Микропористый теплоизоляционный материал
MICROPOROUS HEAT-INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к технологии производства теплоизоляционных материалов и может быть использовано в авиакосмической технике, в приборостроении, машиностроении, строительстве и других областях техники.
Известен микропористый теплоизоляционный материал (патент США №5122291, МПК С09С 1/28, С01В 33/154), включающий пигментсодержащий аэрогель из диоксида кремния.
Способ изготовления этого материала включает следующие операции:
- реакция водной дисперсии силиката натрия и пигмента с сильной кислотой с целью выделения пигментсодержащего гидрогеля, который рассеивает, поглощает или отражает инфракрасную энергию,
- очистка полученного пигментсодержащего гидрогеля из диоксида кремния промыванием его водой,
- вытеснение воды в гидрогеле путем использования низкокипящей жидкости, которая инертна по отношению к пигментсодержащему гелю из диоксида кремния,
- нагревание содержащего жидкость геля, полученного таким образом, при температуре и давлении выше критических значений,
- удаление жидкости из твердой фазы с помощью однократного испарения при сверхкритической температуре.
Недостатком известного материала является нестабильность его пористой структуры, так как первоначальные точечные контакты между частицами, возникающие при коагуляции гидрогеля, «заращиваются» путем отложения кремнезема по механизму изотермической переконденсации через водную фазу при промывании его водой. Формирование пористой структуры определяется в значительной степени агрегативной устойчивостью и кинетикой коагуляционных процессов на стадии гелеобразования. При вышеописанных технологических переходах получить материал со стабильной и устойчивой пористостью технологически сложно.
В качестве прототипа выбрано техническое решение, патент РФ №2396481 «Микропористый теплоизоляционный материал, способ и перемешивающее устройство для его изготовления», МПК F16L 59/00, С04В 35/14, С04В 35/80, С04В 38/00, B01F 7/18, опубл. 10.08.2010. Микропористый теплоизоляционный материал изготовлен из пирогенного диоксида кремния, стекловолокна, порошкообразного глушителя, в качестве которого используют диоксид титана или карбид кремния, и дополнительно содержит спекающую добавку в виде аморфного бора, в следующем соотношении компонентов, мас. %: пирогенный диоксид кремния 45,0-60,0, стекловолокно 6,7-30,0, порошкообразный глушитель 15,0-35,0, аморфный бор 0,1-0,5.
Недостатком микропористого теплоизоляционного материала является более высокий коэффициент теплопроводности по сравнению с коэффициентом теплопроводности вышеописанного материала (патент США №5122291, МПК С09С 1/28, С01В 33/154). Предлагаемым составом и способом перемешивания невозможно получить материал с равномерно распределенной открытой пористостью и добиться уменьшения размеров пор. Недостаточное межфазное взаимодействие порошков и стекловолокна, из-за большой дисперсности и шероховатости стекловолокна, приводит к невысоким техническим и эксплуатационным характеристикам.
Технической задачей изобретения является уменьшение коэффициента теплопроводности микропористого теплоизоляционного материала без существенных ухудшений его прочностных характеристик.
Поставленная задача решается тем, что разработан микропористый теплоизоляционный материал, состоящий из аморфных сферических частиц диоксида кремния размером 100 мкм и плоских частиц диоксида кремния с размерами до 20 нм, кремнеземных волокон длиной не более 10 мм и диаметром 2-3 мкм, и минерального порошкового наполнителя пластинчатой формы с размером частиц 2-7 мкм, в следующем соотношении компонентов, мас. %:
амофный диоксид кремния
37,4-43,6
сферические частицы
кремнеземное волокно
4,5-8,4
амофный диоксид кремния
19,3-24,8
плоские частицы
диоксид титана
27,3-33,2
За счет оптимально подобранного состава и структуры составляющих компонентов и выбранного способа сухого формования порошково-волокнистой смеси удалось получить микропористый теплоизоляционный материал, обладающий минимальным значением произведения плотности и коэффициента теплопроводности.
Точечные контакты, образующиеся между частицами при формовании, сокращают до минимума прямую передачу тепла, а сверхтонкие поры почти исключают конвекционную теплопередачу, поскольку размер пор меньше длины свободного пробега молекулы газа, которая соударяется не с другой молекулой, а со стенками поры. Минеральный наполнитель, введенный в состав материала, дополнительно уменьшает абсорбционную теплопередачу за счет отражения ИК-излучения.
Сущность изобретения поясняется примерами.
Для получения сравнительных данных и обоснования сущности предлагаемого изобретения приведены примеры получения микропористого теплоизоляционного материала.
Пример 1
Провели подготовку исходных компонентов до требуемой дисперсии, так, например: частицы пористого аморфного диоксида кремния сращивались до размера - 100 мкм. Влажность компонентов порошково-волокнистой смеси была доведена до минимальной.
В перемешивающее устройство загрузили 48,6 г (40,2%) диоксид кремния с размерами сферических частиц до 100 мкм и 23,4 г (19,3%) плоских частиц с размерами до 20 нм, 10,2 г (8,4%) кремнеземное волокно, диаметром (2-3) мкм и длиной (7-10) мм, 38,8 г (32%) порошка диоксида титана с размерами частиц (2-7) мкм.
3
Компоненты перемешали в смесителе в течение (1-2) мин со скоростью вращения мешалки (500-700) об/мин. Полученную порошково-волокнистую смесь выгрузили в формообразующую оснастку и выдерживали смесь в оснастке не менее 24 часов. Полученная деталь имела плотность 280 кг/м.
Пример 2
3
Операции проводили аналогично примеру 1, со следующим составом: 52,8 г (43,6%) диоксид кремния с размерами сферических частиц до 100 мкм и 28,1 г (23,2%) плоских частиц с размерами до 20 нм, 7,0 г (5,7%) кремнеземного волокна диаметром (2-3) мкм и длиной (7-10) мм, 33,1 г (27,3%) порошка диоксида титана размерами частиц (2-7) мкм. Полученную порошково-волокнистую выгрузили в формообразующую оснастку и выдерживали смесь в оснастке не менее 24 часов. Полученная деталь имела плотность 290 кг/м
Пример 3
Операции проводили аналогично примеру 2 со следующим составом: 45,3 г (37.4%) диоксида кремния с размерами сферических частиц до 100 мкм и 30,0 г (24,8%) плоских частиц с размерами до 20 нм, 5,5 г (4,5%) кремнеземного волокна диаметром (2-3) мкм и длиной (7-10) мм, 40,2 г (33,2%) порошка диоксида титана с размерами частиц (2-7) мкм.
3
Полученную порошково-волокнистую смесь выгрузили в формообразующую оснастку и выдерживали смесь в оснастке не менее 24 часов. Полученная деталь имела плотность 300 кг/м.
В результате получили улучшение термофизических свойств материала за счет оптимально подобранного состава и размеров частиц, диаметра и длины волокон, регулируемой плотности их упаковки, за счет увеличения адгезионного взаимодействия порошковых наполнителей с волокнистой кремнеземной матрицей.
В процессе формования материала в формообразующей оснастке происходит ориентация волокон и увеличение количества контактов между волокнами и уплотненными частицами неорганических оксидов кремния и титана, достигается достаточная для улучшения термофизических свойств изотропия композиции. Это позволяет получить пористую и стабильную корпускулярную структуру материала.
Сравнительные характеристики разработанного материала и прототипа приведены в таблице 1.