基本信息
- 项目名称：
- 高效隔热阻燃纳米复合材料的开发及应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 项目紧扣世界能源结构，我国当代国情及可持续性发展的政策，开发安全无毒且具有高热反射和阻燃特性的复合材料。采用纳米包覆及原位控制合成技术制备热反射性能优越的复合微纳米材料及涂料。选择Y2O3和硅铝酸盐，兼具热反射和阻燃氧化锑、氢氧化镁作为原料，制备的复合微纳米材料及涂层具有高热反射和紫外吸收、低辐射和抗静电、阻燃实现多重功能的复合。产品具有价格低廉、安全环保、高隔热、阻燃效果好等优点。
- 详细介绍：
- 节能和环保是世界面临的两大课题。太阳辐射能量主要集中在2.5μm以下的波段，其中紫外光(λ<0.38μm)占5%；可见光(λ=0.38-0.78μm)占40%；近红外(λ=0.78-2.5μm)占50%；其它波段热能占5%。炎热的夏天，这些热量通过辐射，对流和传导等方式导致建筑内的温度升高，增加建筑空调能耗。据统计，建筑的能耗占全社会总能耗的28%，城市室内40%以上的能量消耗在空调或取暖上，每年约消耗1.2万亿度电和4.1亿吨标准煤。美国能源部长朱棣文认为：如果建筑屋顶及外墙使用隔热涂料，空调能耗可降低50%。除了建筑物，工业油罐和管道、粮库、仓库、冷库、食品药品厂房及交通运输等设施均需要采用隔热保温措施节能降耗。为了加快推进节约型社会建设，一种有效的方法是在建筑物外部涂覆具有高效热反射功能的节能隔热涂层。另一方面，据统计我国平均每年发生火灾23.6万起，死亡2558人，受伤3532人，直接财产损失15.6亿元，建筑材料和橡胶塑料制品的安全阻燃备受关注。 项目紧扣世界能源结构，我国当代国情及可持续性发展的政策，开发安全无毒且具有高热反射和阻燃特性的复合材料。采用纳米包覆及原位控制合成技术制备热反射性能优越的复合微纳米材料及涂料。选择Y2O3和硅铝酸盐，兼具热反射和阻燃氧化锑、氢氧化镁作为原料，制备的复合微纳米材料及涂层具有高热反射和紫外吸收、低辐射和抗静电、阻燃实现多重功能的复合。产品具有价格低廉、安全环保、高隔热、阻燃效果好等优点。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明目的是用简捷的制备工艺技术，开发安全环保、节能兼具阻燃性能的热反射纳米复合材料及涂层。 本作品的基本设计思路： 1.拟采用纳米技术在硅铝酸盐微粉表面沉积具有优异阻燃特性的纳米片状结构，实现高效隔热与阻燃的双重特性。 2.采用一步原位合成法，在树脂中直接合成纳米颗粒，大大简化生产工艺，并使纳米颗粒与树脂有更好的相容性。 创新点： 1.制备工艺的创新：突破功能复合纳米氧化物容易团聚等传统问题，采用纳米包覆及原位控制合成技术制备热反射性能优越的片状结构复合微纳米氧化物及涂料。 2.产品性能的创新：选择Y2O3和硅铝酸盐，同时兼具热反射和阻燃特性的Sb2O3、Mg(OH)2作为原料，制备的复合微纳米材料及涂层同时兼具高热反射、高紫外吸收、低辐射和抗静电、阻燃。 技术关键和主要技术指标： （一）技术关键 1. 微纳米氧化物基质材料及高效隔热阻燃材料的选择。 2. 制备技术：既要确保产品的隔热、阻燃效果，又尽可能适合工业生产。 （二）主要技术指标 1.复合微纳米材料产品在400-1400nm范围内反射率达90%以上。 2.隔热灯箱实验，涂层厚度约100微米时，经日光老化灯照射30min以上，与普通涂料相比温度降低5-9℃左右。 3.涂层物理化学性质稳定,具有良好的耐酸碱腐蚀，耐温耐候，耐老化，耐雨水冲刷，粘接强度高，抗静电，抗潮湿，抗霉变等特性。
科学性、先进性
- 本项目开发的隔热阻燃环保复合材料具有以下科学性、先进性： 1)片状结构的氧化锑、氢氧化镁包覆改性的硅铝酸盐纳米材料，实现了隔热与阻燃特性的组合。 2)所制得的Y3+、Zn2+掺杂的Sb2O3粒径仅10nm左右，易于在水性、油性各类树脂中分散形成稳定的热涂层，且具有较好的阻燃特性。 3)所得到的氧化钇粒径可控，形貌可调，对近红外热射线的反射率达90%以上，能有效防止太阳的热辐射，且还能吸收紫外线，具有抗紫外线伤害功能，为热反射隔热类材料增添新的品种； 4)采用一步法制备的原位合成Sb2O3隔热阻燃涂层350-2500nm全波段均具有超高90%以上的反射率。在树脂中直接合成Sb2O3纳米颗粒，使得纳米颗粒与树脂相容性更好，获得更高的热反射率，大大简化了生产工艺。 该产品已经通过国家建筑材料检测中心、上海同济建设工程检测站的多种性能测试。该技术和产品已达到国际先进水平。该项目已申请三项国家发明专利，并在J.Phys.Chem.C等国外知名期刊上发表了四篇SCI论文。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品已经国家建筑材料检测中心、上海同济建设工程检测站鉴定，并通过上海市科委组织的专家组评审。目前已申请四项国家发明专利，其中一项获得授权。 相关文章： [1]Journal of Physical Chemistry C.2010,114(32),13577-82 [2]Journal of Nanoscience and Nanotechnology. [3]Journal of Nanoscience and Nanotechnology. [4]Analytica Chimica Acta 2010.6 “挑战杯”孵化项目 2010.7 上海市高校学生创造发明“科技创业杯”二等奖 2011.4 上海市陈嘉庚青少年发明奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 目前与上海龙洲新型建材有限公司合作，产品处于中试阶段。
作品可展示的形式
- 实物、现场展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 A.将制备的隔热节能阻燃环保纳米复合材料直接分散在各类树脂、塑料、橡胶、纺丝中，成为隔热阻燃的主体材料。 B.制备的隔热阻燃环保涂料可直接涂覆于建筑外墙及屋顶、石油管道及储罐、仓库等的外立面。 2.技术特点和优势 该隔热阻燃环保纳米复合材料的生产工艺简单、原料廉价易得，设备投入成本较低，便于实现工业化生产。此外，生产过程中基本不产生“三废”，属于绿色环保，无毒、低能耗、高效益产业，完全可以实现经济效益和社会效益双丰收。 3.市场分析和经济效益预测： 据专家分析，在我国能耗结构中，建筑能耗占社会总能耗近三分之一，每年约消耗1.2万亿度电和4.1亿吨标准煤。如果在我国大中城市能基本完成既有建筑节能改造，每年预计节约电4200亿度、节约标准煤2.6亿吨、减少二氧化碳温室气体排放量8.46亿吨。建筑节能隔热涂料作为建筑节能最为简便也最为有效的实现方案，近年来备受，正在并将逐步形成一个巨大的新兴产业。
同类课题研究水平概述
- 红外反射屏蔽材料的应用虽然已经付诸实施，但是，实际应用的材料不多。真空状保温涂层具有优良的隔热性能。根据能量传输原理，真空状态能使分子振动热传导和对流传导消失。美国豪斯实验室对民用建筑使用真空陶瓷微珠效果的测试结果表明，上百万真空陶瓷微珠在500-2500nm波长范围内对阳光的反射率平均达到86％，夏天空调能耗至少节省64％。但是这种涂料价格昂贵，过去仅限于在航天产品上使用，近年来发达国家也先后将其应用到民用建筑和工业设施。民用隔热技术发展从玻璃开始，首先使用着色的玻璃吸收贴膜，这种贴膜价格每平方米300多元，目前只在高档汽车上使用；进而使用反射膜，将太阳能反射回大气中，阻挡太阳热能进入室内，达到隔热节能的目的。文献CN94106487.5公开了一种镀膜热反射玻璃，将基片玻璃浸渍于钛酸丁酯乙醇溶液中，然后稳定匀速地提升出液面，经热处理后得到镀膜玻璃，这种热反射镀膜玻璃可见光透过率一般为20~30%，采光效果不好，也导致光污染问题。第三种是用Low-E中空玻璃，文献CN200410036018.3公开了一种透明导电低辐射玻璃涂层，在浮法玻璃生产线上，将具有低辐射、吸收和逆向辐射性质的物料采用喷涂或溅射等工艺在玻璃上制成薄膜。然而，Low-E玻璃在线喷涂或溅射，只有少数大型玻璃生产厂可以做到，制备方法复杂，价格昂贵，难以大面积使用。一种实用而有效的解决方案是，将隔热涂层涂布在建筑物表面，利用其对太阳辐射热射线的高阻隔性能显著降低屋顶、外墙的表面温度和室内温度，改善居住环境；工业储气油罐和管道涂装隔热涂层，取代传统的喷淋降温，可明显降低表面温度，节约水资源的同时也降低了水对罐体的腐蚀；粮库、仓库、冷库、食品药品厂房及交通运输设备采用隔热涂层可以改善内部温度环境，对粮食、物品的低温保鲜，延缓品质陈化，提高储品的安全稳定起着重要作用。美国3M正在研发具有防污效果的纳米氧化铟锡节能隔热薄膜涂层，这种材料虽然具有很好的热反射性，但氧化铟价格昂贵，成本很高。文献CN1232599C公开了一种纳米透明隔热复合涂料，由聚丙烯酸树脂、纳米氧化铟锡粉体、涂料助剂和稀释剂组成。复合涂料对可见光的透过率为80%，对红外线的屏蔽率为75%。但文献方法纳米氧化物粉体制备工艺复杂，成本很高，施工困难，难以大规模推广应用。
