专利名称：气凝胶/聚四氟乙烯复合绝缘材料的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种可用于多种用途的材料，所述多种用途包括用于服装、容器、管、电子仪器等的绝缘用途。包含气凝胶颗粒和聚四氟乙烯(PTFE)的本发明的材料是可成形的，具有低颗粒脱落性(particle shedding)和低热导率。由该材料制成的复合材料可以进行挠曲、拉伸和扭曲而极少发生或不发生气凝胶颗粒脱落或传导性损失。
气凝胶在绝热用途中的应用以及气凝胶的低热导率是众所周知的。有利的热导性能来源于气凝胶极高的孔隙率(约大于95％)以及气凝胶材料小的孔径，其孔径小于常压下空气分子的平均自由程的大小，或者约小于100纳米。由于这种小的孔径，空气分子在此材料中的移动性受到限制，降低了空气的导热效率，从而得到低热导率。在大气条件下空气的热导率约为25mW/mK(毫瓦/米开尔文)。具有更大孔径的绝缘材料，例如泡沫材料，棉胎，木材和其他常规绝热材料的热导率约为40mW/mK，高于空气的热导率，这是由于辐射传导和固体传导的影响造成的。已知气凝胶粉末和珠粒的热导率约为9-20mW/mK。然而，这种高孔隙率低密度的材料不能以粉末形式用于许多用途，这是由于这种材料会产生很多粉尘，使安装、处理、形成和成形变得特别困难，增大了安全隐患。
常规的气凝胶制备方法通常包括用超临界流体提取。这些方法经常包括以下步骤将气凝胶前体液体倒入模具中，将气凝胶液体干燥形成具有许多种液体交换的高孔隙率凝胶结构，采用超临界流体提取形成气凝胶整料。这些过程，例如使用超临界流体提取的过程是非常耗时而高成本的。另外，制得的结构是刚性的，机械强度低，在气凝胶材料形成之后，其进一步模塑或成形的能力有限。这些材料在挠曲时经常会发生破裂或破碎，会发生气凝胶颗粒的脱落或″粉化(dusting)″。
为了尝试增大气凝胶材料的挠性和强度，Stepanian等人在美国专利公开第2002/0094426号中揭示了一种结合了增强结构的气凝胶材料，该增强结构具体是弹性纤维棉胎。较佳的是，使用与无规取向的微纤维和/或传导层结合的纤维棉胎结构来增强气凝胶。将气凝胶形成前体液体倒入棉胎中，然后超临界干燥形成气凝胶，从而形成气凝胶片。据悉所得的增强的气凝胶结构具有悬垂性，在挠曲时比较不容易破碎，比较不容易发生气凝胶细颗粒的脱落。然而，由于这些材料缺乏可塑性和可成形性，而且由于使用超临界提取步骤而成本较高，它们的应用受到限制。
为克服增强的气凝胶经常具有的脆性，Frank等人在美国专利第5,786,059号中揭示了将气凝胶粉末胶粘在一起形成连续产品。具体来说，包含纤维织物层和气凝胶颗粒的气凝胶复合材料优选形成毡或板的形式。该纤维织物包含具有较低和较高温度熔融区的两种牢固相连的聚合物形成的双组分纤维材料，气凝胶颗粒喷洒在该材料中。当加热至较低的熔融温度时，织物的纤维互相结合在一起，同时也与气凝胶颗粒结合起来。所得的复合体(composite)是较刚性的结构，在施加机械应力时，颗粒会破碎或与纤维分离，因此气凝胶碎片会从织物上落下。
Smith等人在美国专利第6,172,120号中揭示了一种制备气凝胶的方法，在此方法中，形成的气凝胶为粉末形式而非整体块状或片状。该制备方法的优点在于形成气凝胶时不需要超临界流体提取步骤。然而，粉末状的气凝胶会产生很多微尘，而且缺乏可成形性，因此在许多用途中无法使用。
需要有一种绝缘材料，该材料能够克服气凝胶粉末和复合体所固有的问题，例如气凝胶粉末缺乏可成形性，复合体缺乏挠性，以及在施加机械应力时气凝胶颗粒脱落或粉化。需要有一种低传导性、低脱落性的绝缘材料，其在绝缘材料组合物形成之后模塑或成形制成任何所需的形状，从而可用于许多用途。另外也强烈需要一种绝缘材料，该材料在制备时不需要采用制造气凝胶绝缘材料经常采用的高成本步骤。
发明简述本文发明并揭示了可成形、可模塑的低热导率低粉化材料。这些材料具有充分的可塑性，可模塑形成在一个或多个方向弯曲的柔韧的三维结构或形状。另外，该材料任选地形成在拉伸时粉化最少的可拉伸结构。
本发明的材料包含气凝胶颗粒和作为粘合剂的聚四氟乙烯(PTFE)。优选形成的材料可具有粉末或油灰的稠度或质地，也可形成具有良好的机械强度和挠性的成形结构。所述成形结构的性质，例如机械强度和热导率会部分地受到气凝胶和PTFE的相对比例的影响。例如，气凝胶颗粒的比例较高通常会使得热导率较低，PTFE的比例较高通常会使得结构的机械强度较高。
在应用中，该材料可包含在制品的多个表面之间，例如用来形成绝缘制品的双壁管、导管或容器的刚性表面之间。或者可使本发明的材料包含在其它材料之间形成复合结构，所述其它结构是例如聚合物、纸张或金属的挠性薄膜、膜或箔的外层。可任选地使用弹性薄膜，使该复合结构具有可拉伸性和高度的可悬垂性。同样地，外层可以是透气性的，或者液体和气体无法透过的，形成可渗透性和不渗透性复合结构。当该复合结构是不渗透性时，可通过施加真空形成具有降低的压力的复合结构，从而进一步降低热导率。
除了用作热绝缘材料以外，还发现当本发明的材料制得的复合体中包含介电常数极低的组分时，该复合体也可用作介电材料。例如，在一实施方式中，气凝胶的介电常数约为1.1，PTFE的介电常数约为2.1，这些材料优选的复合体的介电常数约小于1.18。用本发明的材料制成的复合体也可用作隔音层。在用作声音反射阻挡层的特定外层之间使用本发明材料，可形成在特定频率具有良好吸声性能的复合材料。优选用于该用途的复合体在一定频率范围内(约400-6300赫兹)具有较高的传声损耗，约高达20-30分贝，在大约3500赫兹具有高吸声系数，高达约0.5-0.6。
本发明材料优选的用途包括形成绝缘材料和由其制得的复合材料，它们用于服装，例如手套和鞋类绝缘衬垫(insert)，外衣和外衣衬垫；管绝缘；低温绝缘；电子器件；炊具；家用器具；食物和药物的贮存容器和包装；保暖救生衣；以及双功能绝缘，例如声绝缘和热绝缘，电绝缘和热绝缘等。
附图描述
图1是包含60重量％气凝胶和40重量％PTFE的绝缘带材在放大10000倍时的SEM图。
图2是包含80重量％气凝胶和20重量％PTFE的绝缘带材在放大10000倍时的SEM图。
图3是包含80重量％气凝胶和20重量％PTFE的绝缘粉末材料在放大10000倍时的SEM图。
图4是具有两个薄膜层，且在层之间具有绝缘材料的带材的截面图。
图5是带材放大50倍时的SEM图，该带材具有两个薄膜层，这些层之间具有包含60重量％气凝胶和40重量％PTFE的绝缘材料。
图6a是在管壁之间具有绝缘材料的双壁管的半剖面示意图。
图6b是在管壁之间具有绝缘材料的双壁管的截面示意图。
图7是缠绕有本发明带材的管的透视图。
图8a是本发明的绝缘手套衬垫的示意图。
图8b是本发明绝缘手套的示意图。
图9是本发明绝缘手机装置的透视图。
图10是本发明绝缘手提电脑装置的透视图。
发明详述本发明的低热导率材料包含气凝胶颗粒和聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂。较佳的是，该材料可形成粉末或油灰的形式。″油灰″表示该材料具有可成形或可模塑的面团状稠度，几乎没有或没有填料颗粒脱落。因此，本发明的材料与其他含气凝胶的材料相比，其细颗粒的脱落或粉化减少了。该材料可以粉末或油灰形式用于例如两个表面之间，或用作模塑或成形形式的绝缘结构，或用作复合体。优选的复合体包括带材之类的绝缘结构，在此绝缘结构中，将本发明的材料粘合在两个外层(例如膜或薄膜)之间。较佳的是复合体可制成可拉伸的、挠性的和可弯曲的，并且不会发生明显的粉化或绝缘性质损失。
气凝胶颗粒是优选的填料，已知其具有极低的密度和极低的热导率。优选的是气凝胶的颗粒密度约小于100千克/立方米，大气条件下(约298.5K和101.3千帕)的热导率约小于或等于25mW/mK，更优选约小于或等于15mW/mK。适用于本发明材料的气凝胶包括无机和有机气凝胶，及其混合物。有用的无机气凝胶包括由硅、铝、钛、锆、铪、钇、钒等的无机氧化物形成的气凝胶，特别优选二氧化硅气凝胶。有机气凝胶也适用于本发明，可由以下物质制备碳，聚丙烯酸酯类，聚苯乙烯，聚丙烯腈类，聚氨酯类，聚酰亚胺类，聚糠醇，苯酚糠醇，三聚氰胺甲醛类，间苯二酚甲醛类，甲酚，甲醛，聚氰脲酸酯类，聚丙烯酰胺类，环氧化物，琼脂，琼脂糖等。
粉末状的气凝胶可以很方便地在市场上购得。例如，Smith等人在美国专利第6,172,120号中描述了通过较低成本的方法制得的二氧化硅气凝胶。可通过喷射研磨或其他降低大小的技术将气凝胶颗粒减小到所需的尺寸或级别。为制备本发明的绝缘材料，优选将气凝胶颗粒研磨至粒度约为5微米至1毫米(气凝胶珠粒)，更优选将颗粒研磨至约等于或小于10微米。相信较小的气凝胶颗粒能够与绝缘材料的其它组分形成更均匀的混合物。相比大孔径的气凝胶，优选具有较小孔径的气凝胶，例如平均孔径约小于或等于100纳米的气凝胶。
气凝胶可以是亲水的也可以是疏水的。亲水性气凝胶通常具有较高的热导率，约等于或大于18mW/mK，由于其吸水性，在某些热绝缘和/或电绝缘用途中可能用处较小。疏水性处理的气凝胶的热导率通常约小于15mW/mK，低于亲水性气凝胶的热导率，具有良好的防水性，使得它们特别适合许多热绝缘用途。热导率约等于或小于14mW/mK的疏水性气凝胶可特别优选地用于本发明所述的绝缘材料。研磨之类的粒度减小技术可能影响疏水性气凝胶颗粒的一些外表面基团，使得部分表面变成亲水性的，而颗粒内部的疏水性质得以保持。然而，具有部分表面亲水性的气凝胶与其它化合物的结合能力会获得提高，可优选地用于需要结合的用途。
本发明的材料还包含PTFE。最优选的是PTFE颗粒小于气凝胶颗粒，例如约为50纳米至600微米；然而，也可使用具有类似尺寸的PTFE颗粒。PTFE初级颗粒的粒度约等于或大于50纳米，优选粒度约等于或小于600微米的PTFE聚集体。为形成本发明的材料，制备的气凝胶/粘合剂混合物优选包含约等于或大于40重量％的气凝胶，或者约等于或大于60重量％，或者约等于或大于80重量％。优选的混合物包含一种气凝胶/PTFE混合物，该混合物包含约40重量％至95重量％，约40-80重量％的气凝胶。气凝胶/PTFE粘合剂混合物中PTFE颗粒的含量优选约小于或等于60重量％，约小于或等于40重量％，或约小于或等于20重量％。优选的混合物包含一种气凝胶/PTFE混合物，该气凝胶/PTFE混合物包含约5-60重量％的PTFE，约20-60重量％的PTFE。可通过改变混合物中气凝胶与PTFE的重量百分比来部分地调节热导率，粉化，可成形性和强度之类的性质。例如，随着气凝胶比例增大，由该材料形成的结构的强度会减小，热导率会降低。同样的，PTFE比例较高的材料制得的结构的机械强度较高，可成形性较高，粉化较少。
本发明的材料可任选地包含其他组分。可在气凝胶/PTFE粘合剂混合物中加入任选的组分，例如加入良好分散的遮光剂来减少辐射传热和改进热性能，所述遮光剂包括例如炭黑，二氧化钛，铁的氧化物，碳化硅，硅化钼，氧化镁，聚二烷基硅氧烷(其中烷基包含1-4个碳原子)等。另外，任选地加入聚合物，染料(dies)，增塑剂，增稠剂，各种合成纤维和天然纤维，例如用来增大机械强度和得到一些性质，例如颜色和热稳定性、弹性等。较佳的是，在用来制备本发明气凝胶/PTFE粘合剂材料的混合物中，任选组分的加入量约小于10重量％。
本发明的材料可通过许多种方法制备，这些方法包括对气凝胶和PTFE组分进行凝聚和干混。对包含PTFE的组合物的凝聚和干混是本领域已知的，在例如美国专利第4,985,296号和第6,218,000号中以及本文的实施例中进行了描述。一种特别有效的形成本发明材料的方法包括以下步骤形成气凝胶颗粒的水分散体和PTFE分散体的混合物，通过搅拌或加入凝结剂使该混合物凝聚。通过PTFE在气凝胶颗粒的存在下发生的共凝聚形成了PTFE和气凝胶颗粒充分混和的混和物。凝聚物在约433.15K的对流烘箱内除水和干燥。根据所用湿润剂的种类，干燥的凝聚物可以是松散结合的粉末形式，或者是柔软的块状物，该块状物可骤冷并研磨制成粉末状的绝缘材料。这种粉末可进一步处理形成例如油灰，成形的结构或绝缘制品。
较佳的是，所述PTFE分散体是乳液聚合制备的高分子量PTFE颗粒的水性胶体分散体。PTFE乳液聚合法是已知的，可用来制备适用于本发明的材料的方法在文献中(例如S.V.Gangal，″Tetrafluoroethylene Polymer″，Mark′s Encyclopedia ofPolymer Science and Engineering，第16卷，第577页，John Wiley&Sons，1989)有广泛的描述。合适的水性分散体包含约20-70重量％的PTFE，该PTFE包含粒度约为0.05-0.5微米的初级颗粒。可在市场上购得的水性PTFE分散体的例子包括TeflonTM30，TeflonTM35(购自E.I.Dupont de Nemours，Wilmington，Delaware)，和FluonTMAD300S，FluonTMAD704(购自Asahi Fluoropolymer，Chadds Ford，Pennsylvania)。因此，本发明另一实施方式涉及一种包含气凝胶颗粒的水性分散体和高分子量PTFE颗粒的水性分散体的分散体。
还可使用包含细粉末PTFE的PTFE组分，该细粉末PTFE是通过使乳液聚合形成的PTFE分散体凝聚，对絮状的凝聚物进行干燥，制成细粉末。优选的PTFE细粉末通常具有极高的分子量，为PTFE初级颗粒的聚集体形式，该聚集体的粒度约为200-600微米。优选的PTFE细粉末树脂可在市场上购得，例如TeflonTM60，TeflonTM6C，TeflonTM610A(E.I.Dupont de Nemours，Wilmington，Delaware)和FluonTMCD123(Asahi Fluoropolymer，Chadds Ford，Pennsylvania)。干混的方法包括在存在或不存在润滑剂的条件下干混气凝胶和PTFE颗粒的处理步骤。在不同的剪切速率和温度状态下处理会使本发明材料中混合物组分的均一性发生变化，还会使制得的绝缘结构具有不同的机械强度。优选的是，在较高剪切速率和较低温度下干混的方法经常会得到组分均匀性更高的材料，会制得具有更高机械强度的结构。
也可以在将本发明的材料模塑、成形或通过其他方法加工成结构或复合体的同时对该材料施加剪切应力或作用力，这会对所得材料的性质造成影响。在一实施方式中，当在303.15-453.15K下施加剪切应力时，本发明的材料形成油灰。尽管不希望为理论所限，但是相信当PTFE初级颗粒在互相接触的情况下变形时，PTFE颗粒通过形成原纤而连结(S.Mazur，″Paste Extrusion of Poly(tetrafluoroethylene)FinePowders″，见Polymer Powder Technology，第441页，John Wiley&Sons，1995)。相信这些原纤的直径约为0.02-0.1微米，通常约为0.04微米。还相信由剪切或拉伸形变造成的PTFE初级颗粒原纤化会导致形成支架状或笼状结构。较佳的是，PTFE颗粒的原纤与其他PTFE原纤或PTFE颗粒连结，形成网状结构，气凝胶颗粒位于此结构内或周围，从而与之连结起来。因此，对于包含气凝胶颗粒和PTFE粘合剂的本发明的材料，认为由于PTFE相具有独特的互连微结构，气凝胶的连结获得了改进，从而获得了许多有益的特征，例如更好的可操作性，改进的可塑性，较低的粉化/颗粒脱落，更佳的挠性等等。
当本发明的材料包含气凝胶颗粒和PTFE粘合剂时，″粘合剂″或″粘合″表示通过PTFE组分将气凝胶颗粒固定在一起，或者将其与其他气凝胶颗粒结合，或者与另外的任选组分结合起来。较佳的是至少一部分的PTFE组分是原纤化的，至少一部分的原纤与其他PTFE原纤连结或与PTFE颗粒连结，固定着气凝胶颗粒，并将气凝胶/PTFE结构结合在一起。因此，本发明优选的材料包含气凝胶颗粒和包含互连的原纤的原纤化PTFE组分。
PTFE初级颗粒的原纤化程度可取决于几个因素，例如所施加的剪切力的大小，温度，在初级颗粒之间是否存在润滑液体等。相信原纤化程度较高的PTFE颗粒将制得具有较高可塑性、较低颗粒脱落和较高机械强度的结构或复合体。本发明优选的是无粉化或低粉化的，尽管气凝胶结合的程度或PTFE互连的程度随一些因素(例如PTFE的量和所施加的剪切力的大小)而变化，但是相信这种结合能够有益地减少绝缘材料模塑、挠曲、拉伸、扭曲、缠绕或进行其他操作时气凝胶的粉化。图1和图2显示了从PTFE颗粒延伸到其他PTFE原纤或颗粒的原纤。图1是包含60重量％气凝胶和40重量％PTFE的优选的绝缘带放大10000倍的SEM图。图2是包含80重量％气凝胶和20重量％PTFE的优选的绝缘带放大10000倍的SEM图。图3是包含80重量％气凝胶和20重量％PTFE的凝聚的气凝胶和PTFE粉末混合物放大10000倍的SEM图。图1和图2的带通过施加剪切或拉伸力制得，其PTFE原纤化程度高于共凝聚的粉末(图3)。
包含约40重量％至约大于80重量％气凝胶的本发明优选材料在大气条件下的热导率约等于或小于25mW/mK。这些材料的密度优选约为100-400千克/立方米。更优选的是热导率小于或等于约20mW/mK的材料，最优选在大气条件下的热导率约小于或等于17mW/mK。在一实施方式中，形成的绝缘材料包含疏水性气凝胶颗粒与含有疏水性PTFE颗粒的粘合剂的混合物。形成的绝缘材料在大气条件下是高度疏水和防水的；因此这些材料适合用于许多热绝缘用途。
本发明的材料可占据至少两个表面之间的空腔或空间，形成绝缘制品。这些表面可独立地为挠性或刚性的。一个实施方式包括一种绝缘制品，该制品包括至少两个表面，本发明的材料位于该制品至少第一表面和第二表面之间。较佳的是，其中至少一个表面是刚性表面，更佳的是，这些表面是固态非多孔性的。例如，具有至少两个表面的制品可以是一个双壁容器，例如双壁管，低温杜瓦瓶，歧管等。由此形成绝缘制品，所述材料可充分填充所述双壁容器两个壁之间的空间。图6a和图6b分别是本发明绝缘制品的优选实施方式的半截面和截面示意图，该制品包括具有环状管空腔64的双壁管，本发明的材料61位于两个管壁表面62和63之间的空间内。或者本发明的材料可包含在挠性表面(例如橡胶、聚合物、薄金属化箔、织物等)之间，用于在衣物中使用绝缘衬垫的用途，例如用于手套、鞋类或用于外衣。
本发明的材料可形成油灰，或通过模塑或成形制成任何所需的形状，例如圆柱形、球形、矩形等形状，从而形成绝缘结构。可采用任何已知的方法将所述材料模制或成形成二维或三维形状的一定结构，这些方法是例如辊轧加工，压延，压塑，和糊料挤出。优选的绝缘结构在常压下的热导率约等于或小于25mW/mK，更优选约小于或等于20mW/mK，最优选约小于或等于17mW/mK。优选的结构的密度约为100-400千克/立方米。形成本发明绝缘结构的优选方法包括提供包含气凝胶颗粒和PTFE粘合剂的材料，对该材料施加剪切力，使该材料成形、形成具有一定形状的绝缘结构，所述绝缘结构在常压条件下的热导率小于或等于25mW/mK。
本发明一实施方式涉及一种成形的绝缘结构，该结构包含已经制成带的本发明的材料。优选的是，带的厚度约大于或等于0.5毫米，优选约为0.5-10毫米。一种优选的形成带的方法是糊料挤出法，在此方法中可制成具有良好的机械强度性质，并且是低粉化至无粉化的带。用来糊料挤出PTFE的方法是众所周知的(″Finepowder processing guide″202809A(2/91)，见Dupont Polymers，Wilmington，Delaware)，该方法适用于本发明。在此方法中，将包含气凝胶和PTFE的共凝聚粉末与润滑剂均匀混合，制备润滑的粉末。也可使用包括烃类润滑剂，例如矿油精、溶剂石脑油等之类的润滑剂。基于干粉末中的气凝胶含量，以干粉末的重量为100重量份计，润滑剂的含量可约为100-400重量份。可将润滑的粉末，或预成形形状的润滑的粉末加入糊料挤出机的筒内，用锤体挤压，并且在此之后使用压力辊沿挤出方向任选地进行辊轧，制得成形的制品。然后干燥该制品除去润滑剂。如更早的专利例如美国专利第2,400,099号；第2,593,583号；第4,153,661号和第4,460,642号所述，另一种常用的形成绝缘带结构的方法使用双辊加工。
另一实施方式涉及一种复合结构，该复合结构包括置于两个层之间的本发明材料。本发明的材料作为这两个层之间的芯，这两个层可以是例如薄膜、膜或箔，或其组合，根据用途，这两个层的组成可相同或不同。各个层可任选地包含多层形式，例如层叠体、涂层等。至少一个层可以是能够渗透气体或液体，或不能够渗透气体或液体的。较佳的是，至少一个层由以下材料制成聚合物，例如膨胀的聚四氟乙烯(ePTFE)，聚氨酯，硅氧烷，聚乙烯，聚酯等；橡胶；金属箔，例如铝或铜；或金属化的聚合物箔。
可将芯材料模塑成任意所需的厚度，其密度优选为100-400千克/立方米。根据用途，优选将复合结构制成厚度约大于或等于0.5毫米、优选约0.5-50毫米或更厚的带或压塑部件。较佳的是，芯绝缘材料中的气凝胶含量约大于或等于40重量％，约大于或等于60重量％，或约大于或等于80重量％。在一实施方式中，本发明的材料形成结合在两个外层之间的芯。在一实施方式中，芯材料与复合体的至少一个外层结合，例如将芯材料与适用于本发明的表面，例如膜或薄膜粘合或粘结。也可形成一种复合结构，其中芯材料无需粘合剂化合物即可与外层结合。然而，除了非粘合性结合以外，也可使用粘合剂，例如含氟聚合物、氨基甲酸酯、硅氧烷、环氧化合物和其它合适的粘合剂。图4是本发明的带的截面图，该带具有两个外层41a和41b，以及位于外层之间的绝缘材料芯42，所述外层可以是相同或不同的。图5是一个带放大50倍的SEM图，该带具有两个外部膨胀的聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜层，在这些层之间具有包含60重量％气凝胶和40重量％PTFE的绝缘材料。
本发明一实施方式是一种用于包括管子和容器绝缘用途的包覆用途中的绝缘复合带结构。优选的结构包括芯绝缘材料和两个膨胀的聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜层，所述芯绝缘材料包含40-80重量％的气凝胶，以及任选的含量少于约10重量％的遮光剂，例如炭黑或TiO2。芯可在使用或不使用粘合剂的情况下与两个ePTFE层结合。然而，当该用途或材料选择需要较强的结合时，可优选地使用粘合剂。可使用带绝缘结构来包覆管子之类的物品，从而形成绝缘管，例如用于低温管道、海底输油管道和输气管道等的绝缘管；各种容器；长反应器和杜瓦瓶。用于包覆用途的绝缘带是高度挠性的，可以包覆在直径约小至5毫米的制品周围而不发生粉化或破裂，并且热导率不会发生任何重大的改变或增加。″重大的″表示热性质的改变约为±1至3mW/mK。图7是本发明绝缘制品的示意图，该示意图显示用本发明的带71包覆的管72的透视图。
另一实施方式是一种复合结构，在此结构中至少一个层是不能渗透液体和/或气体的。不渗透层可选自例如ePTFE之类的能够使结构即使在几百千帕压力下的液态水也无法渗透的薄膜。另外，可使用金属箔或金属化的聚合物箔形成抗气体渗透的复合体。适用于本发明的金属箔包括铝或铜。例如金属化的聚酯膜可用作能够在低于10千帕的真空压力下支承若干年的气体不可渗透层。不渗透性复合体可用于需要材料具有抗有毒气体和活性气体能力的用途，包括军事应用，工业用途等。
在一实施方式中，本发明的材料是密封的不渗透性外层之间的芯，它们形成了密封的不渗透性复合体，通过施加真空降低此密封的复合体中的压力，进一步减小了该复合体的热导率。本发明优选的材料包含约40-95重量％的气凝胶，用于该复合体需要处于约10-6千帕的真空至约100千帕的条件下的用途中。在常温和约1.5千帕的真空下测得，优选的材料的热导率约小于或等于10mW/mK，更优选约4-10mW/mK。更优选本发明的材料还适用于在低温和减压的冷冻条件下的冷冻用途，在此条件下该材料的热导率进一步减小。例如在约77K的冷冻温度下，本发明一实施方式在常压下的热导率为13.7mW/mK，在1.33×10-4千帕的真空下的热导率约为1mW/mK。在另一实施方式中，在约10千帕的低压力负载下(这是手套用途中经常达到的压力水平)，由于气凝胶和PTFE颗粒之间较大的孔的孔径的减小，优选的复合体的热导率会减小约1-3mW/mK。最优选的带结构在被施加约10千帕的单向压力时具有低可压缩性，其可压缩性仅约高达25％。
在另一实施方式中形成一种复合体，在此复合体中至少一个外层可渗透气体和蒸气。可渗透层可包括含有以下物质的层ePTFE或其他微孔薄膜，织造或非织造织物，纸张等。蒸气渗透性复合结构可由蒸气渗透性外层和能够使蒸气分散渗透的PTFE-气凝胶芯材料形成。用于该复合体外层的蒸气或气体渗透性薄膜的例子包括含有ePTFE，硅氧烷，聚氨酯，聚碳酸酯，纸张和其他多孔的气体渗透性薄膜的层，可用于需要或要求具有水蒸气渗透性、或透气性的用途，例如“透气性”服装和鞋类，“透气性”覆盖层可其他种类的“透气性”绝缘材料。在一些户外服装之类的用途中，需要有透气性和液体水不渗透性。使用水蒸气渗透性聚合物的微孔薄膜或连续聚合物膜或涂层可作到这一点，所述水蒸气渗透性聚合物是例如亲水性聚氨酯类，聚酯等。本发明一优选实施方式是一种蒸气渗透性复合结构，该复合结构包括结合在两个包括ePTFE薄膜的外层之间的PTFE-气凝胶材料芯。
还优选由弹性薄膜层和位于其之间的芯材料形成的可拉伸复合体。优选的弹性层是热塑性弹性体。还优选包含聚氨酯、聚酯、聚酰胺及其共聚物的层。优选的可拉伸绝缘带能够回复其大部分或全部的初始尺寸，能够可释放地拉伸而不会使其热性质发生显著的变化或降低。“显著的”表示热性质的变化约为±1至3mW/mK。适用于本发明的弹性层包括聚氨酯、硅氧烷等，及其共聚物。可拉伸绝缘复合体的用途包括服装，特别是手套、短袜、帽子和可拉伸衣服、绝缘覆盖层、保暖救生衣，绝缘衬垫，绝缘绷带等。
可通过本领域已知的任何用来形成多层复合体的方法制造具有位于外层膜或薄膜层之间的材料芯的复合体从而形成绝缘结构，所述方法是例如真空成型，连续辊轧处理，挤出，层压，热压，粘合剂或非粘合剂结合等。根据其组成，外层向带提供强度、耐久性、弹性和其它性质。
较佳的是，本发明材料制得的结构和复合结构，例如片材或带材适于切割，可切割成适于绝缘物品的形状，所述绝缘物品是例如冷却器，餐具箱，杜瓦瓶，手、脚或其他身体部位，以及电子器件，例如手提电脑，手机等。可将绝缘结构切割成绝缘衬垫，这些绝缘衬垫通过胶粘、缝合或包在双壁容器中材料(例如织物、金属、纸板等)的多个层或多个套之间而结合在物品中。优选在切割表面时无粉化的复合带。可将带或片模塑成三维形状，用来使不规则形状的对象绝缘。例如，可如图所示地制造用于靴子或手套的衬垫或衬里，例如，图8a显示了手套的情况。图8a是本发明的绝缘手套衬垫80的示意图，图中所示的复合体包括两个外部复合层81a和81b，以及位于层81a和81b之间的本发明的绝缘材料82。本发明的绝缘制品可具有一个或多个衬垫。例如，可将绝缘衬垫置于手套的手掌侧面，可固定在外部和内部织物层(图8b，84a和84b)之间。或者可如图8b所示将绝缘衬垫80同时置于手掌的上表面83a和下表面83b。通过本领域已知的任何固定织物层或其他绝缘材料的方法将各衬垫结合入制品中，固定85在内织物层84a和外织物层84b之间，这些方法是例如使用粘合剂，缝合等。绝衬垫80可以是包括本发明绝缘材料的结构，也可以是复合绝缘结构。同样的，用于靴子的衬垫可置于鞋子的上表面，例如上部鞋头区域，以及鞋底面。可使用本领域已知的任何用来结合鞋层和绝缘材料的方法将衬垫结合入鞋内，可通过缝合、粘合等方法将衬垫固定在织物、皮革、塑料等内部鞋材料和外部鞋材料之间。
在另一实施方式中，可将绝缘结构用于可移动电子设备，例如笔记本电脑，PDA(个人数字助理)，手机等。随着这些设备的外壳尺寸的减小和/或设备功能的增加，对热的处理成为了难题。功能增强经常会使电子设备中某些元件产生更多的热量。外壳尺寸减小使得产生热量的元件与外壳更为接近，使元件向外壳表面传热更加方便。在这些情况下，与使用者直接接触的外壳可能会热得令人感觉不适。绝缘材料可在生热元件(heat generating component)和设备外壳之间形成有效的阻挡层，从而消除或延迟了从某些元件向至少一部分将与使用者直接接触的设备外壳表面的热传递。至少一部分与使用者接触的设备外壳的温度将得到降低，因此使用者可以更为舒适地使用设备。或者绝缘材料可以在设备外壳和使用者之间形成阻挡层，从而消除或延迟了在加热的设备外表面与使用者之间的热传递。
在一实施例中，如图9所示，图中显示具有至少一个绝缘结构91的手机，该绝缘结构91可置于具有生热元件95(例如功率放大器，多媒体处理器等)的印刷电路板92和经常与使用者的面部(未显示)接触的手机键盘外壳表面96之间。也可将绝缘结构91置于具有生热元件95的印刷电路板92和会接触使用者的手(未显示)的手机背面外壳表面94之间。在另一实施方式中(未显示)，可将绝缘结构91置于外壳表面94或96之外，例如可将绝缘结构置于至少一部分设计成与使用者的手接触的外壳外表面上。在图10中，显示了具有绝缘结构101的笔记本电脑，其中绝缘结构101置于具有CPU(中央处理器)或GPU(图形数据处理单元)之类的生热元件105的印刷电路板102和经常会与使用者的膝部(未显示)接触的笔记本电脑外壳底面104之间。在另一实施方式中(未显示)，可将绝缘结构101置于至少一部分外壳底面104之外。较佳的是，绝缘元件结合在可能与使用者的膝部接触的一部分外壳外表面上。
在另一实施方式中，便携式电子设备包括电子设备，例如手机或计算机，和携带式仪器箱(carrying case)，该携带式仪器箱包括绝缘结构。较佳的是，可将绝缘结构置于携带式仪器箱的多个层之间。
较佳的是，低热导率的绝缘结构可制得足够薄，以便在结合入这些设备中或设备外时不会使外壳的尺寸有任何增加或显著的增加。优选的用于电子设备的绝缘结构包括本发明的绝缘材料，该绝缘结构为带状或片状形式，通过模剪切基片或其它方法形成一定的尺寸，以便简单地适于设备中未使用的空间。优选的复合体包括结合在两个ePTFE之类的外层之间的本发明的绝缘材料，但是也可使用不包括外层的绝缘结构。可将其他材料结合入电子设备中，与绝缘材料结合起作用，所述其它材料是例如高热导率材料。可设置高热导率材料，故意将热量从外壳表面传导走，而不是阻挡或延迟热量的传导。
本发明一实施方式涉及一种便携式电子设备，该设备包括至少一种生热元件，外壳，以及置于所述生热元件和外壳之间的至少一种绝缘结构。尽管该绝缘结构可与生热元件和外壳直接相邻，但是预期可以在该结构的组成之间设置其它的与热绝缘无关的元件。另外，揭示了一种使使用者更舒适地使用便携式电子设备的方法，该方法包括以下步骤提供具有至少一种生热元件和具有表面的外壳的便携式电子设备，将绝缘结构置于生热元件和外壳之间，阻止或延缓产生的热量从所述元件向所述外壳表面的至少一部分的传输。或者该方法包括以下步骤在所述外壳和使用者之间设置绝缘结构，防止或延迟所述至少一种元件产生的热量向使用者的传输。
通常本发明气凝胶/PTFE材料的最终结构的性质优选是具有比其它绝缘材料更佳的可成形性，减少的粉化，增强的机械强度和更低的热导率，这些性质可部分地取决于混合物中PTFE和气凝胶的比例。材料的热导率还可取决于本发明材料中的孔径分布，气凝胶和PTFE的粒度分布，以及在模塑或带成形过程中的压缩程度，或所得的绝缘材料的密度。如果所述绝缘材料或结构中存在约大于100纳米的孔，即大于空气分子的平均自由程(mean free path)的孔，会使得结构的热导率增大。以下实施例用来说明可用于本发明一些实施方式的组成和性质的范围，本发明并非仅限于这些实施例。
试验试验1颗粒从绝缘结构脱落使用用来测量注射中的颗粒物质的USP 788法测定从绝缘结构脱落的颗粒数。将小块绝缘材料样品(约0.64厘米×0.32厘米至1.3厘米×1.3厘米)置于烧杯中的150-200立方厘米的50重量％去离子水和50重量％异丙醇的混合物中，该烧杯浸入超声波水浴中。这些颗粒用超声提取2分钟(Branson 2200超声波浴)。在试验之前用0.22微米的微孔甲基纤维素过滤器过滤异丙醇/水混合物。使用装有8000A计数器和MC200激光器的HIAC Royco Liquid Syringe Sampler3000A，采用激光器颗粒计数(LPC)技术，在100立方厘米/分钟下，在0.2-5微米范围内测量每单位体积中脱落颗粒的数量。用包含绝缘材料的样品中颗粒数减去空白样品中颗粒数(背景计数)，得到每单位体积脱落颗粒的数量。背景计数至少小于所有测量的样品计数的千分之一。使用公式(样品计数/立方厘米-空白计数/立方厘米)×提取体积(立方厘米)/提取面积(克)计算每克绝缘材料的脱离颗粒数。每单位面积绝缘材料的颗粒脱落数由以下公式计算(样品计数/立方厘米-空白计数/立方厘米)×提取体积(立方厘米)/提取面积(平方厘米)。数值由样品的已知形状及其体积密度计算。通过在0.2-2.5微米范围内的脱落颗粒总数求和，计算每单位质量和单位面积中脱落颗粒的总数。
试验2热导率测量使用按常规制造的热流计热导率测试仪在大气条件下(约298K和101.3千帕)测量本发明样品的热导率。该测试仪包括一个加热的铝板，在此铝板的表面上嵌有热流传感器(FR-025-TH44033型，Concept Engineering，Old Saybrook，Connecticut)和温度传感器(热敏电阻)，还具有保持在室温的第二铝板，在其表面上嵌有温度传感器。
将加热的板的温度保持在309.15K，同时将″冷的″板保持在298.15K。在覆盖着所述热导率测试仪的板的两层铝箔(厚度约为0.02毫米)之间进行热流测量(单位为瓦/平方米开尔文)。板的直径约为10厘米。使用数字千分尺(日本，Mitutoyo公司，ID-F125E型)测量两个薄的刚性表面之间的样品厚度。通常在样品置于测试仪中，达到稳态后的2至5分钟内进行热流测量。
根据下式，由测得的热流和样品的厚度计算热导率k＝L/(1/Q-1/Q0)，式中k是热导率，单位为mW/mK，L是样品厚度，单位为毫米，Q是热流，单位为瓦/平方米开尔文，Q0是未放置样品时的热流(Q0＝100瓦/平方米开尔文)。
实施例实施例1制备了包含约80重量％气凝胶颗粒和约20重量％PTFE的无粉化材料油灰。
通过向25升的容器加入约8.75千克异丙醇(VWR InternationalInc.，Bridgeport，New Jersey)和8.75千克去离子水，在750rpm下搅拌约5分钟，制得了包含约0.8千克疏水性表面处理的二氧化硅粉末气凝胶(Nanogel aerogel，OJ0008级，Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts)(喷射研磨至粒度约为7微米)的4.37重量％的分散体。然后将搅拌速率增加到1500rpm。将约0.2千克的分散体中的PTFE颗粒，即0.875千克的23重量％聚四氟乙烯水分散体(TEFRMS 153，DuPont，Wilmington，Delaware)快速倒入该搅拌的混合容器中。然后立刻将约0.5千克的0.4重量％的Sedipure表面活性剂溶液(CF803，Tensid-Chemie Vertriebsgesellschaft mbH，BASF Group，Koeln，德国)倒入该混合物中。浆液中的固体总量约为5.1重量％。共凝聚约在1.5分钟内完成。
将包含共凝聚物的浆液倒入位于过滤介质上的孔板，在约1小时内排去液相。流出物包含约0.1重量％的固体，是澄清的。凝聚物在433.15K的对流烘箱内干燥48小时。该材料干燥形成厚约20毫米的块。该块骤冷至约低于263.15K，采用最小向下作用力和致密的圆周运动手工研磨，通过3.175毫米筛孔的不锈钢筛网过筛，在此过程中将材料的温度保持在约低于263.15K。在圆形模(直径约76.2毫米，厚约6.35毫米)内将绝缘材料手工压制成容积密度约为181千克/立方米的油灰。用油灰的质量除以圆形模具的体积来确定油灰的密度。
根据上述用来测量热导率的试验(试验2)测量模塑的块的热导率。模塑的块的热导率约为13.52mW/mK。
实施例2制备了一种绝缘复合体，该复合体包括包封在ePTFE薄膜内的包含80重量％气凝胶和20重量％PTFE的芯材料。
将实施例1的材料倒入尺寸为12厘米×13.3厘米×0.8厘米的矩形模具中，轻轻压成油灰。将包括油灰的模具置于两层镀铝的塑料箔之间。然后移去模具，将模塑的油灰剩在两层箔之间。使用铁水将围绕着模塑的油灰的箔的三侧密封，形成包封。将此包括油灰的包封移入真空封装机，在1.5千帕的真空下封装该包封的第四条边。
最终的真空封装形式有很高的挠性，在挠曲时不会发生劈裂或折边(edge)，其总厚度为7.12毫米，基本根据上述热导率测量试验(试验2)进行测量时，其热导率为9.55mW/mK。
实施例3用包含约80重量％气凝胶和约20重量％PTFE的材料制造绝缘结构。
在75.7升的敞开混合容器中，将约29.2千克的去离子水加入约29.2千克的异丙醇(VWR International，Inc.，Bridgeport，New Jersey)中。向其中加入约2.68千克疏水性表面处理的二氧化硅气凝胶(Nanogel aerogel，OJ0008级，购自Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts；喷射研磨至粒度约为7微米)。整个混合物使用标准的螺桨式叶轮在1500rpm下搅拌4分钟，然后在1000rpm下再搅拌4分钟，制得均匀的浆液。向此浆液以包含约26.3重量％固体的分散体(TEFRMS 153，DuPont，Wilmington，Delaware)形式加入0.68千克PTFE固体。该混合物在1000rpm的转速下搅拌1分钟，使PTFE在二氧化硅气凝胶的存在下凝聚。所得凝聚物如实施例1所述地过滤、干燥、骤冷并过筛形成颗粒状粉末。
将约0.82千克的上述粉末与2.1千克Isopar KTM液体(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合。对该混合材料施加至少3.3千帕的真空，然后以0.33米/分钟的速率将其挤过模头(die)，在挤出过程中温度保持在约322.15K。该模头具有宽178毫米、高2毫米的矩形开口。挤出的片材在约473.15K的对流烘箱中干燥除去Isopar K烃类液体。
该绝缘结构是可加工的，而且是无粉化的，厚度约为2.4毫米。基本根据上述热导率测量试验(试验2)测量其热导率，结果约为15.1mW/mK。
使用试验1“从绝缘结构脱落的颗粒”所述的方法测量从该绝缘结构脱落的颗粒数。用于该试验的样品是矩形的，其尺寸为1.3厘米×1.3厘米×0.245厘米，其密度为261千克/立方米。将该样品的脱落与两种不同的Aspen气凝胶覆盖层(AspenAerogels，公司，Marlborough，Massachusetts)，Aspen AR3100(不含炭黑)和AspenAR5200(含炭黑)比较。Aspen AR3100样品的尺寸为1.3厘米×1.3厘米×0.64厘米，密度为100千克/立方米。Aspen AR5200样品的尺寸为0.64厘米×0.32厘米0.32厘米，密度为100千克/立方米。表1所列的结果是三个绝缘样品的测量平均值，其单位为空颗粒/平方厘米样品和总颗粒/克样品。结果表明本发明绝缘结构的颗粒脱落少于Aspen AR3100和AR5200。表2基于Aspen气凝胶覆盖层与实施例3的绝缘结构总颗粒脱落之比进行比较。
表1从实施例3的绝缘结构和Aspen气凝胶覆盖层(Aspen AR3100和AspenAR5200)脱落的颗粒总数的比较。
表2Aspen气凝胶覆盖层与实施例3的绝缘结构的总颗粒脱落比
实施例4制备了包含约55重量％气凝胶和45重量％PTFE的绝缘材料。
在75.7升的敞开容器中，使用标准旋桨式转轮，在约600rpm的转速下对以下物质混和搅拌约30秒，制成它们的混合物约65.3千克去离子水，约2.22千克异丙醇(VWR International，Inc.，Bridgeport，New Jersey)和约0.44千克Zonyl FSOTM含氟表面活性剂(Dupont Fluoropolymers，Wilmington，Delaware)。在大约2300至2600rpm的转速下，逐渐加入大约1.54千克的二氧化硅气凝胶(Nanogel aerogel，OJ0008级，Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts)(喷射研磨成粒度约为7微米)。继续搅拌6分钟，直至得到均匀的二氧化硅气凝胶浆液。将此浆液移至190升的密闭容器内，用旋桨式转轮在大约600rpm的转速搅拌3分钟，然后加入4.92千克固体含量约为25.8重量％的PTFE分散体。继续在600rpm的转速下搅拌，PTFE与二氧化硅气凝胶共凝聚。搅拌3分钟之后，将此混合物倒入位于过滤介质上的孔板以排掉液体。过滤之后的凝聚物在大于438.15K干燥约24小时。干燥的凝聚物是松散结合的粉末形式，储存在大约253K的冷冻器中。
实施例5由包含约55重量％气凝胶和约45重量％PTFE的材料制备绝缘带结构。
将实施例4的材料和Isopar KTM(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比约为2.5千克Isopar KTM液体比1千克固体材料。混合的材料在大约322.12K保持至少24小时。对混合的材料施加至少约3.3千帕的真空，然后以0.25米/分钟将其挤过直径25毫米的圆筒。所用的模头具有宽25毫米、高0.8毫米的矩形开口。模头和圆筒的温度都保持在约322.15K。
挤出的绝缘带的宽度为25毫米，在473K的回流炉内干燥60分钟。所得的带材牢固、可加工、可弯曲、可折叠而且无粉化。绝缘带的厚度为1.08毫米。基本依照上述热导率测量试验(试验2)测量25毫米宽的带的热导率，其不同之处在于将第一层的4条带材并列放置在测试板上，然后放置类似的另外一层4条带材，其取向与第一层垂直。测得的热导率约为17.9mW/mK。
实施例6由包含约55重量％气凝胶和约45重量％PTFE的材料制备绝缘结构。
将实施例4的材料和Isopar K(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比约为2.5千克Isopar K液体比1千克固体材料。混合的材料如实施例3所述柱塞挤出。对混合的材料施加至少约3.3千帕的真空，然后以0.25米/分钟将其挤过直径25毫米的圆筒。所用的模头具有宽178毫米、高0.8毫米的矩形开口。模头和圆筒的温度都保持在约322.15K。
挤出的绝缘带在473K的回流炉内干燥60分钟。所得绝缘带结构的厚度约为2.5毫米，密度约为250千克/立方米，宽度约为148毫米。基本依照上述热导率测量试验(试验2)测量所述带的热导率，测得的热导率约为18.9mW/mK。
实施例7制造了一种绝缘复合带，这种带具有包含约55重量％气凝胶和约45重量％PTFE的芯材料，以及两个ePTFE薄膜外层。
通过加热和施压将实施例6的绝缘带与两层膨胀的ePTFE薄膜层压起来，形成具有复合结构。制得的层状结构具有ePTFE薄膜(W.L.Gore&Associates，Inc.，Elkton，Maryland)的第一层，该层的厚度约为28微米，平均流动孔径(mean flow pore size)约为0.21微米，每单位面积的质量约为16.9克/平方米，在其上轻轻喷洒沉积含氟热塑性粉末(DyneonTMTHVTM220A，Dyneon LLC，Oakdale，Minnesota)。将实施例6的绝缘带置于第一层上，然后在该带顶上再喷洒THV 220A，形成第二层ePTFE薄膜。使用Carver Press在大约473.15K、300千帕的条件下对整个层状结构挤压3分钟。
所得的绝缘复合结构的厚度约为2.6毫米，密度约为250千克/立方米，基本根据上述热导率测量试验(试验2)测得其热导率约为18.4mW/mK。
实施例8制造了一种绝缘复合带，这种带具有包含约55重量％气凝胶和约45重量％PTFE的芯材料，以及两个聚氨酯薄膜外层。
通过加热和施压将实施例6的绝缘带与两层热塑性聚氨酯膜层压起来，形成复合结构。制得的层状结构在绝缘带的两面具有第一层和第二层的聚氨酯(Dureflex(IPT1710S，Deerfield Urethanes，Inc.，South Deerfield，Massachusetts)膜，该膜的厚度约为25.4微米。使用Carver Press在大约423.15K、340千帕的条件下对该层状结构热层压约2分钟，形成绝缘复合结构。所得的绝缘复合结构的厚度约为2.6毫米，密度约为250千克/立方米，基本根据上述热导率测量试验(试验2)测得其热导率约为17.2mW/mK。
实施例9制备了包含约75重量％气凝胶和约25重量％PTFE的材料。
在3.6升的容器中，将大约2.1千克的去离子水和0.07千克的异丙醇(VWRInternational Inc.，Bridgeport，New Jersey)与大约0.021千克Zonyl FSOTM含氟表面活性剂(DuPont Fluoropolymers，Wilmington，Delaware)混合。在2000rpm的转速下搅拌的同时，向该混合物中逐渐加入约0.07千克二氧化硅气凝胶(Nanogel aerogel，OJ0008级，Cabot Corp.，Billerica，MA)(喷射研磨至粒度约为7微米)，从而形成分散体。继续搅拌6分钟，直至得到均匀的浆液。在1500rpm的转速下搅拌的同时，向此浆液中加入约0.0877千克固体含量约为26.6重量％的PTFE分散体。继续在1500rpm下搅拌约2分钟，PTFE与二氧化硅气凝胶共凝聚。
将包含凝聚物的液体倒在多孔板上进行过滤。滤出的凝聚物在438.15K干燥约24小时。干燥的凝聚物为松散结合的粉末形式。
实施例10由包含约75重量％气凝胶和约25重量％PTFE的材料制备绝缘带结构。
将实施例9的材料和Isopar K(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比约为3.0千克Isopar K比1千克绝缘材料。混合的材料在大约322.12K保持至少24小时。以0.25米/分钟将混合的材料挤过直径25毫米的圆筒以及具有宽25毫米、高8毫米的矩形开口的模头。模头和圆筒的温度都保持在约322.15K。
挤出的绝缘带的宽度为25毫米，在473K的回流炉内干燥60分钟。所得的带材牢固、可加工而且无粉化，厚度为1.07毫米。基本依照实施例5测量带的热导率，测得的热导率约为15.2mW/mK。
实施例11制备了包含约55重量％气凝胶，40重量％PTFE和约5重量％炭黑的材料。
在一3.6升的容器中，将2千克去离子水与大约0.0142千克烃类表面活性剂(Tomadol 1-5TM，Tomah Products Inc.，Milton，Wisconsin)混合。加入约0.0641千克二氧化硅气凝胶(Nanogel aerogel，OJ0008级，Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts)(喷射研磨至粒度约为7微米)，从而形成分散体。该分散体在2000rpm的转速下搅拌约3分钟，形成均匀的浆液。在另一个容器内，通过在1500rpm下搅拌约2分钟，将0.006千克炭黑(Ketjenblack EC300J，Akzo Nobel Polymer Chemicals，Chicago，Illinois)分散在0.5千克去离子水中。然后将炭黑浆液加入二氧化硅气凝胶浆液中，在1500rpm混合约2分钟。在1500rpm的转速下搅拌的同时，向此浆液混合物加入约0.1754千克的固体含量约为26.6重量％的PTFE分散体。
搅拌约2分钟后，对包含凝聚物的液体进行过滤，凝聚物在约438.15K干燥约24小时。干燥的凝聚物为自由流动的细粉末形式。
实施例12由包含约55重量％气凝胶、约40重量％PTFE和约5重量％炭黑的材料制备绝缘带结构。
将实施例11的材料和Isopar K(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比约为2.79千克Isopar K比1千克绝缘材料。混合的材料在大约322.12K保持至少24小时。对混合的材料施加至少约为3.3千帕真空之后，以0.25米/分钟将其挤过直径25毫米的圆筒，所用的模头具有宽25毫米、高0.8毫米的矩形开口。模头和圆筒的温度都保持在约322.15K。挤出的绝缘带在473K的回流炉内干燥约60分钟。
挤出的绝缘带是牢固、可加工而且无粉化的。绝缘带厚度为1.02毫米，密度为210千克/立方米。基本依照实施例5测量带的热导率，测得的热导率约为16.5mW/mK。
权利要求
1.一种材料，该材料包含气凝胶颗粒，聚四氟乙烯粘合剂，其中，该材料在大气条件下测得的热导率小于或等于25mW/mK。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在大气条件下测得的热导率约小于或等于20mW/mK。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在大气条件下测得的热导率约小于或等于17mW/mK。
4.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的平均孔径约小于或等于100纳米。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的含量约大于或等于40重量％。
6.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的含量约大于或等于60重量％。
7.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的含量约大于或等于80重量％。
8.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述气凝胶由无机氧化物形成。
9.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述气凝胶是二氧化硅气凝胶。
10.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料由粒度约为50纳米至600微米的聚四氟乙烯颗粒形成。
11.如权利要求1所述的材料，该材料还包含至少一种选自遮光剂、染料、纤维和聚合物的另外组分。
12.如权利要求11所述的材料，其特征在于，所述遮光剂是炭黑、二氧化钛、氧化铁、碳化硅、硅化钼、氧化镁或聚二烷基硅氧烷，其中所述烷基包含1-4个碳原子。
13.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是粉末。
14.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是可成形的或可塑性的。
15.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是油灰。
16.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在双壁容器的两个壁之间。
17.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是带材。
18.一种结构，该结构包括两个层，和结合在这两个层之间的材料，其中，所述材料包含气凝胶颗粒和聚四氟乙烯粘合剂。
19.如权利要求18所述的结构，其特征在于，至少一个层是不可渗透液体的。
20.如权利要求18所述的结构，其特征在于，至少一个层是不可渗透气体的。
21.如权利要求19所述的结构，其特征在于，至少一个层选自金属箔和金属化的聚合物膜。
22.如权利要求20所述的结构，其特征在于，至少一个层选自金属箔和金属化的聚合物膜。
23.如权利要求19所述的结构，其特征在于，至少一个层是铝或铜。
24.如权利要求20所述的结构，其特征在于，至少一个层是铝或铜。
25.如权利要求19所述的结构，其特征在于，所述不渗透层由膨胀的聚四氟乙烯组成。
26.如权利要求18所述的结构，其特征在于，至少一个层可渗透气体。
27.如权利要求26所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层可渗透水蒸气。
28.如权利要求27所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层包含膨胀的聚四氟乙烯。
29.如权利要求26所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层包括连续的聚合物膜。
30.如权利要求29所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层包含聚氨酯。
31.如权利要求18所述的结构，其特征在于，至少一个层是弹性的。
32.如权利要求31所述的结构，其特征在于，至少一个层是热塑性弹性体。
33.如权利要求32所述的结构，其特征在于，至少一个层包含聚氨酯、聚酯、聚酰胺及其共聚物。
34.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述绝缘材料在大气条件下的热导率约小于或等于25mW/mK。
35.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述绝缘材料在大气条件下的热导率约小于或等于20mW/mK。
36.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述绝缘材料在大气条件下的热导率约小于或等于17mW/mK。
37.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述气凝胶由无机氧化物形成。
38.如权利要求37所述的结构，其特征在于，所述气凝胶是二氧化硅气凝胶。
39.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述材料中，气凝胶的含量约大于或等于40重量％。
40.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述材料还包含至少一种另外的组分。
41.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述材料还包含遮光剂。
42.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述材料通过非粘合剂结合方式结合在两个层之间。
43.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述材料用粘合剂结合在两个层之间。
44.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构形成为带材。
45.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构可挠曲或缠绕，而热导率无明显变化。
46.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构缠绕在管周围，形成绝缘管。
47.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构是用于服装的衬垫。
48.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构是用于鞋类的衬垫。
49.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构是用于手套的衬垫。
50.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述结构的厚度约大于或等于0.5毫米。
51.一种制品，该制品包括至少两个表面，和位于这至少两个表面之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料包含气凝胶颗粒和互连的聚四氟乙烯原纤，所述绝缘材料在大气条件下测得的热导率小于或等于25mW/mK。
52.如权利要求51所述的绝缘结构，其特征在于，所述绝缘材料是油灰。
53.如权利要求51所述的绝缘制品，其特征在于，至少一个表面是刚性的。
54.如权利要求51所述的绝缘制品，其特征在于，至少一个表面是挠性的。
55.如权利要求51所述的绝缘制品，其特征在于，所述表面是非多孔的。
56.如权利要求51所述的绝缘制品，其特征在于，所述表面是双壁管的两个壁。
57.如权利要求51所述的绝缘制品，其特征在于，所述表面是双壁容器的两个壁。
58.用来形成一种结构的方法，该方法包括提供两个层，和在这两个层之间提供绝缘材料，其中所述绝缘材料包含气凝胶颗粒和聚四氟乙烯粘合剂，所述绝缘材料在大气条件下测得的热导率小于或等于25mW/mK。
59.如权利要求58所述的方法，该方法还包括以下步骤密封该结构的至少三条边，对该结构施加真空，密封该结构的第四条边，从而将压力降至低于常压。
60.如权利要求58所述的方法，其特征在于，所述结构是带材。
61.一种材料，该材料包含气凝胶颗粒，互连的聚四氟乙烯原纤，其中，所述材料在大气条件下的热导率小于或等于25mW/mK。
62.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述互连的原纤与其他聚四氟乙烯原纤或颗粒互连。
63.如权利要求62所述的材料，其特征在于，所述气凝胶颗粒位于互连原纤之内或周围。
64.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述材料在大气条件下的热导率约小于或等于20mW/mK。
65.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述材料在大气条件下的热导率约小于或等于17mW/mK。
66.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的含量约大于或等于40重量％。
67.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的含量约大于或等于60重量％。
68.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述气凝胶的含量约大于或等于80重量％。
69.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述气凝胶是二氧化硅。
70.如权利要求61所述的材料，该材料还包含至少一种选自遮光剂、染料、纤维和聚合物的另外组分。
71.如权利要求61所述的材料，其特征在于，所述材料在两个层之间形成芯材料，从而形成复合结构。
72.如权利要求71所述的结构，其特征在于，至少一个层不可渗透液体。
73.如权利要求71所述的结构，其特征在于，至少一个层不可渗透气体。
74.如权利要求72所述的结构，其特征在于，至少一个层选自金属箔和金属化的聚合物膜。
75.如权利要求73所述的结构，其特征在于，至少一个层选自金属箔和金属化的聚合物膜。
76.如权利要求74所述的结构，其特征在于，至少一个层是铝或铜。
77.如权利要求75所述的结构，其特征在于，至少一个层是铝或铜。
78.如权利要求72所述的结构，其特征在于，所述不可渗透层由膨胀的聚四氟乙烯组成。
79.如权利要求71所述的结构，其特征在于，至少一个层可渗透气体。
80.如权利要求79所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层可渗透水蒸气。
81.如权利要求80所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层包含膨胀的聚四氟乙烯。
82.如权利要求79所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层包括连续的聚合物膜。
83.如权利要求79所述的结构，其特征在于，至少一个可渗透层包含聚氨酯。
84.如权利要求71所述的结构，其特征在于，至少一个层是弹性的。
85.如权利要求84所述的结构，其特征在于，至少一个层是热塑性弹性体。
86.如权利要求85所述的结构，其特征在于，至少一个层包含聚氨酯、聚酯、聚酰胺及其共聚物。
87.如权利要求51所述的材料，其特征在于，所述复合体处于0.001帕至100000帕的真空下。
88.一种便携式电子设备，该设备包括至少一种生热元件，外壳，位于所述生热元件和外壳之间的绝缘结构。
89.如权利要求88所述的设备，其特征在于，所述绝缘结构在大气条件下的热导率小于或等于25mW/mK。
90.如权利要求89所述的设备，其特征在于，所述绝缘结构包括含有气凝胶颗粒和聚四氟乙烯粘合剂的绝缘材料。
91.如权利要求90所述的设备，其特征在于，所述绝缘材料是还包括两个另外的层的复合体。
92.如权利要求88所述的设备，其特征在于，所述外壳具有一表面，该表面的至少一部分设计成与使用者直接接触。
93.如权利要求88所述的设备，其特征在于，所述设备是计算机。
94.如权利要求88所述的设备，其特征在于，所述设备是手机。
95.如权利要求91所述的设备，其特征在于，所述两个层是膨胀的聚四氟乙烯。
96.一种方法，该方法包括以下步骤提供一种便携式电子设备，该设备包括至少一个生热元件和具有表面的外壳；在所述生热元件和外壳之间设置绝缘结构，从而阻止或延迟生成的热量从生热元件向外壳表面的至少一部分的传递。
97.如权利要求96所述的方法，其特征在于，所述绝缘结构包括含有气凝胶颗粒和聚四氟乙烯粘合剂的材料，该材料在大气条件下的热导率小于或等于25mW/mK。
98.如权利要求96所述的方法，其特征在于，至少一部分的外壳表面设计成与使用者直接接触。
全文摘要
形成了一种包含气凝胶颗粒和聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂的材料，该材料在大气条件下的热导率小于或等于25mW/mK。该材料是可塑性的或可成形的，几乎没有或没有填料颗粒脱落，可通过例如将该材料结合在两个外层之间形成如带或复合体的结构。较佳的是，复合体可挠曲、拉伸或弯曲而不会发生明显的粉化或绝缘性能损失。
文档编号B32B27/18GK1875060SQ200480032648
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月4日 优先权日2003年11月10日
发明者C·里斯蒂奇-莱曼, B·法恩沃思, A·杜塔, B·E·赖斯 申请人:戈尔企业控股股份有限公司