一种低导热气凝胶类环氧树脂隔热复合材料的制备方法与流程

1.本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种低导热气凝胶类环氧树脂隔热复合材料的制备方法。


背景技术：

2.环氧树脂由于具有优异的力学性能、加工性能、耐腐蚀性能、介电性能和热稳定性能，被广泛应用于电子、电气、保温材料等行业。气凝胶颗粒是一种具有纳米尺度孔隙的二氧化硅(粒径15
‑
50微米)无机隔热材料。由于气凝胶颗粒具有高孔洞率(90
‑
95％)、高比面积(600
‑
800m2/g)以及低密度的特点，从而使材料本身具有极佳的隔热保温性能、以及高吸附、阻燃憎水、绿色环保的优异性能。气凝胶颗粒作为一种轻质的隔热材料，可以提高环氧树脂基体的隔热性能。然而，高交联度环氧树脂在性质上是刚性和脆性的，并且具有较差的抗裂性，而且纯环氧树脂的导热系数在0.2
‑
0.4w/m
·
k左右,因而限制了其在某些领域中的保温效果。
3.近年来，研究人员对气凝胶/环氧树脂复合材料的隔热性能进行了大量的研究。但是，由于气凝胶颗粒质地轻，不能很好的分散在环氧树脂中，而且固化材料极易分层，导致气凝胶/环氧树脂复合材料的固化强度小，隔热效果差。当前，气凝胶/环氧树脂复合材料的制备方法是首先采用机械搅拌的方式对气凝胶和环氧树脂进行混料，然后采用胺类固化剂在120℃下进行固化制得。但采用胺类固化剂在120℃下进行固化，会出现固化不彻底、界面粘结不牢、复合材料强度低、容易破碎等问题；同时，机械搅拌会引入大量气泡，而且气凝胶颗粒分散性很差，导致固化后的复合材料结构疏松，失去结构完整性。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种气凝胶类环氧树脂隔热复合材料的制备方法，该方法可以改善气凝胶颗粒在环氧树脂中的分散效果，促进复合材料结构完整性，有效降低环氧树脂基体的导热系数。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种低导热气凝胶类环氧树脂隔热复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
7.s1、将环氧树脂与酸酐类固化剂、稀释剂、催化剂一起混匀后加入气凝胶颗粒，先在1500
‑
2500转下离心混料2
‑
4min，再在
‑
15psi条件下排气泡10
‑
15min，最后在3500
‑
4500转下离心混料3
‑
5min，得到预混浆料；
8.s2、将预混浆料转移至模具中，经振动混匀和固化后制备得到低导热气凝胶类环氧树脂隔热复合材料。
9.优选地，步骤s1中，加入气凝胶颗粒后先在2000转下离心混料2min，再在
‑
15psi条件下排气泡10min，最后在4000转下离心混料3
‑
5min。
10.优选地，所述气凝胶颗粒的分散量为2％
‑
2.5％。具体地，所述气凝胶颗粒的分散量为2.5％。
11.本发明采用酸酐类固化剂以及特定比例与方法将气凝胶颗粒与环氧树脂混合，利用真空干燥器负压排气泡，在不同梯度转速下离心混料，从而改善了气凝胶颗粒在环氧树脂中的分散效果，促进复合材料的结构完整性，提高气凝胶颗粒/环氧树脂复合材料的隔热性能。
12.优选地，所述气凝胶颗粒的粒径范围为15
‑
50微米。
13.优选地，所述酸酐类固化剂包括甲基六氢邻苯二甲酸酐。
14.优选地，所述稀释剂包括乙醇、丙酮和二甲苯中的至少一种。具体地，所述稀释剂为丙酮。
15.优选地，所述催化剂包括咪唑类、聚硫醇类和苯酚类中的至少一种。具体地，所述催化剂为咪唑。
16.优选地，所述环氧树脂与酸酐类固化剂、稀释剂、催化剂的重量份关系如下：
17.环氧树脂1
‑
5份、酸酐类固化剂1
‑
5份、稀释剂1
‑
3份、催化剂0.01
‑
1份。
18.具体地，所述环氧树脂与酸酐类固化剂、稀释剂、催化剂的重量份关系如下：
19.环氧树脂5份、酸酐类固化剂5份、稀释剂2份、催化剂0.05份。
20.优选地，所述固化为150
‑
250℃下固化1
‑
5小时。具体地，所述固化为200℃下固化2小时。
21.优选地，所述振动混匀为2000
‑
3000转下振动混匀4
‑
6min。具体地，所述振动混匀为2500转下振动混匀5min。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.本发明提供了一种气凝胶类环氧树脂隔热复合材料的制备方法，采用酸酐类固化剂以及特定比例与方法将气凝胶颗粒与环氧树脂进行混合，利用真空干燥器负压排气泡，在不同梯度转速下离心混料，从而大幅度改善了气凝胶在环氧树脂基体中的分散效果，改善了复合材料的固化强度，使制备得到的气凝胶类环氧树脂隔热复合材料分散性好、导热系数低。采用本发明方法可以有效改善气凝胶在环氧树脂基体的分散效果，保证固化后材料的结构完整性，提高了复合材料的固化强度，降低复合材料的导热系数，提高隔热性能。
附图说明
24.图1为离心抽真空后且固化前的气凝胶/环氧树脂复合材料的形貌图；
25.图2为采用本发明方法制备得到的气凝胶/环氧树脂复合材料的固化形貌图；
26.图3为不同气凝胶分散量下的气凝胶/环氧树脂复合材料的导热系数；
27.图4为气凝胶含量大于2.5％时制备的气凝胶/环氧树脂复合材料的固化形貌图；
28.图5为不同厚度的气凝胶/环氧树脂复合材料的导热系数；
29.图6为采用胺类固化体系制备得到的气凝胶/环氧树脂复合材料的固化形貌图；
30.图7为采用机械搅拌方式制备的气凝胶/环氧树脂复合材料的固化形貌图。
具体实施方式
31.下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
33.实施例1一种气凝胶类环氧树脂隔热复合材料(也称气凝胶/环氧树脂复合材料)
34.(1)分别先取0％、1％、1.5％、2％、2.5％重量比(0g、0.1205g、0.18g、0.241g、0.3013g)的气凝胶颗粒(粒径范围为15
‑
50微米)加入30ml混料罐a中，再取5g双酚a环氧树脂、5g甲基六氢邻苯二甲酸酐、2g的丙酮以及0.05g咪唑加入30ml混料罐b中，将罐b离心混合均匀后，加入到混料罐a中；
35.(2)将步骤(1)的罐a在2000转下离心混料2min，再置于真空干燥器中，在
‑
15psi条件下排气泡10min，再在4000转下离心混料3min，得到预混浆料；
36.(3)将步骤(2)得到的预混浆料转移到2
×2×
2cm的模具中，将模具置于漩涡混合仪上，2500转下振动混匀5min，混匀后的五个预混浆料的外观形貌如图1所示，采用本实施例的离心抽真空方法，制得的复合样品无分层，分散均匀；
37.(4)将步骤(3)的产物置于烘箱中，200℃固化2小时，得到五种厚度为3mm的气凝胶类环氧树脂隔热复合材料。各成品的固化形貌如图2所示，由图可以看出，相比于纯环氧树脂，1％与1.5％气凝胶颗粒分散量的复合样品出现部分破碎，而2％与2.5％气凝胶颗粒分散量的复合样品的固化形貌均匀，脱模后能保持结构与尺寸稳定性。说明本发明的混料方法与混料配方能很好的改善气凝胶颗粒的分散性，能保证复合材料的尺寸稳定性。
38.采用热线法导热系数仪(陕西夏溪科技有限公司的tc3200导热测试仪)对上述的五种气凝胶类环氧树脂隔热复合材料进行导热系数k(w/m
·
k)测试，其测量结果如图3所示。由图3可知，气凝胶颗粒分散量分别为0％、1％、1.5％、2％、2.5％的气凝胶类环氧树脂隔热复合材料的导热系数测试分别为0.201w/m
·
k、0.145w/m
·
k、0.122w/m
·
k、0.097w/m
·
k、0.066w/m
·
k。可见，随着气凝胶颗粒含量的增加，导热系数逐渐降低，当气凝胶颗粒的分散量达到2.5％时，得到了导热系数降为0.066w/m
·
k的隔热复合材料，隔热性能相比于纯环氧树脂提高了67.2％。说明本发明的混料方法与混料配方能很好的保证复合材料的优异隔热性能。
39.但当气凝胶颗粒大于2.5％时(实验时采用的具体分散量为3％)，气凝胶颗粒在环氧树脂中容易团聚，固化后的材料出现团聚、凹坑等不均匀的现象，影响了复合材料的强度与隔热性能。气凝胶颗粒含量大于2.5％时导热系数相比于2.5％的复合材料(0.066w/m
·
k)，导热系数反而上升为0.11w/m
·
k(如图4所示)。说明2.5％含量的气凝胶颗粒导热系数最低。
40.此外，按照实施例1的方法(气凝胶颗粒的分散量为2.5％)制备不同厚度(1.0
‑
3.0mm)的气凝胶类环氧树脂隔热复合材料。从图5可以看出，气凝胶颗粒的加入能大大降低环氧树脂材料的导热系数，随着厚度的增加，热阻增加，但3mm的环氧树脂的导热系数仍然高于1.75mm的气凝胶颗粒/环氧树脂复合材料。表明气凝胶颗粒能减少环氧树脂隔热材料的厚度，从而增加了该材料的应用性。
41.对比例1一种气凝胶类环氧树脂隔热复合材料
42.(1)分别称取1％、1.5％、2％重量比的气凝胶颗粒加入30ml混料罐a中，再取7.4g双酚a环氧树脂、5.92g二乙烯三胺、2.96g二甲苯以及0.05g咪唑加入30ml混料罐b中，将罐b离心混合均匀后，加入到混料罐a中。
43.(2)将步骤(1)的罐a在2000转下离心混料2min，再置于真空干燥器中，在
‑
15psi条件下排气泡10min，再在4000转下离心混料3min，得到预混浆料；
44.(3)将步骤(2)得到的预混浆料转移到2
×2×
2cm的模具中，将模具置于漩涡混合仪上，2500转下振动混匀5min；
45.(4)将步骤(3)的产物置于烘箱中，120℃固化2小时，得到气凝胶类环氧树脂隔热复合材料。采用热线法导热系数仪测得其导热系数测试为0.066w/m
·
k。
46.对比例1为采用双酚a环氧树脂，二乙烯三胺作为固化剂，二甲苯为稀释剂，制备气凝胶颗粒分散质量分别为1％、1.5％以及2％的气凝胶/环氧树脂复合材料，如图6所示，与本发明方法制备的复合材料相比，固化强度低，脱模后多为碎块状样品，失去隔热效果。
47.对比例2一种气凝胶类环氧树脂隔热复合材料
48.(1)分别称取1％、2％重量比的气凝胶颗粒加入30ml混料罐a中，再取5g双酚a环氧树脂、5g甲基六氢邻苯二甲酸酐、2g的丙酮以及0.05g咪唑加入30ml混料罐b中，将罐b离心混合均匀后，加入到混料罐a中。
49.(2)将步骤(1)的罐a经机械搅拌【speedmixer高速混合搅拌机(dac 400fvz/vac
‑
p/lr)，先2000转下搅拌2min，再4000转下搅拌3min】后得到预混浆料；
50.(3)将步骤(2)得到的预混浆料转移到2x2x2cm的模具中，将模具置于漩涡混合仪上，2500转下振动混匀5min；
51.(4)将步骤(3)的产物置于烘箱中，200℃固化2小时，得到气凝胶类环氧树脂隔热复合材料。
52.如图7所示，通过机械搅拌的方式制备气凝胶/环氧树脂复合材料会引入大量气泡，导致复合材料固化后，含有大量气孔、凹坑等局部缺陷。
53.以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。