气凝胶复合材料的制作方法

专利名称：气凝胶复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及气凝胶复合材料，包括包含具有容纳气凝胶的腔体的粘合料片的气凝 胶复合材料。另外本发明还公开了制备气凝胶复合材料的方法以及气凝胶复合材料的用 途。
背景技术：
逐步增长的能量成本和城市化已导致为管道、汽车、航空、军事、装饰、窗子和房子 以及其他的设备和器具提供更有效的热和声绝缘材料而付出的更多努力。气凝胶为低密 度、高孔隙度的材料，这使得它们可用于多种应用中，如热和/或声绝缘体。气凝胶也可用 于其它的应用中，如作为过滤介质以及催化载体。

发明内容
简而言之，在一个方面，本发明提供了包括粘合料片的气凝胶复合材料，所述粘合 料片包括基层和结构化层。结构化层包括多个槽，并且至少一些槽粘合至基层，从而在结构 层和基层之间限定腔体。气凝胶复合材料还包括被容纳在至少一些腔体内的一体化气凝胶 材料。 在一些实施例中，基层和/或结构化层可为可渗透的；可包括热塑性材料；和/或 可包括纤维层(如，非织造纤维层)。在一些实施例中，层可包括泡沫。在一些实施例中，层 可包括多个层。 在一些实施例中，将结构化层中的至少一些槽熔融粘合至基层。在一些实施例中，
气凝胶复合材料还包括将结构化层中的至少一些槽熔融粘合至基层的粘合剂。 在一些实施例中，结构化层中相邻槽之间的跨度为弧形的。在一些实施例中，至少
一个腔体为沟槽。在一些实施例中，至少一个腔体为袋。 在一些实施例中，一体化气凝胶材料被容纳在基本上所有的腔体内。在一些实施 例中，容纳在至少一个腔体内的一体化气凝胶材料包括纤维增强型气凝胶一体化材料。
在一些实施例中，气凝胶材料包括无机气凝胶。在一些实施例中，无机气凝胶包括 二氧化硅。在一些实施例中，气凝胶材料包括有机气凝胶。在一些实施例中，气凝胶材料包 括无机-有机杂化气凝胶。在一些实施例中，气凝胶材料包括交联气凝胶。在一些实施例 中，气凝胶材料为疏水性的。在一些实施例中，气凝胶材料为疏油性的。在一些实施例中， 气凝胶材料为亲水性的。 在一些实施例中，气凝胶复合材料还包括嵌入在结构化层内、嵌入在基层内、在结 构化层的暴露表面上、和/或在基层的暴露表面上的气凝胶材料。
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在一些实施例中，气凝胶复合材料还包括粘合至基层和/或结构化层的附加层。 在一些实施例中，附加层包括热塑性材料。在一些实施例中，将附加层熔融粘合至基层和/ 或结构化层。 在另一个方面，本发明提供了包括两种或多种单一气凝胶复合材料的气凝胶复合 材料叠堆。在一些实施例中，每种单个气凝胶复合材料包括具有基层和包含多个槽的结构 化层的粘合料片，其中至少一些槽粘合至基层从而在结构化层和基层之间限定腔体；以及 被容纳在至少一些腔体内的一体化气凝胶材料。 本公开的上述发明内容并不旨在描述本发明的每一个实施例。本发明的一个和多 个实施例的细节还在下面的描述中给出。本发明的其它特征、目标和优点从所述描述和权 利要求中将显而易见。


图la示出了层。 图lb示出了作为结构化层的图la的层。 图2示出了根据本发明的一些实施例的示例性粘合料片的横截面。 图3示出了根据本发明的一些实施例的另一种示例性粘合料片的横截面。 图4示出了根据本发明的一些实施例的示例性气凝胶复合材料的横截面。 图5a示出了根据本发明的一些实施例的容纳一体化气凝胶材料的腔体的横截面。 图5b示出了根据本发明的一些实施例的容纳纤维增强型一体化气凝胶材料的腔 体的横截面。 图6示出了根据本发明的一些实施例的具有沟槽的示例性气凝胶复合材料。 图7示出了根据本发明的一些实施例的具有袋的示例性气凝胶复合材料。 图8示出了根据本发明的一些实施例的气凝胶复合材料的横截面，其中气凝胶材
料嵌入在结构化层中、结构化层的表面上、以及结构化层的腔体内。 图9示出了根据本发明的一些实施例的堆叠的气凝胶复合材料制品。 图10示出了根据本发明的一些实施例的包括粘合至基层的附加层的气凝胶复合材料。
具体实施例方式
如本文所用，术语"气凝胶"是指类似于凝胶的固态物质，不同的是液体分散介质 已由气体(如空气)代替。在一些文献中，术语气凝胶也已用于描述这种固态物质的特殊 亚型，其中凝胶的液体已在超临界温度和压强下去除，从而形成气凝胶。为了避免混淆，本 文将这种气凝胶称为"超临界气凝胶"。其它术语已被用于描述通过其它工艺形成的气凝胶 的特殊亚型，例如"干凝胶"(通常是指在亚临界条件下形成的气凝胶)以及"冷凝胶"。概 括地说，除非另外指明，术语"气凝胶"是指与获得产物的过程无关的最终产物。
"气凝胶一体化材料"为包含连续气凝胶的一体化结构。气凝胶一体化材料通常具 有理想的绝缘特性；然而，它们往往是非常脆的并且缺少许多应用中所需的柔韧性。气凝胶 一体化材料还可能脱去气凝胶材料，以致可能产生处理问题。
气凝胶"颗粒"为可流动的、粉末状的气凝胶材料，其可单独进行使用或在与其它 材料(例如树脂)的混合物中进行使用。在一些应用中，可使用气凝胶颗粒来提供相比气 凝胶一体化材料具有更好柔韧性的制品；然而，甚至当被压縮后，与相似量的气凝胶一体化 材料相比，包含气凝胶颗粒的绝缘层通常具有较差的绝缘性。另外，松散的气凝胶粒子可能 难于处理和应用。 已使用气凝胶复合材料来试图解决与气凝胶一体化材料和气凝胶颗粒相关的处 理和柔韧性问题。 一般来讲，"气凝胶复合材料"包含气凝胶以及诸如纤维之类的增强型材 料。纤维基质包括单独的纤维、以及织造和非织造纤维料片(如，膨松有弹性的纤维棉絮)。 一种这类的气凝胶复合材料为纤维增强型气凝胶一体化材料，其包括嵌入在气凝胶一体化 材料中的纤维基质。如本文所用，术语"一体化气凝胶"包括气凝胶一体化材料以及纤维增 强型气凝胶一体化材料。 气凝胶复合材料还包括与纤维基质、以及可任选的树脂形成一体化的气凝胶颗 粒。可将这种颗粒基复合材料进行压縮以形成(如)气凝胶粉末-纤维压縮体。
尽管这种气凝胶复合材料与气凝胶一体化材料和松散的气凝胶颗粒相比，可提供 改善的柔韧性以及处理能力，但在这种气凝胶复合材料的使用中也可能出现处理问题。对 于这两种结构，气凝胶材料可存在于气凝胶复合材料的暴露表面上。另外，如果气凝胶在处 理或使用期间破裂或破碎，可形成松散的气凝胶材料。暴露的气凝胶材料以及松散的气凝 胶材料均可在这种气凝胶复合材料的处理和应用期间脱落。在使用应用了这种气凝胶复合 材料的产品期间可发生额外的脱落。 另外，这些气凝胶复合材料通常具有降低的绝缘性能，尤其是在与气凝胶一体化
材料的比较中。例如，当这些气凝胶复合材料弯曲或挠曲时，由于气凝胶与纤维气凝胶分离
从而可形成控制性较差的空隙或孔。这些孔可导致穿过气凝胶复合材料的不期望的传送通
道。另外，纤维本身的存在可提供穿过气凝胶材料的不期望的导电性通道。 除了确定气凝胶和气凝胶复合材料的这些和其他限制之外，本发明人开发了可供
选择的气凝胶复合材料。 一般来讲，本发明的气凝胶复合材料包括粘合料片和气凝胶。粘
合料片包括结构化层，其间断地粘合至基层从而在结构化层和基层之间形成了腔体。尽管
一些气凝胶可存在于结构化层和基层中的一者或两者内，但至少一些气凝胶被容纳在这些
腔体内。 在一些实施例中，结构化层可为多孔层，包括(如)液体可透过层。在一些实施例 中，结构化层可包括纤维层。示例性的纤维层包括织造和非织造材料、编织物、稀松布、筛 网、丝网、织品、棉絮、垫子等。在一些实施例中，纤维层可包括单一的纤维，如纱或细线。在 一些实施例中，结构化层可包括打孔层，如打孔的聚合物膜。在一些实施例中，结构化层可 包括泡沫，如开孔泡沫或闭孔泡沫。 在一些实施例中，粘合料片可为套环材料，例如通常用于钩环紧固系统中的那些。 套环材料通常包括基层以及多个沿粘合至基层的纵向聚合物纤维形成的套环。套环材料可 通过多种方法进行制备，包括常规的机织或针织技术。其中将套环缝入基层的套环材料片 描述于美国专利No. 4， 609， 581和4， 770， 917中。 在一些实施例中，套环材料可包括基材，所述基材包含具有大致均一形态的热塑 性层。套环材料还包括纵向纤维片，其具有一般无变形的锚定部分和弧形跨度，所述锚定
6部分在间隔开的粘合位置处粘合或融合至基层，弧形跨度从粘合位置之间的基层前表面突 起。这种套环材料以及制备它们的方法描述于(如)美国专利No. 5， 256， 231 ;5， 888， 607 ; 和5， 904， 703中，这些专利以引用方式并入本文中。 在一些实施例中，结构化层可为具有交替的顶和槽的波状层。 一般来讲，至少一些 槽粘合至基层从而在这种间断粘合的、波状的层和基层之间形成腔体。 参见图la，层5具有第一主维度11以及与第一主维度垂直的第二主维度12。第 一和第二主维度限定了层5的平面30并且可进行选择以对应于该层的纵向(L)和横向(T) 维度；尽管其他方向是可以的。次维度13同时垂直于第一主维度11以及第二主维度12 ; 因此，它垂直于平面30。次维度13与该层的厚度相关。 参见图lb，层5已从其平面状态进行变化以产生结构化层IO，该层包括一系列的 纵向起伏20，每个起伏具有顶21以及槽22。在图lb示出的实施例中，起伏具有均一频率， 即相邻槽之间的距离为基本上恒定的。由于在任何产品的制造中一些波动是可预期的，因 此如本文所用，如果任何成对的相邻槽之间的距离在相邻槽之间的平均距离的正或负10% 以内，则起伏为具有均一的频率。 起伏20还具有均一的振幅，即，顶21相对平面30的高度以及槽22相对平面30 的深度在第一主维度11 (如，结构化层10的纵向维度L)以及第二维度12 (如，结构化层10 的横向维度T)上均为恒定的。另外，考虑到常规变化，如果在某一维度上高度或深度变化 不超过平均高度或深度的正或负10%，则顶的高度或槽的深度在该特定维度上为恒定的或 均一的。 在一些实施例中，结构化层可包括变化频率的起伏。例如，在一些实施例中，可改 变相邻槽之间的距离以实现(如)槽的所需图案。在一些实施例中，相邻槽之间的距离可 无规或随机改变。 相似地，在一些实施例中，起伏可包括变化振幅的起伏。在一些实施例中，可改变 顶的高度和/或槽的深度以实现所需的腔体形状。在一些实施例中，顶的高度和/或槽的 深度可无规或随机改变。 参见图2，示出了根据本发明的一些实施例的粘合料片的横截面。粘合料片100包 括结构化层110和基层150。如图所示，结构化层为纤维层；然而，可使用任何合适的结构 化层。 结构化层110包括一系列的起伏120，每个起伏具有顶121和槽122。结构化层的 至少一些槽粘合至基层。在一些实施例中，基本上所有(即，至少90%，在一些实施例中， 至少95%并且甚至至少99%)的槽将粘合至基层。在一些实施例中，槽将沿着该槽的至 少90 %长度粘合至基层上。在一些实施例中，槽长度的至少95 %并且在一些实施例中至少 99%将粘合至基层。 如图2的实施例中所示，槽122直接粘合至基层150。如本文所用，如果包括结构 化层的材料与包括基层的材料直接接触，那么槽为"直接粘合"至基层。在一些实施例中， 当结构化层的槽粘合至基层的表面时发生直接粘合。在一些实施例中，当槽的一部分嵌入 在基层中时发生直接粘合。直接粘合的示例性形式包括熔融粘合和超声焊接。
在一些实施例中，槽可间接粘合至基层。如本文所用，如果一种或多种材料设置在 结构化层和基层之间，则槽为"间接粘合"至基层。例如，槽可通过粘合剂层间接粘合至基层。 如通过槽122d所示，一些槽可能未粘合至基层。尽管未示出，但这种槽可与基层 相接触。可根据设计出现或可由于在制造过程中的变化导致未粘合的槽。
腔体160定义为由基层150以及结构化层110在相邻的粘合槽之间延伸的的每个 跨度170所限定的空间。在一些实施例中，相邻的粘合槽可为相邻的槽，如通过腔体160a、 以及槽122a和122b所示。在一些实施例中，相邻的粘合槽(如，槽122c和122e)可被一 个或多个居间的未粘合槽(如，未粘合槽122d)隔开。 腔体160a由基层150以及结构化层110的跨度170a来限定。跨度170a为通过 顶121在相邻的粘合槽122a和122b之间延伸的简单弯曲。腔体160b由基层150以及结 构化层110的跨度170b来限定。跨度170b为在相邻的粘合槽122c和122e之间延伸的复 合曲线，其穿过两个顶121以及未粘合槽122d。 跨度和所得腔体的其它几何形状或不规则形状是可以的。例如，参见图3，结构化 层114的跨度174为倒"V"。当相邻的槽124粘合至基层154时，所得的腔体164具有通常 的三角形横截面。 参见图4，气凝胶复合材料290包括粘合料片200以及气凝胶280。粘合料片200 包括在槽222处粘合至基层250的结构化层210。腔体260由基层250和跨度270来限定。 每个跨度延伸穿过相邻粘合槽之间的至少一个顶221。气凝胶280设置在腔体260的至少 一些中。 根据(如)材料选择以及加工步骤，腔体内的气凝胶可具有不同的形式。参见图 5a和5b，示出了根据本发明的一些实施例的各种气凝胶复合材料的横截面。在这些图的每 一个中，腔体形成于基层350和结构化层310之间。 参见图5a，在一些实施例中，腔体361内的气凝胶为气凝胶一体化材料381 。参见 图5b，在一些实施例中，(如)腔体362内的气凝胶可为纤维增强型气凝胶一体化材料382， 即，包含气凝胶380以及嵌入的增强型材料(如，纤维)372的一体化材料。
在一些实施例中，气凝胶材料(如，气凝胶一体化材料381或纤维增强型气凝胶一 体化材料382)填充腔体横截面的至少25%，在一些实施例中至少50%，或甚至至少75%。 在一些实施例中，气凝胶材料填充基本上全部的腔体横截面(即，至少90%，在一些实施例 中，至少95 % ，以及甚至至少99 % )。 在一些实施例中，腔体可为沟槽。如本文所用，"沟槽"为由基层以及在两个相邻 的、不相交的粘合线之间延伸的结构化层的跨度限定的腔体。"粘合线"被定义为粘合槽和 基层之间的粘合区域。粘合线可为线性的或非线性的。例如，在一些实施例中，相邻的粘合 线可为平行线。在一些实施例中，相邻的粘合线可为相邻的波浪线，如正弦曲线。在一些实 施例中，相邻的粘合线可为同心圆。 参见图6，气凝胶复合材料490包括形成粘合料片400的结构化层410和基层450。 结构化层410包括具有顶421和槽422的起伏420，其中顶和槽在气凝胶复合材料490的纵 向维度L上交替改变。至少一些槽粘合至基层。跨度470在产生结构化层410和基层450 间的腔体460的相邻粘合槽之间纵向延伸。腔体460为在相邻的粘合槽之间沿气凝胶复合 材料490的整个横向维度T延伸的沟槽。 气凝胶材料，如气凝胶一体化材料480或纤维增强型气凝胶一体化材料，被容纳在沟槽内。在一些实施例中，单一气凝胶一体化材料或纤维增强型气凝胶一体化材料延伸 穿过沟槽腔体横向长度的至少25 % ，在一些实施例中，至少50 % ，并且在一些实施例中，至 少75%。在一些实施例中，单一的气凝胶一体化材料或纤维增强型气凝胶一体化材料基 本上延伸穿过腔体的整个横向长度，即，腔体横向长度的至少90%，在一些实施例中，至少 95% ，甚至至少99% 。在一些实施例中，两种或多种不同的气凝胶一体化材料或纤维增强型 气凝胶一体化材料可存在于单个腔体内。 在一些实施例中，腔体可为袋。如本文所用，"袋"为限定封闭区域的腔体，该腔体 由基层以及在三条或更多条交叉粘合线之间延伸的结构化层的跨度来限定。
参见图7，气凝胶复合材料590包括形成粘合料片500的结构化层510和基层550。 结构化层510同时包括纵向起伏520a以及横向起伏520b。纵向起伏520a包括纵向顶521a 和纵向槽522a，它们在气凝胶复合材料590的纵向维度L上交替改变。横向维度520b包括 横向顶521b和横向槽522b，它们在气凝胶复合材料590的横向维度T上交替改变。
纵向槽以及横向槽中的至少一些粘合至基层。二维跨度570在相邻的粘合纵向槽 之间纵向延伸，并且在相邻的粘合横向槽之间横向延伸，从而在结构化层510和基层550之 间产生腔体560。腔体560为在这些相邻的交叉粘合槽之间延伸的袋。在一些实施例中，相 邻的粘合槽可能不是相邻槽，即，一个或多个未粘合槽可存在于一对相邻的粘合槽之间。
在图7中，纵向槽522a和横向槽522b描述为线性的并且彼此垂直。交叉的粘合 槽之间的所得区域限定了基本为四方的、枕状的袋560。在一些实施例中，一个或两个槽可 为非线性的。在一些实施例中，粘合槽可以除90。之外的角度交叉。在一些实施例中，可选 择结构化层和基层之间的粘合槽图案，以便为袋提供所需的尺寸和形状。尺寸和形状可为 均一的或不均一的。在一些实施例中，限定袋的交叉粘合槽之间的区域可为几何图形(如， 多边形(如，方形、矩形、或三角形)、圆形(包括椭圆形等))或者不规则的。
—般来讲，至少一些袋容纳气凝胶材料，如，气凝胶一体化材料580或纤维增强型 气凝胶一体化材料。在一些实施例中，基本上所有(如，至少90%，在一些实施例中，至少 95%，和在一些实施例中，至少99% )的袋容纳气凝胶材料。在一些实施例中，袋容纳单一 的气凝胶一体化材料或纤维增强型气凝胶一体化材料。在一些实施例中，袋可容纳两种或 多种不同的气凝胶一体化材料或纤维增强型气凝胶一体化材料。 如图6和7的实施例中所示，气凝胶材料限制在腔体内。在一些实施例中，气凝胶 材料也可存在于气凝胶复合材料的一个或多个其它部分中。 例如，参见图8，气凝胶复合材料690包括遍及整个结构的气凝胶。具体地讲，气 凝胶复合材料690包括结构化层610，其粘合至基层650，从而形成粘合料片600。腔体660 由基层650和结构化层610的跨度670来限定，其中跨度穿过相连的粘合槽622之间的至 少一个顶621。气凝胶材料680存在于腔体660内，并且可为气凝胶一体化材料或纤维增强 型气凝胶一体化材料。额外的气凝胶材料680也嵌入在结构化层610内。
如图8所示，在一些实施例中，气凝胶材料680也可存在于结构化层610的暴露表 面中的至少一些上。尽管未示出，但在一些实施例中，存在的气凝胶材料也可嵌入在基层的 暴露表面内并且/或位于基层的暴露表面上。 在一些实施例中，可将根据本发明的两种或多种单一气凝胶复合材料进行组合。 例如，参见图9，在一些实施例中，可组合第一气凝胶复合材料790a以及第二气凝胶复合材料790b以形成堆叠的气凝胶复合材料791。如图9所示，可将相邻的气凝胶复合材料进行 堆叠以使得结构化层彼此相面对。在一些实施例中，可将相邻的气凝胶复合材料进行堆叠 以使得一种复合材料的结构化层面向另一种复合材料层的基层。在一些实施例中，可将相 邻的气凝胶复合材料进行堆叠以使得它们的基层彼此相面对。在包括三种或多种单一的气 凝胶复合材料的堆叠中，可独立地选择各种相邻的气凝胶复合材料的相对取向。
气凝胶复合材料790a和790b中的每一个包括粘合至基层(750a和750b)的结构 化层(710a和710b)。气凝胶复合材料790a的腔体760a在相邻的粘合槽722a之间延伸， 而气凝胶复合材料790b的腔体760b在相邻的粘合槽722b之间延伸。如图9所示，气凝胶 复合材料790b相对气凝胶复合材料790a为反向的或错开的，这样使得结构化层710b的顶 721b通常与结构化层710a的槽722a平行。相似地，结构化层710a的顶721a与结构化层 710b的槽722b平行。 气凝胶材料780位于腔体的至少一些内，并且在一些实施例中，基本上全部之内。 除了存在于腔体内之外，在一些实施例中，气凝胶材料可存在于气凝胶复合材料的一个或 多个区域中。例如，在一些实施例中，气凝胶材料781也可嵌入在结构化层710a和710b中 的一者或两者内。另外地或可供选择地，在一些实施例中，气凝胶材料782可存在于结构化 层710a和710b之间。尽管未示出，另外地或可供选择地，气凝胶材料可嵌入在和/或位于 基层750a和750b中一者或两者的暴露表面上。 在一些实施例中，可通过组合单一气凝胶复合材料来形成堆叠气凝胶复合材料。 在一些实施例中，可通过将粘合料片进行堆叠并且将气凝胶前体注入该叠堆来形成堆叠的 气凝胶复合材料。然后可处理气凝胶前体以形成最终的堆叠气凝胶复合材料。如上所述， 在一些实施例中，相邻的粘合料片可为堆叠的，以使得一个粘合料片的结构化层面向另一 个粘合料片的基层。在一些实施例中，相邻的粘合料片可为堆叠的，以使的它们的基层彼此 相面对。在包括三个或更多个粘合料片的叠堆中，可独立地选择各种相邻粘合料片的相对 取向。 无论堆叠气凝胶复合材料的形成方式如何，相邻层的顶和槽的空间取向不受具体 限定。在一些实施例中，一个层的顶可与一个或多个相邻层的顶平行。在一些实施例中，一 个层的顶可从一个或多个相邻层的顶错开。例如，在一些实施例中，一个层的顶可与相邻层 的槽平行。 —般来讲，基层可包含任何已知的材料。示例性的材料包括聚合物、诸如纸张之类 的纤维基材料、无机材料(如，金属氧化物)以及金属(如，箔和稀松布)。示例性的聚合物 材料包括聚烯烃(如，聚丙烯和聚乙烯)、聚酯、聚酰亚胺和聚碳酸酯。在一些实施例中，基 层包含可挤出材料。 在一些实施例中，基层包含热塑性材料。热塑性材料通常为如下材料当该材料 充分加热至其玻璃化转变温度之上时可流动并且当冷却时变为固体。示例性的热塑性材料 包括聚烯烃，例如全同立构聚丙烯、低密度聚乙烯、直链的低密度聚乙烯、极低密度聚乙烯、 中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丁烯、诸如乙烯/丙烯共聚物之类的非弹性体聚烯烃共聚 物或三元共聚物、以及它们的共混物；乙烯_醋酸乙烯共聚物，例如以商品名ELVAX得自 E. I.DuPont de Nemours公司(Wilmington, Delaware)的那些；乙烯-丙烯酸共聚物；乙烯 甲基丙烯酸共聚物，例如以商品名SURLYN 1702得自E. I.DuPont de Nemours公司的那些；聚甲基丙烯酸甲酯；聚苯乙烯；乙烯_乙烯醇；聚酯，包括无定形聚酯；聚酰胺；氟化的热塑 性塑料，例如聚偏二氟乙烯和氟化的乙烯/丙烯共聚物；卤化的热塑性塑料，例如氯化聚乙 烯；聚醚_嵌段_酰胺，例如以商品名PEBAX 5533得自Elf-Atochem North America公司 (Philadelphia, Pennsylvania)的那些。 在一些实施例中，基层包括泡沫，如，开孔泡沫和闭孔泡沫。示例性的泡沫包括聚 烯烃、聚丙烯酸酯、聚异氰尿酸酯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酰亚胺、酚醛塑 料、聚酰亚胺、环氧树脂、乙烯等，并包括它们的组合。在一些实施例中，可使用复合泡沫。在 一些实施例中，泡沫可包含诸如颗粒和/或纤维之类的添加剂。 在一些实施例中，基层包括纤维层。纤维层可为织造的或非织造的。可利用任何 常规的非织造纤维形成工艺来形成非织造基层。合适的非织造基层包括(但不限于)纺粘 料片、射流喷网料片、熔喷料片、梳理成网料片、针剌纤维、水剌纤维、单向纤维层、网丝或它 们的组合。在一些实施例中，非织造基层包括聚丙烯非织造料片。在一些实施例中，纤维为 非粘合的，即纤维层的纤维彼此不粘合。在一些实施例中，纤维层为粘合的纤维层。
—般来讲，纤维层可包含天然纤维、合成纤维或它们的组合。示例性的天然纤维包 括(但不限于)棉纤维、粘胶纤维、木浆纤维、含有纤维素的纤维以及它们的组合。示例性的 合成纤维可利用任何的成纤材料来形成，所述成纤材料包括(但不限于)聚合物材料，包括 诸如聚丙烯和聚乙烯之类的聚烯烃；聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二酸丁二
醇酯；聚酰胺(尼龙-6和尼龙-6，6);聚氨酯；聚丁烯；聚乳酸；聚乙烯基醇；聚苯硫醚；聚 砜；液晶聚合物；聚乙烯-乙酸乙烯酯共聚物；聚丙烯腈；环状聚烯烃；或它们的任何组合。 在一个示例性的实施例中，合成纤维包括聚丙烯纤维。在另一个示例性的实施例中，合成纤 维包括聚酯纤维。 纤维基层可包括单组分纤维，其包含上述聚合物或共聚物中的任何一种。单组分 纤维可包含下文所述的添加剂，但包含选自上述聚合物材料的单纤维形成材料。在一些实 施例中，单组分纤维包含至少75重量％的上述聚合物材料中的任何一种以及最多为25重 量％的一种或多种添加剂。在一些实施例中，单组分纤维包含至少80重量％、或至少85重 量％ 、或至少90重量％ 、或至少95重量％ ，并且在一些实施例中，多达100重量％的上述聚 合物材料中的任何一种，其中所有的重量基于纤维的总重量。 纤维基层还可包括由上述聚合物材料中的两种或多种以及任选的一种或多种如 下文所述的添加剂形成的多组分纤维。如本文所用，术语"多组分纤维"用于指由两种或多 种聚合物材料形成的纤维。合适的多组分纤维构型包括(但不限于)皮/芯构型、并列构 型以及"海岛"构型。 对于由多组分纤维形成的非织造基层而言，在一些实施例中，基于纤维的总重量， 多组分纤维包含约75至约99重量％的上述聚合物中的两种或多种以及约25至约1重量％ 的一种或多种附加的成纤材料。 纤维基层可具有基重，其根据制品的具体最终应用而各有不同。在一些实施例中， 纤维基层的基重小于1000克/平方米(gsm)。在一些实施例中，基层的基重为至少lgsm， 并且在一些实施例中，为至少约10gsm。在一些实施例中，基重不大于500gsm，并且在一些 实施例中，不大于150gsm。 与基重一样，纤维基层的厚度可根据制品的具体最终应用而改变。在一些实施例中，基层的厚度不大于150毫米(mm)、或不大于100mm、或甚至不大于50mm。在一些实施例 中，基层的厚度为至少0. 5mm、或至少lmm。 在大多数实施例中，基层内的纤维基本上均匀地分布在非织造基层内。然而，存在 一些实施例，其中希望纤维在基层内为非均匀分布。 —般来讲，纤维层可为织造的或非织造的。 一般来讲，纤维层的纤维可为粘合的或 非粘合的。在一些实施例中，基层可包括多个层。 —般来讲，结构化层可包含任何已知的材料，其包括(如)如本文结合基层所述的 材料中的任何一种，并包括它们的组合。例如，结构化层可包括一个或多个层，其包含一种 或多种热塑性材料以及纤维材料(如，织造和非织造料片，以及粘合或非粘合纤维)。在一 些实施例中，结构化层为可渗透的。 取决于，如，用于结构化层和基层的材料的选择，在一些实施例中，结构化层的槽 中的至少一个熔融粘合至基层。在一些实施例中，如，当结构化层和基层包括热塑层时，可 利用超声焊接或其它装置实现粘合，所述其它装置在所需的粘合位置处施加热和压力以熔 融结构化层和基层。 在一些实施例中，结构化层的槽中的至少一个间接粘合至基层。例如，在一些实施 例中，槽可通过居间粘合剂层粘合至基层。可使用的任何已知的粘合剂包括(如)压敏粘 合剂、热熔粘合剂以及可固化粘合剂。在一些实施例中，可利用热塑性粘合剂层实现粘合， 所述热塑性粘合剂层可通过超声能量或其它装置进行软化，所述其它装置在所需的粘合位 置处施加热和压力以将结构化层粘附至基层。 —般来讲，可使用任何已知的气凝胶材料，其包括无机气凝胶(如，二氧化硅、氧 化铝、二氧化钛、氧化锆、氧化钇、氧化钒等)、有机气凝胶(如，由聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚 丙烯腈、聚氨酯、聚酰亚胺、环氧树脂等制成的那些)、无机_有机杂化气凝胶、交联气凝胶、 以及它们的组合。 制备气凝胶的方法为已知的并且通常包括形成气凝胶前体、利用前体形成凝胶、 以及通过(如)干燥或超临界提取移除液体。在一些实施例中，可处理气凝胶材料以提供 (如)疏水性、疏油性、或亲水性气凝胶。在一些实施例中，可包括诸如掺杂剂之类的可选添 加剂以便(如)降低辐射。 在一些实施例中，基层和结构化层中的至少一者为可渗透的。例如，在一些实施例 中，层中的至少一个具有足够的孔隙度以允许气凝胶前体流过该层并且至少部分地填充腔 体。然后可将前体进行胶凝并且移除液体，从而得到包含在腔体内的气凝胶材料。在一些实 施例中，气凝胶材料也可存在于一层或两层内并且/或另外存在于一层或两层的表面上。
在一些实施例中，可能有利的是具有与气凝胶复合材料相关的覆盖膜，以便(如) 使对气凝胶的损坏最小化以及/或避免脱落。例如，在一些实施例中，可为气凝胶复合材料 提供薄膜以作为保护性覆盖物。 一般来讲，难以将材料粘合至无机气凝胶基质或气凝胶涂 布的纤维上。然而，在本发明的一些实施例中，可将基层和/或结构化层粘合至一个或多个 附加层。例如，基层和/或结构化层可粘结性地粘合至、熔融粘合至、或超声焊接至多种材 料。另外，如果层(如，基层和/或结构化层)包含热塑性材料，那么可通过施加热将附加 的热塑层(如，薄膜)熔融粘合至基层。 参见图10，示出了示例性的粘合的气凝胶复合材料890。粘合的气凝胶复合材料890包括粘合料片800、气凝胶材料880以及附加层855。粘合料片800包括纤维结构化层 810，其包括粘合至基层850的槽822。气凝胶材料880被容纳在腔体860内，以及嵌入在纤 维结构化层和纤维基层850中并且同时存在于纤维结构化层和纤维基层上，从而形成气凝 胶复合材料。附加层855粘合至基层850，从而形成粘合的气凝胶复合材料890。在一些实 施例中，附加层855有助于在处理期间容纳气凝胶材料以(如)减轻气凝胶材料的脱落。
在一些实施例中，堆叠的气凝胶复合材料可包含两种或多种根据本发明的单一粘 合气凝胶复合材料。在一些实施例中，可通过将一种或多种粘合的气凝胶复合材料与一种 或多种非粘合的气凝胶复合材料(即，不包括粘合至基层或结构化层的附加层的气凝胶复 合材料)进行组合来形成堆叠的气凝胶复合材料。层的数量、顺序以及取向未进行限定并 且可根据包括(如)柔韧性和处理性在内的各种设计考虑因素进行选择。可将本发明的粘 合的和非2进行组合。
实例1 :气凝胶复合材料。 将粘合的纤维料片用作气凝胶的柔性结构化载体。根据美国专利No. 6， 537， 935 和5，888，607中提出的细节来制备粘合料片。将30克/平方米(gsm)的3纤度(3d)聚酯 (PET)纤维(Wellman Inc. ， Charlotte, NorthCarolina))和6d PET纤维(KoSa， Salisbury, North Carolina)的75-25共混物进行梳理成网、縮成波状并且粘合至30gsm的聚丙烯 (PP)7C05N股线(Dow Chemical Co. ， Midland, Michigan)。波状图案导致在每厘米内具有 大约4个粘合槽(每英寸10个粘合槽)。 为了制备气凝胶前体，将20. 8克(g)四乙氧基硅烷(TEOS)与13. 8g的100%乙醇 (200标准强度)和1.8g去离子水进行混合，所产生的摩尔比为l : 3 : 1。在室温下将14 毫升(ml) 0. 005N的HC1在60分钟内加入到该溶液中。然后将5. 6ml的0. 05N的NH40H加 入到该溶液中。 将这种气凝胶前体涂布在粘合的纤维料片上。使涂布的料片在乙醇蒸汽填充的气 氛中进行过夜胶凝。然后使醇-凝胶在5(TC下的乙醇中老化两天并且允许冷却至室温。然 后将样品浸入100%乙醇(200标准强度)中三次以移除残余的水。 然后将涂布的料片进行超临界干燥以形成气凝胶复合材料。首先，将样品进行称 重并且设置在内径(ID)为2. 2厘米(cm) (0. 87英寸)不锈钢篮内。将该篮布置在20cm(8 英寸)高的ID为2.5cm(l英寸)的不锈室的内部。该室的底部和顶部配有金属釉料和o 形环。然后将该室插入到标定为处理高压(即，41， 000千牛顿/平方米(kN/m2) (6000磅/ 平方英寸(psi)))的容器内。通过夹套加热该容器的外部。 将二氧化碳冷却至-20°〇并且利用活塞泵以1升/分的速率泵送通过该装置的底 部。IO分钟之后，将该装置的温度在10，300kN/m2(1500psi)的压强下升至4(TC。干燥过 程进行至少24小时。干燥期间之后，停止二氧化碳气流并且以大约2000kN/m2(300psi/小 时)的速率降低压强。当压强为377kN/m2(55psi)或更低时，将此刻干燥的最终气凝胶复 合材料样品移出并且称重。 所得的气凝胶复合材料是挠曲的并且气凝胶材料破裂。然而，一体化气凝胶材料 保持密封在结构化层的弧形部分和基层之间的腔体内。在一些实施例中，破裂主要发生在 气凝胶材料和结构化层或基层之间的交界处附近。在一些实施例中，破裂主要发生在结构 化层和基层之间的粘合线附近。在一些实施例中，一些破裂也发生在一体化材料的主体内。
在12. 5°C的平均温度下利用LASERCOMP Fox200热流仪测定气凝胶复合材料的导 热率。所测得的导热率范围为20-23毫瓦/(米开尔文)(mW/mK)。
实例2 :堆叠的气凝胶复合材料。 涂布实例1中的粘合纤维料片并且将其与另一层粘合纤维料片利用每层彼此面 对的弧形部分夹在一起。然后将堆叠的样品按实例1中所述进行超临界干燥。堆叠的气凝 胶复合材料的导热率范围为23-26毫瓦/(米开尔文)(mW/mK)。
实例3 :粘合的气凝胶复合材料。 将实例1的气凝胶复合材料粘合至浇注聚丙烯膜，如下所述。将手持式实验热风 枪(母器具型号HG-751B)固定在样品的聚丙烯股线侧上方约5cm(约2英寸)处并且在 最高的加热设置下持续10秒。然后将浇注聚丙烯膜布置在股线上并进行轻轻按压。使所 得的层合物进行冷却。在聚丙烯股线与浇注聚丙烯膜之间获得了强效粘合。
本发明的气凝胶复合材料可用于多种应用中，包括需要热和/或声绝缘的那些。 例如，在一些实施例中，可将本发明的气凝胶复合材料施加至制品表面以用作(如)热绝缘 层。在一些实施例中，可将本发明的气凝胶复合材料用作管道、墙壁、容器等的热绝缘层。
在不脱离本发明的范围和精神的前提下，本发明的各种修改和更改对于本领域技 术人员将是显而易见的。
权利要求
一种气凝胶复合材料，包括粘合料片，所述粘合料片包括基层以及具有多个槽的结构化层，其中至少一些所述槽粘合至所述基层从而在所述结构化层和所述基层之间限定腔体；以及一体化气凝胶材料，所述一体化气凝胶材料被容纳在至少一些所述腔体内。
2. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述基层为可渗透的。
3. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述基层包括热塑性材料。
4. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述基层包括泡沫。
5. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述基层包括纤维层。
6. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述基层包括多个层。
7. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述结构化层为可渗透的。
8. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述结构化层包括热塑性材料。
9. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述结构化层包括纤维层。
10. 根据权利要求9所述的气凝胶复合材料，其中所述结构化层的纤维层为非织造的。
11. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述结构化层的至少一些槽熔融粘 合至所述基层。
12. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括将所述结构化层的至少一些槽粘 合至所述基层的粘合剂。
13. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述结构化层在相邻槽之间的跨度 为弧形的。
14. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中至少一个腔体为沟槽。
15. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中至少一个腔体为袋。
16. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中一体化气凝胶材料被容纳在所述腔 体的至少90%内。
17. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中在至少一个腔体内的所述一体化气 凝胶材料包括纤维增强型气凝胶一体化材料。
18. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述气凝胶材料包括无机气凝胶。
19. 根据权利要求18所述的气凝胶复合材料，其中所述无机气凝胶包括二氧化硅。
20. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述气凝胶材料包括有机气凝胶。
21. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述气凝胶材料包括无机-有机杂化 气凝胶。
22. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述气凝胶材料为疏水性的。
23. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其中所述气凝胶材料为亲水性的。
24. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括嵌入在所述结构化层内的气凝胶 材料。
25. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括嵌入在所述基层内的气凝胶材料。
26. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括在所述结构化层的暴露表面上的 气凝胶材料。
27. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括在所述基层的暴露表面上的气凝 胶材料。
28. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括粘合至所述基层的附加层。
29. 根据权利要求28所述的气凝胶复合材料，其中所述附加层包括热塑性材料。
30. 根据权利要求29所述的气凝胶复合材料，其中所述附加层熔融粘合至所述基层。
31. 根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，还包括粘合至所述结构化层的附加层。
32. 根据权利要求31所述的气凝胶复合材料，其中所述附加层包括热塑性材料。
33. 根据权利要求32所述的气凝胶复合材料，其中所述附加层熔融粘合至所述结构化层。
34. —种气凝胶复合材料，包括粘合料片，所述粘合料片包括热塑性基层以及具有多个槽的纤维结构化层，其中至少 一些所述槽粘合至所述基层从而在所述结构化层和所述基层之间限定腔体；以及 一体化气凝胶材料，所述一体化气凝胶材料被容纳在至少一些所述腔体内。
35. 根据权利要求34所述的气凝胶复合材料，其中一体化气凝胶材料被容纳在所述腔 体的至少90%内。
36. 根据权利要求34所述的气凝胶复合材料，其中所述一体化气凝胶材料包括二氧化娃o
37. 根据权利要求34所述的气凝胶复合材料，还包括嵌入在所述结构化层内、嵌入在 所述基层内、在所述结构化层的暴露表面上、在所述基层的暴露表面上、或它们的组合的气 凝胶材料。
38. 根据权利要求34所述的气凝胶复合材料，还包括粘合至所述基层、所述结构化层、 或者两者的附加层。
39. —种气凝胶复合材料的叠堆，包括两种或多种单一气凝胶复合材料，其中每种单一 气凝胶复合材料包括粘合料片，所述粘合料片包括基层以及具有多个槽的结构化层，其中至少一些所述槽 粘合至所述基层从而在所述结构化层和所述基层之间限定腔体；以及一体化气凝胶材料，所述一体化气凝胶材料被容纳在至少一些所述腔体内。
40. 根据权利要求39所述的气凝胶复合材料的叠堆，其中，对于每种单一气凝胶复合 材料而言，所述基层包括热塑性材料，所述结构化层包括纤维层，并且一体化气凝胶材料被 容纳在所述腔体的至少90%内。
41. 根据权利要求40所述的气凝胶复合材料的叠堆，其中所述一体化气凝胶材料包括 二氧化硅。
42. 根据权利要求40所述的气凝胶复合材料的叠堆，其中至少一种单一气凝胶复合材 料为粘合的气凝胶复合材料。
43. 根据权利要求42所述的气凝胶复合材料的叠堆，其中所述单一气凝胶复合材料中 的每一种为粘合的气凝胶复合材料。
全文摘要
本发明描述了气凝胶复合材料以及粘合的气凝胶复合材料。所述气凝胶复合材料包括位于基层和结构化层之间的腔体内的一体化气凝胶材料，其中所述结构化层粘合至所述基层。附加层可粘合至所述基层和/或所述结构化层以形成粘合的气凝胶复合材料。
文档编号B32B3/26GK101795857SQ200880100221
公开日2010年8月4日 申请日期2008年7月11日 优先权日2007年7月23日
发明者吴荣圣, 尼拉吉·沙拉玛, 布莱恩·C·费萨尔, 杰施里·塞思, 格兰特·F·蒂芬布鲁克, 陈联舜 申请人:3M创新有限公司