一種高效變密度柔性防隔熱材料及制備方法

一種高效變密度柔性防隔熱材料及制備方法
【專利摘要】一種高效變密度柔性防隔熱材料及制備方法，涉及變密度柔性防隔熱材料領域；本發明中的高效變密度柔性防隔熱材料采用多層防隔熱片疊加的方式，自加熱面由外向內，從防熱部分到隔熱部分，密度依次減小。每一層防隔熱片單獨成型，以橡膠為基體，纖維編織物、短切纖維作為增強體，橡膠基體通過物理發泡、化學發泡的辦法產生孔隙，孔隙的大小和多少通過發泡劑的添加量進行控制。可用于可展開氣動減速用柔性防熱材料，也可用于發動機底部防熱軟裙、柔性防熱套或其它柔性防熱產品、部段。
【專利說明】
一種高效變密度柔性防隔熱材料及制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種變密度柔性防隔熱材料領域，特別是一種高效變密度柔性防隔熱材料及制備方法。【背景技術】
[0002]可展開氣動減速技術是未來多功能新型武器和特殊用途飛行器實現減速下降的重要方式，它以一種柔性防熱材料做技術保障，在發射時處于折疊狀態，降落到達預定軌道后展開，起到氣動減速和防熱的雙重目的。它要求防熱材料熱密封性好、耐高溫性能、抗燒蝕性能好、密度小。同時，我國重型運載與新一代戰略戰術導彈的發動機底部熱環境越來越苛刻，對材料的輕質化也提出了更高的要求。而目前我國的柔性防熱材料效率低，密度大， 不能滿足材料輕質化的發展要求。
[0003]目前，國內柔性防熱材料應用研究水平還停留在上世紀80年代研制出的硅橡膠涂覆織物體系，密度達1.3g/cm3,材料設計單一，耐熱能力有限，對高熱流的應用環境，僅通過提高防熱部分的厚度來實現，使防熱部分重量提高，不利于減重。
【發明內容】

[0004]本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種變密度柔性防隔熱材料， 提高了材料的燒蝕防隔熱效率，降低了材料密度，實現了材料密度與防隔熱效率的有效利用。
[0005]本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的:
[0006]—種高效變密度柔性防隔熱材料，所述柔性防隔熱材料采用n層防隔熱片堆疊構成;其中n層防隔熱片包括防熱部分和隔熱部分;防熱部分包括m層防隔熱片；隔熱部分包括 n-m層防隔熱片;防熱部分與隔熱部分由外至內依次疊放;防熱部分的最外層外表面為加熱面，自加熱面由外向內，每層防隔熱片的密度依次減小;n為正整數;m為正整數;n多2;m多1， 且 m<n〇
[0007]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，所述的每層防隔熱片的制備方法包括如下步驟:
[0008]步驟(一)、將厚度為0.08?2mm的纖維編織物放入高度為0.4?3mm的模具中；
[0009]步驟(二)、將質量百分比為0?55%的發泡劑、質量百分比為0?5%的短切纖維與質量百分比為40?100%的橡膠基體攪拌均勻，倒入鋪放好纖維編織物的模具中；
[0010]步驟(三)、防隔熱片固化成型。
[0011]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，所述步驟(二)中，發泡劑包括物理發泡劑和化學發泡劑;其中，物理發泡劑為空心酚醛微球、空心玻璃微球、空心碳微球、軟木粉或松苯微球中的一種或幾種;化學發泡劑為偶氮二甲酰胺、偶氮二異丁腈、對甲苯磺酰肼、 碳酸氫銨或含氫硅油中的一種或幾種。
[0012]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，所述步驟(二)中，橡膠基體為甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基硅橡膠、丁腈橡膠或氯丁橡膠中的一種。
[0013]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，每層防隔熱片中的橡膠基體通過物理發泡劑或化學發泡劑或物理、化學混合發泡劑進行發泡;橡膠基體在發泡過程中生成孔隙， 且自加熱面由外向內，每層防隔熱片中橡膠基體的孔隙密度隨著發泡劑的添加量增大而增大。
[0014]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，所述步驟(二)中，短切纖維為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維或氧化鋁纖維中的一種或多種；多種短切纖維加入橡膠基體中直接攪拌混合。
[0015]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，所述步驟(一)中，纖維編織物中的纖維材料為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、莫來石纖維、碳纖維、酚醛纖維、聚酰亞胺纖維、芳綸纖維或芳砜綸纖維中的一種或多種;多種纖維編織物通過將不同纖維按比例合股后再進編織;每類纖維的體積含量為0?100%。
[0016]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，所述步驟(三)中，當加入偶氮二甲酰胺化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為190-200°C;加入偶氮二異丁腈化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為60-70°C;加入對甲苯磺酰肼化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為110-120°C;加入碳酸氫銨化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為30?50°C;加入含氫硅油化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為室溫;發泡時間控制在5-15min。
[0017]在上述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，當制備防隔熱片過程中不添加發泡劑時，防隔熱片固化成型溫度為室溫至140°C ;固化成型時間為15min-7天。
[0018]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0019](1)本發明提供一種高效變密度柔性防隔熱材料及制備方法，所述柔性防隔熱材料采用n(n多2)層防隔熱片堆疊構成，包括m(m多1)層防熱部分和n-m層隔熱部分；自加熱面由外向內，從防熱部分到隔熱部分，密度依次減小材料由外而內密度梯度變化，優化了配置材料密度分配，燒蝕層通過樹脂分解帶走熱量，因此對應的防隔熱片樹脂含量高，密度大， 隔熱部分的發泡率越高，越有利于降低熱導率，對應的防隔熱片密度低；
[0020](2)本發明中每一層防隔熱片通過橡膠基體的物理發泡或化學發泡或物理、化學混合發泡的方法產生孔隙，孔隙的密度通過發泡劑的添加量進行控制，自加熱面由外向內， 發泡劑的添加量越來越大；
[0021](3)本發明提供的防隔熱片每一層單獨成型;每片的制備方法是，將厚度是0.08? 2mm的纖維編織物放入高度是0.4?3mm的模具中，將0?55wt%的發泡劑、0?5wt%的短切纖維與40?lOOwt%的硅橡膠攪拌均勻，倒入鋪放好纖維編織物的模具中固化成型;通過改變纖維織物厚度、成型模具高度實現不同厚度、柔韌程度的防隔熱片制作，不同發泡劑添加量實現密度變化，短切纖維的添加，提高防隔熱片的強度與耐彎折性；
[0022](4)本發明所述的短切纖維與纖維編織物，纖維材料為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、莫來石纖維、碳纖維、酚醛纖維、聚酰亞胺纖維、芳綸纖維、芳砜綸纖維中的一種或多種；多種短切纖維加入硅橡膠中直接攪拌混合;多種纖維編織物通過將不同纖維按比例合股后再進編織;每類纖維的體積含量為0?100%; 有機纖維可在高溫下燒蝕碳化帶走熱量，無機纖維可在高溫下熔融帶走熱量，不同纖維的選擇為應對不同熱流條件提供的多種方式;無機纖維的耐熱性好，有機纖維的柔順性好，兩類纖維的混編有利于實現耐熱性與柔軟性的平衡；
[0023](5)本發明所述的橡膠是甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基硅橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠中的一種，可實現依據成本要求、耐熱性要求、固化工藝要求選擇不同的橡膠；[〇〇24](6)本發明所述的發泡劑，物理發泡劑是空心酚醛微球、空心玻璃微球、空心碳微球、軟木粉、松苯微球，化學發泡劑是偶氮二甲酰胺、偶氮二異丁腈、對甲苯磺酰肼、碳酸氫銨、含氫硅油；高溫固化橡膠宜選用化學發泡劑，室溫固化橡膠宜選用物理發泡劑;受添加量上限控制，物理發泡劑的發泡能力有限，化學發泡的孔隙率可達到很高，通過混合使用實現更佳的效果。【附圖說明】
[0025]圖1為本發明高效防隔熱變密度柔性防熱示意圖。【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
[0027]本發明提供一種變密度柔性防隔熱材料，及其材料組成。變密度柔性防隔熱材料采用多層方式，自加熱面由外向內，從防熱部分到隔熱部分，密度依次減小。上層防熱材料采用燒蝕防熱，燒蝕防熱是最安全的防熱方式，可有效避免材料局部過熱帶來的失效問題， 當防熱部分表面溫度上升時，通過燒蝕材料分解碳化帶走熱量，從而減少向內層傳遞的熱量，保證內層的溫度。由外向內依次降低防熱材料的密度，提高防熱材料的孔隙率，可降低材料的熱導率，提高材料的熱燒蝕效率。因此，柔性防隔熱材料外層主要起燒蝕防熱，內層主要起隔熱的作用，通過控制每層的孔隙率，使密度依次減小，合理優化材料的重量與功能。
[0028]變密度柔性防隔熱材料可用于可展開氣動減速用柔性防熱材料，也可用發動機底部防熱軟裙、柔性防熱套或其它柔性防熱產品、部段。
[0029]如圖1所示為高效防隔熱變密度柔性防熱示意圖，由圖可知，一種高效變密度柔性防隔熱材料，柔性防隔熱材料采用n層防隔熱片堆疊構成;其中n層防隔熱片包括防熱部分2 和隔熱部分3;防熱部分2包括m層防隔熱片；隔熱部分3包括n-m層防隔熱片；防熱部分2與隔熱部分3由外至內依次疊放;防熱部分2的最外層外表面為加熱面1，自加熱面1由外向內，每層防隔熱片的密度依次減小;n為正整數;m為正整數;n彡2;m彡1，且m<n。
[0030]每層防隔熱片的制備方法包括如下步驟:
[0031]步驟(一)、將厚度為0.08?2mm的纖維編織物放入高度為0.4?3mm的模具中；其中，纖維編織物中的纖維材料為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維、 碳化硅纖維、莫來石纖維、碳纖維、酚醛纖維、聚酰亞胺纖維、芳綸纖維、芳砜綸纖維中的一種或多種；多種纖維編織物通過將不同纖維按比例合股后再進編織;每類纖維的體積含量為0?100%〇
[0032]步驟(二)、將質量百分比為0?55%的發泡劑、質量百分比為0?5%的短切纖維與質量百分比為40?100%的橡膠基體攪拌均勻，倒入鋪放好纖維編織物的模具中；[〇〇33]其中，發泡劑包括物理發泡劑和化學發泡劑;其中，物理發泡劑為空心酚醛微球、空心玻璃微球、空心碳微球、軟木粉、松苯微球中的一種或幾種;化學發泡劑為偶氮二甲酰胺、偶氮二異丁腈、對甲苯磺酰肼、碳酸氫銨、含氫硅油中的一種或幾種；
[0034]橡膠基體為甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基硅橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠中的一種；
[0035]短切纖維為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維中的一種或多種;多種短切纖維加入橡膠基體中直接攪拌混合。[〇〇36]每層防隔熱片中的橡膠基體可通過物理發泡劑或化學發泡劑或物理、化學混合發泡劑進行發泡;橡膠基體在發泡過程中生成孔隙；自加熱面由外向內，每層防隔熱片中橡膠基體的孔隙密度隨著發泡劑的添加量增大而增大。[〇〇37]步驟(三)、防隔熱片固化成型；當加入偶氮二甲酰胺化學發泡劑進行固化成型時， 控制溫度為190-200°C;加入偶氮二異丁腈化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為60-70 °C;加入對甲苯磺酰肼化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為110-120°C;加入碳酸氫銨化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為30?50°C;加入含氫硅油化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為室溫;發泡時間控制在5-15min;
[0038]當制備防隔熱片過程中不添加發泡劑時，防隔熱片固化成型溫度為室溫至140°C; 固化成型時間為30min-7天。[〇〇39] 實施例1:
[0040]包括3層防隔熱片堆疊構成;其中防熱部分2包括1層防隔熱片、隔熱部分3包括2層防隔熱片，即n = 3，m=l;[OO41 ]第1層(最外層)防隔熱片制備:將厚度為0.08mm的50vol%玻璃纖維與50vol%酸醛纖維混編織物放入高度是〇.4_的模具中，然后將質量百分比為5%短切石英纖維混入質量百分比為95%甲基苯基硅橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫5天后固化成型。[〇〇42] 第2層防隔熱片制備:將厚度為1mm的50vol %玻璃纖維與50vol %酚醛纖維混編織物放入高度是2_的模具中，采用物理發泡，將質量百分比為5%空心玻璃微球、質量百分比為10%軟木粉混入質量百分比為85%甲基苯基硅橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫6天后固化成型。[〇〇43] 第3層防隔熱片制備:將厚度為2mm的50vol %玻璃纖維與50vol %酚醛纖維混編織物放入高度是3_的模具中；采用物理發泡，將質量百分比為5%空心玻璃微球、質量百分比為10%軟木粉、質量百分比為10%空心碳微球混入質量百分比為75%甲基苯基硅橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫6天后固化成型。
[0044]將3層防隔熱片疊合在一起構成變密度柔性防隔熱材料，第1層為防熱部分，第2、3 層為隔熱部分，第1層密度為1.5g/cm3,第2層密度為1.2g/cm3,第3層密度為l.0g/cm3,在 400kW/m2的熱流條件下燒蝕60s，背溫不超過80°C。
[0045]實施例2:
[0046]包括3層防隔熱片堆疊構成;其中包括1層防熱部分2和2層隔熱部分3,即n = 3，m = 1;[0〇47] 第1層(最外層)防隔熱片制備:將厚度為0.08mm的50vol%碳纖維與50vol%芳會侖纖維混編織物放入高度是0.4mm的模具中，將lOOwt %甲基硅橡倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫7天后固化成型。[〇〇48] 第2層防隔熱片制備:將厚度為0.2mm的lOOvol %玻璃纖維織物放入高度是1mm的模具中；采用物理發泡，將質量百分比為5%空心碳微球、質量百分比為10%軟木粉混入質量百分比為85%甲基硅橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫6天后固化成型。[〇〇49] 第3層防隔熱片制備:將厚度為1mm的30vol %高硅氧纖維與70vol %聚酰亞胺纖維混編織物放入高度是2mm的模具中；采用物理發泡，將質量百分比為5%短切玻璃纖維、質量百分比為50%空心酚醛微球混入質量百分比為40%甲基乙烯基硅橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫5天后固化成型。
[0050]將3層防隔熱片疊合在一起構成變密度柔性防隔熱材料，第1層為防熱部分，第2、3 層為隔熱部分，以滿足熱流條件和背溫的要求。第1層密度為1.4g/cm3,第2層密度為1.2g/ cm3,第3層密度為0.8g/cm3,在300kW/m2的熱流條件下燒蝕50s，背溫不超過150°C。[〇〇51 ] 實施例3:
[0052]包括4層防隔熱片堆疊構成;其中包括2層防熱部分2和2層隔熱部分3,即n = 4，m = 2；
[0053]第1層(最外層)防隔熱片制備:將厚度為0.2mm的50vol%氧化錯纖維與50vol%芳砜綸纖維混編織物放入高度是1mm的模具中；將質量百分比為2%短切陶瓷纖維、質量百分比為3%短切玻璃纖維混入質量百分比為95%氯丁橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，ll〇°C保溫20min固化成型。[OOM] 第2層防隔熱片制備:將厚度為0.2mm的50vol %碳化娃纖維與50vol%酸醛纖維混編織物放入高度是1_的模具中；采用化學發泡，將質量百分比為5%碳酸氫銨，混入質量百分比為90%氯丁橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，40°C發泡保溫lOmin，140°C保溫15min固化成型。[0〇55] 第3層防隔熱片制備:將厚度為0.2mm的50vol %莫來石纖維與50vol %酸醛纖維混編織物放入高度是1_的模具中；采用物理與化學混合發泡方式，將質量百分比為10%偶氮二異丁腈、質量百分比為15%松苯微球，混入質量百分比為75%氯丁橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，70°C發泡12min，且100°C保溫30min固化成型。 [〇〇56] 第4層防隔熱片制備:將厚度為0.2mm的50vol %陶瓷纖維與50vol %酚醛纖維混編織物放入高度是1_的模具中；采用化學發泡，將質量百分比為3%氧化鋁纖維、質量百分比為15%的甲苯磺酰肼、質量百分比為25%含氫硅油，混入質量百分比為57%甲基硅橡膠中攪拌均勻后，將橡膠混合液倒入鋪好纖維織物的模具中，室溫放置15min后，再升溫至120°C 發泡10min，120°C保持20min固化成型。[〇〇57]將4層防隔熱片疊合在一起構成變密度柔性防隔熱材料，第1、2層為防熱部分，第 3、4層為隔熱部分，以滿足熱流條件和背溫的要求。第1層密度為1.6g/cm3,第2層密度為 1.4g/cm3，第3層密度為1.lg/cm3，第4層密度為0.7g/cm3，在400kW/m2的熱流條件下燒蝕 70s，背溫不超過100°C。
[0058]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1.一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述柔性防隔熱材料采用n層防隔熱 片堆疊構成;其中n層防隔熱片包括防熱部分(2)和隔熱部分(3);防熱部分(2)包括m層防隔 熱片；隔熱部分(3)包括n-m層防隔熱片;防熱部分(2)與隔熱部分(3)由外至內依次疊放;防 熱部分(2)的最外層外表面為加熱面(1)，自加熱面(1)由外向內，每層防隔熱片的密度依次 減小;n為正整數;m為正整數;n彡2;m彡1，且m<n。2.根據權利要求1所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述的每層防 隔熱片的制備方法包括如下步驟:步驟(一)、將厚度為〇.08?2_的纖維編織物放入高度為0.4?3_的模具中；步驟(二)、將質量百分比為〇?55%的發泡劑、質量百分比為0?5%的短切纖維與質量 百分比為40?100%的橡膠基體攪拌均勻，倒入鋪放好纖維編織物的模具中；步驟(三)、防隔熱片固化成型。3.根據權利要求2所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述步驟(二) 中，發泡劑包括物理發泡劑和化學發泡劑;其中，物理發泡劑為空心酚醛微球、空心玻璃微 球、空心碳微球、軟木粉或松苯微球中的一種或幾種;化學發泡劑為偶氮二甲酰胺、偶氮二 異丁腈、對甲苯磺酰肼、碳酸氫銨或含氫硅油中的一種或幾種。4.根據權利要求2所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述步驟(二) 中，橡膠基體為甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基硅橡膠、丁腈橡膠或氯丁橡膠中 的一種。5.根據權利要求4之一所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:每層防隔 熱片中的橡膠基體通過物理發泡劑或化學發泡劑或物理、化學混合發泡劑進行發泡;橡膠 基體在發泡過程中生成孔隙，且自加熱面由外向內，每層防隔熱片中橡膠基體的孔隙密度 隨著發泡劑的添加量增大而增大。6.根據權利要求2所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述步驟(二) 中，短切纖維為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維或氧化鋁纖維中的一種或多種； 多種短切纖維加入橡膠基體中直接攪拌混合。7.根據權利要求2所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述步驟(一) 中，纖維編織物中的纖維材料為玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、陶瓷纖維、氧化鋁纖維、 碳化硅纖維、莫來石纖維、碳纖維、酚醛纖維、聚酰亞胺纖維、芳綸纖維或芳砜綸纖維中的一 種或多種；多種纖維編織物通過將不同纖維按比例合股后再進編織;每類纖維的體積含量 為0?100%〇8.根據權利要求2或3所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:所述步驟 (三)中，當加入偶氮二甲酰胺化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為190-200°C;加入偶 氮二異丁腈化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為60-70°C;加入對甲苯磺酰肼化學發泡 劑進行固化成型時，控制溫度為110-120°C;加入碳酸氫銨化學發泡劑進行固化成型時，控 制溫度為30?50°C;加入含氫硅油化學發泡劑進行固化成型時，控制溫度為室溫;發泡時間 控制在5_15min。9.根據權利要求2所述的一種高效變密度柔性防隔熱材料，其特征在于:當制備防隔熱 片過程中不添加發泡劑時，防隔熱片固化成型溫度為室溫至140°C;固化成型時間為15min-7天。
【文檔編號】C08K7/14GK106079691SQ201610416030
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610416030.X, CN 106079691 A, CN 106079691A, CN 201610416030, CN-A-106079691, CN106079691 A, CN106079691A, CN201610416030, CN201610416030.X
【發明人】羅麗娟, 梁馨, 譚玨, 方洲, 毛科鑄, 宋朝暉
【申請人】航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術研究院