CN101555972A

CN101555972A - 一种真空热隔离膜及其制造方法

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Publication number: CN101555972A
Application number: CNA2009100394248A
Authority: CN
Inventors: 郭世明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2009-10-14

Abstract

本发明公开了一种真空热隔离膜及其制造方法，其中，真空热隔离膜包括有一铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜具有规则排列的直立纳米管，纳米管抽真空且管口封口，其管壁内附着有一层金属薄膜。真空热隔离膜的制造方法是以铝或铝合金为基材，利用阳极处理法制得具有规则排列直立纳米管的铝阳极氧化膜；之后，在纳米管管壁内镀一层金属薄膜；再将纳米管抽真空后其管口以致密薄膜覆盖。本发明的真空热隔离膜可以降低隔离热传导、热对流、以及热辐射的传送，且兼具环保性、生物相容性、轻量化等特性，可以被用做室内或室外的抗噪音与抗震动的建筑材料。

Description

一种真空热隔离膜及其制造方法

技术领域：

本发明涉及隔热材料技术领域，尤其是涉及一种热隔离膜及其制造方法。

背景技术：

根据美国能源部的统计，在建筑物上的能源消耗约占总能源消耗的38％，典型的美国家庭一年约需花费美金1,300圆在能源消费上，但其中有一半以上的能源是浪费了，因此要有效地节能，需降低冷与热能由建筑物内散失的效率，而具有低传热系数的隔热建材可达到此目的。良好的隔热建材，除了需兼顾环保性与生物相容性外，另外，轻量化、价格便宜、制程简便化也是考虑的因素之一。一般常用的隔热材，如玻璃纤维或纳米碳管，是利用其交错的多孔特性，使低传热系数的空气保持在内，用以降低热的传送。然而，当多孔性的结构材暴露于湿气高的环境中，容易吸收水分，滋生霉菌。另外，若以玻璃纤维和纳米碳管为考量，因玻璃纤维与纳米碳管均属高熔点材料，制作时需先耗费较多的能源来制得该节能材，此制程并不符合制程简便化与价格便宜的特性。人体的皮肤、眼睛、与喉咙易对玻璃纤维和纳米碳管产生过敏，因此玻璃纤维与纳米碳管并不是良好的生物相容性材料。因纳米碳管具有轻量化、良好的隔热、与防水特性，被添加于纺织品做成军事保温衣。另一种常被用来当绝缘材料为氧化铝(Al₂O₃)，氧化铝具有化学稳定性高、高熔点、高耐压强度、对人体无害、电与热的绝缘特性佳、及价格便宜等特质，使得氧化铝成为最被工业界青睐的材料之一。本发明将针对改善氧化铝的多孔性结构，制成真空纳米管，并用于隔热与隔音建材的应用上。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种真空热隔离膜及其制造方法，

为实现上述目的，本发明的真空热隔离膜包括有一铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜具有规则排列的直立纳米管，纳米管抽真空且管口封口，其管壁内附着有一层金属薄膜。

本发明的真空热隔离膜的制造方法是以铝或铝合金为基材，利用阳极处理法制得具有规则排列直立纳米管的铝阳极氧化膜；之后，在纳米管管壁内镀一层金属薄膜；再将纳米管抽真空后其管口以致密薄膜覆盖。

在上述制造方法中，铝阳极氧化膜可附着于铝或铝合金基材上。

在上述制造方法中，所述的金属薄膜为镍膜，采用无电解沉积法镀在铝阳极氧化膜的纳米管管壁内。

在上述制造方法中，所述的致密薄膜为三氧化二铝膜。

在上述制造方法中，铝阳极氧化膜的纳米管管径、管长与管密度分别为10至500nm、0.1至200μm、10⁸至10¹²pore/cm²。

本发明的的真空热隔离膜可以降低隔离热传导、热对流、以及热辐射的传送，且兼具环保性、生物相容性、轻量化等特性，可以被用做室内或室外的抗噪音与抗震动的建筑材料。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1a为铝阳极氧化膜结构示意图，一阻障层位于铝阳极氧化膜与铝基材界面，其中，L、D、H、d定义AAO的几何形状；

图1b为铝阳极氧化膜的侧面结构示意图，显示铝阳极氧化膜具有纳米管结构；

图2为铝阳极氧化膜的管密度示意图，其中，(a)孔径为15nm的铝阳极氧化膜具2.6*10¹¹Pore/cm²的管密度，(b)孔径为60nm的铝阳极氧化膜具1.5*10¹⁰Pore/cm²的管密度，(c)孔径为500nm的铝阳极氧化膜具1.5*10⁸Pore/cm²的管密度；

图3a为铝阳极氧化膜的表面积与管长的关系图；

图3b为铝阳极氧化膜的体积与管长的关系图；

图4为扫描式电子显微镜(SEM)影像图，其中，(a)为利用硫酸溶液制得的15nm管径铝阳极氧化膜影像图，(b)为利用草酸溶液制得的60nm管径铝阳极氧化膜影像图，(c)为利用磷酸溶液制得的400nm管径铝阳极氧化膜影像图；

图5a为附着于铝基材上的铝阳极氧化膜结构示意图；

图5b为单一的铝阳极氧化膜结构示意图；

图6a为可一次制作多片铝阳极氧化膜的模具结构图；

图6b为制作铝阳极氧化膜的另一种模具上盖结构示意图；

图6c为制作铝阳极氧化膜的又一种模具上盖结构示意图。

元件符号说明：

51，51’：致密的氧化铝膜 52，52’：阵列式氧化铝真空管

53，53’：致密的氧化铝膜 54：铝或铝合金基材

61：铜柱电极 62：铁氟龙管

63：铁氟龙材质的模具上盖 64：隔水矽胶片

65：铝板 66：铁氟龙材质的模具下盖

67：铁氟龙材质的模具上盖 68：铁氟龙材质的模具上盖

具体实施方式：

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

本发明使用铝材配合阳极处理法，制作一具规则排列纳米管结构的铝阳极氧化膜(AAO)，其示意图如图1所示，经本实验验证，纳米管经真空封口，具有良好的隔热效果。AAO的管密度可依管径的尺寸描述，例如，当AAO的管径分别为15nm、60nm、500nm，则每平方公分上的最大理论管密度为2.6*10¹¹、1.5*10¹、与1.5*10⁸pore/cm²，而AAO的表面积与体积则可依纳米管径、管长、与管密度计算，如以下计算，1公分平方的样品内AAO的体积与表面积可分别依πr²*D*P与2πr*D*P公式表示，其中，R为纳米管半径、D为管长、P为管密度。如图3的计算结果所示，当样品面积为1cm²，AAO管的表面积随着管长增加而增加，其中15nm纳米管的AAO因具有较大的管密度，因此具有较大的表面积，例如，一15nm管径、150μm管长、2.6*10¹¹Pore/cm²管密度的AAO，于一单位平方公分上的表面积为18,378cm²(2*π*7.5*150*10³*2.6*10¹¹*10^-14)。

具有阵列纳米管排列的铝阳极氧化膜可使铝材经由阳极处理后而得，例如制作管径为15nm的AAO，其步骤包含：

(1)、铝材经机械研磨至#2000号砂纸后，置于大气炉内进行550℃、1小时的退火处理。

(2)、将退火后的铝材置于电解液中进行电解抛光，电解液的成分为15％过氯酸(HCLO₄)+15％单丁醚乙二脂(CH₃(CH₂)₃OCH₂CH₂OH)+15％乙醇(C₂H₆O)，电解抛光条件为42伏特(V)、15℃、10分钟。

(3)、第一次阳极处理；将电解抛光后的铝材进行阳极处理，电解液的成分为10％的硫酸(H₂SO₄)，阳极处理条件为18伏特(V)、15℃、20分钟。

(4)、移除阳极处理膜；移除液成分为1.8％铬酸(Cro₃)+6％磷酸(H₃PO₄)，操作条件为：将阳极处理后的铝材浸渍于移除液中60℃、30分钟。

(5)、第二次阳极处理；实施条件与第一次阳极处理条件相同，阳极膜的厚度随着阳极处理时间增加而增厚，膜厚的成长速率约为15um/hr。

(6)、移除铝基材，获得单一AAO薄膜；移除液成分为8％盐酸(HCI)+20％氯化铜(CuCl₂)，操作条件为：将阳极处理后的铝材浸渍于移除液中25℃、30分钟。

根据以上的制程参数改变，例如，电压、电解液成分与阳极处理时间的变化，则AAO的孔径可被控制于10~500nm内，AAO的厚度可被控制于0.1只200μm内。如图4为AAO的扫描式电子显微镜(SEM)影像，孔径分别为15nm、60nm、与400nm。

热可通过热传导、热对流、与热辐射传送，其中热传导与热对流效应将随着真空度的增加而降低，因此真空管可被使用于隔热材料的应用，热辐射则通过电磁波进行传送，常用的抗热辐射材料为表面光滑的金属薄膜，根据上述的经验，将一层金属薄膜附着于AAO纳米管壁内，再将AAO纳米管抽真空且管口封管后，将可降低热辐射、热传导、与热对流的传送，而使AAO成为一良好的热隔离材料。因为AAO的管径为纳米尺寸，且AAO纳米管具有大的深宽比(约1000)，因此利用气体蒸镀法将不易使金属薄膜附着于纳米管壁内，然而，利用无电解沉积法，可使铜、银、镍等金属离子快速地沉积于玻璃、陶瓷、塑胶、或金属基材表面上。在众多金属中，镍具有较低的热传导系数(W/MK)，且极易被施以无电解沉积制程，因此镍金属薄膜可被用作为抗热辐射传送膜的应用，根据文献资料，无电解镍沉积的溶液组成与操作条件为：0.02％硫酸镍(NISO₄*6H₂O)+0.16％琥珀酸钠(C₄H₁O₁Na₂6H₂O)+0.27％次压磷酸钠(NaH₂PO₂*H₂O)*PH＝4.8*88℃、40分钟。当AAO管内覆着有一镍金属膜后，再将AAO置于射频溅镀机真空腔体内，经抽真空后，并于AAO纳米管口覆盖一层致密的氧化铝膜，使AAO成为真空纳米管。图5为铝阳极氧化膜的结构示意图，包括两种类型的热隔离膜可被制出，图5a所示为一致密的氧化铝膜51覆盖于AAO真空纳米管52上，AAO则成长于铝基材54上，而AAO的底部即铝基材与AAO介面会自然形成一致密的阻障层53，本发明的第一类型AAO可直接用于建筑材料的隔热板用途。另外，图5b所示为一薄膜型式的真空管52’，该薄膜并不包含铝基材54’，因此为一透明薄膜，该透明膜真空纳米管的上方51’与下方53分别以致密的氧化铝膜封口，第二类型的透明膜具轻量化特性，可搭配玻璃板材用于透明材或光学材的应用。

阳极处理是电解钝化的过程，用以增加金属表面的氧化层厚度，此制程是一成熟的工业技术，于1960~1990年间，THOMPSON和WOOD曾做过许多有关于这方面的研究，本发明是结合成熟的传统阳极处理技术与最新的纳米科技技术，控制不同尺寸的纳米管于AAO薄膜内形成，因此可大大降低制程的成本，适用于工业界的大量生产制程。为了制作高品质大面积的AAO，必须设计适合阳极处理制程的模具，如图6所示为一适用于成长大面积AAO的模具，此模具的上盖61与下座66的材质为耐酸碱溶液的铁氟龙材质，上盖61的开口面积为试片与电解液的反应面积，该片为阳极并耤由铜柱62为电极与铁氟龙管63为保护管，将电源供应器的正极引入铝试片65，为了防止电解液由上盖开口处的边缘处，渗入铜柱62与铝试片65的接触点，上盖开口处与铝试片界面间需加入一层矽胶片64。另外，采用具有不同开口形状的上盖67、68，即可做出不同外形的AAO。

实验测试：

为了了解本发明薄膜的隔热效果，本实验同时对于常用的隔热材如玻璃纤维与泡棉进行隔热测试，在隔热实验测试中，隔热材分别为33μm厚度的AAO真空纳米管，1500μm厚度的玻璃纤维、1500μm厚度的泡棉，在隔热材的一端为55℃的热源，经隔热材后所测得于AAO、玻璃纤维、泡棉上的温度分别为33℃、33℃、与41℃，经实验证明，薄膜AAO具有比玻璃纤维和泡棉更佳的隔热效果。

以上所述仅为举例性，而非为限制性，任何熟悉该项技术者可依据上述本发明的实施例进行等效的修改，而脱离其精神范畴。故任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改与变更，均应包含于本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种真空热隔离膜，其特征在于：它包括有一铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜具有规则排列的直立纳米管，纳米管抽真空且管口封口，其管壁内附着有一层金属薄膜。

2.权利要求1所述的真空热隔离膜的制造方法，其特征在于：它是以铝或铝合金为基材，利用阳极处理法制得具有规则排列直立纳米管的铝阳极氧化膜；之后，在纳米管管壁内镀一层金属薄膜；再将纳米管抽真空后其管口以致密薄膜覆盖。

3.权利要求2所述的真空热隔离膜的制造方法，其特征在于：铝阳极氧化膜可附着于铝或铝合金基材上。

4.根据权利要求2所述的真空热隔离膜的制造方法，其特征在于：所述的金属薄膜为镍膜，采用无电解沉积法镀在铝阳极氧化膜的纳米管管壁内。

5.根据权利要求2所述的真空热隔离膜的制造方法，其特征在于：所述的致密薄膜为三氧化二铝膜。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的真空热隔离膜的制造方法，其特征在于：铝阳极氧化膜的纳米管管径、管长与管密度分别为10至500nm、0.1至200μm、10⁸至10¹²pore/cm²。