納米SiO2氣凝膠—纖維復合絕熱材料的制備及其在陶瓷窯爐結構中的應用

高富強+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.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；3.江門出入境檢驗檢疫局，江門 529000；4.華南理工大學，廣州 510640；5.廣州繁諾節能科技有限公司，廣州 510000）

摘 要：論文分析了多功能納米材料——氣凝膠的應用現狀，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-纖維復合材料，結合氣凝膠-纖維復合材料獨特的低導熱系數及絕熱性能，分析其在陶瓷窯爐結構設計及節能應用中的良好效果。

關健詞：SiO2氣凝膠；復合材料；節能；陶瓷窯爐

作者簡介：高富強，（1986～），學歷：工學碩士，職稱：計量工程師，研究方向：能源計量/節能減排。

1 引言

科學技術的快速發展推動SiO2氣凝膠這種新型納米材料的應用，SiO2氣凝膠良好的絕熱性能作為材料研究領域的一個重要方向，越來越受到人們的重視[1-2]。納米多孔SiO2氣凝膠隔熱復合材料具有低導熱系數、良好力學性能、低密度、易加工等優點，在航天飛行器熱防護系統、軍用熱電池以及熱力、化工、冶金、消防等領域都具有廣闊的應用前景[3-6]。

隨著全球能源的緊張，節能減排也成為全球關注的一個核心焦點，SiO2氣凝膠良好的絕熱性能目前在主要的高能耗產業內還沒有廣泛的推廣應用；目前在國內，SiO2氣凝膠的研究方向主要在開發高附加值的應用產品，如應用在航天、藥物載體等方面[7]。陶瓷行業作為傳統的高能耗大戶，目前我國陶瓷工業的能源利用率與國外相比，差距較大，發達國家的能源利用率一般高達50%以上，美國達57%，而我國僅達到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應用，可以為節能減排發揮很大的作用。

2 SiO2氣凝膠-纖維復合材料的制備及導熱性能分析

純SiO2氣凝膠的脆性比較大，力學性能相對較差，因此，圍繞如何提高SiO2氣凝膠力學性能成為該領域的一個重要的研究方向。為了研究如何提高SiO2氣凝膠的力學性能，哈爾濱工業大學楊麗麗等[8]采用SiC晶須和SiO2晶須增強SiO2氣凝膠制備氣凝膠隔熱復合材料；武漢科技大學董志軍等[9]采用莫來石短纖維增強SiO2氣凝膠制備氣凝膠隔熱復合材料；利用HF作為催化劑，一步法制備出的氣凝膠纖維復合材料采用莫來石短纖維增強SiO2氣凝膠制備氣凝膠隔熱復合材料[10]；國防科技大學王衍飛[11]等將SiO2氣凝膠短切石英纖維多孔骨架進行復合。以上學者研究的主要用途為軍工、航天等領域，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氣凝膠復合材料的制備成本，使其在工業領域廣泛推廣，依舊是SiO2氣凝膠目前研究的一個主要方向。

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，調節至恰當的pH值，數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，對濕凝膠進行表面化學改性；用不同濃度的三甲基氯硅烷和正己烷混合溶液進行表面改性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小時后得到氣凝膠纖維復合材料。圖1為制備的復合材料的實物圖。2.3 SiO2氣凝膠-纖維復合材料導熱性能分析

導熱系數，又稱熱導率，是衡量隔熱材料性能的重要指標，表征物體的導熱能力。導熱系數越高，材料的導熱性能越好，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，是影響其應用的一個主要因素，纖維與氣凝膠復合，會相互發揮各自的優勢。

圖2為不同纖維加入量與復合材料導熱系數的關系，從圖2可以看出，隨著纖維添加量的增加導熱系數也不斷增加，在纖維添加量超過10%以后增加速度越來越快。其主要是因為當纖維含量逐漸增加時，會在氣凝膠內部形成一個網絡，這樣傳熱方式就由低導熱系數的氣凝膠逐漸變為內部的纖維起主要傳熱的纖維-纖維之間的傳熱方式。

根據熱橋原理可知，在熱量傳遞過程中，會優先在導熱系數大的地方通過，因為能量在這些地方通過的時候阻力小。當纖維含量逐漸增加的時候，內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熱系數要比氣凝膠的大許多，此時，復合材料的導熱系數就會不斷增大，導致其絕熱性能大幅度下降。

3 SiO2氣凝膠-纖維復合材料在陶瓷窯爐中的應用

采用SiO2氣凝膠-纖維復合隔熱材料，可以在不損失隔熱效果的基礎上降低爐壁的厚度，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，同時還可以優化窯爐的保溫隔熱層設計，降低能耗。

純氣凝膠-纖維復合材料的強度依舊較低，在陶瓷窯爐的結構中作為中間夾層出現，在窯爐設計中，考慮到其特殊的性能，一般都將SiO2氣凝膠-纖維復合材料設計在陶瓷窯爐的次外層，如圖4所示。中窯窯業股份有限公司、佛山摩德納陶瓷機械股份有限公司的新型窯爐之中已經設計并應用該材料作為窯墻節能主要手段。納米微孔氣凝膠—纖維復合板導熱系數在800℃時為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℃，保溫節能顯著。

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

4 總結

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

參考文獻

[1] 高富強，曾令可，王慧，程小蘇，劉平安.溶膠凝膠法制備SiO2氣凝膠/纖維復合材料及其性能的表征[J].陶瓷學報， 2010，31（3）：368-371.

[2] 高富強，曾令可，王慧，程小蘇，劉平安.SiO2氣凝膠/纖維復合材料制備工藝的研究[J].中國陶瓷， 2010，46（8）：17-19.

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[9] 董志軍，李軒科，袁觀明.莫來石纖維增強SiO2氣凝膠復合材料的制備及性能研究[J].化工新型材料，2006，34（7）：58-61.

[10] 董志軍，涂紅兵，李軒科，袁觀明.莫來石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的制備[J].當代化工.2006，35（3）：166-168.

[11] 王衍飛，張長瑞，馮堅. SiO2氣凝膠/短切石英纖維多孔骨架復合材料的制備與性能.[J].硅酸鹽學報.2009，37（2）：234-237.