溶胶凝胶的耐高温柔性织物材料的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性织物材料，具体涉及一种涂覆Al2O3溶胶凝胶的织物材料的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002]充气式再入减速器作为一种新型的可膨胀展开防热阻力面，折叠包装在返回载荷的外表面，在再入或进入大气层过程中充气展开阻力面，目的是降低气动力和气动热效应。因此，可膨胀展开防热阻力面需具有柔性大曲率折叠、高强度、耐高温等技术特点。
[0003]早期的减速器研宄主要集中在减速伞结构外形的设计上，通过不断改进外形结构来减少减速器质量并提高稳定性，此外还从气动学方面研宄了气流对减速器的影响。目前在热防护系统方面，Aer0.Sekur公司进行了大量实验来测试可应用于减速伞防热层的材料，包括硅树脂、Nextel和Saffil等，2008年的SPEM风洞实验中，在热流为1240kw/m2时，烧蚀硅防热层最高温度可达1250°C，而内部温度仅为40°C，有效的保护了内部结构。NASA于2009年进行了充气式再入减速伞的试验，减速伞的防热层采用了三层编织Nextel纤维来防止结构由于过热而损坏。
【发明内容】
[0004]本发明目的是为了解决现有可膨胀展开防热阻力面材料的强度较低，耐高温性能需进一步提高的问题，而提供基于涂覆Al2O3溶胶凝胶的耐高温柔性织物材料的制备方法及其应用。
[0005]本发明基于涂覆Al2O3溶胶的耐高温柔性织物材料的制备方法按以下步骤实现:
[0006]一、将异丙醇铝(C9H21AlO3)加入到异丙醇((CH3)2CHOH)中，搅拌均匀得到混合液；
[0007]二、将步骤一得到的混合液滴入装有蒸馏水的三口瓶中，按H+与Al3+的摩尔比为(0.05?0.1):1向三口瓶中再滴入硝酸，水浴加热蒸除异丙醇，然后加热回流反应5?8h得到Al2O3溶胶；
[0008]三、将步骤二得到的Al2O3溶胶浸渍涂覆在Kevlar纤维布上，得到基于涂覆Al 203溶胶的耐高温柔性织物材料。
[0009]本发明基于涂覆Al2O3凝胶的耐高温柔性织物材料的制备方法按以下步骤实现:
[0010]一、将异丙醇铝(C9H21AlO3)加入到异丙醇((CH3)2CHOH)，搅拌均匀得到混合液；
[0011]二、将步骤一得到的混合液滴入装有蒸馏水的三口瓶中，按H+与Al3+的摩尔比为(0.05?0.1):1向三口瓶中再滴入硝酸，水浴加热蒸除异丙醇，然后加热回流反应5?8h得到Al2O3溶胶；
[0012]三、向Al2O3溶胶中滴加浓度为lOmol/L的氨水，得到Al 203凝胶，然后进行超临界干燥处理得到Al2O3干凝胶粉末；
[0013]四、将(聚氨酯)胶粒溶于DMF(N，N-二甲基甲酰胺)溶剂中，得到溶胶，将步骤三得到的Al2O3干凝胶粉末溶于DMF溶剂中，得到Al 203悬浮液，然后把Al 203悬浮液均匀加入到PU溶胶中，充分搅拌，得到混合Al2O3凝胶涂料；
[0014]五、将混合Al2O3凝胶涂料先沿Kevlar纤维布的经向方向涂覆一遍，间隔3?5分钟后再沿Kevlar纤维布的玮向方向涂覆一遍，完成一次Al2O3凝胶涂覆处理，重复Al 203凝胶涂覆处理过程直至Kevlar纤维布上涂覆的凝胶涂层厚度为3?5mm，得到基于涂覆Al2O3凝胶的耐高温柔性织物材料。
[0015]本发明提出了一种耐高温、高强度、大曲率折叠柔性织物的制备方法，Al2O3凝胶是一种热学性能优越的轻质材料，制备出的Al2O3为功能颗粒，通过控制Al 203凝胶含量、涂覆在承力层芳纶织物厚度及层数的方法，得到具有耐高温性能的芳纶织物复合材料。
[0016]本发明制备得到的基于涂覆Al2O3溶胶凝胶的耐高温柔性织物材料作为防热材料应用于充气式再入减速器的可膨胀展开防热阻力面材料中。
[0017]本发明制备得到的基于涂覆Al2O3溶胶凝胶的耐高温柔性织物材料包含以下优占.V.
[0018]1、涂覆有Al2O3溶胶凝胶涂层的Kevlar纤维具有良好的热学性能，在热流密度为100KW/m2环境进行烧蚀的过程中，承受烧蚀时间长达50s。
[0019]2、具有Al2O3溶胶涂层的Kevlar芳纶能够实现小折叠曲率半径，使该纤维绕折叠半径小于2mm，且Al2O3溶胶涂层无明显脱落，适合于充气式再入减速器的充气展开柔性阻力面的发射初始折叠收拢。
[0020]3、与烧蚀过的纯Kevlar芳纶纤维相比，具有Al2O3溶胶和超临界干燥凝胶涂层的芳纶拉伸强度分别达到250MPa和330MPa，其强度提高了 16%和50%。
[0021]4、具有Al2O3溶胶或凝胶涂层的Kevlar芳纶纤维能够耐1000°C高温，50s烧蚀后纤维表面碳化不明显，热失重约为45 %。
[0022]5、制备的Al2O3凝胶的熔点高于2000°C，并且具有良好的保温隔热效果。
【附图说明】
[0023]图1为应用基于涂覆Al2O3溶胶凝胶的耐高温柔性织物材料的可膨胀展开防热阻力面的结构示意图，其中I一kapton薄膜，2 — kevlar织物层，3—基于涂覆Al2O3溶胶凝胶的耐高温柔性织物材料层，4一Al2O3涂层；
[0024]图2为燃烧后的纯芳纶和涂覆Al2O3溶胶的耐高温柔性织物材料的应力-应变曲线图，其中I一燃烧后的纯芳纶，2—涂覆有Al2O3溶胶涂层的芳纶。
【具体实施方式】
[0025]【具体实施方式】一:本实施方式基于涂覆Al2O3溶胶的耐高温柔性织物材料的制备方法按以下步骤实施:
[0026]一、将异丙醇铝(C9H21AlO3)加入到异丙醇((CH3)2CHOH)中，搅拌均匀得到混合液；
[0027]二、将步骤一得到的混合液滴入装有蒸馏水的三口瓶中，按H+与Al3+的摩尔比为(0.05?0.1):1向三口瓶中再滴入硝酸，水浴加热蒸除异丙醇，然后加热回流反应5?8h得到Al2O3溶胶；
[0028]三、将步骤二得到的Al2O3溶胶浸渍涂覆在Kevlar纤维布上，得到基于涂覆Al 203溶胶的耐高温柔性织物材料。
[0029]本实施方式将Al2O3溶胶涂覆到Kevlar纤维布上，由于Kevlar芳纶纤维本身具有耐火性，不燃烧，在高温下不熔融，升温到427°C，纤维未熔融(即发生碳化)，能够短时间承受高达538°C的高温。然后再利用氧化铝溶胶对Kevlar纤维布进行改性，氧化铝溶胶中的氧化铝是Al2O3.H2O(α 一水软铝石型，英文名称为Boehmite) Al2O3溶胶。Al 203溶胶对物体的表面具有覆盖性并且具有一定的粘结能力，其最突出的特点是具有优良的耐热性能。
[0030]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是步骤一按异丙醇与异丙醇铝的摩尔比为(4?6):1将异丙醇铝加入到异丙醇中。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0031]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是步骤二向三口瓶中再滴入硝酸，以85?95°C水浴加热蒸除异丙醇。其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0032]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是步骤二以80?90°C加热回流反应5?8h。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0033]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是步骤三将Al2O3溶胶浸渍涂覆在Kevlar纤维布上，其中Al 203溶胶浸渍涂覆过程是先将Kevlar纤维布浸渍在Al2O3溶胶中5min，然后从Al 203溶胶中取出Kevlar纤维布，静置于空气中晾置，完成一次浸渍，重复浸渍过程16?25次，完成Al2O3溶胶浸渍涂覆。其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0034]【具体实施方式】六:本实施方式基于涂覆Al2O3凝胶的耐高温柔性织物材料的制备方法按以下步骤实施:
[0035]一、将异丙醇铝(C9H21AlO3)加入到异丙醇((CH3)2CH0H)，搅拌均匀得到混合液；
[0036]二、将步骤一得到的混合液滴入装有蒸馏水的三口瓶中，按H+与Al3+的摩尔比为(0.05?0.1):1向三口瓶中再滴入硝酸，水浴加热蒸除异丙醇，然后加热回流反应5?8h得到Al2O3溶胶；
[0037]三、向Al2O3溶胶中滴加浓度为10mol/L的氨水，得到Al 203凝胶，然后进行超临界干燥处理得到Al2O3干凝胶粉末；
[0038]四、将I3U (聚氨酯)胶粒溶于DMF (N，N- 二甲基甲酰胺)溶剂中，得到PU溶胶，将步骤三得到的Al2O3干凝胶粉末溶于DMF溶剂中，得到Al 203悬浮液，然后把Al 203悬浮液均匀加入到PU溶胶中，充分搅拌，得到混合Al2O3凝胶涂料；
[0039]五、将混合Al2O3凝胶涂料先沿Kevlar纤维布的经向方向涂覆一遍，间隔3?5分钟后再沿Kevlar纤维布的玮向方向涂覆一遍，完成一次Al2O3凝胶涂覆处理，重复Al 203凝胶涂覆处理过程直至Kevlar纤维布上涂覆的凝胶涂层厚度为3?5mm，得到基于涂覆Al2O3凝胶的耐高温柔性织物材料。
[0040]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】六不同的是步骤一按异丙醇与异丙醇铝的摩尔比为(4?6):1将异丙醇铝加入到异丙醇中。其它步骤及参数与【具体实施方式】六相同。
[0041]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】六或七不同的是步骤四按PU胶粒的质量与DMF的体积比为(2?3) g: (14?20)ml的比例将PU胶粒溶于DMF溶剂中。其它步骤及参数与【具体实施方式】六或七相同。
[0042]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】六至八之一不同的是步骤五将混合Al2O3凝胶涂料先沿Kevlar纤维布的经向方向以2cm/s的速度涂覆一遍，间隔3?5分钟后再沿Kevlar纤维布的玮向方向以2cm/s的速度涂覆一遍，完成一次