[发明专利]一种仿生3D打印气凝胶保温板材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种仿生3D打印气凝胶保温板材及其制备方法，所述保温板材由具有极小曲面结构的支撑壳体和均匀分布在支撑壳体曲面空隙中的SiO₂气凝胶组成。本发明采用仿生极小曲面模型设计保温板材的结构，选取易成型的可挤出石膏基胶凝材料和导热系数极低的SiO₂气凝胶为原料，使用3D打印技术打印表观密度低的保温板材，在保证强度的基础上，板材曲折的孔壁结构使其在厚度方向上的热量散失大大降低，填充物SiO₂气凝胶导热系数极低也可以降低热量散失。

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种仿生3D打印气凝胶保温板材及其制备方法。

背景技术

近年来，我国建筑能源消耗持续增长，其中采暖和制冷占很大比例。为了实现低导热系数和高热阻以达到保温隔热的目的，现阶段通常使用保温板作为建筑外墙，保温板材自身的导热系数比较低，可以通过减少吸热和散热有效提高建筑内部的舒适度，减少采暖和空调的使用频率，从而使建筑能耗有所降低，并且保温板材可以提前在工厂里预制好后直接用来建筑安装，不需要额外工序，施工便捷。但现有的保温板材保温性能、容重等仍不够理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种具有复杂的极小曲面结构的仿生3D打印气凝胶保温板材及其制备方法，利用其结构本身的特点以及板材材料的选取实现板材的轻质以及保温。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种仿生3D打印气凝胶保温板材，所述保温板材由具有极小曲面结构的支撑壳体和均匀分布在支撑壳体曲面空隙中的SiO₂气凝胶组成。

按上述方案，SiO₂气凝胶占保温板材空隙体积比为40-90％。

按上述方案，所述保温板材表观密度为0.4-1.0g/cm³，抗压强度为5-20MPa，导热系数为0.02-0.1W/K·m，疏水角为110-150°。

按上述方案，所述极小曲面结构为D-曲面、P-曲面、H-曲面、CLP-曲面中的一种。极小曲面结构由平均曲率为零的曲面方程决定，比如P-曲面的方程为：cos (x)+cos(y)+cos(z)＝0，其曲面立方晶胞如图1所示；D-曲面方程为：sin(x) sin(y)sin(z)+sin(x)cos(y)cos(z)+cos(x)sin(y)cos(z)+cos(x) cos(y)sin(z)＝0，其曲面立方晶胞如图2所示。

按上述方案，所述SiO₂气凝胶导热系数为0.02-0.05W/K·m。

按上述方案，所述支撑壳体的原材料包括以下质量份的组分：石膏基胶凝材料60份，水30-60份，缓凝剂0.05-0.2份，增稠剂0.2-2.0份，减水剂0.1-0.50份，触变增强组份1-10份。

按上述方案，所述石膏基胶凝材料为二水石膏，超细矿粉(比表面积为500-900m²/kg)，超细钢渣(比表面积为400-700m²/kg)，α半水高强石膏中的一种。所述α半水高强石膏通过加压水热法制备，原料为天然石膏和水，膏水质量比为 0.4-0.7，水热温度为120-170℃，水热时间为1-4h，并于110-130℃干燥1-3h得到，抗压强度为35-45MPa。

按上述方案，所述缓凝剂为蛋白类缓凝剂(PS)，柠檬酸(CA)，三聚磷酸钠(STTP)中的一种或多种。

按上述方案，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素(HPMC)，羟乙基甲基纤维素(HEMC)中的一种，其中HPMC粘度为100000-200000Pa·s，HEMC粘度为 40000-150000M Pa·s。

按上述方案，所述减水剂为聚羧酸减水剂(PCE)，三聚氰胺减水剂(MSF) 中的一种。