CN1622852A - 耐热气凝胶绝缘复合材料及其制备方法,气凝胶粘合剂组合物及其制备方法 - Google Patents

耐热气凝胶绝缘复合材料及其制备方法,气凝胶粘合剂组合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供耐热气凝胶绝缘复合材料，其包括包含疏水气凝胶颗粒和含水粘合剂的绝缘基层，以及包含保护粘合剂和红外反射剂的热反射面层。本发明还提供制备耐热气凝胶绝缘复合材料的方法，以及制备气凝胶粘合剂组合物的方法和如此制备的气凝胶粘合剂组合物。

Description

耐热气凝胶绝缘复合材料及其制备方法， 气凝胶粘合剂组合物及其制备方法
                        技术领域
本发明涉及耐热气凝胶绝缘复合材料(heat resistant aerogel insulationcomposite)，气凝胶粘合剂组合物及其制备方法。
                        背景技术
已知气凝胶提供优良的绝热和隔音性能。已经通过挤压干微粒气凝胶组合物(dry particulate aerogel compositions)，或通过混合气凝胶颗粒与粘合剂，以得到粘着的(cohering)微粒块，而制备气凝胶绝缘材料。但是，干颗粒组合物和气凝胶-粘合剂组合物，在提供良好的隔热和隔音的同时，往往耐磨性差并在高温条件下热降解。
因此，获得提供良好绝热和/或隔音，并具有改进的耐久性和耐热性的气凝胶绝缘制品是有利的。本发明提供这类制品、以及制备这类制品的方法。从本文提供的本发明的说明中，本发明的这些和其它优点，以及其它创造性特点将很明显。
                        发明内容
本发明提供耐热气凝胶绝缘复合材料，其包含或基本组成为或由(a)绝缘基层(base layer)和(b)热反射面层(thermally reflective top layer)组成；(a)绝缘基层包含或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒、含水粘合剂和任选的发泡剂组成；而(b)热反射面层包含或基本组成为或由保护粘合剂(protective binder)和红外反射剂(infrared reflecting agent)组成。也提供制备耐热气凝胶绝缘复合材料的方法，该方法包括或基本组成为或由(a)在基材(substrate)上提供绝缘基层，和(b)将热反射面层涂布到绝缘基层的表面而组成，上述绝缘基层包括或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒、含水粘合剂和任选的发泡剂组成，上述热发射面层包括或基本组成为或由保护粘合剂和红外反射剂组成。在相关的方面，本发明提供制备气凝胶粘合剂组合物的方法，该方法包括或基本组成为或由以下步骤组成：(a)提供粘合剂组合物，该组合物包括或基本组成为或由含水粘合剂和发泡剂组成，(b)搅拌粘合剂组合物，以提供泡沫粘合剂组合物(foamed binder composition)，和(c)将泡沫粘合剂组合物与疏水气凝胶颗粒合并，以提供气凝胶粘合剂组合物。而且，提供制备气凝胶粘合剂组合物的方法，该方法包括或基本组成为或由以下步骤组成：(a)提供粘合剂组合物，该组合物包括或基本组成为或由含水粘合剂和任选的发泡剂组成，(b)提供气凝胶组合物，该组合物包括或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒组成，和(c)同时将粘合剂组合物和气凝胶组合物涂布到基材上，在基材之上混合粘合剂组合物与气凝胶组合物，以提供气凝胶粘合剂组合物。
                      具体实施方式
耐热气凝胶绝缘复合材料
本发明的耐热气凝胶绝缘复合材料包含或基本组成为或由(a)绝缘基层和(b)热反射面层组成；绝缘基层(a)包含或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒、含水粘合剂和任选的发泡剂组成；而热反射面层(b)包含或基本组成为或由保护粘合剂和红外反射剂组成。
本发明中可使用任何合适的疏水气凝胶颗粒。合适的疏水气凝胶颗粒包括有机气凝胶颗粒，例如间苯二酚-甲醛或三聚氰胺-甲醛气凝胶颗粒，和无机气凝胶颗粒，例如金属氧化物气凝胶颗粒(例如二氧化硅、二氧化钛和氧化铝气凝胶)。优选金属氧化物气凝胶颗粒，特别是二氧化硅气凝胶颗粒。合适的疏水气凝胶颗粒是市售的，而且制备合适的疏水气凝胶的方法是已知的(参见，例如WO99/36355A2、WO99/36356A2、WO99/36479A1、WO98/45210A2、WO98/45035A1、WO98/45032A1、WO96/18456A2)。
疏水气凝胶颗粒理想地包括不透明剂(opacifying agent)，其降低了疏水气凝胶颗粒的热导率(thermal conductivity)。可以使用任何合适的不透明剂，包括但不限于碳黑、碳纤维、二氧化钛或改性碳材料，如描述于例如WO96/18456A2中。疏水气凝胶颗粒也可以含有纤维。合适的纤维包括下列段落中讨论的任何纤维。
疏水气凝胶颗粒的尺寸部分将取决于耐热气凝胶绝缘复合材料的所需厚度。对本发明来说，术语“粒度”和“粒径”使用时意义相同。通常，较大的气凝胶颗粒提供较大的绝热性，但是与耐热气凝胶绝缘复合材料(例如耐热气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层)的厚度相比，气凝胶颗粒应该相对较小，以便使得含水粘合剂包围疏水气凝胶颗粒并形成基体(matrix)。对大部分应用，使用具有平均粒径(重量)大约5毫米或更小(例如，大约0.01-5毫米)的疏水气凝胶颗粒是合适的。优选，疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约3毫米或更小(例如大约0.1-3毫米)或大约2毫米或更小(例如大约0.5-2毫米或大约1-1.5毫米)。优选，用于本发明的疏水气凝胶颗粒具有窄粒度分布(narrow particle size distribution)。因此，例如优选使用疏水气凝胶颗粒，其中至少大约95％的疏水气凝胶颗粒(重量)的粒径为约5mm或更小(例如，大约0.01-5mm)，优选约3毫米或更小(例如大约0.01-3mm)或甚至大约2毫米或更小(例如大约0.5-2mm或大约1-1.5mm)。理想的是，疏水气凝胶颗粒近似为球状。当该颗粒与其它高温气凝胶绝缘复合材料组分结合使用时，由于混合工艺或其它因素(例如，疏水气凝胶颗粒可能被破坏)，可以改变疏水气凝胶颗粒的粒度和/或形状。因此，所有上面提及的粒度和形状指在与高温气凝胶绝缘复合材料的其它组分合并前，疏水气凝胶颗粒的粒度和形状。理想地，在与高温气凝胶绝缘复合材料的其它组分合并后，疏水气凝胶颗粒的粒度与所述合并前的疏水气凝胶绝缘颗粒的粒度大致相同(即，如上所述)。
在耐热气凝胶绝缘复合材料中，可以使用任何疏水气凝胶颗粒量。例如，基于绝缘基层的总液/固体积，耐热气凝胶绝缘复合材料(例如，耐热气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层)可以包括大约5-99体积％疏水气凝胶颗粒。绝缘基层的总液/固体积可以通过测量绝缘基层合并的液体和固体组分(例如疏水气凝胶颗粒、粘合剂、发泡剂等)的体积而确定。如果绝缘基层(例如绝缘基层的粘合剂)要发泡，绝缘基层的总液/固体积为发泡前，绝缘基层的合并的液体和固体组分的体积。当然，随着疏水气凝胶颗粒的比例增加，耐热气凝胶绝缘复合材料的热传导率降低，由此产生增强的绝热性能；但是，随着疏水气凝胶颗粒比例的增加，绝缘基层的机械强度和完整性降低，因为采用的含水粘合剂的相对量减少。因此，在绝缘基层中，一般希望使用大约50-95体积％的气凝胶颗粒，更优选大约75-90体积％的气凝胶颗粒。
耐热气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层可以包含任何合适的含水粘合剂。如在此使用的术语含水粘合剂指在用来制备绝缘基层之前，是水可分散的或水可溶的粘合剂。因此，应该理解术语含水粘合剂用来指在其湿态或干态的含水粘合剂(例如，在含水粘合剂已经干燥或固化之前或之后，在该状态下粘合剂可能不再含有水)，即使该粘合剂已经干燥或固化后，含水粘合剂在水中不可分散或溶解。被选择的具体含水粘合剂应该为不以显著程度渗透疏水气凝胶颗粒的表面的粘合剂。优选的含水粘合剂为在干燥后提供耐水粘合剂组合物的粘合剂。合适的含水粘合剂包括例如丙烯酸类粘合剂(acrylicbinders)、含硅氧烷的粘合剂、酚醛树脂粘合剂(phenolic binders)、醋酸乙烯酯粘合剂、乙烯-醋酸乙烯酯粘合剂、苯乙烯-丙烯酸酯粘合剂、苯乙烯-丁二烯粘合剂、聚乙烯醇粘合剂、聚氯乙烯粘合剂和丙烯酰胺粘合剂，及其混合物和共聚物。该粘合剂可以单独使用或与合适的交联剂结合使用。优选的含水粘合剂为含水的丙烯酸类粘合剂。
耐热气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层可以包含任何量的含水粘合剂。例如，基于绝缘基层的总液/固体积，绝缘基层可以包含1-95体积％的含水粘合剂。当然，随着含水粘合剂比例的增加，气凝胶的比例必然降低，结果，绝缘基层的热导率增加。因此，希望使用用于得到所希望量的机械强度的尽量少的含水粘合剂。对大部分应用，绝缘基层包含大约1-50体积％的含水粘合剂，或大约5-25体积％的含水粘合剂，或甚至大约5-10体积％的含水粘合剂。
除了含水粘合剂和疏水气凝胶颗粒以外，绝缘基层优选包含发泡剂。不希望被任何具体理论束缚，发泡剂(foaming agent)被认为能够增强疏水气凝胶颗粒间的粘合。而且，发泡剂被认为能够改进含水粘合剂的流变学(例如，用于可喷涂用途)和尤其在引入疏水气凝胶颗粒之前或之后，通过搅拌或混合(例如起泡)合并的粘合剂和发泡剂，使得粘合剂起泡，虽然可以使用发泡剂而不使粘合剂发泡。另外，可以有利地使用泡沫粘合剂以提供发泡的绝缘基层，该基层的密度比非发泡基层的低。
因为使用发泡剂使得能够通过搅拌或混合使粘合剂发泡，粘合剂当然可以使用其它方法而发泡，或使用或不使用发泡剂。例如，可以使用压缩气体或推进剂将粘合剂发泡，或可以通过使粘合剂通过喷嘴(例如，产生高剪切或湍流的喷嘴)，使粘合剂发泡。
在绝缘基层中能够使用任何合适的发泡剂。合适的发泡剂包括但不限于泡沫增强表面活性剂(foam-enhancing surfactants)(例如非离子、阳离子、阴离子和两性离子表面活性剂)，以及其它市售的泡沫增强剂(foam enhancingagents)或其混合物。发泡剂应该以足以使含水粘合剂能够发泡的量存在，如果需要这种发泡的话。优选的是，使用大约0.1-5重量％，例如大约0.5-2重量％的发泡剂。
绝缘基层可以具有任何需要的厚度。包括较厚绝缘基层的耐热气凝胶绝缘复合材料具有更高的绝热和/或隔音性能；但是本发明的耐热气凝胶复合材料使得能够使用相对较薄的绝缘基层，同时仍然提供优良的绝热和/或隔音性能。对大部分应用，大约1-15mm厚的绝缘基层，例如大约2-6毫米厚提供了足够的绝缘。
绝缘基层的热导率将部分取决于用于提供绝缘基层的具体配方。优选的是，配制绝缘基层使其热导率为大约40mW/(m·K)或更低，更优选大约35mW/(m·K)或更低，或甚至大约30mW/(m·K)或更低。应该理解在干燥绝缘基层后，测量绝缘基层的热导率。
类似地，绝缘基层的密度将部分取决于用于提供绝缘基层的具体配方。优选地，配制绝缘基层使得其密度为大约0.5克/厘米3或更低，优选大约0.3克/厘米3或更低，例如大约0.2克/厘米3或更低，或甚至大约0.1克/厘米3或更低(例如大约0.05克/厘米3或更低)。应该理解，绝缘基层的密度在干燥绝缘基层后测量的。
绝缘基层也可以包含增强纤维(reinforcing fibers)。增强纤维能够对绝缘基层以及相应地对耐热绝缘复合材料提供额外的机械强度。可以使用任何合适类型的纤维，例如玻璃纤维、氧化铝、磷酸钙矿棉、钙硅石、陶瓷、纤维素、碳、棉花、聚酰胺、聚苯并咪唑、聚芳酰胺(polyaramid)、丙烯酸类(acrylic)、酚醛树脂(phenolic)、聚酯、聚乙烯、PEEK、聚丙烯和其它类型的聚烯烃或其混合物。优选的纤维是耐热和防火的，正如不具有可呼吸片(respirablepieces)的纤维那样。纤维也可以是反射红外辐射的类型，例如碳纤维、镀金属纤维或其它合适的红外反射材料的纤维。纤维可以是任何合适长度的单股(individual strands)的形式，可以例如通过将纤维与绝缘基层的其它组分一起喷涂到基材上(例如，通过在喷涂前将纤维与绝缘基层的一种或多种其它组分混合，或通过单独将纤维喷涂到基材上)，而将其涂布。可供选择的是，纤维可以为网幅(webs)或网眼(netting)形式，其可以例如涂布到基材上，而绝缘基层的其它组分可以喷涂、涂覆或以其它方式涂布到网幅或网眼上。可以以足够赋予具体用途的所需量的机械强度的任何量使用纤维，在该用途中将使用耐热气凝胶绝缘复合材料。典型地，基于绝缘基层的重量，在绝缘基层中纤维的存在量为大约0.1-50重量％，理想地为大约1-20重量％，例如大约2-10重量％。
耐热气凝胶绝缘复合材料的热反射面层包含保护粘合剂。热反射面层为耐热气凝胶绝缘复合材料赋予了更高的机械强度和/或防止绝缘基层由于一种或多种环境因素(例如热、湿度、磨损、冲击等)而降解。因此，热反射面层优选为基本上或完全不含气凝胶颗粒，该颗粒易于降低热反射层的强度。基本不含气凝胶颗粒指热反射层含有的气凝胶颗粒量为大约20体积％或更低，例如大约10体积％或更低，或甚至大约5体积％或更小(例如大约1体积％或更低)。保护粘合剂可以是抵抗具体条件(例如热、应力、湿度等)的任何合适的粘合剂，耐热气凝胶绝缘复合材料将暴露于该条件下。因此，粘合剂的选择将部分取决于耐热气凝胶绝缘复合材料所需的具体性能。保护粘合剂可以与绝缘基层的含水粘合剂相同或不同。合适的粘合剂包括含水和不含水的天然和合成粘合剂。这类粘合剂的实例包括适用于绝缘基层的任何前述的含水粘合剂，以及不含水的粘合剂。优选的粘合剂为含水粘合剂，例如含水丙烯酸类粘合剂。特别优选的是自交联粘合剂(self-crosslinking binders)，例如自交联丙烯酸类粘合剂。
红外反射剂可以是反射或以其它方式阻挡红外辐射的任何化合物或组合物，包括遮光剂，例如碳黑、碳纤维、二氧化钛(金红石)和金属和非金属颗粒、纤维、颜料及其混合物。优选的红外反射剂包括金属颗粒、颜料和糊状物(pastes)，例如铝、不锈钢、铜/锌合金以及铜/铬合金。特别优选铝颗粒、颜料和糊状物。为了防止红外反射剂在保护粘合剂中沉降，热反射面层有利地包含抗沉降剂。合适的抗沉降剂包括市售热解的(fumed)金属氧化物、粘土和有机悬浮剂。优选的抗沉降剂是热解的金属氧化物，例如热解二氧化硅和粘土，例如锂蒙脱石。热反射层也可以包含润湿剂，例如非发泡的表面活性剂。
热反射面层的优选配方包含增强纤维。增强纤维可以对热反射面层和相应地对耐热绝缘复合材料提供额外的机械强度。可以使用任何合适的纤维，例如玻璃纤维、氧化铝、磷酸钙矿棉、钙硅石、陶瓷、纤维素、碳、棉花、聚酰胺、聚苯并咪唑、聚芳酰胺、丙烯酸类、酚醛树脂、聚酯、聚乙烯、PEEK、聚丙烯和其它类型的聚烯烃或其混合物。优选的纤维是耐热和防火的，正如不具有可呼吸片的纤维那样。纤维也可以是反射红外辐射的类型，并可以结合或代替前述的红外反射剂。例如，可以使用碳纤维或镀金属纤维，其提供加强和红外反射性。纤维可以是任何合适长度的单股的形式，可以例如通过将纤维与绝缘基层的其它组分喷涂到基材上(例如，通过在喷涂前将纤维与热反射层的一种或多种其它组分混合，或通过单独将纤维喷涂到基材上)，而将其涂布。可供选择的是，纤维可以为网幅或网眼形式，其可以例如涂布到基材上，而热反射层的其它组分可以喷涂、涂覆或以其它方式涂布到网幅或网眼上。可以以足够赋予具体用途的所需量的机械强度的任何量使用纤维，在该用途中将使用耐热气凝胶绝缘复合材料。典型地，基于热反射层的重量，在热反射面层中纤维的存在量为大约0.1-50重量％，理想地为大约1-20重量％，例如大约2-10重量％。
热反射面层的厚度将部分取决于所需要的保护程度和强度。虽然热反射面层可以为任何厚度，一般希望将耐热气凝胶绝缘复合材料的厚度保持在最小，因此希望降低热反射面层的厚度至对具体应用提供足够保护所需要的最小量。通常，厚度大约1毫米或更低的热反射面层可以提供足够的保护。
耐热气凝胶绝缘复合材料的热导率将主要取决于绝缘基层的具体配方，虽然热反射涂层的配方也有某些影响。优选，配制耐热气凝胶绝缘复合材料，以便其热导率为大约40mW/(m·K)或更低，更优选大约35mW/(m·K)或更低，或甚至大约30mW/(m·K)或更低。
术语“耐热”当其用以描述本发明的气凝胶绝缘复合材料时，指气凝胶绝缘复合材料在高热条件下将基本上不降解。如果，在暴露于如实施例1中所述的高热条件下1小时后，气凝胶绝缘复合材料保留了至少大约85％，优选至少大约90％，更优选至少大约95％，，或甚至至少大约98％或全部其初始质量，则该气凝胶绝缘复合材料被认为是在本发明的意义内耐热。具体地，使用连接到热空气吹风机(HG3002 LCD，由Steinel GmbH，Germany制造)的250W加热元件(IRB，由Edmund Buhler GmbH，Germany制造)，并围绕该装置布置薄铝板以形成通道(tunnel)，来提供高热条件。气凝胶绝缘复合材料暴露于该高热条件(面向加热元件的热反射层)下，距加热元件大约20毫米的距离，其中热空气吹风机(在完全吹风机设定和最低热量设定下)在加热元件和气凝胶绝缘复合材料间提供连续的空气流动。理想地，耐热气凝胶绝缘复合材料在此条件下没有可见的降解。
当耐热气凝胶绝缘复合材料要在一定的可燃性分级(flammabilityclassification)条件下使用时，例如当其将暴露于明火焰(open-flames)或极度高温条件下时，气凝胶绝缘需要包括合适的阻燃剂(fire retardant)。阻燃剂可以包含于耐热气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层和/或热反射面层内。合适的阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁、多磷酸铵和各种含磷物质和其它市售阻燃剂和膨胀剂(intumescent agents)。
耐热气凝胶绝缘复合材料(气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层和/或热反射层)可以还包括其它组分，例如本领域已知的任何添加剂。这种添加剂的实例包括流变控制剂和增稠剂，例如热解二氧化硅、聚丙烯酸酯、聚羧酸、纤维素聚合物以及天然树胶、淀粉和糊精。其它添加剂包括溶剂和共溶剂(cosolvent)、蜡、表面活性剂和固化和交联剂，如果需要的话，条件是它们的用量不引起粘合剂系统以任何显著程度地渗透疏水气凝胶颗粒。
制备耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物的方法
本发明还提供制备耐热气凝胶绝缘复合材料的方法，该方法包括或基本组成为或由下列步骤组成：(a)在基材上提供绝缘基层，和(b)将热反射面层涂布到绝缘基层的表面，上述绝缘基层包括或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒、含水粘合剂和任选的发泡剂组成，该热反射面层包括或基本组成为或由保护粘合剂和红外反射剂组成。根据该方法制备的耐热气凝胶绝缘复合材料的各种成分如前所述制备。
可以使用任何合适的方法提供绝缘基层。例如，可以通过任何合适的方法合并疏水气凝胶颗粒和含水粘合剂，以形成气凝胶粘合剂组合物，然后将其涂布到基材上以形成绝缘基层，例如通过将气凝胶粘合剂组合物涂覆或喷涂到基材上。
但是，优选通过本发明的另一方法得到绝缘基层。具体地，通过以下步骤提供绝缘基层：(a)提供粘合剂组合物，该粘合剂组合物包括或基本组成为或由含水粘合剂和发泡剂组成，(b)搅拌粘合剂组合物以提供泡沫粘合剂组合物，(c)将泡沫粘合剂组合物与疏水气凝胶颗粒合并，以提供气凝胶粘合剂组合物，和(d)将气凝胶粘合剂组合物涂布到基材上，以提供绝缘基层。可供选择的是，可以通过下述步骤获得绝缘基层：(a)提供粘合剂组合物，该组合物包括或基本组成为或由含水粘合剂和任选的发泡剂组成，以提供粘合剂组合物，(b)提供气凝胶组合物，该组合物包括或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒组成，和(c)同时将粘合剂组合物和气凝胶组合物涂布到基材上，其中该粘合剂组合物与气凝胶组合物混合，以提供绝缘基层。气凝胶组合物包含或基本组成为或由前述的疏水气凝胶颗粒和任选的合适的载体(vehicle)组成。粘合剂组合物和/或气凝胶组合物可以根据本发明(例如一起或单独地)涂布到基材上，通过任何合适的方法，例如通过涂覆或优选地将气凝胶粘合剂组合物或其组分喷涂到基材上。“同时涂布”指气凝胶组合物和粘合剂组合物在同时单独地输送到基材上，其中气凝胶组合物和粘合剂组合物在输送过程中混合(例如在流路(flow path)中或在基材表面上混合)。可以通过例如同时将气凝胶组合物和粘合剂组合物喷涂到基材上，借此气凝胶组合物和粘合剂组合物经过单独的流路输送，而完成“同时涂布”。流路可以在喷涂设备中合并，使得将合并的气凝胶-粘合剂组合物输送到基材上，或流路可以是完全分离的，使得直至各个组合物到达基材，气凝胶组合物才与粘合剂组合物合并。
在这方面，本发明提供了制备气凝胶粘合剂组合物的方法，以及由此方法制备的组合物，其可以用来提供耐热气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层，或可以用于其它目的。具体地，用于制备气凝胶粘合剂组合物的方法包括或基本组成为或由以下步骤组成：(a)提供粘合剂组合物，该组合物包括或基本组成为或由含水粘合剂和发泡剂组成，(b)搅拌粘合剂组合物，以提供泡沫粘合剂组合物，和(c)将泡沫粘合剂组合物与疏水气凝胶颗粒合并，以提供气凝胶粘合剂组合物。可供选择的是，根据本发明，可以通过以下方法制备气凝胶粘合剂组合物，该方法包括或基本组成为或由以下步骤组成：(a)提供粘合剂组合物，该组合物包括或基本组成为或由含水粘合剂和任选的发泡剂组成，(b)提供气凝胶组合物，该组合物包括或基本组成为或由疏水气凝胶颗粒组成，和(c)同时将粘合剂组合物和气凝胶组合物涂布到基材上，在基材之上混合粘合剂组合物与气凝胶组合物，以提供气凝胶粘合剂组合物。
根据这些工艺步骤，通过合并疏水气凝胶颗粒和粘合剂组合物，可以提供具有理想的(如果不是独特的)性能的气凝胶粘合剂组合物，该气凝胶组合物是本发明的又一个方面。具体地，不希望被任何具体理论束缚，根据本发明制备的气凝胶粘合剂组合物表现出“浸湿”(wet-out)气凝胶颗粒的倾向性低，由此增加了气凝胶粘合剂组合物的热导率。而且，本发明的方法使得能够使用高的气凝胶与粘合剂比例，这增强了气凝胶粘合剂组合物的热性能，并降低了气凝胶粘合剂组合物的密度。另外，本发明的方法提供了可喷涂的气凝胶粘合剂组合物，导致涂布和使用气凝胶粘合剂组合物的灵活性。此处的疏水气凝胶颗粒、粘合剂组合物和发泡剂与上文针对气凝胶绝缘组合物的描述一致。
虽然优选通过搅拌或混合使粘合剂(单独或与发泡剂结合)发泡，可以使用其它发泡方法。例如，可以使用压缩气体或推进剂将粘合剂发泡，或可以通过使粘合剂经过喷嘴(例如产生高剪切或湍流的喷嘴)，使粘合剂发泡。
可以通过任何合适的方法，将耐热气凝胶绝缘复合材料的热反射面层涂布到绝缘基层的表面。热反射面层的组分如上文所述。优选地，在混合下合并热反射面层的组分，以提供热反射涂层组合物，然后通过任何合适的方法，例如通过涂覆或喷涂，将其施用到绝缘基层的表面。
虽然可以使用胶粘剂或偶联剂将热反射面层粘附到绝缘基层上，根据本发明该胶粘剂不是必须的，因为在绝缘基层或热反射面层中的粘合剂提供了理想的粘合。优选当绝缘基层湿润时，将热反射面层涂布到绝缘基层上，但也可以在绝缘基层已经干燥后再涂布。气凝胶绝缘复合材料(例如气凝胶绝缘复合材料的绝缘基层和/或热反射面层)或气凝胶粘合剂组合物可以在环境条件下或通过加热例如在烘箱中干燥。
用途和终端使用
本发明的耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物，以及制备它们的方法，当然可以用于任何适当的目的。但是，本发明的耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物特别适用于需要绝缘的应用，在应用模式中，其提供热稳定性、机械强度和/或柔韧性(flexibility)。例如，根据优选的配方，特别是可喷涂的配方，耐热气凝胶绝缘复合材料可用于将表面与高温隔绝，并能够容易地涂布到表面上，否则该表面用通常方法难以保护或很昂贵。该用途的实例包括机动化交通工具和装置的各种部件，例如机舱(enginecompartment)、防火墙(firewall)、燃料罐(fuel tank)、驾驶杆、油盘、行李箱(trunk)、备用轮胎或机动化交通工具或装置的任何其它部件。耐热气凝胶绝缘复合材料特别适合于机动化交通工具车身底板(underbody)的绝缘，特别作为接近排气系统的部件的防护罩。当然，本发明的耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物也可以用于在许多其它用途中提供绝缘。例如，耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物可以用于绝缘管、壁、和加热或冷却导管。虽然耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物的优选配方为可喷涂配方(sprayable formulations)，耐热气凝胶绝缘复合材料和气凝胶粘合剂组合物也可以被挤出或模塑(molded)，以提供绝缘制品，例如瓷砖(tiles)、面板(panels)或各种成型制品。在这方面，本发明也提供基材，例如任何前述的那些，包括本发明的耐热气凝胶绝缘复合材料或气凝胶粘合剂组合物，以及用于绝缘基材的方法，该方法包括使用任何耐热气凝胶绝缘复合材料、气凝胶粘合剂组合物，或制备或使用它们的方法。
下面的实施例进一步解释了本发明，但是当然不应将实施例理解为以任何方式限制本发明的范围。
                        实施例1
该实施例说明了根据本发明制备耐热气凝胶绝缘复合材料及其性能。
通过在常规的混合器中，合并200克含水丙烯酸类粘合剂(LEFASOLTM168/1，由Lefatex Chemie GmbH，Germany制造)、1.7克发泡剂(HOSTAPURTM OSB，由Clariant GmbH，Germany制造)和30克多磷酸铵阻燃剂(EXOLITTM AP420，由Clariant GmbH，Germany制造)，而制备气凝胶粘合剂组合物。混合该气凝胶粘合剂组合物直至获得3dm3泡沫粘合剂组合物。接着，在搅拌下缓慢加入100克不透明的疏水气凝胶珠粒(NANOGELTMbeads，由Cabot Nanogel GmbH，Germany制造)以保持3dm3的体积，从而提供气凝胶-粘合剂组合物。
通过合并具有22.6克热解二氧化硅抗沉降剂(CAB-O-SPERSETM，由Cabot Corporation，Massachusetts制造)的58克含水丙烯酸类粘合剂(WORLEECRYL TM 1218，由Worlee Chemie GmbH，Germany制造)和19.4克铝颜料糊状物作为红外反射剂(STAPATM Hydroxal WH 24 n.l.，由EckartGmbH，Germany制造)而制备热反射涂层组合物。使用磁力搅拌器轻轻搅拌该组合物。
从汽车车身底板的模塑部分切下四个方形(10厘米×10厘米)热塑性模制品的实验板。留下第一个实验板(样板1A)不覆盖。用常用铝质热防护罩隔离第二个实验板(样板1B)，该防护罩为用于保护汽车车身底板免受排气系统的热量侵害的类型。第三个实验板(样板1C)用气凝胶粘合剂组合物涂覆。第四个实验板(样板1D)用气凝胶粘合剂组合物涂覆以提供基础绝缘层(baseinsulation layer)，以及热反射组合物以提供热反射面层，由此提供耐热气凝胶绝缘复合材料。通过常用的喷涂技术，将该气凝胶粘合剂组合物和热反射组合物涂布到实验板上。在油漆干燥箱中在130℃下干燥2小时。
然后，将4片热塑性模塑品的每一个暴露于连接到热空气吹风机(HG3002 LCD，由Steinel GmbH，Germany制造)的250W加热元件(IRB，由Edmund Buhler GmbH，Germany制造)。该加热元件垂直安装，而实验板垂直地保持在离热表面约20毫米处；软木(corks)被用作隔板。设定热空气吹风机的出口，以便离加热元件大约12厘米，并布置其以便在加热器表面和实验板(完全设定)之间提供连续的空气流动。围绕该装置，布置三个薄的长方形铝制样板(40×20厘米)以便形成通道。使用散热片油脂(heat-sink grease)，将温度探针放置在与实验板的后面接触处，以确保良好的热接触。实验板的温度显示在数字温度计上。实验板暴露于加热元件，直至温度稳定或直至可以看见严重的热损坏。结果示于下表1。
表1
样板 样品 温度(℃)  加热时间 观察
1A 塑料 142*  10分钟 发生塑料的分解
1B 塑料和常规的铝质热防护罩 39  1小时 没有可见分解
1C 用气凝胶粘合剂组合物涂覆的塑料 66  30分钟 发生含气凝胶的层的分解
1D 用气凝胶绝缘复合材料涂覆的塑料 46  2.5小时 没有可见分解
*在达到稳定温度前结束了该实验，因为塑料片开始非常明显地分解。
结果表明，没有防护罩或涂层，热塑性样品(样板1A)由于热而快速破坏。而且，单独含气凝胶的层(没有热反射面层)(样板1C)在高热条件下分解，虽然在样板的背部上达到的温度仅为大约66℃。常规铝制热防护罩(样板1B)和本发明的气凝胶复合材料系统(样品1D)防止热塑性样品的热破坏并使温度相对较低。
                        实施例2
下面的实施例说明了根据本发明的耐热气凝胶绝缘复合材料的制备及其热导率。
气凝胶粘合剂组合物制备如下：在常用混合器中，在中速下合并200克含水丙烯酸类粘合剂(LEFASOLTM，由Lefatex Chemie GmbH，Germany制造)、30克磷酸铵阻燃剂(EXOLITTM AP420，由Clariant GmbH，Germany制备)和1.7克发泡剂(HOSTAPURTM OSB，由Clariant GmbH，Germany制造)，直至完全发泡。然后将100克不透明的气凝胶颗粒(NANOGELTM beads，由CabotNanogel GmbH，Germany制造)缓慢加入到泡沫粘合剂组合物中，以提供气凝胶粘合剂组合物。
通过合并13.0克铝颜料(CHROMAL XTM，由Eckart GmbH，Germany制造)、27.3克去离子水和55.6克丙烯酸类粘合剂(组合物2A-WORLEECRYLTM1218，由Worlee Chemie GmbH，Germany制造；组合物2B-LEFASOLTM，由Lefatex Chemie GmbH，Germany制造)制备两种热反射涂层组合物(涂层组合物2A和2B)。
用铝箔覆盖20×20厘米的部分用于制备样品。通过使用喷枪，在4巴压力下将气凝胶粘合剂组合物喷涂到该部分上，而制备第一样品(样品2A)。之后立刻使用喷枪，在2巴压力下，将组合物2A喷涂到气凝胶粘合剂组合物的表面。以同样步骤，制备第二样品(样品2B)，但是使用组合物2B。该样品的厚度为约12毫米。该样品在130℃下干燥超过90分钟，使用LAMDACONTROLTM A50热导率仪器(由Hesto Elektronik GmbH，Germany制造)测量各个样品的热导率。在进行初始热导率测量后，将涂层组合物2A的第二涂料涂布到样品2A上，并测量第二热导率。结果示于表2。
表2
 样品 热导率[mW/(m·K)]
 2A 32.0
 2A(两次涂覆) 32.3
 2B 31.5
这些结果证明了可以通过本发明制备具有低热导率的气凝胶复合材料。
在此引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)由此作为参考引入，该引入如同各个参考文献被单独和具体地指明为引入作为参考并以其全部内容说明的那样。
在描述本发明的情况下(特别在权利要求中)，所使用的术语“一”和“该”以及相似的指示应解释为包括单数和复数形式，除非这里另外指明或明确与上下文相矛盾。术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”应理解为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另外说明。此处数值范围的描述仅意图作为单独涉及在此范围内的各个独立数值的速记法，除非另外指明，而且将各个单独数值引入说明书中，如同在本文中将其单独描述那样。所有此处描述的方法可以以任何合适的顺序进行，除非此处另外指明或明确与上下文相矛盾。使用此处给出的任何或所有实施例或举例性语言(例如“例如”)，仅仅用于更好地解释本发明，并不对本发明的范围进行限制，除非另外声明。说明书中的语言不应当解释为表明任何未要求保护元素的对实施本发明是必要的。
本文中描述了本发明的优选实施方式，包括本发明人已知的用于进行本发明的最佳模式。在阅读前述描述时，那些优选实施方式的变体对本领域普通技术人员是很明显的。本发明人预期熟练技术人员可适当地使用这类变体，并且本发明人意图用此处具体描述以外的方式实施本发明。因此，本发明包括可适用的法律所允许的权利要求中所述的主题的所有修改和等价物。而且，在其所有可能的变体中上述元素的任何结合都包含在本发明中，除非此处另外指明或明确与上下文相矛盾。

Claims (81)

1.一种耐热气凝胶绝缘复合材料，其包括
(a)包含疏水气凝胶颗粒和含水粘合剂的绝缘基层，和
(b)包含保护粘合剂和红外反射剂的热反射面层。
2.权利要求1的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约0.1-3毫米。
3.权利要求2的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约0.5-2mm。
4.权利要求3的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中至少大约95％的疏水气凝胶颗粒(重量)的粒径为大约0.5-2毫米。
5.权利要求1-4中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述疏水气凝胶颗粒包含不透明剂。
6.权利要求5的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述不透明剂为二氧化钛、碳黑或其混合物。
7.权利要求1-6中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述疏水气凝胶颗粒包含纤维。
8.权利要求1-7中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述疏水气凝胶颗粒为近似球形的。
9.权利要求1-8中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层包含5-99体积％的疏水气凝胶颗粒。
10.权利要求1-9中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层包含发泡剂。
11.权利要求1-10中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层包含1-95体积％的含水粘合剂。
12.权利要求1-11中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述含水粘合剂为丙烯酸类粘合剂、含硅氧烷的粘合剂、酚醛树脂粘合剂或其混合物。
13.权利要求12的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述含水粘合剂为丙烯酸类粘合剂。
14.权利要求1-13中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述含水粘合剂为泡沫粘合剂。
15.权利要求1-14中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层还包含阻燃剂。
16.权利要求1-15中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层为大约1-10毫米厚。
17.权利要求1-16中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层的热导率为大约40mW/(m·K)或更低。
18.权利要求1-17中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述绝缘基层的密度为大约0.5克/厘米3或更低。
19.权利要求1-18中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述保护粘合剂为丙烯酸类粘合剂、含硅氧烷的粘合剂、酚醛树脂粘合剂、或其混合物。
20.权利要求19的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述保护粘合剂为丙烯酸类粘合剂。
21.权利要求1-20中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述保护粘合剂为交联的粘合剂。
22.权利要求1-21中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述热反射面层还包含抗沉降剂。
23.权利要求1-22中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述红外反射剂包含金属颗粒。
24.权利要求23的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述金属颗粒为铝颗粒。
25.权利要求1-24中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述热反射面层还包含阻燃剂。
26.权利要求1-25中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述热反射面层还包含增强纤维。
27.权利要求1-26中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料，其中所述热反射面层还包含碳纤维。
28.权利要求1-27中任一项的耐热气凝胶绝缘组合物，其中所述热反射面层为大约1毫米厚或更低。
29.一种基材，包含权利要求1-28中任一项的耐热气凝胶绝缘复合材料。
30.权利要求29的基材，其中所述基材为机动化交通工具或装置的部件。
31.权利要求30的基材，其中所述基材为机动化交通工具的车身底板或其部分。
32.一种制备耐热气凝胶绝缘复合材料的方法，包括：
(a)在基材上提供包含疏水气凝胶颗粒和含水粘合剂的绝缘基层，和
(b)将包含保护粘合剂和红外反射剂的热反射面层涂布到所述绝缘基层的表面上。
33.权利要求32的方法，其中所述绝缘基层是通过下列步骤得到的：
(a)提供包含含水粘合剂和发泡剂的粘合剂组合物，
(b)搅拌该粘合剂组合物以提供泡沫粘合剂组合物，
(c)合并所述泡沫粘合剂组合物和疏水气凝胶颗粒，以提供气凝胶粘合剂组合物，和
(d)将所述气凝胶粘合剂组合物涂布到基材上，以提供绝缘基层。
34.权利要求32的方法，其中所述绝缘基层通过下列步骤得到：
(a)提供包含含水粘合剂的粘合剂组合物，
(b)提供包含疏水气凝胶颗粒的气凝胶组合物，和
(c)同时将所述粘合剂组合物和气凝胶组合物涂布到基材上，其中所述粘合剂组合物与气凝胶组合物混合以提供所述绝缘基层。
35.权利要求32-34中任一项的方法，其中所述绝缘基层为通过喷涂涂布到所述基材上。
36.权利要求32-35中任一项的方法，其中所述面层为通过喷涂涂布到所述绝缘基层的表面上。
37.权利要求32-36中任一项的方法，其中所述面层为在绝缘基层湿润的同时涂布到绝缘基层的表面上。
38.权利要求32-37中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约0.1-3毫米。
39.权利要求38的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约0.5-2毫米。
40.权利要求39的方法，其中至少大约95％的疏水气凝胶颗粒(重量)的粒径为大约0.5-2毫米。
41.权利要求32-40中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒包含不透明剂。
42.权利要求41的方法，其中所述不透明剂为二氧化钛或碳黑。
43.权利要求32-42中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒包含纤维。
44.权利要求32-43中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒为近似球形的。
45.权利要求32-44中任一项的方法，其中所述绝缘基层包含5-99体积％的疏水气凝胶颗粒。
46.权利要求32或34-45中任一项的方法，其中所述绝缘基层包含发泡剂。
47.权利要求32-46中任一项的方法，其中所述绝缘基层包含1-95体积％的含水粘合剂。
48.权利要求32-47中任一项的方法，其中所述含水粘合剂为丙烯酸类粘合剂、含硅氧烷的粘合剂、酚醛树脂粘合剂或其混合物。
49.权利要求48的方法，其中所述含水粘合剂为丙烯酸类粘合剂。
50.权利要求32或34-49中任一项的方法，其中所述含水粘合剂为泡沫粘合剂。
51.权利要求32-50中任一项的方法，其中所述绝缘基层还包含阻燃剂。
52.权利要求32-51中任一项的方法，其中所述绝缘基层为大约1-15毫米厚。
53.权利要求32-52中任一项的方法，其中所述绝缘基层的热导率为大约40mW/(m·K)或更低。
54.权利要求32-53中任一项的方法，其中所述绝缘基层的密度为大约0.5克/厘米3或更低。
55.权利要求32-54中任一项的方法，其中所述保护粘合剂为丙烯酸类粘合剂、含硅氧烷的粘合剂、酚醛树脂粘合剂或其混合物。
56.权利要求55的方法，其中所述保护粘合剂为丙烯酸类粘合剂。
57.权利要求32-56中任一项的方法，其中所述保护粘合剂为交联的粘合剂。
58.权利要求32-57中任一项的方法，其中所述热反射面层还包含抗沉降剂。
59.权利要求32-58中任一项的方法，其中所述红外反射剂包含金属颗粒。
60.权利要求59的方法，其中所述金属颗粒为铝颗粒。
61.权利要求32-60中任一项的方法，其中所述热反射面层还包含阻燃剂。
62.权利要求32-61中任一项的方法，其中所述热反射面层为大约1毫米厚或更低。
63.权利要求32-62中任一项的方法，其中所述热反射面层还包含增强纤维。
64.权利要求32-63中任一项的方法，其中所述热反射面层还包含碳纤维。
65.一种制备气凝胶粘合剂组合物的方法，包括：
(a)提供包含含水粘合剂和发泡剂的粘合剂组合物，
(b)搅拌所述粘合剂组合物以得到泡沫粘合剂组合物，和
(c)合并所述泡沫粘合剂组合物和疏水气凝胶颗粒，以提供气凝胶粘合剂组合物。
66.一种制备气凝胶粘合剂组合物的方法，包括：
(a)提供包含含水粘合剂的粘合剂组合物，
(b)提供包含疏水气凝胶颗粒的气凝胶组合物，和
(c)同时将所述粘合剂组合物和气凝胶组合物涂布到基材上，在所述基材上，粘合剂组合物与气凝胶组合物混合，以提供气凝胶粘合剂组合物。
67.权利要求65或66的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约0.1-3毫米。
68.权利要求67的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒的平均粒径(重量)为大约0.5-2毫米。
69.权利要求68的方法，其中至少大约95％的疏水气凝胶颗粒(重量)的粒径为大约0.5-2毫米。
70.权利要求65-69中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒为近似球形的。
71.权利要求65-70中任一项的方法，其中所述气凝胶粘合剂组合物包含5-99体积％的疏水气凝胶颗粒。
72.权利要求65-71中任一项的方法，其中所述气凝胶粘合剂组合物包含0.1-5重量％的发泡剂。
73.权利要求65-72中任一项的方法，其中所述气凝胶粘合剂组合物包含1-95体积％的含水粘合剂。
74.权利要求65-73中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒包含不透明剂。
75.权利要求74的方法，其中所述不透明剂为二氧化钛或碳黑。
76.权利要求65-75中任一项的方法，其中所述疏水气凝胶颗粒包含纤维。
77.权利要求65-76中任一项的方法，其中所述含水粘合剂为丙烯酸类粘合剂、硅氧烷粘合剂、脲甲醛粘合剂或其混合物。
78.权利要求77的方法，其中所述含水粘合剂为丙烯酸类粘合剂。
79.权利要求65-78的方法，其中所述气凝胶粘合剂组合物的热导率为大约40mW/(m·K)或更低。
80.权利要求65-79中任一项的方法，其中所述气凝胶粘合剂组合物的密度为大约0.5克/厘米3或更低。
81.由权利要求65-80中任一项的方法制备的气凝胶粘合剂组合物。
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