CN105143141A - 气凝胶组合物及其制备方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种组合物,其包含气凝胶组分,并且具有低导热率。一种用于制备浆料或组合物的方法,该方法包括:例如,将气凝胶组分与表面活性剂、粘结剂和其他成分组合,所述的其他成分例如是纤维。该组合物可以是能够用于涂覆应用的浆料或是自支承刚性复合材料。

Description

气凝胶组合物及其制备方法和使用方法
相关申请
本申请按照35USC119(e)要求享有于2009年4月27日提交的申请号为61/173,046的美国临时申请的优先权,其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
绿色建筑物优选采用能够提供优异特性而制造和使用均简便易行的材料和实施手段。良好的隔离性能例如会降低能量需求,并且在很多建筑工程中是重要的考虑因素。
发明内容
因此,需要一种材料,其具有低导热率和/或兼具两种或更多种诸如声学特性和/或机械性能之类的有利性质。
本发明总体上涉及包含气凝胶组分的组合物以及这些组合物的制备和使用方法。
在一些方面,该组合物以浆料的形式存在,并包含表面活性剂、有机或无机粘结剂、以及可任选的诸如(例如)纤维之类的其他成分。在其他方面,该组合物以浆料的形式存在,并包含气凝胶组分和高pH的水。经干燥,该浆料组合物形成复合材料,该复合材料可以是涂料或自支承的刚性复合材料。优选的是,该复合材料的导热率不大于约50mW/(m·K)(该导热率按照ATMC518测量)。例如,自支承刚性复合材料包含颗粒形式的气凝胶组分,并且具有不大于约20mW/(m·K)的导热率(按照ATMC518测量)。
本申请中所描述的许多组合物均易于制备并且便于使用。本发明的实施方案为建筑工业所使用的材料提供了优异的隔离性质,并且能够被掺入到建筑工业所使用的这些材料中、或用于覆盖或连接这些材料。与本申请公开的一些组合物相关的疏水性质可以在建筑物外立面工程或其他涉及潮湿环境的情况中发挥作用。气凝胶的存在能够降低材料的总重量,这在许多建筑工程中是重要的考虑因素。同时,粘性和轻质在天花板粉刷等领域中是尤其有利的,在这些领域中它们能够降低剥落或断层发生的几率。在许多实施方案中,本申请描述的复合材料具有优异的阻燃性质和/或适于降低声音或噪音应用的声阻尼(acousticdampening)特性。
在一些实施方式中,制备本申请公开的组合物所使用的成分数减少,但是仍保留优异的性质。例如,或者使用无机粘结剂、或者使用含有无机粘结剂的配制物,但二者不并用,这能够简化制备方案并降低成本。还可以通过将气凝胶与高pH的水性相组合和/或通过使用兼具粘结性能和表面活性的化合物而减少成分数。
附图的简要说明
在附图中,参考符号在各不同视图中表示相同的部件。这些附图不是一定按比例绘制的,而是重点在于说明本发明的原理。这些附图为:
图1为根据本发明实施方案制备的具有超低导热率的20cm×20cm自支承刚性复合材料的照片。
图2为示出根据本发明实施方案的复合材料中的气凝胶与灰浆区域的扫描电镜(SEM)照片。
图3为根据本发明实施方案使用高pH水制备并且包含纤维的复合材料的SEM照片。
优选实施方式
以下将结合附图对本发明的以上和其他特征(包括各部分的构造和组合的各种细节)以及其他优点进行更具体的描述并在权利要求书中指出。应当理解的是,体现本发明的具体方法和装置是以示例性的方式示出,而不是对本发明的限制。本发明的原理和特征可以用于各种各样的众多实施方案中,而并不偏离本发明的范围。
总体上,本发明涉及一种组合物、该组合物的制备方法及其使用方法。
本申请公开的组合物可以以干混物、溶液、分散体、悬浮体、浆料、糊剂、干燥或固化的产品(例如固体,如自支承刚性复合材料、(例如)通过将气凝胶毡层压在一起而制成的多层复合材料)等形式存在。该组合物可以形成于各种制品中、或施加在各种制品上或掺入各种制品中。
总体上,该组合物包含气凝胶组分。气凝胶是低密度的多孔固体,其具有大的粒子内孔隙体积,气凝胶通常是通过从湿凝胶中除去孔隙液体而制备的。然而,干燥工序可能由于凝胶孔中的毛细管力而变复杂,这可能会导致凝胶收缩或致密化。在一种制造方法中,通过使用超临界干燥法而基本上消除了三维结构的塌陷。也可以通过使用环境压力来干燥湿凝胶,这样的方法也称为非临界干燥方法。当应用于(例如)二氧化硅基的湿凝胶时,在干燥之前对表面进行改性(例如,封端)防止了被干燥的产品发生永久收缩。在干燥过程中,该凝胶仍然可能会收缩,但它会回弹而恢复至之前的孔隙率。
称为“干凝胶”的产品也是由湿凝胶获得的,其中,湿凝胶中的液体已被除去。该术语通常是指在干燥过程中受到毛细管力压缩的干的凝胶,其特征在于固体网络的永久性的改变和塌陷。
为方便起见,本申请中使用的术语“气凝胶”具有一般的含义,其是指“气凝胶”和“干凝胶”这两者。
气凝胶通常具有低的体密度(约0.15g/cm3或更低,优选约0.03至0.3g/cm3)、很高的表面积(通常为约300至约1000平方米每克(m2/g)或更高,优选约600m2/g至约1000m2/g)、高的孔隙率(约90%或更高,优选大于约95%)以及相对大的孔体积(例如,约3毫升每克(mL/g),优选约3.5mL/g或更高,例如,7mL/g)。气凝胶可以具有孔小于1微米(μm)的纳米孔结构。通常,气凝胶的平均孔径为约20纳米(nm)。在无定形结构中这些性质的组合使得任何连贯的(coherent)固体材料具有最低的导热率(例如,在平均温度为37℃和1大气压下为9至16mW/m-K)。气凝胶可以接近透明或半透明,散射蓝光,或者为不透明物。
气凝胶的常规类型是二氧化硅基气凝胶。除硅以外,也可以使用基于其他金属的氧化物的气凝胶,这些金属例如为铝、锆、钛、铪、钒、钇等或它们的混合物。
还已知的是有机气凝胶,例如,间苯二酚或三聚氰胺与甲醛的组合、树形聚合物,等等,也可以使用这些材料来实施本发明。
合适的气凝胶材料以及它们的制备方法在(例如)于2001年10月25日公开的Schwertfeger等人的美国专利申请No.2001/0034375A1中有所描述,该专利申请所教导的全部内容通过引用并入本申请。
优选的是,气凝胶组分含有疏水性的气凝胶。在本申请中,术语“疏水性的”和“疏水化的”是指部分疏水化至完全疏水化的气凝胶。部分疏水化的气凝胶的疏水性可以进一步提高。在完全疏水化的气凝胶中,达到了最大覆盖率,并且所有可通过化学方式实现改性的基团基本上全都被改性。
疏水性可以通过诸如(例如)接触角测量法或甲醇(MeOH)润湿度之类的本领域已知的方法来确定。与气凝胶相关的疏水性的讨论可参见(例如)于2004年3月23日授予Hrubesh等人的专利号为6,709,600B2的美国专利中,该专利的全部内容通过引用并入本申请。
可以通过使用疏水化试剂来制备疏水性气凝胶,这些疏水化试剂例如为硅烷化试剂、含卤素特别是含氟的化合物(诸如含氟烷氧基硅烷或含氟烷氧基硅氧烷,例如,三氟丙基三甲氧基硅烷(TFPTMOS))、以及本领域已知的其他疏水化化合物。疏水化试剂可以在气凝胶形成过程中使用和/或在随后的加工步骤(例如表面处理)中使用。
优选的硅烷化化合物例如为硅烷、卤硅烷、卤烷基硅烷、烷氧基硅烷、烷氧基烷基硅烷、烷氧基卤硅烷、二硅氧烷、二硅氮烷,等。合适的硅烷化试剂的例子包括但不限于二乙基二氯硅烷、烯丙基甲基二氯硅烷、乙基苯基二氯硅烷、苯基乙基二乙氧基硅烷、三甲基烷氧基硅烷(例如三甲基丁氧基硅烷)、3,3,3-三氟丙基甲基二氯硅烷、均二苯基四甲基二硅氧烷(symdiphenyltetramethyldisiloxane)、三乙烯基三甲基环三硅氧烷、六乙基二硅氧烷、戊基甲基二氯硅烷、二乙烯基二丙氧基硅烷、乙烯基二甲基氯硅烷、乙烯基甲基二氯硅烷、乙烯基二甲基甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷、己烯基甲基二氯硅烷、己烯基二甲基氯硅烷、二甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、巯基丙基甲基二甲氧基硅烷、双{3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基}四硫醚、六甲基二硅氮烷以及它们的组合。
在一些实施例中,气凝胶具有通过(例如)用表面活性试剂(也称为表面活性剂、分散剂或润湿剂)处理疏水性气凝胶而获得的疏水表面或壳。
表面活性剂可以选自(例如)离子(阴离子和阳离子)表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂、高分子表面活性剂和高分子化合物。阴离子表面活性剂可以包括(例如)烷基硫酸盐和高级烷基醚硫酸盐,更具体为十二烷基硫酸铵、以及十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠。
阳离子表面活性剂包括(例如)脂肪族铵盐和胺盐,更具体为(例如)烷基三甲基铵和聚氧乙烯烷基胺。
两性表面活性剂可以为(例如)甜菜碱型(例如,烷基二甲基甜菜碱)或环氧型(oxidotype)(例如,烷基二甲基胺环氧化物(alkyldimethylamineoxido))。
非离子表面活性剂包括脂肪酸甘油酯、脂肪酸丙二醇酯、脂肪酸脱水山梨醇酯、脂肪酸聚氧乙烯脱水山梨醇酯、四油酸聚氧乙烯山梨醇、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯聚氧丙烯二醇、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、脂肪酸聚乙二醇酯、高级脂肪酸醇酯、脂肪酸多元醇酯等。
总体上,可以使用能与气凝胶相容的任何表面活性剂。可以使用的表面活性剂的具体例子包括但不限于:来自BASF公司的PluronicP84、PE6100、PE6800、L121、EmulanEL、LutensolFSA10、LutensolXP89;来自Michelmann公司的MP5490;AEROSOLOT(二-2-乙基己基硫代琥珀酸钠)、BARLOX12i(支化的烷基二甲基胺氧化物);LAS(直链的烷基苯磺酸盐)、及TRITON100(辛基苯氧基聚乙氧基(9-10)乙醇);吐温(TWEEN)表面活性剂(如吐温100表面活性剂);以及BASF公司的普鲁洛尼克(pluronic)表面活性剂等。一般的类型为二醇、烷氧基化的聚氧烯基脂肪醚(例如,聚氧乙烯脂肪醚)、脱水山梨醇酯、甘油一酸酯和甘油二酸酯、聚氧乙烯山梨醇酯、聚合物型表面活性剂(如Hypermen聚合物表面活性剂)、氯化椰油-PG-二铵磷酸钠(sodiumcoco-PG-dimoniumchloridephosphate)以及氯化椰油酰胺丙基PG-二铵磷酸盐(coamidopropylPG-dimoniumchloridephosphate)、磷酸酯、聚氧乙烯(POE)脂肪酸酯、Renex非离子表面活性剂(通过环氧乙烷与不饱和脂肪酸和杂环树脂酸反应形成的非离子型酯)、醇乙氧化物、醇烷氧化物、环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物、脱水山梨醇酯的聚氧乙烯衍生物或者它们的组合。
增加表面活性剂的量往往会增加水性相所能够渗入的深度,由此会增加疏水性气凝胶核周围的亲水性覆层的厚度。
气凝胶材料可以包含一种或多种添加剂,例如纤维、遮光剂、彩色颜料、染料以及它们的混合物。例如,可以将二氧化硅气凝胶制备成含有诸如纤维和/或一种或多种金属或其化合物之类的添加剂。具体的例子包括铝、锡、钛、锆或其他非硅质的金属,以及它们的氧化物。遮光剂的非限制性例子包括炭黑、二氧化钛、硅酸锆以及它们的混合物。添加剂可以(例如)依据所需的性质和/或具体的应用而以任何合适的量提供。
优选将气凝胶材料制成粒状、丸状、珠状、粉末状或其他颗粒形式,并且具有适于预期应用的任何粒度。例如,颗粒可以在约0.01微米至约10.0毫米(mm)范围内,优选平均粒度在0.3至3.0mm范围内。在许多实施方式中,优选较大的颗粒。还优选气凝胶颗粒具有这样的粒度分布(PSD),该粒度分布能够促进有效的填充。
可商购的粒状形式的气凝胶材料的例子是由位于美国马萨诸塞州Billerica市的Cabot公司提供的商品名为的那些。气凝胶颗粒具有大的表面积、大于约90%的孔隙率,并且可提供的粒度在(例如)约8微米(μm)至约10mm的范围内。半透明气凝胶的具体牌号包括(例如)标记为TLD302、TLD301或TLD100的那些;IR遮蔽性气凝胶的具体牌号包括标记为RGD303或CBTLD103的那些;不透明气凝胶的具体牌号包括(例如)标记为OGD303的那些。
气凝胶组分还可以由(或主要由)成片的被切成或分割成合适尺寸的单片式气凝胶构成、或者可以包括成片的被切成或分割成合适尺寸的单片式气凝胶。
气凝胶组分还可以由一种或多种气凝胶基复合材料形成。气凝胶基复合材料可以包含纤维和气凝胶(例如,纤维增强气凝胶)、以及可任选的至少一种粘结剂。纤维可以具有任何合适的结构。例如,可以使纤维沿平行方向、垂直方向、或沿常规方向或随机方向取向。可以有一种或多种类型的纤维。就组成、尺寸或结构而言,这些纤维可以不同。在复合材料中,一类纤维可以具有不同的维度(长度和直径),并且它们的取向可以不同。例如,长纤维在面内排列整齐而尺寸较小的纤维为随机分布。
在具体实施方式中,如在(例如)于2005年5月3日授予Frank等人的专利号为6,887,563的美国专利(其所教导的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样,所用的气凝胶组分是包含气凝胶材料、粘结剂、和至少一种纤维材料的复合材料。
合适的气凝胶组分的另一个例子包含至少一种气凝胶和至少一种合成泡沫。如在(例如)国际公开号为WO2007047970、名称为“气凝胶基复合材料(AerogelBasedComposites)”的专利申请(其所教导的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样,对气凝胶进行涂覆可以防止聚合物侵入气凝胶的孔。
在组合物中,气凝胶组分可以以毡的形式存在,其中毡片层叠在一起从而形成多层复合材料。如在于1998年8月4日授予Frank等人的专利号为5,789,075的美国专利(其所教导的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样,可以使用的气凝胶基材料的例子包括但不限于分裂成块的单片式材料。优选裂块中具有通过纤维连接的气凝胶片段。气凝胶片段的平均体积可以为0.001mm3至1cm3。在一种情况中,气凝胶片段的平均体积为0.1mm3至30mm3。如在(例如)于2005年5月3日授予Frank等人的专利号为6,887,563的美国专利(其所教导的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样,可以使用的另一种气凝胶组分包含气凝胶材料、粘结剂和至少一种纤维材料的复合物。如在于1998年7月28日授予Frank等人的专利号为5,786,059的美国专利(其所教导的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样,能够使用的其他合适的气凝胶组分为含有双组分纤维的纤维网/气凝胶复合材料。这种复合材料使用至少一层纤维网和气凝胶颗粒,其中纤维网包含至少一种双组分纤维材料,该双组分纤维材料具有较低温的熔融区域和较高温的熔融区域,并且该网中的纤维不仅与气凝胶颗粒粘结,还通过所述较低温的熔融区域的纤维材料而彼此粘结。在具体的实施方式中,如在(例如)Lee等人的于2005年3月3日公布的美国专利申请公开No.2005/0046086A1和于2005年8月4日公布的美国专利申请公开No.2005/0167891A1(这两篇专利申请所教导的全部内容通过引用并入本申请)中所描述的那样,气凝胶组分包含由湿凝胶结构制成的片或毡。气凝胶毡或片可商购自位于美国马萨诸塞州Billerica市的Cabot公司或位于美国马萨诸塞州Northborough市的AspenAerogels公司。
还可以使用由气凝胶构成、主要由气凝胶构成、或包含气凝胶的材料的组合来形成气凝胶组分。例如,本发明的组合物可以采用不同类型的气凝胶材料来制备,例如,通过将具有不同粒度和/或透光性质的粒状气凝胶组合来制备。在一个例子中,这种组合包括TLD302和TLD203气凝胶。
在组合物中,气凝胶组分以任何合适的量存在。在一些例子中,气凝胶在组合物中存在的量在约40体积%至约95体积%范围内,优选其量在约60体积%至约95体积%范围内。按照重量百分率来说,气凝胶组分可以在约5重量%至约95重量%范围内,更优选在约30重量%至约90重量%范围内。在优选的实施方式中,组合物具有高的气凝胶负载量,即至少50重量%。在具体的例子中,气凝胶在组合物中存在的量在约50重量%至约75重量%范围内。
除了气凝胶组分,本发明的许多方面涉及一种还包含表面活性剂的组合物。优选能与气凝胶相容的表面活性剂。表面活性剂可以选自离子(阴离子和阳离子)表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂、高分子表面活性剂和高分子化合物等。还可以使用不同类型表面活性剂的组合。
阴离子表面活性剂可以包括(例如)烷基硫酸盐和高级烷基醚硫酸盐,更具体为十二烷基硫酸铵、以及十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠。阳离子表面活性剂包括(例如)脂肪族铵盐和胺盐,更具体为(例如)烷基三甲基铵和聚氧乙烯烷基胺。两性表面活性剂可以为(例如)甜菜碱型(例如,烷基二甲基甜菜碱)或环氧型(例如,烷基二甲基胺环氧化物)。非离子表面活性剂包括脂肪酸甘油酯、脂肪酸丙二醇酯、脂肪酸脱水山梨醇酯、脂肪酸聚氧乙烯脱水山梨醇酯、四油酸聚氧乙烯山梨醇、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯聚氧丙烯二醇、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、脂肪酸聚乙二醇酯、高级脂肪酸醇酯、脂肪酸多元醇酯等。
可以使用的表面活性剂的具体例子包括但不限于:来自BASF公司的PluronicP84、PE6100、PE6800、L121、EmulanEL、LutensolFSA10、LutensolXP89;来自Michelmann公司的MP5490;AEROSOLOT(二-2-乙基己基硫代琥珀酸钠)、BARLOX12i(支化的烷基二甲基胺氧化物);LAS(直链的烷基苯磺酸盐)、及TRITON100(辛基苯氧基聚乙氧基(9-10)乙醇);吐温(TWEEN)表面活性剂(如吐温100表面活性剂);以及BASF公司的普鲁洛尼克(pluronic)表面活性剂等。一般的类型为二醇、烷氧基化的聚氧烯基脂肪醚(例如,聚氧乙烯脂肪醚)、脱水山梨醇酯、甘油一酸酯和甘油二酸酯、聚氧乙烯山梨醇酯、聚合物型表面活性剂(如Hypermen聚合物表面活性剂)、氯化椰油-PG-二铵磷酸钠以及氯化椰油酰胺丙基PG-二铵磷酸盐、磷酸酯、聚氧乙烯(POE)脂肪酸酯、Renex非离子表面活性剂(通过环氧乙烷与不饱和脂肪酸和杂环树脂酸反应形成的非离子型酯)、醇乙氧化物、醇烷氧化物、环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物、脱水山梨醇酯的聚氧乙烯衍生物或者它们的组合。
在一个实施方案中,组合物由(或主要由)(i)气凝胶组分、(ii)表面活性剂和(iii)粘结剂构成;或者组合物包含(i)气凝胶组分、(ii)表面活性剂和(iii)粘结剂。
可以使用无机粘结剂和有机粘结剂。粘结剂材料的具体例子包括但不限于水泥、石灰、石膏(gypsum)、水滑石、混合的镁盐、硅酸盐(例如,硅酸钠)、灰泥(plaster)、丙烯酸酯及其他胶乳组合物、环氧聚合物、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯聚合物(例如,可以以名称TeflonTM得到的那些)。
在许多例子中,粘结剂是指在某些条件下固化、硬化或变得凝固的材料。为方便起见,这些和与之类似的过程在此都称为“干燥”。优选这些“干燥”过程是不可逆的并生成含有气凝胶组分和粘结剂的固体材料。
水泥通常包含石灰石、粘土和其他成分(例如,水合氧化铝硅酸盐)。例如,水硬性水泥(hydrauliccement)是这样的材料:在与水掺混后,其与混合的水发生化学反应从而固化并硬化,并且在硬化后,即使在有水存在的情况下也能保持强度和稳定性。达到这种强度和稳定性的关键要求在于:与水立即反应而形成的水合物基本不溶于水。水硬性水泥的固化和硬化是由含水化合物的形成而导致的,该含水化合物是由于水泥成分与水反应而形成的。所述反应和反应产物分别称为水合作用、以及水合物或水合相。由于立即开始反应,所以可以观察到变硬,开始时,稍微变硬,但随着时间的延长,变硬的程度会提高。变硬达到一定水平的点称为固化启始点。进一步的凝固称为固化,之后开始硬化阶段。然后,经过几天(对于“超速硬化”水泥而言)到几年的时间(对于普通水泥而言),材料的抗压强度稳定地增加。
石膏灰泥是一类基于半水合硫酸钙(CaSO4·0.5H2O)的建筑材料。通常,灰泥起初为干粉末,将该干粉末与水混合从而形成糊剂,糊剂放热并随后硬化。与砂浆(mortar)或水泥不同的是,糊剂在干燥后仍然十分软,并且能够容易地用金属工具或砂纸处理。石灰灰泥(limeplaster)是氢氧化钙与沙子(或其他惰性填充剂)的混合物。通过空气中的二氧化碳将氢氧化钙转化成碳酸钙而使得这类灰泥固化。
许多有机粘结剂可通过(例如本领域已知的)聚合或固化处理而变得固化或硬化。
粘结剂可以以任何合适的比例与气凝胶组分混合。例子包括但不限于气凝胶与粘结剂的体积比在约150至约5的范围内,优选在约150至约10的范围内,更优选在90至30的范围内。
在一个实施方案中,采用表面活性剂和/或粘结剂将气凝胶层(例如,上述毡或片)粘结在一起,从而形成多层复合材料。
在本发明的一些实施例中,可以选择起到粘结剂作用以及还能提供表面活性特性的材料。这类材料的优选例子包括丙烯酸酯。
在本发明的一些实施方式中,将表面活性剂和/或粘结剂提供到配制物中,所述配制物例如为砂浆配制物(例如灰浆配制物)、灰泥配制物、以及它们的任意组合。
砂浆是用于将砖块、石头、瓦片、混凝土砌块等粘结成一定结构的介质,砂浆通常含有沙子和水泥,例如砌筑水泥、波特兰(Portland)水泥、氯氧水泥等。在有水的情况下,沙子-水泥混合物形成塑性的可使用的混合物,该混合物随后会固化或硬化。总体上,砂浆与混凝土类似,都是靠硅酸钙基化学物质发挥作用,但是与混凝土不同的是,砂浆往往不包含粗集料(coarseaggregate)。用于砖瓦作业或用来填充沟缝(例如圬工接缝或其他裂缝)以使相邻部件固结成硬块的稀砂浆(例如由水泥、石灰或石膏通常与其他成分如沙子和水所形成的稀砂浆)通常被称为“灰浆”。
灰泥通常是指石膏或石灰与沙子的混合物,该混合物与水形成类似糊剂的材料,该材料可以以其塑性状态被直接施加于砖块或施加到其他用于天花板的表面上、或者施加到建筑物的内墙或外墙上,在这些情况中,该材料也被称为“粉饰灰泥(stucco)”。当水蒸发时,该材料在所覆盖或涂覆的表面上形成硬的内衬层(lining)。
砂浆(例如,灰浆)配制物以及灰泥配制物通常含有起到加速剂、缓凝剂、增塑剂、加气化合物(airentrainmentcompound)、颜料、粘结剂、泵送助剂等作用的额外的化合物。
加速剂(例如)加速混凝土的水化作用(硬化)。使用的典型材料的例子是CaCl2和NaCl。缓凝剂减缓混凝土的水化作用,并且用于那些在浇筑完成前不希望其中出现局部固化的大型浇筑或难以浇筑的情况中。典型的缓凝剂是糖(C6H12O6)。
加气剂将微小的气泡引入并分散到混凝土中,这将减少在冻-融循环中产生损坏,从而提高混凝土的耐久力。通常,夹带的空气会对强度产生折衷作用,每1%的空气可导致抗压强度降低5%。
增塑剂(减水掺合物)提高塑性混凝土或“新拌”混凝土的和易性(workability),使其更易于施放,而固结时更省力。超增塑剂(高范围减水掺合物)是一类在用于显著提高和易性时几乎不产生有害作用的增塑剂。或者,增塑剂可以用于降低混凝土的水含量(由于这种应用,因而已经被称为减水剂),同时保持和易性。这提高了它的强度和耐久特性。
颜料可以用于改变混凝土的颜色以求美观。典型的例子为二氧化钛(TiO2)。腐蚀抑制剂用于使混凝土中的钢铁和钢筋受到的腐蚀达到最低程度。结合剂用于在新旧混凝土之间产生粘结作用。泵送助剂提高可泵送性、使糊剂变稠并降低脱水性(水从糊剂中分离出来的趋势)。
砂浆(例如灰浆)配制物或灰泥配制物中可以存在的其他化合物包括界面活性剂、纤维素、诸如丙烯酸酯类的有机聚合物等。
可以使用的合适的砂浆(例如灰浆)配制物或灰泥配制物包括针对具体应用而商购可得的那些,这些应用例如为本领域已知的连接干墙板、铺瓦或砌砖工程、覆盖建筑物外立面、在内部或外部涂以灰泥的工作以及许多其他工作。在一个实施方案中,砂浆(灰浆)配制物是符合欧洲标准EN13888的配制物。一个例子是可得自欧洲的由SAKRETTrockenbaustoffeEuropaGmbH&Co.KG(地址为:德国Otto-von-Guericke-Ring3,D-65205Wiesbaden)公司制造的名称为“Fugenweiβ”(名称为Mortierdejointoiementblanc或者Impastosigillantepergiuntiblanco)的灰浆配制物。可商购的另一种合适的灰浆配制物是来自美国CustomBuildingProducts公司的灰浆聚合物共混物(polyblend)。也可以使用订制砂浆(例如,灰浆)配制物或灰泥配制物。可以使用的灰浆配制物的其他非限制性例子为:由美国加利福尼亚州CustomBuildingProuducts公司制造的“Simplefix预混粘合剂和灰浆”(SimplefixPremixedAdhesiveandGrout),由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Waterplug水硬性水泥,由美国俄亥俄州的Elmer’sProducts公司制造的Elmer’sProbond混凝土粘接剂(Elmer’sProbondConcreteBonder),由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Thorocrete。
可以使用粘结剂与含有粘结剂的配制物(例如,砂浆配制物、灰泥配制物、或灰浆配制物)的组合。为了简化制备,可以减少所用的成分数,在一些实施方案中,组合物包含:(i)无机粘结剂(例如水泥),或(ii)含有无机粘结剂的配制物,例如灰浆配制物、砂浆配制物或灰泥配制物(例如,以上所述的那些);但是并非这两者都包含。
可任选的是,组合物可以包含其他成分。在本申请中,术语“另外的成分”或“其他成分”是指处于气凝胶组分以外的用于形成组合物的化合物或材料。例如,如果使用气凝胶颗粒,术语“其他成分”是指能够与所使用的气凝胶颗粒组合使用的成分,而不是已经存在于气凝胶颗粒中或其表面的成分。通常,该术语还表示尚未存在于所用的含有粘结剂的配制物(例如,灰浆配制物、灰泥配制物或砂浆配制物)中的材料。
这些其他成分可以用于强化最终的产品、润湿气凝胶颗粒的外表面、提高与基底的粘附力、使组合物更有可能粘附至表面、用于提供或增强组合物中所需的或使用它的成品中所需的或由于其他原因所需的其他性质。
可以使用的其他成分的例子包括但不限于遮光剂、粘度调节剂、固化剂、能够强化或减缓粘结剂的硬化速率的试剂、提高机械强度的试剂或材料、粘度调节剂、增塑剂、润滑剂、增强材料、阻燃剂以及许多其他试剂。还可以使用这些成分的组合。用量取决于具体的应用以及其他因素。
在优选的实施方式中,组合物包含气凝胶组分、表面活性剂、粘结剂(或者兼具粘结和表面活性特性的材料)、以及一种或多种其他成分,其中至少一种选自由以下物质构成的组:二氧化硅(包括但不限于热解硅石、胶态硅石或沉淀二氧化硅)、遮光剂(包括但不限于炭黑和二氧化钛)、珍珠岩、微球(例如玻璃微球或聚合物微球)、硅酸盐(例如,硅酸钙)、共聚物、界面活性剂、矿物粉末、成膜组分(filmbuildingcomponent)、表面活性剂、纤维以及它们的任意组合。
在其他具体的例子中,组合物包含气凝胶组分、表面活性剂、粘结剂(或兼具粘结和表面活性特性的材料)、以及由纤维构成或者主要由纤维构成或者包含纤维的其他成分。通常,纤维具有细长(例如柱状)的形状,长度与直径之比(长径比)大于1,优选大于5,更优选大于8。在许多例子中,纤维的长度与直径之比为至少20。纤维可以是织造的、无纺的、切短的或连续的。纤维可以是单组分、双组分(例如包括由一种材料制成的芯和由另一种材料制成的壳)或多组分的。纤维可以是中空的或者为固体,并且可具有平的、矩形的、圆柱形的或不规则的横截面。纤维可以是松散的、切短的、成束的、或连结成网或稀松布。
在使用了纤维的本发明的实施方案中,纤维可以是无机纤维,例如矿棉纤维(例如,玻璃纤维、石纤维或渣纤维)、生物可溶性陶瓷纤维、或连续制成的玻璃纤维或石纤维的织造形式或无纺形式或切短的形式。可得的合适的纤维类型的具体例子为来自丹麦RockwoolInternationalA/S公司的名称为RB260的纤维。
在一些例子中,相对于组合物(例如,干混物、浆料、糊剂、复合材料(例如,自支承刚性复合材料或固体复合材料)等)的总重量而测量的纤维的量为大于0重量%,例如大于2重量%、优选大于5重量%,并小于25重量%(例如,小于20重量%,譬如小于15重量%或小于10重量%)。在其他例子中,这些纤维的存在量为至少25重量%,例如大于40重量%。在具体的实施方式中,这些纤维在组合物中存在的量为至少25重量%且小于约90重量%,例如小于75重量%或小于50重量%。在一些实施方案中,上述的量反映了处于气凝胶组分以外的纤维(例如,加入气凝胶组分中以形成组合物的纤维)的量。在其他实施方案中,上述的量反映了处于气凝胶组分以外的纤维的量加上可能已经存在于气凝胶组分中的纤维的量。
纤维的其他例子包括碳纤维、聚合物基纤维、金属(例如,钢)纤维、纤维素纤维、衍生自植物的纤维(例如,棉、木材、或大麻纤维)。这样的纤维可以以大于0重量%、例如大于2重量%(例如,大于5重量%、大于10重量%、大于20重量%或大于25重量%)的量包含在本申请所述的组合物(例如,复合材料、浆料、糊剂、自支承刚性复合材料、固体复合材料等)中。这些纤维在组合物中的存在量可以为小于约90重量%,例如小于约75重量%或小于50重量%。
还可以使用纤维的组合。
在本发明的一些实施方案中,组合物不包含纤维。如果使用的话,纤维可以提高成品的机械性能,但可能也会降低隔热性。可以加入其他成分(例如,网状织物或皮革)来提供增强作用。
在一些实施方案中,组合物是干态的混合物或共混物的形式。可以将气凝胶组分、表面活性剂、粘结剂以及可任选的一种或多种诸如(例如)纤维之类的其他成分在一个步骤中或按所需顺序掺入并共混到一起以形成干态混合物。可以通过将两种或多种要使用的成分掺混来形成干态前体混合物。如果希望的话,可以用(例如)配套设施制备各独立的组分或独立的前体共混物。
可以使用本领域已知的(例如)混合技术和/或混合设备在一步工艺中或按所需顺序将各成分和/或前体混合物添加到一起并混合,从而形成干态共混物。
在其他实施方案中,组合物包括流体,优选诸如(例如)水或含水的相之类的液体。液相还可以由、或主要由一种或多种除水之外的诸如(例如)一种或多种有机溶剂之类的材料构成,或者包含这样的材料。为方便起见,液体组合物或含有液体的组合物在本申请中通常称为“浆料”,并且本申请所用的术语“浆料”旨在包括溶液、分散体、悬浮体、糊剂等。
在一个例子中,将气凝胶组分添加至表面活性剂的水性相中。可以在引入气凝胶组分过程中和/或之前添加诸如(例如)粘结剂和/或纤维之类的其他成分。还可以将气凝胶组分添加至含有粘结剂的浆料中。
关于固体粘结剂,可以使用固体粘结剂的水溶液,或者在制备工艺过程中可以生成固体粘结剂的水溶液。当与疏水性气凝胶组合时,水性粘结剂溶液的优点在于不会渗入气凝胶的孔。在许多情况中,(例如)上述砂浆(例如,灰浆)配制物或灰泥配制物的存在使得气凝胶组分易于分散或悬浮于水中。优选含有粒状气凝胶和粘结剂(例如,存在于灰浆配制物中)的浆料是均质的,并且具有良好分散的气凝胶和/或粘结剂。
在具体的例子中,将另外的成分(例如,纤维)添加至流体相从而形成分散体、悬浮体或溶液,然后将这些分散体、悬浮体或溶液组合或掺入含有气凝胶组分的浆料前体或干态前体中。如果使用纤维,将它们加到浆料前体或液态前体中可以使它们易于分散。
可以基于所用材料的性质(例如,粒度或者可供暴露于水、空气、表面活性剂等的表面积)、混合技术、距组合物固化点的时间间隔、在固化之前所需的浆料粘度以及其他参数来选择用量。
在一些实施方式中,组合物包含(例如)70重量%或75重量%的型气凝胶和25重量%或30重量%的(例如)如上所述的灰浆配制物。型气凝胶的具体例子是名称为TD302的那些、以及TD302与TLD203的混合物等。所添加的水的量可以基于所需的浆料粘度、所需的应用和/或其他因素进行选择。例如,浆料可以包含40重量%的型气凝胶、10重量%的灰浆配制物以及50重量%的水。
可以引入表面活性剂、pH调节剂和其他材料来调制浆料的性质。例如,可以通过所加的液体的量、机械处理、添加技术(例如,所加组分的顺序、连续式、间歇式、或全部量的干相与流体相的一步掺混)、稀释剂的存在以及本领域已知的其他方式来控制浆料粘度。在许多情况中,浆料是触变性的,换句话说,它在剪切力下变得更像液体(粘性更低)。
在具体实施方式中,浆料前体具有高pH,例如至少10,优选至少13。在其他例子中,组合物为水基浆料,其pH为约10,优选为约13,并且包含气凝胶组分。在一些实施方案中,高pH组合物包含气凝胶组分和表面活性试剂,例如PluronicP84或如上所述的那些之一的另一种合适的表面活性剂。
在本发明的一个实施方式中,将气凝胶组分与高pH液体(通常为水)组合来形成组合物。在具体的例子中,组合物包含气凝胶组分(例如,粒状气凝胶)和pH为至少10、优选更高(例如,13)的水。在具体实施方式中,还存在表面活性剂。也可以掺入粘结剂和/或其他成分(例如,纤维)。在一些实施方式中,组合物可以由(或主要由)气凝胶组分、高pH水以及兼具粘结和表面活性特性的化合物或材料构成,或者可以包含气凝胶组分、高pH水以及兼具粘结和表面活性特性的化合物或材料。在一个实施方案中,组合物由(或主要由)气凝胶组分、高pH水和丙烯酸酯构成,或者包含气凝胶组分、高pH水和丙烯酸酯,认为丙烯酸酯兼具粘结性和表面活性特性。在其他实施方式中,组合物由(或主要由)气凝胶组分、高pH水和纤维构成,或者包含气凝胶组分、高pH水和纤维。在另一实施方案中,组合物由(或主要由)气凝胶组分、高pH水和粘结剂或含有粘结剂的配制物构成,或者包含气凝胶组分、高pH水和粘结剂或含有粘结剂的配制物。在另一实施方案中,组合物由(或主要由)气凝胶组分、高pH水、表面活性剂和纤维构成,或者包含气凝胶组分、高pH水、表面活性剂和纤维。
在一些例子中,浆料包含能够加速或减缓干燥(例如,粘结剂的固化或硬化)的附加成分。
可以使用振动、搅拌和/或其他技术来混合液体材料和固体材料。在具体的例子中,强制使轻颗粒(例如,气凝胶颗粒)进入液相中。在其他例子中,使水滴上升而抵达所述较轻的颗粒。
可以通过手动搅拌或在诸如(例如)水泥搅拌机、手持式旋转混合器、螺带式混合器等搅拌机或混合器中实现混合。可以使用诸如具有双螺带浆的混合器、行星式搅拌机等混合器。在一些情况中,桨叶的设计和/或性质(例如,提高桨叶的锋利性)可以缩短完成混合工艺所需的时间,并且在一些情况中可影响最终产品的性质。
可以调节诸如混合速度、温度、剪切度、液体和/或固体材料的顺序和/或添加速率等参数,这可能取决于操作的规模、化合物的物理和/或化学性质等。混合技术还可以改变气凝胶颗粒的粒度分布,这导致在所得复合材料中获得各种填充效率。
可以在室温或其他合适的温度下进行混合。通常,在环境空气中掺混各成分,但也可以提供特殊的气氛。
在本发明的另外的实施方案中,组合物是固体。通过合适的物理和/或化学工艺(本申请中称之为“干燥”,包括例如聚合物固化、水泥硬化、水蒸发等),由(例如)如上所述的浆料生产出包含气凝胶组分的复合材料。在本申请中,术语“复合材料”是指具有与用于形成复合材料的物质的性质不同的结构特性或功能特性的材料。优选复合材料还包含表面活性剂和/或粘结剂以及任选包含其他成分,所述其他成分例如为纤维。
可以调节诸如温度、时间、干燥条件、湿度、均热和升温方案(soakingandrampingprotocols)、特殊气氛、用于影响这些工艺的试剂的性质等参数、并且如本领域已知的那样或者如通过常规实验所确定的那样,使这些参数最优化。
在许多情况中,在室温下干燥浆料,但也可以在高于室温的温度下固化或硬化浆料,例如通过将浆料放在温度范围在约30℃至约90℃的烘箱中来固化或硬化浆料。干燥可以进行短至几分钟或较长的时间段,针对具体的应用,可以将组合物配制成具有较短或较长的固化时间。在许多例子中,浆料在约5分钟至约24小时范围内(例如,半小时)的时间段内固化。
可以使复合材料进一步进行老化和/或烘焙循环并进一步加工(例如,进一步成形、抛光等),从而生产出成品。
可以使形成的复合材料具有特定的可渗透性。在许多情况中,复合材料是疏水性的,并且可具有所需的拒水性、接触角、水浸湿或水吸收特性。
在本发明的一些实施方式中,通过使用高pH(例如,至少pH10并优选更高,例如约至少13)的水来形成复合材料。这种自支承复合材料的例子包含气凝胶组分和纤维,例如矿棉纤维。如果加入表面活性剂材料的话,该表面活性剂材料可以强化气凝胶颗粒的润湿性。
在其他实施方式中,复合材料由(或主要由)气凝胶组分和一种或多种聚合物构成,或者包含气凝胶组分和一种或多种聚合物。丙烯酸酯(例如)可以影响固体产品的机械性能,例如挠性、拉伸强度、破坏强度等。在具体的例子中,粘结剂是(例如)可得自WackerPolymerSystems,GmbH&Co.KG(德国Burghausen市JohannesHessStrasse24,84489)公司的名称为Vinnapas的苯乙烯丙烯酸共聚物。
在具体的实施方案中,固体复合材料是刚性的。通常,刚性物体在它们自身的重力下不会发生可见的变形。在其他具体实施方案中,复合材料是自支承的,即能够承受或负载其自身的重量,在本发明的具体实施方式中,它衍生自可模制的前体。例如,浆料(例如,糊剂)可以通过使用合适的模具、接着进行硬化处理(例如,固化)或涉及水泥或灰泥硬化化学过程的处理而成形。可任选的是,可以在从模具中取出之前或之后,(例如)在室温下或在烘箱中干燥硬化了的产品,并且可以通过额外的成形、抛光或其他步骤进一步处理。还可以通过雕塑或通过使用挤出机来制备自支承复合材料。本发明一个实施方案的自支承刚性复合材料的照片如图1所示。
在其他实施方式中,通过将浆料施加至基底,并使浆料或糊剂干燥(硬化),形成涂覆在该基底上的复合材料,从而制备得到涂层形式的复合材料,该基底例如是墙壁、天花板、门、框架、管道、干墙、建筑物外立面、诸如(例如)矿棉板或坯之类的隔离板、成品以及许多其他类型的表面。将浆料或糊剂施加到基底上的方式可取决于粘度因素和其他因素,可以包括涂刷、喷射、泵送等。可以使用涂刷、喷射和其他技术。在一些应用中,采用将浆料泵送通过一根或多根导管,例如软管或管道,来施加浆料。在其他应用中,将浆料喷射到例如表面上或喷射到空穴或裂缝中。在另外的应用中,涂刷浆料或糊剂。还可以将浆料或糊剂模制、雕塑、浇注或挤压,从而获得成形的制品。
例如,为了在建筑空间内达到隔离的目的或为了其他应用,还可以通过将浆料泵送或喷射到围壁(enclosure)内来形成复合材料。
在一些具体方面中,本发明涉及具有特定性质的复合材料,这些性质例如是热传导性、机械性能、声学特性、耐火性和/或其他有用的性质。复合材料优选是自支承的,并且包含(例如粒状形式的)气凝胶组分。复合材料还可以包含表面活性剂、粘结剂和/或其他成分。在一些例子中,通过用高pH水处理气凝胶组分来形成复合材料。在其他例子中,复合材料包含气凝胶组分和丙烯酸酯。
在具体实施方案中,本发明涉及优选是刚性和/或自支承的复合材料,该复合材料具有低导热率,例如按照美国标准测试方法(ASTM)C518(通过热流仪表装置对稳态热传递性能的标准测试方法(StandardTestMethodforSteady-StateThermalTransmissionPropertiesbyMeansoftheHeatFlowMeterApparatus))测量,在23℃的温度下不大于50mW/m-K的导热率,优选不大于约30mW/m-K,优选不大于约20mW/m-K。导热率是材料的固有性质,它衡量材料对热流的保持能力。用来表示导热率的符号为k(或拉姆达,λ)。导热率的倒数是热阻系数,即,材料抵抗一维热流的固有性质。热阻系数的单位为m-K/mW(米乘以开尔文除以毫瓦)。优选使用粒状气凝胶制备组合物。在具体的例子中,组合物的导热率在约20mW/m-K至约30mW/m-K范围内。
由于空气的导热率为26mW/m-K,因此在超低拉姆达复合材料中存在空气将降低该复合材料的热性能。在一些实施方式中,复合材料包含有效填充的气凝胶组分。在具体的例子中,空气的存在量不大于约40%体积/体积。优选空气的存在量小于约30体积%,更优选小于约20体积%。降低最终复合材料中的空气体积分数的方法包括粒度分布(PSD)的选择/产生、振动填充、真空填充、使用消泡剂等。使用具有一定的小颗粒和大颗粒之比的宽PSD将促进有效填充。球状或接近球状的颗粒可以与非球状的颗粒(例如,随机成形或伸长的颗粒)组合。可以用起始气凝胶材料来引入PSD或者可以(例如)通过使用高剪切混合在混合工艺过程中产生PSD。
固体复合材料的密度通常取决于所加入的添加剂。高密度成分(例如,TiO2或诸如某些类型的纤维)的存在可以使复合材料的密度(与不使用这些成分而制备的类似复合材料相比)升高。本发明的复合材料(例如自支承刚性复合材料)的密度可以在约0.06g/cm3至约0.35g/cm3范围内,优选在约0.08g/cm3至约0.25g/cm3范围内,更优选在0.1g/cm3至0.15g/cm3范围内。在其他例子中,复合材料的密度不大于约2.5g/cm3,优选不大于1.5g/cm3,更优选不大于1g/cm3
本发明的自支承复合材料可以具有适于特定应用的机械性能。在具体的例子中,例如按照ASTMC203的指南测定,模制复合材料的抗压强度在约0.05MPa至约0.3MPa范围内,挠曲强度最高达约0.05MPa。在其他情况中,模制复合材料具有不同的机械性能。
在许多情况中,固体复合材料具有阻燃性和/或防火性。在具体的例子中,复合材料包含气凝胶毡,该气凝胶毡层叠到一起,形成具有耐火性质的多层复合材料。可以将额外的阻燃剂或膨胀性材料引入多层复合材料上。
在其他例子中,复合材料(例如,如上所述的自支承刚性复合材料)可以在相当大的温度范围(例如,深冷温度或低温至高温)内使用。
复合材料还可以具有良好的隔音性质。
据信一种或多种因素可有助于形成均质的混合物,但并不希望这受限于相关机理的任何特定的解释。例如,据信存在于含有粘结剂的配制物(例如,灰浆配制物)中的聚合物添加剂起到表面活性剂的作用,增强了水性分散体与许多气凝胶材料之间的相容性。存在于含有粘结剂的配制物中的颗粒也可以具有表面活性的性质,因此介于气凝胶与水性相之间。水泥水化时产生的高粘度可以促进物理混合,而升高pH据信会降低气凝胶表面的疏水性,并且在某些情况中使该表面具有亲水性。
认为键合作用有助于自支承性质,该键合作用可以通过含有粘结剂的配制物中的CaCO3/CaO成分与某些类型气凝胶的二氧化硅表面之间发生反应(可能形成硅酸钙水合物)来改善或加强。据信,水泥在气凝胶颗粒周围形成基质,由此保持这些颗粒。
据信,在本申请公开的组合物(例如,复合材料)中所观察到的超低导热率可以通过在混合过程中对颗粒进行剪切以产生宽的粒度分布(PSD)来改善或强化。而宽的PSD能产生更有效的颗粒填充。在本发明的一些方面,粘结剂以低体积分数存在,并且不会渗出。在其他方面,粘结剂以较高的水平存在并且渗出。另外,一些无机粘结剂具有固有的干扰IR透过复合材料的遮光性能。
本申请公开的组合物可以在与需要使用常规砂浆、灰泥、灰浆等相似的情况中使用。在其他应用中,组合物(例如,干态共混物或浆料)可以掺入用于制造砖、干墙、壁板或屋顶材料、瓦片、天花板瓦片、油漆等的原料中。磨成精细粉末可能对油漆或涂料应用是有利的,例如可以避免表面具有纹理。研磨后的粒度优选为等于或小于涂层厚度。
本发明的具有粘性的组合物可以用来填充间隙或裂缝以防御昆虫或害虫。如果保留的表面为疏水性的,则将通过除掉昆虫的脂肪甲片(fatshield)使得它们变干并死亡来杀死在表面上蠕动的昆虫。在许多实施方式中,本申请所述的组合物具有疏水性质,可以用在建筑物外立面作业、下阵雨以及其他潮湿环境中。
在其他应用中,可使组合物成形从而形成刚性的自支承制品或该制品的一部分。
以下实施例是示例性的,并非旨在限制本发明。
对比例1
将Nanogel气凝胶TD302、灰浆、水泥和丙烯酸酯掺混并放置在模具中,使它们在室温下在模具中硬化约30分钟。将它们从模具中移出,并且在来自德国HestoElectronikGmbH公司的Lambda-ControlA50设备上测量导热率。冷板和热板分别保持在10℃和36℃,平均温度为23℃。所用的重量比和所测量的导热率(单位为mW/m-K的拉姆达值)如表I所示。
表I
实施例2
将来自Cabot公司的气凝胶TD302和包含灰浆的第二成分与水掺混。具体而言,将160g水与70克气凝胶和23gFugenweiβ灰浆配制物(由SAKRETTrockenbaustoffeEuropaGmbH&Co.KG公司制造,地址:德国Otto-von-Guericke-Ring3,D-65205Wiesbaden)掺混。用装有水泥搅拌桨的手持钻将掺混后的成分剧烈地混合较短的一段时间,从而形成看起来均匀、并具有粘性的糊剂或浆料。通过振动或剪切使浆料更易流动。
将浆料放到用于制备适于导热率测量的类似砖形状的砖瓦模具中,并在85摄氏度(℃)的烘箱中放置36小时。通过来自德国HestoElectronikGmbH公司的Lambda-ControlA50设备测量所得硬化了的组合物的导热率。冷板和热板分别保持在10℃和36℃,平均温度为23℃。测量的拉姆达值为15.5mW/(m·K)。
实施例3
在另外的实施例中,将150g水、90g名称为TLD302的NanogelTM气凝胶以及30gFugenweiβ灰浆配制物掺混从而形成浆料。将该浆料放到用于制备适于导热率测量的类似砖形状的砖瓦或框架模具中,并在45摄氏度(℃)的烘箱中放置48小时。使用来自德国HestoElectronikGmbH公司的Lambda-ControlA50设备测量所得自支承复合材料的导热率。冷板和热板分别保持在10℃和36℃,平均温度为23℃。测量的拉姆达值为14.6mW/m-K。
实施例4
将200g水、169g名称为TLD302的NanogelTM气凝胶以及41gFugenweiβ灰浆配制物掺混并混合从而形成浆料。将该浆料放到用于制备适于导热率测量的类似砖形状的砖瓦或框架模具中,并在45摄氏度(℃)的烘箱中放置48小时,所得自支承复合材料的拉姆达值为14.4mW/m-K。在来自德国HestoElectronikGmbH公司的Lambda-ControlA50设备上进行测量。冷板和热板分别保持在10℃和36℃,平均温度为23℃。
实施例5
使用列于以下表2中的成分制备了几个样品。所用气凝胶为从美国马萨诸塞州Billerica市的Cabot公司获得的名称为NanogelTMTLD302的半透明气凝胶。灰浆配制物是从美国康涅狄格州LATICRETEInternational公司获得的LaticreteBeige灰浆。表面活性剂是从美国BASF公司获得的名称为PluronicP84的基于环氧乙烷与环氧丙烷共聚物的非离子表面活性剂。所用纤维是来自丹麦RockwoolInternational公司的Rockwool纤维(RB260),Belcotex型玻璃纤维是从美国南卡罗莱纳州LauschaFiberInternational公司获得的。使用来自美国AldrichChemicals公司的0.1M的氢氧化钠(NaOH)溶液作为pH13的水溶液。为了便于使用,制备了50%g/g的PluronicP84的去离子水(DI水)溶液。半水合硫酸钙和硅酸钠来自美国AldrichChemicals公司。
将用表2所示的特定组合形成的糊剂或浆料混合物放置到尺寸为8×8英寸(204mm×204mm)不锈钢模具中,并在85℃下干燥过夜。在来自美国马萨诸塞州LaserComp公司的LasercompModelFox200上测量导热率。该机器遵循ASTMC518。该测量操作的平均温度为25℃,底板和顶板的温度分别保持在38℃和12℃。
制备样品的具体细节如下所述。
通过如下方式来制备样品5A:将水加入混合容器,以750-800rpm的转速开启混合器(具有双螺旋附件的架空式混合器(overheadmixer))。将用气凝胶TLD302和LaticreteBeige灰浆制成的干混物缓慢地添加至水中。每次添加都使rpm降低40-50rpm。一旦rpm回到初始时的rpm,则进行另一次添加。添加的越多,越需要升高混合器的速度以保持初始时的rpm值。将所得均质混合物放在模具中并干燥过夜。
通过以下方式来制备样品5B、5C:将水、TLD302气凝胶和LaticreteBeige灰浆按此顺序加到混合容器中。使用具有双螺旋搅拌附件的手动钻。以400rpm的转速开始搅拌,搅拌30秒,升高至1400rpm搅拌30秒,降低至400rpm再搅拌30秒。将所得均质混合物放在模具中并干燥过夜。通过以下方式来制备样品5D:将水、CBTLD103气凝胶(炭黑与Nanogel气凝胶的共混物)以及LaticreteBeige灰浆按此顺序加到混合容器中。使用具有双螺旋附件的手动钻。以400rpm的转速开始搅拌,搅拌30秒,升高至1400rpm搅拌30秒,降低至400rpm再搅拌30秒。将所得均质混合物放在模具中并干燥过夜。
通过以下方式来制备样品5E:将水和表面活性剂溶液放到混合容器内。缓慢加入纤维,直到形成均质的粘性液体。
所用混合器为具有双螺旋附件的架空式混合器。将它的速度升高到850-900rpm。缓慢加入TLD302,每次添加都使RPM值降低40-50。将所得均质混合物放在模具中并干燥过夜。得到了气凝胶与纤维的一体化复合材料,其表现出一定程度的分层。
通过以下方式来制备样品5F:首先将水、表面活性剂溶液和硅酸钠溶液加入混合容器。开启(750-800rpm)混合器(具有双螺旋附件的架空式混合器)。缓慢加入纤维直到形成均质的粘性液体。缓慢加入TLD302气凝胶,每次添加都使混合速度降低40-50。将所得均质混合物放在模具中并干燥过夜。得到了气凝胶与纤维的一体化复合材料。
关于样品5G,将水和表面活性剂溶液加到混合容器中。缓慢加入纤维直到形成均质的粘性液体。
将混合器(具有双螺旋附件的架空式混合器)的旋转速度升高至850-900rpm。制备TLD302气凝胶与半水合硫酸钙的干混物并将其缓慢加入。每次添加都使混合器的速度降低40-50。将所得均质混合物放在模具中并干燥过夜。得到了气凝胶与纤维的一体化复合材料。
测量样品5A至5D的导热率,结果列于表II。
表II
实施例6
通过(例如)针对样品5B所描述的方法而制备的灰浆-气凝胶复合材料的扫描电镜照片如图2所示。图3示出了按照对样品5E的描述,用高pH水制备的气凝胶-矿物纤维复合材料的扫描电镜照片。
实施例7
由Acronal10重量%、NanogelTM气凝胶50重量%、水泥15重量%、纤维25重量%制备的自支承刚性复合材料的导热率为20.2mW/(mK)。在来自德国HestoElectronikGmbH公司的Lambda-ControlA50设备上进行测量。冷板和热板分别保持在10℃和36℃,平均温度为23℃。
实施例8
按照以下方法制备RockwoolRB260/Nanogel复合材料。将水和表面活性剂加至被固定的塑料容器中。开启具有双螺旋附件的架空式混合器。将速度调节至200-300rpm。缓慢加入RB260。制备Nanogel与干粘结剂(这里为半水合硫酸钙)的干混物。将混合器的速度升高至约350rpm,并缓慢加入Nanogel与粘结剂的干混物。继续混合直到获得均质的像糊剂的混合物。然后将混合物倒入矩形和圆形的模具中。在85℃烘箱中干燥过夜。粘结剂与气凝胶的比例以及气凝胶与纤维的比例如以下表III所示。在LasercompModelFox200设备上测量导热率。该测量操作的平均温度为23℃,底板和顶板的温度分别保持在36℃和10℃。在4204型Instron设备上测量圆形浇注件的抗压强度。
记录的各种参数的测定值如表III所示。
表III
实施例9
本实施例使用短玻璃纤维来改进复合材料的机械性能。在所有情况中,所用粘结剂的类型均为半水合硫酸钙。使用两种不同的装置(set-up)制备各种混合物。
将水(约250mL)和小于2g的短玻璃纤维加入共混器中,将这些成分混合直到它们能很好地分散,此时再加入小于2g的所述短玻璃纤维。继续搅拌直到获得良好分散的产品,并且重复加入纤维,直到全部需要量的纤维都已经加入。一旦所有的纤维都已经被混合,则将玻璃纤维溶液倒入螺纹口塑料瓶中,将表面活性剂加入该瓶中并振动使纤维再次分散。将所得的纤维/表面活性剂混合物转移至被固定的塑料容器中,并将额外的水(50-100mL每剂)加至该塑料容器中。将NanogelTM型气凝胶和粘结剂添加至塑料容器中。对于样品9A和9B,开启具有双螺旋附件的架空式混合器并混合这些成分直到获得均质的糊剂。
对于样品9C-9F,用位于手持式动力钻上的双螺旋附件进行2-3分钟的搅拌直到形成类似糊剂的组合物。发现当采用较高的纤维加载量时,这种高扭矩混合设备(在表中称为“钻”)便于混合。
然后将混合物倒入矩形和圆形的模具中。在85℃烘箱中干燥过夜。粘结剂与气凝胶的比例以及气凝胶与纤维的比例如以下表IVA所示。在LasercompModelFox200设备上测量导热率。该测量操作的平均温度为23℃,底板和顶板的温度分别保持在36℃和10℃。在4204型Instron设备上测量圆形浇注件的抗压强度。各种参数和测定的值列于表IVA和IVB中。
表IVA
表IVB
ID# 抗压强度(MPa) 传导率(mW/mK)
9A 0.136 23.5
9B
9C 0.142
9D 0.083 26.7
9E 0.122 21.7
9F 25.8
实施例10
为了使复合材料不透明,将额外的TiO2金红石添加至混合物。金红石TiO2的粒度小于5微米,并且得自美国AldrichChemicals公司。还使用了来自Laushua纤维公司的两种不同尺寸的Belcotex纤维,长度分别为6毫米和12毫米。NanogelTMTLD100具有0.1毫米至4毫米范围内的宽粒度分布。
将水(约250mL)和小于2g的短玻璃纤维加到共混器中并混合,直到纤维能很好地分散。接着再加入小于2g的所述短纤维。将这些成分再次混合直到获得良好分散的组合物。重复这些步骤直到全部量的纤维都已经被添加。一旦所有的纤维都已经被混合,则将玻璃纤维溶液倒入螺纹口塑料瓶中。将表面活性剂和金红石TiO2添加至该瓶中,然后振动该瓶使纤维再次分散。将所得的纤维/表面活性剂/TiO2混合物引入被固定的塑料容器。将额外的水(50-100mL每剂)添加至该螺纹口瓶中以便除去任何残留物,并将内容物转移至该塑料容器中。
将NanogelTM气凝胶、TiO2和粘结剂添加至塑料容器中。在样品10D中,粘结剂为由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Waterplug水硬性水泥。在本实施例中,用于制备所有其他样品的粘结剂均为半水合硫酸钙。用带有螺旋式水泥搅拌器(其具有双螺旋附件)的手持钻进行混合,以低速(小于400rpm)开启该钻,保持约一分钟,然后提高速度(约400rpm)并再混合2-3分钟,直到形成类似糊剂的混合物。
将该类似糊剂的混合物倒入矩形和圆形的模具中并在85℃的烘箱中干燥过夜。在LasercompModelFox200设备上测量导热率。该测量操作的平均温度为23℃,底板和顶板分别保持在36℃和10℃。在4204型Instron设备上测量圆形浇注件的抗压强度。粘结剂与气凝胶的比例以及气凝胶与纤维的比例、测定的测量值以及其他参数的值总结在表VA和VB中。
表VA
表VB
实施例11
在本实施例中,粘结剂是以灰浆配制物来提供的,具体是得自美国康涅狄格州LATICRETEInternational公司的LaticreteBeige灰浆。
通过以下方式来制备样品:将水添加至塑料容器中,接着添加表面活性剂溶液。然后添加气凝胶和含有粘结剂的配制物,并用带有螺旋式水泥搅拌器的手持钻将这些成分混合约2分钟,得到均质的干燥易碎的混合物。
将该混合物倒入矩形和圆形的模具中并在85℃的烘箱中干燥过夜(约16小时)。在LasercompModelFox200设备上测量导热率。该测量操作的平均温度为12.5℃,底板和顶板分别保持在25℃和0℃。使用4204型Instron设备对圆形浇注件进行抗压强度的测定。所用的参数(包括粘结剂与气凝胶的比例以及气凝胶与纤维的比例)以及各种测量所测定的值如表VI所示。
表VI
实施例12
对以下粘结剂或含有粘结剂的配制物进行试验:(a)由美国加利福尼亚州CustomBuildingProuducts公司制造的“Simplefix预混粘合剂和灰浆”;(b)由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Waterplug水硬性水泥;(c)由美国俄亥俄州的Elmer’sProducts公司制造的Elmer’sProbond混凝土粘接剂;(d)由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Thorocrete。
具体而言,样品12A和12B使用Waterplug水硬性水泥。样品12C和12D使用由等份数的Waterplug水硬性水泥与得自美国康涅狄格州LATICRETEInternational公司的LaticreteBeige灰浆形成的混合物。样品12E使用25%g/g的Elmer’sProbond混凝土粘接剂和75%g/g的Waterplug水硬性水泥。样品12F包含50%g/g的Elmer’sProbond混凝土粘接剂和50%g/g的Waterplug水硬性水泥。样品12G使用Thorocrete,而样品12H使用“Simplefix预混粘合剂和灰浆”。
为了制备样品,将水加入塑料容器中,接着加入表面活性剂溶液并将二者混合。样品12C-12G没有添加表面活性剂,这是因为所用的配制物包含据信具有表面活性的添加剂(例如,聚合物添加剂或成分)。关于样品12H,在添加气凝胶之前,将水和含有粘结剂的配制物预混合小于1分钟的时间。
然后添加NanogelTM气凝胶和含有粘结剂的配制物,并用手持式水泥搅拌器将这些成分混合约2分钟,得到均质组合物,该组合物是可泵送的,并且静置时变硬。
将该组合物倒出并压入矩形和圆形的模具中,并在85℃的烘箱中干燥过夜(约16小时)。关于样品12B和12D,将混合物糊剂放入在其厚度的1/3和2/3处具有两层干墙带(drywalltape)的模具中,该干墙带的网眼尺寸为约4毫米。
用LasercompModelFox200设备测量导热率。该测量操作的平均温度为12.5℃,底板和顶板分别保持在25℃和0℃。在4204型Instron设备上测量圆形浇注件的抗压强度。表VII总结了粘结剂或含有粘结剂的配制物(在表中称为“粘结剂”)与气凝胶的比例以及气凝胶与纤维的比例、各种参数以及测量的值。
表VII
实施例13
将水添加至塑料容器中,接着添加表面活性剂溶液,然后添加气凝胶和粘结剂或含有粘结剂的配制物。用具有螺旋式水泥搅拌器的手持钻将这些成分混合约2分钟,得到均质的混合物,该混合物是干的并且易碎。使用25.0g的由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Waterplug水硬性水泥制备样品13A;使用25.0g的由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Thorocrete制备样品13B。
将该混合物倒入矩形和圆形的模具中,并在85℃的烘箱中干燥过夜(约16小时)。在LasercompModelFox200设备上测量导热率。该测量操作的平均温度为12.5℃,底板和顶板的温度分别保持在25℃和0℃。各种成分的比例、所测量的参数以及各种测量的值总结在以下表VIII中。
表VIII
实施例14
通过将1275g水、5g50%g/g的P84溶液、126g由美国加利福尼亚州CustomBuildingProuducts公司制造的“Simplefix预混粘合剂和灰浆”、以及501g的NanogelTM气凝胶TLD302掺混来制备大批量的混合物。首先将水与“Simplefix预混粘合剂和灰浆”混合1分钟。然后用具有螺旋式水泥搅拌器的手持钻将NanogelTM混入,混合时间约为6分钟,得到均质的可泵送的混合物。
将该混合物转移至矩形和圆形的模具中,将其中一些混合物在85℃的烘箱中干燥过夜(约16小时)。其他混合物在室温下干燥约16小时。在LasercompModelFox200设备上测量导热率。该测量操作的平均温度为12.5℃,底板和顶板的温度分别保持在25℃和0℃。各种参数的值如以下表IX所示。
表IX
看到在室温下干燥的样品,即样品14A和14C,产生明显的收缩。经测量,在200毫米的线性尺寸上收缩量为4毫米。
实施例15
对以下粘结剂或含有粘结剂的配制物进行试验:(a)由美国加利福尼亚州CustomBuildingProuducts公司制造的“Simplefix预混粘合剂和灰浆”;(b)由美国俄亥俄州的ThoroConsumerProducts,BASFConstructionChemicals公司制造的Waterplug水硬性水泥;(c)由美国俄亥俄州的Elmer’sProducts公司制造的Elmer’sProbond混凝土粘接剂;以及(d)以上所述的Fugenweiβ灰浆配制物。样品12F使用25%g/gElmer’sProbond混凝土粘接剂和75%g/gWaterplug水硬性水泥的组合物。样品12H使用“Simplefix预混粘合剂和灰浆”。样品15A和15B使用Fugenweiβ灰浆配制物。
为了制备样品,将水加入塑料容器中,接着加入表面活性剂溶液并将二者混合。
样品12C、15A、15B没有添加表面活性剂,这是因为所用的含有粘结剂的配制物包含据信具有表面活性的添加剂。使用半加仑的塑料容器按两个半份的批次来制备样品15A。在一个与搅拌桨叶的直径非常接近的较高且较细的容器中制备样品15B。
关于样品12C、12F、15A,一旦添加了气凝胶和粘结剂或含有粘结剂的配制物,则用具有螺旋式水泥搅拌器的手持钻将这些成分混合约2分钟,得到均质组合物,该组合物是可泵送的,并且静置时变硬。
关于样品15B,一旦添加了气凝胶和粘结剂或含有粘结剂的配制物,则用手持式水泥搅拌器将这些成分混合约10分钟,得到均质组合物,该组合物静置时迅速变硬。与样品15A相比,本样品更硬,而且颗粒已经受到显著的剪切作用。与15A相比,由本样品所得的浇注件具有更平滑的表面光洁度。与样品15A相比,样品15B更平滑,并且是类似灰泥的混合物,而样品15A是湿润易碎的糊剂。样品15A必须被倒入模具中,而样品15B则被铺撒在模具中。混合之后,样品15B的体积下降到原始体积的约55%。
将所得组合物倒入矩形和圆形的模具中并在85℃的烘箱中干燥过夜(约16小时)。通过测量模具的重量和体积来测定样品的密度。使用LasercompModelFox200设备测量导热率(单位为mW/m-K)。该测量操作的平均温度为12.5℃,底板和顶板的温度分别保持在25℃和0℃。还测量了如列于表XA中的其他平均温度。对于平均温度23℃,顶板和底板分别保持在10℃和36℃。对于平均温度62.5℃,顶板和底板分别保持在50℃和75℃。对于样品12F和12H,从制备样品开始约26天之后再进行测量,以便测定性能上的任何变化。如下表所示的那样,结果发现是在误差范围内可忽略不计的变化。
在4204型Instron设备上测量圆形浇注件的抗压强度。采用ASTMC203列出的指南在4204型Instron设备上测量样品的挠性。粘结剂与气凝胶的比例以及气凝胶与纤维的比例、各种参数以及测量的值总结在表XA和XB中:
表XA
表XB
实施例16
通过以下方式来制备使用硅酸钠作为粘结剂的样品:将300gpH13的水、6g50%P84的水溶液以及25.1g硅酸钠溶液(美国AldrichChemicals公司)加入混合容器中。以750-800rpm的转速开启具有双螺旋附件的架空式混合器。缓慢加入100gRB260Rockwool纤维直到形成均质的粘性液体。缓慢加入100gTLD302气凝胶,每次添加都使混合速度降低40-50rpm。将所得的均质混合物放到模具中并在85℃干燥过夜。复合材料的抗压强度为0.075MPa。
实施例17
用螺旋钻将100gTLD302、25g波特兰水泥(得自QuickereteUSA公司)、250g水混合2分钟。水转化成“干水”,即这样一种状态,其中,液态水被固体包封,得到粉末状的材料。该混合物保持为干粉末形式,直到添加1g50%的P84为止,再混合1分钟,得到类似湿浆料的样品12A。
虽然已经参照优选实施方案具体地展示并描述了本发明,但是本领域的技术人员应当理解的是,可以对其进行形式和细节上的各种改变,而不偏离所附权利要求书所涵盖的本发明的范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种组合物,包含:
a)气凝胶组分;
b)表面活性剂;
c)粘结剂或含有粘结剂的配制物;以及
d)选自由玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维、以及它们的任意组合所组成的组中的成分,
其中,所述组合物的导热率按照ASTMC518测量为不大于50mW/(m·K)。
2.权利要求1所述的组合物,其中,在干燥后,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
3.权利要求1所述的组合物,其中,在干燥后,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量为至少25%。
4.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中c)为无机粘结剂和含有无机粘结剂的配制物这二者中的一者而不是两者。
5.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中所述组合物是干混合物、浆料或复合材料。
6.权利要求5所述的组合物,其中所述浆料是可泵送的、可喷射的或可涂刷的。
7.权利要求5所述的组合物,其中所述组合物是具有按照ASTMC518测量为不大于约35mW/(m·K)的导热率的复合材料。
8.权利要求5所述的组合物,其中所述组合物是具有按照ASTMC518测量为不大于约20mW/(m·K)的导热率的复合材料。
9.权利要求5所述的组合物,其中所述复合材料是自支承刚性复合材料。
10.权利要求5所述的组合物,其中所述复合材料是涂料。
11.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中所述气凝胶是疏水性粒状二氧化硅气凝胶。
12.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中所述含有粘结剂的配制物是符合欧洲标准EN13888的灰浆配制物。
13.一种用复合材料涂覆基底的方法,该方法包括:
a)将无机粘结剂和含有无机粘结剂的配制物这二者中的一者而不是两者、水、气凝胶组分、以及另外的包含无机纤维的成分组合,从而形成浆料,所述无机纤维为矿棉纤维、或者为连续制成的玻璃纤维或石纤维的织造形式或无纺形式或切短形式;
b)将所述浆料施加至所述基底;以及
c)将已经施加的所述浆料干燥,由此在所述基底上形成复合材料涂层。
14.权利要求13所述的方法,其中所述基底是墙壁、天花板、门、框架、管道、干墙或隔离板。
15.权利要求13所述的方法,其中所述浆料还包含表面活性剂。
16.权利要求13至15中任一项所述的方法,其中通过涂刷或喷射来施加所述浆料。
17.权利要求13至15中任一项所述的方法,还包括泵送所述浆料通过导管。
18.一种制备浆料的方法,包括:
将气凝胶颗粒、表面活性剂、粘结剂以及至少一种包含无机纤维的其他成分混合,所述无机纤维为矿棉纤维、或者为连续制成的玻璃纤维或石纤维的织造形式或无纺形式或切短形式,其中,强制使所述气凝胶颗粒进入液相,或者使液滴上升而抵达所述气凝胶颗粒。
19.权利要求18所述的方法,其中将所述气凝胶颗粒和所述粘结剂添加至所述液相,所述液相是包含所述表面活性剂的水性液相。
20.权利要求19所述的方法,其中所述液相还包含所述至少一种包含无机纤维的其他成分,所述无机纤维为矿棉纤维、或者为连续制成的玻璃纤维或石纤维的织造形式或无纺形式或切短形式。
21.权利要求18至20中任一项所述的方法,其中使用螺旋式水泥搅拌器进行所述混合。
22.一种制备自支承刚性复合材料的方法,所述方法包括:
a)将气凝胶颗粒、表面活性剂、粘结剂和可任选的至少一种包含无机纤维的其他成分混合,所述无机纤维为矿棉纤维、或者为连续制成的玻璃纤维或石纤维的织造形式或无纺形式或切短形式,其中,强制使所述气凝胶颗粒进入液相,或者使液滴上升而抵达所述气凝胶颗粒,从而制备浆料;
b)使所述浆料成形;以及
c)使成形的所述浆料干燥,由此制备自支承刚性复合材料。
23.权利要求22所述的方法,其中通过模制、浇注、雕塑或挤压使所述浆料成形。
24.一种通过权利要求22所述方法制备的自支承刚性复合材料,其具有按照ASTMC518测量为不大于约20mW/(m·K)的导热率。
25.一种复合材料,其主要由以下组分组成:
a)气凝胶组分;
b)粘结剂,其选自由以下物质构成的组,这些物质为水泥、石膏、石灰、丙烯酸酯以及它们的任意组合;
c)表面活性剂;以及
c)选自由玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维以及它们的任意组合所组成的组中的成分,
其中所述复合材料的导热率按照ASTMC518测量为不大于约50mW/(m·K)。
26.权利要求25所述的复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
27.权利要求25所述的复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量为至少25%。
28.一种自支承刚性复合材料,其包含颗粒形式的气凝胶组分以及至少一种其他成分,所述自支承刚性复合材料具有按照ASTMC518测量为不大于约20mW/(m·K)的导热率,其中所述至少一种其他成分包含选自由玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维以及它们的任意组合所构成的组中的纤维。
29.权利要求28所述的自支承刚性复合材料,其中所述自支承刚性复合材料包含粘结剂。
30.权利要求29所述的自支承刚性复合材料,其中所述粘结剂选自由以下物质构成的组,这些物质为水泥、石膏、石灰、丙烯酸酯以及它们的任意组合。
31.权利要求30所述的自支承刚性复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
32.权利要求30所述的自支承刚性复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量为至少25%。
33.权利要求28至32中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料具有阻燃性。
34.权利要求28至32中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料的抗压强度在约0.05MPa至约0.3MPa范围内。
35.权利要求28至32中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料的挠曲强度最高为约0.04MPa。
36.一种制备固体复合材料的方法,包括:
a)将纤维、气凝胶颗粒以及pH至少为10的水组合,从而形成浆料;
b)使所述浆料干燥,由此形成所述固体复合材料,其中所述纤维选自由玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维以及它们的任意组合所构成的组。
37.权利要求36所述的方法,其中所述浆料还包含表面活性剂。
38.权利要求36或37所述的方法,其中所述pH为至少13。
39.权利要求36至38中任一项所述的方法,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
40.权利要求36至38中任一项所述的方法,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量为至少25%。
41.一种通过权利要求36至40中的任一项所述的方法制备的自支承刚性复合材料。
42.一种通过权利要求36至40中的任一项所述的方法制备的涂料。
43.一种组合物,包含:
a)气凝胶组分;
b)丙烯酸酯,其量小于11%;
c)粘结剂或含有粘结剂的配制物;以及
d)至少一种包含无机纤维的其他成分,所述无机纤维为矿棉纤维、或者为连续制成的玻璃纤维或石纤维的织造形式或无纺形式或切短形式,
其中所述组合物的导热率按照ASTMC518测量为不大于20mW/(m·K)。

Claims (58)

1.一种组合物,包含:
a)气凝胶组分;
b)表面活性剂;
c)粘结剂或含有粘结剂的配制物;以及
d)其他成分,
其中,所述组合物的导热率按照ASTMC518测量为不大于50mW/(m·K)。
2.权利要求1所述的组合物,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质为二氧化硅、遮光剂、微球、硅酸盐、纤维以及它们的任意组合。
3.权利要求1所述的组合物,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质为玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维、以及它们的任意组合。
4.权利要求3所述的组合物,其中,在干燥后,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
5.权利要求3所述的组合物,其中,在干燥后,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量为至少25%。
6.权利要求1所述的组合物,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质是碳纤维、聚合物基纤维、陶瓷纤维、金属纤维、纤维素纤维、衍生自植物的纤维以及它们的任意组合。
7.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中所述组合物是干混合物、浆料或复合材料。
8.权利要求7所述的组合物,其中所述浆料是可泵送的、可喷射的或可涂刷的。
9.权利要求7所述的组合物,其中所述组合物是具有按照ASTMC518测量为不大于约35mW/(m·K)的导热率的复合材料。
10.权利要求7所述的组合物,其中所述组合物是具有按照ASTMC518测量为不大于约20mW/(m·K)的导热率的复合材料。
11.权利要求7所述的组合物,其中所述复合材料是自支承刚性复合材料。
12.权利要求7所述的组合物,其中所述复合材料是涂料。
13.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中所述气凝胶是疏水性粒状二氧化硅气凝胶。
14.以上权利要求中任一项所述的组合物,其中所述含有粘结剂的配制物是符合欧洲标准EN13888的灰浆配制物。
15.一种用复合材料涂覆基底的方法,该方法包括:
a.将无机粘结剂和含有无机粘结剂的配制物这二者中的一者而不是两者、水、以及气凝胶组分组合,从而形成浆料;
b.将所述浆料施加至所述基底;以及
c.将已经施加的所述浆料干燥,由此在所述基底上形成复合材料涂层。
16.权利要求15所述的方法,其中所述基底是墙壁、天花板、门、框架、管道、干墙或隔离板。
17.权利要求15所述的方法,其中所述浆料还包含表面活性剂。
18.权利要求15至17中任一项所述的方法,其中通过涂刷或喷射来施加所述浆料。
19.权利要求15至17中任一项所述的方法,还包括泵送所述浆料通过导管。
20.一种制备浆料的方法,包括:
将气凝胶颗粒、表面活性剂、粘结剂以及可任选的至少一种其他成分混合,其中,强制使所述气凝胶颗粒进入液相,或者使液滴上升而抵达所述气凝胶颗粒。
21.权利要求20所述的方法,其中将所述气凝胶颗粒和所述粘结剂添加至所述液相,所述液相是包含所述表面活性剂的水性液相。
22.权利要求21所述的方法,其中所述液相还包含所述至少一种其他成分。
23.权利要求20至22中任一项所述的方法,其中使用螺旋式水泥搅拌器进行所述混合。
24.一种制备自支承刚性复合材料的方法,所述方法包括:
a)将气凝胶颗粒、表面活性剂、粘结剂和可任选的至少一种其他成分混合,其中,强制使所述气凝胶颗粒进入液相,或者使液滴上升而抵达所述气凝胶颗粒,从而制备浆料;
b)使所述浆料成形;以及
c)使成形的所述浆料干燥,由此制备自支承刚性复合材料。
25.权利要求24所述的方法,其中通过模制、浇注、雕塑或挤压使所述浆料成形。
26.一种通过权利要求24所述方法制备的自支承刚性复合材料,其具有按照ASTMC518测量为不大于约20mW/(m·K)的导热率。
27.一种组合物,包含:
a)气凝胶组分;
b)表面活性剂;
c)无机粘结剂或含有无机粘结剂的配制物,但不是两者都有,
其中所述组合物的导热率按照ASTMC518测量为不大于50mW/(m·K)。
28.权利要求27所述的组合物,还包含另外的成分。
29.一种复合材料,主要由以下组分组成:
a)气凝胶组分;
b)粘结剂,其选自由以下物质构成的组,这些物质为水泥、石膏、石灰、丙烯酸酯以及它们的任意组合;以及
c)表面活性剂,
其中所述复合材料的导热率按照ASTMC518测量为不大于约50mW/(m·K)。
30.权利要求29所述的复合材料,其中所述导热率按照ASTMC518测量为不大于约35mW/(m·K)。
31.权利要求29所述的复合材料,其中所述导热率按照ASTMC518测量为不大于约25mW/(m·K)。
32.一种复合材料,其主要由以下组分组成:
a)气凝胶组分;
b)粘结剂,其选自由以下物质构成的组,这些物质为水泥、石膏、石灰、丙烯酸酯以及它们的任意组合;
c)表面活性剂;以及
c)其他成分,其选自由以下物质构成的组,这些物质为二氧化硅、遮光剂、微球、硅酸盐、纤维以及它们的任意组合,
其中所述复合材料的导热率按照ASTMC518测量为不大于约50mW/(m·K)。
33.权利要求32所述的复合材料,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质是玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维以及它们的任意组合。
34.权利要求43所述的复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
35.权利要求33所述的复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量为至少25%。
36.权利要求32所述的复合材料,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质为碳纤维、聚合物基纤维、金属纤维、纤维素纤维、衍生自植物的纤维以及它们的任意组合。
37.一种自支承刚性复合材料,其包含颗粒形式的气凝胶组分,所述自支承刚性复合材料具有按照ASTMC518测量为不大于约20mW/(m·K)的导热率。
38.权利要求37所述的自支承刚性复合材料,其中所述自支承刚性复合材料包含粘结剂。
39.权利要求38所述的自支承刚性复合材料,其中所述粘结剂选自由以下物质构成的组,这些物质为水泥、石膏、石灰、丙烯酸酯以及它们的任意组合。
40.权利要求37至39中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料包含至少一种其他成分。
41.权利要求40所述的自支承刚性复合材料,其中所述至少一种其他成分包含选自由玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维、矿棉纤维以及它们的任意组合所构成的组中的纤维。
42.权利要求40所述的自支承刚性复合材料,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质为玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维以及它们的任意组合。
43.权利要求42所述的自支承刚性复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
54.权利要求42所述的自支承刚性复合材料,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述复合材料中存在的量为至少25%。
45.权利要求42所述的自支承刚性复合材料,其中所述其他成分选自由以下物质构成的组,这些物质为碳纤维、聚合物基纤维、金属纤维、纤维素纤维、衍生自植物的纤维以及它们的任意组合。
46.权利要求37至45中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料具有阻燃性。
47.权利要求37至45中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料的抗压强度在约0.05MPa至约0.3MPa范围内。
48.权利要求37至45中任一项所述的自支承刚性复合材料,其中所述复合材料的挠曲强度最高为约0.04MPa。
49.一种制备固体复合材料的方法,包括:
a.将纤维、气凝胶颗粒以及pH至少为10的水组合,从而形成浆料;
b.使所述浆料干燥,由此形成所述固体复合材料。
50.权利要求49所述的方法,其中所述浆料还包含表面活性剂。
51.权利要求49或50所述的方法,其中所述pH为至少13。
52.权利要求49至51中任一项所述的方法,其中所述纤维选自由以下物质构成的组,这些物质为玻璃纤维、石纤维、渣纤维、生物可溶性陶瓷纤维以及它们的任意组合。
53.权利要求52所述的方法,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量在大于0%并小于25%的范围内。
54.权利要求52所述的方法,其中,相对于所述组合物的重量,所述纤维在所述组合物中存在的量为至少25%。
55.权利要求49至51中任一项所述的方法,其中所述纤维选自由以下物质构成的组,这些物质为碳纤维、聚合物基纤维、金属纤维、纤维素纤维、衍生自植物的纤维以及它们的任意组合。
56.一种通过权利要求49至55中的任一项所述的方法制备的自支承刚性复合材料。
57.一种通过权利要求49至55中的任一项所述的方法制备的涂料。
58.一种组合物,包含:
a)气凝胶组分;
b)丙烯酸酯,其量小于11%;
c)粘结剂或含有粘结剂的配制物;以及
d)可任选的至少一种其他成分,
其中所述组合物的导热率按照ASTMC518测量为不大于20mW/(m·K)。
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