專利名稱：含有至少一層纖維增強氣凝膠板和/或墊的透明構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透明構(gòu)件及其使用，尤其是隔熱窗板(Isolierscheibe)，它至少含有一層纖維增強氣凝膠板和/或墊。
迄今為止的隔熱窗板由兩層或三層玻璃窗板組成，這些玻璃窗板常以10-30mm的間隔距離平行放置，并沿邊緣用一種氣密性材料相互緊密地連接在一起。窗板(Scheibe)與窗板之間通常是空氣或其它在常壓或稍低的氣壓下具有低導(dǎo)熱性的惰性氣體。這種隔熱玻璃窗的隔熱效果取決于靜止氣體的隔熱作用。
已經(jīng)提出了許多通過使用氣凝膠提高隔熱玻璃窗板的隔熱作用的方法。
氣凝膠在廣義上，也就是在“以空氣作為分散介質(zhì)的凝膠”的意義上，是通過干燥一種適當?shù)哪z而制備的。在此意義上的“氣凝膠”概念包括狹義上的氣凝膠、干凝膠和冷凝膠。其中，如果凝膠中的絕大部分液體在臨界溫度以上的溫度并從臨界壓力以上的壓力下開始失去，那么這種干燥了的凝膠被稱為狹義上的氣凝膠。與此相反，如果凝膠中的液體在臨界點之下失去，例如形成液-氣邊界相的情況，則所產(chǎn)生的凝膠通常也被稱為干凝膠。
本說明書中在使用氣凝膠這一概念時，是指廣義上的氣凝膠，也即含義為“以空氣作為分散介質(zhì)的凝膠”。
氣凝膠，尤其是那些孔隙率大于60％和密度低于0.4g/cm3的氣凝膠，由于其具有很低的密度、高孔隙率和小孔徑，故具有格外低的導(dǎo)熱性并因此用做隔熱材料，例如參見EP-A-0171722所述。
但是，高孔隙率也導(dǎo)致用來干燥形成氣凝膠的凝膠和干燥的氣凝膠本身這兩者的力學(xué)穩(wěn)定性低。
為了改善隔熱作用，例如，已有建議在玻璃窗板之間放置氣凝膠單片(Aerogelmonolith)，以通過氣凝膠的低導(dǎo)熱性改善隔熱作用(CA-C-1288313，EP-A-018955)和/或改善這種窗板的隔音性(DE-A-4106192)。這時氣凝膠單片應(yīng)部分牢固地連接在玻璃窗板上，例如，見DE-A-4106192所述。
盡管這種工藝能得到實際上象玻璃一樣透明的透明窗板，但因為氣凝膠的力學(xué)穩(wěn)定性低，一方面相應(yīng)較大的氣凝膠單片的制造費用太高，另一方面窗板生產(chǎn)時的處理太復(fù)雜，而使這種玻璃窗板得不到更廣泛的應(yīng)用。
取而代之，已有建議在夾層中填充較易制備并且也較易處理的氣凝膠顆粒。但是，窗板這時將不再完全象玻璃一樣透明，而是半透明，與乳白色玻璃窗板或裝飾玻璃窗板相當。這不帶來任何本質(zhì)上的局限，因為存在一系列應(yīng)用場合，在這些場合下需要避免光線的直接入射投下的陰影，例如，工廠、儲倉、展廳或博物館的窗子。另一個應(yīng)用領(lǐng)域可以是天窗。
但是，這種類型的窗子有若干缺點。例如，隨著時間的推移，顆粒的壓實使得窗子的填充程度產(chǎn)生不希望的變化。這種壓實可能是，例如，氣凝膠小球粒連續(xù)輕微振動或破壞的結(jié)果，尤其是在抽真空時。
在該顆粒中，小顆粒球相互間的力和/或玻璃板和小顆粒球之間的力僅通過非常小的接觸面積傳遞。因此產(chǎn)生相對高的可以導(dǎo)致氣凝膠顆粒破碎的壓應(yīng)力和/或剪應(yīng)力(參看DE-A-3533805)。
因此DE-A-3533805建議將氣凝膠顆粒包在兩層薄膜之間再放入玻璃窗板之間，并對薄膜內(nèi)的空間抽真空。由于薄膜的柔韌性，薄膜與小球粒表面之間的表面積可增加，從而改善長期穩(wěn)定性。
但是，這一工藝需要較高的費用，因為窗板的構(gòu)造變得很復(fù)雜。除此以外，附加的薄膜層進一步降低了透明度。
US-A-5,027,574描述了由兩塊以氣密性方式彼此連接的窗板組成的隔熱結(jié)構(gòu)，窗板構(gòu)成一個氣密性密封夾層。該夾層在從約100-200托到約10-3-10-4托之間的壓力下被充入一種氣體，該氣體在該壓力下具有比空氣低得多的導(dǎo)熱性，其壓力低得使對流引起的傳熱被大大地抑制。在此，該氣體的壓力只是降低到顯著減少對流傳熱的程度，而非減少熱傳導(dǎo)引起的傳熱。在一種實施方式中，該夾層也可用氣凝膠材料來填充。即使在此實施方式中，取決于用單片還是顆粒狀氣凝膠材料，仍將遇到前述問題。
EP-A-0468124描述了透明板的制備方法，該透明板填充有顆粒直徑一般為0.5-7mm的氣凝膠顆粒。為了在填充窗板之間的夾層時獲得高顆粒密度，整個組合都施加了頻率典型地為30-100Hz的振動。為了阻止氣凝膠中殘存水分的冷凝，填充后的玻璃窗板再在低于400毫巴的低壓下，最好是低于20毫巴下在50-70℃的溫度下加熱20分鐘到2小時，使得殘余氣體中的水分含量和因此稍后在窗板上的可能的冷凝相應(yīng)地減小。根據(jù)該專利申請，填充物的坍塌被避免了，因為低壓使得窗板壓縮顆粒而使顆粒不能移動。
所用的這種方法由于需要振動和在真空下加熱而費用同樣高。而且也不清楚，隨著時間的遷移，顆粒是否會因振動而碎裂，且填充物是否會進而坍塌。
所以，本發(fā)明的任務(wù)是提供高隔熱性的透明構(gòu)件，它容易生產(chǎn)，且填充物長期穩(wěn)定。
另一個任務(wù)是提供用于隔聲的相應(yīng)構(gòu)件。
該任務(wù)是通過采用含有至少兩塊平行放置的透明材料制成的窗板的透明構(gòu)件實現(xiàn)的，這些構(gòu)件具有一個夾層，其特征是，該夾層含有至少一層纖維增強的氣凝膠板或墊。
窗板之間的夾層優(yōu)先用一種氣密性密封沿窗板的邊緣封閉。在此，該氣密性密封可同時用于窗板的機械連接和/或固定。至少兩塊平行放置的窗板之間的距離優(yōu)選處于0.1-5cm的范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選處于0.1-2cm的范圍內(nèi)。纖維增強氣凝膠，在濕的或干的狀態(tài)下，在力學(xué)上都顯著地比純的氣凝膠尤其是氣凝膠單片穩(wěn)定，也因此而易于操作。
由于一方面窗板和氣凝膠之間的支承面積大，另一方面缺少接觸點，所以作用力平均分布，尤其是在抽真空時，因此不會破壞氣凝膠。而且所產(chǎn)生的作用力實際上是純壓力，對此氣凝膠很穩(wěn)定，然而在使用顆粒時不可避免地產(chǎn)生剪切力，這對于對剪切力非常敏感的氣凝膠，容易引起單一顆粒的破壞。此外，生產(chǎn)時不需要任何附加工序，例如薄膜的使用。
而且，氣凝膠板或墊本身不可能坍塌，因此整體上獲得一個長期穩(wěn)定的填充物。
另外，氣凝膠的體積比例可顯著高于顆粒填充情況時的，在相同厚度和真空度下使得隔熱作用提高。
作為窗板可以考慮玻璃窗板、復(fù)合玻璃窗板、透明或略不透明的塑料窗板，例如那些由象玻璃一樣透明的聚苯乙烯及其共聚物制成的，由PVC、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚烯烴或聚酰胺制成的窗板。在此對窗板的厚度沒有限制。一般地，窗板也可以非常厚，以承受大的機械荷載，例如在玻璃結(jié)構(gòu)組件時。但是，窗板厚度優(yōu)選范圍為0.5mm-3cm。
也可以在窗板背向夾層的一面裝飾圖案。尤其是外層窗板可采用帶水平走向鱗片的鋸齒圖案，其這么傾斜，以致太陽位置較高(尤其是在夏季)時的陽光的透射明顯地比太陽位置較低(特別是在冬季)時的陽光透射小。在此，窗板的材料、厚度和/或圖案均可不同。此外，為了改善隔熱性或著色，至少一塊窗板可以，例如，鍍上金屬和/或其他材料。通過采用專業(yè)人員所知的常規(guī)設(shè)備，一方面窗板可以在機械上牢固地連接在一起并保持適當?shù)木嚯x，另一方面這樣可使夾層密封不透氣。
對于本發(fā)明所述的構(gòu)件，只需使窗板在整體上彼此相隔一個大致相同的距離，就可以在平面結(jié)構(gòu)之外，再做成拱結(jié)構(gòu)，如圓頂形或桶形。
窗板之間的填充物由纖維增強氣凝膠墊和/或板組成，其中氣凝膠基體的密度小于0.6g/cm3，孔隙率大于60％，例如，見DE-C-3844003，WO93/06044或P4430642.3和P4430669.5所述。優(yōu)選小于0.5g/cm3的密度和大于80％的孔隙率。
在此，可以用無機或有機氣凝膠以及基于無機和有機材料的氣凝膠構(gòu)成基體，但優(yōu)選含SiO2的氣凝膠，尤其是SiO2氣凝膠。
氣凝膠常壓使用時的導(dǎo)熱率優(yōu)選小于30mW/mK者，尤其優(yōu)選小于20mW/mK者。進一步優(yōu)選采用憎水性氣凝膠或干凝膠，例如，見P4430642.3和P4430669.5所述。
一方面憎水性氣凝膠的含水量顯著低于普通氣凝膠，另一方面氣凝膠墊或板不含采用顆粒時的空隙，這些空隙可包含具有一定濕度的空氣。
這樣大大減少了結(jié)露的發(fā)生?？赡艹霈F(xiàn)的水氣，如果有這種情況，可以通過在夾層內(nèi)或機械連接面上使用普通干燥劑而吸收。
纖維增強氣凝膠中的纖維體積含量應(yīng)為0.5-30％，優(yōu)選0.5-15％。盡管較高的纖維含量能增加機械強度，卻也同樣增大導(dǎo)熱性和減少透明度。
纖維在氣凝膠中的放置形式可以是纖維網(wǎng)或墊，或者是隨機取向或平行于表面設(shè)置的單根纖維，其長度應(yīng)優(yōu)選大于1cm。
纖維直徑優(yōu)選是0.1-30μm。
氣凝膠板或氣凝膠墊應(yīng)優(yōu)選含有透明纖維，例如玻璃纖維，以保持整個組合的高透光度。
纖維增強氣凝膠材料可以以平板(WO93/06044，P4430642.3)或柔性墊(P4430669.5)的形式使用。
為了獲得特殊的光學(xué)或熱學(xué)性能，氣凝膠可以附加含有光致變色物質(zhì)和/或紅外遮光劑，例如見DE-C-3844003或P4430642.3所述。
如果為了增加夾層厚度，而在夾層中填入多層板或墊，那么可以在將其裝入窗板之間之前或之時任選地附加用膠粘劑或膠粘膜粘結(jié)起來。
可以將夾層抽真空至5-750毫巴的壓力，優(yōu)選10-200毫巴的壓力，以減小氣凝膠的導(dǎo)熱性，從而進一步減小整個構(gòu)件的導(dǎo)熱性。此外，通過抽真空，還可能將透明窗板擠壓到一起，而夾緊氣凝膠板或墊，這樣就可不必粘結(jié)。
由于氣凝膠板和/或墊的抗壓強度高，在抽真空時大部分壓力可由氣凝膠承受，考慮到此點，窗板的荷載將因此減輕而可以選用較薄者。
也可選擇重氣體，如氬氣，在常壓下填充夾層，以減小夾層的導(dǎo)熱性(與填充空氣時相比)。
為了獲得特殊的機械或聲學(xué)性能，也可用膠粘劑或膠粘膜將氣凝膠板或墊與玻璃窗板粘結(jié)在一起，類似于DE-A-4106192所公開的方法。
窗板相互之間的連接和相互之間的固定可以采用用于隔熱玻璃窗板并為專業(yè)人員所知的常規(guī)方法來完成。
在制造時，例如在組裝窗板這道工序時，可以將氣凝膠板或墊簡單地放入窗板之間。需要時可用專業(yè)人員所知的方法抽真空。
存在于氣凝膠中的纖維和在使用墊的情況下其中存在的裂縫導(dǎo)致窗板不是玻璃般透明，而是更象乳白色玻璃或裝飾玻璃窗板一樣是半透光的。所述的這種窗板因此適用于透明隔熱和/或隔聲，例如用于工廠、儲倉、展廳或博物館的窗子，以及屋頂天窗或透光圓屋頂(Lichtkuppel)。
權(quán)利要求
1.含有至少兩層平行放置的由透明材料制成的窗板的透明構(gòu)件，它包含一個夾層，其特征是該夾層至少含一層纖維增強氣凝膠板和/或墊。
2.按照權(quán)利要求1的透明構(gòu)件，其特征是窗板之間的夾層沿窗板邊緣用一種氣密性密封封閉起來。
3.按照權(quán)利要求2的透明構(gòu)件，其特征是，氣密性密封用于窗板的機械連接和/或固定。
4.按照權(quán)利要求1-3中至少之一的透明構(gòu)件，其特征是，氣凝膠基體具有大于60％的孔隙率和小于0.6g/cm3的密度。
5.按照權(quán)利要求1-4中至少之一的透明構(gòu)件，其特征是，氣凝膠是一種SiO2氣凝膠。
6.按照權(quán)利要求1-5中至少之一的透明構(gòu)件，其特征是，氣凝膠具有憎水性表面基團。
7.按照權(quán)利要求1-6中至少之一的透明構(gòu)件，其特征是，氣凝膠具有小于30mW/mK的熱導(dǎo)率。
8.按照權(quán)利要求1-7中至少之一的透明構(gòu)件，其特征是，纖維增強氣凝膠中纖維材料的體積含量處于0.5-30％范圍內(nèi)。
9.按照權(quán)利要求8的透明構(gòu)件，其特征是，纖維材料是一種透明的纖維材料。
10.按照權(quán)利要求8或9的透明構(gòu)件，其特征是，纖維材料基本上含玻璃纖維。
11.按照權(quán)利要求1的透明構(gòu)件，其特征是，將位于至少兩塊窗板之間、至少填充一種纖維增強氣凝膠的夾層，抽真空至5-750毫巴的壓力范圍。
12.按照上述權(quán)利要求中至少之一的透明構(gòu)件的用途，其用于隔熱和/或隔聲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有至少兩層由透明材料制成的平行放置的板的透明構(gòu)件,這些板之間含有一個夾層,其特征是,該夾層至少含有一層纖維增強氣凝膠板和/或墊。本發(fā)明還涉及該種構(gòu)件的使用。
文檔編號B32B5/18GK1177993SQ96192387
公開日1998年4月1日 申請日期1996年3月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月7日
發(fā)明者D·弗蘭克, A·齊默曼 申請人:赫徹斯特股份公司