一種輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料的制備方法，是以輕質(zhì)、高孔隙率、低熱導(dǎo)率的氣凝膠納米顆粒為異相成核劑和保溫功能粒子添加劑，聚合物PMMA為基體制成的。該方法包括以下的步驟：(1)氣凝膠/PMMA復(fù)合材料的制備；(2)氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料的制備。本發(fā)明所制備的泡沫復(fù)合材料，密度為0.35～0.44g/cm3，常溫測試條件下其壓縮強(qiáng)度為15.19～19.92MPa，彎曲強(qiáng)度為15.53～22.24MPa，熱導(dǎo)率為0.052～0.091W/(m·K)，且微觀形貌可控，制備工藝簡單，易操作，成本較低，可用作保溫和結(jié)構(gòu)材料，在建筑節(jié)能和航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沬復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，可用作保溫和結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于建筑節(jié)能、航天等領(lǐng)域。特別是摻入氣凝膠顆粒，并采用超臨界流體發(fā)泡的方法在復(fù)合材料中引入微米和納米多級(jí)泡孔，降低聚合物基體的導(dǎo)熱率，增強(qiáng)其力學(xué)性能。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，能源及環(huán)境保護(hù)問題突出，因此對(duì)高效隔熱保溫材料的需求越來越大。泡沫是傳統(tǒng)的保溫材料，而無機(jī)/聚合物基泡沫材料將無機(jī)物和有機(jī)聚合物的特性結(jié)合起來，為制備保溫材料提供新的途徑。采用密煉擠出熔融混合的方法，將適量的氣凝膠顆粒均勻分散在聚合物基體中，再利用超臨界流體發(fā)泡技術(shù)制備泡沫復(fù)合材料。
[0003]超臨界流體發(fā)泡技術(shù)近年來得到了很大的關(guān)注，其發(fā)泡過程簡單，發(fā)泡工藝容易控制。首先使用超臨界流體溶解于聚合物體系中，PMMA(Polymethyl Methacrylate，中文學(xué)名為聚甲基丙烯酸甲酯)中羰基結(jié)構(gòu)有利于吸附C02，采用超臨界流體發(fā)泡工藝可制備結(jié)構(gòu)均勻的泡沫材料。氣體達(dá)飽和狀態(tài)，然后通過快速降壓在聚合物基體中形成大量的氣核并生長，最后通過快速冷卻使微孔結(jié)構(gòu)成型。在相同體積密度條件下，聚合物泡沫材料的力學(xué)強(qiáng)度取決于基體材料與其泡孔結(jié)構(gòu)，泡孔直徑越小，孔徑分布越均勻，力學(xué)強(qiáng)度越好。采用超臨界流體發(fā)泡技術(shù)引入氣孔，其泡孔直徑可以達(dá)到微米級(jí)。加上通過引入氣凝膠異相界面以降低成核勢皇，增加成核點(diǎn)和提高成核效率，使制備出來的泡沫具有更小的泡孔尺寸和更高的泡孔密度，并能顯著均化泡孔直徑分布。
[0004]氣凝膠材料具有極低密度、高比表面積、高孔隙率、低導(dǎo)熱系數(shù)、低聲波傳播速度等特性。特殊的納米孔隙和網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)使其具有極低的固體熱傳導(dǎo)和氣體熱傳導(dǎo)，具有非常好的隔熱保溫性能。由于純的氣凝膠機(jī)械強(qiáng)度低，脆性大，因此選取合適的可進(jìn)行復(fù)合摻雜處理的基底材料及發(fā)泡制備工藝是必要的。
[0005]在摻雜適量的氣凝膠顆粒時(shí)，PMMA鏈段包裹著氣凝膠顆粒，有利于克服氣凝膠強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)。而由于發(fā)泡過程中的異相成核作用，使泡孔結(jié)構(gòu)均勻，泡沫孔徑明顯減小，進(jìn)一步提高強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能。通過降低密度減少固體傳熱，摻入氣凝膠可使微米孔孔徑減小，加上氣凝膠本身的骨架結(jié)構(gòu)，增加泡沫的比表面積和延長其傳熱路徑;產(chǎn)生大量兩相界面增強(qiáng)反射作用減少輻射傳熱;均勻分布在微米孔壁上的納米孔隙有利于泡孔中氣體的附著，氣體失去流動(dòng)性，從而減少熱量傳遞，以此形成了熱量傳遞的多重阻隔，從而提尚了復(fù)合材料的隔熱性能。一■者的復(fù)合可以提尚綜合性能，改進(jìn)其應(yīng)用性。
[0006]目前對(duì)于氣凝膠應(yīng)用于隔熱材料領(lǐng)域的研究主要是通過加入晶須、長短纖維等增強(qiáng)相制備復(fù)合隔熱材料，但存在成本較高，強(qiáng)度不足，無法工程化應(yīng)用等問題。專利文獻(xiàn)CN103596900A公開了一種通過粘接劑制備氣凝膠隔熱材料的方法，但加入粘接劑可能使材料變脆和提高材料的熱導(dǎo)率，力學(xué)強(qiáng)度不高。專利文獻(xiàn)CN101014535A公開了一種含有鍵合硅的聚甲基丙烯酸甲酯即經(jīng)有機(jī)改性的二氧化硅氣凝膠的制備方法，但以氣凝膠為基體，若作為結(jié)構(gòu)材料使用仍存在強(qiáng)度不足的問題。對(duì)于以聚合物為基體同時(shí)產(chǎn)生微米及納米孔并使孔徑分布均勻，以此產(chǎn)生力學(xué)強(qiáng)度和保溫效果協(xié)同效應(yīng)的研究較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料的制備方法，該方法制備的材料具有密度低、熱導(dǎo)率低、力學(xué)性能好等性質(zhì)。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的方案:
[0009]本發(fā)明提供的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料的制備方法，是以輕質(zhì)、高孔隙率、低熱導(dǎo)率的氣凝膠納米顆粒為異相成核劑和保溫功能粒子添加劑，聚合物PMMA為基體，采用包括以下步驟的方法制備出具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料:
[0010](I)氣凝膠/PMMA復(fù)合材料的制備:
[0011]用有機(jī)硅烷對(duì)氣凝膠進(jìn)行疏水化改性后，將其研磨粉碎，得到氣凝膠顆粒，再將氣凝膠顆粒和經(jīng)干燥的PMMA顆?；旌?，得到氣凝膠/PMMA混合體系，氣凝膠顆粒在混合體系中的含量為0.5wt.%?30wt.% ;然后將混合體系倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融混合，得到熔融物；該熔融物經(jīng)熱壓成型，得到氣凝膠/PMMA復(fù)合材料；
[0012](2)氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料的制備:
[0013]將氣凝膠/PMMA復(fù)合材料放入超臨界二氧化碳流體中發(fā)泡，使復(fù)合材料產(chǎn)生大量微孔，具體的發(fā)泡方法是:將所述復(fù)合材料放入高壓反應(yīng)釜中，注入CO2氣體，調(diào)節(jié)釜內(nèi)壓力為10?22MPa，溫度為70?110°C，達(dá)到超臨界狀態(tài)后保壓5?24h后，擰開泄壓閥快速泄至常壓，泄壓速率為10?20MPa/s ；然后用冰水混合物快速冷卻，得到氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料，其為具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料。
[0014]上述方法中，所述的氣凝膠材料，其熱導(dǎo)率為0.0245?0.0324W/(m.K)，密度為0.13?0.15g/cm3，可以采用Al2O3或S12氣凝膠。
[0015]上述方法中，所述的有機(jī)硅烷采用六甲基二硅氮烷(HMDS)。
[0016]上述方法中，所述的氣凝膠顆粒的粒徑為0.1?ΙΟΟμπι，且與PMMA顆?；旌虾笕员Ａ舯旧砑{米孔隙的骨架結(jié)構(gòu)。
[0017]上述方法中，所述的ΡΜΜΑ，其數(shù)均分子量為100000?300000，粒徑為2?3mm。
[0018]上述方法中，所述的熔融混合，其工藝是:將混合體系在密煉機(jī)中混合10?20min，轉(zhuǎn)速為40?80rpm，溫度為200?220°C。
[0019]上述方法中，所述的熱壓成型工藝是:將熔融物置于溫控壓片機(jī)下壓成I?3mm厚的薄片，熱壓溫度為1700C，熱壓時(shí)間為40?60min。
[0020]上述方法中，所述的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料出現(xiàn)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，微米級(jí)孔徑為I?ΙΟμπι，同時(shí)孔徑為10?60nm的納米孔嵌入微米孔的孔壁，且在所制得泡沫復(fù)合材料體積范圍內(nèi)兩者皆均勻分布。
[0021 ]上述方法中，所述的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，體積密度為0.35?0.44g/cm3，在常溫測試條件下，其熱導(dǎo)率為0.052?0.091W/(m.K)，其壓縮強(qiáng)度為15.19?19.92MPa，彎曲強(qiáng)度為15.53?22.24MPa。
[0022]上述方法中，所述的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，其厚度為2?8mm。
[0023]本發(fā)明制備的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，其特征是該輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料在航天航空、能源化工或建筑節(jié)能領(lǐng)域中有隔熱和/或強(qiáng)度需求方面的應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明與傳統(tǒng)的泡沫塑料、純PMMA發(fā)泡材料及其制備方法相比，主要具有以下的優(yōu)點(diǎn):
[0025]1.本方法采用密煉擠出熔融混合的工藝方法在PMMA中摻入氣凝膠顆粒，并采用超臨界流體發(fā)泡技術(shù)制備氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料，其工藝簡單，易操作，成本較低。
[0026]2.本方法制備的泡沫復(fù)合材料的泡孔直徑小(I?ΙΟμπι)，泡孔分布均勻(孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差0.43?0.644111)，孔壁變厚，泡孔密度高(5.17\109?2.19\101(^118/0113)，體積密度小(0.35?0.44g/cm3)。
[0027]3.與其它填料相比，本方法所用的S12氣凝膠顆粒保留原本的骨架結(jié)構(gòu)，且經(jīng)過發(fā)泡后對(duì)材料的隔熱及力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響。
[0028]4.與純PMMA發(fā)泡材料相比，本方法所制備的泡沫復(fù)合材料產(chǎn)生多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，納米孔均勻嵌入微米孔的孔壁，增強(qiáng)力學(xué)性能，降低導(dǎo)熱系數(shù)。
[0029]5.所制備的泡沫復(fù)合材料同時(shí)滿足熱導(dǎo)率低(0.052?0.091W/(m.K))，力學(xué)性能好。
[0030]6.實(shí)用性強(qiáng):由于具有低熱導(dǎo)率和較好的力學(xué)性能，在航天航空、能源化工、建筑節(jié)能等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0031]圖1是S12氣凝膠研磨后的TEM圖片。
[0032]圖2是不同氣凝膠含量的泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)。
[0033]圖2中:a.純?chǔ)宝?b ?含0.5wt.%S12氣凝膠；c.含2wt.%S12氣凝膠；d.含5wt.%S12氣凝膠;e ?含1wt.% S12氣凝膠。
[0034]圖3是不同氣凝膠含量的泡沫材料的孔壁結(jié)構(gòu)。
[0035]圖3中:a.純?chǔ)宝?b ?含0.5wt.%S12氣凝膠；c.含2wt.%S12氣凝膠；d.含5wt.%S12氣凝膠;e ?含1wt.% S12氣凝膠。
[0036]圖4是實(shí)施例3?6所制備泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測試結(jié)果。
[0037]圖5是實(shí)施例2?6所制備泡沫材料的力學(xué)性能測試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明以二氧化硅氣凝膠顆粒和聚甲基丙烯酸甲酯聚合物材料為主要研究對(duì)象，制備S12氣凝膠/PMMA輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，具體是:采用密煉擠出熔融混合的方法將不同含量的S12氣凝膠顆粒均勻分散到PMMA基體中，制備出S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料，S12氣凝膠顆粒的含量為0.5?1wt.%。將所制備的復(fù)合材料放在高壓反應(yīng)釜中，將CO2注入到高壓反應(yīng)釜內(nèi)，壓力控制為10?22MPa，溫度為70?110°C，保溫保壓5?24h，使⑶2在復(fù)合材料中被飽和吸附，最后擰開泄壓閥快速泄壓至常壓，用冰水混合物快速冷卻。通過摻入適量的S12氣凝膠顆粒和超臨界流體發(fā)泡技術(shù)，所制備的泡沫復(fù)合材料的孔徑(I?ΙΟμπι)明顯減小且分布均勻，提高了泡孔密度和孔壁厚度，增強(qiáng)力學(xué)性能，并且均勻分布的S12氣凝膠顆?？梢越档蚉MMA聚合物基體的熱導(dǎo)率。與純PMMA發(fā)泡材料相比，本發(fā)明所制備的泡沫復(fù)合材料具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，納米孔均勻嵌入微米孔的孔壁，增強(qiáng)力學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)低。
[0039]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不限定本發(fā)明。
[0040]實(shí)施例1:
[0041]將有機(jī)硅烷改性后的S12氣凝膠并研磨粉碎，通過密煉擠出熔融混合的方法與PMMA混合，然后在壓片機(jī)中經(jīng)過熱壓制得S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料薄片，再利用超臨界流體發(fā)泡技術(shù)制得氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料。
[0042]與PMMA混合后的S12氣凝膠本身的骨架結(jié)構(gòu)未被破壞(參見圖1)。與純PMMA泡沫材料相比，所制備的S12氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料的泡孔直徑減小，泡孔分布更加均勻，孔壁變厚，泡孔密度增加，體積密度小。且出現(xiàn)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，納米孔孔徑為10?60nm，并均勻分布嵌入微米孔的孔壁。由此，經(jīng)瞬態(tài)平面熱源法(Modified Transient Plane Source)和萬能試驗(yàn)機(jī)測試(壓縮和彎曲強(qiáng)度測試分別根據(jù)ASTM C365-00和ASTM D 790-86標(biāo)準(zhǔn))表明，泡沫材料的力學(xué)性能得到提高，導(dǎo)熱系數(shù)低。
[0043]實(shí)施例2:
[0044]1.將PMMA顆粒在80°C的真空干燥箱中干燥4h。
[0045]2.將干燥后的PMMA顆粒倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融20min，轉(zhuǎn)速45rpm，溫度為220°C，然后在壓片機(jī)中經(jīng)170 0C熱壓制得2_厚的PMMA薄片，熱壓時(shí)間為50min。
[0046]3.將制備好的PMMA薄片用5mm模具束縛，放在高壓反應(yīng)釜中，通入C02(兩次升壓至3MPa再泄壓)吹洗，然后用加熱裝置將高壓反應(yīng)釜以10°C/min的速度從室溫升溫至90°C，之后使用注塞栗注入CO2達(dá)到17MPa，恒溫恒壓飽和8h，得到CO2吸附飽和的聚合物材料。
[0047]4.擰開泄壓閥3s內(nèi)將壓力釋放至常壓，移走加熱裝置，將高壓釜放入冰水混合物中快冷，得到PMMA泡沫材料。
[0048]該泡沫材料的泡孔和孔壁結(jié)構(gòu)如圖2a和圖3a所示。該泡沫材料體積密度為0.29 lg/cm3，相對(duì)密度為0.245，泡孔直徑為9.30ym，泡孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差2.12μπι，泡孔密度為
1.97X109cellS/cm3。熱導(dǎo)率和力學(xué)性能測試結(jié)果(測試方法同實(shí)施例1)如圖4和圖5所示。純PMMA固體材料的熱導(dǎo)率為0.193W/(m.K)，力學(xué)性能對(duì)應(yīng)為壓縮強(qiáng)度9.03MPa，彎曲強(qiáng)度
I1.49MPa。
[0049]實(shí)施例3:
[0050]1.將有機(jī)硅烷改性后的S12氣凝膠并研磨粉碎，PMMA顆粒在80°C的真空干燥箱中干燥4h，稱取0.5wt.%氣凝膠顆粒和PMMA顆粒，并預(yù)混合5min。
[0051 ] 2.將干燥后的S12氣凝膠/PMMA混合體系倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融混合1min，轉(zhuǎn)速80rpm，溫度為220°C，然后在壓片機(jī)中經(jīng)170°C熱壓制得2mm厚的薄片，熱壓時(shí)間為45min，制備出S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料。
[0052]3.將制備好的S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料用5mm模具束縛，放在高壓反應(yīng)釜中，通入C02(兩次升壓至3Mpa再泄壓)吹洗，然后用加熱裝置將高壓反應(yīng)釜以10°C/min的速度從室溫升溫至1000C，之后使用注塞栗注入CO2達(dá)到16MPa，恒溫恒壓飽和22h，得到CO2吸附飽和的復(fù)合材料。
[0053]4.擰開泄壓閥3s內(nèi)將壓力釋放至常壓，移走加熱裝置，將高壓釜放入冰水混合物中快冷，得到S12氣凝膠/PMMA輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料。
[0054]該泡沫復(fù)合材料的泡孔和孔壁結(jié)構(gòu)如圖2b和圖3b所示，可以得到泡孔尺寸分布均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。該泡沫復(fù)合材料的體積密度為0.35lg/cm3，相對(duì)密度為0.308，泡孔直徑為6.98μπι，泡孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差0.64μπι，泡孔密度為5.17 X 109cells/cm3，孔壁變厚。該泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能測試結(jié)果(測試方法同實(shí)施例1)如圖4和圖5所示。PMMA的熱導(dǎo)率明顯被減小，復(fù)合材料熱導(dǎo)率為0.052W/(m.K)，達(dá)到保溫材料的要求，同時(shí)力學(xué)性能得到明顯提高，壓縮強(qiáng)度為15.19MPa，彎曲強(qiáng)度為17.67MPa。
[0055]實(shí)施例4:
[0056]1.將有機(jī)硅烷改性后的S12氣凝膠并研磨粉碎，PMMA顆粒在80°C的真空干燥箱中干燥4h，稱取2wt.%氣凝膠顆粒和PMMA顆粒，并預(yù)混合5min。
[0057]2.將干燥后的S12氣凝膠/PMMA混合體系倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融混合20min，轉(zhuǎn)速40rpm，溫度為200°C，然后在壓片機(jī)中經(jīng)170°C熱壓制得3mm厚的薄片，熱壓時(shí)間為40min，制備出S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料。
[0058]3.將制備好的S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料用6mm模具束縛，放在高壓反應(yīng)釜中，通入C02(兩次升壓至3Mpa再泄壓)吹洗，然后用加熱裝置將高壓反應(yīng)釜以10°C/min的速度從室溫升溫至110°C，之后使用注塞栗注入⑶2達(dá)到13MPa，恒溫恒壓飽和6h，得到⑶2吸附飽和的復(fù)合材料。
[0059]4.擰開泄壓閥3s內(nèi)將壓力釋放至常壓，移走加熱裝置，將高壓釜放入冰水混合物中快冷，得到S12氣凝膠/PMMA輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料。
[0060]該泡沫復(fù)合材料的泡孔和孔壁結(jié)構(gòu)如圖2c和圖3c所示，泡孔尺寸分布均勻性明顯提高。該泡沫復(fù)合材料的體積密度為0.374g/cm3，相對(duì)密度為0.318,泡孔直徑為6.09μπι，泡孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差0.63μπι，泡孔密度為7.24X 109cellS/cm3，孔壁變厚和粗糙，出現(xiàn)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，納米孔均勻嵌入微米孔的孔壁。該泡沫泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能測試結(jié)果(測試方法同實(shí)施例1)如圖4和圖5所示。該泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為0.075W/(m.K)，達(dá)到保溫材料的要求，同時(shí)力學(xué)性能提高，壓縮強(qiáng)度為17.06MPa，彎曲強(qiáng)度為22.24MPa。
[0061 ] 實(shí)施例5:
[0062]1.將有機(jī)硅烷改性后的S12氣凝膠并研磨粉碎，PMMA顆粒在80 °C的真空干燥箱中干燥4h，稱取5wt.%氣凝膠顆粒和PMMA顆粒，并預(yù)混合5min。
[0063]2.將干燥后的S12氣凝膠/PMMA混合體系倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融混合20min，轉(zhuǎn)速50rpm，溫度為220°C，然后在壓片機(jī)中經(jīng)170°C熱壓制得2mm厚的薄片，熱壓時(shí)間為55min，制備出S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料。
[0064]3.將制備好的S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料用5mm模具束縛，放在高壓反應(yīng)釜中，通入C02(兩次升壓至3Mpa再泄壓)吹洗，然后用加熱裝置將高壓反應(yīng)釜以10°C/min的速度從室溫升溫至950C，之后使用注塞栗注入CO2達(dá)到16MPa，恒溫恒壓飽和1h，得到⑶2吸附飽和的復(fù)合材料。
[0065]4.擰開泄壓閥3s內(nèi)將壓力釋放至常壓，移走加熱裝置，將高壓釜放入冰水混合物中快冷，得到S12氣凝膠/PMMA輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料。
[0066]該泡沫復(fù)合材料的泡孔和孔壁結(jié)構(gòu)如圖2d和圖3d所示，可以得到泡孔尺寸分布均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。該泡沫復(fù)合材料的體積密度為0.38lg/cm3，相對(duì)密度為0.328，泡孔直徑為5.18μπι，泡孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差0.43μπι，泡孔密度為1.28 X 110Cel I s/cm3，孔壁變厚和粗糙，出現(xiàn)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，納米孔均勻嵌入微米孔的孔壁。該泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能測試結(jié)果(測試方法同實(shí)施例1)如圖4和圖5所示。泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率減小，對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率為
0.069ff/(m.K)，達(dá)到保溫材料的要求，同時(shí)力學(xué)性能較好，壓縮強(qiáng)度為19.92MPa，彎曲強(qiáng)度為15.53MPa。
[0067]實(shí)施例6:
[0068]1.將有機(jī)硅烷改性后的S12氣凝膠并研磨粉碎，PMMA顆粒在80°C的真空干燥箱中干燥4h，稱取1wt.%氣凝膠顆粒和PMMA顆粒，并預(yù)混合5min。
[0069]2.將干燥后的S12氣凝膠/PMMA混合體系倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融混合20min，轉(zhuǎn)速50rpm，溫度為200°C，然后在壓片機(jī)經(jīng)170°C熱壓制得2mm厚的薄片，熱壓時(shí)間為60min，制備出S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料。
[0070]3.將制備好的S12氣凝膠/PMMA復(fù)合材料用4mm模具束縛，放在高壓反應(yīng)釜中，通入C02(兩次升壓至3Mpa再泄壓)吹洗，然后用加熱裝置將高壓反應(yīng)釜以10°C/min的速度從室溫升溫至75 0C，之后使用注塞栗注入CO2達(dá)到20MPa，恒溫恒壓飽和8h，得到CO2吸附飽和的復(fù)合材料。
[0071 ] 4.擰開泄壓閥3s內(nèi)將壓力釋放至常壓，移走加熱裝置，將高壓釜放入冰水混合物中快冷，得到S12氣凝膠/PMMA輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料。
[0072]該泡沫復(fù)合材料的泡孔和孔壁結(jié)構(gòu)如圖2e和圖3e所示，泡孔尺寸分布均勻性略有降低。該泡沫復(fù)合材料的體積密度為0.445g/cm3，相對(duì)密度為0.375，泡孔直徑為3.97μπι，泡孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差0.75μπι，泡孔密度為2.19X101()cellS/Cm3，孔壁變厚和粗糙，出現(xiàn)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，納米孔嵌入分布在微米孔的孔壁。該泡沫復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能測試結(jié)果(測試方法同實(shí)施例1)如圖4和圖5所示。該泡沫復(fù)合材料熱導(dǎo)率為0.086W/(m.K)，達(dá)到保溫材料的要求，壓縮強(qiáng)度為15.2 IMPa，彎曲強(qiáng)度為16.05MPa。
[0073 ]本發(fā)明提供的掃描電鏡圖由荷蘭Phenom-Wor I d公司XL型掃描電鏡獲得。
[0074]透射電鏡圖由日本JEOL公司JEM-2100型透射電鏡獲得。
[0075]場發(fā)射掃描電鏡圖由日本日立公司HitachiS-4800型場發(fā)射掃描電鏡獲得。
[0076]熱導(dǎo)率由法國C-Therm科技公司C-Therm TCi導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測得。
[0077]力學(xué)強(qiáng)度由上海傾技儀器儀表公司QJ210A-5000N型萬能試驗(yàn)機(jī)測得。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料的制備方法，其特征是以輕質(zhì)、高孔隙率、低熱導(dǎo)率的氣凝膠納米顆粒為異相成核劑和保溫功能粒子添加劑，聚合物PMMA為基體，采用包括以下步驟的方法制備出具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料: (1)氣凝膠/PMMA復(fù)合材料的制備: 用有機(jī)硅烷對(duì)氣凝膠進(jìn)行疏水化改性后，將其研磨粉碎，得到氣凝膠顆粒，再將氣凝膠顆粒和經(jīng)干燥的PMMA顆?；旌?，得到氣凝膠/PMMA混合體系，氣凝膠顆粒在混合體系中的含量為0.5wt.%?30wt.% ;然后將混合體系倒入密煉機(jī)進(jìn)行熔融混合，得到熔融物;該熔融物經(jīng)熱壓成型，得到氣凝膠/PMMA復(fù)合材料； (2)氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料的制備: 將氣凝膠/PMMA復(fù)合材料放入超臨界二氧化碳流體中發(fā)泡，使復(fù)合材料產(chǎn)生大量微孔，具體的發(fā)泡方法是:將所述復(fù)合材料放入高壓反應(yīng)釜中，注入CO2氣體，調(diào)節(jié)釜內(nèi)壓力為10?22MPa，溫度為70?110°C，達(dá)到超臨界狀態(tài)后保壓5?24h后，擰開泄壓閥快速泄至常壓，泄壓速率為10?20MPa/s ；然后用冰水混合物快速冷卻，得到氣凝膠/PMMA泡沫復(fù)合材料，其為具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的氣凝膠材料熱導(dǎo)率為0.0245?0.0324ff/(m.K)，密度為0.13?0.15g/cm3，采用Al2O3或S12氣凝膠。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的氣凝膠顆粒的粒徑為0.1?ΙΟΟμπι，且與PMMA顆?；旌虾笕员Ａ舯旧砑{米孔隙的骨架結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的ΡΜΜΑ，其數(shù)均分子量為100000?300000，粒徑為2?3_。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的熔融混合，其工藝是:將混合體系在密煉機(jī)中混合10?20min，轉(zhuǎn)速為40?80rpm，溫度為200?220°C。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的熱壓成型工藝是:將熔融物置于溫控壓片機(jī)下壓成薄片，熱壓溫度為170°C，熱壓時(shí)間為40?60min。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料出現(xiàn)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，微米級(jí)孔徑為I?lOwn，同時(shí)孔徑為10?60nm的納米孔嵌入微米孔的孔壁，且在所制得輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料體積范圍內(nèi)兩者皆均勻分布。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，體積密度為0.35?0.44g/cm3，在常溫測試條件下，其熱導(dǎo)率為0.052?0.091W/(m.K)，其壓縮強(qiáng)度為15.19?19.9210^，彎曲強(qiáng)度為15.53?22.24]\0^。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，其厚度為2?8mm。10.根據(jù)權(quán)利要求1?9中任一所述方法制備的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料，其特征是該輕質(zhì)高強(qiáng)保溫泡沫復(fù)合材料在航天航空、能源化工或建筑節(jié)能領(lǐng)域中有隔熱和/或強(qiáng)度需求方面的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C08K3/22GK106084274SQ201610408589
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】羅國強(qiáng), 谷曉麗, 金志鵬, 張聯(lián)盟, 沈強(qiáng), 張睿智, 張建
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)