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CN114714734B - 一种热防护用气凝胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种热防护用气凝胶复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种热防护用气凝胶复合材料及其制备方法，涉及轻质热防护技术领域，热防护用气凝胶复合材料包括层叠设置的耐烧蚀层和隔热层，耐烧蚀层包括纤维增强树脂材料，隔热层包括气凝胶膏和纤维增强材料的复合物。耐烧蚀材料的制备方法包括：S1、制备气凝胶膏；S2、采用压延的方式将气凝胶膏压至纤维增强材料中，烘干后得到气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；S3、将若干层纤维增强树脂材料、气凝胶膏和纤维增强材料的复合物层叠铺放，然后热压制得耐烧蚀材料，其中纤维增强树脂材料形成耐烧蚀层，气凝胶膏和纤维增强材料的复合物形成隔热层。本发明的耐烧蚀材料即能够抵御高温火焰烧蚀和热冲击，又具备优异的隔热性能，还具有较强的力学强度。

Description

一种热防护用气凝胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于轻质热防护技术领域，具体提供一种热防护用气凝胶复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，在新能源汽车、飞机等领域对热防护材料的性能要求越来越高，不仅要满足阻燃、隔热性能，还要具备质轻、高机械强度等性能。传统的热防护材料常常使用阻燃树脂浆料浸渍的纤维增强材料，并通过增加热防护层的用量来优化隔热性能。但纤维增强树脂材料的密度往往较高，且在动力电池领域应用时，电池模组往往需求厚度更薄的热防护用气凝胶复合材料，这时，对热防护用气凝胶复合材料的性能要求更高。
发明内容
本发明提出一种热防护用气凝胶复合材料及其制备方法，以解决背景技术中提到的上述问题。
一方面，本发明提供了一种热防护用气凝胶复合材料，包括层叠设置的耐烧蚀层和隔热层，所述耐烧蚀层包括纤维增强树脂材料，所述隔热层包括气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；所述耐烧蚀层厚度为（0.5-1.5）mm；所述隔热层厚度为（0.5-1.5）mm。
在上述热防护用气凝胶复合材料的优选技术方案中，所述气凝胶膏包括如下质量百分比的原料：气凝胶粉10-50%、胶粘剂20-50%、分散剂1-5%、水50-80%。
在上述热防护用气凝胶复合材料的优选技术方案中，所述气凝胶膏还包括添加助剂，所述添加助剂为防腐剂、成膜助剂、无机纤维棉中的一种或多种；所述添加助剂的质量百分比为1-20%。
在上述热防护用气凝胶复合材料的优选技术方案中，所述胶粘剂为硅溶胶、铝溶胶、钠水玻璃、聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸乳液、乳胶粉、改性淀粉、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；所述分散剂为焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、硬脂酰胺、山梨醇聚醚四油酸酯、纤维素和聚乙二醇的一种或多种；所述成膜助剂为苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇苯醚、醇酯-12中的一种或多种。
在上述热防护用气凝胶复合材料的优选技术方案中，所述耐烧蚀层中的纤维增强树脂材料中的纤维增强材料为碳纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维中的一种或多种的组合；所述隔热层中的纤维增强材料为碳纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维中的一种或多种的组合；所述耐烧蚀层的纤维增强树脂材料中的树脂为酚醛树脂、糠酮树脂、苯并噁嗪树脂、不饱和树脂、环氧树脂的一种或多种的组合；所述耐烧蚀层的纤维增强树脂材料的树脂中还包含有阻燃剂，所述阻燃剂含量为树脂总质量的5%-40%。
另一方面，本发明还提供了一种热防护用气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、制备气凝胶膏，将20-50wt%的胶粘剂、1-5wt%的分散剂、50-80wt%的水搅拌均匀，然后加入10-50wt%的气凝胶粉，搅拌分散后制得气凝胶膏；
步骤S2、将气凝胶膏压至纤维增强材料中，烘干得到气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；
步骤S3、将若干层纤维增强树脂材料、气凝胶膏纤维增强材料的复合物层叠铺放，然后热压制得热防护用气凝胶复合材料，其中纤维增强树脂材料形成耐烧蚀层，气凝胶膏纤维增强材料的复合物形成隔热层。
在上述热防护用气凝胶复合材料的制备方法的优选技术方案中，所述步骤S2中，采用压延或流延的方式进行压制。
在上述热防护用气凝胶复合材料的制备方法的优选技术方案中，所述步骤S2之前，所述制备方法还包括以下步骤：
对纤维增强材料作表面处理：将纤维增强材料浸泡在乙烯基硅烷偶联剂溶液中，并在自由基引发剂作用下进行表面改性，浸泡后在（60-100）℃反应（1-5）h。
在上述热防护用气凝胶复合材料的制备方法的优选技术方案中，所述自由基引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚睛。
在上述热防护用气凝胶复合材料的制备方法的优选技术方案中，所述步骤S2中的烘干温度为（105-130）℃，烘干时间为（0.5-5）h；所述步骤S3中的热压温度为（100-220）℃，热压时间为（0.5-5）h。
本发明的有益效果：本发明的热防护用气凝胶复合材料中耐烧蚀层采用耐高温的纤维增强材料和具备阻燃性能的树脂材料，使耐烧蚀层具备高力学强度，能够抵御高温火焰烧蚀和热冲击；隔热层采用气凝胶膏填充的纤维增强材料，使纤维增强材料表面以及内部结构复合上具有隔热性能的气凝胶材料，因此隔热层不仅具备优异的隔热性能，还具有一定的力学强度，从而增强了整体热防护用气凝胶复合材料的力学强度。
本发明采用气凝胶膏对纤维增强材料进行填充，其中的气凝胶粉材料可来自废弃的气凝胶材料，很好解决了气凝胶粉再利用的问题。同时，在本发明的气凝胶膏配比下，可以通过压延方式填充纤维增强材料，这相比气凝胶浆料浸泡法，会有更多的气凝胶粉填充在纤维增强材料中，因此，最终制得的隔热层的隔热性能更优异。
本发明的隔热层中，气凝胶膏在填充纤维增强材料前，先使用乙烯基硅烷偶联剂对纤维增强材料进行表面改性，使纤维增强材料表面接枝上硅氧碳键，当气凝胶膏压延至纤维增强材料时，气凝胶粉中残留的硅羟基与纤维增强材料表面的硅氧碳键能够产生连接，当烘干后，气凝胶粉不发生掉粉现象，方便使用。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种热防护用气凝胶复合材料，包括层叠设置的耐烧蚀层和隔热层，耐烧蚀层包括纤维增强树脂材料，隔热层包括气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；耐烧蚀层厚度为（0.5-1.5）mm；隔热层厚度为（0.5-1.5）mm。
其中，气凝胶膏包括如下质量百分比的原料：气凝胶粉10-50%、胶粘剂20-50%、分散剂1-5%、水50-80%；其中，胶粘剂为硅溶胶、铝溶胶、钠水玻璃、聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸乳液、乳胶粉、改性淀粉、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；分散剂为焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、硬脂酰胺、山梨醇聚醚四油酸酯、纤维素和聚乙二醇的一种或多种。
不仅如此，所述气凝胶膏还包括添加助剂，所述添加助剂为防腐剂、成膜助剂、无机纤维棉中的一种或多种；所述添加助剂的质量百分比为1-20%。其中，成膜助剂为苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇苯醚、醇酯-12中的一种或多种。
热防护用气凝胶复合材料的耐烧蚀层中的纤维增强树脂材料中的纤维增强材料为碳纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维中的一种或多种的组合。耐烧蚀层的纤维增强树脂材料中的树脂为酚醛树脂、糠酮树脂、苯并噁嗪树脂、不饱和树脂、环氧树脂的一种或多种的组合。耐烧蚀层的纤维增强树脂材料的树脂中还包含有阻燃剂，所述阻燃剂含量为树脂总质量的5%-40%。
隔热层中的纤维增强材料为碳纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维中的一种或多种的组合。
一种热防护用气凝胶复合材料的制备方法，包括以下三个步骤：
步骤S1、将20-50wt%的胶粘剂、1-5wt%的分散剂、50-80wt%的水、1-5wt%的成膜助剂搅拌均匀，之后加入10-50wt%的气凝胶粉，搅拌分散后制得气凝胶膏；
步骤S2、将气凝胶膏压制纤维增强材料中，烘干后得到气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；具体的，气凝胶膏通过压延的方式压制纤维增强材料中；
步骤S3、将若干层纤维增强树脂材料、气凝胶膏和纤维增强材料的复合物层叠铺放，然后热压制得热防护用气凝胶复合材料；其中纤维增强树脂材料形成耐烧蚀层，气凝胶膏和纤维增强材料的复合物形成隔热层。
步骤S2之前，制备方法还包括以下步骤：对纤维增强材料作表面处理：将纤维增强材料浸泡在乙烯基硅烷偶联剂溶液中，并在自由基引发剂作用下进行表面改性，浸泡后在（60-100）℃反应（1-5）h。其中，自由基引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚睛。
使用乙烯基硅烷偶联剂对纤维增强材料进行表面改性，使纤维增强材料表面接枝上硅氧碳键，当气凝胶膏压延至纤维增强材料时，气凝胶粉中残留的硅羟基与纤维增强材料表面的硅氧碳键能够形成化学键连接，因此，当烘干后，气凝胶膏和纤维增强材料的复合物中的气凝胶粉不易发生掉粉现象，方便使用。
其中，耐烧蚀层中的纤维增强树脂材料中所使用的纤维为非编织纤维或多轴向编织纤维。耐烧蚀层使用的纤维增强树脂材料是通过手糊、喷涂、刷涂、浸渍、压制等方式将树脂浆料负载在纤维增强材料上而形成或者为预浸料。
本发明的热防护用气凝胶复合材料中耐烧蚀层采用耐高温的纤维增强材料和具备阻燃性能的树脂材料，使耐烧蚀层具备高力学强度，能够抵御高温火焰烧蚀和热冲击，隔热层采用气凝胶膏填充的纤维增强材料，使纤维增强材料表面以及内部结构复合上具有隔热性能的气凝胶材料，因此隔热层不仅具备优异的隔热性能，还具有一定的力学强度，增强了整体热防护用气凝胶复合材料的力学强度。
下面以具体的实施例对本发明的热防护用气凝胶复合材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1
本实施例的热防护用气凝胶复合材料，其中耐烧蚀层的纤维增强树脂材料中的纤维增强材料为碳纤维，树脂为环氧树脂，树脂中还含有氢氧化镁阻燃剂，阻燃剂的加入量为环氧树脂总质量的5%；隔热层中使用的纤维增强材料为高硅氧纤维布；气凝胶膏包括以下质量百分比的原料：气凝胶粉30%、胶粘剂19%、分散剂1%、水50%，其中胶粘剂为硅溶胶；分散剂为焦磷酸钠。其中耐烧蚀层厚度为0.5m；隔热层厚度为1.0mm。
本实施例的热防护用气凝胶复合材料的制备方法：
步骤S1、将19wt%的胶粘剂、1wt%的分散剂、50wt%的水搅拌均匀，之后加入30wt%的气凝胶粉，在高速分散条件下搅拌均匀制得气凝胶膏；
步骤S2、将气凝胶膏使用压延机压入纤维增强材料，然后将填充了气凝胶膏的纤维增强材料进行烘干直至水分挥发完全制得隔热层，烘干温度110℃，烘干时间为3h；
步骤S3、将碳纤维增强环氧树脂材料、步骤S2的隔热层层叠铺放，然后热压制得热防护用气凝胶复合材料；其中碳纤维增强环氧树脂材料通过手糊方式将环氧树脂布满所有的碳纤维布材料，热压后碳纤维增强环氧树脂材料形成耐烧蚀层，热压温度为120℃，热压时间为1.5h。
本实施例制备的热防护用气凝胶复合材料的力学性能为：拉伸性能135.55MPa、压缩强度165.71MPa、弯曲强度242.16MPa、剪切强度25.89MPa、冲击强度41.8kJ/m2；力学性能测试采用本领域常规的测试手段。
所制得的热防护用气凝胶复合材料最高能在1400℃下烧蚀30min不烧穿。
实施例2
本实施例中与实施例1的区别之处在于，耐烧蚀层中的纤维增强树脂材料中使用的纤维增强材料为高硅氧纤维布和玻璃纤维布，树脂为酚醛树脂；树脂中含有氢氧化铝阻燃剂，阻燃剂的加入量为酚醛树脂总质量的20%；气凝胶膏包括如下质量百分比的原料：气凝胶粉25%、胶粘剂30%、分散剂3%、水60%、防腐剂2%、成膜助剂3%、无机纤维棉7%，其中胶粘剂为铝溶胶；分散剂为聚丙烯酸钠；成膜助剂为乙二醇丁醚；隔热层使用的纤维增强材料为碳纤维；耐烧蚀层厚度为1.0m；隔热层厚度为1.0mm。
本实施例的制备方法与实施例1的不同之处在于：
步骤S2中，烘干温度115℃，烘干时间为2h；步骤S3中，铺层时，布满酚醛树脂的高硅氧纤维布和玻璃纤维布紧贴并层叠铺放，隔热层紧贴耐烧蚀层的玻璃纤维布进行层叠铺放，热压时的热压温度为140℃，热压时间为2h。
本实施例制备的热防护用气凝胶复合材料的力学性能为：拉伸性能138.95MPa、压缩强度169.89MPa、弯曲强度238.89MPa、剪切强度28.34MPa、冲击强度45.2kJ/m2。所制得的热防护用气凝胶复合材料最高能在1400℃下烧蚀30min不烧穿。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，耐烧蚀层使用的纤维增强树脂材料中的纤维增强材料为玄武岩纤维布，树脂为环氧树脂；树脂中含有氢氧化铝阻燃剂，阻燃剂的加入量为酚醛树脂总质量的40%；隔热层使用的纤维增强材料为玻璃纤维，气凝胶膏包括如下质量百分比的原料：气凝胶粉40%、胶粘剂40%、分散剂5%、水80%、防腐剂4%、成膜助剂4%、无机纤维棉8%，其中胶粘剂为钠水玻璃；分散剂为六偏磷酸钠；成膜助剂为丙二醇苯醚。本实施例中，耐烧蚀层厚度为1.5m；隔热层厚度为0.8mm。
制备方法与实施例1不同之处：
步骤S2操作之前，对隔热层使用的玻璃纤维增强材料作表面处理：将纤维增强材料浸泡在乙烯基硅烷偶联剂溶液中，并在自由基引发剂偶氮二异庚睛的作用下在60℃反应3h，然后将气凝胶膏材料压延至改性的纤维增强材料中并烘干2.5h，烘干温度105℃。
步骤S3中的热压温度为150℃，热压时间为4h。
本实施例制备的热防护用气凝胶复合材料力学性能为：拉伸性能136.98MPa、压缩强度167.85MPa、弯曲强度240.06MPa、剪切强度27.45MPa、冲击强度43.5kJ/m2；所制得的热防护用气凝胶复合材料最高能在1400℃下烧蚀30min不烧穿。
上述实施例中，气凝胶膏采用压延的方式压制纤维增强材料中，其他实施例中，气凝胶膏还可以采用流延的方式压制纤维增强材料中。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热防护用气凝胶复合材料，其特征在于，为层叠设置的耐烧蚀层和隔热层，所述耐烧蚀层包括纤维增强树脂材料，所述隔热层包括气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；所述耐烧蚀层厚度为0.5-1.5mm；所述隔热层厚度为0.5-1.5mm；
其中，所述气凝胶膏包括如下质量百分比的原料：气凝胶粉30%、胶粘剂19%、分散剂1%、水50%；
所述胶粘剂为硅溶胶、铝溶胶、改性淀粉和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；
所述分散剂为焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、硬脂酰胺、山梨醇聚醚四油酸酯、纤维素和聚乙二醇的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的热防护用气凝胶复合材料，其特征在于，所述胶粘剂还包括钠水玻璃、聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸乳液、乳胶粉、聚乙烯醇中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的热防护用气凝胶复合材料，其特征在于，所述耐烧蚀层中的纤维增强树脂材料使用的纤维增强材料为碳纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维中的一种或多种的组合；所述隔热层中的纤维增强材料为碳纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维中的一种或多种的组合；所述耐烧蚀层的纤维增强树脂材料中的树脂为酚醛树脂、糠酮树脂、苯并噁嗪树脂、不饱和树脂、环氧树脂的一种或多种的组合；所述耐烧蚀层的纤维增强树脂材料的树脂中还包含有阻燃剂，所述阻燃剂含量为树脂总质量的5%-40%。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的热防护用气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤S1、制备气凝胶膏，将19wt%的胶粘剂、1%的分散剂、50wt%的水搅拌均匀，然后加入30wt%的气凝胶粉，搅拌分散后制得气凝胶膏；其中，所述胶粘剂为硅溶胶、铝溶胶、改性淀粉和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；所述分散剂为焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、硬脂酰胺、山梨醇聚醚四油酸酯、纤维素和聚乙二醇的一种或多种；
步骤S2、将气凝胶膏压制纤维增强材料中，烘干得到气凝胶膏和纤维增强材料的复合物；
步骤S3、将若干层纤维增强树脂材料、气凝胶膏纤维增强材料的复合物层叠铺放，然后热压制得热防护用气凝胶复合材料，其中纤维增强树脂材料形成耐烧蚀层，气凝胶膏纤维增强材料的复合物形成隔热层。
5.根据权利要求4所述的热防护用气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用压延或流延的方式进行压制。
6.根据权利要求4所述的热防护用气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2之前，所述制备方法还包括以下步骤：
对纤维增强材料作表面处理：将纤维增强材料浸泡在乙烯基硅烷偶联剂溶液中，并在自由基引发剂作用下进行表面改性，浸泡后在60-100℃反应1-5h。
7.根据权利要求6所述的热防护用气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述自由基引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚睛。
8.根据权利要求4所述的热防护用气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的烘干温度为105-130℃；烘干时间为0.5-5h；所述步骤S3中的热压温度为100-220℃，热压时间为0.5-5h。
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