CN110511691A - 一种碳基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳基复合材料及其制备方法和应用，属于汽车防火材料技术领域，包括碳基织物和包覆在碳基织物单面或者双面的阻燃胶层，所述阻燃胶层中含有质量分数为3～7％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶；本发明在碳基织物上包覆阻燃胶层，制备的复合材料具有防震、防自燃、防火、防爆、隔热、防水性能，且本发明阻燃胶层是环境友好型材料，能够降低对人体的伤害，提高使用舒适度，可有效地解决汽车电池包容易燃烧的问题，降低及汽车自燃、爆炸的发生率，灭火方便。

Description

一种碳基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于汽车防火材料技术领域，具体涉及一种碳基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
科技的进步、新能源、环保等意识的提高促使电动汽车不断兴起，相对于传统汽油机驱动汽车而言，电动汽车具有零排放、能源利用率高、结构简单、噪声小等优势，但是由于其使用蓄电池和电机控制器，使用过程中会有蓄电池或者电路损坏导致电动汽车燃烧的风险。
一般电动汽车燃烧的常见原因有以下几点：
(1)碰撞燃烧；电动汽车由于交通事故发生碰撞或者翻车时，由于电池受到很大的冲击力，可能受到挤压，穿刺等损坏，由于电池内部压力过高，如果电池本身有设计缺陷，在此极端的情况下，防爆阀未能有效发挥作用，就会发生燃烧，爆炸！尤其是锂离子电池的负极材料，一旦因为电池外壳损毁与空气接触，有极高的可能发生剧烈氧化甚至燃烧爆炸。因此，电动汽车，尤其是锂电汽车，其电池组务必要设计在最不容易遭遇剧烈碰撞的地方，且必须尽可能采取防震等各类保护措施，防止电池组在事故中，直接遭受剧烈的撞击和挤压。
(2)涉水时发生火灾；当汽车遇到暴雨或其他涉水情况时，电池间的接线或者电机控制系统就可能会由于水或者水汽的的侵蚀，造成短路，导致漏电。一旦短路，电池温度迅速升高，引起爆炸或者燃烧的可能性就很大，所以务必要做到防水。
(3)自燃；自燃是最常见的，也是报道最多的，是摆在客户及车企面前最为棘手的担心的问题，也是阻碍电动汽车发展的最大瓶颈。自燃相对碰撞燃烧而言其原因较多，主要分为以下几点原因：①受撞击，②或长期颠簸，③过充，④进水等引起微隐患(接触不良、断路导致局部过热，隔膜穿刺)而导致的自燃。汽车在行进过程中由于一直处于高功率高电压用电的工作形态，所以导致电池微短路、隔膜穿刺等微隐患很难被系统识别出来，当停车后，汽车不再用电耗电，导致短路或者穿刺部位电流逐渐变大，热量不断积聚，从而引发电池包燃烧，当过高热量不能及时散发出去时则会导致电池包爆炸。
电池包燃烧，从外看属于无氧燃烧，即使电池包很密闭也可以燃烧。因为电池的阳极可产生氧气，所以一旦汽车着火，没有很好的灭火措施，泡沫灭火器根本无法灭火，只能通过水来降温灭火，但是由于电池包密封，水很难喷入，所以如常见的电动车火灾一样，大家只能眼看着整个汽车化为灰烬，灭火只能起到隔离火源防止其引起其他汽车及物体燃烧。
仔细研究以上几点会发现燃烧几乎都是与电池包的性能相关，电池包既要做到防撞(泡沫铝电池外包)，又要做到防震、防水、绝缘、阻燃、隔热，同时还要做到特高温下可融，透气(防止爆炸，灭火可进水)等特性的内包。除此之外，汽车内饰也应该采用阻燃技术，比如所有塑料的地方采用阻燃塑料，布料，木材，填充物一类的要做阻燃处理。特别是与电池包相近的隔音棉最好采用具有防震、防水、阻燃、隔热、隔音的隔音垫(据调查，很多汽车没有隔音棉/垫，有些品牌采用的是对肺有危害的玻璃丝棉/岩棉，有些品牌甚至采用对人体危害极大且极易燃烧的沥青/橡胶)，均不能满足使用要求。
发明内容
基于现有电池包频繁着火，影响汽车及其他相关产业生态的问题，本发明提供了一种碳基复合材料及其制备方法，在碳基基础上制作成一种复合型新材料，使其具有防震、防自燃、防水、绝缘、防火、隔热，特高温下可融，透气散热防爆等特性，以达到降低及汽车自燃、爆炸的发生率，灭火方便的效果。
本发明的第一个目的是提供一种碳基复合材料，包括碳基织物和包覆在碳基织物单面或者双面的阻燃胶层，所述阻燃胶层中含有质量分数为3～7％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
优选地，所述阻燃胶层中含有质量分数为5％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
本发明的第二个目的是提供上述碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
分别制备碳基织物和阻燃胶层，将阻燃胶层采用刮、涂、喷、热帖或机压工艺包覆在碳基织物单面或双面。
优选地，采用机压工艺的热压温度为40℃，压力强度为10kg/m2。
优选地，所述碳基织物是通过以下步骤制得：
将碳纤维原丝编织成碳纤维原丝织物；将所述碳纤维原丝织物依次经过浸轧烘干处理、预氧化处理、无氧碳化、无氧高温石墨化制备成碳基织物。
优选地，所述碳纤维原丝是通过将聚丙烯腈长丝、聚丙烯腈短丝、粘胶长丝或粘胶短丝加捻纺纱制得。
优选地，所述浸轧烘干处理是将所述碳纤维原丝织物通过磷酸盐溶液进行浸轧烘干处理，烘干温度90～120℃，时长2～3min，所述磷酸盐溶液为磷酸铵和磷酸二氢铵混合水溶液，且所述磷酸铵和所述磷酸二氢铵质量比为2～5:10，所述磷酸铵和磷酸二氢铵总质量浓度为1％～10％。
优选地，所述预氧化处理温度为200～450℃。
优选地，所述无氧碳化过程是将预氧化处理的碳纤维原丝织物700℃～900℃下进行无氧低温碳化，时长为8～12min；将低温碳化碳基原丝织物在1000℃～2000℃下进行无氧高温碳化，时长为3～5min。
优选地，所述无氧高温石墨化过程为将无氧碳化的碳基原丝织物在2000℃～3000℃下进行无氧高温石墨化，时长为5～20s。
本发明的第三个目的是提供上述碳基复合材料在汽车电池包方面的应用。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
本发明在碳基织物上包覆阻燃胶层，制备的复合材料具有防震、防自燃、防火、防爆、隔热、防水性能，且本发明阻燃胶层是环境友好型材料，能够降低对人体的伤害，提高使用舒适度，可有效地解决汽车电池包容易燃烧的问题，降低及汽车自燃、爆炸的发生率，灭火方便。
附图说明
图1为实施例1碳纤维原丝织物面层丝线结构示意图；
图2为实施例1碳基织物光学图片示意图；
图3为实施例1制得的碳基复合材料结构示意图。
附图标记说明：
1、经线B，2、阴影，3、空隙，4、经线A，5、纬线A，6、纬线B，7、阻燃胶层，8、碳基织物。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
一种碳基复合材料，包括碳基织物和包覆在碳基织物表面的阻燃胶层，所述阻燃胶层中含有质量分数为3％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
上述碳基复合材料是通过以下步骤制得：
(1)将聚丙烯腈长丝加捻纺纱，使其由+40度和-40度角方向双轴向排列，具体的，经线A4、经线B1、纬线A5、纬线B 6、阴影2和空隙3排列方式如图1所示，其织造方法也可以为常规机织、针织或非织造工艺；
(2)碳纤维阻燃织物的制备，将步骤(1)制成的碳纤维原丝织物匀速通过装有10％浓度的磷酸盐(磷酸铵和磷酸二氢铵的混合溶液，质量比为0.5)溶液的预处理器进行浸轧烘干处理，烘干温度120℃，时长3min；
(3)将处理好的碳纤维原丝织物在450℃下进行预氧化处理，时长为30min，在900℃下对预氧化碳纤维原丝织物进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)低温碳化，时长为12min；
(4)将低温碳化碳纤维原丝织物在2000℃下进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)高温碳化，时长为3min；
(5)将高温碳化的碳基原丝织物在3000℃下进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)高温石墨化，时长为5s，制得碳基织物(如图2)，单位面积质量等于800g/m2，厚度为0.5mm；
(6)将十溴二苯乙烷加入液态硅胶混合均匀，制得阻燃胶层，十溴二苯乙烷，质量分数为3％，其余为液态硅胶；
(7)将阻燃胶层通过热压机复合在碳基织物表面(热压温度40℃，压力强度10kg/m2)，制得碳基复合材料(如图3)，碳基织物8表面包覆有阻燃胶层7，阻燃胶层厚度为0.5mm。
实施例2
一种碳基复合材料，包括碳基织物和分别包覆在碳基织物表面和背面的阻燃胶层，所述阻燃胶层中含有质量分数为5％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
上述碳基复合材料是通过以下步骤制得：
(1)将聚丙烯腈长丝加捻纺纱，使其由+20度和-20度角方向双轴向排列，其织造方法也可以为常规机织、针织或非织造工艺；
(2)碳纤维阻燃织物的制备，将步骤(1)制成的碳纤维原丝织物匀速通过装有6％浓度的磷酸盐(磷酸铵和磷酸二氢铵的混合溶液，质量比为0.3)溶液的预处理器进行浸轧烘干处理，烘干温度100℃，时长2.5min；
(3)将处理好的碳纤维原丝织物在300℃下进行预氧化处理，时长为30min，在800℃下对预氧化碳纤维原丝织物进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)低温碳化，时长为10min；
(4)将低温碳化碳纤维原丝织物在1500℃下进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)高温碳化，时长为4min；
(5)将高温碳化的碳基原丝织物在2500℃下进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)高温石墨化，时长为10s，制得碳基织物，单位面积质量等于400g/m2，厚度为0.5mm；
(6)将十溴二苯乙烷加入液态硅胶混合均匀，制得阻燃胶层，十溴二苯乙烷，质量分数为5％，其余为液态硅胶；
(7)在阻燃胶层加入硫化剂(硫化剂为现有技术中任一种组分均可，且硫化剂质量是阻燃胶层质量的10％)，敞模投料让其在碳基织物上按0.3mm厚度成型，制得碳基复合材料。
实施例3
一种碳基复合材料，包括碳基织物和分别包覆在碳基织物表面和背面的阻燃胶层，所述阻燃胶层中含有质量分数为7％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
上述碳基复合材料是通过以下步骤制得：
(1)将聚丙烯腈长丝加捻纺纱，使其由+30度和-30度角方向双轴向排列，其织造方法也可以为常规机织、针织或非织造工艺；
(2)碳纤维阻燃织物的制备，将步骤(1)制成的碳纤维原丝织物匀速通过装有1％浓度的磷酸盐(磷酸铵和磷酸二氢铵的混合溶液，质量比为0.2)溶液的预处理器进行浸轧烘干处理，烘干温度90℃，时长2min；
(3)将处理好的碳纤维原丝织物在200℃下进行预氧化处理，时长为30min，在700℃下对预氧化碳纤维原丝织物进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)低温碳化，时长为8min；
(4)将低温碳化碳纤维原丝织物在1000℃下进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)高温碳化，时长为5min；
(5)将高温碳化的碳基原丝织物在2000℃下进行无氧(纯氮气或其他惰性气体环境下)高温石墨化，时长为20s，制得碳基织物，单位面积质量等于70g/m2，厚度为0.5mm；
(6)将十溴二苯乙烷加入液态硅胶混合均匀，制得阻燃胶层，十溴二苯乙烷，质量分数为7％，其余为液态硅胶；
(7)在阻燃胶层加入硫化剂(硫化剂为现有技术中任一种组分均可，且硫化剂质量是阻燃胶层质量的5％)，敞模投料让其在碳基织物上按0.5mm厚度成型，制得碳基复合材料。
对实施例1～3进行性能测试，根据HG/T 3321-2012测定硫化橡胶弹性模量的测定方法；5ISO 1420-2016测定橡胶或塑料涂层织物抗渗水性；HG/T 2583-1994测定橡胶涂覆织物绝缘带物理性能；UL94-5VB垂直燃烧法测定阻燃性；参考ASTM D3103-2007分类包装件的隔热性能用标准；参考UL94-HB水平燃烧法测定防火性能测定，测试结果如表1所示：
表1实施例1～3制备的碳基复合材料性能数据
由表1结果可知，本发明阻燃胶层在弹性、防水、隔热、绝缘、隔热及耐高温方面具有优异性能，将其与碳基织物复合之后，与没有进行复合的碳基织物和阻燃胶层相比，本发明制备的复合材料性能显著提高，例如，未复合的阻燃胶层绝缘等级为B级，未复合的碳基织物具有导电性，将两者复合之后，实施例1和实施例2阻燃等级均提升至F级，实施例3阻燃等级提升至H等级，阻燃性能均高于未复合的阻燃胶层和未复合的碳基织物，说明将本发明阻燃胶层与碳基织物复合后，两者并不是简单的物理叠加，而是起到了良好的协同作用，使得复合材料性能显著提高。另外，实施例2和实施例3在将本发明阻燃层复合在碳基织物上时，加入硫化剂后，硫化并快速与碳基织物复合后的材料，性能更加优异，而且工艺比实施例1中的热帖工艺更简单。需要说明的是，通过本发明方法，将现有的阻燃材料(例如现有的阻燃胶、硅胶类似且不限于的胶状物或发泡树脂、发泡塑料、发泡涂料、阻燃海绵、岩棉、玻璃纤维相关的柔性阻燃材料)复合在碳基织物上(可单面也可双面)，所制成的具有防震、防自燃、防水、绝缘、防火、防爆、隔热的特性的材料也包含在本发明范围内。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种碳基复合材料，其特征在于，包括碳基织物和包覆在碳基织物单面或者双面的阻燃胶层，所述阻燃胶层中含有质量分数为3～7％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
2.根据权利要求1所述的碳基复合材料，其特征在于，所述阻燃胶层中含有质量分数为5％的十溴二苯乙烷，其余为液态硅胶。
3.根据权利要求1或2所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备碳基织物；将十溴二苯乙烷加至液态硅胶混合均匀，制得阻燃胶层；将阻燃胶层采用刮、涂、喷、热帖或机压工艺包覆在碳基织物单面或双面，制得碳基复合材料。
4.根据权利要求3所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，采用机压工艺的热压温度为40℃，压力强度为10kg/m2。
5.根据权利要求3所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳基织物是通过以下步骤制得：
将碳纤维原丝编织成碳纤维原丝织物；将所述碳纤维原丝织物依次经过浸轧烘干处理、预氧化处理、无氧碳化、无氧高温石墨化制备成碳基织物。
6.根据权利要求5所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸轧烘干处理是将所述碳纤维原丝织物通过磷酸盐溶液进行浸轧烘干处理，烘干温度90～120℃，时长2～3min，所述磷酸盐溶液为磷酸铵和磷酸二氢铵混合水溶液，且所述磷酸铵和所述磷酸二氢铵质量比为2～5:10，所述磷酸铵和磷酸二氢铵总质量浓度为1％～10％。
7.根据权利要求5所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理温度为200～450℃。
8.根据权利要求5所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述无氧碳化过程是将预氧化处理的碳纤维原丝织物700℃～900℃下进行无氧低温碳化，时长为8～12min；将低温碳化碳基原丝织物在1000℃～2000℃下进行无氧高温碳化，时长为3～5min。
9.根据权利要求5所述的碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述无氧高温石墨化过程为将无氧碳化的碳基原丝织物在2000℃～3000℃下进行无氧高温石墨化，时长为5～20s。
10.根据权利要求1所述的碳基复合材料在汽车电池包方面的应用。
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