專利名稱：無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料及制備方法
技術領域：
本發明屬于納米無機物/聚合物復合氣凝膠材料及其制備技術領域，具體為ー種無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料及制備方法。
背景技術：
節能降耗是緩解能源短缺的重要舉措，對我國顯得更加迫切和重要。據報道，目前我國建筑能耗已占到社會總能耗的30 40%(邵勇；張軼.最新建筑保溫材料探尋.建材發展導向，2011，2:11.)。這是由于我國既有建筑超過430億平方米，95%以上是高耗能建筑。而我國建筑材料的保溫隔熱性能普遍很差，単位面積暖能耗約為發達國家的2 4倍，這無疑會導致建筑業最終超越エ業、農業和交通運輸業等行業成為能耗的首位(張澤平；李珠；董彥莉.建筑保溫節能墻體的發展現狀與展望.工程力學，2007，121.)。為了解決建筑行業的能耗問題，目前普遍使用了一些建筑保溫材料。這些建筑保溫材料主要為泡沫混凝土、硅藻土制品、硅酸鹽保溫材料、陶瓷保溫材料、膠粉聚苯顆粒、發泡聚苯板(EPS)、擠塑板(XPS)和聚氨酯等。其中的有機高分子建筑保溫材料質輕、致密性高、保溫性能好，已在建筑保溫材料領域中占據了絕對的主導地位，尤其是EPS、XPS占據了市場的80%左右(簡潔；楊進朝.建筑保溫材料優劣淺析.建筑與工程，2007，19:365.)。然而，有機保溫材料卻存在易燃、煙毒性大、發生火災不易撲救等嚴重缺點。公安部發出的《關于進ー步明確民用建筑外保溫材料消防監瞀管理有關要求的通知》(公消201165號)規定:將民用建筑外保溫材料納入建設工程消防設計審核、消防驗收和備案抽查范圍，并且要求建筑外保溫材料的阻燃性能達到A級標準(即為不燃材料)。這使得市場上具有良好保溫效果的傳統有機高分子建筑保溫材料根本無法達到這樣高的阻燃級別要求，而能達到阻燃A級標準的無機建筑保溫材料，又存在密度較大、可加工性能差、保溫效果差、節能效率低等缺陷。目前我國市場上尚無能同時滿足阻燃標準和節能標準的建筑保溫材料(劉素霞 65號文件.——保溫材料的“生死劫”.聚氨酷，2011，108:20.)。然而，于上世紀三十年代發現的有機硅氣凝膠材料卻因其導熱系數非常低而具有非常優越的阻燃性能，也就是說具有作為A級阻燃保溫材料的潛在特性。但是由于有機硅的成本非常高，難于滿足建筑行業低成本，大規模應用的要求。有研究表明:能夠達到阻燃A級標準的無機建筑保溫材料中的納米無機材料，如納米粘土(蒙脫土、高嶺土等)、ニ氧化硅與高分子材料通過特殊的制備技術做成的氣凝膠材料具有潛在的阻燃、保溫、隔熱等性能。如S.S.Kistler首次報道了通過こ醇或こ醚溶劑交換法將水慢慢地從ニ氧化硅水溶液中置換出來，用ニ氧化硅和水制備出具有超低密度結構的微孔甚至是 納米孔材料-氣凝膠(Coherent Expand Aerogels, J.Phys.Chem.1932;36:52-64)，該材料具有很低的導熱系數和密度。R.C.Mackenzie報道了通過冷凍干燥法制備蒙脫土氣凝膠材料(Naturel952 ;171:681_3)。但他們制得的纖維狀結構的蒙脫土雖然能滿足阻燃和低密度要求，但剛性很大，柔韌性上不足，不適于大規模應用于建筑保溫材料。美國專利US3203903將聚合物溶解在要制備氣凝膠的溶劑中，加入粘土，混合均勻后冷凍干燥，制備出了物理性能穩定、機械性能強的無機氣凝膠材料，但是該專利沒有報道這種材料的阻燃性能和保溫性能的具體指標。美國專利US20070208124將粘土、聚合物、粘接劑復合，用冷凍干燥法制備了各種微孔或納米孔高分子氣凝膠材料，并且制得了有陶瓷結構的高分子氣凝膠材料，但是由于聚合物材料或粘結劑添加比例較高，據此推測，這些材料的阻燃性能不高，達不到建筑保溫材料對阻燃性能的要求。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供ー種密度和導熱系數低、阻燃性能高的無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料。本發明的另ー目的是提供ー種上述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料的制備方法。本發明提供的無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于該材料以重量份計由如下組分復合而成:無機微納米粒子 0.5 50份，水溶性聚合物 0.1 5份，可交聯聚合物0 10份，增強纖維0.5 20份，
消泡劑0.1 5份，該材料的密度為12 620Kg/m3，導熱系數為0.016 0.025w/m.k，燃燒熱值為
1.1 2.0MJ/Kg。上述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料以重量份計優選由如下組分復合而成:無機微納米粒子 5 40份，水溶性聚合物0.5 4份，可交聯聚合物 I 6份，增強纖維4 16份，消泡劑0.2 4份。以上氣凝膠材料中所述無機微納米粒子為氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氧化鎂、ニ氧化硅、氧化鋁、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑石、鈣鋁水滑石、蒙脫土、有機膨潤土、海泡石、皂石、綠脫石、鋰蒙脫石、高嶺土或陶土中的任ー種，優選氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氧化鎂、ニ氧化硅、氧化鋁、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑石、鈣鋁水滑石；所述水溶性聚合物為淀粉、植物膠、改性纖維、水溶性蛋白質、甲基纖維素、海藻酸鈉、聚こ烯醇或聚こニ醇中的任ー種，優選淀粉、甲基纖維素、海藻酸鈉、聚こ烯醇或聚こニ醇；所述可交聯聚合物為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺樹脂或聚丙烯酸酯樹脂中的任ー種，優選環氧樹脂或聚氨酯樹脂；所述增強纖維為竹纖維、木纖維、麻纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、芳綸纖維或腈綸纖維中的任ー種，優選木纖維、麻纖維或聚酯纖維；所述消泡劑為有機硅氧烷、聚醚或磷酸三丁酯中的任ー種。本發明提供的上述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料的制備方法，該方法的エ藝步驟和條件如下:將0.5 50份無機微納米粒子、0.1 5份水溶性聚合物、0 10份可交聯聚合物、0.5 20份增強纖維、0.1 5份消泡劑加入到100份水中，攪拌均勻后置于-40 -196°C下冷凍至固體,然后在-30 -1°C下干燥24 168小時后，升溫至40 60°C固化2 24小時即可；所述物料份數均為重量份，且當可交聯物為0份時，無需升溫固化。上述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料的制備方法エ藝步驟和條件優選如下:將5 40份無機微納米粒子、0.5 4份水溶性聚合物、I 6份可交聯聚合物、4 16份增強纖維、0.2 4份消泡劑加入到100份水中，攪拌均勻后置于-60 _100°C下冷凍至完全凍成固體，然后在-20 -5°C下干燥48 168小時后，升溫至40 60°C固化2 24小時即可；所述物料份數均為重量份，且當可交聯物為0份時，無需升溫固化。以上方法中所用無機微納米粒子為氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氧化鎂、ニ氧化硅、氧化鋁、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑石、鈣鋁水滑石、蒙脫土、有機膨潤土、海泡石、皂石、綠脫石、鋰蒙脫石、高嶺土或陶土中的任ー種，優選氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氧化鎂、ニ氧化硅、氧化鋁、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑石、鈣鋁水滑石；所用水溶性聚合物為淀粉、植物膠、改性纖維、水溶性蛋白質、甲基纖維素、海藻酸鈉、聚こ烯醇或聚こニ醇中的任ー種，優選淀粉、甲基纖維素、海藻酸鈉、聚こ烯醇或聚こニ醇；所用可交聯聚合物為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺樹脂或聚丙烯酸酯樹脂中的任ー種，優選環氧樹脂或聚氨酯樹脂；所用增強纖維 為竹纖維、木纖維、麻纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、芳綸纖維或腈綸纖維中的任ー種，優選木纖維、麻纖維或聚酯纖維；所用消泡劑為有機硅氧烷、聚醚或磷酸三丁酯中的任ー種。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:1、由于本發明提供的氣凝膠材料不僅采用了阻燃性能良好的微納米無機粒子，且相對含量很高，因而使得這種建筑保溫氣凝膠材料的燃燒熱值不高于2.0MJ/Kg,能夠達到了 GB8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》中A級建筑保溫材料的阻燃要求。2、由于本發明提供的氣凝膠材料在采用了阻燃性能良好的微納米無機粒子的基礎上，還采用了水溶性聚合物、可交聯聚合物、增強纖維和消泡劑等物料，加之エ藝措施的配合，使之獲得的是均布微米孔或納米孔結構材料，因而其不僅密度低，質輕，機械強度好，且導熱系數低，有利于節能降耗，是ー種理想的建筑阻燃保溫材料，可以在外墻保溫場合大量使用。3、由于本發明提供的氣凝膠材料在制備過程中不使用有機溶劑，因而無廢氣、廢水產生，不會帶來環境污染，符合環保要求。
該附圖為本發明制備的氣凝膠材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式下面給出實施例以對本發明進ー步說明，有必要指出以下實施例不能理解為對本發明范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據上述本發明內容對本發明做出了ー些非本質的改進和調整仍屬于本發明的保護范圍。值得說明的是，I)以下實施例中所述物料份數均為重量份；2)以下實施例中所用的無機粒子均為微納米級的；3)所制備材料的密度、燃燒熱值、導熱系數是分別按照GB/T6343-2009、GB/T14402-2007、GB10294-1988 進行測定的。實施例1將0.5份氫氧化鎂、0.1份聚こ烯醇、0.5份木纖維、0.1份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于-40°C下冷凍至固體，然后用冷凍干燥機在_30°C下干燥168小時即可。實施例2將5份氫氧化鎂、0.5份甲基纖維素、I份環氧樹脂，I份木纖維、0.5有機硅氧烷入到100份水中，攪拌均勻后置于-60°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-20°c下干燥48小時后,升溫至60°C固化24小時即可。實施例3將6份氫氧化鋁、0.5海藻酸鈉、I份熱固性聚氨酯樹脂、14份麻纖維、0.5份聚醚加入到100份水中，攪拌均`勻后置于-80°c下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-14°C下干燥48小時后，升溫至40°C固化2小時即可。實施例4將15份ニ氧化硅、0.5份聚こ烯醇、2份熱固性聚酰胺樹脂、11份聚酯纖維、0.5份磷酸三丁酯加入到100份水中，攪拌均勻后置于-70°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-10°C下干燥64小時后，升溫至50°C固化24小時即可。實施例5將5份鎂鋁水滑石、0.5份聚こニ醇、I份環氧樹脂、I份尼龍纖維、0.1份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于-80°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在_5°C下干燥72小時后，升溫至50°C固化10小時即可。實施例6將8份鋅鋁水滑石、0.5份水溶性蛋白質、3份環氧樹脂、8份木纖維、0.5份聚醚加入到100份水中，攪拌均勻后置于-196°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-30°C下干燥168小時后，升溫至50°C固化24小時即可。實施例7將10份蒙脫土、I份海藻酸鈉、2份聚丙烯酸酯樹脂、3份麻纖維、0.5份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于-100°c下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-30°c下干燥96小時后，升溫至40°C固化24小時即可。實施例8將2份海泡石、0.5份淀粉、0.5份木纖維、0.2份聚醚加入到100份水中，攪拌均勻后置于_90°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在_1°C下干燥96小時即可。
實施例9將20份有機膨潤土、2份聚こ烯醇、10份木纖維、2份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于-80°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在_8°C下干燥72小時即可。實施例10將5份高嶺土、0.5份聚こ烯醇、20份麻纖維、0.5份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于_75°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-11°C下干燥48小時即可。實施例11將10份氫氧化鎂、I份聚こ烯醇、I份環氧樹脂、5份木纖維、I份有機硅氧烷加入至IJ 100份水中，攪拌均勻后置于-85°c下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-6 °C下干燥132小時后，升溫至40°C固化12小時即可。實施例12將40份蒙脫土、4份海藻酸鈉、6份環氧樹脂、16份木纖維、4份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于_65°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-18°C下干燥24小時后，升溫至50°C固化16小時即。實施例13將50份氫氧化鎂、5份聚こ烯醇、10份環氧樹脂、I份竹纖維、5份有機硅氧烷加入到100份水中，攪拌均勻后置于-95°C下冷凍至完全凍成固體，然后用冷凍干燥機在-12°c下干燥70小時后，升溫至40°C固化6小時即可。以上各實施例制得的無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料所測得的物理性能如下表所示。從下表可以看出，本發明制備的氣凝膠材料燃燒熱值不超過2.0MJ/Kg，達到了GB8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》中A級建筑保溫材料的阻燃要求。表
權利要求
1.ー種無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于該材料以重量份計由如下組分復合而成: 無機微納米粒子 0.5 50份， 水溶性聚合物 0.1 5份， 可交聯聚合物 0 10份， 增強纖維0.5 20份， 消泡劑0.1 5份， 該材料的密度為12 620Kg/m3，導熱系數為0.016 0.025w/m.k，燃燒熱值為1.1 2.0MJ/Kg0
2.根據權利要求1所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于該材料以重量份計由如下組分復合而成: 無機微納米粒子 5 40份， 水溶性聚合物 0.5 4份， 可交聯聚合物 I 6份， 增強纖維4 16份， 消泡劑0.2 4份。
3.根據權利要求1或2所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于所述無機微納米粒子為氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氧化鎂、ニ氧化硅、氧化鋁、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑石、鈣鋁水滑石、蒙脫土、有機膨潤土、海泡石、皂石、綠脫石、鋰蒙脫石、高嶺土或陶土中的任ー種；所述水溶性聚合物為淀粉、植物膠、改性纖維、水溶性蛋白質、甲基纖維素、海藻酸鈉、聚こ烯醇或聚こニ醇中的任ー種。
4.根據權利要求1或2所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于所述可交聯聚合物為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺樹脂或聚丙烯酸酯樹脂中的任一種；所述增強纖維為竹纖維、木纖維、麻纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、芳綸纖維或腈綸纖維中的任ー種；所述消泡劑為有機硅氧烷、聚醚或磷酸三丁酯中的任ー種。
5.根據權利要求3所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于所述可交聯聚合物為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺樹脂或聚丙烯酸酯樹脂中的任ー種；所述增強纖維為竹纖維、木纖維、麻纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、芳綸纖維或腈綸纖維中的任ー種；所述消泡劑為有機硅氧烷、聚醚或磷酸三丁酯中的任ー種。
6.一種權利要求1所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料的制備方法，該方法的エ藝步驟和條件如下: 將0.5 50份無機微納米粒子、0.1 5份水溶性聚合物、0 10份可交聯聚合物、0.5 20份增強纖維、0.1 5份消泡劑加入到100份水中，攪拌均勻后置于-40 _196°C下冷凍至固體，然后在-30 -1°C下干燥24 168小時后，升溫至40 60°C固化2 24小時即可； 所述物料份數均為重量份，且當可交聯物為0份時，無需升溫固化。
7.根據權利要求6所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料的制備方法，該方法的エ藝步驟和條件如下: 將5 40份無機微納米粒子、0.5 4份水溶性聚合物、I 6份可交聯聚合物、4 16份增強纖維、0.2 4份消泡劑加入到100份水中，攪拌均勻后置于-60 -100°c下冷凍至完全凍成固體，然后在-20 -5°C下干燥48 168小時后，升溫至40 60°C固化2 24小時即可； 所述物料份數均為重量份，且當可交聯物為0份時，無需升溫固化。
8.根據權利要求6或7所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料的制備方法，該方法中所用無機微納米粒子為氫氧化鎂、氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氧化鎂、ニ氧化硅、氧化鋁、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑石、鈣鋁水滑石、蒙脫土、有機膨潤土、海泡石、皂石、綠脫石、鋰蒙脫石、高嶺土或陶土中的任ー種；所用水溶性聚合物為淀粉、植物膠、改性纖維、水溶性蛋白質、甲基纖維素、海藻酸鈉、聚こ烯醇或聚こニ醇中的任ー種。
9.根據權利要求6或7所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于所用可交聯聚合物為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺樹脂或聚丙烯酸酯樹脂中的任一種；所用增強纖維為竹纖維、木纖維、麻纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、芳綸纖維或腈綸纖維中的任ー種；所用消泡劑為有機硅氧烷、聚醚或磷酸三丁酯中的任ー種。
10.根據權利要求8所述無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料，其特征在于所用可交聯聚合物為環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺樹脂或聚丙烯酸酯樹脂中的任ー種；所用增強纖維為竹纖維、木纖維、麻纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、芳綸纖維或腈綸纖維中的任ー種；所用消泡劑為有機硅氧 烷、聚醚或磷酸三丁酯中的任ー種。
全文摘要
本發明公開的無機微納米粒子/聚合物復合建筑保溫氣凝膠材料以重量份計由如下組分復合而成無機微納米粒子0.5～50份，聚合物0.1～5份，可交聯聚合物0～10份，增強纖維0.5～20份，消泡劑0.1～5份，水100份，該材料的密度為12~620Kg/m3，導熱系數為0.016~0.025w/m.k，燃燒熱值為1.1~2.0MJ/Kg。本發明還提供上述氣凝膠材料的制備方法。本發明提供的氣凝膠材料不僅密度低，質輕，機械強度好，且導熱系數低，有利于節能降耗，同時其燃燒熱值低于2.0MJ/Kg，能夠達到了A級建筑保溫材料的阻燃要求，是一種理想的建筑阻燃保溫材料，可以在外墻保溫場合大量使用。
文檔編號C04B26/14GK103113043SQ20131004365
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者王玉忠, 黃鑒前, 商柯 申請人:四川大學