本发明涉及无机绝热材料，特别是涉及一种高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料及其低碳制备方法。
背景技术：
1、高温设备以及高温设备之间的管道均需要设置保温绝热材料，目前高温管道的保温材料主要由软质可卷曲的棉毡类材料制备，如岩棉、硅酸铝棉、玻璃棉等，其具有良好的卷曲性能，可根据所需厚度多层包裹在管道上进行保温；也可使用预制成管壳状的具有一定强度的硬质无机保温材料，如硅酸钙、膨胀珍珠岩材料等，可根据保温管道的直径预制后合扣在管道上进行保温。上述软质或硬质保温材料，通常由一种主要原料配合少量辅料制备而成，材料内部所形成的孔隙尺寸较为单一，使其导热系数随温度提高上升较快。尤其是在较高温使用时，软质材料很容易变形，在保温材料与保温设备如管道之间产生较大的空隙，造成严重的热损失；而硬质材料则易粉化，且易与管道之间脱节，失去保温能力。近年来出现了介于软质材料和硬质材料之间的多腔孔陶瓷复合保温材料，其具有一定的可卷曲性，且不易变形，在较高温度下具有较好的保温性能。但是当前的多腔孔陶瓷复合保温材料制备时需要较长的烘干过程，能耗较高，生产周期长，并且存在强度较差、容易开裂等问题，保温性能上仍有不足，卷曲性能也有待提高，因此，制备具有更佳绝热性能的无机保温材料仍是一个有待解决的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料及其低碳制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。本发明复合保温材料具有良好的综合性能(防火、热导率小(高温时热导率变化小)、柔韧性好)，并且使用方便、制备成本较低，符合当前的低碳制备方向。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
3、本发明的技术方案之一：一种高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料，所述复合保温材料为内、中、外层的三层结构；
4、以重量份数计，内层的原料包括：氧化物陶瓷纤维45～55份、氧化物陶瓷空心珠25～35份、珍珠岩4～6份、改性石墨烯4～6份、粘结剂1～3份和分散剂2～4份；
5、以重量份数计，中层的原料包括：氧化物陶瓷纤维25～35份、氧化物陶瓷空心珠45～55份、二氧化硅气凝胶粉8～12份、粘结剂4～6份和分散剂4～6份；
6、以重量份数计，外层的原料包括：玻璃纤维45～55份、玻璃空心珠25～35份、木质纤维素8～12份、粘结剂4～6份和分散剂4～6份。
7、进一步地，所述氧化物陶瓷空心珠包括氧化铝空心微珠和/或氧化硅空心微珠；
8、所述氧化物陶瓷纤维包括氧化铝纤维、氧化锆纤维和硅酸铝纤维中的一种或多种；
9、所述改性石墨烯为表面包覆有铬或铁的石墨烯，包覆的厚度为0.1～0.2μm；所述石墨烯的片径为10～20μm，厚度为100～300nm。
10、石墨烯表面包覆的铁或铬，可有效地反射来自高温管道的热辐射，进一步提高隔热效果。
11、进一步地，所述粘结剂包括聚乙烯醇；
12、所述分散剂由重量比为3:2的起泡剂和聚硼硅氧烷组成。
13、进一步地，所述玻璃纤维的直径为5～10微米，长度为7～9厘米；
14、所述木质纤维素和氧化物陶瓷纤维的直径均为5～10微米，长度均为3～5厘米；
15、所述氧化物陶瓷空心珠的粒径为10～30微米；
16、所述二氧化硅气凝胶粉的团聚体的粒径为10～50微米；
17、二氧化硅气凝胶粉的团聚体内部存在大量的纳米孔隙，与氧化物陶瓷空心珠一起，填充纤维形成的较大孔隙，形成微米至纳米的多级孔隙，大幅度提高隔热性能，并增加复合保温材料整体的密实度，提高强度。
18、所述珍珠岩的尺寸为200目；
19、所述玻璃空心珠的粒径为20～50微米。
20、更进一步地，所述中层的原料中，氧化物陶瓷空心珠由重量比为30:20的氧化硅空心微珠和氧化铝空心微珠组成；所述内层的原料中，氧化物陶瓷空心珠由重量比为20:10的氧化硅空心微珠和氧化铝空心微珠组成；
21、氧化硅空心微珠和氧化铝空心微珠在中层和内层中分布不同，形成不同的孔隙率，对提高隔热材料的隔热性能有较大的作用。
22、复合保温材料的内层接触高温部件如高温管道的部分，外层与内层结合并与外界环境接触部分，中层则连接内层和外层。复合保温材料的外层至中层的孔隙率是递增的，中层至内层的孔隙率则是递减的。
23、氧化物陶瓷纤维材料具有耐高温性能，且具有一定长度(3～5厘米左右)的氧化物陶瓷纤维可使保温材料具有良好的整体连接性能和可卷曲性。中层和内层使用的氧化物陶瓷纤维长度略短，可以增加纤维与颗粒的接触面积，有利于提高气孔率，外层的玻璃纤维长度略长，可以增加材料的柔韧性，但纤维长度不能过长也不能过短，纤维长度过长(达到10厘米)不利于材料的混合和混合的均匀性，长度过短(低于3厘米)则影响增韧效果和可卷曲性能。外层的纤维包括较长的玻璃纤维和较短的木质纤维素，使其具有更好的增韧效果。外层和内层的纤维比例更高，可以使得材料获得更好的卷曲性能；玻璃空心珠和氧化物陶瓷空心珠在纤维之间起到填充作用，一方面可以填充纤维形成的较大孔隙，提高隔热能力，另一方面，可以赋予保温材料一定的强度，使其在自重及高温条件下不会发生变形；在中层中，氧化物陶瓷空心珠和二氧化硅气凝胶粉共同加入可形成微米和纳米的多级孔隙，这种多级孔隙对提高保温材料的隔热性能有重要作用。此外，外层到中层孔隙率增加，而中层到内层孔隙率降低，有利于隔热性能和卷曲性能的提升；内层中的珍珠岩可在高温使用时膨胀，使得保温材料与管道等设备间保持紧密的接触。包覆铁或铬的石墨烯则可以起到远红外辐射的作用，起到抑制辐射传热的作用；粘结剂(聚乙烯醇)和分散剂可以提高内、中和外层的流变性能和形成孔隙的性能。上述三层结构的复合保温材料具有极佳的保温性能，特别是在600℃以上高温状态下使用时较现有保温材料性能更为突出。
24、本发明的技术方案之二：一种上述高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料的低碳制备方法，包括以下步骤：
25、(1)外层浆料的制备：将分散剂加入水中混合均匀后加入玻璃纤维和木质纤维素，搅拌10小时，充分分散得混合浆料，然后加入玻璃空心珠和粘结剂，继续搅拌5～10小时，静置4～6小时，得外层浆料；
26、(2)中层浆料的制备：将分散剂加入水中混合均匀后加入氧化物陶瓷纤维，搅拌10小时，充分分散得混合浆料，然后加入氧化物陶瓷空心珠、二氧化硅气凝胶粉和粘结剂，继续搅拌5～10小时，静置4～6小时，得中层浆料；
27、(3)内层浆料的制备：将分散剂加入水中混合均匀后加入氧化物陶瓷纤维和改性石墨烯，搅拌10小时，充分分散得混合浆料，然后加入氧化物陶瓷空心珠、珍珠岩和粘结剂，继续搅拌5～10小时，静置4～6小时，得内层浆料；
28、(4)在离心桶(材质为不锈钢)内置入外层浆料，离心桶以离心线速度为8～10m/s进行旋转，再减速至离心线速度为4～6m/s，最后增速至离心线速度为8～12m/s，获得附着于离心桶壁的保温材料外层；
29、(5)在离心桶内再置入中层浆料，离心桶以离心线速度为10～12m/s进行旋转，再减速至离心线速度为5～7m/s，最后增速至离心线速度为10～14m/s，中层附着于上述外层；
30、(6)在离心桶内再置入内层浆料，离心桶以离心线速度为12～14m/s进行旋转，再减速至离心线速度为6～8m/s，最后增速至离心线速度为10～14m/s，内层附着于上述中层；
31、(7)将步骤(6)得到的三层结构的保温材料经自然晾干至外层含水量为8～12％，并从离心桶上取下来，得到所述高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料(保温材料)。
32、进一步地，步骤(4)～(6)中，每个离心线速度条件下旋转时间均为10～15分钟。
33、保温材料成型后具有特定的含水量，可使保温材料具有良好的可卷曲性能。
34、步骤(1)～(3)可同时进行，分段分散、混合的过程可以使各层浆料的混合均匀性达到最佳。当外层浆料置入离心桶后，离心桶旋转，在离心力的驱动下，外层浆料将附着于离心桶的侧壁表面，随着外层浆料内水分的减少，外层浆料可完全附着于离心桶的侧壁表面，离心线速度是指离心桶桶壁边缘的速度。外层浆料在离心桶内的旋转过程分为三个阶段，第一阶段的离心线速度为8～10m/s，是为外层浆料迅速沿离心桶壁面爬升并基本均匀附着于离心桶壁面；第二阶段的离心线速度为4～6m/s，减速是为继续减少外层浆料中的水分的同时使外层逐渐密实；第三阶段的离心桶的离心线速度又增速至8～12m/s，是为使外层的水分进一步减少和外层的密度进一步增加。控制每个阶段离心旋转时间为10～15分钟，可以保证各层材料的密实度和有充分时间允许不同粒度尺寸和重量的各组分颗粒在振动状态的旋转过程中实现各组分颗粒均匀分布。并且采用离心的方式可以脱除保温材料制备过程中的大量水，避免后续长时间的烘干处理，可实现低碳制备的目的。
35、本发明的保温材料是通过三次进料形成孔隙率变化的三层结构。外层纤维最多，且含一定量水，赋予材料更好的卷曲性能；中层孔隙率最大，且形成微米纳米多级腔孔，提高绝热性能；内层则提高材料的耐高温能力。采用本发明的方法制备的保温材料通过切割，可得平面状的保温材料，离心桶的直径与高度决定了保温材料的长度和宽度，视具体要求选择离心桶的尺寸即可。
36、本发明的技术方案之三：一种上述高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料在高温设备保温中的应用。
37、本发明公开了以下技术效果：
38、(1)本发明的复合保温材料具有良好的综合性能，如防火、热导率小(高温时热导率变化小)、柔韧性好等。
39、(2)本发明经过多次反复试验和检测确定了复合保温材料的组分配比和三层结构的搭配，并结合多个组分的不同粒度和组分的改性，使保温材料具有极佳的保温性能，内层具有良好的远红外辐射性能，降低辐射传热；中层具有极佳的热对流和热传导阻隔能力；外层则具有良好的热传导阻隔能力。并且控制相邻两层材料的孔隙率，使相邻两层材料的孔隙率具有一定的梯度，进一步增加了保温材料的隔热性能。保温材料外层具有特定的含水率和高纤维含量使保温材料具有极佳的可卷曲度，内层采用耐高温原料可使其应用于800～900℃的高温管道及设备。同时本发明的保温材料的制备方法较现有技术在工艺上简化，使制备时间得以缩短，制备成本大幅降低和节约能源，实现了低碳制备。
1.一种高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料，其特征在于，所述复合保温材料为内、中、外层的三层结构；
2.根据权利要求1所述的高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料，其特征在于，所述氧化物陶瓷空心珠包括氧化铝空心微珠和/或氧化硅空心微珠；
3.根据权利要求1所述的高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料，其特征在于，所述粘结剂包括聚乙烯醇；
4.根据权利要求1所述的高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料，其特征在于，所述玻璃纤维的直径为5～10微米，长度为7～9厘米；
5.一种权利要求1～4任一项所述的高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料的低碳制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述静置的时间为4～6小时。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式包括离心涂覆；
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，每个离心线速度条件下旋转的时间均为10～15分钟。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法，还包括：在涂覆内层浆料后进行自然晾干至外层的含水量为8～12％。
10.一种权利要求1～4任一项所述的高温用可卷曲微纳米多级孔隙无机复合保温材料在高温设备保温中的应用。
