CN112447322A - 一种多层抗辐射热热防护材料及其制备方法 - Google Patents

一种多层抗辐射热热防护材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型多层抗辐射热的热防护材料及其制备方法，属于高温热防护材料领域。编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以此衡量热防护材料的防热性能。

Description

一种多层抗辐射热热防护材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型多层抗辐射热的热防护材料及其制备方法，属于高温热防护材料领域。
背景技术
热辐射——物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。航空航天、金属冶金、机械铸造等多领域经常出现局部高温环境，局部高温会对周围环境产生快速的辐射加热作用，这就是热辐射，例如，电焊过程中局部高温对周围产生明显的辐射加热；例如，火箭发动机点火工作过程中，火箭发动机对周围仪器和设备产生明显的辐射加热作用。这些局部高温对周围加热作用对电缆的加热作用最为明显，这主要是因为电缆本身很细长，自身热容较小，在高辐射热的作用下很快就超过了自身许可的温度范围，最为重要的是，这些局部加热通常都是短时间作用。传统的电缆热防护材料主要是被动耐受所有的辐射热量，通常都是采用玻璃纤维管涂覆硅橡胶，这导致传统的电缆热防护材料很笨重，而且防热效果也不好。
在当前工作中，采用结构防隔热一体化功能设计，即，针对辐射热对电缆的作用机制：电缆防隔热材料最外层为高反射率层——将更多的热量辐射出去；随后是高热容层——吸收相同热量的情况下温度升高幅度小；接着是低热导层——同样的被加热时间向内传导热量少。最外层选用反射率明显高于玻璃纤维反射率的石英纤维，随后是涂覆有相变蜡的高热容玻璃纤维层，最内层是低热导率普通玻璃纤维层。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种多层抗辐射热热防护材料及其制备方法，提高现有玻璃纤维涂覆硅橡胶的电缆热防护材料的防热性能。
本发明的技术解决方案是：
一种多层抗辐射热热防护材料，该热防护材料包括内层玻璃纤维管、中层玻璃纤维管和外层石英纤维管，中层玻璃纤维管的外表面涂覆有一层相变蜡，石英纤维管的表面采用真空镀膜法涂覆一层纳米级的金属铬层；内层玻璃纤维管通过编织的方式编织在电缆网的外表面，中层玻璃纤维管通过编织的方式编织在内层玻璃纤维管的外表面，外层石英纤维管通过编织的方式编织在中层玻璃纤维管的外表面。
一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，该方法的步骤包括：
首先，在电缆外表面编织玻璃纤维管作为最内层，玻璃纤维管的热导率大约是1.4kW/℃；
然后，再在玻璃纤维内层管上编织玻璃纤维管，随后再在这层玻璃纤维管外表面涂覆相变蜡，使得这层的热容从约0.67J/g·℃显著提高到1.7J/g·℃以上，因为，相变蜡的通过自身相变吸收大量的热量；
最后在相变蜡外表面编织石英纤维管，石英纤维的反射率明显比玻璃纤维反射率高，更多的辐射热量被反射出去，此外，为了进一步提高石英纤维的反射率，事先在石英纤维表面采用真空镀膜法涂覆一层纳米级的金属铬层，这种方法既不影响石英纤维的直径和柔韧性，更不影响石英纤维的力学性能，却显著提高了石英纤维的反射率，这主要是因为光洁的金属铬层能发射更多辐射热量。
本发明的主要内容是发明一种新型多层柔性热防护材料及其制备方法，本发明为其他防热材料的开发、特别是防辐射热防护材料的开发提供了一种新的思路，本发明采用下述技术流程：
第一步：以玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管；
第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织一定厚度的玻璃纤维层，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一定厚度的相变蜡；
第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层；
第四步：在相变蜡外表面编织一定厚度的镀铬石英纤维层；
第五步：对比测试这种多层结构的纤维管的防热性能。
本发明的具体工艺步骤为：
第一步：以玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.30～0.50mm；
第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织玻璃纤维层，壁厚为0.20～0.40mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.20mm～0.60mm；
第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为30nm～80nm；
第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.30～0.50mm；
第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以此衡量热防护材料的防热性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，本发明的应用不局限于所举的实施例。
实施例
一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，该方法的步骤包括：
第一步：以玻璃纤维编织壁厚为0.50mm的内层玻璃纤维管；
第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织壁厚为0.40mm的玻璃纤维层，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.60mm；
第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为30nm；
第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.50mm，得到多层纤维管；
第五步：测试这种多层纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为2.00mm的玻璃纤维管内壁温升为212℃，厚度为2.00mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为159℃，本发明中的多层纤维管内壁温升为11℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为69℃。
实施例1
第一步：以普通玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.50mm；第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织普通玻璃纤维层，壁厚为0.40mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.60mm；第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为30nm；第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.50mm；第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为2.00mm的玻璃纤维管内壁温升为212℃，厚度为2.00mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为159℃，本发明中的多层纤维管内壁温升为11℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为69℃。
实施例2
第一步：以普通玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.30mm；第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织普通玻璃纤维层，壁厚为0.20mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.20mmmm；第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为40nm；第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.30mm；第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为1.00mm的玻璃纤维管内壁温升为304℃，厚度为1.00mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为241℃，本发明中的多层纤维管内温升为29℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为88℃。
实施例3
第一步：以普通玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.35mm；第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织普通玻璃纤维层，壁厚为0.25mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.25mm；第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为50nm；第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.35mm；第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为1.20mm的玻璃纤维管内壁温升为289℃，厚度为1.20mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为220℃，本发明中的多层纤维管内温升为27℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为93℃。
实施例4
第一步：以普通玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.40mm；第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织普通玻璃纤维层，壁厚为0.30mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.30mm；第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为60nm；第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.40mm；第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为1.40mm的玻璃纤维管内壁温升为264℃，厚度为1.40mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为199℃，本发明中的多层纤维管内壁温升为23℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为89℃。
实施例5
第一步：以普通玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.45mm；第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织普通玻璃纤维层，壁厚为0.35mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.35mm；第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为70nm；第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.45mm；第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为1.60mm的玻璃纤维管内壁温升为251℃，厚度为1.40mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为176℃，本发明中的多层纤维管内壁温升为20℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为70℃。
实施例6
第一步：以普通玻璃纤维编织一定壁厚的内层玻璃纤维管，壁厚0.50mm；第二步：在这层玻璃纤维管外表面编织普通玻璃纤维层，壁厚为0.20mm，并在这层玻璃纤维管的外表面涂覆一层相变蜡，相变蜡厚度为0.40mm；第三步：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层纳米级金属铬层，通过调整真空镀膜机的参数获得不同的电镀层厚度，在本发明中金属铬层的厚度为80nm；第四步：在相变蜡外表面编织一层镀铬石英纤维层，壁厚0.50mm；第五步：测试这种多层结构的纤维管的防热性能，将热防护材料在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2)辐射时间为60s后管内壁温升作为衡量热防护材料防热性能的主要参数。
在本发明中为了验证本发明技术的优势：编织总厚度相同的玻璃纤维管、相同总厚度的传统玻璃纤维涂覆硅胶热防护管，没有镀铬层制备工艺一样的多层管，这三种产品也在某背景应用环境(辐射热强度为180kw/m2，辐射时间为60s)中进行对比测试，在这样热条件辐照后测量管内壁的温升，以温升高低来衡量热防护材料的防热性能优劣。测试结果表明：相同总厚度，即厚度为1.60mm的玻璃纤维管内壁温升为233℃，厚度为1.60mm传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁的温升为170℃，本发明中的多层纤维管内壁温升为17℃，而没有镀铬层制备工艺和厚度一样的多层管内壁温升为73℃。
总结：
在相同总厚度的情况下，玻璃纤维管内壁温升为212～304℃，而传统涂覆硅胶的玻璃纤维管内壁温升为159～241℃，而本发明的多层纤维管内壁温升为11～29℃。为了对比，相变蜡对防热性能的影响，所有工艺步骤相同，只是第二步的时候，不涂覆相变蜡，通过增加第二步玻璃纤维编织厚度抵消相变蜡的厚度，重复上述6个实施例测试结果表明这样的多层纤维管内壁的温升为163～201℃；为了对比，石英反射层对防热性能的影响，所有工艺步骤相同，只是第四步的时候，用普通玻璃纤维替代石英纤维，重复上述6个实施例测试结果表明这样的多层纤维管内壁的温升为129～158℃；为了对比，所有制备工艺和厚度相同，只是没有第三步，即没有镀金属铬层的多层纤维管内壁温升为69～93℃，此外，将镀铬层厚度范围降低到30nm以下，所有工艺步骤相同，重复上述6个实施例测试结果表明这样的多层纤维管内壁的温升为57～71℃，分析表明，主要是铬层太薄，石英纤维表面自身具有一定的粗糙度，这样厚的金属铬层无法在纤维表面形成连续层，即，无法形成完全有效的反射涂层。将镀铬层厚度范围提高到80nm以上，所有工艺步骤相同，重复上述6个实施例测试结果表明这样的多层纤维管内壁的温升为40～69℃，分析表明，主要是铬层太厚在石英纤维编织过程中导致铬层的脱落，金属铬层无法在纤维表面形成连续层，即，无法形成完全有效的反射涂层。
上述结果说明了本发明的多层纤维管温升很低，能更好的保护电缆不会因温度过高而对设备造成破坏作用；也说明了相变蜡和高反射石英层都能显著提高多层纤维管的防热性能，特别是两者协同作用，使得温升只有30℃以内，该方法简单易行，特别容易进行工业化生产。

Claims (8)

1.一种多层抗辐射热热防护材料，其特征在于：该热防护材料包括内层玻璃纤维管、中层玻璃纤维管和外层石英纤维管，中层玻璃纤维管的外表面涂覆有一层相变蜡，石英纤维管的表面采用真空镀膜法涂覆一层纳米级的金属铬层；内层玻璃纤维管通过编织的方式编织在电缆网的外表面，中层玻璃纤维管通过编织的方式编织在内层玻璃纤维管的外表面，外层石英纤维管通过编织的方式编织在中层玻璃纤维管的外表面。
2.一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步，在电缆网外表面编织玻璃纤维管，形成内层玻璃纤维管；
第二步，再在内层玻璃纤维管上编织玻璃纤维管，形成中层玻璃纤维管，随后再在中层玻璃纤维管外表面涂覆相变蜡；
第三步，在相变蜡外表面编织外层石英纤维管。
3.根据权利要求2所述的一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于：在编织外层石英纤维管之前，采用真空镀膜法在外层石英纤维管表面涂覆一层纳米级的金属铬层。
4.根据权利要求2所述的一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于：第一步中，以玻璃纤维编织内层玻璃纤维管，内层玻璃纤维管的壁厚为0.30～0.50mm。
5.根据权利要求2所述的一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于：第二步中，以玻璃纤维编织中层玻璃纤维管，中层玻璃纤维管的壁厚为0.20～0.40mm。
6.根据权利要求2所述的一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于：第二步中，相变蜡厚度为0.20mm～0.60mm。
7.根据权利要求3所述的一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于：采用真空镀膜法在外层石英纤维管表面涂覆一层纳米级的金属铬层的方法为：将石英纤维放在真空镀膜机中，靶材选择铬金属，通过真空镀膜法在石英纤维表面制作一层厚度为30nm～80nm纳米级金属铬层。
8.根据权利要求3所述的一种多层抗辐射热热防护材料的制备方法，其特征在于：第三步中，外传石英纤维管的壁厚为0.30～0.50mm。
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