玻璃纤维和纳米TiO2为主要原料制备了二氧化硅纳米孔超级绝热材料.研究了
气相法二氧化硅比表面积、玻璃纤维长度和纳米TiO2粒径及其掺加量对纳米孔SiO2绝热材料导热性
能的影响.结果表明:最佳的纳米孔SiO2绝热材料特性可以通过调整上述三个因素获得,材料的热导率
在200C和900C时分别为0.037W/m?K和0.067W/m:K.
关键词:气相法气相法白炭黑;纳米TiO)2;热导率;绝热材料
中图分类号:TQ175.1
文献标识码:A
纳米孔SiO2绝热材料以其优良的绝热性能,被化学性能们,使其具有很多常规Ti(O2所不具备的
广泛用于航天航空、工业窑炉和石油化工等领域.该光、电、热、力学等特殊性质].目前,对纳米TiO2性
材料起初是以Si(O2气凝胶为原料',是一种新型质的研究主要集中在吸光?、抗紫外门、光催化8り
的轻质纳米多孔非晶固态材料,其孔洞率高达80%光电转换?等方面,而关于其在红外遮蔽方面的研
9.8%,具有优异的隔热性能.但是,SO.气凝胶究报道相对较少
低密度、高孔隙率导致力学性能急剧下降,气凝胶
本文针对采用SiO2气凝胶制备纳米孔SiO)2绝
强度低、脆性大,加之高温阶段遮挡红外辐射能力
热材料存在的工艺复杂、强度低、脆性大、高温阶段
差、原料昂贵和工艺流程复杂等原因,限制了SiO2
遮挡红外辐射能力差等缺陷,利用气相法气相法白
气凝胶在隔热领域的应用
炭黑为硅质原料,采用玻璃纤维增强和采用TO2作
气相二氧化硅,俗称气相法白炭黑,常态下为白
为红外遮蔽剂,研究了气相法二氧化硅比表面积、玻
色无定形絮状半透明固体球链状SiO2颗粒聚集体,
表面帯有羟基和吸附水,粒径小于100nm、无毒、比璃纤维长度和纳米TiO2粒径对纳米孔SiO2绝热材
料导热性能的影响
表面积100~400m2/g,表面活性高和纯度高(Si(O2
>99.8%).以上特性决定了其具备作为SiO2气凝
胶替代材料的可能性.尽管如此,为了满足实际应1实验
的要求,仍需要加人高长径比的玻璃纤维作为增强
材料以提高强度,并且添加纳米级TiO2作为红外
原料
遮蔽剂以降低高温条件下的辐射传热.纳米TiO2作
SiO2(气相法气相法白炭黑):吉必盛公司提供;
为一种新型的无机纳米功能材料,具有比表面大、表无碱玻璃纤维:单丝直径11~17pm,使用前先对其
面活性高、光吸收性能和热传导性好、催化性强,具进行表面处理和分散处理;黏结剂(实验室自制);粉
有高的折射率、较好的高温稳定性】等独特的物理、状纳米TiO2:作为红外遮蔽剂使用
收稿日期:2010-11-02
作者简介:康旭(1969-),男,陕西人,工程师,碩士.
万方数据
第4卷第4期
康旭,等:纳米孔二氧化硅绝热材料的研究
1.2实验方法
6~9nm,且其比表面积最大,为284.96m2/g.HL
纳米SO2多孔绝热材料采用干法制备工艺,首300较HIL-150其比表面能増大127.80%.这是因
先将气相法气相法白炭黑、玻璃纤维、TO2颗粒和为随着粒子半径的减小,比表面积的増大,其表面能
黏结剂四种原料充分分散混合均匀,进行封装回弹和表面张力都急剧増大;以及受纳米粒子小尺寸效
预处理,然后采用普通液压机成型工艺,在大气环境应,使粉体粘连及团聚加剧,从而使样品原料分散不
下制得尺寸D180mm×23mm的样块,最后对成型均,且粉体粘连及团聚形成二次大颗粒,进而造成颗
块体进行热处理后制得纳米SiO2多孔绝热材料.
粒堆积的孔增大,导致材料热导率增大;即对于不同
形态的气相法白炭黑,粒径越小,粉体比表面积越
1.3分析检测
大,其样板的热导率越大.
采用 Philps公司 Tecnail2透射电子显微镜
(TEM,120kV)对气相法气相法白炭黑和纳米
TiO2形貌进行测量.用平板导热仪对测试样品热导
(b)
率进行测量,参考中华人民共和国耐火材料《导热系
数试验方法(水流量平板法)》试验方法(YB/T4130
2005)进行,热面由2kW电炉提供热量,通过热电
偶控制热面温度.从电炉加热开始,每隔2min分别
记录样品热面温度.当热面温度达到200℃时恒温
50min,温差调零后进行测量,共测三次,每次间隔
d)
10min,取平均值.并继续測量500℃、900℃时样
品热面温度
2结果与讨论
2.1气相法白炭黑及其对材料物理性能的影响
TEM对SiO2进行表征(制样分散剂为乙醇)
由图1可知,气相法白炭黑HL-150粒度集中在15
1SiO2形貌的电镜照片
a)HL-150;(b)HIL-200;(c)HL-300;(d)HL-380
20nm;HL-200的粒度集中在9~11nm;HL-300
粒度集中在6~8.5nm;HI-380粒度集中在7~10
0.075
nm.图中黑块区及颜色较深区域均为粉体不同程度
0.070
的团聚,比表面积越大,粉体粒度越小,越易团聚
0.06
HL.-]50
从图2可以看出,气相法白炭黑HL-150制备
0.0601?HL-300
的样板热导率最小,在200℃时其热导率达到
HL-200
0.055
0.029W/m?K,500℃时热导率为0.033W/m
0.050
K,900℃其热导率为0.043W/m?K.气相法白炭黑
0.0451
HL-300制备的样板热导率最大,在200℃时其热导
0.040
率达到.043W/m?K,500℃C时热导率达到0.053泰o05
w/m?K,900℃其热导率达到0.072W/m?K
0.030
超细粉体理论可知,超细粉体粒径越小,其比表
1002003004005006007008009001000
面能越大,粉体粘连和团聚越严重.根据图1和图2
温度^C
可知,HL-150粉末直径在6.5~8.6nm,且其比表
图2温度对不同形态气相法白炭黑材料热导率的影响
面积最小,为127.33m2/g.而HL-300粉末直径在
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