帶有膨脹護片的阻燃和隔熱的柔韌性材料和制作這種材料的方法

專利名稱：帶有膨脹護片的阻燃和隔熱的柔韌性材料和制作這種材料的方法
技術領域：
本發明涉及用來制作可防止穿著者受到熱量和火傷害的材料。尤其是，本發明涉 及通過膨脹機理來提供熱防護的可阻燃的柔韌性材料。
背景技術：
已經開發了各種形式的防護材料，這些防護材料用來制作諸如手套、夾克類防護 服裝。除了提供耐切割、耐穿刺及耐熱等功能外，織物材料還可以具有阻燃、柔韌性、耐用、 耐磨損等特性，并方便、改善或允許物體的抓握。許多形式的防護服都使用機織或非機織形式纖維和紗制成的織物。一些常用的纖 維包括纖維素(棉)、滌綸、尼龍、芳族聚酰胺(凱氟拉)、間位芳香族聚酰胺(諾梅克斯)、 丙烯酸和超高分子量聚乙烯(Spectra)。盡管如此，當只采用纖維制作防護材料時，常常很 難在一種特定用途的防護材料中取得所有期望的性能特征。例如，芳香族聚酰胺纖維織物 具有高抗拉強度及防彈性能，但該織物的抗磨損性很弱，在暴露于陽光下時會降低性能，對 尖尖的針狀物體的抗刺穿性能較低。再例如，尼龍制成的織物很堅固，耐磨損性好，但尼龍 織物的阻燃性差，抗鋒利刀刃的切割性差，以及熱和化學(特別是酸)穩定性差。總之，特 別是在高性能織物應用環境下使用純織物時，性能通常不得不受到影響。位于明尼蘇達州圣保羅市的HDM公司推出了一種將柔韌性基材與剛性護片相結 合的防護材料，并以SuperFabric .商標在市場銷售。通常，這種材料包括多個很薄的護片， 這些護片都由一種物質做成，而所選用的這種物質可承受等于或高于該材料應用程度和類 型的切割力所施加的穿透力。在一個實施例中，聚合物樹脂用作形成護片的材料。該樹脂 可按構成護片彼此隔開方式印制在柔韌性基材上。樹脂貼附到柔韌性基材上，并在固化后 可與基材形成牢固粘結。材料組件的復合性質使得護片局部可以具有堅硬，耐穿刺和耐切 割特性。然而，與此同時，由于基材的柔韌性和護片的相互間隔關系，整個材料組件呈現出 整體一致性。使用阻燃的護片材料可以做成阻燃的SuperFabric 。或者，也可以通過增加使用阻燃護片的方式使易燃性織物具有一定程度的阻燃性。在由實際易燃性材料制成阻燃的聚合物材料中，如下三種不同方法使用的最多。第一種方法是通過使用鹵化阻燃劑。最常見的是，使用溴化阻燃劑，盡管氯化阻燃劑也同樣 應用很廣。這類添加劑都能夠與燃燒期間所產生的自由基產生反應，從而將自由基從燃燒 環境中排出，防止火焰傳播。盡管一般來講都非常有效，但鹵化阻燃劑卻會帶來嚴重的環境 和健康問題。
第二個方法就是使用分解后在吸收熱的同時可形成易燃性蒸汽的添加劑。這種添 加劑的一個示例就是氫氧化鋁(ATH)，一種可在200°C左右分解形成氧化鋁和水蒸氣的化 合物。這種反應吸收接觸火焰源處的熱量，而所析出的水蒸氣會通過排出材料表面氧氣而 熄滅火焰。像氫氧化鋁這樣的添加劑一般效率都不及其它阻燃劑，不適合更嚴格耐火要求 的應用環境。第三種方法是通過使用膨脹添加劑。當這些添加劑摻入到材料中且該材料隨后暴露于火焰中時，就會發生物理或化學或系列反應，形成可保護其下面任何材料的膨脹隔熱 和抗引燃性炭或陶瓷。在許多磷系膨脹系統中，在酷熱下會形成閉孔炭，包括一種發泡劑 或疏松劑以膨脹該炭。例如，在生產阻燃熱塑性塑料和熱固性材料時使用的一種普通的膨 脹系統就是聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺的混合物；根據聚磷酸銨的鏈長度，可以在大約 150°C和大約300°C之間分解，最終形成磷酸。磷酸隨后使季戊四醇脫水，而且在某些情況 下，還會使熱塑性或熱固性材料脫水，引起帶有閉殼結構的炭的形成。最后，三聚氰胺在大 約300°C時分解，吸收熱量并形成可使炭膨脹的大量的氮氣。其它膨脹系統，諸如硅酸鈉或 可膨脹石墨，都是利用各個粒子內的發泡劑來膨脹固有的抗引燃性材料。石墨與硝酸或硫 酸的相互溶入產生可膨脹石墨，從而形成在石墨晶體結構中通過分散力而保持在碳原子平 面之間的酸分子。一旦加熱，酸分子會分解而形成氣體，迫使碳原子平面分開。這個過程將 可膨脹石墨片轉換成一種“蠕蟲”，其在厚度上可膨脹高達1000%以上。由于石墨是抗引燃 性的，膨脹石墨片形成一種可保護下層材料防止燃燒的陶瓷屏障。膨脹系統已經得到廣泛應用，包括密封劑、涂料和油漆、樹脂、電纜套管、清漆、 結構材料、紡織品，以及許多其它需要抗引燃性、隔熱或自熄聚合物材料的環境下。美國 6，747’ 074號專利介紹了耐火密封劑的成分。這些成分包括氫氧化堿金屬硅酸鹽，以提供膨 脹特性，聚合熱固性或熱塑性粘結劑，以及促進碳化的附加阻燃劑，諸如聚磷酸銨。這種密 封劑成分可以應用于建筑物種，防止火焰從一個房間擴散到另一個房間。美國6，642，284 號專利介紹了膨脹涂料，在該專利中，聚磷酸銨被描述成一種與薄膜成形聚合粘結劑相結 合的發泡劑，一種成炭劑，以及一種附加阻燃材料。美國6，228，914號專利說明了適合涂 覆或浸漬基底材料的膨脹性樹脂，其中，該樹脂由兩種膨脹成分組成。第一種成分是一種 與酸磷化合物相結合的酸固化三聚氰胺樹脂粘結劑；硬化后的粘結劑能夠在與火焰接觸 時形成炭。第二種成分，是由三聚氰胺樹脂粘結的，是可膨脹石墨粒子。美國5，475，041 號專利介紹了適合電纜套管的成分，由帶有三聚氰胺或三聚氰胺鹽的聚烯烴或烯烴共聚 物一一種聚亞苯基氧化物化合物一和一種作為添加劑加入的硅基材料組成。《火與材 料》(Fire andMaterials)在“膨脹性硅基材料；與火接觸時的膨脹機理”(Intumescent Silicate-basedMaterials :Mechanism of Swelling in Contact with Fire) 一文中介紹 了一種可成形為板材的膨脹材料(第9卷，第4期，171-175頁)。這種材料通過在非機織 玻璃纖維上應用一種硅酸鈉水溶液，并使該硅酸鈉溶液干燥的方式來生產。在一個實施例中，可熱膨脹的微球或微膠囊是應用于織物的膨脹系統的組成部 分。這些小型的球形粒子的直徑相當于納米到毫米，并帶有一個由聚合物殼包封的芯，內裝 有一種揮發性液體或一種氣體。一旦遇到加熱，該芯就會作為正常的氣態膨脹或通過液芯 的蒸發而膨脹，對聚合物殼形成壓力，后者同時變軟并膨脹。市場上已有的熱膨脹微球，諸 如Expancel，Inc.公司生產的Expancel ,牌微球，能夠膨脹到高達其原來體積的40倍以上。每個微球都會膨脹到最大點，而后，膨脹的殼就會破碎，釋放芯內材料。對于本發明的 一種實施例來講，微球的作用是提供熱膨脹特性，與此同時，有助于膨脹系統的阻燃性。可熱膨脹的和非膨脹的微球在應用中呈未膨脹和膨脹狀態。這些用途包括印刷用的墨和顏料、泡沫生產、控制的藥物和除草劑投放、填充材料、隔熱材料、粘合劑、紙張以 及紡織品。在美國的4，006, 273號專利中，披露了一種在織物中使用三維圖像和效果的方 法。在熱固化聚合物材料中使用可膨脹微球，然后將這種材料印制到織物表面上。一旦加 熱，微球即會膨脹，在織物上生成三維圖像，聚合材料會固化到堅硬狀態，從而使得這種三 維圖像可洗并可干洗。正如美國4，201，822號專利中所介紹的那樣，還可使用微球來生成 耐化學織物，這種織物可以用于衣服，使穿著者防止受到毒劑的傷害。樹脂內裝有由半可滲 透聚合物殼組成的微球和由中和或凈化劑化合物組成的核芯，在這點上，織物基材涂有樹 月旨，且樹脂固化。一旦與毒性劑接觸，半可滲透聚合物微球殼就會使毒性劑擴散到微球芯， 在這里被中和處理。美國4，898，734,4, 675，189,5, 529，777和6，340，653號專利都涉及到 含有芯物質的微球，這種芯物質可以隨著時間的推移通過包封殼來擴散，方便了芯內物質 有控制的向指定目標釋放。美國5，260，343、6，638，984和6，720，361號專利也都介紹了泡 沫生產方法，在泡沫生產中，熱膨脹微球用作主要的發泡劑或共發泡劑。美國6，207，730和 6，903，898號專利在粘合劑的生產中也都使用了微球。關于前一個專利，微球是用在環氧樹 脂粘合劑中，從而使得粘合劑可以應用到孔狀基材表面，無需流過基材。關于后一個專利， 微球用在壓敏粘合劑中，用作一種硬盤標簽；在應用后，該標簽可以通過加熱和膨脹微球而 很容易被撕去，降低了標簽在驅動器表面上的粘結強度。熱膨脹微球已作為膨脹系統的活性成分用于要求使用阻燃材料的環境中。例如， 美國4，719，249號專利披露了一種阻燃材料的成分，這種材料可用作沿墻壁和地板的防火 密封材料。一種固有的阻燃聚硅氧烷彈性材料與熱膨脹微球相結合，這樣，該彈性材料在遇 火接觸時就會膨脹，防止火焰在建筑物不同區域之間傳播。美國5，132，054和5，137，658 號專利介紹了適合用作防火密封材料的另一種成分。在這種情況下，熱膨脹微球可以與附 加膨脹化合物相結合，諸如可膨脹石墨或硅酸鈉。微球提供最高300%的低溫膨脹，而附加 化合物則向材料提供抗引燃特性，以及高達700%的高溫膨脹。正如美國5，786，095號專利 所披露的那樣，膨脹涂料在與加厚熔合材料和其它選用添加劑相結合的堿性金屬硅酸鹽溶 液內使用了熱膨脹微球。另外，該涂料是固有阻燃的，微球便于涂料在與火焰接觸時膨脹， 保護了應用涂料的基材。傳統上，阻燃織物材料的生成有兩種不同的方法。當然，最成功的方法一直是使 用固有阻燃纖維機織織物。芳族聚酰胺或聚苯并咪挫纖維，諸如市場上銷售的Nomex : 或PBl Gold 產品，在任何溫度下都不會引燃或融化。另一方面，這些纖維卻有許多缺點。 芳族聚酰胺纖維生產成本適中，但機械強度和隔熱性差，在暴露于紫外線下時性能會下降。 聚苯并咪挫纖維生產成本昂貴，同時機械強度也差。美國專利4，865，906,6, 358，608和 6，287，686介紹了另外一種經聚丙烯腈氧化后的固有的阻燃纖維，市場上以Carbon-X 商 標名銷售。氧化后的聚丙烯腈是一種膨脹纖維，且是一種阻燃纖維。然而，這種纖維制造成 本昂貴，機械強度差，而且觸感和透氣性也差。另一種方法一直是在正常易燃纖維上應用化學處理，其中，隨后機織的織物的每 根纖維都涂有一道阻燃材料。例如，市場上銷售的Indura 或Proban 織物是由棉或棉/尼龍混合物組成，在這種混合物中，纖維涂有可促進碳化特性的化學成分。盡管該解決方案經 濟有效，但這種織物的化學處理并不是永久的，而且阻燃性會隨著洗滌而減弱。此外，化學 處理也會降低織物的機械強度。

發明內容
為了實現織物材料的耐火性和隔熱性，同時又能保持機械強度、柔韌性和透氣性， 選用的底基織物具有良好的機械強度、柔韌性和透氣性。為了使底基織物具有耐火性和/ 或隔熱性，一種非重疊的間斷的護片重復構型貼附到織物的表面上。一旦貼附好后，護片形 狀和尺寸均勻，間隔距離也均勻，即連續的外露于底基織物的區域是均勻的。護片改善了底基織物的耐火性和隔熱性。在一個簡單形式中，護片是由內部含有熱膨脹材料一諸如微球一的聚合物材料組成。一旦接觸酷熱或火焰，熱膨脹材料就會 膨脹，貼附的護片也隨之膨脹。形成護片的聚合物材料優選固有抗燃性和較低導熱性。一 旦膨脹后，貼附的護片就會以基本連續方式覆蓋暴露于火焰中的整個底基織物區域，使底 基織物不與火焰接觸，與熱源隔開。通過降低聚合物材料膨脹產生的有效導熱性和通過聚 合物材料厚度降低底基織物溫度上升的方式，增強隔熱性。在本發明的一個實施例中，熱膨脹性微球用作膨脹劑。這種微球可以用聚合物殼 制成，后者包裹了具有高沸點的水或水基溶液的核。這種方法的優點是微球核內的水的蒸 發不僅可以使微球一進而是護片一膨脹，而且也會吸取焰源中的大量熱量。甚至更為 有益的是，形成護片的聚合物材料可以選擇具有伸長性能，其伸長性之大可以使微球膨脹 到其最大限度。在膨脹到這種程度時，微球破裂，釋放其中所含之物，進一步增加了底基織 物的防護作用。或者，微球可以同樣包裹帶有同樣相應沸點的不同的非易燃液體的芯。另 一種選擇方式是，在微球中加入一種氣體，諸如氮氣，隨著溫度的升高氣體壓力會升高，同 時隨著溫度的升高聚合物殼會變軟，從而導致微球膨脹。在正常情況下，具體來講是在接觸任何酷熱或火焰之前，貼附的護片周圍暴露的 底基織物的連續區域可使織物得以保持底基織物的柔韌性和透氣性。此外，底基織物的機 械性能可以采用貼附耐火護片而大大增強。如果形成護片的底基織物和聚合物材料選擇為 耐紫外線輻射的，那么整個織物結構也將是耐紫外線輻射的。由隔熱材料組成的護片在正 常情況下也可向織物提供隔離特性。在本發明的實施例中，使用了包裹流體的熱膨脹微球，這種流體在大氣壓力下在 100°C到400°C之間沸騰，阻燃機理如下首先，微球核內的流體會蒸發，吸收掉燃燒源中的 熱量。其次，流體蒸汽使微球膨脹，結果，也使得固有阻燃護片材料膨脹，在底基織物上形成 基本連續薄膜。第三，微球膨脹到其最大限度并破碎，釋放其內所含之物以排出護片表面上 的氧氣并撲滅火焰。即使在使用非阻燃基材時，所述機理之相結合，可在一段時間內提供阻 燃效果，這個時間甚至大于標準紡織品可燃性試驗所要求的12秒。當滌綸或尼龍被選作為 底基基材時，織物的最終失敗可能不是因為燃燒，而是因為底基基材的融化，因為最后充足 的熱量經由膨脹的護片傳輸，使得底基織物的熱量高于其融化溫度。可阻燃、隔熱、機械強 度高、柔韌、透氣和/或抗紫外線的織物的生產成本要大大低于采用固有阻燃纖維制作的 織物。這是由于至少三個因素所致。一個重要因素是，傳統底基織物的選用僅僅只是市場 上銷售的阻燃織物(諸如Nomex ，PBI Gold .和Carbon-X )的成本的很少一部分。此夕卜，護片中使用的材料成本也相對較低。還有，以間斷方式貼附的護片也有助于降低成本。 雖然護片的貼附旨在保持柔韌性和透氣性，但阻燃材料實際上只用在底基織物的一部分表 面上，而不是整個表面。在本發明的織物如果用在兩面都可能接觸燃燒的應用環境的實施例中，阻燃護片可以貼附到底基織物的兩側。在其它實施例中，護片貼附到織物一側就足夠了，例如，耐火 服裝。本發明的一個附加優點是，能夠提供織物的耐切割、抗刺割和耐刺穿能力。美國專 利5，853，863,5, 906，873和6，159，590以及專利申請20040192133都披露了護片在底基織 物上的貼附方式，從而提供織物的耐切割、抗刺割和耐穿刺能力。在阻燃護片上可以貼附一 個附加的間斷護片層，使織物具有特別的隔熱和耐切割、抗刺割、耐穿刺和耐燃燒性，與此 同時，仍保持機械強度、柔韌性和透氣性。或者，可以先將耐切割、抗刺割和耐穿刺護片貼附 到底基織物上，而后再將阻燃護片貼附到這些護片上。傳統的底基織物也可以吸納其它性， 其良好性能不會因為使用這種方法而大受影響。本發明的目的之一是提供一種織物材料，這種材料可以通過膨脹機制而做成阻燃 性的。本發明中使用的柔韌性基材可以是上述以及技術背景部分中的任何織物材料，或者 是以標準的非阻燃材料為基礎，諸如尼龍或滌綸。這種織物材料可以做成機械強度高、隔 熱、抗紫外線輻射、柔韌性和可透氣性的。如果需要，織物材料也可以設計成具有耐切割、耐 穿刺和/或耐磨損性能。


圖1A-1C示出了防護材料一個示例的各種示意圖，所述防護材料包括貼附到柔韌 性基材上的六邊形護片。圖2示出了防護材料的一個示例，所述防護材料包括以較窄間隙貼附到柔韌性基 材上的正方形和五邊形護片。圖3示出了防護材料的一個示例，所述防護材料包括以較寬間隙貼附到柔韌性基 材上的正方形和五邊形護片。圖4示出了防護材料的一個示例，所述防護材料包括貼附到柔韌性基材上的圓形 護片。圖5A-5D示出了防護材料各個膨脹階段的示例。盡管本發明可以進行各種改進和做成不同形式，但附圖所給示例介紹了具體實施 方式并在下面給予詳細描述。然而，其本意并不是將本發明限制在所述具體實施例。相反， 本發明旨在覆蓋屬于所附權利要求限定的本發明范圍內的所有改進產品、對等物和備選 物。
具體實施例方式圖IA示出了根據本發明一個實施例的帶有柔韌性基材3和等間距護片2的防護 材料的俯視平面圖。護片2按彼此等間隔關系貼附到柔韌基材3的第一面或頂面4上。在 圖1所示實施例中，護片2為六邊形形狀。在另一些實施例中，護片2可以呈現其它形狀， 例如，橢圓形、正方形、或任何其它多邊形，并可以按任意或不規則間隔填充形式布置。毗鄰護片2之間帶有一定間隙寬度5。在圖IC所示實施例中，護片2的垂直剖面一般為平整的。 在圖IB所示實施例中，護片2的垂直剖面呈穹頂形式。圖2示出了另一種實施例，在這個實施例中，護片2的形狀為正方形或五邊形。在 一個實施例中，正方形的尺寸相對兩邊在大約50和大約150密耳之間，而間隙寬度5在大 約5和大約50密耳之間。圖3示出了類似圖2的護片布置形式，但是間隙寬度較大。
圖4示出了護片2為圓形的實施例。在一個實施例中，圓的直徑在大約50到大約 150密耳之間，而間隙寬度5則在大約5和150密耳之間。圖5A-5D示出了防護材料1各個膨脹階段的示例。圖5A示出了防護材料1尚未 膨脹的示例。在這種情況下，護片2之間間隙5是敞開的，這樣大量氣流6就可以流過防護 材料1。圖5B示出了防護材料1在開始膨脹后不久的一個示例。在這個示例中，間隙5由 于膨脹劑7的膨脹而閉合。圖5C示出了圖5B防護材料1在應用附加熱量以及出現額外膨 脹后的情況。圖5D示出了圖5C防護材料1在更進一步膨脹后的情況。如下在共同持有的美國專利中介紹了所述防護材料和制作該防護材料的方法的 各種實施例，即美國專利號6，962，739，申請日2001年12月21日，名稱為“柔韌的耐穿 刺織物和制作方法”；美國專利號7，018，692，申請日2003年12月12日，名稱為“帶有多 層護片組件的耐穿刺性織物和制作這種織物的方法”；美國專利公開號20040192133，申 請日2004年11月3日，名稱為“耐磨損性和耐熱織物”，S/N10/734, 686 ；美國專利公開 號20050170221，申請日2004年11月3日，名稱為“柔韌的耐穿刺織物和制作方法”，S/N 10/980,881 ；以及美國專利公開號20050009429，申請日2004年11月3日，名稱為“阻燃和 耐切割織物”，S/N 10/887，005，所有這些申請案的全部內容并入此案，以作引用。在一個實施例中，柔韌性基材是一種聚合物薄膜。在另一個實施例中，柔韌性基材 是一種機織織物。在另一個實施例中，柔韌性基材是針織織物。也是在另一個實施例中，柔 韌性基材是一種非機織織物。本發明的其它實施例使用了上述共同轉讓專利和專利公布文 件中所述的其它織物。通常，護片的樹脂材料選擇具有耐切割、抗刺割或耐穿刺、耐久性和/或與柔韌性 基材的粘結特性及其與基材的粘結特性的一種樹脂。適合護片的一種材料是熱固性環氧樹 月旨。間隙寬度的選擇要能保持柔韌性基材的柔韌性，從而可以使整個防護材料提供和保持 其柔韌性和柔軟性。另一種合適的護片材料是熱固性有機硅樹脂。本發明的其它實施例使 用了上述共同轉讓的專利和專利公布文件中所述的其它護片和間隙。柔韌性基材一般還可選擇滿足所需要的性能特性。例如，柔韌性基材可以僅由一 層織物(機織或非機織)組成，或者可包括物理特性不同的多層織物，其中，上述各層彼此 相互疊加或粘結或只是堆積在一起，并在最后應用時沿周邊縫制。柔韌性基材的預期物理 因素一般包括拉伸強度、破裂強度和撕裂強度、柔韌性/柔軟性、水密性、透氣性、觸知性、 舒適性和固有可燃性。在某些應用情況下，還要求柔韌性基材具有彈性。護片可以通過絲網印制工藝貼附到底基織物上，包括上述共同轉讓的專利和專利 公布文件中所介紹的那些。通過適當形狀的絲網印制，護片可以呈現多種形式，包括凸點、 六邊形、五邊形、正方形和許多其它形狀。護片的尺寸范圍可以是，寬或長為幾十到幾百密 耳，厚幾個到幾十個密耳。護片之間距離也可在幾個到幾十個密耳范圍內。在一個實施例中，護片由通過熱量固化到堅硬狀態的熱固性材料制成。熱固性材料必須在熱膨脹劑開始膨脹時的溫度以下固化。在室溫時，熱固性材料必須能夠進行絲 網印制，也就是說，在帶有適當粘度的液體狀態下，這樣，該材料的隨后固化就會形成預期 (例如，均勻)形狀的和帶有預期(例如，均勻)間隔距離的尺寸的護片。為了實現這個目 的，假若固化后的護片的目標特性未受影響，在未經固化的材料上可以適當使用流變性。在另一個實施例中，護片由熱塑性材料制成。材料優選融化溫度小于熱膨脹劑開始膨脹的溫度。另外，該材料最好在這種溫度時具有可容許的粘度，以便微球或其它添加劑 的摻入和材料的絲網印制。在另一個實施例中，護片用可紫外線固化的材料制成。用來制作護片的材料應該是固有阻燃性的，目的是為底基織物提供足夠的保護。 在一些實施例中，在未改性狀態下易燃燒的材料改性到完全阻燃時，這種材料也可以使用。 這種改性需要摻入一些附加的阻燃添加劑，包括一但不限于一硅酸鈉、可膨脹石墨、未膨 脹蛭石、氫氧化鋁、氫氧化鎂、聚磷酸銨、磷酸一銨、磷酸三聚氰胺、氰尿酸三聚氰胺、其它三 聚氰胺基阻燃劑，或者其它磷系阻燃劑。此外，這種材料應該具有充分的拉伸能力，可以在 接觸火焰時膨脹。還有，該材料優選能夠足以膨脹到完全覆蓋暴露的底基織物的各個部分。在使用有可膨脹微球的實施例中，護片材料最好允許所使用的微球膨脹到其最大 極限并破裂。在后一種情況下，接觸材料的火焰會使微球膨脹護片，形成保護下面底基織物 的基本連續屏障；之后微球破裂，釋放其內包封的流體。護片材料可以選擇具有低導熱性，防止熱量經由護片傳輸，融化底基織物。在使 用遇到火焰就會融化的尼龍或滌綸或其它織物的實施例中，低導熱性用于有效阻燃，因為 融化是織物失效的最終原因，因此降低從燃燒火焰向底基織物的熱量傳輸可直接提高阻燃 性。然而，在應用微球的實施例中，護片的膨脹和包封在微球內流體的蒸發則會實際降低熱 量向底基織物的傳輸。在一個實施例中，護片材料由環氧樹脂組成。在其它實施例中，護片材料由彈性體 組成。可能適用的材料還包括硅酮、聚氨酯、丁腈橡膠、聚丁二烯橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠、 乙丙橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、聚乙烯、乙烯烷基乙酯、乙烯烷基丙烯酸酯以及聚丙烯。后者 的熱塑性材料因為其可燃性一般都不是很理想。為此，如果使用熱塑性材料，護片內需要摻 入附加的阻燃添加劑。用來形成本發明中用作膨脹劑的水包封微球的技術有許多種。例如，可以使用界 面聚合技術，按照這種技術，含有水溶性單體的油包水乳狀液與另一種含有水溶性聚合制 劑的油包水乳狀液相混合，使得包封乳化水滴的水不溶性材料得以聚合。《應用聚合物科 學雜志》(Journal of Applied Polymer Science)在“采用界面反應來微囊包封水溶性 滅草劑。I.微囊包封的特征化” (Microencapsulation of Water-SolubleHerbicide by Interfacial Reaction. I. Characterization of Microencapsulation)中進一步詳細介 紹了這項技術(第78卷，第1645-1655頁)。這種技術還存在許多細微區別，例如，最初的 油可溶性單體的使用，而且這些區別適合于水的微囊包封。其它可能的技術涉及到使用含 有油溶性或水溶性聚合物的油包水乳狀液，這種聚合物可沉淀析出到水油界面處。在為油 溶性聚合物的情況下，可以通過聚合物溶劑的液_液萃取或蒸發來實現，而在油溶性和水 溶性聚合物二者都存在的情況下，可以通過改變聚合物溶劑(例如調整PH值)來降低聚合 物的可溶性來實現。美國專利6，638，984舉例介紹了這種技術。
水包封微球的起始膨脹溫度大約為100°C。然而，這個溫度可以通過添加鹽(諸 如氯化鈣)而很容易提高。構成微球殼的優選材料的其它要求是水不可溶性和低于100°c 或低于水的升高沸點(如適用)的玻璃化轉變溫度。為了將護片材料絲網印制到底基織物 上，微球的理想直徑是不大于250微米。微球直徑不大于100微米則更好。微球、護片材料 和任何其它添加物，諸如附加阻燃劑、顏料、流變改性劑，或者加濕或分散劑等，都可以按期 望形狀和圖案混合、絲網印制到底基織物上，如果需要還可固化到堅硬狀態。在另一個實施例中，在圖案中使用了兩個或多個膨脹機理。例如，諸如帶有發泡劑 (如三聚氰胺)的聚磷酸銨的催化劑可以與膨脹微球一起使用。這可以使得兩個不同的活 化溫度通過低溫機理和高溫機理來實現，低溫機理是在開始時啟用以提供熱防護，防止開 始時的熱威脅，而高溫機理則是用來防止連續加熱。這種多重膨脹機理可以集成到僅僅一 層護片中，或者采用兩層或多層護片的多重印制，每層采用不同的膨脹機理。在一個實施例中，膨脹機理的啟動溫度在大約50°C和大約300°C之間。在另一個 實施例中，采用兩個或多個膨脹機理，一個膨脹機理的啟動溫度在大約50°C和大約150°C 之間，另一個膨脹機理的啟動溫度則在大約100°C和大約300°C之間。當護片貼附到底基織物上時，所形成的織物是可透氣的，柔韌的，而且底基織物的 機械強度也不會受到影響。此外，護片材料可以增加耐久性和耐磨損性，耐刺穿性和/或底 基織物的抓握性能。如果織物接觸火焰，護片會由所摻入的膨脹劑膨脹而形成基本連續層， 保護和隔離底基織物。在膨脹劑由可膨脹微球組成的實施例中，微球的破碎會由于芯內流 體的釋放而進一步保護底基織物。這些綜合特性會使得本發明的織物特別適合耐火服裝， 盡管要求耐火或隔熱紡織材料的任何用途都可以適用。如果在某種用途下需要附加的耐開裂或耐刺穿性，可以將增強這種特性的護片貼 附到底基織物或耐火護片上。另外，可以采用多層形式。特別是，一層或多層標準的非膨脹 性SuperFabric 可以用作背層，以改善整個耐開裂、耐刺穿或其它機械性能。外膨脹層可以 在很大程度上防護里層SuperFabric 不受火焰和熱量的侵襲。為了增強熱保護性，可以在膨脹層SuperFabric 之后再用第二層SuperFabric
材料。第二層SuperFabric 可以利用低導熱性材料制成的護片。使用這些彼此相隔適宜的 護片可以防止兩層材料之間出現更多的空氣，最大限度地降低兩層之間的物理接觸，降低 整個導熱性。在一個實施例中，第二層護片由有心玻璃微珠填充的環氧樹脂組成。護片形 狀和護片之間的間隙可以選擇能最大限度地增強隔熱性和柔韌性。在一個實施例中，使用 了高度大約700微米，寬度大約2500微米的護片，間隙大約500微米。在另一個實施例中， 護片高度為200到700微米，寬度為1000到2500微米，間隙為100到500微米。在一個實 施例中，護片覆蓋了基材表面的20%到95%。在另一個實施例中，護片覆蓋了基材表面的 40%到80%。在其它實施例中，使用的層數超過了兩層，以進一步改善熱保護性能或增加附 加性能，諸如耐切割性。本發明提供了一種獨特方法，用于在織物上提供膨脹系統從而形成阻燃和/或耐熱織物。特別是在足夠熱的應用場合下，將具有膨脹性能的護片貼附到柔韌性基材上。當 在很熱的情況下，護片尺寸會充分膨脹，使得護片之間間隙有效閉合。最終形成的膨脹結構 可提供良好的熱屏障。在柔韌基材易燃的實施例中，膨脹護片會阻擋火焰接近織物表面，從 而為整個結構提供了阻燃性。
權利要求
一種防護材料，包括具有表面的柔軟性基材；以及多個彼此間隔排列的貼附到該表面的具有較大直徑和較小直徑的互不相連的護片，其中，護片含有在施加足夠熱量后就會顯著膨脹的材料，而且其中，較大尺寸與較小尺寸之比在大約1到大約3之間。
2.根據權利要求1所述的防護材料，其中，柔韌性基材是一種機織的、針織的，或非機 織的織物，而且其中，護片部分地穿過織物的表面。
3.根據權利要求1所述的防護材料，其中，柔韌性基材是聚合物薄膜。
4.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片覆蓋了基材的40%-80%。
5.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片的較大尺寸在大約1000和2500微米之 間，護片之間的間隙在大約100到500微米之間。
6.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片在大約50°C到大約300°C之間開始膨脹。
7.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片的膨脹分兩個或多個階段，其中一個階 段是在大約50°C到大約150°C之間啟動，另一個階段是在大約100°C到大約300°C之間啟動。
8.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片材料含有樹脂和膨脹劑。
9.根據權利要求8所述的防護材料，其中，膨脹劑含有樹脂中的液體滴。
10.根據權利要求8所述的防護材料，其中，護片材料含有熱固性樹脂。
11.根據權利要求8所述的防護材料，其中，護片材料含有熱塑性樹脂。
12.根據權利要求8所述的防護材料，其中，護片材料進一步包括阻燃添加劑。
13.根據權利要求12所述的防護材料，其中，附加的阻燃添加劑包括一個或多個如下 成分氫氧化鋁、氫氧化鎂、三氧化銻、硼酸鋅、溴化化合物、氯化化合物、磷酸二氫銨、三聚 氰胺鹽、三聚氰胺基化合物、聚磷酸銨、季戊四醇、硅酸鈉、蛭石和可膨脹石墨。
14.根據權利要求8所述的防護材料，其中，膨脹劑包括熱膨脹微球。
15.根據權利要求14所述的防護材料，其中，熱膨脹微球包括由聚合物殼包封的非易 燃液體。
16.根據權利要求15所述的防護材料，其中，非易燃液體包括水，而聚合物殼包括一種 玻璃化轉變溫度小于100°C的材料。
17.根據權利要求15所述的防護材料，其中，非易燃液體包括水和可提高水的蒸發溫 度的一種化合物，而聚合物殼包括一種玻璃化轉變溫度小于蒸發溫度的材料。
18.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片的膨脹會填充相鄰護片之間的間隙以 形成連續防護層。
19.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片的膨脹是在大于約50°C的溫度時啟動。
20.根據權利要求1所述的防護材料，其中，護片材料的膨脹至少分第一和第二階段， 其中第一階段是在溫度大于第一溫度時啟動，而第二階段是在溫度大于第二溫度時啟動， 而且其中第二溫度大于第一溫度。
21.一種防護材料，包括包括具有表面的柔韌性基材的第一層，和多個彼此間隔排列的貼附到該表面的互不相 連的護片，其中，該護片包括在施加足夠熱量時就會顯著膨脹的材料；以及 包括具有表面的柔韌性基材的第二層，和多個彼此間隔排列的貼附到該表面的互不相 連的護片，其中，該護片包括低導熱性材料。
全文摘要
一種防護材料，包括具有頂表面的柔韌性基材和多個彼此間隔排列的貼附到該表面的互不相連的護片。該護片由一種在施加足夠熱量時會顯著膨脹的材料組成，形成隔熱阻燃層。
文檔編號C09K21/14GK101802131SQ200880025141
公開日2010年8月11日 申請日期2008年5月16日 優先權日2007年5月18日
發明者克利夫頓·F·理查森, 布拉德·瓊斯, 斯蒂文·金, 紀泓, 迅恩·C·帕克, 金永華, 金永權 申請人:攀高維度材料公司