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纳米气凝胶毡

产品分类: 纳米隔热材料
纳米气凝胶毡是以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料,通过特殊工艺同玻璃纤维棉或预氧化纤维毡复合而成的柔性保温毡。其特点是导热系数低,有一定的抗拉及抗压强度,便于保温施工应用,属于新型的保温材料。
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纳米气凝胶毡是以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料,通过特殊工艺同玻璃纤维棉或预氧化纤维毡复合而成的柔性保温毡。其特点是导热系数低,有一定的抗拉及抗压强度,便于保温施工应用,属于新型的保温材料。

纳米气凝胶毡是把二氧化硅气凝胶为主体材料,并复合于增强性纤维中,如玻璃纤维、预氧化纤维,通过特殊工艺合成的柔性保温材料。气凝胶毡是目前约400℃ 温度区域内导热系数相对低的固体绝热材料(400-1000℃ )高温区的导热系数则大大高于微纳隔热系列)。

纳米气凝胶毡与传统材料的对比

纳米气凝胶毡具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、无机防火﹑整体疏水、绿色环保等特性,其可替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。

纳米气凝胶毡主要用于工业管道﹑储罐,工业炉体,电厂,救生舱,军舰舱壁,动车,直埋管道,注塑机,可拆卸式保温套,稠油开采高温蒸汽管道,交通运输,家用电器,钢铁,有色金属,玻璃等领域的保温隔热。

纳米气凝胶毡物理性能

包装形式:卷状

厚度:5mm, 8mm, 10mm

宽度:1500mm

密度:180-220kg/m3

适用温度:-200℃—+1000℃ (同型号相关)

疏水性:疏水(350℃以下)

导热系数:0.012 - 0.018w/m·k (25℃时)

纳米气凝胶毡优点

1、优异的隔热效果

气凝胶毡的隔热效果是传统隔热材料2-5倍,根据阿伦尼乌斯实验测定的理论使用年限为20年。几乎与建筑物同寿命。

2、减少保温层厚度

气凝胶毡取得同等隔热效果,厚度仅为传统材料的几分之一。保温后热损失小,空间利用率高。且在高温下,以上性能优势更为明显。

3、憎水性和防火性

气凝胶毡憎水,可有效防止水分进入管道、设备内部。同时具有建筑A1级防火性能,且气凝胶独具的三维网络结构避免了其他保温材料在长期高温使用中烧结变形、沉降等保温效果明显下降的现象。

4、施工方便

气凝胶毡质轻,容易裁剪、缝制以适应各种不同形状的管道、设备保温,且安装所需时间及人力更少。

5、节省运输费用

更小的包裹体积及更轻的重量可大大降低保温材料的运输成本。

纳米气凝胶毡的研制

SiO2气凝胶独特的网络结构及高孔隙率和低密度等特点导致了气凝胶本身具有很大的脆性,并且在温度较高的环境中,半透明的气凝胶材料很难阻抗辐射热导率的影响,因此,在很多领域中,气凝胶很难作为隔热材料单独进行使用,需要与其他材料复合才能达到实际的使用效果。乐博体育耐火材料公司科技人员经过多年反复试验研究,研制出一种新型纳米气凝胶毡。研制纳米气凝胶毡的主要原料有:SiO2气凝胶,纤维,炭黑、TiO2,氧化锆。

2.研制方法。将50%~60%(按质量分数,下同)的SiO2胶;3%~5%的纤维;10%~20%的炭黑;5%~10%的TiO2;10~15%的氧化锆,加入特制的混合设备内搅拌均匀,利用液压模压成型,制成纳米气凝胶毡。

3.性能与特点。此纳米气凝胶毡是一种模压成型的新型隔热材料,其导热率低,经权威机构检测800,导热率为0.037W/(mK),加热线变化率1.7%;其次耐高温性能好,耐高温000以上;长期使用不变形,不粉化,性能不退化,在常规使用环境下具有极长的寿命,毋需更换维护;低密度体积密度可按要求设计在200~600kg/m之间;环保无毒在高温下不释放任何气体或有机物。

纳米气凝胶毡的特点

纳米气凝胶毡的特点主要是由气凝胶的特点决定的,那么气凝胶有哪些特点呢,这里小编总结了两点:

1.SiO2气凝胶的导热特性。气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的一种纳米孔网络结构,常见的SiO2气凝胶是由SiO2网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体所构成的一种高分散固体材料。具有80%以上的孔隙率,其孔径均为纳米网络骨架相互联结围绕所构成的2~50nm之间的介孔尺寸,密度仅为30~100kg/m,在常温下SiO2气凝胶的热导率仅为0102W/(mK)。因此,SiO2气凝胶是一种典型的轻质、性能优异的隔热材料。

2.气凝胶的透光特性。在高温状态下,波段小于8μm的红外线的热辐射能量将几乎全部通过气凝胶,导致SiO2气凝胶的热导率急剧上升,为了减小辐射热导率,就需要在气凝胶中复合可以吸收或散射红外光的遮光剂,常见的红外遮光剂有炭黑、TiO2等。

纳米气凝胶毡的制备工艺

目前的纳米气凝胶毡的制备工艺通常采用溶胶一凝胶法和模压烧结法两大类。

(1)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法采用正硅酸乙酯、硅溶胶、水玻璃等为硅源材料。先将催化剂(如HCl、H2SO4等)加入在这些溶胶中,再用碱性物质来调节凝胶时间,使其形成具有纳米孔网络的SiO2凝胶体。再经过老化,使得凝胶体中的SiO2粒子形成网络结构,而网络内的空隙被液体即水或溶剂所占据。如果能够在干燥过程中保持原来由液体所占据的空隙被空气所取代,这样所得到的含有大量空气的SiO2材料称为硅气凝胶。在这个过程中有一个关键的技术,就是由于空隙的毛细管表面张力的作用,使得凝胶体在干燥过程中,会产生收缩,并使纳米孔结构产生塌陷。这样会使整块状的材料开裂,最终形成空隙率很低的干凝胶。因此,早期的研究是用超I临界干燥的方法。即在超临界状态下,气体和液体之间不再有界面存在,而是成为界于气体和液体之间的一种均匀的流体,这种流体逐渐从凝胶体中排出。由于不存在气一液界面,也就没有表面张力作用,因此就不会引起凝胶体的收缩和结构的破坏。但由于超临界干燥需要高温和高压条件,如水的临界温度是274.1℃,压力22.04MPa;乙醇的临界温度是239.4℃,压力8.09MPa;因此很难进行大规模制作。目前只有NASA用此种方法与陶瓷纤维做成复合绝热瓦应用于乐博体育飞机上。其它仅仅停留在实验室的研究上,还没有商品化的产品。现在,一种比较流行的研究方法是通过表面改性来降低其表面张力。一般用三甲基氯硅烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等,使凝胶表面硅烷基化。这样减小了毛细管表面张力,因而可减小凝胶在干燥过程中的收缩和开裂,使得干燥能在常压下进行。另外还采取掺入粘结剂的方法来增加其骨架强度。不过这些方法的使用会降低该种材料的一些隔热效果。

用溶胶一凝胶法制作的纳米气凝胶毡可以做到壁薄孔匀和形成比较理想的纳米孔网络结构,因此性能优越,但是成本比较高。

(2)模压烧结法

纳米气凝胶毡的另一种做法是采用具有链状结梅的超细SiO2微粉为主要原材料,进行模压加工成一定的形状。而这种SiO2微粉其链状结构的原始粒径是在纳米级的范围内。因此,由其形成的网络结构的孔隙也是以纳米级范围为主。采用这种方法的关键是将这些纳米级的超细SiO2微粉能连成一个具有纳米孔网络结构的整体,而较好的方法是采用烧结的方法使SiO2微粒子互相反应而成为一体。由于SiO2微粒子是在纳米级的尺度范围内,因此控制烧结温度是这种方法的关键。另外在原材料中还需掺入纤维来增加强度,及加入遮光剂来有效地隔断高温时的辐射传热。用这种方法制作的产品其性能一般要比用溶胶一凝胶法做成的整块状产品的隔热性能略差一些。因为在这种网络结构中SiO2壁壳比溶胶一凝胶法的SiO2壁壳要厚(达20nm),这样增加了固相部分的热传导。而且在这些粉体间还存在着一些微米级的空隙,也增加了空气的热对流。但目前的纳米气凝胶毡产品主要是以此种方法制作的。

纳米气凝胶毡与其它保温材料在石油管道保温效果方面的对比

寒区某长距离输油管道输送的是温度为-10℃的原油,由于夏季环境温度明显高于油温,如果站场内管道与空气直接接触,壁面将凝结出一层水膜,容易出现管道腐蚀、仪表失灵等现象,严重影响站内管道的安全运行,因为需要对管道进行保温,原来管道保温采用的材料是聚氨酯发泡保温材料,但是这种材料具有寿命短、易损坏且不易拆卸等一系列缺点,近几年来新研发的纳米气凝胶毡很好的解决了这一问题,纳米气凝胶毡是一种新型绝热保温材料,保温性能良好,且具有超疏水、寿命长、抗压、易安装维护等特点,广泛应用于石油行业,目前国外的很多大的石油公司都在使用,如:美孚石油公司美东管道保温、道康宁公司160℃容器保温、日本住友化工、埃索石油新加坡成品油罐保温等,国内中国石油克拉玛依油田也尝试用了该材料,此外,纳米气凝胶毡在航空乐博体育、溢油处理等领域也有广泛应用,本文主要是探讨一下纳米气凝胶毡和其他几种保温材料在石油管道方面的应用效果比较。

2、不同保温材料保温方案对比

根据管道具体运行工况及该地区夏季气温记录数据,对现场条件进行设定:管道外径813mm,壁厚16mm,油温为-10℃,环境温度为35℃(取为该地区夏季近两年最高温度),取管道长度为1m进行计算,管道外壁风速为2m/s。结合管道常用保温材料,给出3种保温方案,方案1采用10mm纳米气凝胶毡对管道进行包覆;方案2采用25mm保温橡塑对管道进行包覆;方案3采用17mm聚氨酯发泡保温材料对管道进行包覆,其乐博体育度为25mm和17mm为该温差下保温橡塑和聚氨酯发泡保温材料的推荐值,将该3种方案,与裸管一起形成4种工况,在保温性能方面进行对比分析。分析后得出以下结果:

裸管模拟结果:根据现场情况,钢管导热系数取44.5W/(m.k)。根据模拟结果,当没有采取任何保温措施时,在设定现场条件下,管壁外侧温度为-9.24℃,表明钢管基本没有保温作用。

方案1模拟结果:按纳米气凝胶毡导热系数取0.016W/(m.k)计算,得到的模拟结果表明,当采取方案1时,在设定现场条件下,管道外侧温度为30.624℃,低于环境温度4.376℃,保温效果良好。管道外侧温度高于空气露点温度,不会出现结露现象。

方案2模拟结果:按保温橡塑导热系数取0.035W/(m.k)计算,得到的模拟结果表明,当采取方案2时,在设定现场条件下,管道外侧温度为30.803℃,低于环境温度4.197℃,在此温度下,不会出现结露现象。

方案3模拟结果:按聚氨酯发泡材料导热系数取0.025W/(m.k)计算,得到的模拟结果表明,当采取方案3时,在设定现场条件下,管道外侧温度为30.610℃,低于环境温度4.390℃,17mm厚的聚氨酯发泡保温材料在不损坏的前提下,同样可以获得较好的保温效果。

对比以上4种模拟工况,管道在无保温措施情况下,管道外壁温度与管内流体温度十分接近,因为管道在夏季经常出现“出汗”现象,要获得同样的保温效果,方案1所需的厚度最小,方案2所需的厚度较大。 3

、保温性能对比

由于管输油温存在一定的浮动,按照仿真模拟方法,分别取油温为-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃,环境温度为30℃、35℃、40℃,按照设定的现场条件对在以上4种工况下管道外壁温度的计算结果进行对比,结果表明:裸管基本不具有保温性能;方案1、方案2、方案3在理论状态下具有同样的保温效果(表1);在此3种保温方案下,管道夏季均不会出现结露问题;若需获得同样保温效果,纳米气凝胶毡所需的厚度最小。

纳米气凝胶毡的应用实例

一、在高温行业中的应用

在需要隔热,同时又要求体积小,重量轻的设备上,纳米气凝胶毡是较好选择。例如冶金行业的钢包,鱼雷罐、中间包等,在不改变钢结构的前提下利用纳米气凝胶毡可实现这些设备的扩容增量,同时,可达到很好的隔热保温效果。在某钢厂100吨钢包上,用纳米气凝胶毡代替传统的隔热板进行实验,经测试结果如下:

1.在隔热材料厚度相同的条件下,利用纳米气凝胶毡的钢包外壁温度比采用传统隔热板的钢包的外壁温度下降100-130,很有效地减小了钢包壳体的热变形。

2.在钢包外壁温度相同的条件下,20mm厚的纳米气凝胶毡可代替30mm厚的传统隔热板,实现钢包的扩容增量。

3.采用纳米气凝胶毡,钢包里的钢水降温明显缓慢,利于钢水温度的稳定。

4.具有很好的化学稳定性,反复使用不分解、不变质、不粉化。

二、纳米气凝胶毡的开发和应

用前景由于纳米气凝胶毡生产工艺采用液压模压成型,可根据需要采用不同的磨具生产不同形状的纳米气凝胶毡,应用于不同领域。同时,根据不同温度需要,生产不同温度使用的隔热材料。生产纳米气凝胶毡的材料均不含有害物质,是一种环保材料,可应用于家电产品的保温隔热。由于纳米气凝胶毡的良好的隔热性能,在使用中可大大降低隔热材料的厚度,使家电产品更加小巧,更加节能。制备温度在350~1000℃性能优良的纳米气凝胶毡与传统绝热材料相比,质量更轻、体积更小、厚度更薄。开发柔性气凝胶隔热毡,可应用于管道、飞机、汽车等保温体系中。纳米气凝胶毡由于具有超级隔热性能,可在航空乐博体育、石化等重要领域使用。总之,开发应用纳米气凝胶毡将有很广阔的前景。

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