一種纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料及制備方法。所述纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料，以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以聚合物為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有聚合物，形成聚合物與氣凝膠納米尺度三維網絡交織的復合材料。本發明專利技術可以提升聚合物基復合材料的耐熱性、耐磨性、抗老化性、抗壓強度、抗沖擊性、抗折性等，乃至提升或賦予聚合物基復合材料在聲、光、電、磁、熱等方面的特性。本發明專利技術工藝過程簡單易行，有利于工業化大生產，可促進傳統聚合物基復合材料產業的升級，產品在國防軍工、航天航空、高速列車、輪船艦艇、汽車、體育休閑、海上油氣田、風力發電、電工電力絕緣、防彈防暴、機械電器、建筑領域等有重要應用價值。

【技術實現步驟摘要】
一種纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料及其制備方法
本專利技術涉及聚合物基復合材料的制備方法，特別涉及利用纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料的制備方法。
技術介紹
聚合物基復合材料通常是以有機聚合物為基體的纖維增強材料。聚合物，根據用途則可分為樹脂和橡膠等，按熱行為可分為熱塑性和熱固性聚合物。其中熱固性樹脂包括不飽和聚酯、乙烯基酯、環氧、酚醛、雙馬來酰亞胺（BMI）、聚酰亞胺樹脂等，和熱塑性樹脂如聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、尼龍（NYLON）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES）等。復合材料的纖維增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲等。樹脂通常分為對于結構復合材料聚合物基體的性能在很大程度上關系到復合材料最終的使用性能，對結構復合材料而言，最重要的是最高使用溫度、強度、剛度、疲勞、韌性和耐濕熱老化等。目前發展高性能樹脂基體主要方向是：①新型高溫型樹脂基體，使用溫度可在300℃以上；②高韌性樹脂基體，如復合材料的沖擊后壓縮強度大于300MPa的樹脂基體；③適用于低成本的液體成型工藝，如RTM等新型工藝的樹脂基體；④能滿足復合材料結構功能一體化新型樹脂基體，如具有透波和吸波功能的樹脂基體。樹脂基體的性能在很大程度上關系到復合材料最終的使用性能，對結構復合材料而言，最重要的是最高使用溫度、強度、剛度、疲勞、韌性和耐濕熱老化等。目前發展高性能樹脂基體主要方向是：①新型高溫型樹脂基體，使用溫度可在300℃以上；②高韌性樹脂基體，如復合材料的沖擊后壓縮強度大于300MPa的樹脂基體；③適用于低成本的液體成型工藝，如RTM等新型工藝的樹脂基體；④能滿足復合材料結構功能一體化新型樹脂基體，如具有透波和吸波功能的樹脂基體。目前實現上述目標，主要的途徑是對原有樹脂改性。比如環氧樹脂基體綜合性能優異，工藝性好，價格較低，目前仍是碳纖維復合材料中應用最普遍的樹脂基體。其缺點是韌性不足、耐濕熱性差及預浸料儲存期短等，因此，需要改性。雙馬來酰亞胺樹脂基體的工作溫度在150~250℃。它的耐熱性優于多官能環氧樹脂但低于聚酰亞胺樹脂，吸濕率較環氧樹脂低，通過改性可獲得韌性和耐濕性優于耐熱環氧樹脂、工藝性又優于聚酰亞胺接近環氧的樹脂基體，滿足高速飛機主受力結構用復合材料的需要。聚酰亞胺樹脂基體是一種高溫型的復合材料樹脂基體，最高耐溫可達371℃，但加工工藝條件苛刻，主要是滿足航空發動機復合材料部件的需要而開發的。碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。以碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維等為增強的先進復合材料，具有高強度（鋼鐵的5倍）、高耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)、高抗熱沖擊性、高抗腐蝕與輻射性能、低熱膨脹系數(變形量小)和低密度（鋼的1/5）等特點，在飛機結構材料、火箭外殼、體育用品、工業機器人、船舶、高速列車、汽車車體板簧和驅動軸等領域獲得廣泛應用。隨著納米聚合物復合材料研究興起，以納米尺寸的金屬、半導體、剛性粒子和其他無機粒子、纖維、納米碳管等改性為分散相，通過適當的制備方法將改性劑均勻性地分散于樹脂基體材料中，形成含有納米尺寸材料的復合體系，受到研究者的關注。所用的納米粉末材料主要為蒙脫土、累托石、海泡石等納米硅酸鹽黏土，以及納米氧化硅（氣相氧化硅）、納米二氧化鈦等。報道稱，在蒙脫土/PA6復合材料中，納米蒙脫土的層間距為1.96nm，蒙脫土復合到尼龍基體中后完全剝離成為厚度1~1.5nm的納米微粒，其復合材料的耐溫性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常優秀；將納米TiO2粉體在聚丙烯中分散達到60nm以下制成TiO2/聚丙烯復合材料具有優良的抗菌效果。納米氧化硅（氣相白炭黑）用于塑料和橡膠的改性目前已經非常普遍。玻璃鋼制品雖然有輕質、高強、耐腐蝕等優點，但其本身硬度較低、耐磨性較差。研究人員通過超聲分散方法將氣相氧化硅（氣相白碳黑）添加到膠衣樹脂中，與未加氣相氧化硅（氣相白碳黑）的膠衣做性能對比實驗，發現其莫氏硬度由原來的2.2級（相當于石膏的硬度）提高到2.8~2.9級（3級是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因納米顆粒與有機高分子產生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強度和抗沖擊強度提高1倍以上，耐熱性能也大幅提高。利用氣相氧化硅（氣相白碳黑）透光、粒度小，可以使塑料變得更加致密，在聚苯乙烯塑料薄膜中添加氧化硅后，不但提高其透明度、強度、韌性，而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量納米氧化硅后生產出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用納米氧化硅對普通塑料聚丙烯進行改性，主要技術指標（吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強度等）均達到或超過工程塑料尼龍6的性能指標，實現了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用，產品成本大幅下降，其經濟效益和社會效益十分顯著。橡膠是一種伸縮性優異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均為黑色，且檔次不高。在普通橡膠中添加少量氣相氧化硅（氣相白碳黑）后，產品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉強度、抗折性、抗老化性能均提高明顯，且色彩鮮艷，保色效果優異。在彩色橡膠輪胎中添加氣相氧化硅（氣相白碳黑）后，輪胎側面膠的抗折性能大幅提高，由原來的10萬次提高到50萬次以上。專利CN201010181735.0公開了一種碳纖維增強復合材料傳動輪。采用如下重量百分比的原料制成,聚酰胺樹脂占50-75%、碳纖維占10-30%、玻璃纖維占10-20%、硅烷偶聯劑占0.5-3%、氧化硅占5-20%。造粒后放入注塑機進行注塑成型。采用碳纖維增強復合材料來制造傳動輪，容易加工、生產效率高、節約能源、質量輕、比強度高、比模量高、耐熱性好，具有突出的耐磨、耐腐蝕性，加工特性好、性能設計性好、尺寸穩定、使用壽命長。氣凝膠，是一種新型無機納米多孔材料，按成分可分為氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠、氧化鈦氣凝膠等金屬氧化物氣凝膠以及有機氣凝膠、碳氣凝膠等。氧化硅氣凝膠，1931年由美國Kistler.S.專利技術，又被稱為“藍煙”、“凍結的煙”，以納米量級超微顆粒相互聚集構成納米多孔網絡結構，平均孔洞尺寸為20~50nm,密度可低達0.003g/cm3，氣孔隙率高達80～99.8％，比表面積可達1000m2/g，耐熱溫度可達1300℃，室溫導熱系數可低達0.013w/(m·k)，是迄今為止最輕的固體和絕熱性能最好的材料，在熱學、聲學、力學、光學、電學、化學等領域有廣泛的應用前景。為此，本專利技術提出一種纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料及制備方法。
技術實現思路
本專利技術公布了一種纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料，所述復合材料以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以聚合物為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有聚合物，形成聚合物與氣凝膠三維網絡交織的復合材料。所述的纖維增強氣凝膠，包括氣凝膠布、氣凝膠紙、氣凝膠氈、氣凝膠板和氣凝膠異形件中一種或幾種。所述氣凝本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種纖維增強氣凝膠?聚合物復合材料，其特征是，所述復合材料以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以聚合物為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有聚合物，形成聚合物與氣凝膠三維網絡交織的復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種纖維增強氣凝膠-聚合物復合材料，其特征是，所述復合材料以纖維增強的氣凝膠為強化材料，以聚合物為基體，氣凝膠的三維納米孔洞結構中填充有聚合物，形成聚合物與氣凝膠三維網絡交織的復合材料。2.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的纖維增強氣凝膠，包括氣凝膠布、氣凝膠紙、氣凝膠氈、氣凝膠板和氣凝膠異形件中一種或幾種。3.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的氣凝膠，密度為3~600kg/m3，平均孔徑為2~100nm，孔隙率為50%~99%，包括氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠、氧化鈦氣凝膠、氧化鐵氣凝膠、氧化鈷氣凝膠、氧化鎳氣凝膠、氧化銅氣凝膠、氧化釔氣凝膠、氧化鈰氣凝膠、氧化釩氣凝膠、氧化鉍氣凝膠、氧化錫氣凝膠、碳氣凝膠、苯二酚甲醛氣凝膠、石墨烯氣凝膠中一種或幾種。4.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的纖維，其組分包括玻璃纖維、石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、玄武巖纖維、水鎂石纖維和凹凸棒石纖維、硼纖維、碳纖維、碳納米管、芳綸纖維、聚酰亞胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、金屬絲中一種或幾種。5.根據權利要求1所述復合材料，其特征是，所述的纖維，其形態包括連續纖維、短切纖維、晶須、纖維單向布、二維纖維編織布、三維纖維編織布、纖維非織造布、纖維氈、纖維板、纖維蜂窩板、纖維異形件中一種或幾...

【專利技術屬性】
技術研發人員：金承黎，
申請(專利權)人：金承黎，
類型：發明
國別省市：浙江,33