CN115850791A - 一种轻质隔热吸音复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质隔热吸音复合材料及其制备方法。主要由轻质聚酯泡沫与气凝胶组成，气凝胶均匀的分布在轻质聚氨酯泡沫，轻质聚酯泡沫为片状的结构，厚度为3‑40mm，密度为10‑20kg/m³。本发明首次采用轻质聚酯泡沫代替毡材作为气凝胶的载体，制备得到气凝胶聚氨酯泡沫复合材料，结合泡沫良好的力学、吸音性能，体密度仅为10‑23kg/m³，可应于汽车内外饰需要保温、吸音的功能性饰件，尤其是在新能源汽车上更具有应用潜力，轻质聚氨酯泡沫与气凝胶均是多孔结构材料，两者结合更能吸收声能，起到更好的吸音、降噪效果，保温效果更佳，具有更低的导热系数，其导热系数在0.017‑0.030W/m·K之间，能够减少材料厚度来达到同样的保温、隔热效果。

Description

一种轻质隔热吸音复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于聚氨酯泡沫基汽车内外饰复合材料技术领域，具体地说，是一种轻质隔热吸音复合材料及其制备方法。

背景技术

气凝胶作为传统保温材料的重要替代产品，已广泛应用于航空航天、军工、石化、电力、建筑等众多领域。气凝胶具有最低的热导性，这是由于气凝胶是一种具有纳米结构的多孔轻质固体材料，拥有高通透性的圆筒形多分枝孔和纳米骨架组成纤细的三维空间纳米网络结构，但是气凝胶单独使用造价极高、没有支撑性，难以应用，故此在实际工程中推荐使用“气凝胶+传统保温材料”复合保温结构，可提高保温性能，减少保温层的厚度，且经济适用。目前市面上最为常见的气凝胶复合保温结构材料是气凝胶毡，即气凝胶的载体是各类毡材，如玻璃纤维毡、预氧丝纤维毡、石棉、玄武岩纤维毡等，能够达到理想的保温效果，但是这类气凝胶毡，目前存在相对重量较大、支撑性差、掉粉等问题。在汽车内外饰复合材料领域，尤其是新能源汽车，在发动机和电池仓内的材料要求隔热、降噪、可成型、轻质等特性，尤其材料轻量化是新能源汽车重要指标。现有的气凝胶毡因材质较软，难以成型，通常采用直接缠绕或者直接包覆的方式使用，容易反弹且安装不变；此外由于毡本身具有较重的质量，导致其在汽车内外饰领域应用的难以推广；而现有应用于汽车上的轻质保温材料，保温效果远不如气凝胶。

发明内容

针对上述存在的不足，本发明提供一种新型轻质隔热吸音复合材料及其制备方法。本发明以轻质聚氨酯泡沫代替毡材，作为气凝胶的载体，浸润于气凝胶浆料，加热定型，制备得到气凝胶聚氨酯泡沫复合材料。

发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种轻质隔热吸音复合材料，主要由轻质聚酯泡沫与气凝胶组成，气凝胶均匀的分布在轻质聚氨酯泡沫中。

作为进一步地改进，本发明所述的轻质聚酯泡沫为片状的结构，厚度为3-40mm，密度为10-20kg/m³。

作为进一步地改进，本发明所述的气凝胶是气凝胶浆料加热而成，气凝胶浆料由水80～160份、二氧化硅气凝胶粉40～80份、粘结剂5～10份、微球5～20份混合均匀组成。

作为进一步地改进，本发明所述的气凝胶浆料加热方式为微波烘箱加热，微波烘箱为隧道式烘箱，最大功率700KW，生产效率高，能够较快的去除水分，制得气凝胶。

作为进一步地改进，本发明所述的粘结剂是乙烯-醋酸乙烯共聚乳、醋酸乙烯-丙烯酸乳液、苯乙烯-丙烯酸乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚乳液、纯丙烯酸乳液、硅丙乳胶漆、水性聚氨酯涂料、水性氟碳涂料中的一种或多种组合。

作为进一步地改进，本发明所述的微球是可膨胀性微球，起发温度为160-190℃，可膨胀50-100倍。

本发明还公开了一种轻质隔热吸音复合材料的制备方法，具体步骤如下：

1)轻质聚氨酯泡沫通过压辊进行物理开孔处理，压缩量在80％-95％；压辊压力在1-10吨，压辊后透气率达到40cfm以上；

2)将水80～160份、二氧化硅气凝胶粉40～80份、粘结剂5～10份、微球5～20份配置二氧化硅气凝胶浆料，置于浸润槽；

3)将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶浆料，充分浸润；

4)取出带有气凝胶浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱加热，去除多余水分；

5)进入平板复合机，复合温度在200-230℃，在一定间隙下进行定型，得到轻质隔热吸音复合材料。

本发明首次采用轻质聚酯泡沫代替毡材作为气凝胶的载体，制备得到气凝胶聚氨酯泡沫复合材料，同时结合泡沫良好的力学、吸音性能，其有具体增益效果如下：

1、重量上远低于目前市面上的气凝胶毡，体密度仅为10-23kg/m³，可应于汽车内外饰需要保温、吸音的功能性饰件，尤其是在新能源汽车上更具有应用潜力。

2、轻质聚氨酯泡沫与气凝胶均是多孔结构材料，两者结合更能进一步吸收声能，起到更好的吸音、降噪效果。

3、材料结构中添加粘结剂与微球，且轻质聚酯泡沫本身的结构特点，使得制备得到的材料，具有较好的支撑性，适用于再加工、模压制备各类汽车饰件的造型，且具有一定的支撑强度。

4、与传统汽车保温材料相比，保温效果更佳，具有更低的导热系数，其导热系数在0.017-0.030W/m·K之间，能够减少材料厚度来达到同样的保温、隔热效果。

附图说明

图1：本发明复合材料的结构示意图；

1、轻质聚氨酯泡沫；2、气凝胶

具体实施方式

本发明公开了一种轻质隔热吸音复合材料，主要由轻质聚酯泡沫与气凝胶2组成，气凝胶2均匀的分布在轻质聚氨酯泡沫1中。

轻质聚酯泡沫为片状的结构，厚度为3-40mm，密度为10-20kg/m³；气凝胶2是气凝胶2浆料加热而成，气凝胶2浆料由水80～160份、二氧化硅气凝胶2粉40～80份、粘结剂5～10份、微球5～20份混合均匀组成；气凝胶2浆料加热方式为微波烘箱加热，微波烘箱为隧道式烘箱，最大功率700KW，粘结剂是乙烯-醋酸乙烯共聚乳、醋酸乙烯-丙烯酸乳液、苯乙烯-丙烯酸乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚乳液、纯丙烯酸乳液、硅丙乳胶漆、水性聚氨酯涂料、水性氟碳涂料中的一种或多种组合，微球是可膨胀性微球，起发温度为160-190℃，可膨胀50-100倍。

本发明还公开了一种轻质隔热吸音复合材料的制备方法，具体步骤如下：

1)轻质聚氨酯泡沫1通过压辊进行物理开孔处理，压缩量在80％-95％；压辊压力在1-10吨，压辊后透气率达到40cfm以上；

2)将水80～160份、二氧化硅气凝胶2粉40～80份、粘结剂5～10份、微球5～20份配置二氧化硅气凝胶2浆料，置于浸润槽；

3)将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶2浆料，充分浸润；

4)取出带有气凝胶2浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱加热，去除多余水分；

5)进入平板复合机，复合温度在200-230℃，在一定间隙下进行定型，得到轻质隔热吸音复合材料。

下面结合附图对本发明的实施例进行进一步详细说明：

实施例1

具体制备轻质隔热吸音复合材料方案如下：

①12密度10mm轻质聚酯泡沫通过7吨压辊，按90％压缩量进行物理开孔处理。

②气凝胶2浆料按二氧化硅气凝胶2粉90份、粘结剂6份、微球10份，水量为120份，配置二氧化硅气凝胶2浆料，置于浸润槽。粘结剂是醋酸乙烯-丙烯酸乳液，微球起发温度160℃。

③将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶2浆料，充分浸润。

④取出带有气凝胶2浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱，去除多余水分。

⑤进入平板复合机，复合温度在200℃，在一定10mm间隙下进行定型，得到轻质隔热、吸音复合材料。

本发明最后得到单位面积重量为350g/m²的轻质隔热吸音复合材料。

对比案例1

对本发明材料重量与保温性能进行对比，以相同厚度的保温材料作为对比参照。分别取10mm厚度的传统汽车保温材料(轻质聚氨酯泡沫1)与气凝胶2毡(预氧丝气凝胶2毡)，与本发明轻质隔热吸音复合材料(实施案例1)进行对比。

重量按单位面积计算，材料保温性能按导热系数GB/T 3399-1982进行测试，结果如表1.

表1.不同保温材料重量与保温性能对比

从对比案例1可以看到，本发明轻质隔热吸音复合材料(实施案例1)与传统汽车保温材料(轻质聚氨酯泡沫1)相比，单位面积重量接近，但是导热系数低近一倍，保温性能远优于传统汽车保温材料(轻质聚氨酯泡沫1)；本发明轻质隔热吸音复合材料(实施案例1)与传统气凝胶2毡(预氧丝气凝胶2毡)相比，导热系数接近，但是单位面积重量轻6倍多。通过对比，可以看到本发明轻质隔热吸音复合材料能够同时兼备轻量化与优异保温、隔热性能。

实施例2

具体制备轻质隔热吸音复合材料方案如下：

①15密度15mm轻质聚酯泡沫通过10吨压辊，按95％压缩量进行物理开孔处理。

②气凝胶2浆料按二氧化硅气凝胶2粉100份、粘结剂6份、微球10份，水量为120份，配置二氧化硅气凝胶2浆料，置于浸润槽。粘结剂是苯乙烯-丙烯酸乳液，微球起发温度180℃。

③将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶2浆料，充分浸润。

④取出带有气凝胶2浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱，去除多余水分。

⑤进入平板复合机，复合温度在210℃，在一定15mm间隙下进行定型，得到轻质隔热、吸音复合材料。

得到厚度为15mm的轻质隔热吸音复合材料。

对比案例2

对本发明材料吸音性能进行对比，以相同厚度的保温材料作为对比参照。分别取15mm厚度的不同传统汽车保温材料，分别为轻质聚氨酯泡沫1、玻璃棉、吸音棉。

采用驻波管对不同吸音材料进行吸音测试，测试结果如表2：

表2.不同材料吸音性能对比

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从表2不同材料的吸音性能可与看到，在频率≤2000HZ范围，轻质隔热吸音复合材料与轻质聚氨酯泡沫1的吸音性能优于玻璃棉与吸音棉，轻质隔热吸音复合材料与轻质聚氨酯泡沫1结构中的空隙由泡沫泡孔组成，玻璃棉与吸音棉结构中的空隙由纤维之间的缠绕的间隙组成，前两者相对空隙比玻璃棉与吸音棉小，而在中低频段的声波波长较长，声波进入相同厚度的材料，在空隙小的材料中停留的生产长，所以低频段吸音会相对好一些；另一方面，轻质隔热吸音复合材料中含有气凝胶2，使得长声波通过材料的路径变得更为曲折，停留时间变长；而轻质聚氨酯泡沫1泡孔之间的开孔率并不是100％，存在一定闭孔结构，当长声波进入材料内部，碰到闭孔结构会改变传播路径，使得路径变长，低频吸音效果增强。在频率＞2000HZ范围，轻质隔热吸音复合材料与吸音棉的吸音性能优于轻质聚氨酯泡沫1与玻璃棉，在高频范围，声波波长短，材料吸音主要靠材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部，与材料发生摩擦作用将声能转化为热能；轻质隔热吸音复合材料中的轻质聚氨酯载体通过透气处理，加上气凝胶2的空隙，空隙更多且连通，故高频段吸音比轻质轻质聚氨酯泡沫1好；吸音棉本身具有一定空隙且连通性较好，故在高频段具有较好的吸音；玻璃棉虽然也具有一定的空隙和连通性，但材料自身与声波发生摩擦损耗的声能少一些，所以高频吸音表现的不是特别突出。综合以上，可以看到本发明轻质隔热吸音复合材料，利用轻质聚氨酯与气凝胶2的特性，使得在低、中、高频范围均具有优异的吸音性能。

实施例3

气凝胶2浆料组分中水分用量的对产品性能影响，具体制备方案如下：

①15密度20mm轻质聚酯泡沫通过5吨压辊，按90％压缩量进行物理开孔处理。

②气凝胶2浆料按二氧化硅气凝胶2粉80份、粘结剂5份、微球8份，水分别为70份、80份、130份、150份、160份、170份，配置二氧化硅气凝胶2浆料，置于浸润槽。粘结剂是水性聚氨酯乳液，微球起发温度170℃。

③将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶2浆料，充分浸润。

④取出带有气凝胶2浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱，去除多余水分。

⑤进入平板复合机，复合温度在200℃，在一定20mm间隙下进行定型，得到轻质隔热、吸音复合材料。

分别对不同水分含量的材料进行导热系数GB/T 3399-1982、压缩强度ASTM D3574测试。

表3气凝胶2浆料组分中水分含量的对产品性能影响

水用量/份	70	80	130	160	170
						气凝胶2浆料状态	略稠	正常	正常	正常	正常
导热系数/W/(m·K)	0.0237	0.0206	0.0215	0.0245	0.0288
						压缩强度/psi	2.9	5.6	8.6	6.9	5.8

气凝胶2浆料组分中水分用量首先会直接影响气凝胶2浆料的粘稠度，随着水分用量的增加，气凝胶2浆料的粘稠度逐渐降低，轻质聚氨酯载体中气凝胶2的含量逐渐降低；从表1数据可知，水分用量用增加导热系数先降低后平稳增加，导热系数跟轻质聚氨酯载体和气凝胶2含量有关，轻质聚氨酯本身具有一定的隔热性能，随着载体中气凝胶2含量较少，即浆液粘度下降，导热系数逐渐增加趋于平稳。当水含量为70时，浆液粘度较大，轻质聚氨酯载体无法完全浸润，载体中心位置没有气凝胶2，所以导热系数反而是增大的。同理，水含量为70时，未完全浸润，芯层的支撑力主要由粘结剂与微球提供，所以轻质聚氨酯载体芯层的支撑力并未提高，所以压缩强度强度相对较小，随着水分含量增加，轻质聚氨酯载体先完全浸润，后气凝胶2含量逐渐下降，所以压缩强度先增加后逐渐平稳。综合考虑导热系数与压缩强度，选择水分用量在80-160份时较为合适，气凝胶2、粘结剂与微球能够有效的进入轻质聚氨酯载体内部，达到综合性能较好的材料。

实施例4

轻质聚氨酯压缩量对产品性能影响，具体制备方案如下：

①18密度25mm轻质聚酯泡沫通过10吨压辊，按0％、50％、75％、80％、90％、95％压缩量进行物理开孔处理。

②气凝胶2浆料按二氧化硅气凝胶2粉60份、粘结剂5份、水100份、微球10份，配置二氧化硅气凝胶2浆料，置于浸润槽。粘结剂是水性聚氨酯乳液，微球起发温度190℃。

③将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶2浆料，充分浸润。

④取出带有气凝胶2浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱，去除多余水分。

⑤进入平板复合机，复合温度在220℃，在一定20mm间隙下进行定型，得到轻质隔热、吸音复合材料。

分别对不同压缩量的材料进行导热系数GB/T 3399-1982、吸音(驻波管)、压缩强度ASTM D3574测试，结果如表4、表5

表4.不同压缩量对材料性能的影响

表5.不同压缩量对吸音性能的影响

从表4可以看到，随着压缩量的增加，导热系数与压缩强度都出现不同程度的增长，其中压缩量大于80％以上时，导热系数与压缩强度达到较为优异的指标，主要原因是随着压缩量增加，材料透气性增加、浸润能力增强，使得气凝胶2浆料能够充分浸润，才能发挥气凝胶2浆料中气凝胶2、微球、胶粘剂的作用，提高隔热与力学性能；从表5可以看到，随着压缩量的增加，中低频的吸音系数变化不大，但是高频范围随着压缩量的增加明显提高，主要原因是随着压缩量增加，透气率增加，气凝胶2浸越充分，高频吸音性能得到提高。综合来看，压缩量越大，材料的综合性能越好，但是当压缩量超过95％时，会存在设备折损严重与安全隐患，故选择压缩量在80-95％，压辊后透气率达到40cfm以上较为合适。

实施例5

不同复合工艺下制备轻质隔热吸音复合材料方案如下：

①16密度16mm轻质聚酯泡沫通过8吨压辊，按90％压缩量进行物理开孔处理。

②气凝胶2浆料按二氧化硅气凝胶2粉50份、粘结剂5份、微球8份，水量为110份，配置二氧化硅气凝胶2浆料，置于浸润槽。粘结剂是醋酸乙烯-丙烯酸乳液，微球起发温度190℃。

③将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶2浆料，充分浸润。

④取出带有气凝胶2浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱，去除多余水分。

⑤进入平板复合机，复合温度在180℃、190℃、200℃、220℃、230℃、240℃，在一定16mm间隙下进行定型，得到轻质隔热、吸音复合材料。

分别对不同复合温度的材料进行压缩强度ASTM D3574测试，结果如表6所示。

表6.不同压缩量对材料性能的影响

复合温度/℃	180	190	200	220	230	240
							压缩强度/psi	2.6	2.6	5.6	6.7	6.5	6.4

从表6可以看到，随着复合温度的升高，材料的压缩强度先平稳后突然增加至平稳；当温度超过200℃时，即复合温度大于微球的起发温度，微球能够膨胀提供一定的支撑作用，导致材料的压缩强度增加，而复合机具有一定的复合压力且后段具有冷却定型功能，随着温度继续增加，微球的膨胀受阻，提供的支撑作用不在增加。综合考虑能耗与产品性能，选择复合温度200-230℃较为合适。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轻质隔热吸音复合材料，其特征在于，主要由轻质聚酯泡沫与气凝胶(2)组成，气凝胶(2)均匀的分布在轻质聚氨酯泡沫(1)中。

2.根据权利要求1所述的轻质隔热吸音复合材料，其特征在于，所述的轻质聚酯泡沫为片状的结构，厚度为3-40mm，密度为10-20kg/m³。

3.根据权利要求1所述的轻质隔热吸音复合材料，其特征在于，所述的气凝胶(2)是气凝胶(2)浆料加热而成，所述的气凝胶(2)浆料由水80～160份、二氧化硅气凝胶(2)粉40～80份、粘结剂5～10份、微球5～20份混合均匀组成。

4.根据权利要求3所述的轻质隔热吸音复合材料，其特征在于，所述的气凝胶(2)浆料加热方式为微波烘箱加热，所述的微波烘箱为隧道式烘箱，最大功率700KW，(生产效率高，能够较快的去除水分，制得气凝胶(2)。)。

5.根据权利要求4所述的轻质隔热吸音复合材料，其特征在于，所述的粘结剂是乙烯-醋酸乙烯共聚乳、醋酸乙烯-丙烯酸乳液、苯乙烯-丙烯酸乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚乳液、纯丙烯酸乳液、硅丙乳胶漆、水性聚氨酯涂料、水性氟碳涂料中的一种或多种组合。

6.根据权利要求4所述的轻质隔热吸音复合材料，其特征在于，所述的微球是可膨胀性微球，起发温度为160-190℃，可膨胀50-100倍。

7.一种轻质隔热吸音复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)轻质聚氨酯泡沫(1)通过压辊进行物理开孔处理，压缩量在80％-95％；压辊压力在1-10吨，压辊后透气率达到40cfm以上；

2)将水80～160份、二氧化硅气凝胶(2)粉40～80份、粘结剂5～10份、微球5～20份配置二氧化硅气凝胶(2)浆料，置于浸润槽；

3)将开孔处理的轻质聚酯泡沫浸渍于气凝胶(2)浆料，充分浸润；

4)取出带有气凝胶(2)浆料的轻质聚酯泡沫，放入微波烘箱加热，去除多余水分；

5)进入平板复合机，复合温度在200-230℃，在一定间隙下进行定型，得到轻质隔热吸音复合材料。

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