CN110643151A - 一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度低导热系数环氧树脂基隔热材料技术领域，尤其是一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料及其制备方法和用途；以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂75‑93份，钛酸锶钡5‑20份，固化剂1‑3份，促进剂1‑3份；本发明中通过采用纳米级钛酸锶钡作为填料来降低环氧基酯导热系数的同时还显著增强了环氧树脂的力学性能，通过低导热系数的纳米级钛酸锶钡来取代大直径玻璃微珠作为环氧基酯填料，实现了低导热系数并维持了环氧基酯的高力学性能，并且在此基础上优化了纳米级钛酸锶钡填料的最优填充比例，以实现最优力学性能和最低导热系数的平衡，所以该复合材料可被广泛用于输热管道支座以及输热管道上的挡板以及深水管道保温领域。

Description

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料及其制备方法和 用途

技术领域

本发明涉及一种高强度低导热系数环氧树脂基隔热材料技术领域，尤其是一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，树脂基轻质隔热复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、可设计加工等一系列突出优点，备受人们重视。目前，输送蒸汽或者热水的输热管道的固定支座或者滑动支座一般是钢制的，输热管道支座以及输热管道上的挡板均与基础钢支架或者混凝土支架直接接触，输热钢管中的蒸汽或热水通过其上的挡板和固定支座将热量传送到支座上，形成了热桥传递，造成了热量损失。由于蒸汽或者热水的输送管道的固定支架要同时满足管道在冷热两种运行状态下的刚度和强度的要求，一般在管道输送线上设置数量较多的管道支座，支座的热桥传递效应直接造成了输送管道中的热量的大量损耗。输热管道产生热桥现象的主要原因是支座中所使用的隔热材料的强度不高，在管道热胀冷缩的作用力和高温的共同作用下，隔热材料又存在容易老化的问题，老化后的隔热材料形成了很强的热桥传递效应，使输送管道中的热介质的热能大量损失。

有机隔热材料具有导热系数低和比强度高的特点，是制作高强度隔热材料的理想候选者，但是有机隔热材料的耐温普遍较低，一般不超过150℃，因此不能直接用于高温输热管道及基座中；而无机材料则具有耐高温的优点，但存在吸水率大的缺点；将两者结合可以克服各自的缺陷，以环氧乙烯基酯为基体，空心玻璃微珠为填充基体，制备得到的轻质隔热复合塑料，展现出非常优异的隔热性能，但是以空心玻璃微珠为填充基体会导致环氧乙烯基酯力学性能的下降，这个主要是由于空心玻璃微珠粒径普遍在20um-55um, 较大粒径填充物的引入导致环氧基酯中连接程度的下降，显著降低了环氧酯基的力学性能。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术中的不足，提供一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，该隔热材料显著提升了环氧树脂的力学性能和弯曲性能，显著降低了隔热材料的导热系数。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂75-93份，钛酸锶钡5-20份，固化剂1-3份，促进剂1-3份。

有机隔热材料具有导热系数低和比强度高的特点，是制作高强度隔热材料的理想候选者，但是有机隔热材料的耐温普遍较低，一般不超过150℃，因此不能直接用于高温输热管道及基座中；而无机材料则具有耐高温的优点，但存在吸水率大的缺点；本发明旨在将两者优点结合起来，组成有机物无机复合材料，以便获得耐高温，隔热效率高和高强度的轻质隔热材料。根据上述要求，本发明采用环氧树脂为基本材料，加入超低导热系数的钛酸锶钡材料，通过调整各组分的配比，构成一种环氧树脂复合隔热材料。

进一步的，所述钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡。纳米级钛酸锶钡填料可以显著提升环氧基酯的力学性能，纳米级钛酸锶钡填料可以显著降低环氧基酯轻质复合隔热材料的导热系数，纳米级钛酸锶钡填料在环氧基酯中的使用量远低于其他填料，纳米级钛酸锶钡填料可以显著提升环氧基酯复合材料的弯曲性能。

进一步的，所述纳米级低导热系数的钛酸锶钡的导热系数为0.106 W/(m·K)。

进一步的，所述钛酸锶钡的平均粒径大小为0.2μm-1μm。

进一步的，所述固化剂选用酸酐类固化剂，优选为甲基氢苯酐，甲基氢苯酐中氢原子的个数选择为常规手段，本发明中对氢原子的个数选择没有要求。

进一步的，所述促进剂选用咪唑类促进剂，优选为咪唑。

进一步的，所述钛酸锶钡采用一锅法制备。

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂75-93份，钛酸锶钡5-20份，固化剂1-3份，促进剂1-3份

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至80℃-150℃，并加热5-50min，然后加压使混合物固化，即得到 所述的高强度超低导热系数的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

进一步的，所述步骤S4中加压使混合物固化的压力大小为0.5-10 Pa，所述步骤S4中制得的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的强度为76.91 Mpa，

导热系数为0.25-0.8 (W/(m·K))。

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料在输热管道及输热管道基座中的应用。

采用本发明的技术方案的有益效果是：

本发明中通过采用纳米级钛酸锶钡作为填料来降低环氧基酯导热系数的同时还显著增强了环氧树脂的力学性能，通过低导热系数的纳米级钛酸锶钡来取代大直径玻璃微珠作为环氧基酯填料，实现了低导热系数并维持了环氧基酯的高力学性能，并且在此基础上优化了纳米级钛酸锶钡填料的最优填充比例，以实现最优力学性能和最低导热系数的平衡。因此本发明所制备的纳米级钛酸锶钡填料及最优填充比例优化的环氧基酯轻质隔热复合材料可被广泛用于输热管道支座以及输热管道上的挡板以及深水管道保温领域，且具有潜在良好的经济效益。

本发明中采用纳米级钛酸锶钡作为填料，还可以显著提升环氧基酯复合材料的弯曲性能，而且，与其他填料相比，达到同等程度的力学性能和低导热系数，本发明中的纳米级钛酸锶钡的使用量更低，现有技术中的填料的添加量一般为20-50 vol. %，而本发明中的低至20wt%。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明中钛酸锶钡的SEM 图；

图2 为环氧基树脂的SEM图；

图3 为环氧树脂轻质隔热复合材料密度与钛酸锶钡质量分数关系图；

图4.1 为5%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的SEM图；

图4.2 为10%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的SEM图；

图4.3 为20%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的SEM图；

图5为环氧树脂轻质隔热复合材料应力-应变曲线图；

图6为环氧树脂轻质隔热复合材料密度与压缩性能关系曲线图；

图7 为环氧树脂轻质隔热复合材料的弯曲应力应变曲线图；

图8 为环氧树脂轻质隔热复合材料热导率与钛酸锶钡填充量的折线图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

请参阅图1-图8，图1为本发明中钛酸锶钡的SEM 图；

图2 为环氧树脂的SEM图；

图3 为环氧树脂轻质隔热复合材料密度与钛酸锶钡质量分数关系图；

图4.1 为5%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的SEM图；

图4.2 为10%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的SEM图；

图4.3 为20%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的SEM图；

图5为环氧树脂轻质隔热复合材料应力-应变曲线图；

图6为环氧树脂轻质隔热复合材料密度与压缩性能关系曲线图；

图7 为环氧树脂轻质隔热复合材料的弯曲应力应变曲线图；

图8 为环氧树脂轻质隔热复合材料热导率与钛酸锶钡填充量的折线图。

本发明中的固化剂选用甲基氢苯酐，促进剂选用咪唑。本发明中哄的

实施例1

5%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂89份，钛酸锶钡5份，固化剂3份，促进剂3份。

其中，钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡；钛酸锶钡的平均粒径大小为500nm，钛酸锶钡采用一锅法制备，在室温下，通过简单的溶胶凝胶法可制备出纳米级钛酸锶钡，该制备方法为公知常识，本发明中不再赘述。SEM图见图1。

上述钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂89份，钛酸锶钡5份，固化剂3份，促进剂3份；

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至120℃，并加热30min，然后加压至8MPa使混合物固化，即得到钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

实施例2

10% 的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂84份，钛酸锶钡10份，固化剂3份，促进剂3份。

其中，钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡；钛酸锶钡的平均粒径大小为500nm，钛酸锶钡采用一锅法制备，在室温下，通过简单的溶胶凝胶法可制备出纳米级钛酸锶钡，该制备方法为公知常识，本发明中不再赘述。SEM图见图1。

上述钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂84份，钛酸锶钡10份，固化剂3份，促进剂3份；

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至120℃，并加热30min，然后加压至8MPa使混合物固化，即得到钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

实施例3

20%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂75份，钛酸锶钡20份，固化剂3份，促进剂2份。

其中，钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡；钛酸锶钡的平均粒径大小为500nm，钛酸锶钡采用一锅法制备，在室温下，通过简单的溶胶凝胶法可制备出纳米级钛酸锶钡，该制备方法为公知常识，本发明中不再赘述。SEM图见图1。

上述钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂75份，钛酸锶钡20份，固化剂3份，促进剂2份；

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至120℃，并加热30min，然后加压至8MPa使混合物固化，即得到钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

对比例

0 wt.%的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂95份，固化剂3份，促进剂2份。

上述钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料在输热管道及输热管道基座中的应用。

本发明中钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法中S1、S2和S3实在常温下操作。

本发明中轻质隔热复合材料中钛酸锶钡的添加量对材料的密度、抗压强度、弯曲应力和热导率影响见图3-图8。

图 3 为本发明中的轻质隔热复合材料的密度随钛酸锶钡填量的变化关系曲线，由图 3 可见，轻质隔热复合材料随着钛酸锶钡填量的增加，密度呈线性下降趋势，当钛酸锶钡填量由5 wt.%增加到 20 wt.%时，材料的密度由1.005 g/cm³降低到 0.743 g/cm³，密度降低了 26.10%。

图4.1、图4.2和图4.3为不同填充量纳米级钛酸锶钡的轻质隔热高强度环氧树脂材料，从SEM图可以看出，随着钛酸锶钡含量的增加，钛酸锶钡在环氧基树脂中分散程度更好，且与环氧树脂的接触的位点更好，这表明随着钛酸锶钡含量的增加，环氧树脂的密度将会依次降低，且这一结果与图3吻合。

对实施例1-3和对比例中制备的四组轻质隔热复合材料样品的压缩性能进行测试，压缩性能测试采用万能力学试验机，得到环氧树脂轻质隔热复合材料应力-应变曲线如图 5 所示。由图 5 中可以看出，四组试样的应力-应变曲线初始阶段都表现出明显的线弹性段；当应变达到 5%左右时，应力-应变曲线的斜率急剧下降, 这是由于此时环氧树脂轻质隔热复合材料中的钛酸锶钡开始脱粘，材料体系内开始出现裂纹，随着钛酸锶钡的填量增大，树脂基轻质复合材料的抗压强度不断的减小。这是由于钛酸锶钡的强度低于树脂基体的强度，因此随着钛酸锶钡的质量分数增加，压缩强度呈下降的趋势。 从图 5 中还可以看出，随着钛酸锶钡填充量的增加，环氧树脂轻质隔热复合材料应力应变曲线线性区斜率变小。这是因为钛酸锶钡的刚性比树脂基体刚性好，在增加钛酸锶钡填充量时，轻质隔热复合材料的性能接近钛酸锶钡，因此压缩屈服应变变小。

图 6 为不同填充量的钛酸锶钡填充环氧树脂基轻质隔热复合材料密度与压缩性能关系曲线。由图 6 可以看出环氧树脂基轻质隔热复合材料的压缩性能随着密度增大而呈明显的上升趋势。这是由于密度的增加，复合材料基体与钛酸锶钡的界面结合更好，材料体系中钛酸锶钡与钛酸锶钡之间的树脂层变厚，材料的压缩强度增加。在工程应用中希望得到密度更低且强度更高的复合材料，但树脂基轻质复合材料的密度和强度是一组矛盾体，如何平衡密度和强度的矛盾体使环氧树脂基轻质隔热复合材料的性能最佳是核心技术。

对实施例1-3和对比例中制备的四组轻质隔热复合材料样品的弯曲力学性能进行测试分析，按 GB/T 8812.1-2007C 测试环氧树脂基轻质隔热复合材料的弯曲性能。通过弯曲测试计算出环氧树脂基轻质隔热复合材料的弯曲强度和弯曲弹性模量，建立环氧树脂基轻质隔热复合材料的弯曲模量同玻璃微珠填量的关系。分别将钛酸锶钡含量不同的四组样品制备弯曲式样，对四组试样分别进行弯曲实验，经过测试得到随着钛酸锶钡含量的变化，环氧树脂基轻质隔热复合材料应力-应变曲线如图 7 所示。图 7 显示钛酸锶钡填充量对材料的弯曲性能的影响影响关系。由图 7 可以得到，不同钛酸锶钡填充量的材料的弯曲应力应变曲线关系中，材料断裂的应力应变曲线均为线性增加，材料发生弹性变形，当达到复合材料的抗弯强度时，材料出现断裂现象，这表明环氧树脂基轻质隔热复合材料的弯曲断裂为脆性断裂，由图 7 中还可以发现，环氧树脂基轻质隔热复合材料的抗弯强度随着钛酸锶钡填充量的增加而下降，应力—应变曲线的斜率下降，表明随着钛酸锶钡填充量的增加抗弯性能会有所下降。

对实施例1-3和对比例中制备的四组轻质隔热复合材料样品的导热率进行检测分析，由图 8 可以看出，随着钛酸锶钡填充量的增加，环氧树脂基轻质隔热复合材料的导热率呈近线性下降趋势，初始纯树脂导热率0.226W/(m·K)，钛酸锶钡填充量分别为0 wt.%、5wt.%、10 wt.%和 20 wt.%的环氧树脂基轻质隔热复合材料的热导率分别为0.213 W/(m·K)，0.145 W/(m·K)，0.097 W/(m·K)和 0.074 W/(m·K)，随着钛酸锶钡质量分数的增加，当填充量达 20 wt.%时，热导率较纯树脂浇注体的热导率降低了 31.0%，热导率的降低，说明环氧树脂基轻质隔热复合材料的隔热性能提高。

实施例4

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂93份，钛酸锶钡5份，固化剂1份，促进剂1份。

其中，钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡；钛酸锶钡的平均粒径大小为500nm，钛酸锶钡采用一锅法制备，在室温下，通过简单的溶胶凝胶法可制备出纳米级钛酸锶钡，该制备方法为公知常识，本发明中不再赘述。SEM图见图1。

上述钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂93份，钛酸锶钡5份，固化剂1份，促进剂1份；

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至80℃，并加热50min，然后加压至10MPa使混合物固化，即得到钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

实施例5

一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂76份，钛酸锶钡18份，固化剂3份，促进剂3份。

其中，钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡；钛酸锶钡的平均粒径大小为500nm，钛酸锶钡采用一锅法制备，在室温下，通过简单的溶胶凝胶法可制备出纳米级钛酸锶钡，该制备方法为公知常识，本发明中不再赘述。SEM图见图1。

上述钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂76份，钛酸锶钡18份，固化剂3份，促进剂3份；

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至150℃，并加热5min，然后加压至0.5MPa使混合物固化，即得到钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

对实施例4和实施例5中的轻质隔热材料的导热系数、力学性能进行检测，结果为：导热系数和力学性能均优于现有技术中的隔热材料。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：以100份重量计，含有下列物质：环氧树脂75-93份，钛酸锶钡5-20份，固化剂1-3份，促进剂1-3份。

2.根据权利要求1所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：所述钛酸锶钡为纳米级低导热系数的钛酸锶钡。

3.根据权利要求2所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：所述纳米级低导热系数的钛酸锶钡的导热系数为0.106 W/(m·K)。

4.根据权利要求1所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：所述钛酸锶钡的平均粒径大小为0.2μm-1μm。

5.根据权利要求1所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：所述固化剂选用酸酐类固化剂。

6.根据权利要求1所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：所述促进剂选用咪唑类促进剂。

7.根据权利要求1所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料，其特征在于：所述钛酸锶钡采用一锅法制备。

8.一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

S1，称取原料：环氧树脂75-93份，钛酸锶钡5-20份，固化剂1-3份，促进剂1-3份

S2，将环氧树脂和钛酸锶钡投入搅拌器中，搅拌使其混合均匀；

S3，将固化剂和促进剂投入上述混合物中，搅拌均匀；

S4，升温至80℃-150℃，并加热5-50min，然后加压使混合物固化，即得到 所述的高强度超低导热系数的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料。

9.根据权利要求8中所述的一种钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中加压使混合物固化的压力大小为0.5-10 Pa，所述步骤S4中制得的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料的强度为76.91 Mpa，

导热系数为0.25-0.8 (W/(m·K))。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的钛酸锶钡改性环氧树脂轻质隔热材料在输热管道及输热管道基座中的应用。

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