一種輕質高強保溫泡沫復合材料的制備方法技術

本發明專利技術提供的輕質高強保溫泡沫復合材料的制備方法，是以輕質、高孔隙率、低熱導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復合材料的制備；(2)氣凝膠/PMMA泡沫復合材料的制備。本發明專利技術所制備的泡沫復合材料，密度為0.35～0.44g/cm3，常溫測試條件下其壓縮強度為15.19～19.92MPa，彎曲強度為15.53～22.24MPa，熱導率為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，可用作保溫和結構材料，在建筑節能和航空航天等領域有廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種具有多級孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料，可用作保溫和結構材料，應用于建筑節能、航天等領域。特別是摻入氣凝膠顆粒，并采用超臨界流體發泡的方法在復合材料中引入微米和納米多級泡孔，降低聚合物基體的導熱率，增強其力學性能。
技術介紹
近年來，能源及環境保護問題突出，因此對高效隔熱保溫材料的需求越來越大。泡沫是傳統的保溫材料，而無機/聚合物基泡沫材料將無機物和有機聚合物的特性結合起來，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泡技術制備泡沫復合材料。超臨界流體發泡技術近年來得到了很大的關注，其發泡過程簡單，發泡工藝容易控制。首先使用超臨界流體溶解于聚合物體系中，PMMA(Polymethyl Methacrylate，中文學名為聚甲基丙烯酸甲酯)中羰基結構有利于吸附C02，采用超臨界流體發泡工藝可制備結構均勻的泡沫材料。氣體達飽和狀態，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構成型。在相同體積密度條件下，聚合物泡沫材料的力學強度取決于基體材料與其泡孔結構，泡孔直徑越小，孔徑分布越均勻，力學強度越好。采用超臨界流體發泡技術引入氣孔，其泡孔直徑可以達到微米級。加上通過引入氣凝膠異相界面以降低成核勢壘，增加成核點和提高成核效率，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。氣凝膠材料具有極低密度、高比表面積、高孔隙率、低導熱系數、低聲波傳播速度等特性。特殊的納米孔隙和網絡骨架結構使其具有極低的固體熱傳導和氣體熱傳導，具有非常好的隔熱保溫性能。由于純的氣凝膠機械強度低，脆性大，因此選取合適的可進行復合摻雜處理的基底材料及發泡制備工藝是必要的。在摻雜適量的氣凝膠顆粒時，PMMA鏈段包裹著氣凝膠顆粒，有利于克服氣凝膠強度低、韌性差的缺點。而由于發泡過程中的異相成核作用，使泡孔結構均勻，泡沫孔徑明顯減小，進一步提高強度、韌性等力學性能。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構，增加泡沫的比表面積和延長其傳熱路徑；產生大量兩相界面增強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，從而提高了復合材料的隔熱性能。二者的復合可以提高綜合性能，改進其應用性。目前對于氣凝膠應用于隔熱材料領域的研究主要是通過加入晶須、長短纖維等增強相制備復合隔熱材料，但存在成本較高，強度不足，無法工程化應用等問題。專利文獻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率，力學強度不高。專利文獻CN101014535A公開了一種含有鍵合硅的聚甲基丙烯酸甲酯即經有機改性的二氧化硅氣凝膠的制備方法，但以氣凝膠為基體，若作為結構材料使用仍存在強度不足的問題。對于以聚合物為基體同時產生微米及納米孔并使孔徑分布均勻，以此產生力學強度和保溫效果協同效應的研究較少。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是：針對現有技術的不足，提供一種輕質高強保溫泡沫復合材料的制備方法，該方法制備的材料具有密度低、熱導率低、力學性能好等性質。本專利技術解決其技術問題采用以下的方案：本專利技術提供的輕質高強保溫泡沫復合材料的制備方法，是以輕質、高孔隙率、低熱導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孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料：(1)氣凝膠/PMMA復合材料的制備：用有機硅烷對氣凝膠進行疏水化改性后，將其研磨粉碎，得到氣凝膠顆粒，再將氣凝膠顆粒和經干燥的PMMA顆粒混合，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進行熔融混合，得到熔融物；該熔融物經熱壓成型，得到氣凝膠/PMMA復合材料；(2)氣凝膠/PMMA泡沫復合材料的制備：將氣凝膠/PMMA復合材料放入超臨界二氧化碳流體中發泡，使復合材料產生大量微孔，具體的發泡方法是：將所述復合材料放入高壓反應釜中，注入CO2氣體，調節釜內壓力為10～22MPa，溫度為70～110℃，達到超臨界狀態后保壓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泡沫復合材料，其為具有多級孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料。上述方法中，所述的氣凝膠材料，其熱導率為0.0245～0.0324W/(m·K)，密度為0.13～0.15g/cm3,可以采用Al2O3或SiO2氣凝膠。上述方法中，所述的有機硅烷采用六甲基二硅氮烷(HMDS)。上述方法中，所述的氣凝膠顆粒的粒徑為0.1～100μm，且與PMMA顆粒混合后仍保留本身納米孔隙的骨架結構。上述方法中，所述的PMMA，其數均分子量為100000～300000，粒徑為2～3mm。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中混合10～20min，轉速為40～80rpm，溫度為200～220℃。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下壓成1～3mm厚的薄片，熱壓溫度為170℃，熱壓時間為40～60min。上述方法中，所述的輕質高強保溫泡沫復合材料出現多級孔結構，微米級孔徑為1～10μm，同時孔徑為10～60nm的納米孔嵌入微米孔的孔壁，且在所制得泡沫復合材料體積范圍內兩者皆均勻分布。上述方法中，所述的輕質高強保溫泡沫復合材料，體積密度為0.35～0.44g/cm3，在常溫測試條件下，其熱導率為0.052～0.091W/(m·K)，其壓縮強度為15.19～19.92MPa，彎曲強度為15.53～22.24MPa。上述方法中，所述的輕質高強保溫泡沫復合材料，其厚度為2～8mm。本專利技術制備的輕質高強保溫泡沫復合材料，其特征是該輕質高強保溫泡沫復合材料在航天航空、能源化工或建筑節能領域中有隔熱和/或強度需求方面的應用。本專利技術與傳統的泡沫塑料、純PMMA發泡材料及其制備方法相比，主要具有以下的優點：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泡技術制備氣凝膠/PMMA泡沫復合材料，其工藝簡單，易操作，成本較低。2.本方法制備的泡沫復合材料的泡孔直徑小(1～10μm)，泡孔分布均勻(孔徑標準偏差0.43～0.64μm)，孔壁變厚，泡孔密度高(5.17×109～2.19×1010cells/cm3)，體積密度小(0.35～0.44g/cm3)。3.與其它填料相比，本方法所用的SiO2氣凝膠顆粒保留原本的骨架結構，且經過發泡后對材料的隔熱及力學性能產生明顯的影響。4.與純PMMA發泡材料相比，本方法所制備的泡沫復合材料產生多級孔結構，納米孔均勻嵌入微米孔的孔壁，增強力學性能，降低導熱系數。5.所制備的泡沫復合材料同時滿足熱導率低(0.052～0.091W/(m·K))，力學性能好。6.實用性強：由于具有低熱導率和較好的力學性能，在航天航空、能源化工、建筑節能等領域有本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種輕質高強保溫泡沫復合材料的制備方法，其特征是以輕質、高孔隙率、低熱導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孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料：(1)氣凝膠/PMMA復合材料的制備：用有機硅烷對氣凝膠進行疏水化改性后，將其研磨粉碎，得到氣凝膠顆粒，再將氣凝膠顆粒和經干燥的PMMA顆粒混合，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進行熔融混合，得到熔融物；該熔融物經熱壓成型，得到氣凝膠/PMMA復合材料；(2)氣凝膠/PMMA泡沫復合材料的制備：將氣凝膠/PMMA復合材料放入超臨界二氧化碳流體中發泡，使復合材料產生大量微孔，具體的發泡方法是：將所述復合材料放入高壓反應釜中，注入CO2氣體，調節釜內壓力為10～22MPa，溫度為70～110℃，達到超臨界狀態后保壓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泡沫復合材料，其為具有多級孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種輕質高強保溫泡沫復合材料的制備方法，其特征是以輕質、高孔隙率、低熱導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孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料：(1)氣凝膠/PMMA復合材料的制備：用有機硅烷對氣凝膠進行疏水化改性后，將其研磨粉碎，得到氣凝膠顆粒，再將氣凝膠顆粒和經干燥的PMMA顆粒混合，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進行熔融混合，得到熔融物；該熔融物經熱壓成型，得到氣凝膠/PMMA復合材料；(2)氣凝膠/PMMA泡沫復合材料的制備：將氣凝膠/PMMA復合材料放入超臨界二氧化碳流體中發泡，使復合材料產生大量微孔，具體的發泡方法是：將所述復合材料放入高壓反應釜中，注入CO2氣體，調節釜內壓力為10～22MPa，溫度為70～110℃，達到超臨界狀態后保壓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泡沫復合材料，其為具有多級孔結構的輕質高強保溫泡沫復合材料。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是所述的氣凝膠材料熱導率為0.0245～0.0324W/(m·K)，密度為0.13～0.15g/cm3,采用Al2O3或SiO2氣凝膠。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征是所述的氣凝膠顆粒的粒徑為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅國強，谷曉麗，金志鵬，張聯盟，沈強，張睿智，張建，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42