用于制造绝热复合材料的矿物纤维棉胎的制作方法
【专利说明】用于制造绝热复合材料的矿物纤维棉胎
[0001] 本发明设及矿物纤维产品领域，并更具体设及用于制造绝热复合材料的矿物纤维 棉胎。
[0002] 矿物纤维增强物(reinforcements)广泛用于复合材料领域，例如作为纤维垫或遮 蔽物(veil)或织物。它们可例如通过用液体(例如树脂)浸溃容易地与其它材料组合。然而， 可W生产的产品的范围经常受纤维增强材料的厚度的限制。
[0003] 尤其对于在绝热领域中的应用，运是一个问题，因为保溫性能直接与厚度有关。因 此，即使保溫复合材料性能很好，也总是期望提供更高的厚度W达到更高水平的保溫。
[0004] 另一方面，目前作为几毫米厚的垫或遮蔽物或经常为1毫米或更小的织物可得的 棉胎在用于制造复合材料的工艺操作角度是非常符合要求的。对于大部分转变 (trans化rmation)技术，增强棉胎应该具有允许在转变之前W最方便的方式对其运输和在 转变生产线（line)中对其处理和将其包含在内和耐受转变过程中存在的机械应变的机械 性质。更特别地，在浸溃的连续过程中，在整个生产线中棉胎在湿时运送，并且必须避免湿 棉胎的退化。纤维垫、遮蔽物和织物具有良好的拉伸强度，特别是在机器方向。
[0005] 本发明的目标是提供可用于制造复合材料中的纤维棉胎，其具有比可用的增强物 高的厚度而不产生针对转变的工艺问题。
[0006] 本发明的棉胎的一个具体应用领域是制造纤维增强的凝胶复合材料的方法，其包 括W下步骤:提供纤维棉胎片材，将棉胎与凝胶前体组合，使该组合胶凝W制备复合材料， 卷制复合材料;且干燥复合材料W制备纤维增强的凝胶复合材料，如纤维增强的二氧化娃 气凝胶复合材料。
[0007] 已经开发了显示出极低密度、高表面积、良好的光学性质、热性质和声学性质的气 凝胶用于各种应用。然而，气凝胶具有固有缺点，例如弱性(weakness)和脆性。各种类型的 增强物已经用于增加气凝胶的强度、柔初性和其它重要性质。可W由W下步骤制备纤维增 强的气凝胶复合材料:添加松散纤维或非织造纤维片材至凝胶前体，使组合胶凝W制备凝 胶片材，老化凝胶片材和干燥形成的凝胶片材。
[000引先前已经使用显示出极低密度、高表面积、良好的光学性质、热性质和声学性质的 气凝胶W试图解决该需求和该气凝胶的性质可能对于有利的其它需求。然而，气凝胶具有 固有缺点，例如弱性和脆性。显著地，当制备高度透明和疏水的气凝胶时，脆性变得严重得 多，并且因此更难于对它们进行处理，并且对于流体干燥而言需要长循环时间W避免破裂。
[0009] 低密度气凝胶的弱性和脆性可特别对生产规模扩大具有负面影响，并限制大规模 制造。此外，具有较低密度的气凝胶可具有最好的透明度，但也显示更高的热导率，并且因 此显示较差的保溫性能。
[0010] 气凝胶(低密度和高孔隙率)的脆弱结构还具有W下几个难点:在顺应不规则表面 方面或在动态条件下，例如当夹在玻璃之间并且玻璃和气凝胶之间的不同热膨胀系数导致 压缩力时保持完整性方面。因此，柔初性、可压缩性、完整性、耐久性、强度和耐烧结、耐粉化 (dusting)和耐破裂是气凝胶和气凝胶复合材料中潜在改进的所有方面。
[0011] 已经做出许多尝试W改进气凝胶和气凝胶复合材料W解决运些问题和更充分利 用其作为材料的显著性质。一些专利描述了用泡沫和颗粒状气凝胶制备复合材料的尝试， 例如EP0489319 和美国专利第6，136,216、5,691，392、6,040,375和6,068,882号。其它例如 美国专利第4,966,919、5,037,859、5,972,254、5,973,015和6,087,407号和美国专利申请 公开第2002/0094426号描述了采用或不采用泡沫的其它气凝胶或气凝胶复合材料。一些， 例如美国专利申请公开第2005/0192367号和美国专利申请序列第11/392,925号描述了透 明气凝胶或气凝胶复合材料。
[0012] 在本发明的实施方案的上下文中，"气凝胶"或"气凝胶材料"连同其各自单数形式 在广义上表示包含空气作为分散介质的凝胶和在狭义上表示用超临界流体干燥的凝胶。气 凝胶的化学组成可W是无机、有机(包括聚合物)或无机-有机杂化的。无机气凝胶可W基于 二氧化娃、二氧化铁、氧化错、氧化侣、二氧化给、氧化锭、二氧化姉、碳化物和氮化物。有机 气凝胶可W基于W下化合物，包括但不限于:氨基甲酸醋、间苯二酪甲醒、聚酷亚胺、聚丙締 酸醋、壳聚糖、聚甲基丙締酸甲醋、丙締酸醋族低聚物的成员、=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 员或其组合。有机-无机杂化气凝胶的实例包括但不限于:二氧化娃-PMMA、二氧化娃-壳聚 糖、二氧化娃-聚酸或可能为上述有机和无机化合物的组合。公开的美国专利申请2005/ 0192367和2005/0192366广泛教导了运样的杂化有机-无机材料，并且经此通过引用W其全 部并入。
[0013] 适用于本发明的气凝胶包括由纤维结构增强的此类气凝胶。运样的增强物为气凝 胶结构提供强度和柔初性。美国专利6068882、6087407、6770584、5124101、5973015、 6479416、5789075、5866027、5786059、5972254、4363738、4447345，口(：1'申请胖09627726，美国 专利申请20020094426、2003077438，日本专利肝8034678，英国专利681205572教导了可^ 用本发明的实施方案实践的一些气凝胶材料。将运些文献通过引用并入本文W至少部分教 导制造运样的柔初性气凝胶材料的方法。柔初性气凝胶材料还可W具有为毯或薄条的形状 因素(form化ctor)。尽管本发明的许多实施方案集中于涂覆气凝胶复合材料，但其也可W 用于涂覆其它形式的气凝胶。
[0014] 当适当地应用时，纤维增强物产生柔初性气凝胶材料。气凝胶材料中的运样的柔 初性在其中所述气凝胶材料可W是对现有材料的直接替代(化op-in-replacements)的多 种应用中是所需的。然而，柔初性有时也可W导致对气凝胶结构的某些损害。尽管其可能不 影响气凝胶材料的其它关键性质，但它可W带来物理处理的麻烦。本发明在许多其实施方 案中提供将运样的损害的影响最小化并进一步防止将任何运样的受损害的材料从材料基 体中去除的方法。因此，通过本发明的方法避免和显著降低了与运样的气凝胶材料表面上 的气凝胶颗粒状材料有关的任何的随之发生的机械处理问题。
[0015] 已经显示用具有高热阻的保溫体(insulation)改造现有的家庭、建筑和结构可W 显著降低能量消耗和相应的C〇2排放。因此已经存在对研发用于建筑物和建筑市场的基于 气凝胶的保溫材料的强烈期望。对于不设及空屯、墙和/或顶楼阁楼保溫的应用，用于该市场 的优选产品是刚性板。例如，建筑物的许多内部或外部改造设及安装非柔初性板材(board stock),例如矿物棉或EPS泡沫。在过去几十年中，已经存在对用具有有比目前市场上的R-值更大的R-值的绝热材料生产刚性板的恢复的关注。高性能的基于气凝胶的保溫体已经特 别令人关注。纤维增强的气凝胶保溫体目前W高体积作为厚度不超过10 mm的柔初性耐用 复合材料商购可得。通常用胶粘剂(a化esive)层压运些材料的多个板层W生产具有更大厚 度的刚性板。由于必需W卷制物品的形式生产基于柔初性气凝胶的保溫体，因此其可能具 有折皱、起伏(undulations)和/或厚度变化形式的一定程度的卷绕缺陷，或者需要使用大 量的过程控制W处理运些问题。运些缺陷的存在使得将柔初性气凝胶材料层压成刚性板材 成为挑战。由于在层压过程期间不能获得各个体板层的全表面紧密配合，具有表面缺陷的 气凝胶保溫体的个体板层导致不完全的表面粘合。因此W运样的方式生产的板包含大量的 空桐和缺陷，其不仅影响机械强度，还影响总体热性能。因此，