納米SiO2氣凝膠—纖維復(fù)合絕熱材料的制備及其在陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

高富強(qiáng)+李萍+張磊敏+曾令可+涂騰+刁浩明

（1 .廣州能源檢測研究院，廣州 511447；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3.江門出入境檢驗(yàn)檢疫局，江門 529000；4.華南理工大學(xué)，廣州 510640；5.廣州繁諾節(jié)能科技有限公司，廣州 510000）

摘 要：論文分析了多功能納米材料——?dú)饽z的應(yīng)用現(xiàn)狀，采用二步法-非超臨界干燥條件下制備納米孔SiO2氣凝膠以及納米SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料，結(jié)合氣凝膠-纖維復(fù)合材料獨(dú)特的低導(dǎo)熱系數(shù)及絕熱性能，分析其在陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及節(jié)能應(yīng)用中的良好效果。

關(guān)健詞：SiO2氣凝膠；復(fù)合材料；節(jié)能；陶瓷窯爐

作者簡介：高富強(qiáng)，（1986～），學(xué)歷：工學(xué)碩士，職稱：計(jì)量工程師，研究方向：能源計(jì)量/節(jié)能減排。

1 引言

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動SiO2氣凝膠這種新型納米材料的應(yīng)用，SiO2氣凝膠良好的絕熱性能作為材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，越來越受到人們的重視[1-2]。納米多孔SiO2氣凝膠隔熱復(fù)合材料具有低導(dǎo)熱系數(shù)、良好力學(xué)性能、低密度、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)、軍用熱電池以及熱力、化工、冶金、消防等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景[3-6]。

隨著全球能源的緊張，節(jié)能減排也成為全球關(guān)注的一個(gè)核心焦點(diǎn)，SiO2氣凝膠良好的絕熱性能目前在主要的高能耗產(chǎn)業(yè)內(nèi)還沒有廣泛的推廣應(yīng)用；目前在國內(nèi)，SiO2氣凝膠的研究方向主要在開發(fā)高附加值的應(yīng)用產(chǎn)品，如應(yīng)用在航天、藥物載體等方面[7]。陶瓷行業(yè)作為傳統(tǒng)的高能耗大戶，目前我國陶瓷工業(yè)的能源利用率與國外相比，差距較大，發(fā)達(dá)國家的能源利用率一般高達(dá)50%以上，美國達(dá)57%，而我國僅達(dá)到28 ～ 40%左右；就一般陶瓷廠而言，陶瓷窯爐的能耗為該廠的主要能耗61%以上，干燥工序能耗約占20%，SiO2氣凝膠良好的絕熱性能如在陶瓷窯爐中能夠恰當(dāng)應(yīng)用，可以為節(jié)能減排發(fā)揮很大的作用。

2 SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料的制備及導(dǎo)熱性能分析

純SiO2氣凝膠的脆性比較大，力學(xué)性能相對較差，因此，圍繞如何提高SiO2氣凝膠力學(xué)性能成為該領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向。為了研究如何提高SiO2氣凝膠的力學(xué)性能，哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊麗麗等[8]采用SiC晶須和SiO2晶須增強(qiáng)SiO2氣凝膠制備氣凝膠隔熱復(fù)合材料；武漢科技大學(xué)董志軍等[9]采用莫來石短纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠制備氣凝膠隔熱復(fù)合材料；利用HF作為催化劑，一步法制備出的氣凝膠纖維復(fù)合材料采用莫來石短纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠制備氣凝膠隔熱復(fù)合材料[10]；國防科技大學(xué)王衍飛[11]等將SiO2氣凝膠短切石英纖維多孔骨架進(jìn)行復(fù)合。以上學(xué)者研究的主要用途為軍工、航天等領(lǐng)域，采用的制備方法為超臨界干燥法，相對成本較高，如何降低SiO2氣凝膠復(fù)合材料的制備成本，使其在工業(yè)領(lǐng)域廣泛推廣，依舊是SiO2氣凝膠目前研究的一個(gè)主要方向。

2.1試劑與儀器

正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇、三甲基氯硅烷、正丁醇、正己烷、丙三醇等均為分析純試劑；鹽酸為0.1 mol/L、氨水1 mol/L；水為蒸餾水。

DZKW-D-1型電熱恒溫水浴鍋、JB-3型定時(shí)恒溫磁力攪拌器、YC7134-2XZ-2型旋片真空泵、DZF-6020B型曲線控溫真空泵、JB101-2A型電熱恒溫干燥箱。

2.2樣品制備

先將一定體積的正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸和陶瓷短纖維混合攪拌，待其充分水解后加入一定量的氨水作催化劑，調(diào)節(jié)至恰當(dāng)?shù)膒H值，數(shù)分鐘后在體系即將形成凝膠之前，將含有纖維的醇溶膠倒入模具，然后將生成的凝膠加入少量母液后靜止12 h左右，脫模取出樣品，把樣品浸入母液中老化48 h以上；將老化后有一定剛性的醇凝膠取出，放入無水乙醇中浸泡1 h，倒掉溶液；用正丁醇浸泡2次，放在烘箱里面，每次24 h，以使醇凝膠中的水全部被正丁醇替代，倒掉溶液；加入不同比例的三甲基氯硅烷的正丁醇溶液，在50℃下恒溫24 h，對濕凝膠進(jìn)行表面化學(xué)改性；用不同濃度的三甲基氯硅烷和正己烷混合溶液進(jìn)行表面改性3 d左右，改性后將凝膠用正己烷洗滌，最后，在真空干燥箱中干燥數(shù)小時(shí)后得到氣凝膠纖維復(fù)合材料。圖1為制備的復(fù)合材料的實(shí)物圖。2.3 SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性能分析

導(dǎo)熱系數(shù)，又稱熱導(dǎo)率，是衡量隔熱材料性能的重要指標(biāo)，表征物體的導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱系數(shù)越高，材料的導(dǎo)熱性能越好，隔熱性能越差。纖維的絕熱性能相對SiO2氣凝膠而言要差很多，因此纖維的添加會使得復(fù)合材料的隔熱性能大大降低；純SiO2氣凝膠的脆性較大，是影響其應(yīng)用的一個(gè)主要因素，纖維與氣凝膠復(fù)合，會相互發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

圖2為不同纖維加入量與復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，從圖2可以看出，隨著纖維添加量的增加導(dǎo)熱系數(shù)也不斷增加，在纖維添加量超過10%以后增加速度越來越快。其主要是因?yàn)楫?dāng)纖維含量逐漸增加時(shí)，會在氣凝膠內(nèi)部形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這樣傳熱方式就由低導(dǎo)熱系數(shù)的氣凝膠逐漸變?yōu)閮?nèi)部的纖維起主要傳熱的纖維-纖維之間的傳熱方式。

根據(jù)熱橋原理可知，在熱量傳遞過程中，會優(yōu)先在導(dǎo)熱系數(shù)大的地方通過，因?yàn)槟芰吭谶@些地方通過的時(shí)候阻力小。當(dāng)纖維含量逐漸增加的時(shí)候，內(nèi)部的搭接程度就會越來越高，如圖3所示。由于莫來石纖維的導(dǎo)熱系數(shù)要比氣凝膠的大許多，此時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)就會不斷增大，導(dǎo)致其絕熱性能大幅度下降。

3 SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料在陶瓷窯爐中的應(yīng)用

采用SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合隔熱材料，可以在不損失隔熱效果的基礎(chǔ)上降低爐壁的厚度，在外觀尺寸不變的情況下將窯爐的有效燒成空間的容積增大，同時(shí)還可以優(yōu)化窯爐的保溫隔熱層設(shè)計(jì)，降低能耗。

純氣凝膠-纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度依舊較低，在陶瓷窯爐的結(jié)構(gòu)中作為中間夾層出現(xiàn)，在窯爐設(shè)計(jì)中，考慮到其特殊的性能，一般都將SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)在陶瓷窯爐的次外層，如圖4所示。中窯窯業(yè)股份有限公司、佛山摩德納陶瓷機(jī)械股份有限公司的新型窯爐之中已經(jīng)設(shè)計(jì)并應(yīng)用該材料作為窯墻節(jié)能主要手段。納米微孔氣凝膠—纖維復(fù)合板導(dǎo)熱系數(shù)在800℃時(shí)為0.036 W/（m·K），比一般保溫棉的0.15 W/（m·K）小得多，窯墻減薄75 mm，窯外表面溫度還可下降5℃，保溫節(jié)能顯著。

表1為常用隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從表中可以看出，這些隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)大多在0.1 W/（m·K）以上，相比SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料相差一個(gè)數(shù)量級。

4 總結(jié)

SiO2氣凝膠-纖維復(fù)合材料具有良好的隔熱性能，在“節(jié)能減排”日益被人們關(guān)注的今天，其在作為傳統(tǒng)高耗能行業(yè)的陶瓷行業(yè)的應(yīng)用，可以大大提高陶瓷窯爐的保溫性能，大幅降低陶瓷行業(yè)的能耗，為“節(jié)能減排”做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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