一种弹性隔热密封材料及其制备方法

一种弹性隔热密封材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种弹性隔热密封材料及其制备方法。所述弹性隔热密封材料包含纤维基体骨架和室温硫化硅橡胶，所述纤维基体骨架由刚性短纤维和柔性长纤维组成。所述方法采用纤维基体作为骨架，室温硫化硅橡胶作为粘接剂，经过纤维基体骨架成型、硅橡胶粘接剂复合、硫化等步骤。本发明的方法简单、操作简便、对环境污染小。所述材料可以在400℃以下应用环境能够保持较好的低密度、高隔热性和弹性以及工艺性能，适用于例如高温应用环境的热密封使用，在航天航空工业、民用工业等领域具有良好的应用前景。
【专利说明】一种弹性隔热密封材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及耐高温热密封材料领域，具体地说，本发明涉及一种耐高温热密封材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]飞行器以极高的速度穿越大气层飞行时，由于其对前方空气的压缩以及与周围空气的摩擦，将有一部分动能转变成空气的热能，使飞行器面临严峻的热环境。在这样的环境下，必须采用性能优异的热防护系统对飞行器进行保护，其中各种部段及活动部位需要在高温下长时间密封，是整个热防护系统内非常关键的环节，因此需要具备耐温隔热性能的密封材料，以阻止热量向内部扩散传递。
[0003]目前，国内外用于隔热密封的材料主要有耐高温密封圈、耐高温膨胀陶瓷、密封胶等，使用的条件多为小于100°c或大于800°C的环境，而本发明涉及的耐高温热密封材料主要针对飞行器内部、温度范围在RT(室温，例如25°C)?400°C的使用环境。该材料采用耐高温纤维基体骨架与耐高温硅橡胶粘接剂复合制成，具有耐温隔热性能良好，密度、弹性可控等优点。其中纤维基体骨架由例如无机纤维例如制成，提供耐温隔热及支撑作用；硅橡胶粘接剂采用能够长时间在400°C或更高温度使用的室温硫化硅橡胶，提供耐温和增强弹性作用。

【发明内容】

[0004]为了解决一个或多个上述问题，本发明提供了一种弹性隔热密封材料及其制备方法。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0006]1、一种弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料包含纤维基体骨架和室温硫化硅橡胶，所述纤维基体骨架由刚性短纤维和柔性长纤维组成。
[0007]2、根据技术方案I所述的方法，其中，所述刚性短纤维为选自由下列材料组成的组中的一种或多种的组合:石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维和硅酸铝纤维；所述柔性长纤维为选自由下列材料组成的组中的一种或多种的组合:石英纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维。
[0008]3、如技术方案I或2所述的弹性隔热密封材料，其中，所述刚性短纤维的直径为3?15 μ m,长度为I?IOmm ;所述柔性长纤维的直径为I?10 μ m,长度为10?50cm。
[0009]4、如技术方案I至3中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述刚性短纤维与柔性长纤维的质量比为1: (0.1?10)。
[0010]5、如技术方案I?4中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，室温硫化硅橡胶选自由耐受400°C以上的硅橡胶。
[0011]6、如技术方案I?5中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述室温硫化硅橡胶选自由KH-CL-RTV硅橡胶和PSN硅橡胶组成的组。[0012]7、如技术方案I至6中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述纤维基体骨架与室温硫化硅橡胶的质量比例为1: (0.5?5)。
[0013]8、如技术方案I至7中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料的压缩率为5?25%，回弹率为50%?90%。
[0014]9、如技术方案I至8中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料的室温(25°C )导热系数为0.03?0.09ff/m.K。
[0015]10、根据技术方案I至9中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料的密度为0.1?0.5g/cm3。
[0016]11、一种制备如技术方案I?10中任一项所述的弹性隔热密封材料的方法，所述方法包括如下步骤:
[0017](I)将刚性短纤维和柔性长纤维混合成型为薄毡，再经过多层铺敷为具有目标厚度的纤维基体骨架；
[0018](2)将所述纤维基体骨架与所述室温硫化硅橡胶复合，得到纤维基体骨架-室温硫化硅橡胶复合材料；和
[0019](3)将所述复合材料进行硫化，得到所述弹性隔热密封材料。
[0020]12、如技术方案11所述的方法，其中，所述复合采用选自由下列方法组成的组中的一种或多种的组合:常压浸溃、真空浸溃和加压浸溃。
[0021]13、如技术方案11或12所述的方法，其中，用以复合的室温硫化硅橡胶为以质量计浓度在5 %?80 %范围内的室温硫化硅橡胶溶液。
[0022]14、如技术方案11至13中任一项所述的方法，其中，所述复合进行一次或多次。
[0023]15、由技术方案11至14中任一项所述的方法制得的弹性隔热密封材料。
[0024]本发明的所述弹性隔热密封材料和方法具有如下优点:
[0025](I)本发明制备的弹性隔热密封材料耐高温性能好，可在400°C以下长期使用；
[0026](2)本发明制备的弹性隔热密封材料导热系数较低，具有较好的隔热性能，室温导热系数为0.03?0.09ff/m.K ；
[0027](3)本发明制备的弹性隔热密封材料具有较好的弹性，且弹性可控，压缩率范围为5?25%，回弹率范围为50%?90% ；
[0028](4)本发明制备的弹性隔热密封材料密度可控，例如可以被控制为0.1?0.5g/cm3之间；
[0029](5)本发明的方法简单、操作简便、对环境污染小；
[0030](6)本发明可以用于制备各种形状规格的构件产品，在航空航天工业及其它高温、需要隔热密封的环境中具有广泛的应用前景。
【具体实施方式】
[0031]本发明提供了一种弹性隔热密封材料，所述弹性隔热密封材料包含纤维基体骨架尤其是耐高温纤维基体骨架，该骨架可以由不同种类不同比例的纤维组成，使得纤维骨架具有不同的耐温性能和热物理性能；包含室温硫化硅橡胶尤其是耐高温室温硫化硅橡胶。此外，本发明还提供了一种制备所述弹性隔热密封材料的方法，所述方法通过调整室温硫化硅橡胶的复合方式、浓度以及复合次数等使得材料可以获得不同的目标力学性能和热物理性能。
[0032]具体地说，本发明在第一方面提供了一种弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料包含纤维基体骨架和室温硫化硅橡胶，并且所述纤维基体骨架由刚性短纤维和柔性长纤维组成。
[0033]本发明对组成纤维基体骨架的纤维类型没有特别限制，前提是所用的纤维需要能够耐受目标使用环境温度。不过，优选的是，所述刚性短纤维为选自由下列材料组成的组中的一种或多种的组合:石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维和硅酸铝纤维；所述柔性长纤维为选自由下列材料组成的组中的一种或多种的组合:石英纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维。另外，所述刚性短纤维和柔性长纤维的化学组成可以相同，例如可以同时为石英纤维；所述刚性短纤维和柔性长纤维的化学组成也可以不同，例如刚性短纤维可以为石英纤维，而柔性长纤维为玄武纤维。
[0034]就刚性短纤维而言，其直径优选为3?15 μ m，例如可以为该范围内的任意直径，例如可以为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15μπι，或者其间的任意子范围，例如5?10μπι、6?8μπι等。长度优选为I?10mm，例如可以为1、2、3、4、5、6、7、8、9或10mm，或者其间的任意子范围，例如2?8mm、4?6mm等。
[0035]就柔性长纤维而言，其直径优选为I?ΙΟμπι，例如可以为3、4、5、6、7、8、9或10 μ m，或者其间的任意子范围，例如2?8 μ m、4?6 μ m等。长度优选为10?50cm，例如10、15、20、25、30、35、40、45或50cm，或者其间的任意子范围，例如可以为15?45cm,20?40cm 等。
[0036]本发明人在为开发弹性隔热密封材料所进行的实验研究中发现，单独使用刚性短纤维或者单独使用柔性长纤维都无法使所获得的材料在保证具有高隔热性、低密度和适当耐温性的同时具有较高的弹性。后来意外的发现，采用刚性短纤维和柔性长纤维的组合并结合适当的室温硫化硅橡胶粘结剂可以解决这样问题，使所得材料在保持上述隔热性、密度和耐温性的同时具有显著较高(相对于单独使用刚性短纤维或柔性长纤维的情况相比)的弹性。
[0037]在一些优选的实施方式中，所述刚性短纤维与柔性长纤维的质量比为1:(0.1?10)，例如为 I:0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、
8.0、9.0或10.0。如果刚性短纤维的比例过大或者柔性长纤维的比例过大，可能无法保证同时实现目标隔热性和弹性。
[0038]对于室温硫化硅橡胶，其在本发明中主要起到粘接剂和提供弹性的作用，因此在本文有时称为硅橡胶粘接剂、硅橡胶或粘接剂。本发明对室温硫化硅橡胶没有特别的限制，但是其必须能够耐受目标使用环境温度，例如25°C至400°C甚至更高的温度。室温硫化硅橡胶可以是市售产品，例如可以KH-CL-RTV硅橡胶和/或PSN硅橡胶。
[0039]在一些实施方式中，所述纤维基体骨架与室温硫化硅橡胶的质量比例优选为1:(0.5 ?5)，例如为 I:0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,2.0,3.0,4.0 或 5.0，该比例过高或过低可能无法实现隔热性和弹性的平衡。
[0040]本发明的所述弹性隔热密封材料的各种性能可以通过调节刚性短纤维和柔性长纤维的比例、室温硫化硅橡胶的用量等进行调节。在一些优选的实施方式中，可以根据需要将所述弹性隔热密封材料制备成压缩率为5?25% (例如可以为5、10、15、20或25%等或者其间的任意子范围)，回弹率为50%?90% (例如可以为50、60、70、80或90% )的材料。另外，也可以将所述弹性隔热密封材料制备成室温(25°C )导热系数为0.03?0.09W/m.K，例如0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08或0.09ff/m.K，或者其间的任意子范围。另外，也可以将所述弹性隔热密封材料制备成密度为0.1?0.5g/cm3，例如可以为0.1,0.2,0.3、
0.4 或 0.5g/cm3。
[0041]在本发明的第二方面，提供了一种制备如上所述的弹性隔热密封材料的方法，所述方法可以包括如下步骤:
[0042](I)将刚性短纤维和柔性长纤维混合成型为薄毡，再经过多层铺敷为具有目标厚度的纤维基体骨架；
[0043](2)将所述纤维基体骨架与所述室温硫化硅橡胶复合，得到纤维基体骨架-室温硫化硅橡胶复合材料；和
[0044](3)将所述复合材料进行硫化，得到所述弹性隔热密封材料。
[0045]在一些实施方式中，所述复合可以通过使用室温硫化硅橡胶溶液浸溃所述纤维基体骨架来进行了，浸溃可以采用选自由下列方法组成的组中的一种或多种的组合:常压浸溃、真空浸溃和加压浸溃，优选的是，从浸溃速度和效果来看，优选使用真空浸溃。浸溃所使用的室温硫化硅橡胶的溶液以质量计的浓度可以为5%?80%，例如可以为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80%，如果浓度过低，可能无法浸溃较大量的室温硫化硅橡胶，从而使得最终所得到的材料的弹性过低；如果浓度过高，可能无法进行充分的浸溃或者浸溃需要过长的时间。另外，本发明对制备所述溶液的溶剂没有特别限制，例如可以为环己烷等。
[0046]另外，所述复合可以进行一次，也可以分多次进行。
[0047]所述方法使用的材料及其比例如本说明书第一方面所述，再次不再赘述。
[0048]在本发明的第三方面，提供了由上述方法值得的弹性隔热密封材料，该弹性隔热密封材料的性能如针对本发明第一方面所述，再次不再赘述。
[0049]另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
[0050]下面结合实施例对本发明作进一步说明。这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。
[0051]本发明各实施例涉及原料均为市场购买。
[0052]实施例1
[0053]制备本发明所述的弹性隔热密封材料，其中，纤维基体骨架由刚性短纤维石英纤维(直径5?8 μ m、长度I?3mm)和柔性长纤维玄武岩纤维(直径I?3 μ m、长度20?25cm)组成，短纤维与长纤维质量比为1:1。粘接剂为硅橡胶KH-CL-RTV。
[0054]首先将刚性短纤维和柔性长纤维混合制成薄毡，再将20层这样的薄毡制成25mm厚度的纤维基体骨架。然后使用真空浸溃(真空度-0.09MPa)的方式将浓度为50%的硅橡胶粘接剂(稀释剂为环己烷)与纤维基体骨架复合2h (小时)，纤维基体骨架与硅橡胶粘接剂质量比为1:0.67，经过室温硫化24h，可以得到弹性隔热密封材料。
[0055]测试样品性能:耐温400 V (400 V处理2h，样品不收缩);密度0.25g/cm3 (GB/T6343-2009);室温导热系数 0.05ff/m.K (GB/T 10295-2008);压缩率 10%、回弹率 75%(GB/T7759-1996)。
[0056]实施例2
[0057]制备本发明所述的弹性隔热密封材料，其中，纤维基体骨架由刚性短纤维石英纤维(直径5?8 μ m、长度I?3mm)和柔性长纤维玄武岩纤维(直径I?3 μ m、长度20?25cm)组成，短纤维与长纤维质量比为1:2。粘接剂为硅橡胶KH-CL-RTV。
[0058]首先将刚性短纤维和柔性长纤维混合制成薄毡，再将20层这样的薄毡制成25mm厚度的纤维基体骨架。然后使用真空浸溃(真空度-0.09MPa)的方式将浓度为50%的硅橡胶粘接剂(稀释剂为环己烷)与纤维基体骨架复合2h，纤维基体骨架与硅橡胶粘接剂质量比为1:0.67，经过室温硫化24h，得到弹性隔热密封材料。
[0059]测试样品性能:耐温400 V (400 V处理2h，样品不收缩);密度0.25g/cm3 (GB/T6343-2009);室温导热系数 0.054W/m.K(GB/T10295-2008);压缩率 10 %、回弹率 81 %(GB/T7759-1996)。
[0060]实施例3?5
[0061]除了表I中所列内容之夕卜，实施例3?5米用与实施例1和2相同的方式实施。
[0062]比较例I
[0063]纤维基体骨架仅使用刚性短纤维石英纤维(直径5?8 μ m、长度I?3mm)制成。粘接剂为硅橡胶KH-CL-RTV。
[0064]首先将刚性短纤维制成薄毡，再将20层这样的薄毡制成25mm厚度的纤维基体骨架。然后使用真空浸溃(真空度-0.09MPa)的方式将浓度为50%的硅橡胶粘接剂(稀释剂为环己烷)与纤维基体骨架复合2h，纤维骨架与硅橡胶粘接剂质量比为1:0.67，经过室温硫化24h，得到弹性隔热密封材料。
[0065]测试样品性能:耐温400 0C (400 °C处理2h，样品不收缩)；密度0.25g/cnT3 (GB/T6343-2009);室温导热系数 0.05W/m.K(GB/T10295-2008);压缩率 10%、回弹率 5%，材料基本无法回弹(GB/T7759-1996)。
[0066]比较例2
[0067]纤维基体骨架仅使用柔性长纤维玄武岩纤维(直径I?3 μ m、长度20?25cm)制成。粘接剂为硅橡胶KH-CL-RTV。
[0068]首先将柔性长纤维制成薄毡，再将20层这样的薄毡制成25mm的纤维基体骨架。然后使用真空浸溃(真空度-0.09MPa)的方式将浓度为50%的硅橡胶粘接剂(稀释剂为环己烷)与纤维基体骨架复合2h，纤维骨架与硅橡胶粘接剂质量比为1:0.67，经过室温硫化24h，得到弹性隔热密封材料。
[0069]测试样品性能:耐温400 0C (400 °C处理2h，样品不收缩);密度0.25g/cm3 (GB/T6343-2009);室温导热系数0.1 Off/m.K (GB/T10295-2008)，隔热性能降低；压缩率10%、回弹率30% (GB/T7759-1996)，材料回弹性能差。
[0070]比较例3
[0071]纤维基体骨架由刚性短纤维石英纤维(直径5?8μπκ长度I?3_)和柔性长纤维玄武岩纤维(直径I?3 μ m、长度20?25cm)组成，短纤维与长纤维质量比为1:1。粘接剂为硅橡胶KH-CL-RTV。
[0072]首先将刚性短纤维和柔性长纤维混合制成薄毡，再将20层这样的薄毡制成25mm的纤维基体骨架。然后使用真空浸溃(真空度-0.09MPa)的方式将浓度为50%的硅橡胶粘接剂(稀释剂为环己烷)与纤维基体骨架复合2h，纤维骨架与硅橡胶粘接剂质量比为1:10，经过室温硫化24h，得到弹性隔热密封材料。
[0073]测试样品性能:耐温400 V (400 °C处理2h，样品不收缩);密度0.6g/cm3 (GB/T6343-2009);室温导热系数0.2W/m.K(GB/T10295-2008)，隔热性能降低；压缩率10%、回弹率 90% (GB/T7759-1996)。
[0074]比较例4
[0075]纤维基体骨架为刚性短纤维石英纤维(直径5?8 μ m、长度I?3_)和柔性长纤维玄武岩纤维(直径I?3 μ m、长度20?25cm)组成，短纤维与长纤维质量比为1:1。粘接剂为硅橡胶KH-CL-RTV。
[0076]首先将刚性短纤维和柔性长纤维混合制成薄毡，再将20层这样的薄毡制成25mm厚度的纤维基体骨架。然后使用真空浸溃(真空度-0.09MPa)的方式将浓度为50%的硅橡胶粘接剂(稀释剂为环己烷)与纤维基体骨架复合2h，纤维骨架与硅橡胶粘接剂质量比为1:0.1，经过室温硫化24h，可以得到弹性隔热密封材料。
[0077]测试样品性能:耐温400 V (400 °C处理2h，样品不收缩);密度0.2g/cm3 (GB/T6343-2009);室温导热系数 0.05W/m.K(GB/T10295-2008);压缩率 10%、回弹率 10% (GB/T7759-1996)，材料回弹性能差。
[0078]实施例6?10
[0079]除了表I中所列内容之外，实施例6?10采用与实施例1和2相同的方式实施。
【权利要求】
1.一种弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料包含纤维基体骨架和室温硫化硅橡胶，所述纤维基体骨架由刚性短纤维和柔性长纤维组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述刚性短纤维为选自由下列材料组成的组中的一种或多种的组合:石英纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维和硅酸铝纤维；所述柔性长纤维为选自由下列材料组成的组中的一种或多种的组合:石英纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维。
3.如权利要求1或2所述的弹性隔热密封材料，其中，所述刚性短纤维的直径为3~15 μ m,长度为1~IOmm ;所述柔性长纤维的直径为1~10 μ m，长度为10~50cm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述刚性短纤维与柔性长纤维的质量比为1:(0.1~10)。
5.如权利要求1~4中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述室温硫化硅橡胶选自由KH-CL-RTV硅橡胶和PSN硅橡胶组成的组。
6.如权利要求1至5中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述纤维基体骨架与室温硫化硅橡胶的质量比例为1: (0.5~5)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的弹性隔热密封材料，其中，所述弹性隔热密封材料的压缩率为5~25%，回弹率为50%~90%;优选的是，所述弹性隔热密封材料的室温导热系数为0.03~0.09ff/m.K ;更优选的是，所述弹性隔热密封材料的密度为0.1~0.5g/cm3。
8.一种制备如权利要求1~7中任一项所述的弹性隔热密封材料的方法，所述方法包括如下步骤:(1)将刚性短纤维和柔性长纤维混合成型为薄毡，再经过多层铺敷为具有目标厚度的纤维基体骨架；(2)将所述纤维基体骨架与所述室温硫化硅橡胶复合，得到纤维基体骨架-室温硫化硅橡胶复合材料；和(3)将所述复合材料进行硫化，得到所述弹性隔热密封材料。
9.如权利要求8所述的方法，其中，用以复合的室温硫化硅橡胶为以质量计浓度在5%~80 %范围内的室温硫化硅橡胶溶液。
10.由权利要求8或9所述的方法制得的弹性隔热密封材料。
【文档编号】B32B25/10GK103600530SQ201310573136
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】宋寒, 邹军锋, 赵小玲, 张昊, 詹万初 申请人:航天特种材料及工艺技术研究所