专利名称：非燃性聚合体合成平板的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种非燃性聚合硅氧烷树脂，其是包含硅原子、氢原子、碳原子及氧原子，更具体地来说是一种硅氧烷树脂，用以强化纤维以产生非燃性防火平板，该平板的密度在于1至3g/cc.，且临界性氧浓度指数(LOI)在30以上。较佳的硅氧烷聚合体树脂的特征为低分子量烷基，即有1至12个碳原子附着在硅原子上。上述高粘度聚合性硅氧树脂可作为如玻璃纤维、铝纤维、硅纤维、碳纤维及其他的非燃性强化纤维用胶粘剂，并可在相对较低的温度及压力下形成强韧的非燃性合成物。该固化硅氧纤维合成物可形成例如平板等各种非燃性材料，因此特别适用于制造建筑材料等的防火材料。
在航空、路上交通工具、建筑及其它工业对于轻量、高强度、合乎成本效益的零组件的需求，已逐渐转为要求强化型强度对重量比的材料，例如矩阵合成物。相较于同级的金属材料，目前已知聚合性矩阵合成物至少能够减少20％的重量，同时也能够降低在处理及维护上的成本。合成纤维在应用上，不断在具有未来性且新式的系统上找到用途。以聚合性树脂及以例如玻璃纤维、碳纤维或有机纤维等各种纤维加以强化而成的合成物，其具有特定的高强度绝对值及低热膨胀系数，也因此在太空、交通工具、建筑、以及家用器材等用途上受到相当的瞩目。在聚合体领域中，已知利用玻璃纤维及碳纤维可强化机脂材料，如美国专利第4,856,146及4,857,385号所揭示。又目前，应用在纤维合成物的聚合树脂主要为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺(biSmaleimide)、聚酯树脂或聚酰亚胺(polyimide)树脂。上述聚合树脂具有低临界性氧浓度指数(LOI)，因此在空气中具有易燃性。但通过发展如本发明所揭示的具有高临界性氧浓度系数的非燃性聚合硅氧烷树脂，则可解决上述可燃性的问题。
以往，含硅的聚合材料是为太空梭保护砖的快速修补而发展出来(美国专利第5,985,433号)。该含硅聚合材料在固化后，曝露于火焰也不易起火燃烧。本发明的新型含硅聚合树脂是可提供一种非燃性纤维合成物，该合成物具有1至3g/cc.的密度及高临界性氧浓度指数，其意味着极为适用于例如面板等建筑材料及例如飞机、船、及汽车等未来交通工具的设计。至于在目前应用的优点上，如建筑物内部装潢是以不燃性硅氧烷合成物的平板来加以保护的话，当发生火灾时，该不燃性合成物可大幅降低浓烟与火焰造成的致命性。如果以上述具有不燃性且轻量的合成物来装潢的话，将可发挥如同救生设备般的功能。
本发明的另一目的是提供一种非燃性且低成本纤维硅烷聚合合成物的环境温度或低温下的制造方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案本发明所提供的一种具有不燃性、高张力的固化纤维性硅氧烷合成物，其密度为1至3g/c.c.且临界性氧浓度指数在30以上，而且包含至少2层浸渍有硅烷类树脂的纤维材料其中上述纤维材料是浸渍有足量的上述硅烷类树脂；上述硅烷类树脂是由重量比为50至95的至少一种三氧基硅烷、重量比为5至50的至少一种二氧基硅烷、及重量比为0至10的至少一种四氧基硅烷进行聚合而成。
本发明所提供一种非燃性纤维性硅氧烷合成物，它是具有介于在1至3g/cc.的密度及临界性氧浓度指数在30以上。上述硅氧烷树脂是由不同的烷氧基，包括1种或复数种二氧基硅烷及具有三/四及二氧官能基的硅烷间的组合，所聚合而成的衍生物，且上述硅氧烷树脂非常适用于制造具有耐高温性、轻量性及高张力性的耐火板。
在上述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物中，所述的足量的硅烷树脂在该合成物中占有20至60％重量比，且该纤维材料在该合成物中占有40至80％重量比。
在上述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物中，所述的该四氧基硅烷在该树脂中占5至10重量比。
在上述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物中，所述的该合成物是包含2至100层的浸渍有硅烷树脂的固化纤维材料。
在上述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物中，所述的该纤维材料是包含碳纤维。
所述的该硅烷树脂在合成物中占30至50％重量比，且碳纤维在该合成物中占50至70％重量比。
本发明为一种非燃性且低成本纤维硅烷聚合合成物的环境温度或低温下的制造工序。该合成物包含至少一种纤维强化型含硅聚合矩阵。该强化型纤维含有例如玻璃纤维、碳纤维、铝/硅/硼纤维等。该含硅聚合体合成物包含硅、碳、氢、氧及由有机二氧基硅烷、有机三氧基硅烷及四氧基硅烷构成的聚合体的衍生物。更特别的在于本发明为一种非燃性防火合成物，其衍生自含硅聚合树脂，例如玻璃纤维或碳纤维的纤维进行强化。该含硅聚合体合成物包含树脂，该树脂是由在水中以至少一种二氧基硅烷及一种或复数种三氧基/四氧基硅烷进行反应所产生的高粘度硅氧烷树脂(例如二及三/四官能基硅烷)的衍生物。
较佳的二及三/四官能性硅烷氧类是具有二及三/四氧官能基，且上述各硅烷氧类具有2、3或4个Si-O键。上述硅烷类在本发明的实施上相当有效，包括复数种具有三/四及二氧官能基的硅烷的组合，且上述组合的硅烷的一般式为RSi(RIO)3/Si(RIO)4和RRIII-Si-(ORII)2，其中该RI和RII可为相同或相异的烷基烃族，例如1至12碳之根，且R及RIII为与RI及RII相异或相同的烃族。该R及RIII族可为相同或相异的1至12碳烃族且具有烷族、芳族、烷芳族及芳烷族。R及RIII的其中一个可为氢原子。该烃族即(-CH)包含碳原子及氢原子，且具有直链或支链以饱和或不饱和的1至12碳族。一般而言，烃族内的碳原子数在1至12个，且以1至8个较佳，再且以1至2个为更佳。
一种制造方法，它是用以制造一种密度为1至3g/c.c.且临界性氧浓度指数在30以上的具有不燃性、高张力的固化纤维性硅氧烷混合物，且该制造方法包含(a)在水溶性媒质中，将重量比为50至95的至少一种三氧基硅烷、重量比为5.0至50的至少一种二氧基硅烷、及重量比为0至10的至少一种四氧基硅烷进行聚合，以产生液态的聚硅烷类树脂；(b)将纤维材料浸渍于足量的上述聚硅烷类树脂，以产生纤维性硅氧烷浸渍纤维布(prepreg)；
(c)对纤维性硅氧烷浸渍纤维布施以干燥；及(d)接着，通过在50至300℃的温度下，对使至少2层上述纤维性硅氧烷浸渍纤维布施以25psi至700psi的压力，以形成上述非燃性固化纤维性硅氧烷合成物。本发明的制造方法所制造出的非燃性纤维性硅氧烷合成物，它是具有介于在1至3g/cc.的密度、高温特性、轻量及高张力、及形成各种形状的能力。
在上述制造方法中，所述的液态的聚硅氧烷类树脂的有效量，相对于纤维材料的重量，为25至200％重量比。
在上述制造方法中，所述的硅烷类树脂含有1.0至10重量比的四氧基硅烷。
在上述制造方法中，所述的纤维材料为玻璃纤维。
在上述制造方法中，所述的纤维材料含有碳纤维。
在上述制造方法中，在所述的步骤(d)中，即对纤维性浸渍布施以压力过程中，温度为100至200℃，压力为50psi至500psi，纤维性浸渍布为2至100层。
在上述制造方法中，所述的水溶性媒质的30至70％重量比是包含低分子量醇类及作为触媒的少量无机酸或碱。
在上述制造方法中，在所述的步骤(c)中，纤维性硅氧烷浸渍纤维布是在最高50℃的温度下进行干燥。
在上述制造方法中，所述的三氧基硅烷为烷基三甲氧基硅烷，且二氧基硅烷为二烷基二甲氧基硅烷。
在上述制造方法中，所述的该四氧基硅烷为四乙氧基硅烷，该三氧基硅烷为烷基三甲氧基硅烷，及二氧基硅烷为二烷基二乙氧基硅烷。
在上述制造方法中，所述的该三氧基硅烷为烷基三乙氧基硅烷，且该二氧基硅烷为二烷基二乙氧基硅烷。
在上述制造方法中，所述的该四氧基硅烷类为四甲氧基硅烷，且该二氧基硅烷为二烷基二乙氧基硅烷。
在上述制造方法中，所述的四氧基硅烷的量为5至10重量比。
在上述制造方法中，所述的该水溶性媒质包含30至70％重量比的水、及30至70％重量比的具有1至8个碳原子的低分子量醇类。
本发明为一种合硅固化聚合树脂及其制造方法，是关于非燃性纤维强化硅氧烷合成物，密度在于1至3g/cc.。该含硅聚合体是由至少1种二氧基硅烷及三/四氧基硅烷在至少化学计量上足量的水进行反应而成，且含有硅、碳、氢及氧等的原子。依本发明，较佳的二及三/四官能性硅烷氧类系具有二及三/四氧官能基，且各有2、3或4个Si-O键。且更佳的硅烷组成为包括复数种具有四/三及二氧官能基的硅烷的组合，且上述组合中的硅烷类的一般式为R11Si(OR1)3/Si(OR1)4和RIIIR-Si(ORI)2，其中R，RI，RII及RIII可为相同或相异的具有1至12个原子的烃基，且R及RIII可为氢。”烃”一词，即官能基包含碳原子及氢原子(-CH)，且为具有直链或支链的饱和或不饱和的烃族。一般而言，烃族内的碳原子数在1至12个，以1至8个较佳，以1至6个为更佳，例如1-4或1-2个碳原子，且其中至少一个烃族包括至少1个碳原子，例如甲烷族。上述一般化学式的R、RI、RII及RIII族以低烷基族为佳，即最好以甲烷、乙烷、丙烷、异丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、己烷、庚烷、及其异构体等的含有1至8个碳原子者，及其中包含不饱和的链烯基或乙烯基族，例如乙烯、二乙烯、丙烯、丁烯及上述的组合。
具体举例而言，本发明的高粘度硅氧烷树脂的制造方法所偏好的硅烷类包括烷基三氧基硅烷，例如甲基三甲氧基硅烷CH3Si(OCH3)3、乙基三甲氧基硅烷C2H5Si(OCH3)3、乙烯基三甲氧基硅烷C2H3Si(OCH3)3及甲基三乙氧基硅烷CH3Si(OC2H5)3；四氧基硅烷，例如四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、及四丙烷基硅烷；及烷基二氧基硅烷，例如二乙基二乙氧基硅烷(C2H5)2Si(OC2H5)2、二乙基二丁氧基硅烷(C2H5)2Si(OC4H9)2、二甲基二乙氧基硅烷(CH3)2Si(OC2H5)2、甲基二乙氧基硅烷(CH3)HSi(OC2H5)2、二甲基二甲氧基硅烷(CH3)2Si(OCH3)2、二苯基二甲基硅烷(C6H5)2Si(OCH3)2乙烯基甲基二乙氧基硅烷(CH2CH)(CH3)Si(OC2H5)2、二乙烯基二乙氧基硅烷、及上述的各种比例的组合。
二氧基硅烷类及三氧基硅烷类间的重量比方面，是相对于三氧基硅烷的约50至95重量比，二氧基硅烷为5至50重量比，且以相对于三氧基硅烷的约70至95重量比，二氧基硅烷为5至30重量比为佳。在此可添加少量的四氧基硅烷，例如在上述硅烷反应中添加0至10重量比或较佳的5至10重量比的四氧基硅烷。该硅氧烷树脂所含的用以形成合成物的硅、氧及碳原子的克分子量比，是取决于认反应中的二及三/四氧基硅烷的克分子量比。在某些情况中，该硅烷所合的硅、氧、氢及碳的克分子量，是取决于三/四氧基硅烷类以及二氧基硅烷及三氧基硅烷所含的Si-C键的碳原子组成。该硅烷聚合物能够通过使有机烷氧基硅烷类在化学计量上足量的水中进行反应来制造，一般系在酒精与水混合成的媒质内进行。
该水溶性媒质内的含水量约为30至70％重量比或30至55％重量比，即反应中的硅烷总量的50％，至于酒精含量则相对于该媒质为30至70重量比。通过酒精能够确保溶解的均一性。虽然以乙醇即可，唯也可使用其他低分子量醇类或高当地加以混合使用。例如该水溶性媒质可为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、二丁醇、异二丁醇、戊醇或上述复数种醇类的水溶液。该水解反应能够在常温环境或是通过加热来完成老化，唯在本发明的实施上，偏好在上述反应中加入触媒反应，在此是通过将例如HNO3、HCI、NaOH、及NH4OH等无机酸或碱(金属碱)的稀薄溶液(标准为＜10-3)，以触媒量添加至上述反应。该水解反应是在常温下进行，唯最好通过添加酸或碱作为触媒，使反应温度上升至30℃至50℃。在水解反应之后，通过旋转干燥机以50℃至100℃的温度对该溶液进行干燥，进而形成高粘度的液态硅氧烷树脂。
更具体而言，依本发明的三氧基硅烷类与二氧基硅烷类的反应，是添加有酸或碱性触媒的情况下，水中或由醇及水混合成的媒质内进行反应，而形成水解溶液。通过对该溶液进行干燥，该水解硅烷会凝集成一种高粘度硅氧烷树脂。下述反应式为该硅烷类在凝集成硅氧烷树脂的聚合反应(水解反应) 依本发明的目的，该高粘度液体(合硅聚合体)必须为一种硅氧烷聚合树脂，相异于硅氧烷溶液或胶，且其包含硅、碳、氢及氧原子。在将该液态树脂涂敷在例如碳纤维、纺织纤维或布料等纤维材料上后，以60℃的温度对上述浸渍或涂敷的布进行干燥处理，并以每2至100层进行堆叠后，在温暖或例如150℃的环境温度的条件下进行施压，进而形成完全固化的非燃性纤维硅氧烷合成物，其特征在于具有1至3g/cc.的密度，且使临界性氧浓度指数高于30。
以下将以实施例来说明本发明的非燃性纤维硅氧烷合成物的制造方法。
实施例2将10克的四乙氧基硅烷、80克的甲基三甲氧基硅烷及10克的二甲基二乙氧基硅烷，以60克的酒精与40克的水进行混合。经过4小时的反应后，通过干燥处理去除溶剂，得到高粘度的液态树脂。该溶液的50-75％会气化，进而形成高粘度硅氧烷树脂液体。将一片玻璃纤维布浸渍于该高粘度液体。接着将该浸渍布置于烤箱(温度至50℃)，进一步地去除溶剂。将干燥的布料切割成所需的尺寸。接着将该切割下来的布块，堆叠在热轧机中。此时，堆叠的数量为48层，且该固化温度在于50至150℃，该施压大小为50至500psi。在完成固化后，便可形成一种密度介在1至3g/cc.的非燃性防火纤维硅氧烷合成物。尚且，该合成物中的该树脂含量介于30至80％重量比。
实施例3将95克的甲基三乙氧基硅烷及5克的二甲基二乙氧基硅烷，以50克的乙醇与50克的水进行混合。在经过数小时的搅拌后，通过干燥处理去除溶剂，以形成高粘度硅氧烷树脂。在复数片玻璃纤维布及碳纤维布上，涂敷该高粘度液体。接着将该布料置于烤箱(温度至50℃)，进一步地去除溶剂。将干燥的布料切割成所需的尺寸。接着将该切割下来的布块，堆叠在热轧机中。此时，堆叠的数量介于2至100层，且该固化温度在于50至150℃，该施压大小为50至500psi。在完成固化后，便可形成一种非燃性防火纤维硅氧烷合成物。
实施例4将5克的四甲氧基硅烷、85克的甲基三甲氧基硅烷及10克的二甲基二乙氧基硅烷，以60克的乙醇、40克的水及1.0克0.0001N的NaOH进行混合，且施以4小时的搅拌。接着，通过干燥处理去除溶剂，得到高粘度硅氧烷树脂。在复数片的玻璃纤维布与碳纤维布上，涂敷该高粘度树脂，以形成浸渍布。接着将该浸渍布置于烤箱(温度至50℃)，进一步地去除溶剂。将干燥的布料切割成所需的尺寸。接着将该切割下来的布块，堆叠在热轧机中。此时，堆叠的数量为2至100层，且该固化温度在于50至150℃，该施压大小为50至500psi。在完成固化后，便可形成一种非燃性防火纤维硅氧烷合成物。而且，该固化温度以50至250℃为佳，以100℃至200℃为更佳。
该非燃性硅氧烷纤维合成物，即本发明的防火板的特性有如表I所示。
表I
本发明的非燃性防火纤维合成物的制造方法中，该纤维可为短纤维或单晶纤维，经常为具有一股或多股纤维的连续纤维所形成的细线或布料。因此，本发明的合成物所偏好的纤维材料为例如碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、石绵纤维或硼纤维。本发明的非燃性纤维合成物至少包含2层之例如玻璃纤维等的纤维材料，例如包含2至100层，且以2至48层为佳。该纤维材料是涂敷或浸渍有该高粘度硅氧烷树脂的反应溶液，且相对于该纤维材料的重量，该反应溶液的用量为约25至200％重量比，并以50至100％重量比为佳。该固化的非燃性硅氧烷纤维合成物包含20至60重量百分比或30至50重量百分比的固化硅氧烷树脂、及约40至80重量百分比或50至70重量百分比的纤维材料。例如，连续纤维丁在涂敷足量的硅氧烷树脂后，缠绕于纺织滚筒。待该滚筒上缠绕足够的纤维后，由该滚筒取下形成的纤维垫，并施以干燥处理。接着，将形成的纤维垫或布料，亦即将形成的”浸渍布”进行切割且堆叠成所需的形状。此外，由强化纤维编织或压制成的布料也可进行该硅氧烷树脂的涂敷后进行干燥处理，形成所需的形状，而上述的工序是称为织物浸渍(fabricating prepreg)技术。”纤维材料”一词是指包含纤维、细线、连续丝、单纱、绞纱、单晶纤维、布、缩绒及上述的组合。该纤维材料可为非晶质、晶质或上述两者的混合。此外，该纤维材料可具有各种尺寸及形状。纤维材料可为单丝或100至6000条单纱形成的丝束。当上述纤维材料用于本发明的制造方法时，将可用于布料编织、压制成垫、或加以排列以得到所需的物理特性。
以缩绒及纤维形成聚合性合成物已相当普遍。由于相对于缩绒的相对较短、小口径的单晶纤维特征，纤维可为多晶质或非晶质及具有足够的长度，较适用于绞纱、丝束或布料。
在本发明的权利要求范围内，本发明可适用于各种实施形态及变通例。
权利要求
1.一种具有不燃性、高张力的固化纤维性硅氧烷合成物，其特征在于其密度为1至3g/c.c.且临界性氧浓度指数在30以上，而且包含至少2层浸渍有硅烷类树脂的纤维材料其中上述纤维材料是浸渍有足量的上述硅烷类树脂；上述硅烷类树脂是由重量比为50至95的至少一种三氧基硅烷、重量比为5至50的至少一种二氧基硅烷、及重量比为0至10的至少一种四氧基硅烷进行聚合而成。
2.根据权利要求1所述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物，其特征在于所述的足量的硅烷树脂在该合成物中占有20至60％重量比，且该纤维材料在该合成物中占有40至80％重量比。
3.根据权利要求2所述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物，其特征在于所述的该四氧基硅烷在该树脂中占5至10重量比。
4.根据权利要求3所述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物，其特征在于所述的该合成物是包含2至100层的浸渍有硅烷树脂的固化纤维材料。
5.根据权利要求6所述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物，其特征在于所述的该纤维材料是包含碳纤维。
6.根据权利要求7所述的不燃性固化纤维硅氧烷合成物，其特征在于所述的该硅烷树脂在合成物中占30至50％重量比，且碳纤维在该合成物中占50至70％重量比。
7.一种制造方法，是用以制造一种密度为1至3g/c.c.且临界性氧浓度指数在30以上的具有不燃性、高张力的固化纤维性硅氧烷混合物，且该制造方法包含(a)在水溶性媒质中，将重量比为50至95的至少一种三氧基硅烷、重量比为5.0至50的至少一种二氧基硅烷、及重量比为0至10的至少一种四氧基硅烷进行聚合，以产生液态的聚硅烷类树脂；(b)将纤维材料浸渍在足量的上述聚硅烷类树脂，以产生纤维性硅氧烷浸渍纤维布；(c)对纤维性硅氧烷浸渍纤维布施以干燥；及(d)接着，通过在50至300℃的温度下，对使至少2层上述纤维性硅氧烷浸渍纤维布施以25psi至700psi的压力，以形成上述非燃性固化纤维性硅氧烷合成物。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的液态的聚硅氧烷类树脂的有效量，相对于纤维材料的重量，为25至200％重量比。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述的硅烷类树脂含有1.0至10重量比的四氧基硅烷。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述的纤维材料为玻璃纤维。
11.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述的纤维材料含有碳纤维。
12.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于在所述的步骤(d)中，即对纤维性浸渍布施以压力过程中，温度为100至200℃，压力为50psi至500psi，纤维性浸渍布为2至100层。
13.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的水溶性媒质的30至70％重量比是包含低分子量醇类及作为触媒的少量无机酸或碱。
14.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于在所述的步骤(c)中，纤维性硅氧烷浸渍纤维布是在最高50℃的温度下进行干燥。
15.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的三氧基硅烷为烷基三甲氧基硅烷，且二氧基硅烷为二烷基二甲氧基硅烷。
16.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的该四氧基硅烷为四乙氧基硅烷，该三氧基硅烷为烷基三甲氧基硅烷，及二氧基硅烷为二烷基二乙氧基硅烷。
17.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的该三氧基硅烷为烷基三乙氧基硅烷，且该二氧基硅烷为二烷基二乙氧基硅烷。
18.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的该四氧基硅烷类为四甲氧基硅烷，且该二氧基硅烷为二烷基二乙氧基硅烷。
19.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的四氧基硅烷的量为5至10重量比。
20.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的该水溶性媒质包含30至70％重量比的水、及30至70％重量比的具有1至8个碳原子的低分子量醇类。
全文摘要
一种非燃性纤维硅氧烷固化合成物，其是由二氧基硅烷类、三氧基硅烷类及四氧基类硅烷在水溶性媒质内进行聚合反应，以形成高粘度聚合硅氧烷树脂。该硅氧烷合成物是用以浸渍或涂敷在各种纤维材料或布料，且再经由加热及施压处理后，形成固化的非燃性硅氧烷浸渍合成物，例如可形成平板状合成物，且该合成物具有约1至3g/cc的密度及30以上的临界性氧浓度指数。上述非燃性纤维硅烷氧合成物非常适用于制造交通工具用于建筑用防火材料，例如可制造成防火墙用的平板。
文档编号B32B27/04GK1445320SQ0212959
公开日2003年10月1日 申请日期2002年9月9日 优先权日2001年9月27日
发明者陈世镇, 宋明达 申请人:启新科技研发公司