氣凝膠和相變材料的復(fù)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?zhí)枮?00680022207. 2、題為"氣凝膠和 相變材料的復(fù)合材料"的專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 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)】
[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(jīng)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(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，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(fā)明內(nèi)容】

[0004] 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。
[0005] 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(fā)明適用性的進一步范圍將變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)理 解，所述詳細描述和具體實例雖表現(xiàn)了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但其僅用于闡述目的，而不 用于限制本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0007] 通過詳細描述和附圖，本發(fā)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(xiàn)PCM改進了瞬時熱性能的曲線圖。
【具體實施方式】
[0011] 以下優(yōu)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(fā)明及其應(yīng) 用或用途。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 在更進一步的方面，本發(fā)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?；烊脒m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。
[0015] 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氣 凝膠顆粒和無機氣凝膠顆粒。優(yōu)選將無機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行說明。
[0016] 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 (opacifyingagent)?？墒褂萌魏芜m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(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行混合，對所述相關(guān)顆粒的尺 寸進行選擇以便于實現(xiàn)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(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。
[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?？?以為CabotNanogelGmbHGermany生產(chǎn)的商標(biāo)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(xiàn)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(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。
[0022] 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，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，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，該PCM材料提供維持基本恒定的溫度的能力。
[0023] 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。為了對本發(fā)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(tài)-液態(tài)轉(zhuǎn)變的THERMAS0RB牌相變材料。 封裝直徑（encapsulateddiameter)為 5-40 微米。
[0024] 盡管本發(fā)明參考由固相變?yōu)橐合嗟腜CM材料進行舉例說明，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（phasecondition)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌滔?和不同能量水平的第二結(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(zhì)以包含該PCM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PCM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)時的移動。其也避免了該PCM在其再冷卻時形成一個固態(tài)不可彎曲物。在該優(yōu) 選實施方式中，優(yōu)選將該PCM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。
[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(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。通過控制該蠟組合物，可將該PCM調(diào)節(jié)為具有根據(jù)期望的操作溫度條件變化的熔點。
[0027] 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 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(dǎo)熱率。雖然該RTV和Sylg