一種彈性隔熱密封材料及其制備方法

一種彈性隔熱密封材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種彈性隔熱密封材料及其制備方法。所述彈性隔熱密封材料包含纖維基體骨架和室溫硫化硅橡膠，所述纖維基體骨架由剛性短纖維和柔性長纖維組成。所述方法采用纖維基體作為骨架，室溫硫化硅橡膠作為粘接劑，經過纖維基體骨架成型、硅橡膠粘接劑復合、硫化等步驟。本發明的方法簡單、操作簡便、對環境污染小。所述材料可以在400℃以下應用環境能夠保持較好的低密度、高隔熱性和彈性以及工藝性能，適用于例如高溫應用環境的熱密封使用，在航天航空工業、民用工業等領域具有良好的應用前景。
【專利說明】一種彈性隔熱密封材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及耐高溫熱密封材料領域，具體地說，本發明涉及一種耐高溫熱密封材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]飛行器以極高的速度穿越大氣層飛行時，由于其對前方空氣的壓縮以及與周圍空氣的摩擦，將有一部分動能轉變成空氣的熱能，使飛行器面臨嚴峻的熱環境。在這樣的環境下，必須采用性能優異的熱防護系統對飛行器進行保護，其中各種部段及活動部位需要在高溫下長時間密封，是整個熱防護系統內非常關鍵的環節，因此需要具備耐溫隔熱性能的密封材料，以阻止熱量向內部擴散傳遞。
[0003]目前，國內外用于隔熱密封的材料主要有耐高溫密封圈、耐高溫膨脹陶瓷、密封膠等，使用的條件多為小于100°c或大于800°C的環境，而本發明涉及的耐高溫熱密封材料主要針對飛行器內部、溫度范圍在RT(室溫，例如25°C)?400°C的使用環境。該材料采用耐高溫纖維基體骨架與耐高溫硅橡膠粘接劑復合制成，具有耐溫隔熱性能良好，密度、彈性可控等優點。其中纖維基體骨架由例如無機纖維例如制成，提供耐溫隔熱及支撐作用；硅橡膠粘接劑采用能夠長時間在400°C或更高溫度使用的室溫硫化硅橡膠，提供耐溫和增強彈性作用。

【發明內容】

[0004]為了解決一個或多個上述問題，本發明提供了一種彈性隔熱密封材料及其制備方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0006]1、一種彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料包含纖維基體骨架和室溫硫化硅橡膠，所述纖維基體骨架由剛性短纖維和柔性長纖維組成。
[0007]2、根據技術方案I所述的方法，其中，所述剛性短纖維為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合:石英纖維、氧化鋁纖維、莫來石纖維和硅酸鋁纖維；所述柔性長纖維為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合:石英纖維、玄武巖纖維、高硅氧纖維、玻璃纖維和硅酸鋁纖維。
[0008]3、如技術方案I或2所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述剛性短纖維的直徑為3?15 μ m,長度為I?IOmm ;所述柔性長纖維的直徑為I?10 μ m,長度為10?50cm。
[0009]4、如技術方案I至3中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述剛性短纖維與柔性長纖維的質量比為1: (0.1?10)。
[0010]5、如技術方案I?4中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，室溫硫化硅橡膠選自由耐受400°C以上的硅橡膠。
[0011]6、如技術方案I?5中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述室溫硫化硅橡膠選自由KH-CL-RTV硅橡膠和PSN硅橡膠組成的組。[0012]7、如技術方案I至6中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述纖維基體骨架與室溫硫化硅橡膠的質量比例為1: (0.5?5)。
[0013]8、如技術方案I至7中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料的壓縮率為5?25%，回彈率為50%?90%。
[0014]9、如技術方案I至8中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料的室溫(25°C )導熱系數為0.03?0.09ff/m.K。
[0015]10、根據技術方案I至9中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料的密度為0.1?0.5g/cm3。
[0016]11、一種制備如技術方案I?10中任一項所述的彈性隔熱密封材料的方法，所述方法包括如下步驟:
[0017](I)將剛性短纖維和柔性長纖維混合成型為薄氈，再經過多層鋪敷為具有目標厚度的纖維基體骨架；
[0018](2)將所述纖維基體骨架與所述室溫硫化硅橡膠復合，得到纖維基體骨架-室溫硫化硅橡膠復合材料；和
[0019](3)將所述復合材料進行硫化，得到所述彈性隔熱密封材料。
[0020]12、如技術方案11所述的方法，其中，所述復合采用選自由下列方法組成的組中的一種或多種的組合:常壓浸潰、真空浸潰和加壓浸潰。
[0021]13、如技術方案11或12所述的方法，其中，用以復合的室溫硫化硅橡膠為以質量計濃度在5 %?80 %范圍內的室溫硫化硅橡膠溶液。
[0022]14、如技術方案11至13中任一項所述的方法，其中，所述復合進行一次或多次。
[0023]15、由技術方案11至14中任一項所述的方法制得的彈性隔熱密封材料。
[0024]本發明的所述彈性隔熱密封材料和方法具有如下優點:
[0025](I)本發明制備的彈性隔熱密封材料耐高溫性能好，可在400°C以下長期使用；
[0026](2)本發明制備的彈性隔熱密封材料導熱系數較低，具有較好的隔熱性能，室溫導熱系數為0.03?0.09ff/m.K ；
[0027](3)本發明制備的彈性隔熱密封材料具有較好的彈性，且彈性可控，壓縮率范圍為5?25%，回彈率范圍為50%?90% ；
[0028](4)本發明制備的彈性隔熱密封材料密度可控，例如可以被控制為0.1?0.5g/cm3之間；
[0029](5)本發明的方法簡單、操作簡便、對環境污染小；
[0030](6)本發明可以用于制備各種形狀規格的構件產品，在航空航天工業及其它高溫、需要隔熱密封的環境中具有廣泛的應用前景。
【具體實施方式】
[0031]本發明提供了一種彈性隔熱密封材料，所述彈性隔熱密封材料包含纖維基體骨架尤其是耐高溫纖維基體骨架，該骨架可以由不同種類不同比例的纖維組成，使得纖維骨架具有不同的耐溫性能和熱物理性能；包含室溫硫化硅橡膠尤其是耐高溫室溫硫化硅橡膠。此外，本發明還提供了一種制備所述彈性隔熱密封材料的方法，所述方法通過調整室溫硫化硅橡膠的復合方式、濃度以及復合次數等使得材料可以獲得不同的目標力學性能和熱物理性能。
[0032]具體地說，本發明在第一方面提供了一種彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料包含纖維基體骨架和室溫硫化硅橡膠，并且所述纖維基體骨架由剛性短纖維和柔性長纖維組成。
[0033]本發明對組成纖維基體骨架的纖維類型沒有特別限制，前提是所用的纖維需要能夠耐受目標使用環境溫度。不過，優選的是，所述剛性短纖維為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合:石英纖維、氧化鋁纖維、莫來石纖維和硅酸鋁纖維；所述柔性長纖維為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合:石英纖維、玄武巖纖維、高硅氧纖維、玻璃纖維和硅酸鋁纖維。另外，所述剛性短纖維和柔性長纖維的化學組成可以相同，例如可以同時為石英纖維；所述剛性短纖維和柔性長纖維的化學組成也可以不同，例如剛性短纖維可以為石英纖維，而柔性長纖維為玄武纖維。
[0034]就剛性短纖維而言，其直徑優選為3?15 μ m，例如可以為該范圍內的任意直徑，例如可以為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15μπι，或者其間的任意子范圍，例如5?10μπι、6?8μπι等。長度優選為I?10mm，例如可以為1、2、3、4、5、6、7、8、9或10mm，或者其間的任意子范圍，例如2?8mm、4?6mm等。
[0035]就柔性長纖維而言，其直徑優選為I?ΙΟμπι，例如可以為3、4、5、6、7、8、9或10 μ m，或者其間的任意子范圍，例如2?8 μ m、4?6 μ m等。長度優選為10?50cm，例如10、15、20、25、30、35、40、45或50cm，或者其間的任意子范圍，例如可以為15?45cm,20?40cm 等。
[0036]本發明人在為開發彈性隔熱密封材料所進行的實驗研究中發現，單獨使用剛性短纖維或者單獨使用柔性長纖維都無法使所獲得的材料在保證具有高隔熱性、低密度和適當耐溫性的同時具有較高的彈性。后來意外的發現，采用剛性短纖維和柔性長纖維的組合并結合適當的室溫硫化硅橡膠粘結劑可以解決這樣問題，使所得材料在保持上述隔熱性、密度和耐溫性的同時具有顯著較高(相對于單獨使用剛性短纖維或柔性長纖維的情況相比)的彈性。
[0037]在一些優選的實施方式中，所述剛性短纖維與柔性長纖維的質量比為1:(0.1?10)，例如為 I:0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、
8.0、9.0或10.0。如果剛性短纖維的比例過大或者柔性長纖維的比例過大，可能無法保證同時實現目標隔熱性和彈性。
[0038]對于室溫硫化硅橡膠，其在本發明中主要起到粘接劑和提供彈性的作用，因此在本文有時稱為硅橡膠粘接劑、硅橡膠或粘接劑。本發明對室溫硫化硅橡膠沒有特別的限制，但是其必須能夠耐受目標使用環境溫度，例如25°C至400°C甚至更高的溫度。室溫硫化硅橡膠可以是市售產品，例如可以KH-CL-RTV硅橡膠和/或PSN硅橡膠。
[0039]在一些實施方式中，所述纖維基體骨架與室溫硫化硅橡膠的質量比例優選為1:(0.5 ?5)，例如為 I:0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,2.0,3.0,4.0 或 5.0，該比例過高或過低可能無法實現隔熱性和彈性的平衡。
[0040]本發明的所述彈性隔熱密封材料的各種性能可以通過調節剛性短纖維和柔性長纖維的比例、室溫硫化硅橡膠的用量等進行調節。在一些優選的實施方式中，可以根據需要將所述彈性隔熱密封材料制備成壓縮率為5?25% (例如可以為5、10、15、20或25%等或者其間的任意子范圍)，回彈率為50%?90% (例如可以為50、60、70、80或90% )的材料。另外，也可以將所述彈性隔熱密封材料制備成室溫(25°C )導熱系數為0.03?0.09W/m.K，例如0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08或0.09ff/m.K，或者其間的任意子范圍。另外，也可以將所述彈性隔熱密封材料制備成密度為0.1?0.5g/cm3，例如可以為0.1,0.2,0.3、
0.4 或 0.5g/cm3。
[0041]在本發明的第二方面，提供了一種制備如上所述的彈性隔熱密封材料的方法，所述方法可以包括如下步驟:
[0042](I)將剛性短纖維和柔性長纖維混合成型為薄氈，再經過多層鋪敷為具有目標厚度的纖維基體骨架；
[0043](2)將所述纖維基體骨架與所述室溫硫化硅橡膠復合，得到纖維基體骨架-室溫硫化硅橡膠復合材料；和
[0044](3)將所述復合材料進行硫化，得到所述彈性隔熱密封材料。
[0045]在一些實施方式中，所述復合可以通過使用室溫硫化硅橡膠溶液浸潰所述纖維基體骨架來進行了，浸潰可以采用選自由下列方法組成的組中的一種或多種的組合:常壓浸潰、真空浸潰和加壓浸潰，優選的是，從浸潰速度和效果來看，優選使用真空浸潰。浸潰所使用的室溫硫化硅橡膠的溶液以質量計的濃度可以為5%?80%，例如可以為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80%，如果濃度過低，可能無法浸潰較大量的室溫硫化硅橡膠，從而使得最終所得到的材料的彈性過低；如果濃度過高，可能無法進行充分的浸潰或者浸潰需要過長的時間。另外，本發明對制備所述溶液的溶劑沒有特別限制，例如可以為環己烷等。
[0046]另外，所述復合可以進行一次，也可以分多次進行。
[0047]所述方法使用的材料及其比例如本說明書第一方面所述，再次不再贅述。
[0048]在本發明的第三方面，提供了由上述方法值得的彈性隔熱密封材料，該彈性隔熱密封材料的性能如針對本發明第一方面所述，再次不再贅述。
[0049]另外注意的是，如果沒有特別說明，本發明所記載的任何范圍包括端值以及端值之間的任何數值以及以及以端值或者端值之間的任意數值所構成的任意子范圍。
[0050]下面結合實施例對本發明作進一步說明。這些實施例只是就本發明的優選實施方式進行舉例說明，本發明的保護范圍不應解釋為僅限于這些實施例。
[0051]本發明各實施例涉及原料均為市場購買。
[0052]實施例1
[0053]制備本發明所述的彈性隔熱密封材料，其中，纖維基體骨架由剛性短纖維石英纖維(直徑5?8 μ m、長度I?3mm)和柔性長纖維玄武巖纖維(直徑I?3 μ m、長度20?25cm)組成，短纖維與長纖維質量比為1:1。粘接劑為硅橡膠KH-CL-RTV。
[0054]首先將剛性短纖維和柔性長纖維混合制成薄氈，再將20層這樣的薄氈制成25mm厚度的纖維基體骨架。然后使用真空浸潰(真空度-0.09MPa)的方式將濃度為50%的硅橡膠粘接劑(稀釋劑為環己烷)與纖維基體骨架復合2h (小時)，纖維基體骨架與硅橡膠粘接劑質量比為1:0.67，經過室溫硫化24h，可以得到彈性隔熱密封材料。
[0055]測試樣品性能:耐溫400 V (400 V處理2h，樣品不收縮);密度0.25g/cm3 (GB/T6343-2009);室溫導熱系數 0.05ff/m.K (GB/T 10295-2008);壓縮率 10%、回彈率 75%(GB/T7759-1996)。
[0056]實施例2
[0057]制備本發明所述的彈性隔熱密封材料，其中，纖維基體骨架由剛性短纖維石英纖維(直徑5?8 μ m、長度I?3mm)和柔性長纖維玄武巖纖維(直徑I?3 μ m、長度20?25cm)組成，短纖維與長纖維質量比為1:2。粘接劑為硅橡膠KH-CL-RTV。
[0058]首先將剛性短纖維和柔性長纖維混合制成薄氈，再將20層這樣的薄氈制成25mm厚度的纖維基體骨架。然后使用真空浸潰(真空度-0.09MPa)的方式將濃度為50%的硅橡膠粘接劑(稀釋劑為環己烷)與纖維基體骨架復合2h，纖維基體骨架與硅橡膠粘接劑質量比為1:0.67，經過室溫硫化24h，得到彈性隔熱密封材料。
[0059]測試樣品性能:耐溫400 V (400 V處理2h，樣品不收縮);密度0.25g/cm3 (GB/T6343-2009);室溫導熱系數 0.054W/m.K(GB/T10295-2008);壓縮率 10 %、回彈率 81 %(GB/T7759-1996)。
[0060]實施例3?5
[0061]除了表I中所列內容之夕卜，實施例3?5米用與實施例1和2相同的方式實施。
[0062]比較例I
[0063]纖維基體骨架僅使用剛性短纖維石英纖維(直徑5?8 μ m、長度I?3mm)制成。粘接劑為硅橡膠KH-CL-RTV。
[0064]首先將剛性短纖維制成薄氈，再將20層這樣的薄氈制成25mm厚度的纖維基體骨架。然后使用真空浸潰(真空度-0.09MPa)的方式將濃度為50%的硅橡膠粘接劑(稀釋劑為環己烷)與纖維基體骨架復合2h，纖維骨架與硅橡膠粘接劑質量比為1:0.67，經過室溫硫化24h，得到彈性隔熱密封材料。
[0065]測試樣品性能:耐溫400 0C (400 °C處理2h，樣品不收縮)；密度0.25g/cnT3 (GB/T6343-2009);室溫導熱系數 0.05W/m.K(GB/T10295-2008);壓縮率 10%、回彈率 5%，材料基本無法回彈(GB/T7759-1996)。
[0066]比較例2
[0067]纖維基體骨架僅使用柔性長纖維玄武巖纖維(直徑I?3 μ m、長度20?25cm)制成。粘接劑為硅橡膠KH-CL-RTV。
[0068]首先將柔性長纖維制成薄氈，再將20層這樣的薄氈制成25mm的纖維基體骨架。然后使用真空浸潰(真空度-0.09MPa)的方式將濃度為50%的硅橡膠粘接劑(稀釋劑為環己烷)與纖維基體骨架復合2h，纖維骨架與硅橡膠粘接劑質量比為1:0.67，經過室溫硫化24h，得到彈性隔熱密封材料。
[0069]測試樣品性能:耐溫400 0C (400 °C處理2h，樣品不收縮);密度0.25g/cm3 (GB/T6343-2009);室溫導熱系數0.1 Off/m.K (GB/T10295-2008)，隔熱性能降低；壓縮率10%、回彈率30% (GB/T7759-1996)，材料回彈性能差。
[0070]比較例3
[0071]纖維基體骨架由剛性短纖維石英纖維(直徑5?8μπκ長度I?3_)和柔性長纖維玄武巖纖維(直徑I?3 μ m、長度20?25cm)組成，短纖維與長纖維質量比為1:1。粘接劑為硅橡膠KH-CL-RTV。
[0072]首先將剛性短纖維和柔性長纖維混合制成薄氈，再將20層這樣的薄氈制成25mm的纖維基體骨架。然后使用真空浸潰(真空度-0.09MPa)的方式將濃度為50%的硅橡膠粘接劑(稀釋劑為環己烷)與纖維基體骨架復合2h，纖維骨架與硅橡膠粘接劑質量比為1:10，經過室溫硫化24h，得到彈性隔熱密封材料。
[0073]測試樣品性能:耐溫400 V (400 °C處理2h，樣品不收縮);密度0.6g/cm3 (GB/T6343-2009);室溫導熱系數0.2W/m.K(GB/T10295-2008)，隔熱性能降低；壓縮率10%、回彈率 90% (GB/T7759-1996)。
[0074]比較例4
[0075]纖維基體骨架為剛性短纖維石英纖維(直徑5?8 μ m、長度I?3_)和柔性長纖維玄武巖纖維(直徑I?3 μ m、長度20?25cm)組成，短纖維與長纖維質量比為1:1。粘接劑為硅橡膠KH-CL-RTV。
[0076]首先將剛性短纖維和柔性長纖維混合制成薄氈，再將20層這樣的薄氈制成25mm厚度的纖維基體骨架。然后使用真空浸潰(真空度-0.09MPa)的方式將濃度為50%的硅橡膠粘接劑(稀釋劑為環己烷)與纖維基體骨架復合2h，纖維骨架與硅橡膠粘接劑質量比為1:0.1，經過室溫硫化24h，可以得到彈性隔熱密封材料。
[0077]測試樣品性能:耐溫400 V (400 °C處理2h，樣品不收縮);密度0.2g/cm3 (GB/T6343-2009);室溫導熱系數 0.05W/m.K(GB/T10295-2008);壓縮率 10%、回彈率 10% (GB/T7759-1996)，材料回彈性能差。
[0078]實施例6?10
[0079]除了表I中所列內容之外，實施例6?10采用與實施例1和2相同的方式實施。
【權利要求】
1.一種彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料包含纖維基體骨架和室溫硫化硅橡膠，所述纖維基體骨架由剛性短纖維和柔性長纖維組成。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述剛性短纖維為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合:石英纖維、氧化鋁纖維、莫來石纖維和硅酸鋁纖維；所述柔性長纖維為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合:石英纖維、玄武巖纖維、高硅氧纖維、玻璃纖維和硅酸鋁纖維。
3.如權利要求1或2所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述剛性短纖維的直徑為3~15 μ m,長度為1~IOmm ;所述柔性長纖維的直徑為1~10 μ m，長度為10~50cm。
4.如權利要求1至3中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述剛性短纖維與柔性長纖維的質量比為1:(0.1~10)。
5.如權利要求1~4中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述室溫硫化硅橡膠選自由KH-CL-RTV硅橡膠和PSN硅橡膠組成的組。
6.如權利要求1至5中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述纖維基體骨架與室溫硫化硅橡膠的質量比例為1: (0.5~5)。
7.如權利要求1至6中任一項所述的彈性隔熱密封材料，其中，所述彈性隔熱密封材料的壓縮率為5~25%，回彈率為50%~90%;優選的是，所述彈性隔熱密封材料的室溫導熱系數為0.03~0.09ff/m.K ;更優選的是，所述彈性隔熱密封材料的密度為0.1~0.5g/cm3。
8.一種制備如權利要求1~7中任一項所述的彈性隔熱密封材料的方法，所述方法包括如下步驟: (1)將剛性短纖維和柔性長纖維混合成型為薄氈，再經過多層鋪敷為具有目標厚度的纖維基體骨架； (2)將所述纖維基體骨架與所述室溫硫化硅橡膠復合，得到纖維基體骨架-室溫硫化硅橡膠復合材料；和 (3)將所述復合材料進行硫化，得到所述彈性隔熱密封材料。
9.如權利要求8所述的方法，其中，用以復合的室溫硫化硅橡膠為以質量計濃度在5%~80 %范圍內的室溫硫化硅橡膠溶液。
10.由權利要求8或9所述的方法制得的彈性隔熱密封材料。
【文檔編號】B32B25/10GK103600530SQ201310573136
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2013年11月18日
【發明者】宋寒, 鄒軍鋒, 趙小玲, 張昊, 詹萬初 申請人:航天特種材料及工藝技術研究所