專利名稱：一種保護(hù)基底免受熱流和火焰損傷的組合物及其方法
一種保護(hù)基底免受熱流和火焰損傷的組合物及其方法 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2006年8月1日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?0/834,696的美國 臨時(shí)申請(qǐng)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(fèi)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(hù)基底，并使 得基底材料在使用保留其機(jī)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(dòng)冷卻、蒸騰冷卻、輻射冷卻以及膨脹。
需要當(dāng)受到機(jī)械壓力時(shí)能夠保護(hù)基底免于高溫暴露，對(duì)破損具有 高應(yīng)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(hù)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(hù)板，該 防護(hù)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(hù)涂層包^^物品的方法，以及應(yīng)用火焰或熱流的防護(hù)涂層或防護(hù) 板形式的物件。


圖l是闡述被測(cè)試涂層產(chǎn)品規(guī)格的表格。
圖2是火焰測(cè)試中溫度對(duì)時(shí)間作圖得到的圖。 圖3是描述平均火焰測(cè)試結(jié)果圖。
發(fā)明的詳細(xì)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(xué)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(duì)低的導(dǎo)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(shí)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(shí)促進(jìn)有效輻射冷卻的量存在。在一 種實(shí)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(dāng)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。可選擇地，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(jī)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(hù)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(yīng)用火焰或熱流防護(hù)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(shí)施方案中，涂料通過刷涂的方法涂在基底上。在另 一個(gè)實(shí)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(dāng)涂覆涂料時(shí)，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(fù)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(fù)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(gè)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(fù)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(qǐng)60/486,205， 2005年5 月19日提交的美國專利申請(qǐng)60/683,115, 2006年1月9日提交的美 國專利申請(qǐng)10/563,883，以及2006年5月19日提交的國際申請(qǐng) PCT/US06/19311。所有上述公開都以引文形式并入本文。在一個(gè)實(shí)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(jī)、船舶，以及潛艇，諸如點(diǎn)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(chǔ)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(jī)中結(jié)合，并擠壓入板材擠出模具。在另一個(gè)實(shí) 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(shí)施例方式
實(shí)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(jī)中混合這些成分，并用油灰刀涂 于鋼片，目標(biāo)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(jìn)行低溫彎折測(cè)試以及直接高溫火焰測(cè)試。 涂層涂覆于標(biāo)準(zhǔn)的76x152x0.735毫米鋼片。兩個(gè)試-險(xiǎn)中每一個(gè)^f羊品 或涂層類型都測(cè)試三份樣本。
實(shí)施例2-低溫彎折測(cè)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(cè)試過程中，每個(gè)樣本在彎曲30°、 90°和180。時(shí)都拍下照片。目測(cè)觀察提供一種涂層結(jié)合于鋼基底時(shí)對(duì) 于熱沖擊的反應(yīng)，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(yán)重程度。成功的涂覆在測(cè)試之后沒有表面損傷。在彎折時(shí)，涂層 拉伸以適應(yīng)基底新的更大的表面積。涂層的表面具有張力，并且彎折 時(shí)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(kuò)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(xì)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(huì)分層。這些類型的表面破損表明具有低應(yīng)力的涂層在低溫下會(huì) 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(diǎn)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(cè)試。當(dāng)采用更大的彎折角時(shí)，初始裂紋簡單傳#"，導(dǎo) 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(gè)樣本中有兩個(gè)通過測(cè)試，而在產(chǎn)品G的樣品中，三個(gè)樣本中有 一個(gè)通過測(cè)試。然而，每個(gè)樣品的全部樣本都必須通過測(cè)試，才能被
認(rèn)定為成功。產(chǎn)品H, —種基于硅樹脂的涂料，是測(cè)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(cè)試的。玻璃纖維/硅樹脂 復(fù)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(cè)試。涂層的厚度看來并沒有顯著影響低溫性 能。對(duì)于產(chǎn)品E和玻璃纖維/硅樹脂復(fù)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(cè)試，而所有玻璃纖維/硅樹脂復(fù) 合材料樣本都通過了測(cè)試。
實(shí)施例3-火焰測(cè)試
由丙烷火炬產(chǎn)生的火焰常規(guī)應(yīng)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(jì))對(duì)準(zhǔn)火焰軸，垂直的鋼片背面測(cè) 量的溫度為時(shí)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(diǎn)加熱的最 嚴(yán)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(shí)間為IO分鐘。如果某種涂層經(jīng)紅外傳感器檢測(cè)到的最 高溫度超過316。C,則認(rèn)為該涂料火焰測(cè)試失敗。每種涂層所達(dá)到的 最高溫度與對(duì)照樣本無涂層鋼板比較以作參考。
火焰測(cè)試結(jié)果在圖2和圖3中以圖形化展示。每個(gè)樣品的火焰測(cè) 試過程中的平均溫度對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)展示于圖2中，每個(gè)樣品的平均最高 溫度和標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試的 涂料(例如，具有低于這條線的最高溫度涂層通過測(cè)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(fù)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(cè)試失敗。上述實(shí)施例和優(yōu)選實(shí)施方案的描述應(yīng)該被視為舉例說明，而不是 對(duì)本發(fā)明如權(quán)利要求所界定的保護(hù)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(yīng)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(rèn)為是偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容和文字表 達(dá)，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(hù)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(fù)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(jī)、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(chǔ)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(hù)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(jī)、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(chǔ)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(hù)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(hù)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(hù)板，該防護(hù)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(yīng)用火焰或熱流的防護(hù)涂層或防護(hù)板形式的物件以及用火焰或熱流防護(hù)涂料組合物包被物件的方法。
文檔編號(hào)C08K3/22GK101535389SQ200780034624
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:新澤西魯特格斯州立大學(xué)