CN103649436B - 多层片材、制造方法、以及包括多层片材的制品 - Google Patents

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Abstract

一种多层片材可包括壁，其中，壁包括：第一壁；第二壁；以及横向壁，其中第一壁、第二壁、以及横向壁纵向延伸；以及在邻壁之间延伸的肋，其中由两个邻壁形成层；其中用纳米孔泡沫材料填充层；并且其中多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值。制造多层片材的方法可包括将上述多层片材与纳米孔泡沫材料共挤出；其中，在共挤出过程中用纳米孔泡沫材料填充层。

Description

多层片材、制造方法、以及包括多层片材的制品
技术领域
本公开通常涉及多层片材，并且更具体地涉及纳米孔泡沫材料位于多层片材的不同层中的多层片材以用于结构和热绝缘应用。
背景技术
在自然光结构的建筑(例如，温室、池围栏、暖房、运动场、日光浴室等)中，玻璃已经在很多应用中被用作透明的结构元件如窗户、饰面、和屋顶。然而，由于一些显著的益处，使得在很多应用中聚合物片材已经替代玻璃。
与玻璃相比，聚合物片材的一个益处是其表现出优异的抗冲击性。这进而降低其中遭受由人为破坏、冰雹、收缩/膨胀等造成的偶然破损的应用中的维修费用。聚合物片材的另一个益处是，与玻璃相比，重量明显降低。这使得聚合物片材比玻璃更容易安装，并降低了它们安装的结构的承重要求。
除了这些益处之外，聚合物片材的最重要的优势之一是，与玻璃相比，其提供改善的绝缘性能。该性能显著影响聚合物片材的整体市场接受性，因为消费者期望具有改善效率的结构元件以降低加热和/或冷却成本。因为给定的厚度，空气热导率达到饱和点，超过该饱和点，壁的数目增加不会降低热导率和透射率，所以难以设计低传热值(U)的多层片材。虽然聚合物片材的绝缘性能优于玻璃的绝缘性能，但是在聚合物片材中具有低热导率值、高刚度(即硬度)、和光透射是具有挑战性的。因此，存在对进一步改善的持续需求。
多层片材通常为了结构和热绝缘应用而设计。如所述，在工业中不断寻求多层片材应用的低热导率值。低热导率值的技术包括用位于片材表面上的绝缘材料将涂料应用到片材。然而涂料可能是昂贵的。当将特征添加至片材的表面以改变表面积时，表面构造也可以用于增加热导率值，其进而增加了片材的传导性。然而，此类步骤通过增加额外的制造步骤增加了多层片材的成本并增加了周期时间，从而降低了生产率。
在工业中，期望具有低热导率值而不增加成本、质量、或周期时间的多层片材。
发明内容
在各个实施方式中，公开了多层片材、用于制造多层片材的方法、以及包含多层片材的制品。
在一个实施方式中，多层片材包括：多个壁，其中，多个壁包括：第一壁；第二壁；以及横向壁，其中，第一壁、第二壁、和横向壁纵向延伸；以及在邻壁之间延伸的肋，其中，由两个邻壁形成层；其中用纳米孔泡沫材料填充层；并且其中多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值。
在另一个实施方式中，制造多层片材的方法包括：共挤出多层片材与纳米孔泡沫材料；其中，多层片材包括多个壁，其中多个壁包括：第一壁；第二壁；以及横向壁，其中第一壁、第二壁、以及横向壁纵向延伸；以及在邻壁之间延伸的肋，其中由两个邻壁形成层；并且其中在共挤出过程中用纳米孔泡沫材料填充层。
以下更具体地描述这些和其他非限制性特征。
附图说明
以下是附图的简要说明，其中相同的元件标号相同并且其是出于说明在本文中公开的示例性实施方式的目的示出的而并不是出于限制其的目的。
图1是多层片材的部分截面的正视图。
图2是用于形成纳米孔泡沫材料的方法的一个实施方式的图示。
图3是与存在的壁的数目相比并与包含纳米孔泡沫材料填充层的多层片材相比的多层片材的U值的图示。
具体实施方式
在各个实施方式中，本文公开了多层片材，其包括多个壁，其中多个壁包括第一壁、第二壁、以及横向壁，其中，第一壁、第二壁、以及横向壁纵向延伸；以及在邻壁之间延伸的肋。由多层片材的两个邻壁形成层并且两个邻壁之间的空隙填充有纳米孔泡沫材料，使得多层片材包括小于或等于1.00瓦特米/千克开(W.m/kg.K)的标准化热导率值。横向壁能够平行于第一壁和第二壁延伸，或能够基本上平行于第一壁和第二壁延伸(即不完全平行横跨第一壁和第二壁的整个长度但不交叉)，或能够与第一壁和第二壁纵向延伸。
借助于多层片材的层中的纳米孔泡沫材料能够实现多层片材的热绝缘性能的显著增加。固体片材(例如，包含聚碳酸酯)和多层片材通常能够用于结构和热绝缘应用中。对于设计用于结构应用(例如，屋顶、玻璃、以及类似的应用)的多层片材可期望具有足够的热和结构性能中。热性能和结构性能是多层片材的重要特征以相对气候控制降低能量消耗。向多层片材添加更多壁在降低热导率值(U值)上具有局限性。存在U值不受壁的添加的影响的点(即，通过壁的数目片材变成饱和并且壁的数目的进一步增加不会提高片材的热绝缘性能)。通常，U值越低，多层片材的热绝缘越高。
如上文讨论的，多层片材的多个壁可以形成层。例如，多层片材的任意两个壁(例如，第一壁和第二壁、第一壁和横向壁、横向壁和第二壁；第三壁和第四壁，等)可以形成层。在一些实施方式中，多层片材的每个层(即两个邻壁之间的空间)能够填充有纳米孔泡沫材料。在其他实施方式中，仅一些层填充有纳米孔泡沫材料。例如，在10层的多层片材中，第一层、第三层、第五层、第七层、和第九层可以填充有纳米孔泡沫材料。填充层任意组合(例如，第二、第三、第六、第七、和第九；第一、第二、第四、第五、第七、第八、和第十等)是可以的。承认存在用于填充多层片材的层的无数的可能性并能够根据具体最终用途和期望的最终产品的性能来选择。本文中公开的多层片材可包括会提供期望性能(例如，热绝缘)的任意数目的层。例如，层的数目可大于或等于2，尤其是大于或等于5，更尤其是大于或等于10，并且甚至更尤其是大于或等于12。
本文中也公开了制造多层片材的方法，其中，在处理多层片材过程中(例如，在共挤出工艺过程中)，用纳米孔泡沫材料填充多层片材的层或者其中生产多层片材并随后用纳米孔泡沫材料填充其中的层，其中单独生产纳米孔泡沫材料。从这种方法生产的多层片材或生产的且此后用纳米孔泡沫材料填充的位于其中的层的多层片材与具有未填充层(即层中为空气)的相同多层片材相比可以具有在热绝缘性能上具有大于或等于70％改善的U值。
纳米孔泡沫材料具有低于空气的热导率。用纳米孔泡沫材料填充多层片材的层降低了通过多层片材的热流，其也提高了多层片材的热绝缘性能。本文中所描述的多层片材的填充层通常是指将纳米孔泡沫材料填入多层片材的两个邻壁之间的空间中。例如，层可填有大于或等于50％的纳米孔泡沫材料，尤其是填有大于或等于75％的纳米孔泡沫材料，更尤其是填有大于或等于85％的纳米孔泡沫材料，甚至更尤其是填有大于或等于95％的纳米孔泡沫材料，还更尤其是填有大于或等于99％的纳米孔泡沫材料，并且甚至还更尤其是填有100％的纳米孔泡沫材料。
在一个实施方式中，生产多层片材(例如，挤出多层片材)并且此后用纳米孔泡沫材料填充层。在一个实施方式中，纳米孔泡沫材料是以颗粒或珠(例如，纳米尺寸的珠)的形式，其在形成多层片材后被加到多层片材的层中。当纳米孔泡沫材料是以小颗粒或珠的形式时，更容易促进层中纳米孔泡沫材料的整合。在另一个实施方式中，共挤出多层片材和纳米孔泡沫材料，并在共挤出过程中纳米孔泡沫材料填充多层片材的层。
在共同转让的美国专利号US 7,838,108 B2中描述了示例性纳米孔泡沫材料，其通过援引并入。例如，包括使聚合物与发泡剂接触的方法能够制备纳米孔泡沫材料，其中，聚合物包括具有10纳米至10毫米的平均粒径的颗粒。能够在挤出机中实施该方法。在不使用高压的情况下能够制备纳米孔泡沫材料，例如，通过使用低温来用发泡剂使聚合物颗粒饱和。在接触步骤过程中，发泡剂(例如，气体分子)扩散至聚合物以形成单一相(例如，“均相”)。挤出工艺可以在低温下如室温以下(例如，在约25℃以下)进行。在一个实施方式中，可取聚合物物料并在如0℃下用二氧化碳气体饱和，这导致形成均相。接着，将均相进料至具有模具的挤出机中以生产纳米孔泡沫材料。通常，本文中描述的“纳米”尺寸的包括从1纳米至小于1,000纳米测量的任何和所有尺寸。
如本文公开的，如应用至用于制备纳米孔泡沫材料的聚合物物料的术语“平均粒径”是指每一单位体积测量的颗粒的平均尺寸。粒径可以是10纳米至10毫米，尤其是10纳米至1毫米，并且更尤其是10纳米至100微米。在一个实施方式中，具有1微米平均粒径的聚合物可用于获得400纳米平均孔径的纳米孔泡沫材料。平均孔径是指泡沫孔的直径，其通常表示为频率/孔径分布图。在一个实施方式中，纳米孔泡沫材料具有25纳米至200纳米、尤其是50纳米至100纳米的平均孔径。
通过参考附图能够获得对本文中公开的要素、工艺、和装置的更全面的了解。这些图仅仅是基于方便和易于证明本公开的图示，因此不旨在表示相对尺寸和装置或其要素的大小和/或定义或限制示例性实施方式的范围。虽然为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但这些术语仅是指附图中用于示例而选择的实施方式的具体结构，并不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，应当理解的是，相同的数字标识是指具有相同功能的元素。
图1示出了五个壁的多层片材10，包括壁，其中壁包括第一壁14、第二壁16、横向壁20，以及在第一壁14和第二壁16之间延伸的肋18。第一壁14和第二壁16是多层片材10的最外面的壁。在一个实施方式中，横向壁20能够纵向延伸第一壁14和第二壁16的长度。在另一个实施方式中，横向壁20能够平行于第一壁14和第二壁16或，横向壁20能够基本平行于第一壁14和第二壁16(例如，不完全平行横跨第一壁14和第二壁16的整个长度，但并与第一壁14或第二壁16交叉，在处理过程中适应方位上微小的变化)。层26、28可由位于邻壁之间的空隙形成，例如，层26可由第一壁14和横向壁20形成，而层28可由横向壁20和第二壁16形成。同样位于空隙内的是分隔物22，其不平行且不垂直于壁和肋18。分隔物22在层26、28中形式空腔12。图1中还示出了多层片材的宽度(w)和多层片材的长度(1)。
在图1中示出的多层片材10中，多层片材10的各个层(26、28等)能够用如前所述的纳米孔泡沫材料填充，例如，以增加多层片材10的热导率。在图1中示出的实施方式中，层26可用纳米孔泡沫材料填充，或层28可用纳米孔泡沫材料填充，或者层26和层28都可用纳米孔泡沫材料填充。
层26、28中存在的空腔12的数目能够改变并且通常是会进一步提高热绝缘性能和/或结构完整性和/或多层片材10的其他期望性能的任何值。例如，层26、28中存在的空穴的数目可大于或等于2，尤其是大于或等于10，还更尤其是大于或等于15，并且甚至更尤其是大于或等于20。在一些实施方式中，多层片材10中空腔12的数目可以大于或等于75，更尤其是大于或等于100，并且甚至更尤其是大于或等于120。不受理论限制，认为在多层片材10中用纳米孔泡沫材料填充的层26、28的增加的数目为多层片材10提供低U值，从而增加多层片材10的热绝缘性能。
在用于生产纳米孔泡沫材料的方法的一个实施方式中，图2所示，采用具有期望粒径的聚合物物料140并在0℃下用二氧化碳气体饱和(参考数字150)，其导致“均相”160的形成。接着，将“均相”160进料至包括模具180的挤出机170以生产纳米孔泡沫材料190。
为了通过挤出技术生产纳米孔泡沫材料，期望从气体浸透的聚合物颗粒中形成“均相”材料采用的总时间和在聚合物处理器(例如，挤出机)中由“均相”材料花费的时间少于发泡剂扩散出聚合物颗粒所用的时间。总时间可以被认为是“停留时间”，其可以是发泡剂扩散出聚合物颗粒所用时间的0.5倍至0.9倍。
上述方法可以整批、半批、或连续的方式实现。连续法是可期望的，因为它们能够允许更好的工艺控制和生产具有相对更均匀和更高质量的纳米孔泡沫材料如，例如，具有小于或等于约标准偏差的一倍的平均孔径的窄孔径分布。在另一个实施方式中，本文中公开的聚合物泡沫具有小于或等于平均孔径的约10％的平均孔径标准偏差。之前已在本文中描述了术语“平均孔径”。
本文中公开的聚合物泡沫可以具有在一个实施方式中大于109单元/立方厘米，在另一个实施方式中是1012单元/立方厘米至1018单元/立方厘米，以及在又一个实施方式中是1015单元/立方厘米至1018单元/立方厘米的高单元密度。如本文中所公开，术语“单元”定义为构成泡沫的空腔(voidcavity)。单元可包括“敞开的单元结构”、“封闭的单元结构”、或其组合。“敞开的单元结构”被定义为在一侧或多侧敞开的空腔。敞开的单元结构可连接至其他敞开的或封闭的单元结构。“封闭的单元结构”被定义为没有开口的空腔。封闭的单元结构可以或可以不存在在纳米孔泡沫材料的表面上。如果存在，封闭单元的外层可形成泡沫表面的一部分。
本文公开的术语“发泡剂”被定义为用于使聚合物发泡的化学试剂。发泡剂(例如，起泡剂(blowing agent))可以是固体、液体、非超临界的、气体或超临界的发泡剂。可以使用的发泡剂包括无机试剂、有机试剂、和其他化学试剂。合适的无机起泡剂包括二氧化碳、氮气、氩气、水、空气、氮气、和惰性气体如氦气、氙气、和氩气。有机试剂包括具有1-9个碳原子的脂肪族烃、具有1-3个碳原子的脂肪族醇、以及具有1-4个碳原子的完全和部分卤化的脂肪族烃。脂肪族烃包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、以及包含至少一种上述项的组合。脂肪族醇包括甲醇、乙醇、正丙醇、和异丙醇。完全和部分卤化的脂肪族烃包括氟烃、氯烃、和氯氟烃。氟烃的实例包括甲基氟、全氟甲烷、乙基氟、1，1-二氟乙烷(HTC-152a)、1，1，1-三氟乙烷(HFC-143a)、1，1，1，2-四氟-乙烷(HFC-134a)、五氟乙烷、二氟甲烷、全氟乙烷、2，2-二氟丙烷、1，1，1-三氟丙烷、全氟丙烷、二氯丙烷、二氟丙烷、全氟丁烷、全氟环丁烷、以及包含至少一种上述项的组合。部分卤化的氯烃和氯氟烃包括氯甲烷、二氯甲烷、氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1-二氯-1-氟乙烷(HCFC-141b)、1-氯-1，1-二氟乙烷(HCFC-142b)、氯二氟甲烷(HCFC-22)、1，1-二氯-2，2，2-三氟乙烷(HCFC-123)、1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷(HCFC-124)、以及包含至少一种上述项的组合。完全卤化的氯氟烃包括三氯单氟甲烷(CFC-11)、二氯二氟甲烷(CFC-12)、三氯三氟乙烷(CFC-113)、1，1，1-三氟乙烷、五氟乙烷、二氯四氟乙烷(CFC-114)、氯七氟丙烷、以及二氯六氟丙烷。其他化学试剂包括偶氮甲酰胺、偶氮二异丁腈、苯磺酰肼(benzenesulfonhydrazide)、4，4-氧代苯磺酰基-氨基脲、对甲苯磺酰基氨基脲、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、以及至少一种上述项的组合。发泡剂可以包括一种或多种以上化学试剂。
在一个实施方式中，发泡剂可以是二氧化碳、空气、氮气、氩气、气态烃、以及包含至少一种上述项的组合。发泡剂可以是材料如固态二氧化碳、液态二氧化碳、气态二氧化碳、或超临界状态的二氧化碳、以及包含至少一种上述项的组合。
固态发泡技术可被应用至用于生产纳米孔泡沫材料的连续发泡法如本文中所描述的那些。在挤出机中聚合物可以处于流动状态，但模拟发泡法的物理学可用于控制纳米孔泡沫材料的成核密度和孔度分布。例如，物理起泡剂(例如，用与化学发泡剂相反的任意化学变化能够实现发泡的起泡剂，其通过化学反应生成发泡气体)的组合、表面张力改性剂、脉动压力的应用、以及温度淬火步骤可以用于，例如，将得到的纳米孔泡沫材料中的单元密度潜在提高至约十亿单元/立方厘米。在实施方式中，挤出机螺杆和模具可以这样的方式设计以便最大化挤出机中的压降以用发泡剂使聚合物物料饱和，例如，以最大化纳米孔泡沫材料中的单元密度。使聚合物物料饱和的可替换的方法也可以用于最大化得到的纳米孔泡沫材料中的单元密度。用于制备纳米孔泡沫材料和多层片材的聚合物物料能够由相同的或不同的聚合材料(如热塑性塑料和热塑性掺混物)形成。
可以用于形成纳米孔泡沫材料以及用于形成多层片材的可能的热塑性树脂包括但不限于低聚物、聚合物、离聚物、树枝状聚合物、共聚物如嵌段共聚物、接枝共聚物、星型嵌段共聚物、无规共聚物、以及包含至少一种上述项的组合。此类热塑性树脂的实例包括但不限于聚碳酸酯(例如，聚碳酸酯-聚丁二烯掺混物、聚碳酸酯掺混物、共聚酯聚碳酸酯)、聚苯乙烯(例如，聚碳酸酯和苯乙烯的共聚物)、聚酰亚胺(例如，聚醚酰亚胺)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯、聚苯醚-聚苯乙烯掺混物、聚甲基丙烯酸烷基酯(例如，聚甲基丙烯酸甲酯)、聚酯(例如，共聚酯、聚硫酯)、聚烯烃(例如，聚丙烯和聚乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯)、聚酰胺(例如，聚酰胺亚胺)、多芳基化合物、聚砜(例如，聚芳砜、芳砜纶(polysulfonamide))、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚醚(例如，聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚砜)、聚丙烯酸化物、聚缩醛、聚苯并噁唑(例如，聚苯并噻嗪并吩噻嗪(polybenzothiazinophenothiazine)、聚苯并噻唑)、聚噁二唑、聚吡嗪喹噁啉(polypyrazinoquinoxalines)、聚均苯四甲酰亚胺(polypyromellitimides)、聚喹喔啉、聚苯并咪唑、聚氧化吲哚(polyoxindoles)、聚氧代吲哚啉(polyoxoisoindolines)(例如，聚二氧代吲哚啉)、聚三嗪(polytriazines)、聚哒嗪、聚哌嗪、聚吡啶、聚哌啶、聚三唑、聚吡唑、聚吡咯烷、聚碳硼烷、聚氧杂二环壬烷、聚二苯并呋喃、聚苯酞、聚缩醛、聚酸酣、聚乙烯类(例如，聚乙烯醚、聚乙烯硫醚、聚乙烯醇、聚乙烯酮、聚乙烯卤化物、聚乙烯腈、聚乙烯酯、聚氯乙烯)、多磺酸盐、多硫化物、聚脲、聚磷腈、聚硅氮烷、聚硅氧烷、以及包含至少一种上述项的组合。
更具体地，用于形成纳米孔泡沫材料和形成多层片材的热塑性材料可包括但不限于聚碳酸酯树脂(例如，Lexan*树脂，从SABIC InnovativePlastics IP B.V.商业可获得)、聚苯醚-聚苯乙烯树脂(例如，Noryl*树脂，从SABIC Innovative Plastics IP B.V.商业可获得)、聚醚酰亚胺树脂(例如，Ultem*树脂，从SABIC Innovative Plastics IP B.V.商业可获得)、聚对苯二甲酸丁二酯-聚碳酸酯树脂(例如，Xenoy*树脂，商业上可购自SABICInnovative Plastics IP B.V.)、共聚酯碳酸酯树脂(例如，Lexan*SLX树脂，商业上可购自SABIC Innovative Plastics IP B.V.)，以及包含至少一种上述树脂的组合。甚至更具体地，热塑性树脂可包括但不限于聚碳酸酯的均聚物和共聚物、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、或包含至少一种上述树脂的组合。聚碳酸酯可包括聚碳酸酯的共聚物(例如，聚碳酸酯-聚硅氧烷如聚碳酸酯-聚硅氧烷嵌段共聚物)、线型聚碳酸酯、支链聚碳酸酯、封端的聚碳酸酯(例如，腈封端的聚碳酸酯)、以及包含至少一种上述项的组合如支链和线型聚碳酸酯的组合。
在其他实施方式中，用于形成纳米孔泡沫材料和形成多层片材的热塑性材料可包括但不限于丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚烯烃、聚酯、聚氯乙烯、或包含至少一种上述项的组合。可用于形成纳米孔泡沫材料或多层片材的半结晶热塑性聚合物的非限制性实例包括聚对苯二甲酸丁二酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、邻苯二甲酰胺(PPA)、聚醚酮酮(PEKK)、以及高温尼龙。
如果期望，用于形成纳米孔泡沫材料和形成多层片材的热塑性材料还可包含热固聚合物。热固聚合物的实例是聚氨基甲酸酯、天然橡胶、合成橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、硅酮等、以及包含至少一种上述项的组合。
用于形成多层片材的纳米孔泡沫材料和树脂可包含通常混入这种类型的聚合物组合物的各种添加剂，条件是选择添加剂以便不显著不利地影响期望的片材的性能，尤其是热绝缘性能。可在混合用于形成纳米孔泡沫材料或多层片材的组分期间在合适的时间混合此类添加剂。示例性添加剂包括抗冲击改性剂、填充剂、增强剂、抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外(UV)光稳定剂、增塑剂、滑润剂、脱模剂、抗静电剂、着色剂(如炭黑和有机染料)、表面效应添加剂(surface effect additives)、抗臭氧剂、热稳定剂、抗腐蚀添加剂、流动性促进剂(flow promoters)、颜料、燃料辐射稳定剂(例如，红外线吸收)、阻燃剂、和抗滴落剂。可以使用添加剂的组合，例如，热稳定剂、脱模剂、和紫外光稳定剂的组合。通常，以通常已知有效的量使用添加剂。基于多层片材的组合物的总重量，或基于纳米孔泡沫材料的组合物的总重量，添加剂的总量(而不是任何抗冲击改性剂、填充剂、或增强剂)通常为0.001wt％至5wt％。
热塑性聚合物通常与任何其他期望的添加剂一起进料至挤出机的喉部。添加剂也可以母料形式进料至挤出机。通过熔融掺混聚合物进料和其他期望的添加剂可生产进料，然后使用如单和双螺杆挤出机、巴斯捏合机、辊式研磨机、韦林氏搅切器、亨舍尔混合机、螺线管(helicones)、班布里混炼机等装置，或上述熔融掺混装置的至少一种的组合在一步中形成。可共挤出纳米孔泡沫材料和多层片材以形成填充有纳米孔泡沫材料的多层片材。
除了传导率，可选择聚合材料以表现出足够的抗冲击性，使得片材能够抵抗由冲击(例如，冰雹、禽类、石头等)造成的破损(例如，破裂、断裂等)。因此，表现出大于或等于约7.5英尺-磅/平方英寸，ft-lb/in2(4.00焦/平方厘米，J/cm2)，或更尤其是大于约10.0ft-lb/in2(5.34J/cm2)或者甚至更尤其是大于或等于约12.5ft-lb/in2(6.67J/cm2)冲击强度的聚合物是期望的，如根据ASTM D-256-93(Izod缺口冲击试验)所测试。此外，期望地，聚合物具有足够的刚性以允许生产可以用于下述应用的片材，其中通常在片材的两侧或更多侧上支撑和/或夹紧片材(例如，在所有四侧上夹紧)，如在包括钢管框架结构的温室应用中。将本文中足够的刚性定义为聚合物的杨氏模量(例如，弹性模量)大于或等于约1x109N/m2，更尤其为1x109至20x109N/m2，和仍更尤其为2x109至10x109N/m2。
纳米孔泡沫材料包括小于或等于0.060W/m·K、尤其是小于或等于0.025W/m·K、更尤其是小于或等于0.010W/m·K，并且甚至更尤其是小于或等于0.001W/m·K的热导率。纳米孔泡沫材料可具有一个或多个期望的性能，包括但不限于光学透明性(例如，10％至90％光透过)，以及低重量下的优良结构、热性能、和电性能。纳米孔泡沫材料可具有10纳米至500纳米的平均孔径。
热导率表征按瓦特/平方米开(W/m2K)测量的通过窗用玻璃或多层片材的中心部分的热传递。更具体地，U值是在片材的两侧之间的温度差下通过一平方米多层片材的热能的量，并通常称为热绝缘或热导率。U值可根据国际标准化机构(ISO)测试号10077-2：2003(E)计算，其中片材两侧之间的温差为20开(K)。U值或热导率通过下式(I)计算：
1 U = 1 h i + t k + 1 h e - - - ( I )
其中，he是外部传热系数，hi是内部传热系数，t是材料厚度，以及k是热导率。使用符合EN ISO 10211-1：1995(E)的二维传热分析进行数值热计算。数值热计算也可使用用于2D和/或3D模型的标准有限元法进行。为了该计算的目的，假定测试区域中的主热流与平行于外表面和内表面的平面垂直。还假定根据ISO 10077-2：2003(E)临接空腔的表面的发射率为0.9。
多层片材的热导率(U)是表征通过片材中心部分的热传递和的传热速率的稳态密度/各侧上环境温度之间的温差的值。以W/m2K计的外部传热系数he，是多层片材附近风速v的函数，其由下式(II)给出：
he10.0+4.1v.(II)
为了比较窗用U值的目的使用24W/m2K的he值。以W/m2K计的内部传热系数he，是窗用玻璃附近的风速v的函数，其由下式(III)给出：
hi＝hr+hc。 (III)
在该式中，hr是辐射电导(radiation conductance)，以及hc是对流电导(convective conductance)。对于常规的垂直玻璃表面和自由对流，hi＝4.4+3.3＝7.7W/m2K。为了比较多层片材U值的目的，将该值标准化。外部传热系数和内部传热系数都使用ISO 10292：1994(E)计算。
空腔中的热流率由当量热导率λeq表示。该当量热导率包括通过传导、对流、和辐射的热流，并且也取决于空腔的几何结构和任何相邻的材料。对于不通风的空腔，当量热导率由以下式(IV)给出：
λeq＝d/Rs， (IV)
其中，Rs，对流传热系数由下式(V)表示：
Rs＝1/(ha+hr) (V)
并且ha，辐射电导由下式(VI)表示：
ha最大值{C1/d；C2ΔT1/3}， (VI)
其中，d是在热流方向上空腔的尺寸，C1是等于0.0235W/m.K的常数，且C2是等于0.71W/m2K4/3的常数。如果不可获得表面的发射率和其它信息，则ε1等于ε2且两者都如上所述等于0.9。T是温度且等于283K，且为对流电导的hr由下式(VII)表示：
hr＝C4(1+(√1+(d/b)2)-d/b)， (VII)
其中，C4是等于2.11W/m2K的常数。
片材的当量密度(equivalent density)(以千克/立方米(kg/m3)测量)是比较各种多层片材的一种方法(例如，用于比较具有不同重量和尺度的片材)。当量密度通过片材的每单元表面积重量除以片材厚度计算。在本文中公开的多层片材可以具有标准化的热U值(以瓦特米/千克开(W·m/kg·K)测量)，其等于U值除以片材的当量密度乘以100。标准化的U值可以用来比较多层片材的性能，与厚度、形状、或构造无关。
对于给定重量的材料，用于给定片材的热导率值(U)受存在于片材中壁的数目的饱和点的限制。空气在室温(例如，约25℃)和大气压力下具有约0.025W/m·K的热导率值。可能难以达到接近或小于空气的热导率值，因为在一定数量的壁下，多层片材变得饱和，且添加的任何额外数量的壁将不会进一步减小热导率值。
在本文中所公开的多层片材能够具有小于或等于1.0W/m·K、尤其是小于或等于0.80W/m·K、更尤其是小于或等于0.75W/m·K、还更尤其是小于或等于0.70W/m·K、并且甚至更尤其是小于或等于0.68W/m·K的标准化线性热导率值。在本文中公开的具有填充有纳米孔泡沫材料的层的多层片材能够具有小于或等于相同的多层片材(没有纳米孔泡沫材料)的50％、尤其是小于或等于相同的多层片材(没有纳米孔泡沫材料)的60％、更尤其是小于或等于相同的多层片材(没有纳米孔泡沫材料)的65％、并且甚至更尤其是小于或等于相同的多层片材(没有纳米孔泡沫材料)的70％的标准化线性热导率值。
多层片材的总厚度(t)通常小于或等于100毫米(mm)，更尤其是小于或等于55mm，仍更尤其是小于或等于32mm，但通常大于或等于6mm。在一个实施方式中，多层片材具有16mm的厚度。在另一个实施方式中，多层片材具有10mm的厚度。
多层片材可包括能够为预期用途(例如，作为屋顶、压片、或类似的产品)提供足够的空间区域范围的长度(1)(参见图1)。例如，多层片材的长度通常可小于或等于2000mm，更尤其是小于或等于1800mm，还更尤其是小于或等于1250mm，但通常大于或等于400mm。在一个实施方式中，多层片材具有1000mm的宽度。
多层片材可包括能够为预期用途(例如，作为屋顶、压片产品、或类似的产品)提供足够刚性的宽度(w)(参见图1)。例如，多层片材的宽度通常可以小于或等于100mm，更尤其是小于或等于55mm，还更尤其是小于或等于32mm，但通常大于或等于6mm。在一个实施方式中，多层片材具有16mm的宽度，当装配时，多层片材可以暴露于由雪、风、雨、冰雹等引起的各种力中。期望片材能够承受这些力而不损坏(例如，弯折、破裂、弯曲等)。可以选择多层片材的具体尺寸使得多层片材能够承受这些力。
制造多层片材的方法可包括将多层片材与纳米孔泡沫材料共挤出使得当形成片材时纳米孔泡沫材料填充多层片材的层(例如，层和空腔形成以及发泡同时完成)。共挤出工艺将熔融聚合物流(例如，热塑性聚合物)与气体饱和的聚合物(例如，纳米孔泡沫材料)合并。此工艺能够导致非均匀的泡沫结构和片状结构上的改变，因此用于生产纳米孔泡沫材料的工艺参数应当在用于生产多层片材的挤出工艺参数的10％内。在另一个实施方式中，公开了多步法，其中，单独生产多层片材和纳米孔泡沫材料。在随后的步骤中，然后用纳米孔泡沫填充多层片材的层以形成完整物品。
在生产多层片材并且随后用纳米孔泡沫材料(可选地以小颗粒或珠的形式)填充层的实施方式中，如果作为整体结构生产，则多层片材可由其他聚合物加工方法形成如挤出或注入成型。与非连续操作(如注入成型)相比，连续生产法(如挤出)通常提供改善的操作效率和更大的生产率。特别地，可使用单螺杆挤出机来挤出聚合物熔体(例如，聚碳酸酯如Lexan*，商业上可购自SABIC Innovative Plastics)。将聚合物熔体和纳米孔泡沫材料进料至轮廓模具(profile die)中，该轮廓模具能够形成具有期望多层片材的横截面的挤出物。挤出的多层片材移动通过定型设备(例如，包含定型模具的真空熔池)，然后将其冷却至低于其玻璃化转变温度(例如，对于聚碳酸酯，约297°F(147℃))。
在片材已经冷却后，可利用挤出切割器(如分度在线锯(indexingin-line saw))将其切割成期望的长度。一旦切割，可以使多层片材在包装前经受二级操作。示例性的二级操作可包括退火、印刷、紧固部件的连接、修整、进一步组装操作、和/或任何其它期望的工艺。挤出机的尺寸(如通过挤出机螺杆的直径所测量)是基于期望的生产率，并由挤出机的体积生产率和板材的截面积计算。可以规定冷却设备的尺寸(例如，长度)以在不给予浊度的情况下以快速的方式从挤出物中移除热量。
当聚合物(例如，聚碳酸酯)快速冷却时，可以给予浊度。因此，冷却设备能够在较暖的温度(例如，大于或等于约100°F(39℃))，或更尤其是大于或等于125°F(52℃)，而非较冷的温度(例如，低于100°F(39℃)，或更尤其是小于或等于约75°F(24℃))操作以减小起雾。如果使用较暖的温度，可以增加熔池的长度以允许充足的时间来将挤出物的温度降低至低于其玻璃化转变温度。挤出机的尺寸、冷却设备的冷却能力、以及切割操作可以以大于或等于约5英尺/分钟的速率生产多层片材10。然而，如果该速率能够生产包括期望品质的表面特征，可以实现大于约10英尺/分钟，或甚至大于约15英尺/分钟的生产率。
如所述，也可采用共挤出法用于生产多层片材。可采用共挤出以将不同的聚合物提供至多层片材的几何结构的任何部分以改善和/或改变板材的性能和/或降低原料的成本。在一个实施方式中，在多层片材被挤出时，可采用共挤出工艺使用纳米孔泡沫材料填充层。在挤出时越过多层片材长度(例如，横跨每个层)的压力应当平衡以使壁能够承受引入纳米孔泡沫材料时施加的力。任选地，在纳米孔泡沫材料正共挤出时可以将气体(例如，空气)吹入多层片材以有助于防止多层片材的壁在引入纳米孔泡沫材料时崩塌。本领域技术人员将容易理解该方法的通用性和其中在生产多层片材时可以使用共挤出的各种应用。
通过以下非限制性实施例进一步说明多层片材。除非另外具体陈述，否则所有的以下实施例是基于模拟的。
实施例
实施例1
比较具有纳米孔泡沫填充层的多层片材与没有填充层的相同多层片材(例如，相同的长度、宽度、和厚度、用于多层片材的相同材料)。多层片材是聚碳酸酯并使用基于聚碳酸酯的纳米孔泡沫材料。为了计算U值，使用模拟软件并根据ISO 10077-2：2003对多层片材进行数值测试。在测试中使用的边界条件是25W/m2K的外部传热系数he、7.7W/m2K的内部传热系数hi，以及片材的20K的温差。表1示出了从测试样品获得的结果。比较样品1至5(C1至C5)是具有空层(例如，填充有空气)的多层片材，而样品1包括5个壁的多层片材，其具有填充有纳米孔泡沫材料的层。在样品1中，所有的层填充有纳米孔泡沫材料。C1至C5和样品1中的多层片材是16mm厚，具有横跨片材分散的垂直肋，垂直肋之间的间隔是16mm。
图3示出了与存在于多层片材中的壁的数目相比U值的图示。如从表1和图2中可以看出，即使具有17个壁(即C5)，U值仍然是仅由5个壁的具有纳米孔泡沫填充层的多层片材(样品1)的两倍多。换言之，样品C1至C5的热绝缘比样品1小得多，在样品C1至C5中，层是空的，但是壁的数目增加，在样品1中，在多层片材的共挤出期间，用纳米孔泡沫材料填充层。表1也显示了样品C1至C5和样品1的标准化热U值。按之前所述计算标准化U值，即标准化U值等于U值除以片材的当量密度乘以100。多层片材的当量密度是171kg/m3。纳米孔泡沫的当量密度是1kg/m3至200kg/m3。40kg/m3的当量密度用于该实施例。
样品1在组成上与C1类似，两者都是包括5个壁的多层片材。样品1的层填充有纳米孔泡沫材料，而C1的层是空的(例如，填充有空气)。如从表1中看出，样品1在U值上降低了70％，与C1相比视为是在多层片材的热绝缘上改善70％。例如，多层片材的标准化热U值可小于或等于1.00W·m/kg·K，尤其是小于或等于0.75W·m/kg·K，更尤其是小于或等于0.70W·m/kg·K，甚至更尤其是小于或等于0.68W·m/kg·K，还更尤其是小于或等于0.50W·m/kg·K，仍更尤其是小于或等于0.40W·m/kg·K，并且还更尤其是小于或等于0.35W·m/kg·K。从表1中可看出，具有空层的壁的数目从5增加至17在多层片材的热绝缘性能上仅有微小的改善。本文中公开的多层片材的热绝缘上的改善(即，U值的降低百分比)可大于或等于50％，尤其是大于或等于55％，更尤其是大于或等于60％，甚至更尤其是大于或等于65％，并且还更尤其是大于或等于70％。
本文中公开的多层片材示出了通过在多层片材的层中使用纳米孔泡沫材料能够实现较低的U值。另外，在设计多层片材中，通过在热流动方向上将纳米孔泡沫材料和壁的数目增加结合可以实现较低的U值。意外发现，在已经形成片材后，在多层片材的层中使用纳米孔泡沫材料会得到U值和标准化U值的降低，其比没有纳米孔泡沫材料小三倍。
在一个实施方式中，多层片材包括：多个壁，其中多个壁包括：第一壁；第二壁；以及横向壁，其中第一壁、第二壁、以及横向壁纵向延伸；以及在邻壁之间延伸的肋，其中由两个邻壁形成层；其中用纳米孔泡沫材料填充层；并且其中多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值。
在各个实施方式中：(i)多层片材包括小于或等于0.75W·m/kg·K的标准化热导率值；和/或(ii)多层片材包括小于或等于0.50W·m/kg·K的标准化热导率值；和/或(iii)纳米孔泡沫材料包含在纳米尺寸的珠内；和/或(iv)用纳米孔泡沫材料填充大于或等于95％的层；和/或(v)用纳米孔泡沫材料填充大于或等于99％的层。
在一个实施方式中，制造多层片材的方法包括：将多层片材和纳米孔泡沫材料共挤出；其中，多层片材包括多个壁，其中，多个壁包括：第一壁；第二壁；以及横向壁，其中，第一壁、第二壁、以及横向壁纵向延伸；以及在邻壁之间延伸的肋，其中，由两个邻壁形成层；其中在共挤出过程中，用纳米孔泡沫材料填充层。
在各个实施方式中，(i)多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值；和/或(ii)多层片材包括小于或等于0.75W·m/kg·K的标准化热导率值；和/或(iii)多层片材包括小于或等于0.50W·m/kg·K的标准化热导率值和/或(iv)用纳米孔泡沫材料填充层的大于或等于95％。
本文中公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立组合(例如，“上达至25wt.％，或更尤其是5wt.％至20wt.％”的范围包括端点和“5wt.％至25wt.％”范围的所有中间值等)。“组合”包括掺混物、混合物、合金、反应产物等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、量、或重要性，而用于表示不同的要素。除非本文中另有陈述或通过上下文明显的矛盾，否则本文中的术语“一种”和“一个”以及“该”不表示数量限制，而是解释为涵盖单数和复数。本文中使用的后缀“(一种或多种)”旨在包括其修饰的术语的单数和复数，因此包括一种或多种该术语(例如，薄膜(一种或多种)包括一种或多种薄膜)。整个说明书中提及的“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“实施方式”等是指结合该实施方式描述的具体要素(例如，性质、结构、和/或特征)包含在本文所描述的至少一个实施方式中，并且可以或可以不存在于其他实施方式中。此外，应当理解的是，所描述的要素可以在各种实施方式中以任何合适的方式组合。
虽然已经描述了具体实施方式，但申请人或本领域其他技术人员可以想到现无法预料的替换、修改、变化、改进、和实质的等效物。因此，提交的和它们可以被修改的所附权利要求旨在包括所有这些替换、修改、变化、改进、和实质的等效物。

Claims (14)

1.一种多层片材，包括：
多个壁，其中，所述多个壁包括：
第一壁；
第二壁；以及
横向壁，其中，所述第一壁、所述第二壁、以及所述横向壁纵向延伸；以及
在邻壁之间延伸的肋，其中，由两个邻壁形成层；
其中，所述多层片材通过共挤出多层片材与纳米孔泡沫材料制造；
其中，在共挤出过程中用纳米孔泡沫材料填充所述层；并且
其中，所述多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值。
2.根据权利要求1所述的多层片材，其中，所述多层片材包括小于或等于0.75W·m/kg·K的标准化热导率值。
3.根据权利要求2所述的多层片材，其中，所述多层片材包括小于或等于0.50W·m/kg·K的标准化热导率值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的多层片材，其中，所述纳米孔泡沫材料包含在纳米尺寸的珠中。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的多层片材，其中，用纳米孔泡沫材料填充大于或等于95％的所述层。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的多层片材，其中，用纳米孔泡沫材料填充大于或等于99％的所述层。
7.一种制造多层片材的方法，包括：
共挤出多层片材与纳米孔泡沫材料；
其中，所述多层片材包括多个壁，其中所述多个壁包括：
第一壁；
第二壁；以及
横向壁，其中所述第一壁、所述第二壁、以及所述横向壁纵向延伸；以及
在邻壁之间延伸的肋，其中，由两个邻壁形成层；
其中，在共挤出过程中用纳米孔泡沫材料填充所述层，并且
其中，所述多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多层片材包括小于或等于1.00W·m/kg·K的标准化热导率值。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多层片材包括小于或等于0.75W·m/kg·K的标准化热导率。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多层片材包括小于或等于0.50W·m/kg·K的标准化热导率值。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，用纳米孔泡沫材料填充大于或等于95％的所述层。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，用纳米孔泡沫材料填充大于或等于99％的所述层。
13.一种通过根据权利要求7-12中任一项所述的方法制造的制品。
14.根据权利要求13所述的制品，其中，所述纳米孔泡沫材料包含在纳米尺寸的珠内。
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