SiO2气凝胶隔热保温涂料研究及保温结构优化设计

石油化工行业是国家节能减排重点工程之一,如果相关设备设施保温不当,不仅会造成严重的热量散失,还会对油水分离和输送等产生影响。本文系统介绍了传统的以中空玻璃微珠或陶瓷微珠为主要隔热功能填料的隔热保温涂料的保温机理、性能及其存在的问题;以 SiO₂气凝胶为主要功能填料的新型隔热保温涂料研究现状及研究中的技术难点;针对不同应用环境,开发兼具防腐、防开裂、隔热保温功能的复合保温结构设计。本文为研制新型耐高温、高效水性无机隔热保温涂料的研究提供了参考方向,为隔热保温涂料在石油化工领域的工程应用提供分析。     

SiO2气凝胶纤维隔热复合材料的常压制备及性能表征

SiO₂气凝胶的力学性能较差,隔热性能较强,为了使其成为良好的隔热材料,本文提出一种SiO₂气凝胶纤维隔热复合材料的制备方法。以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,玻璃纤维和陶瓷纤维为增强体,硅烷偶联剂KH550和KH570为纤维处理剂,在常压条件下制备SiO₂气凝胶纤维隔热复合材料,并对材料性能进行表征。结果表明:前驱体中十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)含量越高,复合材料中SiO₂气凝胶导热系数越低,低至0.028 W/(m·K);使用硅烷偶联剂KH550时,基体和纤维之间结合的紧密程度更高;纤维的加入使SiO₂气凝胶的力学性能达到很高水平;当前驱体中TEOS与CTAB摩尔比为1∶0.022时,经KH550处理的玻璃纤维/SiO₂气凝胶复合材料导热系数为0.054 W/(m·K),力学性能良好,隔热性能最优。     

SiO2气凝胶保温隔热材料及其在建筑节能中的应用

建筑节能是全球关注的课题,新材料是影响建筑节能的关键之一。SiO₂气凝胶超低导热系数、A级不燃、吸湿率低、轻质等特点,被誉为“改变世界的神奇材料”,在建筑保温隔热领域有着广阔的应用前景,是未来建筑节能领域中理想的新型建筑材料。以建筑节能减碳为目标,重点阐述了SiO₂气凝胶保温隔热材料的种类及其在建筑领域应用现状。     

水性保温涂料的研制

通过对比不同隔热物质（密度玻璃微珠、气凝胶浆体、钛白粉）对保温涂料的影响，发现加入气凝胶浆体的涂料导热系数降低最快，但气凝胶使反射率有所增加，低密度玻璃微珠对导热系数降低有利，对增加涂料反射率不利，二者都对粘接强度不利，钛白粉增加涂料反射率最为明显，但对粘接强度及导热系数均有不利影响。使用粘接强度较优的HL25复配不同用量气凝胶浆体制备保温涂料，得到的规律与上述一致，同时得到了较优的水性涂料隔热物质配比HL25∶气凝胶浆体重量比为125∶100。最后选用上述得到的配比对比了反射物质对涂料性能的影响，钛白粉对涂料的影响规律与上述一致，隔热粉与钛白粉复配使用涂料的导热系数有略微降低，同时粘接强度及对比率也会有略微降低，但都不明显，实验得到了较优的隔热物质配比（重量比）HL25∶气凝胶浆体∶钛白粉为125∶100∶20。     

气凝胶在建筑保温隔热涂料中的应用研究

在满足保温隔热涂料导热系数和力学性能要求时,单独使用气凝胶会导致体系收缩率较高,且大量使用气凝胶成本过高,并无实用价值。本研究主要利用气凝胶的热学性能,并配合使用膨胀玻化微珠、膨胀珍珠岩作为保温隔热骨料,制得具有实用性的保温隔热涂料。试验结果表明,随着保温隔热骨料配比的增加,保温隔热涂料的干密度、抗拉强度降低;保温隔热涂料的黏结强度和抗拉强度都随着S-400弹性建筑乳液配比的提高而显著增大;随着气凝胶配比的增加,涂层的干密度、导热系数和抗拉强度降低。     

硅酸铝纤维和玻璃纤维复合二氧化硅气凝胶材料的制备与性能

分别以硅酸铝纤维和玻璃纤维为骨架材料,采用溶胶-凝胶、常压干燥制得纤维复合二氧化硅气凝胶材料,并对材料进行了结构和性能的测试分析。结果表明,二氧化硅气凝胶附着于纤维表面,提高了材料力学强度。硅酸铝纤维复合二氧化硅气凝胶材料的隔音性能优于玻璃纤维复合二氧化硅气凝胶材料。两种纤维复合二氧化硅气凝胶材料耐高温、燃烧性能均达到A级。硅酸铝纤维复合二氧化硅气凝胶材料和玻璃纤维复合二氧化硅气凝胶材料的产烟毒性分别为AQ₁级和AQ₂级,导热系数分别为0.034 W/（m·K）和0.033 W/（m·K）。     

SiO2气凝胶提高岩棉和玻璃棉性能的实验研究

以无水乙醇为溶剂,SiO₂气凝胶为溶质,制取SiO₂气凝胶改性溶液。采用浸润及常压干燥的方法制备岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板,研究不同质量分数的SiO₂气凝胶对复合板的短期吸水量、热导率及抗压强度的影响,并分析SiO₂气凝胶质量分数为8%时制备的岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的改性效果,进而采用扫描电镜对复合板的微观形貌进行了表征。结果表明,SiO₂气凝胶均匀附着于无机纤维上,形成了较为稳定的复合体系;随着SiO₂气凝胶质量分数的不断增加,岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的短期吸水量和热导率都逐渐减小,其抗压强度有一定的提升。比较改性后的岩棉和玻璃棉,后者的防水性能和抗压强度改善更明显。当SiO₂气凝胶质量分数达到8%时,岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的短期吸水量较改性前分别下降了35.0%和36.2%,热导率分别下降了26.7%和18.3%,抗压强度分别提升了6.5%和102.9%。     

HNTs/SiO2粘土复合气凝胶保温砂浆的制备及性能研究

采用正硅酸乙酯为硅源,以改性的纤维状粘土埃洛石纳米管(HNTs)为增强相,利用常压干燥技术制得具有良好力学与隔热性能的HNTs/SiO2粘土复合气凝胶.将复合气凝胶作为轻骨料与砂浆复合,获得轻质隔热的保温砂浆.利用扫描电镜、压力试验机和导热仪对保温砂浆的微观形貌和性能进行表征.结果 表明:HNTs/SiO2粘土复合气凝胶呈现三维网状结构,与水泥界面结合紧密.当复合气凝胶掺量为50vol％时,HNTs/SiO2粘土复合气凝胶保温砂浆的抗压强度和抗折强度分别为10.4 MPa、1.3 MPa,导热系数为0.089 W/(m·K),相比于添加纯SiO2气凝胶的砂浆,抗压强度与抗折强度的增幅分别为33％、18％,导热系数上升了7％.     

耐高温隔热保温涂料的研究

采用有机硅树脂、空心玻璃微珠和无机纤维为主要原料制备隔热保温涂料。讨论了空心玻璃微珠的用量与种类、涂料生产工艺,以及涂料中加入无机纤维后对涂料隔热性能的影响。使用扫描电子显微镜观察保温涂料的微观形态。实验结果表明,空心玻璃微珠的适宜用量为33-36g;从保温效果及生产工艺综合考虑,型号为7032的空心玻璃微珠最佳;搅拌速度300r／min、反应时间20min时制得的涂料导热系数最小;加入硅酸铝纤维的涂料冲击强度最好。     

SiO2包覆TiO2复合纳米粒子的制备及防晒性能研究

通过溶胶-凝胶法在金红石型纳米二氧化钛（TiO₂）表面包覆二氧化硅（SiO₂）薄膜,对纳米TiO₂进行表面改性。通过优化聚乙烯吡咯烷酮（PVP）用量、硅钛比、氨水的用量确定最佳制备条件为:TiO₂用量为0.3 g,PVP用量为0.4 g,硅钛比为2∶1,氨水用量为5 m L,获得了粒径小,SiO₂包覆层薄,单分散性好的SiO₂-TiO₂复合纳米粒子。应用FT-IR,XRD,SEM,TEM和UV-vis等对改性前后的粒子进行表征。结果表明:红外光谱图中出现Si-O-Ti键的振动吸收峰,改性前后的纳米TiO₂均为金红石型,SEM及TEM显示改性后的粒子团聚现象减弱,其表面形成了约10 nm的SiO₂薄膜。经过表面改性,SiO₂成功包覆在纳米TiO₂表面,复合纳米粒子的光催化活性得到有效抑制,纳米TiO₂作为防晒剂的安全性大大提高。...     

纤维增强Al2O3-SiO2气凝胶隔热复合材料研究进展

Al₂O₃-SiO₂气凝胶是一种低密度、高比表面积、高孔隙率、低热导率的三维结构纳米多孔材料,在航空航天、建筑保温、石油化工等领域具有广泛的应用前景,是理想的高温隔热基体之一。但纯Al₂O₃-SiO₂气凝胶力学性能和抑制高温辐射传热能力较弱,限制了自身在隔热领域的应用。采用纤维作为增强体,制备的Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料同时具有较好的力学和隔热性能,是目前国内外高温隔热材料方向的研究热点之一。本文介绍了纤维增强Al₂O₃-SiO₂气凝胶隔热复合材料的制备方法,综述了目前国内外该材料的研究进展,并对其未来发展趋势做了展望。     

高压蒸汽管道保温研究

计算了不同管径和保温厚度下蒸汽管道输送高压蒸汽的热损失和温度降。结果表明:保温厚度越大,蒸汽的热损失越小、温度降越小;保温材料导热系数与蒸汽的热损失呈正比;环境温度越高,蒸汽的热损失越小;环境风速对热损失的影响不大。同时研究了保温材料选择和保温结构对节能的影响。     

纳米二氧化硅气凝胶隔热材料的研究进展

作为一种超级隔热材料,二氧化硅气凝胶具有极高的孔隙率和极低的热导率。着重介绍了纳米二氧化硅气凝胶隔热材料的类型以及制备方法。常见的制备方法为先制成纳米孔气凝胶的颗粒和粉料,再掺入增强纤维和黏结剂,经二次成型制成复合体。分析了二氧化硅气凝胶复合隔热材料存在的问题,简要介绍了最新的改进技术,提出今后研究的主要目标,即通过廉价原料制备出较低密度下有良好强度和热导率的气凝胶复合材料,最后对其研究前景进行了展望。     

Preparation and high-temperature service performance of hierarchically pore-structured BN fiber aerogels

Multifunctional aerogels with high porosity and good thermal insulation have attracted much attention in the field of energy and aerospace engineering. In this work, a three-dimensional BN fiber aerogel with hierarchically porous structure was prepared through a freeze-drying combined with in-situ carbothermal reduction nitridation route. The synthesized BN fiber aerogel exhibits a specific surface area of 154.3 m²/g, a high porosity of 96.8% and hydrophobicity. Moreover, the BN fiber aerogel shows a low thermal conductivity of 0.051 W/(m·K) and excellent thermal insulation properties owing to its hierarchical porous structure. Particularly, the BN fiber aerogel still maintains its low thermal conductivity and a rather high mechanical strength after re-heated at 1473 K for 3 h in Ar atmosphere, suggesting excellent high-temperature service performance. The successfully developed multifunctional BN fiber aerogel holds promising potential in high-temperature thermal insulation fields.     

红外遮光剂对硅酸盐隔热保温涂料性能的影响

分别选取六钛酸钾晶须(PTW),金红石型二氧化钛(TiO2)和钛溶胶作为红外遮光剂,以九水合硅酸钠为粘结剂,添加SiO2气凝胶等隔热填料,用机械搅拌的方法制备出硅酸盐隔热保温涂料.研究了红外遮光剂对涂料红外透过率,消光系数和导热系数的影响.结果表明:三种红外遮光剂中,钛溶胶分散性最好,掺杂钛溶胶的涂料红外透过率最低,消光系数最大,导热系数最低,可降低至0.032 W·m-1·K-1.     

Fiber Reinforced Polyimide Aerogel Composites with High Mechanical Strength for High Temperature Insulation

Glass fiber/polyimide aerogel composites are prepared by adding glass fiber mat to a polyimide sol derived from diamine, 4,4′‐oxydianiline, p‐phenylene diamine, and dianhydride, 3,3′,4,4′‐biphenyltetracarboxylic dianhydride. The fiber felt acts as a skeleton for support and shaping, reduces aerogel shrinkage during the preparation process, and improves the mechanical strength and thermal stability of the composite materials. These composites possess a mesoporous structure with densities as low as 0.143–0.177 g cm^?3, with the glass fiber functioning to improve the overall mechanical properties of the polyimide aerogel, which results in its Young's modulus increasing from 42.7 to 113.5 MPa. These composites are found to retain their structure after heating at 500 °C, in contrast to pure aerogels which decompose into shrunken ball‐like structures. These composites maintain their thermal stability in air and N₂ atmospheres, exhibiting a low thermal conductivity range of 0.023 to 0.029 W m^?1 K^?1 at room temperature and 0.057to 0.082 W m^?1 K^?1 at 500 °C. The high mechanical strengths, excellent thermal stabilities, and low thermal conductivities of these aerogel composites should ensure that they are potentially useful materials for insulation applications at high temperature.     

Quantitative analysis of silica aerogel-based thermal insulation coatings

A mathematical heat transfer model for a silica aerogel-based thermal insulation coating was developed. The model can estimate the thermal conductivity of a two-component (binder-aerogel) coating with potential binder intrusion into the nano-porous aerogel structure. The latter is modelled using a so-called core–shell structure representation. Data from several previous experimental investigations with silica aerogels in various binder matrices were used for model validation. For some relevant cases with binder intrusion, it was possible to obtain a very good agreement between simulations and experimental data with shell thickness and/or thermal conductivity of the shell as adjustable parameters. However, the experimental data was not sufficiently detailed to allow a separation of the effects of the two parameters. In the ideal case of no aerogel binder intrusion, a comparison with a coating containing intact hollow glass or polymer spheres showed that silica aerogel particles are more efficient in an insulation coating than hollow spheres. In a practical (non-ideal) comparison, the ranking most likely cannot be generalized. A parameter study demonstrates how the model can be used, qualitatively, to get an indication of the effect of important model parameters on the thermal conductivity of an insulation coating. With relevant data available for service life exposure conditions and raw material costs, the model can also be used as an optimization algorithm.