本技术介绍了一种适用于极端寒冷环境的电热膜制备方法,特别适用于应急宿营帐篷的加热。该技术通过精确的分子设计和结构优化,在水性聚氨酯分子链中嵌入含硅长链,以增强材料的耐极寒和抗热氧老化性能。
背景技术
人体体温平衡是保证人体正常活动的基本条件,因此在极寒环境(如南极、北极、青藏高原高海拔地区等)下的人体热管理自古以来获得人们的极大关注。目前,极寒环境下应急宿营帐篷中主要采用电吹风和电暖气等采暖方式来实现人体热管理。然而,质量大、噪音大和不便携等问题极大地限制了它们在各种复杂野外极端环境中的应用。电热膜是一种通过将电能转化为热能来获得适宜的温度,能够完美地解决极寒环境下应急宿营帐篷的取暖问题。此外,与电吹风和电暖气的对流加热相比,电热膜通过更加舒适的红外辐射形式对帐篷中加热,以达到适宜的温度。受制于当前电热膜材料的高分子基体和制备工艺,目前商用电热膜存在电热辐射转换效率低、耐低温适用性差、长期高温运行耐热氧老化差和不耐弯折等问题。长期在极寒储存环境和高温服役之间转换而失效,导致其使用寿命下降,难以应用于极寒场景。因此,研究兼具高效耐高低温的电热膜具有重要的实际意义,能够为极寒环境下应急宿营帐篷的供暖奠定坚实基础。
应用于电热膜材料的高分子基体多种多样,如:芳纶纤维、PBO纤维、聚脲、聚酰亚胺等。但这些聚合物基体存在成本高、不易大规模生产、制备过程复杂等缺点。其中,聚氨酯是一种性能优异的多功能高分子材料,被称为“第五大塑料”,广泛应用于弹性体、泡沫、涂料、粘结剂、皮革和油墨等行业。水性聚氨酯(WPU)是聚氨酯家族中的重要成员,是一种新兴的环境友好型涂料。WPU区别于传统的有机溶剂型聚氨酯涂料,以水作为溶剂,拥有更宽的硬度范围、耐磨、高强度和高附着力等特性,同时兼备水性涂料挥发性有机化合物低的优点,受到科研界和工业界的广泛关注,具有巨大的应用前景与价值。
然而,WPU在长时间高温使用的过程中,材料中的不饱和键(羰基、异氰酸酯基等)会与空气中的氧气发生反应,导致氧化降解而失活。尤其是在电热膜长期高温服役与处于潮湿的环境中,WPU的分子结构更容易受到破坏,从而加速热氧老化过程。此外,WPU在长期极寒储存环境中会变脆开裂。因此如何同时协调平衡电热膜WPU基体材料的抗高温热氧老化和低温开裂是亟待解决的问题。
目前,解决WPU热氧化问题的方法是在WPU基体中加入抗氧剂,如受阻酚类抗氧剂(抗氧剂2,6-二叔丁基-4-甲基酚)、过氧化物分解型抗氧剂(如二烷基二硫代磷酸锌等)和金属减活型抗氧剂。抗氧化剂在材料使用过程中最终被消耗,由于抗氧化活性造成的化学损失或向环境迁移的物理损失,导致聚合物稳定性的丧失。此外,此类小分子抗氧剂容易析出,还会对环境造成危害。
实现思路