DE102017127388A1

DE102017127388A1 - Wärmeisoliermaterial und vorrichtung, die dieses verwendet

Info

Publication number: DE102017127388A1
Application number: DE102017127388.3A
Authority: DE
Inventors: Kazuma Oikawa; Kei Toyota; Shigeaki Sakatani; Daido Kohmyohji; Tatsuhiro Ooshiro; Tooru Wada
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-06-07
Also published as: CN108146028B; CN108146028A; US20180156550A1

Abstract

Eine Aufgabe der Offenbarung besteht in der Bereitstellung von Wärmeisoliermaterialien, die hohe Wärmeisoliereigenschaften, die effektive Wärmeisolierung schaffen, und Flammenhemmung, die die Ausbreitung von Feuer verhindert, kombinieren, sowie Vorrichtungen, die diese verwenden. Zur Lösung dieser Aufgabe sind Wärmeisoliermaterialien vorgesehen, die umfassen: ein Kieselsäurexerogel; ein Kohlenstoffmaterial; Vliesfasern, die das Kieselsäurexerogel und das Kohlenstoffmaterial halten. Ferner sind Vorrichtungen vorgesehen, die das vorstehend beschriebene Wärmeisoliermaterial umfassen, wobei das Wärmeisoliermaterial als ein Teil einer Wärmeisolier- oder Kühlstruktur dient oder zwischen einer wärmeerzeugenden Komponente und einem Gehäuse vorgesehen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet betrifft Wärmeisoliermaterialen und Vorrichtungen, die diese verwenden. Insbesondere betrifft das technische Gebiet flammhemmende Wärmeisoliermaterialien und Vorrichtungen, die diese verwenden.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren ist es auf den Gebieten von Automobilen und industrieller Gerätschaft, die Wärmeströmungen steuern, erforderlich, dass diese, wenn sie sich in begrenzten und schmalen Räumen befinden, Sicherheit und die Fähigkeit des Verhinderns, dass sich Feuer auf benachbarte Bereiche ausbreitet, aufweisen. Aus diesem Grund besteht eine steigende Nachfrage nach nicht herkömmlichen Hochleistungswärmeisoliermaterialien, die ausgezeichnete Wärmeisoliereigenschaften, Flammenhemmung und Wärmebeständigkeit kombinieren, wodurch eine effektive Wärmeisolierung geschaffen wird, selbst wenn diese dünne Formen haben.
Aus diesem Grund wurden flammhemmende Polyurethane entwickelt, die Flammenhemmstoffe umfassen. Für solche flammhemmenden Polyurethane werden beispielsweise bromierte Flammenhemmstoffe verwendet, die im Allgemeinen als Flammenhemmstoffe für Harze verwendet werden. Diese Flammenhemmstoffe basieren auf einem Mechanismus, bei dem die Oberflächen zur Zeit der Verbrennung karboniert werden, so dass ein Fortschreiten der Verbrennung verhindert wird. Die Obergrenzen für deren Arbeitstemperaturen liegen jedoch bei circa 100°C, so dass ein Problem darin besteht, dass sie nicht in einem hohen Temperaturbereich (beispielsweise 100°C oder höher) verwendet werden können ( Japanisches Patent Nummer 5785159 , Veröffentlichung). Außerdem besteht auch ein Problem darin, dass es schwierig ist, diese in dünne Formen mit Dicken, die gleich oder kleiner sind als die Schaumdurchmesser, zu formen, da es sich um Schäume handelt.
Inzwischen sind Kieselsäureaerogele bekannt, die als Wärmeisoliermaterialen dienen. Kieselsäureaerogele haben Netzwerkstrukturen, in denen Kieselsäurepartikel in der Größenordnung von mehreren zehnfachen Nanometern über Punktkontakt verbunden sind und durchschnittliche Porendurchmesser gleich oder kleiner 68 nm sind, was eine mittlere freie Weglänge ist. Dementsprechend sind deren Wärmeleitfähigkeiten geringer als die Wärmeleitfähigkeit von stillstehender Luft.
KURZBESCHREIBUNG
In Kieselsäureaerogelen können organisch veränderte Gruppen jedoch in einer Umgebung mit hohen Temperaturen durch Wärme zersetzt werden, so dass brennbare Gase erzeugt werden können. Deswegen bestehen bei Kieselsäureaerogelen Probleme bezüglich Flammenhemmung und Wärmebeständigkeit.
Somit besteht eine Aufgabe der Offenbarung in der Bereitstellung von Wärmeisoliermaterialien, die hohe Wärmeisoliereigenschaften, die eine effektive Wärmeisolierung schaffen, und Flammenhemmung, die die Ausbreitung von Feuer verhindert, kombinieren, sowie von Vorrichtungen, die diese verwenden.
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe ist gemäß einem Aspekt der Offenbarung ein Wärmeisoliermaterial vorgesehen, das umfasst: ein Kieselsäurexerogel; ein Kohlenstoffmaterial; Vliesfasern, die das Kieselsäurexerogel halten, und das Kohlenstoffmaterial.
Ferner ist gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung eine Vorrichtung vorgesehen, die das vorstehend beschriebene Wärmeisoliermaterial umfasst, wobei das Wärmeisoliermaterial als ein Teil einer Wärmeisolier- oder Kühlstruktur dient oder zwischen einer wärmeerzeugenden Komponente und einem Gehäuse vorgesehen ist.
Da Wärmeisoliermaterialen gemäß der vorliegenden Offenbarung Wärmeleitfähigkeiten haben, die geringer sind als diejenigen, die herkömmliche Wärmeisoliermaterialien aufweisen, können ausreichende Wärmeisolierwirkungen selbst in schmaleren Räumen in elektronischen Vorrichtungen, Vorrichtungen in Fahrzeugen und industrieller Gerätschaft erlangt werden, so dass ein Leiten von Wärme von wärmeerzeugenden Komponenten zu Gehäusen hin effektiv reduziert werden kann. Außerdem besitzen, da die Wärmeisoliermaterialien gemäß der Offenbarung eine ausreichende Flammenhemmung haben, diese Wärmeisoliermaterialen Wirkungen von Feuerausbreitungsverhinderung, die es ermöglichen, eine Ausbreitung von Feuer zu verhindern, das möglicherweise bei Phänomenen von Durchgehen oder Brand entsteht.
Figurenliste

1A und 1B sind Schnittansichten von flammhemmenden Wärmeisoliermaterialien gemäß Ausführungsformen.
2 ist ein Diagramm, das eine Zwei-Komponentenschicht zeigt, die ein Kieselsäurexerogel und ein Kohlenstoffmaterial in einer Ausführungsform umfasst.
3 ist eine Drei-Komponenten-Verbundschicht, die ein Kieselsäurexerogel, ein Kohlenstoffmaterial und Vliesfasern in einer Ausführungsform umfasst.
4A bis 4F sind Diagramme, die Kohlenstoffmaterialien in Ausführungsformen zeigen.
5 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung eines flammhemmenden Wärmeisoliermaterials gemäß einer Ausführungsform beschreibt.
6A und 6B sind Diagramme, die einen Schritt in einer Ausführungsform zeigen, in dem Vliesfasern mit einer Kohlenstoffmaterialdispersion imprägniert werden.
7 ist ein Diagramm, das ausführliche Bedingungen und Auswertungsergebnisse für Beispiele und Vergleichsbeispiele zeigt.
8 ist ein Diagramm, das SEM-Bilder von Querschnitten von Wärmeisoliermaterialien zeigt, die in BEISPIEL 1 und in VERGLEICHSBEISPIEL 1 hergestellt werden.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Nächstes werden Ausführungsformen gemäß der Offenbarung mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
<Beispiele für Strukturen von Wärmeisoliermaterialien 108>
1A und 1B sind Schnittansichten von flammhemmenden Wärmeisoliermaterialien 108 gemäß Ausführungsformen.
Das in 1A gezeigte Wärmeisoliermaterial umfasst eine Drei-Komponenten-Verbundschicht 103, eine Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 und eine Ein-Komponenten-Verbundschicht 101.
Die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 umfasst ein Kieselsäurexerogel 115, ein Kohlenstoffmaterial 114 und Vliesfasern 116.
Die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 umfasst keine Vliesfasern 116 und umfasst Kieselsäurexerogele 115 und ein Kohlenstoffmaterial 114. Die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 ist auf der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 angeordnet.
Die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 ist aus dem Kieselsäurexerogel 115 gebildet.
Das Kieselsäurexerogel 115, das Kohlenstoffmaterial 114 und die Vliesfasern, die in jeder der Schichten umfassen sind, können die gleichen sein. Es können jedoch auch andere Arten von Materialien dafür verwendet werden.
Eine Rolle jeder der Schichten ist nachstehend beschrieben.
Die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 dient als eine Hauptschicht des Wärmeisoliermaterials 108 und ist die dickste der drei Schichten. Die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 enthält als einen Hauptinhaltsstoff das Kieselsäurexerogel 115 und bestimmt die Wärmeisolationsleistung des Wärmeisoliermaterials 108. Außerdem trägt das Kohlenstoffmaterial, das einer der in der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 enthaltenen Inhaltsstoffe ist, zur Flammenhemmung bei, während die Vliesfasern 116 als ein Träger dienen, der ermöglicht, dass das Wärmeisoliermaterial 108 eine selbstständige Struktur ist.
Die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 bestimmt eine Flammenhemmleistung des Wärmeisoliermaterials 108. Die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 ist dünner als die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103. Die Konzentration des in der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 vorhandenen Kohlenstoffmaterials 114 ist jedoch höher als die Konzentration des in der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 vorhandenen Kohlenstoffmaterials 114. Dementsprechend reagiert das in der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 vorhandene Kohlenstoffmaterial 114 mit in der Atmosphäre vorhandenem O₂, wodurch eine größere Menge von CO₂ erzeugt wird. Das erzeugte CO₂ verdünnt Brenngase und trägt zur Flammenhemmung bei.
Die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 umfasst das Kieselsäurexerogel 115 und ist dünner als die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103. Die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 gewährleistet eine Glätte der Oberfläche des Wärmeisoliermaterials 108. Wenn die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 nicht ausreichend glatt ist, wird der Kontaktwiderstand größer, was die Wärmeisolierleistung des Wärmeisoliermaterials 108 beeinflussen kann. Die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 ist vorgesehen, um eine Glätte der Oberfläche des Wärmeisoliermaterials 108 zu gewährleisten.
Andererseits zeigt 1B ein Wärmeisoliermaterial 108, das eine Dreischichtenstruktur hat, in der eine Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 zwischen Zwei-Komponenten-Verbundschichten 102 vorgesehen ist.
In 1B ist die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 auf beiden Seiten vorhanden. Deshalb werden, selbst wenn entweder die Vorderseite oder die Rückseite des Wärmeisoliermaterials 108 in Kontakt mit Feuer kommt, hohe Konzentrationen von CO₂ von beiden Seiten erzeugt. Somit kann eine effektive Flammenhemmung geschaffen werden.
In 1A ist eine Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 nur auf einer Seite vorhanden. In Fällen, in denen eine Verwendung erwartet wird, in der nur die eine Seite möglicherweise in Kontakt mit Flammen kommt, ist eine solche Struktur gemäß 1A vorzuziehen.

Die Komponenten gemäß 1A und 1B sind in Tabelle 1 beziehungsweise Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 1

Schicht	Komponenten
Zwei-Kom ponenten-Verbundschicht 102	Enthält keine Vliesfasern 116, aber enthält ein Kieselsäurexerogel 115 und ein Kohlenstoffmaterial 114
Drei-Kom ponenten-Verbundschicht 103	Enhält ein Kieselsäurexerogel 115, ein Kohlenstoffmaterial 114 und Vliesfasern116
Ein-Kom ponenten-Verbundschicht 101	Enhält keine Vliesfasern 116, aber enthält ein Kieselsäurexerogel 115

Tabelle 2

Schicht	Komponenten
Zwei-Kom ponenten-Verbundschicht 102	Enhält keine Vliesfasern 116, aber enthält ein Kieselsäurexerogel 115 und ein Kohlenstoffmaterial 114
Drei-Kom ponenten-Verbundschicht 103	Enthält ein Kieselsäurexerogel 115, ein Kohlenstoffmaterial 114 und Vliesfasern 116
Ein-Kom ponenten-Verbundschicht 101	Enthält keine Vliesfasern 116, aber enthält ein Kieselsäurexerogel 115

Gemäß den vorstehend beschriebenen Strukturen können Füllraten von Kieselsäurexerogelen 115 in den Drei-Komponenten-Verbundschichten 103 erhöht werden, um ausreichende Wärmeisoliereigenschaften zu gewährleisten.
<Verteilung von Kohlenstoff>
Die Konzentrationen von Kohlenstoffmaterialien 114 in der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102, der Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 und der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 sind unterschiedlich. Die Konzentration von Kohlenstoffmaterialien 114 in der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 ist am höchsten und die Konzentration von Kohlenstoffmaterialien 114 in der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 ist am zweithöchsten. Im Grunde umfasst die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 keine Kohlenstoffmaterialien 114.
Außerdem variiert die Konzentration von Kohlenstoffmaterialien 114 vorzugsweise auch innerhalb der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 in die Dickerichtung. Das bedeutet, die Konzentration von Kohlenstoffmaterialien 114 kann in die Richtung der oberen Seite höher werden und kann in die Richtung der unteren Seite geringer werden, so dass es einen Konzentrationsgradienten davon in die vertikale Richtung gibt. Außerdem bezieht sich die obere Seite auf eine Oberfläche des Wärmeisoliermaterials 108, die möglicherweise in Kontakt mit Flammen kommt.
Wenn eine hohe Konzentration des Kohlenstoffmaterials 114 gleichmäßig darin verteilt ist, werden Kohlenstoffpartikel in die Dickerichtung miteinander verbunden, so dass Wärmeleitfähigkeitspfade gebildet werden können, wodurch die Wärmeleitfähigkeit erhöht wird. In einem solchen Fall wären die Wärmeisoliereigenschaften des Wärmeisoliermaterials 108 schlechter, so dass dies nicht vorzuziehen ist.
Außerdem trägt das Kohlenstoffmaterial 114, das sich in dem Wärmeisoliermaterial 108 befindet, nicht zur Erzeugung von Kohlenstoffdioxid bei.
Aus diesem Grund befindet sich zur Kombination von ausreichenden Wärmeisoliereigenschaften (Wärmeleitfähigkeit) und Flammenhemmung das Kohlenstoffmaterial 114 vorzugsweise auf der einen Seite mit einer höheren Konzentration, anstatt dass das Kohlenstoffmaterial 114 darin gleichmäßig verteilt ist.
<Wärmeleitfähigkeit>
Eine Wärmeleitfähigkeit der Vliesfasern kann im Bereich von 0,030 bis 0,060 W/mK liegen. Eine Wärmeleitfähigkeit eines Verbundes, der das Kieselsäurexerogel 115 und das Kohlenstoffmaterial 114 umfasst, kann in einem Bereich von 0,010 bis 0,015 W/mK liegen. Folglich kann eine Wärmeleitfähigkeit des Wärmeisoliermaterials 108 im Bereich von 0,014 bis 0,024 W/mK liegen.
<Herkömmliche Wärmeisoliermaterialien>
Herkömmliche Wärmeisoliermaterialien, die ein Kieselsäurexerogel 115 und Vliesfasern 116 umfassen, haben eine Struktur, in der nur eine Zwei-Komponenten-Verbundschicht, die das Kieselsäurexerogel 115 umfasst, und die Vliesfasern 116 vorhanden sind. Folglich entstehen leicht Risse.
Oberflächen von Kieselsäurepartikel, die das Kieselsäurexerogel 115 bilden, sind organisch verändert und weisen somit Hydrophobie auf. Das Kieselsäurexerogel 115 wird jedoch auf eine hohe Temperatur erwärmt, d.h. 300°C oder höher, die organisch veränderten Gruppen werden thermisch zersetzt, so dass Trimethylsilanol und dergleichen als große Mengen von Brenngasen zerfallen.
Da herkömmliche Wärmeisoliermaterialien keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen, können solche Brenngase als Brennverstärker wirken. Beispielsweise sind Substrate aus aus C-Glas hergestellten Glaspapieren nicht von selber brennbar. Kieselsäurexerogele 115 mit großen spezifischen Flächenbereichen (800 m²/g oder höher) werden jedoch mit den Glaspapieren kombiniert und große Mengen von aus den Kieselsäurexerogelen 115 erzeugten Brenngasen können Feuer fangen, so dass die Glaspapiere aus C-Glas verbrennen können. C-Glas hat im Vergleich zu E-Glas eine geringere Wärmebeständigkeit und schrumpft oder verformt sich, wenn es auf 750°C oder höher erhitzt wird, wobei dies jedoch von dem Einheitsgewicht abhängt.
<Struktur der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102>
Eine Feinstruktur der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 ist in 2 gezeigt.
In dem Kieselsäurexerogel 115 sind sekundäre Kieselsäurepartikel 112, die durch Aggregation von primären Kieselsäurepartikeln 111 erzeugt werden, durch Punktkontakt miteinander verbunden, so dass das Kieselsäurexerogel 115 als eine poröse Struktur mit Poren 113 in der Größenordnung von mehreren zehnfachen Nanometern gebildet wird. Das Kohlenstoffmaterial 114 wurde in ein dreidimensionales Netzwerk des Kieselsäurexerogels 115 integriert. Das Kohlenstoffmaterial 114 kann durch kovalente Verbindungen oder auf intramolekularen Kräften basierend mit den primären Kieselsäurepartikeln 111 oder den sekundären Kieselsäurepartikeln 112 verbunden sein.
<Struktur der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103>
3 ist eine perspektivische Ansicht der Drei-Komponenten-Verbundschicht, die das Kieselsäurexerogel 115, das Kohlenstoffmaterial 114 und Vliesfasern 116 umfasst. Wie in 3 gezeigt, existiert in der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 das Kohlenstoffmaterial 114 in einem Zustand, in dem das Kohlenstoffmaterial 114 auf Grundlage von elektrostatischer Interaktion auf Oberflächen der Vliesfasern 116 adsorbiert ist. Wenn das Wärmeisoliermaterial in Kontakt mit Flammen gebracht wird oder einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt wird, beispielsweise 300°C oder höher, reagiert das Kohlenstoffmaterial 114 mit O₂ in der Atmosphäre, so dass CO₂ erzeugt wird, wodurch zur Entwicklung der Flammenhemmung beigetragen wird. Das bedeutet, das Kohlenstoffmaterial 114 dient als ein Flammenhemmstoff.
<Kohlenstoffmaterial 114>
Das in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Kohlenstoffmaterial 114 hat mindestens eine kondensierte Ringverbindung mit Aromatizität und reagiert mit O₂ in der Atmosphäre, so dass CO₂ bei einer hohen Temperatur, beispielsweise 300°C oder höher, erzeugt wird. Bezüglich der Bedingungen dafür, dass das Kohlenstoffmaterial 114 bei 300°C oder höher CO₂ erzeugt, kann es beispielsweise erforderlich sein, dass keine Art von Schmelzen, Thermozersetzung und Sublimation in dem Prozess der Temperaturerhöhung auf 300° bewirkt wird (Thermostabilität), und kann es erforderlich sein, dass das Kohlenstoffmaterial 114 sp Kohlenstoff (Dreifachbindung) und sp2 Kohlenstoff (Doppelbindung) umfasst, die leicht mit O₂ in der Atmosphäre reagieren. Eine kondensierte Ringverbindung mit Aromatizität, die diese Bedingungen erfüllt, wird vorzugsweise für das Kohlenstoffmaterial 114 verwendet.
4A bis 4F zeigen Beispiele für Strukturen von Kohlenstoffmaterialien 114, die in den vorliegenden Ausführungsformen verwendet werden können. Das bedeutet, ein in 4A gezeigtes Fulleren 118, ein in 4B gezeigtes Graphen 119, eine in 4C gezeigte Kohlenstoffnanoröhre 120, ein in 4D gezeigtes elektrisch leitendes Polymer 121 (beispielsweise Polypyrrole, Polyaniline, Polythiophene und Polyacetylene), ein in 4E gezeigtes Polyacen 122 (beispielsweise Polyacen, wobei n=1, Naphthacen, wobei n=2, und Pentacen, wobei n=3) und in 4F gezeigter Ruß 123 können dafür verwendet werden.
Arten der Kohlenstoffmaterialien 114 sind nicht insbesondere beschränkt. Ruß 123, das bereits für gummi-verstärkte Zusatzstoffe und Harzfärbemittel verwendet wird, wird jedoch bevorzugt verwendet.
Bis jetzt war nicht bekannt, dass das in vorliegenden Ausführungsformen verwendete Kohlenstoffmaterial 114 selber effektiv als ein Flammenhemmstoff wirkt. Währenddessen werden allgemein für Harze verwendete Flammenhemmstoffe in den vorliegenden Ausführungsformen nicht verwendet. Als typische Beispiele für Flammenhemmstoffe, die für Harze verwendet werden, können Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, roter Phosphor, Ammoniumphosphat, Ammoniumkarbonat, Zinkborat, Molybdänverbindungen, bromierte Monomere, bromierte Epoxide, bromartige Äther, Polystyrol, Phosphatestere, Melamincyanurat, Triazinverbindungen, Guanidinverbindungen und Silikonpolymere genannt werden. Diese Materialien sind für die Entwicklung von Flammenhemmung in dem Wärmeisolationsmaterial 108 in vorliegenden Ausführungsformen nicht geeignet.
Außerdem kann das in vorliegenden Ausführungsformen verwendete Kohlenstoffmaterial 114 im Voraus einem wässrigen Material hinzugefügt werden. Somit bestehen keine Beschränkungen bezüglich des Kohlenstoffmaterials 114, solange das Kohlenstoffmaterial 114 hydrophile Funktionsgruppen hinsichtlich Wasserdispergierbarkeit hat. Die aromatischen Kohlenstoffverbindungen, die einer Oxidationsbehandlung auf der Basis von Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen, Sulfonylgruppen usw. unterzogen wurden, sind jedoch bezüglich ökonomischer Effizienz und Wasserdispergierbarkeit vorzuziehen.
Das Kohlenstoffmaterial 114, das einer solchen Oxidationsbehandlung unterzogen wurde, ist negativ geladen und besitzt eine Eigendispergierbarkeit. Somit setzt sich, wenn das Kohlenstoffmaterial 114 dem wässrigen Material hinzugefügt wird, das Kohlenstoffmaterial 114 nicht leicht darin ab und kann somit für eine relativ gesehen längere Zeit gelagert werden. Außerdem wird, wenn das Sol-Material in die Vliesfasern 116 imprägniert wird, das negativ geladene Kohlenstoffmaterial 114 aufgrund von elektrostatischer Interaktion auf Oberflächen von Vliesfasern 116 adsorbiert und ist somit effektiv bei der Bildung einer Struktur, in der sich die Konzentration des Kohlenstoffmaterials 114 an der vorstehend beschriebenen Stelle befindet.
Die durchschnittliche Partikelgrößenverteilung des Kohlenstoffmaterials 114 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 500 nm. Wenn die durchschnittliche Partikelgrößenverteilung geringer als 50 nm ist, kann sich die Produktivität verschlechtern. Wenn die durchschnittliche Partikelgrößenverteilung größer ist als 500 nm, kann sich das Kohlenstoffmaterial 114 relativ absetzen und sammelt sich bei der Massenproduktion in dem Sol-Material an. Somit können Probleme bestehen, dass unerwartete Veränderungen in der Konzentration, Leitungsverstopfung und Düsenverstopfung auftreten.
Eine Menge des Kohlenstoffmaterials 114 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 Gewichtsprozent bis 10,00 Gewichtsprozent relativ zum Bruttogewicht des Wärmeisoliermaterials 108. Wenn die Menge geringer als 0,01 Gewichtsprozent ist, kann keine ausreichende Flammenhemmung erreicht werden. Wenn die Menge größer als 10,00 Gewichtsprozent ist, kann die Wärmeleitfähigkeit übermäßig zunehmen, so dass keine ausreichenden Wärmeisoliereigenschaften gewährleistet werden können.
Bezüglich der Anteile (Verteilungen) der in den entsprechenden Schichten enthaltenen Kohlenstoffmaterialien 114 liegt der Anteil davon in der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 vorzugsweise in einem Bereich von 51 Gewichtsprozent bis zu circa 99 Gewichtsprozent relativ zu der Bruttomenge der in den Wärmeisoliermaterialien umfassen Kohlenstoffmaterialien 114 und liegt der Anteil in der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 vorzugsweise in einem Bereich von circa 1 Gewichtsprozent bis circa 49 Gewichtsprozent. Das bedeutet, wenn 10 Gewichtsprozent der Kohlenstoffmaterialien 114 in dem Wärmeisoliermaterial umfassen sind, liegt der Anteil der in der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 enthaltenen Kohlenstoffmaterialien 114 vorzugsweise in einem Bereich von 5,1 Gewichtsprozent bis 9,9 Gewichtsprozent, was äquivalent zu 51% bis 99% der Bruttomenge ist, d.h. 10%, und liegt der Anteil der in der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 enthaltenen Kohlenstoffmaterialien 114 in einem Bereich von 0,1 Gewichtsprozent bis 4,9 Gewichtsprozent, was äquivalent zu 1% bis 49% der Bruttomenge, d.h. 10 Gewichtsprozent, ist.
Das in den vorliegenden Ausführungsformen verwendete Kohlenstoffmaterial 114 besitzt Flammenhemmung. Wenn dem Wärmeisoliermaterial jedoch eine übermäßige Menge des Kohlenstoffmaterials 114 hinzugefügt wird, kann eine Wärmeleitfähigkeit λs von Feststoffen übermäßig zunehmen, so dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeisoliermaterials 108 hoch werden kann. Somit sollte auf eine Menge des darin enthaltenen Kohlenstoffmaterialiens 114 und eine Weise der Verteilung des Kohlenstoffmaterials 114 geachtet werden.
<Dicke des Wärmeisoliermaterials 108>
Eine Dicke des Wärmeisoliermaterials 108 kann in einem Bereich von 0,03 mm bis 5,0 mm liegen. Die Dicke liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 mm bis 3,0 mm. Wenn die Dicke des Wärmeisoliermaterials 108 kleiner als 0,03 mm ist, können die Wärmeisolierwirkungen in die Dickerichtung reduziert werden. Dementsprechend kann außer bei einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit, nahe an der in Vakuum vorhandenen, die Wärmeübertragung in die Richtung von einer Seite zu der anderen Seite nicht ausreichend reduziert werden. Wenn die Dicke größer als 0,05 mm ist, können ausreichende Wärmeisolierwirkungen in die Dickerichtung gewährleistet werden.
Wenn andererseits die Dicke des Wärmeisoliermaterials 108 größer ist als 3,0 mm, wird es schwierig, das Wärmeisoliermaterial in verschiedene Vorrichtungen zu integrieren, die in den letzten Jahren zunehmend verkleinert und verschlankt wurden.
<Prozentsatz des Inhalts des Kieselsäurexerogels 115 in dem Wärmeisoliermaterial 108>
Eine Dicke des Wärmeisoliermaterials 108 kann im Bereich von 0,03 mm bis 5,0 mm liegen. Die Dicke liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm bis 3,0 mm. Ein optimaler Bereich für einen Gewichtsanteil des Kieselsäurexerogels 115 relativ zu dem Bruttogewicht variiert abhängig von Gewichtseinheit, Massedichte und Dicke der Vliesfasern 116.
Es kann ausreichen, dass der Gewichtsanteil des Kieselsäurexerogels 115 mindestens 40 Gewichtsprozent oder höher ist. Wenn der Anteil geringer als 40 Gewichtsprozent ist, kann es schwierig werden, eine geringe Wärmeleitfähigkeit zu realisieren. Außerdem kann es ausreichen, dass der Anteil 80 Gewichtsprozent oder geringer ist. Wenn der Anteil höher als 80 Gewichtsprozent ist, können die Flexibilität und die Stärke unzureichend werden und kann ein Verlust der Wärmeleitfähigkeit des Kieselsäurexerogels 115 durch wiederholte Verwendung bewirkt werden.
<Einheitsgewicht der Vliesfasern 116>
Ein Einheitsgewicht der Vliesfasern 116 kann im Bereich von 5 g/m² bis 500 g/m² liegen. Die Werte werden nachstehend in dem Abschnitt BEISPIELE beschrieben. Außerdem bezieht sich das Einheitsgewicht auf ein Gewicht pro Flächeneinheit.
<Massendichte der Vliesfasern 116>
Die Massendichte der Vliesfasern 116 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 kg/m³ bis 500 kg/m³, um den Prozentsatz des Kieselsäurexerogels 115 in dem Wärmeisoliermaterial 108 zu erhöhen und um die Wärmeleitfähigkeit zu verringern.
Um Vliesfasern 116, die eine ausreichende mechanische Stärke besitzen, als einen kontinuierlichen Körper zu bilden, muss die Massendichte mindestens 100 kg/m³ betragen. Außerdem würden, wenn die Massendichte der Vliesfasern 116 größer als 500kg/m³ ist, Volumen von Räumen innerhalb der Vliesfasern 116 kleiner, würde eine Menge des in die Räume gefüllten Kieselsäurexerogels 115 verringert werden und die Wärmeleitfähigkeit somit höher werden. Die Werte sind in den nachstehend beschriebenen BEISPIELEN beschrieben.
<Materialien der Vliesfasern 116>
Ein Material der Vliesfasern 116 umfasst mindestens einen Typ von Fasern, die aus Aramidfasern, Polyimid-Fasern, Novoloid-Fasern, Glasfasern, Polyphenylsulfid(PPS)-Fasern, oxidierten Acrylfasern, Graphitfasern und Kohlefasern, die einen Sauerstoffindex (LOI) von 25 oder höher haben, ausgewählt sind.
<Mechanismus zur Entwicklung von Flammenhemmung in dem Wärmeisoliermaterial 108>
Ein Mechanismus zur Entwicklung von Flammenhemmung wird beschrieben. Das Wärmeisoliermaterial 108 umfasst das Kieselsäurexerogel 115 und das Kohlenstoffmaterial 114 in der gleichen Schicht. Eine Oberfläche von Kieselsäurepartikeln, die das Kieselsäurexerogel 115 bilden, ist organisch verändert und weist Hydrophobie auf. Wenn jedoch das Kieselsäurexerogel 115 auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, beispielsweise 300°C oder höher, werden die organisch veränderten Gruppen thermisch zersetzt und zerfällt eine große Menge von Trimethyl-Silanol und dergleichen als ein Brenngas. Das Brenngas wirkt möglicherweise als ein Brennverstärker.
Beispielsweise ist ein Substrat aus einem aus C-Glas hergestellten Glaspapier nicht von selber brennbar. Wenn jedoch Kieselsäurexerogel 115, das einen großen spezifischen Flächenbereich (800 m²/g oder höher) hat, mit dem Glaspapier kombiniert wird, kann eine große Menge von aus dem Kieselsäurexerogel 115 erzeugten Brenngasen Feuer fangen, so dass das Glaspapier aus C-Glas verbrennen kann. C-Glas hat im Vergleich zu E-Glas eine geringere Wärmebeständigkeit und schrumpft oder verformt sich, wenn es auf 750°C oder höher erhitzt wird, wobei dies jedoch von dem Einheitsgewicht abhängt.
Im Gegensatz dazu reagieren bei dem Wärmeisoliermaterial 108 gemäß der vorliegenden Offenbarung der Sauerstoff in der Atmosphäre und das Kohlenstoffmaterial 114 miteinander, um bei einer hohen Temperatur, beispielsweise 300°C oder höher, in der Atmosphäre eine große Menge von Kohlendioxid zu erzeugen, wodurch eine große Menge von Kohlendioxid ausgestoßen wird. Dementsprechend wird verhindert, dass das von dem Kieselsäurexerogel 115 abgesetzte Brenngas brennt.
<Verfahren zur Herstellung der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103>
Ein Überblick über ein Verfahren zur Herstellung der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 ist in 5 gezeigt.
Sol-Herstellung
Ein Gewichtsteil von selbst-dispergierbarem Ruß CB (Aqua-Black(R)162, bezogen von TOKAI CARBON CO., LTD., Feststoffkonzentration: 19,2 Gewichtsprozent) kann einer wässrigen Wasserglaslösung (TOSO SANGYO Co., Ltd.) hinzugefügt werden, um eine Ruß DB-dispergierte wässrige Wasserglaslösung (SiO₂-Konzentration: 6%, und Ruß CB: 1,3%) herzustellen. 3,6 Gewichtsteile von konzentrierter Salzsäure, die als ein Katalysator dient, werden der Dispersion hinzugefügt und die Dispersion wird gerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen. Eine Materialart für Kieselsäure ist jedoch nicht auf Wasserglas beschränkt und es können auch Alkoxysilane, Silikat-Soda mit einem hohen molaren Verhältnis verwendet werden.
Bezüglich Arten von verwendbaren Säuren können anorganische Säuren (beispielsweise Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Fluorwasserstoffsäure, schweflige Säure, Phosphorsäure, phosphorige Säure, unterphosphorige Säure, Chlorsäure, chlorige Säure und unterchlorige Säure), säurehaltige Phosphate (beispielsweise saures Aluminiumphosphat, saures Magnesiumphosphat, saures Zinkphosphat), organische Säuren (beispielsweise Essigsäure, Propionsäure, Oxalsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure, Apfelsäure, Adipinsäure und Azelainsäure) erwähnt werden. Obgleich hierin verwendete Arten von Katalysatoren nicht beschränkt sind, ist Salzsäure bezüglich der Stärke des Gelskeletts und der Hydrophobie des Kieselsäurexerogels 115 vorzuziehen.
Dann wird die Sol-Lösung, die durch Hinzufügen eines Säurekatalysators zu einer wässrigen Wasserglaslösung erlangt wird, gelatiniert. Eine Gelatinierung von Sol wird vorzugsweise in einem abgedichteten Gefäß ausgeführt, aus dem sich das flüssige Medium nicht verflüchtigt.
Wenn die Silikat-Lösung mit einem hohen molaren Verhältnis durch Hinzufügen der Säure dazu gelatiniert, beträgt der pH-Wert vorzugsweise 4,0 bis 8,0. Wenn der pH-Wert unter 4,0 ist oder größer als 8,0 ist, kann die Silikat-Lösung mit einem hohen molaren Verhältnis möglicherweise nicht gelatinieren, wobei dies jedoch von der Temperatur während des Prozesses abhängt.
(ii) Imprägnierung der Sol-Lösung in Vliesfasern
Die Sol-Lösung wird in die Vliesfasern 116 gegossen (Material: Glaspapiere, Dicke: 600 um, Einheitsgewicht: 110 g/m², Abmessung: 12 cm²), um die Sol-Lösung in die Vliesfasern 116 zu imprägnieren. Eine übermäßige Menge der darin imprägnierten Sol-Lösung wird relativ zu einem theoretischen Volumen von Räumen innerhalb der Vliesfasern 116 verwendet (> 100%). Das theoretische Volumen von Räumen innerhalb der Vliesfasern 116 wird auf Grundlage einer Massendichte der Vliesfasern 116 berechnet. Außerdem sind, wie vorstehend beschrieben, Material, Dicke und Massendichte der Vliesfasern nicht auf die vorstehenden Angaben beschränkt. Bezüglich anwendbarer Imprägniertechniken können ein Verfahren, bei dem jede von Rollen von Vliesfasern in die Sol-Lösung eingetaucht wird, oder ein Verfahren, bei dem die Vliesfasern 116 bei einer konstanten Rate in einem Rolle-zu-Rolle-System geliefert werden und die Sol-Lösung dann mit einer Dosierungsvorrichtung oder Sprühdüse auf die Vliesfasern 116 beschichtet wird, verwendet werden. Jedoch wird hinsichtlich der Produktivität vorzugsweise das Rolle-zu-Rolle-System verwendet.
In der Schnittansicht in 6A ist ein Prozess gezeigt, bei dem ein Sol-Material 124, das durch Dispersion des Kohlenstoffmaterials 114 erlangt wird, tropfenweise auf die Vliesfasern 116 gegossen wird, um das Sol-Material 124 in die Vliesfasern 116 zu imprägnieren. Molekulare Oberflächen des Kohlenstoffmaterials 114 sind negativ geladen. Deshalb sind die Vliesfasern 116 vorzugsweise positiv geladen, so dass das Kohlenstoffmaterial 114 auf Oberflächen der Vliesfasern 116 adsorbiert wird, wodurch eine Struktur gebildet wird, in der sich das Kohlenstoffmaterial 114 auf einer Seite oder beiden Seiten des Wärmeisoliermaterials 108 mit einer hohen Dichte befindet. Die Verwendung solcher positiv geladenen Vliesfasern 116 ist effektiv beim Bilden einer Struktur, in der sich die Konzentration des Kohlenstoffmaterials 114 an vorstehend beschriebenen Stellen befindet, auf Grundlage einer Adsorption des Kohlenstoffmaterials 114 auf Oberflächen der Vliesfasern 116 bewirkt durch elektrostatische Interaktion. Folglich werden mit der Sol-Lösung imprägnierte Vliesfasern 116 erzeugt, wie in der Schnittansicht in 6B gezeigt.
(iii) Platzierung der Vliesfasern zwischen Filmen
Die mit der Sol-Lösung imprägnierten Vliesfasern 116 werden zwischen PP-Filmen (50 um dick × 2, Abmessung: B6) gehalten und bei Zimmertemperatur (23°C) für circa 3 Minuten stehen gelassen, wodurch die Sol-Lösung gelatiniert. Die Gelatinierungszeit, die Steuerung der Dicke sowie die Materialien und Dicken der Filme, zwischen denen die imprägnierten Vliesstoffe in dem Alterungsschritt platziert werden, sind nicht auf die vorstehenden Angaben beschränkt. Für Materialien der Filme ist ein Harzmaterial mit einer maximalen Arbeitstemperatur von 100°C oder höher und einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 100 (× 10^-6/°C) oder niedriger (beispielsweise Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET)) vorzuziehen, da in dem Alterungsprozess ein Erwärmungsprozess erforderlich ist.
(iv) Dickesteuerung
Nach Bestätigung, dass der Gelatinierungsvorgang abgeschlossen ist, wird veranlasst, dass die solimprägnierten Vliesfasern 116, die zwischen den Filmen gehalten werden, durch eine Lücke zwischen Zwei-Schaf-Rollen passieren, wo die Lücke auf 1,000 mm eingestellt ist (einschließlich Dicken der Filme), um übermäßiges Gel aus den Vliesfasern 116 herauszudrücken, wodurch die Dicke auf 1,0 mm gesteuert wird. Außerdem ist eine Technik zur Steuerung der Dicke nicht auf die vorstehend beschriebene Technik beschränkt und kann die Dicke auf Grundlage von Techniken unter Verwendung eines Rakels, einer Presse oder dergleichen gesteuert werden.
Filmabziehen
Ein Alterungsgefäß wird aus einer Thermostat-Kammer genommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Dann wird die gealterte Probe daraus entnommen und werden die Filme von der Probe abgezogen.
(vi) Erste Hydrophobierung (Eintauchen in Salzsäure)
Die Gelfolie wird in Salzsäure (4-12 N) getaucht und wird 5 Minuten lang oder länger bei normaler Raumtemperatur (23°C) stehen gelassen, um die Salzsäure in die Gelfolie zu integrieren.
(vii) Zweite Hydrophobierung (Siloxanbehandlung)
Die Gelfolie wird beispielsweise in ein Gemisch aus Octamethyltrisiloxan, das als ein Silylierungsmittel dient, und 2-Propanol (IPA), d.h. einen Alkohol, getaucht. Dann wird dies in ein thermostatisches Bad von 55°C gegeben und reagiert darin 2 Stunden lang. Wenn die Bildung von Trimethylsiloxan-Verbindungen beginnt, wird Salzsäure aus der Gelfolie abgegeben und tritt eine Zwei-Flüssigkeitstrennung auf (Siloxan in der oberen Phase und wässrige Salzsäure und 2-Propanol in der unteren Phase).
(viii) Trocknen
Die Gelfolie wird in ein thermostatisches Bad von 150°C gegeben und darin 2 Stunden lang getrocknet.
Ein Beispiel für einen Fall zur Erzeugung einer Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 ist vorstehend mit Bezugnahme auf 6 beschrieben. Eine Herstellungsweise der Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
<Herstellung des Wärmeisoliermaterials 108>
Zur Herstellung eines Wärmeisoliermaterials 108 wird in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 das Wärmeisoliermaterial 108 durch Variieren eines Typs und einer Menge des Kohlenstoffmaterials 114 in der vorstehend beschriebenen Solzubereitung (i) hergestellt. Das bedeutet, während die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 hergestellt wird, werden auch die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 oder die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101 hergestellt.
Aufgrund der Interaktion zwischen negativ geladenen molekularen Oberflächen des Kohlenstoffmaterials 114 und positiv geladenen Oberflächen der Vliesfasern 116 wird die Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102, die eine höhere Konzentration des Kohlenstoffmaterials 114 enthält, auf der Seite gebildet, die dem Imprägnierungsprozess unterzogen wurde. Die Ein-Komponenten-Verbundschicht 101, die keine Kohlenstoffmaterialien 114 enthält, wird auf der gegenüberliegenden Seite gebildet. Folglich wird ein in 1A gezeigtes Wärmeisoliermaterial 108 hergestellt.
Andererseits werden in einem Fall, in dem eine Menge des Kohlenstoffmaterials 114 erhöht wird, Zwei-Komponenten-Verbundschichten 102 auf beiden Seiten der Zwei-Komponenten-Verbundschicht 102 gebildet. In Fällen, in denen eine darin enthaltenen Menge des Kohlenstoffmaterials 114 gering ist, beispielsweise weniger als ein 1 Gewichtsprozent, wird eine in 1A gezeigte Struktur gebildet und in Fällen, in denen eine Menge des Kohlenstoffmaterials 114 1 Gewichtsprozent oder höher ist, wird eine in 1B gezeigte Struktur gebildet, wobei dies jedoch davon abhängt, welcher Typ von Kohlenstoffmaterial hierin verwendet wird.
BEISPIELE
Nachstehend wird die Offenbarung mit Bezugnahme auf Arbeitsbeispiele weiter beschrieben. Die Offenbarung ist jedoch nicht auf die nachstehend beschriebenen Arbeitsbeispiele beschränkt. Sämtliche nachstehend beschriebenen Reaktionen wurden in der Atmosphäre ausgeführt.
<Auswertungen>
In den Beispielen wurden Wärmeisoliermaterialien 108, in denen Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen sind, und Wärmeisoliermaterialien 110, in denen Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen sind, hergestellt und wurden diese Wärmeisoliermaterialien 108 und 110 den folgenden Messungen unterzogen.
<Wärmeleitfähigkeitsmessung>
Zur Messung von Wärmeleitfähigkeit wurden ein Wärmemengenzähler HFM 436 Lambda (von NETZCH hergestellt) und ein TIM-Tester (von Analysis Tech hergestellt) verwendet.
<UL94 vertikaler Brenntest>
Ein UL94 vertikaler Brenntest wurde ferner zur Bewertung von Flammenhemmung der Wärmeisoliermaterialien 108 und 110 ausgeführt. „UL“ bezieht sich auf Normen für Sicherheit im Zusammenhang mit elektronischer Gerätschaft und die Normen wurden von UNDERWRITERS LABORATORIES INC. in den Vereinigten Staaten erstellt und genehmigt. Eine Akkreditierung durch UL wurde als Sicherheitsnachweis anerkannt. UL wurde auf verschiedene Produkte wie beispielsweise elektrische Produkte, Feuerverhinderungsgerätschaft, Kunststoffmaterialen, Lithiumbatterien und elektrische Gerätschaft im Zusammenhang mit Automobilen angewendet. Die Kategorie UL94 bezieht sich auf „Tests der Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien für Anwendungen und Teile in Vorrichtungen“ und es gibt zwei Arten von Tests, nämlich den horizontalen Flammbarkeitstest und den vertikalen Flammbarkeitstest. In dem UL94 vertikalen Brenntest, der für BEISPIELE ausgeführt wurde, wurden in vorbestimmten Größen vorbereitete Proben vertikal gehalten und wurden die Spitzen der Proben dann mit einer Brenneinrichtung für eine vorbestimmte Zeitspanne Feuer ausgesetzt und ein Bestehen/Nichtbestehen des Tests wurde auf der Grundlage von Nach-Brandzeiten bestimmt.
<Dynamische Differenzkalorimetrie (DDR)>
Dynamische Differenzkalorimetrie (DDR) wurde für Kieselsäurexerogele 115, die Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen, die in Oberflächenschichten von Wärmeisoliermaterialien 108 vorhanden sind, und Kieselsäurexerogele 115, die in Oberflächenschichten von Wärmeisoliermaterialien 110 vorhanden sind, ausgeführt und Pyrolyse-Temperaturen von organisch veränderten Gruppen wurden verglichen.
<Cone-Kalorimeter basierter exothermischer Test>
Der Cone-Kalorimeter basierte exothermische Test wurde als Test für flammhemmendes Material verwendet, der in dem japanischen Bauvorschriftengesetz vorgesehen ist. Der Test ist weltweit weitgehend als ein Testverfahren für Brennmaterialien anerkannt. Gemäß diesem Testverfahren können verschiedene Brennparameter, wie beispielsweise Wärmeabgaberaten und Brennzeiten, gemessen werden, um Brennphänomene zu quantifizieren.
In dem Test wurden Proben von 10 cm², während sie einer Strahlungswärme von 50 kW/m² ausgesetzt wurden, unter Verwendung eines elektrischen Funkens, der als Zündungsquelle diente, in Brand gesetzt. Wärmeabgaberaten im Verlauf von Zeit, Bruttobrennwerte im Verlauf vom Start bis zum Abschluss des Brennvorgangs, Brennzeiten usw. wurden erlangt und diese Parameter wurden ausgewertet.
Speziell hinsichtlich der technischen Normen für flammhemmende Materialien, wie sie in dem Vollstreckungstitel für das Bauvorschriftengesetz definiert sind, wurde ein exothermer Test unter Verwendung eines Cone-Kalorimeters ausgeführt, der ISO5660-1ISO5660, ASTM E1354 und NFPA 264A entsprach.
Ein Mechanismus für Messungen wird in dem Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test beschrieben. In diesem Test werden Wärmeabgaberaten und Brennwerte auf Grundlage eines Verfahrens erlangt, das als „Sauerstoffverbrauchsverfahren“ bezeichnet wird. Mengen von Wärmeabgabe, die durch Verbrennungen bewirkt werden, variieren wesentlich mit Arten von Materialien hinsichtlich des Gewichts von Brennmaterialien. Mengen von Wärmeabgabe, die durch Verbrennungen bewirkt wird, werden jedoch als ein konstanter Wert unabhängig von Arten von Materialien ausgedrückt, wenn sie hinsichtlich des Gewichtes von verbrauchtem Sauerstoff betrachtet werden (13,1 MJ pro 1 kg Sauerstoff) und der Cone-Kalorimeter-basierte exothermische Test basiert auf dieser Erkenntnis. Das bedeutet, durch genaues Messen von Mengen von verbrauchtem Sauerstoff bei Brennvorgängen werden Brennphänomene quantifiziert.
Ausführliche Bedingungen für Beispiele und Vergleichsbeispiele sind nachstehend beschrieben. Auch die Bedingungen und Auswertungsergebnisse sind in 7 gezeigt. In 7 bezieht sich GO auf Graphenoxid; CB auf Ruß; SWCNT (Single Walled Carbon Nanotube) auf einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren; und bezieht sich PEDOT: PSS auf Poly(3,4-Ethylenedioxythiophen)-Poly(styrenesulfonat).
<Akzeptanznormen>
Auswertungen der Wärmeleitfähigkeit
Für Wärmeleitfähigkeiten von Wärmeisoliermaterialien 108 wurden Proben, die Wärmeleitfähigkeiten von 0,024 W/mK oder weniger aufwiesen, als akzeptabel betrachtet. Es wurde erkannt, dass eine Wärmeleitfähigkeit von stillstehender Luft bei normaler Temperatur circa 0,026 W/mK beträgt. Deshalb müssen, damit Wärmeströme effektiv isoliert werden können, Wärmeisoliermaterialen 108 Wärmeleitfähigkeiten haben, die geringer sind als die Wärmeleitfähigkeit von stillstehender Luft.
Deshalb wurde ein Akzeptanzstandard für Wärmeleitfähigkeiten von Wärmeisoliermaterialien 108 als 0,024 W/mK oder weniger bestimmt, wobei 0,024 W/mK circa 10% geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit von stillstehender Luft. Wenn die Wärmeleitfähigkeit höher als 0,024 W/mK ist, unterscheidet sich die Wärmeleitfähigkeit nicht stark von der Wärmeleitfähigkeit von stillstehender Luft, so dass sich eine Überlegenheit gegenüber der Luftwärmeisolierung verschlechtert.
(ii) Zersetzungstemperaturen von organisch veränderten Gruppen
Für thermische Zersetzungstemperaturen wurden 400°C oder höher als akzeptabel betrachtet. Wenn die Zersetzungstemperatur von organisch veränderten Gruppen geringer als 400°C ist, werden leicht große Mengen von Trimethyl-Silanol produziert, die als entflammbares Gas dienen, was eine Zündung bewirkt.
(iii) Auswertungen von Flammenhemmung
In dem UL94 vertikalen Flammbarkeitstest wurde V0 als akzeptabel betrachtet. Das bedeutet, in dem UL94 Flammbarkeitstest wurde V0, was das strengste Kriterium ist, als akzeptabel betrachtet, während V1, V2 und brennbar als unakzeptabel betrachtet wurden. Das gleiche Testverfahren wurde für drei Arten von Kriterien, V0, V1 und V2, verwendet. Das bedeutet, untere Ränder von Proben, die vertikal gehalten wurden, wurden in Kontakt mit Flammen gebracht, die 10 Sekunden lang von Gasbrennern erzeugt wurden. Wenn das Brennphänomen innerhalb von 30 Sekunden aufhörte, wurden die Proben für weitere 10 Sekunden in Kontakt mit Flammen gebracht. Die Auswertungskriterien für V0, V1 und V2 sind nachstehend gezeigt.
(Auswertungskriterien)
V-0:

- Nach jeglichen Situationen mit Kontakt mit Flammen gibt es keine Proben, die für 10 Sekunden oder mehr weiter brennen.
- Für zehn Flammenkontakte von fünf Proben übersteigen die Gesamtbrennzeiten 50 Sekunden nicht.
- Es gibt keine Proben, die bis zu Stellen brennen, wo die Befestigungsklammern vorhanden sind.
- Es gibt keine Proben, von denen brennende Partikel hinunterfallen, was eine Zündung von absorbierender Baumwolle bewirken würde, die unter den Proben platziert ist.
- Nach zweiten Flammenkontakten gibt es keine Proben, die für 30 Sekunden oder mehr weiterbrennen.

Proben, die diese Bedingungen erfüllen, wurden als V-0 eingestuft. V-1:

- Nach jeglichen Situationen mit Kontakt mit Flammen gibt es keine Proben, die für 30 Sekunden oder mehr weiter brennen.
- Für zehn Flammenkontakte von fünf Proben übersteigen die Gesamtbrennzeiten 250 Sekunden nicht.
- Es gibt keine Proben, die bis zu Stellen brennen, wo die Befestigungsklammern vorhanden sind.
- Es gibt keine Proben, von denen brennende Partikel hinunterfallen, was eine Zündung von absorbierender Baumwolle bewirken würde, die unter den Proben platziert ist.
- Nach zweiten Flammenkontakten gibt es keine Proben, die für 60 Sekunden oder mehr weiterbrennen.

Proben, die diese Bedingungen erfüllen, wurden als V-1 eingestuft. V-2:

- Nach jeglichen Situationen mit Kontakt mit Flammen gibt es keine Proben, die für 30 Sekunden oder mehr weiter brennen.
- Für zehn Flammenkontakte von fünf Proben übersteigen die Gesamtbrennzeiten 250 Sekunden nicht.
- Es gibt keine Proben, die bis zu Stellen brennen, wo die Befestigungsklammern vorhanden sind.
- Das Hinunterfallen brennender Partikel wird toleriert.
- Nach zweiten Flammenkontakten gibt es keine Proben, die für 60 Sekunden oder mehr weiterbrennen.

Proben, die diese Bedingungen erfüllen, wurden als V-2 eingestuft.
(iv) Cone-Kalorimeter-basierter exothermischer Test
Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test wurden Proben, die Brennzeiten von 10 Sekunden oder weniger und Spitzenwärmeabgaberaten (HRR) von 15kW/m² oder weniger in dem Test von flammhemmendem Material (20 Minuten) aufwiesen, als akzeptabel betrachtet.
Gesamtbewertungen
Proben, die sämtliche Bedingungen erfüllten, wurden in den Gesamtbewertungen als akzeptabel betrachtet.
<Zusammenfassung>
BEISPIELE 1-8 entsprechen Wärmeisoliermaterialien 108 mit der in 1A oder 1B gezeigten Struktur. VERGLEICHSBEISPIELE 1 und 2 entsprechen herkömmlichen Wärmeisoliermaterialien mit einer Einschichtstruktur. Herkömmliche Wärmeisoliermaterialien haben nur eine Schicht aus Vliesfasern 116 und einem Kieselsäurexerogel 115. VERGLEICHSBEISPIEL 3 hat nur Vliesfasern 116. VERGLEICHSBEISPIEL 3 entspricht einem Wärmeisoliermaterial, bei dem die Vliesfasern 116 aus Glaspapieren gemacht sind. Nachstehend beschriebene Konzentrationen beziehen sich auf Gewichtsprozente.
<BEISPIEL 1>
Oxidiertes Graphen vom selbst-dispergierbaren Typ (SIGMA-ALDRICH, 4mg/ml in H₂O) und Wasser wurden Wasserglas hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, oxidatives Graphen GO-Konzentration: 0,1%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 3,6 Gewichtsprozent (0,74 g) konzentrierte Salzsäure hinzugefügt, die als ein Säurekatalysator wirkt, und das entstehende Gemisch wurde gerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen.
Anschließend wurde durch Gießen der Sol-Lösung in die Vliesfasern 116 (Material: Glaspapier, Dicke: 600 um, Gewicht pro Fläche 110 g/m², Abmessung: 12 cm²) die Sol-Lösung in die Vliesfasern 116 imprägniert. Die mit der Sol-Lösung imprägnierten Vliesfasern 116 wurden zwischen PP-Filmen (50 um dick × 2 Stück) gehalten und bei Zimmertemperatur (23°C) für circa 3 Minuten stehen gelassen, um die Sol-Lösung gelatinieren zu lassen. Nach Bestätigung, dass das Sol gelatiniert war, wurde veranlasst, dass die imprägnierten Vliesfasern 116 zwischen den Filmen in einer 2-Achsen-Rolle platziert wurden, in der die Lücke auf 1,00 mm eingestellt wurde (einschließlich der Dicken der Filme), und wurde überschüssiges Gel aus den Vliesfasern 116 herausgedrückt, wodurch die Dicke auf 1,00 mm gesteuert wurde.
Dann wurden die Filme abgezogen und wurde die Gelfolie in wässrige Salzsäure (6 N) getaucht. Dann ließ man durch Stehenlassen der Probe bei Zimmertemperatur (23°C) für 5 Minuten die Gelfolie die Salzsäure absorbieren. Dann wurde die Gelfolie in ein Gemisch aus Octamethyltrisiloxan, das als ein Silylierungsmittel dient, und 2-Propanol (IPA) eingetaucht. Dann wurde dies in eine thermostatische Kammer bei 55°C gegeben und reagierte darin 2 Stunden lang. Als die Bildung von Trimethylsiloxan-Verbindungen begann, wurde wässrige Salzsäure von der Gelfolie abgegeben und wurde ein Zustand von Zwei-Flüssigkeitstrennung (Siloxan in der oberen Phase und wässrige Salzsäure und 2-Propanol in der unteren Phase) beobachtet. Die Gelfolie wurde in eine thermostatische Kammer bei 150°C gegeben und darin 2 Stunden lang getrocknet, um die Folie zu erlangen.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,89 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,019 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45,5 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 0 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 2,5 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<BEISPIEL 2>
Oxidiertes Graphen vom selbst-dispergierbaren Typ (SIGMA-ALDRICH, 4mg/ml in H₂O) und Wasser wurden einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, oxidiertes Graphen GO-Konzentration: 0,5%). Ein Film wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 1 hergestellt, abgesehen davon, dass die Konzentration des oxidierten Graphens auf 0,5% erhöht wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,88 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,020 W/mK erlangt. In diesem Falle betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 44,6 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exotherm ischen Test betrug die Brennzeit 0 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 1,36 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<BEISPIEL 3>
Ruß vom selbst-dispergierbaren Typ (SIGMA-ALDRICH, Aqua-Black 162 und 19,2 Gewichtsprozent in H₂O) und Wasser wurden einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, Ruß CB-Konzentration: 0,1%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 3,6 Gewichtsteile (0,74 g) einer konzentrierten Salzsäure als ein saurer Katalysator hinzugefügt und das Gemisch wurde umgerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen. Ein Film wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 1 hergestellt, abgesehen davon, dass der Kohlenstoff durch Ruß ersetzt wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,88 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,019 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45,9 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 0 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 1,33 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<BEISPIEL 4>
Ruß vom selbst-dispergierbaren Typ (SIGMA-ALDRICH, Aqua-Black 162 und 19,2 Gewichtsprozent in H₂O) und Wasser wurden einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, Ruß CB-Konzentration: 0,5%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 3,6 Gewichtsteile (0,74 g) einer konzentrierten Salzsäure als ein saurer Katalysator hinzugefügt und das Gemisch wurde umgerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen. Eine Folie wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 3 hergestellt, abgesehen davon, dass die Konzentration des Rußes auf 0,5% erhöht wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,87 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,018 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45, 7 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 0 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 1,10 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
8 zeigt ein beobachtetes SEM-Bild von flammhemmenden Wärmeisoliermaterialien (Verbindungen von Vliesfasern 116 aus Glaspapieren und Kieselsäurexerogelen 115), die in BEISPIEL 4 und VERGLEICHSBEISPIEL 1 hergestellt wurden. Im BEISPIEL 4 wurde ein Auftreten von Kohlenstoffmaterialien 114, die auf Oberflächen der Fasern adsorbiert wurden, bestätigt.
<BEISPIEL 5>
Einwandige Kohlenstoffnanoröhren SWCNT (SIGMA-ALDRICH), die zur Verbesserung von Dispergierbarkeit PEG-verändert wurden und die als ein Kohlenstoffmaterial 114 dienen, und Wasser wurden einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, SWCNT-Konzentration: 0,1%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 3,6 Gewichtsteile (0,74 g) einer konzentrierten Salzsäure als ein saurer Katalysator hinzugefügt und das Gemisch wurde umgerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen. Eine Folie wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 4 hergestellt, abgesehen davon, dass das Kohlenstoffmaterial durch SWCNT ersetzt wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,85 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,018 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45,5 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 10 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 14,06 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<BEISPIEL 6>
Einwandige Kohlenstoffnanoröhren SWCNT (SIGMA-ALDRICH), die zur Verbesserung der Dispergierbarkeit PEG-verändert wurden und die als ein Kohlenstoffmaterial 114 dienen, und Wasser wurden einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, SWCNT-Konzentration: 0,5%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 3,6 Gewichtsteile (0,74 g) einer konzentrierten Salzsäure als ein saurer Katalysator hinzugefügt und das Gemisch wurde umgerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen. Ein Film wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 5 hergestellt, abgesehen davon, dass die SWCNT auf die vorstehend beschriebene Weise erhöht wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,86 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,018 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45,6 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 10 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 13,02 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<BEISPIEL 7>
Poly(3,4-Ethylenedioxythiophen)/Polysulfonat (PEDOT: PSS) (SEPLEGYDA AS-Q09, bezogen von SHIN-ETSU POLYMER CO., LTD.), das als ein Kohlenstoffmaterial 114 diente, und Wasser wurden einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 6%, PEDOT: PSS-Konzentration: 0,5%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 3,6 Gewichtsteile (0,74 g) einer konzentrierten Salzsäure als ein saurer Katalysator hinzugefügt und das Gemisch wurde umgerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen. Eine Folie wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 1 hergestellt, abgesehen davon, dass das Kohlenstoffmaterial durch PEDOT: PSS ersetzt wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 0,86 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,018 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45,9 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 0 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 1,31 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<BEISPIEL 8>
Ein Gewichtsteil Ruß vom selbst-dispergierbaren Typ (TOKAI CARBON CO., LTD.), Aqua-Black 162 und 19,2 Gewichtsprozent in H₂O) wurde einer wässrigen Wasserglaslösung hinzugefügt (TOSO SANGYO CO., LTD.), um ein Ausgangsmaterial herzustellen (SiO₂-Konzentration: 14%, Ruß CB-Konzentration: 1,3%). Zu 20,5 g dieser Dispersion wurden 1,6 Gewichtsteile (0,33 g) einer konzentrierten Salzsäure als ein saurer Katalysator hinzugefügt und das Gemisch wurde umgerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen.
Bedingungen für die Imprägnierung und Dickensteuerung waren die gleichen wie in BEISPIEL 1 und die Probe wurde zur Stärkung des Gelskeletts für 5 Minuten auf 90°C erhitzt. Eine Folie wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie im BEISPIEL 1 hergestellt, abgesehen davon, dass die Konzentration der Salzsäure zu 12 N geändert wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 108 mit einer mittleren Dicke von 1,3 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,018 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 67,6 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest wurde die Probe als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung betrug die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen über 550°C und war dadurch im Vergleich zu Fällen, in denen keine Kohlenstoffmaterialien 114 umfassen waren, zu der Seite der hohen Temperatur von mehr als 190°C verschoben. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 14,7 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 10,94 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten.
<VERGLEICHSBEISPIEL 1>
Eine Folie wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 1 hergestellt, abgesehen davon, dass wässrigem Wasserglas, das als ein Ausgangsmaterial dient, kein selbst-dispergierbares oxidiertes Graphen hinzugefügt wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 107 mit einer mittleren Dicke von 0,86 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,019 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 45,4 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest brannte die Probe an und wurde folglich nicht als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung war die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen niedrig, d.h. 360°C. Als Grund, weshalb die Probe im Brenntest anbrannte, wurde betrachtet, dass eine hohe Menge an flammbaren Gasen um 360°C herum produziert wurde, was eine Zündung bewirkte. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 12,7 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 16,39 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten. In der Gesamtbewertung war die Probe unakzeptabel.
<VERGLEICHSBEISPIEL 2>
Eine Folie wurde auf Grundlage der gleichen Prozessbedingungen wie in BEISPIEL 8 hergestellt, abgesehen davon, dass wässrigem Silikat-Soda mit hohem molarem Verhältnis (TOSO SANGYO CO., LTD.) kein Kohlenstoffmaterial 114 hinzugefügt wurde.
Folglich wurde ein Wärmeisoliermaterial 107 mit einer mittleren Dicke von 1,03 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,020 W/mK erlangt. In diesem Fall betrug eine Füllrate des Kieselsäurexerogels 115 63,0 Gewichtsprozent. In dem UL94 vertikalen Brenntest brannte die Probe an und wurde folglich nicht als V0 eingestuft. Als Ergebnis der DSC-Messung war die thermische Zersetzungstemperatur (exotherme Spitze) von organisch veränderten Gruppen niedrig, d.h. 380°C. Als Grund, weshalb die Probe im Brenntest anbrannte, wurde betrachtet, dass eine hohe Menge an flammbaren Gasen um 360°C herum produziert wurde, was eine Zündung bewirkte. Für den Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test betrug die Brennzeit 24,8 Sekunden und die Spitzenwärmeabgaberate betrug 28,69 kW/m² in dem Test für flammhemmendes Material für 20 Minuten. In den Gesamtbewertungen war die Probe unakzeptabel.
<VERGLEICHSBEISPIEL 3>
Ohne die Kombination eines Kieselsäurexerogels 115 mit Vliesfasern 116, die eine Dicke von 0,600 mm und ein Einheitsgewicht von 100 g/m² hatten und die aus Glaspapier bestanden, wurde die Wärmleitfähigkeit gemessen. Folglich betrug die Wärmeleitfähigkeit 0,033 W/mK. Zudem brannte die Probe in dem UL94 vertikalen Brenntest nicht an und wurde folglich als V0 eingestuft. Da die Wärmeleitfähigkeit allerdings höher als 0,024W/mK war, war die Probe in den Gesamtbewertungen unakzeptabel.
<ERGEBNISSE>
Vergleich zwischen BEISPIEL 4 und VERGLEICHSBEISPIEL 1
8 bezieht sich auf beobachtete Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Wärmeisoliermaterialien (Verbindungen aus Vliesfasern 116 aus Glaspapieren, und Kieselsäurexerogel 115), die in BEISPIEL 4 und VERGLEICHSBEISPIEL 1 hergestellt wurden. Im BEISPIEL 1 wurden Rußpartikel auf die Oberfläche von Vliesfasern 116 adsorbiert. Im Gegensatz dazu gab es in VERGLEICHSBEISPIEL 1 keine Kohlenstoffmaterialien 114, die auf die Oberfläche von Vliesfasern 116 adsorbiert wurden.
(ii) Zusammenfassung
In BEISPIELEN 1 bis 8 wurden Wärmeisoliermaterialien 108 hergestellt, in denen Kohlenstoffmaterialien 114 um die Oberflächen herum vorgesehen waren. Somit stiegen die thermischen Zersetzungstemperaturen auf über 400°C. Außerdem wurden die Proben in dem UL94 vertikalen Flammbarkeitstest als V0 eingestuft und wurde außerdem aufgezeigt, dass deren Wärmeleitfähigkeiten sehr gering waren, d.h., unter 0,024 W/mK.
Außerdem wurden die Proben in dem Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test einem Test für flammhemmendes Material (20 Minuten) unterzogen.
Folglich wiesen die Wärmeisoliermaterialien in den VERGLEICHSBEISPIELEN 1 und 2, in denen Kohlenstoffmaterialien umfassen waren, eine Spitzenwärmeabgaberate (HRR) von über 15 kW/m² oder eine Brennzeit von über 15 Sekunden auf und erfüllten beide diese Anforderungen nicht. Im Gegensatz dazu wiesen BEISPIELE 1 bis 8, in denen 0,1 Gewichtsprozent oder mehr Kohlenstoffmaterialien umfassen waren, Spitzenwärmeabgaberaten (HRR) von weniger als 15 kW/m² und Brennzeiten von unter 15 Sekunden auf und erfüllten somit beide Anforderungen. Bezüglich der Arten von Kohlenstoffmaterialien 114 wurde aufgezeigt, dass Ruß, oxidiertes Graphen, einwandige Kohlenstoffnanoröhren und PEDOT: PSS effektiv sind und dass vorzuziehende Mengen dieser Materialien im Bereich von 0,1 Gewichtsprozent bis 1,3 Gewichtsprozent liegen.
(In der gesamten Offenbarung)
Wie für die in 1A und 1B gezeigten Strukturen erwähnt, ist die Offenbarung nicht auf diese Strukturen beschränkt. Das bedeutet, nur die Drei-Komponenten-Verbundschicht 103 kann Wirkungen von Wärmeisoliermaterialien erzeugen und kann die vorstehend beschriebene Aufgabe lösen.
Die Offenbarung wird in einem weiten Bereich von Gebieten verwendet, da das Wärmeisoliermaterial gemäß der Offenbarung ausreichende Wärmeisolierwirkungen in schmalen Räumen in elektronischen Vorrichtungen, Vorrichtungen im Fahrzeug und industriellen Vorrichtungen erzeugen kann. Die Offenbarung ist auf sämtliche Arten von Produkten im Zusammenhang mit Wärme (beispielsweise Informationseinrichtungen, tragbare Geräte, Displays und elektrische Komponenten) anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 5785159 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO5660-1ISO5660 [0083]
ASTM E1354 [0083]
NFPA 264A [0083]

Claims

Wärmeisoliermaterial, das umfasst: ein Kieselsäurexerogel; ein Kohlenstoffmaterial; Vliesfasern, die das Kieselsäurexerogel und das Kohlenstoffmaterial halten.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, wobei das Wärmeisoliermaterial in einem Cone-Kalorimeter-basierten exothermischen Test eine Brennzeit von 15 Sekunden oder weniger und eine maximale Wärmeabgaberate von 15 kW/m oder weniger aufweist.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffmaterial mit Sauerstoff in der Atmosphäre bei einer Temperatur reagiert (i), bei der sich das Kieselsäurexerogel thermisch zersetzt, oder bei einer Temperatur (ii), die höher ist als die Temperatur (i), reagiert, um Kohlendioxid zu erzeugen.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffmaterial Ruß ist.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffmaterial mindestens eine kondensierte Ringverbindung mit Aromatizität umfasst.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffmaterial eine durchschnittliche Partikelgröße von 50 nm bis 500 nm hat.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, wobei eine Konzentration des Kohlenstoffmaterialkonzentrats von 0,1 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent liegt.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, das umfasst: eine Drei-Komponenten-Verbundschicht, die das Kieselsäurexerogel, das Kohlenstoffmaterial und die Vliesfasern umfasst; eine Zwei-Komponenten-Verbundschicht, die auf einer Seite der Drei-Komponenten-Verbundschicht angeordnet ist und die keine gleiche Art von Vliesfasern wie die vorstehend beschrieben Vliesfasern umfasst und die eine gleiche Art von Kieselsäurexerogel wie das vorstehend beschriebe Kieselsäurexerogel und eine gleiche Art von Kohlenstoffmaterial wie das vorstehen beschriebene Kohlenstoffmaterial umfasst. eine Monoschicht, die auf der anderen Seite der Drei-Komponenten-Verbundschicht angeordnet ist und die eine gleiche Art von Kieselsäurexerogel wie das vorstehend beschriebene Kieselsäurexerogel umfasst.
Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, das umfasst: eine Drei-Komponenten-Verbundschicht, die eine gleiche Art von Kieselsäurexerogel wie das vorstehend beschriebe Kieselsäurexerogel und eine gleiche Art von Vliesfasern wie die vorstehend beschriebenen Vliesfasern umfasst; und Zwei-Komponenten-Verbundschichten, die entsprechend auf beiden Seiten der Drei-Komponenten-Verbundschicht angeordnet sind, die keine gleiche Art von Vliesfasern wie die vorstehend beschrieben Vliesfasern umfassen und die eine gleiche Art von Kieselsäurexerogel wie das vorstehend beschriebene Kieselsäurexerogel und eine gleiche Art von Kohlenstoffmaterial wie das vorstehend beschriebene Kohlenstoffmaterial umfassen.
Vorrichtung, die das Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 umfasst, wobei das Wärmeisoliermaterial als ein Teil einer Wärmeisolier- oder Kühlstruktur dient oder zwischen einer wärmeerzeugenden Komponente und einem Gehäuse vorgesehen ist.