CN102471520A - 隔热聚合物泡沫体和气凝胶复合制品 - Google Patents
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Abstract
通过提供限定了空腔的聚合物泡沫体并且将气凝胶材料放入所述空腔中，从而制造一种具有挤出热塑性聚合物泡沫体的制品，所述挤出热塑性聚合物泡沫体限定了至少一个空腔，所述空腔含有气凝胶材料。
Description
交叉引用声明
本申请要求2009年7月29日提交的美国临时申请号61/229,417的权益，其全部内容通过引用加入本文。
发明背景
发明领域
本发明涉及包含挤出热塑性聚合物泡沫体和气凝胶材料的隔热制品，以及制造这种制品的方法。
背景技术描述
卤代发泡剂适用于制备用于隔热材料的挤出热塑性聚合物泡沫体，至少部分地因为卤代分子提供具有低热导率的泡沫体。然而，由于卤代分子对环境具有的可察觉的危害，对于这种分子用于如发泡剂的应用存在正在增多的规定。受到特别关注的是卤代分子的臭氧消耗潜势(ODP)和温室变暖潜势(GWP)。发现具有与卤代分子一样低的热导率的发泡剂是巨大的挑战。作为结果，制造具有所需低热导率的隔热挤出热塑性聚合物泡沫体越来越更加困难。
在本领域中已知除挤出热塑性聚合物泡沫体之外的高隔热组合物。气凝胶材料是一类高隔热组合物。气凝胶材料典型地具有低密度，带有纳米级孔隙和微孔结构(对于气凝胶的充分讨论，参见，例如，通过引用加入本文的US2007/0014979第[0013]至[0019]段)。气凝胶材料的低密度意味着结构的大部分体积是空隙空间。气凝胶材料的小孔和微孔尺寸意味着在结构体中几乎不发生对流和传导。气凝胶结构体具有适宜的隔热性，但是与挤出热塑性聚合物泡沫体相比具有昂贵得多并且耐久性较差(更易碎)的问题(参见，例如，US2007/0014979，它在第0007段中教导了：“最著名的隔热体之一的气凝胶的操作由于这种材料的脆性可能是非常有挑战性的。”)。
适宜的是将气凝胶材料结合至挤出热塑性聚合物泡沫体中并且获得用作用于建造和建筑应用的隔热材料的足够的耐久性。目前的参考资料描述了将气凝胶材料与其他结构合理的材料层合以获得状层压材料。(参见，例如，EP1106346A2、US2007/0014979A1、GB244756A、WO2008/129281A2和US2005/0281988A1)。然而，层压结构体具有暴露在边缘上的气凝胶材料。层压结构体还需要使气凝胶材料附着至其他基板，归因于气凝胶层的易碎特性这可能导致层压制品的差的机械完整性。
尽管有这些现有工作，仍然需要开发出这样的挤出热塑性聚合物泡沫体制品，所述制品受益于气凝胶材料的隔热能力但是具有挤出热塑性聚合物泡沫体制品的耐久性、物理外观和处理性能。这种制品将容易地代替目前的挤出热塑性聚合物泡沫体制品。更适宜地，这种挤出热塑性聚合物泡沫体制品将享有高隔热特性而不带有卤代发泡剂。
发明概述
本发明解决了以下问题：提供挤出热塑性聚合物泡沫体制品，所述制品享有气凝胶材料的隔热益处但是带有挤出热塑性聚合物泡沫体制品的耐久性、物理外观和处理特性并且不使气凝胶暴露在制品周界周围或不需要将气凝胶材料附着至另一个基板。本发明的制品享有低热导率特性(换言之，35毫瓦/米*开尔文以下的热导率)而不带有卤代发泡剂。
在第一方面，本发明是一种被制造的制品，其包含：挤出热塑性聚合物泡沫体，所述挤出热塑性聚合物泡沫体具有限定了多个孔的热塑性聚合物基体，所述挤出热塑性聚合物泡沫体限定了至少一个空腔；以及气凝胶材料，其位于挤出热塑性聚合物泡沫体的至少一个空腔内。
在第二方面，本发明是一种用于制造第一方面的制品的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供限定至少一个空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体；(b)提供气凝胶材料；以及(c)将所述气凝胶材料嵌入至由所述挤出热塑性聚合物泡沫体限定的空腔中。
本发明的方法可用于制造本发明的泡沫体制品。本发明的泡沫体制品可以在，例如，建造和建筑应用中作为隔热材料。
附图简述
图1示例了用于本发明的制品的一个实施方案的挤出聚合物泡沫体组分。
发明详述
“空腔”是材料中的空洞。为了本发明的目的，一直延伸穿过材料的孔落在术语“空腔”的范围之外。如本文所使用的空腔通常类似于材料中的洞或凹坑。空腔可以全部由材料封闭。例如，空腔可以是完全由挤出热塑性聚合物泡沫体封闭的空隙。材料中的空腔通常是材料中的凹坑的形式。值得注意地，泡沫体孔是限定在聚合物基体中的空腔-但是不是限定在聚合物泡沫体中的空腔。本发明的制品包括“限定在聚合物泡沫体中的空腔”。泡沫体孔不满足这个定义，因为它们被限定在聚合物基体中并且是定义聚合物泡沫体所必需的特征。不能通过本身由泡孔所限定的结构限定泡孔。限定在聚合物泡沫体中的空腔可以具有超过10个并且甚至100个泡沫体孔的尺寸。
“主表面”是制品的一个表面，所述表面具有等于或大于制品的任意其他表面的平面表面积。平面表面积是指投影至平面上的表面面积，并且不计入归因于表面上的峰和谷的表面积。尽管如此，主表面可以是平面的或者非平面的。例如，主表面可以含有槽、凸起或任意其他外形。
长度、宽度和厚度是制品相互正交的尺寸。长度是等于最大尺寸的制品尺寸。在挤出制品如挤出泡沫体中，长度通常沿泡沫体的挤出方向延伸。宽度在量上等于或大于厚度。在板状制品中，厚度从制品的主表面延伸至相反主表面的表面。
ASTM是指美国试验和材料协会(American Society for Testing andMaterials)。EN是指欧洲标准(European Norm)。ASTM和EN两者都是指测试方法。除非另外指出，在本文中提及测试方法是指在本文的优先权日之前最新的测试方法。在本文中测试方法可以测试编号的后缀指定测试方法的年份。
多个意指“两个以上”。“和/或”意指“和，或作为备选”。除非另外指出，所有范围包括端点。
本发明的制品包括限定了至少一个空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体。挤出热塑性聚合物泡沫体是一类特定类型的泡沫体，它通过以下方法制造：将软化状态下的热塑性可发泡聚合物组合物通过模头从发泡压力和温度下的区域挤出至低于发泡压力的压力下并且典型地低于发泡温度的环境。可发泡聚合物组合物膨胀并且冷却以形成挤出热塑性聚合物泡沫体。挤出热塑性聚合物泡沫体具有不同于其他类型的聚合物泡沫体如热固性泡沫体和发泡珠粒泡沫体的独特特征。热固性泡沫体不能像挤出热塑性聚合物泡沫体一样可逆地软化。一旦发泡并固化，可以将热固性泡沫体碾碎而不能熔化或加热软化。相反，挤出热塑性聚合物泡沫体具有连续热塑性聚合物相并且作为结果可以熔化或软化。
发泡珠粒泡沫体包括大量彼此粘结的发泡珠粒。每个发泡珠粒具有限定了珠粒的皮层。一个珠粒的皮层粘结至相邻珠粒的皮层以形成发泡珠粒泡沫体。归因于围绕在每个泡沫体珠粒的泡沫体孔周围的皮层，在发泡珠粒泡沫体的截面上每个发泡珠粒是明显的。珠粒皮层形成遍及发泡珠粒泡沫体的三维皮层网络，所述三维皮层网络封闭组成每个发泡珠粒的泡沫体孔的局部组。通常，三维皮层网络是多孔的，它不适宜地将水吸入通过泡沫体。相反挤出热塑性聚合物泡沫体没有封闭泡沫体孔的局部组并且遍及泡沫体延伸的三维皮层网络。作为结果，挤出热塑性聚合物泡沫体通常是比发泡珠粒泡沫体更好的隔热体，因为它不具有充当将泡沫体的表面彼此连接的热短路的三维网络皮层。挤出热塑性聚合物泡沫体也没有通常伴随发泡珠粒泡沫体的三维皮层网络的不合乎需要的多孔性并且，因此，典型地比发泡珠粒泡沫体更防潮。
本发明的挤出热塑性聚合物泡沫体包含限定多个孔的连续热塑性聚合物。热塑性聚合物可以是多于一种可挤出热塑性聚合物的任意一种或组合。适宜地，热塑性聚合物是选自以下各项的多于一种聚合物的一种或组合：烯基芳族聚合物和烯烃聚合物。合适的烯基芳族聚合物包括苯乙烯或取代的苯乙烯的均聚物和共聚物。特别适宜的烯基芳族聚合物包括苯乙烯均聚物和苯乙烯-丙烯腈共聚物。适宜的烯烃聚合物包括乙烯和丙烯均聚物和共聚物。
连续热塑性聚合物可以具有分散在其中的添加剂和填料。适宜的添加剂和填料包括：红外衰减剂(例如，炭黑、石墨、金属薄片、二氧化钛)；粘土如天然吸附剂粘土(例如，高岭石和蒙脱石)以及合成粘土；成核剂(例如，滑石和硅酸镁)；阻燃剂(例如，溴化阻燃剂如六溴环十二烷和溴化聚合物、磷阻燃剂如磷酸三苯酯，以及可以包含增效剂如二枯基和聚枯基的阻燃剂成套试剂)；润滑剂(例如，硬脂酸钙和硬脂酸钡)；以及除酸剂(例如，氧化镁和焦磷酸四钠)。添加剂和/或填料的总浓度可以至多20重量％(wt％)，优选至多15重量％并且更优选至多10重量％。添加剂和/或填料的量可以是0.05重量％以上并且甚至0.1重量％以上，甚至0.2重量％以上。添加剂和/或填料的重量％是相对于连续热塑性聚合物的总重量而言。
挤出热塑性聚合物泡沫体的孔可以是开孔或闭孔。挤出热塑性聚合物泡沫体可以是具有30％以下，20％以下，10％以下，5％以下以及甚至2％以下的平均开孔率的闭孔泡沫体。较低的开孔率抑制了空气从一个孔运动至另一个孔并且从而降低透过泡沫体的热导率。备选地，挤出热塑性聚合物泡沫体可以是具有大于30％，甚至50％以上的平均开孔率的开孔泡沫体。根据ASTM方法D6226-05测量平均开孔率。
挤出热塑性聚合物泡沫体可以具有一致的开孔率或渐变的开孔率。例如，为将空腔冷成形至泡沫体中适宜的是具有渐变的开孔率，带有从形成空腔的表面上的较大开孔率延伸至与形成空腔的表面相反的表面附近的较低开孔率的梯度。适宜的是在经历最大压缩的表面附近具有更高的开孔度以使得气体压力能够散逸至邻近的孔，否则在压缩过程中将积累在孔中。同时，邻近与被压缩的一侧相反的一侧具有更高的闭孔度是适宜的，以获得比用开孔可以获得的更好的阻隔性(例如，蒸汽阻隔特性)和强度。在开孔率上具有如所述的梯度使得泡沫体能够在促进压缩模塑空腔的同时在相反表面提供最优化的阻隔性和强度以保护空腔内含物(例如，VIP)。
挤出热塑性聚合物泡沫体的平均泡孔大小适宜地小于1毫米(mm)，优选500微米以下，更优选250微米以下，再更优选150微米以下并且可以是100微米以下。更小的泡孔大小是适宜的以便最优化隔热性。典型地，孔具有10微米以上的平均泡孔大小。根据ASTM D-3576-98测定平均泡孔大小。
发泡剂的孔可以含有发泡剂。适宜地，孔没有氯代发泡剂并且更适宜地没有卤代发泡剂。
挤出热塑性聚合物泡沫体的平均密度适宜地为48千克/立方米(kg/m3)以下，优选40kg/m3以下，更优选35kg/m3以下并且再更优选32kg/m3以下。较低密度的泡沫体典型地具有比较高密度的泡沫体更低的热导率。典型地，挤出热塑性聚合物泡沫体具有16kg/m3以上的平均密度以便在处理过程中拥有结构完整性并且保护气凝胶材料。根据ASTM D1622-08(硬质多孔塑料表观密度的标准测试方法)测量平均密度。
该泡沫体可以具有渐变的密度，当将空腔冷成形至泡沫体中时这是适宜的。例如，适宜的是具有渐变密度以将空腔冷成形至泡沫体中，这里梯度从其中形成空腔的表面附近的较低密度延伸至与其中形成空腔的表面相反的表面附近的较高密度。适宜地具有经历压缩的表面附近的较低密度以促进压缩过程中泡沫体孔壁的局部变形和破裂。低密度泡沫体具有较小的壁质量，且具有较小的壁强度。因此，更容易压缩低密度泡沫体。适宜的是同时在与压缩的一侧相反的一侧附近具有更高密度的泡沫体以获得泡沫体的表面与空腔之间的最大强度和阻隔性，以便最优化对空腔内含物(例如，空腔中的VIP)的保护。密度上的梯度使得能够同时最优化一侧的压缩和相反侧的强度两者。
适宜地，挤出热塑性聚合物泡沫体根据EN-826具有100千帕(kPa)以上的抗压强度以及2兆帕(MPa)以上的模量。较高的抗压强度和模量是适宜的以提供气凝胶材料的更大保护。
适宜地，挤出热塑性聚合物泡沫体的水蒸汽渗透性小于10纳克/米*秒*帕斯卡(ng/m*s*Pa)，优选小于5ng/m*s*Pa并且最优选小于3ng/m*s*Pa。根据EN12086测量水蒸汽渗透性。
挤出热塑性聚合物泡沫体限定至少一个空腔并且可以限定多个空腔。空腔是在挤出热塑性聚合物泡沫体内的凹坑，其中可以容纳另一个物体。一个空腔或多个空腔可以具有在挤出热塑性聚合物泡沫体内配合的任何大小的尺寸。典型地，空腔是在挤出热塑性聚合物泡沫体的主表面中的凹坑，但是也可以是在其他表面或表面的组合中的凹坑。备选地，空腔可以是只在泡沫体的主表面中的凹坑。空腔可以是形成于挤出热塑性聚合物泡沫体中的凹坑或者通过组合挤出热塑性聚合物泡沫体元件以限定空腔所限定的空隙(例如，在泡沫体表面上将泡沫体壁以使得在壁内限定空腔的方式胶粘在一起)。限定了一个以上空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体元件可以是单一的挤出热塑性聚合物泡沫体或者多个挤出热塑性聚合物泡沫体的组合，其中多个挤出热塑性聚合物泡沫体在组成上可以是相同的或不同的。例如，可以将挤出聚烯烃泡沫体壁粘贴至挤出聚烯基芳族聚合物泡沫体以建立限定了一个以上空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体。
本发明的制品还包含气凝胶材料。归因于穿过气凝胶极其低的热导率，气凝胶材料是适宜的。气凝胶材料位于挤出热塑性聚合物泡沫体的空腔内。在本发明的制品中可以存在多于一种的气凝胶材料。多于一种的气凝胶材料可以位于单个空腔中。挤出热塑性聚合物泡沫体的多个空腔可以含有气凝胶材料。在气凝胶材料的基础上或者代替气凝胶材料，任何单个空腔也可以含有一种或多于一种另外的材料，包括一种或多于一种的另外的隔热材料，条件是至少一个空腔含有气凝胶材料。一类适宜的另外的材料是反射性材料如金属箔或反射性涂层，它进一步降低通过最终制品的热导率。
适宜地，气凝胶材料完全位于空腔内，意味着可以将隔热材料置于空腔上并与挤出热塑性聚合物泡沫体的表面接触，其中该空腔位于含有气凝胶材料的空腔的周围。当气凝胶材料完全位于挤出热塑性聚合物泡沫体的空腔内时，尤其是当将气凝胶材料完全封闭在挤出热塑性聚合物泡沫体内时，挤出热塑性聚合物泡沫体提供气凝胶材料的最优保护。对于任何位于具有气凝胶材料的空腔内的另外的材料(尤其是任何另外的隔热材料)同样适宜的是完全位于空腔内，优选完全由挤出热塑性聚合物泡沫体封闭。
可以将气凝胶材料封闭在它所位于其中的空腔内，适宜地由挤出热塑性聚合物泡沫体封闭。例如，适宜地用至少5毫米(mm)，优选至少10mm，更优选至少15mm的挤出热塑性聚合物泡沫体封闭(与制品外部隔离)气凝胶材料以便提供对气凝胶材料的最优化保护。
合适的气凝胶材料包括以下各项的任意一种或多于一种的组合：二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锌气凝胶、碳气凝胶和/或有机气凝胶(例如间苯二酚甲醛气凝胶)。合适的气凝胶可以是任意形式，包括粒料(如，NanogelTM材料，Nanogel是Cabot Corporation的商标)或纤维毯(例如，SpaceloftTM和CryogelTM牌材料，Spaceloft和Cryogel是Aspen Aerogels，Inc.的商标)。
用于作为另外的材料使用的合适的金属箔包括铝、金、银和铜箔以及塑料膜上的金属涂层(换言之，敷以金属的塑料膜)。该箔典型地具有1至100微米的厚度。敷以金属的膜可以具有10至1500微米的范围内的厚度。
在一个适宜的实施方案中，气凝胶材料完全被封闭以提供气凝胶材料最优保护。存在数种用于具有含有位于其中的气凝胶材料的空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体的结构，其中气凝胶材料被封闭在空腔内并且它们全落在本发明的最宽范围内。
在本发明的范围内的是挤出热塑性聚合物泡沫体限定或具有附于其上的覆盖空腔的盖(flap)或铰合部分。在一个位置铰合部分或盖露出空腔并且在另一个位置铰合部分或盖覆盖空腔，以及位于空腔内的任何东西。可以通过粘合剂或其他紧固件的使用将这种铰合部分或盖密封在空腔上。
在一个适宜的实施方案中，本发明的制品包含封闭挤出热塑性聚合物泡沫体中的至少一个空腔，优选所有空腔的配套部件。配套部件在组成和/或性质上与挤出热塑性聚合物泡沫体可以是相同的或不同的。例如，配套部件可以是与限定空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体相同组成的挤出热塑性聚合物泡沫体。图1提供了包含配套部件的本发明的挤出聚合物泡沫体的示例。图1(a)示例了具有主表面15和空腔20的挤出热塑性聚合物泡沫体10。图1(b)示例了以沿图1(a)中的视线X所取截面看的挤出热塑性聚合物泡沫体10和空腔20。图1(c)示例了如图1(b)中挤出热塑性聚合物泡沫体10的截面视图以及配套部件30的横截面视图。配套部件30具有尺寸与挤出热塑性聚合物泡沫体10相同的主表面35。凸起40适合于空腔20以将它们密封。图1(d)示例了包括按使得配套部件30密封空腔20配置的配套部件30的挤出泡沫体20的横截面视图。空腔20的任意一个或多于一个的任意组合可以含有气凝胶材料以形成本发明的制品。
在本发明的实施方案中，可以将气凝胶在放入空腔中之前用另一种材料封闭。例如，适宜地包含在金属或聚合物封闭件内封闭的气凝胶。
本发明的制品适宜地提供比单独的挤出热塑性聚合物泡沫体或气凝胶或金属膜的任一种更好的耐久性和隔热性组合。本发明的制品的热导率适宜地为35毫瓦/米*开尔文(mW/m*K)以下，优选32mW/m*K以下，再更优选29mW/m*K以下。
本发明的制品可以具有带特定外形或形状的边缘。例如，制品的相反边缘可以具有配套的榫和沟形状或相对搭接而以配套方式协调定位彼此相邻的多个制品。边缘的压型可以通过例如机加工或模塑完成，并且可以在限定空腔和/或将气凝胶材料引入至制品的空腔内之前或之后完成。
该制品可以具有平面表面或带轮廓的表面。在一个实施方案中，该制品具有限定了在至少一个尺寸，典型地长度尺寸延伸的沟的主表面。在以下应用中沟是适宜的：例如，涂覆材料(例如，灰砂或水泥)将要被涂布在制品上，因为涂覆材料可以渗入至沟中并且获得对该制品更高的机械附着。
通常，通过以下方式制备本发明的制品：提供限定了至少一个空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体，提供气凝胶材料并且将气凝胶材料嵌入至由挤出热塑性聚合物泡沫体所限定的空腔内。
以任意方式制备挤出热塑性聚合物泡沫体。通常通过首先在挤出机中成形软化的聚合物组合物制造挤出热塑性聚合物泡沫体。聚合物组合物具有带软化温度的连续热塑性聚合物相。热塑性聚合物与上面对于挤出热塑性聚合物泡沫体所描述的热塑性聚合物相同。通过将聚合物组合物加热至高于其软化温度(对于无定形聚合物为玻璃化转变温度，对于半结晶聚合物是熔化温度，并且如果是热塑性聚合物的共混物，由聚合物组合物中连续热塑性聚合物表现的最高玻璃化转变温度或熔化温度)的温度制造软化的聚合物组合物。如果尚不存在发泡剂，将发泡剂在足够高以防止聚合物组合物的发泡的初始压力下引入至软化的聚合物组合物，以便形成可发泡聚合物组合物。通常适宜的是将可发泡聚合物组合物冷却至发泡温度，所述发泡温度仍然高于聚合物组合物的软化温度，并且之后将可发泡聚合物组合物挤出至具有低于初始压力的压力和低于发泡温度的温度下的环境中。使可发泡聚合物组合物发泡为挤出热塑性聚合物泡沫体。
用于制造挤出热塑性聚合物泡沫体的合适的发泡剂包括以下各项的任意一种或多于一种的组合：无机气体如二氧化碳、氩、氮和空气；有机发泡剂如水、具有1至9个碳的脂族和环烃类，包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、环丁烷和环戊烷；具有1至5个碳的完全和部分卤代的烷烃和烯烃，其优选无氯(例如，二氟甲烷(HFC-32)、全氟甲烷、乙基氟(HFC-161)、1，1-二氟乙烷(HFC-152a)、1，1，1-三氟乙烷(HFC-143a)、1，1，2，2-四氟乙烷(HFC-134)、1，1，1，2四氟乙烷(HFC-134a)、五氟乙烷(HFC-125)、全氟乙烷、2，2-二氟丙烷(HFC-272fb)、1，1，1-三氟丙烷(HFC-263fb)、1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷(HFC-227ea)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(HFC-245fa)和1，1，1，3，3-五氟丁烷(HFC-365mfc))；完全和部分卤代的聚合物和共聚物，适宜的氟代聚合物和共聚物，甚至更优选无氯的氟代聚合物和共聚物；具有1至5个碳的脂族醇，如甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇；含羰基化合物如丙酮、2-丁酮和乙醛；含醚化合物如二甲醚、二乙醚、甲乙醚；羧酸酯化合物如甲酸甲酯，乙酸甲酯，乙酸乙酯；羧酸和化学发泡剂如偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、苯磺酰肼、4，4-羟基苯磺酰氨基脲、对甲苯磺酰氨基脲、偶氮二甲酸钡、N，N′-二甲基-N，N′-二亚硝基对苯二甲酰胺、三肼基三嗪和碳酸氢钠。在适宜的实施方案中，发泡剂没有氯代发泡剂并且更优选没有卤代发泡剂。卤代发泡剂，尤其是氯代发泡剂具有在环境上有不合乎需要的影响的污名。因此，因为是更加环境可接受的，没有氯代或卤代发泡剂的发泡剂是适宜的。
为形成具有低于大气压的孔压的孔的聚合物泡沫体，二氧化碳作为发泡剂或者多种发泡剂之一的使用是适宜的。二氧化碳从聚合物泡沫体逸出比空气渗入聚合物泡沫体孔中更迅速。作为结果，用二氧化碳发泡的泡沫体孔在二氧化碳逸出之后并且直至空气可以渗入之前具有低于大气压力的压力。
挤出热塑性聚合物泡沫体限定了至少一个空腔。以任何可以想象的方式限定挤出热塑性聚合物泡沫体中的空腔。限定空腔的合适方式包括布线(routing)、将多个挤出泡沫体组件以限定一个以上空腔的方式装配在一起，以及通过压缩冷成形和/或热成形以形成一个或多于一个凹坑。如关于本发明制品对于挤出热塑性聚合物泡沫体描述过的，在本发明的范围内的是将多个挤出热塑性聚合物泡沫体元件组合在一起以限定一个或多于一个空腔。挤出热塑性聚合物泡沫体元件可以具有相同的组成和性质或不同的组成和/或性质。引入空腔的另一个方法是在挤出热塑性聚合物泡沫体中形成切口以建立泡沫体盖，并且之后移除盖之下的一部分的挤出热塑性聚合物泡沫体。之后盖可以充当密封空腔及其内含物的覆盖物。
挤出热塑性聚合物泡沫体可以在任意表面中限定空腔，但是典型地在挤出热塑性聚合物泡沫体的主表面中限定一个以上空腔。一个空腔或多个空腔可以具有挤出热塑性聚合物泡沫体的尺寸之内的任意尺寸或形状。典型地，一个空腔(或多个空腔)具有超过10个，甚至超过100个孔大小的尺寸。为了更清楚，在本文术语的使用中泡沫体的孔不是由泡沫体所限定的“空腔”而是由聚合物基体所限定以将聚合物基体变换为泡沫体。由泡沫体所限定的空腔是由多孔的聚合物基体所限定的，所述多孔的聚合物基体必要地包含泡沫体孔。
用于在聚合物泡沫体中限定一个或多个空腔的一个特别适宜的方法是通过使用冷成形方法。美国专利申请US2009/0062410A1(通过引用以其全部内容加入本文)提供了冷成形方法的一般描述。通常，将空腔通过以下冷成形引入至聚合物泡沫体中：通过将模具凸出部压入聚合物泡沫体制品中从而通过凸出部压缩聚合物泡沫体制品的一部分以建立空腔。在低于聚合物泡沫体的软化温度的温度下进行压制和压缩，典型地在或接近环境温度(大约25℃)，因此称为“冷”成形。
冷成形提供本发明的特别适宜的制品，因为压缩聚合物泡沫体制品以形成空腔使空腔和泡沫体的与在其中压制空腔的泡沫体表面相反的外表面之间的部分密度加大。密度加大的部分有益地具有比周围未压缩的泡沫体更高的耐久性并且从而对位于最终制品的空腔内的气凝胶材料提供针对从泡沫体外侧施加的力的改善的保护。泡沫体的密度加大部分具有比泡沫体平均密度更高的密度。
对于冷成形空腔，理想的是使用具有以下特征的任意一个，任意两个、三个的组合或者具有全部四个的挤出热塑性聚合物泡沫体：(a)孔压(泡沫体的孔内的压力)低于一个大气压，优选0.75个大气压以下；(b)邻近由模具压印以形成空腔的表面(换言之，“压印表面”)的开孔率比与压印表面相反的表面附近的开孔率高，优选具有渐变的开孔率；(c)压印表面附近的密度低于与压印表面相反的表面附近的密度，优选具有渐变密度；以及(d)各向异性压缩平衡：压缩尺寸上的压缩平衡高于垂直于压缩的尺寸的压缩平衡。第一个特征(孔压)有助于在不压裂泡沫体压缩部分周围的泡沫体的情况下压缩。(b)和(c)的益处在讨论挤出聚合泡沫体性质中在上面已经给出。(d)的益处是它促进在冷成形压缩过程中孔壁的塑性-弹性变形。
提供气凝胶材料并且将气凝胶材料嵌入至由挤出热塑性聚合物泡沫体所限定的空腔中。可以接受的是将多于一种的气凝胶材料嵌入至单个空腔中，包括多于一种类型的气凝胶材料(例如，金属箔和气凝胶或两种不同类型的气凝胶材料的组合)。如果挤出聚合泡沫体限定了多于一个空腔，同样可以接受的是将气凝胶材料嵌入至多于一个空腔中。
本发明的制品尤其可以作为隔热材料使用。使用本制品的一种方法是提供该制品并且之后将该制品作为隔离物放置在两个不同区域之间。例如，将本发明的制品设置在建筑结构体的墙上以将结构体的内侧与结构体的外侧隔热。作为另一个实例，将本发明的制品作为容器周围的壁设置以将容器内侧与容器的外侧隔热。
实施例
以下实施例用于进一步说明本发明的特定实施方案。
提供挤出热塑性聚合物泡沫体板材(110mm厚，600mm宽，2200mm长)，所述挤出热塑性聚合物泡沫体板材具有低于大气压力的孔压，带有高垂直压缩平衡的各向异性压缩平衡，约19％的从芯至表面的密度梯度(芯具有比表面低19％的密度)以及开孔率梯度以使得芯具有比表面更高的开孔率。一种这样的泡沫体是新发泡的IMPAXXTM 300牌能量吸收泡沫体(IMPAXX是陶氏化学公司的商标)。该泡沫体具有35kg/m3的平均密度，并且根据ASTM D 1621，在23℃下具有10％压缩下345kPa的抗压强度，25％压缩下375kPa的抗压强度以及50％压缩下434kPa的抗压强度。经由板的厚度尺寸的中心纵向切割板材(平行于主表面)以建立两块具有大约55mm的厚度的泡沫体板材。切下的表面露出泡沫体的芯，它具有比未切割的相反表面更低的密度和更高的开孔率，并且作为泡沫体的压印表面。移除与切割表面(压印表面)相反的未切割表面的皮层至7mm的深度。使用Baumer研磨钢丝锯切割所得到的剥皮的泡沫体以制造具有305mm的长度和宽度以及53mm的厚度的聚合物泡沫体制品以制造冷成形泡沫体坯料。对于每个样品制造两个冷成形泡沫体坯料。
提供具有300mm乘200mm乘60mm厚的尺寸并且限定了16个59.12mm乘59.12mm，从基座伸出30mm的正方形凸起的空腔成型成形模具，凸起相等地分隔并且彼此隔开12.7mm间距。可以将这样的空腔成型成形模具制造为包含ABS的快速原型模具，如使用Maxum FusedDeposition Modeling工艺设计并建立的。
将空腔成型成形模具安装至Carver压塑机上的移动压板上。将冷成形泡沫体坯料放置在带有面对空腔成型成形模具的压印表面的压塑机的固定压板上。用环境温度(大约25℃)下的冷成形泡沫体坯料和空腔成型成形模具，将空腔成型成形模具用66.7千牛顿(kN)(15,000磅)的保持力以90％的泵速压缩至冷成形泡沫体坯料中，之后解除压缩并移出冷成形泡沫体坯料。冷成形泡沫体坯料具有16个等间隔空腔，对应于空腔成型成形模具上的16个凸起，所述空腔具有大约28mm的深度。所得到的冷成形泡沫体坯料充当空腔泡沫体并且具有类似于图1中的挤出泡沫体10的外观。
在第二冷成形泡沫体坯料上使用盖成形用成型模具代替空腔成型成形模具重复该过程。盖成形用成型模具具有16个具有59.08mm乘59.08mm乘10.02mm深的尺寸，彼此分隔12.74mm的正方形空腔，以便配合空腔成型成形模具凸起。将盖成形用成型模具使用Carver压塑机在66.7kN(15,000磅)的保持力下压向第二冷成形泡沫体坯料的压印表面以在冷成形泡沫体坯料中形成16个凸起，所述凸起在具有凸起轮廓的压缩表面上伸出大约9mm。所得到的冷成形泡沫体坯料用作盖泡沫体并且具有与图1的挤出泡沫体30相似的外观。
盖泡沫体与空腔泡沫体配合以使得盖泡沫体的凸起适合于并且密封空腔泡沫体的空腔以形成16个封闭的空腔，如图1中用挤出泡沫体10和30示例的。
比较例A。测量配有盖泡沫体但是不包含气凝胶的空腔泡沫体的热导率。配合挤出聚合泡沫体板以使得凸起伸入空腔中并且带有凸起的板密封空腔。
实施例1。重复比较例(Comp Ex)A，除了在将空腔泡沫体与盖泡沫体配合在一起之前在空腔泡沫体的每个空腔中嵌入气凝胶材料(SpaceloftTM-9251，Spaceloft是Aspen Aerogels的商标)至9毫米的厚度。最终制品中的气凝胶封闭在挤出热塑性聚合物泡沫体板材组合物内。
实施例2。重复实施例1但是在嵌入气凝胶后但将空腔泡沫体与盖泡沫体配合在一起之前在每个空腔中另外包含50微米厚铝箔层。
实施例3。重复实施例1，除了在每个空腔中将气凝胶材料嵌入至18毫米的厚度之外。
实施例4。重复实施例3但是在嵌入气凝胶后但将两个挤出聚合物板材配合在一起之前在每个空腔中另外包含50微米厚铝箔层。
根据ASTM C-578测量每个样品的热导率并且根据EN-826测量每个样品的压缩模量。表1包括了样品的结果。
表1
这些结果示例了本发明的数个方面。首先，在空腔中包含气凝胶相当显著地降低了挤出热塑性聚合物泡沫体制品的热导率并且降低至比实心挤出泡沫体或带有空的空腔的挤出泡沫体的值更低的值。在空腔中包含仅9毫米的气凝胶降低制品的热导率至33mW/m*K(实施例1)。在空腔中包含18mm的气凝胶降低制品的热导率至27mw/m*K(实施例2)。这两个热导率都低于或者带有或者不带有空腔的仅有泡沫体的热导率。
其次，包含有气凝胶的挤出热塑性聚合物泡沫体制品的抗压强度实际上增加了，这不仅是将气凝胶封闭在挤出热塑性聚合物泡沫体中的保护特征的证据，而且是该组合实际上增加了制品强度的证据。
第三，空腔内包含与气凝胶结合的50微米铝箔可以进一步降低通过泡沫体制品的热导率，甚至超过只含有气凝胶材料的泡沫体制品，尤其是对于较薄的气凝胶材料。
出于意料地，在不存在卤代发泡剂的情况下，实施例获得了低于35mW/m*K，甚至低于30mW/m*K的热导率值。
实施例全部示例了热导率上的显著下降，即使相对于限定空腔之前的实心挤出泡沫体(36mW/m*K)，同时保持了高出气凝胶材料的压缩模量(少于100kPa)很多的压缩模量。较高压缩模量的挤出热塑性聚合物泡沫体保护了本发明的制品中的较脆弱的气凝胶材料，同时气凝胶材料降低了通过该制品的热导率。
Claims (14)
1.一种被制造的制品，所述制品包含：
a.挤出热塑性聚合物泡沫体，所述挤出热塑性聚合物泡沫体具有热塑性聚合物基体，所述热塑性聚合物基体限定多个泡孔，所述挤出热塑性聚合物泡沫体限定至少一个空腔；以及
b.气凝胶材料，所述气凝胶材料位于所述挤出热塑性聚合物泡沫体的至少一个空腔内。
2.权利要求1所述的制品，其中所述挤出热塑性聚合物泡沫体不含卤代发泡剂，并且具有35毫瓦/米*开尔文以下的热导率。
3.权利要求1所述的制品，其中所述挤出热塑性聚合物泡沫体限定多个独立空腔，并且气凝胶材料位于多于一个的独立空腔内。
4.权利要求1所述的制品，其中所述气凝胶材料完全被封闭在挤出热塑性聚合物泡沫体内。
5.权利要求1所述的制品，其中所述挤出热塑性聚合物泡沫体的至少一个空腔包含气凝胶和另外的隔热材料两者。
6.权利要求1所述的制品，其中所述挤出热塑性聚合物泡沫体具有相反的第一和第二表面，其中至少一个空腔被限定在第一表面中，并且其中在所述空腔与所述第二表面之间的部分挤出热塑性聚合物泡沫体的密度高于所述挤出热塑性聚合物泡沫体的平均密度。
7.权利要求1所述的制品，其中所述气凝胶被封闭在金属或聚合物封闭件中，并且所述封闭件与气凝胶的组合位于空腔中。
8.一种用于制造权利要求1所述的制品的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供限定至少一个空腔的挤出热塑性聚合物泡沫体；(b)提供气凝胶材料；以及(c)将所述气凝胶材料嵌入至由所述挤出热塑性聚合物泡沫体限定的空腔中。
9.权利要求7所述的方法，其中步骤(a)包括在没有卤代发泡剂的情况下挤出所述聚合物泡沫体。
10.权利要求7所述的方法，其中所述聚合物泡沫体限定多个独立空腔，并且步骤(b)包括提供多种气凝胶材料，并且步骤(c)包括将气凝胶材料嵌入至所述聚合物泡沫体的多个独立空腔中。
11.权利要求7所述的方法，其中步骤(a)包括在所述挤出热塑性聚合物泡沫体中冷成形出至少一个空腔。
12.权利要求7所述的方法，所述方法还包括以下步骤(d)：使用挤出热塑性聚合物泡沫体将所述气凝胶材料封闭在所述空腔内。
13.权利要求7所述的方法，所述方法包括：将气凝胶材料和另外的隔热材料两者加入到所述挤出热塑性聚合物泡沫体的至少一个空腔内。
14.一种使用权利要求1所述的制品的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供权利要求1的制品；以及(b)将权利要求1所述的制品作为隔离物放置在两个不同的区域之间。
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