АРМИРОВАННЫЕ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
REINFORCED COMPOSITIONS BASED ON THE ORGANIC FIBERS OF NATURAL ORIGIN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к синтезу композиционных материалов, обладающих превосходными эксплуатационными теплоизоляционными характеристиками, без ухудшения при этом их механических характеристик, таких как механическая прочность и самонесущие характеристики композиционных материалов.
В частности, настоящее изобретение относится к композиционным материалам, включающим в свой состав органический материал природного происхождения (предпочтительно, древесное волокно), связующее соединение на основе полиизоцианата (эмульгируемый полиизоцианат) и нанопористые гидрофобные частицы (предпочтительно, частицы на основе диоксида кремния).
Композиционные материалы в соответствии с настоящим изобретением удовлетворяют требованиям для их использования в качестве изоляционных изделий (для термической и/или акустической изоляции).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ИЗОБРЕТЕНИЮ
Органические волокна природного происхождения, такие как древесные волокна, в настоящее время широко используются для изготовления композиционных панелей и широко используются в рамках теплоизоляционных практических приложений, в частности, используются в составе композиционных деревянных панелей. Композиционные деревянные панели в целом являются довольно привлекательными в строительной отрасли в виду их самонесущих характеристик и механической прочности. Продукты типа композиционных деревянных плит, такие как древесно-стружечная плита, древесно-волокнистая плита средней плотности (MDF), древесно-волокнистая плита высокой плотности (HDF) и структурно ориентированная плита (OSB), используют в рамках многих практических приложений, таких как кровля домов и напольные покрытия, мебель, шкафы, дверные панели, рамы, указатели. Как правило, для изготовления таких композиционных продуктов лигноцеллюлозный (древесный) субстрат в виде частиц смешивают со связующим соединением, и смесь помещают на мат или другую поверхность для прессования. В патентном документе с номером WO 2008/144770, патентном документе с номером WO 2010/147936 и патентном документе с номером WO 2013/012845 описываются способы изготовления композиционных древесных панелей.
Тем не менее, для теплоизоляционных практических приложений, в идеальном случае, величина функции лямбда (теплопроводность) композиционных древесных панелей должна быть дополнительно улучшена, чтобы таковые могли конкурировать с существующими в настоящее время супер-изолирующими материалами (которые характеризуются значительно лучшими величинами функции лямбда, например, составляющими в интервале 20-30 мВт/м⋅К при 10°C в случае полиуретановых жестких пен).
3
3
3
Последние разработки в области техники дальнейшего совершенствования изоляционной способности изолирующих плит на основе древесных волокон приводят к достижению значений теплопроводности (т.е. величин функции лямбда), составляющим в интервале 35-50 мВт/м⋅К при 10°С при атмосферном давлении, в основном зависящим от плотности панели (как правило, составляющей в интервале 40-200 кг/м). Значение функции лямбда, как правило, снижается до некоторой степени за счет снижения плотности. Например, панель, характеризующаяся величиной плотности, составляющей 200 кг/м, как правило, характеризуется величиной функции лямбда, составляющей приблизительно 50 мВт/м⋅К, в то время как панель характеризующаяся величиной плотности, составляющей 40 кг/м, как правило, характеризуется величиной функции лямбда, составляющей приблизительно 35 мВт/м⋅К. При данном подходе величина функции лямбда, составляющая приблизительно 35 мВт/м⋅К, является минимально достижимой. Дальнейшее снижение плотности приводит к получению панели не только с повышенной величиной функции лямбда, но и обладающей плохими механическими характеристиками (например, ограниченной структурной целостностью).
Имеется необходимость в разработке способа изготовления для целей дальнейшего значительного улучшения теплоизоляционных характеристик изоляционных материалов (например, панелей) на основе органических волокон природного происхождения, таких как композиционные древесные панели. Для достижения характеристик, требуемых в строительной отрасли, данные материалы в идеальном случае, должны являться самонесущими и должны обладать превосходными механическими характеристиками.
Представляется трудоемкой задачей дальнейшее значительное улучшение теплоизоляционных характеристик изоляционных материалов (например, панелей) на основе органических волокон природного происхождения, таких как композиционные древесные панели, в отношении величины функции лямбда, составляющей менее, чем 35 мВт/м⋅К, предпочтительно, составляющей в интервале 15-30 мВт/м⋅К (измеренной при 10°С) без ухудшения механической прочности материалов.
ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной целью настоящего изобретения является разработка композиционного материала, который обладает, наряду с превосходными теплоизоляционными характеристиками, также оптимальными механическими и самонесущими характеристиками.
Дальнейшей целью является изготовление композиционного материала, включающего в свой состав органические волокна природного происхождения и более 25% масс. нанопористых частиц, при этом указываемый композиционный материал характеризуется малым весом, оптимальными механическими характеристиками, самонесущими характеристиками и малой величиной функции лямбда.
Дополнительной целью является разработка композиции связующего соединения и способа обработки, заключающегося в комбинировании органических волокон природного происхождения (предпочтительно, присутствующих в виде древесных волокон) и нанопористых частиц таким образом, что это приводит к формированию нового композиционного материала с улучшенными механическими характеристиками, самонесущими характеристиками и малой величиной функции лямбда, по сравнению с современными композиционными материалами, включающими в свой состав органические волокна природного происхождения.
Таким образом, настоящее изобретение относится к новому композиционному материалу, к новой композиции связующего соединения на основе эмульгируемого полиизоцианата, относится к новому способу обработки для изготовления нового композиционного материала и относится к применению нового композиционного материала для целей термической и/или акустической изоляции.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением, раскрывается армированный композиционный материал на основе органических волокон природного происхождения, характеризующийся величиной лямбда, составляющей в интервале 15-35 мВт/м⋅К, при этом указываемый композиционный материал, включает в свой состав:
в интервале 25-85% масс. гидрофобных нанопористых частиц, в расчете на общую массу композиционного материала, а также
по меньшей мере, 10% масс. органических волокон природного происхождения, содержащие в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы, в расчете на общую массу композиционного материала, а также
в интервале 1-15% масс. связующего соединения,
В котором используемое связующее соединение представляет собой содержащее в своем составе полимочевину/полиуретан связующее соединение, изготовляемое из эмульгируемого полиизоцианата, воды и поверхностно-активных веществ.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 25-85% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 35-85% масс., более предпочтительно, включает в интервале 40-85% масс. гидрофобных нанопористых частиц, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 10-70% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 10-60% масс., и, более предпочтительно, включает в интервале 10-50% масс. органических волокон природного происхождения, содержащие в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы, в расчете на общий вес высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 1-15% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 2-10% масс., и, более предпочтительно, включает в интервале 3-8% масс. связующего соединения, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
2
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы представляют собой частицы аэрогеля на основе оксидов, предпочтительно, на основе диоксида кремния (SiO) и/или на основе оксидов металлов, в которых металл выбирают, предпочтительно, из алюминия, титана и/или циркония, которые необязательно являются органически модифицированными.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы характеризуются следующими параметрами:
Пористость: составляет в интервале 50-99%, в особенности, составляет в интервале 70-99%, более предпочтительно, составляет в интервале 80-99%.
3
3
3
Плотность: составляет менее, чем 300 кг/м, предпочтительно, составляет в интервале 30-300 кг/м, более предпочтительно, составляет менее, чем 180 кг/м.
Диаметр частиц: составляет в интервале 0,001-10 мм, предпочтительно, составляет в интервале 0,01-4 мм.
Диаметр пор: составляет в интервале 0,1-500 нм, в особенности, составляет менее, чем 200 нм, более предпочтительно, составляет менее, чем 100 нм, в частности, составляет в интервале 1-100, предпочтительно, составляет в интервале 10-50 нм.
2
3
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы представляют собой частицы аэрогеля, которые являются органически модифицированными, содержащими в своей структуре гидрофобные функциональные группы, являющиеся частицами на основе диоксида кремния (SiO) и характеризующиеся величиной функции лямбда при атмосферном давлении, составляющей в интервале 9-12 мВт/м⋅К при 25°С, наряду с низкой плотностью, составляющей приблизительно 140 кг/м.
3
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы характеризуются наличием гидрофобных функциональных групп на поверхности их пор, выбираемых из тризамещенных силильных функциональных групп, описываемых общей формулой --Si(R), предпочтительно, выбираемых из триалкил- и/или триарилсилильных функциональных групп, в которых каждый радикал R независимо представляет собой нереакционноспособный органический радикал, такой как С1 - С18 алкильный радикал или С6 - С14 арильный радикал, предпочтительно, такой как С1 - С6 алкильный или фенильный радикал, в частности, такой как метильный, этильный, циклогексильный или фенильный радикалы, фрагменты которых могут являться дополнительно замещенными функциональными группами.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, органические волокна природного происхождения выбирают из древесных или бамбуковых волокон.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, связующее соединение включает в свой состав эмульгируемый полиизоцианат, который представляет собой продукт взаимодействия более чем 95% масс. полиизоцианатов и менее чем 5% масс. моноалкилэфиров и/или полиэтиленгликолей, в расчете на общую массу эмульгируемого полиизоцианата,и в котором полиизоцианат, предпочтительно, выбирают из ароматического диизоцианата или полиизоцианата, характеризующегося более высокой функциональностью, в частности, выбирают из сырьевой смеси включающей содержащие в своей структуре мостиковые метиленовые фрагменты полифенилполиизоцианаты, включающей в свой состав диизоцианаты, триизоцианат и полиизоцианаты характеризующиеся более высокой функциональностью, или выбирают из форполимеров, концевые звенья которых содержат в своей структуре изоцианатные функциональные группы, получаемых в результате взаимодействия избытка диизоцианата, или в результате взаимодействия характеризующегося большей функциональностью полиизоцианата со сложным полиэфиром, концевые звенья которого содержат в своей структуре гидроксильные функциональные группы, или взаимодействия с полиэфиром, концевые звенья которого содержат в своей структуре гидроксильные функциональные группы, и выбирают из продуктов, получаемых в результате взаимодействия избытка диизоцианата или характеризующегося большей функциональностью полиизоцианата с мономерным полиолом или смесью мономерных полиолов, таких как этиленгликоль, триметилолпропан или бутандиол.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, связующее соединение включает в свой состав, максимум, до 5% масс. поверхностно-активных веществ, предпочтительно, включает в свой состав менее 1% масс. в пересчете на общую массу поверхностно-активного вещества и воды, в которой поверхностно-активные вещества, предпочтительно, представляют собой поверхностно-активные вещества на кремний-органической основе.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, приводится описание способа получения композиционного материала в соответствии с изобретением, при этом указываемый способ включает в себя, по меньшей мере, следующие этапы:
a) Получение связующего соединения, включающего в свой состав воду, эмульгируемый полиизоцианат и поверхностно-активные вещества, а также
b) Получение органических волокон природного происхождения, и далее
c) Смешивание связующего соединения и органических волокон природного происхождения в целях получения смеси, включающей в свой состав органические волокна природного происхождения и связующего соединения, и далее
d) добавление гидрофобных нанопористых частиц к смеси, получаемой на стадии с), и их перемешивание в целях получения гомогенной смеси, включающей в свой состав нанопористые частицы, органические волокна природного происхождения и связующее соединение, и далее
e) Отверждение и высушивание смеси в пресс-форме в целях получения армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения стадию отверждения и высушивания осуществляют с помощью проведения термической обработки при температуре, составляющей, по меньшей мере, 50°С, предпочтительно, составляющей приблизительно 110°С, и/или осуществляют с помощью альтернативного способа, такого как микроволновое излучение.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, стадию отверждения и высушивания в целях получения композиционного материала в соответствии с настоящим изобретением проводят в пресс-форме, удовлетворяющей требованиям для инкапсулирования трехмерных объектов.
Более того, в рамках изобретения приводится описание варианта использования композиционного материала в соответствии с настоящим изобретением для теплоизоляции и/или акустической изоляции.
Более того, в рамках изобретения приводится описание варианта использования композиционного материала в соответствии с настоящим изобретением в качестве панели для акустической и/или тепловой изоляции или в качестве панели для тепловой и/или инкапсулирующей изоляции, удовлетворяющей требованиям для инкапсулирования сложных трехмерных объектов.
В независимых и зависимых пунктах формулы настоящего изобретения излагаются конкретные и предпочтительные ключевые особенности настоящего изобретения. Ключевые особенности согласно зависимым пунктам формулы настоящего изобретения могут быть объединены с ключевыми особенностями согласно независимым или иным зависимым пунктам формулы настоящего изобретения в зависимости от обстоятельств.
Приведенные выше и другие характеристики, ключевые особенности и преимущества настоящего изобретения являются очевидными из подробного описания, приводимого в сочетании с прилагаемыми примерами, которые иллюстрируют принципы настоящего изобретения.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕРМИНЫ
В контексте настоящего изобретения следующие термины имеют следующее значение:
1. Термины «Органический материал природного происхождения» и/или «органические волокна природного происхождения» ограничены в рамках настоящего изобретения органическим материалом природного происхождения, содержащим в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы, более конкретно, ограничены органическим материалом природного происхождения, содержащим в своей структуре, по меньшей мере, гидроксильные и/или аминные функциональные группы. Примером удовлетворяющего требованиям органического материала природного происхождения являются древесные волокна, древесная шерсть, бамбуковые волокна, бамбуковые хлопья, …
2. Термин «Композиционный материал» относится к материалам, состоящим из двух или более составных материалов, обладающих существенно различными физическими или химическими характеристиками, которые при их комбинировании позволяют получать материалы, обладающие характеристиками, отличными от характеристик индивидуальных компонентов. Индивидуальные компоненты остаются разделенными и отдельными внутри готовой структуры (композиционных панелей). Конечный композиционный материал относится к высушиваемому и отверждаемому композиционному материалу, непрореагировавшую остаточную воду из которого удаляют.
3
3
3. Термин «Нанопористые частицы» ограничен в рамках настоящего изобретения частицами, характеризующимися величиной пористости, составляющей в интервале 50-99%, характеризующимися величиной плотности менее, чем 300 кг/м, предпочтительно, составляющей в интервале от 30-300 кг/м, и характеризующимися диаметром частиц, составляющим в интервале 0,001-10 мм, предпочтительно, составляющим в интервале 0,01-4 мм. Они, предпочтительно, представляют собой частицы на основе диоксида кремния и упоминаются в литературе либо как аэрогель, либо как ксерогель и/или как частицы криогеля.
4. Выражение «реакционноспособные по отношению к изоцианатам соединения», «реакционноспособные по отношению к изоцианатам атомы водорода» и «реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы», используемое в рамках настоящего описания, относится к активным атомам водорода в составе гидроксильных и аминных функциональных групп, присутствующих в составе реакционноспособных по отношению к изоцианатам соединений. Соединения, содержащие в своей структуре одну гидроксильную функциональные группу, считаются содержащими в своей структуре один реакционноспособный атом водорода, соединения, содержащие в своей структуре одну первичную аминную функциональные группу, считаются содержащими в своей структуре один реакционноспособный атом водорода, и одна молекула воды считается содержащей в своей структуре два активных атома водорода.
5. Слово «средний» относится к среднечисленному значению, если не указано иное.
6. Выражение «эмульгируемый полиизоцианат» или «эмульгируемый МДИ» или «э-МДИ», используемое в рамках настоящего описания, относится к органическим полиизоцианатам (предпочтительно, к МДИ), которые вступают во взаимодействие с водорастворимыми полиолами, которые содержат в своей структуре, по меньшей мере, одну реакционноспособную по отношению к изоцианатам функциональную группу. Примером удовлетворяющего требованиям полиола является метоксиполиэтиленгликоль (МПЭГ).
7. Термин «Величина функции лямбда», используемый в рамках настоящего описания, относится к теплопроводности материала (также известной как значение коэффициента k), обычно выражаемой в единицах мВт/м⋅К. Чем меньше величина функции лямбда, тем лучше изолирующие характеристики материала (т.е. лучше эксплуатационные изолирующие характеристики).
8. Термин «Акустическая изоляция», используемый в рамках настоящего описания, относится к снижению степени звукового давления относительно указываемого источника звука и рецептора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение описывается в отношении конкретных вариантов осуществления.
Следует отметить, что термин «включающий в свой состав», используемый в формуле настоящего изобретения, не следует рассматривать, как ограничиваемый перечисляемыми в дальнейшем средствами; он не исключает другие элементы или этапы. Таким образом, этот термин следует интерпретировать как определение присутствия указываемых элементов, этапов или упоминаемых компонентов, но не исключает наличия или добавления одного или более других ключевых особенностей, этапов или компонентов, или их групп. Таким образом, объем выражения «соединение, включающее в свой состав компоненты А и В» не должно ограничиваться соединениями, включающими в свой состав только компоненты А и В. Это означает, что в отношении настоящего изобретения, единственными соответствующими компонентами соединения являются А и B.
В рамках данного описания приводятся ссылки на «один вариант осуществления изобретения» или на «вариант осуществления изобретения». Такие ссылки свидетельствуют о том, что конкретная ключевая особенность, описываемая в связи с вариантом осуществления изобретения, включается в, по меньшей мере, один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Таким образом, эпизоды, в которых фигурируют фразы «в рамках одного варианта осуществления изобретения» или «в рамках одного варианта осуществления изобретения» в различных фрагментах всего объема данного описания не обязательно относятся к одному варианту осуществления изобретения, хотя это является возможным. Более того, конкретные ключевые особенности или характеристики могут быть объединены любым удовлетворяющим требованиям образом в рамках одного или нескольких вариантов осуществления изобретения, что является очевидным специалисту, обладающему стандартной квалификацией в данной области техники.
Следует понимать, что хотя предпочтительные варианты осуществления изобретения и/или материалы обсуждаются для приведения вариантов осуществления изобретения в соответствии с настоящим изобретением, могут быть сделаны различные модификации или изменения без отхода от объема и сущности настоящего изобретения.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, приводится описание армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения, характеризующегося величиной лямбда, составляющей в интервале 15-35 мВт/м⋅К, при этом указываемый композиционный материал, включает в свой состав:
в интервале 25-85% масс. гидрофобных нанопористых частиц, в расчете на общую массу композиционного материала, а также
по меньшей мере, 10% масс. органических волокон природного происхождения, содержащие в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы, в расчете на общую массу композиционного материала, а также
в интервале 1-15% масс. связующего соединения,
В котором используемое связующее соединение представляет собой содержащее в своем составе полимочевину/полиуретан связующее соединение, изготовляемое из эмульгируемого полиизоцианата, воды и поверхностно-активных веществ.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 25-85% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 35-85% масс., более предпочтительно, включает в свой состав в интервале 40-85% масс. гидрофобных нанопористых частиц, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 10-70% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 10-60% масс., и, более предпочтительно, включает в интервале 10-50% масс. органических волокон природного происхождения, содержащих в свой структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы, в расчете на общий вес высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением включает в свой состав в интервале 1-15% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 2-10% масс., и, более предпочтительно, включает в интервале 3-8% масс. связующего соединения, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала
2
2
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы предпочтительно, представляют собой частицы на основе оксидов, более предпочтительно, представляют собой частицы на основе диоксида кремния и на основе оксидов металлов, в которых металл предпочтительно, выбирают из алюминия, титана и/или циркония. Предпочтение отдают использованию нанопористых частиц, включающих в свой состав соединения кремния. Особое предпочтение отдают нанопористым частицам, включающим в свой состав SiO, и более конкретно, включающим в свой состав аэрогели или ксерогели на основе SiO, которые необязательно являются органически модифицированными.
Предпочтительные нанопористые частицы характеризуются следующими параметрами:
Пористость: составляет в интервале 50-99%, в особенности, составляет в интервале 70-99%, более предпочтительно, составляет в интервале 80-99%.
3
3
3
Плотность: составляет менее, чем 300 кг/м, предпочтительно, составляет в интервале 30-300 кг/м, более предпочтительно, составляет менее, чем 180 кг/м.
Диаметр частиц: составляет в интервале 0,001-10 мм, предпочтительно, составляет в интервале 0,01-4 мм.
Диаметр пор: составляет в интервале 0,1-500 нм, в особенности, составляет менее, чем 200 нм, более предпочтительно, составляет менее, чем 100 нм, в частности, составляет в интервале 1-100, предпочтительно, составляет в интервале 10-50 нм.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, улучшение термоизоляционных эксплуатационных характеристик (уменьшенная величина функции лямбда) непосредственно связана с количеством нанопористых частиц в составе композиционного материала. Более высокие уровни содержания приводят к получению композиционных материалов, характеризующихся более низкими величинами функции лямбда, но излишне высокий уровень содержания может иметь нежелательные последствия для механических характеристик, при которых композиционные материалы (например, панели) становятся в меньшей мере самонесущими.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, количественное содержание нанопористых частиц в составе композиционного материала оптимизируют в целях достижения наилучшего баланса между теплоизоляционными и механическими характеристиками, такими как сопротивление сжатию и изгибу. В целях достижения в материалах низкой величины функции лямбда (величина функции лямбда меньше 35 мВт/м⋅К, количественное содержание нанопористых частиц в конечном (высушенном и подвергнутом отверждению) композиционном материале должна быть выше, чем приблизительно 25% масс., в расчете на общую массу конечного высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
3
В особенности предпочтительные нанопористые частицы представляют собой нанопористые частицы на основе диоксида кремния, которые по существу изготовлены из аморфного диоксида кремния, но, в зависимости от способа их изготовления, могут дополнительно включать в свой состав органические соединения. Наиболее предпочтительные нанопористые частицы характеризуются величиной функции лямбда при атмосферном давлении, составляющей в интервале 9-12 мВт/м⋅К при 25°С, наряду с низкой плотностью, составляющей приблизительно 140 кг/м.
Удовлетворяющие требованиям нанопористые частицы диоксида кремния могут быть получены в соответствии с известными способами из раствора жидкого стекла через стадии образования гидрогеля диоксида кремния, замены растворителя и последующего высушивания в сверхкритических условиях. Наиболее часто представленная гранулярная форма может являться результатом распыления быстро желирующего золя диоксида кремния через специально разработанную фильеру и гелеобразование в каплях протекает во время их полета.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы являются гидрофобными в целях предотвращения/ограничения инфильтрации в них связующего соединения (таким образом, они сохраняют свою низкую величину функции лямбда).
3
Нанопористые частицы в соответствии с настоящим изобретением, являются гидрофобными и, предпочтительно, включают в свою структуру гидрофобные функциональные группы на поверхности их пор. Удовлетворяющие требованиям функциональные группы для получения устойчивого гидрофобного слоя представляют собой, например, тризамещенные силильные функциональные группы, описываемые общей формулой --Si(R), предпочтительно, выбираемые из триалкил- и/или триарилсилильных функциональных групп, в которых каждый радикал R независимо представляет собой нереакционноспособный органический радикал, такой как С1 - С18 алкильный радикал или С6 - С14 арильный радикал, предпочтительно, такой как С1 - С6 алкильный или фенильный радикал, в частности, такие как метильный, этильный, циклогексильный или фенильный радикалы, фрагменты которых могут являться дополнительно замещенными функциональными группами. Использование триметилсиллильных функциональных групп является в особенности, предпочтительным при проведении устойчивой гидрофобизации нанопористых частиц. Введение данных функциональных групп может быть осуществлено путем проведения газофазного взаимодействия между нанопористыми частицами и, например, активированным триалкилсилановым производным, например, хлортриалкилсиланом или гексаалкилдисилазаном.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы являются в достаточной мере крупными, что позволяет им механически удерживаться между органическими волокнами природного происхождения, в целях предотвращения их быстрого покидания материала панелей в процессе их установки/обработки/эксплуатации. Удовлетворяющие требованиям нанопористые частицы, например, характеризуются диаметром, составляющим в интервале 100 мкм - 1,2 мм (коммерчески доступные под торговым наименованием Cabot Enova IC3120).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, органические волокна природного происхождения выбирают из органического материала природного происхождения, разрезаемого на небольшие фрагменты, или присутствующего в виде волокон или проволок и содержащих в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы (гидроксильные функциональные группы и/или аминные функциональные группы) и необязательно включающие в состав материала влагу, которая вступает во взаимодействие с NCO-функциональными группами изоцианатного связующего соединения. В результате, данные волокна являются химически связанными со связующим материалом (прочными ковалентными уретан/мочевинными связями).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, органический материал природного происхождения выбирают из древесных или бамбуковых волокон, например из сосновых волокон (обычно используется для изготовления композиционных древесных плит), но, в принципе, изобретение является применимым к любому типу древесных волокон/чипсов/частиц, даже применимым для всех типов волокон природного происхождения.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, связующее соединение включает в свой состав эмульгируемый полиизоцианат, предпочтительно, полиизоцианаты выбирают из органических изоцианатов, включающих в свою структуру множество изоцианатных функциональных групп, в том числе выбирают из алифатических изоцианатов, таких как гексаметилендиизоцианат и, более предпочтительно, выбирают из ароматических изоцианатов, таких как м- и п-фенилендиизоцианат, толуол-2,4- и -2,6-диизоцианаты, дифенилметан-4,4'-диизоцианат, хлорфенилен-2,4-диизоцианат, нафтилен-1,5-диизоцианат, дифенилен-4,4'-диизоцианат, 4,4'-диизоцианат-3,3'-диметилдифенил, 3-метилдифенилметан-4,4'-диизоцианат и диизоцианат дифенилового эфира, выбирают из циклоалифатических диизоцианатов, таких как циклогексан-2,4- и 2,3-диизоцианаты, 1-метил-циклогексил-2,4- и 2,6-диизоцианаты и их смеси, а также выбирают из бис-(изоцианатциклогексил-)метана и триизоцианатов, таких как 2,4,6-триизоцианаттолуол и 2,4,4'-триизоцианатдифенилэфир.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, связующее соединение включает в свой состав эмульгируемый полиизоцианат, в котором полиизоцианат включает в себя смеси изоцианатов. Например, смесь изомеров толилендиизоцианата, такие как коммерчески доступные смеси 2,4- и 2,6-изомеров, а также смесь ди- и высших поли-изоцианатов, получаемых путем фосгенирования продуктов конденсации анилина/формальдегида. Подобные смеси хорошо известны в данной области техники и включают в себя сырые продукты фосгенирования, включающие в свой состав смеси содержащих в своей структуре мостиковые метиленовые фрагменты полифенилполиизоцианатов, в том числе диизоцианатов, триизоцианатов и высших полиизоцианатов в сочетании с любыми побочными продуктами фосгенирования.
Предпочтительными композициями в соответствии с настоящим изобретением являются такие, в которых полиизоцианат является ароматическим диизоцианатом или полиизоцианатом, характеризующимся более высокой функциональностью, в частности, сырые смеси, включающие в свой состав содержащие в своей структуре мостиковые метиленовые фрагменты полифенилполиизоцианаты, содержащие в своем составе диизоцианаты, триизоцианат и полиизоцианаты, характеризующиеся более высокой функциональностью. Содержащие в своей структуре мостиковые метиленовые фрагменты полифенилполиизоцианаты (например метилендифенилдиизоцианат, сокращенно МДИ) хорошо известны в данной области техники и описываются следующей общей структурной формулой I, в которой индекс n представляет собой одну или более единицы, а также в случае сырых смесей, представляет собой среднюю величину, большую единицы. Их получают путем фосгенирования соответствующих смесей полиаминов, получаемых поликонденсацией анилина и формальдегида.
(I)
Другие изоцианаты, которые могут присутствовать в составе эмульгируемого изоцианатного компонента в составе связующего соединения в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя форполимеры, концевые звенья которых содержат в своей структуре изоцианатные функциональные группы, получаемые в результате взаимодействия избытка диизоцианата или характеризующегося большей функциональностью полиизоцианата со сложным полиэфиром, концевые звенья которого содержат в своей структуре гидроксильные функциональные группы, или с полиэфиром, концевые звенья которого содержат в своей структуре гидроксильные функциональные группы, и включают в себя продукты, получаемые в результате взаимодействия избытка диизоцианата или характеризующегося большей функциональностью полиизоцианата с мономерным полиолом или со смесью мономерных полиолов, таких как этиленгликоль, триметилолпропан или бутандиол.
Одним предпочтительным классом форполимеров, концевые звенья которых содержат в своей структуре изоцианатные функциональные группы, которые могут образовывать изоцианатный компонент в составе связующего соединения, являются форполимеры, концевые звенья которых содержат в своей структуре изоцианатные функциональные группы, в составе сырых смесей содержащих в своей структуре мостиковые метиленовые фрагменты полифенилполиизоцианатов, включающих в свой состав диизоцианаты, триизоцианаты и характеризующиеся большей функциональностью полиизоцианаты.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, эмульгируемый полиизоцианат представляет собой продукт взаимодействия полиизоцианата и водорастворимых полиолов, предпочтительно, указываемые полиолы выбирают из моноалкилэфиров и/или полиэтиленгликолей. Количественное содержание водорастворимых полиолов, предпочтительно, составляет в пределах до 20% масс., более предпочтительно, составляет до 10% масс. и наиболее предпочтительно, составляет до 5% масс., в расчете на общую массу полиизоцианата и полиола.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, эмульгируемый полиизоцианат может представлять собой продукт взаимодействия более чем 95% масс. полиизоцианатов и более чем 5% масс. моноалкилэфиров и/или полиэтиленгликолей. Например, удовлетворяющей требованиям э-МДИ изготовлен из 97% масс. полимерного МДИ и 3% масс. метоксиполиэтиленгликоля (МПЭГ, например из МПЭГ 750).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, количественное содержание воды, используемой в целях изготовления связующего соединения (эмульсии э-МДИ в воде), может варьироваться. Как правило, величина массового отношения вода: эмульгируемый полиизоцианат составляет, по меньшей мере, 0,5: 1. Предпочтительно, присутствует избыток воды, при этом избыточное количественное содержание (масса) воды в составе связующего соединения может в 500 раз превышать вес эмульгируемого полиизоцианата (соотношение вода: эмульгируемый полиизоцианат составляет 500: 1). Присутствие воды в составе связующего соединения имеет решающее значение, поскольку она вступает во взаимодействие в ходе окончательного отверждения композиционного материала с остатками непрореагировавших изоцианатных функциональных групп с образованием полимочевины и поскольку она также позволяет избежать инфильтрации связующего соединения внутрь нанопористых частиц.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, количественное содержание связующего соединения в составе получаемого композиционного материала составляет приблизительно 6% масс., в расчете на общую массу конечного (высушенного и подвергнутого отверждению) композиционного материала, что позволяет достигать приемлемой структурной целостности композиционного материала. Количественное содержание связующего соединения в любом случае характеризуется низким уровнем воздействия на величину функции лямбда, так как оно является второстепенным компонентом в составе композиционного материала. Количественное содержание связующего соединения, составляющее до 15% масс., удовлетворяет требованиям при достижении малой величины функции лямбда (величина функции лямбда < 35 мВт/м⋅К).
В патентном документе с номером US 6407196 приводится описание эмульгируемого МДИ и способов проведения модифицирования полимерного МДИ, которые удовлетворяют требованиям для изготовления эмульгируемого полиизоцианата (э-МДИ), необходимого для получения связующего соединения в соответствии с настоящим изобретением. Патентный документ с номером US 6407196, таким образом, включается в настоящее описание в качестве ссылки.
Связующие соединения, содержащие в своем составе эмульгируемый полиизоцианат (э-МДИ), широко используются в качестве связующих соединений в составе композиционных панелей. Тем не менее, связующее соединение, включающее в свой состав эмульгируемый полиизоцианат в соответствии с настоящим изобретением, также содержит в включения дополнительных количеств поверхностно-активного вещества (например, кремний-органических поверхностно-активных веществ) в составе рецептур.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, количественное содержание поверхностно-активного вещества, добавляемого к связующему соединению, составляет, максимально, до 5% масс., в расчете на общую массу поверхностно-активного вещества и воды. Предпочтительно, количественное содержание поверхностно-активного вещества в составе связующего соединения составляет менее 1% масс., в расчете на общую массу поверхностно-активного вещества и воды. Дополнительное поверхностно-активное вещество имеет решающее значение для целей незатруднительного диспергирования нанопористых частиц между влажными органическими волокнами природного происхождения (например, между древесными волокнами). При отсутствии дополнительного поверхностно-активного вещества, гидрофобные нанопористые частицы не смачиваются эмульсиями э-МДИ на водной основе, что делает их встраивание между органическими волокнами природного происхождения практически невозможным или, по меньшей мере, чрезвычайно затруднительным. Удовлетворяющими требованиям примерами поверхностно-активных веществ являются кремний-органические поверхностно-активные вещества, такие, как коммерчески доступный продукт под торговым наименованием Tegostab B8715LF2.
Композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением приводит к формированию более жестких и более плотных материалов, по сравнению с композиционными материалами настоящего уровня техники (например, по сравнению с панелями), включающими в свой состав органические волокна природного происхождения, такими как композиционные древесные панели настоящего уровня техники (для той же объемной доли органических волокон природного происхождения), поскольку воздушные полости в данном случае частично заполняются твердым материалом (нанопористые частицы). Это обстоятельство составляет суть удивительного эффекта, в котором путем замены воздуха на материал, характеризующийся более высокой плотностью (нанопористые частицы) и, следовательно, приводящий к получению композиционных материалов, характеризующихся более высокой плотностью, формируется композиционный материал, характеризующийся улучшенными теплоизоляционными эксплуатационными характеристиками (то есть характеризующийся более низкими величинами функции лямбда).
Композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением приводит к улучшению механических характеристик, таких как сопротивление сжатию и изгибу, по сравнению с композиционными материалами настоящего уровня техники, включающими в свой состав органические волокна природного происхождения, такие как композиционные древесные панели настоящего уровня техники (для той же объемной доли органических волокон природного происхождения), так как воздушные полости частично заполнены твердым материалом (нанопористые частицы). В зависимости от количественного содержания используемых нанопористых частиц, улучшение прочности варьируется и до 450%, и, что удивительно, может быть достигнуто более значительное улучшение.
Композиционные материалы в соответствии с настоящим изобретением приводят в результате к значительному улучшению характеристик огнестойкости (реакция/устойчивость к пламени), по сравнению с композиционными материалами настоящего уровня техники, включающими в свой состав органические волокна природного происхождения, такими как композиционные древесные панели настоящего уровня техники (для той же объемной доли органических волокон природного происхождения), так как воздушные полости частично заполнены твердым материалом (нанопористые частицы). Композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением демонстрирует самозатухающие характеристики при внешнем воздействии пламени (в соответствии с испытанием по методике B-2 в соответствии со стандартом DIN4102 - часть 1), в отличие от композиционных материалов настоящего уровня техники, которые выгорают при внешнем воздействии пламени, что удивительно.
Композиционные материалы в соответствии с настоящим изобретением практически не ассоциируются с явлением старения, что возможно благодаря остающейся постоянной с течением времени величиной функции лямбда.
Композиционные материалы в соответствии с настоящим изобретением характеризуются более низкой величиной влагопоглощения, по сравнению композиционными материалами настоящего уровня техники, включающими в свой состав органические волокна природного происхождения, такими как композиционные древесные панели настоящего уровня техники (для той же объемной доли органических волокон природного происхождения), так как воздушные полости частично заменены твердым материалом (нанопористые частицы) по причине гидрофобного характера нанопористых частиц.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения приводится описание способа изготовления армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
Способ изготовления армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения может включать в себя, по меньшей мере, следующие этапы:
Получение связующего соединения, включающего в свой состав воду, эмульгируемый полиизоцианат и поверхностно-активные вещества, а также
Получение органических волокон природного происхождения, и далее
Смешивание связующего соединения и органических волокон природного происхождения в целях получения смеси, включающей в свой состав органические волокна природного происхождения и связующего соединения, и далее
Добавление гидрофобных нанопористых частиц к смеси, получаемой на стадии с), и их перемешивание в целях получения гомогенной смеси, включающей в свой состав нанопористые частицы, органические волокна природного происхождения и связующее соединение, и далее
Отверждение и высушивание смеси в пресс-форме в целях получения армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения стадия отверждения и высушивания смеси представляет собой термическую обработку, предпочтительно, осуществляемую при температуре, составляющей, по меньшей мере, 50°С, предпочтительно, составляющей приблизительно 110°С.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, стадию отверждения и высушивания смеси проводят с использованием альтернативных способов нагрева, таких как микроволновое излучения или с использованием комбинации этих альтернативных способов и приемов термической обработки (проводимых при температуре, составляющей, по меньшей мере, 50°С, предпочтительно, составляющей приблизительно 110°С).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы должны быть равномерно распределены между органическими волокнами природного происхождения (древесина) в целях предотвращения значительного фазового расслоения между богатыми органическим материалом природного происхождения областями и богатыми нанопористыми частицами областями в целях достижения оптимальных характеристик (теплоизоляционных, механических характеристик, реакции/устойчивости к пламени, звукоизоляции, …).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, для целей сохранения высоких теплоизоляционных эксплуатационных характеристик нанопористых частиц, частицы не должны подвергаться существенному размолу, таким образом, осторожное смешивание может являться предпочтительным при перемешивании нанопористых частиц со смесью органического материала природного происхождения и связующего соединения.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, органические волокна природного происхождения (например, древесные волокна), смешивают на первой стадии со связующим соединением в целях обеспечения оптимального импрегнирования/покрытия связующим соединением древесных волокон. Только в этом случае нанопористые частицы могут быть добавлены и перемешаны со смесью органических волокон природного происхождения/связующего соединения, при этом могут быть перемешаны осторожно в целях достижения оптимального смачивание и в целях предотвращения размола нанопористых частиц, и затем полученную смесь, включающую в свой состав органические волокна природного происхождения, связующее соединение и нанопористые частицы, могут подвергать сжатию, высушиванию и отверждению в пресс-форме/прессе в целях получения армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 25-85% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 35-85% масс., и более предпочтительно, включает в свой состав в интервале 40-85% масс. гидрофобных нанопористых частиц, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 10-70% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 10-60% масс., и, более предпочтительно, включает в свой состав в интервале 10-50% масс. органических волокон природного происхождения, содержащих в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, композиционный материал включает в свой состав в интервале 1-15% масс., предпочтительно, включает в свой состав в интервале 2-10% масс., и, более предпочтительно, включает в свой состав в интервале 3-8% масс. связующего соединения, в расчете на общую массу высушенного и подвергнутого отверждению композиционного материала.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нанопористые частицы, предпочтительно, представляют собой нанопористые частицы на основе оксидов, более предпочтительно, на основе диоксида кремния и оксидов металлов, в которых металл предпочтительно, выбирают из алюминия, титана и/или циркония. Предпочтение отдают использованию нанопористых частиц, включающих в свой состав соединения кремния. Особое предпочтение отдают нанопористым частицам, включающим в свой состав SiO2, и более конкретно, аэрогели или ксерогели на основе SiO2, которые необязательно являются органически модифицированными.
Предпочтительные нанопористые частицы характеризуются следующими параметрами:
Пористость: составляет в интервале 50-99%, в особенности, составляет в интервале 70-99%, более предпочтительно, составляет в интервале 80-99%.
3
3
3
Плотность: составляет менее, чем 300 кг/м, предпочтительно, составляет в интервале 30-300 кг/м, более предпочтительно, составляет менее, чем 180 кг/м.
Диаметр частиц: составляет в интервале 0,001-10 мм, предпочтительно, составляет в интервале 0,01-4 мм.
Диаметр пор: составляет в интервале 0,1-500 нм, в особенности, составляет менее, чем 200 нм, более предпочтительно, составляет менее, чем 100 нм, в частности, составляет в интервале 1-100, предпочтительно, составляет в интервале 10-50 нм.
3
В особенности, предпочтительные нанопористые частицы представляют собой нанопористые гидрофобные частицы на основе диоксида кремния, которые, по существу, состоят из аморфного диоксида кремния, который может дополнительно включать в свой состав органические соединения. Наиболее предпочтительно, данные нанопористые частицы характеризуются величиной функции лямбда при атмосферном давлении, составляющей в интервале 9-12 мВт/м⋅К при 25°С, наряду с низкой плотностью, составляющей приблизительно 140 кг/м.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, органические волокна природного происхождения выбирают из органического материала природного происхождения, разрезаемого на небольшие куски, или присутствующего в виде волокон или проволок и содержащего в своей структуре реакционноспособные по отношению к изоцианатам функциональные группы (гидроксильные функциональные группы и/или аминные функциональные группы) и необязательно включающие в состав материала влагу, которая вступает во взаимодействие с NCO-функциональными группами изоцианатного связующего соединения. Органический материал природного происхождения может быть выбран из древесных или бамбуковых волокон, например, может быть выбран из сосновых волокон (как правило, используемых в составе композиционных древесных плит), но, в принципе, изобретение применимо к любому типу древесных волокон/чипсов/частиц, даже применимо ко всем типам волокон природного происхождения.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, связующее соединение включает в свой состав эмульгируемый полиизоцианат, который представляет собой продукт взаимодействия более чем 95% масс. полиизоцианатов и менее чем 5% масс. моноалкилэфиров и/или полиэтиленгликолей, в расчете на общую массу эмульгируемого полиизоцианата,и в котором полиизоцианат, предпочтительно, выбирают из ароматического диизоцианата или полиизоцианата, характеризующегося более высокой функциональностью, в частности, выбирают из сырьевой смеси включающей содержащие в своей структуре мостиковые метиленовые фрагменты полифенилполиизоцианаты, включающей в свой состав диизоцианаты, триизоцианат и полиизоцианаты характеризующиеся более высокой функциональностью, или выбирают из форполимеров, концевые звенья которых содержат в своей структуре изоцианатные функциональные группы, получаемых в результате взаимодействия избытка диизоцианата, или в результате взаимодействия характеризующегося большей функциональностью полиизоцианата со сложным полиэфиром, концевые звенья которого содержат в своей структуре гидроксильные функциональные группы, или взаимодействия с полиэфиром, концевые звенья которого содержат в своей структуре гидроксильные функциональные группы, и выбирают из продуктов, получаемых в результате взаимодействия избытка диизоцианата или характеризующегося большей функциональностью полиизоцианата с мономерным полиолом или смесью мономерных полиолов, таких как этиленгликоль, триметилолпропан или бутандиол.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, эмульгируемый полиизоцианат представляет собой продукт взаимодействия полиизоцианата и водорастворимых полиолов, предпочтительно, указываемые полиолы выбирают из моноалкилэфиров и/или полиэтиленгликолей. Количественное содержание водорастворимых полиолов, предпочтительно, составляет в пределах до 20% масс., более предпочтительно, составляет в пределах до 10% масс. и наиболее предпочтительно, в пределах до 5% масс., в расчете на общую массу полиизоцианата и полиола.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, эмульгируемый полиизоцианат может представлять собой продукт взаимодействия более чем 95% масс. полиизоцианатов и более чем 5% масс. моноалкилэфиров и/или полиэтиленгликолей. Например, удовлетворяющей требованиям э-МДИ изготовляют из 97% масс. полимерного МДИ и 3% масс. метоксиполиэтиленгликоля (МПЭГ, например МПЭГ 750).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, количественное содержание воды, используемой при изготовлении связующего соединения (эмульсия э-МДИ в воде), может варьироваться. Как правило, величина массового соотношения вода: эмульгируемый полиизоцианат составляет по меньшей мере, 0,5: 1. Предпочтительно, присутствует избыток воды, при этом избыточное количественное содержание (масса) воды в составе связующего соединения может в 500 раз превышать массу эмульгируемого полиизоцианата (величина соотношения вода: эмульгируемый полиизоцианат составляет 500: 1).
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, количественное содержание связующего соединения в составе получаемого композиционного материала составляет приблизительно 6% масс., в расчете на общую массу конечного (высушиваемого и подвергаемого отверждению) композиционого материала.
Связующее соединение дополнительно характеризуется наличием включений дополнительных количеств поверхностно-активного вещества (например, кремний-органических поверхностно-активных веществ) в составе рецептур. Количественное содержание поверхностно-активного вещества, добавляемого к связующему соединению, составляет максимум до 5% масс., в расчете на общую массу поверхностно-активного вещества и воды. Предпочтительно, количественное содержание поверхностно-активного вещества в составе связующего соединения составляет менее 1% масс., в расчете на общую массу поверхностно-активного вещества и воды.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, приводится описание способа использования армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, приводится описание способа использования армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения в соответствии с настоящим изобретением в качестве теплоизоляции. Упоминаемые композиционные материалы характеризуются величиной функции лямбда, составляющей менее, чем 35 мВт/м⋅К, предпочтительно, составляющей в интервале 15-30 мВт/м⋅К. Способ использования в качестве теплоизоляции может предполагать использования в виде теплоизоляционных панелей или использования в виде сложных трехмерных инкапсулирующих форм, в котором используются определенные пресс-формы, удовлетворяющие требованиям для инкапсулирования сложных трехмерных форм.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, приводится описание способа использования армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения в соответствии с настоящим изобретением в качестве акустической изоляции. Способ использования в качестве акустической изоляции может предполагать использования в виде акустических изоляционных панелей или использования в виде сложных трехмерных инкапсулирующих форм, в котором используются определенные пресс-формы удовлетворяющие требованиям для инкапсулирования сложных трехмерных форм.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, приводится описание способа использования армированного композиционного материала на основе органических волокон природного происхождения в соответствии с настоящим изобретением в качестве акустической и тепловой изоляции. Способ использования в качестве акустической и тепловой изоляции может предполагать использования в виде акустических и теплоизоляционных панелей или использования в виде сложных трехмерных инкапсулирующих форм, в котором используются определенные пресс-формы удовлетворяющие требованиям для инкапсулирования сложных трехмерных форм.
ПРИМЕРЫ
Используемые Соединения:
- Продукт под торговым наименованием Suprasec 1042: эмульгируемый МДИ, доступный от компании Huntsman.
- Продукт под торговым наименованием Tegostab B8715LF2: кремний-органическое поверхностно-активное вещество, доступное от компании Evonik Industries.
3
- Продукт под торговым наименованием Enova IC3120: частицы аэрогеля диоксида кремния, доступные от компании Cabot (плотность частиц ~ 140 кг/м, размер частиц 0,1-1,2мм)
- Сосновые древесные волокна: средняя толщина ~ 30 микрон, средняя длина ~ 5 миллиметров.
Методы испытаний:
- Испытания на сжатие проводят в соответствии со стандартным методом испытаний ISO844 с использованием образцов с круговым поперечным сечением (диаметр 6 см, без снятия расположенных сверху/снизу листов бумажной обкладки) с помощью универсального прибора Instron 5566 Testing Machine, с использованием пластин диаметром 15 см. Регистрировали полные кривые зависимости деформации от напряжения и значения напряжения при 15%-сжатии представлены в Таблице 1.
3
3
- Испытания на изгиб проводят в соответствии со стандартным методом испытаний ISO1209 с использованием образцов с прямоугольным поперечным сечением (габариты 12 × 2 × 1см, вырезаемых из панелей композиционного материала с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см, после снятия расположенных сверху/снизу листов бумажной обкладки) с помощью универсального прибора Instron 5566 Testing Machine и статической 3-точечной подставки для проведения испытаний на изгиб. Регистрировали полные кривые зависимости деформации от напряжения и максимальные значения напряжения (т.е. значения прочность на изгиб) представлены в Таблице 1.
3
- Теплопроводность (величину функции лямбда в единицах мВт/м⋅К) измеряют в соответствии со стандартным методом испытаний ISO8301 с использованием высушенной панели композиционного материала с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см (без снятия расположенных сверху/снизу листов бумажной обкладки) с помощью прибора линейки Lasercomp модели Fox200. Средняя температура, при которой проводят измерения, составляет 10°C, и нижнюю и верхнюю пластины выдерживают при 20° C и 0°C, соответственно.
3
3
- Испытание на огнеустойчивость проводят в соответствии с методикой с использованием малой горелки или в соответствии с испытанием B-2 (стандарт с номером DIN 4102 - Часть 1) с использованием образцов с прямоугольным поперечным сечением (габариты 19 × 9 × 1см, вырезаемых из панелей композиционного материала с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см после снятия расположенных сверху/снизу листов бумажной обкладки).
3
3
- Плотность (кг/м) измеряют в соответствии со стандартным методом испытаний ISO845 с использованием высушенной панели композиционного материала с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см (после снятия листов бумажной обкладки) путем деления массы панели на ее объем.
- Величину коэффициента демпфирования (в ходе акустического испытания) измеряют с использованием образцов с круговым поперечным сечением (диаметр 6 см, без снятия расположенных сверху/снизу листов бумажной обкладки). Экспериментальная установка включает в себя шейкер, столик, расположенный на верхней части шейкера, груз и акселерометры. Образцы располагают на шейкере между столиком и грузом. Акселерометры располагают как на столике, так и на грузе (50 г, с учетом акселерометра). Синусоидальные волны с частотами в интервале 0,5-200 Гц направляют на столик. Регистрируемые данные выражают отношение ускорения груза к ускорению столика. Значения коэффициентов демпфирования определяют путем подбора данных по модели Кельвина - Фойгта.
3
Сравнительный пример 1: Изготовление композиционного материала на основе древесных волокон (плотность 179 кг/м), свободного от частиц аэрогеля
Продукт под торговым наименованием Suprasec 1042 (0,38 г), продукт под торговым наименованием Tegostab B8715LF2 (0,08 г) и воду (145 г) смешивают в пластиковом 1-литровом стакане с помощью смесителя модели Heidolph (~ 500 об/мин) в течение 5 минут до образованием эмульсии. Сосновые древесные волокна (7,25 г) затем добавляют к эмульсии и перемешивают с помощью такого же смесителя (500 об/мин) в течение 30 минут. Получаемую смесь затем переносят в предварительно нагреваемую (110°C) алюминиевую круговую пресс-форму для прямого прессования (диаметр 6 см, толщина 1,5 см, включающая в себя небольшие вентиляционные отверстия на верхней, нижней и боковых стенках), содержащую в нижней части лист бумажной обкладки. Другой лист бумажной обкладки располагают на верхней части смеси и пресс-форму затем закрывают с помощью зажимной скобы. Композиционный материал на основе древесины/связующего соединения/аэрогеля далее отверждают и высушивают в печи, температуру в которой устанавливают на уровне 110°С, в течение 6 часов. После охлаждения пресс-формы до комнатной температуры (дополнительно ~ 1 час), сухой самонесущий жесткий композиционный образец с круговым поперечным сечением (диаметр 6 см) легко удаляют из пресс-формы. Визуальный осмотр позволяет заключить однородное распределение древесины/аэрогеля в образце. Данный образец с круговым поперечным сечением используют для проведения испытаний на сжатие и акустических испытаний.
3
3
В целях определения величины функции лямбда, проведения испытаний на изгиб и испытаний на малой горелке, синтезируют панели композиционного материала с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см того же состава в соответствии с той же процедурной последовательностью с использованием 5-литрового пластиковые ведра, пресс-формы с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см и следующих количеств компонентов: 3,42 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,68 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 1300 г воды; 65г сосновых древесных волокон.
Подвергнутый отверждению и высушенный состав композиционного материала и его характеристики приводятся в Таблице 1.
3
Пример 1: Изготовление армированного композиционного материала на основе древесного волокна (плотность 165 кг/м) в соответствии с настоящим изобретением, включающего в свой состав ~ 37,5% масс. частиц аэрогеля.
Продукт под торговым наименованием Suprasec 1042 (0,38 г), продукт под торговым наименованием Tegostab B8715LF2 (0,08 г) и воду (145 г) смешивают в пластиковом 1-литровом стакане с помощью смесителя модели Heidolph (~ 500 об/мин) в течение 5 минут до образованием эмульсии. Сосновые древесные волокна (4,35 г) затем добавляют к эмульсии и перемешивают с помощью такого же смесителя (500 об/мин) в течение 30 минут. Частицы продукта под торговым наименованием Enova IC3120 затем добавляют (2,90 г) и осторожно вручную смешивают с помощью шпателя в течение нескольких минут до образованием однородного распределения древесных волокон/частиц аэрогеля. Получаемую смесь затем переносят в предварительно нагреваемую (110° C) алюминиевую круговую пресс-форму для прямого прессования (диаметр 6 см, толщина 1,5 см, включающая в себя небольшие вентиляционные отверстия на верхней, нижней и боковых стенках), содержащую в нижней части лист бумажной обкладки. Другой лист бумажной обкладки располагают на верхней части смеси и пресс-форму затем закрывают с помощью зажимной скобы. Композиционный материал на основе древесины/связующего соединения/аэрогеля далее отверждают и высушивают в печи, температуру в которой устанавливают на уровне 110°С, в течение 6 часов. После охлаждения пресс-формы до комнатной температуры (дополнительно ~ 1 час), сухой самонесущий жесткий композиционный образец с круговым поперечным сечением (диаметр 6 см) легко удаляют из пресс-формы. Визуальный осмотр позволяет заключить однородное распределение древесины/аэрогеля в образце. Данный образец с круговым поперечным сечением используют для проведения испытаний на сжатие и акустических испытаний.
3
3
В целях определения величины функции лямбда, проведения испытаний на изгиб и испытаний на малой горелке, синтезируют панели композиционного материала с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см того же состава в соответствии с той же процедурной последовательностью с использованием 5-литрового пластикового ведра, пресс-формы с габаритами 19,5 × 19,5 × 1см и следующих количеств компонентов: 3,42 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,68 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 1300 г воды; 39 г сосновых древесных волокон, 26 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
Подвергнутый отверждению и высушенный состав композиционного материала и его характеристики приводятся в Таблице 1.
3
Пример 2: Изготовление армированного композиционного материала на основе древесного волокна (плотность 165 кг/м) в соответствии с настоящим изобретением, включающего в свой состав ~ 56,5% масс. частиц аэрогеля.
Повторно проводят те же экспериментальные процедурные последовательности, как в Примере 1, с использованием следующих количеств компонентов:
- Образец с круговым поперечным сечением: 0,38 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,08 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 145 г воды; 2,90 г сосновых древесных волокон; 4,35 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
- Панель: 3,42 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,68 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 1300 г воды; 26 г сосновых древесных волокон; 39 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
Получают образцы сухих самонесущих жестких композиционных материалов.
3
Пример 3: Изготовление армированного композиционного материала на основе древесного волокна (плотность 153 кг/м) в соответствии с настоящим изобретением, включающего в свой состав ~ 75% масс. частиц аэрогеля.
Повторно проводят те же экспериментальные процедурные последовательности, как в Примере 1, с использованием следующих количеств компонентов:
- Образец с круговым поперечным сечением: 0,38 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,08 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 145 г воды; 1,45 г сосновых древесных волокон; 5,8 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
- Панель: 3,42 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,68 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 1300 г воды; 13 г сосновых древесных волокон; 52 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
Получают образцы сухих самонесущих жестких композиционных материалов.
3
Сравнительный пример 2: Изготовление композиционного материала на основе древесных волокон (плотность 110 кг/м), свободного от частиц аэрогеля
Повторно проводят те же экспериментальные процедурные последовательности, как в Сравнительном примере 1, с использованием следующих количеств компонентов:
- Образец с круговым поперечным сечением: 0,25 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,05 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 97 г воды; 4,83 г сосновых древесных волокон.
- Панель: 2,28 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,46 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 867 г воды; 43,35 г сосновых древесных волокон.
Получают образцы самонесущих жестких композиционных материалов.
3
Пример 4: Изготовление армированного композиционного материала на основе древесного волокна (плотность 154 кг/м) в соответствии с настоящим изобретением, включающего в свой состав ~ 28% масс. частиц аэрогеля.
Повторно проводят те же экспериментальные процедурные последовательности, как в Примере 1, с использованием следующих количеств компонентов:
- Образец с круговым поперечным сечением: 0,36 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,07 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 137 г воды; 4,38 г сосновых древесных волокон; 2,02 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
- Панель: 3,23 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,65 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 1228 г воды; 43,3 г сосновых древесных волокон; 18,1 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
Получают образцы самонесущих жестких композиционных материалов.
3
Пример 5: Изготовление армированного композиционного материала на основе древесного волокна (плотность 194 кг/м) в соответствии с настоящим изобретением, включающего в свой состав ~ 42,5% масс. частиц аэрогеля.
Повторно проводят те же экспериментальные процедурные последовательности, как в Примере 1, с использованием следующих количеств компонентов:
- Образец с круговым поперечным сечением: 0,47 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,09 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 177 г воды; 4,85 г сосновых древесных волокон; 4,01 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
- Панель: 4,18 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 0,84 г продукта под торговым наименованием Tegostab B8715LF2; 1590 г воды; 43,5 г сосновых древесных волокон; 35,97 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
Получают образцы самонесущих жестких композиционных материалов.
Сравнительный пример 3: Изготовление армированного композиционного материала на основе древесного волокна, включающего в свой состав ~ 76% масс. частиц аэрогеля и свободного от поверхностно-активного вещества.
Повторно проводят те же экспериментальные процедурные последовательности, как в Примере 3, с использованием следующих количеств компонентов:
- Образец с круговым поперечным сечением: 0,38 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 145 г воды; 1,45 г сосновых древесных волокон; 5,8 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
- Панель: 3,42 г продукта под торговым наименованием Suprasec 1042; 1300 г воды; 13 г сосновых древесных волокон; 52 г продукта под торговым наименованием Enova IC3120.
Встраивание частиц под торговым наименованием Enova между древесными волокнами является неоднородным, что приводит к получению не обладающего практической значимостью не самонесущего композиционного материала.
Таблица 1: Составы композиционных материалов и их характеристики
Массовая доля в % древесины
Массовая доля % аэрогеля
Массовая доля % связующего соединения
Плотность (кг/м<sup>3</sup>)
Теплопроводность (мВт/м⋅К при 10°C)
Прочность на сжатие при 15%-сжатии (кПа)
Прочность на изгиб (кПа)
Испытание по методике B2 (высота пламени по прошествии 15 с, см)
Коэффициент демпфирования (акустическое испытание)
Сравнительный пример 1
~94
0
~6
179
47,7
139
184
8a
н.и.
Пример 1
~56,5
~37,5
~6
165
30,0
134
169
4b
н.и.
Пример 2
~37,5
~56,5
~6
163
22,9
124
75
4b
н.и.
Пример 3
~19
~75
~6
153
18,1
115
c
2b
н.и.
Сравнительный пример 2
~94
0
~6
110
41,8
40
c
8a
0,140
Пример 4
~66
~28
~6
154
33,6
120
c
3b
н.и.
Пример 5
~51,5
~42,5
~6
194
25,5
217
143
4b
0,180
Сравнительный пример 3
~19
~76
~5
н.и.
н.и.
н.и.
н.и.
н.и.
н.и.
н.и.: измерение не проводилось
a: образец продолжает гореть после перекрытия струи пламени (высота пламени по прошествии 20 с > 15 см)
b: образец самопроизвольно затухает после перекрытия струи пламени
c: значение слишком низкое для регистрации
Выводы:
- Включение в состав композиционных материалов частиц аэрогеля приводит к значительно меньшим величинам функции лямбда (величинам, значительно меньшим 35 мВт/м⋅К, составляющим приблизительно на уровне 18,1 мВт/м⋅К, в случае Примера 3), по сравнению со свободными от аэрогеля композиционными материалами (Сравнительные Примеры 1 и 2, величина функции лямбда > 40 мВт/м⋅К).
- Включение в состав композиционных материалов частиц аэрогеля приводит к значительно лучшим результатам испытаний на огнестойкость (см. тесты B2), по сравнению со свободными от аэрогеля композиционными материалами (Сравнительные Примеры 1 и 2).
- Для случая Сравнительных примеров 1 и 2 подтверждено, что величина функции лямбда свободных от аэрогеля композиционных материалов снижается до некоторой степени при снижении плотности, но это также несет негативные последствия для механических характеристик (см. механическое напряжение при 15%-сжатии, а также данные по прочности на изгиб). В противоположность этому, из рассмотрения Сравнительного Примера 2, Примера 4 и Примера 5 ясно, что включение в состав частиц аэрогеля не только приводит к падению величины функции лямбда, но и к значительному повышению плотности, а также к улучшенным механическим характеристикам.
- В Примере 3 и в Сравнительном Примере 3 показано, что присутствие в составе поверхностно-активного вещества представляется необходимым для однородного встраивания частиц аэрогеля между древесными волокнами и для получения самонесущих композиционных материалов.
- Касаемо акустических испытаний: из рассмотрения Сравнительного Примера 2 и Примера 5, включение в состав частиц аэрогеля приводит к улучшению демпфированию. Улучшение демпфирования на 28% достигается за счет включения в состав частиц аэрогеля.