仿生隔热材料及制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种仿生隔热材料及制备方法。


背景技术：

2.本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的

技术实现要素：
，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
3.耐高温隔热材料是一种高性能复合材料，根据其隔热原理可以分为多孔复合材料、热辐射材料等，应用最为广泛的隔热材料是多孔复合材料，主要利用材料中的孔隙隔热，因为孔隙中的空气导热系数较低，可以有效降低热量传递。
4.目前多孔隔热复合材料较多采用发泡或者填充空心球等制备方法进行制备，其制得的隔热材料性能均一，各个方向的导热系数没有差异。在实际使用过程中，外部热量往往分布不均匀，存在局部区域热量较高，局部区域热量较低，热量接触到表面后会向各个方向匀速传递，往往会出现低热量区域完好无损而高热量区域过热导致隔热材料失效的危险现象。
发明内容
5.本发明实施例的目的是提供一种仿生隔热材料及制备方法，本发明的仿生隔热材料导热系数呈现出各向异性，使得热量可以在材料面内进行扩散传递，从而能够减小向材料内部传递的热量，提高材料的隔热性能。
6.本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种仿生隔热材料，包括中空纤维织物和具有空隙的有序排列的基体树脂，所述的空隙的轴向与所述的仿生隔热材料的厚度方向垂直。
8.进一步的，所述的中空纤维织物是指由空心纤维组成的纤维布；所述的空心纤维内部呈空心状结构，空心区域的直径占纤维直径的30％-70％；
9.进一步的，所述的空心纤维是耐高温石英纤维、玻璃纤维或者高硅氧纤维中的一种。
10.进一步的，所述的中空纤维织物，是空心纤维采用平纹编织方式织成单层纤维布。
11.进一步的，所述的基体树脂为氧化石墨烯改性的耐高温树脂，耐高温树脂本体包括酚醛树脂、双马来酰胺树脂、苯并噁嗪树脂和有机硅改性树脂；氧化石墨烯为尺寸在100纳米-500纳米之间的氧化石墨烯纳米片，通过共混的方式将氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂本体进行复合；
12.第二方面，本发明提供了一种仿生隔热材料的制备方法，包括如下步骤：
13.将中空纤维织物逐层铺放到模具中；将海藻酸钠溶液注入到所述的模具中；在温度梯度为-10～-30℃条件下保温；干燥形成空隙定向排列的海藻酸钠纳米孔模板；向所述的模板中注入基体树脂，固化得到所述的仿生隔热材料。
14.进一步的，所述的基体树脂为氧化石墨烯改性的耐高温树脂，通过将氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂本体共混复合得到；共混前将氧化石墨烯纳米片进行改性处理，增加氧化石墨烯表面的羟基或羧基基团。
15.进一步的，制备高长径比的孔隙的方法是采用低温控制冰结晶，取得定向排列的冰晶柱，并通过海藻酸钠和氯化钙的交联反应，使其取得定向排列的高长径比的纳米孔隙，孔隙的外壁为海藻酸钠交联物。
16.第三方面，本发明提供了一种仿生隔热材料的应用，将上述的仿生隔热材料或上述的方法制备的仿生隔热材料应用到耐火材料、建筑保温材料、航天航空隔热材料中。
17.本发明实施例具有如下有益效果：
18.与现有多孔隔热材料相比，本发明的仿生隔热材料的孔隙呈有序排列，孔隙呈高长径比的圆柱状，圆柱的轴向与复合材料面厚度方向垂直，使得材料的导热系数呈现出各向异性，使得热量可以在材料面内进行扩散传递，从而能够减小向材料内部传递的热量，提高材料的隔热性能；
19.采用利用氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂复合，进一步提升材料在面内的导热系数，有利于将外部的热量快速扩散至其余低温区域，使得材料表面的热量趋于一致，避免因局部过热导致隔热材料失效的风险；
20.该方法可以通过调节海藻酸钠的浓度，改变孔隙的壁厚以及孔径，从而进一步调控该复合材料的导热系数和隔热效果。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本技术进行进一步的介绍。
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。不同实施例之间可以替换或者合并组合，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。
23.一种仿生隔热材料，包括中空纤维织物和具有空隙的有序排列的基体树脂，所述的空隙的轴向与所述的仿生隔热材料的厚度方向垂直。
24.在本发明的一些实施例中，所述的中空纤维织物是指由空心纤维组成的纤维布；所述的空心纤维内部呈空心状结构，空心区域的直径占纤维直径的30％-70％；
25.在本发明的一些实施例中，所述的空心纤维是耐高温石英纤维、玻璃纤维或者高硅氧纤维中的一种。
26.在本发明的一些实施例中，所述的中空纤维织物，是空心纤维采用平纹编织方式织成单层纤维布。
27.在本发明的一些实施例中，所述的基体树脂为氧化石墨烯改性的耐高温树脂，耐高温树脂本体包括酚醛树脂、双马来酰胺树脂、苯并噁嗪树脂和有机硅改性树脂；氧化石墨烯为尺寸在100纳米-500纳米之间的氧化石墨烯纳米片，通过共混的方式将氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂本体进行复合；
28.一种仿生隔热材料的制备方法，包括如下步骤：
29.将中空纤维织物逐层铺放到模具中；将海藻酸钠溶液注入到所述的模具中；在温
度梯度为-10～-30℃条件下保温；干燥形成空隙定向排列的海藻酸钠纳米孔模板；向所述的模板中注入基体树脂，固化得到所述的仿生隔热材料。
30.在本发明的一些实施例中，所述的基体树脂为氧化石墨烯改性的耐高温树脂，通过将氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂本体共混复合得到；共混前将氧化石墨烯纳米片进行改性处理，增加氧化石墨烯表面的羟基或羧基基团。
31.在本发明的一些实施例中，制备高长径比的孔隙的方法是采用低温控制冰结晶，取得定向排列的冰晶柱，并通过海藻酸钠和氯化钙的交联反应，使其取得定向排列的高长径比的纳米孔隙，孔隙的外壁为海藻酸钠交联物。
32.一种仿生隔热材料的应用，将上述的仿生隔热材料或上述的方法制备的仿生隔热材料应用到耐火材料、建筑保温材料、航天航空隔热材料中。
33.实施例1
34.将20层空心纤维编织的纤维布铺放到一起放在铜质的模具中，将海藻酸钠配置成100mg/ml的浓度，将海藻酸钠溶液注入到铺有空心纤维布的铜质模具中，将模具放置在冷却容器中，通过控制模具在各个部位的冷却温度，形成-10～-30温度梯度，保温半小时后。通过冷冻干燥技术获得孔隙定向排列的海藻酸钠纳米孔模版。将模版中注入石墨烯改性耐高温的酚醛树脂，然后在160℃固化，形成新型仿生隔热材料。
35.实施例2
36.将20层空心纤维编织的纤维布铺放到一起放在铜质的模具中，将海藻酸钠配置成300mg/ml的浓度，将海藻酸钠溶液注入到铺有空心纤维布的铜质模具中，将模具放置在冷却容器中，通过控制模具在各个部位的冷却温度，形成-10～-30温度梯度，保温半小时后。通过冷冻干燥技术获得孔隙定向排列的海藻酸钠纳米孔模版。将模版中注入石墨烯改性耐高温的酚醛树脂，然后在160℃固化，形成新型仿生隔热材料。
37.实施例3
38.将20层空心纤维编织的纤维布铺放到一起放在铜质的模具中，将海藻酸钠配置成100mg/ml的浓度，将海藻酸钠溶液注入到铺有空心纤维布的铜质模具中，将模具放置在冷却容器中，通过控制模具在各个部位的冷却温度，形成-10～-30温度梯度，保温半小时后。通过冷冻干燥技术获得孔隙定向排列的海藻酸钠纳米孔模版。将模版中注入石墨烯改性耐高温的苯并噁嗪树脂，然后在160℃固化，形成新型仿生隔热材料。
39.产品的性能参数如表1所示：
40.表1
[0041][0042]
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发
明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种仿生隔热材料，其特征在于，包括中空纤维织物和具有空隙的有序排列的基体树脂，所述的空隙的轴向与所述的仿生隔热材料的厚度方向垂直。2.根据权利要求1所述的仿生隔热材料，其特征在于，所述的中空纤维织物是指由空心纤维组成的纤维布；所述的空心纤维内部呈空心状结构，空心区域的直径占纤维直径的30％-70％。3.根据权利要求2所述的仿生隔热材料，其特征在于，所述的空心纤维是耐高温石英纤维、玻璃纤维或者高硅氧纤维中的一种。4.根据权利要求2所述的仿生隔热材料，其特征在于，所述的中空纤维织物，是空心纤维采用平纹编织方式织成单层纤维布。5.根据权利要求1所述的仿生隔热材料，其特征在于，所述的基体树脂为氧化石墨烯改性的耐高温树脂，耐高温树脂本体包括酚醛树脂、双马来酰胺树脂、苯并噁嗪树脂和有机硅改性树脂；氧化石墨烯为尺寸在100纳米-500纳米之间的氧化石墨烯纳米片，通过共混的方式将氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂本体进行复合。6.一种仿生隔热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将中空纤维织物逐层铺放到模具中；将的海藻酸钠溶液注入到所述的模具中；在温度梯度为-10～-30℃条件下保温；干燥形成空隙定向排列的海藻酸钠纳米孔模板；向所述的模板中注入基体树脂，固化得到所述的仿生隔热材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的基体树脂为氧化石墨烯改性的耐高温树脂，通过将氧化石墨烯纳米片与耐高温树脂本体共混复合得到；共混前将氧化石墨烯纳米片进行改性处理，增加氧化石墨烯表面的羟基或羧基基团。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制备高长径比的孔隙的方法是采用低温控制冰结晶，取得定向排列的冰晶柱，并通过海藻酸钠和氯化钙的交联反应，使其取得定向排列的高长径比的纳米孔隙，孔隙的外壁为海藻酸钠交联物。9.一种仿生隔热材料的应用，其特征在于，其特征在于，将权利要求1-5任一项所述的仿生隔热材料或权利要求6-8任一项所述的方法制备的仿生隔热材料应用到耐火材料、建筑保温材料、航天航空隔热材料中。

技术总结
本发明属于复合材料技术领域，本发明公开了一种仿生隔热材料及制备方法和应用，仿生隔热材料包括中空纤维织物和具有空隙的有序排列的基体树脂，所述的空隙的轴向与所述的仿生隔热材料的厚度方向垂直。本发明的仿生隔热材料导热系数呈现出各向异性，使得热量可以在材料面内进行扩散传递，从而能够减小向材料内部传递的热量，提高材料的隔热性能。提高材料的隔热性能。


技术研发人员：许学伟 许孔力 夏雨 李峥 谢永旺
受保护的技术使用者：航天特种材料及工艺技术研究所
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25