МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЭРОГЕЛЯ, КОТОРЫЙ ЯВЛЯЕТСЯ СУПЕРИЗОЛИРУЮЩИМ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
AEROGEL-BASED MATERIAL WHICH IS SUPER-INSULATING AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Настоящее изобретение относится к твердому материалу на основе гидрофобного аэрогеля и органического связующего и к применению такого материала, предпочтительно включенного в панель, для тепловой изоляции, в частности тепловой изоляции зданий.
Строительный сектор, который потребляет более чем 40% от конечной энергии и вносит свой вклад, близкий к четверти от выделений парниковых газов Франции, представляет собой основную сферу, где незамедлительно может быть достигнута экономия энергии. Число мест проживания, сконструированных до первого нефтяного ·шока и, в частности, до первого предписания, направленного на тепловую изоляцию новых зданий, (1975) все еще является значительным, и, следовательно, тепловая изоляция существующих зданий образует ключевую область, в которой относительно легко достичь значительной экономии энергии.
Один из исследованных путей заключается во внутренней тепловой изоляции, то есть, другими словами, изоляции в результате покрытия поверхностей (стен, потолков, полов, кровель) материалами, характеризующимися низкой теплопроводностью. Сопротивление данному подходу, вероятно, в основном обусловлено уменьшением пригодной для жилья территории, являющимся результатом прикрепления толстых панелей к стенам, а не стоимостью и работами, которые повлекла бы за собой такая реновация. Толщина данных панелей, необходимая для получения требуемого результата по изоляции, само собой разумеется, пропорционально уменьшается по мере увеличения их изоляционной способности.
Таким образом, разработка теплоизоляционных материалов, характеризующихся очень низкой теплопроводностью (λ), представляет собой область исследований, в которой заявитель проявлял очень большую активность в течение многих лет. Таким образом, были предложены панели вакуумной изоляции, которые являются очень эффективными (λ=от 5 до 10 мВт/(м·К)), но также и очень хрупкими (HiPTI - High Performance Thermal Insulation, IEA/ECBS Annex 39 «Vacuum Insulation Panels - Study on VIP-components and Panels for Service Life Prediction of VIP in Building Application (Subtack A)», September 2005).
Настоящее изобретение представляет собой результат использования еще одного маршрута исследования в отношении материалов, которые являются суперизолирующими при атмосферном давлении (SLAP).
Суперизолирующий материал для тепловой изоляции существующих зданий, в идеальном случае:
- в своей основе имеет материалы, доступные в больших количествах,
- демонстрирует относительно умеренную технологическую себестоимость в сопоставлении с экономией энергии, которую становится возможным достичь;
- характеризуется механической прочностью, которая позволяет его транспортировать, обращаться с ним и устанавливать его в условиях, обычных для материалов данного типа и, само собой разумеется,
- характеризуется теплопроводностью, которая является настолько низкой, насколько это возможно.
Аэрогели, а в частности, кварцевые аэрогели, представляют собой материалы, известные в связи со своей очень низкой теплопроводностью. Собственная теплопроводность кварцевого аэрогеля (=теплопроводность монолита данного аэрогеля) в зависимости от пористости имеет порядок величины в диапазоне от 10 до 15 мВт/(м·К). А в част очень высокая механическая хрупкость и неоправданно высокая стоимость монолитных аэрогелей препятствуют их использованию для тепловой изоляции зданий.
Большое количество патентных заявок рассматривает использование частиц аэрогеля, связанных друг с другом при использовании органических связующих (полимеров) или неорганических связующих (гидравлических вяжущих), для изготовления изолирующих панелей.
3
3
В заявке EP 0340707 описываются теплоизоляционные материалы на основе гранул гидрофобного аэрогеля, характеризующихся диаметром в диапазоне от 0,5 до 5 мм, плотностью в диапазоне от 0,05 до 0,35 г/см и насыпной плотностью или кажущейся плотностью в диапазоне от 0,04 до 0,25 г/см. Данные гранулы перемешивают с органическим связующим, например меламиноформальдегидной смолой, в количестве в диапазоне от 5% до 50% по отношению к совокупной массе смеси. Использующееся связующее в выгодном случае заполняет объем пространства между гранулами или между частицами аэрогеля. Теплопроводности данных материалов находятся в диапазоне от 28 до 43 мВт/(м·К).
В заявке EP 0787112 описывается жидкая композиция, содержащая частицы аэрогеля небольшого размера (диаметром, меньшим чем 500 мкм, предпочтительно меньшим чем 250 мкм) в суспензии в водном связующем органической или неорганической природы. Существенный признак изобретения, описанного в этой заявке, представляет собой очень небольшой размер частиц аэрогеля. Высушенные теплоизоляционные материалы, полученные из данных композиций, характеризуются теплопроводностями в диапазоне от 35 до 46 мВт/(м·К).
В международной заявке WO 03/064025 описываются термостойкие композиты, содержащие по меньшей мере одну частицу гидрофобного аэрогеля и слой на основе водного связующего. Частицы аэрогеля имеют средний диаметр, меньший чем 5 мм, предпочтительно находящийся в диапазоне от 0,1 до 3 мм. Их форма предпочтительно является сферической, и их распределение частиц по размерам является относительно узким. Данные частицы включают в пену водного связующего, при этом пена создается благодаря присутствию пенообразователя. Полученные теплоизоляционные материалы характеризуются теплопроводностью, составляющей приблизительно 32 мВт/(м·К).
В заявке DE 4441567 описываются изолирующие материалы на основе частиц аэрогеля и органического связующего. Частицы аэрогеля имеют эквивалентный диаметр, меньший чем 0,5 мм, предпочтительно меньший чем 0,2 мм. Уровень содержания частиц аэрогеля в конечных материалах описывается как предпочтительно находящийся в диапазоне от 20% до 90% (об.). Представленные примеры материалов характеризуются относительно высокими теплопроводностями в диапазоне от 150 до 250 мВт/(м·К).
В заявке EP 0954438 описываются многослойные композитные материалы, содержащие по меньшей мере один слой на основе частиц аэрогеля. В частности, они представляют собой материалы, обладающие сэндвичевой структурой при расположении промежуточного слоя на основе аэрогеля между двумя слоями на основе поли(этилентерефталатного) волокна. Частицы аэрогеля промежуточного слоя описываются имеющими эквивалентный диаметр в диапазоне от 250 мкм до 10 мм, предпочтительно от 250 мкм до 2 мм. В примере описывается изготовление трехслойного материала, характеризующегося теплопроводностью 45 мВт/(м·К).
В заключение, в патенте US 5656195 описываются формованные теплоизоляционные продукты, которые в своей основе имеют кварцевый аэрогель и характеризуются хорошими теплопроводностями порядка величины в диапазоне от 17 до 23 мВт/(м·К), но за счет использования филлосиликатов, предназначенных для регулирования вязкости выбранных связующих. Действительно, некоторые филлосиликаты вследствие своего небольшого размера и своей кристаллической структуры могут проявлять опасность для здоровья персонала, находящегося на производственной площадке, но потенциально также и для пользователей конечных материалов (смотрите публикацию Health related effects of phyllosilicates, by Jean Bignon, Springer Verlag, 1990). В дополнение к этому, использованию филлосиликатов, которое рекомендуется в данном документе, свойственны многочисленные недостатки, обусловленные большой удельной поверхностью данных материалов и их сродством к воде:
- в результате это приводит к получению больших долей связующего порядка величины в диапазоне от 13% до 32% (масс.), что может привести к увеличению теплопроводности конечного продукта,
- это иммобилизует воду и замедляет высушивание,
- это имеет своей тенденцией механическое армирование связующего, что необходимо предотвращать вследствие высокой хрупкости частиц аэрогеля,
- это делает производственный процесс более сложным и увеличивает его стоимость.
Данный краткий неисчерпывающий обзор демонстрирует то, что несмотря на использование предположительно больших количеств (вплоть до 95% (об.)) частиц аэрогеля, характеризующихся низкой собственной теплопроводностью (11 мВт/(м·К) в примере 1 публикации EP 0954438), по-видимому, невозможно получить материалы, характеризующиеся теплопроводностями, значительно меньшими чем 25 мВт/(м·К), или же это возможно только за счет использования потенциально вредных неорганических компонентов.
Заявитель по завершении многолетнего исследования, направленного на получение теплоизоляционных материалов на основе частиц аэрогеля, понял то, что в изоляционной способности конечных материалов существенную роль играет объемная доля аэрогеля. В результате фокусирования всех своих усилий на получении материалов, характеризующихся действительно высокими объемными долями аэрогеля, заявитель сумел изготовить материалы, характеризующиеся теплопроводностями, меньшими чем 18 мВт/(м·К), иногда даже достигающими 14-15 мВт/(м·К), при этом этого добиваются при использовании только аморфных неорганических компонентов (диоксида кремния) и при избегании использования кристаллических неорганических соединений, таких как филлосиликаты.
Во время проведения своих научных исследований заявитель понял, в частности, то, что существенным является по возможности большее уменьшение объема материалов между частицами, однако, без его заполнения связующим, поскольку последнее характеризуется теплопроводностью, которая в общем случае является намного большей чем теплопроводность аэрогеля и нежелательным образом увеличивала бы совокупную теплопроводность материала.
В дополнение к этому, заявитель обнаружил то, что в противоположность положениям публикации US 5656195 присутствие определенной доли филлосиликатов никоим образом не является существенным.
В настоящем изобретении уменьшение объема пространства между частицами получают:
- в результате использования по меньшей мере двух совокупностей частиц аэрогеля, которые различаются по своему размеру, при этом мелкие частицы заполняют просветы, оставляемые крупными частицами,
- в результате оптимизации пропорций для смеси из совокупностей данных частиц,
- в результате ограничения количества связующего без избыточного охрупчивания материала, которое становится возможным при малом объеме пространства между частицами, и
- в результате использования надлежащего количества поверхностно-активного вещества или амфифильного агента, который во время получения материалов обеспечивает взаимодействие между гидрофобными частицами и водной фазой связующего, в котором они суспендированы; таким образом, использование поверхностно-активного вещества в результате приводит к получению равномерного и оптимизированного пространственного распределения частиц.
Объект настоящего изобретения, следовательно, представляет собой твердый теплоизоляционный материал, по существу свободный от филлосиликатов и содержащий:
3
(a) от 70% до 98% (об.), предпочтительно от 75% до 96% (об.), в частности, от 80% до 95% (об.), частиц гидрофобного кварцевого аэрогеля, характеризующихся собственной плотностью от 110 до 210 кг/м,
(b) от 0,3% до 12% (об.), предпочтительно от 0,5% до 9% (об.), органического связующего, образованного по меньшей мере одним органическим полимером (b1) и по меньшей мере одним поверхностно-активным веществом (b2) или образованного по меньшей мере одним амфифильным органическим полимером (b3),
при этом данные объемные доли определены по анализу изображений для тонких срезов твердого материала и приведены по отношению к совокупному объему материала,
причем частицы аэрогеля характеризуются распределением частиц по размерам, демонстрирующим по меньшей мере два максимума, при этом первый максимум соответствует эквивалентному диаметру (d), меньшему чем 200 мкм, предпочтительно находящемуся в диапазоне от 25 мкм до 150 мкм, а второй максимум соответствует эквивалентному диаметру (D), находящемуся в диапазоне от 400 мкм до 10 мм, предпочтительно от 500 мкм до 5 мм.
В настоящем изобретении, если только не будет указано другого, распределения частиц по размерам являются объемными распределениями частиц по размерам.
Выражение «по существу свободный от филлосиликатов» обозначает то, что материал содержит менее чем 0,1% (масс.), предпочтительно менее чем 0,05% (масс.), а в частности, менее чем 0,01% (масс.), филлосиликатов. Действительно, чем меньшей будет доля данных кристаллических неорганических компонентов, тем больше будут уменьшаться риски для окружающей среды и здоровья, которые они проявляют.
В настоящем изобретении эквивалентный диаметр несферической частицы понимается как означающий диаметр сферы, имеющей тот же самый объем, что и указанная частица. Средний эквивалентный диаметр представляет собой среднее объемное значение эквивалентных диаметров совокупности частиц. Для частиц, имеющих размер, меньший чем 2 мм, данный средний эквивалентный диаметр может быть экспериментально определен по методу лазерного определении размера частиц. Для размеров, больших чем 2 мм, данный диаметр можно оценить в результате просеивания при наличии узких интервалов между ситами. В качестве метода измерения также может быть упомянут и анализ изображений, а, говоря более конкретно, способы пересечений или отверстий последовательных этапов, при этом функции размеров частиц получают в большинстве коммерческих анализаторов.
Сумма компонентов (а) и (b) предпочтительно составляет по меньшей мере 90% (масс.), в частности по меньшей мере 92% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 95% (масс.), от материала.
Действительно, материал может содержать небольшие доли других ингредиентов, таких как волокна или замутняющие частицы, описанные более подробно ниже в настоящем документе. Кроме того, пространство между частицами также неизбежно занимает определенная доля воздуха.
В принципе в качестве аэрогеля может быть использован любой гидрофобный аэрогель, обычно использующийся на современном уровне техники для областей применения тепловой изоляции, например аэрогели, содержащие органические группы, описанные в обсуждавшихся выше документах.
Формулировка «аэрогель» в настоящем изобретении обозначает гели оксидов металлов, получаемые известным образом по золь-гельметоду, которые высушили. Данная формулировка включает как собственно аэрогели, получаемые в результате сверхкритического высушивания полученных гелей, но также и гели, обычно называемые «ксерогелями», получаемые в результате испарительного высушивания при атмосферном давлении. Ксерогели вследствие своей низкой стоимости являются очень выгодными при рассмотрении крупномасштабного производства материалов настоящего изобретения, в то время как аэрогели обладают более выгодными техническими свойствами, но демонстрируют высокую технологическую себестоимость.
n
1-18
6-14
1-6
Органические группы, придающие аэрогелю его гидрофобную природу, предпочтительно представляют собой группы, описывающиеся формулой -Si(R), где n=1, 2 или 3, a R представляет собой негидролизуемую линейную, разветвленную или циклическую, ароматическую или циклоалифатическую органическую группу, предпочтительно C алкильную или С и арильную группу; в особенности. предпочтительными являются циклогексильная, фенильная или C алкильная,в частности метальная или этильная группы.
-3
3
3
3
Как известно, теплопроводность аэрогеля уменьшается с ростом его плотности по меньшей мере в том, что касается оптимума, устанавливаемого в диапазоне от 90 до 160 кг.м. В настоящем изобретении, таким образом, предпочтительно будут использовать аэрогель, имеющий плотность, меньшую чем 0,3 г/см, а предпочтительно находящуюся в диапазоне от 0,1 до 0,25 г/см,в частности от 0,11 до 0,21 г/см, при этом данные величины соответствуют собственной плотности аэрогеля, другими словами, плотности монолита из данного аэрогеля.
с
каж
Собственная плотность аэрогеля (ρ), само собой разумеется, является большей чем насыпная плотность или кажущаяся плотность (ρ) порошка того же самого аэрогеля, которая уменьшается благодаря наличию пустот между частицами.
с
Действительно, для монолитного аэрогеля, эквивалентного одиночной частице аэрогеля крупного размера, собственную плотность (ρ) рассчитывают следующим далее образом:
с
частицы
частицы
ρ=m/V,
частицы
частицы
где m представляет собой массу частицы аэрогеля, а V представляет собой объем, занимаемый той же самой частицей.
Экспериментально данная собственная плотность может быть определена известным образом по методу рентгеновской томографии, связанной с измерением кажущейся плотности, или же по методу ртутной пикнометрии низкого давления.
каж
Для порошка, полученного из нескольких частиц аэрогеля, кажущаяся плотность (ρ) равняется
каж
частиц
частиц
меж
частиц
общ
ρ=m/(V+V)=m/V
меж
Кажущаяся плотность порошка стремится к плотности монолита, когда объем пространства между частицами (V) стремится к нулю.
меж
порошка
Как разъяснялось во введении, настоящее изобретение в своей основе имеет открытие того, что в результате возможно большего уменьшения объема пространства между частицами (V) у использующегося порошкообразного аэрогеля, другими словами, в результате доведения до максимума его компактности (С), добиваются успеха в получении теплоизоляционных материалов, характеризующихся низким уровнем содержания связующих и малым объемом пространства между частицами при демонстрации теплопроводностей, до сегодняшнего дня неизвестных для материалов на основе частиц аэрогеля и органического связующего.
порошка
частиц
меж
Заявитель разработал относительно простой способ оптимизации компактности (С) использующегося порошкообразного аэрогеля. Компактность в настоящем документе понимается как обозначение объема, занимаемого частицами, по отношению к общему объему порошка, при этом общий объем порошка представляет собой сумму объема частиц (V) и объема пространства между частицами (V).
порошка
частиц
общ
С=V/V
общ
частиц
меж
при этом V=V+V
cp
cp
В случае использования двух различных совокупностей частиц (бимодального распределения частиц по размерам) - первой, имеющей средний эквивалентный диаметр (D), и второй, имеющей средний эквивалентный диаметр (d), получают различные смеси, содержащие переменные доли данных двух порошков, и измеряют кажущуюся плотность или насыпную плотность каждой из смесей.
После этого вычерчивают диаграмму, демонстрирующую измеренную плотность смесей в зависимости от соответствующих долей каждого из порошков. Таким образом, фигура 1а демонстрирует плотность смеси двух аэрогелей, характеризующихся различными размерами частиц, в зависимости от массовой доли одного из двух аэрогелей, при этом дополняющую часть до 100% образует другой.
Фигуру 1(b) получали в результате вычисления компактности порошков в соответствии со следующей далее формулой:
j
c
j
где v обозначает объемную долю аэрогеля j, характеризующегося собственной плотностью (ρ).
cp
cp
На фигуре 1(b) легко можно отыскать доли смеси, приводящие в результате к получению наибольшей насыпной компактности смеси. Что касается примера с фигуры 1(b), полученного при использовании первого порошка А аэрогеля, имеющего средний эквивалентный диаметр d 33,5 мкм, и второго порошка В аэрогеля, имеющего средний эквивалентный диаметр D 1210 мкм, (смотрите пример 1), то он относится к смесям, содержащим от приблизительно 40% до 70% (масс.), предпочтительно от 40% до 60% (масс.), порошка В.
cp
cp
Данные оптимальные соответствующие доли, само собой разумеется, зависят от определенного количества параметров, таких как соотношение D/d, ширина распределений для каждого из порошков, форма частиц, составляющих порошки, и тому подобное, и идеально определяются для каждой комбинации порошков аэрогелей.
Само собой разумеется, данный способ также может быть использован и для смеси из трех и более чем трех совокупностей частиц.
Компактность насыпной смеси аэрогеля до декорирования и компактность, полученная в конечном материале, необязательно являются идентичными. Это обуславливается тем, что перемешивание с другими компонентами и использующийся способ могут модифицировать компоновку и распределение частиц по размерам для частиц. Таким образом, в соответствии со способом получения конечного материала в целях получения желательной компактности необходимым может оказаться повторное регулирование долей различных порошков аэрогелей.
3
3
Аэрогель, характеризующийся бимодальным или мультимодальным распределением, использующийся при получении материалов настоящего изобретения, до перемешивания с другими ингредиентами предпочтительно демонстрирует насыпную плотность в диапазоне от 0,080 до 0,180 г/см, предпочтительно от 0,095 до 0,150 г/см. Его компактность, определенная выше, предпочтительно является большей чем 0,75, в частности, большей чем 0,77, а в идеальном случае большей чем 0,78.
Соотношение между эквивалентным диаметром (D), соответствующим максимуму размера частиц, находящемуся в диапазоне от 400 мкм до 10 мм, и эквивалентным диаметром (d), соответствующим максимуму размера частиц, находящемуся ниже 200 мкм, предпочтительно находится в диапазоне от 10 до 200,в частности от 20 до 100.
В настоящем изобретении частицы аэрогеля небольшого размера заполняют пространства между частицами, остающиеся свободными от частиц более крупного размера (смотрите фигуру 5).
В одном предпочтительном варианте осуществления объемная доля частиц аэрогеля, имеющих эквивалентный диаметр, меньший чем 200 мкм, находится в диапазоне от 7,5% до 60%, предпочтительно от 20% до 55%, при этом данные уровни процентного содержания получают по отношению к частицам объединенного аэрогеля.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления объемная доля частиц аэрогеля, имеющих эквивалентный диаметр, меньший чем 150 мкм, находится в диапазоне от 7,5% до 60%, предпочтительно от 20% до 55%, при этом данные уровни процентного содержания получают по отношению к частицам объединенного аэрогеля.
В еще одном другом предпочтительном варианте осуществления объемная доля частиц аэрогеля, имеющих эквивалентный диаметр, меньший чем 80 мкм, находится в диапазоне от 7,5% до 60%, предпочтительно от 20% до 55%, при этом данные уровни процентного содержания получают по отношению к объединенным частицам аэрогеля.
В изолирующих материалах настоящего изобретения частицы аэрогеля используют в комбинации с полимерным органическим связующим (компонент b), которое придает материалу его когезионную и механическую прочность.
Данное связующее может представлять собой смесь из органического полимера (компонента b1) и поверхностно-активного вещества (компонента b2). Действительно, в целях избегания использования летучих органических соединений перемешивание частиц аэрогеля с органическим связующим предпочтительно проводят в водной среде. В отсутствие амфифильного агента было бы невозможно гомогенно диспергировать гидрофобный аэрогель в жидкой фазе.
Из от 0,3% до 12%) (об.) органического связующего (b), приблизительно от 0,2% до 8%, предпочтительно от 0,4% до 6%, ав частности от 0,5% до 2%, по отношению к совокупному объему материала получают из органического полимера (b1), а приблизительно от 0,1% до 4% (об.), предпочтительно от 0,1% до 3% (об.), а в частности, от 0,15% до 1% (об.), по отношению к совокупному объему материала получают из поверхностно-активного вещества (b2).
Полимер (b) предпочтительно предварительно растворяют или диспергируют в воде и после этого частицы аэрогеля включают в данные раствор или дисперсию. При том что использование органических растворителей или вспомогательных растворителей является нежелательным, выбор предпочтительно будет сделан из растворимых в воде или диспергируемых в воде термопластических органических полимеров. Термин «диспергируемые в воде полимеры» в соответствии с настоящим изобретением понимается как обозначение полимеров, которые при их диспергировании в воде принимают форму частиц, имеющих средний размер в диапазоне от 10 до 300 нм, а предпочтительно от 10 до 100 нм.
Концентрация растворимого в воде или диспергируемого в воде полимера в водной фазе предпочтительно является довольно низкой, при этом данная низкая концентрация делает возможным ограничение количества связующего, включенного в материал, и облегчает однородное распределение полимерного связующего по частицам аэрогеля. Предпочтительно водная фаза (также включающая поверхностно-активное вещество, но не частицы аэрогеля) содержит не более 20% (масс.) полимерного органического связующего, в частности от 1 до 10% (масс.) органического связующего, а еще более предпочтительно от 1,5% до 8% (масс.) органического связующего.
В одном в особенности выгодном варианте осуществления органический полимер представляет собой тиксотропный растворимый в воде полимер, способный образовывать физический гель в результате создания множества слабых связей (например, водородных связей), но характеризующимся вязкостью, которая быстро уменьшается при воздействии на него сдвиговых усилий. Такой полимер является в особенности выгодным, поскольку он придает смеси аэрогель/водная фаза пастообразную консистенцию, что облегчает некоторые способы придания формы материалу перед высушиванием. Очень высокая вязкость в состоянии покоя тиксотропных полимерных гелей, кроме того, предотвращает возможные седиментацию/сегрегацию части частиц аэрогеля, таким образом, гарантируя однородное распределение частиц аэрогеля по всему объему материала.
Как разъяснялось выше, поверхностно-активное вещество является существенным для обеспечения возможности смачивания гидрофобной поверхности частиц аэрогеля водной фазой и гарантированного получения дисперсии, которая является по возможности более однородной. Поверхностно-активное вещество может быть введено в водную фазу до или после органического полимера или также может быть нанесено на частицы аэрогеля до введения последних в водные раствор или суспензию связующего. Его концентрация в водной фазе в общем случае находится в диапазоне от 0,3% до 3% (масс.).
Органический полимер также может представлять собой термореактивную смолу, которая полимеризуется и/или сшивается после придания формы смеси аэрогель/жидкая фаза. Она может представлять собой, например, сложный полиэфир, полиуретан, сложный виниловый эфир, аминопласт, фенольные или эпоксидные смолы.
В качестве примеров термопластичных полимеров могут быть упомянуты модифицированные растворимые в воде или диспергируемые в воде целлюлозы и крахмалы, такие как простые эфиры целлюлозы или крахмала, акриловые полимеры, силиконы, поли(винилацетаты), сополимеры этилена/винилацетата, сополимеры стирола/акрилата, сополимеры винила/акрилата, сополимеры стирола/бутадиена, поли(виниловый спирт), полиакриламиды или поли(винилхлорид).
Заявитель с успехом использовал:
- простые эфиры целлюлозы, продаваемые в компании Bostik под наименованием Quelyd Vinyl+ и в компании SE Tylose под наименованием Tylose HA40YP2,
- латексы стирола/бутадиена и стирола/бутилакрилата, соответственно, предлагаемые компанией Sika под наименованием Sikalatex и компанией BASF под наименованием Model Dispersion,
- двухкомпонентную эпоксидную смолу, продаваемую в компании BASF под наименованиями Mastertop 1720 А7 и В7.
В числе поверхностно-активных веществ выбор предпочтительно будет сделан из неионных поверхностно-активных веществ, демонстрирующих низкую пенообразующую способность. В порядке примеров могут быть упомянуты поверхностно-активные вещества из серии Triton X, продаваемые в компании Dow, в частности, Triton Х-100 (полиэтоксилированный нонилфенол), Flip-Flop (сополимер стирола и метакриловых сложных эфиров в водном растворе), продаваемые в компании PCAS, или Tylovis ЕР28, продаваемые в компании SE Tylose, (сополимер пропиленоксида и этиленоксида).
Можно частично или полностью заменить органический полимер и поверхностно-активное вещество на компонент, демонстрирующий свойства и функциональности обоих компонентов. Таким образом, вместо компонентов (b1) и (b2) или в дополнение к ним могут быть использованы один или несколько амфифильных полимеров (компонент b3).
Они представляют собой известные органические полимеры, которые содержат как гидрофильные последовательности звеньев или группы, так и гидрофобные последовательности звеньев или группы, например полимеры, синтезированные из демонстрирующих собственную амфифильность мономеров, например, содержащих ионную группу и жирную цепь.
Изолирующий материал настоящего изобретения может дополнительно содержать не более от 2% (об.), предпочтительно от 0,2% до 1% (об.), частиц, которые являются непрозрачными в условиях воздействия инфракрасного излучения. Такие частицы известны и выбираются, например, из частиц технического углерода, графита, диоксида титана, оксида железа или диоксида циркония, карбида кремния, силикатов и комплексных алюминатов. Данные частицы могут присутствовать помимо частиц аэрогеля, другими словами, в пространстве между частицами, или же они могут быть включены в ядро частиц аэрогеля во время синтеза последних по золь-гельметоду.
В дополнение к этому, материал, соответствующий изобретению, может содержать определенную долю армирующих волокон. Они могут представлять собой неорганические волокна, например волокна из стекла, углерода, оксида алюминия, керамики или камня, или же органические волокна, например волокна из целлюлозы, хлопка, шерсти, полиамида, сложного полиэфира, полиэтилена или полипропилена или волокна из повторно используемых композитных материалов. Учитывая, что все данные волокна характеризуются теплопроводностью, большей чем у аэрогеля, будет предпринята попытка ограничить их долю минимальным количеством, приводящим в результате к получению требуемой механической прочности. В общем случае материал, соответствующий изобретению, содержит не более 5% (об.), предпочтительно от 0,1 до 4% (об.),в частности от 0,5% до 3% (об.), органических и/или неорганических волокон.
Однако оригинальность материала настоящего изобретения заключается не столько в химической природе ингредиентов (полимерного связующего, поверхностно-активного вещества, замутняющих частиц, армирующих волокон), сколько в специфическом размере частиц использующегося аэрогеля. Действительно, как уже разъяснялось выше, компания заявителя обнаружила возможность получения теплоизоляционных материалов, характеризующихся очень низкой теплопроводностью, при использовании в комбинации как аэрогеля, образованного из частиц, имеющих крупный (грубый) размер, так и аэрогеля, образованного из частиц, которые являются намного более мелкими (тонкими) и предназначены для заполнения объема пространства между крупными частицами.
Для того чтобы мелкие частицы аэрогеля были бы способны эффективно заполнять объем пространства между крупными частицами, их эквивалентный диаметр предпочтительно будет значительно меньшим чем эквивалентный диаметр крупных частиц. Данная разница размера между мелкими и крупными частицами аэрогеля могла бы быть количественно охарактеризована при использовании соотношения между средним эквивалентным диаметром крупных частиц образца и средним эквивалентным диаметром мелких частиц того же самого образца.
Однако для конечного материала понятие среднего эквивалентного диаметра не вполне является релевантным, поскольку из распределения частиц по размерам в смеси невозможно реконструировать две или несколько совокупности использующихся частиц. Следовательно, компания заявителя решила охарактеризовать разницу размеров между различными совокупностями использующихся частиц в конечном материале при использовании отношения между эквивалентным диаметром (D), соответствующим наиболее интенсивному максимуму в диапазоне от 0,4 до 10 мм, и эквивалентным диаметром (d), соответствующим наиболее интенсивному максимуму в диапазоне, меньшем чем 200 мкм. Данное отношение D/d предпочтительно находится в диапазоне от 10 до 200,в частности от 20 до 100, а в особенности выгодном случае от 25 до 80. Значения (d и D) диаметров, соответствующих данным максимумам, определяют по анализу изображений для тонких срезов.
Данные предпочтительные диапазоны остаются действующими даже при включении в распределение частиц по размерам более чем двух максимумов, другими словами, при получении аэрогеля в результате перемешивания трех, четырех или большего числа совокупностей частиц, имеющих различные размеры частиц.
Материал настоящего изобретения неизбежно содержит определенную объемную долю воздуха в форме макропор (диаметром, большим чем 200 нм).
Для того чтобы по возможности больше ограничить теплопроводность вследствие проводимости газа, была предпринята попытка по удалению или по меньшей мере значительному ограничению объемной доли, занимаемой макропорами. Это может быть осуществлено при одновременном обращении внимания на неиспользование пенообразующего поверхностно-активного вещества при избегании перемешивания и способов получения, которые благоприятствуют вспениванию, захватыванию воздуха или нагнетанию воздуха, или же при использовании противовспенивателя.
Связующее материала, соответствующего изобретению, не образует непрерывную матрицу. Оно не заполняет все пространство между частицами аэрогеля. Такая конфигурация в результате приводила бы к получению материала, характеризующегося избыточно высокой теплопроводностью. Наоборот, связующее материала, соответствующего изобретению, образует очень тонкие пленки и/или случайные мостиковые связи или фибриллы между по меньшей мере частью частиц.
В соответствии с одним в особенности предпочтительным вариантом осуществления изобретения материал содержит связующее, характеризующееся температурой стеклования, меньшей чем 30°C, и которое получают на частицах аэрогеля в виде пленки, имеющей среднюю толщину, меньшую чем 0,4 микрона, и/или между частицами в виде фибрилл, имеющих среднюю толщину, меньшую чем 1 микрон.
Еще один объект настоящего изобретения представляет собой способ получения описанного выше теплоизоляционного материала. Такой способ включает по меньшей мере три стадии, а именно:
- перемешивание или введение в контакт гидрофобных частиц (а) кварцевого аэрогеля, поверхностно-активного вещества (b2) и органического полимера (b1) или амфифильного полимера (b3) с количеством воды в диапазоне от 0,75 до 4 массовых частей, предпочтительно от 1,5 до 3 массовых частей воды, на одну часть твердых компонентов (а, b1, b2, b3),
- придание формы полученной таким образом водной композиции и
- высушивание полученного сформованного материала.
cp
cp
Компонент (а), а именно гидрофобный кварцевый аэрогель, в выгодном случае получают в результате перемешивания по меньшей мере двух фракций аэрогеля, при этом первая фракция имеет средний эквивалентный диаметр (d), меньший чем 200 мкм, предпочтительно находящийся в диапазоне от 25 мкм до 150 мкм, а вторая фракция имеет средний эквивалентный диаметр (D), находящийся в диапазоне от 400 мкм до 10 мм, предпочтительно от 500 мкм до 5 мм. Данные различные фракции могут быть получены известным образом, например в результате размалывания гидрофобного кварцевого аэрогеля с последующим препаративным просеиванием.
Само собой разумеется, можно перемешивать две фракции аэрогеля, получаемые из двух различных образцов аэрогеля, имеющих различные собственные плотности.
Как разъяснялось выше, гидрофобный кварцевый аэрогель (а) перед перемешиванием или введением в контакт с другими ингредиентами характеризуется наибольшей возможной компактностью. Предпочтительно она является большей чем 0,75, в частности, большей чем 0,77, говоря более конкретно, еще большей чем 0,78, а в идеальном случае большей чем 0,80. Это не значит то, что две фракции аэрогеля, имеющие различные средние эквивалентные диаметры, должны быть перемешаны друг с другом перед введением в контакт с водой или с другими компонентами материала. Это обуславливается тем, что настоящее изобретение также охватывает и альтернативную форму, где различные фракции аэрогеля перемешивают раздельно и последовательно с другими ингредиентами.
Способ перемешивания различных компонентов в принципе не является определяющим для настоящего изобретения, и специалист в соответствующей области техники способен разработать или испытать различные протоколы, которые делают возможным получение гомогенной смеси, содержащей воду и все твердые компоненты. Данная смесь может иметь консистенцию жидкости, которая является более или менее вязкой, например делая возможным формование в результате отливки, или же она может иметь консистенцию пасты.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа изобретения органический полимер (b1) и поверхностно-активное вещество (b2) или амфифильный органический полимер (b3) сначала растворяют или диспергируют в воде, а после этого полученные таким образом раствор или дисперсию перемешивают или вводят в контакт с частицами аэрогеля, при необходимости перемешанными с армирующими волокнами и/или с замутняющими частицами.
В случае использования в комбинации органического полимера (b1) и поверхностно-активного вещества (b2) массовое соотношение (b1)/(b2) предпочтительно будет находиться в диапазоне от 30/70 до 80/20,в частности от 40/60 до 70/30.
Придание формы полученной таким образом водной композиции может быть проведено, например, в результате отливки, экструдирования, притирания или формования под давлением. Высушивание сформованного влажного материала проводят в результате упаривания водной фазы с применением или без применения нагревания. Выгодным оказалось приложение к материалу в ходе высушивания умеренного механического давления порядка величины в диапазоне от 0,5 до 20 кПа для того, чтобы устранить возможно образовавшиеся воздушные пузырьки или уменьшить количество воздуха, остающегося в пространстве между частицами после выпаривания воды.
3
3
Материал настоящего изобретения, полученный из частиц аэрогеля, имеющих собственную плотность в диапазоне от 110 до 210 кг/м, предпочтительно имеет плотность, определенную в сухом состоянии, в диапазоне от 100 до 215 г/см.
Его теплопроводность при 23°C (определенная по измерению расхода в соответствии со стандартами ISO 8301, EN12667:2001 и EN1946-3:1999 при использовании устройства Hesto Lambda Control К202 для образца, помещенного под давление 7 кПа) является меньшей чем 20 мВт/(м·К), предпочтительно меньшей чем 18 мВт/(м·К),в частности находящейся в диапазоне от 14 до 17 мВт/(м·К). Данное значение увеличивается при увеличении количества органической фазы (b), а также при увеличении количества воздуха, включенного в форме макропор.
В заключение, еще один объект настоящего изобретения представляет собой теплоизоляционный продукт, содержащий по меньшей мере один слой из материала настоящего изобретения.
Данный продукт предпочтительно представляет собой плиту, имеющую толщину в диапазоне от 5 до 75 мм,в частности от 20 мм до 50 мм. Он может включать несколько других слоев, полученных, например, из металлических или пластиковых листов, бумажных листов, прокладок из натуральных или синтетических волокон, пластин, решеток и тому подобного.
В таком продукте теплоизоляционный материал на основе аэрогеля предпочтительно составляет по меньшей мере 50% (об.), в частности по меньшей мере 70%) (об.), а в особенности выгодном случае по меньшей мере 80% (об.) или даже по меньшей мере 95% (об.).
Пример 1
с
cp
с
cp
3
3
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм (Aerogel А, ρ=150 кг/м, d=33,5 мкм, согласно определению в результате гранулометрического анализа на лазерном анализаторе по сухому варианту) для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм (Aerogel В, ρ=182 кг/м, D=1210 мкм, согласно определению в результате гранулометрического анализа на лазерном анализаторе по сухому варианту) для второго.
Данные аэрогели перемешивают при различных объемных долях и определяют кажущиеся плотности данных смесей. Таким образом, фигура 1а демонстрирует плотности смесей в зависимости от массовой доли продукта Aerogel В, при этом часть, дополнительная до 100%, образована продуктом Aerogel А.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, (Aerogel А) и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм, (Aerogel В),
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,133 г/см, компактностью 0,79 (смотрите фигуру 1b) и теплопроводностью 16 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,285 объема от препарата клея от компании Bostik, содержащего 2,2% (масс.) целлюлозного клея, продаваемого под маркой Quelid Vinyl+, и 4,2% (масс.) 30%-ной водной дисперсии неионного поверхностно-активного вещества, продаваемой под эталонным наименованием Flip-Flop в компании PCAS.
Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании обойного клея, к которому добавляли поверхностно-активное вещество, (смотрите фигуру 2). Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 25°C и при относительной влажности 50% в течение 6 дней. Таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается, как это представлено на фигурах 3 и 4. Фигура 5 демонстрирует микроструктуру, полученную по методу рентгеновской томографии для полученного таким образом продукта при увеличении, составляющем приблизительно 80.
Теплопроводность слоя, содержащего аэрогель, составляет всего лишь 17,0 мВт/(м·К) при 23°C, другими словами, лишь едва более чем то, что имеет место для смеси порошков, использующихся для его получения. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 2
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,136 г/см, компактностью 0,80 и теплопроводностью 15,8 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,22 объема водного препарата, содержащего 15% (масс.) дисперсии латекса стирола/бутадиена, разбавленной до 47% в воде и продаваемой под маркой Sikalatex, и содержащего 6,2% (масс.) 30%-ной водной дисперсии неионного поверхностно-активного вещества, продаваемой под наименованием Flip-Flop в компании PCAS. Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. Обеспечивают проведение высушивания при давлении 0,9 кПа, при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 20 часов. Бумажные листы снимают и, таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается.
Его теплопроводность составляет всего лишь 16 мВт/(м·К) при 23°C. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 3
Замутненный гидрофобный кварцевый аэрогель, продаваемый под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, размалывают, а после этого фракционируют в результате просеивания.
Используют фракцию частиц, проходящую через сито на 100 мкм, и фракцию, полученную между 1000 мкм и 1250 мкм.
Смесь замутненных порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 35% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 65% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,095 г/см, компактностью 0,76 и теплопроводностью 14,9 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,20 объема водного препарата, содержащего 12,7% (масс.) дисперсии латекса стирола/бутадиена, разбавленной до 47% в воде и продаваемой под маркой Sikalatex, и содержащего 4,3% (масс.) 30%-ной водной дисперсии неионного поверхностно-активного вещества, продаваемой под наименованием Flip-Flop в компании PCAS.
Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при давлении 0,9 кПа, при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 18 часов. Бумажные листы снимают и, таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается.
Его теплопроводность составляет всего лишь 14,9 мВт/(м·К) при 23°C. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 4
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
арр.
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,136 г/см, компактностью 0,80 и теплопроводностью 15,8 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,225 объема водного препарата, содержащего 2,1% (масс.) простого эфира целлюлозы, продаваемого в компании Tylose под эталонным наименованием Tylose HA40YP2, и 1,3% (масс.) неионного поверхностно-активного вещества, продаваемого в компании Tylose под наименованием Tylovis ЕР28. Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 18 часов. Таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается.
Теплопроводность слоя, содержащего аэрогель, составляет всего лишь 15,7 мВт/(м·К) при 23°C. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 5
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,136 г/см, компактностью 0,80 и теплопроводностью 15,8 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,24 объема водного препарата на основе двухкомпонентной эпоксидной смолы, продаваемого в компании BASF под эталонным наименованием Mastertop 1720. Данный препарат содержит 4,9% (масс.) эпоксидного компонента Mastertop 1720 А7, 5,22% компонента Mastertop 1720 В7 и 3,95% (масс.) 30%-ной водной дисперсии неионного поверхностно-активного вещества, продаваемой под наименованием Flip-Flop в компании PCAS. Эпоксидные компоненты тщательно перемешивают на первом этапе до добавления воды и поверхностно-активного вещества.
Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 18 часов. Таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается.
Теплопроводность слоя, содержащего аэрогель, составляет всего лишь 16,8 мВт/(м·К) при 23°C. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 6
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 30% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 70% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,129 г/см, компактностью 0,78 и теплопроводностью 16 мВт/(м·К) при 23°C.
Для объема данной смеси перемешивание с другими компонентами проводят в две стадии. Первая стадия представляет собой перемешивание с 0,164 объема водного раствора, содержащего 1,2% (масс.) неионного поверхностно-активного вещества Triton X100, продаваемого в компании Dow. На второй стадии данную комбинацию перемешивают с 0,246 объема водного препарата, содержащего 14,1% (масс.) дисперсии винил/акрилового сополимера, продаваемого в компании Vinavil под наименованием М310 Emulsion, и 1,2% (масс.) продукта Triton X100.
Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. После этого в результате прессования пасты в данной форме экстрагируют 0,05 объема жидкой фазы. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 24 часов. Таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается.
Теплопроводность слоя, содержащего аэрогель, составляет всего лишь 17,7 мВт/(м·К) при 23°C, другими словами, лишь едва более чем то, что имеет место для смеси порошков, использующихся для его получения. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 7
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,134 г/см, компактностью 0,80 и теплопроводностью 15,2 мВт/(м·К) при 23°C.
На первом этапе объем данной смеси перемешивают с 0,44% (масс.) волокон из полиэтилена (ПЭТФ), имеющих длину 6 мм. После этого данную новую смесь перемешивают с 0,21 объема водного препарата, содержащего 12% (масс.) дисперсии Model Dispersion latex от компании BASF, разбавленной до 48% в воде, содержащей 5,7% (масс.) водной дисперсии неионного поверхностно-активного вещества при 30%) (масс.), продаваемой под наименованием Flip-Flop в компании PCAS.
Продукт Model Dispersion latex, предлагаемый в компании BASF, представляет собой стирол/бутилакрилат (иногда называемый полистиролом-поли(бутилакрилатом)), имеющий размер частиц 210 нм (диаметр). Он образован из 44% стирола, 53% бутилакрилата и 3% акриловой кислоты. Метакриловая кислота или ПМАК представляет собой систему стерической стабилизации. Ее прививают на поверхность частиц латекса.
Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 4 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. После этого в результате прессования пасты в данной форме экстрагируют 0,05 объема жидкой фазы. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 24 часов. Таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая проста в обращении и легко разрезается.
Теплопроводность слоя, содержащего аэрогель, составляет всего лишь 15,9 мВт/(м·К) при 23°C, другими словами, лишь едва более чем то, что имеет место для смеси порошков, использующихся для его получения. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 8
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Смесь порошкообразных аэрогелей, содержащая:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший чем 100 мкм, и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм,
каж
3
характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,133 г/см, компактностью 0,79 и теплопроводностью 16 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,285 объема водного раствора, содержащего 1,2% (масс.) неионного поверхностно-активного вещества Triton X100, продаваемого в компании Dow, и 2,2% (масс.) целлюлозного клея, продаваемого под маркой Quelid Vinyl+.
Полученная гомогенная композиция имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании водного препарата. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. После этого в результате прессования пасты в данной форме экстрагируют 0,05 объема жидкой фазы. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 40°C и при относительной влажности 10% в течение 24 часов. Таким образом, получают продукт в форме самоподдерживающей плиты, которая довольно проста в обращении и легко разрезается.
Теплопроводность слоя, содержащего аэрогель, составляет всего лишь 17 мВт/(м·К) при 23°C, другими словами, лишь едва более чем то, что имеет место для смеси порошков, использующихся для его получения. Данное значение является удивительно низким в сопоставлении с теплопроводностями, приводимыми на предшествующем уровне техники для изолирующих продуктов на основе связанных частиц аэрогеля, свободных от филлосиликатов, в диапазоне от 25 до 350 мВт/(м·К).
Пример 9 - не соответствует изобретению
Перемешивают два гидрофобных кварцевых аэрогеля, продаваемых под наименованием Isogel в компании PCAS/Enersens, с размерами частиц, установленными в результате просеивания, в диапазоне от 0 до 100 мкм для первого и в диапазоне от 1000 до 1250 мкм для второго.
Получают смесь из порошкообразных аэрогелей, содержащую:
- 40% (масс.) частиц, имеющих размер, меньший, чем 100 мкм, и
- 60% (масс.) частиц, имеющих размер в диапазоне от 1000 до 1250 мкм.
каж
3
Данная смесь характеризуется кажущейся плотностью (ρ) 0,133 г/см, компактностью 0,79 и теплопроводностью 16 мВт/(м·К) при 23°C.
После этого объем данной смеси перемешивают с 0,27 объема водного препарата, содержащего 2,2% (масс.) целлюлозного клея, продаваемого под маркой Quelid Vinyl+ в компании Bostik.
Полученная композиция является не очень гомогенной. Она имеет консистенцию пасты, которую размазывают до толщины 1 см в перфорированной форме, в нижней части которой размещали бумажный лист, импрегнированный при использовании обойного клея. Для покрытия пасты используют второй импрегнированный лист. Для данной сэндвичевой структуры обеспечивают высушивание при температуре 25°C и при относительной влажности 50% в течение 6 дней. Таким образом, получают продукт в форме плиты, которая легко ломается при работе с ней.
Оценка механических свойств материалов, соответствующих изобретению - исследование воздействия связующего.
Механические свойства материалов, соответствующих изобретению, оценивали и сопоставляли с механическими свойствами материалов, не соответствующих изобретению. Говоря более конкретно, проводили испытание на изгиб с приложением сосредоточенной нагрузки в четырех точках в целях определения максимальной прочности материала и деформации материала при данной максимальной прочности.
Испытание на изгиб адаптировали от стандарта AFNOR ХР-Р 18409 для бетонов, армированных волокном.
Образцы для испытаний в форме призмы, имеющие размеры 20×20×80 мм, подвергали воздействию напряжения при расстоянии между нижними опорами А=60 мм и расстоянием между верхними опорами В=20 мм.
Испытание проводят на устройстве «Bose Electroforce EF3200» и прогоняют в незамкнутом контуре с ячейкой на 22 н и преобразователем перемещения LVDT.
После этого получают кривую нагрузка/прогиб. Данная кривая обнаруживает один максимум, который после этого используют для вычисления максимальных напряжения или прочности и деформации при данном пике.
Таким образом, определенные механические свойства продемонстрированы в представленной ниже таблице. Приведенные результаты представляют собой среднее значение для 6 испытаний.
Самоподдерживающая плита
Поверхностно-активное вещество
Органический полимер
Теплопроводность (мВт/(м·К))
Максимальная прочность (кПа)
Деформация при максимальной прочности (%)
В соответствии с примером 1
Flip-Flop
Целлюлозный клей Quelid Vinyl+
17
50
3,2
В соответствии с примером 7
Flip-Flop
Model Dispersion latex
15,9
128
6,0
В соответствии с примером 8
Triton
Целлюлозный клей Quelid Vinyl+
17
12
2,3
В соответствии с примером 9
Не имеется
Целлюлозный клей Quelid Vinyl+
17
2
1
Представленные выше результаты демонстрируют то, что материалы, соответствующие изобретению, такие как материалы, соответствующие примерам 1, 7 и 8, образуют очень хорошие изоляторы и, в дополнение к этому, демонстрируют заслуживающие упоминания механические свойства.