CN104628317A - 气凝胶和相变材料的复合材料 - Google Patents

气凝胶和相变材料的复合材料 Download PDF

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Abstract

一方面，本发明提供一种包括与含相变材料的颗粒混合的含绝缘气凝胶材料的颗粒、以及形成保持该混合颗粒的基质的粘合剂的物体。另一方面，本发明提供一种形成绝缘体的方法，包括在基材上涂覆第一和第二流体；该第一流体包括粘合剂且该第二流体包括含气凝胶材料的颗粒；并同时在该基材上涂覆相变材料。

Description

气凝胶和相变材料的复合材料
本申请是申请日为2006年7月26日、申请号为200680022207.2、题为“气凝胶和相变材料的复合材料”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及气凝胶和含气凝胶的绝热复合材料。
背景技术
已知气凝胶提供良好的绝热性，并与其它材料相比具有吸引人的单位重量热防护。对用于运载工具(尤其是飞机)的高绝热性材料如气凝胶的需求日益紧迫。对于在长期经历剧烈热负荷的运载工具的情况下尤其如此。不幸的是，气凝胶难于涂覆在所要求保护的表面上。气凝胶可以固体形式使用，或更通常地以柔性覆盖层(blanket)形式使用，且其不能进行常规喷涂。无论固体还是覆盖层形式均不能像喷涂材料那样容易地涂覆到表面上。当将气凝胶-粘合剂组合物用于气凝胶涂覆时，可通过喷涂法涂覆气凝胶，其中所述粘合剂使气凝胶颗粒保持在一起并保持在其所涂覆的表面上。然而，与气凝胶相比，所述粘合剂材料具有较差的热性能；因此，使用粘合剂代替部分气凝胶存在缺陷。从而，存在改进基于气凝胶绝缘材料的热防护体系的需求。
发明内容
在一方面，本发明提供一种物体，其包含与含有相变材料的颗粒混合的绝缘气凝胶材料颗粒、和形成保持该混合颗粒的基质的粘合剂。
在另一方面，本发明提供一种通过在基材上涂覆第一和第二流体形成绝缘体的方法。该第一流体包含粘合剂且该第二流体包含气凝胶材料颗粒；以及同时在所述基材上涂覆相变材料(PCM)。任选地，该PCM包含在第一流体、第二流体、第三流体或其任意组合中。
通过下文提供的详细描述，本发明适用性的进一步范围将变得显而易见。应当理解，所述详细描述和具体实例虽表现了本发明的优选实施方式，但其仅用于阐述目的，而不用于限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，本发明将被更加充分地理解，其中：
图1为气凝胶/PCM涂层的示意图。
图2为沉积装置的图解。
图3为表现PCM改进了瞬时热性能的曲线图。
具体实施方式
以下优选实施方式的描述仅仅为示例性的，且其不以任何方式限制本发明及其应用或用途。
在一方面，本发明提供一种材料体，其包括与相变材料(PCM)混合的绝缘气凝胶材料。该相变材料能够存储热能作为相变的潜热。优选地，该气凝胶材料和相变材料保持在粘合剂基质中。
在另一方面，本发明提供一种通过在基材上共沉积包含气凝胶的颗粒、包含相变材料的颗粒、和包含粘合剂及载体的溶液，以形成绝热体的方法。去除该载体，以在该基材上形成固态绝热体。
在更进一步的方面，本发明提供一种通过在基材上同时释放第一和第二流体以形成绝缘体的方法。该第一流体包括含气凝胶的颗粒且该第二流体包含粘合剂。通过单独沉积气凝胶和粘合剂，可避免在沉积期间精细(delicate)气凝胶颗粒的分解(degradation)和碎裂。换言之，与难于将气凝胶颗粒混入适宜的粘合剂中相关的问题通过采用本发明的沉积方法得以避免。
优选将任何适宜的疏水性气凝胶颗粒用于本发明。疏水性气凝胶颗粒包括有机气凝胶颗粒和无机气凝胶颗粒。优选将无机气凝胶颗粒用于本发明，例如金属氧化物气凝胶颗粒，如二氧化硅、二氧化钛和氧化铝气凝胶。最优选使用基于二氧化硅的气凝胶颗粒。亲水性气凝胶颗粒也是已知的。本发明采用优选的疏水性气凝胶颗粒作为例子进行说明。
优选地，所述疏水性气凝胶颗粒包括降低该疏水性气凝胶颗粒导热率的乳浊剂(opacifying agent)。可使用任何适合的乳浊剂，其包括但不限于，炭黑、含碳材料、二氧化钛或其它微小颗粒、粘合剂、乳浊剂。
使用的疏水性气凝胶颗粒的尺寸部分取决于最终制品或绝缘材料体的期望特征。气凝胶颗粒的粒度还至少部分取决于相关的PCM材料的粒度。粒度的选择也部分取决于选择的粘合剂的类型。为了使PCM材料和气凝胶材料的颗粒进行混合，对所述相关颗粒的尺寸进行选择以便于实现该目的。
水凝胶的典型粒度为约6微米-3毫米。相变材料的典型粒度为约15-40微米。适宜的乳浊剂包括能够使得通过该组合物的红外(“IR”)辐射的传播最小化的那些乳浊剂。
根据应用，通过利用选定的PCM材料和气凝胶的粒度，颗粒间空隙的大小和分布可增大或减小。示例性图解的图1表明了气凝胶颗粒20尺寸大于相变颗粒30的情况。然而，可选择相反的布置。也可选择使得PCM材料与气凝胶材料具有彼此相近的平均粒度的布置。这里使用的术语粒度和粒径与本领域中的通常意义相同。
直径为6微米-3毫米并可使用二氧化钛乳浊化红外辐射的疏水性气凝胶颗粒可以为Cabot Nanogel GmbH Germany生产的商标为NANOGEL(TM)珠粒的纳米凝胶。
相变材料可由各种来源获得，包括可由Boulder，Colorado的OutlastTechnologies，Inc.获得的THERMASORB(TM)。THERMASORB PCM材料表现为微细的易流动粉末，其由包含吸热核心材料的耐久性囊状物构成。该囊状物直径可为1-数百微米。典型地，所述核心PCM材料占80％-85％的重量，其余为不可渗透的壳。该壳为能够经受在各种溶剂中的暴露的耐久性材料，并从而可以干粉形式或在水性有机或其它溶剂浆液中输送。该以THERMASORB为例子的PCM材料在介于约-20华氏度～超过100华氏度或超过200华氏度之间的各种转变温度下是可行的。
通常，相变材料在典型情况下当其由固态转变为液态时，具有吸收大量热的能力而不改变温度。随后当其由液态转变回固态形式时，释放相应的热。从而，当由包含PCM的材料体中吸收或放出热时，该PCM材料提供维持基本恒定的温度的能力。
优选的PCM材料包括蜡或与石油密切相关的产物，其在期望的温度范围内由固态转变为液态形式。选择这类产物的共混物以获得期望的转变。为了对本发明进行举例说明，选择具有在122华氏度下具有160J/g潜热的固态-液态转变的THERMASORB牌相变材料。封装直径(encapsulated diameter)为5-40微米。
尽管本发明参考由固相变为液相的PCM材料进行举例说明，但也可预期利用固相-固相的相变，其中与固态结构有关的相条件(phase condition)转变为具有不同固相和不同能量水平的第二结构条件，从而利用固相-固相相变的潜热。虽然通过本发明可以预期其它相变现象如气-液和气-固相变，但由于实用原因，其不是最期望的。
显然，通过选择PCM、气凝胶、和用于形成基质以包含该PCM和气凝胶的粘合剂，可以调整该绝缘体的热性质。从而，PCM的选择取决于期望的应用、整体复合材料和期望的性质。该PCM优选封装在微囊或较大囊状物或期望的不同尺寸混合物中。这种封装防止了当PCM为液态时的移动。其也避免了该PCM在其再冷却时形成一个固态不可弯曲物。在该优选实施方式中，优选将该PCM封装。本发明另外还包括PCM材料在粘合剂基质材料中的颗粒分散。从而，所述粘合剂基质材料本身也可起到封装功能。
适宜的PCM材料的一个例子为蜡，特别是石油/石蜡，其随着温度的升高和降低可熔化和再凝固。例如，这类蜡组合物具有适于运输工具(包括飞机)的高温环境的转变范围，主要在大于约100华氏度-约200华氏度的范围内，在该范围内，很多蜡具有其典型的熔点。通过控制该蜡组合物，可将该PCM调节为具有根据期望的操作温度条件变化的熔点。
选择本发明的基质粘合剂材料40，以形成用于保持PCM30和气凝胶20的适宜基质(图1)。要求其具有适于该功能的强度和导热率特性，并具有在适宜范围内的使用温度，该温度范围与上文关于气凝胶和PCM材料叙述中的温度范围一致。一种示例性粘合剂是由Michigan的Dow Coming以商品名Sylgard(TM)184有机硅弹性体出售的。Dow Coming的有机硅以两组分有机硅弹性体组合物的形式作为液体流提供，所述液体流在相对恒定的固化速率下固化为柔性弹性体，并具有-49～392华氏度之间的使用范围。将该粘合剂有机硅前体混合物涂覆并固化，以除去任何载体溶剂。另一种示例性的有机硅化合物是由Surrey，British Columbia，Canada的MG Chemicals以面品名RTV Silicones(TM)出售的。这类有机硅具有约0.17W/m x K的导热率。虽然该RTV和Sylgard均为基于有机硅的弹性体类型，但其采用不同的方法固化(加成或缩合反应)。
已知存在各种类型的气凝胶颗粒如二氧化硅和碳。优选二氧化硅气凝胶颗粒。选择将PCM材料封装以使得其不能溶解在基质材料(如有机硅弹性体材料)中。
所述三种成分的比例是可调节的，以提供期望的复合材料体的时间热性质(temporal thermal property)。显而易见，向粘合剂基质中的所述气凝胶组合物中加入任意量的PCM材料均会对瞬时热性能产生影响。从而，基于总计100重量份的该PCM材料和气凝胶材料，PCM材料以大于0份且小于100份的量存在，期望最高90份；更期望最高80份；和最期望至少约60份。取决于选择的PCM材料和操作环境，基于100重量份的组合的气凝胶和PCM材料，该气凝胶以大于0份且小于约100份的量存在；期望最高40份；更期望最高20份；和最期望至少约10份。
在更进一步的方面，基于该组合的复合材料中气凝胶的体积百分数，该气凝胶占至少50体积％，期望为60体积％，更期望为70体积％或更高。优选地，该气凝胶以占最终产物至少50体积％的量存在。
本发明提供一种方法，采用该方法能够以不会将所述易碎的气凝胶材料破坏为微细粉末形式的方式，与基质材料40一起涂覆该气凝胶20。其还避免了如下问题：有机硅弹性粘合剂40与气凝胶20往往不混合且如果该粘合剂前体溶液50过稠，气凝胶变得易碎；以及如果该前体溶液通过加入溶剂而变得更易于流动，则该气凝胶存在吸收或吸纳溶剂的趋势，这是不期望的。从而，本发明的方法利用该工艺由此分配气凝胶颗粒20的流体22，并将其导到基材60的表面，同时也涂覆有机硅前体溶液50的细雾或流体52；由此该有机硅粘合剂前体的液滴与气凝胶在涂覆时混合，以使得气凝胶颗粒附着并保持在基质粘合剂中。
在本发明的优选方法中，该PCM材料30的颗粒与气凝胶和有机硅前体共沉积，以形成本发明的组合物。可使用该PCM材料30的单独的流体，然而，优选将气凝胶20和PCM30的颗粒结合到一个流体22中。取决于该前体粘合剂溶液，沉积后实施一定时间的固化，除去溶液的载体以形成固体。任选地可实施干燥或烘干，以促进溶液中载体溶剂的去除。
实施例
有机硅基质粘合剂40、气凝胶20和PCM 30材料的沉积，采用在图2中示意地显示的用于在基材上涂覆的装置实现。优选的方法为会聚喷雾法(convergent spray process)。采用该会聚喷雾法，气凝胶颗粒20在沉积于基材60时或刚好在沉积于基材60上之前，与液态有机硅前体50混合。
还可包含PCM珠，且其可包含在有机硅混合物50中，或者其可与气凝胶20一起被包含或分别被包含。从而，可使用两个或多个沉积流体。该沉积方法使得易碎气凝胶颗粒的破碎最小化，并使得该颗粒吸收的溶剂最少。可使用任何常规喷雾装置以实现所述沉积流体的形成。优选的沉积速率与沉积材料的示例性组成一起示于表1中。
表1还包括了显示涂覆材料导热率及相应的平均温度的热分析结果。可以发现，PCM材料与气凝胶的加入没有显著影响导热率。从而，该PCM材料的添加提供了在瞬时加热(thermal transience)期间的改进的性能的优点。观察到当组合物中气凝胶比例增加时，沉积产物变得更加易碎。粘合剂比例增加时，强度改进但传导率变差。PCM材料比例增加时，具有更好的处理瞬时热的能力，但其会导致气凝胶材料的低导热率优点的轻微损失。虽然用PCM材料替代气凝胶存在导热性能轻微下降的问题，但如图3所示，使用PCM使得材料耗费更长时间达到更高温度，这是有利的。图3显示了喷涂的气凝胶组合物的瞬时热，其中一个组合物包含所述PCM材料，一个组合物不含PCM材料。可以发现，含有PCM的材料耗费更长时间达到更高的温度，且实际上没有达到与不含该PCM的气凝胶组合物同样高的温度。在所述包含PCM的组合物曲线中，在122华氏度处存在明显的拐点，证实了相变并表明该组合物的升温速率也较低。
表1提供了制备各种板材的速率。对于所述Sylgard 184，其中加入10重量％的Dow Corning OS-10甲基硅氧烷溶剂，以使得液体易于流过管线。该液态Sylgard/OS-10的速率为18-50克/分钟；Nanogel为12-27克/分钟；和Thermosorb为3-43克/分钟。对于所述RTV-12，采用的速率为23-28克/分钟RTV、12-18克/分钟Thermosorb和12-18克/分钟nanogel。各种组合均表现良好，但184-1，2，3，4和RTV-1，2，3，4是较好的材料组合。所述Cabotnanogel为疏水性二氧化硅气凝胶。实施例中显示的材料尺寸表现良好。均匀的1mm直径颗粒没有粘附在扳材上。
总之，本发明提供使用相变材料和气凝胶以提供吸热能力，同时保持恒定温度，从而有效改进绝缘体热性能的优点。所述PCM用于至少暂时维持最大温度。因此，向气凝胶复合材料中加入PCM提供了气凝胶的瞬时热性能以及PCM吸热性能的优点，从而相对于单一气凝胶材料提供更好的热保护。这里所示的初步试验已经表明良好的热性能及通过该涂层的传热延迟。这里包含的结果表明本发明复合材料有利的导热率和瞬时传热延迟。该气凝胶提供了低稳态导热率的优点。粘合剂基质保持了材料颗粒且PCM材料提供了瞬时传热作用的延迟。
表1
本发明的描述仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明主旨的改进应包括在本发明的范围内。不能认为这类改进脱离了本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种绝热体系，其包括：含绝缘气凝胶材料的颗粒、和形成保持混合颗粒的基质的粘合剂，其特征在于：加入包含相变材料(PCM)的颗粒，其中所述PCM封装在囊状物中，并且所述PCM颗粒在所述粘合剂中分散；
其中所述绝热体系被配置为在基材上涂覆第一和第二流体，同时在该基材上涂覆相变材料(PCM)，所述PCM被施加在第三流体中；
其中所述第一流体包括粘合剂并且所述第二流体包含含气凝胶材料的颗粒；其中所述PCM包括直径为5微米至40微米的囊状物中所包含的封装相变材料，其中所述囊状物抗由所述粘合剂导致的降解，
其中所述封装相变材料以耐久性囊状物包含并且能够在高于大约100华氏度的温度下从固态转变为液态，以增强绝缘体的瞬时热性能；和
其中按所述PCM和所述气凝胶材料的总组合重量为100份重量计，所述PCM包含至少约60份。
2.权利要求1的绝热体系，其中所述相变材料经历固-液转变。
3.权利要求1的绝热体系，其中所述相变材料经历固-固转变。
4.权利要求1-3中任一项的绝热体系，其中该相变材料包括蜡。
5.权利要求1-4中任一项的绝热体系，其中所述气凝胶材料包括基于二氧化硅的疏水性材料。
6.权利要求1-5中任一项的绝热体系，其中载体包括有机液体。
7.一种形成绝热体的方法，包括：
a.将含气凝胶材料的颗粒、含相变材料的颗粒、和含粘合剂及载体的溶液共沉淀在基材上；
b.在基材上涂覆第一和第二流体，同时在该基材上涂覆相变材料(PCM)，所述PCM被施加在第三流体中；
所述第一流体包括粘合剂并且所述第二流体包含含气凝胶材料的颗粒；所述PCM包括直径为5微米至40微米的囊状物中所包含的封装相变材料，
所述封装相变材料以耐久性囊状物包含并且能够在高于大约100华氏度的温度下从固态转变为液态，以增强绝缘体的瞬时热性能；
按所述PCM和所述气凝胶材料的总组合重量为100份重量计，所述PCM包含至少约60份，和
c.除去该载体以在该基材上形成固态绝热体，
其中所述相变材料封装在囊状物中，并且所述PCM颗粒在所述粘合剂中分散。
8.一种使结构绝缘的方法，包括：
将权利要求1-6中任一项的绝热体系涂覆到该结构表面的至少一部分上。
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