CN110712409A - 一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，具有多层结构，自上而下依次包含第一非多孔质层、第一多孔质层、相变储能层、第二多孔质层和第二非多孔质层。本发明制备的碳纤维复合材料，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，且工艺简单，可应用于交通运输车辆、发电设备、运动器械、医疗器械等领域。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，高温环境下的结构材料在军事、国防、冶金、化工等国民经济各个领域也受到了广泛的关注，且对这种材料的性能要求也越来越高。高温隔热材料应用十分广泛，常常用在发动机、火箭发动机、飞机、火箭尾部、锅炉等一些高温场所。传统的高温隔热材料多采用特种金属，虽然刚度和强度较大，但密度也较大，且部分成型工艺复杂，成本较高且耐热性较差。为了解决这一问题，轻质高效的高温隔热复合材料应运而生。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。
中国专利201711094987.8提供了一种碳纤维隔热的复合材料，由硅粉、椰壳、苯酚、聚乙烯醇等原料制成，虽然质轻且提供了较好的隔热性能，但其制备工艺复杂成本高，且碳纤维改性过程中仍然存在界面粘接性差的问题，从而影响复合材料的力学性能。
中国专利201820176723.0提供了一种新型碳纤维增强高温复合材料管，由内到外依次包括不锈钢内层、高温隔热复合材料层、轴向强度层和最外刚性层，金属材料的加入提高了材料的耐高温性和强度，但增加了制备工艺的难度，且隔热性能未能得到很好的改善。
综上所述，现有技术中，不存在一种具有优异耐高温性和隔热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，具有多层结构，依次包含第一非多孔质层、第一多孔质层、相变储能层、第二多孔质层和第二非多孔质层。
所述第一非多孔质层是不具有多孔结构的二维或三维材料。第一非多孔质层作为面向热源的一层，直接接触大量的热，非多孔质有利于热量的传导，减轻对材料的直接破坏。所述第一非多孔质层具有一定耐热性和机械强度，例如是纤维增强工程塑料、纤维增强热固性材料等，优选含有碳纤维和聚醚醚酮。
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。第一非多孔质层中的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。考虑到后期成型加工的便利性，优选所述碳纤维是碳纸。碳纸是使用干法制造，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。
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℃。
含有碳纤维和聚醚醚酮的第一非多孔质层，使得复合材料的耐热温度高达 260℃，且力学性能优良。
所述第二非多孔质层是不具有多孔结构的二维或三维材料，耐高温的同时可以增强整个复合材料机械强度，例如是纤维增强工程塑料、纤维增强热固性材料等。考虑到相对于第一多孔质层，第二非多孔质层处于相对低温侧，优选含有碳纤维和聚苯硫醚。第二非多孔质层中的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。虑到后期成型加工的便利性，优选来源于所述的碳纤维是碳纸。碳纸是使用湿法制造，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。
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，具有机械强度高、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。
含有碳纤维和聚苯硫醚的第二非多孔质层，提高复合材料的力学性能的同时，也提高了材料的耐高温性，同时相对第一非多孔质层具有成本优势。
本发明中，所述第一多孔质层和第二多孔质层是具有多孔结构的二维或三维材料，多孔结构可以有效的提高复合材料的隔热性能。多孔质层可以是多孔性的薄膜、纸张、布。考虑到耐高温和隔热性能，优选所述的多孔质层含有碳纤维、芳纶、聚苯硫醚、聚醚醚酮、环氧树脂固化物、酚醛树脂固化物中的一种或多种。优选的，所述的多孔质层由碳纸构成。
第一多孔质层和第二多孔质层的面克重会影响复合材料的隔热性能。热源优先接触第一多孔质层，第一多孔质层所接触的热量也多于第二多孔质层。若第一多孔质层的面克重低于第二多孔质层，不利于材料更好地阻隔热量，优选地，第一多孔质层的面克重高于第二多孔质层。
本发明中，在第一多孔质层和第二多孔质层的中间，设置有相变储能层。相变储能层中含有相变储能材料和基体树脂。所述的相变储能材料是具有高的熔融焓的材料，具有将外界热量转变为相变热储存起来，从而达到隔热的效果。基体树脂是用于储存相变储能材料，提供力学性能，优选聚醚醚酮、聚苯硫醚等耐高温树脂。
所述相变储能层具有至少一个熔点在60℃～160℃或161℃～260℃。当熔点在 60℃～160℃时，该熔点的设置是为了提高相变储能层对温度的敏感性，在较低的温度下可以立即响应，提高复合材料在较低低温下的隔热性能。
当熔点在161℃～260℃时，该熔点的设置是为了提高相变储能层应对高温的能力，在较高的温度下，能吸收大量的热量，从而达到更好地隔热效果。
相变储能层也可同时具备熔点1(60℃～160℃)和熔点2(161℃～260℃)。
熔融焓的大小影响材料的隔热效果。发明人发现，如果熔点1(60℃～160℃) 的熔融焓过高，不利于高温下热量的吸收，阻热的温度较低；如果熔点1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，所以材料升温过快，不利于要求温度上升平缓的应用领域。优选地，所述的熔点1和熔点2(161℃～260℃)的熔融焓比为1:1～1:3。
相变储能材料总的熔融焓的大小会直接影响复合材料的隔热效果。熔点1 和熔点2的熔融焓之和较小，会降低相变储能材料储存相变热的量，导致复合材料隔热性能的降低。优选地，所述的熔点1和熔点2的熔融焓之和为100J/g以上，进一步有限为125J/g以上。
本发明中，对所述第一非多孔质层、第一多孔质层、相变储能层、第二多孔质层和第二非多孔质层的厚度没有限定，可以根据实际用途和性能要求选择合适的厚度。一般，各层厚度越厚，则所述碳纤维复合材料的耐高温性能和隔热性能越好。
本发明还提供上述的碳纤维复合材料制备的成型品。
本发明还提供上述的碳纤维复合材料制备的成型品在交通运输车辆、发电设备、运动器械、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：使用差示扫描量热仪测定，氮气气氛，将样品以10℃/min从25℃升温至400℃，保持10min后，以10℃/min降温至25℃，保持10min后，再以10℃ /min升温至400℃，测定第二次升温过程中的熔融峰值作为样品的熔点。
熔融焓：测试方法同熔点，测试第二次升温过程中熔融峰的面积作为样品的熔融焓。
弯曲强度：参照GB/T3356-2014测定，加载速度为1mm/min。
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，且试样的第一非多孔质向下。10min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。
A2：东丽株式会社产碳纸BO030，含有碳纤维和17wt％的粘结剂(不饱和聚酯树脂)，面克重30g/m2，厚度为0.42mm。
【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。
【聚醚醚酮】
英国威格斯公司产PEEK90G，熔点343℃。
【聚苯硫醚】
日本东丽株式会社产L2120，熔点为278℃。
实施例1～7的制备方法如下：
【第一非多孔质层】
将聚醚醚酮制备成厚度为1mm的聚醚醚酮片材。将4层上述的聚醚醚酮片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【第二非多孔质层】
将聚苯硫醚制备成厚度为1mm的聚苯硫醚片材。将4层上述的聚苯硫醚片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于330℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【相变储能层】
以聚苯硫醚为基体树脂，按表1所述配方，与储能材料于300℃共混，制备共混片材，厚度为5mm。
【第一多孔质层和第二多孔质层】
使用表1所述的碳纸。
【碳纤维复合材料】
按表1所述的积层结构，将各层依次积层后，于350℃、2MPa下热压成为碳纤维复合材料。
实施例8的制备方法如下：
【第一非多孔质层】
将聚醚醚酮制备成厚度为1mm的聚醚醚酮片材。将4层上述的聚醚醚酮片材于400℃真空状态下热压形成厚度为约4mm的非多孔质层。
【第二非多孔质层】
将聚苯硫醚制备成厚度为1mm的聚苯硫醚片材。将4层上述的聚苯硫醚片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于330℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【相变储能层】
以聚苯硫醚为基体树脂，按表1所述配方，与储能材料于300℃共混，制备共混片材，厚度为5mm。
【第一多孔质层和第二多孔质层】
使用表1所述的碳纸。
碳纤维复合材料的制备方法：
按表1所述的积层结构，将各层依次积层后，于350℃、2MPa下热压成为碳纤维复合材料。
实施例9的制备方法如下：
【第一非多孔质层】
将聚醚醚酮制备成厚度为1mm的聚醚醚酮片材。将4层上述的聚醚醚酮片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【第二非多孔质层】
将聚苯硫醚制备成厚度为1mm的聚苯硫醚片材。将4层上述的聚苯硫醚片材于330℃真空状态下热压形成厚度为约4mm的非多孔质层。
【相变储能层】
以聚苯硫醚为基体树脂，按表1所述配方，与储能材料于300℃共混，制备共混片材，厚度为5mm。
【第一多孔质层和第二多孔质层】
使用表1所述的碳纸。
【碳纤维复合材料】
按表1所述的积层结构，将各层依次积层后，于350℃、2MPa下热压成为碳纤维复合材料。
实施例10～13的制备方法如下：
【第一非多孔质层】
将聚醚醚酮制备成厚度为1mm的聚醚醚酮片材。将4层上述的聚醚醚酮片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【第二非多孔质层】
将聚苯硫醚制备成厚度为1mm的聚苯硫醚片材。将4层上述的聚苯硫醚片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于330℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【相变储能层】
以聚苯硫醚为基体树脂，按表1所述配方，与储能材料于300℃共混，制备共混片材，厚度为5mm。
【第一多孔质层和第二多孔质层】
使用表1所述的碳纸。
【碳纤维复合材料】
按表1所述的积层结构，将各层依次积层后，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：
【第一非多孔质层】
将聚醚醚酮制备成厚度为1mm的聚醚醚酮片材。将4层上述的聚醚醚酮片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于400℃真空状态下热压形成厚度为约 4mm的非多孔质层。
【第二非多孔质层】
将聚苯硫醚制备成厚度为1mm的聚苯硫醚片材。将4层上述的聚苯硫醚片材与3层按表1所述的碳纸间隔积层后，于330℃真空状态下热压形成厚度为约4mm的非多孔质层。
【第一多孔质层和第二多孔质层】
使用表1所述的碳纸。
【复合材料】
按表1所述的积层结构，将各层依次积层后，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积层结构
表2性能测试
从表2所示数据可以看出，本发明所制得的碳纤维复合材料具有优异的耐高温和隔热性能，且所得的复合材料质轻，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)
1.一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述复合材料具有多层结构，自上而下依次包含第一非多孔质层、第一多孔质层、相变储能层、第二多孔质层和第二非多孔质层。
2.根据权利要求1所述的一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述第一非多孔质层含有碳纤维和聚醚醚酮，所述第二非多孔质层含有碳纤维和聚苯硫醚。
3.根据权利要求1所述的一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述的第一多孔质层和第二多孔质层均是碳纸，且所述第一多孔质层的面料克重高于所述第二多孔质层。
4.根据权利要求1所述的一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述相变储能层具有至少一个熔点。
5.根据权利要求4所述的一种轻质耐高热隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述熔点为一个时，温度范围在60～160℃或161～260℃。
6.根据权利要求4所述的一种轻质耐高热隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述熔点为两个时，熔点1温度范围在60～160℃，熔点2温度范围在161～260℃。
7.根据权利要求6所述的一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述熔点1和所述熔点2的熔融焓比为1:1～1:3。
8.根据权利要求7所述的一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料，其特征在于，所述熔点1和所述熔点2的熔融焓之和为100J/g以上。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的一种轻质耐高温隔热的碳纤维复合材料制成的制品。
10.根据权利要求9所述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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