CN211307744U - 一种防火结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种防火结构。具体地，所述防火结构以热膨胀材料层作为隔热层，当受热时，该隔热层发生膨胀可显著增强所述防火结构的隔热性能。当应用于动力电池时，所述防火结构可有效延长对动力电池外部设备的保护时间，从而显著改善动力电池使用的安全性。

Description

一种防火结构

技术领域

本实用新型涉及材料领域，具体地涉及一种防火结构。

背景技术

最近几年，电动汽车在国家的大力扶持下得到了快速发展。2018年，中国制造并销售了一百多万辆电动汽车。这些电动汽车在使用过程中也出现了一些问题，尤其是安全问题亟需得到解决。因为电池内部既有氧化剂和还原剂，电池起火时很难将其扑灭。根据GB258-2017要求，车长大于等于6m的纯电动客车、插电式混合动力客车，应能检测动力电池工作状态并在发现异常情形时报警，且报警后5分钟内电池箱外不能起火***。据息，该项规定即将加入到乘用车的安全标准，为了防止电池内部的火焰喷出并对车体造成破坏，而盛放电池的箱体大多采取铝或者SMC材料，这些材料的熔点都在700℃以内。因此，需要有一种防火材料对电池箱体(尤其是箱盖位置)进行保护以防止其被电池产生的火焰烧穿。

电池箱体内部使用的防火材料除了应具有优异的防火性能外，还应满足其它的一些要求，例如应具有高的电绝缘性、高的耐击穿强度、重量低、好的抗老化性能、低的导热系数及便于产线组装等。

现有防火材料(或防火结构)多存在导热系数高、密度高等特点，使得电池燃烧所产生的热量可容易地传到保护材料上，不利于电池的安全使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种防火结构，其不仅具有优异的防火性能，还可实现高效的隔热性能。

本实用新型的第一方面，提供了一种防火结构，包含：

热膨胀材料层，作为隔热层；和

耐火材料层，作为耐火层；

所述热膨胀材料层和所述耐火材料层复合形成所述防火结构。

在另一优选例中，所述热膨胀材料层包含：基体材料和掺杂于所述基体材料中的膨胀阻燃剂；

所述基体材料选自下组：泡棉材料、玻璃纤维、塑膜材料、或其组合。

在另一优选例中，所述泡棉材料或所述塑膜材料选自下组材料：PP、PE、PS、EVA、PA、PU、或其组合。

在另一优选例中，所述热膨胀材料层在100℃以下的厚度为0.1－8mm。

在另一优选例中，所述热膨胀材料层在膨胀前的厚度为t0，在膨胀后的厚度为t1，t1/t0选自下组：1-20、1.5-15、2-10。

在另一优选例中，所述耐火材料层为选自下组的耐火材料：云母布、玻纤布、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、陶瓷纤维布、或其组合。

在另一优选例中，所述耐火材料层的厚度为0.01-3mm。

在另一优选例中，所述防火结构具有如下结构：

包含一层热膨胀材料层和一层耐火材料层，所述热膨胀材料层和所述耐火材料层复合形成所述防火结构。

在另一优选例中，所述防火结构具有如下结构：

包含一层热膨胀材料层和两层耐火材料层，所述热膨胀材料层位于所述两层耐火材料层中间。

在另一优选例中，所述两层耐火材料层的面积均大于等于所述热膨胀材料层的面积，且所述两层耐火材料层的四周固定结合，以将所述热膨胀材料层封装于所述两层耐火材料层之间。

在另一优选例中，所述复合通过选自下组的方式实现：

1)粘合，通过在所述热膨胀材料层和所述耐火材料层(或防火材料层)之间设置一粘合层实现粘合；

2)缝合，通过缝合加工所述热膨胀材料层和所述耐火材料层的层叠层实现缝合；和

3)直接贴合，将所述热膨胀材料层直接在所述耐火材料层表面进行加工实现贴合(或者相反)。

在另一优选例中，所述防火结构用于动力电池。

在另一优选例中，所述热膨胀材料层在100℃以下的厚度为0.2－5mm，较佳地0.5-3mm。

在另一优选例中，所述耐火材料层的厚度为0.05－2mm，较佳地0.1-1mm。

在另一优选例中，所述粘合层为选自下组的材料：丙烯酸树脂、热熔胶、硅胶、或其组合。

在另一优选例中，所述粘合层的厚度为0.05-1mm，较佳地0.08-0.5mm，更佳地0.1-0.3mm。

在另一优选例中，所述防火结构还依序包含：位于所述热膨胀材料层外侧的粘合层和任选的离型层。

在另一优选例中，所述防火结构还依序包含：位于一层耐火材料层外侧的粘合层和任选的离型层。

应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本实用新型设计一的示意图。

图2是本实用新型设计二的示意图。

图3是本实用新型设计三的示意图。

图4是本实用新型中防火性能测试装置示意图。

图5是本实用新型中防火性能测试结果。

图6是本实用新型防火测试后聚酰胺两侧的形貌图。

图1-3中，1为热膨胀材料层，2为粘合层，3为耐火材料层。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，通过采用热膨胀材料层作为隔热层，复合耐火材料层作为耐火层，制备得到一种防火隔热性能非常优异的防火结构。当应用于动力电池时，可极大地提高动力电池使用的安全性。在此基础上，发明人完成了本实用新型。

术语

在本实用新型中，各英文简称具有如下含义：

PP＝聚丙烯，PE＝聚乙烯，PS＝聚苯乙烯，EVA＝乙烯-醋酸乙烯共聚物、PA＝聚酰胺，PU＝聚氨酯。

如本文所用，所述膨胀阻燃剂是一种以氮、磷为主要组成的复合阻燃剂，它不含卤素，也不采用氧化锑作为协效剂，该类阻燃剂在受热时发泡膨胀，故称为膨胀型阻燃剂，它是一类高效低毒的环保型阻燃剂。其具有三个基本要素。即酸源、炭源和气源。酸源又称脱水剂或炭化促进剂，一般是无机酸或燃烧中能原位生成酸的化合物，如磷酸、硼酸、硫酸和磷酸酯等；炭源也叫成炭剂，它是形成泡沫炭化层的基础，主要是一些含碳量高的多羟基化合物，如淀粉、蔗糖、糊精、季戊四醇、乙二醇、酚醛树脂等；气源也叫发泡源，是含氮化合物，如尿素、三聚氰胺、聚酰胺等。三组分中，酸源最为主要，比例最大，且阻燃元素含于酸源中，所以酸源是真正意义上的阻燃剂，碳源和发泡剂则是协效剂。

应理解，现有技术中常用的膨胀阻燃剂均可用于本实用新型中。

热膨胀材料

本实用新型所用热膨胀材料在受热后(如温度达到190℃后)其体积会迅速发生膨胀，其材质随之变得疏松，从而使得其导热系数降低，结合厚度的增加可使得其在高温下具有优异的隔热性能。

优选地，适用于本实用新型的膨胀阻燃剂具有选自下组的组成：

组成一：三聚氰胺、磷酸酯，两者重量比为1-3：3-1；

组成二：聚磷酸铵、三聚氰胺，两者重量比为1-3：3-1；

组成三：硅树脂弹性体、碳酸钙，两者重量比为1-3：3-1。

优选地，所述热膨胀材料中添加有0.5－30wt％(较佳地1－5wt％)的膨胀阻燃剂。

优选地，对于所述热膨胀材料，t0是指未应用时所述热膨胀材料层的厚度，t1是指经热量作用膨胀或完全膨胀后所述热膨胀材料层的厚度。

本实用新型中，术语“热膨胀材料”和“阻燃发泡材料”可互换使用。

耐火材料

本实用新型所用耐火材料为绝缘、耐高温且易于加工、复合与粘结的材料，包括(但并不限于)以下材料：云母布(耐热温度800-1200℃，机械强度2-200MPa)、玻纤布(耐热温度600-1000℃，机械强度10-1000MPa)、玻璃纤维(耐热温度1100-1300℃，机械强度10-500MPa)、碳纤维(耐热温度700-900℃，机械强度200-1000MPa)、陶瓷纤维(耐热温度1600-1900℃，机械强度10-700MPa)、或其组合。

在本实用新型中，机械强度优选指拉伸强度。

在本实用新型中，耐火层(或耐火材料，或耐火材料层)为经过火烧后仍然能够保持一定的机械强度和形状，从而避免膨胀后的隔热层被火焰冲击后散落。

防火结构

为了电池箱内的防火结构应具有优异的防火效果，其须要具有两种重要特性，首先该方案应具有很好的耐火性能，即经过火烧后该材料不能被烧穿、失去机械强度或发生扭曲。其次是该方案应具有非常好的隔热效果，避免热量从着火点到被保护箱盖的快速转移，即防止被保护材料被快速加热。

根据防火要求，我们发明了一种好的解决方案。该方案通过结合两种材料的优势来达到防火要求。在本实用新型中，其中一种材料可以有非常好的耐火性能，而另一种可以提供非常好的隔热效果。两种材料的结合使用可以达到非常好的防护效果。

目前有很多的耐火材料，比如云母布，玻纤布，玻璃纤维，陶瓷纤维等，在本实用新型中我们首选玻纤布，该玻纤布的耐热温度高于1200℃且易于加工、复合与粘结。

在本实用新型中，我们选用一种特殊的隔热材料。该材料在火烧时可以膨胀，其结果是该隔热层的厚度增加，并且材质变的疏松。疏松的结构将大大降低导热系数，增加的厚度又能进一步隔绝热源。该变化的最终结果是能具有更高的隔热性能。在本实用新型中，我们优先使用阻燃发泡材料(如阻燃的PU泡棉)。

具体地，本实用新型所述防火结构包含一热膨胀材料层和至少一耐火材料层，所述热膨胀材料层和所述耐火材料层复合形成所述防火结构。

所述热膨胀材料层受热膨胀后其机械强度会迅速下降，复合绝缘、耐高温且具有高机械强度的耐火材料层，可以有效保护膨胀层，从而使所得防火结构在高温时兼具优异的防火隔热性能和机械性能。

在本实用新型中，所述固定结合通过在所述热膨胀材料层和所述耐火材料层的四周和/或整个表面进行处理以将所述热膨胀材料层和所述耐火材料层复合在一起，当位于中间的热膨胀材料层受热膨胀失去机械强度后，位于上下表面固定结合的耐火材料层可将其有效地包围，从而最大化耐火隔热效果。

在实际应用中，t1/t0的比值与热膨胀材料层中膨胀阻燃剂的膨胀倍率和热膨胀材料层所受的外力相关。具体的，热膨胀材料层中膨胀阻燃剂的膨胀倍率与t1/t0的比值成正比，热膨胀材料层所受的外力与t1/t0的比值成反比。

在另一优选例中，所述耐火材料层的耐热温度为500－2200℃，较佳地800－1500℃。

在另一优选例中，所述耐火材料层的机械强度为1－1000MPa，较佳地5－800MPa。

典型地，本实用新型所述防火结构包含如下三种设计：

设计一：如图1所示，通过胶粘剂(粘合层)来复合单层耐火材料层及单层热膨胀材料层。考虑到使用的便利性，建议在热膨胀材料层的另一侧涂覆胶粘剂来将该防火结构粘贴到电池箱箱盖。在使用中，耐火材料层侧暴露于电池，当电池热失控时，该耐火材料层首先接触火源。

设计一仅包含一层耐火材料层和一层热膨胀材料层，适用于防火结构预留空间小的情况(如预留空间高度为防火结构厚度的0.8-1.5倍)，当应用于动力电池时，可通过防火结构两侧的电池箱盖和电池即可将防火结构固定，由于防火结构预留空间小，基本不需额外设置其他结构来固定热膨胀后已失去机械强度的热膨胀层，即可避免热膨胀层膨胀后的散落。

设计二：如图2所示，使用胶粘剂(粘合层)或缝线方式将两层耐火材料层与热膨胀材料层复合。因热膨胀材料层经过火烧后会失去机械强度，为保持该防火结构的整体性，最优方案是将耐火材料层的边界进行缝合(即设计三，如图3所示)。考虑到使用的便利性，可以在该防火结构的一侧涂覆胶粘剂来将该防火结构粘贴到电池箱箱盖。

设计二中，热膨胀材料层两侧分别设置有一层耐火材料层，适用于防火结构预留空间大的情况(如预留空间高度为防火结构厚度的1.5-2.5倍)。

设计三中，位于上下表面的耐火材料层在边界处固定结合，使得该防火结构可适用防火结构预留空间更大的情况(如预留空间高度为防火结构厚度的2.5-5倍)，当位于中间的热膨胀材料层受热膨胀失去机械强度后，位于上下表面固定结合的耐火材料层可将其有效地包围，从而最大化耐火隔热效果。

对于设计二和设计三(尤其是设计三)，由于防火结构预留空间较大，位于热膨胀层两侧的耐火材料层在热膨胀层受热膨胀失去机械强度后可起到机械支撑作用，避免热膨胀的热膨胀层材料散落，确保了隔热性能。

所述固定结合可通过包括(但并不限于)下组的方式实现：缝合、粘接、或其组合，以将上下两层耐火材料层在四周封边结合，从而将整个热膨胀材料层包围在其中。

相比设计一，设计二的成本会更高，但设计二即使在火烧后仍可以保持该防火结构的整体性。因为热膨胀材料层在经过火烧后会膨胀并失去机械强度，设计一的耐火材料层和热膨胀材料层会分离，若无外部条件支撑，设计一经长期火烧后可能会有失效风险。设计一最好的使用方式是粘贴在被防护的结构表面，而设计二既可以粘贴在被防护的结构表面，又可以作为一个整体直接放置于被防护表面及发生热失控部件之间。

与现有技术相比，本实用新型具有以下主要优点：

(1)当所述防火结构应用于动力电池并面临动力电池热失控时，所述耐火材料层可耐受1200℃及以上的高温，可将火源控制在原位并仅将热量传递到外部；所述热膨胀材料层在接收到经所述耐火材料层传递的热量后可快速膨胀，使得所述防火结构的厚度迅速增加(密度迅速下降)，遇热膨胀的热膨胀材料层可更有效地耐受所述热量并阻隔所述热量向外的传递速度，从而极大地延长对动力电池外部设备的保护时间，进而显著提升动力电池使用的安全性；

(2)所述防火结构具有重量轻，有利于车辆的轻量化设计；

(3)所述防火结构材质柔软，可被压缩，并且贴附性好，适用于狭小空间及3D曲面形状；

(4)所述防火结构设计灵活，可根据防火要求、空间要求、耐热温度等灵活设计；

(5)所述防火结构具有非常低的导热系数，常规情况下，该方案可以作为保温件使用，减小电池箱内部及外界的热交换。火灾发生时，方案中的隔热层可以进一步膨胀，增加热阻，起到更优的防护作用；

(6)所述防火结构中的隔热层使用疏松材料，该材料有很好的隔音效果，有利于汽车的NVH设计；

(7)所述防火结构使用环保阻燃材料，不含任何禁用物质，且无粉尘颗粒掉落；

(8)所述防火结构使用的材料无异味，可以避免加工者及使用者的抱怨；

(9)所述防火结构被烧时，只有少量烟雾产生，且烟雾中不含特殊危害物质；

(10)所述防火结构具有易于组装加工、适合大规模应用的特点。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本实用新型方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1防火结构A

所述防火结构A从上到下依次包含如下结构：

i)热膨胀材料层，以添加2.7wt％组成为三聚氰胺和磷酸酯(重量比为：1-3：3-1)的膨胀阻燃剂的PU泡棉为材料，厚度为2mm，热导率为0.075W/m·K；和

ii)耐火材料层，以玻纤布为材料，厚度为0.1mm，机械强度为500MPa，耐热温度为1200℃。

实施例2防火结构B

所述防火结构B从上到下依次包含如下结构：

i)耐火材料层1，以玻纤布为材料，厚度为0.1mm，机械强度为500MPa，耐热温度为1200℃；

ii)热膨胀材料层，以添加2.7wt％组成为三聚氰胺和磷酸酯(重量比为：1-3：3-1)的膨胀阻燃剂的PU泡棉为材料，厚度为2mm，热导率为0.075W/m·K；和

iii)耐火材料层2，以玻纤布为材料，厚度为0.1mm，机械强度为500MPa，耐热温度为1200℃。

实施例3设计一(防火结构1)

所述防火结构1从上到下依次包含如下结构：

i)任选的离型纸；

ii)任选的粘合层；

iii)热膨胀材料层，以添加2.7wt％组成为三聚氰胺和磷酸酯(重量比为：1-3：3-1)的膨胀阻燃剂的PU泡棉为材料，厚度为2mm，热导率为0.075W/m·K；

iv)粘合层，以阻燃亚克力胶水为黏合剂，厚度为0.1mm；

v)耐火材料层，以玻纤布为材料，厚度为0.1mm，机械强度为500MPa，耐热温度为1200℃。

实施例4设计二(防火结构2)

所述防火结构2从上到下依次包含如下结构：

i)任选的离型纸；

ii)任选的粘合层；

iii)耐火材料层1，以玻纤布为材料，厚度为0.6mm，机械强度为100MPa，耐热温度为1200℃；

iv)粘合层1，以硅胶为黏合剂，厚度为0.1mm；

v)热膨胀材料层，以添加3.2wt％组成为季戊四醇、多聚磷酸酯和三聚氰胺(三者重量比为：1-2：1-2：1-2)的膨胀阻燃剂的PU泡棉为材料，厚度为2mm，热导率为0.075W/m·K；

vi)粘合层2，以硅胶为黏合剂，厚度为0.1mm；

vii)耐火材料层2，以玻纤布为材料，厚度为0.1mm，机械强度为100MPa，耐热温度为1200℃。

所述防火结构2的面积重量为1.3Kg/m2。

实施例5设计一(防火结构3)

同实施例3，区别在于：对于耐火材料层，采用云母布(厚度为0.2mm)替换玻纤布。

所述防火结构3的面积重量为1.0Kg/m2。

实施例6设计三(防火结构4)

同实施例4的设计二，区别在于：耐火材料层1和耐火材料层2的长度和宽度大于热膨胀材料层的长度和宽度，并在耐火材料层1和耐火材料层2的伸出部分进行缝合，以将热膨胀材料层封装于耐火材料层1和耐火材料层2之间。

对比例1(防火结构C1)

同实施例3所示结构，区别在于：用聚二甲硅氧烷(厚度约1mm，非热膨胀类材料)代替实施例3所述热膨胀材料层。

防火安全性测试

测试方法

将聚酰胺(PA)板(厚度3mm，模拟SMC板)固定于支架上，在聚酰胺板表面固定防火结构，其中，在聚酰胺板和防火结构界面设置传感器1，在聚酰胺板和支架界面设置传感器2(如图4所示)，采用火源(温度为1200℃)沿垂直于所述防火结构表面方向热处理所述防火结构5分钟，分别记录传感器1测得的防火结构内侧的温度变化和传感器2测得的聚酰胺板内侧的温度变化。

测试结果

图5是本实用新型中防火性能测试结果，其中，a为防火结构C1内侧温度变化，b为防火结构3内侧温度变化，c为防火结构2内侧温度变化，d为采用防火结构C1时聚酰胺板内侧的温度变化，e为采用防火结构3时聚酰胺板内侧的温度变化，f为采用防火结构2时聚酰胺板内侧的温度变化。

从图5可知：在热处理5分钟时，采用防火结构2、防火结构3和防火结构C1均可使得聚酰胺板内侧的温度低于300℃；相比于防火结构C1，防火结构2和防火结构3可将聚酰胺板内侧感受到的温度降低约50℃；相比于防火结构C1，防火结构2和防火结构3可将防火结构内侧感受到的温度降低约300℃，表明防火性能存在如下关系：防火结构2＞防火结构3＞防火结构C1。

图6是本实用新型防火测试后聚酰胺两侧的形貌图，其中，(a)为使用防火结构2时与传感器1接触的聚酰胺板的形貌图，(b)为使用防火结构3时与传感器1接触的聚酰胺板的形貌图，(c)为使用防火结构C1时与传感器1接触的聚酰胺板的形貌图，(d)为使用防火结构2时与传感器2接触的聚酰胺板的形貌图，(e)为使用防火结构3时与传感器2接触的聚酰胺板的形貌图，(f)为使用防火结构C1时与传感器2接触的聚酰胺板的形貌图。

从图6可知：相比于使用防火结构C1，使用防火结构2和防火结构3可更好地保护聚酰胺板。

此外，防火测试前后防火结构的厚度如下表1所示：

表1

	初始厚度t0	防火测试后厚度t1	t1/t0
				防火结构2	2.8mm	6.0mm	2.14
防火结构3	2.4mm	5.8mm	2.42
				防火结构C1	1.3mm	1.4mm	1.08

在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种防火结构，其特征在于，包含：

热膨胀材料层，作为隔热层；和

耐火材料层，作为耐火层；

所述热膨胀材料层和所述耐火材料层复合形成所述防火结构。

2.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述热膨胀材料层包含：基体材料和掺杂于所述基体材料中的膨胀阻燃剂。

3.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述热膨胀材料层在100℃以下的厚度为0.1－8mm。

4.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述热膨胀材料层在膨胀前的厚度为t0，在膨胀后的厚度为t1，t1/t0选自下组：1-20、1.5-15、2-10。

5.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述耐火材料层为选自下组的耐火材料：云母布、玻纤布、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、陶瓷纤维布、或其组合。

6.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述耐火材料层的厚度为0.01-3mm。

7.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述防火结构具有如下结构：

包含一层热膨胀材料层和一层耐火材料层，所述热膨胀材料层和所述耐火材料层复合形成所述防火结构。

8.如权利要求1所述的防火结构，其特征在于，所述防火结构具有如下结构：

包含一层热膨胀材料层和两层耐火材料层，所述热膨胀材料层位于所述两层耐火材料层中间。

9.如权利要求8所述的防火结构，其特征在于，所述两层耐火材料层的面积均大于等于所述热膨胀材料层的面积，且所述两层耐火材料层的四周固定结合，以将所述热膨胀材料层封装于所述两层耐火材料层之间。

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