一种耐热绝缘复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及合成树脂，具体为一种耐热绝缘复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、科技进步和工业化程度的提高，使人们对特殊性能材料的需求也日益增长。其中耐热绝缘材料广泛应用于电子设备、航空航天等领域中。绝缘材料主要包括橡胶、塑料、高分子材料、陶瓷、玻璃等。但一些绝缘材料在高温下易发生变形、氧化，导致绝缘性能下降。提高绝缘材料的耐热性能，可以通过添加高温助剂以改善材料分子结构。

2、近年来，耐热绝缘材料的研究也取得了显著进展。对于有机绝缘材料，研究人员通过开发新型耐高温助剂、利用纳米技术、优化分子结构、或者制备复合材料等方式，提高其耐热性能、力学性能。此外，一些新型材料如碳纳米管、石墨烯等逐渐进入人们的视野，为耐热绝缘材料的研发提供了新的思路和方法。文献caixia ren,yuxi yu,superhydrophobic,heat-resistant alumina-methylsilsesquioxane hybrid aerogels with enhancedthermal insulating performance in high humidity,ceramics international,2023,49(8),12625-12632.通过原位溶胶-凝胶法结合超临界干燥制备了超疏水、耐热的氧化铝-甲基硅氧烷杂化气凝胶。通过调节甲基三乙氧基硅烷的摩尔量实现亲水性向疏水性的转变，并且制备的凝胶表现出优异的耐热绝缘性，但是所制备的氧化铝基材料的维卡软化温度低。文献changhai zhang,zeyang liu,xubin wang,qiyue zhang,wenjie xing,tiandong zhang,qingguo chi,research on molecular dynamics and electricalproperties of high heat-resistant epoxy resins,the journal of chemicalphysics,2024，160(9),4902.中研究了高耐热环氧树脂分子动力学及电性能。将马来酰亚胺和酚醛环氧树脂(比例为1:5)熔融共混，制备了复合材料，测试了复合材料的微观结构以及热性能和电性能。其介电常数逐渐较低，绝缘性好，但是该材料的耐热性差，高温环境容易软化。中国发明专利cn202010378178.5公布了一种可交联绝缘聚烯烃组合物及其制备方法与应用、一种交联绝缘聚烯烃及其应用，该可交联绝缘聚烯烃组合物具有优异的耐热耐老化性能，可以延长电缆的使用寿命，但是其拉伸强度差。

3、聚乳酸是一种可降解高分子材料，对环境无污染，目前聚乳酸材料耐热性差，拉伸强度差、绝缘性差、结晶度差，而且一些通过熔融共混方式制备的聚乳酸材料不稳定、改性不彻底，限制了其在耐热绝缘材料的应用。因此需要继续探索新型耐高温添加剂或优化其分子接枝物质，以提升其综合性能，从而满足不同领域对聚乳酸耐热绝缘材料的需求。

4、为此，提出了一种耐热绝缘复合材料及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耐热绝缘复合材料及其制备方法，通过浓硝酸处理氮化硅来制备酸化氮化硅粉末，制备的酸化氮化硅与双端氨基聚乙二醇反应后与聚乳酸交联形成复合材料。所述耐热绝缘复合材料耐热性强、拉伸强度大、力学性能好。所述耐热绝缘复合材料维卡软化温度为110.3℃，耐热性能好，体积电阻率为6.32×105ω·cm，导电能力弱，绝缘性能强，并且结晶度为5.1％。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种耐热绝缘复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、称取氮化硅，将所述氮化硅置于50ml烧瓶中；向所述烧瓶中加入20ml浓酸后得到氮化硅酸液；将所述氮化硅酸液置于油浴锅，在60-90℃加热反应6-24小时后冷却至室温，然后过滤、离心并用去离子水洗涤至中性，干燥得到酸化氮化硅粉末；

5、将所述酸化氮化硅粉末分散于二甲基甲酰胺中得到氮化硅分散液；称取聚乙二醇粉末，将所述聚乙二醇粉末溶解于去离子水中得到聚乙二醇溶液；将所述氮化硅分散液与所述聚乙二醇溶液混合得到第一反应液；将所述第一反应液置于磁力搅拌器，转速为1000rpm在30-55℃搅拌反应3-13小时；反应结束后离心弃掉上清液，保留沉淀；将所述沉淀用去离子水洗涤3次并干燥，得到改性氮化硅粉末；

6、称取聚乳酸粉末，将所述聚乳酸粉末分散于去离子水中得到聚乳酸溶液；将所述聚乳酸溶液置于磁力搅拌器，进行预热；将所述改性氮化硅粉末分散于溶剂中得到改性氮化硅分散液；将所述改性氮化硅分散液滴加到预热后的聚乳酸溶液中得到第二反应液；将所述第二反应液置于磁力搅拌器，转速为1200rpm在40-80℃加热反应9-20小时，得到混合物；将所述混合物离心，用乙醇和水洗涤得到改性聚乳酸；将所述改性聚乳酸干燥得到耐热绝缘复合材料。

7、优选的，所述氮化硅的结晶结构为α-氮化硅，化学式为α-si3n4；所述氮化硅酸液的质量浓度为0.2-2g/ml。

8、优选的，所述浓酸为浓硝酸；所述氮化硅分散液的质量浓度为0.1-0.6g/ml。

9、优选的，所述聚乙二醇为双端氨基聚乙二醇，cas号为956496-54-1，分子量为3000；所述聚乙二醇溶液的质量浓度为0.2-0.8g/ml。

10、优选的，所述氮化硅与所述聚乙二醇的摩尔比为1:1-2。

11、优选的，所述聚乳酸溶液的质量浓度为0.03-0.4g/ml。

12、优选的，所述溶剂为乙醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺中的一种；所述改性氮化硅分散液的质量浓度为0.06-0.3g/ml。

13、优选的，所述预热为在40℃加热搅拌0.5h。

14、优选的，所述改性氮化硅与所述聚乳酸的摩尔比为1.8-1.1:1。

15、另一方面本发明提供一种耐热绝缘复合材料，其特征在于：所述耐热绝缘复合材料通过浓硝酸处理氮化硅来制备酸化氮化硅粉末，制备的酸化氮化硅与双端氨基聚乙二醇反应后与聚乳酸交联组成；所述耐热绝缘复合材料通过如上所述的制备方法制备得到；所述耐热绝缘复合材料耐热性系数t＝165.3℃，耐热性强；所述耐热绝缘复合材料的拉伸强度为37mpa，力学性能好；所述耐热绝缘复合材料维卡软化温度为110.3℃，耐热性能好；所述耐热绝缘复合材料的体积电阻率为6.32×105ω·cm，导电能力弱，绝缘性能强；所述耐热绝缘复合材料结晶度为5.1％。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、1、本发明向α-氮化硅中加入20ml浓硝酸后得到质量浓度为0.8g/ml的氮化硅酸液，将氮化硅酸液置于油浴锅，在85℃加热反应9小时后冷却至室温，然后过滤、离心并用去离子水洗涤至中性、干燥，得到的酸化氮化硅粉末用于制备的耐热绝缘复合材料，其耐热性系数t＝165.3℃。耐热性系数越大，说明耐热性越强。本发明制备的酸化氮化硅表面带有羧基，容易与后续的双端氨基聚乙二醇反应，实现对聚乳酸改性。最佳氮化硅的浓度为0.8g/ml。并且酸化温度会影响表面羧基量。以上说明通过对氮化硅进行酸化步骤，可以使复合材料的耐热性系数增加，进一步证明通过酸化氮化硅可以提高聚乳酸材料的耐热性。

18、2、本发明将酸化氮化硅粉末分散于二甲基甲酰胺中，形成质量浓度为0.35g/ml的氮化硅分散液，并将氮化硅分散液加入质量浓度为0.6g/ml的双端氨基聚乙二醇溶液，且氮化硅与所述聚乙二醇的摩尔比为1:1.5，通过以上方法制备的耐热绝缘复合材料的拉伸强度为37mpa。本发明通过聚乙二醇为桥梁，将氮化硅与聚乳酸连接起来，实现对聚乳酸改性。氮化硅为原子晶体，其化学键在断裂过程需要更多能量，因此可以增强聚乳酸的拉伸强度。并且发现随着氮化硅与聚乙二醇的摩尔比值减小，拉伸强度逐渐增大。化学偶联稳定且改性彻底，而共混制备的复合材料相容性差，因此拉伸强度更差。

19、3、本发明将第一反应液置于磁力搅拌器，转速为1000rpm在45℃搅拌反应7小时，反应结束后离心弃掉上清液，保留沉淀，将沉淀用去离子水洗涤3次并干燥，得到改性氮化硅粉末，用于后续制备耐热绝缘复合材料维卡软化温度为110.3℃。本发明通过控制制备改性氮化硅的温度与时间，一方面使最终形成的复合材料具有规则有序的结构，有利于提高材料耐热性；另一方面氮化硅作为无机原子晶体材料，其本身晶体网络在空间中呈现三维结构，复合到聚乳酸长链上，从自身性质与结构两方面都能提高单一聚乳酸材料的维卡软化温度。

20、4、本发明将质量浓度为0.26g/ml的聚乳酸溶液，置于磁力搅拌器，在40℃加热搅拌0.5h进行预热，然后将质量浓度为0.23g/ml的改性氮化硅分散液滴加到预热后的聚乳酸溶液中得到第二反应液，其中改性氮化硅与所述聚乳酸的摩尔比为1.3:1，通过所述方法制备的耐热绝缘复合材料的体积电阻率为6.32×105ω·cm。这是因为氮化硅为具有正八面体结构的无机材料，其空间结构具有空缺，空气可以进入正八面体结构中，且氮化硅具有宽能带隙，能阻碍复合材料内载流子的迁移，进而使聚乳酸的导电能力下降，即体积电阻率增加，绝缘性能强。

21、5、本发明将第二反应液置于磁力搅拌器，转速为1200rpm在70℃加热反应12小时，得到混合物，将混合物离心，用乙醇和水洗涤得到改性聚乳酸，将改性聚乳酸干燥得到耐热绝缘复合材料，结晶度为5.1％，其值主要受分子链结构以及支链物质的物化性质影响。本发明采用改性氮化硅对聚乳酸表面修饰，通过控制改性氮化硅与聚乳酸反应的温度与时间，可以使表面修饰后的聚乳酸具有较高的结晶度。改性氮化硅与聚乙二醇偶联后，表面的氨基与聚乳酸的羧基发生反应，形成酰胺键，酰胺比较稳定，可以增加聚乳酸的单体分子量，并且加入改性氮化硅抑制了聚乳酸分子链运动，分子链的堆叠和缠绕获得了更大的接触面积；另一方面，改性氮化硅可以填补聚乳酸固化体系中的交联缝隙，使得内部结构更加紧密，因此复合材料的结晶度增加。