MXPA03004333A - Material compuesto de aerogel con napa fibrosa. - Google Patents

Abstract

La presente invencion se refiere a materiales compuestos de aerogel que tienen un refuerzo de napa fibrosa esponjada, preferentemente en combinacion con una o ambas seleccionadas entre microfibras individuales, cortas, orientadas aleatoriamente, y capas conductoras, los cuales exhiben un desempeno mejorado en una o todas las siguientes cualidades: flexibilidad, plegado, durabilidad, resistencia a la sinterizacion, conductividad termica en el plano x-y, conductividad electrica en el plano x-y, atenuacion RFI-EMI, y/o resistencia al quemado al traves.

Description

MATERIAL COMPUESTO DE AEROGEL CON NAPA FIBROSA CAMPO Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El campo de la presente invención es el de materiales compuestos de aerogel. Más particularmente esta invención se enfoca a materiales compuestos de aerogel, en donde el material compuesto resultante exhibe un desempeño mejorado en comparación con productos compuestos de aerogel anteriores, en una o más de las siguientes cualidades: sinterización reducida del aerogel; desempeño a mayor temperatura; flexibilidad y capacidad de plegado mejoradas; durabilidad mejorada; desprendimiento reducido de las partículas de aerogel; conductividad térmica mejorada en el plano x-y; conductividad eléctrica mejorada en el plano x-y; atenuación mejorada de la interferencia de radiofrecuencia (RFI por sus siglas en inglés) y/o de la interferencia electromagnética (EMI por sus siglas en inglés), supresión mejorada de la radiación infrarroja (IR, por sus siglas en inglés); y/o resistencia mejorada al quemado al través. El refuerzo de fibras es preferentemente una combinación de una estructura fibrosa esponjada (napa) , microfibras cortas individuales orientadas aleatoriamente, y capas conductoras. Más particularmente ambos refuerzos de fibras se basan ya sea en fibras orgánicas (por ejemplo, poliéster termoplástico ) o refractarias (por ejemplo, sílice) .

REF.: 147190 Se han desarrollado materiales aislantes para resolver cierto número de problemas físicos. Los tableros aislantes de espuma poliméríca rígida y fibra de vidrio son bien conocidos como aislantes para aplicaciones a baja y alta temperatura, en campos tales como la refrigeración, la construcción de edificios, y sistemas de calentamiento. Las napas flexibles, tales como las fabricadas a partir de fibra de vidrio, han sido usadas en aplicaciones que requerían lexibilidad, baja densidad, y la capacidad de expandirse para llenar un espacio hueco tal como una construcción en un edificio. Los aerogeles, más específicamente los materiales compuestos de aerogel, fueron desarrollados buscando combinar las resistencias de ambas clases de materiales. Los aerogeles describen una clase de materiales basada en su estructura, especialmente baja densidad, estructuras de celdas abiertas, áreas superficiales grandes (a menudo de 900 m2/g o mayores) y tamaños de poro en la escala subnanométrica . Las tecnologías de extracción de fluidos supercríticos y subcríticos se usan comúnmente para extraer el fluido de las células frágiles del material. Se conoce cierta variedad de diferentes composiciones de aerogel y pueden ser inorgánicas u orgánicas. Los aerogeles inorgánicos se basan generalmente en alcóxidos metálicos e incluyen materiales tales como sílice, carburos y alúmina. Los aerogeles inorgánicos incluyen aerogeles de carbono y aerogeles poliméricos tales como las poliimidas. Los aerogeles de baja densidad (0.02-0.2 g/cc) basados en sílice, son excelentes aislantes, mejores que la mejor de las espumas rígidas, con conductividades térmicas de 10 m /m°K y menores, a 37.8 °C (100 °F) y presión atmosférica. Los aerogeles funcionan como aislantes térmicos principalmente minimizando la conducción (baja densidad, trayectoria tortuosa para la transferencia de calor a través de las nanoestructuras ) , convección (tamaños de poro muy pequeños minimizan la convección) , y radiación (dopantes, supresores de la radiación infrarroja pueden dispersarse fácilmente a través de la matriz de aerogel) . Dependiendo de la formulación pueden funcionar bien a temperaturas de 550°C y mayores. Sin embargo, en un estado monolítico tienden a ser frágiles y quebradizos y por lo tanto no son muy apropiados para la mayoría de las aplicaciones afuera del laboratorio. La Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,306,555 (Ramamurthi et al.) describe un material compuesto de matriz de aerogel, de un aerogel a granel con fibras dispersadas dentro del aerogel a granel, y un método para preparar el material compuesto de matriz y aerogel. Las fibras pueden ser fibras largas o cortas de espesores variables, filamentos delgados, lana mineral, lana de vidrio, e inclusive partículas. La composición del material de refuerzo es un óxido tal como el Si02 y A1203 (fibras, filamentos delgados, y lanas) y óxidos de carbono, metálicos y una variedad de otros óxidos (partículas) . Las fibras preferidas son la lana de vidrio y la lana de roca. Las fibras pueden estar distribuidas aleatoriamente u orientadas. También pueden estar en la forma de fibras individuales, manojos de fibras, tapetes o láminas, tejidos o no tejidos. El material compuesto de matriz de aerogel se encuentra substancialmente libre de fisuras, substancialmente sin encogimiento de volumen. Los materiales compuestos se forman filtrando preformas fibrosas, ya sea tejidas o no tejidas, con precursores de gel, seguido del secado del gel húmedo bajo condiciones supercríticas . Los productos pueden obtenerse en la escala de aproximadamente 3-7 horas, pero sufren la principal desventaja de tener un módulo elástico helado, haciendo que los productos sean bastante rígidos al fabricarse. Los artículos de Ramamurthi et al son mejores en flexibilidad ya que son utilizado porque forman fisuras en los dominios de la matriz de aerogel. Una segunda desventaja es que las conductividades térmicas de los materiales compuestos de matriz de aerogel son también relativamente altas (de 18 a 21 mW/m°K a condiciones ambientales) en comparación con las modalidades preferidas de esta invención, de 8.6 a 14 mW/müK a condiciones ambientales) . La Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,789,075 (Frank et al.) parece describir la misma estructura que Ramamurthi et al, después que la estructura de Ramamurthi et al se retira de su molde, excepto que el material compuesto de Frank et al se fisura intencionalmente en una manera controlada. Se dice que la fisuración controlada proporciona flexibilidad adicional al material compuesto resultante. Las fibras apropiadas son fibras individuales ordenadas o aleatorias, preferentemente con una longitud de al menos 1 cm. Las fibras pueden usarse también en la forma de una tela o de un tapete. Se pueden sobreponer una pluralidad de telas o tapetes uno sobre otros. En el caso de un arreglo de tapetes en capas, un cambio en la dirección de una capa a la próxima se considera ventajoso. Aunque la descripción y reivindicaciones describen un proceso de fabricación que incluye el paso (b) de "adicionar fibras al sol", los ejemplos muestran únicamente la adición de un sol que no contiene fibras, a una tela de poliéster o fibra de vidrio. Las fibras individuales, distribuidas aleatoriamente, no se usan en combinación con una tela fibrosa . La Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,972,254 (Sander) se enfoca a monolitos de catalizador con forma de panal, a base de aerogel reforzado con fibras pretensadas ultradelgadas . Estos paneles son monolitos de aerogeles, xerogeles, zeolitas y otros materiales de baja densidad, se refuerzan con fibras prentensadas en dos de tres dimensiones. Una mezcla de alcóxidos metálicos, agua y un catalizador, se vierten en un molde permeable a gases, que contiene fibras de refuerzo pretensadas que se extienden perpendiculares unas con respecto a otras, a intervalos definidos, seguido de la polimerización y secado supercritico . Las Patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Números: 5,973,015 y 6,087,407 (Coronado, et al.) describen materiales compuestos de aerogel, fabricados a partir de precursores orgánicos, por ejemplo, formaldehido, que se infiltran en una preforma de fibras. Se dice que el material compuesto resultante tiene estabilidad mecánica. Las fibras de refuerzo descritas en las figuras se extienden longitudinalmente y se muestran como estructuras planas en las figuras. Los productos carecen de una estabilidad térmica relativamente baja en el aire bajo altas cargas térmicas, asi como de flexibilidad insuficiente para muchos usos. La Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 6,069,882 (Ryu et al.) describe materiales compuestos de aerogel, fabricados previamente y vendidos por Aspen Systems, Inc. El contenido del aerogel del producto consistía de un polvo de aerogel en vez que de un monolito de aerogel. Por lo tanto la flexión del producto daba por resultado el desprendimiento de cantidades significativas del polvo. El desempeño térmico se degradaba significativamente en comparación con el monolito de aerogel usado en forma individual. Los productos anteriores eran rígidos y se fracturaba o se fragmentaban fácilmente. Por lo tanto, los materiales compuestos de aerogel, anteriores, no han sido apropiados para muchos debido a una o más de las siguientes razones: baja flexibilidad, poca durabilidad, sinterización excesiva del aerogel cuando se expone al calor, conductividad térmica menor que la ideal, insuficiente conductividad térmica y/o eléctrica en el plano x-y, pobre atenuación RFI-EMI y/o insuficiente resistencia al quemado al través. La presente invención surge a partir de la investigación enfocada a resolver estos problemas. Por consiguiente, un objeto de la presente invención es producir una estructura compuesta de aerogel, mejorada, que exhiba una o más de las siguientes cualidades: sinterización reducida del aerogel; desempeño a mayor temperatura; flexibilidad y capacidad de plegado mejoradas; durabilidad mejorada; desprendimiento reducido de las partículas de aerogel; conductividad térmica mejorada en el plano x-y; conductividad eléctrica mejorada en el plano x-y; atenuación mejorada de la interferencia de radiofrecuencia (RFI) y/o de la interferencia electromagnética (EMI), supresión mejorada de la radiación infrarroja (IR); y/o resistencia mejorada al quemado al través.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se enfoca a un material compuesto de aerogel, que exhibe un desempeño mejorado con respecto a los materiales compuestos de aerogel, anteriores, en una o más de las áreas referentes a la flexibilidad, durabilidad, sinterización del aerogel, conductividad térmica y/o eléctrica en el plano x-y, atenuación RFI y EMI, y resistencia al quemado al través. Más específicamente la invención se enfoca a un material compuesto que tiene dos partes, especialmente fibras de refuerzo y una matriz de aerogel, en donde las fibras de refuerzo se encuentran en la forma de una estructura fibrosa esponjada (es decir, una napa), basada preferentemente, ya sea en fibras de poliéster termoplástico o de sílice, y más preferentemente en combinación con fibras cortas individuales, distribuidas aleatoriamente (microfibras ) . El uso del refuerzo de napa esponjada, minimiza el volumen del aerogel no soportado, a la vez que mejora en forma general el desempeño térmico del aerogel, en vez que degradarlo como sucede en la técnica anterior. Además, cuando una matriz de aerogel está reforzada por un material de napa esponjada, particularmente una napa continua no tejida, compuesta de fibras de denier muy pequeño, el material compuesto resultante mantiene al menos las propiedades térmicas de un aerogel monolítico, en una forma muy flexible, plegable, haciendo al material compuesto apropiado, por ejemplo, para aplicaciones en ropa. Bajo cargas térmicas muy altas, tales como las que se generan por el choque superficial directo de la llama de un soplete de gas/oxígeno, los aerogeles monolíticos pueden sinterizarse rápidamente y encogerse en cuestión de segundos. Cuando los aerogeles se refuerzan mediante la combinación de una napa fibrosa esponjada y microfibras, como en una modalidad de esta invención, la velocidad de encogimiento, sinterización y finalmente la ruptura de la estructura de aislamiento, puede retardarse en uno o más órdenes de magnitud de tiempo, es decir, se incrementa el quemado al través, desde segundo hasta horas. Todavía más específicamente, un material compuesto de aerogel que incluya además una capa térmicamente conductora ha resultado ser de ayuda para mejorar el desempeño térmico del material compuesto. Por ejemplo, tela de fibra de carbono o dos pliegues ortogonales de fibra de carbono unidireccional, colocados en el centro de un material compuesto, proporcionan una barrera contra la ruptura térmica, bajo una carga térmica alta, un alto grado de opacificación de la radiación infrarroja, y una estructura en capas disipadora térmica que disipará el calor, hacia afuera, en el plano x-y del material compuesto. Más especificamente , la capa térmicamente conductora que se encuentra en el centro, a través del espesor, del material compuesto de aerogel, puede seleccionarse para que tenga un efecto minimo en la rigidez del compuesto. Además, si se desea, la capa puede tener maleabilidad o amoldabilidad intrínseca, de manera tal que el material compuesto de aerogel, resultante, sea amoldable, por ejemplo, una malla de alambre de cobre colocada en la capa intermedia del artículo de material compuesto de aerogel, confiere amoldabilidad y deformabilidad cuando se flexiona el compuesto. Además, la malla conductora proporciona también resistencia RFI y EMI . Estas modalidades y modalidades aún adicionales, de la presente invención, se describen con mayor detalle posteriormente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 ilustra un proceso de fabricación general de la presente invención. La figura 2 es una vista de un material compuesto de aerogel, de la presente invención. La figura 3 es una vista en despiece de un producto laminado de 3 capas, útil como un material de refuerzo en la presente invención. La figura 4 es una vista en despiece, de un producto laminado de 3 capas alternativo, útil como un material de refuerzo en la presente invención. La figura 5 es una vista parcial en despiece, de un material compuesto de aerogel, que muestra el material compuesto reforzado, en un nivel macro, con una napa de fibras, asi como en un nivel micro, con filamentos individuales . La figura 6 es una vista es despiece de un producto laminado de 5 capas, alternativo, útil en la presente invención. La figura 7 es una gráfica de la conductividad térmica de 5 materiales compuestos de aerogel, fabricados, de esta invención, a través de cierto intervalo de temperaturas.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Los aerogeles son una clase de materiales que se forman removiendo una fase de solvente intersticial, móvil, de los poros de una estructura de gel, soportada por un material polimérico de celdas abiertas, a una temperatura y presión por arriba del punto critico del solvente. Manteniendo la fase del solvente por arriba de la presión y temperatura criticas, durante todo el proceso de extracción del solvente, no se presentan las fuerzas capilares elevadas, que son generadas por la evaporación del líquido desde poros muy pequeños, que causa el encogimiento y ruptura de los poros. Los aerogeles tienen típicamente densidades aparentes bajas (aproximadamente de 0.15 g/cc o menor, preferentemente de aproximadamente 0.03 hasta 0.3 g/cc), áreas superficiales muy altas (generalmente desde aproximadamente 400 hasta 1000 m2/g y mayores, preferentemente desde aproximadamente 700 hasta 1000 m2/g) , alta porosidad (de aproximadamente 95% y mayor, preferentemente mayor que aproximadamente 97%), y un volumen de poro relativamente grande (mayor que aproximadamente 3.8 mL/g, preferentemente de aproximadamente 3.9 mL/g y mayor) . La combinación de estas propiedades en una estructura amorfa proporciona los valores más bajos de conductividad térmica (de 9 a 16 mW/m°K a 37 °C y 1 atmósfera de presión) para cualquier material sólido coherente. Uno de los usos más atractivos para los aerogeles es para cuerpos de aislamiento pasivo, para mantener una temperatura ya sea constante o una temperatura delta significativa, entre un objeto y sus alrededores, con el costo de energía más bajo posible. Las estructura de aerogel monolíticas, tienen normalmente una flexibilidad mínima antes de la ruptura (por ejemplo, un módulo de flexión de 0.5 MPa a una densidad de 0.1 g/cc para un monolito de aerogel de sílice.

El material compuesto de aerogel, de la presente invención, comprende dos fases. La primera es una matriz de aerogel de baja densidad, y la segunda es una fase de refuerzo. Esta fase de refuerzo consiste principalmente de un material fibroso esponjado, preferentemente una combinación de la napa esponjada y uno o más materiales fibrosos de espesor, longitud y/o relación de aspecto, significativamente diferentes. Una combinación preferida de un sistema de dos materiales fibrosos, se produce cuando una microfibra corta, con una relación de aspecto alta (un material fibroso) se dispersa a través de una matriz de aerogel que penetra una napa de fibras esponjadas, continua (el segundo material fibroso) . La presente invención puede verse a través de las figuras 1-6. La figura 1 ilustra el proceso de fabricación de la presente invención, en donde un precursor de gel 11 se adiciona a una napa de refuerzo 12 en alguna estructura tipo molde restrictor 10. La figura 2 muestra un material compuesto de aerogel 20 de la presente invención, formado con una napa inorgánica u orgánica 21 y un matriz de aerogel. La figura 3 muestra un precursor de gel mezclado con material de microfibras que se cuela en un material de napa de fibras, esponjada, continua, para generar el material compuesto ilustrado en la figura 4. La matriz de aerogel de la presente invención puede ser orgánica, inorgánica o una mezcla de los mismos. Los geles húmedos que se usan para preparar los aerogeles, se pueden preparar a través de cualesquiera de las técnicas formadoras de geles que son bien conocidas por aquellos entrenados en la técnica: ejemplos incluyen el ajuste del pH y/o de la temperatura, de un sol de óxido metálico diluido, hasta un punto en donde ocurra la gelificación (R. K. Iler, Colloid Chemistry of Silica and Silicates, 1954, capítulo 6; R. K. Iler, The Chemistry of Silica, 1979, capítulo 5, C. J. Brinker and G.W. Scherer, Sol-Gel Science, 1990, capítulos 2 y 3) . Materiales apropiados para formar aerogeles inorgánicos son los óxidos de la mayoría de los metales que pueden formar óxidos, tales como el silicio, aluminio, titanio, circonio, hafnio, itrio, vanadio y similares. Particularmente preferidos son los geles formados principalmente a partir de soluciones alcohólicas de ésteres de silicato hidrolizados , debido a su fácil disponibilidad y bajo costo (alcogel) . También es conocido por los entrenados en la técnica, que los aerogeles orgánicos pueden fabricarse a partir de poliacrilatos , poliestirenos , poliacrilonitrilos , poliuretanos , poliimidas, alcohol polifurfurálico, alcohol fenolfurfurílico, formaldehídos de melamina, formaldehídos de resorcinol, cresol formaldehído, fenol formaldehído, dialdehído de alcohol poliviní lico, policianuratos , poliacrilamidas , varias epoxias, agar, agarosa, y similares (ver por ejemplo C. S. Ashley, C. J. Brinker y D. M. Smith, Journal of Non-Crystalline Solids, volumen 285, 2001) . Sin embargo, como artículos aislantes a temperaturas elevadas en atmósferas que contengan oxígeno, estos materiales pueden quemarse y por lo tanto no se prefieren para esta invención. Por razones de conveniencia, la ruta del alcogel para formar aerogeles inorgánicos, se usa posteriormente para ilustrar la invención, aunque no se pretende que esto limite la presente invención a ningún tipo específico de aerogel y/o método de preparación. La invención puede aplicarse a otros aerogeles y métodos de preparación. Generalmente la principal ruta sintética para la formación de un aerogel inorgánico es la hidrólisis y condensación de un alcóxido metálico apropiado. Los alcóxidos metálicos más apropiados son aquellos que tienen aproximadamente de 1 a 6 átomos de carbono, preferentemente de 1 a 4 átomos de carbono, en cada grupo alquilo. Ejemplos específicos de esos compuestos incluyen el tetraetoxisilano (TEOS), tetrametoxisilano (TMOS), tetra-n-propoxisilano, isopropóxido de aluminio, sec-butóxido de aluminio, isopropóxido de cerio, ter-butóxido de hafnio, isopropóxido de aluminio y magnesio, isopropóxido de itrio, isopropóxido de titanio, isopropóxido de zirconio y similares. En el caso de los precursores de sílice, estos materiales pueden estar parcialmente hidrolizados y estabilizados a pH bajo como los polímeros de ásteres del ácido polisilícico, tales como el polidietoxisiloxano . Estos materiales se encuentran disponibles comercialmente en solución alcohólica (por ejemplo, el Silbond® 40, contenido de sílice de 40%, de Silbond Corporation) . Precursores de sílice prepolimerizados son especialmente preferidos para los artículos de materiales compuestos de aerogel de esta invención. Materiales apropiados para el uso en la formación de aerogeles que se vayan a usar a bajas temperaturas, son los alcóxidos metálicos no refractarios, basados en metales formadores de óxidos. Los preferidos de esos metales son el silicio y el magnesio, así como mezclas de los mismos. Para aplicaciones a mayores temperaturas, los alcóxidos apropiados son generalmente alcóxidos metálicos refractarios que formen óxidos, por ejemplo, tales como la zirconia, itria, hafnia, alúmina, titania, ceria, y similares, así como mezclas de los mismos, tales como la zirconia e itria. También se pueden usar mezclas de metales no refractarios con metales ref actarios, tales como silicio y/o magnesio con aluminio, una ventaja de usar más de un material de matriz de óxido metálico, para la estructura de aerogel, es una opacificación incrementada de la radiación infrarroja, que se logra proporcionando grupos funcionales químicos que absorban la radiación ¦ en una gama más amplia de longitudes de onda. Dopantes finamente dispersos, tales como negro de humo, titania, óxidos de hierro, carburo de silicio, silizuro de molibdeno, óxidos de manganeso, polidialquilsiloxanos en donde los grupos alquilo contengan de 1 a 4 átomos de carbono y similares, pueden adicionarse para mejorar el desempeño térmico a temperaturas más altas, incrementando la opacidad del articulo a la transmisión IR. La cantidades apropiadas de esos dopantes varían generalmente desde aproximadamente 1 hasta 20% en peso del compuesto terminado, preferentemente desde aproximadamente 2 hasta 10%. Las principales variables en el proceso de formación de aerogel inorgánico, incluyen el tipo de alcóxido, pH de la solución, y la relación de alcóxido/alcohol/agua . El control de las variables puede permitir el control del crecimiento y agregación de las especies de la matriz, durante la transición del estado de "sol" hasta el estado de "gel". Aunque las propiedades de los aerogeles resultantes se ven fuertemente afectadas por el pH de la solución precursora, y la relación molar de los reactivos, cualquier pH y cualquier relación molar que permita la formación de geles, pueden usarse en la presente invención . Generalmente el solvente seré un alcohol inferior, es decir un alcohol que tenga de 1 a 6 átomos de carbono, preferentemente de 2 a 4, aunque pueden usar otros líquidos como es conocido en la técnica. Ejemplos de otros líquidos útiles incluyen, aunque no están limitados a: acetato de etilo, acetoacetato de etilo, acetona, diclorometano, y similares. Alternativamente, se puede utilizar cualesquiera de los siguientes métodos, para fabricar un artículo de material compuesto de aerogel de esta invención, pero se prefieren los métodos que permitan obtener artículos con la densidad más baja y/o con el mejor aislamiento térmico. Por ejemplo, en una primera implementación alternativa de fabricación del gel, un precursor de óxido metálico básico, soluble en agua, puede gelificarse mediante acidificación en agua, para fabricar un hidrogel. El silicato de sodio ha sido ampliamente usado para este propósito. Los subproductos de sales pueden removerse del precursor de ácido silícico mediante intercambio iónico y/o mediante el lavado subsecuente de los geles formados, con agua. La remoción del agua de los poros del gel puede realizarse a través del intercambio con un solvente orgánico polar tal como etanol, metanol, o acetona. El aerogel seco resultante tiene una estructura similar a la formada directamente por extracción supercrítica de geles fabricados en el mismo solvente orgánico. Un segundo método alternativo comprende reducir las dañinas fuerzas de presión capilar en la interfase solvente/poro, por modificación química de los materiales de la matriz en su estado de gel húmedo, a través de la conversión de los grupos hidroxilo superficiales, en éteres trimetílsilílicos (ver, por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,877,100) para permitir el secado de los materiales de aerogel a temperaturas y presiones por debajo del punto crítico del solvente. Para aislamiento a baja temperatura, que contenga aerogel de sílice, los ingredientes actualmente preferidos son el tetraetoxisilano (TEOS) , el agua, y el etanol (EtOH) . La relación preferida de TEOS a agua es de aproximadamente 0.02-0.5:1, la relación preferida de TEOS a EtOH es aproximadamente 0.02-0.5:1, y el pH preferido es de aproximadamente 2 a 9. El pH natural de una solución de los ingredientes es de aproximadamente 5. Aunque se puede usar cualquier ácido para obtener una solución de menor pH, el HC1, H2S04 o HF son actualmente los ácidos preferidos. Para generar un mayor pH, el NH4OH es la base preferida. Para los propósitos de esta patente, una napa esponjada se define como un material fibroso que muestra las propiedades del volumen y cierta elasticidad (con o sin recuperación total del volumen) . La forma preferida es una tela suave de este material. El uso de un material de refuerzo de napa esponjada minimiza el volumen del aerogel no soportado, a la vez que evita la degradación substancial del desempeño térmico del aerogel. Napa se refiere preferentemente a capas o láminas de un material fibroso, usado comúnmente para colchas de recubrimiento o para relleno o empaque o como una manta de aislamiento térmico. El material fibroso de refuerzo usado en la presente invención es una o más capas de una napa fibrosa esponjada. El uso de un refuerzo de napa esponjada, minimiza el volumen de aerogel no soportado, a la vez que evita la degradación substancial del desempeño térmico del aerogel. Aunque, generalmente una "napa" es un producto que resulta del cardado o deshilachado de fibras para formar una tela suave de fibras, en forma de lámina, para propósito de esta invención "napa" incluye también telas con una forma diferente a lámina, por ejemplo, los productos Primaloft® de Albany International, con la condición de que sean lo suficientemente abiertos para ser "esponjados". Napa se refiere comúnmente a un material fibroso usado comúnmente para colchas de recubrimiento o para relleno o empaque, o como una manta de aislamiento térmico. Las fibras apropiadas para producir la napa son relativamente finas, y tienen generalmente denieres de 15 y menores, preferentemente de 10 y menores. La suavidad de la tela es una consecuencia de las fibras relativamente finas, orientadas multidireccionalmente, que se usan para fabricar la tela de fibras. Una napa es "esponjada" para propósitos de esta invención, si contiene suficientemente pocos filamentos (o fibras) individuales, que no alteren significativamente las propiedades térmicas del material compuesto reforzado, en comparación a un cuerpo de aerogel no reforzado, del mismo material. Generalmente esto significará que al observar una sección transversal de un material compuesto de aerogel final, el área de sección transversal de las fibras es menor que el 10% del área de sección transversal total de esa sección transversal, preferentemente menor que el 8%, y en la forma más preferentemente menor que el 5%. La napa esponjada tiene preferentemente una conductividad térmica de 50 mW/m°K, o menor, a temperatura y presión ambientales, para facilitar la formación de materiales compuestos de aerogel de baja conductividad térmica. Otra forma de determinar si una napa es lo suficientemente esponjada para que se encuentre dentro del alcance de esta invención, es evaluar su compresibilidad y elasticidad. En este caso, una napa esponjada es una que (i) sea compresible al menos en el 50% de su espesor natural, preferentemente al menos 65%, y en la forma más preferente al menos 80%, y (ii) sea lo suficientemente elástica como para que después de la compresión por unos cuantos segundos, regrese al menos al 70% de su espesor original, preferentemente a al menos el 75%, y en la forma más preferente a al menos el 80%. Según esta definición, una napa esponjada es una que puede ser comprimida para remover el aire (volumen) pero que regresa elásticamente hasta su tamaño y forma originales. Por ejemplo, una napa de HolofilMR puede comprimirse desde su espesor original de 3.81 cm (1.5 plg) hasta un mínimo de aproximadamente 0.51 cm (0.2 plg) y regresa elásticamente hasta su espesor original una vez que se retira la carga. Se puede considerar que esta napa contiene 3.30 cm (1.3 plg) de aire (volumen) y 0.51 cm (0.2 plg) de fibras. Es compresible en el 87% y regresa esencialmente hasta el 100% de su espesor original. La napa de fibra de vidrio usada para aislamiento casero puede ser comprimida hasta un grado similar y regresa elásticamente hasta aproximadamente el 80% de su espesor original, pero lo hace en forma bastante lenta. La napa útil en la presente es substancialmente diferente de un tapete fibroso. Un tapete fibroso es "una masa densamente tejida o muy enmarañada", es decir, estructuras fibrosas densas y relativamente rígidas, con espacios abiertos mínimos entre fibras adyacentes, si los hay. Mientras que un tapete tiene generalmente una densidad mayor que 0.41 g/cc (25 lb/pie3) , una napa esponja útil en la presente tiene una densidad mucho mayo, es decir en el intervalo de aproximadamente 0.1 a 16 lb/pi3 de (0.001-0.26 g/cc), preferentemente de aproximadamente 2.4 a 6.1 lb/pie3 (de 0.04 a 0.1 g/cc). Generalmente, los tapetes son compresibles en menos de aproximadamente 20% y muestran poca o ninguna elasticidad. En un material compuesto de aerogel, preparado con un refuerzo de tapete, el área de sección transversal de las fibras de tapete puede ser de hasta 30 a 50% del área de sección transversal total. Preferentemente, la napa conserva al menos 50% de su espesor después de que se vierte el líquido formador de gel . Una forma de comprender la necesidad de aberturas en el material de refuerzo de fibras usado en la presente, es reconocer que los refuerzos de fibras que tienden a extenderse a lo largo del eje z (en la dirección del flujo de calor) incrementarán significativamente la conductividad térmica del material compuesto resultante, actuando como conductos térmicos. Una napa que tiene fibras muy alineadas (rectas), particularmente en el plano horizontal x-y es más rígida que una napa esponjada típica de la misma densidad, con fibras dobladas o rizadas, que se extiendan en todos los tres ejes. A fin de minimizar el flujo de calor en la dirección z (como se desea con la mayoría de los materiales aislantes), la napa deberá tener un flujo de calor bajo a lo largo del eje z (en la dirección del flujo de calor) . De esta manera, una napa apropiada tiene una cantidad de fibras, suficientemente alta, orientadas a lo largo del eje z para mantener la esponjosidad, pero no una cantidad lo suficientemente grande como para que las propiedades aislantes del material compuesto resultante se vean comprometidas por estas fibras. Las fibras. a lo largo del eje z pueden ser de un material diferente (preferentemente 1 con menor conductividad térmica) que las que se encuentren en los ejes x e y. Las fibras del eje z pueden hacerse también más sinuosas, de manera tal que presenten una trayectoria más tortuosa para la conducción de calor que las fibras que se encuentran en la dirección x-y. Se pueden usar los mismos materiales de fibras y métodos en toda la napa, en un intento por minimizar la conducción térmica en todos los ejes, pero en muchas aplicaciones de aislamiento, no obstante, se le presta atención al flujo de calor en una dirección especifica, y usando esos materiales y métodos puede comprometerse la flexibilidad del material compuesto resultante. La napa esponjada ideal es una con fibras rizadas, finas, dispersadas uniformemente en todo el material compuesto . Aunque el material compuesto producido con una napa esponjada, es flexible, duradero, tiene una conductividad térmica baja y tiene una buena resistencia a la sinterización, el desempeño del material compuesto de aerogel puede mejorarse substancialmente incorporando en el material compuesto, microfibras distribuidas aleatoriamente, particularmente microfibras que ayuden a resistir la sinterización y que a la vez incrementen la durabilidad y reduzcan la generación de polvo. El efecto del refuerzo de fibras cortas (microfibras) en el desempeño de un material compuesto, dependerá de cierto número de variables, tales como la alineación de las fibras, el diámetro, la longitud, la relación de aspecto (longitud de la fibra/diámetro de la fibra), resistencia, módulo, esfuerzo en el punto de ruptura, coeficiente de expansión térmica, resistencia de la interfase entre la fibra y la matriz. Las microfibras se incorporan en el material compuesto dispersándolas en el líquido precursor de gel y luego usando ese liquido para que se infiltre en la napa esponjada. Las microfibras apropiadas, útiles en la presente, tienen un diámetro que varía típicamente de 0.1 a 100 µp?, tienen relaciones de aspecto altas (L/d>5, preferentemente L/d>100) , y se encuentran distribuidas en forma relativamente uniforme en todo el material compuesto. Dado que relaciones de aspecto más altas mejoran el desempeño del material compuesto, se desean las microfibras más largas posibles. Sin embargo, la longitud de las fibras usadas en la presente se restringe para evitar (o al menos minimizar) cualquier filtración que tenga la napa esponjada seleccionada, cuando un precursor de gel que contenga microfibras se infunda en la napa. Las microfibras deberán ser lo suficientemente cortas para minimizar la filtración en la napa esponjada, y lo suficientemente largas para que tengan el máximo efecto posible en el desempeño térmico y mecánico del material compuesto resultante. Las microfibras tienen preferentemente una conductividad térmica de 200 mW/m° o menor, para facilitar la formación de materiales compuestos de aerogel, de baja conductividad térmica. Cuando las microfibras se dispersan en un sol, a menudo se sedimentarán rápidamente. Para superar este problema, deberá adicionarse al sol, una agente de suspensión o dispersión que no afecte dañinamente la formación de gel. Agentes de suspensión/dispersión, apropiados, incluyen soluciones de copolimeros de bloque de alto peso molecular, con grupos afines a pigmentos ( Disperbyk-184 y 192 de BYK-Chemie) , y similares. Los agentes necesitan ser efectivos al menos durante el período entre la dispersión de la microfibra en el precursor de gel y la gelificación del sol. La cantidad, tipo, y/o tamaño y relación de aspecto de las microfibras usadas en un material compuesto de aerogel específico, pueden variarse para cumplir con tareas específicas. Por ejemplo, una aplicación puede involucrar el aislamiento de regiones de diferentes temperaturas, usando un material compuesto de aerogel continuo; el material compuesto puede fabricarse de manera tal que se encuentren presentes más microfibras en las áreas de material compuesto que harán contacto con las regiones de mayor temperatura. Similarmente, se pueden incorporar microfibras diferentes (por ejemplo, un material diferente, relación de aspecto o tamaño diferentes) en esas áreas para lograr el mejor desempeño posible en el aislamiento. Esa modificación de las microfibras puede lograrse usando una variedad de agentes de suspensión y/o microfibras, para causar que las microfibras se sedimenten en el material compuesto, a diferentes velocidades, y por lo tanto en diferentes sitios. Los materiales fibrosos apropiados para formar tanto la napa esponjada como las microfibras, incluyen cualquier material formador de fibras. Los materiales particularmente apropiados incluyen: la fibra de vidrio, el cuarzo, poliéster (PET) , polietileno, polipropileno, polxbenzimidazol (PBI) ; polifenilenbenzo-bisoxasol (PBO) , polieteretercetona (PEEK, por sus siglas en inglés), poliarilato, poliacrilato, politetrafluoroetileno (PTFE) , poli-metafenildiamina (Nomex) , poli-parafeniltereftalamida (Kevlar) , polietileno de peso molecular ultraelevado (UHMWPE, por sus siglas en inglés) , por ejemplo SpectraMR, resinas novoloides (Kynol), poliacrilonitrilo (PAN), PAN/carbono, y fibras de carbono. Aunque se pueden usar los mismos materiales fibrosos tanto en la napa como en las microfibras, se puede utilizar una combinación de diferentes materiales. Una de esas combinaciones es una napa de fibra de vidrio esponjada, con microfibras de carbono distribuidas en todas partes.

Como se indicó, la combinación de napa y refuerzo de microfibras, mejora, según se ha encontrado, la resistencia a la sinterización. Esto puede conseguirse incorporando microfibras de un material apropiado, por ejemplo, filamentos de carbono, en el precursor de gel (generalmente en combinación con un agente de dispersión no reactivo, apropiado) antes de verter el precursor de gel sobre la napa fibrosa. La figura 5, es una vista en despiece de ese material compuesto de aerogel, en donde el material compuesto se encuentra reforzado tanto en el nivel macro, con una napa fibrosa 51, como en el nivel micro, con filamentos de fibra de carbono 52. Cuando se dispersa en una matriz de silice, las microfibras de carbono proporcionan una combinación de opacificación de la radiación infrarroja y el reforzamiento en microescala, que dan a un óxido metálico no refractario, tal como la silice, un desempeño térmico y mecánico mejorado en gran medida, a mayores temperaturas, con relación al silice no reforzado y opacificado. En otra modalidad de esta invención, la napa fibrosa de refuerzo, esponjada, se usa en la forma de un laminado de múltiples capas, tal como se muestra en las figuras 3.4 y 6. Además de incluir la napa de material fibroso, los laminados pueden incluir capas de materiales que ayuden a proporcionar caracteristicas especificas a la estructura compuesta final. Por ejemplo, la inclusión de una capa de metal en el plano x-y, tal como una malla de cobre, puede mejorar la conductividad térmica y/o eléctrica en el plano x-y, atenuación FI-EMI, la capacidad de anclar el material compuesto a una estructura de soporte, y/o proporcionar resistencia fisica adicional. Aunque se puede usar cualquier metal para producir la malla metálica, comúnmente se prefieren el cobre y el acero inoxidable. Las mallas apropiadas estarán hechas a partir de alambres que tengan diámetros que varíen desde aproximadamente 0.00254 cm hasta 0.254 cm (desde aproximadamente 0.001 hasta 0.1 plg) , preferentemente desde aproximadamente 0.0254 hasta 0.127 cm (desde aproximadamente 0.01 plg hasta 0.05 plg), y la separación entre alambres puede variar desde una separación tan estrecha como un cedazo de ventana hasta 0.762 cm (0.3 plg) . Cuando la capa adicional es de un material con conductividad térmica alta (>1 W/m°K) , tal como la fibra de carbono, carburo de silicio, o un metal, se ha encontrado que el material compuesto resultante exhibe una capacidad significativamente mejorada para disipar rápidamente el calor a través del plano x-y de un compuesto de múltiples capas, mejorando adicionalmente la durabilidad del material compuesto, bajo una carga térmica elevada. La figura 3 muestra un producto laminado de 3 capas, que consiste de una capa de una napa de fibras esponjada 32, una malla de cobre fina 31, y una segunda capa de napa de fibras esponjada 32. La figura 4, muestra otro producto laminado de 3 capas, de una capa de napa de fibras esponjada 42, un producto textil de fibras de carbono tejidas 41, y una segunda capa de napa de fibras 42. Aunque estos productos laminados se muestran simétricos, esta disposición es la preferida aunque no obligatoria. Cuando se usa una malla metálica como una o más de las capas centrales, esta ofrece también el beneficio de producir un material compuesto de aerogel que no únicamente sea plegable o flexible, sino que también sea amoldable, es decir que pueda conservar su forma después de doblarse. Otros enfoques para unir la capa de conductividad alta, en el material compuesto, incluyen la lámina metálica en donde porciones de la lámina se cortan y doblan hacia afuera del plano. Estas porciones dobladas sirven como un ancla entre la capa conductora y el resto del material compuesto. Similarmente se pueden usar tiras delgadas metálicas, al igual que una combinación de esos materiales . La capa conductora tiene cierto números de beneficios secundarios. Los materiales compuestos de aerogel que contienen capas conductoras metálicas pueden deformarse para amoldarse a una forma y conservar esa forma. El material compuesto de la figura 3 puede deformarse para adquirir curvaturas simples y complejas. Puede regresar elásticamente en un grado limitado, pero también puede deformarse plásticamente, en forma efectiva, para retener una forma. Otro beneficio de la capa conductora es que comúnmente consiste de fibras estructurales fuertes y continuas. Esta capa conductora puede servir como un material de anclaje a través del cual puedan colocarse sujetadores mecánicos. Los sujetadores podrían sujetarse sobre el material compuesto o sobre la capa conductora misma. Las cargas mecánicas experimentadas por el material compuesto pueden ser transmitidas a través de una capa metálica conductora, hacia el sujetador y hacia otras estructuras. Un ejemplo de esto sería la sujeción del material compuesto de aerogel, sobre un chasis de vehículo, para que sirva como una barrera térmica. Si el refuerzo se encuentra magnetizado adecuadamente, puede unirse a una estructura ferrosa o magnética, sin la necesidad de sujetadores mecánicos. El calor transmitido por la capa conductora puede vaciarse al ambiente y/o crear un sumidero de calor (radiación, convección) o usarse para llevar a cabo procesos secundarios. Por ejemplo, el calor en exceso puede usarse directamente (calentamiento de agua, etc.) o puede convertirse en energía eléctrica a través de un elemento Peltier o similar. El diseño del material compuesto de aerogel puede ser tal que el lado caliente de la manta tenga una capa conductora cerca de la superficie que dirija el flujo de calor hacia el lado frió de la manta, únicamente en puntos en donde se coloquen los elementos Peltier. Ejemplos de fibras de alta conductividad térmica incluyen el grafito, carburo de silicio, cobre, acero inoxidable, aluminio y similares . La figura 6 es una vista en despiece de un producto laminado que consiste de una capa de napas de fibras 61, una capa de fieltro de carburo de silicio 62, una fina malla de cobre 63, una capa de fieltro de carburo de silicio 62, y una capa de napa de fibras 61. Después de la identificación del aerogel que se vaya a preparar, se prepara una solución de alcóxido metálico y alcohol. La preparación de soluciones formadoras de aerogel es bien conocida en la técnica. Ver, por ejemplo, S. J. Teichner et al, Inorganic Oxide Aerogel , Advances in Colloid and Interface Science, Vol. 5, 1976, pp 245-273, y L.D. LeMay, et al., Low-Density Microcellular Materials, MRS Bulletin, Vol. 15, 1990, p 19. Aunque generalmente se usa una sola solución de alcóxido-alcohol se puede usar una combinación de dos o más soluciones de alcóxido-alcohol, para fabricar aerogeles de óxidos mixtos. Después de la formación de la solución de alcóxido-alcohol, se adiciona agua para causar hidrólisis, de manera tal que se encuentre presente un hidróxido metálico en un estado de "sol". La reacción de hidrólisis, usando tetra-etoxisilano como un ejemplo, es: Si(OC2H5)4 + 4 H20 - Si (OH) 4 + 4 (C2H5OH) (1) Para formar un monolito de aerogel, esta solución de alcóxido en el estado de sol, se envejece después por un periodo lo suficientemente largo (comúnmente durante toda la noche) de manera tal que ocurra una reacción de condensación (como se muestra en la ecuación 2) y forme precursores que después del secado supercritico se conviertan en aerogeles. Si (OH) 4 ? Si02 + 2 H20 (2) Detalles y explicaciones adicionales de la presente invención pueden encontrarse en los siguientes ejemplos específicos, que describen la fabricación de materiales compuestos de aerogel, de conformidad con la presente invención, y los resultados de pruebas generados a partir de los mismos. Todas las partes y porcentajes se encuentran ene peso al menos que se especifique de otra manera .

EJEMPLO 1 Una sección 0.61 m x 0.91 m x 0.635 cm (2 pies x 3 pies x plg) ) de aislamiento de poliéster Thinsulate® Lite Loft de 3M Company se colocó en un recipiente con paredes. 1300 mi de un precursor de silice prehidrolizado, disponible comercialmente (Silbond H-54) se mezclaron con 1700 mi de alcohol desnaturalizado al 95%. La solución se agitó durante 15 minutos. La solución se gelificó después mediante la adición lenta de HF (2% en volumen de la solución total) con agitación. La solución resultante se vertió sobre la manta previamente colocada en un recipiente. La gelificación ocurrió en unos pocos minutos. La "manta-gel" fresca, se envejeció durante toda la noche en un baño de etanol, sellado, a 50°C. El alcohol atrapado en el gel se removió mediante extracción con C02 subcritica y supercritica por el término de cuatro dias. El material compuesto de aerogel, resultante, tiene una densidad de aproximadamente 0.1 g/cc. La conductividad térmica del compuesto de aerogel se determinó mediante la Prueba de Conductividad Térmica con calentador delgado (ASTM C1114-98) obteniendo un valor de 16.6 mW/m°K. Un monolito de aerogel puro preparado usando los mismos materiales fuente y proceso de fabricación, tuvo una conductividad térmica de 17.4 mW/m°K. El material compuesto de aerogel es extremadamente flexible. Puede plegarse sobre el brazo de una persona sin sufrir fractura macroscópica. Esta "prueba de plegado" es el equivalente de un doblez de 180° con un radio de curvatura de 5.08 cm (2 plg) . La manta muestra una resistencia significativa a la transferencia de · calor y degradación térmica/sinterización, cuando se somete a llamas de soplete oxiacetilénico, de gas propano, de una combinación de petróleo licuado y metilacetileno-propadieno (MAPP) . Si la manta se somete al calor proveniente de la llama sobre un costado, el otro costado puede tocarse con la piel desnuda sin recibir daño alguno. La napa de poliéster sola, se degrada rápidamente cuando se expone a la llama directa. La napa de poliéster reforzada con un material compuesto de aerogel resiste la degradación térmica del poliéster, en un grado mucho mayor (instantáneamente contra aproximadamente 40 segundos, para el quemado al través, para una muestra de 0.635 cm (1/4 plg) de espesor, sometida a la llama de un soplete de propano) . Siempre y cuando el poliéster permanezca en la matriz del aerogel, el material compuesto permanece flexible y tiene un bajo grado de conductividad térmica. El quemado al través ocurrirá si la llama se coloca demasiado cerca del material compuesto de aerogel.

EJEMPLO 2 El procedimiento del Ejemplo 1 se repitió excepto que la napa de fibra poliéster se reemplazó por una estructura de fibras de sílice esponjada (Quartzel de Saint-Gobain Quartz) que tiene una densidad de 65 g/m2 con un aglutinante de alcohol polivinilico . El material compuesto resultante, de napa de silice/aerogel de sílice, tiene una conductividad térmica de 15.0 mW/m°K al analizarse sobre una placa caliente protegida (???? C-177) . La flexibilidad del material compuesto es menor que la de la manta de aerogel-poliéster del Ejemplo 1, pero es todavía significativa. Es bastante flexible pero no se pliega en el mismo grado. La densidad del material compuesto de aerogel fue de 0.113 g/cc. El espesor del material compuesto fue de aproximadamente 3 mm. Este material compuesto resiste la degradación térmica cuando se expone a la llama abierta, mucho mejor que el producto del Ejemplo 1. La sinterización del aerogel parece minimizarse por la presencia de la fibra. Un soplete oxiacetilénico se colocó de 12.7 a 15.24 cm (de 5 pulgadas a 6 pulgadas) por debajo de la muestra, con la parte superior de la llama chocando sobre el fondo de la manta. Se observó sinterización mínima sobre la superficie del fondo de la muestra, después de 5 horas de exposición. La parte superior de la muestra podía tocarse con una mano desnuda durante la prueba. La temperatura sobre la parte superior del material compuesto de aerogel varía de 150 a 230 °C en base a la distancia entre la manta y la fuente de la llama. El fondo de la manta adquirió un brillo anaranjado-amarillo. Una sola lectura pirométrica tomada en la sección amarilla del fondo de la manta, produjo una temperatura EJEMPLO 3 Se repitió el procedimiento de los Ejemplos 1 y 2 excepto que la napa de fibras de refuerzo se reemplazó por un producto laminado de fibras de 5 capas de poliéster/carburo de silicio/malla de cobre 16/carburo de silicio/poliéster ) . La conductividad térmica (analizada según ASTM C-177) es de 12.5 mW/m°K (promedio). El material compuesto no es muy flexible. El espesor del producto laminado es de 10.3 mm. La malla de cobre mejora la conductividad térmica en el plano x-y, disipando hacia fuera las cargas puntuales en un área mayor. La malla de cobre proporciona también una barrera EMI-RFI. La sinterización del aerogel parece minimizarse por la presencia del poliéster del refuerzo y de las fibras de carburo de silicio.

EJEMPLO 4 Se repitió el procedimiento del Ejemplo 3, excepto que el refuerzo consiste de un producto laminado de 4 capas, de napa de poliéster, fibra de carbono unidireccional, con un aglutinante polimérico, malla de cobre liviana, y una napa de poliéster esponjada. La conductividad térmica (analizada por ASTM c-177) es de 14.1 m /m°K (promedio). El material compuesto tiene poca flexibilidad. El espesor del producto laminado es de 8.0 mm. La sinterización del aerogel se minimiza por la presencia de las fibras de refuerzo.

EJEMPLO 5 Se repitió el procedimiento del Ejemplo 3, excepto que el refuerzo consiste de un producto laminado de 3 capas de fieltro de sílice, malla de acero inoxidable y fieltro de sílice de aproximadamente 15.24 cm (6 plg) sobre un costado. También se preparó un segundo material compuesto de aerogel reforzado, en donde la malla de cobre se sustituyó por la de acero inoxidable. La conductividad térmica (analizada según ASTM C-177) es de 12.4 m /m°K (promedio). El material compuesto es algo flexible y puede amoldarse porque conserva la forma a la cual se dobla. El espesor del producto laminado es de 5.3 mm. La sinterización del aerogel parece minimizarse por la presencia de las fibras de refuerzo en una prueba de la llama, usando un soplete oxiacetilénico colocado a una distancia de 15.24 cm (6 plg) desde el fondo del material compuesto y proporcionar un área de choque con un diámetro de aproximadamente 5.08 cm (2 plg) (brillo de color rojo-anaranjado) . La temperatura des de 120 °C en el borde del material compuesto (termopar unido a la malla de acero a través de la parte superior), mientras que más de 5.08 cm (2 plg) lejos del centro del choque (aunque todavía directamente sobre la llama) la temperatura da una lectura de 60 °C en condiciones de estado estacionario. El material compuesto de aerogel con la malla de cobre sustituida por malla de acero inoxidable muestra el mismo efecto.

EJEMPLO 6 Se repitió el procedimiento del Ejemplo 2, excepto que se adicionaron 2 ingredientes adicionales al sol de sílice. El primero es una fibra de carbono de denier pequeño (Pyrograf III, Grado PR-ll-AG de Pyrograf Products, Zenia, OH. El segundo es un agente de dispersión (Disperbyk 184 de BYK-Chemie) . Dos gramos de fibra de carbono y seis gramos de agente de dispersión se adicionan a 750 mi de etanol en un matraz de 1000 mi. El matraz se coloca en un baño de hielo y se somete a energía sónica a toda potencia mediante un aparato generador de energía sónica Misonix 2020 durante una hora, para romper los grumos de fibras y formar una suspensión que sea visiblemente estable, durante al menos una hora. Cuando una gota de la suspensión se coloca sobre un portaobjetos de vidrio y se le deja que se extienda, las fibras no forman grumos rápidamente. El material compuesto de napa de sílice/fibra de carbono/aerogel de sílice, resultante, tiene una conductividad térmica de 14.8 mW/m°K (ASTM C-177) . La flexibilidad del material compuesto es ligeramente menor que la de la manta de aerogel del Ejemplo 2 (manta No. 2), pero todavía significativa. La matriz de aerogel tiende a romperse en una forma macroscópica cuando se somete a esfuerzos. La densidad del material compuesto de aerogel es de aproximadamente 0.12 g/cc. El espesor del material compuesto es de aproximadamente 3 mm. Este material compuesto resiste la degradación térmica cuando se expone a la llama abierta, mucho mejor que la manta de aerogel del Ejemplo 2. Un soplete de gas MAPP se usa como la fuente de llamas. El soplete, cuando se aplica a la napa de cuarzos sola, arrugaría y finalmente fundiría la napa. El soplete de gas MAPP se usa para el efecto similar que con la manta No. 2. Si la boquilla del soplete se coloca cerca de la manta No. 2, ocurre la degradación/sinterización y quemado al través, eventual. La napa de aerogel aumentada, de fibras de carbono cortas, de este ejemplo, no muestra degradación más que en la superficie de mas abajo. No puede quemarse al través usando el soplete de gas MAPP. La parte superior de la muestra puede tocarse con una mano desnuda durante la prueba. El fondo de la manta tiene un brillo de color anaranjado-amarillo-blanco, dependiendo de qué tan lejos se coloca el soplete. La sínterización del aerogel parece mínima. La combinación del refuerzo de fibras a nivel macro y micro funciona mucho mejor que con el refuerzo de fibras a nivel macro solamente.

EJEMPLO 7 Para evaluar el efecto de varios sistemas de refuerzo, en los materiales compuestos de aerogel de una o más modalidades de la presente invención, se preparó una serie de materiales compuestos de conformidad con el procedimiento del Ejemplo 1, pero variando los materiales de refuerzo. Los materiales compuestos de aerogel se prepararon infiltrando un refuerzo esponjado, con un sol apropiado, seguido del secado supercrit ico . La Figura 7 muestra los resultados del desempeño térmico contra la temperatura, para los siguientes ejemplos: La muestra A usó una napa de poliéster esponjada, de menos de 2 denieres, en donde el área de sección transversal de las fibras era menor al 15 % del área de sección transversal total del material compuesto de aerogel, y en donde después de la compresión, la napa esponjada regresó al 75 % de su espesor original. La muestra B usó lana de cuarzo preparada a partir de fibra de 9 pm, con una densidad de la napa de 0.005 g/cc, y en donde después de la compresión, la napa esponjada regresó al 75 % de su espesor original. La muestra C usó la napa de la muestra B en combinación con 5 % en peso en base al peso total del dopante del negro de humo compuesto, seco, y 3 % (en la misma base) de microfibras de carbono. El negro de humo fue negro de humo Cabot Vulcan. Las microfibras de carbono tenían un diámetro de 0.1 a 100 µ?? y tenian una longitud de aproximadamente 1-2 mm. Se usó el dispersante Disperbyk 184. La muestra D usó la napa de la muestra B, en combinación con el 6 % en peso, en base al peso total del dopante de negro de humo compuesto, seco, y 4 % (en la misma base) de microfibras de carbono. El negro de humo fue el negro de humo Cabot Vulcan. Las microfibras de carbono tenian un diámetro de 0.1 a 100 pm y una longitud de aproximadamente 1-2 mm. Se usó el dispersante Dispebyk 184. La muestra E usó la napa de la muestra B, en combinación con 6% en peso, en base al peso total del dopante de negro de humo compuesto, seco, 4 % (en la misma base) de microfibras de carbono, y 10 % en peso del dopante de polidimetilsiloxano . El negro de humo fue el negro de humo Cabot Vulcan. Las microfibras de carbono tenían un diámetro de 0.1 a 100 µp? y una longitud de aproximadamente 1-2 mm. Se usó el dispersante Dispebyk 184. La muestra E sobrevivió más de 100,000 ciclos de flexión, en donde el material se doblaba sobre sí mismo sin perder su desempeño térmico. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos o productos a que la misma se refiere.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES
2. Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones: 1. Un articulo de material compuesto para aislamiento, liviano, flexible, que contiene un aerogel y una estructura de refuerzo, caracterizado porque la estructura de refuerzo es una napa fibrosa que (i), es compresible al menos en el 65 % de su espesor y después de la compresión durante 5 segundos, regresará a al menos el 75 % de su espesor original, (ii) tiene una densidad que se encuentra en el intervalo desde aproximadamente 0.001 a 0.26 g/cc (de 0.1 a 16 lb/pie3) . 2. Un artículo de material compuesto para aislamiento, liviano, flexible, que comprende un aerogel y una estructura de refuerzo de napa fibrosa, caracterizado porque en una vista de sección transversal del artículo compuesto, la estructura de refuerzo de napa fibrosa constituye menos del 10 % del área total de la vista de sección transversal.
3. 3. El artículo de material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque además contiene microfibras que tienen diámetros desde 0.1 hasta 100 µp?, y relaciones de aspecto mayores que 5.
4. 4. El articulo de material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque además contiene uno o más materiales de alta conductividad térmica, en donde la conductividad térmica es igual o mayor que 1 W/m°K.
5. 5. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque la napa fibrosa consiste de fibras que tienen una conductividad térmica menor que 50 m /m°K.
6. 6. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque la napa fibrosa se prepara a partir de fibras que tienen un denier de 10 y meno .
7. 7. El compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque además contiene un dopante finamente disperso, en una cantidad de 1 a 20 ¾ en peso, del peso total del material compuesto.
8. 8. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque las fibras de la napa fibrosa tienen un diámetro de aproximadamente 0.1 a 100 um, y son fibras rizadas dispersadas uniformemente en todo el material compuesto.
9. 9. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque la napa tiene una densidad de 0.04 a 0.1 g/cc.
10. 10. El material compuesto de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque las microfibras tienen una conductividad térmica por debajo de 200 mW/m°K.
11. 11. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 3 y 10, caracterizado porque las microfibras son de un material que resiste la sinterización, hasta un grado mayor que la napa fibrosa.
12. 12. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 3 y 10, caracterizado porque las microfibras son de un material que reduce la transmisión de radiciación infrarroja a través del material compuesto, más que la napa fibrosa.
13. 13. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 4-12, caracterizado porque el material de alta conductividad térmica es un metal maleable que proporciona amoldabilidad al material compuesto, para permitir que el material compuesto conserve su forma después de doblarse.
14. 14. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 4-13, caracterizado porque el material tiene un plano horizontal x-y y un plano vertical z, y el material con alta conductividad térmica está orientado más en el plano x-y, del material compuesto, que en el plano vertical z.
15. 15. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 4-15, caracterizado porque el material de alta conductividad térmica conduce el calor lejos de una carga térmica localizada, y lo emite hacia el ambiente.
16. 16. El material compuesto de conformidad con las reivindicaciones 4-15, caracterizado porque el material de alta conductividad térmica es un metal o fibras de carbono .