PL180782B1

PL180782B1 - Materiał warstwowy zawierający aerożel i sposób wytwarzania materiału warstwowego

Info

Publication number: PL180782B1
Application number: PL95320456A
Authority: PL
Inventors: Dierk Frank; Andreas Zimmermann; Helmut Georg Stuhler
Original assignee: Cabot Corp
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 2001-04-30
Also published as: FI972164L; AU4175296A; ATE180242T1; NO312507B1; CN1171094A; NO972315D0; GR3030964T3; MX9703793A; CA2205845A1; ES2134508T3; NO972315L; WO1996015998A1; DK0793626T3; DE59505985D1; JP2007211251A; JPH10509941A; EP0793626B1; US6083619A; FI972164A0; EP0793626A1

Abstract

1. Material warstwowy zawierajacy 10 do 95% objet. czasteczek aerozelu i co najmniej jeden nieorganiczny material matrycy, znamienny tym, ze srednica czasteczek aerozelu jest mniejsza niz 0,5 mm, a nieorganiczny material matrycy stanowi krzemian warstwowy. 11. Sposób wytwarzania materialu warstwowego zawierajacego 10 do 95% obj. czaste- czek aerozelu i co najmniej jeden nieorganiczny material matrycy, znamienny tym, ze miesza sie w mieszalniku czasteczki aerozelu, krzemian warstwowy, wode oraz korzystnie wlókna, spoiwa i/albo srodki pomocnicze, otrzymana mieszanine poddaje sie formowaniu, nastepnie suszy sie otrzymana forme i wysuszona forme korzystnie poddaje sie obróbce mechanicznej oraz obrobiona wzglednie wysuszona forme korzystnie poddaje sie obróbce cieplnej w tempe- raturze w zakresie od 250 do 1200°C. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest materiał warstwowy, zawierający 10 do 95% objęt. cząsteczek aerożelu i co najmniej jeden nieorganiczny materiał matrycy oraz sposób wytwarzania tego materiału warstwowego.

Większość nieporowatych, nieorganicznych materiałów stałych wykazuje stosunkowo wysoką przewodność cieplną, ponieważ ciepło jest dobrze przewodzone przez materiał stały. Dlatego też w celu otrzymania mniejszej przewodności cieplnej, stosuje się często materiały porowate, na przykład na bazie wermikulitów. Porowaty materiał posiada tylko stały szkielet, który może dobrze przenosić ciepło, natomiast przez powietrze w porach, w porównaniu do materiału stałego, przenoszona jest mniejsza ilość ciepła.

180 782

Pory w materiale stałym powodują z reguły pogorszenie stabilności mechanicznej, ponieważ naprężenia są przenoszone tylko przez szkielet. Dlatego również porowate, lecz mechanicznie jeszcze stabilne, materiały wykazują stosunkowo wysoką przewodność ciepbią.

Dla szeregu zastosowań wskazana byłaby jednak bardzo mała przewodność cieplna w połączeniu z dobrą wytrzymałością mechaniczną, to znaczy wysoka odporność na ściskanie i zginanie. Po pierwsze kształtki muszą być poddawane obróbce, a po drugie, w zależności od zastosowania obciążeń mechanicznych, muszą one pozostać bez złamania albo bez tworzenia się rys również w podwyższonych temperaturach.

Aerożele, zwłaszcza o porowatości powyżej 60% i gęstości poniżej 0,6 g/cm³, dzięki bardzo niewielkiej gęstości, wysokiej porowatości i niewielkiej średnicy porów wykazują nadzwyczaj niewielką przewodność termiczną i dlatego znajdują zastosowanie jako materiały termoizolacyjne, jak to opisano przykładowo w europejskim opisie EP-A-0 171 722. Niewielka średnica porów, poniżej średniej swobodnej długości drogi cząsteczek powietrza, ma szczególne znaczenie dla niewielkiej przewodności cieplnej, ponieważ prowadzą one do tego, że powietrze w porach ma mniejszą przewodność cieplną niż powietrze w makroporach. Dlatego też przewodność cieplna aerożeli jest również mniejsza niż innych materiałów o podobnej porowatości lecz większej średnicy porów, jak na przykład pianki albo materiały na bazie wermikulitów.

Jednak wysoka porowatość powoduje niewielką mechaniczną stabilność zarówno żelu, z którego wysuszany jest aerożel, jak również samego wysuszonego aerożelu.

Dzięki niewielkiej gęstości, aerożele w zależności od gęstości wykazują nadzwyczaj niskie stałe dielektryczne o wartościach między 1 a 2. Dlatego są one przeznaczone do zastosowania w elektronice, między innymi do prac z wysoką częstotliwością (S.C. Hrubesh i in., J. Mater Res. Vol. 8, nr 7, 1736-1741).

Poza opisanymi powyżej mechanicznymi niedogodnościami aerożeli, w przypadku zastosowania w elektronice jest niedogodne, jeżeli współczynnik strat dielektrycznych jest duży.

Aerożele w szerokim znaczeniu, to znaczy w znaczeniu „żelu z powietrzem jako środkiem dyspersyjnym” są wytwarzane przez suszenie odpowiedniego żelu. Pod pojęciem „aerożel” w tym sensie należy rozumieć aerożele w węższym zakresie, kserożele i kriożele. Przy tym osuszony żel jest określany jako aerożel w węższym zakresie, jeżeli ciecz żelu zostanie usunięta w temperaturach powyżej temperatury krytycznej, a pod względem ciśnienia - powyżej ciśnienia krytycznego. Natomiast jeżeli ciecz żelu zostanie usunięta poniżej wartości krytycznych, przykładowo z utworzeniem fazy krańcowej ciecz - para, wówczas powstały żel określa się jako kserożel. Należy zauważyć, że w przypadku żeli według wynalazku chodzi o aerożele, w rozumieniu żelu z powietrzem jako środkiem dyspersyjnym.

Dla wielu zastosowań jest konieczne użycie aerożeli w kształtkach o dostatecznej stabilności mechanicznej.

W europejskim opisie EP-A-0 340 707 jest opisany materiał tłumiący o gęstości 0,1 do 0,4 g/cm³, który składa się z co najmniej 50% objęt. cząsteczek krzemianożelu o średnicy między 0,5 a 5 mm, które sąpołączone ze sobąza pomocąco najmniej jednego spoiwa organicznego i/albo nieorganicznego. Stosunkowo grube ziarno powoduje, że kształtki wytworzone z materiału izolacyjnego wykazują niejednorodne rozdzielenie materiału aerożelu. Ma to miejsce w przypadku, gdy najmniejsze typowe wymiary kształtek, w przypadku folii albo płyt mają grubość niewiele większą od typowej średnicy cząsteczek aerożelu. Przede wszystkim w obszarach krawędziowych konieczny byłby podwyższony udział spoiwa, który oddziaływałby negatywnie na przewodność termiczną i właściwości dielektryczne kształtki, zwłaszcza na powierzchni.

Zwłaszcza dla zastosowań w elektronice konieczne są szczególnie cienkie warstwy (0,01 do 2,0 mm), które nie mogąbyć wytworzone za pomocą wyżej opisanych cząsteczek aerożelu.

Ponadto, w kształtce z tego materiału izolacyjnego, na powierzchni powstają mechanicznie mało stabilne obszary z materiału aerożelu o średnicach między 0,5 a 5 mm, które w końcu pod wpływem obciążeń mechanicznych przez zniszczenie aerożeli na powierzchni mogą prowadzić do nierówności powierzchniowych o średnicach względnie głębokościach do 5 mm.

180 782

Ponadto nie jest proste wytwarzanie takich materiałów izolacyjnych jedynie z niewielkim udziałem cieczy, ponieważ za pomocą sposobów podanych w europejskim opisie EP-A 0 340 707, podczas mieszania cząsteczki aerożelu z powodu swojej niewielkiej wytrzymałości mechanicznej mogą być łatwo zniszczone przez procesy ścinające.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie materiału warstwowego na bazie aerożeli, który wykazuje niskąprzewodność cieplną i wysokąwytrzymałość mechaniczną oraz sposobu wytwarzania materiału warstwowego o takich parametrach.

Materiał warstwowy zawierający 10 do 95% objęt. cząsteczek aerożelu i co najmniej jeden nieorganiczny materiał matrycy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że średnica cząsteczek aerożelu jest mniejsza niż 0,5 mm, a nieorganiczny materiał matrycy stanowi krzemian warstwowy.

Krzemian warstwowy stanowi naturalnie występujący krzemian warstwowy.

Korzystnie, materiał według wynalazku zawiera cement, wapno i/albo gips.

Aerożel stanowi aerożel S1O2.

Cząsteczki aerożelu zawierają hydrofobowe grupy powierzchniowe.

Korzystnie, w materiale według wynalazku średnica cząsteczek aerożelu jest mniejsza niż 0,2 mm.

Cząsteczki aerożelu wykazują porowatość powyżej 60% i gęstość poniżej 0,6 g/cm³.

Materiał warstwowy zawiera 0,1 do 30% objęt. włókien.

Korzystnie, materiał warstwowy dodatkowo zawiera środki pomocnicze.

Materiał warstwowy według wynalazku ma postać płaską i na co najmniej jednej stronie jest laminowany warstwą kryjącą.

Sposób wytwarzania materiału warstwowego zawierającego 10 do 95% obj. cząsteczek aerożelu i co najmniej jeden nieorganiczny materiał matrycy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że miesza się w mieszalniku cząsteczki aerożelu, krzemian warstwowy, wodę oraz korzystnie włókna, spoiwa i/albo środki pomocnicze, otrzymaną mieszaninę poddaje się formowaniu, następnie suszy się otrzymaną formę i wysuszoną formę korzystnie poddaje się obróbce mechanicznej oraz obrobioną względnie wysuszoną formę korzystnie poddaje się obróbce cieplnej w temperaturze w zakresie od 250 do 1200°C.

Formowanie przeprowadza się za pomocą procesu wytłaczania.

Obróbkę termiczną prowadzi się w temperaturze w zakresie od 500 do 1000°C.

Korzystnie, według wynalazku chodzi o materiał warstwowy, który wykazuje stałą dielektryczną mniejszą niż 3 i związany z tym niski współczynnik strat dielektrycznych.

Materiał albo materiały matrycy tworzą matrycę, która łączy cząstki aerożelu i która rozciąga się przez cały materiał warstwowy.

Jako krzemiany warstwowe mogą być stosowane naturalnie występujące krzemiany warstwowe, jak kaoliny, gliny albo bentonity, syntetyczne krzemiany warstwowe, jak magadiit albo keniait albo ich mieszaniny.

Korzystnie, stosuje się takie krzemiany warstwowe, które zawierająmożliwie niewiele alkaliów, a jednocześnie mają wysoką plastyczność. Szczególnie korzystne są odpowiednie gliny albo syntetyczne, wolne od alkaliów (wolne od sodu) krzemiany warstwowe, jak na przykład magadiit.

W zależności od zastosowania może być korzystne, że materiał warstwowy lub zawarte w nim krzemiany warstwowe są wypalane. Temperatura wypalania jest tak dobrana, że woda krystaliczna zostaje usunięta (T powyżej 550°C). Krzemian dwuwarstwowy, kaolin, zostaje w tym przypadku przeprowadzony przykładowo w metakaolin. Przy tym ustawia się porowatość, która jest konieczna do zastosowań jako izolator termiczny.

Ponadto materiał warstwowy może zawierać jeszcze środki nieorganiczne, jak na przykład gips, wapno i/albo cement, przy czym udział nieorganicznych spoiw, w odniesieniu do udziału krzemianu warstwowego wynosi korzystnie mniej niż 50% wag.

Spoiwa nieorganiczne, na przykład cement, wapno, gips albo ich odpowiednie mieszaniny, w kombinacji z krzemianami warstwowymi stanowią doskonałą podstawę do wytwarzania kształtek z aerożelu. W przypadku wiązania hydraulicznego powstaje bardzo cienka struktura,

180 782 która charakteryzuje się wysoką wytrzymałością. Kombinacja krzemianu warstwowego, spoiw nieorganicznych i aerożelu nadaje kształtkom cechy, które są konieczne do zastosowania, na przykład w budownictwie.

Mieszaniny z krzemianów warstwowych i spoiw nieorganicznych nadają się również do odlewania. Krzemiany warstwowe regulują właściwości reologiczne takich zestawów wodnych.

W przypadku zawartości cząsteczek aerożelu, wynoszącej poniżej 10% objęt., wskutek niskiego udziału cząsteczek aerożelu, pozytywne właściwości w składzie uległyby znacznemu zmniejszeniu. Taki skład nie wykazywałby już niskich gęstości i przewodności elektrycznej. Stała dielektryczna wzrosłaby do wartości, w których kształtki nie nadawałyby się przykładowo do zastosowania przy wysokiej częstotliwości.

Zawartość cząsteczek aerożelu, która leży wyraźnie powyżej 95% objęt. prowadziłoby do zawartości matrycy w materiale poniżej 5% objęt. W tym przypadku udział byłby za niski do zapewnienia wystarczającego wiązania cząsteczek aerożelu między sobą, jak również mechanicznej wytrzymałości na ściskanie i zginanie.

Korzystnie udział cząsteczek aerożelu leży w zakresie od 20 do 90% objęt.

Odpowiednimi aerożelami dla materiału warstwowego według wynalazku są aerożele na bazie tlenków metalu, które nadają się do technik zol-żel, jak przykładowo związki Si albo Al albo aerożele na bazie materiałów organicznych, które nadają się do techniki zol-żel, jak kondensaty melaminowo-formaldehydowe albo kondensaty rezorcynowo-formaldehydowe. Mogą one również bazować na mieszaninach wyżej wymienionych materiałów. Korzystnie stosuje się aerożele, zawierające związki Si, zwłaszcza aerożele SiO2, szczególnie korzystnie kserożele SiO2. Do redukcji udziału promieniowania w przewodności cieplnej, aerożel może zawierać środek zmętniający promienie podczerwone, na przykład sadzę, dwutlenek tytanu, tlenki żelaza albo dwutlenek cyrkonu oraz ich mieszaniny.

W korzystnej postaci wykonania cząsteczki aerożelu zawierająhydrofobowe grupy powierzchniowe. Odpowiednimi grupami do trwałej hydrofobizacji są trój podstawione grupy silylowe o ogólnym wzorze -Si(R)₃, korzystnie grupy trialkilo- i/albo triarylosilylowe, przy czym R oznacza niezależnie niereakcyjną organiczną resztę, jak alkil C,-C_l8 albo aryl C₆-C₁₄, korzystnie alkil C_rC₆ albo fenyl, zwłaszcza metyl, etyl, cykloheksyl albo fenyl, która dodatkowo może być jeszcze podstawiona grupami funkcjonalnymi. Szczególnie korzystne do trwałej hydrofobizacji aerożelu jest zastosowanie grup trimetylosilylowych. Wprowadzenie tych grup może nastąpić przez reakcję fazy gazowej między aerożelem a przykładowo aktywną pochodną trialkilosilanu, jak na przykład chlorotrialkilosilanem, albo heksaalkilodisilazanem. W porównaniu do grup OH-, tak wytworzone hydrofobowe grupy powierzchniowe zmniejszają dalej współczynnik strat dielektrycznych i stalą dielektryczną. W zależności od wilgotności powietrza, cząsteczki aerożelu z hydrofilowymi grupami powierzchniowymi mogą adsorbować wodę, co prowadzi do tego, że stała dielektryczna i współczynnik strat dielektrycznych mogą zmieniać się wraz ze zmianą wilgotności powietrza. Dla zastosowania w elektronice jest to często niepożądane. Zastosowanie cząsteczek aerożelu z hydrofobowymi grupami powierzchniowymi eliminuje te zmiany, ponieważ woda nie jest adsorbowana.

Ponadto dobór reszt jest uwarunkowany typową temperaturą zastosowania.

Według wynalazku średnica cząsteczek aerożelu jest mniejsza niż 0,5 mm, korzystnie mniejsza niż 0,2 mm. Do zastosowań w elektronice średnica może być jeszcze znacznie mniejsza, jednak korzystnie większa niż 0,1 pm. Średnica cząsteczek odnosi się do średniej średnicy pojedynczej cząsteczki aerożelu, ponieważ cząsteczki aerożelu uwarunkowane wytwarzaniem, przykładowo przez mielenie, nie muszą mieć koniecznie postaci sferycznej.

Zastosowanie małych cząsteczek aerożelu przy jednakowym udziale aerożelu powoduje lepszą stabilność mechaniczną wobec pęknięć i tworzenia się rys, ponieważ pod wpływem obciążenia nie mogą gromadzić się miejscowo duże naprężenia.

Ponadto, małe cząsteczki aerożelu powodująjednorodne rozłożenie w składzie, co prowadzi do tego, że materiał warstwowy we wszystkich miejscach, zwłaszcza również na powierzchniach, wykazują prawie jednolitą przewodność termiczną i stałą dielektryczną.

180 782

W zależności od materiału i od typu grup powierzchniowych na powierzchni porów, aerożele mogą być hydrofilowe albo hydrofobowe. Jeżeli hydrofilowe aerożele stykają się z materiałami biegunowymi, zwłaszcza wodą, w postaci ich pary albo jako ciecz, to w zależności od czasu oddziaływania i stanu skupienia materiału, struktura porów może być zaatakowana; w niekorzystnych przypadkach hydrofilowy aerożel może nawet być zniszczony. Ta zmiana struktury porow, zwłaszcza „zapaść”, powoduje w pewnych warunkach drastyczne pogorszenie działania termoizolacyjnego. Ze względu na możliwą zawartość wilgoci (przez wodę) w materiale warstwowym, na przykład przez skraplanie wilgoci przy zmianie temperatury, jak również wytwarzanie, w którym zazwyczaj używa się wody, korzystnie stosuje się hydrofobowe aerożele. Szczególnie korzystne są takie aerożele, które pozostają hydrofobowe przez długi czas i to nawet w środowisku lekko kwaśnym, aby zagwarantować pogorszenie działania izolacyjnego materiału warstwowego przez wilgoć i/albo wpływ powietrza otoczenia przez oczekiwaną długą żywotność dla typowych kształtek, wytworzonych z materiału warstwowego.

Jeżeli stosowane są cząsteczki aerożelu z hydrofobowymi grupami powierzchniowymi, wówczas przy zastosowaniu bardzo małych średnic cząsteczek otrzymuje się ceramikę hydrofobową, ponieważ hydrofobowy aerożel występujejakojednorodny i bardzo dokładnie rozdzielony.

Szczególnie wysoki udział cząsteczek aerożelu w materiale warstwowym można uzyskać przez zastosowanie bimodalnego rozdzielenia wielkości ziarna.

Ponadto termiczna przewodność aerożeli zmniejsza się wraz z rosnącą porowatością i zmniejszającą się gęstością. Dlatego korzystne są aerożele o porowatościach powyżej 60% i gęstościach poniżej 0,6g/cm³. Szczególnie korzystne sąaerożele o gęstościach poniżej 0,4g/cm³.

Do redukcji udziału promieniowania w przewodności termicznej, materiał warstwowy może zawierać środki zmętniające promieniowanie podczerwone, na przykład sadzę, dwutlenek tytanu, tlenki żelaza albo dwutlenek cyrkonu, jak również ich mieszaniny, co jest szczególnie korzystne dla zastosowań w wysokich temperaturach.

Ponadto, ze względu na tworzenie się rys oraz wytrzymałość na złamanie, może być korzystne, jeżeli w materiale warstwowym są zawarte włókna. Jako materiał włókien można stosować włókna organiczne, jak na przykład włókna polipropylenowe, poliestrowe, nylonowe albo melaminowo-formaldehydowe i/albo włókna nieorganiczne, jak na przykład włókna szklane, mineralne albo SiC i/albo włókna węglowe.

Jeżeli kształtka jest poddawana wyżarzaniu, wówczas nie można stosować włókien organicznych.

Klasa palności otrzymanego po wysuszeniu materiału warstwowego jest określona przez klasę palności aerożelu i nieorganicznego materiału matrycy, jak również ewentualnie przez klasę palności materiału włókien. W celu otrzymania możliwie korzystnej klasy palności materiału warstwowego (trudno zapalne lub niepalne), włókna powinny być wykonane z materiału niepalnego, na przykład włókien mineralnych, szklanych lub SiC.

W celu uniknięcia zwiększenia przewodności cieplnej przez dodane włókna udział objętościowy włókien powinien wynosić 0,1 -30%, korzystnie 1-10%, a przewodność cieplna materiału włókien powinna korzystnie wynosić < 1 W/mK.

Przez odpowiedni dobór średnicy włókien i/albo materiału włókien można zredukować udział promieniowania w przewodności cieplnej i uzyskać większą wytrzymałość mechaniczną. W tym celu średnica włókien powinna leżeć w zakresie 0,1 do 30 pm.

Udział promieniowania w przewodności cieplnej można zredukować zwłaszcza wtedy, gdy stosuje się włókna węglowe albo włókna zawierające węgiel.

Ponadto, na wytrzymałość mechanicznąma wpływ długość i rozdzielenie włókien w materiale warstwowym. Korzystnie stosuje się włókna, których długość leży między 0,5 a 10 cm. Na płytkowe kształtki można również stosować tkaniny z włókien.

Ponadto, materiał warstwy może zawierać dalsze materiały pomocnicze, jak na przykład tylozę, skrobię, alkohol poliwinylowy i/albo emulsje woskowe. Materiały te są stosowane przy wytwarzaniu materiału warstwowego jako środek pomocniczy do wytłaczania. Są one stosowane w stanie techniki na skalę wielkoprzemysłową przy formowaniu mas ceramicznych.

180 782

Stała dielektryczna materiału warstwowego, zwłaszcza do zastosowania w elektronice, powinna być korzystnie mniejsza niż 3. Dzięki temu taki materiał warstwowy można stosować w zakresie częstotliwości powyżej 1 GHz, ponieważ pojemność materiału warstwowego pozostaje niewielka.

Jeżeli materiał stosuje się w postaci struktur płaskich, na przykład płyt, może być on na co najmniej jednej stronie laminowany warstwą ochronną w celu polepszenia właściwości powierzchniowych i tak na przykład zwiększenia zwartości, ukształtowania jej jako zapory dla pary albo ochrony przed niewielkim zabrudzeniem. Warstwy ochronne mogą również polepszyć mechaniczną stabilność kształtki z materiału warstwowego. Jeżeli warstwy ochronne stosuje się na obu powierzchniach, to mogą być one jednakowe lub różne.

Jako warstwy ochronne nadają się wszystkie materiały znane specjalistom. Mogą być nieporowate i dzięki temu działająjako zapora dla pary wodnej, na przykład folie z tworzywa sztucznego, folie metalowe albo metalizowane folie z tworzywa sztucznego, które odbijają promieniowanie cieplne. Można również stosować porowate warstwy ochronne, które umożliwiają przenikanie powietrza w materiał i tym samym prowadzą do lepszego tłumienia dźwięku, na przykład porowate folie, papiery, tkaninę albo włókniny. Jako warstwa ochronna może być stosowany również sam materiał matrycy. Same warstwy ochronne mogą składać się również z szeregu warstw. Warstwy pokrywowe mogą być wzmocnione spoiwem, może być jednak stosowany również inny klej.

Powierzchnia materiału warstwowego może być również zamknięta i wzmocniona przez użycie co najmniej jednego odpowiedniego materiału w warstwie powierzchniowej.

Realizując sposób według wynalazku w mieszalniku umieszcza się najpierw składniki stałe, a następnie dodaje się składniki płynne.

Szczególnie korzystnie do suchej odważki składników stałych dodaje się emulsję woskową z udziałem około 50% wody.

Dalszą część potrzebnej wilgoci można uzyskać przez dodanie szkła wodnego. O ile to konieczne, do zestawu dodaje się jeszcze wodę.

Przez zawartość wody zarobowej można zmieniać mechaniczne właściwości zestawu. Również rodzaj, ilość i kombinacja włókien, spoiwa i/albo środków pomocniczych określa, w działaniu wymiennym z cechami cząsteczek aerozolu i krzemianu warstwowego, charakterystyczne, reologiczne właściwości zestawu. Zestaw ten poddaje się korzystnie ugniataniu w mieszalniku, w którym na zestaw wywiera się siłami tnącymi. Siły tnące powinny w miarę możliwości całkowicie roztwarzać krzemiany warstwowe na pojedyncze płytki.

W przypadku następującego potem formowania, które korzystnie przeprowadza się za pomocą procesu wytłaczania, możliwe jest wówczas wyregulowanie płytek krzemianu warstwowego przez siły tnące i działające pionowo do nich siły formowania. Tekstura ta zwiększa mechaniczną wytrzymałość. Przy zastosowaniu jako materiał termoizolacyjny jest ona pomocna do obniżenia przewodności termicznej. Ponadto, dla uzyskania tych samych właściwości fizycznych jest stosunkowo niższe zapotrzebowanie na krzemian warstwowy.

W niektórych przypadkach zbyt silne teksturowanie jest niepożądane. Przez częściowe lub całkowite zastąpienie niepalnych krzemianów warstwowych przez kalcynowane krzemiany warstwowe można przeciwdziałać teksturowaniu.

Z powodu właściwości plastycznych, zwłaszcza krzemiany warstwowe przez dodanie wody mogą być tak wyregulowane, że nadająsię do wytłaczania. Zawartość wody należy tak dobrać, aby była zapewniona dobra możliwość formowania zestawu. W zależności od zdolności aerożelu do adsorpcji wody, należy zwiększyć zawartość wody.

Formowanie można również przeprowadzać innymi sposobami, znanymi specjalistom. I tak, zestaw może być wlany do formy, o ile wykazuje on lepkość w zakresie od 100 do 2000 mPa.

Otrzyimnnipo formowaniu kształtkę poddaje się suszeniu, a następnie ewentualnie obróbce mechanicznej, to znaczy jest ona przycinana do żądanych wymiarów.

W zależności od zastosowania, osuszona kształtka może być poddana obróbce cieplnej; wyżarzaniu albo kalcynowaniu. Dzięki wyżarzaniu możliwe jest usunięcie z materiału środków

180 782 pomocniczych przy wytłaczaniu. Korzystnie temperatura przy wyżarzaniu leży w zakresie od 500 do 1000°C.

Wytrzymałość po wyżarzaniu, przy którym nie należy przekraczać temperatury 1000°C, aby nie zniszczyć struktury aerożelu, pomimo dużej zawartości aerożelu jest jeszcze ciągle na tyle duża, że przeprowadza się dalsze etapy pracy albo realizuje zastosowanie.

Materiały warstwowe według wynalazku, dzięki swojej niewielkiej przewodności termicznej, nadająsię do stosowaniajako kształtki do termoizolacji. Jeżeli gotowa kształtka nie zawiera składników organicznych, może być ona zastosowana do izolacji termicznej przy temperaturach powyżej około 500°C. W zależności od zastosowania, kształtka może mieć postać płyt, listew albo kształt nieregularny.

Ponadto, materiały warstwowe według wynalazku sprawdziły się również jako kształtki albo wykładziny, stosowane w dziedzinie elektroniki, korzystnie w przypadku częstotliwości 1 MHz. Wraz ze wzrostem udziału aerożelu, kształtka ma zmniejszającą się stałą dielektryczna i może być stosowana jako podłoże dla układów połączeń GHz. Umożliwia to duże gęstości integracyjne układów, ponieważ stała dielektryczna jest niewielka. Do zastosowania w dziedzinie elektroniki stosuje się korzystnie takie materiały warstwowe, które zawierająjedynie krzemiany warstwowe i najwyżej niewielki udział spoiw nieorganicznych, ponieważ takie spoiwa na bazie cementu, wapna i/albo gipsu znacznie bardziej zwięks^;y;ąstai^:ądielektir^i^;^i^:ąniż krzemiany warstwowe. Szczególnie korzystne jest zastosowanie syntetycznych krzemianów warstwowych, jak na przykład magadiitu albo keniaitu, ponieważ mogą być one tak wytworzone, że nie zawierają alkaliów.

Przedmiot wynalazku jest opisany poniżej na podstawie przykładów wykonania, przy czym we wszystkich próbach zastosowano hydrofobowy aerożel na bazie tetraetyloortokrzemianu (TEOS), o gęstości 0,17 g/cm³i przewodności cieplnej wynoszącej 30 mW/mK, który wytworzono sposobem analogicznym do sposobu ujawnionego w opisie WO 94/25149, z zastosowaniem trimetylochlorosilanu.

Przykład 1

W mieszalniku zmieszano w stanie suchym następujące składniki:

500 ml aerożelu o wielkość i ziarna <0,1 mm

450 g giiny SAVC (R3 minerałów AGS) g bentontui G 100 g tykzyi FL 6000 x.

Mieszanie prowadzono tak długo, aż mieszanina wyglądała naj ednorodną, to znaczy, że na pierwszy rzut oka nie można było zarejestrować zróżnicowania poszczególnych składników. Następnie mieszaninę nawilżono następującymi cieczami:

225 ml wody ml Mobilcer X ml Bay^c^E

Gotową mieszaninę najpierw odpowietrzono i sprasowano w wytłaczarce do postaci półproduktów. Półprodukty wysuszono i następnie poddano obróbce termicznej w temperaturze 500°C w celu usunięcia składników organicznych.

Otrzymane półprodukty, które tworzą materiał warstwowy, wykazują gęstość 0,8 g/cm3 i stałą dielektryczną wynoszącą 2,7.

Przykład 2

W mieszalniku zmieszano w stanie suchym następujące składniki:

1000 ml aerożelu

250 g bentonitu G 100 g tylozy FL 6000 x.

Mieszanie prowadzono tak długo, aż mieszanina wyglądała najednorodną, to znaczy, że na pierwszy rzut oka nie można było zarejestrować zróżnicowania poszczególnych składników. Następnie mieszaninę nawilżono następującymi cieczami:

180 782

200 ml wody ml MIobilcer X ml

Gotową mieszaninę najpierw odpowietrzono i sprasowano w wytłaczarce do postaci półproduktów. Półprodukty wysuszono i następnie poddano obróbce termicznej w temperaturze 600°C w celu usunięcia składników organicznych.

Otrzymane półprodukty wykazują gęstość 0,55 g/cm³.

Przykł ad 3

W mieszalniku zmieszano w stanie suchym następujące składniki:

500 ml aerożelu

450 g giiny MF 35 g bentontur G 100 g tyloy FL 6000 x.

Mieszanie prowadzono tak długo, aż mieszanina wyglądała najednorodną, to znaczy, że na pierwszy rzut oka nie można było zarejestrować zróżnicowania poszczególnych składników. N astępnie mieszaninę nawilżono następującymi cieczami:

225 ml wody ml Mr^bilcer X ml

Gotową mieszaninę najpierw odpowietrzono i sprasowano w wytłaczarce do postaci półproduktów·'. Półprodukty wysuszono i następnie poddano obróbce termicznej w temperaturze 500°C w celu usunięcia składników organicznych.

Otrzymane półprodukty wykazują gęstość 0,8 g/cm³.

Przykł ad 4

W mieszalniku zmieszano w stanie suchym następujące składniki:

1000 ml aerożelu 250 g bentonitu G 100 g tylozy FL 6000 x.

Mieszanie prowadzono tak długo, aż mieszanina wyglądała na jednorodną, to znaczy, że na pierwszy rzut oka nie można było zarejestrować zróżnicowania poszczególnych składników. Następnie mieszaninę nawilżono następującymi cieczami:

200 ml wody ml łMobilcer X ml BaykresoL

Gotową mieszaninę najpierw odpowietrzono i sprasowano w wytłaczarce do postaci półproduktów. Półprodukty wysuszono i następnie poddano obróbce termicznej w temperaturze 630°C w celu usunięcia składników organicznych.

Otrzymane półprodukty wykazują gęstość 0,55 g/cm3.

Przykład 5

1000 ml	aerożelu
200 g	krzemianu potasu (Portlandit)
20 g	gipsu α-półwodzian
50 g	gliny SAVC
40 g	tylozy FL 6000 x
275 ml	wody

mieszano mieszadłem w pojemniku tak długo, aż mieszanina wyglądała na jednorodną, to znaczy, że na pierwszy rzut oka nie można było zarejestrować zróżnicowania poszczególnych składników.

Zestaw wlano do formy i po 48 godz. spoczynku wyjęto z formy. Kształtki poddano suszeniu w temperaturze 50°C w celu usunięcia nadmiaru wilgoci. Wysuszona kształtka wykazuje gęstość 0,65 g/cm3, przewodność cieplną 0,25 W/mK (określoną metodą laserową rzutową błyskawiczną, za pomocą przyrządu firmy Netzsch) oraz wytrzymałość na zginanie (określoną według DIN 40685 lub IEC 672; część 2) wynoszącą 35 N/mm².

180 782

Przykład 6

W mieszalniku zmieszano w stanie suchym następujące składniki:

500 ml aerożelu

450 g giiny SAVC g bentoniu G 100 g tybzyi FL 6000 x.

225 ml wody ml Mobilcer X ml Baykieool.

Gotową mieszaninę najpierw odpowietrzono, a następnie poddano rozdrobnieniu w łamaczu szczękowym do wielkości < 1,5 mm. Otrzymany proszek zmielono w dwóch przejściach w młynie udarowym z bijakiem krzyżowym Alpine z wkładką czterołopatkową. Proszek ma średnią wielkość ziarna wynoszącą<0,1 mm.

Proszek ten poddano granulacji w granulatorze talerzowym firmy Eirich pod kątem 40° i z prędkością obrotową 20 U/min. Do granulacji zastosowano 0,2% roztwór tylozy C600. Granulat przesiano do wielkości ziarna > 0,1 i < 0,8 mm i z wilgotnością 2,5% sprasowano na sucho w urządzeniu DORST TPA-6 do postaci prętów do badania złamania przy zginaniu o wymiarach 4,5 x 4,5 x 50 mm i tarcz o średnicy 50 x 7 mm.

Otrzymane półprodukty wykazują ciężar właściwy 1,0 g/cm³ i przewodność cieplną 400 mW/mK oraz wytrzymałość na złamanie przy zginaniu> 35 N/mmb.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Materiał warstwowy zawierający 10 do 95% objęt. cząsteczek aerożelu i co najmniej jeden nieorganiczny materiał matrycy, znamienny tym, że średnica cząsteczek aerożelu jest mniejsza niż 0,5 mm, a nieorganiczny materiał matrycy stanowi krzemian warstwowy.
2. Materiał warstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że krzemian warstwowy stanowi naturalnie występujący krzemian warstwowy.
3. Materiał warstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera cement, wapno i/albo gips.
4. Materiał warstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że aerożel stanowi aerożel

SiO₂.
5. Materiał warstwowy według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że cząsteczki aerożelu zawierają hydrofobowe grupy powierzchniowe.
6. Materiał warstwowy według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że średnica cząsteczek aerożelu jest mniejsza niż 0,2 mm.
7. Materiał warstwowy według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że cząsteczki aerożelu wykazują porowatość powyżej 60% i gęstość poniżej 0,6 g/cm³.
8. Materiał warstwowy według zastrz. 1. znamienny tym, że zawiera 0,1 do 30% objęt. włókien.
9. Materiał warstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo zawiera środki pomocnicze.
10. Materiał warstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że ma postać płaską i na co najmniej jednej stronie jest laminowany warstwą kryjącą.
11. Sposób wytwarzania materiału warstwowego zawierającego 10 do 95% obj. cząsteczek aerożelu i co najmniej jeden nieorganiczny materiał matrycy, znamienny tym, że miesza się w mieszalniku cząsteczki aerożelu, krzemian warstwowy, wodę oraz korzystnie włókna, spoiwa i/albo środki pomocnicze, otrzymaną mieszaninę poddaje się formowaniu, następnie suszy się otrzymaną formę i wysuszoną formę korzystnie poddaje się obróbce mechanicznej oraz obrobioną względnie wysuszoną formę korzystnie poddaje się obróbce cieplnej w temperaturze w zakresie od 250 do 1200°C.
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że formowanie przeprowadza się za pomocą procesu wytłaczania.
13. Sposób według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że obróbkę termiczną prowadzi się w temperaturze w zakresie od 500 do 1000°C.