专利名称：一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料及其制备方法
一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料及其制备方法本发明涉及纳米绝热材料领域，具体地说是一种用于飞机黑匣子的隔热阻燃防潮材料及其制备方法。飞机黑匣子是在飞机事故后调查事故原因最重要的依据，飞机事故后几乎所有的飞机都会起火燃烧，为了保存黑匣子中的数据，黑匣子构成材料中使用超高绝热材料是必须的，要求黑匣子在受到撞击后隔热效果不能降低。隔热材料，又称为绝热材料，指能阻滞热流传递的材料，属于功能材料。随着社会经济的发展，全球的能源消耗急剧上升，能源的紧缺已成为世界范围性的问题。而节约能源最有效的措施之一就是采用新技术、新工艺开发环境友好型高效隔热材料。在工业中采用良好的保温隔热材料有利于减少产品能耗，降低生产成本，减小隔热层体积从而减小设备设施的体积，达到美观协调的效果，具有很大的社会经济效益。在军工领域，特别是使用环境苛刻的航空航天方面，要求隔热材料具有耐高温、轻质、高效、高稳定性等一系列性能。具体如高超声速飞行器长时高速飞行要求其热防护系统能承受更高热流、更高温度、零烧蚀、高可靠性以及轻质高效等，而其热防护系统的关键技术之一就是在防热结构内部设置轻质高效的隔热材料和结构。另外，战略导弹、军用热电池、飞机发动机、装甲车辆、军舰、核潜艇、鱼雷等军事装备也对耐高温、轻质、高效可靠的隔热材料提出了需求。目前，传统的隔热材料难以满足民用高效节能以及军用装备等对隔热材料提出的更高要求。因此，开展耐高温、轻质、高效隔热的纳米多孔隔热复合材料及其构件研制技术的研究，无论对于民用还是军用装备都具有重要的现实意义。该发明之纳米多孔二氧化硅隔热阻燃防潮复合材料具有低导热系数、良好力学性能、低密度、易加工等优点，在航天飞行器热防护系统、黑匣子热防护系统、军用热电池以及热力、化工、冶金、消防等领域都具有广阔的应用前景。二氧化硅凝聚物是一种分散介质为气体的凝聚物材料，是由胶体粒子或高聚物分子相互聚合构成纳米多孔网络结构，其固体相和孔隙结构均为纳米量级。二氧化硅凝聚物是目前世界上密度较小、质量较轻、硬度较高且强度较大的固体材料；它还是目前世界上热导率最小的固体材料，室温真空热导率可达到0. OOlff -m-1 ^―1，最高能承受1400°C的高温； 且其折射率在一定范围内连续可调。气凝聚物的孔隙率高达80. 0 % 99. 8 %，孔洞尺寸在 1 IOOnm之间，比表面积高达200 IOOOm2 ^、密度变化范围为3 600kg ·πΓ3，尽管密度如此之低，也能承受高于它本身重量500 4000倍的应力。由于其超低的折射率、低的弹性模量、低声阻抗、低热导率、强吸附性、典型的分形结构等性能特征，在热学、光学、电学、 声学、力学和分形学等领域都表现出很好的应用价值。在应用方面，它已被应用于Cerenkov 探测器、声阻抗耦合材料、催化剂及载体、高效隔热材料及制备高效可充电电池等。俄罗斯 “和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上都用到了 S^2气凝聚物。
国内尚没有一家能够生产机械强度足够且能保证防潮的气凝聚物绝热产品厂家。 虽然气凝聚物有如此广泛的用途，却一直只在国家航空航天上被尝试使用，主要原因就是达不到足够的强度。本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种飞机用黑匣子隔热阻燃防潮材料及其制备方法，制备出一种强度增加到该类材料使用标准、低密度、隔热性能良好并且疏水防潮的硅气凝聚物。为了实现上述目的，设计一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料，包括二氧化硅为主体的隔热材料，其特征在于由纳米多孔二氧化硅凝聚物、红外遮光剂、增强纤维毡、增强纤维纸组成，按照质量比纳米多孔二氧化硅凝聚物1 红外遮光剂0. 1-0. 3 增强纤维 m 0. 5-3 增强纤维纸0. 1-0. 3配比。所述的增强纤维毡和增强纤维纸的材料可以为石英纤维或高硅氧纤维或玻璃纤维或者碳纤维或者硅酸铝纤维。所述的增强纤维优选连续纤维体，所述的连续纤维体是纤维毡、纸或纤维预制件; 纤维体密度低于0. lg/cm3。纳米多孔二氧化硅凝聚物的制备方法采用硅质原料为前驱体，分两个步骤用酸性催化剂、碱性催化剂、常用溶剂，按照成型密度比例，通过水解、缩合反应制得凝聚物，在成凝聚物前通过浸渍工艺与纤维混合，经过表面处理和溶剂置换工序，最后经过超临界流体干燥制得，具体步骤如下1)通过两步法制备醇溶胶以正硅酸酯前驱体，加入适量溶剂混合均勻，通过两步酸碱催化剂制得醇溶胶；2)在模具中放置纤维纸和纤维毡或纤维预制件，通过由底部渗浸工艺将醇溶胶倒入上述纤维材料；对于隔热要求高的材料，适量添加遮光剂；3)凝聚物的老化处理纤维与溶胶复合成凝聚物后，纳米颗粒结构细小，强度低， 通过老化处理，凝聚物网络结构继续长大，使硅源中含有的si成分充分与水反应，达到 Si-O键饱和，使醇凝聚物表面变粗更趋于光滑，总体比表面积下降，网络的孔径分布更加均勻；4)凝聚物疏水处理；成型的醇凝聚物表面布满-0H，吸水性强，潮湿环境下，会造成表面塌陷影响使用，通过硅氧烷化剂与凝聚物发生表面羧基反应，从而使凝聚物表面具有憎水性，反应式和结构式如下
权利要求
1.一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料，包括二氧化硅为主体的隔热材料，其特征在于由纳米多孔二氧化硅凝聚物、红外遮光剂、增强纤维毡、增强纤维纸组成，按照质量比纳米多孔二氧化硅凝聚物1 红外遮光剂0. 1-0. 3 增强纤维毡0.5-3 增强纤维纸 0. 1-0. 3 配比。
2.如权利要求1所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料，其特征在于所述的增强纤维毡和增强纤维纸的材料可以为石英纤维或高硅氧纤维或玻璃纤维或者碳纤维或者硅酸铝纤维。
3.如权利要求1或2所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料，其特征在于所述的增强纤维优选连续纤维体，所述的连续纤维体是纤维毡、纸或纤维预制件；纤维体密度低于 0. lg/cm3。
4.一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于纳米多孔二氧化硅凝聚物的制备方法采用硅质原料为前驱体，分两个步骤用酸性催化剂、碱性催化剂、常用溶剂，按照成型密度比例，通过水解、缩合反应制得凝聚物，在成凝聚物前通过浸渍工艺与纤维混合，经过表面处理和溶剂置换工序，最后经过超临界流体干燥制得，具体步骤如下1)通过两步法制备醇溶胶以正硅酸酯前驱体，加入适量溶剂混合均勻，通过两步酸碱催化剂制得醇溶胶；2)在模具中放置纤维纸和纤维毡或纤维预制件，通过由底部渗浸工艺将醇溶胶倒入上述纤维材料；对于隔热要求高的材料，适量添加遮光剂；3)凝聚物的老化处理纤维与溶胶复合成凝聚物后，纳米颗粒结构细小，强度低，通过老化处理，凝聚物网络结构继续长大，使硅源中含有的si成分充分与水反应，达到si-o键饱和，使醇凝聚物表面变粗更趋于光滑，总体比表面积下降，网络的孔径分布更加均勻；4)凝聚物疏水处理；成型的醇凝聚物表面布满-0H，吸水性强，潮湿环境下，会造成表面塌陷影响使用，通过硅氧烷化剂与凝聚物发生表面羧基反应，从而使凝聚物表面具有憎水性，反应式和结构式如下
5.如权利要求4所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于所述硅质原料前驱体为正硅酸酯或多聚硅烷或硅溶胶。
6.如权利要求4所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于所述正硅酸酯采用正硅酸乙酯TEOS或正硅酸甲酯TMOS或者硅酸丙酯。
7.如权利要求4所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于所述的酸性催化剂为草酸、冰醋酸、盐酸、硫酸、氢氟酸、硝酸，酸性催化剂与硅源的物质的量配比为1 6 1。
8.如权利要求4所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于所述的碱性催化剂可为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇钠、甲醇钠，碱性催化剂与硅源的物质的量配比为1 5 1。
9.如权利要求4所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于所述的常用溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇，与硅源的物质的量配比为1 3 50。
10.如权利要求4所述的一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料的制备方法，其特征在于所述的遮光剂可为TiO2、！^e2O3、炭黑或能降低红外辐射的材料，遮光剂与硅源中硅含量物质的量之比为0.1 1 1。
全文摘要
本发明涉及纳米绝热材料领域，具体地说是一种用于飞机黑匣子隔热阻燃防潮材料及其制备方法，其特征在于由纳米多孔二氧化硅凝聚物、红外遮光剂、增强纤维毡、增强纤维纸组成，按照质量比纳米多孔二氧化硅凝聚物1∶红外遮光剂0.1-0.3∶增强纤维毡0.5-3∶增强纤维纸0.1-0.3配比。本发明与现有技术相比，原料纯度高，形成的凝聚物骨架结构好，通过使用纤维纸来增强硅凝聚物的强度，并能很好的避免凝聚物因为内部表面张力引起的外部破裂，在石油管道，机械高温部件隔热，能源，建筑，及防火防磁方面已有较大规模应用，本发明产品在室温真空热导率可达到0.001W·m-1·K-1，节能降耗。
文档编号G07C5/00GK102181296SQ20111003670
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月12日 优先权日2011年2月12日
发明者吴文婷, 曹学磊, 郝金梁 申请人:上海贝威科技有限公司