一种多层隔热材料及其应用的制作方法

本发明涉及一种多层隔热材料及其应用，属于保温隔热材料制备。

背景技术：

1、高性能保温隔热材料是现代节能环保领域的研究热点，在高端应用和特殊材料研究方面有重多的核心技术。常见的隔热层结构涉及的主要有：真空管、隔热棉、peek、气凝胶片或毡、以及热辐射阻隔技术等。以上各种隔热层材料和技术都各有优缺点，为不同环境中的加热不燃烧烟具提供了候选材料。

2、目前，在高性能隔热材料领域，以气凝胶以及衍生产品的制备与应用是高性能产品的绝对领域者和主导产品。如块状气凝胶产品，具有密度极低、强度高、导热系数非常低的特点，在航空航天、石油、化工等领域获得了重要应用。但块状气凝胶的成型和生产均有一定的技术难度，难以大规模生产，目前仍主要以气凝胶粉末为主要原料，以玻璃纤维棉负载气凝胶粉，再喷上耐高温胶形成白色或黑色的气凝胶毡，这种产品的导热系数可达到0.03w/(m·k)左右，也有较好的保温性能。但这种胶毡容易出现掉粉、随使用时间延长隔热性能有所下降等问题。

3、加热不燃烧烟具是一种使用电子发热装置加热卷烟并使其中的香烟成分充分挥发，供人吸取的不出现明火、二手烟较少的新型香烟类型，具有零件小巧、携带方便、可重复使用等特点，是一种全面地降低烟草有害释放量的卷烟制品，目前成为全球烟草行业的发展重点。典型的加热不燃烧烟具中，内层发热元件的温度可达220～310℃，单次发热时间在3～5分钟不等。其中，因为由于发热部件的尺寸有限，对于发热元件外层的保温和隔热性能提出了极高的要求。同时，由于需要考虑用户的使用感受、保护消费者等因素，烟具的外层温度不能太高，最好不超过45～50℃的范围。同时又要考虑产品重量轻、烟具尺寸小的要求，发热管的外层保温层的厚度也有严格的限制。这对保温和隔热材料的开发提出了非常高的要求，国内外相关企业也建立了一定的技术壁垒。

4、现有已公开的用于加热不燃烧烟具的隔热材料专利技术中，雷诺公司专利cn201080038270、cn201180031721、cn201280055319等使用碳纤维、阻燃有机纤维、多孔金属、多孔陶瓷材料；菲莫公司专利cn89104827、cn89104935、cn201380046055.x、cn201380066808、cn201680016291等使用使用了黏土或者玻璃作为隔热涂层；雷诺公司专利cn90103438、cn91109831和日本烟草公司的专利cn200480034945、cn200580036614和cn200580046024等使用玻璃纤维作为隔热材料。欧阳静(zl 202011244477.6)公开了一种以珍珠岩、膨胀蛭石等多孔矿物为隔热基体、利用无机胶体以及矿物胶凝材料的设计方案，取得了较好的隔热效果。周瑾(cn 110973717a)等公开了一种由二氧化硅气凝胶隔热毡、纳米石墨烯膜、超薄压延铜箔、超薄高分子膜、气凝胶隔热纸通过胶黏剂粘合而成的多层隔热材料，在最佳实施方案中，以气凝胶隔热毡、纳米石墨烯膜、气凝胶隔热纸的厚度比为2：2：5时，在310℃内层温度下，外层温度仅为41℃，但该发明中没有说明测试的保持时间参数。云南中烟公司汤建国等公开的专利(cn 109291558 a)使用两层玻璃纤维布中单包夹玻纤毡的方法来实现隔热，着重解决了烟管的透气性问题。浙江中烟公司蒋健等(cn 113930075a)公开了一种以无机材料、聚酰亚胺、有机分散溶剂等混合、凝胶、固化得到复合气凝胶隔热层，产品最低导热系数为0.030w/(m·k)。

5、在加热不燃烧烟具的使用过程中，在有限的隔热材料厚度范围内，需要将通过表层向外散发的热量隔绝，并阻止外层温度持续升温，这对隔热材料的设计和制备提出了非常高的要求。通过文献和专利的调研发现，以上现已公开的专利和技术中，全部是基于提升材料的隔热性能、降低材料的导热系数来入手，以达到隔热、降温的目的。但是这些材料和设计方法对产品的应用性能的影响因素非常复杂，很多时候并不能真正达到在3～5min之内的持续隔热效果。因此，需要设计一种能够将从内层向外散发的热量强制吸收的方案，以满足烟具外表面的高效降温的要求。到目前为止，还没有应用以“强制吸热”理念的隔热材料及其制备方法的技术。

技术实现思路

1、针对现有技术不足，本发明的第一个目的在于提供一种多层隔热材料。所述多层隔热材料具有隔热+吸热的新型结构，用于较短时间发热体的外层保温隔热材料，本发明提供的多层隔热材料以具有一定吸热功能的复合材料为核心，强制性的吸收烟具等持续加热管芯散发到外层的热量，可以实现在较短时间内(3～5min)持续吸收热量、降低烟具外侧温度的目的。

2、本发明的第二个目的在于提供一种多层隔热材料的应用，将所述多层隔热材料用于加热不燃烧烟具。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明一种多层隔热材料，所述多层隔热材料从内向外，分为内壳层、隔热层、反射层、吸热层、外壳层，其中，内壳层、隔热层、反射层、吸热层、外壳层的厚度比为：0.1：2～4：0.01～0.02：2～4：0.1～0.3。

5、本发明一种多层隔热材料，从内向外，分为内壳层、隔热层、反射层、吸热层、外壳层，其中内壳层支撑外层材料的附着，并保护内层发热体不致变形，承受其内部发热体的高温不致变形、开裂，并方便制成整体式配件；隔热层用于保持发热层的热量，并防止热量过快散发出来，防止其外侧的吸热层由于温度过高而发生变质、分解，反射层用于稳固隔热层，并反射向外辐射的热量，辅助热量向内部聚集，进一步降低外侧温度，而吸热层则以能够大量吸收热量并发生状态转变的材料为主体，起到强制吸热降温的作用，外壳层用于保持所需的形状，在本发明上述结构的设计下，所提供的多层隔热材料可以实现在较短时间内(3～5min)持续吸收热量、降低烟具外侧温度的目的。

6、优选的方案，所述内壳层的材质选自陶瓷或不锈钢。

7、优选的方案，所述隔热层选自气凝胶毡或气凝胶片，所述气凝胶毡或气凝胶片捆在内壳层的外侧。

8、进一步的优选，所述气凝胶毡由气凝胶粉和玻璃纤维经压制、喷胶后形成。

9、进一步的优选，所述气凝胶片由气凝胶粉与耐高温胶混合、压制而成。耐高温胶选自现有技术中的即可，如聚苯胺。

10、在本发明中，气凝胶毡或气凝胶片，均可在相关企业购置获得。

11、优选的方案，所述反射层选自铜箔或铝箔，所述反射层的层数为1～2层。

12、进一步的优选，将铜箔或铝箔的单面涂覆耐高温胶后捆扎于隔热层外部形成反射层。

13、优选的方案，所述吸热层，按质量百分比计，组成如下：吸热剂50～95％、定型剂5～20％、增塑剂1～50％，所述吸热剂为相变材料。

14、本发明的吸热层由吸热剂、定型剂、增塑剂组成，其中吸热剂为吸热层的主要成份，由可以自主吸收热量的、且有大量吸热容量的单一成分、或混合相变材料组成，定型剂基于“相似相容”的原理对吸热剂进行表面改性处理，增塑剂的主要作用是增加吸热层在加工过程中的可塑性，增加流动性，并固定吸热剂可能产生的局部触变性流动，以及吸附和固定吸热剂在使用过程中可能挥发出来的小分子成分。

15、在实际操作过程中，根据实际相变材料种类、所需要相变温度和厚度进行调节吸热层的组成，吸热层是该隔热体系的核心关键层。

16、本发明中的吸热剂主要由可吸热产生状态转变的潜热储热材料组成，包括但不限于不同温度熔点的石蜡、混合硝酸盐(由硝酸锂、硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾中的三者或四者按比例混合而成)、水合醋酸盐、水合硝酸盐等的一种或几种混合而成；其转变温度随使用场合的不同而改变其比例，从而达到不同设计值的转变温度、储热容量等。导热系数并不是本发明的主要设计内容，但要求所涉及的应用的场合中，导热系数应低于0.2w/(m·k)。

17、进一步的优选，所述吸热剂选自石蜡、混合硝酸盐、水合醋酸盐、水合硝酸盐中的至少一种，所述混合硝酸盐为由硝酸锂、硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾中的至少三种组成的混合物。

18、进一步的优选，所述定型剂为多孔无机材料，所述多孔无机材料选自二氧化硅粉体、二氧化硅气凝胶粉体、纳米碳酸钙、石墨细粉体、石墨烯粉体或块体中的至少一种。

19、更进一步的优选，所述二氧化硅粉体选自气相法合成的二氧化硅粉体、沉淀法合成的二氧化硅粉体、介孔二氧化硅粉中的至少一种。

20、定型剂可根据使用场景进行有效选择或组合，并需要根据吸热剂的性质进行基于“相似相容”原理的改性处理。

21、进一步的优选，所述增塑剂为多孔矿物，所述多孔矿物选自高岭土、海泡石、凹凸棒石、膨润土、叶腊石、硅藻土、活性白土中的至少一种。

22、进一步的优选，所述吸热层的制备方法为：配取吸热剂加热至相变温度以上形成熔融体，然后加入定型剂、增塑剂搅拌均匀后，再于加热的条件下搅拌均匀即得。

23、在实际操作过程中，按比例称取一定质量的单一成分或复合成分相变材料作为吸热剂，置于玻璃容器中，加热至相变温度以上并形成均一熔融体；再按设计比例称取一定质量的定型剂和增塑剂，迅速搅拌均匀后，再置于烘箱中加热并辅助搅拌均匀。即可获得所需的吸热层材料。

24、优选的方案，所述外壳层的材料为不锈钢或塑料。

25、在本发明中，塑料由不锈钢等金属、热固性塑料、耐高温塑料(聚醚醚酮peek等)、聚四氟乙烯等单独成分或混合成分制备合成，其外型由所处环境的特点可进行设计与加工成所需的形状。

26、本发明的多层隔热材料应用于短时间持续发热体(如加热不燃烧烟具)的外侧时，在单次加热过程内，可保持外侧温度不超过50℃，且重复使用性能良好。该产品具有安全、原料来源广泛、成本低、节能和对人体无伤害等优势。

27、本发明还提供一种多层隔热材料的应用，将所述多层隔热材料用于加热不燃烧烟具。

28、在实际操作过程中，将多层隔热材料组装成的器件，以管状或杯状为主，有利于零件组装和拆换，其外形可根据所对应的应用环境差异进行外观设计。

29、有益效果

30、本发明首次提出“内层隔热、外层吸热”的理念，采用气凝胶隔热、反射集热、相变吸热的系统集合，实现了在3～5min内强制吸收从内层散发出来的热量，产生对短时持续发热体外层的强效降温。本发明方案可实现在单次发热-散热-冷却的周期内，隔热层的外层温度不高于50℃，形成具有高效隔热能力的复合材料，可以极大的提升用户使用体验的效果。同时，该复合体系全部基于工业可采购的原料进行加工，利用该体系制备的零件，可方便的安装和拆换，有利于实现工业生产和应用。