CN110641111A - 一种高效隔热的碳纤维复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维复合材料，包括相变储能层和位于相变储能层两侧的表面层，且相变储能层中含有碳纤维和相变储能材料，相变储能材料的熔融焓大于100J/g。本发明利用相变储能材料的相变储能能力，通过合理的层和配方设计制备成碳纤维复合材料。具有优异的耐高温性能和隔热性能，可以在260℃以上长期使用。所得的复合材料不仅质轻，还大大降低了隔热材料的使用成本。

Description

一种高效隔热的碳纤维复合材料
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳纤维复合材料。
背景技术
隔热材料是能阻滞热流传递的材料，又称热绝缘材料。隔热材料包括多孔材料、真空材料和热反射材料等多种。多孔材料利用材料本身所含的孔隙隔热，其原理是空隙内的空气或惰性气体的导热系数很低；真空绝热材料是利用材料的内部真空达到阻隔对流来隔热。但这两类材料由于基体中有大量的空隙，导致力学强度不足，不适用于需要高强度的领域。热反射材料具有很高的反射系数，能将热量反射出去，如金、银、镍、铝箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等，此类材料通过选择合适的基体材料，可以适用于需要高强度的领域，但是金属类物质易于氧化，反射能力会由于氧化而减弱，所以此类材料不利于长时间使用。
碳纤维是一种耐高温且力学性能优异的新材料，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是制备高温隔热复合材料的优选材料。CN201711094987.8提供了一种由硅粉、椰壳、苯酚、聚乙烯醇等原料制成的具有多孔结构的改性碳纤维隔热复合材料。CN 201811580692.6提供了一种用于油动无人机的发动机隔热结构，包括分别设置于所述发动机的前后方的第一隔热板和第二隔热板，所述第一隔热板和第二隔热板均由多孔的碳纤维支撑板和夹层贴合在所述碳纤维支撑板上的隔热棉构成。以上方法由于在体系中引入了碳纤维，所以相对于其它多孔性的隔热材料，力学强度有所提高，但是在对隔热性和强度要求高的，诸如在发动机、火箭、飞机、锅炉等应用领域，以上材料的综合性能仍然不足。
综上所述，现有技术中，不存在一种具有优异隔热性能和力学性能的碳纤维复合材料。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种碳纤维复合材料，包括相变储能层和位于相变储能层两侧的表面层，且所述的相变储能层中含有碳纤维和熔融焓大于100J/g的相变储能材料。
所述的相变储能层是本发明的碳纤维复合材料中起隔热效果的关键，同时也起到提高耐热性、承担部分力学强度的作用。
所述的碳纤维是由聚丙烯腈、沥青、酚醛、黏胶等原料经过纺丝、氧化、碳化和上浆制成的纤维状材料。碳纤维可以是碳纤维丝、短切碳纤维、碳纸等其中的一种或多种。在相变储能层中，碳纤维作为增强材料。考虑到后期成型加工的便利性，优选所述的碳纤维是碳纸。碳纸使用干法制造，将碳纤维均匀分散在浆中，加入适量的不饱和树脂作为粘接剂。其中碳纤维分布均匀，成纸强度性能较好。
所述的相变储能材料是具有高的熔融焓的材料，能够将外界热量转变为相变热储存起来，从而达到隔热的效果。固-液相变、液-气相变都可以储存热量，考虑到实用性，本发明所述的相变储能材料利用固-液相变时的熔融焓进行热量储存。
熔融焓的大小影响相变储能材料的储能效果。熔融焓越大，相变储能材料的储能效果越佳。本发明中，所述的相变储能材料具有大于100J/g的熔融焓，优选大于150J/g。
本发明所述的碳纤维复合材料的相变储能层中还含有基体树脂，所述的基体树脂的熔点高于260℃。
所述的基体树脂起到粘结碳纤维、储存相变储能材料、提供力学性能和耐热性的作用。熔点较高的聚合物可以有效的提高耐热性，扩大碳纤维复合材料的应用领域。基体树脂可以是聚醚醚酮、聚苯硫醚、液晶聚合物、环氧树脂固化物、双马树脂固化物、聚酰亚胺、芳香族聚酰胺等中的一种或多种。考虑到制备工艺的便捷性和有效性，优选所述的基体树脂是聚醚醚酮、聚苯硫醚中的一种或两种。
聚醚醚酮是分子主链中含有如下结构单元的线型芳香族高分子化合物，是一种结晶性热塑性塑料，具有约143℃的玻璃化温度、约343℃的熔点，长期使用温度可达260℃。
聚苯硫醚(PPS)是分子主链中含有如下结构单元的特种工程塑料，熔点约280℃，有优异的理化性能，具有力学强度高、耐高温、高阻燃、耐化学药品性能强、抗辐射、硬度高、热稳定性好、电性能优良等特点。
Figure BDA0002210460780000022
为了更好的提高本发明的碳纤维复合材料的隔热效果，所述的相变储能层中，优选的，相变储能材料包含熔点在60～160℃的第一相变储能材料和熔点在161～260℃的第二相变储能材料。具有这两种储能材料具有以下效果：能够使得本发明的碳纤维复合材料在较低的温度下即具有隔热效果，或者在较高的温度下，能吸收大量的热量。
考虑到本发明的碳纤维复合材料需具有更高温度的应用领域，优选的，所述的相变储能层中，第一相变储能材料和第二相变储能材料的熔融焓比为1:2～1:4。发明人发现，如果第一相变储能材料的熔融焓过高，不利于高温下热量的吸收，隔热温度较低；如果第一相变储能材料的熔融焓过低，一方面会降低材料在较低温度下的隔热效果。另一方面，碳纤维复合材料经受高温时，由于在第一相变储能材料的相变温度区域不能有效的隔热，材料升温过快，不利于要求温度上升平缓的应用领域。优选地，所述的第一相变储能材料和第二相变储能材料的熔融焓比为1:2.5～1:3.5。
由于相变储能层的熔融焓的大小会直接影响复合材料的隔热效果，所以优选所述的相变储能层在30～260℃内的熔融焓之和为200J/g以上，进一步优选250J/g以上。所述的熔融焓为通过差示扫描量热仪(DSC)测量相变储能层得到的熔融焓之和。
本发明的碳纤维复合材料中，位于相变储能层两侧的表面层提供碳纤维复合材料以耐热性，并承担部分力学强度。
所述的表面层含有碳纤维和熔点高于260℃的基体树脂，基体树脂可以是聚醚醚酮、聚苯硫醚、液晶聚合物、环氧树脂固化物、双马树脂固化物、聚酰亚胺、芳香族聚酰胺等中的一种或多种。所述的碳纤维和基体树脂可以分别同相变储能层中的碳纤维和基体树脂相同或不同。考虑到使用相同的原料可以大幅降低成本，优选所述的表面层和所述相变储能层中使用相同的碳纤维和基体树脂。
优选的，所述的相变储能层和任一侧表面层的厚度比为1:1～1:0.1。表面层过厚，会提高碳纤维复合材料的重量和价格；表面层过薄，不利于碳纤维复合材料的耐热性，力学强度也可能会过低。
本发明还提供上述碳纤维复合材料制成的制品。
本发明还提供上述制品在交通运输车辆、发电设备、运动器、医疗器械上的应用。
本发明的效果和用途：
本发明利用相变储能材料的相变储能能力，通过合理的层和配方设计制备成碳纤维复合材料。具有优异的耐高温性能和隔热性能，可以在260℃以上长期使用。所得的复合材料不仅质轻，还大大降低了隔热材料的使用成本。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述实施例范围之中。
本发明实施例及对比例所涉及的参数及其测定方法如下：
面克重：裁取10cm×10cm的样品，称量重量。面克重＝重量/面积。
熔点和熔融焓：使用DSC测定，氮气气氛，将样品以10℃/min从25℃升温至400℃，测定升温过程中的各熔融峰的峰值作为样品的各个熔点，30～260℃的各个熔融峰的面积之和作为样品的熔融焓。
耐热温度：将样品在空气中进行马丁耐热试验。升温速度为50℃/h，标准试样受弯曲应力50kg/cm2时，试样条弯曲，指示器中读数下降6mm时所对应的温度为马丁耐热温度，即得到耐热温度。
隔热性：将样品制备成长、宽分别为10cm的试样。将一台模压机的下模板加热到260℃，将试样放置在下模板上。2小时后，测量试验上表面的温度。温度越低，则耐热性越好。
厚度：使用游标卡尺量取，精确到0.1mm。
实施例和对比例中使用的原料如下：
【碳纸】
A1：东丽株式会社产碳纸BO050，含有碳纤维和17wt％的粘结剂(不饱和聚酯树脂)，面克重50g/m2，厚度为0.75mm。
【聚醚醚酮(PEEK)】
中研高分子材料股份有限公司产PEEK330P，熔点344℃，熔融焓为58J/g。
【聚苯硫醚(PPS)】
日本东丽株式会社产L2120，熔点为278℃，熔融焓为40J/g。
【相变储能材料】
B1：丁四醇，购自Sigma-Aldrich公司，熔点118℃，熔融焓340J/g。
B2：季戊四醇，购自Sigma-Aldrich公司，熔点185℃，熔融焓210J/g。
B3：硝酸锂，购自Sigma-Aldrich公司，熔点250℃，熔融焓370J/g。
实施例1～11的制备方法如下：
【表面层】
按表1所示的配方，将基体树脂制备成厚度为1mm的片材。将2层所述制得的片材与1层碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成厚度为约2mm的表面层。
【相变储能层】
按表1所示的配方，将基体树脂与储能材料于300℃共混，制备共混片材，厚度为1mm。将N层所述制得的共混片材与N-1层碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成相变储能层，其中N≥2。
【复合材料】：
按表1所示的配方，按表面层/相变储能层/表面层的顺序积层后，于350℃、2MPa下热压成为碳纤维复合材料。
对比例的制备方法如下：
【表面层】
按表1所示的配方，将基体树脂制备成厚度为1mm的片材。将2层所述制得的片材与1层碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成厚度为约2mm的表面层。
【相变储能层】
按表1所示的配方，将基体树脂制成片材，厚度为1mm。将N层制得的基体树脂制成片材片材与N-1层碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成相变储能层，其中N≥2。
【复合材料】：
按表1所示的配方，按表面层/相变储能层表面层的顺序积层后，于350℃、2MPa下热压成为碳纤维复合材料。
对各实施例和对比例制备的样品进行各性能测试，结果列于表2。
表1实施例和对比例使用材料配方
Figure BDA0002210460780000051
Figure BDA0002210460780000061
表2性能测试结果
从表2所示数据可以看出，本发明的碳纤维复合材料具有优异隔热性能和力学性能，使其可以在更广泛的领域中得到应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料，其特征在于，包括相变储能层和位于相变储能层两侧的表面层，且所述的相变储能层中含有碳纤维和相变储能材料，所述相变储能材料的熔融焓大于100J/g。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述相变储能层中含有基体树脂，所述基体树脂的熔点高于260℃。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述基体树脂是聚醚醚酮、聚苯硫醚中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述相变储能材料包含熔点在60～160℃的第一相变储能材料和熔点在161～260℃的第二相变储能材料。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述相变储能层中，第一相变储能材料和第二相变储能材料的熔融焓比为1:2～1:4。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述相变储能层在30～260℃内，第一相变储能材料和第二相变储能材料的熔融焓之和为200J/g以上。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述表面层含有碳纤维和熔点高于260℃的基体树脂。
8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述的相变储能层和任一侧的表面层的厚度比为1:1～1:0.1。
9.根据权利要求1～8任一项所述的碳纤维复合材料制成的制品。
10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料制成的制品在交通运输车辆、发电设备、运动器械、医疗器械上的应用。
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