KR20160101967A

KR20160101967A - 단열성 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌 물품

Info

Publication number: KR20160101967A
Application number: KR1020167018886A
Authority: KR
Inventors: 그렉 디 다아시; 제임스 알 한라한; 스티븐 알 알베르딩; 조셉 더블유 헨더슨; 케빈 제이 마베; 아니트 두타
Original assignee: 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-08-26
Also published as: CN106029763A; US20150176749A1; EP3083794A1; JP2017503884A; US20170356589A1; WO2015095638A1; CA2934539A1

Abstract

본 발명은 팽창 PTFE(ePTFE)를 비롯한 PTFE를 포함하고, 대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가지는 단열 물질에 관한 것이다. 일 구현예에서, 본 발명의 절연 물질은 에어로겔 입자 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)를 포함한다. 절연 물질은 소수성이고, 매우 통기성이 있고, 높은 강도를 가지는 물품으로 형성될 수 있고, 이는 비-고정식의 응용분야 예컨대 동적 플렉싱(dynamic flexing) 등에 사용될 수 있다. 절연 물품은 가요성, 신장성, 및 굽힘성이 있다. 또한, 절연 물질은 미세 입자의 방출 또는 더스팅이 거의 조금이거나 없다. 약 100 kg/m³ 미만의 입자 밀도 및 대기 조건 (약 298.5 K 및 101.3 kPa)에서 약 15mW/m K 이하의 열전도도를 갖는 에어로겔 입자가 절연 물질로서 사용될 수 있다.

Description

단열성 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌 물품{THERMALLY INSULATIVE EXPANDED POLYTETRAFLUOROETHYLENE ARTICLES}

본 발명은 일반적으로 단열 물품, 및 더 구체적으로 단열 입자, 예컨대 에어로겔 입자, 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 함유하는 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌 단열 물품에 관한 것이다.

단열성 및 낮은 열전도도를 위한 에어로겔의 사용은 익히 알려져 있다. 바람직한 열전도 특성은 약 95% 초과의 에어로겔의 매우 높은 기공도, 및 공기 분자의 평균 자유 경로의 크기보다 작은, 또는 약 100 nm 미만인 에어로겔 물질의 작은 기공 크기에 기인한다. 작은 기공 크기로 인해, 물질 내의 공기 분자의 이동성이 제한되고, 열전도성에 있어서의 공기의 유효성은 감소하고, 이는 낮은 열전도성을 초래한다. 대기압 조건 하에, 공기는 약 25 mW/m K (미터 켈빈당 밀리와트)의 열전도도를 가진다. 보다 큰 기공 크기를 갖는 절연체, 예컨대, 폼, 배팅(batting), 울, 및 다른 일반적인 절연 물질은 방사선 및 고체 전도성의 기여로 인해 공기의 것보다 더 높은 약 40 mW/m K의 열전도도를 가진다. 에어로겔 분말 및 비드는 약 9 내지 20 mW/m K의 열전도도를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 그와 같은 고도의 다공성 및 저밀도 물질은 설치, 취급, 형성 및 성형을 특히 곤란하게 하는 광범위한 더스팅(dusting)으로 인해 분말의 형태로의 수많은 적용에 유용하지 않고, 추가로 안전성 문제를 일으킨다.

에어로겔의 종래의 제조 방법은 보통 초임계 유체로의 추출을 포함한다. 상기 방법은 대개 주형에 에어로겔 전구체 액체를 붓는 단계, 에어로겔 액체를 건조시켜 다양한 액체 교환을 갖는 고도의 다공성 겔을 형성하고, 초임계 유체 추출을 사용하여 에어로겔 모노리스(aerogel monolith)을 형성하는 단계를 포함한다. 예컨대 초임계 유체 추출을 사용하는 것과 같은 공정은 매우 시간 소비적이며 고비용이다. 추가로, 생성되는 구조체는 단단하고, 낮은 기계적 강도를 갖고, 에어로겔 물질을 형성한 이후 원하는 형상으로 추가로 성형되거나 형성되는 제한된 능력을 가진다.

이들 물질은 대개 휘는 경우 균열이 생기거나 분쇄되고, 미세 에어로겔 입자의 방출 또는 "더스팅"에 대해 알려져 있다.

에어로겔 물질의 가요성 및 강도를 증가시키기 위한 시도로서, Stepanian 등의 미국특허공개 제2002/0094426호는 보강 구조체, 특별하게는 성긴 섬유성 베팅(lofty fibrous batting)과 조합되는 에어로겔 물질을 교시하고 있다. 바람직하게는, 에어로겔은 무작위로 배향된 마이크로섬유 및/또는 전도성층과 조합되는 섬유질 배팅 구조에 의해 보강된다. 에어로겔 시트를 형성하기 위해, 에어로겔-형성 전구체 액체는 배팅에 부어지고, 초임계 건조하여 에어로겔을 형성한다. 생성된 보강 에어로겔 구조체는 휘어질 수 있고, 구부려지는 경우 덜 분쇄되는 경향이 있고, 미세 에어로겔 입자의 방출이 덜 일어나는 경향이 있다. 그러나, 이러한 물질에 대한 응용은 이러한 구조체의 성형성 및 형성력의 부족뿐 아니라 초임계 추출 단계와 관련된 비용으로 인해 제한된다.

대개 보강 에어로겔과 관련되는 취성을 극복하기 위해, Frank 등의 미국특허 제5,786,059호는 연속적인 생성물을 형성하기 위해 에어로겔 분말을 함께 유도하는 것을 교시하고 있다. 특별하게는, 섬유 웹의 층 및 에어로겔 입자를 포함하는 에어로겔 복합 물질은 바람직하게는 매트 또는 패널로서 형성된다. 섬유 웹은 에어로겔 입자가 섞여지며, 더 낮거나 높은 온도 용융 영역을 갖는 2개의 단단하게 상호 연결된 폴리머의 2성분 섬유 물질을 포함한다. 더 낮은 용융 온도로의 가열시, 웹의 섬유는 서로 간에 그리고 에어로겔 입자에 결합된다. 생성된 복합체는 상대적으로 단단한 구조이고, 기계적 응력의 적용시, 과립은 파괴되거나 섬유로부터 탈착되어 에어로겔 분획이 웹으로부터 떨어질 수 있다.

Smith 등의 미국특허 제6,172,120호는 에어로겔의 제조 방법을 개시하고 있고, 이에서 에어로겔은 모노리스 블록 또는 시트 대신 분말로서 형성된다. 제조 방법은 초임계 유체 추출의 단계 없이 에어로겔을 형성하는 장점을 가진다. 그러나, 분말의 형성에 있어서, 에어로겔은 높은 더스팅 및 형성력 부족으로 인해 수많은 응용분야에 대해 유용하지 못하다.

Ristic-Lehmann 등의 미국특허 제7,118,801호는 의복, 용기, 파이프, 전자 장치 등에 대한 절연 분야를 비롯한 수많은 분야에 유용한 물질을 교시하고 있다. 무엇보다도, 에어로겔 입자 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 '801 발명의 물질은 형성력이 있고, 낮은 입자 배출 및 낮은 열전도도를 가진다. 상기 물질로부터 제조된 복합체는 휘고, 신장되고, 꼬여질 수 있고, 에어로겔 입자의 방출 또는 전도성의 손실이 적거나 없다.

에어로겔 분말 및 복합물에 고유한 문제점, 예컨대 에어로겔 분말의 형성력의 부족 및 복합체의 가요성의 부족, 및 기계적 응력의 적용시 에어로겔 입자의 방출 또는 더스팅을 극복하기 위한 절연 물질에 대한 필요성이 존재한다. 소수성이고, 고도로 통기성이고, 높은 강도를 갖는 물품(예를 들면, 팽창 PTFE 물품)으로 형성될 수 있고, 비-고정식의, 높은 가요성 응용분야에서 사용할 수 있는 절연 물질에 대한 필요성이 존재한다.

요약

일 구현예에서, 본 발명은 단열 입자가 혼입된 팽창 PTFE(ePTFE)를 포함하는 단열 물질에 관한 것으로, 상기 물질은 대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 갖는다. 대안적인 구현예에서, 단열 물질은 380℃에서 흡열을 나타낸다. 대안적인 구현예에서, 단열 물질은 모놀리스형이다.

대안적인 구현예에서, 단열 물질은 길이 방향에서 0.35 MPa 이상의 인장 강도 및 가로 방향에서 0.19 MPa 이상의 인장 강도를 가지는 ePTFE를 포함한다.

추가 구현예에서, 단열 물질은 40 중량% 미만의 단열 입자 및 60 중량% 초과의 폴리테트라플루오로에틸렌 (ePTFE)을 포함할 수 있고, 여기서 상기 복합 재료는 대기 분위기에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가진다.

단열 물질이 단열 입자를 포함하는 하나 이상의 구현예에서, 입자는 실리카 에어로겔 입자, 발연 실리카, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.

또 하나의 구현예에서, 단열 물질은 노드 및 피브릴 구조를 갖고, 대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 갖는 팽창 PTFE를 포함한다. 또한, 단열 물질은 약 380℃ 흡열을 나타내는 팽창 PTFE를 포함할 수 있다.

또 하나의 구현예에서, 본 발명은 제1 층, 대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 갖는 팽창 PTFE (ePTFE); 및 제2 층을 포함하는 물품에 관한 것이고, 상기 ePTFE는 상기 제1 및 제2 층 사이에 개재된다. 대안적인 구현예에서, ePTFE는 소수성이다. 대안적으로, 상기 제1 및 상기 제2 층 중 적어도 하나는 가스에 대해 불투과성일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 상기 제2 층 중 적어도 하나는 액체에 대해 불투과성일 수 있다. 대안적인 구현예에서, ePTFE는 실리카 에어로겔 및 발연 실리카로부터 선택되는 단열 입자를 포함한다.

수반되는 도면들은 개시물의 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되고, 이러한 명세서의 일부에 포함되고 이를 구성하며, 구현예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 개시물의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 5000X 배율에서 취한 20% 에어로겔을 포함하는 ePTFE 물질을 포함하는 단열 물질의 표면의 주사 전자 현미경사진이고;
도 2는 5000X 배율에서 취한 40% 에어로겔을 포함하는 ePTFE 물질을 포함하는 단열 물질의 표면의 주사 전자 현미경사진이고;
도 3은 5000X 배율에서 취한 발연 실리카를 포함하는 ePTFE 물질을 포함하는 단열 물질의 표면의 주사 전자 현미경사진이고;
도 4는 5000X 배율에서 취한 60% 에어로겔을 포함하는 ePTFE 물질을 포함하는 단열 물질의 표면의 주사 전자 현미경사진이다.

본 기술분야의 숙련가는 본 개시물의 다양한 측면이 의도된 기능을 수행하기 위해 구성되는 임의의 개수의 방법 및 장치에 의해 실현될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본원에 언급되는 수반된 도면은 필수적으로 일정 비율로 도시된 것은 아니나, 본 개시물의 다양한 양태를 예시하기 위해 과장될 수 있고, 이와 관련하여, 도면은 제한하기 위한 것으로 해석되서는 안된다.

본 발명의 절연 물질은 단열 입자, 예컨대 에어로겔 등 및 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)을 포함한다. 절연 물질은 소수성이고, 고도의 통기성이고, 높은 강도를 가지고, 이는 비고정식, 또는 동적 플렉싱(dynamic flexing) 응용분야에 사용될 수 있는 물품(예를 들면, ePTFE 막, 복합물 등)으로 형성될 수 있다. 절연 물품은 가요성이고, 연신가능하고, 구부려질 수 있다. 또한, 절연 물질은 미세 입자의 방출 또는 더스팅이 적거나 거의 없다. 약 100 kg/m³ 미만의 입자 밀도 및 대기 조건 (약 298.5 K 및 101.3 kPa)에서 약 15mW/m K 이하의 열전도도를 갖는 에어로겔 입자는 절연 물질에 사용될 수 있다. 용어 "에어로겔(들)" 및 "에어로겔 입자"는 본원에서 상호교환적으로 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

에어로겔은 대류 및 전도성 열 전달을 유의미하게 감소시키는 단열체이다. 실리카 에어로겔 입자는 특히 우수한 전도성 절연체이다. 에어로겔 입자는 고체의, 경성의, 건조 물질이고, 분말화된 형태로 상업적으로 수득될 수 있다. 예를 들면, 상대적으로 저비용으로 형성된 실리카 에어로겔은 Smith 등의 미국특허 제6,172,120호에 기재되어 있다. 에어로겔 입자의 크기는 제트-밀링 또는 다른 크기 감소 기술에 의해 원하는 치수 또는 등급으로 감소될 수 있다. 절연 물질로서 사용하기 위한 에어로겔 입자는 약 1 μm 내지 약 1 mm, 약 1 μm 내지 약 500 μm, 약 1 μm 내지 약 250 μm, 약 1 μm 내지 약 200 μm, 약 1 μm 내지 약 150 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 75 μm, 약 1 내지 약 50 μm, 약 1 μm 내지 약 25 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 또는 약 1 μm 내지 약 5 μm의 크기를 가질 수 있다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 에어로겔 입자는 약 2 μm 내지 약 24 μm의 크기를 가진다.

이론에 구속되는 것으로 의도함 없이, 더 작은 에어로겔 입자가 절연 물질의 다른 성분과의 보다 균일한 혼합물을 형성하는 것으로 여겨진다. 따라서, 더 작은 기공 크기, 예를 들면, 약 200 nm, 또는 심지어 100 nm 이하의 평균 기공 크기를 갖는 에어로겔이 절연 물질에서 사용될 수 있다.

에어로겔 입자의 밀도는 100 kg/m³미만, 75 kg/m³미만, 50 kg/m³ 미만, 25 kg/m³미만또는 10 kg/m³미만일 수 있다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 에어로겔 입자는 약 30 kg/m³ 내지 약 50 kg/m³의 벌크 밀도를 가진다.

절연 물질에 사용하기에 적합한 에어로겔은 무기 에어로겔, 유기 에어로겔, 및 이들의 혼합물을 모두 포함한다. 적합한 무기 에어로겔의 비-제한적인 예는 실리콘, 알루미늄, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 및 바나듐의 무기 산화물로부터 형성된 것들을 포함한다. 절연 물질에서 사용하기 위한 적합한 유기 에어로겔은, 비제한적으로, 탄소, 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리푸르푸랄 알코올, 페놀 푸르푸릴 알코올, 멜라민 포름알데하이드, 레소르시날 포름알데하이드, 크레졸, 포름알데하이드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 에폭사이드, 아가(agar), 및 아가로스로부터 제조된 에어로겔을 포함한다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 절연 물질은 무기 에어로겔 예컨대 실리카를 함유한다. 본 발명에 적합한 단열 입자의 또 하나의 예는 발연 실리카이다.

또한, 절연 물질에서 사용되는 에어로겔은 친수성 또는 소수성일 수 있다. 예시적인 구현예에서, 에어로겔은 소수성 내지 부분적으로 소수성이고, 약 15 mW/m K 미만의 열전도도를 가진다. 입자 크기 감소 기술, 예컨대, 밀링은 소수성 에어로겔 입자의 외부 표면기의 일부에 영향을 줄 수 있고, 이는 부분적 표면 친수성을 야기한다(소수성 특성은 에어로겔 입자 내에서 유지된다). 부분적으로 소수성인 에어로겔은 다른 화합물에 대해 증대된 결합을 나타낼 수 있고, 결합이 바람직한 응용에 이용될 수 있다.

본 발명의 절연 물질은 추가로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 입자를 포함한다. 예시적인 구현예에서, PTFE 입자는 에어로겔 입자보다 더 작은 크기를 가진다. 그러나, 에어로겔 입자에 유사한 크기를 갖는 PTFE 입자가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 일반적으로, PTFE는 약 50 nm 이상의 크기를 갖는 1차 입자 또는 분산액에서 약 600 μm 이하의 크기를 갖는 PFTE 응집체로서 제공된다. PTFE 분산물은 에멀젼 중합에 의해 형성된 고분자량 PTFE 입자의 수용성 콜로이드성 분산물이다. PTFE 분산물은 약 2.2 이하의 SSG를 가질 수 있다.

절연 물질은 에어로겔 및 PTFE 입자의 혼합물을 제조하는 단계, 예컨대, 예를 들면, 에어로겔 입자 및 PTFE 분산의 수계 분산물의 혼합물을 형성하는 단계에하여 제공된다. 에어로겔/PTFE 입자 혼합물은 약 90 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 85 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 80 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 75 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 70 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 65 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 60 중량% 미만의 에어로겔 입자, 약 55 중량% 미만의 에어로겔 입자, 또는 약 50 중량% 미만의 에어로겔 입자를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 에어로겔 입자는 혼합물에 40% 미만, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 또는 10% 이하의 양으로 존재한다. 에어로겔 입자는 혼합물에 약 10% 내지 40%의 양으로 존재할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 에어로겔 입자는 40% 미만의 양으로 존재할 수 있다.

추가로, 에어로겔/ PTFE 입자 혼합물은 약 10 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 15 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 20 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 25 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 30 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 35 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 40 중량% 초과의 PTFE 입자, 약 45 중량% 초과의 PTFE 입자, 또는 약 50 중량% 초과의 PTFE 입자를 함유할 수 있다. 예시적인 구현예에서, PTFE 입자는 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 또는 80% 이상의 양으로 혼합물에 존재한다. PTFE 입자는 약 60% 내지 90%의 양으로 존재할 수 있다. 예시적인 구현예에서, PTFE 입자는 60% 초과의 양으로 에어로겔/PTFE 입자 혼합물에 존재할 수 있다.

특성 예컨대 열전도도, 더스팅, 성형성 및 강도는 혼합물에서의 PTFE에 대한 에어로겔의 중량 백분율의 비를 변화시킴으로써 부분적으로 조정될 수 있다.

본 발명의 물질은 경우에 따라 추가의 성분을 포함할 수 있다. 임의의 성분은 에어로겔/PTFE 결합제 혼합물 예컨대 미세 분산된 불투명체에 부가되어 방사성 열 전달을 감소시키고, 열적 성능을 개선하고, 이는, 예를 들면, 카본블랙, 이산화티탄, 산화철, 실리콘 카바이드, 몰리브데늄 실리사이드, 산화망간, 폴리디알킬실록산을 포함하고, 여기서 알킬기는 1 내지 4개의 탄소 원자 등을 함유한다. 추가로, 폴리머, 염료, 가소제, 증점제, 다양한 합성 및 천연 섬유는 예를 들면, 경우에 따라, 기계적 강도를 증가시키기 위해 부가되고, 물성 예컨대 색상 및 열안정성, 탄력성 등을 달성하기 위해 부가된다. 임의의 성분은 바람직하게는 에어로겔/PTFE 혼합물의 약 10% 미만으로 부가된다.

에어로겔 및 PTFE 입자의 혼합물은 혼합물을 진탕에 의해 또는 응고제를 부가함으로써 혼합물을 응고시킴으로써 공동-응고될 수 있다. 공동-응고된 혼합물은 실질적으로 에어로겔 입자 및 PTFE 입자의 균일한 블렌드를 함유한다. 공동-응고된 혼합물은 (예를 들면, 오븐에서) 건조될 수 있고, 프리폼(preform)으로 압축된다. 프리폼은 이후 테이프로 압출될 수 있고, 원하는 두께로 캘린더링되고, (1축 또는 2축으로) 단열성 팽창 PTFE(ePTFE) 물질로 팽창시킨다.

생성된 ePTFE는 대기 조건에서 25 mW/m-K 이하, 20 mW/m-K 이하, 또는 15 mW/m-K 이하의 열전도도(k)인 단열성이다. ePTFE는 도 1-4에서 알 수 있는 바와 같이 노드 및 피브릴 구조(node and fibril structure)를 가진다. 또한, ePTFE는 길이 및 횡 방향에서 높은 인장 강도를 실증한다. 추가로, ePTFE는 5,000 g/m²/24시간 이상, 10,000 g/m²/24시간 이상, 20,000 g/m²/24시간 이상, 또는 30,000 g/m²/24시간 이상의 MVTR을 갖는 높은 투습성(breathability)을 가진다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 5,000 g/m²/24시간 이상의 투습성을 가진 물품을 기술하는 경우 투습성인 것을 의미한다.

또 하나의 구현예에서, 절연 물질은 팽창 마이크로구형체 예컨대 Expancel^®를 더 포함한다. 다른 물질, 팽창 구체, 또는 발포제가 절연 물질을 발포성 물질로 팽창시키기 위해 사용될 수 있다. 팽창 마이크로구형체를 포함하는 절연 물질은 공동-응고되어 상기 기재된 바와 같이 테이프를 형성한다. 테이프는 이후 마이크로구형체를 팽창시키기에 충분한 온도로 가열될 수 있고, 이는 테이프가 발포된 절연 물질로 팽창되게 한다. 예를 들면, 테이프가 2 mm 두께인 경우, 가열 및 팽창은 4 mm 두께의 발포된 절연 물질을 생성할 수 있다. 발포된 절연 물질은 탄력성이 있고 실질적으로 완전 복원이 되는 압축성을 가진다. 또한, 발포된 절연 물질은 낮은 밀도를 가진다.

일 구현예에서, 단열 ePTFE 물질은 신발류 제품에서 절연체로서 사용된다. ePTFE 물질은 상부, 뒤꿈치 부분, 발가락 부분, 또는 발바닥 (하부)를 포함하는 신발류의 임의의 부분에 사용될 수 있다. 단열 ePTFE에 부가적으로, 또는 대안적으로, 발포된 절연 물질이 신발류 물품에 절연체로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 발포된 절연 물질은 상부, 뒤꿈치 부분, 발가락 부분, 및/또는 발바닥 (하부)에 이용될 수 있다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 절연된 신발류 제품은 신발류 제품의 상부에 적어도 하나의 단열 ePTFE를 포함하고, 신발류 제품의 발바닥 (하부)에 발포된 절연 물질을 포함한다. 본원에 사용되는 바와 같은 용어 "신발류 제품"은 신발 및 부츠를 포함하는 것을 의미한다.

상기의 것에 부가하여, 낮은 열전도도를 갖는 형성가능, 성형가능, 낮은 더스팅 물질이 본 발명의 범위 내인 것으로 고려된다. 이들 물질은 하나 이상의 방향으로 곡선을 갖는 가요성의 3차원 구조 또는 형태로 형성되도록 충분히 성형가능하다. 또한, 물질은 경우에 따라 연신시 최소 더스팅을 갖는 신장성 구조를 형성한다. 이는 절연을 위해 튜브 또는 파이프 주변이 감싸질 수 있다.

본원에 개시된 단열 물질은 수많은 응용분야에 사용될 수 있고, 이는 의류, 예컨대 글러브 및 신발 절연 삽입물, 의복, 및 의복용 삽입물, 파이프 절연체, 초저온 절연, 전자 장치, 취사도구, 가전 제품, 보관 용기 및 음식 및 의약품 패키징, 방수복뿐 아니라 이중 기능 절연체, 예컨대 음향 및 단열, 전기 및 단열 등에 사용하기 위한 절연 물질 및 이로부터 제조된 복합체를 포함한다.

본 출원의 발명은 일반적으로 그리도 특정 구현예와 관련하여 상기에 기재되어 있다. 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어남 없이 이루어질 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 자명한 것일 것이다.

시험 방법

특정 방법 및 장비가 아래에 기재되어 있지만, 본 기술분야의 당업자에 의해 적합하게 결정된 임의의 방법 또는 장비가 대안적으로 이용될 수 있음을 이해하여야 한다.

수증기 투과 속도 시험 - ( MVTR )

각각의 샘플 패브릭에 대한 MVTR을 ISO 15496의 일반 교시에 따라 측정하였고, 단 샘플 수증기 투과(WVP)를 장치 수증기 투과(WVPapp)에 기초하여 하기 전환식을 사용하여 MVTR 수증기 투과 속도(MVTR)로 전환하였다.

MVTR = (델타 P 값 * 24) / ( (1/WVP) + (1 + WVPapp 값) )

비슷한 결과를 보장하기 위해, 시편을 시험 전 2시간 동안 73.4 ± 0.4℉ 및 50 ± 2% rH에서 컨디셔닝시키고, 배쓰물을 73.4℉ ± 0.4℉로 일정하게 하였다.

각 샘플에 대한 MVTR을 1회 측정하였고, 그 결과를 g/m²/24 시간으로 기록하였다.

인장 강도

멤브레인의 인장 강도를 플랫-페이스트 그립(flat-faced grip) 및 0.445 kN 로드셀이 구비된 Instron^® 5565 인장 시험 기계를 사용하여 측정하였다. 게이지 길이는 6.35 cm이었고, 크로스-헤드 속도는 50.8 cm/min (변형율 = 13.3 %/sec)이었다. 비슷한 결과를 보장하기 위해, 실험실 온도를 68℉ (20℃) 내지 72℉ (22.2℃)로 유지하여 비슷한 결과를 보장하였다. 그립 계면에서 샘플이 파손되는 경우 데이터를 사용하지 않았다.

종방향 (길이 방향) 인장 강도 측정을 위해, 더 큰 크기의 샘플을 기계 내에, 또는 "다운 웹(down web)" 방향으로 배향시켰다. 횡방향 인장 강도 측정을 위해, 더 큰 크기의 샘플을 "크로스 웹(cross web)" 방향으로 알려져 있는 바와 같이 기계 방향에 수직하게 배향시켰다. 샘플의 두께를 이후 Mitutoyo 547-400 앱솔루트 스냅 게이지(Mitutoyo 547-400 Absolute snap gauge)를 사용하여 측정하였다. 상기 샘플을 이후 인장 시험기에서 개별적으로 시험하였다. 각 샘플의 3개의 상이한 구간을 측정하였다. 3개의 최대 부하(즉, 피크 힘) 측정값의 평균을 사용하였다.

종방향 및 횡방향 인장 강도를 하기 식을 사용하여 계산하였다.

인장 강도 = 최대 부하 /단면적

3개의 교차-웹 측정값(cross-web measurement)의 평균을 종방향 및 횡방향 인장 강도로서 기록하였다.

두께

샘플 두께를 열전도도 기구(Laser Comp Model Fox 314 Laser Comp Saugus, MA)의 통합 두께 측정을 사용하여 측정하였다. 단일 측정값의 결과를 기록하였다.

열전도도 측정 (압축 조건)

본 발명의 샘플의 열전도도를 대기압 조건(약 298 K 및 101.3 kPa)에서 압축을 부가하여 ASTM C518의 일반 교시에 따라 주문-제작한 열량계 열전도도 시험기를 사용하여 측정하였다. 시험기는 그 표면에 내장된 열류 센서(Model FR-O25-TH44033, Concept Engineering, Old Saybrook, Connecticut) 및 온도 센서(thermistor)를 갖는 가열된 알루미늄 플레이트, 및 또한 그 표면에 내장된 온도 센서를 가진, 실온으로 유지되는 제2 알루미늄 플레이트로 구성된다.

가열된 플레이트의 온도를 303.15 K로 유지하는 한편, "냉각된" 플레이트의 온도를 298.15 K로 유지하였다. 플레이트의 직경은 약 10 cm이었다. 하부 플레이트에 연결된 회전형 암(pivoting arm)에 중량을 가하여 샘플을 압착하였다. 압축 하의 샘플의 두께를 디지털 마이크로미터(model ID-FI25E, Mitutoyo Co p., Japan 사제)를 사용하여 측정하는 금속 심(metal shim)으로 보정하는 디지털 엔코더로 측정하였다. 정상 상태에 도달시 샘플을 시험기에 배치한 이후 약 2 내지 5분 내에 열류 측정값을 일반적으로 구하였다. 열전도도를 측정된 열류 및 하기 식에 따른 샘플의 두께로부터 계산하였다: 식: k=L*Q, 여기서 k는 mW/m-K로의 열전도도이고, L은 m으로의 샘플 두께이고, Q는 mW/m²-K로의 열류이다. 단일 측정값의 결과를 기록하였다.

열전도도 (압축하지 않음)

샘플을 압축하지 않고 열전도도를 측정하였다. 샘플을 Laser Comp Model Fox 314 열전도도 분석기(Laser Comp Saugus, MA)로 측정하였다. 단일 측정값의 결과를 기록하였다.

기류 측정 ( ATEQ )

ATEQ 모델 D520 (ATEQ Livonia, Ml)로 기류 측정을 수행하고, 상기 기기를 2.99cm²의 유량 면적을 갖는 둥근 밀봉으로 고정하였다. 측정값의 평균을 기록하였다.

걸리수 ( Gurley Number)

기류에 대한 샘플의 내성을 걸리 덴소미터(Model 4340, Gurley Precision Instruments Troy, NY 사제)에 의해 측정하였다. 물의 4.88 인치의 압력 강하로 시험 샘플의 1제곱인치를 통과하는 100 입방 센티미터의 공기에 대한 초(second)로의 시간인, 걸리수와 관련하여 결과를 기록한다. 단일 측정값의 결과를 기록하였다.

입수 압력 ( WEP )

입수 압력은 막 및/또는 패브릭을 통한 침수에 대한 시험 방법을 제공한다. 시험 샘플에 손상을 일으키지 않는 한 쌍의 시험 플레이트 사이에 고정시킨다. 하부 플레이트는 물로 샘플의 박편을 가압하는 능력을 가진다. 하나의 종이 타월을 입수 증거의 지표로서 비가압된 측면 상의 플레이트 사이의 샘플 상에 배치시킨다. 샘플을 이후 종이 타월을 통한 물의 제1 가시적 표시가 투과 압력(breakthrough pressure) 또는 유입 압력(entry pressure)을 나타낼 때까지 약간 증가시켜 가압하였다. 입수 압력으로서 압력을 기록하였다. 단일 측정값의 결과를 기록하였다.

실시예

실시예 1

분산물 형태의 PTFE 601(E. I. DuPont de Nemours, Inc., Wilmington, DE로부터 상업적으로 이용가능함) 및 에어로겔(Enova Aerogel MT 1200, Cabot, Boston, MA)을 구하였다. PTFE 및 에어로겔을 하기 방식으로 공동-응고시켰다. 91 그램의 헥산올 (PN H13303-4L, Sigma Aldrich St Louis, MO)을 14.4 Kg의 물에 부가하고, Silverson Model EX60 혼합기(Silverson Machines Inc, East Longmeadow MA)에서 1500 rpm의 임펠러 속도로 1분 동안 혼합하였다. 에어로겔이 완전하게 침지될 때까지 혼합이 지속된다(대략 6-10 분). 3.46Kg의 PTFE 분산물을 이후 부가하고, 혼합기 속도를 1.5분 동안 1500 rpm으로 증가시켰다. 생성된 응집체를 Reemay 시트 (item# 2014-686, Reemay, Old Hickory TN)를 통해 탈수시키고, 이후 강제 통풍 오븐 내에서 24시간 동안 165℃로 건조시켰다.

생성된 건조 응집체를 이후 Isopar K (1 kg/kg) (Exxon Mobile Chemical, Houston TX)로 블렌딩하고, 후속하여 실린더형 프리폼(cylindrical preform)으로 압축시켰다. 상기 프로폼을 이후 배럴을 통해 압출하여 15.2 cm 폭 및 3.7 mm 두께의 습식 테이프를 제공하였다.

습식 테이프를 2.2 mm의 두께로 캘린더링하고, 4분 동안 150℃ 및 이후 추가 4분 동안 250℃로 설정된 강제 통풍 오븐에서 건조시켰다.

건조되고, 캘린더링된 테이프를 이후 하기 방식에 따라 동시에 두 방향으로 이축으로 팽창시켰다: 길이 방향에서 8:1 및 250℃에서 500%/sec의 비율로 횡방향에서 18:1의 팽창비.

생성된 단열 ePTFE 멤브레인은 하기 특성을 가졌다: 길이 및 횡방향에 있어서의 인장 강도: 각각 1.54 MPa 및 1.53 MPa; 두께: 0.36mm; 압축 부재하의 열전도도: 21 mW/m-K; 5 psi 압축에서의 열전도도: 8.9 mW/m-K; MVTR (MDM): 32508 g/m²/24시간: 걸리수: 0.7 sec; ATEQ 기류: 4.5mBar 압력 강하에서의 6.2 l/hr-cm²; 및 입수 압력 (WEP): 29 psi. 표면의 5,000 배율 주사 전자 현미경사진(SEM)이 도 1에 나타난다. 노드(10) 및 피브릴(20)이 나타나 있다.

실시예 2

단열된 ePTFE 막을 하기와 같이 제조하였다. 분산물 형태의 PTFE 601(E. I. DuPont de Nemours, Inc., Wilmington, DE로부터 상업적으로 이용가능함) 및 에어로겔(Enova Aerogel MT 1200, Cabot, Boston, MA)을 구하였다. PTFE 및 에어로겔을 하기 방식으로 공동-응고시켰다. 136 그램의 헥산올을 15.1 Kg의 물에 부가하고, 1500 rpm의 임펠러 속도로 1분 동안 혼합하였다. 속도를 500 rpm으로 낮추고 363 그램의 실리카 에어로겔을 서서히 부가하였다. 에어로겔이 완전하게 침지될 때까지 혼합이 지속된다(대략 6-10 분). 2.59Kg의 PTFE 분산물을 이후 부가하고, 혼합기 속도를 1.5분 동안 1500 rpm으로 증가시켰다. 생성된 응집체를 Reemay 시트를 통해 탈수시키고, 이후 고온 공기 오븐에서 24시간 동안 165℃로 건조시켰다.

생성된 건조 응집체를 1.5 kg/kg 비로 이후 Isopar K와 블렌딩하고, 후속하여 실린더형 프리폼으로 압축시켰다. 상기 프로폼을 이후 배럴을 통해 압출하여 15.2 cm 폭 및 3.7 mm 두께의 습식 테이프를 제공하였다.

건조되고, 캘린더링된 테이프를 이후 하기 방식에 따라 동시에 두 방향으로 이축으로 팽창시켰다: 길이 방향에서 3:1 및 250℃에서 500%/sec의 비율로 횡방향에서 6:1의 팽창비.

생성된 단열 ePTFE 막이 하기 특성을 가졌다: 길이 및 횡방향에서의 각 인장 강도: 각각 0.59 MPa 및 0.7 MPa; 두께: 0.86mm; 압축 부재하의 열전도도: 21 mW/m-K; 5 psi 압축에서의 열전도도: 10 mW/m-K; MVTR (MDM): 9798 g/m²/24시간; 걸리수: 1.4 sec; ATEQ 기류: 4.5mBar 압력 강하에서의 2.71/hr-cm²; 및 입수 압력 (WEP): 34 psi. 표면의 5,000 배율 주사 전자 현미경사진(SEM)이 도 2에 나타나 있다. 노드(10) 및 피브릴(20)이 나타나 있다.

실시예 3

또 하나의 단열 ePTFE 막을 하기와 같이 제조하였다. 분산물 형태의 PTFE 601(E. I. DuPont de Nemours, Inc., Wilmington, DE로부터 상업적으로 이용가능함) 및 발연 실리카(Aerosil R812, Evonik Industries AG, Hanau Germany)를 구하였다. PTFE 및 발연 실리카를 하기 방식으로 공동-응고시켰다. 280 그램의 헥산올을 23 Kg의 물에 부가하였고, 1500 rpm의 임펠러 속도로 1분 동안 혼합하였다. 임펠러 속도를 500 rpm으로 감소시키고, 750 그램의 발연 실리카를 서서히 부가하였다. 15분 동안 혼합을 지속하였다. 4.4 Kg의 PTFE 분산물을 이후 부가하고, 혼합기 속도로 3.33분 동안 1500 rpm으로 증가시켰다. 생성된 응집체를 Reemay 시트를 사용하여 탈수시켰고, 이후 고온 공기 오븐에서 24시간 동안 165℃로 건조시켰다.

생성된 건조 응집체를 이후 1.1 kg/kg로 95 wt% Isopar K 및 5% 라우르산 (PN L556, Sigma Aldrich, St Louis, MO)과 블렌딩하였고, 후속하여 원통형 프리폼으로 압축하였다. 프리폼을 이후 배럴을 통해 압출하여 15.2 cm 폭 및 3.4 mm 두께의 습식 테이프를 제공하였다.

습식 테이프를 2 mm의 두께로 캘린더링하고, 250℃로 설정된 강제 통풍 오븐에서 건조시켰다.

건조되고, 캘린더링된 테이프를 이후 하기 방식에 따라 동시에 두 방향으로 이축으로 팽창시켰다: 두 방향에서 팽창비(expansion ratio) = 6:1, 두 방향에서의 팽창비율(expansion rate)= 500%/sec 비율, 280℃.

생성된 단열 ePTFE 막은 하기 특성을 가졌다: 길이 및 횡방향에서의 인장 강도: 각각 0.35 MPa; 및 0.19 MPa; 두께: 0.86mm; 압축 부재하의 열전도도: 23 mW/m-K; 및 5 psi 압축으로의 열전도도: 16 mW/m-K. 표면의 5,000 배율 주사 전자 현미경사진(SEM)은 도 3에 나타나 있다. 노드(10) 및 피브릴(20)이 나타나 있다.

실시예 4

분산물 형태의 PTFE 601(E. I. DuPont de Nemours, Inc., Wilmington, DE로부터 상업적으로 이용가능함) 및 에어로겔(Enova Aerogel MT 1200, Cabot, Boston, MA)을 구하였다. PTFE 및 에어로겔을 하기 방식으로 공동-응고시켰다. 181 그램의 헥산올을 15.7 Kg의 물에 부가하였고, 1500 rpm의 임펠러 속도로 1분 동안 혼합하였다. 임펠러 속도를 500 rpm로 감소시키고, 544 그램의 실리카 에어로겔을 서서히 부가하였다. 에어로겔이 완전하게 침지될 때까지 혼합이 지속된다(대략 6-10 분). 1.73Kg의 PTFE 분산물을 이후 부가하고, 혼합기 속도를 1.5분 동안 1500 rpm으로 증가시켰다. 생성된 응집체를 Reemay 시트 (item# 2014-686, Reemay, Old Hickory TN)를 통해 탈수시키고, 이후 강제 통풍 오븐 내에서 24시간 동안 165℃로 건조시켰다.

생성된 건조 응집체를 이후 Isopar K (1.5 kg/kg)와 블렌딩하고, 후속하여 실린더형 프리폼으로 압축시켰다. 상기 프로폼을 이후 배럴을 통해 압출하여 15.2 cm 폭 및 3.7 mm 두께의 습식 테이프를 제공하였다.

건조되고, 캘린더링된 테이프를 이후 하기 방식에 따라 동시에 두 방향으로 이축으로 팽창시켰다: 길이 방향에서 4:1 및 250℃에서 500%/sec의 비율로 횡방향에서 6:1의 팽창비.

생성된 단열 ePTFE 막은 하기의 특성을 가졌다: 길이 및 횡방향에서의 인장 강도: 각각 0.7 MPa 및 0.27 MP; 두께: 1.1 mm; 압축 부재하의 열전도도: 22 mW/m-K; 5 psi 압축에서의 열전도도: 12.2 mW/m-K; 걸리수: 0.7 sec; ATEQ 기류: 4.5mBar 압력 강하에서의 5.21/hr-cm²; 및 입수 압력(WEP): 28 psi. 표면의 의 5,000 배율 주사 전자 현미경사진(SEM)이 도 4에 나타나 있다. 노드(10) 및 피브릴(20)이 나타나 있다.

본 출원의 본 발명은 일반적으로 그리고 특정 구현예와 관련하여 모두 상기에 기재되어 있다. 본 발명은 바람직한 구현예로 여겨지는 것이 기재되어 있으나, 본 기술분야의 당업자에게 알려진 광범위한 대안이 일반 개시물 내에서 선택될 수 있다. 본 발명은 하기 기재된 청구범위의 설명을 제외하고 달리 제한되지 않는다.

Claims

단열 입자가 혼입된 단열성 팽창 PTFE(ePTFE)를 포함하는 물품으로서,
대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가지는 물품.
제1항에 있어서, ePTFE는 약 380℃에서 흡열(endotherm)을 나타내는 물질.
제1항에 있어서, 상기 ePTFE가 모노리스형인 물질.
40 중량% 미만의 에어로겔 입자가 혼입된 단열성 팽창 PTFE(ePTFE)를 포함하는 물품으로서,
대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가지는 물품.
제4항에 있어서, 상기 에어로겔 입자가 실리카 에어로겔 입자인 물질.
40 중량% 미만의 발연 실리카 입자가 혼입된 단열성 팽창 PTFE(ePTFE)를 포함하는 물품으로서,
대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가지는 물품.
단열 입자가 혼입된 PTFE로서 노드 및 피브릴 구조를 갖는 PTFE를 포함하는 단열 물질로서,
대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가지는 단열 물질.
제7항에 있어서, 상기 단열 입자가 에어로겔 입자를 포함하는 것인 단열 물질.
제8항에 있어서, 상기 에어로겔 입자가 실리카 에어로겔 입자를 포함하는 것인 단열 물질.
제7항에 있어서, 상기 단열 입자가 발연 실리카 입자를 포함하는 것인 단열 물질.
제7항에 있어서, 상기 PTFE는 팽창 PTFE를 포함하는 것인 단열 물질.
제11항에 있어서, 단연 물질이 약 380℃에서 흡열을 나타내는 단열 물질.
제1 층;
단열 입자가 혼입되고, 대기 조건에서 25 mW/m K 이하의 열전도도를 가지는 팽창 PTFE(ePTFE); 및
제2 층
을 포함하는 물품으로서,
상기 ePTFE가 상기 제1 층 및 상기 제2 층 사이에 개재되는 물품.
제13항에 있어서, 상기 ePTFE는 소수성인 물품.
제13항에 있어서, 상기 제1 층 및 상기 제2 층 중 하나 이상이 가스에 대해 불투과성인 물품.
제13항에 있어서, 상기 제1 층 및 상기 제2 층 중 하나 이상이 액체에 대해 불투과성인 물품.
제13항에 있어서, 상기 단열 입자는 에어로겔 입자를 포함하는 물품.
제17항에 있어서, 상기 에어로겔 입자가 실리카 에어로겔인 물품.
제13항에 있어서, 상기 단열 입자는 발연 실리카를 포함하는 물품.