气凝胶复合材料及其制造和使用方法
【专利说明】气凝胶复合材料及其制造和使用方法
[0001]本申请是基于申请日为2010年11月22日，优先权日为2009年11月25日，申请号为 201080062308.9,发明名称为："气凝胶复合材料及其制造和使用方法"的专利申请的分案 申请。
[000^ 相关申请
[0003] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2009年11月25日提交的美国临时专利申请 No. 61/264352和2010年1月19日提交的美国临时专利申请No. 61/296183的权益，将它们两 者的全部内容引入本文作为参考。
【背景技术】
[0004] 许多应用得益于相对轻的且结合了所需的机械性能和绝缘特性的材料。建筑工业 和其它领域中的趋势也偏爱其制造和使用是简易的制品。因此，对于运样的材料、制品W及 它们的制造和使用方法存在持续的需要。
【发明内容】
[0005] 本发明总体上设及包含气凝胶的复合材料、制造方法、W及使用运样的复合材料 的方法和制品。总的来说，本文中描述的复合材料具有运样的热导率(在23°C和1个大气压 下），其不大于约50mW/(m ? K)，例如，在约20-约30mW/(m ? K)的范围内，如26mW/(m ? K)，且 可小于或等于20mW/(m ? K)。所述复合材料可进一步特征在于它们的机械性能。
[0006] 例如，在一个实施方式中，本发明设及包括含有气凝胶的材料(例如颗粒形式的） 和粘结剂(binder)(例如无机的，如水泥质粘结剂)的自支撑刚性复合材料。在具体实施中， 所述自支撑刚性复合材料具有根据ASTM巧18测量的不大于约30mW/(m ? K)，例如26mW/ (m . K)或更低，如20mW/(m . K)的热导率，且可进一步特征在于一种或多种机械性能例如其 压缩强度、晓曲强度和/或弹性模量。在一些实施中，所述自支撑刚性复合材料包含一种或 多种其它成分，例如，表面活性剂、纤维、遮光剂、阻燃剂等。
[0007] 在另一实施方式中，本发明设及用于制造复合材料的方法。该方法包括:将气凝胶 颗粒、粘结剂、W及任选的一种或多种其它成分例如遮光剂、表面活性剂、阻燃剂、纤维等组 合W形成浆料;使该浆料成型或涂覆该浆料;和允许所述浆料硬化化arden)，从而产生所述 复合材料。在本发明的许多方面中，所述硬化周期(整个过程，cycle)的至少部分在压缩下 进行。当采用纤维或其它丝状(filamen化ry)材料时，本发明的一些方面偏爱窄的纤维长度 分布，在许多情况中，所述纤维长度分布向更高的纤维长度值偏移。
[000引在一种实施中，用于制造自支撑刚性复合材料的方法包括:将气凝胶颗粒与粘结 剂组合W形成浆料;使所述浆料成型;和允许所述成型的浆料硬化，其中所述硬化过程的至 少部分在压缩下进行，从而产生具有如下的自支撑刚性复合材料:在23°C和1个大气压下不 大于约50mW/m，K的热导率；W及选自如下的一种或多种机械性能：（i)大于约0.05MPa的晓 曲强度；（ii)大于约O.lMPa的压缩强度;和(iii)大于约0.5MPa的弹性模量。
[0009]在另一实施中，用于制造自支撑刚性复合材料的方法包括:将含有气凝胶的材料 与粘结剂组合W形成浆料;将丝状材料与所述浆料通过混合过程组合，从而形成混合物，所 述混合过程基本上保持表征所述丝状材料的初始丝(filament)长度;使所述混合物成型； 和允许混合物硬化，其中所述硬化过程的至少部分在压缩下进行，从而产生所述自支撑刚 性复合材料。
[0010] 在进一步的实施中，用于制造刚性复合材料的方法包括:将含有气凝胶的材料与 粘结剂组合W形成浆料;将丝状材料与所述浆料通过混合过程组合，从而形成混合物，所述 混合过程基本上保持表征所述丝状材料的初始丝长度;将所述混合物施加到基材上或开口 (opening)中；和允许该混合物硬化，从而形成所述刚性复合材料，其中所述刚性复合材料 具有:在23°C和1个大气压下不大于约50mW/m-K的热导率；W及选自如下的一种或多种机 械性能：（i)大于约〇.〇5MPa的晓曲强度；（ii)大于约0.1M化的压缩强度；和（iii)大于约 0.5MPa的弹性模量。
[0011] 在又一实施中，用于制造刚性复合材料的方法包括:将气凝胶颗粒与粘结剂组合 W形成浆料;将所述浆料施加到表面上或开口中；和允许所施加的浆料硬化，其中所述硬化 过程的至少部分在压缩下进行，从而产生具有如下的刚性复合材料:在23°C和1个大气压下 不大于约50mW/m ? K的热导率；W及选自如下的一种或多种机械性能：（i)大于约0.05MPa的 晓曲强度；（ii)大于约0.1 MPa的压缩强度;和(iii)大于约0.SMPa的弹性模量。
[0012] 在进一步的实施方式中，本发明设及含有气凝胶的复合材料，例如具有本文中公 开的特性的自支撑和/或刚性复合材料，在下面进一步描述的各种制品和/或应用中的用 途。
[0013] 本发明具有许多优点。例如，本文中所描述的复合材料易于制造且使用简便，在建 筑工业和其它最终用途应用中提供优异的性质。通过将若干种有吸引力的性质组合，运些 复合材料减少典型地需要的常规材料或制品的总数量，使建筑和制造过程简化。在许多情 况中，气凝胶的存在可降低材料的总重量，材料的总重量是许多建筑工程中的重要考虑因 素。替代地或者另外，气凝胶的存在可减小绝缘体的体积例如厚度，而不牺牲绝缘性能。复 合材料(例如本文中描述的）中的热性质与机械性能的组合可导致承重的绝缘制品且可使 对于其它机械支撑体例如金属支撑体的需求减少或最小化，所述金属支撑体可传导热且由 此削弱总的绝缘性。与本文中公开的复合材料的一些有关的疏水性质可在设及潮湿环境的 应用中利用。在许多情况中，本文中描述的复合材料具有用于降低声音或噪音的应用的有 吸引力的声学性能和/或优异的耐燃性。
[0014] 本发明包括W下内容：
[0015] 实施方式1.包含颗粒形式的含有气凝胶的材料、无机粘结剂的自支撑刚性复合材 料，所述自支撑刚性复合材料具有：
[0016] (a)在23°C和1个大气压下不大于约30mW/(m ? K)的热导率;和
[0017] (b)选自如下的一种或多种机械性能：
[0018] (i)大于约0.1 MPa的压缩强度；
[0019] (ii化于约0.05MPa的晓曲强度;和
[0020] (iii)大于约〇.5Mh的弹性模量。
[0021] 实施方式2.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述热导率在23°C和1个大气 压下不大于约26mW/m ? K。
[0022] 实施方式3.实施方式I的自支撑刚性复合材料，其中所述热导率在23°C和I个大气 压下不大于约20mW/m ? K。
[0023] 实施方式4.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述晓曲强度大于约0.5MPa。
[0024] 实施方式5.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述晓曲强度大于约IMPa。
[0025] 实施方式6.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述压缩强度大于约0.5MPa。
[0026] 实施方式7.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述压缩强度大于约5MPa。
[0027] 实施方式8.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述弹性模量大于约1.3MPa。
[0028] 实施方式9.实施方式1的自支撑刚性复合材料，其中所述弹性模量大于约2MPa。
[0029] 实施方式10.前述实施方式中任一项的自支撑刚性复合材料，其中所述复合材料 具有在约0.06-约0.5g/cm3范围内的密度。
[0030] 实施方式11.前述实施方式中任一项的自支撑刚性复合材料，其中所述复合材料 包含水泥质粘结剂。
[0031] 实施方式12.实施方式11的自支撑刚性复合材料，其中所述粘结剂选自水泥、石 膏、石灰、及其任意组合。
[0032] 实施方式13.前述实施方式中任一项的自支撑刚性复合材料，其中所述复合材料 包含纤维。
[0033] 实施方式14.实施方式13的自支撑刚性复合材料，其中所述纤维具有基本上均匀 的长度。
[0034] 实施方式15.前述实施方式中任一项的自支撑刚性复合材料，其中颗粒间空气W 小于约30体积％的量存在于所述复合材料中。
[0035] 实施方式16.前述实施方式中任一项的自支撑刚性复合材料，其中所述复合材料 具有耐火性和/或耐燃性。
[0036] 实施方式17.实施方式1-16中任一项的自支撑刚性复合材料，其中所述复合材料 具有声反射性能。
[0037] 实施方式18.包括彼此层压的两个或更多个层的制品，所述层的至少一个包括实 施方式1-17中任一项的复合材料。
[0038] 实施方式19.建筑物围护结构，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0039] 实施方式20.火阻挡物，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0040] 实施方式21.建筑材料，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0041] 实施方式22.管道绝缘系统，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0042] 实施方式23.管道绝缘系统，其中将实施方式1-17中任一项的复合材料设置于预 制组件中的内部管和外部护套之间。
[0043] 实施方式24.刚性板，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0044] 实施方式25.低溫绝缘系统，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0045] 实施方式26. LNG运输船，其包含实施方式25的低溫绝缘系统。
[0046] 实施方式27.包含实施方式1-17中任一项的复合材料的绝缘系统，其中所述复合 材料为承重的机械支撑体。
[0047] 实施方式28.用于建筑物结构中的内墙表面的干墙板，其包含实施方式1-17中任 一项的复合材料。
[004引实施方式29.吸声天花板瓷砖，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0049] 实施方式30.覆盖有实施方式1-17中任一项的复合材料的混凝±天花板或地板 层。
[0050] 实施方式31.砖，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0051] 实施方式32.灰浆，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料的浆料前体。
[0052] 实施方式33.实施方式32的灰浆，其中所述灰浆施加至表面、砖之间、或墙元件之 间。
[0053] 实施方式34.搁筑体，其包含实施方式1-17中任一项的复合材料。
[0054] 实施方式35.用于将实施方式1-17中任一项的复合材料固定到支撑体的方法，包 括在所述复合材料中钻孔。
[0055] 实施方式36.用于将实施方式1-17中任一项的复合材料安装到支撑体上的方法， 包括在所述复合材料中钻一个或多个孔。
[0056] 实施方式37.实施方式36的方法，进一步包括通过选自螺栓、螺丝钉、及其任意组 合的装置将所述复合材料附着到所述支撑体上。
[0057] 实施方式38.用于制造自支撑刚性复合材料的方法，该方法包括：
[0058] (a)将气凝胶颗粒与粘结剂组合W形成浆料；
[0059] (b)使所述浆料成型;和
[0060] (C)允许所述成型的浆料硬化，其中所述硬化过程的至少部分在压缩下进行，从而 产生具有如下的自支撑刚性复合材料：
[0061 ] 在23°C和1个大气压下不大于约50mW/m ? K的热导率;和
[0062] 选自如下的一种或多种机械性能：
[0063] (i)大于约〇.〇5MPa的晓曲强度；
[0064] (ii)大于约0.1 M化的压缩强度;和
[0065] (iii)大于约0.5M化的弹性模量。
[0066] 实施方式39.实施方式38的方法，其中所述热导率在23°C和1个大气压下不大于约 30mW/m ? K。
[0067] 实施方式40.实施方式38的方法，其中所述热导率在23°C和1个大气压下不大于约 20mW/m ? K。
[0068] 实施方式41.实施方式38的方法，其中所述晓曲强度大于约0.5MPa。
[0069] 实施方式42.实施方式38的方法，其中所述晓曲强度大于约IMPa。
[0070] 实施方式43.实施方式38的方法，其中所述压缩强度大于约0.5MPa。
[0071] 实施方式44.实施方式38的方法，其中所述压缩强度大于约5MPa。
[0072] 实施方式45.实施方式38的方法，其中所述弹性模量大于约1.3MPa。
[0073] 实施方式46.实施方式38的方法，其中所述弹性模量大于约2MPa。
[0074] 实施方式47.实施方式38-46中任一项的方法，其中所述浆料通过模塑成型。
[0075] 实施方式48.实施方式38-47中任一项的方法，其中所述浆料进一步包含表面活性 剂。
[0076] 实施方式49.实施方式38-48中任一项的方法，进一步包括将所述浆料与丝状材料 组合。
[0077] 实施方式50.实施方式49的方法，其中所述丝状材料具有在为了使所述丝状材料 分散在所述浆料中而进行的混合过程期间基本上得W保持的丝长度。
[0078] 实施方式51.实施方式38-50中任一项的方法，其中所述粘结剂是无机粘结剂、有 机粘结剂、或其任意组合。
[0079] 实施方式52.实施方式38-51中任一项的方法，其中所述粘结剂W含有粘结剂的组 合物提供。
[0080] 实施方式53.实施方式52的方法，其中所述含有粘结剂的组合物是薄浆配方。
[0081] 实施方式54.实施方式38-53中任一项的方法，其中所述自支撑刚性复合材料具有 在约0.06-约0.5g/cm3范围内的密度。
[0082] 实施方式55.实施方式38-54中任一项的方法，其中颗粒间空气W小于约30体积％ 的量存在于所述复合材料中。
[0083] 实施方式56.用于制造自支撑刚性复合材料的方法，该方法包括：
[0084] a)使含有气凝胶的材料与粘结剂组合W形成浆料；
[0085] b)将丝状材料与所述浆料通过混合过程组合，从而形成混合物，所述混合过程基 本上保持表征所述丝状材料的初始丝长度；
[0086] C)使所述混合物成型；和
[0087] d)允许所述混合物硬化，其中所述硬化过程的至少部分在压缩下进行，从而产生 所述自支撑刚性复合材料。
[0088] 实施方式57 .用于制造刚性复合材料的方法，该方法包括：
[0089] a)将含有气凝胶的材料与粘结剂组合W形成浆料；
[0090] b)将丝状材料与所述浆料通过混合过程组合，从而形成混合物，所述混合过程基 本上保持表征所述丝状材料的初始丝长度；
[0091] C)将所述混合物施加到基材上或开口中；和
[0092] d)允许所施加的混合物硬化，其中所述刚性复合材料具有在23°C和1个大气压下 不大于约50mW/m ? K的热导率;和
[0093] 选自如下的一种或多种机械性能：
[0094] (i)大于约〇.〇5MPa的晓曲强度；
[0095] (ii)大于约0.1 MPa的压缩强度;和
[0096] (iii)大于约〇.5MPa的弹性模量。
[0097] 实施方式58.用于制造刚性复合材料的方法，该方法包括：
[0098] (a)将气凝胶颗粒与粘结剂组合W形成浆料；
[0099] (b)将所述浆料施加到表面上或开口中；和
[0100] (C)允许所施加的浆料硬化，其中所述硬化过程的至少部分在压缩下进行，从而产 生具有如下的自支撑刚性复合材料：
[0101] 在23°C和1个大气压下不大于约50mW/m ? K的热导率;和
[0102] 选自如下的一种或多种机械性能：
[0103] (i)大于约〇.〇5MPa的晓曲强度；
[0104] (ii)大于约0.1 M化的压缩强度;和
[0105] (i i i)大于约0.5MPa的弹性模量。
【附图说明】
[0106] 在附图中，在不同的视图中，参考符号指代相同的部件。附图不一定是按比例的； 而是将