阻燃隔热绝缘复合毡及其制备方法和应用

本方案属于无机功能复合材料，具体涉及一种阻燃隔热绝缘复合毡及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着新能源锂电池能量密度持续提升，热失控安全防护已成为行业刚性需求：电池模组发生热失控时，短时间内可释放上千度高温，防护材料需同时阻挡火焰蔓延、阻隔热量传导、避免电气短路。传统云母纸脆性大、抗振性差，长期颠簸后易粉化脱落；气凝胶隔热材料成本高、力学强度低，难以适配复杂结构的防护罩设计。而在越野车辆场景中，发动机舱、排气系统周边温度高，且车辆长期处于颠簸振动，传统橡塑绝热材料耐温不足、易老化，普通矿物棉易掉渣、绝缘稳定性差，无法兼顾耐久与安全性能。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了阻燃隔热绝缘复合毡及其制备方法和应用。本发明通过非金属矿物粉体对玄武岩纤维进行改性，所制得的复合毡具有阻燃、隔热、绝缘三大核心性能，能应用于新能源动力电池热防护、特种越野车辆绝热构件等多场景。

2、本发明通过以下技术方案来达到上述目的：

3、本发明提供了一种阻燃隔热绝缘复合毡的制备方法，其包括以下步骤：

4、s1、料浆配制：先将硅烷偶联剂分散于水中，得到混合液；再将硅溶胶、非金属矿物粉体与所述混合液进行混合，得到料浆；其中，所述硅溶胶、所述非金属矿物粉体、所述混合液中水的质量比为1：（0.6-1.0）：（0.2-0.4）；所述硅烷偶联剂的质量为所述非金属矿物粉体质量的0.5%-2.0%；

5、s2、涂覆与静置：将所述料浆刮涂于玄武岩纤维毡的表面后平放静置，得到含有涂层的玄武岩纤维毡；

6、s3、固化与冷却：对所述含有涂层的玄武岩纤维毡先进行预热处理，再进行固化处理；然后，冷却得到阻燃隔热绝缘复合毡；所述预热处理的温度、时间分别为60-80℃、30-40min；所述固化处理的温度、时间分别为120-150℃、1-1.5h。

7、在本发明中，所述硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在溶剂中的分散液；较佳地，所述硅溶胶中二氧化硅的含量为20%-40%，%为二氧化硅与硅溶胶的质量百分比。

8、在本发明的步骤s1中，所述硅溶胶、所述非金属矿物粉体、所述混合液中水的质量比为1：（0.6-1.0）：（0.2-0.4），由此配制的料浆粘度为500-1200 mpa·s；此粘度恰好能渗透纤维间隙形成均匀结合，又不致漏浆或负载不足。当上述组分的比例未在此范围内，会使得料浆过稠或过稀，过稠时掉粉率会达到21.7%，过稀时导热系数会升至0.062 w/（m·k），从而影响产品的阻燃隔热性能。

9、在一些实施方式中，步骤s1中，所述硅溶胶、所述非金属矿物粉体与所述水的质量比为1：（0.7-0.9）：（0.25-0.35）。

10、在一些实施方式中，步骤s1中，所述非金属矿物粉体包括层状硅酸盐粉体。

11、在具体的实施方式中，所述层状硅酸盐粉体为白云母、金云母、蛭石、绢云母、高岭石、滑石和叶蜡石中的一种或多种。其中，当所述层状硅酸盐粉体由多组分组成时，各组分可以任意比例混合。

12、在具体的实施方式中，所述层状硅酸盐粉体的粒径为200-1250目。

13、在一些实施方式中，步骤s1中，所述硅烷偶联剂为kh550、kh560和kh570中的一种或多种。

14、在本发明的步骤s1中，引入所述硅烷偶联剂，通过硅氧键将玄武岩纤维与硅溶胶、非金属矿物粉体化学键合，弥补纤维表面羟基少的弱点。但加入过量的硅烷偶联剂（大于2.0%），产品的耐热性下降。

15、在一些实施方式中，步骤s1中，所述硅烷偶联剂的质量为所述非金属矿物粉体质量的0.8%-1.5%。

16、在本发明的步骤s1中，较佳地，先将硅烷偶联剂加入去离子水中，搅拌至硅烷偶联剂充分水解分散，得到混合液；再将硅溶胶与非金属矿物粉体少量多次地加入所述混合液中，室温下充分搅拌均匀，调制成均匀的料浆，该料浆可流动且无结块。

17、在本发明的步骤s2中，较佳地，先将玄武岩纤维毡铺平固定于平板基底，再将所述料浆刮涂于玄武岩纤维毡的表面，使料浆完全浸润纤维并形成连续的矿物粉体覆盖层；更佳地，在将所述料浆刮涂于玄武岩纤维毡的表面后，轻刮去除多余料浆，保证涂覆厚度均匀且无堆料。

18、在本发明的步骤s2中，所述玄武岩纤维毡的化学成分界定为以高硅、中等含量的铝和钙为重要组分，另含有较高含量的镁、一定量的铁、较低含量的钛、钠、钾、磷和锰，其烧失量loi为1.42%-1.50%。

19、在一些实施方式中，步骤s2中，所述玄武岩纤维毡包括如下组分：51.28%-53.07%sio2、11.94%-13.94% al2o3、4.44%-4.84% fe2o3、3.85%-4.05%feo、0.68%-0.80% tio2、2.66%-3.13% na2o、1.73%–2.04% k2o和0.26%–0.31% p2o5；其中，%是指各组分占玄武岩纤维毡的质量百分比。

20、在本发明的步骤s2中，通过平放静置，使料浆充分填充孔隙排出气泡，从而充分渗透至玄武岩纤维毡内部并稳定分布。若未进行平放静置，易出现空鼓，导致导热系数提升（如：升至0.049 w/(mk)）。

21、在一些实施方式中，步骤s2中，所述平放静置在室温下进行；其中，室温是指20-25℃。

22、在一些实施方式中，步骤s2中，所述平放静置的时间为10-15min。

23、在本发明的步骤s2中，所述刮涂的操作可为毛刷上料配合定厚刮刀轻刮余料，防止刮断脆性表层纤维，压力过大时毡层纵向拉伸强度下降20%以上。

24、在一些实施方式中，步骤s2中，所述涂层的干态厚度为0.1-0.5mm。

25、在一些实施方式中，步骤s2中，所述涂层为单层涂层或多层涂层。

26、在具体的实施方式中，当所述涂层为多层涂层时，通过多次重复刮涂、平放静置和预热处理，得到含有多层涂层的玄武岩纤维毡，使得这些玄武岩纤维毡具有不同的厚度规格。

27、在本发明的步骤s3中，先进行所述预热处理，以脱除游离水；再进行所述固化处理，使硅溶胶脱水形成sio2无机粘结相，以缓和热膨胀差异，避免开裂翘曲。在硅烷偶联剂的界面键合作用下，非金属矿物粉体与玄武岩纤维形成牢固的界面结合。

28、在一些实施方式中，步骤s3中，所述预热处理的温度为70-80℃。

29、在一些实施方式中，步骤s3中，所述固化处理的温度为130-140℃。

30、在一些实施方式中，步骤s3中，所述冷却包括室温自然冷却；其中，室温是指20-25℃。

31、在一些实施方式中，步骤s3中，在完成所述冷却后，对所述阻燃隔热绝缘复合毡进行收卷处理。

32、本发明还提供了一种阻燃隔热绝缘复合毡，其采用如上所述的制备方法制得。

33、在本发明中，所述阻燃隔热绝缘复合毡以玄武岩纤维毡为力学增强基底，非金属矿物粉体为功能填料，硅溶胶中二氧化硅为无机粘结相，非金属矿物粉体与玄武岩纤维通过偶联剂改性界面、以及二氧化硅粘结进行牢固结合。

34、在一些实施方式中，所述阻燃隔热绝缘复合毡的面密度为80-250 g/m2。

35、在一些实施方式中，所述阻燃隔热绝缘复合毡的拉伸强度≥6mpa。

36、在一些实施方式中，所述阻燃隔热绝缘复合毡的耐受温度≥550℃。

37、在一些实施方式中，所述阻燃隔热绝缘复合毡的阻燃等级达到a级不燃；

38、在一些实施方式中，所述阻燃隔热绝缘复合毡的常温导热系数≤0.045w/(m·k)；

39、在一些实施方式中，所述阻燃隔热绝缘复合毡的体积电阻率≥1012ω·m。

40、本发明还提供了一种如上所述的阻燃隔热绝缘复合毡在锂电池、越野车辆或电缆中的应用。

41、其中，所述阻燃隔热绝缘复合毡在锂电池中的应用可包括用于锂电池的热防护罩和电池模组间隔热垫片；所述阻燃隔热绝缘复合毡在越野车辆中的应用可包括用于越野车辆的发动机舱绝热层和车身防火绝缘隔断构件；所述阻燃隔热绝缘复合毡在电缆中的应用可包括用于电缆内的绝缘阻燃材料。

42、与现有技术相比，本发明具备以下显著优点：

43、（1）本发明针对玄武岩纤维毡表面化学惰性、三维高孔隙、纤维偏脆以及与无机涂层热膨胀系数不匹配的特性，通过非金属矿物粉体对玄武岩纤维进行改性，所制得的复合毡具有阻燃、隔热、绝缘三大核心性能；具体地，本发明复合毡的拉伸强度可达8.1mpa，常温导热系数可在0.035-0.038 w/(mk)的范围内，体积电阻率可达2.3×1013ωm。

44、（2）本发明的产品能应用于新能源动力电池热防护、特种越野车辆绝热构件等多场景。