一种无机纤维复合气凝胶板及其应用的制作方法

本发明属于新型环保抗火材料，具体地，涉及一种无机纤维复合气凝胶板及其应用。

背景技术：

1、近年来，钢板凭借其高强度、轻自重、良好的整体刚度与抵抗变形能力等特点而广泛应用于建筑、桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道等行业。然而钢板较差的耐火性能、耐腐蚀性能、耐候性、可塑性等限制了其应用范围，通常情况下，钢板的耐火极限在15～20min范围内。对于钢板而采取的耐火保护措施主要包括现浇法、涂抹法、包湲法、喷涂法等，正常情况下，上述方法的保护厚度需达到4～5cm才可以使整体结构达到一、二级耐火等级的要求，现存各法不仅费用较高、效果不佳且局限性较大。不仅如此，钢板在使用过程中还应适应敏感环境因素，例如潮湿的气候、高温、强酸或强碱等，否则会造成钢板的腐蚀而降低使用寿命导致结构脱落、坍塌等风险，造成不必要的生命财产损失，而现有技术对于钢板抗火、防腐、耐候等方面的提升有限、成本较大。

2、本发明提供了一种无机纤维复合气凝胶板及其应用，该板主要可分为三层，包括耐抗火防水耐腐蚀层、保温隔热层及原钢板层。该板材的制备工艺简单，热导率低，各层之间剥离强度高，且具有优异的力学性能、抗火隔热保温性能、防水耐腐密封性能等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种无机纤维复合气凝胶板及其应用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种无机纤维复合气凝胶板，通过如下步骤制备：

4、(1)选取钢板作为内侧面板，同时将陶瓷化硅橡胶纤维带、气凝胶毡裁切成相同尺寸；

5、(2)采用层铺法依次将钢板、耐高温阻燃密封胶、气凝胶毡、耐高温阻燃密封胶、陶瓷化硅橡胶纤维带铺设粘接整齐；

6、(3)铺设完成后用模压设备进行模压；

7、(4)模压完成后，在纤维复合气凝胶板侧面涂敷耐高温阻燃密封胶进行结构封边，完成后，静置固化即可得到无机纤维复合气凝胶板。

8、无机纤维复合气凝胶板选取的材料均为低热传导、耐高温、耐老化、耐腐蚀且绿色、轻质、环保的材料；无机纤维复合气凝胶板制作工艺为层铺法与模压法相结合，板材成型时不易变形且尺寸稳定性好，可以压制大平面的板材，且设备简便，功效较高，施工进度快且造价较低；在模压完成后，使用耐高温阻燃密封胶进行封边一方面保证了无机纤维复合气凝胶板外表面的抗火隔热性能，另一方面也对该板整体的密封性进行了完善。本发明无机纤维复合气凝胶板是一种新型的复合材料，具有轻质、高强度、隔热、阻燃等特点。

9、进一步地，步骤(1)中所述陶瓷化硅橡胶纤维带为玻璃纤维布、玄武岩纤维布、碳纤维布中的一种与陶瓷化硅橡胶复合而成。

10、进一步地，步骤(1)中所述气凝胶毡为玻璃纤维气凝胶毡、玄武岩纤维气凝胶毡、高硅氧纤维气凝胶毡中的一种。

11、进一步地，步骤(1)中所述钢板厚度为1～3mm。

12、进一步地，步骤(1)中所述陶瓷化硅橡胶纤维带厚度为1mm。

13、进一步地，步骤(1)中所述气凝胶毡厚度为3～6mm。

14、进一步地，步骤(2)中所述耐高温阻燃密封胶厚度为0.5～1mm。

15、进一步地，步骤(3)中所述模压压力为3～5mpa，模压保压时间为3min。

16、进一步地，步骤(4)中所述耐高温阻燃密封胶厚度为1mm。

17、进一步地，所述耐高温阻燃密封胶包括端羟基聚硅氧烷40～50份、交联剂5～10份、阻燃剂10～15份、纳米碳酸钙10～20份、扩链剂0.5～2份、辛酸亚锡0.5～1份。

18、进一步地，所述交联剂为甲基三乙酰氧基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、甲基三甲氧基硅烷中的一种或几种。

19、进一步地，所述阻燃剂通过如下步骤制备：

20、s1、室温、氮气保护下在三口烧瓶中依次加入4-氨基苯硼酸、笼状季戊四醇磷酸酯和二甲基亚砜，搅拌溶解，随后缓慢加入浓盐酸，室温下搅拌反应2h，反应结束后加入碳酸钠进行中和，减压蒸馏除去大部分溶剂，最后再用去离子水洗涤5次，无水乙醇洗涤5次，洗涤后将产物于80℃真空干燥12h，得到中间体1；4-氨基苯硼酸、笼状季戊四醇磷酸酯、浓盐酸和二甲基亚砜的用量比为7.6g:8.6g:0.025ml:130ml；

21、控制4-氨基苯硼酸与羟甲基膦酸二乙酯的摩尔比为1:1且4-氨基苯硼酸略过量，4-氨基苯硼酸的一个硼羟基可与笼状季戊四醇磷酸酯的羟基在浓盐酸催化下发生酯化反应。反应过程如下所示：

22、

23、s2、先将干燥的棕色三口烧瓶用氮气鼓吹30min，随后加入中间体1、1-哌嗪基丙醇和二甲基亚砜，充分搅拌至溶解，接着缓慢加入浓盐酸，室温下搅拌反应3h，反应结束后加入碳酸钠进行中和，再减压蒸馏，得到的粗品用去离子水洗涤5次，无水乙醇洗涤5次，最后于80℃真空干燥12h，得到中间体2；中间体1、1-哌嗪基丙醇、浓盐酸和二甲基亚砜的用量比为10.5g:5.8g:0.02ml:130ml；

24、控制中间体1与1-哌嗪基丙醇的摩尔比为1:1且1-哌嗪基丙醇略过量，中间体1的一个硼羟基可与1-哌嗪基丙醇的羟基在酸催化剂的促进下发生酯化反应。反应过程如下所示：

25、

26、s3、将中间体2与dmf(n,n-二甲基甲酰胺)混合溶解均匀后，得到反应液，备用；先将干燥的三口烧瓶用氮气鼓吹30min，随后加入kh570(3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)，接着用恒压滴液漏斗将反应液缓慢滴入三口烧瓶中，于60℃下反应48h，反应结束后冷却至室温，减压蒸馏，整个过程均在氮气保护下进行，得到阻燃剂。中间体2、kh570和dmf的用量比为9.4g:5.5ml:100ml。

27、中间体2与kh570发生迈克尔加成反应，反应过程如下所示：

28、

29、含p元素的阻燃剂促使聚合物基体成炭，在聚合物基体表面形成熔融炭层；含n元素的阻燃剂受热分解生成的氨气、氮气等不燃性气体除了稀释火焰区可燃性气体的浓度外，还起到使得聚合物基体表面形成的熔融炭层膨胀发泡，形成多孔泡沫状结构，而膨胀多孔的泡沫状炭层会阻断材料与外界进行热量与氧气交换的进程，阻止其燃烧；含b元素的阻燃剂主要在凝聚相中发挥阻燃作用，可通过改变聚合物的分解模式和脱水以促进成炭；si元素的存在则强化基体表面的炭层，阻隔火焰，进一步提升阻燃效果；因此，阻燃剂中的b、n、p、si四种元素协效阻燃，赋予密封胶优异的阻燃性能。

30、阻燃剂中含有硅氧烷键，硅氧烷键水解形成si-oh键，相邻的si-oh键之间脱水交联，同时si-oh键与纳米碳酸钙表面的羟基以及端羟基聚硅氧烷的羟基缩合形成共价键，既分散了纳米碳酸钙和端羟基聚硅氧烷，又分散了阻燃剂，阻燃剂与纳米碳酸钙、端羟基聚硅氧烷等原料通过化学作用结合在一起，因此，阻燃剂不易受到时间和外界环境的影响而迁移或脱出，因而密封胶阻燃性稳定且优异，进而无机纤维复合气凝胶板拥有持久高效且安全的阻燃效果。

31、进一步地，所述扩链剂为二甲基二丁酮肟基硅烷、甲基乙烯基二丁酮肟基硅烷或甲基乙烯基二丙酮肟基硅烷中的一种或几种。

32、本发明还公开了一种无机纤维复合气凝胶板在建筑、汽车、航空航天领域中的应用。

33、本发明的有益效果：

34、(1)本发明通过耐高温阻燃密封胶将原钢板与抗火防水耐腐蚀层、保温隔热层粘接并模压成形，使得钢板在保持较高的强度的同时提高了隔热性能、阻燃性能与抗腐蚀能力，且阻燃性能高效稳定，能够大量减少热量的传导并有效抑制火焰的蔓延，提升了钢板在隔热保温、抗火等领域更具竞争力。除此以外，考虑到使用要求，纤维复合气凝胶板与钢板相比仅增加了5～10mm的厚度，重量更是可以忽略不计。

35、(2)本发明在制作工艺上选择了层铺法与模压法相结合。相比于真空吸塑、自动纺织、粘接、注塑等常见的复合材料制作工艺设备复杂、设备成本高、形状限制、纤维方向限制且分散、耐久性不足等问题，层铺法工艺可以根据需要选择不同的纤维方向和层数且适用于各种纤维以满足不同应用的需求。而模压工艺可以将各层之间通过耐高温阻燃密封胶形成有机整体，使得耐高温阻燃密封胶能够在一定压力下粘接并渗入气凝胶毡结构之中，在耐高温阻燃密封胶固化后看确保复合材料的均匀性和整体性并提高复合材料的密度和强度。不仅如此，模压工艺通常适用于批量生产，可以快速制备大量的复合材料制品。

36、(3)本发明主要结构为陶瓷化硅橡胶纤维带+气凝胶毡+原试件钢板，之间采用耐高温阻燃密封胶粘接。同时采用天然的玄武岩纤维作为基材，不含有害物质，具有较低的环境影响。相比之下，其他钢板的抗火防腐措施在施工过程总涉及大量的能源消耗和环境污染。