CN115895389B - 一种导热抗冲击的复合陶瓷板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料技术领域，具体公开了一种导热抗冲击的复合陶瓷板及其制备方法。该复合陶瓷板包括陶瓷基板和树脂层，树脂层复合于陶瓷基板的背纹面，树脂层中含有具有柔性分子链的热固性树脂。本发明树脂层中的柔性侧链可在树脂交联网络中均匀分布，并在陶瓷基板发生形变时吸收能量，从而提高产品的韧性，进而提高陶瓷基板的抗冲击性能；同时，热固性树脂在复合于陶瓷基板的过程中，还将填充于陶瓷基板中的微孔中，以进一步提高陶瓷基板的抗冲击性能。本发明制得的复合陶瓷板，具有优异的抗落球冲击性能和导热特性，大大拓宽了陶瓷薄板的应用空间。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种导热抗冲击的复合陶瓷板及其制备方法。
背景技术
近年来，随着国家环保和双碳政策的实施，陶瓷薄型化发展成为了陶瓷行业的共识。陶瓷板减薄有利于减少包括粘土、长石等矿石资源的消耗，同时降低了制粉、烧成等工艺的能耗，具有良好的应用前景。但是随着陶瓷板逐渐减薄，其耐冲击性能也随之下降，成为限制薄型陶瓷板家居化应用的重要因素。当陶瓷板遇到外部冲击力或者承受超出设计要求的载荷时容易出现破碎，陶瓷碎片也极易成为致人伤害的因素。
目前，为了提高薄型陶瓷板的抗冲击性能，一般采用将网布与胶粘剂复合制备复合网，黏贴于陶瓷砖图案装饰背面。具体的复合工艺为：先制备复合网，黏贴于陶瓷砖图案装饰背面后还需要贴放粘纸，再用辊筒排除各层之间的气泡，最后进行固化成型。该方法操作复杂，不利于大规模工业化生产。同时，所采用的树脂为含有刚性分子链的热固性树脂，其柔软度较差，不利于应力的缓冲和分散，其技术主体相当于薄型陶瓷板粘合一层具有刚性树脂的复合网，刚性树脂网对冲击力的分散作用较为有限。此外，树脂是热的不良导体，背面覆盖树脂网，将影响陶瓷板的热传导性能，限制了陶瓷砖家居化应用空间。
因此，亟需研发一种可同时兼具导热和抗冲击性能的陶瓷产品，以进一步拓宽薄型陶瓷板的应用空间。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种导热抗冲击的复合陶瓷板及其制备方法，该复合陶瓷板通过在陶瓷基板的背纹面复合一层树脂层，树脂层中含有具有柔性分子链的热固性树脂，有利于提高产品的抗冲击性能；同时，通过添加增强纤维和石墨烯以提高产品的导热性能。
为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种复合陶瓷板，所述复合陶瓷板包括陶瓷基板和树脂层，所述树脂层复合于所述陶瓷基板的背纹面，所述树脂层中含有具有柔性分子链的热固性树脂。
具体地，本发明通过在陶瓷基板的背纹面复合一层树脂层，且树脂层中含有具有柔性分子链的热固性树脂，可有效提高产品的抗冲击性能。其原因主要在于：柔性分子链易于转动、弯曲和缠绕，转动、弯曲和缠绕过程可有效吸收外界冲击能量，有利于提高产品的抗冲击性能。同时，热固性树脂在复合于陶瓷基板的过程中，还具有填充陶瓷基板中微孔的作用，以进一步提高陶瓷基板的抗冲击性能。
作为上述方案的进一步改进，所述热固性树脂包括环氧树脂，所述柔性分子链包括碳原子数为12-18的长链烷基。
优选的，所述具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如式(1)所示：
式中：n＝12-18；柔性分子链为环氧树脂侧链中含有12-18个碳的长链烷基。
作为上述方案的进一步改进，所述树脂层中还含有增强纤维，石墨烯、纳米二氧化硅和热引发固化剂，所述增强纤维包括聚丙烯纤维和/或碳纤维。
具体地，通过在树脂层中添加聚丙烯纤维和/或碳纤维作为增强纤维，有利于提高树脂的断裂强度；同时碳纤维还是良好的导热材料，可增强产品的均匀导热性能；石墨烯具有优异的导热特性，可增强涂层的传热性能；纳米二氧化硅作为无机填料颗粒，有利于增强树脂的抗老化特性和使用寿命。
作为上述方案的进一步改进，所述增强纤维的直径为3-8μm，长径比为(8-10)：1；所述石墨烯的片径为5-20μm。
具体地，纤维的直径及长径比直接影响其增强性能，合适的直径及长径比更易于分散，发挥最佳的纤维增强作用。石墨烯的片径是指石墨烯片的径向宽度，合适的石墨烯片径，更有利于增强树脂层的传热性能。
作为上述方案的进一步改进，所述树脂层的组分，按重量份计包括：聚丙烯纤维15-25份，碳纤维10-20份，石墨烯5-9份，纳米二氧化硅3-5份，具有柔性分子链的热固性树脂41-67份，热引发固化剂0.5-1.5份。
具体地，本发明的树脂层以具有柔性分子链的热固性树脂为主要原料，以提高抗冲击性能，并添加一定量的聚丙烯纤维和碳纤维，提高树脂的断裂强度；同时，碳纤维和石墨烯共同作用，以增强产品的导热性能；此外，添加一定量的二氧化硅，提升树脂的抗老化性能，延长树脂的使用寿命。通过对各原料的合理复配，在增强陶瓷基板抗冲击性能的同时，提高了陶瓷基板的热传导性能。
优选的，所述热引发固化剂包括聚醚胺D230。
作为上述方案的进一步改进，所述陶瓷基板的厚度为3-9mm。对于厚度相对较薄的陶瓷基板，复合一层本发明的树脂层，可有效改善陶瓷基板的抗冲击性和热传导性能。
本发明的第二方面提供了一种复合陶瓷板的制备方法，所述制备方法用于制备本发明第一方面所述的复合陶瓷板，包括以下步骤：
将制备树脂层的各原料混合后进行加热，然后将其涂覆于陶瓷基板的背纹面，再进行热固化，得所述复合陶瓷板。
作为上述方案的进一步改进，复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有柔性分子链的热固性树脂进行加热，然后加入增强纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，混合，降温后，加入热引发固化剂，搅拌，得混合树脂；
(2)将硅烷偶联剂涂布于陶瓷基板的背纹面，固化后，将步骤(1)制得的混合树脂涂覆于所述硅烷偶联剂的表面；然后进行热固化，得所述复合陶瓷板。
优选的，步骤(1)中，所述加热的温度为70-80℃，以降低树脂的粘度。
优选的，步骤(1)中，所述混合是指在搅拌的同时附加超声波振动，使具有柔性分子链的热固性树脂与增强纤维、石墨烯和纳米二氧化硅混合均匀。
优选的，步骤(1)中，所述降温至45-55℃。
优选的，所述硅烷偶联剂包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
优选的，步骤(2)中，所述硅烷偶联剂的涂布量为100-150g/m2。硅烷偶联剂的作用主要在于将所述混合树脂更好地与所述陶瓷基板结合，减少脱落的风险。
优选的，步骤(2)中，所述混合树脂的涂布量为350-550g/m2。
优选的，步骤(2)中，所述热固化的温度为75-95℃。
优选的，步骤(2)中，所述热固化的时间为30-60分钟。
本发明的第三个方面提供了本发明第一方面提供的复合陶瓷板在建筑装修技术领域中的应用。
优选的，所述应用包括建筑装饰、厨房台面、桌面等家居空间装饰中的应用。
本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：
(1)本发明通过在陶瓷基板的背纹面复合一层树脂层，该树脂层中含有具有柔性分子链的热固性树脂，其柔性侧链可在树脂交联网络中均匀分布，并在陶瓷基板发生形变时吸收能量，从而提高产品的韧性，进而提高陶瓷基板的抗冲击性能；同时，热固性树脂在复合于陶瓷基板的过程中，还将填充于陶瓷基板中的微孔中，以进一步提高陶瓷基板的抗冲击性能。
(2)本发明制得的复合陶瓷板，其抗落球冲击性能可达6次不裂，导热性能可达45℃，大大拓宽了陶瓷薄板的应用空间，不仅可应于建筑装饰，更可应用于厨房台面、桌面等家居空间装饰。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
实施例1
一种复合陶瓷板，包括陶瓷基板和树脂层，其中树脂层设置于陶瓷基板的背纹面。
按重量份计，所述树脂层的组分包括：聚丙烯纤维25份，碳纤维15份，石墨烯9份，纳米二氧化硅5份，具有柔性分子链的热固性树脂45份，聚醚胺D230 1份。
其中：具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如下：
上式中：n＝12；柔性分子链为环氧树脂侧链中含有12个碳的长链烷基。
丙烯纤维和碳纤维的直径为6μm，长径比为10：1；石墨烯的片径为15μm。
陶瓷基板的厚度为7mm。
一种复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有柔性分子链的热固性树脂加热至75℃，热固性树脂粘度降低；然后加入聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，搅拌的同时附加超声波振动，使热固性树脂与聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅混合均匀，静置降温至50℃，加入聚醚胺D230，再次进行缓慢搅拌，得混合树脂；
(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷涂布于陶瓷基板的背纹面，涂布量为100g/m2，固化合，将步骤(1)制得的混合树脂涂布于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的表面，涂布量为550g/m2；然后在95℃固化40分钟，形成树脂层，得本实施例的复合陶瓷板样品。
实施例2
一种复合陶瓷板，包括陶瓷基板和树脂层，其中树脂层设置于陶瓷基板的背纹面。
按重量份计，树脂层的组分包括：聚丙烯纤维15份，碳纤20份，石墨烯7份，纳米二氧化硅3份，具有柔性分子链的热固性树脂41份，聚醚胺D230 1份。
其中：具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如下：
上式中：n＝16；柔性分子链为环氧树脂侧链中含有16个碳的长链烷基。
丙烯纤维和碳纤维的直径为5μm，长径比为8：1；石墨烯的片径为10μm。
陶瓷基板的厚度为6mm。
一种复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有柔性分子链的热固性树脂加热至70℃，热固性树脂粘度降低；然后加入聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，搅拌的同时附加超声波振动，使热固性树脂与聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅混合均匀，静置降温至50℃，加入聚醚胺D230，再次进行缓慢搅拌，得混合树脂；
(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷涂布于陶瓷基板的背纹面，涂布量为150g/m2，固化合，将步骤(1)制得的混合树脂涂布于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的表面，涂布量为350g/m2；然后在75℃固化35分钟，形成树脂层，得本实施例的复合陶瓷板样品。
实施例3
一种复合陶瓷板，包括陶瓷基板和树脂层，其中树脂层设置于陶瓷基板的背纹面。
按重量份计，树脂层的组分包括：聚丙烯纤维20份，碳纤维10份，石墨烯5份，纳米二氧化硅4份，具有柔性分子链的热固性树脂67份，聚醚胺D230 1份。
其中：具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如下：
上式中：n＝18；柔性分子链为环氧树脂侧链中含有18个碳的长链烷基。
丙烯纤维和碳纤维的直径为4μm，长径比为9：1；石墨烯的片径为10μm。
陶瓷基板的厚度为8mm。
一种复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有柔性分子链的热固性树脂加热至80℃，热固性树脂粘度降低；然后加入聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，搅拌的同时附加超声波振动，使热固性树脂与聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅混合均匀，静置降温至50℃，加入聚醚胺D230，再次进行缓慢搅拌，得混合树脂；
(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷涂布于陶瓷基板的背纹面，涂布量为120g/m2，固化合，将步骤(1)制得的混合树脂涂布于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的表面，涂布量为450g/m2；然后在85℃固化50分钟，形成树脂层，得本实施例的复合陶瓷板样品。
对比例1
对比例1的陶瓷板为实施例1未复合树脂层的陶瓷基板样品。
对比例2
一种复合陶瓷板，包括陶瓷基板和树脂层，其中树脂层设置于陶瓷基板的背纹面。
按重量份计，树脂层的组分包括：聚丙烯纤维25份，碳纤维15份，石墨烯9份，纳米二氧化硅5份，具有刚性分子链的热固性树脂45份，聚醚胺D230 1份。
其中：具有刚性分子链的热固性树脂为烯丙基环氧树脂。
丙烯纤维和碳纤维的直径为6μm，长径比为10：1；石墨烯的片径为15μm。
陶瓷基板的厚度为7mm。
一种复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将烯丙基环氧树脂加热至75℃，热固性树脂粘度降低；然后加入聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，搅拌的同时附加超声波振动，使烯丙基环氧树脂与聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅混合均匀，静置降温至50℃，加入聚醚胺D230，再次进行缓慢搅拌，得混合树脂；
(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷涂布于陶瓷基板的背纹面，涂布量为100g/m2，固化合，将步骤(1)制得的混合树脂涂布于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的表面，涂布量为550g/m2；然后在95℃固化40分钟，形成树脂层，得本对比例的复合陶瓷板样品。
对比例2与实施例1的区别仅在于，对比例2采用具有刚性分子链的热固性树脂烯丙基环氧树脂替代实施例1的具有柔性分子链的热固性树脂。
对比例3
一种复合陶瓷板，包括陶瓷基板和树脂层，其中树脂层设置于陶瓷基板的背纹面。
按重量份计，树脂层的组分包括：聚丙烯纤维25份，石墨烯9份，纳米二氧化硅5份，具有柔性分子链的热固性树脂45份，聚醚胺D230 1份。
其中：具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如下：
上式中：n＝12；柔性分子链为环氧树脂侧链中含有12个碳的长链烷基。
丙烯纤维的直径为6μm，长径比为10：1；石墨烯的片径为15μm。
陶瓷基板的厚度为7mm。
一种复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有柔性分子链的热固性树脂加热至75℃，热固性树脂粘度降低；然后加入聚丙烯纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，搅拌的同时附加超声波振动，使热固性树脂与聚丙烯纤维、石墨烯和纳米二氧化硅混合均匀，静置降温至50℃，加入聚醚胺D230，再次进行缓慢搅拌，得混合树脂；
(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷涂布于陶瓷基板的背纹面，涂布量为100g/m2，固化合，将步骤(1)制得的混合树脂涂布于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的表面，涂布量为550g/m2；然后在95℃固化40分钟，形成树脂层，得本对比例的复合陶瓷板样品。
对比例3与实施例1的区别仅在于，对比例3的树脂层中未添加碳纤维。
对比例4
一种复合陶瓷板，包括陶瓷基板和树脂层，其中树脂层设置于陶瓷基板的背纹面。
按重量份计，树脂层的组分包括：聚丙烯纤维25份，碳纤维15份，纳米二氧化硅5份，具有柔性分子链的热固性树脂45份，聚醚胺D230 1份。
其中：具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如下：
上式中：n＝12；柔性分子链为环氧树脂侧链中含有12个碳的长链烷基。
丙烯纤维和碳纤维的直径为6μm，长径比为10：1。
陶瓷基板的厚度为7mm。
一种复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有柔性分子链的热固性树脂加热至75℃，热固性树脂粘度降低；然后加入聚丙烯纤维、碳纤维和纳米二氧化硅，搅拌的同时附加超声波振动，使热固性树脂与聚丙烯纤维、碳纤维和纳米二氧化硅混合均匀，静置降温至50℃，加入聚醚胺D230，再次进行缓慢搅拌，得混合树脂；
(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷涂布于陶瓷基板的背纹面，涂布量为100g/m2，固化合，将步骤(1)制得的混合树脂涂布于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的表面，涂布量为550g/m2；然后在95℃固化40分钟，形成树脂层，得本对比例的复合陶瓷板样品。
对比例4与实施例1的区别仅在于，对比例4的树脂层中未添加石墨烯。
性能测试
对实施例1-3及对比例1-4的样品进行抗冲击性能和导热性能测试，其中：抗冲击性能依据T/CBCSA 40-2021陶瓷岩板标准中抗落球冲击性能测试：450克钢球，800毫米高度自由落下，考察样品不破裂的冲击次数；导热性能在测试时将装有250毫升沸腾的开水的烧杯放在样品表面，30秒后测试陶瓷板背底的温度。测试结果如表1所示：
表1：各实施例和对比例的样品的性能对比表
| 测试试样 | 抗落球冲击性能 | 导热性能(℃) |
| 实施例1 | 5次不裂 | 45 |
| 实施例2 | 6次不裂 | 43 |
| 实施例3 | 5次不裂 | 43 |
| 对比例1 | 1次裂 | 50 |
| 对比例2 | 3次不裂 | 42 |
| 对比例3 | 5次不裂 | 37 |
| 对比例4 | 5次不裂 | 32 |
由表1可知，实施例1-3制得复合陶瓷板相对于未复合树脂层的对比例1，其抗冲击性能和导热性能均得到较大的提升。对比例2由于采用具有刚性分子链的热固性树脂，其抗冲击性能明显不及本发明采用具有柔性分子链的热固性树脂。对比例3和4由于未添加碳纤维或石墨烯，其导热性能也明显低于实施例1-3。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
Claims (6)
1.一种复合陶瓷板，其特征在于，所述复合陶瓷板包括陶瓷基板和树脂层，所述树脂层复合于所述陶瓷基板的背纹面；
所述树脂层的组分，按重量份计包括：聚丙烯纤维15-25份，碳纤维10-20份，石墨烯5-9份，纳米二氧化硅3-5份，具有柔性分子链的热固性树脂41-67份，热引发固化剂0.5-1.5份；
所述聚丙烯纤维和所述碳纤维的直径为3-8μm，长径比为（8-10）：1；所述石墨烯的片径为5-20μm；
所述具有柔性分子链的热固性树脂的化学结构式如式（1）所示：
式（1）
式（1）中：n=12-18。
2.根据权利要求1所述的复合陶瓷板，其特征在于，所述陶瓷基板的厚度为3-9mm。
3.一种复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1或2所述的复合陶瓷板，包括以下步骤：
将制备树脂层的各原料混合后进行加热，然后将其涂覆于陶瓷基板的背纹面，再进行热固化，得所述复合陶瓷板。
4.根据权利要求3所述的复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将具有柔性分子链的热固性树脂进行加热，然后加入聚丙烯纤维、碳纤维、石墨烯和纳米二氧化硅，混合，降温后，加入热引发固化剂，搅拌，得混合树脂；
（2）将硅烷偶联剂涂布于陶瓷基板的背纹面，固化后，将步骤（1）制得的混合树脂涂覆于所述硅烷偶联剂的表面；然后进行热固化，得所述复合陶瓷板。
5.根据权利要求4所述的复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述加热的温度为70-80℃，所述降温至45-55℃；步骤（2）中，所述硅烷偶联剂和所述混合树脂的涂布量分别为100-150 g/m2和350-550g/m2；所述热固化的温度为75-95℃，所述热固化的时间为30-60分钟。
6.权利要求1或2所述的复合陶瓷板在建筑装修技术领域中的应用。
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