建筑隔離材料的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】建筑隔離材料
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年6月12日提交的第61/834, 038號(hào)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)， 將其整體在此引入本文作為參考。
[0003] 發(fā)曰月背景
[0004] 隔離材料以多種多樣的目的在建筑結(jié)構(gòu)中使用，例如用于抵御熱傳遞、潮濕、噪 音、震動(dòng)等。一種類(lèi)型的建筑隔離材料，例如是在墻和屋頂組件的構(gòu)建中使用的水不可滲透 的房屋包層（housewrap)。除了防止水進(jìn)入建筑物，這樣的房屋包層通常還是透氣的，其程 度為其對(duì)氣體是可滲透的并且能夠允許水蒸氣從所述隔離材料中逸出，而不是將其束縛在 建筑物表面。不幸的是，一種與許多常規(guī)類(lèi)型的建筑隔離材料例如房屋包層相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn) 題是它們一般不是多功能的。例如，常規(guī)的透氣房屋包層材料是從DuPont獲得的名稱(chēng)為 Tyvek?的閃紡聚烯烴材料。當(dāng)提供良好的防水層性能時(shí)，Tyvek?.房屋包層通常不提供 良好的隔熱。為此，經(jīng)常使用聚合物泡沫用于隔熱目的。然而，這樣的材料不是必然地像可 透氣的防水層一樣發(fā)揮良好的作用。進(jìn)一步地，用于形成泡沫的氣體發(fā)泡劑隨著時(shí)間能夠 從隔離材料中浸出，導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題。
[0005] 這樣，目前對(duì)用于建筑結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的隔離材料存在需求。
[0006] 發(fā)明概沐
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，公開(kāi)了用于住宅或商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的建筑隔離材料。 所述建筑隔離材料包括多孔聚合物材料，所述多孔聚合物材料由包含包括基質(zhì)聚合物的連 續(xù)相的熱塑性組合物形成。所述聚合物材料顯示約300g/m2-24小時(shí)或更高的水蒸氣透過(guò) 率，約0. 40瓦每米-開(kāi)爾文或更小的熱導(dǎo)率，和/或約50厘米或更高的靜水壓值。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，公開(kāi)了用于住宅或商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的建筑隔離材料。 所述建筑隔離材料包括多孔聚合物材料，所述多孔聚合物材料由包含包括基質(zhì)聚合物的連 續(xù)相的熱塑性組合物形成。微米包含物添加劑和納米包含物添加劑以離散區(qū)域的形式分散 在連續(xù)相中，其中在所述材料中限定出多孔網(wǎng)絡(luò)，所述多孔網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)納米孔，所述納米 孔具有約800納米或更小的平均橫截面尺寸。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案，公開(kāi)了一種建筑結(jié)構(gòu)，所述建筑結(jié)構(gòu)包括限定內(nèi) 部的建筑外殼。所述建筑結(jié)構(gòu)還包括建筑隔離材料，例如本文所描述的，其鄰近建筑外殼的 表面、所述內(nèi)部或其組合設(shè)置。例如在一個(gè)實(shí)施方案中，所述建筑隔離材料可以鄰近建筑外 殼的表面設(shè)置，例如鄰近外墻、屋頂或其組合設(shè)置。如果需要，所述建筑隔離材料還可以鄰 近外部遮蓋物（例如墻板）設(shè)置。所述建筑隔離材料還可以鄰近所述內(nèi)部的表面設(shè)置，例 如鄰近內(nèi)墻、地板、天花板、門(mén)或其組合設(shè)置。
[0010] 下面將更詳細(xì)地討論本發(fā)明的其它特征和方面。
[0011] 附圖簡(jiǎn)沐
[0012] 針對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，本發(fā)明的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開(kāi)內(nèi)容，包括其最 佳模式在說(shuō)明書(shū)的剩余部分中參照附圖被更具體地闡述，其中：
[0013] 圖1示出由可以根據(jù)本發(fā)明形成的建筑板制造的建筑基礎(chǔ)墻的局部示意圖；
[0014] 圖2是圖1的建筑板沿著線2-2的平均橫截面尺寸；
[0015] 圖3是建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖，其中，本發(fā)明的建筑隔離材料鄰近外 墻設(shè)置；
[0016] 圖4是建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖，其中，本發(fā)明的建筑隔離材料鄰近內(nèi) 墻設(shè)置；
[0017] 圖5-6是實(shí)施例7的未伸展的膜的掃描式電子顯微鏡（SEM)顯微照片（膜在平行 于機(jī)器方向的取向被切割）；
[0018] 圖7-8是實(shí)施例7的伸展的膜的掃描式電子顯微鏡（SEM)顯微照片（膜在平行于 機(jī)器方向的取向被切割）；
[0019] 圖9-10是實(shí)施例8的未伸展的膜的掃描式電子顯微鏡（SEM)顯微照片，其中在圖 9中膜垂直于機(jī)器方向被切割，并且在圖10中膜平行于機(jī)器方向被切割；
[0020] 圖11-12是實(shí)施例8的伸展的膜的掃描式電子顯微鏡（SEM)顯微照片，（膜在平 行于機(jī)器方向的取向被切割）；
[0021] 圖13是實(shí)施例9 (聚丙烯、聚乳酸和聚環(huán)氧化物）的纖維在液氮中冷凍斷裂后的 掃描式電子顯微鏡（SEM)顯微照片（1，000X);
[0022] 圖14是實(shí)施例9 (聚丙稀、聚乳酸和聚環(huán)氧化物）的纖維在液氮中冷凍斷裂后的 掃描式電子顯微鏡（SEM)顯微照片（5,000Χ);以及
[0023] 圖15是實(shí)施例9(聚丙烯、聚乳酸和聚環(huán)氧化物）的纖維表面的掃描式電子顯微 鏡（SEM)顯微照片（10, 000Χ)。
[0024] 在本說(shuō)明書(shū)和附圖中的附圖標(biāo)記的重復(fù)使用旨在代表本發(fā)明的相同或類(lèi)似的特 征或元件。
[0025] 代表件實(shí)施方案的詳沐
[0026] 現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的各種實(shí)施方案，其一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例在下文闡述。每個(gè) 實(shí)施例以解釋本發(fā)明而不是限制本發(fā)明的方式提供。事實(shí)上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易 見(jiàn)的是，在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可以在本發(fā)明中做出各種修改和變化。例 如，作為一個(gè)實(shí)施方案的部分舉例說(shuō)明或描述的特征，可以用于另一個(gè)實(shí)施方案以產(chǎn)生又 一個(gè)實(shí)施方案。因此，本發(fā)明意在覆蓋落入所附權(quán)利要求及其等同方案的范圍內(nèi)的這樣的 修改和變化。
[0027] -般而言，本發(fā)明涉及包含多孔聚合物材料（例如膜、纖維材料等）的建筑隔離材 料。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"建筑隔離材料"泛指在建筑物中出于任何目的用作隔離材料的 任何物體，例如隔熱材料、隔音材料、抗沖擊（例如震動(dòng)）材料、防火材料、隔潮材料等以及 其組合。所述建筑隔離材料可以設(shè)置到住宅或商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中，從而使它鄰近建筑外殼的 表面，所述建筑外殼是建筑物的內(nèi)部和外部環(huán)境之間的實(shí)物隔離物，并且可以包括，例如地 基、房頂、外墻、外門(mén)、窗戶、天窗等。所述建筑隔離材料還可以設(shè)置成鄰近建筑物的內(nèi)表面， 例如內(nèi)墻、內(nèi)門(mén)、地板、天花板等。
[0028] 不管建筑隔離材料在其中使用的具體位置如何，本發(fā)明的多孔聚合物材料可在建 筑物中提供多種隔離功能，并且在一些情況下，甚至消除了對(duì)特定類(lèi)型的傳統(tǒng)隔離材料的 需求。例如，所述聚合物材料是多孔的且限定出多孔網(wǎng)絡(luò)，所述多孔網(wǎng)絡(luò)例如可以占每立方 厘米材料的約15%至約80%，在一些實(shí)施方案中占約20%至約70%，和在一些實(shí)施方案中 占約30%至約60%。這樣的高的孔體積的存在能夠使聚合物材料通常是水蒸氣可滲透的， 從而允許這樣的蒸汽在使用過(guò)程中從建筑物表面逸出并且限制隨時(shí)間推移的水損害的可 能性。材料的水蒸氣滲透性可以以其相對(duì)高的水蒸氣透過(guò)率（"WVTR"）表征，該水蒸氣透 過(guò)率是如以克每平方米每24小時(shí)（g/m2/24hr)為單位測(cè)量的水蒸氣透過(guò)材料的速率。例 如，所述聚合物材料可顯示約300g/m2-24小時(shí)或更高，在一些實(shí)施方案中為約500g/m2-24 小時(shí)或更高，在一些實(shí)施方案中為約1，〇〇〇g/m2_24小時(shí)或更高，和在一些實(shí)施方案中為約 3, 000至約15, 000g/m2-24小時(shí)的WVTR，如根據(jù)ASTM E96/96M-12,程序B或INDA測(cè)試程序 IST-70. 4(01)所確定的。除了允許蒸汽通過(guò)以外，材料的相對(duì)高的孔體積還能夠顯著降低 材料的密度，這能夠?qū)崿F(xiàn)仍實(shí)現(xiàn)良好的隔離性能的更輕的、柔性更好的材料的使用。例如， 所述組合物可具有相對(duì)低的密度，如約1.2克每立方厘米（"g/cm3"）或更低，在一些實(shí)施 方案中為約1. 〇g/cm3或更低，在一些實(shí)施方案中為約0. 2g/cm 3至約0. 8g/cm 3,和在一些實(shí) 施方案中為約〇. lg/cm3至約0. 5g/cm3。由于其低密度，可以形成更輕的材料，所述材料依 舊實(shí)現(xiàn)良好的耐熱性。
[0029] 盡管是高度多孔且通常水蒸氣可滲透的，但本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多孔網(wǎng)絡(luò)可被認(rèn) 為是"閉孔"網(wǎng)絡(luò)，使得大部分的孔之間并未限定出彎曲的通道。這樣的結(jié)構(gòu)可以幫助限制 流體通過(guò)材料的流動(dòng)，并且通?？梢允橇黧w（例如液態(tài)水）不可滲透的，從而允許材料隔絕 表面以免被水滲透。在這方面，聚合物材料可具有如根據(jù)ATTCC 127-2008確定的、約50厘 米（"cm"）或更高，在一些實(shí)施方案中為約100cm或更高，在一些實(shí)施方案中為約150cm或 更高，以及在一些實(shí)施方案中為約200cm至約1000cm的相對(duì)高的靜水壓值。
[0030] 聚合物材料中的大部分孔也可以具有"納米級(jí)"尺寸（"納米孔"），如具有約800 納米或更小，在一些實(shí)施方案中為約1至約500納米，在一些實(shí)施方案中為約5至約450納 米，在一些實(shí)施方案中為約5至約400納米，以及在一些實(shí)施方案中為約10至約100納米的 平均橫截面尺寸的那些。術(shù)語(yǔ)"橫截面尺寸"通常是指孔的特征尺寸（例如寬度或直徑），所 述特征尺寸與孔的主軸（例如長(zhǎng)度）基本正交，并且通常還與拉伸過(guò)程中所施加的應(yīng)力的 方向基本正交。這樣的納米孔例如可以占聚合物材料中總孔體積的約15vol. %或更多，在 一些實(shí)施方案中為約20vol. %或更多，在一些實(shí)施方案中為約30vol. %至約100vol. %， 以及在一些實(shí)施方案中為約40vol. %至約90vol. %。這樣高程度的納米孔的存在可顯著 降低熱導(dǎo)率，因?yàn)樵诿總€(gè)孔中較少細(xì)胞分子可用來(lái)碰撞并傳遞熱量。因此，所述聚合物材料 還可作為隔熱材料來(lái)幫助限制經(jīng)過(guò)建筑結(jié)構(gòu)的熱傳遞程度。
[0031] 為此目的，所述聚合物材料可顯示相對(duì)低的熱導(dǎo)率，如約0. 40瓦特每米-開(kāi)爾 文（"W/m-K"）或更低，在一些實(shí)施方案中為約0. 20W/m-K或更低，在一些實(shí)施方案中為約 0. 15W/m-K或更低，在一些實(shí)施方案中為約0. 01至約0. 12W/m-K，以及在一些實(shí)施方案中為 約0. 02至約0. 10W/m-K。值得注意地，所述材料能夠在相對(duì)小的厚度下獲得如此低的熱導(dǎo) 率值，這可使所述材料具有較高程度的柔性和順應(yīng)性，并降低其在建筑物中占據(jù)的空間。為 此目的，所述聚合物材料還可顯示相對(duì)低的"熱導(dǎo)納"，其等于材料的導(dǎo)熱率除以其厚度并 且以瓦特每平方米-開(kāi)爾文（"W/m2K"）為單位提供。例如，所述材料可顯示約1000W/m2K 或更低，在一些實(shí)施方案中為約10至約800W/m2K，在一些實(shí)施方案中為約20至約500W/ m2K，以及在一些實(shí)施方案中為約40至約200W/m2K的熱導(dǎo)納。聚合物材料的實(shí)際厚度可取 決于其具體形式，但通常為約5微米至約100毫米，在一些實(shí)施方案中為約10微米至約50 毫米，在一些實(shí)施方案中為約200微米至約25毫米，以及在一些實(shí)施方案中為約50微米至 約5毫米的范圍。
[0032] 與用于形成建筑隔離材料的傳統(tǒng)技術(shù)相反，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的多孔材 料可不使用氣態(tài)發(fā)泡劑來(lái)形成。這部分是由于材料組分的獨(dú)特性質(zhì)，以及所述材料所形成 在其中的物質(zhì)。更具體地，所述多孔材料可以由這樣的熱塑性組合物形成，所述熱塑性組合 物含有包括基質(zhì)聚合物、微米包含物添加劑和納米包含物添加劑的連續(xù)相?？蛇x擇所述添 加劑以使得它們具有不同于基質(zhì)聚合物的彈性模量。以這種方式，所述微米包含物添加劑 和納米包含物添加劑可以分別作為離散的微米級(jí)和納米級(jí)相區(qū)域分散在所述連續(xù)相中。本 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)受變形和伸長(zhǎng)應(yīng)變（例如拉伸）時(shí)，微米級(jí)和納米級(jí)相區(qū)域能夠以獨(dú) 特的方式相互作用，以形成孔的網(wǎng)絡(luò)，該孔的網(wǎng)絡(luò)的大部分具有納米級(jí)尺寸。即，認(rèn)為由于 材料的不相容性引起的應(yīng)力集中，伸長(zhǎng)應(yīng)變可以在微米級(jí)離散相區(qū)域附近引發(fā)加強(qiáng)的局部 剪切區(qū)域和/或應(yīng)力密集區(qū)域（例如，正應(yīng)力）。這些剪切和/或應(yīng)力密集區(qū)域?qū)е略卩徑?微米級(jí)區(qū)域的聚合物基質(zhì)中的一些初始剝離。然而，值得注意地，局部剪切和/或應(yīng)力密集 區(qū)域還可以在與微米級(jí)區(qū)域重疊的納米級(jí)離散相區(qū)域附近產(chǎn)生。這樣的重疊剪切和/或應(yīng) 力密集區(qū)域?qū)е略诰酆衔锘|(zhì)中發(fā)生甚至進(jìn)一步的剝離，從而在納米級(jí)區(qū)域和/或微米級(jí) 區(qū)域附近產(chǎn)生大量的納米孔。
[0033] 現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的各實(shí)施方案。
[0034] I.熱塑件組合物
[0035] A.基質(zhì)聚合物
[0036] 如上所述，熱塑性組合物可包含含有一種或多種基質(zhì)聚合物的連續(xù)相，所述基質(zhì) 聚合物通常占熱塑性組合物的約60wt. %至約99wt. %，在一些實(shí)施方案中占熱塑性組 合物的約75wt. %至約98wt. %，和在一些實(shí)施方案中占熱塑性組合物的約80wt. %至約 95wt. %。用于形成所述連續(xù)相的基質(zhì)聚合物（或多種基質(zhì)聚合物）的性質(zhì)并非關(guān)鍵并且通 ?？墒褂萌魏芜m合的聚合物，如聚酯、聚烯烴、苯乙烯聚合物、聚酰胺等。例如，在某些實(shí)施 方案中，可在所述組合物中使用聚酯來(lái)形成聚合物基質(zhì)。各種聚酯中的任意一種通?？杀?使用，如脂肪族聚酯，如聚己內(nèi)酯、聚酰胺酯、聚乳酸（PLA)及其共聚物、聚乙醇酸、聚碳酸 亞烷基酯（例如，聚碳酸亞乙酯）、聚-3-羥基丁酸酯（PHB)、聚-3-羥基戊酸酯（PHV)、3-羥 基丁酸酯與4-羥基丁酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯與3-羥基戊酸酯的共聚物（PHBV)、 3-羥基丁酸酯與3-羥基己酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯與3-羥基辛酸酯的共聚物、3-羥 基丁酸酯與3-羥基癸酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯與3-羥基十八烷酸酯的共聚物和基于 琥珀酸酯的脂族聚合物（例如，聚琥珀酸丁二醇酯、聚琥珀酸己二酸丁二醇酯、聚琥珀酸乙 二醇酯等）；脂族-芳香族共聚酯（例如，聚己二酸對(duì)苯二酸丁二醇酯、聚己二酸對(duì)苯二酸 乙二醇酯、聚己二酸間苯二酸乙二醇酯、聚己二酸間苯二酸丁二醇酯等）；芳香族聚酯（例 如，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯等）；等等。
[0037] 在某些情況下，熱塑性組合物可含有至少一種性質(zhì)上為剛性并因此具有相對(duì)高的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚酯。例如，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（"Tg")可為約o°c或更高，在一些實(shí)施方案 中為約5 °C至約100 °C，在一些實(shí)施方案中為約30 °C至約80 °C，在一些實(shí)施方案中為約50 °C 至約75°C。聚酯的熔融溫度也可以為約140°C至約300°C，在一些實(shí)施方案中為約150°C至 約250°C，和在一些實(shí)施方案中為約160°C至約220°C。熔融溫度可以根據(jù)ASTM D-3417采 用差示掃描量熱法（〃DSC〃）來(lái)測(cè)定。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以根據(jù)ASTM E1640-09通過(guò)動(dòng)態(tài)機(jī) 械分析來(lái)測(cè)定。
[0038] -種特別適合的剛性聚酯是聚乳酸，其通?？稍醋匀樗岬娜我猱悩?gòu)體的單體單 元，如左旋乳酸（"L-乳酸")、右旋乳酸（"D-乳酸")、內(nèi)消旋乳酸（meso-lactic acid)或 其混合物。單體單元也可以由乳酸的任意異構(gòu)體的酸酐，包括左旋丙交酯、右旋丙交酯、內(nèi) 消旋丙交酯（meso-lactide)或其混合物形成。這樣的乳酸和/或丙交酯的環(huán)狀二聚體也可 以被采用。任意已知的聚合方法，如縮聚或開(kāi)環(huán)聚合，均可以用來(lái)聚合乳酸。少量的擴(kuò)鏈劑 (例如，二異氰酸酯化合物、環(huán)氧化合物或者酸酐）也可以被采用。聚乳酸可以是均聚物或 者共聚物，如含有源自L-乳酸的單體單元和源自D-乳酸的單體單元的那些。雖然不要求， 源自L-乳酸的單體單元和源自D-乳酸的單體單元中之一的含量比率優(yōu)選為約85摩爾％ 或者更高，在一些實(shí)施方案中為約90摩爾％或者更高，和在一些實(shí)施方案中為約95摩爾％ 或者更高。多種聚乳酸可以以任意百分比共混，其中每種均具有不同的源自L-乳酸的單體 單元與源自D-乳酸的單體單元之比。當(dāng)然，聚乳酸也可以與其它類(lèi)型的聚合物（例如，聚 烯烴、聚酯等）共混。
[0039] 在一個(gè)特別的實(shí)施方案中，聚乳酸具有以下通式結(jié)構(gòu)：
[0041] 本發(fā)明中可使用的適合的聚乳酸聚合物的一個(gè)具體實(shí)例可商購(gòu)自德國(guó) Krailling的Biomer，Inc.，名稱(chēng)為BIOMER? L9000。其它適合的聚乳酸聚合物可商購(gòu)自 Minnesota 的 Minnetonka 的 Natureworks LLC，（ NATUREWORKS? )或者 Mitsui Chemical (LACEA?)。還有其它適合的聚乳酸描述于第4, 797, 468號(hào)、第5, 470, 944號(hào)、第 5, 770, 682號(hào)、第5, 821，327號(hào)、第5, 880, 254號(hào)和第6, 326, 458號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中。
[0042] 聚乳酸通常具有約40, 000至約180, 000克每摩爾，在一些實(shí)施方案中為約50, 000 至約160, 000克每摩爾，和在一些實(shí)施方案中為約80, 000至約120, 000克每摩爾的數(shù)均分 子量（〃Mn〃）。同樣，所述聚合物還通常具有約80, 000至約250, 000克每摩爾，在一些實(shí)施方 案中為約100, 〇〇〇至約200, 000克每摩爾，和在一些實(shí)施方案中為約110, 000至約160,000 克每摩爾的重均分子量（〃MW〃）。重均分子量與數(shù)均分子量之比（〃MW/Mn〃），即"多分散性指 數(shù)〃也是相對(duì)低的。例如，多分散性指數(shù)通常為約1. 0至約3. 0,在一些實(shí)施方案中為約1. 1 至約2. 0,和在一些實(shí)施方案中為約1. 2至約1. 8。重均和數(shù)均分子量可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的方法測(cè)定。
[0043] 如在190°C的溫度和1000秒1的剪切速率下測(cè)定的，聚乳酸也可以具有約50至 約600帕