一种轻质、冲击防护、阻燃、隔热的复合材料及其制备方法

本发明属于多功能防护材料领域，具体涉及一种轻质、冲击防护、阻燃、隔热的复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、安全防护一直是科学研究的热点，与此同时，自然灾害、战争的发生，使得智能化多功能防护材料的设计具有重要意义。通过向单功能防护材料中引入多功能填料，赋予其新性能，从而应对多种外界刺激是制备多功能防护材料的一种常见方法。不同填料的开发有效实现了单功能防护材料性能的多样化。

2、剪切变硬材料作为一种具有独特率相关性能的优异防护材料，为冲击防护提供了一种可行的策略。公开号为cn115769920a的中国专利公开了一种具有力、热双重防护功能的智能防护衣的制备方法，通过可弯曲膨胀的智能夹层结构，实现了力防护和保温隔热功能。公开号为cn201402100的中国专利公开了一种由剪切增稠液浸渍纤维得到的防弹衣，满足了舒适防护要求。公开号为cn207252840u的中国专利公开了一种含剪切增稠凝胶的聚氨酯发泡材料与发泡硅橡胶结合制备的高缓冲护膝，可以对穿戴者提供优异的防护性能。然而，单一功能的防护材料在很大程度上限制了其应用范围。

3、另一方面，复合材料的舒适性一直是研究者关心的问题。公开号为cn204335927u的中国专利公开了一种利用剪切增稠液的防护性能制备的舒适型安全帽。然而，所研发的设备笨重，对佩戴者造成负担仍是亟待解决的问题。多孔结构是实现质量降低的有效方式，其典型代表泡沫，作为常见的多孔化轻质材料，在当前社会是一种需求量很大的产品。然而大多数商业泡沫通常由石油基塑料制成，由于耐火性差，火灾安全成为其使用的一个严重问题。因此，开发具有阻燃性能的轻质化防护复合材料具有深远意义。

4、从目前的专利来看，能够同时对外界刺激实现防护功能的舒适型多功能防护材料的探究极其缺乏。并且大部分复合材料制备工艺复杂、成本昂贵，因此，开发轻质、冲击防护、阻燃、隔热的多功能复合材料对于科学研究和生产生活具有深远意义。

技术实现思路

1、本发明改进传统技术的不足，提供一种轻质、冲击防护、阻燃、隔热的复合材料及其制备方法。所述复合材料具有轻质、能量吸收、阻燃、隔热的多功能防护特性，展现了良好的能量耗散作用及对外界热量传输的抑制能力，具有对外界冲击、火焰冲击、变温刺激的协同防护性能。特别地，所述复合材料所需原材料易得、价格低廉、制备工艺简单。基于此，该材料可以保护使用者免受多种外界刺激伤害，在多功能轻量化防护材料领域具有较大的潜力。

2、一种轻质、冲击防护、阻燃、隔热的复合材料，所述复合材料由微球发泡剂、可膨胀石墨分散于剪切变硬弹性体基体制备而成。

3、具体来说，本发明通过如下技术方案实现：

4、一种轻质、冲击防护、阻燃、隔热的复合材料，所述复合材料是由包含未硫化剪切变硬胶弹性体、微球发泡剂和可膨胀石墨的混合物经高温高压和高温发泡处理制备而成；所述未硫化剪切变硬胶弹性体由包含剪切变硬胶、硅橡胶和硫化剂的混合物形成。

5、进一步地，所述剪切变硬胶是由硼化物和硅油经150摄氏度至200摄氏度温度下聚合得到的产物。例如，所述剪切变硬胶是由硼化物和硅油经150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃温度下聚合得到的产物。

6、进一步地，所述硼化物选自硼酸、氧化硼、硼酸盐或卤化硼的一种或者多种；优选地，所述硅油与硼化物的质量比为5:1、6:1、7:1、8:1、10:1、12:1、14:1、16:1、18:1、20:1、22:1、24:1、26:1、28:1、30:1、32:1、34:1、36:1、38:1或40:1。

7、进一步地，所述微球发泡剂由外壳和内核组成的具有核壳结构的热膨胀微球，所述外壳为聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酰胺中的一种或多种，所述内核为碳氢化合物。

8、进一步地，所述硫化剂为过氧化苯甲酰。

9、进一步地，所述高温高压是在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120摄氏度下，10兆帕、11兆帕、13兆帕、15兆帕、17兆帕、19兆帕、20兆帕、22兆帕、24兆帕或25兆帕下进行的，所述高温发泡处理是在150摄氏度、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃或250摄氏度下进行的。

10、进一步地，剪切变硬胶：硅橡胶：硫化剂的质量比为25～175:15～75:1～3；例如，剪切变硬胶：硅橡胶：硫化剂的质量比为25～175:15～75:1～3、30～175:15～75:1～3、35～175:15～75:1～3、40～175:15～75:1～3、45～175:15～75:1～3、50～175:15～75:1～3、55～175:15～75:1～3、60～175:15～75:1～3、65～175:15～75:1～3、70～175:15～75:1～3、75～175:15～75:1～3、80～175:15～75:1～3、85～175:15～75:1～3、90～175:15～75:1～3、95～175:15～75:1～3、100～175:15～75:1～3、105～175:15～75:1～3、110～175:15～75:1～3、115～175:15～75:1～3、120～175:15～75:1～3、125～175:15～75:1～3、130～175:15～75:1～3、135～175:15～75:1～3、140～175:15～75:1～3、145～175:15～75:1～3、150～175:15～75:1～3、155～175:15～75:1～3、160～175:15～75:1～3、165～175:15～75:1～3或170～175:15～75:1～3。优选地，剪切变硬胶：硅橡胶：硫化剂的质量比为25～175:15～75:2或35:15:2。

11、进一步地，以未硫化剪切变硬胶弹性体、微球发泡剂和可膨胀石墨总质量计，微球发泡剂质量分数为5％～25％(例如，微球发泡剂质量分数为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％)，可膨胀石墨的质量分数为5％～30％(例如，可膨胀石墨的质量分数为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％。

12、一种制备如上任一项所述的复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：

13、a.将硼化物加入硅油中混合并在150～200℃(例如，在150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200)下聚合；

14、b.将步骤a中获得的反应产物冷却至室温获得剪切变硬胶；

15、c.将步骤b中获得的剪切变硬胶、硅橡胶和硫化剂混合得到未硫化剪切变硬弹性体，将未硫化剪切变硬弹性体、微球发泡剂和可膨胀石墨混合均匀；

16、d.将步骤c中获得的产物在高温高压下进行硫化；

17、e.将步骤d中获得的产物进行高温发泡处理；

18、f.将步骤e中获得的产物冷却至室温。

19、进一步地，所述剪切变硬弹性体是由剪切变硬胶与硅橡胶、过氧化苯甲酰硫化得到的产物。

20、进一步地，所述剪切变硬胶是由硼化物和硅油经高温聚合得到的产物。

21、进一步地，所述硼化物为硼酸、氧化硼、硼酸盐或卤化硼的一种或者多种；优选地，所述硅油与硼化物的质量比为5:1到40:1。

22、进一步地，所述复合材料的硫化温度为50摄氏度至120摄氏度，硫化压强在10兆帕至25兆帕。

23、制备如上所述的复合材料的方法包括以下步骤：

24、a.将硼化物加入羟基硅油中混合；

25、b.将步骤a中获得的混合物在高温下多次搅拌；

26、c.将步骤b中获得的产物冷却至室温获得剪切变硬胶；

27、d.将步骤c中获得的剪切变硬胶与硅橡胶，过氧化苯甲酰，微球发泡剂，可膨胀石墨混合均匀；

28、e.将步骤d中获得的产物在高温高压下进行硫化；

29、f.将步骤e获得的产物进行高温发泡处理；

30、g.将步骤f中获得的产物冷却至室温。

31、本发明具有如下有益效果：

32、所述复合材料具有轻质、能量吸收、阻燃、隔热的多功能防护特性，展现了良好的能量耗散作用及对外界热量传输的抑制能力，具有对外界冲击、火焰冲击、变温刺激的协同防护性能。所述复合材料能够隔绝100摄氏度高温至54.7摄氏度，同时在-103摄氏度的低温下维持温度在-66摄氏度。在外界冲击高度为50厘米时表现出高达2.6焦耳/克的单位质量吸收能量的性能。此外，所述复合材料可以抵抗火焰冲击，最大热释放速率可从390千瓦/平方米降低至109千瓦/平方米。特别地，所述复合材料所需原材料易得、价格低廉、制备工艺简单。基于此，该材料可以保护使用者免受多种外界刺激伤害，在多功能轻量化防护材料领域具有较大的潜力。