CN1312426C - 制备含气凝胶的绝缘制品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供制备绝缘制品的方法，其包括：在小于大气压的第一气压下提供包含气凝胶颗粒的密封的第一容器；第一气压下气凝胶颗粒的自由体积少于第二气压下的气凝胶颗粒的自由体积，该第二气压大于第一气压；然后将密封的第一容器置于第二容器中，并将密封的第一容器破口，以在第二气压下平衡第一与第二容器之间的气压，并且增大气凝胶颗粒的体积，从而形成绝缘制品。

Description

制备含气凝胶的绝缘制品的方法
技术领域
本发明涉及制备绝缘制品的方法。
背景技术
在许多应用中使用绝缘制品以提供绝缘层。例如，将绝缘制品典型地以板的形式用于冰箱，以便在冷的内部与较热的外部提供必要的绝缘。尽管可采用许多方式形成绝缘制品，但典型地通过采用绝缘材料(如绝缘纤维和粉末)填充面板和其它空腔形成绝缘制品。但是，这种制备方法通常是麻烦的，并且不能产生具有最佳导热特性的绝缘制品。
特别地，采用绝缘材料填充容器典型地需要人工处理绝缘材料。处理这种绝缘材料的缺点包括潜在的健康危害和使用者不方便。
本发明提供一种制备绝缘制品的方法，该方法最小化绝缘材料的处理并最大化绝缘制品的导热特性。根据在这里提供的本发明的描述，本发明的这些和其它优点，以及附加的发明特征将更明显。
发明内容
制备绝缘制品的发明方法包括在小于大气压力的第一的气压下，提供包括气凝胶颗粒的密封的第一容器。在第一气压下气凝胶颗粒的自由体积少于第二气压下的气凝胶颗粒的自由体积，该第二气压大于第一气压。然后将密封的第一容器置于第二容器中，并将密封的第一容器破口，以在第二气压下平衡第一与第二容器之间的气压，并且增大气凝胶颗粒的体积，从而形成绝缘制品。
具体实施方式
本发明提供了制备绝缘制品的方法。制备绝缘制品的方法包括提供密封的第一容器和第二容器。密封的第一容器在小于大气压的第一气压下包括气凝胶颗粒。在第一气压下气凝胶颗粒的自由体积少于第二气压下的气凝胶颗粒的自由体积，该第二气压大于第一气压。然后将密封的第一容器置于第二容器中，其中第二容器在大于存在于密封的第一容器中的气压的气压下。一旦将密封的第一容器破口，第一和第二容器之间的气压就在第二气压下平衡。因此气凝胶颗粒的体积增大以充满第二容器，从而形成绝缘制品。
第一和第二容器可以是任意适当的容器。特别地，第一容器必须能在小于大气压的气压下包含气凝胶。此外，第一容器必须能够被破口以便暴露于在第一和第二容器之间的较高的、平衡的气压时，使气凝胶颗粒的体积能够膨胀。第二容器大于第一容器，以便可以将第一容器置于第二容器中。而第二容器不必是密封的，理想地第二容器是密封的，以便当密封的第一容器破口时，将气凝胶颗粒保留在第二容器中，并且当暴露于第一和第二容器之间的较高的、平衡的气压时，可保持气凝胶颗粒的体积膨胀。第一和第二容器可由任意适当的材料形成，并且可以是刚性的或柔性的。特别理想地，第一容器基本上由，优选由薄膜(例如，具有相对薄的标准的的聚酯或热缩塑料包薄膜)组成，以便易于通过刺穿或受热而破口。类似理想地，第二容器包括，优选由具有相对较厚的标准的薄膜或经受与导致第一容器破口的相同水平的热量而不破口的材料组成，并且理想地通过相同的热量进行密封。
气凝胶可以是任意适当的气凝胶。“凝胶”指的是胶体颗粒的凝聚性的、刚性的、连续三维网。凝胶通过胶粒的聚集(典型地在酸性条件下，不存在中和盐时)以形成三维微观结构进行制备。当通过一些方法(如超临界干燥)将凝胶干燥(即，将液体从孔中除去时)，其中保存凝聚性的凝胶微观结构，就形成了低密度凝胶或“气凝胶”。美国专利第3,122,520号中公开了制备气凝胶的适当的方法。优选气凝胶为金属氧化物气凝胶，特别是二氧化硅气凝胶。
气凝胶颗粒具有非常理想的特性例如，如光学透明性、极低的密度和非常低的导热率。因此，有利地将气凝胶颗粒用作绝缘材料。气凝胶可以具有任意适当的直径。优选地，基本上所有的直径为约0.5mm或更多(例如，约1mm或更多)，更优选地，基本上所有的气凝胶颗粒的直径为约5mm或更少(例如，约0.5或1mm到约5mm)。气凝胶颗粒可以具有任意适当的密度，优选为约0.05g/cm3到约0.15g/cm3。气凝胶也可以具有具有任意适当的表面积，优选至少约为200m2/g。此处所述表面积是根据Gregg，S.J.和Sing，K.S.W.，在《吸附，表面积和孔隙率》，第285页，学院出版社，纽约，1991年(″Adsorption，Surface Area and Porosity，″p.285，Academic Press，New York(1991))中所引用的Brunauer-Emmett-Teller(BET)模型，基于在0.05-0.25atm范围内的五个不同的相对压力下，所吸收的氮气量进行计算。
密封的第一容器中的气凝胶颗粒在少于一般认为是约100kPa的大气压(但所说的大气压根据制备包含气凝胶的密封的第一容器所处的海拔高度而不同)的第一气压下。第一容器中的气压，即第一气压，可采用任意适当的方式，如通过在第一容器中设置至少部分真空(其中使用常规设备产生真空)获得。第一容器中的气压理想地为约50kPa或更少(例如，约10-50kPa)，优选约20kPa或更少(例如，约1-20kPa)，且更优选约10kPa或更少(例如，约1kPa或更少，或者甚至约0.1kPa或更少)。
第二容器中的气压，即第二气压，可以通过采用任意适当的方式获得。理想地，第二容器中的气压可以为大气压(例如，约100kPa)，尽管第二容器中的气压可以不同于大气压，即低于或高于大气压。
在第一气压下密封的第一容器中的气凝胶颗粒的自由体积少于在大于第一气压的第二气压下气凝胶颗粒的自由体积。术语“自由”的意思是排除由容器产生的任何限制的影响，仅仅基于气压的影响考虑气凝胶颗粒的体积。典型地，第一容器中气凝胶颗粒具有的自由体积少于基本上在大气压下的自由体积，所述大气压通常为在绝缘制品的最终产品中气凝胶颗粒所经受的第二气压。
在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积可以少于、大于或基本上等同于第二容器的体积。换句话说，气凝胶颗粒可以未充满、溢出或仅仅充满第二容器。理想地，气凝胶颗粒仅仅充满或溢出第二容器，以便在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积基本上等同于或，更优选大于第二容器的体积。由于在所得到的绝缘制品的绝缘特性方面的提高，优选采用气凝胶颗粒溢出第二容器。因此，在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积优选高于第一容器的体积约10％或更多(例如，约10-30％)。这种溢出第二容器可以通过以下来实现：确保在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积，然后通过第一容器中气压的降低和任选地限制气溶胶颗粒的体积(例如，通过第一容器本身)确保第一气压下气凝胶颗粒的实际体积足够小，以便包含气凝胶颗粒的密封的第一容器能够装入第二容器内。密封的第一容器的破口和其中的气凝胶颗粒暴露于第二容器将导致气凝胶颗粒膨胀和充满(理想地，溢出)第二容器至它的容量。
第二容器不必密封，但理想地将其密封以形成绝缘制品。从那方面考虑，可以在将密封的第一容器破口之前、之后或之时将第二容器密封。由于采用气凝胶颗粒溢出第二容器是理想的，因此理想地在将密封的第一容器破口之前或之时将第二容器密封。
密封的第一容器的破口可以以任意适当的方式实现。用于将密封的第一容器破口的适当的技术包括采用物理设备刺穿密封的第一容器和加热密封的第一容器。优选加热密封的第一容器以产生破口，因为这种加热可以在密封的第一容器存在于密封的第二容器(例如，在密封的第一容器破口之前密封的第二容器)中的时候进行。可以通过任意适当的技术，例如声能或微波能，对密封的第一容器施加热量以产生破口。当然，将第二容器密封的方式可以与将第一容器破口的方式相同。因此，例如，如果第二容器进行热密封，那么可以将用于密封第二容器的热量用于将密封的第一容器破口，理想地可以采用相同的过程步骤。
除了气凝胶颗粒，第一和第二容器可以包含其它的物质。例如，第一和/或第二容器可以包含热反射层，以提高所得到的绝缘制品在某些应用中的绝缘特性。相似地，第一和/或第二容器可以包含不透明的材料，例如炭黑，以提高所得到的绝缘制品在某些应用中的绝缘特性。
本发明的绝缘制品可以具有任意适当的特性，例如导热性、透光性和加工特性。例如，理想地，绝缘制品在2.5℃和/或12.5℃下具有的导热率为20mw/mk或更少(例如，约19mw/mk或更少，或甚至约18mw/mk或更少)。并且，理想地，绝缘制品具有的绝缘制品透光率/cm厚度为约50％或更多(例如，约70％或更多，或甚至约80％或更多)。对本领域普通技术人员而言，绝缘制品的其它的理想特性是已知的，并且可以调整本发明的绝缘制品以具有这种理想特性，以便适于绝缘制品的特别的最终用途。
下述实施例进一步说明本发明，但是，当然无论如何不应该将其理解为限制本发明的范围。
实施例1
该实施例说明降低气压对气凝胶颗粒的自由体积的影响。
在大气压下测量气凝胶颗粒(特别是二氧化硅气凝胶颗粒)样品的体积。
然后，通过将气凝胶颗粒置于密封的(例如，气密的)容器中，并向容器施加递增的真空，使该同一气凝胶颗粒经受不同减少了的气压。在这些不同的减压下测量气凝胶颗粒的体积，并与在大气压下气凝胶颗粒的体积进行比较。计算这些不同减压下气凝胶颗粒的实测体积的收缩率，并将所得到的数据列于下面表1中。
表1：作为压力结果的体积收缩率
    气凝胶颗粒之上的气压(kPa)     气凝胶颗粒的体积收缩率
    99(大气压)     ----
    67     22.5％
    27     36％
    13     37％
    1     37％
    0     37％
由列于表1中的数据可知，当气凝胶颗粒之上的气压从大气压减少时，显著降低了气凝胶颗粒的自由体积。特别地，当施加于气凝胶颗粒的气压从大气压(在这种情况下，约99kPa)减少至约20kPa和更少时，气凝胶颗粒的体积减少了(即，气凝胶颗粒收缩了)37体积％(体积＝0.63×大气压下的原始体积)。此外，注意到当随后使不同减少了的气压升回到大气压时，气凝胶颗粒恢复到在大气压下它们的原始体积。
因此，该实施例说明气凝胶颗粒的体积可以通过暴露于减少了的气压而减少。此外，这种气凝胶颗粒体积的减少与气压的升高是可逆的。
实施例2
该实施例说明气凝胶填充对绝缘制品中气凝胶颗粒的绝缘特性的影响。
使容器充满气凝胶颗粒(特别地，二氧化硅气凝胶颗粒)，以便气凝胶颗粒的自由体积与容器的体积相同，即，气凝胶颗粒未溢出容器，以使容器限制气凝胶颗粒的体积，从而制备绝缘制品，并在2.5℃和12.5℃下测量绝缘制品的表观导热率。然后使气凝胶颗粒溢出容器至不同程度，并在2.5℃和12.5℃下测量每一个所得到的绝缘制品的表观导热率。这些测量结果列于下面表2中。
表2：气凝胶填充对制品导热率的影响
 超过容器体积的气凝胶颗粒的自由体积％  在2.5℃平均温度下的表观导热率(mw/mk)  在12.5℃平均温度下的表观导热率(mw/mk)
 0  19  19.8
 10  18.1  19
 20  17.6  18.4
 30  16.9  17.6
 40  17  17.8
由列于表2中的数据可知，可使容器溢出气凝胶颗粒，以便获得最佳的导热率。特别地，当气凝胶颗粒的自由体积为容器体积的约10％或更多，特别为约10-30％时，所得到的绝缘制品在2.5℃和12.5℃下均获得最佳的导热率。
该实施例说明气凝胶颗粒可提供优异的绝缘材料。此外，该实施例说明可以相对于包含气凝胶颗粒的容器的体积，来调节气凝胶颗粒的自由体积，以便提供所得到的绝缘制品的最佳的绝缘特性。
因此，所有在此引用的参考文献(包括公告、专利申请和专利)以相同程度引入作为参考，如同单独并特别地将每一篇参考文献引入作为参考并且在本文中列出其全文。
如果本文中不另外指出或者不通过上下文清楚反驳，在描述本发明的上下文中，使用的术语″一个″和″一种″和″该″以及相似的指代物(特别在下面的权利要求书的上下文中)在没有限定单复数的情形下应理解为包含单数和复数。如果本文中不另外指出，本文中数值范围的叙述仅仅用来当作单独指代落入该范围的每一个独立数值的简化方法，并且将每一个独立数值引入说明书，如同本文中单独引用该数值。如果本文中不另外指出或不另外通过上下文清楚反驳，可以以任意适当顺序实行本文中所述所有方法。如果不另外要求，本文中所提供的任一个和所有实施例、或示范性用语(例如，“例如”)的使用仅仅想更好地说明本发明，并不是对本发明进行限定。不能把说明书中的用语理解为将未要求的元素作为实施本发明的必要元素。
本文中公开了本发明的优选实施方案，包括发明人已知的用于实现本发明的最佳模式。当然，对于本领域普通技术人员而言，阅读上述说明将会使对那些优选实施方案所作的变更变得明显。发明人预期熟练技术人员合理使用这种变更，并且发明人希望本发明可另外实施，而不是如本文中所特别描述的那样。因此，本发明包括如适用的法律所允许的、在此所附权利要求书中所述主题的所有变化和等同物。此外，如果不另外指出或不另外通过上下文清楚反驳，本发明包括其所有可能的变更中的上述元素的任意结合。

Claims (30)

1.一种绝缘体系，包括：
(a)气凝胶颗粒
(b)破口的第一容器，其中在进行破口之前，第一容器具有由气凝胶颗粒在低于大气压的第一气压下填充的体积，和
(c)第二容器，其含有在第二气压下的空隙空间，
其中气凝胶颗粒和破口的第一容器置于空隙空间中，第二气压大于第一气压，并且在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第一容器的体积10-30％。
2.权利要求1的绝缘体系，其中第二气压小于大气压。
3.权利要求1的绝缘体系，其中第二气压为大气压。
4.权利要求1的绝缘体系，其中在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积。
5.权利要求4的绝缘体系，其中在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积10％或更多。
6.权利要求5的绝缘体系，其中基本上所有气凝胶颗粒具有的直径为0.5mm或更多。
7.权利要求6的绝缘体系，其中基本上所有气凝胶颗粒具有的直径为5mm或更少。
8.权利要求7的绝缘体系，其中气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒。
9.权利要求8的绝缘体系，其中绝缘制品具有的透光率/cm厚度为80％或更多。
10.权利要求1的绝缘体系，其中在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积，第二气压为大气压，并且气凝胶颗粒为直径0.5mm-5mm的二氧化硅气凝胶颗粒。
11.一种绝缘制品，包括：
(a)容器，其具有体积并且含有在气压下的空隙空间，和
(b)置于空隙空间中的气凝胶颗粒，
其中在气压下气凝胶颗粒的自由体积大于容器的体积10-30％。
12.权利要求11的绝缘制品，其中基本上所有气凝胶颗粒具有的直径为0.5mm或更多。
13.权利要求12的绝缘制品，其中基本上所有气凝胶颗粒具有的直径为5mm或更少。
14.权利要求13的绝缘制品，其中气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒。
15.权利要求14的绝缘制品，其中绝缘制品具有的透光率/cm厚度为80％或更多。
16.权利要求11的绝缘制品，其中在第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积，第二气压为大气压，并且气凝胶颗粒为直径0.5mm-5mm的二氧化硅气凝胶颗粒。
17.制备绝缘制品的方法，包括：
(a)在小于大气压的第一气压下，提供包含气凝胶颗粒的密封的第一容器，其中在第一气压下气凝胶颗粒的自由体积少于第二气压下气凝胶颗粒的自由体积，该第二气压大于第一气压，
(b)将密封的第一容器置于第二容器中，
(c)将密封的第一容器破口，以在第二气压下平衡第一与第二容器之间的气压，并且增大气凝胶颗粒的体积，从而形成绝缘制品。
18.权利要求17的方法，其中第二气压小于大气压。
19.权利要求17的方法，其中第二气压为大气压。
20.权利要求19的方法，其中第二气压下气凝胶颗粒的自由体积基本上与第二容器的体积相同。
21.权利要求17的方法，其中第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积。
22.权利要求21的方法，其中第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积10％或更多。
23.权利要求22的方法，其中基本上所有的气凝胶颗粒具有的直径为0.5mm或更多。
24.权利要求23的方法，其中基本上所有的气凝胶颗粒具有的直径为5mm或更少。
25.权利要求24的方法，其中气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒。
26.权利要求25的方法，其中绝缘制品具有的透光率/cm厚度为80％或更多。
27.权利要求17的方法，其中方法进一步包括在将密封的第一容器破口之后，密封第二容器。
28.权利要求17的方法，其中方法进一步包括在将密封的第一容器破口之前或之时，密封第二容器。
29.权利要求17的方法，其中通过加热密封的第一容器将密封的第一容器破口。
30.权利要求17的方法，其中第二气压下气凝胶颗粒的自由体积大于第二容器的体积，第二气压为大气压，并且气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒，其直径为0.5mm-5mm。
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