Теплоизоляционный материал на основе аэрогеля
HEAT-INSULATING MATERIAL BASED ON AIRGEL

Настоящее изобретение относится к технологиям с применением аэрогеля и может быть использовано для получения теплоизоляционных материалов широкого применения.
Известен композиционный материал на основе аэрогелей [US 6087407, D04H 13/00, 20.11.2007], который армирован высоким волокнистым ватином, преимущественно в сочетании с индивидуальными короткими случайно ориентированными микроволокнами и/или проводящими слоями.
Недостатком этого материала является относительно низкая термостойкость на воздухе при высоких тепловых нагрузках, а также недостаточная для многих применений гибкость.
3
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является теплоизоляционный материал на основе аэрогеля [RU 2310702, С2, D04H 13/00, С04В 38/00, 20.11.2007], содержащий аэрогель и армирующую структуру, выполненную волокнистым ватином, приготовленным из волокон с линейной плотностью волокон или нитей равной 10 и меньше или из волокон с диаметром от 0,1 до 100 мкм, который может быть сжат, по меньшей мере, на 65% своей толщины и после сжатия в течение 5 с возвращается в состояние с толщиной, составляющей, по меньшей мере, 75% своей исходной толщины и имеет плотность в диапазоне от около 0,001-0,26 г/см.
Недостатками этого технического решения является относительно малая гибкость и низкая прочность, относительно большая толщина, а также чрезмерное спекание аэрогеля при воздействии теплоты и относительно высокая теплопроводность.
Задача, которая решается в изобретении, заключается в создании теплоизоляционного материала на основе аэрогеля с улучшенными теплоизоляционными свойствами, в частности, с относительно низким коэффициентом теплопроводности в широком диапазоне температур, улучшенными поглощающими свойствами электромагнитного излучения в области ИК-спектра, повышенной механической прочностью и гибкостью, сниженной осыпаемостью.
Требуемый технический результат заключается в улучшении теплоизоляционных свойств материала в широком диапазоне температур, повышении поглощающих свойств электромагнитного излучения в области ИК-спектра, повышении механической прочности и гибкости, а также снижении осыпаемости.
3
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, теплоизоляционный материал на основе аэрогеля, согласно изобретению, содержит волокнистую подложку плотностью 0,001-0,1 г/см, состоящую из кремнеземных и/или стеклянных, и/или базальтовых волокон диаметром 0,1-5 мкм, которую пропитывают аэрогелем, полученным на основе диоксида кремния из алкоксисиланов с внесением гелирующего агента и с проведением последующей сверхкритической сушки.
Предложенные диапазоны плотности и диаметра волокон используемой волокнистой подложки обусловлен следующими причинами.
3
3
Применение подложки с плотностью меньше 0,001 г/см не позволяет получать конечный теплоизоляционный материал с необходимыми механическими свойствами. При плотности волокнистой подложки больше 0,1 г/см происходит ухудшение теплофизических характеристик - увеличение коэффициента теплопроводности конечного материала.
Применение волокнистой подложки с диаметром волокон меньше 5 мкм позволяет снизить осыпаемость конечного материала не менее чем на 30% по сравнению с существующими аналогичными материалами. При этом использование волокнистой подложки с диаметром волокон меньше 0,1 мкм не позволяет получать материал с удовлетворительными механическими характеристиками.
На чертеже представлен пример установки для получения теплоизоляционного материала на основе аэрогеля с аппаратом объемом 0.25 л.
На чертеже обозначены:
1 - баллон с диоксидом углерода; 2 - конденсор, 3 - поршневой насос высокого давления, 4 - термостат, 5 - реактор высокого давления; 6 - система терморегулирования, 7 - сепаратор с охлаждающей рубашкой, 8 - ротаметр.
Предложенный теплоизоляционный материал на основе аэрогеля получают следующим образом.
Основные стадии:
получение золя (стадия гидролиза прекурсора);
разбавление и введение гелирующего агента;
пропитка волокнистой подложки и гелеобразование;
«старение» материала;
сверхкритическая сушка;
упаковка.
Структура и физико-химические свойства аэрогелей напрямую зависят от условий проведения каждой стадии, от выбранных прекурсоров, растворителей и катализаторов.
Используемые прекурсоры (алкоксисиланы и прочие добавки): тетраэтоксисилан, метилтриметоксисилан, триметилхлорсилан, гексаметилдисилазан и некоторые другие кремнийорганические соединения.
Получение золя (стадия гидролиза прекурсора).
2
3
-3
-2
Для получения аэрогелей на основе диоксида кремния из алкоксисилана используется следующее мольное соотношение ТЭОС алкоксисилан: растворитель: HO : HCl : NH=1:(5-10):(2-8):(1-10)×10:(1-5)×10.
Последовательность получения золя следующая. Тетраэтоксисилан смешивают с растворителем (этиловый, изопропиловый, метиловый спирты, этилацетат, ацетон, бутанон, гексан и пр.) и добавляют водный раствор соляной кислоты заданной концентрации. Затем полученную смесь перемешивают 10-15 минут оставляют на 24 часа при комнатной температуре.
Разбавление и введение гелирующего агента.
3
-2
В полученные на предыдущей стадии золь при перемешивании добавляют дополнительное количество растворителя до достижения заданного разбавления кратное 1,2-2. Полученную смесь перемешивают в течение 10-15 минут и вводят в нее гелирующий агент - раствор аммиака заданной концентрации так, чтобы выполнялось следующее мольное соотношение: ТЭОС : NH=1:(1-5)×10. Время гелеобразование составляет 10-60 минут.
Пропитка волокнистой подложки и гелеобразование.
В аппарат с вращающейся емкостью (центрифуга) загружается рулон волокнистого материала и смесь, приготовленная на предыдущей стадии. Задается необходимая скорость вращения емкости (100-1500 об/мин) и гелеобразование происходит в течение 10-60 минут.
«Старение» материала.
Полученный на предыдущей стадии композиционный материал на основе аэрогеля, включенного в волокнистую подложку, загружается в специальную емкость для хранения, предварительно заполненную растворителем. Время хранения - не менее 24 часов.
Сверхкритическая сушка.
Рулон полученного композиционного материала загружается в аппарат установки для сверхкритической сушки. Аппарат герметизируется и в него подается сжиженный диоксид углерода, после чего с помощью насоса установки внутри аппарата устанавливается давление 120-180 атм, а с помощью нагревательной рубашки аппарата устанавливается заданная температура 40-100°С. Затем создается необходимый расход диоксида углерода через аппарат установки, который поддерживается в заданном режиме в течение 6-12 часов. После окончания необходимого времени давление в аппарате сбрасывается и стадия считается оконченной.
Описание экспериментальной установки приводится на чертеже.
Упаковка и маркировка.
Рулоны полученного теплоизоляционного материала герметично упаковываются в полимерную пленку и маркируются.
Полученный материал отличается следующими конкурентными преимуществами.
3
Применение волокнистой подложки плотностью 0,001-0,1 г/см, которая состоит из кременеземных и/или стеклянных и/или базальтовых волокон заданного диаметра 0,1-5 мкм и отличается узким распределением волокон по диаметру. Волокнистая подложка имеет теплопроводность 0,020-0,025 Вт/(м⋅К). Применение указанной волокнистой подложки позволяет получать материал на основе аэрогеля с предельно малым коэффициентом теплопроводности 0,014-0,016 Вт/(м⋅К). Применение волокон диаметром 0,1-5 мкм с узким распределением по диаметру позволяет, с одной стороны, снизить ее влияние на теплопроводность конечного материала, а с другой - повысить эффективность армирующего эффекта, значительно снизить осыпаемость аэрогеля.
2
3
Возможное введение в состав конечного продукта наноматериалов: углеродные азотированные наночешуйки, углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки, многослойные углеродные нанотрубки. Указанные наноматериалы обладают следующими свойствами: удельная поверхность 300-600 м/г, насыпная плотность 0,05-0,25 г/см, характерный размер 10-100 нм. Их введение в состав осуществляется на стадии получения геля, для диспергирования наноматериалов могут быть использованы различные ПАВ.
Использование указанных материалов придает конечному материалу следующие преимущества:
- увеличивается поглощение электромагнитного излучения в ИК-диапазоне за счет чего снижается теплопроводность конечного материала при высоких температурах;
- введение наноматериалов заданного размера позволяет корректировать распределение пор аэрогеля по размерам, за счет чего выгодно снижается теплопроводность аэрогеля до значений 0,012-0,014 Вт/(м⋅К);
- применение нано материалов придает дополнительный армирующий эффект, что увеличивает механическую прочность конечного материала и значительно снижает осыпаемость аэрогеля.
Полученный теплоизоляционный материал может быть покрыт защитной покрытием (полимерной пленкой, фольгированной или армированной металлической сеткой), что позволяет использовать его в контакте с агрессивными средами, увеличивает его срок службы, снижает осыпаемость аэрогеля, упрощает монтаж конечного материала.
Конечный материал может быть снабжен дополнительным слоем волокнистой подложки для повышения его виброустойчивости. Это особенно актуально при использовании предлагаемого материала в авиа- и ракетостроении, а также для гражданского и промышленного строительства в сейсмоактивных зонах.
Таким образом, в предложенном изобретении достигается требуемый технический результат, заключающийся в улучшении теплоизоляционных свойств материала в широком диапазоне температур, повышении поглощающих свойств электромагнитного излучения в области ИК-спектра, повышении механической прочности и гибкости, а также снижении осыпаемости.