一种柔性定形相变隔热材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公布了一种柔性定形相变隔热材料及其制备方法，该材料用下述方法制成：将50wt％?90wt％相变介质加热熔融，加入1％?10wt％多孔轻质填料混合均匀，冷却后粉碎，使用混炼机将粉碎后的相变材料与8％?30％的包覆材料混炼至一定细度，加入1％?10wt％的各种助剂混炼至均匀；使用模压、挤出、注塑的方式成型，固化后即为柔性定形相变隔热材料。利用本发明制备的柔性定形相变隔热材料柔韧性≤2mm，热导率在0.1?0.5W/(m·k)之间可调，相变温度在25?185℃可调，平均相变焓值150?280kJ/kg可调，无需封装，温度高于其相变点时仍保持固态，形状稳定、易于加工，方便与被控组件匹配、安装。
【专利说明】
一种柔性定形相变隔热材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种柔性定形相变隔热材料及其制备方法，属于相变温控材料技术领 域。
【背景技术】
[0002] 随着导弹等高速飞行器设计速度的不断提高，由气动加热引起的高温热环境问题 变得越来越严重，为保证飞行器主体结构及内部仪器设备的安全，必须使用隔热材料阻止 外部热流向内部传递。传统的陶瓷隔热瓦、陶瓷纤维隔热毡等隔热材料是通过较低的传热 系数降低热量的传导速度。飞行环境越恶劣，隔热层越厚，而隔热层厚度的增加必然引起飞 行器外形尺寸的增大，进而影响飞行器的机动和突防能力。特别是在一些无法增加隔热层 厚度的狭小空间，隔热效果与空间上的不匹配问题尤为突出。
[0003] 相变储能是利用材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，是缓解能量供求双方 在时间、空间上不匹配的有效方式。使用相变材料制备的相变隔热材料不仅具有热导率低、 相变过程近似等温、过程易控制等特点，而且相变过程的发生仅取决于温度，可应用于温度 控制领域，从而解决能量供求失衡的问题。特别是针对体积有限的狭小空间，相变隔热材料 具有比传统隔热材料更高的隔热效率。
[0004] 相变材料作为一种新型储能材料具有较大的应用优势和潜力，但在实际应用中还 存在一定问题。（1)相变储能材料通常以固-液相变材料为主要材料，当材料吸收热量时，自 身从固态转变为液态。为防止这一相变过程中相变材料的泄漏，其不能单独使用，必须依托 载体，制备定形相变。目前，此类问题的主要解决办法分为两类:一是使用膨胀石墨(EG)、多 孔石墨(PG)、高岭土 (丽T)、有机化高岭土 (0ΜΤ)等是一类具有多孔结构的物质，通过对液态 相变材料的物理吸附作用制备;二是将相变材料与定形材料(如高分子材料、无机材料、金 属材料等)进行一定工艺过程复合成定形相变材料，达到宏观上的物理承载。现有的封装方 法制备的定形相变材料在相变材料含量较低时可以防止相变材料的泄漏，但相变潜热较 低；当相变材料的含量增多时，相变潜热增加，但无法满足高失重、强振动的飞行环境要求。 (2)作为隔热材料应具有较低的导热系数，而现有的定形相变材料多使用膨胀石墨、多孔石 墨等高导热材料进行吸附，无法满足隔热性能要求。（3)飞行器隔热部位结构复杂，特别是 狭小空间相变隔热材料的装配有待解决。因此，如何制备具有较高相变潜热，较低导热系 数，易于装配且满足飞行器可靠性要求的定形相变材料是实现相变材料应用的关键问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术中定形相变材料存在的上述问题，提出 一种柔性定形相变隔热材料及其制备方法，该相变材料具有较高的潜热，较低导热系数，具 备一定强度，柔韧性好，方便与被控组件匹配、安装，能够满足失重、振动等极端飞行环境要 求，可靠性高，具有比传统隔热材料更高的隔热效率。
[0006] -种柔性定形相变隔热材料，该隔热材料包括相变介质、多孔轻质材料、助剂和包 覆材料;其中，
[0007] 所述的相变介质烷烃、多元醇或两者的混合物；
[0008] 所述的多孔轻质材料为气凝胶；
[0009] 所述的助剂为KH550、二月桂酸二丁基锡、正硅酸乙酯、汽油中的任何一种或两种 以上的混合物；
[0010] 所述的包覆材料为娃橡胶，所述的娃橡胶为液态娃橡胶；
[0011] 以隔热材料的总质量为100%计算，相变介质的质量含量为50%-90%，多孔轻质 材料的质量含量为，助剂的质量含量为，包覆材料的质量含量为8%-30% ；
[0012]所述的烷烃为十四烷、十六烷、十八烷、二十烷、二十二烷、二十四烷、二十六烷、二 十八烷、切片石蜡中的任何一种或两种以上的混合物；
[0013] 所述的多元醇为新戊二醇、三羟甲基乙烷、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、2-硝基-2-甲基-1，3-丙二醇、三羟甲基硝基甲烷、三羟甲基氨基甲烷、丁四醇、季戊四醇、木糖醇中 的任何一种或两种以上的混合物；
[0014] -种柔性定形相变隔热材料的制备方法，包括如下步骤：
[0015] (1)首先将相变介质加热熔融，然后加入多孔轻质填料，混合均匀，然后冷却后粉 碎；
[0016] (2)使用混炼机将步骤(1)粉碎后的产物与包覆材料混炼至一定细度，然后加入助 剂混炼至均匀；
[0017] (3)将步骤(2)混炼后的产物使用模压成型、挤出成型或注塑成型的方式成型，然 后进行固化，得到柔性定形相变隔热材料；
[0018] 所述的步骤(1)中冷却后粉碎的产物的粒径为0.2-2_;
[0019]所述的步骤(2)中混炼至一定细度是指细度小于50μπι;
[0020] 所述的步骤(3)中固化为常温常压硫化或热压硫化。
[0021] 有益效果
[0022] (1)本发明选用具有较高比表面积且隔热性能优异的气凝胶作为吸附材料，通过 与相变材料混合，实现相变材料一定程度的封装，同时降低材料热导率；
[0023] (2)本发明选用分子量较低的硅橡胶作为包覆材料，通过与气凝胶/相变材料的混 合，实现相变材料的完全封装，同时低分子硅橡胶的引入提高了材料的柔韧性；
[0024] (3)本发明通过调节各组分比例调节相变材料的封装效果和隔热效果，当气凝胶 比例较低时，一部分相变介质被吸附，剩余的相变介质通过包覆材料包覆达到封装效果；当 气凝胶比例较高时，相变介质完全被气凝胶吸附后，气凝胶内部仍存在大量空隙，可大幅提 高相变材料的隔热效果；
[0025] (4)本发明通过控制助剂的种类及添加量，调节硅橡胶分子间交联程度，进一步提 高材料柔韧性；
[0026] (5)本发明的气凝胶作用主要是隔热和吸附；
[0027] (6)本发明的材料用下述方法制成：将50wt %-90wt %相变介质加热恪融，加入 1 %-lOwt%多孔轻质填料混合均匀，冷却后粉碎，使用混炼机将粉碎后的相变材料与8%-30%的包覆材料混炼至一定细度，加入1 %-lOwt %的各种助剂混炼至均匀；使用模压、挤 出、注塑的方式成型，固化后即为柔性定形相变隔热材料。利用本发明制备的柔性定形相变 隔热材料柔韧性彡2mm，热导率在0.1-0.5W/(m · k)之间可调，相变温度在25-185Γ可调，平 均相变焓值150_280kJ/kg可调，无需封装，温度高于其相变点时仍保持固态，具备一定强度 且形状稳定、易于加工，方便与被控组件匹配、安装，能够满足失重、振动等极端飞行环境要 求，可用于飞行器隔热部位，阻止热流向内部传递，特别是针对飞行器内部体积有限的狭小 空间，该相变隔热材料具有比传统隔热材料更高的隔热效率，而且可以推广应用于能源、医 学、建筑、电力等领域，具有显著的军事和社会效益。
【附图说明】
[0028]图1为实施例1制备的柔性定形相变隔热材料经过20次冷热循环(室温_80°C)前后 的焓值变化。
[0029]其中，曲线1为冷热循环前，焓值为160J/g，曲线2为20次冷热循环后，焓值为160J/
【具体实施方式】
[0030] -种柔性定形相变隔热材料由50wt%-90wt%的相变介质、l-10wt%的多孔轻质 材料、1-10 %的助剂及8wt %-30wt %的包覆材料组成；
[0031] 所述相变介质包括烷烃、多元醇。
[0032] 所述的烷烃包括十四烷、十六烷、十八烷、二十烷、二十二烷、二十四烷、二十六烷、 二十八烷、切片石蜡中的任何一种或几种。
[0033] 所述的多元醇包括:新戊二醇、三羟甲基乙烷、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、2-硝 基-2-甲基-1，3-丙二醇、三羟甲基硝基甲烷、三羟甲基氨基甲烷、丁四醇、季戊四醇、木糖醇 中的任何一种或几种。
[0034]所述多孔轻质材料主要为气凝胶。
[0035]所述包覆材料主要为硅橡胶。
[0036] 所述助剂包括KH550、二月桂酸二丁基锡、正硅酸乙酯、汽油中的任何一种或几种。
[0037] -种柔性定形相变隔热材料的制备方法，包括如下步骤：
[0038] 1)配料:按权利要求1的质量百分比分别称重相变介质、多孔轻质材料、助剂和包 覆材料备用；
[0039] 2)多孔轻质材料吸附：将相变介质加热熔融，加入多孔轻质填料混合均匀，冷却后 粉碎；
[0040] 3)包覆材料复合:使用混炼机将步骤2)中粉碎的相变材料与的包覆材料混炼至一 定细度，加入助剂混炼至均匀；
[0041] 4)成型固化:使用模压、挤出、注塑的方式成型、固化。
[0042] 所述步骤2)粉碎后粒径应在0.2-2_之间。
[0043] 所述步骤3)的细度应<50μπι。
[0044] 所述步骤4)的成型方法为挤出成型、模压成型、注塑成型中的任何一种。
[0045] 所述步骤4)固化方式包括常温常压硫化、热压硫化。
[0046] 为了本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本 发明做进一步详细说明。
[0047] 实施例1:
[0048] (1)将107硅橡胶:二十二烷:气凝胶:KH550:二月桂酸二丁基锡:汽油按质量比80: 180:10:3:1:4称重备用；
[0049] (2)将二十二烷放入60°C烘箱中加热，完全熔融后加入气凝胶混合均匀，冷却后粉 碎至粒径1mm，得到相变材料A;
[0050] (3)使用混炼机将步骤2)中粉碎的相变材料A与107硅橡胶混炼至细度小于50μπι， 加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基锡、汽油混炼至均匀，得到相变材料Β;
[0051 ] (4)称取200g将混炼好的相变材料Β均匀放入大小为200mm X 200mm X 3mm的模具 中，使用模压机对模具室温加压（l-5MPa)l-2小时，固化完全后脱模即为一种柔性定形相变 隔热材料。
[0052]所制备的柔性定形相变隔热材料经过20次冷热循环（室温-80°C)前后的焓值变 化，如图1所示，其中，曲线1为冷热循环前，焓值为160J/g，曲线2为20次冷热循环后，焓值为 160J/g。
[0053] 表1实施例1制备的柔性定形相变隔热材料性能
[0054]
[0055] 实施例2:
[0056] (1)将108硅橡胶:丁四醇:气凝胶:正硅酸乙酯:二月桂酸二丁基锡:汽油按质量比 100:300:8:3:1:4称重备用；
[0057] (2)将丁四醇放入130°C烘箱中加热，完全熔融后加入气凝胶混合均匀，冷却后粉 碎至粒径1mm左右；
[0058] (3)使用混炼机将步骤2)中粉碎的相变材料与108硅橡胶混炼至细度小于50μπι，加 入正硅酸乙酯、二月桂酸二丁基锡、汽油混炼至均匀；
[0059] (4)称取300g将混炼好的相变材料均匀放入大小为200 X 200 X 3mm的模具中，使用 模压机对模具室温加压（l_5MPa) 1-2小时，固化完全后脱模即为一种柔性定形相变隔热材 料。
[0060] 实施例3:
[0061 ] (1)将QD-231硅橡胶:二十八烷:气凝胶:KH550:二月桂酸二丁基锡:汽油按质量比 80:200:5:3:2:4称重备用；
[0062] (2)将二十八烷放入80 °C烘箱中加热，完全熔融后加入气凝胶混合均匀，冷却后粉 碎至粒径1mm左右；
[0063] (3)使用混炼机将步骤2)中粉碎的相变材料与QD-231硅橡胶混炼至细度小于50μ m，加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基锡、汽油混炼至均匀；
[0064] (4)称取200g将混炼好的相变材料均匀放入大小为200 X 200 X 3mm的模具中，40°C 加热固化1-2小时，固化完全后脱模即为一种柔性定形相变隔热材料。
[0065] 实施例4:
[0066] (1)将QD-231硅橡胶:二十八烷:气凝胶:KH550:二月桂酸二丁基锡:汽油按质量比 80:200:5:2:1:10称重备用；
[0067] (2)将二十八烷放入80°C烘箱中加热，完全熔融后加入气凝胶混合均匀，冷却后粉 碎至粒径1mm左右；
[0068] (3)使用混炼机将步骤2)中粉碎的相变材料与QD-231硅橡胶混炼至细度小于50μ m，加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基锡、汽油混炼至均匀；
[0069] (4)称取200g将混炼好的相变材料均匀放入大小为200 X 200 X 3mm的模具中，40°C 加热固化1-2小时，固化完全后脱模即为一种柔性定形相变隔热材料。
[0070] 与实施例3相比，由于KH550、二月桂酸二丁基锡含量的降低以及汽油含量的最高， 实施例4所制备的相变隔热材料具有更好的柔韧性。
[0071] 实施例5:
[0072] (1)将QD-231硅橡胶：二十八烷:气凝胶：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基锡:汽油按 质量比80:200:5:3:2:4称重备用；
[0073] (2)将二十八烷放入80°C烘箱中加热，完全熔融后加入气凝胶混合均匀，冷却后粉 碎至粒径1mm左右；
[0074] (3)使用混炼机将步骤2)中粉碎的相变材料与QD-231硅橡胶混炼至细度小于50μ m，加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基锡、汽油混炼至均匀；
[0075] (4)称取200g将混炼好的相变材料均匀放入大小为200 X 200 X 3mm的模具中，40°C 加热固化1-2小时，固化完全后脱模即为一种柔性定形相变隔热材料。
[0076]与实施例3相比，在各组分含量不变的情况下，使用正硅酸乙酯替换KH550,实施例 5所制备的相变隔热材料具有更好的柔韧性。
[0077]本发明并不限于上述各个实施例，经过多次试验，不同相变材料、包覆材料、热导 率调节材料制备定形相变材料效果类似，其变化形式和其他实施例都应在后附的权利要求 的范围内，其效果也是本领域技术人员预见的。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们只 是一般性和描述性的说明，并不是进行限制。
【主权项】
1. 一种柔性定形相变隔热材料，其特征在于：该隔热材料包括相变介质、多孔轻质材 料、助剂和包覆材料;其中， 所述的相变介质烷烃、多元醇或两者的混合物； 所述的多孔轻质材料为气凝胶； 所述的助剂为KH550、二月桂酸二丁基锡、正硅酸乙酯、汽油中的任何一种或两种以上 的混合物； 所述的包覆材料为硅橡胶。2. 根据权利要求1所述的一种柔性定形相变隔热材料，其特征在于:所述的硅橡胶为液 态硅橡胶。3. 根据权利要求1或2所述的一种柔性定形相变隔热材料，其特征在于：以隔热材料的 总质量为100%计算，相变介质的质量含量为50%-90%，多孔轻质材料的质量含量为1%-10%，助剂的质量含量为1 %-10%，包覆材料的质量含量为8%-30%。4. 根据权利要求1所述的一种柔性定形相变隔热材料，其特征在于:所述的烷烃为十四 烷、十六烷、十八烷、二十烷、二十二烷、二十四烷、二十六烷、二十八烷、切片石蜡中的任何 一种或两种以上的混合物。5. 根据权利要求1所述的一种柔性定形相变隔热材料，其特征在于:所述的多元醇为新 戊二醇、三羟甲基乙烷、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、2-硝基-2-甲基-1，3-丙二醇、三羟甲 基硝基甲烷、三羟甲基氨基甲烷、丁四醇、季戊四醇、木糖醇中的任何一种或两种以上的混 合物。6. -种权利要求1所述的柔性定形相变隔热材料的制备方法，其特征在于包括如下步 骤： (1) 首先将相变介质加热熔融，然后加入多孔轻质填料，混合均匀，然后冷却后粉碎； (2) 使用混炼机将步骤（1)粉碎后的产物与包覆材料混炼至一定细度，然后加入助剂 混炼至均匀； (3) 将步骤(2)混炼后的产物使用模压成型、挤出成型或注塑成型的方式成型，然后进 行固化，得到柔性定形相变隔热材料。7. 根据权利要求6所述的一种柔性定形相变隔热材料的制备方法，其特征在于:所述的 步骤(1)中冷却后粉碎的产物的粒径为0.2-2mm。8. 根据权利要求6所述的一种柔性定形相变隔热材料的制备方法，其特征在于:所述的 步骤(2)中混炼至一定细度是指细度小于50μπι。9. 根据权利要求6所述的一种柔性定形相变隔热材料的制备方法，其特征在于:所述的 步骤(3)中固化为常温常压硫化或热压硫化。10. 根据权利要求6所述的一种柔性定形相变隔热材料的制备方法，其特征在于:所述 的相变介质、多孔轻质材料、助剂、包覆材料的质量比为:50%-90% :1%-10%:1%-10%: 8%-30%〇
【文档编号】C09K5/06GK106085367SQ201610438599
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】赵立波, 罗正平, 卢鹉, 李俊峰, 金珂
【申请人】航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院