一种纳米保温材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种纳米保温材料及其制备方法和应用 (Nano thermal insulation material and preparation method and application thereof ) 是由 纪冠丞 张磊 李季 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：一种纳米保温材料及其制备方法和应用,本发明涉及保温材料及其制备方法和应用。本发明是要解决现有的保温夹层材料导热系数高、工艺复杂、阻燃绝缘性差、成品收缩率大的技术问题。方法：将按重量份数比称取后的主要填料、辅助填料和粘结剂使用分散机分散,得到混合料；向混合料中加入短切纤维,室温下使用分散机搅拌,得到纳米保温材料；将纳米保温材料注入到热水器内胆与特制的一体成型模具之间的夹层中,经加热,蒸养,最后开模,得到热水器纳米保温材料夹层。本发明用于保温材料领域。(The invention discloses a nano heat-insulating material and a preparation method and application thereof, and relates to a heat-insulating material and a preparation method and application thereof. The invention aims to solve the technical problems of high heat conductivity coefficient, complex process, poor flame-retardant insulation property and large shrinkage rate of finished products of the existing heat-insulating interlayer material. The method comprises the following steps: dispersing the main filler, the auxiliary filler and the binder which are weighed according to the weight part ratio by using a dispersion machine to obtain a mixture; adding chopped fibers into the mixture, and stirring the mixture at room temperature by using a dispersion machine to obtain a nano heat-insulating material; and (3) injecting the nano heat-insulating material into an interlayer between the inner container of the water heater and a specially-made integral forming die, heating, steam curing, and finally opening the die to obtain the interlayer of the nano heat-insulating material of the water heater. The invention is used in the field of heat insulation materials.)
技术领域
本发明涉及热水器纳米保温材料及夹层的制备方法。
背景技术
热水器是百姓居家生活的必备良品。随着热水器的普及，它的安全性和节能问题成为各大厂商普遍关注的热点，与这些最相关的热水器部件就是内胆的保温夹层。目前，主要使用的保温夹层材料有聚氨酯泡沫、聚醚多元醇泡沫及真空绝热板等。公开号为CN107814906A的中国发明专利中公开了一种使用聚氨酯泡沫保温材料制备的太阳能热水器，保温性能较好，但材料发泡后收缩率大，成品率不稳定；公开号为CN109354856A的中国发明专利中公开了一种以聚醚多元醇泡沫为主要原料制备的热水器用保温材料，虽改善了成品收缩率大的问题，但工艺更为复杂，不利于工业化生产；专利号为CN109595796A的中国发明专利中，公开了一种使用真空绝热板作为主要保温材料制备热水器保温夹层，真空绝热板的保温能力优良，但柔韧度差，需要进一步添加聚氨酯发泡填补空缺，整体工艺复杂，加工过程中真空绝热板的真空易破损，对操作要求高。
发明内容
本发明是要解决现有的热水器保温夹层材料导热系数高、工艺复杂、阻燃绝缘性差、成品收缩率大的技术问题，而提供一种纳米保温材料及其制备方法和应用。
本发明的纳米保温材料按重量份数比由20-40份主要填料、10-20份辅助填料、100-150份粘结剂和5-15份短切纤维制成；其中主要材料是二氧化硅气凝胶粉体或者是气相白炭黑与二氧化硅气凝胶粉体的混合物；辅助材料是炭黑、碳化硅、六钛酸钾晶须、钛白粉、气相氧化铝和空心玻璃微珠中的一种或其中几种的组合。
更进一步地，粘结剂是硅酸钠、硅溶胶、丙烯酸树脂、环氧树脂、氨基树脂和有机硅改性的苯丙乳液中一种或几种的组合。
更进一步地，短切纤维是高硅氧纤维、玻璃纤维、岩棉纤维、硅酸铝纤维和莫来石纤维中的一种或其中几种的组合。
上述的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取20-40份主要填料、10-20份辅助填料、100-150份粘结剂和5-15份短切纤维；其中主要填料是二氧化硅气凝胶粉体和/或气相白炭黑；辅助材料是炭黑、碳化硅、六钛酸钾晶须、钛白粉、气相氧化铝和空心玻璃微珠中的一种或其中几种的组合；
二、将步骤一中的主要填料、辅助填料、粘结剂放入分散机中，在室温下分散1-12h，得到混合料；
三、将步骤一中的短切纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散0.5-6h，得到纳米保温材料。
更进一步地，步骤一中所述的粘结剂是硅酸钠、硅溶胶、丙烯酸树脂、环氧树脂，氨基树脂和有机硅改性的苯丙乳液中一种或几种的组合。
更进一步地，步骤一中所述的短切纤维是高硅氧纤维、玻璃纤维、岩棉纤维、硅酸铝纤维和莫来石纤维中的一种或其中几种的组合。
利用上述的纳米保温材料制备热水器纳米保温夹层的方法，按以下步骤进行：
一、在热水器内胆外扣一层具有加热功能的一体成型模具，在常温常压下向内胆与模具之间的夹层中注入纳米保温材料，升温至100-150℃并保持1-3h成型，得到气凝胶隔热胚体；
二、将步骤一中得到的气凝胶隔热胚体放入蒸养设备中，在温度为60-100℃条件下蒸养4-24h，开模即可得到热水器纳米保温夹层。
更进一步地，步骤一中的一体成型模具为左右结构，由带有夹套的左半模1、带有夹套的右半模2和密封圈3组成；在左半模1下部设有左导热油入口1-1、在左半模1上部设有左导热油出口1-2；在右半模2下部设有右导热油入口2-1、在右半模2上部设有右导热油出口2-2；左半模1与右半模2拼合后形成型腔，型腔将热水器内胆4完全包覆，型腔的内表面与热水器内胆4外表面之间的距离为1-3cm，左半模1与右半模2拼合处用密封圈3密封；向左半模1和右半模2的夹套内通入导热油可对模具进行加热。
一体成型模具的正视结构示意图如图1所示，一体成型模具的侧视结构示意图如图2所示，一体成型模具的俯视结构示意图如图3所示。
更进一步地，步骤一中所述的成型温度为120℃，保温时间为2h。
更进一步地，步骤二中所述的蒸养温度为80℃，蒸养温度为8h。
本发明的纳米保温材料以气凝胶及气相白炭黑作为主要填料，这两种纳米材料均具有较大的比表面积，具有纳米级孔道结构，有效阻隔热传导，导热系数极低至0.020W/(m·K)(75℃)，且混料后材料体系疏水防潮，阻燃绝缘，安全节能。
本发明的制备热水器纳米保温夹层的方法中使用的具有加热功能的一体成型模具，在混料热成型时可以加热到一定温度，一体成型技术大幅简化了工艺制作难度，节约大量资源。利用热成型技术对混料进行固化处理，该方法可以降低成品收缩率至0.8％，减少体积效应，产品结构稳定性大幅提高。采用蒸养技术使材料进一步固化，提高材料结构稳定性，轻质高强，使用更安全，寿命更长。
附图说明
图1是本发明的一体成型模具的正视结构示意图；
图2是本发明的一体成型模具的侧视结构示意图；
图3是本发明的一体成型模具的俯视结构示意图。
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果。
实施例1：本实施例的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取30份主要填料、15份辅助填料、125份粘结剂和10份短切纤维制成；其中主要材料是二氧化硅气凝胶粉体；辅助材料是5份碳化硅、5份六钛酸钾晶须和5份气相氧化铝的均匀混合物，粘结剂是硅酸钠，短切纤维是长度为5mm的高硅氧纤维；
二、将步骤一中的主要填料、辅助填料、粘结剂放入分散机中，在室温下分散4h，得到混合料；
三、将步骤一中的短切纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散3h，得到纳米保温材料。
利用实施例1的纳米保温材料制备热水器纳米保温夹层的方法，按以下步骤进行：
一、在热水器内胆外扣一层具有加热功能的一体成型模具，其中，一体成型模具由带有夹套的左半模1、带有夹套的右半模2和密封圈3组成；在左半模1下部设有左导热油入口1-1、在左半模1上部设有左导热油出口1-2；在右半模2下部设有右导热油入口2-1、在右半模2上部设有右导热油出口2-2；左半模1与右半模2拼合后形成型腔，型腔将热水器内胆4完全包覆，型腔的内表面与热水器内胆4外表面之间的距离为2cm，左半模1与右半模2拼合处用密封圈3密封；向左半模1和右半模2的夹套内通入导热油可对模具进行加热；在常温常压下向内胆4与模具之间的夹层中注入纳米保温材料，向左半模1和右半模2的夹套内通入导热油使模具升温至120℃并保持2h成型，得到气凝胶隔热胚体；
二、将步骤一中得到的气凝胶隔热胚体放入蒸养设备中，在温度为80℃条件下蒸养12h，开模即可得到热水器纳米保温夹层。
对照组1：本对照组的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取50份主要填料、10份辅助填料、150份粘结剂和20份短切纤维制成；其中主要材料是气相白炭黑；辅助材料是10份碳化硅，粘结剂是硅酸钠，短切纤维是长度为5mm的高硅氧纤维；
二、将步骤一中的主要填料、辅助填料、粘结剂放入分散机中，在室温下分散4h，得到混合料；
三、将步骤一中的短切纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散3h，得到纳米保温材料。
对照组2：本对照组的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取40份主要填料、10份辅助填料、150份粘结剂和20份短切纤维制成；其中主要材料是气相白炭黑；辅助材料是5份碳化硅和5份气相氧化铝，粘结剂是硅酸钠，短切纤维是长度为5mm的高硅氧纤维；
二、将步骤一中的主要填料、辅助填料、粘结剂放入分散机中，在室温下分散4h，得到混合料；
三、将步骤一中的短切纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散3h，得到纳米保温材料。
对照组3：本对照组的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取40份主要填料、10份辅助填料、150份粘结剂和20份短切纤维制成；其中主要材料是20份气相白炭黑和20份气凝胶粉体；辅助材料是5份碳化硅和5份气相氧化铝，粘结剂是硅酸钠，短切纤维是长度为5mm的高硅氧纤维；
二、将步骤一中的主要填料、辅助填料、粘结剂放入分散机中，在室温下分散4h，得到混合料；
三、将步骤一中的短切纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散3h，得到纳米保温材料。
分别利用实施例1、对照组1、2和3的纳米保温材料制备测试样品，具体的方法，按以下步骤进行：
将纳米保温材料加入到腔体长、宽、高分别为200mm、100mm、50mm的长方体模具中，再将模具放在烘箱中，升温至120℃并保持2h成型，得到测试样品。
其中利用实施例1的纳米保温材料制备的测试样品再进一步放入蒸养设备中，在温度为80℃条件下蒸养12h，开模即可得到后固化的测试样品。
将实施例1、对照组1、对照组2、对照组3制备的测试样品和后固化的测试样品进行导热系数、收缩率和密度的测试，测试结果如表1所示：
表1 实施例1、对照组1、对照组2、对照组3的样品的检测结果
从表1中可以看出，本实施例1中制得纳米保温材料的测试样品的导热系数低于其他三组，收缩率远低于其他三组，密度相对较低，采用二氧化硅气凝胶粉体、六钛酸钾、碳化硅和氧化铝的组合，得到了隔热性能相当优异的产品。同时比较实施例1的测试样品和经过蒸养后固化的测试样品的性能结果可知，通过蒸养操作，可使材料的导热系数和收缩率进一步降低，这是由于在蒸养过程中的后固化的结果。
实施例2：本实施例的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取30份的二氧化硅气凝胶粉体、10份的气相白炭黑、10份碳化硅、5份六钛酸钾晶须、5份气相氧化铝、125份硅溶胶和10份长度为5mm的硅酸铝纤维；
二、将步骤一中的二氧化硅气凝胶粉体、气相白炭黑、碳化硅、六钛酸钾晶须、气相氧化铝、硅溶胶放入分散机中，在室温下分散12h，得到混合料；
三、将步骤一中的硅酸铝纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散5h，得到纳米保温材料。
将实施例2的纳米保温材料加入到腔体长、宽、高分别为200mm、100mm、50mm的长方体模具中，再将模具放在烘箱中，升温至120℃并保持2h成型，得到样品胚体；再将样品胚体放入蒸养设备中，在温度为80℃条件下蒸养12h，开模即可得到测试样品。测试结果如表2所示：
表2 实施例2的纳米保温材料的性能
实施例3：本实施例的纳米保温材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按重量分数比称取30份的二氧化硅气凝胶粉体、20份的气相白炭黑、7份碳化硅、8份六钛酸钾晶须、5份空心玻璃微珠、120份丙烯酸树脂和10份长度为5mm的玻璃纤维；
二、将步骤一中的二氧化硅气凝胶粉体、气相白炭黑、碳化硅、六钛酸钾晶须、空心玻璃微珠、丙烯酸树脂放入分散机中，在室温下分散12h，得到混合料；
三、将步骤一中的玻璃纤维加入到步骤二的混合料中，在室温下继续分散5h，得到纳米保温材料。
将实施例3的纳米保温材料加入到腔体长、宽、高分别为200mm、100mm、50mm的长方体模具中，再将模具放在烘箱中，升温至120℃并保持2h成型，得到样品胚体；再将样品胚体放入蒸养设备中，在温度为80℃条件下蒸养12h，开模即可得到测试样品。测试结果如表3所示：
表3 实施例2的纳米保温材料的性能
通过以上实施例及测试数据说明，本发明中的纳米保温材料及夹层的制备方法更加符合热水器用保温材料的技术性能要求，从性能与工艺上更适合作为热水器用保温材料夹层。
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