一種剛性結(jié)構(gòu)增強酚醛氣凝膠熱屏蔽材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種高溫熱屏蔽材料的制備方法，在火箭發(fā)動機的高溫隔熱以及飛船返回過程中的燒蝕防熱方面具有很好的應(yīng)用價值。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠是一種具有獨特性質(zhì)的超低密度、非晶態(tài)、納米多孔材料，其孔洞率達到80%一99.8%，孔洞的典型尺寸在I?lOOnm，密度最低能達到3kg/m3。納米孔結(jié)構(gòu)使得該材料具有極低的熱導(dǎo)率，最低可達0.013w/m.K，因此具有廣泛的隔熱保溫應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有氣凝膠主要分為有機氣凝膠和無機氣凝膠，其中無機氣凝膠主要成分為S12(二氧化硅)，這種類型的氣凝膠使用溫度不超過700°C，當溫度較高時，例如火箭發(fā)動機高溫部件溫度達到上千度甚至更高，這種無機氣凝膠會產(chǎn)生燒結(jié)引起收縮、微結(jié)構(gòu)破壞，從而失去隔熱性能。而有機氣凝膠(酚醛氣凝膠)在高溫作用下不會發(fā)生燒結(jié)收縮，而是進行碳化反應(yīng)，生成碳氣凝膠，這種碳氣凝膠能夠滿足上千度保溫要求。因此，在超高溫領(lǐng)域酚醛氣凝膠具有其獨特優(yōu)勢。
[0004]目前，酚醛氣凝膠材料最顯著的缺點就是力學(xué)性能低，限制了其使用范圍，需要通過多種增強方式來提高材料強度，滿足使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服酚醛氣凝膠自身力學(xué)性能低的缺點，提供了一種采用剛性結(jié)構(gòu)來提高酚醛氣凝膠材料強度的酚醛氣凝膠熱屏蔽材料制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種剛性結(jié)構(gòu)增強酚醛氣凝膠熱屏蔽材料的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)將酚醛樹脂溶于溶劑中，充分攪拌均勻后形成酚醛質(zhì)量含量為5%?50%的酚醛溶液，將酚醛溶液倒入真空浸漬容器內(nèi)；接著將三維纖維結(jié)構(gòu)放置在真空浸漬容器內(nèi)，并壓入到酚醛溶液中，使酚醛溶液完全淹沒三維纖維結(jié)構(gòu)；
[0008](2)對真空浸漬容器進行抽真空，進行真空浸漬；
[0009](3)將浸漬完酚醛溶液的三維纖維結(jié)構(gòu)從真空浸漬容器中取出，靜置至沒有酚醛溶液流出，然后將三維纖維結(jié)構(gòu)放入烘箱中進行干燥固化形成剛性三維纖維結(jié)構(gòu)；
[0010](4)在真空浸漬容器中將間苯二酚、糠醛以及氫氧化鈉按摩爾比為1:(0.02?
0.1): (2.5?3)溶于乙醇中，形成濃度為30%?50%的反應(yīng)物溶液；
[0011](5)將步驟(3)制備完的剛性三維纖維結(jié)構(gòu)放入真空浸漬容器中，并使反應(yīng)物溶液淹沒剛性三維纖維結(jié)構(gòu)；
[0012](6)對真空浸漬容器進行抽真空，進行真空浸漬；
[0013](7)將真空浸漬容器置于烘箱中進行凝膠；
[0014](8)打開真空浸漬容器的密封蓋，將含有凝膠的三維纖維結(jié)構(gòu)從真空浸漬容器中取出；
[0015](9)將含有凝膠的三維纖維結(jié)構(gòu)放入到真空干燥過濾系統(tǒng)中，封閉系統(tǒng);然后將真空干燥過濾系統(tǒng)放入烘箱中，進行真空干燥;真空干燥結(jié)束后，完成剛性結(jié)構(gòu)增強酚醛氣凝膠熱屏蔽材料的制備。
[0016]所述的三維纖維結(jié)構(gòu)為纖維具有三維方向分布的材料，包括三維纖維針刺結(jié)構(gòu)和三維纖維編織結(jié)構(gòu)。
[0017]所述的溶劑為乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃或者乙二醇。
[0018]所述步驟(2)中的真空浸漬方法為:使得真空浸漬容器內(nèi)的壓力在6kPa?20kPa之間，并保持壓力5?20分鐘，完成后打開真空浸漬容器的密封蓋，然后再靜置5?20分鐘。
[0019]所述步驟(3)中的干燥固化方法為:將烘箱加熱至50°C?190°C溫度范圍干燥I?3小時，然后再在150 °C?200 °C溫度范圍內(nèi)固化2小時。
[0020]所述步驟(6)中的真空浸漬方法為:使得真空浸漬容器內(nèi)壓力為lOkPa，保持壓力10分鐘，完成后打開真空浸漬容器的密封蓋，然后再靜置10分鐘。
[0021]所述步驟(7)的凝膠溫度范圍為60°C?80°C，保溫時間為3?7天。
[0022]所述步驟(9)中的真空干燥溫度范圍為60°C?80°C，真空壓力為4kPa，真空干燥時間為3?7天。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0024](I)本發(fā)明采用剛性三維纖維結(jié)構(gòu)增強酚醛樹脂氣凝膠，這種結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的酚醛氣凝膠材料相比，具有強度高、尺寸穩(wěn)定性強的優(yōu)勢;而且相比于氣凝膠結(jié)構(gòu)不可加工的問題，這種材料可以進行任何方式的機械加工成型，解決了酚醛氣凝膠很難大規(guī)模工程應(yīng)用的難題；
[0025](2)本發(fā)明采用了真空浸漬方式，能夠確保溶液充分的浸漬到材料內(nèi)的孔隙中，確保材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻；
[0026](3)本發(fā)明采用了真空干燥過濾系統(tǒng)，這種干燥過濾方式能夠快速的將材料內(nèi)的溶劑蒸發(fā)出來，并將揮發(fā)出的溶劑以及水蒸氣進行過濾處理，整個生產(chǎn)過程均處于封閉環(huán)境，無污染排放，滿足綠色制造；
[0027](4)本發(fā)明中酚醛濃度5%?50%，通過調(diào)整不同的樹脂濃度可以滿足對產(chǎn)品微孔結(jié)構(gòu)的控制，滿足力-熱性能的可設(shè)計要求；
[0028](5)本發(fā)明中采用了 6KPa_20KPa的真空壓力，可以滿足不同溶劑在此壓力范圍內(nèi)的真空浸漬工藝要求，而不發(fā)生沸騰現(xiàn)象；
[0029](6)本發(fā)明中氣凝膠反應(yīng)物濃度30%?50%，不同的濃度可以滿足不同隔熱效果和密度變化需求；
[0030](7)本發(fā)明制備方法中操作簡便，對操作場地要求低，易于實現(xiàn)，具有較強的實用性；
[0031](8)本發(fā)明制備方法中工藝參數(shù)可控，產(chǎn)品成型尺寸不受限制，適合各種復(fù)雜構(gòu)型的氣凝膠產(chǎn)品制造，能夠滿足各行各業(yè)對高性能氣凝膠產(chǎn)品生產(chǎn)需求，具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明采用剛性纖維結(jié)構(gòu)作為增強體，將酚醛氣凝膠材料填充到纖維結(jié)構(gòu)中去形成了一種剛性結(jié)構(gòu)增強酚醛氣凝膠熱屏蔽材料。
[0034]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。首先在真空浸漬容器中將酚醛樹脂溶于溶劑中形成酚醛溶液，接著將三維針刺纖維結(jié)構(gòu)壓入到酚醛樹脂溶液中去，合上真空浸漬容器密封蓋后進行抽真空。一段時間后，打開密封蓋與外界保持氣壓通暢，靜置一段時間。然后取出三維纖維結(jié)構(gòu)，待無溶液流出后放入烘箱中，進行烘干，然后高溫固化形成一種剛性的三維纖維結(jié)構(gòu)。接著在真空浸漬容器中將間苯二酚、糠醛、乙醇以及氫氧化鈉按比例混合均勻形成反應(yīng)物溶液，然后將固化完的三維纖維結(jié)構(gòu)壓入到溶液中去，合上真空浸漬容器密封蓋并抽真空，保持一段時間后，將真空浸漬容器放入烘箱中進行溶膠-凝膠。當樹脂完成凝膠后將含有凝膠的三維纖維結(jié)構(gòu)取出放入真空干燥過濾系統(tǒng)進行干燥除溶劑。最后，干燥完成后得到剛性結(jié)構(gòu)增強的酚醛氣凝膠產(chǎn)品。
[0035]這里的三維纖維結(jié)構(gòu)是指纖維具有三維方向分布的材料，包括三維纖維針刺結(jié)構(gòu)和三維纖維編織結(jié)構(gòu)。
[0036]這里的酚醛樹脂溶液為:將酚醛樹脂溶于溶劑中形成質(zhì)量含量為5%?50%的酚醛溶液。溶劑包括乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃、乙二醇。
[0037]真空干燥過濾系統(tǒng)為帶有抽真空接口的密閉容器，該容器可打開、閉合，閉合后為封閉環(huán)境，容器內(nèi)環(huán)境不會與周圍環(huán)境發(fā)生氣液交換。容器與抽真空接口之間裝有溶劑過濾裝置，能夠過濾掉溶劑和水蒸氣。
[0038]本發(fā)明方法的具體步驟如下:
[0039](I)剛性骨架成型
[0040]a、將酚醛樹脂溶于溶劑中，充分攪拌均勻后形成酚醛質(zhì)量含量為5%?50%的酚醛溶液，將酚醛溶液倒入真空浸漬容器內(nèi)；酚醛溶液主要作為剛性骨架的樹脂基體，當溶液濃度低于5 %時由于樹脂基體含量太少，會導(dǎo)致骨架強度過低無法成型;若濃度超過50 %，溶液粘度過大，首先不利于溶液的均勻浸漬;其次，高濃度樹脂在纖維中形成的基體會阻礙后續(xù)反應(yīng)物的進一步浸漬。所以，酚醛樹脂溶液濃度選擇為5%?50%。
[0041]接著將三維纖維結(jié)構(gòu)放置在真空浸漬容器內(nèi)，并壓入到酚醛溶液中，使溶液完全淹沒三維纖維結(jié)構(gòu)；
[0042]b、將真空浸漬密封蓋與真空浸漬容器閉合固定后進行抽真空，使得真空浸漬容器內(nèi)壓力為6kPa?20kPa，保持壓力5?20分鐘，完成后打開密封蓋，靜置5?20分鐘;在室溫下進行抽真空，當真空壓力低于溶劑表面飽和蒸汽壓時，溶劑會發(fā)生沸騰，為了避免溶劑沸騰影響浸漬，真空壓力需要控制在飽和蒸氣壓以上，因此根據(jù)不同溶劑飽和蒸汽壓選擇了真空壓力為6kPa?20kPa，當真空壓力低時，浸漬速度快，反之浸漬速度慢，因此根據(jù)真空壓力選擇保壓時間為5?20分鐘。
[0043]C、將浸漬完的三維纖維結(jié)構(gòu)從真空浸漬容器中取出，靜置至沒有溶液從纖維中流出，然后將三維纖維結(jié)構(gòu)放入烘箱中加熱至50°C?190°C溫度范圍干燥I?3小時，再在150°C?200°C溫度范圍內(nèi)固化2小時形成剛性三維纖維結(jié)構(gòu)。不同的溶劑揮發(fā)特性不同，對于乙醇、異丙醇可以進行較低溫度快速烘干，對于乙二醇則需要高溫長時間烘干，因此根據(jù)烘干溫度和溶劑揮發(fā)速率，選擇溫度50°C?190°C，時間I?3小時。
[0044](2)剛性氣凝膠成型
[0045]d、在真空浸漬容器中將間苯二