氣凝膠和相變材料的復合材料的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2006年7月26日、申請號為200680022207. 2、題為"氣凝膠和 相變材料的復合材料"的專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明涉及氣凝膠和含氣凝膠的絕熱復合材料。
【背景技術】
[0003] 已知氣凝膠提供良好的絕熱性，并與其它材料相比具有吸引人的單位重量熱防 護。對用于運載工具（尤其是飛機）的高絕熱性材料如氣凝膠的需求日益緊迫。對于在長 期經歷劇烈熱負荷的運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 其不能進行常規噴涂。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。當將氣凝膠-粘合劑組合物用于氣凝膠涂覆時，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，存在改進基 于氣凝膠絕緣材料的熱防護體系的需求。

【發明內容】

[0004] 在一方面，本發明提供一種物體，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的粘合劑。
[0005] 在另一方面，本發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；以及同時在所述基材上涂 覆相變材料（PCM)。任選地，該PCM包含在第一流體、第二流體、第三流體或其任意組合中。
[0006] 通過下文提供的詳細描述，本發明適用性的進一步范圍將變得顯而易見。應當理 解，所述詳細描述和具體實例雖表現了本發明的優選實施方式，但其僅用于闡述目的，而不 用于限制本發明的范圍。
【附圖說明】
[0007] 通過詳細描述和附圖，本發明將被更加充分地理解，其中：
[0008] 圖1為氣凝膠/PCM涂層的示意圖。
[0009] 圖2為沉積裝置的圖解。
[0010] 圖3為表現PCM改進了瞬時熱性能的曲線圖。
【具體實施方式】
[0011] 以下優選實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明及其應 用或用途。
[0012] 在一方面，本發明提供一種材料體，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熱能作為相變的潛熱。優選地，該氣凝膠材料和相變材料保持 在粘合劑基質中。
[0013] 在另一方面，本發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 上形成固態絕熱體。
[0014] 在更進一步的方面，本發明提供一種通過在基材上同時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。通過單獨沉 積氣凝膠和粘合劑，可避免在沉積期間精細（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的問題通過采用本發明的 沉積方法得以避免。
[0015] 優選將任何適宜的疏水性氣凝膠顆粒用于本發明。疏水性氣凝膠顆粒包括有機氣 凝膠顆粒和無機氣凝膠顆粒。優選將無機氣凝膠顆粒用于本發明，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。本發明采用優選的疏水性氣凝膠顆粒作為例子進行說明。
[0016] 優選地，所述疏水性氣凝膠顆粒包括降低該疏水性氣凝膠顆粒導熱率的乳濁劑 (opacifyingagent)。可使用任何適合的乳池劑，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。
[0017] 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行混合，對所述相關顆粒的尺 寸進行選擇以便于實現該目的。
[0018] 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。
[0019] 根據應用，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。這里使用的術語粒度和粒徑與本領域中的通常意義相同。
[0020] 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CabotNanogelGmbHGermany生產的商標為NAN0GEL(TM)珠粒的納米凝膠。
[0021] 相變材料可由各種來源獲得，包括可由Boulder,Colorado的Outlast Technologies，Inc.獲得的THERMAS0RB(?)。THERMASORBPCM材料表現為微細的易流動粉 末，其由包含吸熱核心材料的耐久性囊狀物構成。該囊狀物直徑可為1-數百微米。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 度之間的各種轉變溫度下是可行的。
[0022] 通常，相變材料在典型情況下當其由固態轉變為液態時，具有吸收大量熱的能力 而不改變溫度。隨后當其由液態轉變回固態形式時，釋放相應的熱。從而，當由包含PCM的 材料體中吸收或放出熱時，該PCM材料提供維持基本恒定的溫度的能力。
[0023] 優選的PCM材料包括蠟或與石油密切相關的產物，其在期望的溫度范圍內由固態 轉變為液態形式。選擇這類產物的共混物以獲得期望的轉變。為了對本發明進行舉例說明， 選擇具有在122華氏度下具有160J/g潛熱的固態-液態轉變的THERMAS0RB牌相變材料。 封裝直徑（encapsulateddiameter)為 5-40 微米。
[0024] 盡管本發明參考由固相變為液相的PCM材料進行舉例說明，但也可預期利用固 相-固相的相變，其中與固態結構有關的相條件（phasecondition)轉變為具有不同固相 和不同能量水平的第二結構條件，從而利用固相-固相相變的潛熱。雖然通過本發明可以 預期其它相變現象如氣-液和氣-固相變，但由于實用原因，其不是最期望的。
[0025] 顯然，通過選擇PCM、氣凝膠、和用于形成基質以包含該PCM和氣凝膠的粘合劑，可 以調整該絕緣體的熱性質。從而，PCM的選擇取決于期望的應用、整體復合材料和期望的性 質。該PCM優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 PCM為液態時的移動。其也避免了該PCM在其再冷卻時形成一個固態不可彎曲物。在該優 選實施方式中，優選將該PCM封裝。本發明另外還包括PCM材料在粘合劑基質材料中的顆 粒分散。從而，所述粘合劑基質材料本身也可起到封裝功能。
[0026] 適宜的PCM材料的一個例子為蠟，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輸工具（包括飛機）的高溫環境的轉變范 圍，主要在大于約100華氏度-約200華氏度的范圍內，在該范圍內，很多蠟具有其典型的 熔點。通過控制該蠟組合物，可將該PCM調節為具有根據期望的操作溫度條件變化的熔點。
[0027] 選擇本發明的基質粘合劑材料40,以形成用于保持PCM30和氣凝膠20的適宜基 質（圖1)。要求其具有適于該功能的強度和導熱率特性，并具有在適宜范圍內的使用溫度， 該溫度范圍與上文關于氣凝膠和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 Coming以商品名Sylgard(?)184有機娃彈性體出售的。Dow Coming的有 機硅以兩組分有機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硅化合物是由Surrey， British Columbia，Canada的MG Chemicals以面品名RTV Silicones(?)出售的。這類有 機硅具有約0. 17W/m x K的導熱率。雖然該RTV和Sylg