阅读说明：本技术 一种三层涂层柔性热防护材料产品及其制备方法 (Three-layer coating flexible thermal protection material product and preparation method thereof ) 是由 赵晓明 刘国熠 谌玉红 刘元军 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三层涂层柔性热防护材料产品及其制备方法,该类柔性热防护材料包括气凝胶绝热层、耐火隔热层和耐热辐射层,涂层基布为连续玄武岩纤维织物。采用所公开的三层涂层柔性热防护材料的制备方法所制备出的材料兼具耐明火、反射热辐射和高效隔热等功能。该产品的制备工艺分为气凝胶绝热涂层、耐火隔热层和耐热辐射层等三步,所制得三层涂层柔性热防护材料具备轻薄、耐高温和热防护性能优异等功能特点。(The invention discloses a three-layer coating flexible thermal protection material product and a preparation method thereof. The material prepared by the preparation method of the disclosed three-layer coating flexible thermal protection material has the functions of open fire resistance, heat radiation reflection, high-efficiency heat insulation and the like. The preparation process of the product comprises three steps of the aerogel heat insulation coating, the fire-resistant heat insulation layer, the heat radiation resistant layer and the like, and the prepared three-layer coating flexible heat protection material has the functional characteristics of lightness, thinness, high temperature resistance, excellent heat protection performance and the like.)

一种三层涂层柔性热防护材料产品及其制备方法

技术领域

本发明涉及热学防护复合材料制品，尤其涉及一种以连续玄武岩纤维织物为基材，有机硅树脂为基体，具有良好热学防护性能的三层涂层柔性热防护材料产品及其制备方法。

背景技术

连续玄武岩纤维织物。玄武岩纤维是在超过1400℃的温度下熔融拉丝制成的，因此，其兼具耐低温和高温的性能，长期使用温度范围在-260～700℃。除了拥有优异的耐热性能，玄武岩纤维的机械性能也十分突出，弹性模量在80～93GPa范围内，拉伸强度大于3000MPa，断裂伸长在3％左右。其优异的热稳定性和机械性能是由于其具有发达的Q4硅分子网络，破坏其Si-O键需要更多的能量。但是，由于玄武岩纤维色泽较暗，因而反射辐射热性能较差，需要进行涂层改性等处理，以增强其防护效能。

复合材料(Composite materials)，是指由两种或两种以上的性质不同的材料如金属、陶瓷及高分子材料等，通过物理或化学等制备工艺制备出来的多相材料。组成复合材料的各种材料在性能及特点上互补、取长补短，产生协同效应，这就使得复合材料的综合性能优于其原组成材料，从而满足日常生活、工业生产中各种不同的需求。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

涂层织物(Coated fabric)属于复合材料中的一类，它是一种纺织品，涂层黏合材料在织物一面或正、反两面原位形成单层或多层涂层。由两层或两层以上的材料组成，其中至少有一层是纺织品，而另一层或多层是完全连续的聚合物涂层。该类产品兼有两者的优点。另外，从微观角度看，织物上的涂层可视为一个空间，在此空间中可容纳一些具有特殊功能但又不能与纤维反应而固着的物质，这样就可以扩大纺织品的应用范围，不再局限传统的领域，通过该方法，可以实现一种或多种功能的复合。

在高温火场中，明火火源产生的热流多以电磁波的形式向四周传播，火焰产生的热流量峰值集中在167～226kW·m^-2范围内，波峰在2μm左右，波长范围为1～6μm。这表明明火环境中所产生的辐射热绝大部分都是出于近红外区的电磁波。普通火灾中，火源的辐射波长范围是2～20μm，在高温明火火场中，可见光(0.4～0.8μm)也同时产生了热效应，因此，在高温火场中，能被吸收并产生热效应的辐射线波长范围在0.4～20μm，称为热射线，由热射线产生的热辐射效应占高温火场总热流量的80％，因此，增强涂层织物复合材料的辐射热反射性能是提升涂层织物在火场中热防护效能的主要途径。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种以连续玄武岩纤维织物为基材，有机硅树脂为基体，在高温火场具有良好热学防护性能的三层涂层柔性热防护材料产品，可作为消防避火服外层材料。同时本技术采用三层涂层的方式使织物材料同时兼具耐烧蚀、反射辐射热及隔热功能，采用价格较低的连续玄武岩纤维织物替代价格较高的高硅氧玻璃纤维织物，解决了传统高温火场用热防护织物价格昂贵而导致使用率降低的问题。本发明为了解决上述问题所提供的技术方案是，提供一种三层涂层柔性热防护材料产品，包括：作为基材的连续玄武岩纤维织物，作为涂层基体的有机硅树脂，通过向有机硅树脂中加入不同种类的功能填料，对织物进行三层涂层工艺，在高温下固化成型制得所述柔性防护材料产品。

1.一种三层涂层柔性热防护材料产品工艺参数，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1气凝胶绝热涂层制备工艺

优选的，将所述连续玄武岩纤维织物裁剪成15cm×40cm的试样，对应的有机硅树脂的用量为20-45g。

优选的，所述有机硅树脂与偶联剂的质量比例为50～250∶1。

优选的，所述偶联剂为硼酸脂偶联剂、双金属偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。

优选的，在所述有机硅树脂中加入其质量5～10mL的无水乙醇对其进行稀释。

所述气凝胶绝热层涂层剂中以质量百分比计，包括如下组分：

气凝胶：5～20％；

云母粉：3～15％；

高岭土：0.5～28％；

滑石粉：1～10％

优选的，所述涂层厚度为0.1～2mm。

优选的，使用小样涂层机在织物背面涂覆后，放入烘箱中50～150℃烘干30～60min。

步骤2耐火隔热层制备工艺

优选的，所述有机硅树脂的用量为25～50g。

优选的，所述有机硅树脂与偶联剂的质量比例为80～200∶1。

优选的，所述偶联剂为硼酸脂偶联剂、双金属偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。

优选的，在所述有机硅树脂中加入其质量9-15mL的无水乙醇对其进行稀释。

所述耐火隔热层涂层剂中以质量百分比计，包括如下组分：

空心陶瓷微珠：5～30％；

云母粉：3～15％；

高岭土：2～12％；

滑石粉：1～5％

优选的，所述涂层厚度为0.1～2mm。

优选的，使用小样涂层机在织物正面涂覆后，放入烘箱中50～150℃烘干30～60min。

步骤3耐热辐射层制备工艺

优选的，所述有机硅树脂的用量为25～40g。

优选的，所述有机硅树脂与偶联剂的质量比例为80～200∶1。

优选的，所述偶联剂为硼酸脂偶联剂、双金属偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。

优选的，在所述有机硅树脂中加入其质量9-15mL的无水乙醇对其进行稀释。

所述耐热辐射层涂层剂中以质量百分比计，包括如下组分：

纳米级六钛酸钾晶须：5～20％；

云母粉：3～13％；

高岭土：2～10％；

滑石粉：2～5％

优选的，所述涂层厚度为0.1～2mm。

优选的，使用小样涂层机在织物正面涂覆后，放入烘箱中50～150℃烘干30～60min，然后在此温度上升温至180～250℃烘干60～120min。

本发明还提供上述三层涂层柔性热防护材料产品涂层剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)涂层剂的制备：

将纳米填料加入到上述比例的酒精中，搅拌均匀后，超声处理10～20min，去除纳米填料间的团聚现象。设定分散机转速为100～500r/min，先向树脂中缓慢加入纳米填料，而后加入其它填料，加料完毕后，将分散机转速调至1500～3000r/min，匀速搅拌20～30min后加入偶联剂，搅拌2～5min。

(2)涂覆工艺的实施：

将剪好的织物固定在针板架上，调整刮刀与织物间距至规定值，将小样涂层机的刮涂速度降至1～10mm/s以下实施匀速刮涂。

(3)烘干成膜工艺的实施：

隔热涂层、耐烧蚀隔热涂层的涂覆工艺实施完毕后，均需要实施预烘。耐烧蚀反射涂层涂覆工艺实施完毕后，需要先实施预烘，而后实施高温固化工艺。

本发明技术方案概述如下：

以有机硅树脂作为该柔性防护材料产品的基体；由于有机硅树脂具备一定的粘度，在该树脂中加入无水乙醇进行稀释，便于后续填料的分散和涂覆工艺的实施；以连续玄武岩纤维机织物作为增强体，其耐热性能对柔性防护材料产品的高温热稳定性影响显著；依次对玄武岩纤维织物进行气凝胶绝热涂层、耐火隔热涂层和耐热辐射涂层，将无机功能填料按照一定比例添加到不同结构功能层，并在固化温度下烘干规定时间后成型，实现了材料的耐烧蚀、热反射和隔热等多个热防护效能的复合，制得本发明所述三层涂层柔性热防护材料产品。

有益效果：

本发明利用连续玄武岩纤维织物作为三层柔性热防护材料产品的基体，连续玄武岩纤维织物具备优异的高温热稳定性和良好的机械性能。利用连续玄武岩纤维织物的这些特点，采用简单易行的三层涂层方法，将具备相应功能填料混入有机硅树脂中，对连续玄武岩纤维织物进行三层功能涂覆，在树脂成膜温度固化后成型。本发明产品厚度仅为1mm左右，十分轻薄，但热防护性能优异，制备方法简单、易于操作、成本较低。

附图说明

图1本发明复合材料的制备流程图；

图2本发明复合材料的模型结构示意图；

图3空心陶瓷微珠含量对复合材料辐射热防护性能的影响；

图4纳米六钛酸钾晶须含量对复合材料耐受600℃火焰烧蚀性能的影响。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案，并结合附图，进一步叙述本发明。除非特别说明，实施方式中未描述的技术手段均可以用本领域技术人员所公知的方式实现。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分、用量、尺寸、形状进行的各种修改、替换、改进也属于本发明的保护范围，并且本发明所限定的具体参数应有可允许的误差范围。

实施例1：制备连续玄武岩纤维织物作为三层柔性热防护材料产品

作为具体实施方案的一种示例，提供一种连续玄武岩纤维织物作为三层柔性热防护材料产品，包括：作为复合材料基体的有机硅树脂，作为复合材料力学增强体的连续玄武岩纤维织物，以及其它助剂；所述复合材料产品的制备方法如下：

(1)气凝胶绝热涂层制备工艺

在所述有机硅树脂中加入其质量5～10mL的无水乙醇对其进行稀释。

向所述气凝胶绝热层涂层剂中加入包括气凝胶、云母粉、高岭土和滑石粉等组分，使用小样涂层机在织物背面涂覆后，放入烘箱中60℃实施预烘30min。

(2)耐火隔热涂层制备工艺

在所述有机硅树脂中加入其质量5～10mL的无水乙醇对其进行稀释。

向所述耐火隔热层涂层剂中加入包括空心陶瓷微珠、云母粉、高岭土和滑石粉等组分，使用小样涂层机在织物正面涂覆后，放入烘箱中60℃实施预烘30min。

(3)耐热辐射涂层制备工艺

在所述有机硅树脂中加入其质量5～10mL的无水乙醇对其进行稀释。

向所述耐热辐射层涂层剂中加入包括纳米六钛酸钾晶须、云母粉、高岭土和滑石粉等组分，使用小样涂层机在织物正面涂覆后，放入烘箱中180℃实施高温固化120min。

本实施例采用DTO-300型电动小样涂层机对玄武岩纤维织物进行涂层。由于有机硅树脂具备一定的粘度，在该树脂中加入无水乙醇进行稀释，便于后续填料的分散和涂覆工艺的实施；以连续玄武岩纤维机织物作为增强体，其耐热性能对柔性防护材料产品的高温热稳定性影响显著；依次对玄武岩纤维织物进行隔热涂层、耐烧蚀隔热涂层和耐烧蚀反射涂层，将无机功能填料按照一定比例添加到不同结构功能层，并在固化温度下烘干规定时间后成型，实现了材料的耐烧蚀、热反射和隔热等多个热防护功能的复合，制得本发明所述三层柔性热防护材料产品。本发明复合材料的制备流程如图1所示，其结构示意图如图2所示。

实施例2：空心陶瓷微珠含量对复合材料辐射热防护性能的影响

陶瓷空心微珠颜填料与普通的实心玻璃微珠相比，具有质轻、密度小、低导热、绝热性能好等优点。陶瓷空心微珠颜填料与其他轻质填料相比，具有比面积小、抗压强度高、熔点高、热反射率高、热传导系数和热收缩系数小、化学稳定性良好；该颜填料还具有优良的保温隔热隔音效果，鲜艳、稳定的彩色，无毒、自、高分散等优点。为进一步探索空心陶瓷微珠对三层柔性热防护材料产品辐射热防护性能的影响，将加入和未加入该填料的产品辐射热防护性能进行对比，如图3所示。

由图3可知，加入空心陶瓷微珠后，三层柔性热防护材料产品的辐射热防护时间提升了6.81s，主要是由于适当比例的空心陶瓷微珠可以在产品内部形成静止空气层，在产品内部增加了空气介质的比例，提升了产品的隔热性能。

实施例3：纳米六钛酸钾晶须含量对复合材料耐受600℃火焰烧蚀性能的影响

从图4中可以看出，在直接接触600℃高温明火火焰烧蚀的过程中，耐烧蚀反射涂层中的纳米级六钛酸钾晶须的加入明显提升了产品的耐烧蚀性能，当纳米级六钛酸钾晶须含量为6％时，三层涂层柔性复合材料的高温隔热性能测试平台温度最低，值为364.1℃，比未加入该填料时降低了67.1℃，说明加入纳米级六钛酸钾晶须后，样品的高温隔热性能得到了大幅提升。此后，继续增大该填料的质量分数至9％和12％时，样品的高温隔热性能测试平台温度相较质量分数为6％的样品分别上升了9.9℃和12.9℃，所制备三层涂层柔性复合材料的高温隔热性能测试平台温度出现了较小幅度的回升，说明该填料质量分数达到6％后，继续增大其含量将削弱该类填料的热防护效果。