制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法及由该方法制备的保温材料

摘要

本发明公开了本发明提供了一种制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法及由该方法制备的保温材料，所述方法包括以下步骤：(1)将水包油型表面活性剂分散于水玻璃溶液中以配制成混合溶液；(2)将可再分散乳胶粉、纤维素醚和短纤维的混合物和疏水二氧化硅气凝胶分别加入到步骤(1)的混合溶液中，快速搅拌均匀，待疏水二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)；以及(3)迅速向步骤(2)中制得浆体中加入玻化微珠，搅拌均匀，从而得到产物。根据本发明的方法过程简单，所获得的二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料成型容易，保温性能易调控等优点，可用于墙体保温领域。

权利要求

1.一种制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法，其包括以下步骤：

(1)将水包油型表面活性剂分散于水玻璃溶液中以配制成混合溶液，其中，所述的水玻璃为硅酸钠型水玻璃，其中，所述水玻璃溶液的密度为1.30-1.40g/cm3，以及其中，所述表面活性剂的用量为水玻璃溶液质量的1％至3％；

(2)将可再分散乳胶粉、纤维素醚和短纤维的混合物和疏水二氧化硅气凝胶分别加入到步骤(1)的混合溶液中，快速搅拌均匀，待疏水二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)，其中，所述可再分散乳胶粉选自醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉、醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚乳胶粉、丙烯酸酯与苯乙烯共聚乳胶粉、醋酸乙烯酯与丙烯酸酯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉中的至少一种，其中，所述纤维素醚选自羟丙基甲基纤维素醚和羟乙基甲基纤维素醚中的至少一种，其中，所述短纤维包括聚丙烯短纤维、聚丙烯腈短纤维、聚乙烯醇短纤维和聚酯短纤维，其中，所述疏水二氧化硅气凝胶包括冷冻干燥法、超临界干燥法或常压干燥法制备的气凝胶粉体或颗粒，并且其用量为所述水玻璃溶液质量的10-40％，其中，所述可再分散乳胶粉、纤维素醚与短纤维之间的重量比为1-40:1-4:1-3，以及其中，基于所述复合保温材料的体积，所述可再分散乳胶粉、纤维素醚和短纤维的合计掺杂量大于

0，且为10g/L以下；以及

(3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入玻化微珠，搅拌均匀，从而得到产物，其中，所述玻化微珠选自堆积密度小于80kg/m3、筒压强度为50kPa以上且小于150kPa，以及平均温度25℃下的导热系数为0.043W/(m·K)以下的玻化微珠；或者堆积密度为80-120kg/m3、筒压强度为150kPa以上且小于200kPa，以及平均温度25℃下的导热系数为0.048W/(m·K)以下且大于0.043W/(m·K)的玻化微珠，以及其中，所述玻化微珠的用量为水玻璃质量的

10％-35％。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硅酸钠型水玻璃的模数为2.7至3.3。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，所述水包油型表面活性剂包括选自Brij30、Span 20、Atbs G-2111、Atlas G-1218、Atlas G-1734、Ameroxl OE-10、Tween 61、Tween 81、Atlas G-7596P、Tween 65、Tween 85、Atlas G-3930、Atlas G-2142、Atlas G-

2162、S-307、Solulan C-24、P.E.G 400、Ameroxol OE-20、Solulan 16、Tween 20、Solulan 

25、Tween 40、Atlas G-3820、Tween 60、Solulan 97、Tween 80、Myrj 52和Myrj 53中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述短纤维为聚丙烯短纤维。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述复合保温材料的体积，所述可再分散乳胶粉、纤维素醚和短纤维的合计掺杂量为7g/L。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可再分散乳胶粉、纤维素醚与短纤维之间的重量比为8:2:1。

7.一种由权利要求1所述的方法制得的二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料。

说明书

制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法

及由该方法制备的保温材料

技术领域

[0001] 本发明属于建筑节能材料的领域，具体而言，涉及一种制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法及由该方法制备的保温材料。

背景技术

[0002] 二氧化硅气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100nm，比表面积为200-1000m2/g，而密度可低至3kg/m3，室温导热系数可低至0.012W/(m·k)。它的这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力(“SiO2气凝胶性能研究及其在建筑保温中的应用”，路国忠、何光明、郭建平，《墙材革新与建筑节能》，2013(2)：47～50)。从上世纪90年代起，国内外材料科学家纷纷致力于二氧化硅气凝胶隔热复合材料的研制。我国在这方面的研究起步比较晚，主要是西安交通大学、同济大学、北京科技大学、国防科技大学等单位在气凝胶复合材料的制备与应用方面做了一些工作。

[0003] 二氧化硅气凝胶的制备主要包含湿凝胶的制备及湿凝胶的干燥两个过程，而根据其干燥过程可分为超临界干燥、冷冻干燥及常压干燥三种制备方法。其中超临界干燥法和冷冻干燥法由于在制备过程中要消耗大量的能量，因此得到的二氧化硅气凝胶价格昂贵，很难在建筑领域应用；相反采用常压干燥法尽管可大幅降低成本，但却很难得到块体的产物，不能直接用作保温产品使用，因此，直至今日，二氧化硅气凝胶在建筑工程中的应用量很少(“SiO2气凝胶的研究现状与应用”，马荣、童跃进、关怀民，《材料导报》，2011,25(1):58-64)。然而，随着国家对建筑节能中“高效保温”与“防火安全”的高度重视，使得二氧化硅气凝胶在建筑节能领域中的应用成为可能。目前，二氧化硅气凝胶保温材料主要以保温毡为主，该类产品是以二氧化硅气凝胶为主体原料，通过与针刺玻璃纤维在超临界干燥工艺下复合而成，具有疏水、高效保温、防水、柔韧、环保、灵活施工等优点，目前主要应用于外墙及内墙的填充型保温系统；由于该产品表面的疏水性，大大降低了其与无机凝胶材料的相容性，降低了其在外墙外保温系统应用中的安全性，必须加以解决。

[0004] 二氧化硅气凝胶保温浆料是国外逐渐发展起来的一类新型保温材料，国内也才刚刚起步。最近Fixit AG公司携手瑞士联邦材料科学和技术实验室(EMPA)，采用美国卡博特公司的技术研发了Fixit222型保温砂浆，并获得了瑞士环保创新奖。该产品的导热系数低于0.028W/(m·K)，干容重为220kg/m3。该保温浆料采用喷涂的方式，喷射于基层墙体中，并与抹面胶浆、耐碱网格布、饰面砂浆构成了薄抹灰外墙外保温系统，使用厚度是传统保温浆料的1/3左右。然而，该产品全部使用二氧化硅气凝胶作为保温颗粒使用，整体价格在建筑节能领域依然偏高，因此牺牲一定的保温性能，用部分无机保温颗粒代替二氧化硅气凝胶颗粒，可以降低该类产品的价格。

[0005] 膨胀玻化微珠是由酸性火山玻璃质熔岩经破碎，筛分至一定粒度，再经预热，瞬间高温焙烧而制成的一种白色或浅色的优质绝热材料。经过焙烧，颗粒单片体积能膨胀4～30倍以上。膨胀后颗粒内部呈多孔状结构其间充满空气，因而具有较小的密度和导热系数(容重为40～200kg/m3，导热系数0.038～0.054W/(m·K)，是一种良好的绝热、保温材料。目前膨胀玻化微珠的应用领域主要为建材方面，大约占珍珠岩消耗量的60％，主要是与水泥基材料或者水玻璃混合制备保温板、防火板及保温砂浆等(“珍珠岩基建筑材料发展现状综述”，王玲编译，西南工学院《国外建材译丛》，1996(3):10-15)。该类产品由于吸水率高、保温性能变差，大大限制了其的进一步应用，通过在该体系中引入具有疏水性能的二氧化硅气凝胶颗粒，可改善整个保温体系的保温性能，因此对于传统保温浆料来说，也是一次产品性能的升级。

[0006] 目前，利用水玻璃作为胶凝材料制备玻化微珠建筑保温砂浆技术比较成熟。水玻璃可以做为固体粘结剂，可以和玻化微珠等类似轻骨料混合加强硬度，形成高温耐火材料用绝缘板，防火性能好，高温绝缘性能强。由于二氧化硅气凝胶颗粒为维持其超级保温性能，就必须为疏水性颗粒，因此与无机凝胶材料的相容性将会变差，因此二氧化硅气凝胶/玻化微珠复合保温材料制备过程中首要解决的关键技术在于如何解决疏水的二氧化硅气凝胶颗粒与亲水的玻化微珠以及无极胶凝材料之间的相容及结合能力。

[0007] 目前尚未见到涉及二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的制备及其保温性能等方面的报道和专利。

发明内容

[0008] [技术问题]

[0009] 本发明的目的在于提供一种制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法及由该方法制备的保温材料，所述方法过程简单，由其所制备的二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料具有成型容易，保温性能易调控等优点。

[0010] [技术方案]

[0011] 本发明提供了一种制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法，以及由该方法制备的复合保温材料。所述方法为将疏水二氧化硅气凝胶加入到包含水包油型表面活性剂的水玻璃溶液中，快速搅拌至所述气凝胶表面被浸润，然后迅速添加玻化微珠，继续快速搅拌，然后将产物倒入模具中常温养护或利用微波加热固化成型。

[0012] 本发明的一个方面提供了一种制备二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的方法，其包括以下步骤：

[0013] (1)将水包油型表面活性剂分散于水玻璃溶液中以配制成混合溶液；

[0014] (2)将可再分散乳胶粉、纤维素醚和短纤维的混合物和疏水二氧化硅气凝胶分别加入到步骤(1)的混合溶液中，快速搅拌均匀，待疏水二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)；以及

[0015] (3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入玻化微珠，搅拌均匀，从而得到产物。

[0016] 根据本发明的一个实施方式，所述二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料的使用方法可以是：用模具成型，常温养护28天以上；或者静置1h至4h，优选2h，然后置于微波炉中控温70-100℃加热20min至60min，优选45min，冷却后，即可得到复合保温板材。

[0017] 根据本发明，步骤(1)所述水玻璃可为硅酸钠型水玻璃。

[0018] 优选地，所述硅酸钠型水玻璃的模数可为2.7至3.3。

[0019] 优选地，所述水玻璃的溶液的密度为1.25-1.50g/cm3，优选1.30-1.40g/cm3。

[0020] 根据本发明，优选地，步骤(1)中，所述表面活性剂的用量为所述水玻璃溶液质量的1％至3％。

[0021] 根据本发明，所述水包油型表面活性剂优选为非离子型表面活性剂，从而不会使水玻璃很快缩聚成团，丧失粘结效果。所述水包油型表面活性剂包括选自Brij30、Span 20、Atbs G-2111、Atlas G-1218、Atlas G-1734、Ameroxl OE-10、Tween 61、Tween 81、Atlas G-7596P、Tween 65、Tween 85、Atlas G-3930、Atlas G-2142、Atlas G-2162、S-307、Solulan C-24、P.E.G 400、Ameroxol OE-20、Solulan 16、Tween 20、Solulan 25、Tween 40、Atlas G-3820、Tween 60、Solulan 97、Tween 80、Myrj 52和Myrj 53中的至少一种。在本发明中，所述水包油型表面活性剂被用作增溶剂、分散剂以及稳定剂，其可对体系的稳定增溶起到良好的效果。

[0022] 根据本发明，所述疏水二氧化硅气凝胶包括冷冻干燥法、超临界干燥法或常压干燥法制备的气凝胶粉体或颗粒，其用量可为所述水玻璃溶液质量的60％以下且大于0％，优选为10-40％。

[0023] 根据本发明，所述可再分散乳胶粉可包括醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉(Vac/E)、乙烯与氯乙烯及月硅酸乙烯酯三元共聚乳胶粉(E/Vc/VL)、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉(Vac/E/VeoVa)、醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚乳胶粉(Vac/VeoVa)、丙烯酸酯与苯乙烯共聚乳胶粉(A/S)、醋酸乙烯酯与丙烯酸酯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉(Vac/A/VeoVa)、醋酸乙烯酯均聚乳胶粉(PVac)、苯乙烯与丁二烯共聚乳胶粉(SBR)等。优选地，根据本发明的可再分散乳胶粉可选用醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉(Vac/E)、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉(Vac/E/VeoVa)、醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚乳胶粉(Vac/VeoVa)、丙烯酸酯与苯乙烯共聚乳胶粉(A/S)、醋酸乙烯酯与丙烯酸酯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉(Vac/A/VeoVa)中的至少一种。

[0024] 在本发明中，所述可再分散乳胶粉的作用是：(1)对制得的浆料的施工起润滑作用；(2)提高对水的亲和性以及粘稠度，从而有利于提高施工浆料的内聚力，改善浆料的和易性；以及(3)提高所述复合保温材料干燥后的耐磨强度、抗裂能力和韧性。

[0025] 在本发明中，所述纤维素醚必须是非离子型水溶性的纤维素醚(例如，HPMC、HEMC等)，其作用是保水增稠，并使得所述疏水二氧化硅气凝胶在浆料中分散性更好。根据本发明，所述纤维素醚可包括选自甲基纤维素醚(MC)、羟乙基甲基纤维素醚(HEMC)、羟乙基纤维素醚(HEC)、羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)等中的至少一种。优选地，根据本发明的纤维素醚可选自HPMC和HEMC中的至少一种。

[0026] 根据本发明，所述短纤维是指水泥基材料里常用的抗裂纤维。在本领域中，纤维的长度小于20mm即为所谓的“短纤维”。此外，所述短纤维可包括聚丙烯短纤维、聚丙烯腈短纤维、聚乙烯醇短纤维、聚酯短纤维等。优选地，根据本发明的短纤维优选聚丙烯短纤维。

[0027] 根据本发明的一个实施方式，所述可再分散乳胶粉、纤维素醚与短纤维之间的重量比为1-40:1-4:1-3，优选为8:2:1。

[0028] 此外，所述可再分散乳胶粉、纤维素醚和短纤维的合计用量可大于0，且为10g/L以下，优选为7g/L。

[0029] 本发明中，所述玻化微珠是指一种无机玻璃质矿物材料，呈不规则球状体颗粒，内部多孔空腔结构，表面玻化封闭，光泽平滑。此外，所述玻化微珠根据堆积密度、筒压强度和导热系数的不同可分为I类、II类和III类。其中，I类玻化微珠的堆积密度小于80kg/m3、筒压强度为50kPa以上且小于150kPa，以及导热系数(平均温度25℃)为0.043W/(m·K)以下；II类玻化微珠的堆积密度为80-120kg/m3、筒压强度为150kPa以上且小于200kPa，以及导热系数(平均温度25℃)为0.048W/(m·K)以下且大于0.043W/(m·K)；以及III类玻化微珠的堆积密度大于120kg/m3、筒压强度为200kPa以上，以及导热系数(平均温度25℃)为0.070W/(m·K)以下且大于0.048W/(m·K)。优选地，根据本发明的玻化微珠可选用I类或II类玻化微珠，且优选I类玻化微珠。

[0030] 此外，根据本发明，所述玻化微珠的用量大于0，且为水玻璃质量的60％以下，以及优选为10％-35％。

[0031] 本发明的另一个方面提供了一种由上述方法制得的二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料。

[0032] [有益效果]

[0033] 根据本发明的方法过程简单，所获得的二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温材料成型容易，保温性能易调控，因此在墙体保温领域具有良好的应用。

附图说明

[0034] 图1为本发明实施例1中成型后的二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温砂浆照片。

具体实施方式

[0035] 下文中，将参照附图来描述本发明的优选实施方式。尽管将参照图示于附图中的实施方式来描述本发明，但应当注意的是，本发明所提供的实施方式仅用作示例说明，而非旨在限制本发明的技术精神和核心元素和操作。在不脱离本发明的技术精神和范围的前提下，本发明的示例性实施方式可以各种形式改变。

[0036] [实施例]

[0037] 以下列出了根据本发明的实施方式的实施例，这些实施例仅是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

[0038] 实验所用原材料的生产厂商：

[0039] 水玻璃溶液：北京市红星泡花碱厂，硅酸钠型水玻璃，模数约3.2，密度1.33g/cm3左右；

[0040] 疏水二氧化硅气凝胶颗粒：广东埃力生高新科技有限公司，超临界干燥法生产，堆积密度100-110kg/m3，粒径在2.5-10mm，室温下导热系数为0.020W/(m·K)；

[0041] 玻化微珠：以下A、B两种都来自辽宁天瑞新型建筑材料有限公司：A、堆积密度60kg/m3，导热系数为0.037W/(m·K)，以及B、堆积密度90kg/m3，导热系数为0.044W/(m·K)；

[0042] 可再分散乳胶粉：FX2350，阿克苏诺贝尔公司生产，实施例中简称乳胶粉[0043] 纤维素醚：HPMC，河南天盛化学工业有限公司生产，分子量约4万。

[0044] 短纤维：OJ-201型聚丙烯短纤维，6mm规格，欧锦化学科技(上海)有限公司生产。

[0045] 实施例1：

[0046] (1)向1L烧杯中加入900g水玻璃溶液和16g的Span 20，搅拌均匀以配制成混合溶液；

[0047] (2)将16g可再分散乳胶粉、4g纤维素醚和2g短纤维的混合物和42g疏水二氧化硅气凝胶颗粒分别加入到步骤(1)所得的混合溶液中，快速搅拌均匀，直至二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)；

[0048] (3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入285g玻化微珠B，搅拌均匀，从而得到产物，即二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温砂浆。

[0049] 砂浆成型常温下养护28天后，即可得到复合保温板材，测得干密度270kg/m3，导热系数为0.071W/(m·K)。

[0050] 实施例2：

[0051] (1)向1L烧杯中加入800g水玻璃溶液和16g的Span 20，搅拌均匀以配制成混合溶液；

[0052] (2)将16.0g可再分散乳胶粉、4g纤维素醚和2g短纤维的混合物和85g疏水二氧化硅气凝胶颗粒分别加入到步骤(1)所得的混合溶液中，快速搅拌均匀，直至二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)；

[0053] (3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入240g玻化微珠B，搅拌均匀，从而得到产物，即二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温砂浆。

[0054] 砂浆成型常温下养护28天后，即可得到复合保温板材，测得干密度230kg/m3，导热系数为0.061W/(m·K)。

[0055] 实施例3：

[0056] (1)向1L烧杯中加入800g水玻璃溶液和16g的Span 20，搅拌均匀以配制成混合溶液；

[0057] (2)将16.0g可再分散乳胶粉、4g纤维素醚和2g短纤维的混合物和45g疏水二氧化硅气凝胶颗粒分别加入到步骤(1)所得的混合溶液中，快速搅拌均匀，直至二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)；

[0058] (3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入260g玻化微珠A，搅拌均匀，从而得到产物，即二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温砂浆。

[0059] 砂浆成型静置2h后，置于微波炉中控温80℃加热45min，冷却后，即可得到复合保温板材，测得干密度220kg/m3，导热系数为0.055W/(m·K)。

[0060] 实施例4：

[0061] (1)向1L烧杯中加入800g水玻璃溶液和16g的Span 20，搅拌均匀以配制成混合溶液；

[0062] (2)将16.0g可再分散乳胶粉、4g纤维素醚和2g短纤维的混合物和90g疏水二氧化硅气凝胶颗粒分别加入到步骤(1)所得的混合溶液中，快速搅拌均匀，直至二氧化硅气凝胶被浸润和包裹；

[0063] (3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入150g玻化微珠A，搅拌均匀，从而得到产物，即二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温砂浆。

[0064] 砂浆成型静置2h后，置于微波炉中控温80℃加热45min，冷却后，即可得到复合保温板材，测得干密度220kg/m3，导热系数为0.052W/(m·K)。

[0065] 实施例5：

[0066] (1)向1L烧杯中加入800g水玻璃溶液和16g的Span 20，搅拌均匀以配制成混合溶液；

[0067] (2)将16.0g可再分散乳胶粉、4g纤维素醚和2g短纤维的混合物和90g疏水二氧化硅气凝胶颗粒分别加入到步骤(1)所得的混合溶液中，快速搅拌均匀，直至二氧化硅气凝胶被浸润和包裹以形成浆体，而后立即进行步骤(3)；

[0068] (3)迅速向步骤(2)中制得的浆体中加入170g玻化微珠A，搅拌均匀，从而得到产物，即二氧化硅气凝胶/玻化微珠/水玻璃复合保温砂浆。

[0069] 砂浆成型静置2h后，置于微波炉中控温80℃加热45min，冷却后，即可得到复合保温板材，测得干密度200kg/m3，导热系数为0.048W/(m·K)。

[0070] 对比实施例1

[0071] 除了不加入疏水二氧化硅气凝胶和Span20且加入的是330g玻化微珠B之外，以与实施例2相同的方式制得了砂浆产物。

[0072] 将砂浆成型常温下养护28天后，得到板材，测得干密度220kg/m3，导热系数为0.072W/(m·K)。

[0073] 通过对比，可见根据本发明的实施例1至5的复合保温材料在加入疏水二氧化硅气凝胶颗粒后，在保温隔热性能方面明显优于对比实施例1。