纤维增强改性环氧复合材料的制备与阻燃隔热性能研究

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锂离子电池因绿色环保、排放量低、节能高效等优点,被作为动力电池组广泛应用于电动汽车中。但是,其极其容易因为热失控引起自身的燃烧,且燃烧速度非常快,严重威胁汽车乘坐人员的安全。目前,为了解决锂电池的安全问题,设立了多个安全防护措施,其中在电池组和客舱之间加设一层防火隔热板是一种有效的解决措施。作为最后一道安全防护,其能够当电池失控自燃时将火焰控制,使其不向客舱蔓延,保证乘客有足够的逃生时间。因而,开发出能够同时满足快速阻燃、耐高温、低密度等性能要求的锂电池防火隔热板材料是研究的重点。与传统使用的合金材料相比较,质量轻、可设计性强的树脂基复合材料在电池防火隔热板的应用中更具优势。其中,环氧树脂是一种具有出色粘结性能、机械性能,且易于加工、设计性强、生产成本低的通用性树脂,能够通过改性措施极大程度地提升其阻燃隔热性能。因此,本文以环氧树脂为研究对象,向环氧树脂内添加膨胀型阻燃剂、无机隔热纤维等对环氧树脂进行阻燃改性,制备纤维增强阻燃改性环氧复合材料,并对其阻燃隔热性能进行研究,为电池热防护材料的研究提供一定的参考价值,具体研究内容如下:(1)采用不同的制备工艺和不同原材料配方,获得了三种组成不同的膨胀型阻燃剂,对其进行表征测试,研究了三种膨胀型阻燃剂的分子结构、热稳定性能、吸湿率、膨胀度和成炭性能。结果表明,三种膨胀型阻燃剂都有较好的膨胀度和抗吸湿性能,在燃烧后生成明显膨胀炭层,加热至800℃时残重率最高可达26.35%。(2)选用耐热性好的F51酚醛环氧树脂,使用聚甲基苯基硅氧烷对其改性,将改性过的环氧树脂与膨胀型阻燃剂复合,制备阻燃剂种类、阻燃剂添加量和树脂浓度不同的阻燃改性环氧树脂复合材料,通过一系列表征测试对阻燃改性环氧树脂的分子结构、热稳定性能、阻燃性能、成炭性能等进行研究。结果表明,制备获得的几种复合材料的极限氧指数值在28%~42%之间,属于极难燃材料,在1200℃下的残重率均大于14%。此外,还比较分析了不同因素对阻燃效果的影响,发现在每100 g环氧树脂中添加30 g阻燃剂IFR-A与5 g稀释剂时,复合材料的整体性能最佳。(3)为提升复合材料的隔热性能,选用氧化铝纤维、高硅氧纤维及莫来石纤维共三种常见无机隔热纤维,在前述最佳合成配方的基础上,制备纤维种类、纤维添加量和树脂浓度不同的纤维增强改性环氧树脂复合材料,并对其各项性能进行表征分析。结果表明,制备获得的几种复合材料的极限氧指数值在38%~48%之间,在1200℃下的残重率均大于22%,热导率最低为0.263 W/m K。此外,对不同纤维添加对阻燃效果的影响进行对比分析,最终得到整体隔热阻燃性能最佳的纤维增强阻燃改性环氧复合材料的制备方案。
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