CN108501465A - 绝热部件和使用了该绝热部件的绝热结构体、以及该绝热部件的制造方法 - Google Patents

绝热部件和使用了该绝热部件的绝热结构体、以及该绝热部件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种沿着热源的绝热材料、以及使用了该绝热材料的绝热结构。使用下述绝热部件，其包含：含有纤维和气凝胶的多个尺寸的纤维片；以及覆盖上述多个纤维片的被覆材料或者包含上述多个纤维片的弹性体。另外，使用下述绝热部件，其具有：包含纤维和气凝胶的尺寸不同的多个纤维片；覆盖上述多个纤维片的各个的第一被覆材料；以及覆盖被上述第一被覆材料所覆盖的上述多个纤维片的第二被覆材料。

Description

绝热部件和使用了该绝热部件的绝热结构体、以及该绝热部 件的制造方法
技术领域
本发明涉及绝热部件和使用了该绝热部件的绝热结构体、以及该绝热部件的制造方法。
背景技术
作为优异的绝热材料，有使用了气凝胶的绝热片(专利文献1)。该绝热材料是向纤维片中加入气凝胶而得到的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-28880号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，如果将该绝热片100配置在热源110的周围，则成为图1。图1是使用了以往的绝热片100得到的绝热结构体112的截面图。由图1可知：绝热片100为片状，因此，在长方体形状的热源110的隅角部分，绝热片100与热源110之间存在间隙102。通过该间隙102发生热量的进出，绝热性能差。
因而，本发明的课题在于，提供沿着热源的绝热部件和使用了该绝热部件的绝热结构体、以及该绝热部件的制造方法。
用于解决问题的方法
为了实现上述目的而使用下述绝热部件，其包含：含有纤维和气凝胶的多个尺寸的纤维片；以及覆盖上述多个纤维片的被覆材料或者包含上述多个纤维片的弹性体。
另外，使用下述绝热部件，其具有：包含纤维和气凝胶的尺寸不同的多个纤维片；覆盖上述多个纤维片的各个的第一被覆材料；以及覆盖被上述第一被覆材料所覆盖的上述多个纤维片的第二被覆材料。
另外，使用下述绝热部件的制造方法，其包括：对包含纤维和气凝胶的纤维片进行小片化的工序；以及用被覆材料覆盖上述小片化的尺寸不同的多个纤维片的工序。
发明的效果
根据本发明，绝热材料沿着立体形状体，没有散热的间隙。其结果，使用了该绝热材料的结构体具有高绝热性能。
附图说明
图1是使用了专利文献1的绝热材料的绝热片的截面图。
图2的(a)～(c)是说明实施方式1的绝热部件的制造工序的截面图，图2的(d)是实施方式1的绝热结构体的截面图。
图3的(a)～(b)是实施方式1的绝热结构体的隅角部的放大截面图。
图4是实施方式2的绝热部件的截面图。
图5是实施方式3的绝热部件的截面图。
图6是实施方式4的绝热部件的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
使用图2的(a)～图2的(d)，说明实施方式1的绝热结构体12。
图2的(a)～图2的(c)说明实施方式1的绝热部件10a的制法。图2的(d)是将绝热部件10a用于热源110而得到的绝热结构体12。
图2的(a)是包含气凝胶的纤维片26的截面图。在气凝胶为凝胶状态时，将该凝胶涂布于纤维片26。涂布后，使其凝胶化、养护、疏水化并干燥。详情如下所述。
图2的(b)表示将图2的(a)的纤维片26粉碎成小块而得到的纤维片22。作为纤维片22尺寸的一例，厚度为0.1mm～2mm、平面方向的宽度为5mm～20mm见方的程度。尺寸优选不是均匀的1个尺寸，而具有分布。其理由是能够密实地层叠纤维片22的缘故。关于尺寸的偏差，作为例子，相对于最小的纤维片22，最大的纤维片22的最长边为1倍～100倍的程度。
另外，纤维片22的形状优选为长方形。另外，可以包括正方形。
图2的(c)是实施方式1的绝热部件10a。绝热部件10a是用被覆材料21包裹多个纤维片22而得到的绝热部件10a。被覆材料21是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等柔软的片。被覆材料21的厚度优选为0.05mm～0.20mm。需要说明的是，也可以通过用溶液进行涂覆来覆盖而不是用片进行覆盖。以下的例子也相同。另外，被覆材料21优选覆盖纤维片22的整个周围。其中，被覆材料21可以仅覆盖纤维片22的上下表面，也可以部分覆盖。关于下述覆盖是同样的。
被覆材料21的材质取决于所使用的温度区域。如果至80℃为止则可以使用PET，如果至200℃为止则可以使用聚酰亚胺片，如果为200℃以上，则可以使用氟树脂片、玻璃布等。
纤维片22是片状，在绝热部件10a内具有至少3层以上的层结构。其理由是观察绝热部件10a的平面(日文：シ一ト面)时，如果有不存在纤维片22的空间则热会从此处逸散的缘故。
图2的(d)表示实施方式1的绝热结构体112。绝热结构体112是用绝热部件10a包裹热源110的结构。热源110的隅角部30也被绝热部件10a密合覆盖。由于没有间隙102(图1)，因此热不会逸散。在绝热部件10的内部，多个纤维片22能够移动，在隅角部30处也容易弯曲。
图3的(a)表示绝热结构体112的隅角部30的放大截面图。在隅角部30，纤维片22平行地排列在热源110的各个外表面。由此，能够密合于热源110。需要说明的是，纤维片22优选平行于热源110的整个表面，但纤维片22也可以平行于热源110的1个面的整面。
需要说明的是，如图3的(b)所示，在图3的(a)中可以进一步设置引导部35。引导部35将绝热部件10a进一步向热源111按压。其是与热源110的外形形状大致相同的形状，是覆盖热源110的外形的板状盖罩。引导部35优选为耐热的金属材料。
绝热部件10a通过引导部35向热源110按压而被压缩，密合至热源110。绝热性能提高。
<绝热部件10a的制造工序>
(1)原料
作为制造二氧化硅气凝胶时的起始原料，使用水玻璃(硅酸钠水溶液)，制备可通过调节水玻璃的硅酸浓度、以及凝胶化时使用的酸的种类和浓度、凝胶化条件(温度、时间、pH)进行控制。
关于该水玻璃的硅酸浓度，以二氧化硅重量相对于溶胶总重量达到5～20重量％的方式进行制备即可，优选为10～20重量％，更优选为15～20重量％。如果硅酸浓度小于5重量％，则硅酸浓度稀，因此，湿润凝胶骨架的强度有时不充分。另外，如果硅酸浓度超过20重量％，则有时溶胶溶液的凝胶化时间急剧变快而无法控制。
<酸>
关于酸，可以使用盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、乙酸、柠檬酸等。如果还考虑到硅酸的水解反应的促进以及所得凝胶的骨架强度、后续的疏水化工序，则优选使用盐酸。关于盐酸的浓度，优选为1N～12N、更优选为6N～12N。如果盐酸浓度过低，则调节至期望的pH时，需要添加更大量的稀盐酸，因此，硅酸浓度减少，有时二氧化硅网络的构筑不会有效地进行。
进而在工业方面，从二氧化硅溶胶溶液的适用期的观点出发，为了发生期望的凝胶化反应，下述方法为佳。制备投入有必要的酸的2倍量的二氧化硅溶胶溶液A和不含酸的二氧化硅溶胶溶液B。优选分别利用不同系统来输送这些二氧化硅溶胶溶液，并在涂布目标的模具、基材的正上方，使这些二氧化硅溶胶溶液混合，并涂布于模具、基材的方法。
(2)注液～凝胶化
将工序(1)的溶胶注入至纤维片26，使其发生凝胶化。使上述二氧化硅溶胶溶液A与上述二氧化硅溶胶溶液B预先混合，注入至纤维片26，并在凝胶化充分结束为止的期间进行保持。为了促进凝胶化，将纤维片的温度在30～70℃下进行加热。低于30℃时，难以促进凝胶化，有时有损生产率。如果超过70℃，则二氧化硅溶胶溶液中的水分挥发，在凝胶化反应的过程中，挥发水分发生分离，有时无法获得期望的二氧化硅气凝胶。
<纤维片26的纤维直径>
关于线径，如果为1μm以下，则纤维自身的供应变难，经济性和生产率有时受损。
如果线径超过3μm，则作为绝热材料的性能有时降低。在线径过粗的纤维中，该纤维自身成为热通路而不适合。本实施方式1中使用的纤维是用于绝热材料用途的，因此优选细的线径。另外，本实施方式1中，对于1种纤维进行了记载，但并不限定于此，也可以混合有多种纤维。
<纤维片26的纤维材质>
关于纤维的材质，使用玻璃纤维，但不限定于此，除此之外，也可以使用聚合物系纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维、源自植物的纤维、源自矿物的纤维等。
(3)养护
为了使(2)之后的纤维片26实现能够耐受干燥时承受的毛细力的强度，需要促进二氧化硅粒子的缩聚和二次粒子的生长。在凝胶化后，在成形体的水分不会挥发的0～100℃下、优选在60～90℃下进行加热养护，促进二氧化硅粒子的缩聚和二次粒子的生长。如果养护温度低于60℃，则不会向硅酸传导必要的热，不会促进二氧化硅粒子的生长，至养护充分进行为止费时而且，有时凝胶强度低、干燥时发生大幅收缩，有时无法获得期望的二氧化硅气凝胶。另外，养护温度超过90℃且越接近100℃，则越会观察到成形体的水分挥发从而与凝胶分离的现象，由此得到的凝胶体积减少，有时无法获得期望的二氧化硅气凝胶。
另外，为了使养护过程中成形体的水分不轻易地挥发，优选使养护过程中的湿度为70％以上。
养护时间还取决于养护温度、成形体的厚度，优选为3分钟～24小时。如果养护时间低于3分钟，则凝胶壁强度的提高有时不充分。如果养护时间超过24小时，则由凝胶壁强度的提高带来的养护效果变差，有时反而损害生产率。
(4)疏水化(盐酸浸渍)
疏水化工序是使亲水性的水凝胶与疏水化剂发生反应，从而制成疏水性凝胶的工序。该疏水化工序主要分成两个步骤。
首先，第一步骤是用于使盐酸进入养护后的水凝胶的细孔的工序。如果盐酸未进入水凝胶的全部细孔中，则在后续的第二步骤中，不会发生期望的反应，疏水化处理不会完成，因此一部分凝胶成为亲水性气凝胶。如果自气凝胶的表面起至内部为止的疏水化不完成，则无法获得期望的绝热性能。
所用盐酸的盐酸浓度优选为3～12N。在盐酸浓度低于3N的情况下，盐酸浓度低，因此，作为硅氧烷反应产物的活性物种的浓度低，第二步骤(5)的疏水化(甲硅烷基化工序)有时不会充分进行。浓度高于12N的盐酸没有工业化生产，难以获取。
另外，盐酸的量只要是充分浸渍水凝胶的量，就没有特别限定，但优选为水凝胶重量的2～100倍。在盐酸的用量低于水凝胶的2倍的情况下，盐酸浓度低，因此，作为硅氧烷反应产物的活性物种的浓度低，第二步骤(5)的疏水化(甲硅烷基化工序)有时不会充分进行。另外，盐酸的用量多于100倍时，由于使用过量的盐酸，因此有时损害生产率。
作为盐酸的浸渍条件，优选液温为0～50℃、浸渍时间为30秒～72小时。盐酸低于0℃且浸渍时间低于30秒时，有时盐酸没有充分浸透至水凝胶的细孔。盐酸高于50℃且浸渍时间长于72小时时，有时损害生产率。
(5)疏水化(甲硅烷基化处理)
疏水化的第二步骤(甲硅烷基化处理)是使通过浸透至水凝胶的细孔中的盐酸与疏水化剂的反应而生成的活性物种、与二氧化硅表面的硅烷醇发生反应的工序。如果上述盐酸与上述疏水化剂的反应未完成，则疏水化处理不会完成，因此，一部分凝胶成为亲水性气凝胶。如果自气凝胶的表面起至内部为止的疏水化不完成，则无法获得期望的绝热性能。
本实施方式1的疏水化剂是链状硅氧烷或环状硅氧烷。将至少1种上述疏水化剂用作疏水化剂，在醇与上述疏水化剂的混合溶剂中，进行疏水化反应。
作为上述链状硅氧烷，可以使用八甲基三硅氧烷、十甲基四硅氧烷、十二甲基五硅氧烷等。通过使上述链状硅氧烷与盐酸发生反应，生成三烷基氯硅烷和二烷基二氯硅烷，同时生成副产物水。
作为上述环状硅氧烷，可以使用六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷等。通过使上述环状硅氧烷与盐酸发生反应，生成二烷基二氯硅烷和二烷基二氯硅烷，同时生成副产物水。
作为疏水化剂的链状硅氧烷或环状硅氧烷的投料量相对于水凝胶的细孔容积优选为100～800％、更优选为100～300％。疏水化剂相对于水凝胶的细孔容积低于100％时，在水凝胶表面和内部存在的硅烷醇(Si-OH)有时以未反应的状态残留。此时，在干燥时溶剂的毛细力导致硅烷醇发生物理接触，从而发生脱水缩合反应，有时会导致凝胶的收缩/高密度化。疏水化剂相对于水凝胶的细孔容积高于800％时，有时和应该与硅烷醇发生反应所必需的最低限度的疏水化剂量相比变得过量，损害经济性和生产率。
疏水化反应如果有必要可在溶剂中进行，通常在20～100℃、优选在40～80℃下实施。反应温度低于20℃时，疏水化剂的扩散不充分，疏水化有时不会充分进行。如果反应温度超过100℃，则疏水化剂容易挥发，反应所需的甲硅烷基化剂有时供给不到水凝胶的外部和内部。同时，随着疏水化反应的进行，所排出的酸水溶液发生沸腾，在安全性方面产生问题。如果反应温度为40～80℃，则疏水化剂迅速地扩散，因此充分进行反应，随着疏水化反应的进行，排出的酸水溶液不会发生沸腾，能够安全地作业。
使用的溶剂优选为甲醇、乙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇等醇类；丙酮、甲乙酮等酮类；戊烷、己烷、庚烷等直链脂肪族烃类。
水凝胶为固体且为亲水性，与此相对，疏水化剂为液体且为疏水性，因此，两者不容易混合，而且是固液不均匀体系反应，因此，为了使反应活性物种高效地与水凝胶发生反应，优选使用作为两亲性溶剂的醇类或酮类，更优选醇类。
作为甲硅烷基化处理的浸渍时间，优选为3分钟～72小时。为了确认反应的终点，可通过随着疏水化反应的进行而从水凝胶中排出的酸水溶液的量停止在一定量上来判断。浸渍时间低于3分钟时，反应所需的甲硅烷基化剂有时供给不到水凝胶的外部和内部，有时反应不充分。浸渍时间长于72小时时，有时损害生产率。
(6)干燥
干燥工序是使通过前面工序得到的疏水化凝胶中的液体溶剂挥发的工序。干燥方法只要是公知的干燥方法即可，可以是超临界干燥法和非超临界干燥法(常压干燥法、冷冻干燥法)中的任一者，没有特别限定。作为非超临界干燥法，从量产性、安全性、经济性的观点出发，优选使用常压干燥。只要是凝胶可耐受的干燥温度，则干燥时间没有限制，但在急剧的加热下，水凝胶中的溶剂有时会暴沸，从而在二氧化硅气凝胶中产生大的龟裂。如果二氧化硅气凝胶产生龟裂，则虽然因龟裂的尺寸而异，但因空气的对流而发生传热，有时绝热性受损，或者形成粉状而处理性显著受损。
干燥工序优选在例如常压以下、于0～400℃的干燥温度下干燥0.5～5小时。如果干燥温度为0℃以下，则有时干燥时间显著变长、损害生产率。另外，如果干燥温度超过400℃，则虽然还因疏水化条件而异，但疏水性气凝胶的二烷基二硅氧烷键或交联型二硅氧烷键因热分解而游离，所得的凝胶有时成为疏水性消失的水凝胶。需要说明的是，使疏水性气凝胶复合化至聚合物系纤维、无纺布等基材来制造时，优选在基材熔点以下、即200℃以下使其干燥。
<粉碎工序>
将上述制成的纤维片26粉碎成小片的纤维片22。由图2的(a)变成图2的(b)。将纤维片26投入至混合器中，能够进行粉碎。或者，将纤维片26置于弹性体上，从上部用刀刃按压，也可以分成小片的纤维片22。
<被覆工序>
用被覆材料21包裹上述多个纤维片22。由图2的(b)变成图2的(c)。在1片被覆材料21上放置多个纤维片22，自上部覆盖其它的被覆材料21，并将周围熔接。也可以用胶带、粘接剂等将周围密封。
此外，不仅是周围，也可以将上下的被覆材料21熔接成在内部的点状或者粒状。
(实施方式2)：弹性体
图4是实施方式2的绝热部件10b。未记载的事项与实施方式1相同。
绝热部件10b中，纤维片22被埋入弹性体40中。
实施方式1中，用被覆材料21覆盖纤维片22，而实施方式2中，将纤维片22埋入弹性体40中。
例如，向单组分乙酸型液状硅酮橡胶的甲苯溶液中投入纤维片22。其后，使其在空气中发生固化。成为耐热性、耐寒性、耐候性、粘接性、电绝缘性等优异的橡胶状弹性体。
弹性体40的种类主要取决于使用的热源110的温度。
如果至90℃为止则可以是天然橡胶，如果至120℃为止则可以是氯丁二烯丙烯酸类橡胶、丁腈橡胶。在200～300℃的情况下，使用硅橡胶、氟橡胶。
(实施方式3)：导电片
图5是实施方式3的绝热部件10c。未记载的事项与实施方式1相同。
绝热部件10c中，用被覆材料21覆盖纤维片22和导电体50。
实施方式1中，仅为纤维片22，而实施方式3中，进一步投入有导电体50。
作为导电体50，可以使用例如石墨片。特别优选使用通过烧成聚酰亚胺膜而制成的石墨片。
通过将导电体50加入绝热部件10c，能够实现均热化。其结果，对纤维片22进行绝热，因此能够实现均热化和绝热化。尤其是，热源110中的热部分性地提高时，能够使该部分的热实现均热化且实现绝热化。不仅仅单纯地进行绝热化，还进行均热化，从而能够有效地实现绝热化。
(实施方式4)
图6是实施方式4的绝热部件10d。未记载的事项与实施方式1～3相同。
绝热部件10d中，用第二被覆材料61b覆盖包含气凝胶的纤维片26。进而，将多个纤维片26一同用第一被覆材料61a覆盖。
包含气凝胶的纤维片26的形状被第二被覆材料61b保护，整体的绝热部件10d的强度也提高。
同样地，如实施方式2那样，被第二被覆材料61b覆盖的纤维片26也可以包含弹性体40中。
进而，如实施方式3那样，也可以在绝热部件10d中包含导电体50。
制造方法与实施方式1相同，但对纤维片进行粉碎工序后，用第一被覆材料进行覆盖，其后，通过被覆工序，利用第二被覆材料来覆盖被第一被覆材料所覆盖的纤维片。
(作为整体)
各实施方式可以组合。
作为纤维片22，使用了向纤维中加入有气凝胶而得到的纤维片，因此与气凝胶单独存在的情况不同，能够保持绝热区域，也可保持强度。
产业上的可利用性
本发明的绝热材料能够形成三维形状，能够提高对于各种形状的绝热性能，其结果，可以应用于各种电子设备、住宅、汽车等车辆等的各种绝热用途，在产业上是有用的。
附图标记说明
10 绝热部件
10a、10b、10c、10d 绝热部件
12 绝热结构体
21 被覆材料
22 纤维片
26 纤维片
30 隅角部
40 弹性体
50 导电体
61a 第一被覆材料
61b 第二被覆材料
100 绝热片
102 间隙
110 热源
111 热源
112 绝热结构体

Claims (10)

1.一种绝热部件，其包含：
含有纤维和气凝胶的多个尺寸的纤维片；以及
覆盖所述多个纤维片的被覆材料或者包含所述多个纤维片的弹性体。
2.一种绝热部件，其具有：
包含纤维和气凝胶的尺寸不同的多个纤维片；
覆盖所述多个纤维片的各个的第一被覆材料；以及
覆盖被所述第一被覆材料所覆盖的所述多个纤维片的第二被覆材料。
3.根据权利要求1所述的绝热部件，其同时具有所述多个纤维片和导电体。
4.根据权利要求1所述的绝热部件，其中，所述气凝胶被配置于所述纤维之间。
5.根据权利要求1所述的绝热部件，其中，所述多个纤维片以片状层叠有3个片。
6.一种绝热结构体，其将权利要求1所述的绝热部件配置在热源的周围而成。
7.根据权利要求6所述的绝热结构体，其具有将所述绝热部件向所述热源按压的引导部。
8.根据权利要求6所述的绝热结构体，其中，所述绝热部件的所述多个纤维片平行地配置于所述热源的多个外表面的各个面。
9.一种绝热部件的制造方法，其包括：
对包含纤维和气凝胶的纤维片进行小片化的工序；以及
用被覆材料覆盖所述小片化的尺寸不同的多个纤维片的工序。
10.根据权利要求9所述的绝热部件的制造方法，其中，在所述小片化的工序中，对被第一被覆材料所覆盖的纤维片进行小片化，
在所述覆盖的工序中，用第二被覆材料覆盖所述小片化的尺寸不同的多个纤维片。
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