一种结构阻燃功能性复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种结构阻燃功能性复合材料，包含阻燃防火纤维毡和复合材料，所述阻燃防火纤维毡包覆于复合材料主体表面。本专利还提出了一种结构阻燃功能性复合材料的制备方法，包含(1)阻燃防火纤维毡的制备、(2)纤维毡预浸渍工艺、(3)阻燃复合材料的制备。与现有技术相比，本发明专利技术采用表面阻燃结构，基于复合材料点燃后“由外向内扩展”的燃烧行为，将具备阻燃、隔热、抑烟等功能的阻燃功能结构层集中于复合材料表面，在复合材料受火过程中，该结构可作为“防火服”将火焰与热量隔绝在复合材料之外，保护材料内部结构，避免了阻燃剂对复合材料基体的破坏。

【技术实现步骤摘要】
一种结构阻燃功能性复合材料及其制备方法
本专利技术涉及材料科学领域，尤其是一种结构阻燃功能性复合材料及其制备方法。
技术介绍
树脂基复合材料具备重量轻、强度高、加工成型方便、耐化学腐蚀良好等优点，已经广泛地应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域。由于复合材料的树脂基体为高分子聚合物，在高温或火焰中将受热燃烧分解，如将其作为内饰材料应用于飞机、高速列车等交通领域，在燃烧过程中所释放出的挥发性气体、有毒烟雾与火焰将对乘客造成直接危害。与此同时，树脂基复合材料力学性能对高温火焰造成的损伤十分敏感，燃烧过程中材料力学性能将严重恶化，直接威胁结构整体的稳定与安全。当前对复合材料的防火阻燃处理主要采用阻燃型树脂基体(本征型阻燃)以及采用阻燃剂(填充型阻燃)两种方式。本征型阻燃树脂通过化学合成将聚合物主链上引入(磷、卤素、氮、硅等阻燃元素基团，使其具有自身阻燃特性；或自身具有芳杂环结构，具有较高的成炭率，并且耐高温、抗氧化，例如聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚砜等。然而，本征型聚合物往往受限于合成反应的复杂性以及单体种类选择性，抑或成型工艺要求严苛，不适用于纤维增强复合材料的制备，较难得到推广与应用。与本征型阻燃相比，填充型阻燃复合材料的制备过程更简单，在成型加工过程中加入有机或无机阻燃剂即可赋予树脂基体额外的阻燃特性。目前阻燃剂分为卤系阻燃剂、无卤有机阻燃剂、无机阻燃剂。其中卤系阻燃剂与有机高分子相容性好，阻燃效果最佳，但是在火灾中受热分解会产生大量烟尘与有毒腐蚀性气体，造成严重的环境污染，逐步被无卤有机阻燃剂以及无机阻燃剂取代。无卤有机阻燃剂(氮系、磷系)可有效捕捉火焰区自由基或形成炭层隔绝空气，具备难挥发、低烟低毒和热稳定性好等优点。无机阻燃剂(例如氢氧化镁与氢氧化铝)则通过吸热分解释放结晶水，冷却燃烧区域并稀释可燃气体，具备优良的抑烟效果。然而，无卤有机阻燃剂与无机阻燃剂的添加量均超过20％(重量百分含量)且与树脂基体相容性较差，严重影响了复合材料界面性能与结构稳定，导致材料力学性能下降严重。为解决上述问题，开发一种在保持材料结构稳定，保证力学性能的前提下，提升复合材料阻燃性能的复合材料阻燃技术，以此研制性能优异的阻燃复合材料十分必要。专利CN102827401A提出一种低阻燃填料填充量高阻燃性能的阻燃复合材料制备方法，采用多相聚合物为基体，通过填料在各相中的非均相分布来降低填料的用量，降低阻燃剂对材料结构与力学性能的影响。该方法通过聚合物熔融共混和机械碾磨等手段，只局限于热塑性高分子的改性，对于热固性高分子(环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯等)复合材料，该方法并不适用。专利CN105566745A提出一种玻璃纤维与金属纤维混杂增强的高耐温聚丙烯材料，通过引入金属纤维，基于其高模量与耐高温特点，与玻璃纤维形成优势互补，提升复合材料整体力学性能与耐高温性能。然而，阻燃剂对金属纤维-聚丙烯基体间界面性能的影响在该专利申请中并未提及；并且金属的高密度势必导致复合材料整体密度上升，降低材料比强度与比模量。专利CN104553177A提出一种阻燃改性碳纤维预浸料及复合材料制品，其复合材料层间树脂含有磷、氮、硅等阻燃剂并与石墨烯等增韧材料混杂，同时提升材料阻燃性能与断裂韧性，但由于阻燃剂在纤维层间，势必影响纤维-树脂基体间界面性能，材料的拉伸、弯曲性能将因此下降，但该专利并未提及阻燃剂对上述性能的影响。专利CN110612205A同样提出一种类似的阻燃增韧功能性复合材料结构，将阻燃颗粒(聚磷酸铵等磷系阻燃剂)与增韧颗粒(热塑性聚合物颗粒)分别填充在纤维增强复合材料的纤维层间，形成兼具阻燃-增韧功能层间结构。然而，该专利申请也未提及将阻燃颗粒置于纤维层间是否会破坏复合材料界面结构，引起力学下降等问题。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供了一种结构阻燃功能性复合材料及其制备方法，本专利技术是这样实现的：一种结构阻燃功能性复合材料，包含阻燃防火纤维毡和复合材料，所述阻燃防火纤维毡包覆于复合材料主体表面，所述阻燃防火纤维毡面重为50～300g/㎡，厚度为0.2～4mm；所述阻燃防火纤维毡包含纤维10-50份，阻燃剂10-60份，粘合剂10-30份，所述纤维种类包括天然植物纤维、有机纤维、无机纤维中的一种或多种，所述阻燃剂为无卤阻燃剂，所述粘合剂为热固性树脂或热塑性树脂。所述复合材料包含增强体、树脂基体和夹芯材料，所述增强体为纤维增强体或颗粒增强体单一组分或组合混杂，所述颗粒增强体大小为5～500μm，所述树脂基体为热塑性树脂或热固性树脂。进一步的，所述阻燃防火纤维毡的纤维形态为短切纤维，所述短切纤维长度为1mm～100mm。更进一步，所述阻燃防火纤维毡的纤维形态为连续纤维织物。当阻燃防火纤维毡的纤维为短切纤维时，所述结构阻燃功能性复合材料的制备方法，包含以下步骤：(1)阻燃防火纤维毡的制备，通过A.机械混合法或B.纤维毡湿法成型工艺制备而成；所述A.机械混合法，适用于常温固态的阻燃剂与粘合剂，将所述纤维、阻燃剂和粘合剂按照一定比例混合，通过机械混合使阻燃剂与粘合剂粉末均匀分布在纤维表面，参考粘合剂熔融、固化温度，加热至80～230℃，使纤维与阻燃剂结合，形成稳定结构阻燃纤维毡；所述B.纤维毡湿法成型工艺，适用于常温液态阻燃剂以及可溶于水或有机溶剂的粘合剂，将所述粘合剂与去离子水或有机溶剂按照一定比例混合，使其充分分散，然后按比例添入纤维与阻燃剂，通过匀速搅拌2～8小时，使阻燃剂与纤维均匀分散，通过筛网过滤后得到纤维毡并置于60℃烘箱干燥1～3小时，然后置于80～230℃温度下固化，得到阻燃纤维毡；进一步的，在纤维毡湿法混合过程中，可加入添加剂：消泡剂、抗静电剂或增稠剂，促进短切纤维的分散。(2)阻燃复合材料的制备，通过A.树脂传递模塑技术或B.真空导入技术或C.模压成型技术制备而成；所述A.树脂传递模塑技术，即：将裁切好的纤维增强体依次堆叠，然后在顶层与底层分别覆盖至少一层阻燃防火纤维毡，使其完全覆盖堆叠的纤维增强体表面，然后放入RTM模具，接上导管，匀速向模具内注入液态树脂，在树脂完全浸润阻燃防火纤维毡与纤维增强体后，将模具放入烘箱，按照树脂固化温度设计升温程序，在80～180℃区间内加热固化6～12小时，然后取出成型复合材料；所述B.真空导入技术，即：将裁切好的纤维增强体依次堆叠，然后在顶层与底层分别覆盖至少一层阻燃防火纤维毡，使其完全覆盖堆叠的纤维增强体表面，然后置于平板模具上，随后依次放上脱模布、导流网，并在四周贴上密封胶条并覆盖真空袋薄膜，接上真空管后开始抽真空，通过真空负压将树脂引入并通过导流网浸润纤维毡，在树脂完全浸润后将模具放入烘箱，按照树脂固化温度设计升温程序，在80～180℃区间内加热固化6～12小时，然后取出成型复合材料；所述C.模压成型技术，即：①当树脂基体为热塑性树脂时，将热塑性树脂材料在熔融温度下模压成厚度为0.2～1mm的片材，与阻燃防火纤维毡、纤维增强体一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构阻燃功能性复合材料，其特征在于：包含阻燃防火纤维毡和复合材料，所述阻燃防火纤维毡包覆于复合材料主体表面，所述阻燃防火纤维毡面重为50～300g/㎡，厚度为0.2～4mm；/n所述阻燃防火纤维毡包含纤维10-50份，阻燃剂10-60份，粘合剂10-30份，所述纤维种类包括天然植物纤维、有机纤维、无机纤维中的一种或多种，所述阻燃剂为无卤阻燃剂，所述粘合剂为热固性树脂或热塑性树脂；/n所述复合材料包含增强体、树脂基体和夹芯材料，所述增强体为纤维增强体或颗粒增强体单一组分或组合混杂，所述颗粒增强体大小为5～500μm，所述树脂基体为热塑性树脂或热固性树脂。/n

【技术特征摘要】
1.一种结构阻燃功能性复合材料，其特征在于：包含阻燃防火纤维毡和复合材料，所述阻燃防火纤维毡包覆于复合材料主体表面，所述阻燃防火纤维毡面重为50～300g/㎡，厚度为0.2～4mm；
所述阻燃防火纤维毡包含纤维10-50份，阻燃剂10-60份，粘合剂10-30份，所述纤维种类包括天然植物纤维、有机纤维、无机纤维中的一种或多种，所述阻燃剂为无卤阻燃剂，所述粘合剂为热固性树脂或热塑性树脂；
所述复合材料包含增强体、树脂基体和夹芯材料，所述增强体为纤维增强体或颗粒增强体单一组分或组合混杂，所述颗粒增强体大小为5～500μm，所述树脂基体为热塑性树脂或热固性树脂。


2.根据权利要求1所述结构阻燃功能性复合材料，其特征在于：所述纤维形态为短切纤维，所述短切纤维长度为1mm～100mm。


3.根据权利要求1所述结构阻燃功能性复合材料，其特征在于：所述纤维形态为连续纤维织物。


4.根据权利要求2所述产品的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)阻燃防火纤维毡的制备，通过A.机械混合法或B.纤维毡湿法成型工艺制备而成；
所述A.机械混合法，适用于常温固态的阻燃剂与粘合剂，将所述纤维、阻燃剂和粘合剂按照一定比例混合，通过机械混合使阻燃剂与粘合剂粉末均匀分布在纤维表面，参考粘合剂熔融、固化温度，加热至80～230℃，使纤维与阻燃剂结合，形成稳定结构阻燃纤维毡；
所述B.纤维毡湿法成型工艺，适用于常温液态阻燃剂以及可溶于水或有机溶剂的粘合剂，将所述粘合剂与去离子水或有机溶剂按照一定比例混合，使其充分分散，然后按比例添入纤维与阻燃剂，通过匀速搅拌2～8小时，使阻燃剂与纤维均匀分散，通过筛网过滤后得到纤维毡并置于60℃烘箱干燥1～3小时，然后置于80～230℃温度下固化，得到阻燃纤维毡；
(2)阻燃复合材料的制备，通过A.树脂传递模塑技术或B.真空导入技术或C.模压成型技术制备而成；
所述A.树脂传递模塑技术，即：将裁切好的纤维增强体依次堆叠，然后在顶层与底层分别覆盖至少一层阻燃防火纤维毡，使其完全覆盖堆叠的纤维增强体表面，然后放入RTM模具，接上导管，匀速向模具内注入液态树脂，在树脂完全浸润阻燃防火纤维毡与纤维增强体后，将模具放入烘箱，按照树脂固化温度设计升温程序，在80～180℃区间内加热固化6～12小时，然后取出成型复合材料；
所述B.真空导入技术，即：将裁切好的纤维增强体依次堆叠，然后在顶层与底层分别覆盖至少一层阻燃防火纤维毡，使其完全覆盖堆叠的纤维增强体表面，然后置于平板模具上，随后依次放上脱模布、导流网，并在四周贴上密封胶条并覆盖真空袋薄膜，接上真空管后开始抽真空，通过真空负压将树脂引入并通过导流网浸润纤维毡，在树脂完全浸润后将模具放入烘箱，按照树脂固化温度设计升温程序，在80～180℃区间内加热固化6～12小时，然后取出成型复合材料；
所述C.模压成型技术，即：①当树脂基体为热塑性树脂时，将热塑性树脂材料在熔融温度下模压成厚度为0.2～1mm的片材，与阻燃防火纤维毡、纤维增强体一同按尺寸裁切好，并依次将增强体与树脂片材交替堆叠，最后在上下表面放置阻燃防火纤维毡，置于热压机中，根据不同的树脂固化温度，对其进行加热，并在1-10MPa的压力下成型；②当树脂基体为热固性树脂时，将阻燃防火纤维毡、纤维增强体一同按尺寸裁切好后，按照结构设计堆叠在模具内，并导入液态热固性树脂，将模具置于热压机中，根据不同的树脂固化温度，加热并在1-10MPa的压力下固化成型。


5.根据权利要求3所述产品的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)阻燃防火纤维毡的制备，通过A.粉末喷涂法或B.液体喷涂法或C.纤维织物浸渍法制备而成；
所述A.粉末喷涂法，适用于常温固态的阻燃剂与粘合剂，将所述阻燃剂和粘合剂按照一定比例机械混合，通过碾磨控制颗粒大小至50～500目，采用粉末喷涂法将阻燃剂与粘合剂粉末均匀喷涂在纤维织物表面，参考粘合剂熔融、固化温度，加热至80～230℃，使纤维与阻燃剂结合，形成稳定结构阻燃纤维毡；
所述B.液体喷涂法，适用于常温液态的阻燃剂以及可溶于水或有机溶剂的粘合剂，将所述粘合剂与去离子水或有机溶剂按照一定比例混合，使其充分分散，然后按比例添入阻燃剂，通过匀速搅拌2～8小时，使阻燃剂均匀分散，制成阻燃剂-粘合剂混合溶液。通过表面喷涂工艺将混合液喷涂至纤维织物表面，并置于60℃烘箱干燥1～3小时，然后置于80～230℃温度下固化，得到含有阻燃剂的纤维织物；
所述C.纤维织物浸渍法，适用于常温液态的阻燃剂，选择可溶于水或有机溶剂的粘合剂，将所述粘合剂与去离子水或有机溶剂混合，使其充分分散，然后按比例添入阻燃剂，通过匀速搅拌2～8小时，使阻燃剂均匀分散，制成混合溶液。然后将纤维织物浸渍在溶液中使其被充分浸润，然后取出置于60℃烘箱干燥1～3小时，然后置于80～230℃温度下固化，得到含有阻燃剂的纤维织物；
(2)阻燃复合材料的制备，通过A.树脂传递模塑技术或B.真空导入技术或C.模压成型技术制备而成；
所述A....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓玲，朱晨凯，从小晔，
申请(专利权)人：宁波诺丁汉新材料研究院有限公司，宁波诺丁汉大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33