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納米氣凝膠氈

產品分類: 納米隔熱材料
納米氣凝膠氈是以納米二氧化硅氣凝膠為主體材料,通過特殊工藝同玻璃纖維棉或預氧化纖維氈復合而成的柔性保溫氈。其特點是導熱系數低,有一定的抗拉及抗壓強度,便于保溫施工應用,屬于新型的保溫材料。
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納米氣凝膠氈是以納米二氧化硅氣凝膠為主體材料,通過特殊工藝同玻璃纖維棉或預氧化纖維氈復合而成的柔性保溫氈。其特點是導熱系數低,有一定的抗拉及抗壓強度,便于保溫施工應用,屬于新型的保溫材料。

納米氣凝膠氈是把二氧化硅氣凝膠為主體材料,并復合于增強性纖維中,如玻璃纖維、預氧化纖維,通過特殊工藝合成的柔性保溫材料。氣凝膠氈是目前約400℃ 溫度區域內導熱系數相對低的固體絕熱材料(400-1000℃ )高溫區的導熱系數則大大高于微納隔熱系列)。

納米氣凝膠氈與傳統材料的對比

納米氣凝膠氈具有柔軟﹑易裁剪﹑密度小、無機防火﹑整體疏水、綠色環保等特性,其可替代玻璃纖維制品、石棉保溫氈、硅酸鹽纖維制品等不環保、保溫性能差的傳統柔性保溫材料。

納米氣凝膠氈主要用于工業管道﹑儲罐,工業爐體,電廠,救生艙,軍艦艙壁,動車,直埋管道,注塑機,可拆卸式保溫套,稠油開采高溫蒸汽管道,交通運輸,家用電器,鋼鐵,有色金屬,玻璃等領域的保溫隔熱。

納米氣凝膠氈物理性能

包裝形式:卷狀

厚度:5mm, 8mm, 10mm

寬度:1500mm

密度:180-220kg/m3

適用溫度:-200℃—+1000℃ (同型號相關)

疏水性:疏水(350℃以下)

導熱系數:0.012 - 0.018w/m·k (25℃時)

納米氣凝膠氈優點

1、優異的隔熱效果

氣凝膠氈的隔熱效果是傳統隔熱材料2-5倍,根據阿倫尼烏斯實驗測定的理論使用年限為20年。幾乎與建筑物同壽命。

2、減少保溫層厚度

氣凝膠氈取得同等隔熱效果,厚度僅為傳統材料的幾分之一。保溫后熱損失小,空間利用率高。且在高溫下,以上性能優勢更為明顯。

3、憎水性和防火性

氣凝膠氈憎水,可有效防止水分進入管道、設備內部。同時具有建筑A1級防火性能,且氣凝膠獨具的三維網絡結構避免了其他保溫材料在長期高溫使用中燒結變形、沉降等保溫效果明顯下降的現象。

4、施工方便

氣凝膠氈質輕,容易裁剪、縫制以適應各種不同形狀的管道、設備保溫,且安裝所需時間及人力更少。

5、節省運輸費用

更小的包裹體積及更輕的重量可大大降低保溫材料的運輸成本。

納米氣凝膠氈的研制

SiO2氣凝膠獨特的網絡結構及高孔隙率和低密度等特點導致了氣凝膠本身具有很大的脆性,并且在溫度較高的環境中,半透明的氣凝膠材料很難阻抗輻射熱導率的影響,因此,在很多領域中,氣凝膠很難作為隔熱材料單獨進行使用,需要與其他材料復合才能達到實際的使用效果。金石耐火材料公司科技人員經過多年反復試驗研究,研制出一種新型納米氣凝膠氈。研制納米氣凝膠氈的主要原料有:SiO2氣凝膠,纖維,炭黑、TiO2,氧化鋯。

2.研制方法。將50%~60%(按質量分數,下同)的SiO2膠;3%~5%的纖維;10%~20%的炭黑;5%~10%的TiO2;10~15%的氧化鋯,加入特制的混合設備內攪拌均勻,利用液壓模壓成型,制成納米氣凝膠氈。

3.性能與特點。此納米氣凝膠氈是一種模壓成型的新型隔熱材料,其導熱率低,經權威機構檢測800,導熱率為0.037W/(mK),加熱線變化率1.7%;其次耐高溫性能好,耐高溫000以上;長期使用不變形,不粉化,性能不退化,在常規使用環境下具有極長的壽命,毋需更換維護;低密度體積密度可按要求設計在200~600kg/m之間;環保無毒在高溫下不釋放任何氣體或有機物。

納米氣凝膠氈的特點

納米氣凝膠氈的特點主要是由氣凝膠的特點決定的,那么氣凝膠有哪些特點呢,這里小編總結了兩點:

1.SiO2氣凝膠的導熱特性。氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成的一種納米孔網絡結構,常見的SiO2氣凝膠是由SiO2網絡骨架和填充在納米孔隙中的氣體所構成的一種高分散固體材料。具有80%以上的孔隙率,其孔徑均為納米網絡骨架相互聯結圍繞所構成的2~50nm之間的介孔尺寸,密度僅為30~100kg/m,在常溫下SiO2氣凝膠的熱導率僅為0102W/(mK)。因此,SiO2氣凝膠是一種典型的輕質、性能優異的隔熱材料。

2.氣凝膠的透光特性。在高溫狀態下,波段小于8μm的紅外線的熱輻射能量將幾乎全部通過氣凝膠,導致SiO2氣凝膠的熱導率急劇上升,為了減小輻射熱導率,就需要在氣凝膠中復合可以吸收或散射紅外光的遮光劑,常見的紅外遮光劑有炭黑、TiO2等。

納米氣凝膠氈的制備工藝

目前的納米氣凝膠氈的制備工藝通常采用溶膠一凝膠法和模壓燒結法兩大類。

(1)溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法采用正硅酸乙酯、硅溶膠、水玻璃等為硅源材料。先將催化劑(如HCl、H2SO4等)加入在這些溶膠中,再用堿性物質來調節凝膠時間,使其形成具有納米孔網絡的SiO2凝膠體。再經過老化,使得凝膠體中的SiO2粒子形成網絡結構,而網絡內的空隙被液體即水或溶劑所占據。如果能夠在干燥過程中保持原來由液體所占據的空隙被空氣所取代,這樣所得到的含有大量空氣的SiO2材料稱為硅氣凝膠。在這個過程中有一個關鍵的技術,就是由于空隙的毛細管表面張力的作用,使得凝膠體在干燥過程中,會產生收縮,并使納米孔結構產生塌陷。這樣會使整塊狀的材料開裂,最終形成空隙率很低的干凝膠。因此,早期的研究是用超I臨界干燥的方法。即在超臨界狀態下,氣體和液體之間不再有界面存在,而是成為界于氣體和液體之間的一種均勻的流體,這種流體逐漸從凝膠體中排出。由于不存在氣一液界面,也就沒有表面張力作用,因此就不會引起凝膠體的收縮和結構的破壞。但由于超臨界干燥需要高溫和高壓條件,如水的臨界溫度是274.1℃,壓力22.04MPa;乙醇的臨界溫度是239.4℃,壓力8.09MPa;因此很難進行大規模制作。目前只有NASA用此種方法與陶瓷纖維做成復合絕熱瓦應用于航天飛機上。其它僅僅停留在實驗室的研究上,還沒有商品化的產品。現在,一種比較流行的研究方法是通過表面改性來降低其表面張力。一般用三甲基氯硅烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等,使凝膠表面硅烷基化。這樣減小了毛細管表面張力,因而可減小凝膠在干燥過程中的收縮和開裂,使得干燥能在常壓下進行。另外還采取摻入粘結劑的方法來增加其骨架強度。不過這些方法的使用會降低該種材料的一些隔熱效果。

用溶膠一凝膠法制作的納米氣凝膠氈可以做到壁薄孔勻和形成比較理想的納米孔網絡結構,因此性能優越,但是成本比較高。

(2)模壓燒結法

納米氣凝膠氈的另一種做法是采用具有鏈狀結梅的超細SiO2微粉為主要原材料,進行模壓加工成一定的形狀。而這種SiO2微粉其鏈狀結構的原始粒徑是在納米級的范圍內。因此,由其形成的網絡結構的孔隙也是以納米級范圍為主。采用這種方法的關鍵是將這些納米級的超細SiO2微粉能連成一個具有納米孔網絡結構的整體,而最好的方法是采用燒結的方法使SiO2微粒子互相反應而成為一體。由于SiO2微粒子是在納米級的尺度范圍內,因此控制燒結溫度是這種方法的關鍵。另外在原材料中還需摻入纖維來增加強度,及加入遮光劑來有效地隔斷高溫時的輻射傳熱。用這種方法制作的產品其性能一般要比用溶膠一凝膠法做成的整塊狀產品的隔熱性能略差一些。因為在這種網絡結構中SiO2壁殼比溶膠一凝膠法的SiO2壁殼要厚(達20nm),這樣增加了固相部分的熱傳導。而且在這些粉體間還存在著一些微米級的空隙,也增加了空氣的熱對流。但目前的納米氣凝膠氈產品主要是以此種方法制作的。

納米氣凝膠氈與其它保溫材料在石油管道保溫效果方面的對比

寒區某長距離輸油管道輸送的是溫度為-10℃的原油,由于夏季環境溫度明顯高于油溫,如果站場內管道與空氣直接接觸,壁面將凝結出一層水膜,容易出現管道腐蝕、儀表失靈等現象,嚴重影響站內管道的安全運行,因為需要對管道進行保溫,原來管道保溫采用的材料是聚氨酯發泡保溫材料,但是這種材料具有壽命短、易損壞且不易拆卸等一系列缺點,近幾年來新研發的納米氣凝膠氈很好的解決了這一問題,納米氣凝膠氈是一種新型絕熱保溫材料,保溫性能良好,且具有超疏水、壽命長、抗壓、易安裝維護等特點,廣泛應用于石油行業,目前國外的很多大的石油公司都在使用,如:美孚石油公司美東管道保溫、道康寧公司160℃容器保溫、日本住友化工、埃索石油新加坡成品油罐保溫等,國內中國石油克拉瑪依油田也嘗試用了該材料,此外,納米氣凝膠氈在航空航天、溢油處理等領域也有廣泛應用,本文主要是探討一下納米氣凝膠氈和其他幾種保溫材料在石油管道方面的應用效果比較。

2、不同保溫材料保溫方案對比

根據管道具體運行工況及該地區夏季氣溫記錄數據,對現場條件進行設定:管道外徑813mm,壁厚16mm,油溫為-10℃,環境溫度為35℃(取為該地區夏季近兩年最高溫度),取管道長度為1m進行計算,管道外壁風速為2m/s。結合管道常用保溫材料,給出3種保溫方案,方案1采用10mm納米氣凝膠氈對管道進行包覆;方案2采用25mm保溫橡塑對管道進行包覆;方案3采用17mm聚氨酯發泡保溫材料對管道進行包覆,其中厚度為25mm和17mm為該溫差下保溫橡塑和聚氨酯發泡保溫材料的推薦值,將該3種方案,與裸管一起形成4種工況,在保溫性能方面進行對比分析。分析后得出以下結果:

裸管模擬結果:根據現場情況,鋼管導熱系數取44.5W/(m.k)。根據模擬結果,當沒有采取任何保溫措施時,在設定現場條件下,管壁外側溫度為-9.24℃,表明鋼管基本沒有保溫作用。

方案1模擬結果:按納米氣凝膠氈導熱系數取0.016W/(m.k)計算,得到的模擬結果表明,當采取方案1時,在設定現場條件下,管道外側溫度為30.624℃,低于環境溫度4.376℃,保溫效果良好。管道外側溫度高于空氣露點溫度,不會出現結露現象。

方案2模擬結果:按保溫橡塑導熱系數取0.035W/(m.k)計算,得到的模擬結果表明,當采取方案2時,在設定現場條件下,管道外側溫度為30.803℃,低于環境溫度4.197℃,在此溫度下,不會出現結露現象。

方案3模擬結果:按聚氨酯發泡材料導熱系數取0.025W/(m.k)計算,得到的模擬結果表明,當采取方案3時,在設定現場條件下,管道外側溫度為30.610℃,低于環境溫度4.390℃,17mm厚的聚氨酯發泡保溫材料在不損壞的前提下,同樣可以獲得較好的保溫效果。

對比以上4種模擬工況,管道在無保溫措施情況下,管道外壁溫度與管內流體溫度十分接近,因為管道在夏季經常出現“出汗”現象,要獲得同樣的保溫效果,方案1所需的厚度最小,方案2所需的厚度最大。 3

、保溫性能對比

由于管輸油溫存在一定的浮動,按照仿真模擬方法,分別取油溫為-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃,環境溫度為30℃、35℃、40℃,按照設定的現場條件對在以上4種工況下管道外壁溫度的計算結果進行對比,結果表明:裸管基本不具有保溫性能;方案1、方案2、方案3在理論狀態下具有同樣的保溫效果(表1);在此3種保溫方案下,管道夏季均不會出現結露問題;若需獲得同樣保溫效果,納米氣凝膠氈所需的厚度最小。

納米氣凝膠氈的應用實例

一、在高溫行業中的應用

在需要隔熱,同時又要求體積小,重量輕的設備上,納米氣凝膠氈是最佳選擇。例如冶金行業的鋼包,魚雷罐、中間包等,在不改變鋼結構的前提下利用納米氣凝膠氈可實現這些設備的擴容增量,同時,可達到很好的隔熱保溫效果。在某鋼廠100噸鋼包上,用納米氣凝膠氈代替傳統的隔熱板進行實驗,經測試結果如下:

1.在隔熱材料厚度相同的條件下,利用納米氣凝膠氈的鋼包外壁溫度比采用傳統隔熱板的鋼包的外壁溫度下降100-130,很有效地減小了鋼包殼體的熱變形。

2.在鋼包外壁溫度相同的條件下,20mm厚的納米氣凝膠氈可代替30mm厚的傳統隔熱板,實現鋼包的擴容增量。

3.采用納米氣凝膠氈,鋼包里的鋼水降溫明顯緩慢,利于鋼水溫度的穩定。

4.具有很好的化學穩定性,反復使用不分解、不變質、不粉化。

二、納米氣凝膠氈的開發和應

用前景由于納米氣凝膠氈生產工藝采用液壓模壓成型,可根據需要采用不同的磨具生產不同形狀的納米氣凝膠氈,應用于不同領域。同時,根據不同溫度需要,生產不同溫度使用的隔熱材料。生產納米氣凝膠氈的材料均不含有害物質,是一種環保材料,可應用于家電產品的保溫隔熱。由于納米氣凝膠氈的良好的隔熱性能,在使用中可大大降低隔熱材料的厚度,使家電產品更加小巧,更加節能。制備溫度在350~1000℃性能優良的納米氣凝膠氈與傳統絕熱材料相比,質量更輕、體積更小、厚度更薄。開發柔性氣凝膠隔熱氈,可應用于管道、飛機、汽車等保溫體系中。納米氣凝膠氈由于具有超級隔熱性能,可在航空航天、石化等重要領域使用。總之,開發應用納米氣凝膠氈將有很廣闊的前景。

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