JP6224825B2 - 無機エアロゲル及びメラミンフォームを含む複合インスレーション - Google Patents

無機エアロゲル及びメラミンフォームを含む複合インスレーション Download PDF

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Description

本発明は、無機エアロゲル及びメラミンフォームを含むインスレーティング複合材料、その製造方法、並びにその使用方法に関する。
省エネルギー、特に断熱を伴う省エネルギーは、産業及び建築構造物において重要な課題である。
従来の断熱体は、ガラスウール、ロックウール、押出しポリスチレン又は延伸ポリスチレンの使用を包含し、工業用断熱システム又は建築構造物において組み合わせて用いられることが多い。建築構造物に関して、断熱体はプラスターボードに糊付けされる場合がある。
断熱性材料の断熱性能は、その熱伝導率により測定される。熱伝導率の値が低い程、材料が伝える熱は小さく、かつ断熱性はより良好である。本発明において、熱伝導率は、20°Cかつ大気圧にてNF EN12667規格(2001年7月現在)に準拠して保護熱板により測定される。
しかし、製造業者は、これまで以上に効率がよく、かつより安価な断熱性材料を求めている。
この状況において、エアロゲル及びキセロゲルに基づく断熱材が発達してきている。
ゲルは、連続的な三次元ポーラス構造を有する。ゲルの製造は、ゾル‐ゲル転移工程、すなわち固体粒子(ゾル)の懸濁液のゲル状固体(ゲル)への転移を含む。
ゲルは、ゲルの細孔中に存在する流体の性質(キセロゲル及びエアロゲル(空気)、ヒドロゲル(水)、オルガノゲル(有機溶媒)、並びに特定のアルコゲル(アルコール))によって区別される。また、ヒドロゲル、アルコゲル、及びオルガノゲルは、より一般的な用語であるリオゲルに集約される。
伝統的に、用語エアロゲルは、概して超臨界条件、すなわち溶媒の大部分がその条件下において超臨界流体状態にある条件下で乾燥したゲルを指し、用語キセロゲルは、臨界未満条件、すなわち溶媒の大部分がその条件下において超臨界流体状態にない条件下で乾燥したゲルを指す。エアロゲル及びキセロゲルの両方は、断熱性及び吸音性において優れることのみならず、その低密度に関しても大きな興味を持たれる。
しかし、簡略化のため、“エアロゲル”は、エアロゲル及びキセロゲルの両方を含む。
エアロゲルは、典型的には輸送及び取扱い性において問題をもたらす粒状形態で得られる。従って幾つかの解決策が浮上し、“モノリシック”(強化)エアロゲルを得ている。
特に建築構造物中のアプリケーションに関して、例えば2cmを上回る、特に5cm程度の厚みの断熱性材料を得ることは、更に有利である。
建物の内側の断熱性に関する新たな基準(2012年フランスの熱規則)は、熱抵抗がR=3m2K/Wであるパネルの使用を推奨する。
エアロゲル、及び特に粒状エアロゲルの使用に関する別の問題は、そのダスティング性、すなわちそれが細粉、例えばシリカエアロゲルの場合はシリカを放出することである。
これらの問題の幾らかを解決する“モノリシック”(強化)材料の第一の分類は、粒状エアロゲルへのバインダーの添加により得られる。エアロゲル粒子は、従って“くっつけられる”。バインダーとしての発泡体の使用は、用いられる材料の熱的性能を向上させる1つの一般的な方法である。これは、米国特許出願公開第2012/0142802号明細書、欧州特許第1808454号明細書、欧州特許第0340707号明細書、及びドイツ特許第19533564号明細書に記載されていることであり、そこではバインダーはメラミンフォームである。
この型のモノリシック複合材料を製造する方法は、メラミンフォーム前駆体のプリフォーム混合物中でエアロゲル粒子を混合すること、及び重合反応と発泡体の形成を実施することからなる。しかし、係る方法に従って得られる材料は、平均的な断熱性能(概して25〜40mW/m‐Kの熱伝導率)を有する。特に、米国特許出願公開第2012/0142802号明細書は、出発材料として、細孔サイズが10〜1000μMである発泡体と、細孔サイズが50nm未満、かつ空隙率が50〜99%であるエアロゲルの使用を教示する。
しかし、米国特許出願公開第2012/0142802号明細書は、得られる複合材料の熱伝導率が10〜100mK/m‐K、好ましくは15〜40mK/m‐K([00139]参照)であることが可能であることを示すが、この参考文献は、エアロゲル材料の含有率(例1に関して62%、及び例5に関して94%)に関わらず、熱伝導率が22mK/m‐Kを上回る複合体を可能にするだけである(例1及び5参照)。更に、米国特許出願公開第2012/0142802号明細書は、得られる複合材料のマクロ空隙率を明記しない。欧州特許第1808454号明細書、欧州特許第0340707号明細書、及びドイツ特許第19533564号明細書もこれらの特性を明記しない。米国特許出願公開第2012/0064287号明細書は、複数のミクロポアを含むメラミン‐ホルムアルデヒドコポリマー、及びミクロポア中にあるエアロゲルマトリックスを含む支持体を含む、モノリシック複合材料を教示する(要約及び[0010]参照)。エアロゲルマトリックスは、アクリルアミドエアロゲル、ベンゾオキサジン、ビス‐マレイミド等の有機エアロゲル、ヒドロキシで置換されるアリールアルコール、セルロース、ベンズアルデヒド、又は無機エアロゲル(例えばシリカ)、又はこれらの組み合わせから作製することができる([0011]及び[0156]参照)。米国特許出願公開第2012/0064287号明細書は、有機エアロゲルの前駆体に関する幾つかの処方の検討を含む有機エアロゲルのマトリックスについて詳しく説明する。しかし、その構造の詳細、具体的にはそのマクロ空隙率に関しては何ら与えていない。更に、無機エアロゲルを含む複合材料に関する例はない。
一方で、米国特許出願公開第2007/0259979号明細書、米国特許出願公開第2009/0029147号明細書、及び米国特許第6040375号明細書は、連続気泡発泡体、具体的にはプリフォームポリウレタンフォームのパネルにおいてシリカゾルをキャストし、次いでゲル化し、そして乾燥させることにより得ることができる、シリカエアロゲルと結合したポリウレタンフォームを含む複合体を開示する。得られる材料の熱伝導率は、18〜22mW/m‐Kである。米国特許出願公開第2009/0029147号明細書は、得られるエアロゲルの空隙率が少なくとも95%であることを教示すると思われる。他の文献は、材料の細孔直径又は空隙率を評価していないと思われる。
従って、従来技術の開示によれば、メラミンフォームは、特に他のポリウレタンベースの発泡材料と比較して断熱性に関して極めて効率が悪いと思われるため、当業者がエアロゲル及びメラミンフォームに基づいて複合材料を開発する動機はない。BASFにより販売される発泡体Basotect(登録商標)を含むメラミンフォームの熱伝導率が約35mW/m‐Kである一方、連続気泡ポリウレタンフォームの熱伝導率が概して20〜25mW/m‐Kであることは更に動機を削ぐ。
驚くべきことに、本件出願人は、取扱いが容易、かつ大いにダスティング性を低減する(消滅さえさせる)、無機エアロゲル及び断熱性能が良好な連続気泡メラミンフォームを含む複合インスレーティング材料を作製した。発泡体は、これらの複合体中のバインダーの役割を果たさない。
本発明の文脈内で、“エアロゲル”は、エアロゲル及びキセロゲルの両方を含む。
本発明の文脈内で、“複合材料”は、密接に結びついた少なくとも2種の非混和性化合物を含む材料として理解される。複合材料は、単独の各々の材料が必ずしも有していない物理特性(例えば熱伝導率、剛性等)を含む特性を有する。
本発明の文脈内で、“モノリシック”は、固体であり、及び一体となっているブロック片の形態、具体的にはパネルの形態である材料又はエアロゲルとして理解される。モノリシックエアロゲル材料は、柔軟又は剛直であることができる。
“剛直”は、モノリシック材料中の割れ目又は断裂の形成を観察することなく、材料を著しく変形することができないことを意味する。特にこれは、モノリシック材料は丸めることができないことを意味する。“柔軟”は、材料を変形する、特に傷つけることが可能であることを意味する。“自立”は、製造物の安定性が外部の支えによらないモノリシック材料を修飾するために用いることもできる。自立モノリシック材料は、柔軟及び剛直であることができる。
本発明の文脈内で、“発泡体”は、その中に気泡を捕捉する材料として理解され、材料としてはポリマーが挙げられる。発泡体は、“独立気泡発泡体”、すなわち、ガスポケットの大多数が互いに開かれている“連続気泡発泡体”とは対照的にガスポケットの大多数が固体材料で完全に囲まれているものであることができる。例えば、名称Basotect(登録商標)で販売される発泡体は、連続気泡発泡体である。
本発明の文脈内で、“メラミンフォーム”は、モノマーがメラミンであるポリマーを含む発泡体である。メラミンフォームの例は、メラミンとホルムアルデヒドとの重合反応由来のメラミン‐ホルムアルデヒドフォームである。
本発明の文脈内で、“マクロポア”は、直径が10μmを上回る細孔として理解される。
本発明の文脈内で、“全マクロポア”は、直径が10μmを上回る細孔の総数である。
本発明の文脈内で、多孔質材料の“マクロ空隙率”は、その全体において材料により占有される体積中でマクロポアにより占有される体積の比である。マクロ空隙率は、百分率(%)で表され、また三次元(3D)X‐線トモグラフィーにより測定される。好ましくは、X‐線トモグラフィーの取得は、130kVジェネレーターを備えるDeskTom機械モデルによりなされる。線源からサンプルまでの距離は、約12cmである。データの取得及び再構成に用いられるソフトウェアは、RXソリューションズにより開発されたX‐Actプログラムである。後処理(空隙率の可視化及び分析)のために、ソフトウェアVG Studio Max Version2.2を用いた。設定は、当業者の一般的な知識に従って確立することができる。
本発明の文脈内で、“直径”は、多孔質材料の細孔を表すことができ、直径は、例えば3次元(3D)X‐線トモグラフィーにより測定される、多孔質材料のマクロポア体積分布の統計的外挿により決定される。細孔は、球体形状であると考えられている。マクロポアの直径と材料の体積との関係は、以下の通りである:V=(pi×D3)/6(体積としてV、及び球体の直径としてDを用いる)。本発明の材料の細孔直径を決定する1つの例は、例1に示される。
この具体的な解釈に従うことなく、本発明に係る複合材料の特性、特に低い熱伝導率は、本質的に材料のマクロ空隙率に紐づくと考えられる。従って、本発明に係る材料の優れた熱的性能は、材料のマクロ空隙率及び/又はマクロポアの直径の制御の結果である。
マクロポアの存在は、十分なガスの対流による伝導への寄与を生み出すことにより、全体の熱伝導をもたらす。全体積に対するマクロポアの割合の値の最小化は、優れた熱的性能を生み出すことができる。
実際に、クヌーセン形式が定量化するように、特性閉じ込め寸法(例えば細孔サイズ)に依存する空気の熱伝導率λは以下の式に従って増加する。
(式中、フリーのガス(すなわち閉じ込められていない)の伝導率λ0は、ガス及び固体間の適応係数(ガス及び閉じ込めておく固体間の熱交換の能力を反映する係数)であり、クヌーセン因子Knは、ガスの平均自由工程と閉じ込めの特性寸法(例えば細孔サイズ)との比として定義される)。
従って、マクロポアのサイズが10μmを上回ると、空気はもはや閉じ込められず、熱伝導率に悪影響を与える。
本発明の目的は、無機エアロゲル及び連続気泡のメラミンフォームを含むモノリシック複合材料であって、前記材料の20°Cかつ大気圧にて規格NF EN12667の保護熱板法に準拠して測定される熱伝導率λが、5〜20mW/m‐Kであり、かつマクロ空隙率が5%未満、好ましくは2%未満である、モノリシック複合材料を提供することである。
本発明の別の目的は、本発明に係る無機エアロゲル及び連続気泡メラミンフォームを含むモノリシック複合材料の製造方法であって、方法が、以下の連続工程:a)プリフォーム連続気泡メラミンフォームが予め配されている反応器に無機ゾルをキャストすること、b)ゾルをリオゲルにゲル化すること、c)リオゲルを乾燥させることを含む、方法に関する。
また、本発明の目的に関して、ヒドロゲル、アルコゲル、及びオルガノゲルは、より一般的な用語、リオゲルに集約される。
本発明の別の目的は、無機エアロゲル及びメラミンフォームを含むモノリシック複合材料であって、前記材料の20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板法に準拠して測定される熱伝導率λが、5〜20mW/m‐Kであり、かつ前記材料は本発明に係る方法により得ることができる、モノリシック複合材料に関する。
本発明の別の目的は、本質的に本発明に係る複合材料からなる少なくとも1つの層を含む多層パネルに関する。
本発明の別の目的は、無機エアロゲル及び連続気泡メラミンフォームを含むモノリシック複合材料、又は本発明に係る多層パネルの断熱材若しくは遮音材としての使用に関する。
複合材料
本発明は、プリフォーム連続気泡メラミンフォームにより強化される無機エアロゲルを含み、又は本質的にこれからなるモノリシック複合材料であって、前記材料の20°Cかつ大気圧にて規格NF EN12667の保護熱板法に準拠して測定される熱伝導率λが、5〜20mW/m‐K、好ましくは10〜20mW/m‐K、有利には10〜15mW/m‐Kであり、かつマクロ空隙率が5%未満、好ましくは2%未満である、モノリシック複合材料に関する。
本発明の文脈において、“本質的にこれからなる”は、材料が、言及される以外の要素を含んでよい(但し、材料の本質的な特性を変化させない程度に少量)ことを意味する。従って、材料は微量不純物を含む不純物を含んでよい。
本発明のモノリシック複合材料は、単層である。また、材料は、特に構造、熱伝導率、マクロ空隙率、及び柔軟性に関して均一であることが観察される。
20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率を20mW/m‐K未満に維持しつつ、メラミンフォームはエアロゲルのある機械特性を向上させる。例えば、複合体の弾性相における最大応力は、対応する非強化のエアロゲルよりはるかに大きい。典型的な値は、各々3.5MPa(複合材料に関して)、及び1.10-4MPa(対応する非強化のエアロゲルに関して)である。
本発明の文脈内で、“プリフォーム発泡体”は、連続気泡メラミンフォームが、化学的重合反応又は架橋を含む、メラミンポリマーの構造を変化させる化学反応をそれ以上起こさないことを意味する。更に、発泡体のマクロ空隙率は、物理的反応により変化しない。発泡体に起こる唯一の変化は、その連続気泡内のゲルの形成である。得られる複合材料の形状は、プリフォーム発泡体のものと本質的に同一であるだろう。
有利には、20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率は、5〜20mW/m‐Kであり、更により好ましくは8〜15mW/m‐Kである。
本発明の材料の細孔は、直径が50〜250μmであることが、実験的に見出される。好ましくは、直径が50〜250ミクロンのマクロポアは、本発明に係る材料のマクロポア(直径が10μm以上である細孔)の総数の80%超(数で)を構成する。
好ましくは、連続気泡メラミンフォームは、メラミン‐ホルムアルデヒドである。メラミン‐ホルムアルデヒドフォームの1つの例は、BASFにより販売されるBasotect(登録商標)フォームである。特定の実施態様において、メラミン‐ホルムアルデヒドフォームの厚みは2〜50mm、空隙率は95%〜99.5%、密度は8.5〜11.5kg/m3であり、及びその20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率は35〜40mW/m‐Kである。
メラミンフォームは、エアロゲルに構造を与えて、その断熱特性を維持しつつ、その機械的強度特性及び機械的抵抗を向上させる。
有利には、本発明の複合材料の密度は、70kg/m3〜150kg/m3、好ましくは100〜120kg/m3である。
好ましくは、本発明に係る複合材料は、複合材料の質量を基準として85質量%〜98質量%のエアロゲルを含み、好ましくは複合体の全質量を基準として90質量%〜95質量%、92質量%〜98質量%、又は92〜95質量%のエアロゲルを含む。
有利には、無機エアロゲルは、シリカエアロゲル、酸化チタン、酸化マンガン、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化ジルコニウム、又はこれらの混合物から選択され、好ましくはシリカエアロゲルから選択される。
1つの有利な実施態様において、本発明に係る複合材料の厚みは、2〜50mmであり、好ましくは5〜30mmであり、例えば10〜20mmである。モノリシック複合材料の厚みは、用いられるメラミンフォームの厚みと相関することが観察される。従って、メラミンフォームの厚みは、好ましくは2〜50mmであり、好ましくは5〜30mmであり、例えば10〜20mmである。
エアロゲルは、更に添加剤を含んでよい。有利には、添加剤が本発明に係るモノリシック複合材料の機械的特性、凝集性、又は熱伝導率を向上させることを意図する。好ましくは、添加剤は乳白剤を含む。従って、有利には本発明の材料は、更に乳白剤を含む。乳白剤の使用によりその放射成分が減少し、熱伝導率の値を減少させることが可能となる。典型的には、乳白剤は、SiC、TiO2、カーボンブラック、グラファイト、ZrO2、ZnO、SnO2、MnO、NiO、TiC、WC、ZrSiO4、Fe23、Fe34、FeTiO3から選択される。特に、乳白剤はSiC及びTiO2からなる群より選択される。
好ましい実施態様において、本発明に係る複合材料は、バインダーを含まない。無機バインダーの例としては、セメント、プラスター、ジプサム、石灰が挙げられ、また有機バインダーの例としては、ワックス等の熱可塑性ポリオレフィン、スチレンポリマー、ポリアミドが挙げられる。また“バインダー”としては、例えばエポキシ樹脂及びシアノアクリレート等の接着剤も挙げられる。
好ましい実施態様において、本発明の複合材料は、繊維強化材料を含まない。本発明の目的に関して、“繊維強化材料”は、繊維又は繊維不織布、又はこれらの混合物を含む。断熱体の製造に適した繊維の種々の型は、当業者に周知である。例としては、米国特許第6887563号明細書に記載のように、ガラス繊維、鉱物繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、及び植物繊維、又はこれらの混合物が挙げられる。
有利には、本発明に係る複合材料は、疎水性であり、ガス透過性であり、及び最大で250°Cの温度において安定である。それは、容易に切れ、かつシリカエアロゲルに基づく他の複合材料と比較して細粉が最小である。更に、本発明の複合体は軽量かつ柔軟である。それはまた、良好な遮音特性も示す。本発明に係る材料は、良好な耐火特性を有し、それは好ましくはドイツのDIN4102‐1に準拠して少なくともB1、NF P‐92507に準拠してフランスにおいてM1、又は米国UL94に準拠してV0に分類される。規格NF EN ISO1716に準拠して測定される本発明に係る複合材料の燃焼エネルギー又は総発熱量は、ポリウレタン等の最も優れる性能の断熱性材料より好ましくは低い。
本発明に係る材料は、以下の連続工程:a)プリフォーム連続気泡メラミンフォームが第一に配された反応器に、無機ゾルであって、前記ゾルがゾルの全質量を基準として好ましくは5質量%を上回る、より好ましくは6〜15質量%の無機材料を含む、無機ゾルをキャストすること、b)ゾルをリオゲルにゲル化すること、c)臨界未満条件においてリオゲルを乾燥させること、を含むプロセスにより得ることができる。
本発明に係る材料を得る方法は、これ以降でより詳細に記載される。
本発明において、モノリシック複合材料の残留溶媒の質量は、EN/ISO3251に準拠して算出される。用いられる手順は、1gの本発明に係るエアロゲルを取ること、秤量すること、そして105°Cのオーブン中で3時間乾燥させること、次いで乾燥したエアロゲルを秤量することを含む。
本発明に係る複合材料は、典型的には複合材料の残留溶媒の質量がEN/ISO3251に準拠して3%以下、好ましくは1%未満である。
多層ボード
また、本発明は多層パネル、特に、本質的に本発明のモノリシック複合材料からなる少なくとも1つの層を含み、任意選択的に異なる材料の層と組み合わせる多層ラミネート又はサンドイッチパネルの形態の多層パネルに関する。
本発明に係る多層パネルにおいて、各層は、1つ以上の他の層に接着するモノリシック材料又はパネルから作製される。例えば、1つ以上のプラスターボード(任意選択的には型BAI13)を、本発明のモノリシック複合材料の片側又は両側に結合することにより壁装材を形成してよい。また、本発明に係る1つ以上の複合材料の組み合わせを含む多層複合パネル、及び国際公開第2013/053951号の例に記載の複合材料も企図される。
本発明に係る複合材料は、特殊なアプリケーションに好適な向上した特性を有する多層化されたパネルを提供する。例えば、国際公開第2013/053951号に係る剛直な遮音性パネルにラミネートされた本発明のモノリシック複合材料は、個々の材料より優れる圧縮弾性又は音響減衰を与える。本発明のモノリシック複合材料で作製される層は、それが関連する材料に対して防火壁又は難燃剤又は高温断熱層として働くこともできる。
多層パネルの2つの層の間に熱成形可能な材料の複合層をラミネートすることにより、ラミネートにそれ自体が熱成形されることのできる能力を付与することができる。
得るためのプロセス
また、本発明は、プリフォーム連続気泡メラミンフォームにより強化される無機エアロゲルを含み、又は本質的にこれからなるモノリシック複合材料の製造方法であって、モノリシック複合材料の20°Cかつ大気圧にて規格NF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率λが、5〜20mW/m‐Kであり、かつマクロ空隙率が5%未満、好ましくは2%未満であって、方法が、以下の連続工程:a)プリフォーム連続気泡メラミンフォームが第一に配された反応器に、無機ゾルであって、前記ゾルがゾルの全質量に対して好ましくは5質量%を上回る、より好ましくは6〜15質量%の無機材料を含む、無機ゾルをキャストすること、b)ゾルをリオゲルにゲル化すること、c)リオゲルを乾燥させること、を含む方法に関する。
工程c)における乾燥させることは、好ましくは得られるエアロゲルの複合材料の残留溶媒の質量が、EN/ISO3251に準拠して3%以下、好ましくは1%以下であるように実施される。有利には、乾燥工程c)は、臨界未満条件下において実施される。
有利には、バインダー、特に上記のバインダーは、本発明に係るプロセスの任意の工程において用いられず、又は添加されない。更に、好ましくは上記の非繊維強化材料が、本発明に係るプロセスにおいて用いられる。
好ましくは、工程a)で用いられるゾルは、シリカゾル、酸化チタン、酸化マンガン、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化ジルコニウム、又はこれらの混合物の群から選択される。好ましくは、ゾルはシリカゾルである。従って、工程a)は、好ましくはプリフォーム連続気泡メラミンフォームが第一に配された反応器に、シリカゾルであって、前記ゾルがゾルの全質量を基準として好ましくは5質量%を上回る、より好ましくは6〜15質量%のシリカを含むシリカゾルをキャストすることを含む。より好ましくは、シリカゾルは、ゾルの全質量を基準として6〜10質量%のシリカを含む。
添加剤を工程a)においてゾルに加えてよく、好ましくは添加剤は乳白剤を含む。添加剤及び乳白剤は、上記の定義のものである。
工程a)で用いられるゾルは、例えば、触媒の存在下でのシリカ前駆体の酸又は塩基触媒作用により得られる。シリカゾルのリオゲルへの転移(ゲル化工程b)は、好ましくはアンモニア等のゲル化触媒の存在下において実施される。有利には触媒は、出発ゾル、すなわち溶媒、シリカ前駆体、及び任意選択の添加剤を含むものの全質量を基準として1〜3質量%、好ましくは2〜2.5質量%の濃度で用いられる。
工程b)で得られるリオゲルは、好ましくはゾルの出発質量を基準として70〜90質量%>、好ましくは75質量%〜85質量%の溶媒を含む。より好ましくは、工程b)で得られるリオゲルは、好ましくはゾルの出発質量を基準として85〜94質量%、好ましくは90質量%〜94質量%の溶媒を含む。
当業者は、プリフォーム発泡体をシリカゲルで均一に含浸させたものを得るために、工程b)ゲル化の反応条件、特にゲル化時間を調節するであろう。そしてそれは、20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される5〜20mW/m‐Kの熱伝導率λを得ることに関する5%未満のマクロ空隙率の提供を確実にする。
特定の実施態様:工程b)
1つの実施態様において、リオゲルは、アルコゲルである。この場合において、溶媒は好ましくはエタノールである。本実施態様において、有利には、工程b)は、工程b2)アルコゲルをエージングすること、次いで工程b3)アルコゲルの疎水化処理が続き、その後疎水性アルコゲルが得られる。例えば工程b2)は、工程b1)で得られるアルコゲルを、pHが1〜3である酸媒体中で疎水化剤と接触させることを含む。有利には、用いられる疎水化剤は、有機シロキサン、有機クロロシラン、又は有機アルコキシシランの群より選択され、より有利には、用いられる疎水化剤はヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)、トリメチルクロロシラン及びトリメチルエトキシシランからなる群より選択され、更により有利には、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)より選択される。更に、本実施態様において、本発明に係るシリカゾルは、好ましくはエタノール中でのテトラエトキシシランの制御された加水分解により得られる。有利には、加水分解の間に生成するエタノールは、後に同じ工程の溶媒として再利用、及び再使用される。好ましくは工程b3)は、工程c)で得られるアルコゲルを、pHが1〜3である酸媒体中で加水分解剤と接触させることを含む。
有利には、アルコゲルは工程b3)での鉱酸又は有機酸の添加により酸性にされる。より望ましくは、無機酸は塩酸であり、また有機酸はトリフルオロ酢酸である。更により有利には、酸はトリフルオロ酢酸又は塩酸、及び疎水化剤ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)である。有利には、工程b3)は、50°C〜150°Cの温度にて実施される。更により好ましくは、工程b3)は、アルコール(アルコゲルの溶媒)の沸点にて実施される。溶媒がエタノールである場合において、工程b3)は、エタノールのリフラックス下で実施される。
別の実施態様において、工程a)の終わりにて得られるリオゲルは、ヒドロゲルである。この場合において、有利には、工程b)は、工程b2)リオゲルの形成をもたらす、溶媒(水)と、アセトン、ヘキサン又はヘプタン等の有機溶媒との交換(該工程は任意選択的にヒドロゲルのエージングの工程に先立つ)、次いで工程b3)リオゲルの疎水化処理が続き、その後疎水化されたリオゲルが得られる。リオゲルがヒドロゲルである場合において、工程b3)リオゲルの疎水化処理の実施条件は、溶媒付近の上記の条件(具体的には温度、反応剤等)と類似である。
上記実施態様において、エージング工程は、シネレシス(液体とゲルの分離)の効果によりリオゲルの機械的特性を向上させる。このエージング工程は、好ましくは24時間未満継続する。温度及びエージング時間等の条件は、例えばゲルの組成等の当業者に周知の基準に従って設定することができる。有利には、エージング工程は、40°C〜80°Cの温度、更により好ましくは45°C〜60°Cの温度にて実施される。有利には、エージング工程は、20時間未満継続する。
上記の実施態様において、プロセスの工程b3)での疎水化処理により、複合材料の吸水が減少する。好ましくは本発明に係る複合材料は、室温かつ75%の相対湿度における吸水率が、5%未満、より好ましくは3%未満であり、及び室温かつ95%における水の回収率が、10%未満、更により好ましくは5%未満である。
特定の実施態様:工程c)
1つの実施態様において、工程c)は、80°C未満の温度における臨界未満条件下での前硬化の工程c1)、及び臨界未満条件下での乾燥工程c2)に分けられ、前記乾燥工程c2)は、前記乾燥工程c2)が対流である際、100°Cを上回る温度にて誘電性又は対流性である。
1つの実施態様において、工程c2)は、対流乾燥であり、120°C〜180°Cの温度、好ましくは140°C〜160°C、更により好ましくは約150°Cにて実施される。対流乾燥は、自然な状態で実施することができるが、好ましくは強制対流モードで実施される。
別の実施態様において、工程c2)は、マイクロウェーブによる誘電乾燥工程である。
好ましくは前乾燥工程c1)は、出発材料の質量を基準として10〜80質量%、好ましくは20質量%〜60質量%、更により好ましくは40質量%〜50質量%のアルコールを損失した濃縮リオゲルが形成されるまで継続される。
有利には、工程c1)の前乾燥温度は40°C〜80°C、更により好ましくは60°C〜80°C、更により好ましくは約80°Cである。
本発明の好ましい実施態様において、工程c1)は、反応器中の熱ガス流を循環させることにより実施される。ガス流は、典型的には窒素、空気又は希ガス等の不活性ガスの流れである。有利には、熱ガス流は垂直に、更により好ましくは上部から底部へ流れる。
別の実施態様において、工程c1の前乾燥は、減圧下において実施される。係る実施態様は、同じ温度における前乾燥時間を短縮するため、有利である。
有利には、工程c2)は、熱風のストリームを乾燥器中に循環させることによる対流乾燥により実施される。実験室スケールにおいて、対流乾燥は、150°Cの温度のオーブン中で好ましく実施される。
別の実施態様において、工程c2)は、マイクロウェーブによる誘電乾燥により実施される。好ましくは、マイクロウェーブ乾燥工程で供給される電力は、出発濃縮リオゲル1kg当たり0.3kW〜3kW、好ましくは濃縮リオゲル1kg当たり0.5kW〜2kW、更に好ましくは濃縮リオゲル1kg当たり約1kWである。前記電力は、材料の表面温度が40°C〜400°C、より好ましくは40°C〜200°C、更により好ましくは50°C〜150°Cであるように、乾燥の間調節される。
工程c)又はc1)の間に損失した溶媒の質量は、プロセスのスケールに応じて別に測定される。実験室スケールにおいて、この量は、工程b)の後に得られるリオゲルを、工程c)又はc1)の条件下で乾燥させる前後で秤量することにより測定される。工業スケールにおいて、乾燥工程c)又はc1)の間に蒸発した溶媒を別の反応器で凝縮し、次いで秤量する。
特定の実施態様:反応器の性質
有利には、少なくとも工程a)、b)及びc1)が、少なくとも1つの反応器中で実施され、2つの内壁の間の前記反応器の特性距離は、2mm〜50mm、好ましくは5〜30mmを含む。この反応器の性質は、複合材料の組成が均一であるように、複合材料のコアへの反応物の拡散を向上させる。
本発明の文脈内で、“反応器の内壁”は、反応物と直接接触する壁を意味する。例えば、ジャケット付き反応器の場合では、反応物と直接接触するのは内殻の壁である。本発明の文脈内で、“2つの内壁間の特性距離”は、2つの平行な内壁間、又は前記壁の1つに正接する表面と、後者に平行な壁との間、又は壁に正接する2つの表面間の最大の距離を意味する。例えば、円筒状の反応器の場合では、反応器の2つの内壁間の特性距離は、反応器の内側の直径及び内側の高さである。立方体状の反応器の場合では、反応器の2つの内壁間の特性距離は、立方体の内側である。矩形の反応器の場合は、反応器の2つの内壁間の特性距離は、内側の高さ、内側の長さ、及び内側の幅である。好ましくは、2つのインナー壁間の特性距離は、高さ、幅、長さ、厚み、及び内側の直径から選択される。
反応器の具体的な形状によって、反応器内の任意のポイントから前記反応器の内壁の距離は、反応物のリオゲルへの拡散が最適となるようなものである。更に、係る反応器は、係る反応器中で実施される場合、工程c1)でのリオゲルの前乾燥の最適化された条件も可能にする。
従って、工程a)、b)及びc1)は、有利には第一の反応器中で実施され、次いで濃縮リオゲルが取りだされて工程c2)の対流又は誘電乾燥反応器に移される。
本発明の文脈内で、“乾燥させること”は、乾燥工程を実施するための反応器を意味する。
アプリケーション
また、本発明は、複合材料、又は本発明に係る多層パネルの断熱体、特に建築構造物、又は工業的なシステム若しくは方法の断熱におけるアプリケーションに関する使用に関する。
従って、本発明に係る複合材料又は多層パネルは、壁及びパーティションだけでなく、床又は天井を含む構造材料の製造、又は断熱性工業用パイプに有利に用いられる。
本発明に係る多層複合材料及びパネルは、遮音材として用いてもよい。
図の説明
複合材料上の三次元(3D)でのX‐線トモグラフィーにより測定されるマクロポア体積の分布を例1で得た。x軸はmm3(0〜0.01mm3のスケールで)で体積を表し、またy軸はマクロポアの数(0〜250のスケールで)を表す。材料の大部分の平均細孔体積(Vm)は、1.10-4mm3〜5.10-3mm3であった。 図は、材料の柔軟性係数を測定するための三点曲げデバイスを示す。パネルは、端部から7.5cmに、10cm間隔で配される2つの支持体(三角形で表される)上に配され、そして材料の中心に位置する種々の重り(図中において丸で表される)を置くことにより垂直な下方向の力がかけられる。材料の歪みの中心からの距離が測定される。 曲線は、柔軟性(mmで測定される、x軸)の関数として力(ニュートン(N)で測定される、y軸)を表す。この曲線は、例3の試験結果を表す。一次回帰により0.0385N/mmの傾きと0の切片を決定する。 例4の試験結果を表す。得られる曲線は、相対歪みの関数ε=(e−e0)/e0(e0は試験前のサンプル厚み、またεは単位なしである)として通常の応力(MPaで表される)を表す。
以下の例は、本発明を更に説明することを意図するが、何ら制限しない。

例1:本発明に係る厚み10mmの複合パネルの製造
1)シリカアルコゲル複合体の製造
塩酸の存在下でアルコキシシランを加水分解し、次いでアンモニアを加えることにより得られるシリカゾルを注いだ後に、寸法が300×300×70mm3である密閉チャンバー中において、250×290×10mm3のメラミンフォームのシート(BASFにより販売されるBasotect(登録商標)フォーム)上でゲル化した。ゲル化した後、強化アルコゲルをエタノール中で50°Cにて24時間エージングした。塩酸及びヘキサメチルジシロキサン(疎水化剤)を、次いで複合アルコゲルを完全に覆うようにチャンバー中へ導入した。反応媒体を加熱して50°Cにて48時間維持した。ろ過により、反応混合物を疎水性シリカアルコゲル複合体から分離した。
2)メラミンフォーム及び疎水性シリカエアロゲルを含む複合材料の製造
メラミンフォームシートにより強化された濃縮アルコゲルを、160°Cの真空オーブン中で2時間乾燥させた。得られるエアロゲルパネルの厚みは10mmであり、及びその20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率は12.6mW/m‐Kである。
3)細孔直径及びマクロ空隙率の測定
乾燥後に得られる複合材料は、次いで3DX‐線トモグラフィーにより分析される。取得は、130kVジェネレーターを備えるDeskTom機械モデルで実施した。約12cmの線源/サンプル距離において、サンプル上で得られる解像度は24.5μmである。データの取得及び再構成に用いられるソフトウェアは、RX Solutionsにより開発されたソフトウェア(X‐Act)である。後処理(空隙率の可視化及び分析)のために、ソフトウェアVG Studio Max Version2.2を用いた。分析の結果、大部分の材料の細孔体積(Vm)は1.10-4mm3〜5.10-3mm3であることがわかった(図1参照)。
細孔の形状を完全な球と仮定可能であることを考慮し、本件出願人は以下の数式を適用する。
材料の直径は、従って57〜212μmと算出される。
サンプルのマクロ空隙率は、サンプル体積中で同定される細孔体積の比の積分として算出される。この算出方法によれば、複合材料のマクロ空隙率は、1.44%である。
例2:本発明に係る厚み30mmの複合パネルの製造
1)シリカアルコゲルの複合体の製造
塩酸の存在下でアルコキシシランを加水分解し、次いでアンモニアを加えることにより得られるシリカゾルを注いだ後に、寸法が300×300×70mm3である密閉チャンバー中において、250×290×30mm3のメラミンフォームのシート上でゲル化した。用いられた溶媒はエタノールであった。ゲル化した後、強化アルコゲルをエタノールのリフラックス下で24時間エージングした。塩酸及びヘキサメチルジシロキサン(疎水化剤)を、次いで複合アルコゲルを完全に覆うようにチャンバー中へ導入した。反応媒体を加熱してエタノール中においてのリフラックスを48時間維持した。ろ過により、反応混合物を疎水性シリカアルコゲルから分離した。
2)メラミンフォームパネル及び疎水性シリカエアロゲル複合体を得ること
強化疎水性シリカアルコゲルをマイクロウェーブ乾燥器に入れ、50°Cにて50分間乾燥させた。
得られるエアロゲルパネルの厚みは30mm、及びその20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率は14.2mW/m‐Kであった。
例3:例1に係る複合材料の柔軟性の測定
図2に示されるように、例1に示される方法に従って製造された材料の25×10×250mm3サンプルで3点曲げ試験を実施した。複合材料は、100mm間隔の2つの支持体上に配される。
種々の力がサンプルの中心でサンプルにかけられる。その変位量(柔軟性)を測定した。
結果
得られた結果は、図3に示される。力‐たわみ曲線の傾きに対応する剛性又は曲げ剛性は、K=0.0385N/mmとして算出された。
例4:例1に係る複合材料の最大圧縮応力の測定
一軸圧縮試験は、5kNの外力センサーキャパシティを備える電気機械試験機Zwick100kNで実施された。サンプルの寸法は、30×30×10mm3であった。クロスヘッドの移動速度は負荷の間は0.3mm/分であり、及び解放の間は1mm/分である。
この試験の結果は、図4に示される。0.43MPaの圧縮係数、及び80%の相対歪みとともに3.3MPaの最大応力が測定された。
例5:本発明に係る10mm厚みの複合断熱性発泡体パネルの製造
1)シリカヒドロゲル複合体の製造
ケイ酸ナトリウムの水溶液及び塩酸溶液を混合することにより得られるシリカゾルを注いだ後に、寸法が300×300×70mm3である密閉チャンバー中において、250×290×10mm3のメラミンフォームのシート上でゲル化した。ゲル化した後、強化ヒドロゲルを水中で50°Cにて24時間エージングした。溶媒交換をアセトンにより実施した(アセトンを2回再利用することにより50°Cにて48時間)。塩酸及びヘキサメチルジシロキサン(疎水化剤)を、次いで複合リオゲルを完全に覆うようにチャンバー中へ導入した。反応媒体を加熱して50°Cにて48時間維持した。ろ過により、反応媒体を疎水性シリカリオゲル複合体から分離した。
2)メラミンフォーム及び疎水性シリカキセロゲルを含む複合パネルを得ること
メラミンフォームのシートにより強化される濃縮リオゲルを、160°Cの真空オーブン中で2時間乾燥させた。得られるキセロゲルパネルの厚みは9mmであった。また、その20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率は14.5mW/m‐Kである。
例1、2及び5に係るパネルは全て、複合体の質量を基準として92質量%〜98質量%のエアロゲルを含むことに留意されたい。
上記の全ての例において、アンモニアはゾル出発成分の全質量に対して2〜2.5質量%の量でゲル触媒として用いられる(工程b)。
本開示は以下も包含する。
[1]
プリフォーム連続気泡メラミンフォームにより強化されるモノリシック無機エアロゲルを含む複合材料であって、前記材料の20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板法に準拠して測定される熱伝導率λが5〜20mW/m‐Kであり、かつマクロ空隙率が5%未満であり、かつ前記材料が、複合体の全質量を基準として90質量%〜98質量%、好ましくは92質量%〜98質量%のエアロゲルを含む、複合材料。
[2]
以下の連続工程:a)プリフォーム連続気泡メラミンフォームが予め配された反応器に無機ゾルをキャストすること、b)ゾルをリオゲルにゲル化すること、c)リオゲルを乾燥させることを含むプロセスにより製造される、上記態様1に記載の材料。
[3]
工程a)で用いられる前記ゾルが、無機ゾルの全質量を基準として5質量%を上回る、好ましくは6〜15質量%の無機材料を含むことを特徴とする、上記態様2に記載の材料。
[4]
直径が50〜250ミクロンであるマクロポアが、前記材料の全マクロポアの80%超を構成することを特徴とする、上記態様1〜3のいずれかに記載の材料。
[5]
材料の厚みが、2〜50mmであることを特徴とする、上記態様1〜4のいずれかに記載の材料。
[6]
材料の密度が、70kg/m 3 〜150kg/m 3 であることを特徴とする、上記態様1〜5のいずれかに記載の材料。
[7]
メラミンフォームが、その厚みが2〜50mm、空隙率が95%〜99.5%、密度が8.5〜11.5kg/m 3 、及び20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率が35〜40mW/m‐Kであるメラミン‐ホルムアルデヒドフォームであることを特徴とする、上記態様1〜6のいずれかに記載の材料。
[8]
無機エアロゲルが、シリカエアロゲル、酸化チタン、酸化マンガン、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化ジルコニウム、又はこれらの混合物から選択されることを特徴とする、上記態様1〜7のいずれかに記載の材料。
[9]
材料が、バインダーを含まないことを特徴とする、上記態様1〜8のいずれかに記載の材料。
[10]
材料が、繊維強化材料を含まないことを特徴とする、上記態様1〜9のいずれかに記載の材料。
[11]
材料が、EN/ISO3251に準拠して、3%以下である複合材料の残留溶媒の質量を有することを特徴とする、上記態様1〜10のいずれかに記載の材料。
[12]
エアロゲルが、更に乳白剤を含むことを特徴とする、上記態様1〜11のいずれかに記載の材料。
[13]
本質的に上記態様1〜12のいずれか一項に記載のモノリシック複合材料からなる少なくとも1つの層を含む、サンドイッチパネル。
[14]
上記態様1〜12のいずれかに記載の複合材料、又は上記態様13に記載の多層パネルの断熱体としての使用。
[15]
上記態様1〜12のいずれかに記載の複合材料、又は上記態様13に記載の多層パネルの遮音材としての使用。

Claims (15)

  1. プリフォーム連続気泡メラミンフォームにより強化されるモノリシック無機エアロゲルを含む複合材料であって、前記材料の20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板法に準拠して測定される熱伝導率λが1015mW/m‐Kであり、かつマクロ空隙率が5%未満であり、かつ前記材料が、複合体の全質量を基準として90質量%〜98質量%のエアロゲルを含む、複合材料。
  2. 以下の連続工程:a)プリフォーム連続気泡メラミンフォームが予め配された反応器に無機ゾルをキャストすること、b)ゾルをリオゲルにゲル化すること、c)リオゲルを乾燥させることを含む、請求項1に記載の材料の製造方法
  3. 工程a)で用いられる前記ゾルが、無機ゾルの全質量を基準として5質量%を上回る無機材料を含むことを特徴とする、請求項2に記載の製造方法
  4. 直径が50〜250ミクロンであるマクロポアが、前記材料の全マクロポアの80%超を構成することを特徴とする、請求項1に記載の材料。
  5. 材料の厚みが、2〜50mmであることを特徴とする、請求項1又は4に記載の材料。
  6. 材料の密度が、70kg/m3〜150kg/m3であることを特徴とする、請求項1、4及び5のいずれか1項に記載の材料。
  7. メラミンフォームが、その厚みが2〜50mm、空隙率が95%〜99.5%、密度が8.5〜11.5kg/m3、及び20°Cかつ大気圧にてNF EN12667の保護熱板により測定される熱伝導率が35〜40mW/m‐Kであるメラミン‐ホルムアルデヒドフォームであることを特徴とする、請求項1及び4〜6のいずれか1項に記載の材料。
  8. 無機エアロゲルが、シリカエアロゲル、酸化チタン、酸化マンガン、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化ジルコニウム、又はこれらの混合物から選択されることを特徴とする、請求項1及び4〜7のいずれか1項に記載の材料。
  9. 材料が、バインダーを含まないことを特徴とする、請求項1及び4〜8のいずれか1項に記載の材料。
  10. 材料が、EN/ISO3251に準拠して、3%以下である複合材料の残留溶媒の質量を有することを特徴とする、請求項1及び4のいずれか1項に記載の材料。
  11. エアロゲルが、更に乳白剤を含むことを特徴とする、請求項1及び4〜1のいずれか1項に記載の材料。
  12. 本質的に請求項1及び4〜1のいずれか一項に記載のモノリシック複合材料からなる少なくとも1つの層を含む、サンドイッチパネル。
  13. 請求項1及び4〜1のいずれか1項に記載の複合材料、又は請求項1に記載の多層パネルの断熱体としての使用。
  14. 請求項1及び4〜1のいずれか1項に記載の複合材料、又は請求項1に記載の多層パネルの遮音材としての使用。
  15. 前記材料により占有される体積の5%未満が、直径が5μmを上回る細孔により占有されていることを特徴とする、請求項1に記載の材料。
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