一種柔性定形相變隔熱材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種柔性定形相變隔熱材料及其制備方法，該材料用下述方法制成：將50wt％?90wt％相變介質(zhì)加熱熔融，加入1％?10wt％多孔輕質(zhì)填料混合均勻，冷卻后粉碎，使用混煉機將粉碎后的相變材料與8％?30％的包覆材料混煉至一定細(xì)度，加入1％?10wt％的各種助劑混煉至均勻；使用模壓、擠出、注塑的方式成型，固化后即為柔性定形相變隔熱材料。利用本發(fā)明制備的柔性定形相變隔熱材料柔韌性≤2mm，熱導(dǎo)率在0.1?0.5W/(m·k)之間可調(diào)，相變溫度在25?185℃可調(diào)，平均相變焓值150?280kJ/kg可調(diào)，無需封裝，溫度高于其相變點時仍保持固態(tài)，形狀穩(wěn)定、易于加工，方便與被控組件匹配、安裝。
【專利說明】
一種柔性定形相變隔熱材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種柔性定形相變隔熱材料及其制備方法，屬于相變溫控材料技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著導(dǎo)彈等高速飛行器設(shè)計速度的不斷提高，由氣動加熱引起的高溫?zé)岘h(huán)境問題 變得越來越嚴(yán)重，為保證飛行器主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設(shè)備的安全，必須使用隔熱材料阻止 外部熱流向內(nèi)部傳遞。傳統(tǒng)的陶瓷隔熱瓦、陶瓷纖維隔熱氈等隔熱材料是通過較低的傳熱 系數(shù)降低熱量的傳導(dǎo)速度。飛行環(huán)境越惡劣，隔熱層越厚，而隔熱層厚度的增加必然引起飛 行器外形尺寸的增大，進而影響飛行器的機動和突防能力。特別是在一些無法增加隔熱層 厚度的狹小空間，隔熱效果與空間上的不匹配問題尤為突出。
[0003] 相變儲能是利用材料的相變潛熱來實現(xiàn)能量的儲存和利用，是緩解能量供求雙方 在時間、空間上不匹配的有效方式。使用相變材料制備的相變隔熱材料不僅具有熱導(dǎo)率低、 相變過程近似等溫、過程易控制等特點，而且相變過程的發(fā)生僅取決于溫度，可應(yīng)用于溫度 控制領(lǐng)域，從而解決能量供求失衡的問題。特別是針對體積有限的狹小空間，相變隔熱材料 具有比傳統(tǒng)隔熱材料更高的隔熱效率。
[0004] 相變材料作為一種新型儲能材料具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢和潛力，但在實際應(yīng)用中還 存在一定問題。（1)相變儲能材料通常以固-液相變材料為主要材料，當(dāng)材料吸收熱量時，自 身從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。為防止這一相變過程中相變材料的泄漏，其不能單獨使用，必須依托 載體，制備定形相變。目前，此類問題的主要解決辦法分為兩類:一是使用膨脹石墨(EG)、多 孔石墨(PG)、高嶺土 (麗T)、有機化高嶺土 (0ΜΤ)等是一類具有多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，通過對液態(tài) 相變材料的物理吸附作用制備;二是將相變材料與定形材料(如高分子材料、無機材料、金 屬材料等)進行一定工藝過程復(fù)合成定形相變材料，達到宏觀上的物理承載?，F(xiàn)有的封裝方 法制備的定形相變材料在相變材料含量較低時可以防止相變材料的泄漏，但相變潛熱較 低；當(dāng)相變材料的含量增多時，相變潛熱增加，但無法滿足高失重、強振動的飛行環(huán)境要求。 (2)作為隔熱材料應(yīng)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，而現(xiàn)有的定形相變材料多使用膨脹石墨、多孔石 墨等高導(dǎo)熱材料進行吸附，無法滿足隔熱性能要求。（3)飛行器隔熱部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是 狹小空間相變隔熱材料的裝配有待解決。因此，如何制備具有較高相變潛熱，較低導(dǎo)熱系 數(shù)，易于裝配且滿足飛行器可靠性要求的定形相變材料是實現(xiàn)相變材料應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)中定形相變材料存在的上述問題，提出 一種柔性定形相變隔熱材料及其制備方法，該相變材料具有較高的潛熱，較低導(dǎo)熱系數(shù)，具 備一定強度，柔韌性好，方便與被控組件匹配、安裝，能夠滿足失重、振動等極端飛行環(huán)境要 求，可靠性高，具有比傳統(tǒng)隔熱材料更高的隔熱效率。
[0006] -種柔性定形相變隔熱材料，該隔熱材料包括相變介質(zhì)、多孔輕質(zhì)材料、助劑和包 覆材料;其中，
[0007] 所述的相變介質(zhì)烷烴、多元醇或兩者的混合物；
[0008] 所述的多孔輕質(zhì)材料為氣凝膠；
[0009] 所述的助劑為KH550、二月桂酸二丁基錫、正硅酸乙酯、汽油中的任何一種或兩種 以上的混合物；
[0010] 所述的包覆材料為娃橡膠，所述的娃橡膠為液態(tài)娃橡膠；
[0011] 以隔熱材料的總質(zhì)量為100%計算，相變介質(zhì)的質(zhì)量含量為50%-90%，多孔輕質(zhì) 材料的質(zhì)量含量為，助劑的質(zhì)量含量為，包覆材料的質(zhì)量含量為8%-30% ；
[0012]所述的烷烴為十四烷、十六烷、十八烷、二十烷、二十二烷、二十四烷、二十六烷、二 十八烷、切片石蠟中的任何一種或兩種以上的混合物；
[0013] 所述的多元醇為新戊二醇、三羥甲基乙烷、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、2-硝基-2-甲基-1，3-丙二醇、三羥甲基硝基甲烷、三羥甲基氨基甲烷、丁四醇、季戊四醇、木糖醇中 的任何一種或兩種以上的混合物；
[0014] -種柔性定形相變隔熱材料的制備方法，包括如下步驟：
[0015] (1)首先將相變介質(zhì)加熱熔融，然后加入多孔輕質(zhì)填料，混合均勻，然后冷卻后粉 碎；
[0016] (2)使用混煉機將步驟(1)粉碎后的產(chǎn)物與包覆材料混煉至一定細(xì)度，然后加入助 劑混煉至均勻；
[0017] (3)將步驟(2)混煉后的產(chǎn)物使用模壓成型、擠出成型或注塑成型的方式成型，然 后進行固化，得到柔性定形相變隔熱材料；
[0018] 所述的步驟(1)中冷卻后粉碎的產(chǎn)物的粒徑為0.2-2_;
[0019]所述的步驟(2)中混煉至一定細(xì)度是指細(xì)度小于50μπι;
[0020] 所述的步驟(3)中固化為常溫常壓硫化或熱壓硫化。
[0021] 有益效果
[0022] (1)本發(fā)明選用具有較高比表面積且隔熱性能優(yōu)異的氣凝膠作為吸附材料，通過 與相變材料混合，實現(xiàn)相變材料一定程度的封裝，同時降低材料熱導(dǎo)率；
[0023] (2)本發(fā)明選用分子量較低的硅橡膠作為包覆材料，通過與氣凝膠/相變材料的混 合，實現(xiàn)相變材料的完全封裝，同時低分子硅橡膠的引入提高了材料的柔韌性；
[0024] (3)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)各組分比例調(diào)節(jié)相變材料的封裝效果和隔熱效果，當(dāng)氣凝膠 比例較低時，一部分相變介質(zhì)被吸附，剩余的相變介質(zhì)通過包覆材料包覆達到封裝效果；當(dāng) 氣凝膠比例較高時，相變介質(zhì)完全被氣凝膠吸附后，氣凝膠內(nèi)部仍存在大量空隙，可大幅提 高相變材料的隔熱效果；
[0025] (4)本發(fā)明通過控制助劑的種類及添加量，調(diào)節(jié)硅橡膠分子間交聯(lián)程度，進一步提 高材料柔韌性；
[0026] (5)本發(fā)明的氣凝膠作用主要是隔熱和吸附；
[0027] (6)本發(fā)明的材料用下述方法制成：將50wt %-90wt %相變介質(zhì)加熱恪融，加入 1 %-lOwt%多孔輕質(zhì)填料混合均勻，冷卻后粉碎，使用混煉機將粉碎后的相變材料與8%-30%的包覆材料混煉至一定細(xì)度，加入1 %-lOwt %的各種助劑混煉至均勻；使用模壓、擠 出、注塑的方式成型，固化后即為柔性定形相變隔熱材料。利用本發(fā)明制備的柔性定形相變 隔熱材料柔韌性彡2mm，熱導(dǎo)率在0.1-0.5W/(m · k)之間可調(diào)，相變溫度在25-185?？烧{(diào)，平 均相變焓值150_280kJ/kg可調(diào)，無需封裝，溫度高于其相變點時仍保持固態(tài)，具備一定強度 且形狀穩(wěn)定、易于加工，方便與被控組件匹配、安裝，能夠滿足失重、振動等極端飛行環(huán)境要 求，可用于飛行器隔熱部位，阻止熱流向內(nèi)部傳遞，特別是針對飛行器內(nèi)部體積有限的狹小 空間，該相變隔熱材料具有比傳統(tǒng)隔熱材料更高的隔熱效率，而且可以推廣應(yīng)用于能源、醫(yī) 學(xué)、建筑、電力等領(lǐng)域，具有顯著的軍事和社會效益。
【附圖說明】
[0028]圖1為實施例1制備的柔性定形相變隔熱材料經(jīng)過20次冷熱循環(huán)(室溫_80°C)前后 的焓值變化。
[0029]其中，曲線1為冷熱循環(huán)前，焓值為160J/g，曲線2為20次冷熱循環(huán)后，焓值為160J/
【具體實施方式】
[0030] -種柔性定形相變隔熱材料由50wt%-90wt%的相變介質(zhì)、l-10wt%的多孔輕質(zhì) 材料、1-10 %的助劑及8wt %-30wt %的包覆材料組成；
[0031] 所述相變介質(zhì)包括烷烴、多元醇。
[0032] 所述的烷烴包括十四烷、十六烷、十八烷、二十烷、二十二烷、二十四烷、二十六烷、 二十八烷、切片石蠟中的任何一種或幾種。
[0033] 所述的多元醇包括:新戊二醇、三羥甲基乙烷、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、2-硝 基-2-甲基-1，3-丙二醇、三羥甲基硝基甲烷、三羥甲基氨基甲烷、丁四醇、季戊四醇、木糖醇 中的任何一種或幾種。
[0034]所述多孔輕質(zhì)材料主要為氣凝膠。
[0035]所述包覆材料主要為硅橡膠。
[0036] 所述助劑包括KH550、二月桂酸二丁基錫、正硅酸乙酯、汽油中的任何一種或幾種。
[0037] -種柔性定形相變隔熱材料的制備方法，包括如下步驟：
[0038] 1)配料:按權(quán)利要求1的質(zhì)量百分比分別稱重相變介質(zhì)、多孔輕質(zhì)材料、助劑和包 覆材料備用；
[0039] 2)多孔輕質(zhì)材料吸附：將相變介質(zhì)加熱熔融，加入多孔輕質(zhì)填料混合均勻，冷卻后 粉碎；
[0040] 3)包覆材料復(fù)合:使用混煉機將步驟2)中粉碎的相變材料與的包覆材料混煉至一 定細(xì)度，加入助劑混煉至均勻；
[0041] 4)成型固化:使用模壓、擠出、注塑的方式成型、固化。
[0042] 所述步驟2)粉碎后粒徑應(yīng)在0.2-2_之間。
[0043] 所述步驟3)的細(xì)度應(yīng)<50μπι。
[0044] 所述步驟4)的成型方法為擠出成型、模壓成型、注塑成型中的任何一種。
[0045] 所述步驟4)固化方式包括常溫常壓硫化、熱壓硫化。
[0046] 為了本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本 發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0047] 實施例1:
[0048] (1)將107硅橡膠:二十二烷:氣凝膠:KH550:二月桂酸二丁基錫:汽油按質(zhì)量比80: 180:10:3:1:4稱重備用；
[0049] (2)將二十二烷放入60°C烘箱中加熱，完全熔融后加入氣凝膠混合均勻，冷卻后粉 碎至粒徑1mm，得到相變材料A;
[0050] (3)使用混煉機將步驟2)中粉碎的相變材料A與107硅橡膠混煉至細(xì)度小于50μπι， 加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基錫、汽油混煉至均勻，得到相變材料Β;
[0051 ] (4)稱取200g將混煉好的相變材料Β均勻放入大小為200mm X 200mm X 3mm的模具 中，使用模壓機對模具室溫加壓（l-5MPa)l-2小時，固化完全后脫模即為一種柔性定形相變 隔熱材料。
[0052]所制備的柔性定形相變隔熱材料經(jīng)過20次冷熱循環(huán)（室溫-80°C)前后的焓值變 化，如圖1所示，其中，曲線1為冷熱循環(huán)前，焓值為160J/g，曲線2為20次冷熱循環(huán)后，焓值為 160J/g。
[0053] 表1實施例1制備的柔性定形相變隔熱材料性能
[0054]
[0055] 實施例2:
[0056] (1)將108硅橡膠:丁四醇:氣凝膠:正硅酸乙酯:二月桂酸二丁基錫:汽油按質(zhì)量比 100:300:8:3:1:4稱重備用；
[0057] (2)將丁四醇放入130°C烘箱中加熱，完全熔融后加入氣凝膠混合均勻，冷卻后粉 碎至粒徑1mm左右；
[0058] (3)使用混煉機將步驟2)中粉碎的相變材料與108硅橡膠混煉至細(xì)度小于50μπι，加 入正硅酸乙酯、二月桂酸二丁基錫、汽油混煉至均勻；
[0059] (4)稱取300g將混煉好的相變材料均勻放入大小為200 X 200 X 3mm的模具中，使用 模壓機對模具室溫加壓（l_5MPa) 1-2小時，固化完全后脫模即為一種柔性定形相變隔熱材 料。
[0060] 實施例3:
[0061 ] (1)將QD-231硅橡膠:二十八烷:氣凝膠:KH550:二月桂酸二丁基錫:汽油按質(zhì)量比 80:200:5:3:2:4稱重備用；
[0062] (2)將二十八烷放入80 °C烘箱中加熱，完全熔融后加入氣凝膠混合均勻，冷卻后粉 碎至粒徑1mm左右；
[0063] (3)使用混煉機將步驟2)中粉碎的相變材料與QD-231硅橡膠混煉至細(xì)度小于50μ m，加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基錫、汽油混煉至均勻；
[0064] (4)稱取200g將混煉好的相變材料均勻放入大小為200 X 200 X 3mm的模具中，40°C 加熱固化1-2小時，固化完全后脫模即為一種柔性定形相變隔熱材料。
[0065] 實施例4:
[0066] (1)將QD-231硅橡膠:二十八烷:氣凝膠:KH550:二月桂酸二丁基錫:汽油按質(zhì)量比 80:200:5:2:1:10稱重備用；
[0067] (2)將二十八烷放入80°C烘箱中加熱，完全熔融后加入氣凝膠混合均勻，冷卻后粉 碎至粒徑1mm左右；
[0068] (3)使用混煉機將步驟2)中粉碎的相變材料與QD-231硅橡膠混煉至細(xì)度小于50μ m，加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基錫、汽油混煉至均勻；
[0069] (4)稱取200g將混煉好的相變材料均勻放入大小為200 X 200 X 3mm的模具中，40°C 加熱固化1-2小時，固化完全后脫模即為一種柔性定形相變隔熱材料。
[0070] 與實施例3相比，由于KH550、二月桂酸二丁基錫含量的降低以及汽油含量的最高， 實施例4所制備的相變隔熱材料具有更好的柔韌性。
[0071] 實施例5:
[0072] (1)將QD-231硅橡膠：二十八烷:氣凝膠：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基錫:汽油按 質(zhì)量比80:200:5:3:2:4稱重備用；
[0073] (2)將二十八烷放入80°C烘箱中加熱，完全熔融后加入氣凝膠混合均勻，冷卻后粉 碎至粒徑1mm左右；
[0074] (3)使用混煉機將步驟2)中粉碎的相變材料與QD-231硅橡膠混煉至細(xì)度小于50μ m，加入ΚΗ550、二月桂酸二丁基錫、汽油混煉至均勻；
[0075] (4)稱取200g將混煉好的相變材料均勻放入大小為200 X 200 X 3mm的模具中，40°C 加熱固化1-2小時，固化完全后脫模即為一種柔性定形相變隔熱材料。
[0076]與實施例3相比，在各組分含量不變的情況下，使用正硅酸乙酯替換KH550,實施例 5所制備的相變隔熱材料具有更好的柔韌性。
[0077]本發(fā)明并不限于上述各個實施例，經(jīng)過多次試驗，不同相變材料、包覆材料、熱導(dǎo) 率調(diào)節(jié)材料制備定形相變材料效果類似，其變化形式和其他實施例都應(yīng)在后附的權(quán)利要求 的范圍內(nèi)，其效果也是本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)見的。盡管在本文中采用了特定術(shù)語，但是它們只 是一般性和描述性的說明，并不是進行限制。
【主權(quán)項】
1. 一種柔性定形相變隔熱材料，其特征在于：該隔熱材料包括相變介質(zhì)、多孔輕質(zhì)材 料、助劑和包覆材料;其中， 所述的相變介質(zhì)烷烴、多元醇或兩者的混合物； 所述的多孔輕質(zhì)材料為氣凝膠； 所述的助劑為KH550、二月桂酸二丁基錫、正硅酸乙酯、汽油中的任何一種或兩種以上 的混合物； 所述的包覆材料為硅橡膠。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性定形相變隔熱材料，其特征在于:所述的硅橡膠為液 態(tài)硅橡膠。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種柔性定形相變隔熱材料，其特征在于：以隔熱材料的 總質(zhì)量為100%計算，相變介質(zhì)的質(zhì)量含量為50%-90%，多孔輕質(zhì)材料的質(zhì)量含量為1%-10%，助劑的質(zhì)量含量為1 %-10%，包覆材料的質(zhì)量含量為8%-30%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性定形相變隔熱材料，其特征在于:所述的烷烴為十四 烷、十六烷、十八烷、二十烷、二十二烷、二十四烷、二十六烷、二十八烷、切片石蠟中的任何 一種或兩種以上的混合物。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性定形相變隔熱材料，其特征在于:所述的多元醇為新 戊二醇、三羥甲基乙烷、2-氨基-2-甲基-1，3-丙二醇、2-硝基-2-甲基-1，3-丙二醇、三羥甲 基硝基甲烷、三羥甲基氨基甲烷、丁四醇、季戊四醇、木糖醇中的任何一種或兩種以上的混 合物。6. -種權(quán)利要求1所述的柔性定形相變隔熱材料的制備方法，其特征在于包括如下步 驟： (1) 首先將相變介質(zhì)加熱熔融，然后加入多孔輕質(zhì)填料，混合均勻，然后冷卻后粉碎； (2) 使用混煉機將步驟（1)粉碎后的產(chǎn)物與包覆材料混煉至一定細(xì)度，然后加入助劑 混煉至均勻； (3) 將步驟(2)混煉后的產(chǎn)物使用模壓成型、擠出成型或注塑成型的方式成型，然后進 行固化，得到柔性定形相變隔熱材料。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種柔性定形相變隔熱材料的制備方法，其特征在于:所述的 步驟(1)中冷卻后粉碎的產(chǎn)物的粒徑為0.2-2mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種柔性定形相變隔熱材料的制備方法，其特征在于:所述的 步驟(2)中混煉至一定細(xì)度是指細(xì)度小于50μπι。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種柔性定形相變隔熱材料的制備方法，其特征在于:所述的 步驟(3)中固化為常溫常壓硫化或熱壓硫化。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種柔性定形相變隔熱材料的制備方法，其特征在于:所述 的相變介質(zhì)、多孔輕質(zhì)材料、助劑、包覆材料的質(zhì)量比為:50%-90% :1%-10%:1%-10%: 8%-30%〇
【文檔編號】C09K5/06GK106085367SQ201610438599
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】趙立波, 羅正平, 盧鵡, 李俊峰, 金珂
【申請人】航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院