CN113214647A - 一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料及其制备方法。本发明液晶改性的柔性耐烧蚀材料由如下重量份的原料制备而成：柔性材料100份；液晶材料1‑200份；固化剂0.5‑50份；催化剂0‑20份；耐烧蚀填料0‑200份；增强填料0‑200份。本发明还提供上述材料的制备方法及其用途。本发明的液晶改性的柔性耐烧蚀材料烧蚀后形成的炭层具有良好的力学强度，有利于烧蚀过程对内部基体材料的保护，具有非常优良的耐烧蚀特性。该液晶改性的柔性耐烧蚀材料可应用于高速飞行器的热防护结构的设计与制备，应用前景优良。

Description

一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料及其制备方法。
背景技术
由于飞行器等航天航空设备所在的环境极其恶劣，对耐热层的耐烧蚀、耐热流冲刷及机械力学性能等具有非常高的要求。耐热层耐烧蚀的作用机理是耐烧蚀材料受热后，由于其本身具有较低的导热系数，从而使得热量难以传导进入材料内部。在高温热流的冲击下，填料和/或聚合物会在材料表面形成碳层，可以阻碍热侵入内部结构，对内部结构起到了热防护的作用。
柔性材料包括橡胶类材料，例如三元乙丙橡胶、硅橡胶或改性硅橡胶等。其中，硅橡胶是以Si-O无机结构为主链，Si原子上连接甲基、乙基、苯基等有机基团的一种半无机高聚物。由于结构及组成的特殊性，硅橡胶集无机物与有机物的特性及功能于一身，具有许多其他材料所不能同时具备的优异性能，如卓越的耐高低温性，优异的耐油、耐溶剂、耐紫外、耐辐射性能，良好的耐老化性，优良的电绝缘性和化学稳定性以及生理惰性等。这些性质使得硅橡胶非常适用于制备耐烧蚀材料。然而，由于硅橡胶缺少强极性基团，分子间作用力低，内聚强度低，在外力作用下容易发生变形破坏，导致其拉伸强度低，断裂伸长率低，粘接性能不佳，极大地限制了其应用。
液晶材料具有较高的分子量和有序的有机结构，这使得液晶材料具有很多优异的性能，比如，强度和模量高，热膨胀系数小，耐热性好等。因此可以尝试用液晶材料对硅橡胶进行改性，以提高其耐高温性能。但是,由于液晶材料难溶于绝大多数溶剂，难以加工成型。例如中国发明专利申请：“CN201711137663.8一种应用液晶高分子微纤化增强硅橡胶的方法”公开了将液晶高分子与硅橡胶复合，制成了一种拉伸强度和断裂伸长率均较高的复合材料。但是，由于硅橡胶本身粘接性能不佳，硅橡胶在作为基底或改性剂与其他成分构成复合材料时不容易充分地结合，因此液晶材料与硅橡胶的结合较差。这种情况下形成的复合材料的耐烧蚀性能不佳。因而上述专利申请中公开的液晶高分子与硅橡胶的复合材料并不适合作为耐烧蚀材料进行应用。
因此，针对液晶与硅橡胶的复合材料，急需进一步研究和探索，研发优良的耐烧蚀材料，克服现有材料的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料及其制备方法。
本发明是基于通过增强组分的结合能力，来提升烧蚀后得到的炭层的力学性能，进而达到提供复合材料耐烧蚀性能的目的。本发明通过液晶改性柔性耐烧蚀材料，从而改善了柔性耐烧蚀材料烧蚀力学性能。
本发明包括一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
液晶材料1-200份；
固化剂0.5-50份；
催化剂0-20份；
耐烧蚀填料0-200份；
增强填料0-200份。
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
液晶材料5-20份；
固化剂6-26.71份；
催化剂0.5-1.5份；
耐烧蚀填料0-5份；
增强填料0-6份。
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
联苯型液晶15-20份；
固化剂22.73-26.71份；
催化剂0.5-1.5份；
耐烧蚀填料0-5份；
增强填料0-6份；
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
联苯型液晶15份；
固化剂22.73份；
催化剂0.8份；
耐烧蚀填料5份；
增强填料6份。
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
LCP液晶5-10份；
固化剂6份；
催化剂0.8份；
耐烧蚀填料0-5份；
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
LCP液晶10份；
固化剂6份；
催化剂0.8份；
耐烧蚀填料5份。
优选的，所述液晶材料为具有耐热和烧蚀成碳能力的液晶结构聚合物，所述液晶结构聚合物为联苯型液晶、聚酯型液晶或沥青基中间相液晶中的至少一种，所述联苯型液晶数均分子量优选为500-800，所述聚酯型液晶优选为分子内具有萘环的聚酯型液晶；和/或，所述固化剂为含氧硅烷，优选为KH550；和/或，所述催化剂为有机锡催化剂，优选为DBTDL；和/或，所述耐烧蚀填料为无机纳米填料，优选为SiO2；和/或，所述增强填料为纤维填料，优选为碳纤维。
优选的，所述柔性材料选自橡胶，优选的所述橡胶为三元乙丙橡胶、硅橡胶或改性硅橡胶；进一步优选的所述硅橡胶选自羟基封端的液体硅橡胶、乙烯基硅橡胶、高温硫化硅橡胶(甲基乙烯基硅橡胶)或苯基硅橡胶中的至少一种，所述改性硅橡胶为环氧改性硅橡胶。
优选的，所述环氧改性硅橡胶通过将环氧树脂与有机硅中间体预聚后，再与硅橡胶基胶混合制成；
优选的，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，进一步优选为E44型环氧树脂或E51型环氧树脂，和/或，所述有机硅中间体为DC3074，和/或，所述硅橡胶基胶为107胶。
上述液晶改性的柔性耐烧蚀材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将液体硅橡胶与液晶材料混合，加热使液晶材料熔融分散在混合体系中；
(2)向混合体系中加入固化剂和催化剂，搅拌均匀后，冷压固化，即得。
优选的，所述液晶材料为联苯型液晶，所述步骤(1)在100-120℃下搅拌进行，搅拌的时间为1-2h；或，所述液晶材料为LCP液晶，所述步骤(1)中将LCP液晶研磨并过50-100目筛后在常温下与液体硅橡胶混合搅拌；
和/或，在步骤(1)和步骤(2)之间，还向混合体系中加入耐烧蚀填料并研磨混炼，优选的，研磨混炼的过程为在三辊研磨机中混炼1-2次；
和/或，所述步骤(2)中，加入固化剂和催化剂的同时还加入碳纤维；
和/或，所述步骤(2)中，冷压固化的条件为在冷压机中以10MPa的压力室温固化12-24h。
本发明还提供上述液晶改性的柔性耐烧蚀材料在制备用于高速飞行器的热防护结构、耐烧蚀层中的用途。通过实验发现，通过液晶材料对柔性材料进行改性，有效提高了柔性耐烧蚀材料的耐烧蚀性能。此外，通过优选固化剂的加入量，能够增强液晶材料与硅橡胶材料的结合，从而解决液晶材料与硅橡胶形成复合材料时固化不完全的问题，进一步提高了柔性耐烧蚀材料的耐烧蚀性能及其烧蚀后形成的炭层的导热性和力学性能。本发明提供的材料，可应用于制备高速飞行器的热防护结构和表面耐烧蚀层，应用前景优良。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例1中调整固化剂用量前(左)和调整固化剂用量后(右)液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的线烧蚀率与质量烧蚀率；
图2为实施例1中调整固化剂用量前(左)和调整固化剂用量后(右)液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料烧蚀后形成炭层的压缩强度；
图3为实施例2中液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的TGA与DTG表征结果；
图4为实施例2中液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的线烧蚀率与质量烧蚀率；
图5为实施例2中液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料烧蚀后形成炭层的宏观形貌。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
以下实施例中所用的液体硅橡胶为环氧改性硅橡胶，通过如下方法合成：将环氧树脂E44(950g)与中间体DC3074(145.635g)在130℃反应7h(加入催化剂TPT 475μL)得到预聚物，将预聚物与107胶以3:1的质量比在105℃下搅拌4-5h，即得。
实施例1：联苯型液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料
向每100份液体硅橡胶基体中，按表1中配方，先加入联苯型液晶(联苯型环氧树脂NC3000，分子量500-800)，在110℃下搅拌2h，待联苯型液晶固体熔化并均匀分散在复合体系中后，再加入耐烧蚀填料SiO2，在三辊研磨机中混炼2次。最后加入3mm短切碳纤维和硫化剂(硫化剂包括固化剂KH550和催化剂DBTDL)，在常温常压的条件下将其机械搅拌均匀，在冷压机中以10MPa的压力固化24h。固化完全后，将试样从模具中取出，裁成样条，即得硅橡胶基耐烧蚀材料。
表1实施例1各样品中各组分添加的重量份
Figure BDA0003102045060000051
Figure BDA0003102045060000061
对各组硅橡胶基耐烧蚀材料的性能进行测试，结果如图1-3所示。左图为低固化剂(KH550)用量下制成的硅橡胶基耐烧蚀材料的性能数据，图中的联苯型液晶用量为0Phr、5Phr、10Phr、15Phr和20Phr的数据分别对应表1中的样品1和样品6-9；右图为高固化剂用量下制成的硅橡胶基耐烧蚀材料的性能数据，图中的联苯型液晶用量为0Phr、5Phr、10Phr、15Phr和20Phr的数据分别对应表1中的样品1-5。
图1为本实施例液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的线烧蚀率与质量烧蚀率。测试条件为：经过4MW/m2热流烧蚀30s。对比发现，采用较高固化剂用量后制成的耐烧蚀材料的线烧蚀率与质量烧蚀率相比于低固化剂用量有显著的降低。
图2为液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料经过4MW/m2热流烧蚀30s后形成的炭层的压缩强度。可以看到，在较高的固化剂用量下，联苯型液晶含量较高(15-20Phr联苯型液晶)的耐烧蚀材料烧蚀成炭的压缩强度显著提高。
实施例2：LCP液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料
在搅拌机中研磨LCP液晶粒料，过100目(335μm)的筛子筛出粉末，向每100份液体硅橡胶基体中按表2中配方，加入LCP液晶(日本上野/2030G)粉末与耐烧蚀填料SiO2，在三辊研磨机中混炼2次。最后加入硫化体系(硫化剂包括固化剂KH550和催化剂DBTDL)，在常温常压的条件下将其机械搅拌均匀，在冷压机中以10MPa的压力固化24h。固化完全后，将试样从模具中取出，裁成样条，即得硅橡胶基耐烧蚀材料。
表2实施例2各样品中各组分添加的重量份
Figure BDA0003102045060000062
图3为本实施例的液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的TGA与DTG表征结果。作为对比，图中还给出了纯液体硅橡胶(即不含耐烧蚀填料与LCP液晶的硅橡胶基耐烧蚀材料)与纯LCP液晶的TGA与DTG表征结果。从TGA表征结果可以看到，700℃下，各样品的残重率分别为：纯环氧改性硅橡胶7.01％，1号样品(LCP用量0phr)9.88％，2号样品(LCP用量5phr)10.82％，3号样品(LCP用量10phr)11.44％，纯LCP液晶45.36％。可见，通过LCP液晶的改性，能够提高硅橡胶基耐烧蚀材料的残重率。从DTG表征结果可以看到，通过LCP液晶的改性，能够提高硅橡胶基耐烧蚀材料的最大失重速率温度。由此可以得知，通过LCP液晶的改性，能够提高硅橡胶基耐烧蚀材料的耐烧蚀性能。
图4为本实施例的液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的线烧蚀率与质量烧蚀率，测试条件为：经过2MW/m2热流烧蚀30s。从图中可以看出，随着LCP用量的提高，液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料的线烧蚀率与质量烧蚀率均下降。这说明LCP液晶的改性能够提高硅橡胶基耐烧蚀材料的耐烧蚀性能。
图5为本实施例的液晶改性的硅橡胶基耐烧蚀材料经过2MW/m2热流烧蚀30s后形成的炭层的宏观形貌，可以看到，相比于未添加液晶材料改性的1号样品，LCP用量5phr进行改性的2号样品和LCP用量10phr的3号样品形成的炭层的厚度增加，且LCP用量较高的3号样品的炭层的厚度高于LCP用量较低的2号样品。这说明LCP液晶对硅橡胶进行改性，有利于提高硅橡胶基耐烧蚀材料的残碳量。
从实施例1-2的结果可以看到，通过液晶对硅橡胶进行改性，能够有效提高柔性耐烧蚀材料的耐烧蚀性能。通过本发明选择的固化剂用量，能够解决液晶与硅橡胶复合材料固化不完全的问题，从而使得提供的液晶改性的柔性耐烧蚀材料进一步具有更低的线烧蚀率与质量烧蚀率，且烧蚀后形成的炭层力学强度均有所提高。由于上述性能的优化，本发明所提供的液晶改性的柔性耐烧蚀材料具有良好的应用前景。

Claims (10)

1.一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
液晶材料1-200份；
固化剂0.5-50份；
催化剂0-20份；
耐烧蚀填料0-200份；
增强填料0-200份。
2.按照权利要求1所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
液晶材料5-20份；
固化剂6-26.71份；
催化剂0.5-1.5份；
耐烧蚀填料0-5份；
增强填料0-6份。
3.按照权利要求2所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
联苯型液晶15-20份；
固化剂22.73-26.71份；
催化剂0.5-1.5份；
耐烧蚀填料0-5份；
增强填料0-6份；
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
联苯型液晶15份；
固化剂22.73份；
催化剂0.8份；
耐烧蚀填料5份；
增强填料6份。
4.按照权利要求2所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
LCP液晶5-10份；
固化剂6份；
催化剂0.8份；
耐烧蚀填料0-5份；
优选的，由如下重量份的原料制备而成：
柔性材料100份；
LCP液晶10份；
固化剂6份；
催化剂0.8份；
耐烧蚀填料5份。
5.按照权利要求1-4任一项所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于：所述液晶材料为具有耐热和烧蚀成碳能力的液晶结构聚合物，所述液晶结构聚合物为联苯型液晶、聚酯型液晶或沥青基中间相液晶中的至少一种，所述联苯型液晶数均分子量优选为500-800，所述聚酯型液晶优选为分子内具有萘环的聚酯型液晶；和/或，所述固化剂为含氧硅烷，优选为KH550；和/或，所述催化剂为有机锡催化剂，优选为DBTDL；和/或，所述耐烧蚀填料为无机纳米填料，优选为SiO2；和/或，所述增强填料为纤维填料，优选为碳纤维。
6.按照权利要求1-4任一项所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于：所述柔性材料选自橡胶，优选的所述橡胶为三元乙丙橡胶、硅橡胶或改性硅橡胶；进一步优选的所述硅橡胶选自羟基封端的液体硅橡胶、乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶或苯基硅橡胶中的至少一种，所述改性硅橡胶为环氧改性硅橡胶。
7.按照权利要求6任一项所述的一种液晶改性的柔性耐烧蚀材料，其特征在于：所述环氧改性硅橡胶通过将环氧树脂与有机硅中间体预聚后，再与硅橡胶基胶混合制成；
优选的，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂。
8.如权利要求1-7任一项所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将液体硅橡胶与液晶材料混合，加热使液晶材料熔融分散在混合体系中；
(2)向混合体系中加入固化剂和催化剂，搅拌均匀后，冷压固化，即得。
9.按照权利要求8所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料的制备方法，其特征在于：所述液晶材料为联苯型液晶，所述步骤(1)在100-120℃下搅拌进行，搅拌的时间为1-2h；或，所述液晶材料为LCP液晶，所述步骤(1)中将LCP液晶研磨并过50-100目筛后在常温下与液体硅橡胶混合搅拌；
和/或，在步骤(1)和步骤(2)之间，还向混合体系中加入耐烧蚀填料并研磨混炼，优选的，研磨混炼的过程为在三辊研磨机中混炼1-2次；
和/或，所述步骤(2)中，加入固化剂和催化剂的同时还加入碳纤维；
和/或，所述步骤(2)中，冷压固化的条件为在冷压机中以10MPa的压力室温固化12-24h。
10.如权利要求1-7任一项所述的液晶改性的柔性耐烧蚀材料在制备用于高速飞行器的热防护结构、耐烧蚀层中的用途。
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