[發明專利]一種聚碳硅烷/酚醛雙體系網絡結構氣凝膠及其復合材料和制備方法

有效

• 申請號: 202111389268.5
• 申請日: 2021-11-19
• 公開（公告）號: CN113845692B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 賀麗娟;劉韜;王孟;劉圓圓;李文靜;張昊;趙英民
• 申請（專利權）人: 航天特種材料及工藝技術研究所
• 主分類號: C08J9/28
• 分類號: C08J9/28;C08L61/06;C08L83/16;C08K7/06;C08K7/10
• 代理公司: 北京格允知識產權代理有限公司 11609
• 代理人: 譚輝

本發明涉及一種聚碳硅烷/酚醛雙體系網絡結構氣凝膠及其復合材料和制備方法。所述方法以酚醛樹脂、聚碳硅烷為反應原料，經過溶解、混合后，在加熱條件下發生溶膠?凝膠反應得到濕凝膠，再經過干燥處理后得到聚碳硅烷/酚醛雙體系網絡結構氣凝膠。本發明可根據需要與纖維制品原位復合進一步提高其力學性能。本發明還涉及由所述方法制備的酚醛氣凝膠或其復合材料，其具有密度低、耐熱性好、導熱系數低、力學性能好、線燒蝕率低、抗沖刷性能好等特點，可用于航天飛行器熱防護系統低密度防隔熱材料，具有重要應用價值。

技術領域

本發明涉及一種聚碳硅烷/酚醛雙體系網絡結構氣凝膠及其復合材料和制備方法，主要用作航天飛行器熱防護系統低密度防隔熱材料。

背景技術

航天飛行器再入/進入大氣層時會產生嚴重的氣動加熱，熱防護系統是確保飛行器內部設備和電子器件正常運轉必不可少的部分。防/隔熱材料是熱防護系統的關鍵組成，其有效性關乎飛行成敗甚至生命安全。

氣凝膠擁有的介孔尺寸(1至100nm)能在一定程度上束縛氣體分子的運動，減少氣體分子碰撞所產生的熱傳遞，因此氣凝膠的宏觀熱導率極低，是一種性能優異的超級隔熱材料，在航天飛行器熱防護系統領域顯示出極大的應用前景。

酚醛氣凝膠是研究較多的一種有機氣凝膠，具有密度低、比表面積高、熱導率低等優異性能。但是，在高溫條件下，酚醛氣凝膠中的亞甲基容易斷裂產生嚴重降解，導致其高溫下質量保留率低，體積收縮嚴重，易碎裂，耐溫性非常有限，這些缺點限制了其在航空航天領域的應用。因此，如何提高酚醛氣凝膠的耐溫性成為該領域關注的焦點。

CN105838022A是將線性酚醛、鋇酚醛或高碳酚醛樹脂分散在乙醇溶劑中，然后和二氧化硅溶膠復合后干燥得到雜化氣凝膠，具有高孔隙率、低密度的特點，同時克服了氧化硅氣凝膠較脆、容易掉渣的缺點。由于航天飛行器服役溫度在1000℃以上，二氧化硅氣凝膠高溫穩定性差，在高溫環境容易發生燒結和相變，導致隔熱性能急劇下降。CN111234299A和CN112175230A通過硼改性的手段提高酚醛氣凝膠的耐溫性，前者通過苯酚、甲醛、與硼酸發生反應合成硼改性酚醛樹脂，然后將其制備成酚醛氣凝膠，具有高耐熱、高骨架強度等優點；后者通過在線性酚醛樹脂中加入硼酸三丁酯等有機硼酸，在固化劑作用下發生反應，得到硼復合酚醛濕凝膠，常壓干燥得到硼改性酚醛氣凝膠，具有良好的比表面積，抗氧化性，低導熱系數和密度等優點。由于硼酸在100-300℃容易析出，所以存在改性后酚醛氣凝膠在固化或者老化過程中不穩定的問題，析出的硼酸會造成模具、設備儀器的腐蝕和污染，不利于大規模制備。CN110746637A公開了一種陶瓷改性耐燒蝕酚醛氣凝膠及其制備方法，將線性酚醛樹脂和硼酸溶解于乙醇溶液中，再加入耐燒蝕陶瓷粉末填料以提升其耐燒蝕性能。該方法存在耐燒蝕填料分散不均勻，產品質量可控性差，以及硼酸析出等缺點。CN109200955B公開了一種有機無機雙網絡結構酚醛/氧化鋁氣凝膠復合材料，是由間苯二酚、甲醛、結晶氯化鋁為原料，通過水解、縮聚反應原位生長成有機無機雙網絡結構的復合凝膠，再采用化學液相法對雙網絡結構的復合凝膠沉積氧化鋁原子層，最后通過老化、干燥得到，具有低密度、低導熱系數、高機械強度、低線燒蝕率的特點。該氣凝膠中的氧化鋁組分在高溫使用過程中會發生相轉變而影響其高溫使用性能。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種具有優良的耐溫性、隔熱性能和力學性能的聚碳硅烷/酚醛雙體系網絡結構氣凝膠及其復合材料制備方法。

具體地說，本發明在第一方面提供了一種聚碳硅烷/酚醛雙體系網絡結構氣凝膠的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

(1)將酚醛樹脂、第一有機溶劑和可選的固化劑混合攪勻，得到酚醛樹脂溶液S1；

(2)將聚碳硅烷、第二有機溶劑和催化劑混合攪勻，得到聚碳硅烷溶液S2；

(3)將所述酚醛樹脂溶液S1和所述聚碳硅烷溶液S2混合攪勻，得到所述聚碳硅烷/酚醛樹脂復合溶液S3；