專利名稱：一種保護基底免受熱流和火焰損傷的組合物及其方法
一種保護基底免受熱流和火焰損傷的組合物及其方法 相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2006年8月1日遞交的申請?zhí)枮?0/834,696的美國 臨時申請的優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容通過引用并入本文。
關(guān)于受聯(lián)邦政府資助研究的聲明
美國政府擁有本發(fā)明的已繳費的許可，并在有限的情況下，有權(quán) 要求專利所有人在根據(jù)由美國陸軍獲得的基金Wl5QKN-06-P-0262 所提供的期限而制定的合理期限內(nèi)許可他人。
背景技術(shù)：
熱障涂層(TBC)從延長的或過度的熱流中隔離和保護基底，并使 得基底材料在使用保留其機械性能的完整性。系統(tǒng)類型及其成分的選 擇取決于用途。熱量可以通過幾種方法從基底中耗散，包括熱沉、主 動冷卻、蒸騰冷卻、輻射冷卻以及膨脹。
需要當受到機械壓力時能夠保護基底免于高溫暴露，對破損具有 高應力(即韌性)，并且在惡劣低溫下具有粘附性的涂料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種火焰或熱流防護性涂料組合物，該組合物含有分 散于硅樹脂中的玻璃纖維。本發(fā)明還涉及一種火焰或熱流防護板，該 防護板含有片狀形式的玻璃纖維和硅樹脂，其中玻璃纖維分散于硅樹 脂中或者玻璃纖維是包被硅樹脂的編織布。本發(fā)明還涉及用火焰或熱 流防護涂層包^^物品的方法，以及應用火焰或熱流的防護涂層或防護 板形式的物件。


圖l是闡述被測試涂層產(chǎn)品規(guī)格的表格。
圖2是火焰測試中溫度對時間作圖得到的圖。 圖3是描述平均火焰測試結(jié)果圖。
發(fā)明的詳細描述
玻璃纖維成分給予本發(fā)明中的組合物高輻射系數(shù)。輻射系數(shù)作為
其溫度的函數(shù)，是材料吸收和輻射能量的能力，在本文中定義為材料 輻射給同溫度的黑體的總能量比率。黑體吸收全部電磁輻射，是輻射 系數(shù)為l的理想輻射體。所有非黑體物體的輻射系數(shù)都小于1,并由 物體的溫度、表面特性、幾何形狀和尺寸，以及化學組成所決定。為 了散熱，接近1的高輻射系數(shù)值是理想的。玻璃纖維的輻射系數(shù)在 0.87-0.95之間。
玻璃纖維為涂料組合物提供相對低的導熱率，因此也具有高熱絕 緣值。例如， 一股玻璃纖維的一端能夠在高溫時從其包纟支基底上將熱 輻射掉，而同 一股玻璃纖維的另 一端能夠使基底隔絕輻射的熱量。
玻璃纖維成分以適于熱暴露時促進有效輻射冷卻的量存在。在一 種實施方案中，玻璃纖維成分存在的量為組合物重量的約4%至約 14%。優(yōu)選地，玻璃纖維的存在的量為組合物重量的約8°/。-約14%， 更加優(yōu)選組合物重量的約8°/。-約12%。
玻璃纖維成分可以具有合適的纖維長度和直徑。玻璃纖維成分還 可以包含具有混合的適當長度和直徑的纖維。優(yōu)選地，纖維長度范圍 為大約1毫米至大約20毫米。優(yōu)選的纖維直徑為大約6微米至大約 19微米?？蛇x擇地，在與硅樹脂成分結(jié)合之前從玻璃纖維成分中去 除至少一部分膠料。
硅樹脂成分為涂層提供機械柔性和在寬溫度范圍內(nèi)(例如，-110-400。F)的熱穩(wěn)定性。此外，高溫下(例如，超過400。F)硅樹脂成分分
解成為二氧化硅和氧化硅，可從熱源中吸收大量能量。另外，作為硅 樹脂降解的結(jié)果，玻璃纖維的大表面積暴露出來。暴露的玻璃纖維的
纏繞網(wǎng)加深了涂層輻射降溫的程度，并通過停留在植根于溫度較低的
接近被保護的基底表面的硅樹脂底層而隔熱。優(yōu)選地，硅樹脂成分包括二曱基硅氧烷和聚二曱基硅氧烷。
本發(fā)明的另一方面涉及應用火焰或熱流防護涂料組合物于物件 的至少一部分的方法，其中所述的組合物包括M于硅樹脂中的玻璃 纖維。在優(yōu)選的實施方案中，涂料通過刷涂的方法涂在基底上。在另 一個實施方案中，通過將基底浸泡于涂料組合物中而將涂料涂在基底 上。當涂覆涂料時，均勻的層并不是關(guān)鍵性的，但涂層必須足夠的厚， 厚到看不到下墊面。
本發(fā)明的另 一方面涉及一種物件，該物件至少一部分被含有分散 于硅樹脂的玻璃纖維的組合物涂覆。
用于包被物件的合適基底包括，例如，熱塑性塑料、熱塑性塑料 復合材料、聚乙烯、木材、石材、金屬(例如，鋼)、陶瓷、玻璃、砌 體材料(舉例來說，磚塊、大理石、花崗巖、釣華、石灰石、混凝土
砌塊、玻璃磚、瓦，等等)，及類似物。例如，美國專利6,191,228、 5,951,940、 5,916,932、 5,789,477和5,298,214公開了由生活和工業(yè)廢 塑料制成的結(jié)構(gòu)可再生的塑料木材復合材料，其中聚烯烴與聚苯乙烯 或熱塑性塑料包被的諸如玻璃纖維的纖維材料混合。這五個專利的公 開都以引文形式并入本文。
被涂覆的物件可以具有任何形狀或形式，例如，圓形截面，矩形 截面，環(huán)狀截面，呈片狀，或其組合。塑料復合材料的示例性的形式 公開于2003年7月8日提交的美國專利申請60/486,205， 2005年5 月19日提交的美國專利申請60/683,115, 2006年1月9日提交的美 國專利申請10/563,883，以及2006年5月19日提交的國際申請 PCT/US06/19311。所有上述公開都以引文形式并入本文。在一個實施 方案中，物件為L型梁、I型梁、C型梁、T型梁，或其組合。
適于用本發(fā)明所述組合物涂覆的示例性物件包括，但不限于，鋼 彈盒、鐵路軌枕、塑料管材、木材、板樁、船殼、輕型貨車車身、汽 油罐、汽車油箱、飛機、船舶，以及潛艇，諸如點火室的高溫作業(yè)組 件附近區(qū)域，基礎(chǔ)設(shè)施，例如建筑支持結(jié)構(gòu)和懸索橋中的纜索，高壓 儲罐，等等。 ，
本發(fā)明中的組合"也可以呈現(xiàn)為片狀形式。例如，硅樹脂和玻璃纖維成分可以在擠壓機中結(jié)合，并擠壓入板材擠出模具。在另一個實 施方案中，編織的玻璃纖維布用硅樹脂成分被覆。
本發(fā)明的這種片狀形式的示例性涂覆包括，但不限于，織物，例 如防火服和防火毯，以及涂覆于上文提到的適合包被本發(fā)明中的組合 物的任一物件的片狀形式。
具體實施例方式
實施例1-樣品制備
制備含有痕量硅樹脂油，玻璃纖維在硅樹脂中占重量比4、 6、 8、 10、 12和14%的混合物。在攪拌機中混合這些成分，并用油灰刀涂 于鋼片，目標厚度為1.6毫米或以下。玻璃纖維M圭樹脂涂層與七種商 品化的產(chǎn)品比較(圖1),進行低溫彎折測試以及直接高溫火焰測試。 涂層涂覆于標準的76x152x0.735毫米鋼片。兩個試-險中每一個^f羊品 或涂層類型都測試三份樣本。
實施例2-低溫彎折測試
涂布的鋼板在0.64厘米芯纟奉旁以180。角彎曲，隨后在干冰(約 -79°C )上退火至少15分鐘。在測試過程中，每個樣本在彎曲30°、 90°和180。時都拍下照片。目測觀察提供一種涂層結(jié)合于鋼基底時對 于熱沖擊的反應，并且指示由于低溫下彎折所產(chǎn)生的表面損傷的類型 和嚴重程度。成功的涂覆在測試之后沒有表面損傷。在彎折時，涂層 拉伸以適應基底新的更大的表面積。涂層的表面具有張力，并且彎折 時受到最高百分比的張力。因此，裂紋開始在涂層表面形成。涂層的 破壞是通過在涂層和分層中的裂紋發(fā)展和擴展來表征的。常見的失敗 模式包括變形區(qū)中平行于彎曲軸的細小裂紋形成，造成成塊的涂料脫 落和基底暴露的大裂紋，以及一些脆性破損。在某些情況下，涂層本 身也會分層。這些類型的表面破損表明具有低應力的涂層在低溫下會 受到破壞，并將脫離或分層，暴露出基底，產(chǎn)生輻射換熱的點源。
如圖l所示，產(chǎn)品A、 B、 C、 D、 E和G由于裂紋的形成而沒有通過低溫彎折測試。當采用更大的彎折角時，初始裂紋簡單傳#"，導 致成塊的涂層從基底脫落，以及/或者涂層分層。在產(chǎn)品C的樣品中， 三個樣本中有兩個通過測試，而在產(chǎn)品G的樣品中，三個樣本中有 一個通過測試。然而，每個樣品的全部樣本都必須通過測試，才能被
認定為成功。產(chǎn)品H, —種基于硅樹脂的涂料，是測試的商品化涂料 中唯一遭受任何表面損傷并通過低溫彎折測試的。玻璃纖維/硅樹脂 復合材料涂層沒有遭受任何表面損傷，在彎折過程中保持附著于基 底，并通過了低溫彎折測試。涂層的厚度看來并沒有顯著影響低溫性 能。對于產(chǎn)品E和玻璃纖維/硅樹脂復合材料，制備了各種厚度的樣 本。所有的產(chǎn)品E樣本都沒有通過測試，而所有玻璃纖維/硅樹脂復 合材料樣本都通過了測試。
實施例3-火焰測試
由丙烷火炬產(chǎn)生的火焰常規(guī)應用于樣品的涂層側(cè)。紅外傳感器 (OmegaOS550系列紅外工業(yè)高溫計)對準火焰軸，垂直的鋼片背面測 量的溫度為時間的函數(shù)。將火焰的內(nèi)圓錐長度調(diào)整至3.175厘米，內(nèi) 錐的尖端，火焰溫度最高的部分，直接定位至樣品表面距底邊2.54 厘米上方，橫跨樣品幅寬的中心。這種構(gòu)造給予高溫直接點加熱的最 嚴酷的條件。丙烷絕熱的火焰溫度大約在1,927°C +/- 38°C。使用的 火焰總持續(xù)時間為IO分鐘。如果某種涂層經(jīng)紅外傳感器檢測到的最 高溫度超過316。C,則認為該涂料火焰測試失敗。每種涂層所達到的 最高溫度與對照樣本無涂層鋼板比較以作參考。
火焰測試結(jié)果在圖2和圖3中以圖形化展示。每個樣品的火焰測 試過程中的平均溫度對時間數(shù)據(jù)展示于圖2中，每個樣品的平均最高 溫度和標準差展示于圖3中。在所有的涂層中，12%玻璃纖維/硅樹 脂涂層保持最低的最高溫度值。在圖3中，黑色的水平線表示通過/ 失敗溫度限值316°C ，并從那些失敗的涂層中區(qū)分出通過火焰測試的 涂料(例如，具有低于這條線的最高溫度涂層通過測試，而高于此的 則失敗)。
具有低于限值的最高溫度的涂層是產(chǎn)品D和產(chǎn)品E以及玻璃纖維/硅樹脂復合材料涂層(除了 6%玻璃纖維組合物)(圖1)。產(chǎn)品A、 B、 C、 F、 G和H的平均最高溫度超過限值，因此測試失敗。上述實施例和優(yōu)選實施方案的描述應該被視為舉例說明，而不是 對本發(fā)明如權(quán)利要求所界定的保護范圍的限制。容易被接收的是，就 上面提出的特征的諸多變化和組合可以被應用而不偏離權(quán)利要求界 定的本發(fā)明。這些變化不能被認為是偏離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容和文字表 達，所有這樣的變化都將視為包含在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種火焰或熱流防護涂料組合物，其特征在于，所述組合物包含分散于硅樹脂中的玻璃纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述玻璃纖維在組 合物中存在的數(shù)量為組合物重量的約8%至約14%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合物，其特征在于,所述玻璃纖維在組 合物中存在的數(shù)量為組合物重量的約8%至約12%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物, 長度為約1毫米至約20毫米的纖維。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物, 直徑為約6微米至約19微米的纖維。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物, 所述玻璃纖維中去除。其特征在于，所述玻璃纖維包含 其特征在于，所述玻璃纖維包含 其特征在于，至少一部分膠料從
7. —種物件，其特征在于，所述的物件含有至少一部分用權(quán)利要求 1中所述組合物包^皮的表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的物件，其特征在于，所述的表面含有選自 下述組的材料，所述的組包括金屬，熱塑性塑料、熱塑性塑料復合材料、 聚乙烯、木材、石材、陶瓷、玻璃、砌體材料以及其組合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的物件，其中所述物件選自下述組，該組包 括鋼彈盒、鐵路軌枕、塑料管材、木材、板樁、船殼、輕型貨車車身、 汽油罐、汽車油箱、飛機、船舶、潛艇，高溫作業(yè)組件附近區(qū)域、基礎(chǔ)設(shè)施、建筑支持結(jié)構(gòu)、懸索橋中的纜索，以及高壓儲罐。
10. —種含有片狀形式的玻璃纖維和硅樹脂的火焰或熱流防護板，其 特征在于，所述玻璃纖維分散于硅樹脂中，或者所述玻璃纖維是一種包 被硅樹脂的編織布。
11. 一種含有權(quán)利要求10中所述板材的物件，所述物件選自下述組，該組由織物、鋼彈盒、鐵路軌枕、塑料管材、木材、板樁、船殼、輕型 貨車車身、汽油罐、汽車油箱、飛機、船舶、潛艇、高溫作業(yè)組件附近 區(qū)域、基礎(chǔ)設(shè)施、建筑支持結(jié)構(gòu)、懸索橋中的纜索，以及高壓儲罐組成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物件，其特征在于，所述織物用于防火 服或防火毯。
13. —種用火焰或熱流防護涂層包被物品的方法，其特征在于，該方 法包括將權(quán)利要求1所述的組合物涂敷于所述物品的至少一部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及火焰或熱流防護性涂料組合物，該組合物含有分散于硅樹脂中的玻璃纖維。本發(fā)明還涉及火焰或熱流防護板，該防護板含有片狀形式的玻璃纖維和硅樹脂，其中玻璃纖維分散于硅樹脂中或者玻璃纖維是包被硅樹脂的編織布。本發(fā)明還涉及應用火焰或熱流的防護涂層或防護板形式的物件以及用火焰或熱流防護涂料組合物包被物件的方法。
文檔編號C08K3/22GK101535389SQ200780034624
公開日2009年9月16日 申請日期2007年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月1日
發(fā)明者帕特里克·L·諾斯科, 湯姆斯·諾斯科, 詹尼弗·K·林奇, 馬克·N·梅扎 申請人:新澤西魯特格斯州立大學