專利名稱：氣凝膠和相變材料的復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣凝膠和含氣凝膠的絕熱復(fù)合材料。

背景技術(shù)：
已知?dú)饽z提供良好的絕熱性，并與其它材料相比具有吸引人的單位重量熱防護(hù)。對(duì)用于運(yùn)載工具(尤其是飛機(jī))的高絕熱性材料如氣凝膠的需求日益緊迫。對(duì)于在長期經(jīng)歷劇烈熱負(fù)荷的運(yùn)載工具的情況下尤其如此。不幸的是，氣凝膠難于涂覆在所要求保護(hù)的表面上。氣凝膠可以固體形式使用，或更通常地以柔性覆蓋層(blanket)形式使用，且其不能進(jìn)行常規(guī)噴涂。無論固體還是覆蓋層形式均不能像噴涂材料那樣容易地涂覆到表面上。當(dāng)將氣凝膠-粘合劑組合物用于氣凝膠涂覆時(shí)，可通過噴涂法涂覆氣凝膠，其中所述粘合劑使氣凝膠顆粒保持在一起并保持在其所涂覆的表面上。然而，與氣凝膠相比，所述粘合劑材料具有較差的熱性能；因此，使用粘合劑代替部分氣凝膠存在缺陷。從而，存在改進(jìn)基于氣凝膠絕緣材料的熱防護(hù)體系的需求。


發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明提供一種物體，其包含與含有相變材料的顆粒混合的絕緣氣凝膠材料顆粒、和形成保持該混合顆粒的基質(zhì)的粘合劑。
在另一方面，本發(fā)明提供一種通過在基材上涂覆第一和第二流體形成絕緣體的方法。該第一流體包含粘合劑且該第二流體包含氣凝膠材料顆粒；以及同時(shí)在所述基材上涂覆相變材料(PCM)。任選地，該P(yáng)CM包含在第一流體、第二流體、第三流體或其任意組合中。
通過下文提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明適用性的進(jìn)一步范圍將變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解，所述詳細(xì)描述和具體實(shí)例雖表現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但其僅用于闡述目的，而不用于限制本發(fā)明的范圍。



通過詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明將被更加充分地理解，其中 圖1為氣凝膠/PCM涂層的示意圖。
圖2為沉積裝置的圖解。
圖3為表現(xiàn)PCM改進(jìn)了瞬時(shí)熱性能的曲線圖。

具體實(shí)施例方式 以下優(yōu)選實(shí)施方式的描述僅僅為示例性的，且其不以任何方式限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。
在一方面，本發(fā)明提供一種材料體，其包括與相變材料(PCM)混合的絕緣氣凝膠材料。該相變材料能夠存儲(chǔ)熱能作為相變的潛熱。優(yōu)選地，該氣凝膠材料和相變材料保持在粘合劑基質(zhì)中。
在另一方面，本發(fā)明提供一種通過在基材上共沉積包含氣凝膠的顆粒、包含相變材料的顆粒、和包含粘合劑及載體的溶液，以形成絕熱體的方法。去除該載體，以在該基材上形成固態(tài)絕熱體。
在更進(jìn)一步的方面，本發(fā)明提供一種通過在基材上同時(shí)釋放第一和第二流體以形成絕緣體的方法。該第一流體包括含氣凝膠的顆粒且該第二流體包含粘合劑。通過單獨(dú)沉積氣凝膠和粘合劑，可避免在沉積期間精細(xì)(delicate)氣凝膠顆粒的分解(degradation)和碎裂。換言之，與難于將氣凝膠顆粒混入適宜的粘合劑中相關(guān)的問題通過采用本發(fā)明的沉積方法得以避免。
優(yōu)選將任何適宜的疏水性氣凝膠顆粒用于本發(fā)明。疏水性氣凝膠顆粒包括有機(jī)氣凝膠顆粒和無機(jī)氣凝膠顆粒。優(yōu)選將無機(jī)氣凝膠顆粒用于本發(fā)明，例如金屬氧化物氣凝膠顆粒，如二氧化硅、二氧化鈦和氧化鋁氣凝膠。最優(yōu)選使用基于二氧化硅的氣凝膠顆粒。親水性氣凝膠顆粒也是已知的。本發(fā)明采用優(yōu)選的疏水性氣凝膠顆粒作為例子進(jìn)行說明。
優(yōu)選地，所述疏水性氣凝膠顆粒包括降低該疏水性氣凝膠顆粒導(dǎo)熱率的乳濁劑(opacifying agent)。可使用任何適合的乳濁劑，其包括但不限于，炭黑、含碳材料、二氧化鈦或其它微小顆粒、粘合劑、乳濁劑。
使用的疏水性氣凝膠顆粒的尺寸部分取決于最終制品或絕緣材料體的期望特征。氣凝膠顆粒的粒度還至少部分取決于相關(guān)的PCM材料的粒度。粒度的選擇也部分取決于選擇的粘合劑的類型。為了使PCM材料和氣凝膠材料的顆粒進(jìn)行混合，對(duì)所述相關(guān)顆粒的尺寸進(jìn)行選擇以便于實(shí)現(xiàn)該目的。
水凝膠的典型粒度為約6微米-3毫米。相變材料的典型粒度為約15-40微米。適宜的乳濁劑包括能夠使得通過該組合物的紅外(“IR”)輻射的傳播最小化的那些乳濁劑。
根據(jù)應(yīng)用，通過利用選定的PCM材料和氣凝膠的粒度，顆粒間空隙的大小和分布可增大或減小。示例性圖解的圖1表明了氣凝膠顆粒20尺寸大于相變顆粒30的情況。然而，可選擇相反的布置。也可選擇使得PCM材料與氣凝膠材料具有彼此相近的平均粒度的布置。這里使用的術(shù)語粒度和粒徑與本領(lǐng)域中的通常意義相同。
直徑為6微米-3毫米并可使用二氧化鈦乳濁化紅外輻射的疏水性氣凝膠顆粒可以為Cabot Nanogel GmbH Germany生產(chǎn)的商標(biāo)為NANOGEL(TM)珠粒的納米凝膠。
相變材料可由各種來源獲得，包括可由Boulder，Colorado的OutlastTechnologies，Inc.獲得的THERMASORB(TM)。THERMASORB PCM材料表現(xiàn)為微細(xì)的易流動(dòng)粉末，其由包含吸熱核心材料的耐久性囊狀物構(gòu)成。該囊狀物直徑可為1-數(shù)百微米。典型地，所述核心PCM材料占80％-85％的重量，其余為不可滲透的殼。該殼為能夠經(jīng)受在各種溶劑中的暴露的耐久性材料，并從而可以干粉形式或在水性有機(jī)或其它溶劑漿液中輸送。該以THERMASORB為例子的PCM材料在介于約-20華氏度～超過100華氏度或超過200華氏度之間的各種轉(zhuǎn)變溫度下是可行的。
通常，相變材料在典型情況下當(dāng)其由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，具有吸收大量熱的能力而不改變溫度。隨后當(dāng)其由液態(tài)轉(zhuǎn)變回固態(tài)形式時(shí)，釋放相應(yīng)的熱。從而，當(dāng)由包含PCM的材料體中吸收或放出熱時(shí)，該P(yáng)CM材料提供維持基本恒定的溫度的能力。
優(yōu)選的PCM材料包括蠟或與石油密切相關(guān)的產(chǎn)物，其在期望的溫度范圍內(nèi)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)形式。選擇這類產(chǎn)物的共混物以獲得期望的轉(zhuǎn)變。為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)行舉例說明，選擇具有在122華氏度下具有160J/g潛熱的固態(tài)-液態(tài)轉(zhuǎn)變的THERMASORB牌相變材料。封裝直徑(encapsulated diameter)為5-40微米。
盡管本發(fā)明參考由固相變?yōu)橐合嗟腜CM材料進(jìn)行舉例說明，但也可預(yù)期利用固相-固相的相變，其中與固態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)的相條件(phase condition)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌滔嗪筒煌芰克降牡诙Y(jié)構(gòu)條件，從而利用固相-固相相變的潛熱。雖然通過本發(fā)明可以預(yù)期其它相變現(xiàn)象如氣-液和氣-固相變，但由于實(shí)用原因，其不是最期望的。
顯然，通過選擇PCM、氣凝膠、和用于形成基質(zhì)以包含該P(yáng)CM和氣凝膠的粘合劑，可以調(diào)整該絕緣體的熱性質(zhì)。從而，PCM的選擇取決于期望的應(yīng)用、整體復(fù)合材料和期望的性質(zhì)。該P(yáng)CM優(yōu)選封裝在微囊或較大囊狀物或期望的不同尺寸混合物中。這種封裝防止了當(dāng)PCM為液態(tài)時(shí)的移動(dòng)。其也避免了該P(yáng)CM在其再冷卻時(shí)形成一個(gè)固態(tài)不可彎曲物。在該優(yōu)選實(shí)施方式中，優(yōu)選將該P(yáng)CM封裝。本發(fā)明另外還包括PCM材料在粘合劑基質(zhì)材料中的顆粒分散。從而，所述粘合劑基質(zhì)材料本身也可起到封裝功能。
適宜的PCM材料的一個(gè)例子為蠟，特別是石油/石蠟，其隨著溫度的升高和降低可熔化和再凝固。例如，這類蠟組合物具有適于運(yùn)輸工具(包括飛機(jī))的高溫環(huán)境的轉(zhuǎn)變范圍，主要在大于約100華氏度-約200華氏度的范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)，很多蠟具有其典型的熔點(diǎn)。通過控制該蠟組合物，可將該P(yáng)CM調(diào)節(jié)為具有根據(jù)期望的操作溫度條件變化的熔點(diǎn)。
選擇本發(fā)明的基質(zhì)粘合劑材料40，以形成用于保持PCM30和氣凝膠20的適宜基質(zhì)(圖1)。要求其具有適于該功能的強(qiáng)度和導(dǎo)熱率特性，并具有在適宜范圍內(nèi)的使用溫度，該溫度范圍與上文關(guān)于氣凝膠和PCM材料敘述中的溫度范圍一致。一種示例性粘合劑是由Michigan的Dow Corning以商品名Sylgard(TM)184有機(jī)硅彈性體出售的。Dow Corning的有機(jī)硅以兩組分有機(jī)硅彈性體組合物的形式作為液體流提供，所述液體流在相對(duì)恒定的固化速率下固化為柔性彈性體，并具有-49～392華氏度之間的使用范圍。將該粘合劑有機(jī)硅前體混合物涂覆并固化，以除去任何載體溶劑。另一種示例性的有機(jī)硅化合物是由Surrey，British Columbia，Canada的MG Chemicals以商品名RTV Silicones(TM)出售的。這類有機(jī)硅具有約0.17W/m x K的導(dǎo)熱率。雖然該RTV和Sylgard均為基于有機(jī)硅的彈性體類型，但其采用不同的方法固化(加成或縮合反應(yīng))。
已知存在各種類型的氣凝膠顆粒如二氧化硅和碳。優(yōu)選二氧化硅氣凝膠顆粒。選擇將PCM材料封裝以使得其不能溶解在基質(zhì)材料(如有機(jī)硅彈性體材料)中。
所述三種成分的比例是可調(diào)節(jié)的，以提供期望的復(fù)合材料體的時(shí)間熱性質(zhì)(temporal thermal property)。顯而易見，向粘合劑基質(zhì)中的所述氣凝膠組合物中加入任意量的PCM材料均會(huì)對(duì)瞬時(shí)熱性能產(chǎn)生影響。從而，基于總計(jì)100重量份的該P(yáng)CM材料和氣凝膠材料，PCM材料以大于0份且小于100份的量存在，期望最高90份；更期望最高80份；和最期望至少約60份。取決于選擇的PCM材料和操作環(huán)境，基于100重量份的組合的氣凝膠和PCM材料，該氣凝膠以大于0份且小于約100份的量存在；期望最高40份；更期望最高20份；和最期望至少約10份。
在更進(jìn)一步的方面，基于該組合的復(fù)合材料中氣凝膠的體積百分?jǐn)?shù)，該氣凝膠占至少50體積％，期望為60體積％，更期望為70體積％或更高。優(yōu)選地，該氣凝膠以占最終產(chǎn)物至少50體積％的量存在。
本發(fā)明提供一種方法，采用該方法能夠以不會(huì)將所述易碎的氣凝膠材料破壞為微細(xì)粉末形式的方式，與基質(zhì)材料40一起涂覆該氣凝膠20。其還避免了如下問題有機(jī)硅彈性粘合劑40與氣凝膠20往往不混合且如果該粘合劑前體溶液50過稠，氣凝膠變得易碎；以及如果該前體溶液通過加入溶劑而變得更易于流動(dòng)，則該氣凝膠存在吸收或吸納溶劑的趨勢，這是不期望的。從而，本發(fā)明的方法利用該工藝由此分配氣凝膠顆粒20的流體22，并將其導(dǎo)到基材60的表面，同時(shí)也涂覆有機(jī)硅前體溶液50的細(xì)霧或流體52；由此該有機(jī)硅粘合劑前體的液滴與氣凝膠在涂覆時(shí)混合，以使得氣凝膠顆粒附著并保持在基質(zhì)粘合劑中。
在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，該P(yáng)CM材料30的顆粒與氣凝膠和有機(jī)硅前體共沉積，以形成本發(fā)明的組合物。可使用該P(yáng)CM材料30的單獨(dú)的流體，然而，優(yōu)選將氣凝膠20和PCM30的顆粒結(jié)合到一個(gè)流體22中。取決于該前體粘合劑溶液，沉積后實(shí)施一定時(shí)間的固化，除去溶液的載體以形成固體。任選地可實(shí)施干燥或烘干，以促進(jìn)溶液中載體溶劑的去除。
實(shí)施例 有機(jī)硅基質(zhì)粘合劑40、氣凝膠20和PCM 30材料的沉積，采用在圖2中示意地顯示的用于在基材上涂覆的裝置實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的方法為會(huì)聚噴霧法(convergent spray process)。采用該會(huì)聚噴霧法，氣凝膠顆粒20在沉積于基材60時(shí)或剛好在沉積于基材60上之前，與液態(tài)有機(jī)硅前體50混合。
還可包含PCM珠，且其可包含在有機(jī)硅混合物50中，或者其可與氣凝膠20一起被包含或分別被包含。從而，可使用兩個(gè)或多個(gè)沉積流體。該沉積方法使得易碎氣凝膠顆粒的破碎最小化，并使得該顆粒吸收的溶劑最少。可使用任何常規(guī)噴霧裝置以實(shí)現(xiàn)所述沉積流體的形成。優(yōu)選的沉積速率與沉積材料的示例性組成一起示于表1中。
表1還包括了顯示涂覆材料導(dǎo)熱率及相應(yīng)的平均溫度的熱分析結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，PCM材料與氣凝膠的加入沒有顯著影響導(dǎo)熱率。從而，該P(yáng)CM材料的添加提供了在瞬時(shí)加熱(thermal transience)期間的改進(jìn)的性能的優(yōu)點(diǎn)。觀察到當(dāng)組合物中氣凝膠比例增加時(shí)，沉積產(chǎn)物變得更加易碎。粘合劑比例增加時(shí)，強(qiáng)度改進(jìn)但傳導(dǎo)率變差。PCM材料比例增加時(shí)，具有更好的處理瞬時(shí)熱的能力，但其會(huì)導(dǎo)致氣凝膠材料的低導(dǎo)熱率優(yōu)點(diǎn)的輕微損失。雖然用PCM材料替代氣凝膠存在導(dǎo)熱性能輕微下降的問題，但如圖3所示，使用PCM使得材料耗費(fèi)更長時(shí)間達(dá)到更高溫度，這是有利的。圖3顯示了噴涂的氣凝膠組合物的瞬時(shí)熱，其中一個(gè)組合物包含所述PCM材料，一個(gè)組合物不含PCM材料。可以發(fā)現(xiàn)，含有PCM的材料耗費(fèi)更長時(shí)間達(dá)到更高的溫度，且實(shí)際上沒有達(dá)到與不含該P(yáng)CM的氣凝膠組合物同樣高的溫度。在所述包含PCM的組合物曲線中，在122華氏度處存在明顯的拐點(diǎn)，證實(shí)了相變并表明該組合物的升溫速率也較低。
表1提供了制備各種板材的速率。對(duì)于所述Sylgard 184，其中加入10重量％的Dow Corning OS-10甲基硅氧烷溶劑，以使得液體易于流過管線。該液態(tài)Sylgard/OS-10的速率為18-50克/分鐘；Nanogel為12-27克/分鐘；和Thermosorb為3-43克/分鐘。對(duì)于所述RTV-12，采用的速率為23-28克/分鐘RTV、12-18克/分鐘Thermosorb和12-18克/分鐘nanogel。各種組合均表現(xiàn)良好，但184-1，2，3，4和RTV-1，2，3，4是較好的材料組合。所述Cabotnanogel為疏水性二氧化硅氣凝膠。實(shí)施例中顯示的材料尺寸表現(xiàn)良好。均勻的1mm直徑顆粒沒有粘附在板材上。
總之，本發(fā)明提供使用相變材料和氣凝膠以提供吸熱能力，同時(shí)保持恒定溫度，從而有效改進(jìn)絕緣體熱性能的優(yōu)點(diǎn)。所述PCM用于至少暫時(shí)維持最大溫度。因此，向氣凝膠復(fù)合材料中加入PCM提供了氣凝膠的瞬時(shí)熱性能以及PCM吸熱性能的優(yōu)點(diǎn)，從而相對(duì)于單一氣凝膠材料提供更好的熱保護(hù)。這里所示的初步試驗(yàn)已經(jīng)表明良好的熱性能及通過該涂層的傳熱延遲。這里包含的結(jié)果表明本發(fā)明復(fù)合材料有利的導(dǎo)熱率和瞬時(shí)傳熱延遲。該氣凝膠提供了低穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱率的優(yōu)點(diǎn)。粘合劑基質(zhì)保持了材料顆粒且PCM材料提供了瞬時(shí)傳熱作用的延遲。
表1 本發(fā)明的描述僅僅是示例性的，因此，不脫離本發(fā)明主旨的改進(jìn)應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。不能認(rèn)為這類改進(jìn)脫離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種物體，其包括與含相變材料(PCM)的顆粒混合的含絕緣氣凝膠材料的顆粒、和形成保持所述混合顆粒的基質(zhì)的粘合劑。
2.權(quán)利要求1的物體，其中所述相變材料經(jīng)歷固-液轉(zhuǎn)變。
3.權(quán)利要求1的物體，其中所述PCM封裝在囊狀物中。
4.權(quán)利要求3的物體，其中所述囊狀物抑制由所述粘合劑導(dǎo)致的降解。
5.權(quán)利要求1的物體，其中該相變材料包括蠟。
6.權(quán)利要求1的物體，其中該相變材料包括封裝在囊狀物中的蠟。
7.權(quán)利要求1的物體，其中該相變材料在高于約100華氏度的溫度下發(fā)生相變。
8.權(quán)利要求1的物體，其中所述氣凝膠材料包括基于二氧化硅的疏水性材料。
9.權(quán)利要求1的物體，其中該包含氣凝膠的顆粒具有約6微米-約3毫米的粒度。
10.權(quán)利要求1的物體，其中該包含相變材料的顆粒具有約15-約40微米的粒度。
11.權(quán)利要求1的物體，其中所述相變材料經(jīng)歷固-固轉(zhuǎn)變。
12.一種材料體，包括與相變材料混合的絕緣氣凝膠材料，所述相變材料能夠存儲(chǔ)熱能作為相變潛熱。
13.一種形成絕熱物體的方法，包括
a.將含氣凝膠材料的顆粒、含相變材料的顆粒、和含粘合劑及載體的溶液共沉積在基材上；和
b.除去該載體以在該基材上形成固態(tài)絕熱體。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述共沉積通過在壓力下在基材上釋放所述含氣凝膠的顆粒和所述含相變材料的顆粒，同時(shí)在該基材上釋放所述溶液的分散體而實(shí)施。
15.權(quán)利要求13的方法，其中該粘合劑包括有機(jī)硅。
16.權(quán)利要求13的方法，其中該載體包括有機(jī)液體。
17.權(quán)利要求13的方法，其中通過干燥除去所述載體。
18.權(quán)利要求13的方法，其中該溶液包含在第一流體中且所述顆粒包含在第二流體中。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述第一流體在所述第二流體內(nèi)部。
20.一種形成絕緣體的方法，包括在基材上涂覆第一和第二流體，同時(shí)在該基材上涂覆相變材料(PCM)；該第一流體包含粘合劑且該第二流體包含含氣凝膠材料的顆粒。
21.權(quán)利要求20的方法，其中該P(yáng)CM包含在經(jīng)第三流體涂覆的顆粒中。
22.權(quán)利要求20的方法，其中該P(yáng)CM包含在該第二流體內(nèi)所含的顆粒中。
全文摘要
一方面，本發(fā)明提供一種包括與含相變材料的顆粒混合的含絕緣氣凝膠材料的顆粒、以及形成保持該混合顆粒的基質(zhì)的粘合劑的物體。另一方面，本發(fā)明提供一種形成絕緣體的方法，包括在基材上涂覆第一和第二流體；該第一流體包括粘合劑且該第二流體包括含氣凝膠材料的顆粒；并同時(shí)在該基材上涂覆相變材料。
文檔編號(hào)C04B26/32GK101203467SQ200680022207
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者斯坦利·A·勞頓 申請(qǐng)人:波音公司