用于制造絕熱復合材料的礦物纖維棉胎的制作方法
【專利說明】用于制造絕熱復合材料的礦物纖維棉胎
[0001] 本發明設及礦物纖維產品領域，并更具體設及用于制造絕熱復合材料的礦物纖維 棉胎。
[0002] 礦物纖維增強物(reinforcements)廣泛用于復合材料領域，例如作為纖維墊或遮 蔽物(veil)或織物。它們可例如通過用液體(例如樹脂)浸潰容易地與其它材料組合。然而， 可W生產的產品的范圍經常受纖維增強材料的厚度的限制。
[0003] 尤其對于在絕熱領域中的應用，運是一個問題，因為保溫性能直接與厚度有關。因 此，即使保溫復合材料性能很好，也總是期望提供更高的厚度W達到更高水平的保溫。
[0004] 另一方面，目前作為幾毫米厚的墊或遮蔽物或經常為1毫米或更小的織物可得的 棉胎在用于制造復合材料的工藝操作角度是非常符合要求的。對于大部分轉變 (trans化rmation)技術，增強棉胎應該具有允許在轉變之前W最方便的方式對其運輸和在 轉變生產線（line)中對其處理和將其包含在內和耐受轉變過程中存在的機械應變的機械 性質。更特別地，在浸潰的連續過程中，在整個生產線中棉胎在濕時運送，并且必須避免濕 棉胎的退化。纖維墊、遮蔽物和織物具有良好的拉伸強度，特別是在機器方向。
[0005] 本發明的目標是提供可用于制造復合材料中的纖維棉胎，其具有比可用的增強物 高的厚度而不產生針對轉變的工藝問題。
[0006] 本發明的棉胎的一個具體應用領域是制造纖維增強的凝膠復合材料的方法，其包 括W下步驟:提供纖維棉胎片材，將棉胎與凝膠前體組合，使該組合膠凝W制備復合材料， 卷制復合材料;且干燥復合材料W制備纖維增強的凝膠復合材料，如纖維增強的二氧化娃 氣凝膠復合材料。
[0007] 已經開發了顯示出極低密度、高表面積、良好的光學性質、熱性質和聲學性質的氣 凝膠用于各種應用。然而，氣凝膠具有固有缺點，例如弱性(weakness)和脆性。各種類型的 增強物已經用于增加氣凝膠的強度、柔初性和其它重要性質。可W由W下步驟制備纖維增 強的氣凝膠復合材料:添加松散纖維或非織造纖維片材至凝膠前體，使組合膠凝W制備凝 膠片材，老化凝膠片材和干燥形成的凝膠片材。
[000引先前已經使用顯示出極低密度、高表面積、良好的光學性質、熱性質和聲學性質的 氣凝膠W試圖解決該需求和該氣凝膠的性質可能對于有利的其它需求。然而，氣凝膠具有 固有缺點，例如弱性和脆性。顯著地，當制備高度透明和疏水的氣凝膠時，脆性變得嚴重得 多，并且因此更難于對它們進行處理，并且對于流體干燥而言需要長循環時間W避免破裂。
[0009] 低密度氣凝膠的弱性和脆性可特別對生產規模擴大具有負面影響，并限制大規模 制造。此外，具有較低密度的氣凝膠可具有最好的透明度，但也顯示更高的熱導率，并且因 此顯示較差的保溫性能。
[0010] 氣凝膠(低密度和高孔隙率)的脆弱結構還具有W下幾個難點:在順應不規則表面 方面或在動態條件下，例如當夾在玻璃之間并且玻璃和氣凝膠之間的不同熱膨脹系數導致 壓縮力時保持完整性方面。因此，柔初性、可壓縮性、完整性、耐久性、強度和耐燒結、耐粉化 (dusting)和耐破裂是氣凝膠和氣凝膠復合材料中潛在改進的所有方面。
[0011] 已經做出許多嘗試W改進氣凝膠和氣凝膠復合材料W解決運些問題和更充分利 用其作為材料的顯著性質。一些專利描述了用泡沫和顆粒狀氣凝膠制備復合材料的嘗試， 例如EP0489319 和美國專利第6，136,216、5,691，392、6,040,375和6,068,882號。其它例如 美國專利第4,966,919、5,037,859、5,972,254、5,973,015和6,087,407號和美國專利申請 公開第2002/0094426號描述了采用或不采用泡沫的其它氣凝膠或氣凝膠復合材料。一些， 例如美國專利申請公開第2005/0192367號和美國專利申請序列第11/392,925號描述了透 明氣凝膠或氣凝膠復合材料。
[0012] 在本發明的實施方案的上下文中，"氣凝膠"或"氣凝膠材料"連同其各自單數形式 在廣義上表示包含空氣作為分散介質的凝膠和在狹義上表示用超臨界流體干燥的凝膠。氣 凝膠的化學組成可W是無機、有機(包括聚合物)或無機-有機雜化的。無機氣凝膠可W基于 二氧化娃、二氧化鐵、氧化錯、氧化侶、二氧化給、氧化錠、二氧化姉、碳化物和氮化物。有機 氣凝膠可W基于W下化合物，包括但不限于:氨基甲酸醋、間苯二酪甲醒、聚酷亞胺、聚丙締 酸醋、殼聚糖、聚甲基丙締酸甲醋、丙締酸醋族低聚物的成員、=烷氧基甲娃烷基封端的聚 二甲基硅氧烷、聚氧化締、聚氨醋、聚下二締、=聚氯胺-甲醒、苯酪-慷醒、聚酸族材料的成 員或其組合。有機-無機雜化氣凝膠的實例包括但不限于:二氧化娃-PMMA、二氧化娃-殼聚 糖、二氧化娃-聚酸或可能為上述有機和無機化合物的組合。公開的美國專利申請2005/ 0192367和2005/0192366廣泛教導了運樣的雜化有機-無機材料，并且經此通過引用W其全 部并入。
[0013] 適用于本發明的氣凝膠包括由纖維結構增強的此類氣凝膠。運樣的增強物為氣凝 膠結構提供強度和柔初性。美國專利6068882、6087407、6770584、5124101、5973015、 6479416、5789075、5866027、5786059、5972254、4363738、4447345，口(：1'申請胖09627726，美國 專利申請20020094426、2003077438，日本專利肝8034678，英國專利681205572教導了可^ 用本發明的實施方案實踐的一些氣凝膠材料。將運些文獻通過引用并入本文W至少部分教 導制造運樣的柔初性氣凝膠材料的方法。柔初性氣凝膠材料還可W具有為毯或薄條的形狀 因素(form化ctor)。盡管本發明的許多實施方案集中于涂覆氣凝膠復合材料，但其也可W 用于涂覆其它形式的氣凝膠。
[0014] 當適當地應用時，纖維增強物產生柔初性氣凝膠材料。氣凝膠材料中的運樣的柔 初性在其中所述氣凝膠材料可W是對現有材料的直接替代(化op-in-replacements)的多 種應用中是所需的。然而，柔初性有時也可W導致對氣凝膠結構的某些損害。盡管其可能不 影響氣凝膠材料的其它關鍵性質，但它可W帶來物理處理的麻煩。本發明在許多其實施方 案中提供將運樣的損害的影響最小化并進一步防止將任何運樣的受損害的材料從材料基 體中去除的方法。因此，通過本發明的方法避免和顯著降低了與運樣的氣凝膠材料表面上 的氣凝膠顆粒狀材料有關的任何的隨之發生的機械處理問題。
[0015] 已經顯示用具有高熱阻的保溫體(insulation)改造現有的家庭、建筑和結構可W 顯著降低能量消耗和相應的C〇2排放。因此已經存在對研發用于建筑物和建筑市場的基于 氣凝膠的保溫材料的強烈期望。對于不設及空屯、墻和/或頂樓閣樓保溫的應用，用于該市場 的優選產品是剛性板。例如，建筑物的許多內部或外部改造設及安裝非柔初性板材(board stock),例如礦物棉或EPS泡沫。在過去幾十年中，已經存在對用具有有比目前市場上的R-值更大的R-值的絕熱材料生產剛性板的恢復的關注。高性能的基于氣凝膠的保溫體已經特 別令人關注。纖維增強的氣凝膠保溫體目前W高體積作為厚度不超過10 mm的柔初性耐用 復合材料商購可得。通常用膠粘劑(a化esive)層壓運些材料的多個板層W生產具有更大厚 度的剛性板。由于必需W卷制物品的形式生產基于柔初性氣凝膠的保溫體，因此其可能具 有折皺、起伏(undulations)和/或厚度變化形式的一定程度的卷繞缺陷，或者需要使用大 量的過程控制W處理運些問題。運些缺陷的存在使得將柔初性氣凝膠材料層壓成剛性板材 成為挑戰。由于在層壓過程期間不能獲得各個體板層的全表面緊密配合，具有表面缺陷的 氣凝膠保溫體的個體板層導致不完全的表面粘合。因此W運樣的方式生產的板包含大量的 空桐和缺陷，其不僅影響機械強度，還影響總體熱性能。因此，