氣凝膠復合材料及其制造和使用方法
【專利說明】氣凝膠復合材料及其制造和使用方法
[0001]本申請是基于申請日為2010年11月22日，優先權日為2009年11月25日，申請號為 201080062308.9,發明名稱為："氣凝膠復合材料及其制造和使用方法"的專利申請的分案 申請。
[000^ 相關申請
[0003] 本申請根據35U.S.C.§119(e)要求2009年11月25日提交的美國臨時專利申請 No. 61/264352和2010年1月19日提交的美國臨時專利申請No. 61/296183的權益，將它們兩 者的全部內容引入本文作為參考。
【背景技術】
[0004] 許多應用得益于相對輕的且結合了所需的機械性能和絕緣特性的材料。建筑工業 和其它領域中的趨勢也偏愛其制造和使用是簡易的制品。因此，對于運樣的材料、制品W及 它們的制造和使用方法存在持續的需要。
【發明內容】
[0005] 本發明總體上設及包含氣凝膠的復合材料、制造方法、W及使用運樣的復合材料 的方法和制品。總的來說，本文中描述的復合材料具有運樣的熱導率(在23°C和1個大氣壓 下），其不大于約50mW/(m ? K)，例如，在約20-約30mW/(m ? K)的范圍內，如26mW/(m ? K)，且 可小于或等于20mW/(m ? K)。所述復合材料可進一步特征在于它們的機械性能。
[0006] 例如，在一個實施方式中，本發明設及包括含有氣凝膠的材料(例如顆粒形式的） 和粘結劑(binder)(例如無機的，如水泥質粘結劑)的自支撐剛性復合材料。在具體實施中， 所述自支撐剛性復合材料具有根據ASTM巧18測量的不大于約30mW/(m ? K)，例如26mW/ (m . K)或更低，如20mW/(m . K)的熱導率，且可進一步特征在于一種或多種機械性能例如其 壓縮強度、曉曲強度和/或彈性模量。在一些實施中，所述自支撐剛性復合材料包含一種或 多種其它成分，例如，表面活性劑、纖維、遮光劑、阻燃劑等。
[0007] 在另一實施方式中，本發明設及用于制造復合材料的方法。該方法包括:將氣凝膠 顆粒、粘結劑、W及任選的一種或多種其它成分例如遮光劑、表面活性劑、阻燃劑、纖維等組 合W形成漿料;使該漿料成型或涂覆該漿料;和允許所述漿料硬化化arden)，從而產生所述 復合材料。在本發明的許多方面中，所述硬化周期(整個過程，cycle)的至少部分在壓縮下 進行。當采用纖維或其它絲狀(filamen化ry)材料時，本發明的一些方面偏愛窄的纖維長度 分布，在許多情況中，所述纖維長度分布向更高的纖維長度值偏移。
[000引在一種實施中，用于制造自支撐剛性復合材料的方法包括:將氣凝膠顆粒與粘結 劑組合W形成漿料;使所述漿料成型;和允許所述成型的漿料硬化，其中所述硬化過程的至 少部分在壓縮下進行，從而產生具有如下的自支撐剛性復合材料:在23°C和1個大氣壓下不 大于約50mW/m，K的熱導率；W及選自如下的一種或多種機械性能：（i)大于約0.05MPa的曉 曲強度；（ii)大于約O.lMPa的壓縮強度;和(iii)大于約0.5MPa的彈性模量。
[0009]在另一實施中，用于制造自支撐剛性復合材料的方法包括:將含有氣凝膠的材料 與粘結劑組合W形成漿料;將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所 述混合過程基本上保持表征所述絲狀材料的初始絲(filament)長度;使所述混合物成型； 和允許混合物硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而產生所述自支撐剛 性復合材料。
[0010] 在進一步的實施中，用于制造剛性復合材料的方法包括:將含有氣凝膠的材料與 粘結劑組合W形成漿料;將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所述 混合過程基本上保持表征所述絲狀材料的初始絲長度;將所述混合物施加到基材上或開口 (opening)中；和允許該混合物硬化，從而形成所述剛性復合材料，其中所述剛性復合材料 具有:在23°C和1個大氣壓下不大于約50mW/m-K的熱導率；W及選自如下的一種或多種機 械性能：（i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；（ii)大于約0.1M化的壓縮強度；和（iii)大于約 0.5MPa的彈性模量。
[0011] 在又一實施中，用于制造剛性復合材料的方法包括:將氣凝膠顆粒與粘結劑組合 W形成漿料;將所述漿料施加到表面上或開口中；和允許所施加的漿料硬化，其中所述硬化 過程的至少部分在壓縮下進行，從而產生具有如下的剛性復合材料:在23°C和1個大氣壓下 不大于約50mW/m ? K的熱導率；W及選自如下的一種或多種機械性能：（i)大于約0.05MPa的 曉曲強度；（ii)大于約0.1 MPa的壓縮強度;和(iii)大于約0.SMPa的彈性模量。
[0012] 在進一步的實施方式中，本發明設及含有氣凝膠的復合材料，例如具有本文中公 開的特性的自支撐和/或剛性復合材料，在下面進一步描述的各種制品和/或應用中的用 途。
[0013] 本發明具有許多優點。例如，本文中所描述的復合材料易于制造且使用簡便，在建 筑工業和其它最終用途應用中提供優異的性質。通過將若干種有吸引力的性質組合，運些 復合材料減少典型地需要的常規材料或制品的總數量，使建筑和制造過程簡化。在許多情 況中，氣凝膠的存在可降低材料的總重量，材料的總重量是許多建筑工程中的重要考慮因 素。替代地或者另外，氣凝膠的存在可減小絕緣體的體積例如厚度，而不犧牲絕緣性能。復 合材料(例如本文中描述的）中的熱性質與機械性能的組合可導致承重的絕緣制品且可使 對于其它機械支撐體例如金屬支撐體的需求減少或最小化，所述金屬支撐體可傳導熱且由 此削弱總的絕緣性。與本文中公開的復合材料的一些有關的疏水性質可在設及潮濕環境的 應用中利用。在許多情況中，本文中描述的復合材料具有用于降低聲音或噪音的應用的有 吸引力的聲學性能和/或優異的耐燃性。
[0014] 本發明包括W下內容：
[0015] 實施方式1.包含顆粒形式的含有氣凝膠的材料、無機粘結劑的自支撐剛性復合材 料，所述自支撐剛性復合材料具有：
[0016] (a)在23°C和1個大氣壓下不大于約30mW/(m ? K)的熱導率;和
[0017] (b)選自如下的一種或多種機械性能：
[0018] (i)大于約0.1 MPa的壓縮強度；
[0019] (ii化于約0.05MPa的曉曲強度;和
[0020] (iii)大于約〇.5Mh的彈性模量。
[0021] 實施方式2.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述熱導率在23°C和1個大氣 壓下不大于約26mW/m ? K。
[0022] 實施方式3.實施方式I的自支撐剛性復合材料，其中所述熱導率在23°C和I個大氣 壓下不大于約20mW/m ? K。
[0023] 實施方式4.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述曉曲強度大于約0.5MPa。
[0024] 實施方式5.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述曉曲強度大于約IMPa。
[0025] 實施方式6.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述壓縮強度大于約0.5MPa。
[0026] 實施方式7.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述壓縮強度大于約5MPa。
[0027] 實施方式8.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述彈性模量大于約1.3MPa。
[0028] 實施方式9.實施方式1的自支撐剛性復合材料，其中所述彈性模量大于約2MPa。
[0029] 實施方式10.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復合材料，其中所述復合材料 具有在約0.06-約0.5g/cm3范圍內的密度。
[0030] 實施方式11.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復合材料，其中所述復合材料 包含水泥質粘結劑。
[0031] 實施方式12.實施方式11的自支撐剛性復合材料，其中所述粘結劑選自水泥、石 膏、石灰、及其任意組合。
[0032] 實施方式13.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復合材料，其中所述復合材料 包含纖維。
[0033] 實施方式14.實施方式13的自支撐剛性復合材料，其中所述纖維具有基本上均勻 的長度。
[0034] 實施方式15.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復合材料，其中顆粒間空氣W 小于約30體積％的量存在于所述復合材料中。
[0035] 實施方式16.前述實施方式中任一項的自支撐剛性復合材料，其中所述復合材料 具有耐火性和/或耐燃性。
[0036] 實施方式17.實施方式1-16中任一項的自支撐剛性復合材料，其中所述復合材料 具有聲反射性能。
[0037] 實施方式18.包括彼此層壓的兩個或更多個層的制品，所述層的至少一個包括實 施方式1-17中任一項的復合材料。
[0038] 實施方式19.建筑物圍護結構，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0039] 實施方式20.火阻擋物，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0040] 實施方式21.建筑材料，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0041] 實施方式22.管道絕緣系統，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0042] 實施方式23.管道絕緣系統，其中將實施方式1-17中任一項的復合材料設置于預 制組件中的內部管和外部護套之間。
[0043] 實施方式24.剛性板，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0044] 實施方式25.低溫絕緣系統，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0045] 實施方式26. LNG運輸船，其包含實施方式25的低溫絕緣系統。
[0046] 實施方式27.包含實施方式1-17中任一項的復合材料的絕緣系統，其中所述復合 材料為承重的機械支撐體。
[0047] 實施方式28.用于建筑物結構中的內墻表面的干墻板，其包含實施方式1-17中任 一項的復合材料。
[004引實施方式29.吸聲天花板瓷磚，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0049] 實施方式30.覆蓋有實施方式1-17中任一項的復合材料的混凝±天花板或地板 層。
[0050] 實施方式31.磚，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0051] 實施方式32.灰漿，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料的漿料前體。
[0052] 實施方式33.實施方式32的灰漿，其中所述灰漿施加至表面、磚之間、或墻元件之 間。
[0053] 實施方式34.擱筑體，其包含實施方式1-17中任一項的復合材料。
[0054] 實施方式35.用于將實施方式1-17中任一項的復合材料固定到支撐體的方法，包 括在所述復合材料中鉆孔。
[0055] 實施方式36.用于將實施方式1-17中任一項的復合材料安裝到支撐體上的方法， 包括在所述復合材料中鉆一個或多個孔。
[0056] 實施方式37.實施方式36的方法，進一步包括通過選自螺栓、螺絲釘、及其任意組 合的裝置將所述復合材料附著到所述支撐體上。
[0057] 實施方式38.用于制造自支撐剛性復合材料的方法，該方法包括：
[0058] (a)將氣凝膠顆粒與粘結劑組合W形成漿料；
[0059] (b)使所述漿料成型;和
[0060] (C)允許所述成型的漿料硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而 產生具有如下的自支撐剛性復合材料：
[0061 ] 在23°C和1個大氣壓下不大于約50mW/m ? K的熱導率;和
[0062] 選自如下的一種或多種機械性能：
[0063] (i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；
[0064] (ii)大于約0.1 M化的壓縮強度;和
[0065] (iii)大于約0.5M化的彈性模量。
[0066] 實施方式39.實施方式38的方法，其中所述熱導率在23°C和1個大氣壓下不大于約 30mW/m ? K。
[0067] 實施方式40.實施方式38的方法，其中所述熱導率在23°C和1個大氣壓下不大于約 20mW/m ? K。
[0068] 實施方式41.實施方式38的方法，其中所述曉曲強度大于約0.5MPa。
[0069] 實施方式42.實施方式38的方法，其中所述曉曲強度大于約IMPa。
[0070] 實施方式43.實施方式38的方法，其中所述壓縮強度大于約0.5MPa。
[0071] 實施方式44.實施方式38的方法，其中所述壓縮強度大于約5MPa。
[0072] 實施方式45.實施方式38的方法，其中所述彈性模量大于約1.3MPa。
[0073] 實施方式46.實施方式38的方法，其中所述彈性模量大于約2MPa。
[0074] 實施方式47.實施方式38-46中任一項的方法，其中所述漿料通過模塑成型。
[0075] 實施方式48.實施方式38-47中任一項的方法，其中所述漿料進一步包含表面活性 劑。
[0076] 實施方式49.實施方式38-48中任一項的方法，進一步包括將所述漿料與絲狀材料 組合。
[0077] 實施方式50.實施方式49的方法，其中所述絲狀材料具有在為了使所述絲狀材料 分散在所述漿料中而進行的混合過程期間基本上得W保持的絲長度。
[0078] 實施方式51.實施方式38-50中任一項的方法，其中所述粘結劑是無機粘結劑、有 機粘結劑、或其任意組合。
[0079] 實施方式52.實施方式38-51中任一項的方法，其中所述粘結劑W含有粘結劑的組 合物提供。
[0080] 實施方式53.實施方式52的方法，其中所述含有粘結劑的組合物是薄漿配方。
[0081] 實施方式54.實施方式38-53中任一項的方法，其中所述自支撐剛性復合材料具有 在約0.06-約0.5g/cm3范圍內的密度。
[0082] 實施方式55.實施方式38-54中任一項的方法，其中顆粒間空氣W小于約30體積％ 的量存在于所述復合材料中。
[0083] 實施方式56.用于制造自支撐剛性復合材料的方法，該方法包括：
[0084] a)使含有氣凝膠的材料與粘結劑組合W形成漿料；
[0085] b)將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所述混合過程基 本上保持表征所述絲狀材料的初始絲長度；
[0086] C)使所述混合物成型；和
[0087] d)允許所述混合物硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而產生 所述自支撐剛性復合材料。
[0088] 實施方式57 .用于制造剛性復合材料的方法，該方法包括：
[0089] a)將含有氣凝膠的材料與粘結劑組合W形成漿料；
[0090] b)將絲狀材料與所述漿料通過混合過程組合，從而形成混合物，所述混合過程基 本上保持表征所述絲狀材料的初始絲長度；
[0091] C)將所述混合物施加到基材上或開口中；和
[0092] d)允許所施加的混合物硬化，其中所述剛性復合材料具有在23°C和1個大氣壓下 不大于約50mW/m ? K的熱導率;和
[0093] 選自如下的一種或多種機械性能：
[0094] (i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；
[0095] (ii)大于約0.1 MPa的壓縮強度;和
[0096] (iii)大于約〇.5MPa的彈性模量。
[0097] 實施方式58.用于制造剛性復合材料的方法，該方法包括：
[0098] (a)將氣凝膠顆粒與粘結劑組合W形成漿料；
[0099] (b)將所述漿料施加到表面上或開口中；和
[0100] (C)允許所施加的漿料硬化，其中所述硬化過程的至少部分在壓縮下進行，從而產 生具有如下的自支撐剛性復合材料：
[0101] 在23°C和1個大氣壓下不大于約50mW/m ? K的熱導率;和
[0102] 選自如下的一種或多種機械性能：
[0103] (i)大于約〇.〇5MPa的曉曲強度；
[0104] (ii)大于約0.1 M化的壓縮強度;和
[0105] (i i i)大于約0.5MPa的彈性模量。
【附圖說明】
[0106] 在附圖中，在不同的視圖中，參考符號指代相同的部件。附圖不一定是按比例的； 而是將