CN100491802C - 用于真空绝热材料的芯材料的生产方法 - Google Patents

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CN100491802C CNB2004100587426A CN200410058742A CN100491802C CN 100491802 C CN100491802 C CN 100491802C CN B2004100587426 A CNB2004100587426 A CN B2004100587426A CN 200410058742 A CN200410058742 A CN 200410058742A CN 100491802 C CN100491802 C CN 100491802C
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Abstract

一种用于真空绝热材料的芯材料是通过在加热下成形无机纤维垫来生产的，该无机纤维垫粘附有带入到芯材料中的未固化的热固性有机粘结剂，同时加压该垫至少30秒，使得该垫密度增加至150-400kg/m3。

Description

用于真空绝热材料的芯材料的生产方法
技术领域
本发明涉及一种生产用于真空绝热材料的芯材料的方法。请注意此处使用的术语“无机纤维垫”或“玻璃纤维垫”是指要应用本发明方法的无机纤维垫或玻璃纤维垫，术语“芯材料”是指使用本发明方法制得的无机纤维垫或玻璃纤维垫。
背景技术
作为用于真空绝热材料的隔热芯材料，各自由一种或更多种具有高隔热效果材料例如玻璃棉或矿石棉的无机纤维垫所组成的芯材料已经广泛使用。JP-A-60-14695(公开：1985年1月25日)和JP-A-2001-108186(公开：2001年4月20日)公开了当生产这样的芯材料时，将有机粘结剂施加至无机纤维垫上，使得生产真空绝热材料时，将得到的芯材料填充到包装(envelope)中变得更为方便。
根据上述专利公开的方法，离心方法或火焰衰减方法通常用于将熔融无机材料成形为纤维，使得引起纤维积聚或聚集以提供垫状预成型品。在粘合剂喷雾到垫状预成型品后，将垫状预成型品在加压和加热下成形为用于真空绝热材料的芯材料。
然而，在通过上述公开的离心方法等得到的垫状预成型品中，纤维以三维方向缠绕形式取向，因为它们相对较长的纤维被拉伸，并导致积聚成弯曲形式。当在加压和加热下将施加粘合剂的垫状预成型品成形为芯材料时，芯材料插入到包装中，得到的真空绝热材料填充到隔热包装中，真空绝热材料伴随的问题为：其隔热性能较弱，因为芯材料中纤维以上述公开的形式固定地粘合在一起，没有相对于热传导方向垂直取向。
此外，通过上述公开的方法得到的真空绝热材料存在另一个问题：其表面是不光滑的。当真空绝热材料填充到隔热包装中时，由于真空绝热材料的粗糙表面，在包装内壁和真空绝热材料之间形成空隙，因此产生另一个问题：真空绝热材料隔热性能较差。另一方面，在JP-A-9-4785(公开：1997年1月7日)中公开了一种方法，其中构成芯材料的纤维相对于热传导方向垂直取向。根据该方法，将1mm或更短长度的纤维分散在水中，然后聚集在一起成为垫状形式。然而，该方法伴有一个问题：它需要时间和劳动。
发明内容
考虑传统技术存在的上述问题，本发明目标是提供一种方法，使得容易地得到用于真空绝热材料的芯材料成为可能，所述芯材料包含相对于热传导方向垂直取向的纤维，并具有光滑表面和优良的隔热性能。
为了实现上述目的，本发明提供一种制备用于真空绝热材料的芯材料的方法，该方法包括在加热下将无机纤维垫成形为芯材料，该无机纤维垫粘附有带入到芯材料中的未固化的热固性有机粘结剂，同时对所述垫加压至少30秒，使得垫密度增加至150-400kg/m3。
本发明上述制备方法中，优选垫中包含的未固化的热固性有机粘结剂的固体量计算为垫总量的0.5-3.0重量％，所述总量包括热固性有机粘结剂中的固体量；对垫加压60秒-180秒；将未固化的热固性有机粘结剂应用于无机纤维，随后该无机纤维聚集成为垫状体，然后在加热和加压下将该垫状体成形为芯材料；无机纤维平均直径为3-5μm，并且在加热和加压成形前，无机纤维垫密度至少为3kg/m3，厚度为10-350mm；在加压和加热下进行成形，使得得到的芯材料密度为45-100kg/m3，厚度为10-70mm；而且多个粘附未固化的热固性有机粘结剂的无机纤维堆叠垫在加热下成形为芯材料，同时对多个堆叠垫加压至少30秒，使得堆叠垫密度增加至150-400kg/m3。
通过本发明上述生产方法得到的用于真空绝热材料的芯材料，其包含取向垂直于热传导方向的纤维，并具有平滑表面和优异的隔热性能。使用该芯材料，可以容易并有效地获得隔热性能优异的真空绝热材料。
附图说明
图1为传统已知的真空绝热材料的结构示意图。
图2A为根据本发明一个实施方案的生产方法加压并加热前，多个堆叠纤维垫的示意图。
图2B图解说明本发明一个实施方案的生产方法，其中用压盘型(platen-type)热压机将图2A中所示的多个堆叠纤维垫加压并加热成芯材料。
图2C为芯材料的示意图，它在图2B中生产后已经从压盘型热压机中释放。
图3图解说明本发明另一个实施方案的生产方法。
具体实施方式
参考附图说明的优选实施方案，本发明将进一步详细叙述。图1显示了总体上传统已知的真空绝热材料A、阻气性包装2、用于密封包装2的抽气管3、周边密封部分4-1、4-2，和由无机纤维垫组成并在真空下填充在包装2中的芯材料B。在图解说明的真空绝热材料A中，由无机纤维例如玻璃纤维垫组成的芯材料B用由铝沉积的聚乙烯薄膜等制成的阻气性包装2覆盖，包装2内部保持在真空下(减压，例如，1-10Pa左右)。
对于由仅用真空绝热材料A中包装2覆盖的无机纤维垫组成的芯材料B，芯材料中的无机纤维没有完全沿真空绝热材料平面方向水平延伸(extend)，使得真空绝热材料隔热性能不足。由于类似的原因，当引入真空绝热材料时，包装2表面平滑度较差。在不同的需要隔热性能的应用例如冰箱和个人电脑中，包装中插入这样的真空绝热材料导致沿着包装内壁形成空隙，使得真空绝热材料也成为隔热性能较差的原因。此外，由大体积的无机纤维垫组成的芯材料B当插入由包装2组成的袋状物中用于生产真空绝热材料A时，加工效率较差。
本发明可以解决上述公开的问题。当生产由如图1中所示的一个或多个无机纤维垫组成的绝热材料时，使用本发明的特定方法提供了一种芯材料，当将其引入真空绝热材料时，包含基本上沿真空绝热材料平面方向水平排列的无机纤维，同时提供具有光滑表面的真空绝热材料。此外，当生产真空绝热材料时，芯材料具有良好的加工效率。
将参考图2A至2C描述本发明一个实施方案的生产方法。图2A图解说明了加压和加热之前的处于彼此堆叠形式的多个纤维垫5，如图2A中画圈部分放大视图所示，纤维基本上没有在任何特定的方向取向，类似于传统已知的真空绝热材料中的纤维。图2B显示了使用压盘型热压机6加压和加热图2A堆叠纤维垫产生的压缩状态中的层压纤维垫。图2C描绘了通过释放被加压的层压纤维垫得到的压缩垫，即如此形成了芯材料1。例如，可以通过图2A和2B中图解说明的方法得到本发明芯材料1(图2C中显示)。具体公开了，在带式输送机上通过熔融纺丝连续地积聚无机纤维例如玻璃棉或石棉(说明书下文中以“玻璃纤维”作为代表实例)。同时连续地施加未固化的热固性有机粘结剂至积聚物，将积聚物成形为玻璃纤维网薄片，同时以辊(roll)的形式卷取网。从由此形成的辊网(顺便说一下，应当注意本申请权利要求中，该术语即上述“垫”用作同类别的术语，即术语“网”)，将多个玻璃纤维垫5切断，一个在另一个之上堆叠(图2A)。例如，使用压盘型热压机6，在加热下将堆叠垫成形为层压制品，同时加压30秒或更久，使得垫密度增加至150-400kg/m3(图2B)。然后从压盘型热压机释放层压制品得到压缩垫作为芯材料1(图2C)。顺便说一下，加压后从压盘型热压机6释放之前，垫密度可以由压力机6上下压盘之间的施加压力决定。
加热和加压之前的玻璃纤维垫5，所述玻璃纤维垫5构成芯材料1，本身是已知的，各自通过将玻璃纤维成形为具有合适未固化的热固性有机粘结剂的垫状预成型品而获得。作为这样的玻璃纤维垫，已知许多具有不同密度的玻璃纤维垫。然而，在本发明中，优选玻璃纤维平均直径为3-5μm，而且加热和加压之前，玻璃纤维垫密度为3kg/m3或更高，厚度为每垫10-350mm。
如果玻璃纤维的平均直径超过5μm，本发明的有益效果不能充分显现，因为得到的真空绝热材料具有降低的热性能。另一方面，如果玻璃纤维平均直径小于3μm，本身生产较为困难。在压力下加热处理前，具有密度低于3kg/m3的玻璃纤维垫在加热并加压时加工性能较差，因此不被优选。此外，在压力下加热处理之前厚度小于10毫米的玻璃纤维垫不被优选，因为其生产性较差；并且需要许多垫。另一方面，不优选厚度大于350mm，因为该玻璃纤维垫在加热下加压时加工性能较差。
本发明使用的热固性有机粘结剂(以下简称为“有机粘结剂”)可以是一种生产传统已知的玻璃纤维垫中采用的有机粘结剂，优选使用作为热固性树脂的酚醛树脂前体的水溶液等。该有机粘结剂可以某一用量适当地使用，使得有机粘结剂中固体量计算为玻璃纤维总量的0.5-3.0重量％，其中最优选0.5-1.5重量％，所述总量包括有机粘结剂中的固体量。不优选该有机粘结剂的使用量小于0.5重量％，因为所得到的玻璃纤维垫加工性能较差，使得由该垫生产的芯材料因其体积大和弹性不能容易地填充到包装中。另一方面，也不优选有机粘结剂的使用量大于3.0重量％，因为所得到的真空绝热材料隔热性能较差。
在本发明中，在加压和加热下分别处理或以堆叠结合形式处理其中包含有机粘结剂的玻璃纤维垫，然而优选以彼此堆叠的形式处理多个这样的玻璃纤维垫。在该阶段堆叠的玻璃纤维垫数量随每个玻璃纤维垫密度和厚度的不同而不同，并取决于最终得到的真空绝热材料所需的厚度。虽然如此，例如，优选在加压和加热下处理2-4个密度为60-100kg/m3、厚度为10-50mm的彼此堆叠形式的垫，或在加压和加热下处理后使用2-4个彼此堆叠形式的垫。本发明重要的是在特定压力下加热并加压一个或多个玻璃纤维垫，其中一个或多个玻璃纤维垫处于其中有机粘结剂仍以未固化的形式粘附玻璃纤维垫的状态。另一方面，如果在有机粘结剂固化之后加压一个或多个玻璃纤维垫，则具有填充其中的该产物芯材料的真空绝热材料不会具有足够的表面平滑度。
在一定条件下进行加压，使得加压成彼此堆叠形式的垫密度增加至150-400kg/m3，优选200-400kg/m3。具体地，加压是在压盘型压力机的上下压盘之间根据压力为150-400kg/m2，优选200-400kg/m2下进行。低于150kg/m3的密度或压盘间压力低于150kg/m2，在填充生成的芯材料之后，不能提供具有足够表面平滑度的真空绝热材料，同时高于400kg/m3的密度或压盘间压力高于400kg/m2，需要较大的装置用于加压玻璃纤维垫，此外不能提供具有足够热性能的真空绝热材料(最终产物)，因为玻璃纤维垫中的玻璃纤维破碎成为粉末。因此不优选上述公开范围以外的加压条件。
加压时间为30秒或更久，当使用上述公开的压力机进行加压时，优选60-360秒。加热温度通常至少为有机粘结剂的固化温度，具体地，优选为160-280℃。应当注意该温度不是压盘本身的温度，而是玻璃纤维垫内部的温度。因此，可以通过提高压盘温度至适当水平或通过提高压力机空气温度至适当水平，进行上述加压和加热处理。
如上所述在加压和加热下处理的玻璃纤维垫，在加压和加热处理后从加压下释放时，变得体积更大(图2B→图2C)。该状态中对芯材料的密度和厚度没有特殊的限定，尽管通常优选密度为45-100kg/m3，厚度为10-70mm。通过这样的加压和加热处理，引起构成芯材料的玻璃纤维沿相对于芯材料平面的方向基本上水平地延伸，如图2C中画圈部分的放大视图所示，使得芯材料具有改善的表面平滑度，并且由于有机粘结剂的热固性，保持上述状态。因此，使用由此加压并加热的芯材料作为用于真空绝热材料的芯材料，可以得到具有优良隔热性能、表面平滑度和加工效率的真空绝热材料。
参考图2A-2C的如上所述的本发明生产方法是本发明的一个优选实施方案，并且将参考图3描述本发明另一个优选实施方案的生产方法。图3图解说明了进行加压和加热前的堆叠纤维网7、加热炉8、热压输送机9、一对上游辊10，10′、一对下游辊11，11′、加压和加热下的堆叠纤维网12，通过加压和加热生产的层压制品网(换言之，芯材料)1。
根据图3中图解说明的实施方案的生产方法，使用四玻璃纤维网产品。在每一生产线中通过熔融纺丝连续形成的玻璃纤维，以预先确定的密度连续积聚在未图解说明的传输装置，例如带式输送机上。将未固化的有机粘结剂连续地施加至玻璃纤维的积聚物上，使得玻璃纤维成形为网。如上所述形成的玻璃纤维四网没有以辊的形式卷绕(不必说，这样的网可以卷绕成辊，然后可以从辊中连续地放出)，将预先确定长度的四网彼此堆叠成为堆叠纤维网7。通过加热炉8内部驱动的构成热压输送机的成对的上游辊10，10′和成对的下游辊11，11′，然后连续加压堆叠纤维网7，同时热固化有机粘结剂。优选该实施方案，因为使用输送机9可以连续地制备所需的芯材料1，同时将堆叠纤维网12连续地加压并加热预定时间。输送机9的长度可以优选为10-30m，尽管其随线速度改变而改变。长度短于10m的输送机导致加压和加热不充分，因此难于获得能够提供平滑真空绝热材料的芯材料。另一方面，长度大于30m的传送装置需要较大的设备，因此不优选。当用传送装置连续进行加压时，加压时间为30秒或更久，优选为60-180秒。少于30秒的加压时间导致加压和加热不充分，因此不能获得能够提供平滑真空绝热材料的芯材料。另一方面，长于180秒的加压时间导致生产效率较差，或不能提供超过预期平滑度的真空绝热材料-它仅需要较大的装置，因此不优选。用于该实施方案的不同优选条件(例如加热和加压条件和时间)类似于如上所述参考图2A-2C的生产方法。
为了通过使用如上所述根据本发明所获得的芯材料来制备真空绝热材料，例如，可以通过用阻气性包装覆盖芯材料，然后将包装抽空获得真空绝热材料。优选使用的包装材料实例包括树脂薄膜例如聚酯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚偏二氯乙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜和聚丙烯薄膜；用牛皮纸片层压上述薄膜；用铝箔层压上述薄膜；并用铝沉积在上述薄膜上。
可以通过已知的方法进行真空绝热材料本身的生产。例如，提供模具，其由上模和下模形成，并装配有通过上模和下模之一所形成的抽真空端口，用于使用真空泵进行抽真空。在由模具的上模和下模所确定的洞的内壁上，上部阻气性薄膜2-1具有抽气管3和周边密封部分4-1，下部阻气性薄膜2-2具有周边密封部分4-2，例如，排列铝沉积的高密度聚乙烯薄膜。在将本发明的芯材料1置于上部和下部薄膜2-1、2-2之间后，将模具密闭。将上部和下部薄膜2-1、2-2在其周边密封部分4-1、4-2熔融粘结以形成阻气性包装2，然后通过抽气管3抽真空以降低其内部压力至10.0Pa或更少。随后，密封抽气管3，从模具中取出生成的模制品以获得本发明真空绝热材料A。取决于其用途，可以获得尺寸、厚度等随需要改变的真空绝热材料。
作为本发明已经压缩成形至密度为特定范围内的芯材料，在该芯材料上覆盖用于生产真空绝热材料的包装可以获得良好的加工效率。此外，使用本发明得到的芯材料可以提供具有隔热性能明显改善的产物真空绝热材料，因为构成该芯材料的玻璃纤维沿芯材料平面方向排列。因为同样的原因，真空绝热材料的表面是平滑的，使得当使用绝热材料时，在绝热材料和其中插入真空绝热材料的包装的一个或多个结合壁(associated wall)之间基本上没有留下空隙，因此也提供明显改善的隔热性能。
实施例
下面将根据实施例和对比例进一步详细叙述本发明。
实施例1
在平均纤维直径4μm的玻璃纤维上以一定量喷雾酚醛树脂粘合剂，使得灼烧损失(基于玻璃纤维总量的树脂粘合剂的固体含量)达到1重量％，以辊形式卷取其中具有仍保持未固化状态的粘合剂的玻璃纤维垫(厚度：约30mm，密度：约27kg/m3)。玻璃纤维垫堆叠成四层，用压盘型压力机以200℃加热并加压堆叠的玻璃纤维垫5分钟，使其压缩形式整体厚度和密度分别达到10mm和大约320kg/m3。从而，固化粘合剂得到用于真空绝热材料的芯材料，其厚度大约60mm，密度大约53kg/m3。将芯材料插入到高阻气性能的包装中。使用真空密封机，通过抽真空端口抽真空包装，直到包装内部压力低于1.0Pa，然后在加热下压缩粘合包装抽真空端口以得到厚度为12mm、密度为250kg/m3的真空绝热材料。
实施例2
在平均纤维直径4μm的玻璃纤维上以一定量喷雾酚醛树脂粘合剂，使得灼烧损失达到1重量％，并通过热空气循环恒温箱(oven)以260℃加热并加压玻璃纤维网(厚度：大约300mm，密度：大约3kg/m3)，恒温箱停留时间大约90秒，同时保持网在上下输送机之间，使其压缩形式密度增加至大约250kg/m3。从而，得到厚度大约20mm、密度大约50kg/m3的用于真空绝热材料的芯材料。使用该芯材料按照与实施例1类似的方法获得真空绝热材料。
对比例1
在平均纤维直径4μm的玻璃纤维上以一定量喷雾酚醛树脂粘合剂，使得灼烧损失达到1重量％，以辊形式卷取其中具有仍保持未固化状态的粘合剂的玻璃纤维垫(厚度：大约30mm，密度：大约27kg/m3)。玻璃纤维垫堆叠成四层，用压盘型压力机以200℃加热并加压堆叠的玻璃纤维垫5分钟，使其压缩形式整体厚度和密度分别达到20mm和大约120kg/m3。从而，固化粘合剂得到用于真空绝热材料的芯材料，其厚度大约80mm，密度大约40kg/m3。使用该芯材料按照与实施例1类似的方法获得真空绝热材料。
对比例2
在平均纤维直径4μm的玻璃纤维上喷雾一定量酚醛树脂粘合剂，使得灼烧损失达到1重量％，以辊形式卷取其中具有仍保持未固化状态的粘合剂的玻璃纤维垫(厚度：大约30mm，密度：大约27kg/m3)。玻璃纤维垫堆叠成四层，用压盘型压力机以200℃加热并加压堆叠的玻璃纤维垫5分钟，使其压缩形式整体厚度和密度分别达到30mm和大约80kg/m3。从而，固化粘合剂得到用于真空绝热材料的芯材料，其厚度大约90mm，密度大约35kg/m3。使用该芯材料按照与实施例1类似的方法获得真空绝热材料。
等级
通过下述评级方法，将上述实施例和对比例的真空绝热材料在表面平滑度、导热性、加工效率和产品成本方面分级。结果列于表1。
评级方法
1.表面平滑度
A：基本上不粗糙，具有小于1mm的凹陷深度。
B：稍微粗糙的，具有1mm和更大但是小于2mm的凹陷深度。
C：明显粗糙的，具有2mm和更大的凹陷深度。
2.导热性
使用导热性测试仪测量(型号：HC-074-1000)，由EKO INSTRUMENTSCO.LTD.生产。
3.加工效率
在包装中插入芯材料所需的时间(芯材料宽度：500mm，芯材料长度：1,500mm)
A：小于1分钟。
B：1分钟或更多但是小于2分钟。
C：2分钟或更多但是小于5分钟。
D：5分钟或更多。
4.产品成本
A：低
B：高
表1
 
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2
表面平滑度 A B C C
导热性(W/mK) 0.0021 0.0020 0.0022 0.0022
加工效率 A B C D
产品成本 B A B B
本申请要求日本专利申请2003-202426的优先权(2003年7月28日提交)，还要求日本专利申请2004-154554的优先权(2004年5月25日提交)，此处引入两者作为参考。

Claims (13)

1.一种生产用于真空绝热材料的芯材料的方法，所述方法包括在加热下将无机纤维垫成形为所述芯材料，该无机纤维垫粘附有未固化的热固性有机粘结剂，同时对所述垫加压至少30秒，使得所述垫密度增加至150-400kg/m3，其中无机纤维平均直径为3-5μm，并且在所述加热和加压下成形之前，所述无机纤维垫密度为至少3kg/m3，厚度为10-350mm。
2.根据权利要求1的生产方法，其中所述垫中包含的所述未固化的热固性有机粘结剂的固体量占所述垫总量的0.5-3.0重量％，所述总量包括所述热固性有机粘结剂中的所述固体量。
3.根据权利要求1的生产方法，其中所述垫中包含的所述未固化的热固性有机粘结剂的固体量占所述垫总量的0.5-1.5重量％，所述总量包括所述热固性有机粘结剂中的所述固体量。
4.根据权利要求1的生产方法，其中对所述垫加压60秒-180秒。
5.根据权利要求2的生产方法，其中对所述垫加压60秒-180秒。
6.根据权利要求3的生产方法，其中对所述垫加压60秒-180秒。
7.根据权利要求1-6中任何一项的生产方法，其中在将所述未固化的热固性有机粘结剂应用于无机纤维后，所述无机纤维聚集成为无机纤维垫，然后在加热和加压下将所述无机纤维垫成形为所述芯材料。
8.根据权利要求1-6中任何一项的生产方法，其中在加压和加热下进行所述成形，使得获得的芯材料密度为45-100kg/m3，厚度为10-70mm。
9.根据权利要求7的生产方法，其中在加压和加热下进行所述成形，使得获得的芯材料密度为45-100kg/m3，厚度为10-70mm。
10.根据权利要求1-6中任何一项的生产方法，其中粘附有未固化的热固性有机粘结剂的多个无机纤维堆叠垫在加热下成形为芯材料。
11.根据权利要求7的生产方法，其中粘附有未固化的热固性有机粘结剂的多个无机纤维堆叠垫在加热下成形为芯材料。
12.根据权利要求8的生产方法，其中粘附有未固化的热固性有机粘结剂的多个无机纤维堆叠垫在加热下成形为芯材料。
13.根据权利要求9的生产方法，其中粘附有未固化的热固性有机粘结剂的多个无机纤维堆叠垫在加热下成形为芯材料。
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