一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料及制备方法。所述纤维增强气凝胶-聚合物复合材料，以纤维增强的气凝胶为强化材料，以聚合物为基体，气凝胶的三维纳米孔洞结构中填充有聚合物，形成聚合物与气凝胶纳米尺度三维网络交织的复合材料。本发明专利技术可以提升聚合物基复合材料的耐热性、耐磨性、抗老化性、抗压强度、抗冲击性、抗折性等，乃至提升或赋予聚合物基复合材料在声、光、电、磁、热等方面的特性。本发明专利技术工艺过程简单易行，有利于工业化大生产，可促进传统聚合物基复合材料产业的升级，产品在国防军工、航天航空、高速列车、轮船舰艇、汽车、体育休闲、海上油气田、风力发电、电工电力绝缘、防弹防暴、机械电器、建筑领域等有重要应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料及其制备方法
本专利技术涉及聚合物基复合材料的制备方法，特别涉及利用纤维增强气凝胶-聚合物复合材料的制备方法。
技术介绍
聚合物基复合材料通常是以有机聚合物为基体的纤维增强材料。聚合物，根据用途则可分为树脂和橡胶等，按热行为可分为热塑性和热固性聚合物。其中热固性树脂包括不饱和聚酯、乙烯基酯、环氧、酚醛、双马来酰亚胺（BMI）、聚酰亚胺树脂等，和热塑性树脂如聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、尼龙（NYLON）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES）等。复合材料的纤维增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝等。树脂通常分为对于结构复合材料聚合物基体的性能在很大程度上关系到复合材料最终的使用性能，对结构复合材料而言，最重要的是最高使用温度、强度、刚度、疲劳、韧性和耐湿热老化等。目前发展高性能树脂基体主要方向是：①新型高温型树脂基体，使用温度可在300℃以上；②高韧性树脂基体，如复合材料的冲击后压缩强度大于300MPa的树脂基体；③适用于低成本的液体成型工艺，如RTM等新型工艺的树脂基体；④能满足复合材料结构功能一体化新型树脂基体，如具有透波和吸波功能的树脂基体。树脂基体的性能在很大程度上关系到复合材料最终的使用性能，对结构复合材料而言，最重要的是最高使用温度、强度、刚度、疲劳、韧性和耐湿热老化等。目前发展高性能树脂基体主要方向是：①新型高温型树脂基体，使用温度可在300℃以上；②高韧性树脂基体，如复合材料的冲击后压缩强度大于300MPa的树脂基体；③适用于低成本的液体成型工艺，如RTM等新型工艺的树脂基体；④能满足复合材料结构功能一体化新型树脂基体，如具有透波和吸波功能的树脂基体。目前实现上述目标，主要的途径是对原有树脂改性。比如环氧树脂基体综合性能优异，工艺性好，价格较低，目前仍是碳纤维复合材料中应用最普遍的树脂基体。其缺点是韧性不足、耐湿热性差及预浸料储存期短等，因此，需要改性。双马来酰亚胺树脂基体的工作温度在150~250℃。它的耐热性优于多官能环氧树脂但低于聚酰亚胺树脂，吸湿率较环氧树脂低，通过改性可获得韧性和耐湿性优于耐热环氧树脂、工艺性又优于聚酰亚胺接近环氧的树脂基体，满足高速飞机主受力结构用复合材料的需要。聚酰亚胺树脂基体是一种高温型的复合材料树脂基体，最高耐温可达371℃，但加工工艺条件苛刻，主要是满足航空发动机复合材料部件的需要而开发的。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。以碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等为增强的先进复合材料，具有高强度（钢铁的5倍）、高耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、高抗热冲击性、高抗腐蚀与辐射性能、低热膨胀系数(变形量小)和低密度（钢的1/5）等特点，在飞机结构材料、火箭外壳、体育用品、工业机器人、船舶、高速列车、汽车车体板簧和驱动轴等领域获得广泛应用。随着纳米聚合物复合材料研究兴起，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于树脂基体材料中，形成含有纳米尺寸材料的复合体系，受到研究者的关注。所用的纳米粉末材料主要为蒙脱土、累托石、海泡石等纳米硅酸盐黏土，以及纳米氧化硅（气相氧化硅）、纳米二氧化钛等。报道称，在蒙脱土/PA6复合材料中，纳米蒙脱土的层间距为1.96nm，蒙脱土复合到尼龙基体中后完全剥离成为厚度1~1.5nm的纳米微粒，其复合材料的耐温性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常优秀；将纳米TiO2粉体在聚丙烯中分散达到60nm以下制成TiO2/聚丙烯复合材料具有优良的抗菌效果。纳米氧化硅（气相白炭黑）用于塑料和橡胶的改性目前已经非常普遍。玻璃钢制品虽然有轻质、高强、耐腐蚀等优点，但其本身硬度较低、耐磨性较差。研究人员通过超声分散方法将气相氧化硅（气相白碳黑）添加到胶衣树脂中，与未加气相氧化硅（气相白碳黑）的胶衣做性能对比实验，发现其莫氏硬度由原来的2.2级（相当于石膏的硬度）提高到2.8~2.9级（3级是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因纳米颗粒与有机高分子产生接枝和键合作用，使材料韧性增加，故抗拉强度和抗冲击强度提高1倍以上，耐热性能也大幅提高。利用气相氧化硅（气相白碳黑）透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密，在聚苯乙烯塑料薄膜中添加氧化硅后，不但提高其透明度、强度、韧性，而且防水性能和抗老化性能也明显提高。通过在普通塑料聚氯乙烯中添加少量纳米氧化硅后生产出的塑钢门窗硬度、光洁度和抗老化性能均大幅提高。利用纳米氧化硅对普通塑料聚丙烯进行改性，主要技术指标（吸水率、绝缘电阻、压缩残余变形、挠曲强度等）均达到或超过工程塑料尼龙6的性能指标，实现了聚丙烯铁道配件替代尼龙6使用，产品成本大幅下降，其经济效益和社会效益十分显著。橡胶是一种伸缩性优异的弹性体，但其综合性能并不令人满意，生产橡胶制品过程中通常需在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均为黑色，且档次不高。在普通橡胶中添加少量气相氧化硅（气相白碳黑）后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品，而且可以保持颜色长久不变。纳米改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉强度、抗折性、抗老化性能均提高明显，且色彩鲜艳，保色效果优异。在彩色橡胶轮胎中添加气相氧化硅（气相白碳黑）后，轮胎侧面胶的抗折性能大幅提高，由原来的10万次提高到50万次以上。专利CN201010181735.0公开了一种碳纤维增强复合材料传动轮。采用如下重量百分比的原料制成,聚酰胺树脂占50-75%、碳纤维占10-30%、玻璃纤维占10-20%、硅烷偶联剂占0.5-3%、氧化硅占5-20%。造粒后放入注塑机进行注塑成型。采用碳纤维增强复合材料来制造传动轮，容易加工、生产效率高、节约能源、质量轻、比强度高、比模量高、耐热性好，具有突出的耐磨、耐腐蚀性，加工特性好、性能设计性好、尺寸稳定、使用寿命长。气凝胶，是一种新型无机纳米多孔材料，按成分可分为氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化钛气凝胶等金属氧化物气凝胶以及有机气凝胶、碳气凝胶等。氧化硅气凝胶，1931年由美国Kistler.S.专利技术，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，平均孔洞尺寸为20~50nm,密度可低达0.003g/cm3，气孔隙率高达80～99.8％，比表面积可达1000m2/g，耐热温度可达1300℃，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，是迄今为止最轻的固体和绝热性能最好的材料，在热学、声学、力学、光学、电学、化学等领域有广泛的应用前景。为此，本专利技术提出一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料及制备方法。
技术实现思路
本专利技术公布了一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料，所述复合材料以纤维增强的气凝胶为强化材料，以聚合物为基体，气凝胶的三维纳米孔洞结构中填充有聚合物，形成聚合物与气凝胶三维网络交织的复合材料。所述的纤维增强气凝胶，包括气凝胶布、气凝胶纸、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶异形件中一种或几种。所述气凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维增强气凝胶‑聚合物复合材料，其特征是，所述复合材料以纤维增强的气凝胶为强化材料，以聚合物为基体，气凝胶的三维纳米孔洞结构中填充有聚合物，形成聚合物与气凝胶三维网络交织的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强气凝胶-聚合物复合材料，其特征是，所述复合材料以纤维增强的气凝胶为强化材料，以聚合物为基体，气凝胶的三维纳米孔洞结构中填充有聚合物，形成聚合物与气凝胶三维网络交织的复合材料。2.根据权利要求1所述复合材料，其特征是，所述的纤维增强气凝胶，包括气凝胶布、气凝胶纸、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶异形件中一种或几种。3.根据权利要求1所述复合材料，其特征是，所述的气凝胶，密度为3~600kg/m3，平均孔径为2~100nm，孔隙率为50%~99%，包括氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化钛气凝胶、氧化铁气凝胶、氧化钴气凝胶、氧化镍气凝胶、氧化铜气凝胶、氧化钇气凝胶、氧化铈气凝胶、氧化钒气凝胶、氧化铋气凝胶、氧化锡气凝胶、碳气凝胶、苯二酚甲醛气凝胶、石墨烯气凝胶中一种或几种。4.根据权利要求1所述复合材料，其特征是，所述的纤维，其组分包括玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维和凹凸棒石纤维、硼纤维、碳纤维、碳纳米管、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、金属丝中一种或几种。5.根据权利要求1所述复合材料，其特征是，所述的纤维，其形态包括连续纤维、短切纤维、晶须、纤维单向布、二维纤维编织布、三维纤维编织布、纤维非织造布、纤维毡、纤维板、纤维蜂窝板、纤维异形件中一种或几...

【专利技术属性】
技术研发人员：金承黎，
申请(专利权)人：金承黎，
类型：发明
国别省市：浙江,33