一种玻纤增强硅胶复合气凝胶隔热垫及其制备方法与流程

本发明涉及隔热材料，具体涉及一种玻纤增强硅胶复合气凝胶隔热垫及其制备方法。

背景技术：

1、随着智能手机、ar/vr设备及超薄笔记本电脑等3c电子产品向超薄化、高性能化方向发展，内部芯片、电池等核心元件的功率密度急剧攀升，导致局部区域出现高热流密度。与此同时，产品内部物理空间被极度压缩，如何在亚毫米级的狭小空间内实现高效的热隔离与热安全防护，成为行业面临的重大挑战。

2、目前，行业内常用的隔热方案主要包括传统隔热材料和新型气凝胶材料。传统隔热材料如石墨片、普通发泡胶等，虽然具有良好的加工性和一定的柔韧性，但在亚毫米尺度下的导热系数较高，隔热性能严重不足，难以满足对热点温度的精确控制需求。另一方面，高性能的二氧化硅气凝胶因其极高的孔隙率（>90%）和极低的导热系数（常压环境下可低至0.02w/(m·k)以下），被视为理想的隔热材料。然而，纯气凝胶材料固有的脆性大、易开裂、掉粉严重等问题，使其在需要经历弯折、冲压、跌落等复杂工况的3c产品应用中，面临可靠性差、难以精密加工、粉尘污染风险高等致命缺陷，无法直接满足消费电子产品的严苛要求。

3、为了克服纯气凝胶的脆性，现有技术尝试了多种改进方案。例如，通过引入聚合物粘结剂（如聚氨酯、丙烯酸树脂）来增强气凝胶颗粒间的连接，但这种方法往往会导致隔热性能的显著下降，因为聚合物本身导热系数远高于空气。另一种常见思路是将气凝胶粉末填充到预制的泡沫或纤维毡中，但这又面临着填充不均匀、气凝胶颗粒脱落以及复合材料整体强度不足的问题。此外，也有研究采用化学气相沉积或溶胶-凝胶原位生长的方法在纤维表面构建气凝胶层，但这些工艺复杂、成本高昂，且难以实现大规模连续化生产。总体而言，现有技术在平衡高隔热性、高柔韧性与机械可靠性以及良好的可加工性这三者之间，始终未能找到完美的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种玻纤增强硅胶复合气凝胶隔热垫及其制备方法，解决以下技术问题：

2、现有的隔热材料难以兼顾高隔热性、高柔韧性与机械可靠性以及良好的可加工性。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种玻纤增强硅胶复合气凝胶隔热垫的制备方法，包括以下步骤：在基材表面涂布隔热胶料、固化，在基材两侧均形成隔热层，得到玻纤增强硅胶复合气凝胶隔热垫；

5、隔热胶料的制备方法包括如下步骤：将气凝胶粉体加入改性硅胶中分散，加入稀释剂、消泡剂共混；将锚固剂、含氢硅油、抑制剂共混后加入分散，加入催化剂分散，得到隔热胶料；

6、改性硅胶为乙烯基化介孔二氧化硅、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、含氢硅油发生硅氢加成反应制得；

7、锚固剂为端异氰酸酯聚硅氧烷。

8、作为本发明的进一步方案：固化的具体步骤为：80-120℃下固化处理10-30min。

9、作为本发明的进一步方案：隔热胶料包括如下重量份的原料：100重量份改性硅胶、20-50重量份气凝胶粉体、10-50重量份稀释剂、0.1-0.5重量份消泡剂、1-2.5重量份锚固剂、1-2.5重量份交联剂、0.1-0.5重量份抑制剂、0.05-0.2重量份催化剂。

10、作为本发明的进一步方案：稀释剂为甲苯、酮类、醇类、氯仿、醋酸乙酯、d40溶剂油中的任意一种；

11、消泡剂为聚硅氧烷消泡剂；

12、交联剂为含氢硅油，其中含氢量0.8-1.6%；

13、抑制剂为乙炔基环己醇；

14、催化剂为铂金催化剂；

15、气凝胶粉体为疏水二氧化硅气凝胶粉末，疏水型、粒径5-20μm、孔隙率≥90%、比表面≥600m2/g。

16、作为本发明的进一步方案：基材厚度100-180μm；隔热层厚度110-910μm。

17、作为本发明的进一步方案：玻璃纤维布克重20-50g/m2。

18、作为本发明的进一步方案：由活化处理后的玻璃纤维布浸渍在含戊二醛和聚乙烯亚胺的水溶液中交联处理制得。

19、作为本发明的进一步方案：活化处理的具体步骤为：将玻璃纤维布置于体积比为3-2:1的浓硫酸和30wt%过氧化氢组成的活化液中，控制温度60-80℃、浸渍处理30-60min；

20、含戊二醛和聚乙烯亚胺的水溶液的配置方法：将聚乙烯亚胺、去离子水共混配置成含1-5wt%聚乙烯亚胺的pei水溶液，再用冰乙酸调节ph至4-5；再加入戊二醇共混制得；戊二醛：聚乙烯亚胺的质量比为5-15：100；

21、交联处理为活化玻纤布浸入含戊二醛和聚乙烯亚胺的水溶液中，控制温度40-60℃、保温反应2-6h。

22、作为本发明的进一步方案：锚固剂为异佛尔酮二异氰酸酯与端羟基聚二甲基硅氧烷为原料、二月桂酸二丁基锡为催化剂、甲苯为溶剂的体系下亲核加成反应制得。

23、作为本发明的进一步方案：端羟基聚二甲基硅氧烷为粘度500-2000mpa·s，羟值0.3-0.8mmol/g的端羟基聚二甲基硅氧烷。

24、作为本发明的进一步方案：端羟基聚二甲基硅氧烷在反应前在100-120℃、真空度≥0.095mpa下脱水2-4h，至水分含量<100ppm。

25、作为本发明的进一步方案：端羟基聚二甲基硅氧烷、甲苯、二月桂酸二丁基锡、异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为100：50-200：0.01-0.05：5-15；亲核加成反应的条件为控制温度60-80℃、保温反应2-6h。

26、作为本发明的进一步方案：端乙烯基聚二甲基硅氧烷为粘度200-1000mpa·s，乙烯基含量0.2-0.6mmol/g的端乙烯基聚二甲基硅氧烷。

27、作为本发明的进一步方案：乙烯基化介孔二氧化硅为kh570改性的介孔二氧化硅；kh570、介孔二氧化硅的质量比为100：5-15；

28、乙烯基化介孔二氧化硅、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、含氢硅油的质量比为5-15：100：0.5-2。

29、一种玻纤增强硅胶复合气凝胶隔热垫,由上述任意一项制备方法制成。

30、本发明的有益效果：

31、（1）轻量化与空间适配性

32、本发明隔热垫总厚度可控制在0.2-0.5mm，相较传统隔热垫（500-600μm）有效减薄，显著降低了材料体积与重量。本技术选用厚度100-180μm的电子级玻纤布，具有输送的多孔编织结构，纤维间空隙可有效抑制对流传热，因此在提供力学支撑的同时不增加额外热负荷。本技术还利用pei处理玻纤布、并在制备隔热层的原料中添加具有异氰酸酯基团的锚固剂，两者化学键合替代了传统物理粘接所需的过渡胶层，省去了0.05-0.1mm的额外厚度，直接服务于3c产品对空间压缩和轻量化的严苛要求。

33、（2）隔热性能优异且长期稳定

34、本技术在制备隔热层的原料中添加气凝胶粉体、改性硅胶和锚固剂；气凝胶粉体抑制气体分子碰撞传热，同时延长固体热传导路径；改性硅胶为pdms主链上通过si-c共价键接枝有介孔二氧化硅的接枝共聚物，介孔二氧化硅提供红外散射截面，阻断辐射传热。二者在连续硅胶网络中空间互补，形成固相-气相-辐射的三重热阻。本技术制备的改性硅胶由介孔二氧化硅通过si-c共价键侧链接枝pdms主链，避免了物理混合中纳米填料团聚形成导热通路的风险。锚固剂在玻纤布基材与硅胶层界面形成致密的化学键合层，有效阻止湿热老化过程中水汽沿界面渗透导致的隔热性能衰减。

35、（3）界面粘结牢固，耐久性强

36、本发明制备的基材由玻纤布表面接枝pei聚合物层制得；pei提供大量氨基，与锚固剂的异氰酸酯基快速反应生成脲键，形成化学铆钉结构，从根本上解决了非极性硅橡胶与极性玻纤布界面相容性差的问题。锚固剂的pdms主链末端参与改性硅胶的硅氢加成反应，使玻纤布通过锚固剂结合进整个交联网络，而非仅表面粘附。而且改性硅胶侧链的介孔二氧化硅表面残余硅羟基与基材表面的氨基形成辅助氢键，在动态弯折中提供额外的应力耗散通道。

37、（4）抗跌落冲击与动态可靠性

38、本发明制备的材料以刚性玻纤布为骨架，并在两侧涂布隔热胶料形成隔热层，构成梯度耗能结构，跌落冲击能量沿界面逐级耗散，而非集中于某一薄弱层。气凝胶粉体被改性硅胶侧链的介孔二氧化硅节点结合，再通过锚固剂与基材化学锁定，跌落冲击下气凝胶不发生位移或脱落，隔热层结构完整性不易受破坏。

39、（5）电绝缘安全性

40、本发明制备的材料电绝缘性能好，可直接用于电池仓、无线充电线圈背面、主板屏蔽罩等高压敏感区域，无需额外绝缘层，进一步节省空间。

41、（6）耐湿热老化性能优异，使用寿命长

42、本发明锚固剂在玻纤布与硅胶层界面形成致密的化学键合层（脲键+硅氧烷网络），有效阻断了湿热环境中水汽沿界面毛细渗透的通道。同时，介孔二氧化硅经kh570接枝后，表面硅羟基大幅减少，降低了气凝胶对水分的吸附倾向。确保了在手机、ar/vr等密闭高湿环境下隔热性能的长期稳定。

43、（7）工艺适配性好，易于规模化生产

44、本发明采用铂金催化体系催化硅氢加成反应，固化条件温和，远低于传统硅胶过氧化物硫化体系，能耗降低。本发明配置的隔热胶料适配涂布、压延等连续化工艺，原材料来源广泛，生产效率高，满足3c行业大批量、快交付的需求。

45、综上所述，本方案基于pei接枝的玻纤布为基材，并在隔热胶料中添加改性硅胶和具有异氰酸酯基团的锚固剂。pei接枝玻纤布为nco锚固剂提供反应位点；锚固剂同时连接玻纤布与硅胶基体；改性硅胶在提供红外遮光的同时，其残余硅羟基与pei形成辅助氢键。三者通过氨基-nco主反应构建化学锚固、硅氢加成形成连续交联网络、介孔红外散射抑制辐射传热，以及氢键次级相互作用提供应力耗散，实现了高隔热性、高柔韧性、高机械可靠性、抗掉粉性及长期湿热稳定性的协同统一，综合性能显著优于现有技术。