氣凝膠組合物及其制備方法和使用方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】氣凝膠組合物及其制備方法和使用方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)按照35 USC 119(e)要求享有于2009年4月27日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?61/173,046的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 綠色建筑物優(yōu)選采用能夠提供優(yōu)異特性而制造和使用均簡(jiǎn)便易行的材料和實(shí)施 手段。良好的隔離性能例如會(huì)降低能量需求，并且在很多建筑工程中是重要的考慮因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 因此，需要一種材料，其具有低導(dǎo)熱率和/或兼具兩種或更多種諸如聲學(xué)特性和/ 或機(jī)械性能之類(lèi)的有利性質(zhì)。
[0005] 本發(fā)明總體上涉及包含氣凝膠組分的組合物以及這些組合物的制備和使用方法。
[0006] 在一些方面，該組合物以漿料的形式存在，并包含表面活性劑、有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié) 劑、以及可任選的諸如（例如）纖維之類(lèi)的其他成分。在其他方面，該組合物以漿料的形式 存在，并包含氣凝膠組分和高pH的水。經(jīng)干燥，該漿料組合物形成復(fù)合材料，該復(fù)合材料可 以是涂料或自支承的剛性復(fù)合材料。優(yōu)選的是，該復(fù)合材料的導(dǎo)熱率不大于約50mWAm*K) (該導(dǎo)熱率按照ATM C518測(cè)量）。例如，自支承剛性復(fù)合材料包含顆粒形式的氣凝膠組分， 并且具有不大于約20mWAm?K)的導(dǎo)熱率（按照ATM C518測(cè)量）。
[0007] 本申請(qǐng)中所描述的許多組合物均易于制備并且便于使用。本發(fā)明的實(shí)施方案為 建筑工業(yè)所使用的材料提供了優(yōu)異的隔離性質(zhì)，并且能夠被摻入到建筑工業(yè)所使用的這些 材料中、或用于覆蓋或連接這些材料。與本申請(qǐng)公開(kāi)的一些組合物相關(guān)的疏水性質(zhì)可以在 建筑物外立面工程或其他涉及潮濕環(huán)境的情況中發(fā)揮作用。氣凝膠的存在能夠降低材料 的總重量，這在許多建筑工程中是重要的考慮因素。同時(shí)，粘性和輕質(zhì)在天花板粉刷等領(lǐng) 域中是尤其有利的，在這些領(lǐng)域中它們能夠降低剝落或斷層發(fā)生的幾率。在許多實(shí)施方案 中，本申請(qǐng)描述的復(fù)合材料具有優(yōu)異的阻燃性質(zhì)和/或適于降低聲音或噪音應(yīng)用的聲阻尼 (acoustic dampening)特性。
[0008] 在一些實(shí)施方式中，制備本申請(qǐng)公開(kāi)的組合物所使用的成分?jǐn)?shù)減少，但是仍保留 優(yōu)異的性質(zhì)。例如，或者使用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、或者使用含有無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的配制物，但二者不并 用，這能夠簡(jiǎn)化制備方案并降低成本。還可以通過(guò)將氣凝膠與高pH的水性相組合和/或通 過(guò)使用兼具粘結(jié)性能和表面活性的化合物而減少成分?jǐn)?shù)。
[0009] 附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0010] 在附圖中，參考符號(hào)在各不同視圖中表示相同的部件。這些附圖不是一定按比例 繪制的，而是重點(diǎn)在于說(shuō)明本發(fā)明的原理。這些附圖為：
[0011] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案制備的具有超低導(dǎo)熱率的20cmX20cm自支承剛性復(fù) 合材料的照片。
[0012] 圖2為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的復(fù)合材料中的氣凝膠與灰漿區(qū)域的掃描電鏡 (SEM)照片。
[0013] 圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用高pH水制備并且包含纖維的復(fù)合材料的SEM照 片。
[0014] 優(yōu)選實(shí)施方式
[0015] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的以上和其他特征（包括各部分的構(gòu)造和組合的各種 細(xì)節(jié)）以及其他優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行更具體的描述并在權(quán)利要求書(shū)中指出。應(yīng)當(dāng)理解的是，體現(xiàn)本發(fā) 明的具體方法和裝置是以示例性的方式示出，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的原理和特 征可以用于各種各樣的眾多實(shí)施方案中，而并不偏離本發(fā)明的范圍。
[0016] 總體上，本發(fā)明涉及一種組合物、該組合物的制備方法及其使用方法。
[0017] 本申請(qǐng)公開(kāi)的組合物可以以干混物、溶液、分散體、懸浮體、漿料、糊劑、干燥或固 化的產(chǎn)品（例如固體，如自支承剛性復(fù)合材料、（例如）通過(guò)將氣凝膠氈層壓在一起而制成 的多層復(fù)合材料）等形式存在。該組合物可以形成于各種制品中、或施加在各種制品上或 慘入各種制品中。
[0018] 總體上，該組合物包含氣凝膠組分。氣凝膠是低密度的多孔固體，其具有大的粒子 內(nèi)孔隙體積，氣凝膠通常是通過(guò)從濕凝膠中除去孔隙液體而制備的。然而，干燥工序可能由 于凝膠孔中的毛細(xì)管力而變復(fù)雜，這可能會(huì)導(dǎo)致凝膠收縮或致密化。在一種制造方法中，通 過(guò)使用超臨界干燥法而基本上消除了三維結(jié)構(gòu)的塌陷。也可以通過(guò)使用環(huán)境壓力來(lái)干燥濕 凝膠，這樣的方法也稱(chēng)為非臨界干燥方法。當(dāng)應(yīng)用于（例如）二氧化硅基的濕凝膠時(shí)，在干 燥之前對(duì)表面進(jìn)行改性（例如，封端）防止了被干燥的產(chǎn)品發(fā)生永久收縮。在干燥過(guò)程中， 該凝膠仍然可能會(huì)收縮，但它會(huì)回彈而恢復(fù)至之前的孔隙率。
[0019] 稱(chēng)為"干凝膠"的產(chǎn)品也是由濕凝膠獲得的，其中，濕凝膠中的液體已被除去。該 術(shù)語(yǔ)通常是指在干燥過(guò)程中受到毛細(xì)管力壓縮的干的凝膠，其特征在于固體網(wǎng)絡(luò)的永久性 的改變和塌陷。
[0020] 為方便起見(jiàn)，本申請(qǐng)中使用的術(shù)語(yǔ)"氣凝膠"具有一般的含義，其是指"氣凝膠"和 "干凝膠"這兩者。
[0021] 氣凝膠通常具有低的體密度（約0. 15g/cm3或更低，優(yōu)選約0. 03至0. 3g/cm3)、 很高的表面積（通常為約300至約1000平方米每克（m2/g)或更高，優(yōu)選約600m2/g至約 1000m2/g)、高的孔隙率（約90%或更高，優(yōu)選大于約95%)以及相對(duì)大的孔體積（例如， 約3毫升每克（mL/g)，優(yōu)選約3. 5mL/g或更高，例如，7mL/g)。氣凝膠可以具有孔小于1微 米（ym)的納米孔結(jié)構(gòu)。通常，氣凝膠的平均孔徑為約20納米（nm)。在無(wú)定形結(jié)構(gòu)中這些 性質(zhì)的組合使得任何連貫的（coherent)固體材料具有最低的導(dǎo)熱率（例如，在平均溫度為 37°C和1大氣壓下為9至16mW/m-K)。氣凝膠可以接近透明或半透明，散射藍(lán)光，或者為不 透明物。
[0022] 氣凝膠的常規(guī)類(lèi)型是二氧化硅基氣凝膠。除硅以外，也可以使用基于其他金屬的 氧化物的氣凝膠，這些金屬例如為錯(cuò)、錯(cuò)、鈦、鉿、銀、釔等或它們的混合物。
[0023] 還已知的是有機(jī)氣凝膠，例如，間苯二酚或三聚氰胺與甲醛的組合、樹(shù)形聚合物， 等等，也可以使用這些材料來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
[0024] 合適的氣凝膠材料以及它們的制備方法在（例如）于2001年10月25日公開(kāi)的 Schwertfeger等人的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2001/0034375A1中有所描述，該專(zhuān)利申請(qǐng)所教導(dǎo)的 全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本申請(qǐng)。
[0025] 優(yōu)選的是，氣凝膠組分含有疏水性的氣凝膠。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)"疏水性的"和"疏 水化的"是指部分疏水化至完全疏水化的氣凝膠。部分疏水化的氣凝膠的疏水性可以進(jìn)一 步提高。在完全疏水化的氣凝膠中，達(dá)到了最大覆蓋率，并且所有可通過(guò)化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)改性 的基團(tuán)基本上全都被改性。
[0026]疏水性可以通過(guò)諸如（例如）接觸角測(cè)量法或甲醇（MeOH)潤(rùn)濕度之類(lèi)的本領(lǐng)域 已知的方法來(lái)確定。與氣凝膠相關(guān)的疏水性的討論可參見(jiàn)（例如）于2004年3月23日授 予Hrubesh等人的專(zhuān)利號(hào)為6, 709, 600B2的美國(guó)專(zhuān)利中，該專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入 本申請(qǐng)。
[0027] 可以通過(guò)使用疏水化試劑來(lái)制備疏水性氣凝膠，這些疏水化試劑例如為硅烷化試 劑、含鹵素特別是含氟的化合物（諸如含氟烷氧基硅烷或含氟烷氧基硅氧烷，例如，三氟丙 基三甲氧基硅烷（TFPTM0S))、以及本領(lǐng)域已知的其他疏水化化合物。疏水化試劑可以在氣 凝膠形成過(guò)程中使用和/或在隨后的加工步驟（例如表面處理）中使用。
[0028]優(yōu)選的硅烷化化合物例如為硅烷、齒硅烷、齒烷基硅烷、烷氧基硅烷、烷氧基烷基 硅烷、烷氧基鹵硅烷、二硅氧烷、二硅氮烷，等。合適的硅烷化試劑的例子包括但不限于二乙 基^氣硅烷、稀丙基甲基^氣硅烷、乙基苯基^氣硅烷、苯基乙基^乙氧基硅烷、二甲基燒 氧基硅烷（例如三甲基丁氧基硅烷）、3, 3, 3-三氟丙基甲基二氯硅烷、均二苯基四甲基二硅 氧燒（symdiphenyltetramethyldisiloxane)、三乙烯基三甲基環(huán)三硅氧烷、六乙基二娃氧 燒、戊基甲基^氣硅烷、^乙烯基^丙氧基硅烷、乙烯基^甲基氣硅烷、乙烯基甲基^氣娃 烷、乙烯基二甲基甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷、己烯基甲基二氯硅烷、己烯 基二甲基氯硅烷、二甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、巰基丙基甲基二甲氧基硅烷、雙{3_(三 乙氧基甲硅烷基）丙基}四硫醚、六甲基二硅氮烷以及它們的組合。
[0029] 在一些實(shí)施例中，氣凝膠具有通過(guò)（例如）用表面活性試劑（也稱(chēng)為表面活性劑、 分散劑或潤(rùn)濕劑）處理疏水性氣凝膠而獲得的疏水表面或殼。
[0030] 表面活性劑可以選自（例如）離子（陰離子和陽(yáng)離子）表面活性劑、兩性表面活 性劑、非離子表面活性劑、高分子表面活性劑和高分子化合物。陰離子表面活性劑可以包括 (例如）烷基硫酸鹽和尚級(jí)烷基釀硫酸鹽，更具體為十^烷基硫酸錢(qián)、以及十^烷基聚氧乙 烯醚硫酸鈉。
[0031] 陽(yáng)離子表面活性劑包括（例如）脂肪族銨鹽和胺鹽，更具體為（例如）烷基三甲 基銨和聚氧乙烯烷基胺。
[0032]兩性表面活性劑可以為（例如）甜菜堿型（例如，烷基二甲基甜菜堿）或環(huán)氧型(oxidotype)(例如，烷基二甲基胺環(huán)氧化物（alkyldimethylamineoxido))。
[0033] 非離子表面活性劑包括脂肪酸甘油酯、脂肪酸丙二醇酯、脂肪酸脫水山梨醇酯、月旨 肪酸聚氧乙烯脫水山梨醇酯、四油酸聚氧乙烯山梨醇、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基 醚、聚氧乙烯聚氧丙烯二醇、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、脂肪酸聚乙二醇酯、高級(jí)脂肪酸醇 酯、脂肪酸多元醇酯等。
[0034] 總體上，可以使用能與氣凝膠相容的任何表面活性劑。可以使用的表面活性 劑的具體例子包括但不限于：來(lái)自BASF公司的PluronicP84、PE6100、PE6800、L121、 EmulanEL、LutensolFSA10、LutensolXP89 ;來(lái)自Michelmann公司的MP5490 ;AER0S0L 0T(二-2-乙基己基硫代琥珀酸鈉）、BARLOX12i(支化的烷基二甲基胺氧化物）；LAS(直 鏈的烷基苯磺酸鹽）、及TRITON100 (辛基苯氧基聚乙氧基（9-10)乙醇）；吐溫（TWEEN)表 面活性劑（如吐溫100表面活性劑）；以及BASF公司的普魯洛尼克（pluronic)表面活性 劑等。一般的類(lèi)型為二醇、烷氧基化的聚氧烯基脂肪醚（例如，聚氧乙烯脂肪醚）、脫水山 梨醇酯、甘油一酸酯和甘油二酸酯、聚氧乙烯山梨醇酯、聚合物型表面活性劑（如Hypermen 聚合物表面活性劑）、氯化椰油-PG-二銨磷酸鈉（sodiumcoco-PG-dimoniumchloride phosphate)以及氯化椰油酰胺丙基PG-二銨磷酸鹽（coamidopropylPG-dimonium chloridephosphate)、磷酸酯、聚氧乙?。≒OE)脂肪酸酯、Renex非離子表面活性劑（通 過(guò)環(huán)氧乙烷與不飽和脂肪酸和雜環(huán)樹(shù)脂酸反應(yīng)形成的非離子型酯）、醇乙氧化物、醇烷氧化 物、環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷嵌段共聚物、脫水山梨醇酯的聚氧乙烯衍生物或者它們的組合。
[0035] 增加表面活性劑的量往往會(huì)增加水性相所能夠滲入的深度，由此會(huì)增加疏水性氣 凝膠核周?chē)挠H水性覆層的厚度。
[0036] 氣凝膠材料可以包含一種或多種添加劑，例如纖維、遮光劑、彩色顏料、染料以及 它們的混合物。例如，可以將二氧化硅氣凝膠制備成含有諸如纖維和/或一種或多種金屬 或其化合物之類(lèi)的添加劑。具體的例子包括鋁、錫、鈦、鋯或其他非硅質(zhì)的金屬，以及它們的 氧化物。遮光劑的非限制性例子包括炭黑、二氧化鈦、硅酸鋯以及它們的混合物。添加劑可 以（例如）依據(jù)所需的性質(zhì)和/或具體的應(yīng)用而以任何合適的量提供。
[0037] 優(yōu)選將氣凝膠材料制成粒狀、丸狀、珠狀、粉末狀或其他顆粒形式，并且具有適于 預(yù)期應(yīng)用的任何粒度。例如，顆粒可以在約0. 01微米至約10. 0毫米（mm)范圍內(nèi)，優(yōu)選平 均粒度在0.3至3. 0mm范圍內(nèi)。在許多實(shí)施方式中，優(yōu)選較大的顆粒。還優(yōu)選氣凝膠顆粒 具有這樣的粒度分布（PSD)，該粒度分布能夠促進(jìn)有效的填充。
[0038] 可商購(gòu)的粒狀形式的氣凝膠材料的例子是由位于美國(guó)馬薩諸塞州Billerica市 的Cabot公司提供的商品名為Nanogel?的那些。Nanogel?氣凝膠顆粒具有大的表面積、 大于約90%的孔隙率，并且可提供的粒度在（例如）約8微米（ym)至約10mm的范圍內(nèi)。 半透明Nanogel?氣凝膠的具體牌號(hào)包括（例如）標(biāo)記為T(mén)LD302、TLD301或TLD100的那 些；IR遮蔽性Nanogel?氣凝膠的具體牌號(hào)包括標(biāo)記為RGD303或CBTLD103的那些；不透 明Nanogel?氣凝膠的具體牌號(hào)包括（例如）標(biāo)記為0GD303的那些。
[0039] 氣凝膠組分還可以由（或主要由）成片的被切成或分割成合適尺寸的單片式氣凝 膠構(gòu)成、或者可以包括成片的被切成或分割成合適尺寸的單片式氣凝膠。
[0040] 氣凝膠組分還可以由一種或多種氣凝膠基復(fù)合材料形成。氣凝膠基復(fù)合材料可以 包含纖維和氣凝膠（例如，纖維增強(qiáng)氣凝膠）、以及可任選的至少一種粘結(jié)劑。纖維可以具 有任何合適的結(jié)構(gòu)。例如，可以使纖維沿平行方向、垂直方向、或沿常規(guī)方向或隨機(jī)方向取 向?？梢杂幸环N或多種類(lèi)型的纖維。就組成、尺寸或結(jié)構(gòu)而言，這些纖維可以不同。在復(fù)合 材料中，一類(lèi)纖維可以具有不同的維度（長(zhǎng)度和直徑），并且它們的取向可以不同。例如，長(zhǎng) 纖維在面內(nèi)排列整齊而尺寸較小的纖維為隨機(jī)分布。
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