Область изобретения
Изобретение относится к жаростойкому изоляционному композитному материалу и способу его получения.
Предпосылки изобретения
Различные материалы использовались со связующими системами для получения изоляционных материалов типа связующих, наполненных частицами. Например, частицы аэрогеля соединяли с водными связующими для получения изоляционных материалов с хорошими тепло- и звукоизолирующими свойствами; однако эти системы обычно не обеспечивают достаточную долговечность или термостойкость, и ограничены в своем составе водными связующими, которые не проникают в гидрофобные поры частиц аэрогеля. Также материалы, содержащие аэрогель, имеют тенденцию быть более дорогими, чем другие типы дисперсных наполнителей. Другие материалы, такие как микросферические шарики, перлит, глины и различные другие дисперсные наполнители, также применялись в комбинации со связующими для получения изоляционных материалов. Некоторые из таких материалов применялись вместе со вспученными (например, обугливающимися) слоями для получения определенной степени огнестойкости.
Тем не менее остается потребность в изоляционном материале, который обеспечивает хорошую тепло- и/или звуковую изоляцию вместе с улучшенной долговечностью и термостойкостью, пониженной стоимостью и гибкостью в составе и применении. Изобретение предлагает такой материал, а также способ получения такого материала. Эти и другие преимущества изобретения, а также дополнительные свойства изобретения будут ясны из имеющегося здесь описания изобретения.
Краткое описание изобретения
Изобретением является жаростойкий изоляционный композитный материал, содержащий, в основном, состоящий из или состоящий из (а) изоляционного основного слоя, содержащего, в основном, состоящего из или состоящего из полых непористых частиц, связующей матрицы и, возможно, одного пенообразователя, и (b) одного теплоотражающего слоя, содержащего, в основном, состоящего из или состоящего из защитного связующего и агента, отражающего инфракрасный свет, причем жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность около 50 мВт/(м·К) или менее. Также предлагается способ получения жаростойкого изоляционного композитного материала, причем этот способ включает, состоит, в основном, из или состоит из (а) создания на подложке изоляционного основного слоя, содержащего, в основном, состоящего из или состоящего из полых непористых частиц, связующей матрицы и, возможно, пенообразователя, и (b) нанесения на поверхность изоляционного основного слоя одного теплоотражающего слоя, содержащего, в основном, состоящего из или состоящего из защитного связующего и агента, отражающего инфракрасный свет, причем жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или менее,
Подробное описание изобретения
Жаростойкий изоляционный композитный материал
Жаростойкий изоляционный композитный материал настоящего изобретения состоит в основном из или состоит из (а) изоляционного основного слоя, содержащего, в основном состоящего или состоящего из полых непористых частиц, связующей матрицы и, возможно, пенообразователя, и (b) теплоотражающего слоя, содержащего, в основном состоящего из или состоящего из защитного связующего и агента, отражающего инфракрасный свет, причем жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или менее.
В связи с данным изобретением можно использовать любой тип полых непористых частиц, в том числе материалы, называемые микросферическими шариками, микросферами, микропузырьками, ценосферами и другими терминами, обычно используемыми в данной области. Термин "непористый", как он используется в данном изобретении, означает, что стенка полой частицы не позволяет связующей матрице входить во внутренний объем полой частицы в какой-либо значительной степени. Под "значительной степенью" понимается количество, которое увеличило бы теплопроводность частицы или изоляционного композитного материала. Полые непористые частицы могут быть сделаны из любого подходящего материала, включая органические и неорганические материалы, предпочтительно они сделаны из материала с относительно низкой теплопроводностью. Органические материалы включают, например, материалы из сополимера винилиденхлорида/акрилонитрила, фенольные материалы, мочевиноформальдегидные материалы, полистирольные материалы или термопластичные смолы. Неорганические материалы включают, например, стекло, окись кремния, окись титана, окись алюминия, кварц, зольную пыль и керамические материалы. Кроме того, жаростойкий изоляционный композитный материал может содержать смесь любых из вышеупомянутых типов полых непористых частиц (например, неорганические и органические полые непористые частицы). Внутренний объем полой частицы обычно содержит газ, такой как воздух (т.е. полые частицы могут содержать оболочку из непористого материала, внутри которой инкапсулирован газ). Подходящие полые непористые частицы имеются в продаже. Примеры подходящих полых непористых частиц включают стеклянные микросферы Scotchlite™ и керамические микросферы Zeeospheres™ (все производства 3M, Inc.). Подходящие полые непористые частицы включают также микросферы EXPANCEL® (производства Akzo Nobel), которые состоят из оболочки из термопластичной смолы, внутри которой инкапсулирован газ.
Размер полых непористых частиц будет зависеть отчасти от желаемой толщины жаростойкого изоляционного композитного материала. Для целей изобретения термины "размер частицы" и "диаметр частицы" используются как синонимы. Обычно более крупные частицы обеспечивают более сильную теплоизоляцию; однако частицы должны быть относительно маленькими по сравнению с толщиной жаростойкого изоляционного композитного материала (например, изоляционного основного слоя жаростойкого изоляционного композитного материала), чтобы позволить связующей матрице окружить частицы и образовать матрицу. В большинстве приложений можно использовать полые непористые частицы, имеющие средний диаметр (по весу) около 5 мм или меньше (например, порядка 0,01-5 мм). Обычно частицы будут иметь средний диаметр (по весу) примерно 0,001 мм или больше (например, примерно 0,005 мм или больше, или примерно 0,01 мм или больше). Предпочтительно частицы имеют средний диаметр (по весу) примерно 3 мм или меньше (например, примерно 0,015-3 мм, примерно 0,02-3 мм, или примерно 0,1-3 мм), или примерно 2 мм или меньше (например, примерно 0,015-2 мм, примерно 0,02-2 мм, примерно 0,5-2 мм или примерно 1-1,5 мм).
Полые непористые частицы, используемые согласно изобретению, могут иметь узкое распределение частиц по размерам. Например, полые непористые частицы могут иметь такое распределение по размерам, что по меньшей мере примерно 95% частиц (по весу) имеют диаметр примерно 5 мм или меньше (например, примерно 0,01-5 мм), предпочтительно примерно 3 мм или меньше (например, примерно 0,01-3 мм, примерно 0,015-3 мм, примерно 0,02-3 мм или примерно 0,1-3 мм) или даже примерно 2 мм или меньше (например, примерно 0,01-2 мм, примерно 0,015-2 мм, примерно 0,02-2 мм, примерно 0,5-2 мм или примерно 1-1,5 мм). Желательно, чтобы частицы были почти сферическими по форме. Также полые непористые частицы могут иметь бимодальное распределение по размерам, причем средние размеры частиц бимодального распределения частиц по размерам могут быть любыми из описанных выше средних размеров. Желательно, чтобы отношение средних размеров частиц бимодального распределения по размерам составляло по меньшей мере примерно 8:1, например, по меньшей мере примерно 10:1, или даже по меньшей мере примерно 12:1.
В жаростойком изоляционном композитном материале может использоваться любое количество полых непористых частиц. Например, жаростойкий изоляционный композитный материал (например, изоляционный основной слой жаростойкого изоляционного композитного материала) может содержать примерно 5-99 об.% полых непористых частиц от полного объема жидкой/твердой фазы изоляционного основного слоя. Полный объем жидкой/твердой фазы изоляционного основного слоя может быть определен путем измерения объема смешанных жидких и твердых компонентов изоляционного основного слоя (например, полых непористых частиц, связующей матрицы, пенообразователя и т.д.). Если изоляционный основной слой (например, связующая матрица изоляционного основного слоя) должен быть вспенен, общий объем жидкой/твердой фазы изоляционного основного слоя равен объему объединенных жидких и твердых компонентов изоляционного основного слоя до вспенивания. Конечно, когда доля полых непористых частиц увеличивается, теплопроводность жаростойкого изоляционного композитного материала снижается, приводя тем самым к улучшенным теплоизоляционным характеристикам; однако механическая прочность и целостность изоляционного основного слоя уменьшаются с увеличением доли полых непористых частиц из-за уменьшения относительного количества используемой связующей матрицы. Соответственно часто желательно использовать примерно 50-95 об.% полых непористых частиц в изоляционном основном слое, более предпочтительно примерно 75-90 об.% полых непористых частиц.
Изоляционный основной слой жаростойкого изоляционного композитного материала может включать любую подходящую связующую матрицу. Связующая матрица может быть водным или неводным связующим, хотя, благодаря легкости их применения, предпочтительны водные связующие. Используемый здесь термин "водное связующее" относится к связующему, которое до того как его используют для приготовления изоляционного основного слоя, является растворенным в воде или диспергированным в воде. Следовательно, нужно понимать, что термин "водное связующее" используется для обозначения водного связующего в его влажном или сухом состоянии (например, перед или после того, как водное связующее было высушено или отверждено, когда связующее больше не содержит воды), даже если после того, как оно было высушено или отверждено, водное связующее может больше не быть диспергированным или растворенным в воде. Предпочтительными водными связующими матрицами являются такие, которые после сушки дают водостойкий связующий состав. Подходящие неводные связующие матрицы включают акриловые волокна, эпоксидные смолы, связующие из поливинилбутираля, связующие из полиэтиленоксида, алкиды, полиэфиры, ненасыщенные полиэфиры и другие неводные смолы. Подходящие водные связующие матрицы включают, например, акриловые связующие, силиконсодержащие связующие, фенольные связующие, связующие из винилацетата, связующие из сополимера этилена и винилацетата, связующие из сополимера стирола и акрилата, бутадиен-стирольные связующие, связующие из поливинилового спирта, связующие из поливинилхлорида и акриламидные связующие, а также их смеси и сополимеры. Предпочтительными водными связующими являются водные акриловые связующие. Связующая матрица, водная или неводная, может использоваться одна или в комбинации с подходящими сшивающими агентами.
Изоляционный основной слой жаростойкого изоляционного композитного материала может содержать любое количество связующей матрицы. Например, изоляционный основной слой может содержать 1-95 об.% связующей матрицы от полного объема жидкой/твердой фазы изоляционного основного слоя. Конечно, если доля связующей матрицы увеличивается, доля полых непористых частиц обязательно снижается, и в результате увеличивается теплопроводность изоляционного основного слоя. Соответственно желательно использовать только столько связующей матрицы, сколько требуется для достижения желательного значения механической прочности. Для большинства приложений изоляционный основной слой содержит примерно 1-50 об.% связующей матрицы или примерно 5-25 об.% связующей матрицы, или даже примерно 5-10 об.% связующей матрицы.
Изоляционный основной слой может содержать глушители, которые снижают теплопроводность изоляционного основного слоя. Может использоваться любой подходящий глушитель, включая, без ограничений, сажу, углеродное волокно, окись титана или модифицированные углеродистые компоненты, какие описаны, например, в документе WO 96/18456 А2.
Изоляционный основной слой, помимо связующей матрицы и полых непористых частиц, предпочтительно содержит пенообразователь. Не желая привязываться к какой-либо конкретной теории, полагают, что пенообразователь улучшает адгезию между связующей матрицей и полыми непористыми частицами. Также считается, что пенообразователь улучшает реологию связующей матрицы (например, приложений с напылением) и, в частности, позволяет связующей матрице вспениваться при взбалтывании или перемешивании (например, ценообразовании) объединенных связующей матрицы и пенообразователя до или после введения полых непористых частиц, хотя пенообразователь может применяться без вспенивания связующего. Кроме того, вспененное связующее может благоприятно использоваться для получения вспененного изоляционного основного слоя, имеющего более низкую плотность, чем невспененный основной слой.
Хотя использование пенообразователя позволяет вспенить связующую матрицу взбалтыванием или смешением, связующая матрица может, конечно, быть вспененной при использовании других способов, с или без применения пенообразователя. Например, связующая матрица может быть вспенена, применяя сжатые газы или сжатые жидкости, или связующее может быть вспенено путем пропускания связующего через сопло (например, сопло, которое создает высокосдвиговый или турбулентный поток).
В изоляционном основном слое может быть использован любой подходящий пенообразователь. Подходящие пенообразователи включают, без ограничений, ПАВ, усиливающие пену (например, неионные, катионные, анионные и цвиттер-ионные ПАВ), а также другие имеющиеся в продаже агенты, усиливающие пену, или их смеси. Пенообразователь должен присутствовать в количестве, достаточном для того, чтобы связующая матрица могла быть вспенена, если такое вспенивание желательно. Предпочтительно применяется примерно 0,1-5 вес.%, например, примерно 0,5-2 вес.% пенообразователя.
Изоляционный основной слой может также содержать армирующие волокна. Армирующие волокна могут придавать дополнительную механическую прочность изоляционному основному слою и соответственно изоляционному композитному материалу. Могут использоваться волокна любого подходящего типа, такие как стекловолокно, окись алюминия, фосфат кальция, минеральная вата, волластонит, керамика, целлюлоза, уголь, хлопковая вата, полиамид, полибензимидазол, полиарамид, акриловые, фенольные, сложные полиэфирные, полиэтиленовые волокна, волокна из полиэфир-эфиркетона, полипропилена и других типов полиолефинов или их смеси. Предпочтительные волокна жаростойки и огнеупорны, как волокна, которые не содержат взвешенных частиц. Волокна могут также быть такими, которые отражают инфракрасное излучение, такие как углеродные волокна, металлизированные волокна или волокна других подходящих материалов, отражающих инфракрасное излучение. Волокна могут быть в виде индивидуальных прядей любой подходящей длины, которые могут наноситься, например, напылением волокон на основу вместе с другими компонентами изоляционного основного слоя (например, смешивая волокна с одним или более другими компонентами изоляционного основного слоя до напыления) или раздельным напылением волокон на подложку. Альтернативно, волокна могут быть в виде полотна или сеток, которые могут быть нанесены, например, на подложку, а другие компоненты изоляционного основного слоя могут быть напылены, намазаны или нанесены на полотно или сетку каким-либо другим способом. Волокна могут применяться в любом количестве, достаточном, чтобы дать желательное для конкретного приложения, в котором будет использоваться жаростойкий изоляционный композитный материал, значение механической прочности. Обычно волокна присутствуют в изоляционном основном слое в количестве примерно 0,1-50 вес.%, желательно, в количестве примерно 0,5-20 вес%, как, например, в количестве примерно 1-10 вес.% от веса изоляционного основного слоя.
Изоляционный основной слой может иметь любую желаемую толщину. Жаростойкие изолирующие композитные материалы, содержащие более толстый изоляционный основной слой, имеют лучшие тепло- и/или звукоизолирующие свойства; однако жаростойкий изоляционный композитный материал изобретения позволяет использовать относительно тонкий изоляционный основной слой, тем не менее, обеспечивая превосходные тепло- и/или звукоизолирующие свойства. Для большинства приложений изоляционный основной слой толщиной примерно 1-15 мм, такой как примерно 2-6 мм, обеспечивает достаточную изоляцию.
Теплопроводность изоляционного основного слоя будет частично зависеть от конкретной рецептуры, используемой для получения изоляционного основного слоя. Желательно, чтобы изоляционный основной слой составлялся так, чтобы после сушки имел теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или меньше. Предпочтительно изоляционный основной слой получают так, чтобы после сушки иметь теплопроводность примерно 45 мВт/(м·К) или меньше, более предпочтительно примерно 42-44 мВт/(м·К) или меньше, или даже примерно 40 мВт/(м·К) или меньше (например, примерно 35 мВт/(м·К)).
Аналогично, плотность изоляционного основного слоя будет зависеть частично от конкретной рецептуры, используемой для получения изоляционного основного слоя. Предпочтительно изоляционный основной слой составляется так, чтобы после сушки иметь плотность примерно 0,5 г/см3 или меньше, более предпочтительно примерно 0,1 г/см3 или меньше, наиболее предпочтительно примерно 0,08 г/см3 или меньше, как, например, примерно 0,05 г/см3 или меньше.
Теплоотражающий слой жаростойкого изоляционного композитного материала содержит защитное связующее. Теплоотражающий слой придает более высокую степень механической прочности жаростойкому изоляционному композитному материалу и/или защищает изоляционный основной слой от разрушения из-за одного или нескольких факторов окружающей среды (например, тепло, влажность, трение, удары и т.д.). Защитным связующим может быть любое подходящее связующее, которое устойчиво к конкретным условиям (например, теплу, нагрузке, влажности и т.д.), которым будет подвергаться жаростойкий изоляционный композитный материал. Таким образом, выбор связующего будет зависеть частично от конкретных свойств, желательных в жаростойком изоляционном композитном материале. Защитное связующее может быть тем же, что и связующая матрица изоляционного основного слоя или другим. Подходящие связующие включают водные и неводные натуральные и синтетические связующие. Примеры таких связующих включают любые из водных и неводных связующих, подходящих для использования в изоляционном основном слое, какие были описаны здесь ранее. Предпочтительными связующими являются водные связующие, такие как водные акриловые связующие. Особенно предпочтительны самосшивающиеся связующие, такие как самосшивающиеся акриловые связующие. Теплоотражающий слой может содержать полые непористые частицы или может почти не содержать, или совсем не содержать полых непористых частиц. Под термином "почти не содержащий полые непористые частицы" подразумевается, что теплоотражающий слой содержит полые непористые частицы в количестве примерно 20 об.% или меньше, как, например, примерно 10 об.% или меньше, или даже примерно 5 об.% или меньше (например, примерно 1 об.% или меньше).
Агент, отражающий инфракрасный свет, может быть любым соединением или составом, который отражает или другим образом блокирует инфракрасное излучение, включая глушители, такие как углеродистые материалы (например, сажа), углеродные волокна, оксид титана (рутил), шпинельные пигменты и другие металлические и неметаллические частицы, пигменты и волокна и их смеси. Предпочтительные отражающие инфракрасный свет агенты включают металлические частицы, пигменты и пасты, такие как алюминий, нержавеющая сталь, бронза, медно-цинковые сплавы и сплавы меди и хрома. Особенно предпочтительны алюминиевые частицы, пигменты и пасты. Чтобы предотвратить осаждение отражающего инфракрасный свет агента в защитном связующем, теплоотражающий слой преимущественно содержит антиосадитель. Подходящие антиосадители включают имеющиеся в продаже коллоидальные оксиды металлов, глины и органические суспендирующие агенты. Предпочтительными антиосадителями являются коллоидальные оксиды металлов, такие как коллоидальная окись кремния, и глины, такие как гекториты. Теплоотражающий слой может также содержать смачиватель, такой как невспениваниющий ПАВ.
Предпочтительные рецептуры теплоотражающего слоя содержат армирующие волокна. Армирующие волокна могут придавать дополнительную механическую прочность теплоотражающему слою и соответственно изоляционному композитному материалу. Могут быть использованы волокна любого подходящего типа, такие как стекловолокно, окись алюминия, фосфат кальция, минеральная вата, волластонит, керамические, целлюлозные, углеродные, хлопковые волокна, полиамидные, полибензимидазольные, полиарамидные, акриловые, фенольные, полиэфирные, полиэтиленовые волокна из полиэфир-эфиркетона, полипропилена и других типов олефинов или их смеси. Предпочтительные волокна жаростойки и огнеупорны, какими являются волокна, которые не имеют взвешенных частиц. Волокна могут быть такими, которые отражают инфракрасное излучение, и могут быть использованы, кроме того, для или вместо упоминавшихся ранее отражающих инфракрасный свет агентов. Например, могут быть использованы углеродные волокна или металлизированные волокна, которые придают как упрочнение, так и способность отражать инфракрасное излучение. Волокна могут быть в виде отдельных нитей любой подходящей длины, которые могут быть нанесены, например, напылением волокон на изоляционный основной слой вместе с другими компонентами теплоотражающего слоя (например, путем смешения волокон с одним или более другими компонентами теплоотражающего слоя до напыления или раздельным напылением волокон на изоляционный основной слой). Альтернативно, волокна могут быть в виде полотна или сетки, которые могут быть нанесены, например, на изоляционный основной слой, а другие компоненты теплоотражающего слоя могут быть напылены, намазаны или нанесены другим способом поверх полотна или сетки. Волокна могут применяться в любом количестве, достаточном для получения желательного значения механической прочности для конкретного приложения, в котором будет использоваться жаростойкий изоляционный композитный материал. Обычно волокна присутствуют в теплоотражающем слое в количестве примерно 0,1-50 вес.%, желательно, в количестве примерно 1-20 вес.%, так, например, в количестве примерно 2-10 вес.%, от веса теплоотражающего слоя.
Толщина теплоотражающего слоя будет зависеть частично от степени защиты и желательной прочности. Хотя теплоотражающий слой может быть любой толщины, часто желательно держать толщину жаростойкого изоляционного композитного материала на минимуме и, таким образом, снизить толщину теплоотражающего слоя до минимального значения, необходимого для обеспечения достаточной для конкретного приложения степени защиты. Обычно достаточная защита может быть обеспечена теплоотражающим слоем толщиной примерно 1 мм или меньше.
Теплопроводность жаростойкого изоляционного композитного материала будет зависеть, в первую очередь, от конкретной рецептуры изоляционного основного слоя, хотя некоторый эффект может иметь и рецептура теплоотражающего покрытия. Желательно, чтобы жаростойкий изоляционный композитный материал составлялся так, чтобы после сушки иметь теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или меньше. Предпочтительно жаростойкий изоляционный композитный материал составлен так, чтобы после сушки иметь теплопроводность примерно 45 мВт/(м·К) или меньше, более предпочтительно примерно 42 мВт/(м·К) или меньше, или даже примерно 40 мВт/(м·К) или меньше (например, примерно 35 мВт/(м·К)).
Термин "жаростойкий", как он используется для описания изоляционного композитного материала изобретения, означает, что изоляционный композитный материал не будет заметно разрушаться в условиях сильного нагрева. Изоляционный композитный материал считается жаростойким в смысле изобретения, если после нахождения в условиях сильного нагрева в течение 1 часа изоляционный композитный материал сохраняет по меньшей мере примерно 85%, предпочтительно по меньшей мере примерно 90%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 95%, или даже по меньшей мере примерно 98% или всю свою первоначальную массу. Более точно, условия сильного нагрева таковы, как условия, которые создаются применением нагревательного элемента мощностью 250 Вт (IRB производства Edmund Bühler GmbH, Германия), соединенного с горячей воздуходувкой (HG3002 LCD производства Steinel GmbH, Германия) с тонкими алюминиевыми панелями, установленными вокруг прибора, чтобы образовать туннель. Изоляционный композитный материал подвергается условиям сильного нагрева (теплоотражающий слой лицом к нагревательному элементу) на расстоянии примерно 20 мм от нагревательного элемента, причем горячая воздуходувка (при установке на полный обдув и установке на самый низкий нагрев) обеспечивает непрерывный поток воздуха между нагревательным элементом и изоляционным композитным материалом. Желательно, чтобы жаростойкий изоляционный композитный материал не разрушался заметно в таких условиях.
Если жаростойкий изоляционный композитный материал должен быть использован в условиях определенного класса воспламеняемости, например, там, где он может быть подвергнут открытому огню или условиям чрезвычайно высокой температуры, желательно, чтобы изоляционный композитный материал включал подходящее огнезащитное вещество. Огнезащитное вещество может быть включено в изоляционный основной слой и/или теплоотражающий слой жаростойкого изоляционного композитного материала. Подходящие огнезащитные вещества включают гидроксиды алюминия, гидроксиды магния, полифосфаты аммония и различные фосфорсодержащие вещества, и другие имеющиеся в продаже антипирены и вспучивающиеся огнезащитные вещества.
Жаростойкий изоляционный композитный материал (например, изоляционный основной слой и/или теплоотражающий слой изоляционного композитного материала) может дополнительно содержать другие компоненты, такие как любая из различных добавок, известных в данной области. Примеры таких добавок включают агенты регулирования реологии и загустители, такие как коллоидальная окись кремния, полиакрилаты, поликарбоновые кислоты, целлюлозные полимеры, а также натуральные резины, крахмалы и декстрин. Другие добавки включают растворители и сорастворители, а также воски, ПАВ и, если требуется, отверждающие и сшивающие агенты.
Способ получения жаростойкого изоляционного композитного материала
Далее изобретение предлагает способ получения жаростойкого изоляционного композитного материала, включающий, в основном состоящий из или состоящий из (а) получения на подложке изоляционного основного слоя, содержащего, состоящего в основном или состоящего из полых непористых частиц, связующей матрицы и, возможно, пенообразователя, и (b) нанесение на поверхность изоляционного основного слоя теплоотражающего слоя, содержащего защитное связующее и агент, отражающий инфракрасный свет, причем жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или меньше. Различные элементы жаростойкого изоляционного композитного материала, приготовленные согласно этому способу, описаны здесь ранее.
Изоляционный основной слой может быть наложен любьм подходящим способом. Например, полые непористые частицы и связующая матрица могут быть объединены любым подходящим способом, чтобы образовать связующую композицию, содержащую частицы, которая затем может быть нанесена на подложку, чтобы образовать изоляционный основной слой, например, намазыванием или напылением связующей композиции, содержащей частицы, на подложку.
Предпочтительно, однако, чтобы изоляционный основной слой был получен путем (а) получения связующей композиции, содержащей, состоящей в основном из или состоящей из связующей матрицы и пенообразователя, (b) перемешивания связующей композиции с получением вспененной связующей композиции, (с) объединения вспененной связующей композиции с полыми непористыми частицами с получением связующей композиции, содержащей частицы, и (d) нанесением связующей композиции, содержащей частицы, на подложку, получая изоляционный основной слой. Альтернативно, изоляционный основной слой может быть получен путем (а) приготовления связующей композиции, содержащей, состоящей в основном или состоящей из связующей матрицы и, возможно, пенообразователя с получением связующей композиции, (b) получения композиции частиц, содержащей, в основном состоящей или состоящей из полых непористых частиц, и (с) одновременного нанесения связующей композиции и композиции частиц на подложку, причем связующая композиция смешивается с композицией частиц для получения изоляционного основного слоя.
Композиция частиц состоит в основном из полых непористых частиц, как описанные здесь ранее, и, возможно, подходящего носителя. Связующая композиция и/или композиция частиц могут быть нанесены на подложку в соответствии с изобретением (например, вместе или по отдельности) любым подходящим способом, таким как намазывание или, предпочтительно, напыление связующей композиции и/или композиции частиц или их компонентов на подложку. Под "одновременным нанесением" понимают, что композиция частиц и связующая композиция раздельно подводятся к подложке в одно и то же время, причем композиция частиц и связующая композиция смешиваются во время процесса нанесения (например, смешиваются на пути движения или на поверхности основы). Это может быть выполнено, например, одновременным напылением композиции частиц и связующей композиции на подложку, причем композиция частиц и связующая композиция подаются через раздельные пути движения. Пути движения могут быть объединены в одном распылительном устройстве, так что к подложке подводится объединенная композиция частиц и связующей композиции, или пути движения могут быть полностью раздельными, так что композиция частиц не соединяется со связующей композицией до того, как соответствующие композиции не достигнут подложки.
Объединением связующей композиции с полыми непористыми частицами описанным здесь способом может быть получена связующая композиция, содержащая частицы, имеющая желательные свойства. В частности, и не желая привязываться к какой-либо конкретной теории, связующая композиция, содержащая частицы, полученная согласно изобретению, проявляет пониженную тенденцию полых непористых частиц отделяться от композиции, тем самым сохраняя однородное по композиции распределение и увеличивая теплопроводность композиции. Также способ изобретения дает возможность использовать высокое отношение частиц к связующему, что улучшает тепловые характеристики содержащей частицы связующей композиции и уменьшает плотность композиции. Более того способ изобретения дает содержащую частицы связующую композицию, которая может быть напылена, что делает ее нанесение и применение гибким. Полые непористые частицы, связующая композиция и пенообразователь таковы, как описанные здесь ранее.
Хотя связующее, одно или в комбинации с пенообразователем, предпочтительно вспенено взбалтыванием или перемешиванием, могут применяться другие способы вспенивания. Например, связующее может быть вспенено, используя сжатые газы или сжатые жидкости, или связующее может быть вспенено, пропуская связующее через сопло (например, сопло, которое создает высокосдвиговый или турбулентный поток).
Теплоотражающий слой жаростойкого изоляционного композитного материала может быть нанесен на поверхность изоляционного основного слоя любым подходящим способом. Компоненты теплоотражающего слоя описаны здесь ранее. Предпочтительно компоненты теплоотражающего слоя объединены путем смешивания, чтобы получить теплоотражающую покровную композицию, которая затем наносится на поверхность изоляционного основного слоя любым подходящим способом, например намазыванием или напылением.
Хотя для прилипания теплоотражающего слоя к изоляционному основному слою могут применяться адгезивы или связующие агенты, такие адгезивы необязательны согласно изобретению, поскольку желательную адгезию может обеспечить связующее в изоляционном основном слое или теплоотражающем слое. Теплоотражающий слой предпочтительно наносят на изоляционный основной слой, когда изоляционный основной слой влажный, но он может быть нанесен и после того, как изоляционный основной слой был высушен. Жаростойкий изоляционный композитный материал (например, изоляционный основной слой и/или теплоотражающий слой жаростойкого изоляционного композитного материала) могут быть высушены в условиях окружающей среды или при нагревании, например, в печи.
Применения и конечное использование
Жаростойкий изоляционный композитный материал изобретения, а также способы его получения могут, конечно, использоваться для любой подходящей цели. Однако жаростойкий изоляционный композитный материал изобретения особенно подходит для приложений, требующих изолирования, которое обеспечивает термостойкость, механическую прочность, и/или гибкость в способе нанесения. Например, жаростойкий изоляционный композитный материал согласно предпочтительным рецептурам, особенно рецептурам, пригодным для напыления, полезен для изолирования поверхностей от высоких температур и может быть легко нанесен на поверхности, которые иначе было бы трудным или дорогим защитить обычными способами. Примеры таких приложений включают различные компоненты моторизованных транспортных средств или приборов, такие как двигатель, огнезащитная перегородка, топливный бак, рулевая колонка, поддон картера, багажник и запасное колесо, или любые другие составные части моторизованного транспортного средства или прибора. Жаростойкий изоляционный композитный материал особенно подходит для изолирования днища кузова моторизованного транспортного средства, в частности, как защитный экран для деталей, находящихся около выхлопной системы. Конечно, жаростойкий изоляционный композитный материал изобретения может применяться для обеспечения изолирования в любых других приложениях. Например, жаростойкий изоляционный композитный материал может применяться для изолирования труб, стен и каналов теплотрасс или вентиляционных каналов. Хотя предпочтительные рецептуры жаростойкого изоляционного композитного материала являются рецептурами, пригодными для напыления, жаростойкий изоляционный композитный материал может также выдавливаться или формоваться для получения таких изоляционных материалов, как плитка, панели или предметы различной формы. В этом отношении изобретение также предлагает подложку, такую как любая из упомянутых ранее, содержащую жаростойкий изоляционный композитный материал изобретения, а также способ изолирования основы, включающий применение любого жаростойкого изоляционного композитного материала, или способы их приготовления или применения.
Следующие примеры иллюстрируют изобретение далее, но конечно, не должны рассматриваться как каким-либо образом ограничивающие его рамки.
ПРИМЕР 1
Этот пример показывает приготовление и характеристики жаростойкого изоляционного композитного материала согласно изобретению.
Содержащая частицы композиция связующей матрицы (Образец 1А) была приготовлена объединением 200 г водного акрилового связующего (LEFASOL™ 168/1 производства Lefatex Chemie GmbH, Германия), 1,7 г пенообразователя (HOSTAPUR™ OSB производства Glariant GmbH, Германия) и 30 г огнезащитного вещества полифосфата аммония (EXOLIT™ AP420 производства Clariant GmbH, Германия) в обычном смесителе. Связующую композицию перемешивали, пока не было получено 3 дм3 вспененной связующей композиции. Затем 100 г полых непористых стеклянных микросфер (стеклянные микросферы В23/500 производства 3М, Миннеаполис, MN) медленно добавляли при смешении для сохранения объема на значении 3 дм3, тем самым получая связующую композицию, содержащую частицы.
Тем же способом, что и Образец 1А выше, были приготовлены две другие связующие композиции, содержащие частицы (Образцы 1В и 1C), за тем исключением, что вместо стеклянных микросфер использовали перлит (Staubex™ производства Deutsche Perlite GmbH, Германия) и битуминизированный перлит (Thermoperl™ производства Deutsche Perlit GmbH, Германия).
Каждую композицию намазывали, используя шпатель, на раму, облицованную алюминиевой фольгой, с длиной и шириной приблизительно 25 см, и толщиной приблизительно 1,5 см. Композиции сушили в течение двух часов при 130°С. После того, как композиции остыли, из рамок были вырезаны образцы размером 20 см на 20 см, и была измерена теплопроводность каждого образца на приборе определения теплопроводности LAMBDA CONTROL™ A50 (производства Hesto Elektronik GmbH, Германия) с верхней температурой плато 36°С и нижней температурой плато 10°С. Плотности образцов были определены, деля вес каждого образца на его размеры. Результаты приведены в Таблице 1.
Как показали эти результаты, связующая композиция, содержащая частицы, которая может быть использована как изоляционный основной слой в жаростойком изоляционном композитном материале согласно изобретению, дает меньшую теплопроводность и меньшую плотность, чем композиции, приготовленные с использованием других твердых частиц. Кроме того, связующая композиция, содержащая частицы, менее ломкая и не такая жесткая, как другие композиционные материалы.
Связующая композиция, содержащая частицы, может быть нанесена на субстрат как изоляционный основной слой, на который может быть нанесено теплоотражающее покрытие для получения жаростойкого изоляционного композитного материала. Теплоотражающая покровная композиция может быть приготовлена, например, объединением 58 г водного акрилового связующего (WORLEECRYL™ 1218 производства Worlee Chemie GmbH, Германия) с 22,6 г антиосадителя коллоидальной окиси кремния (CAB-О-SPERSE™ производства Cabot Corporation, Massachusetts) и 19,4 г алюминиевой пигментной пасты как отражающего инфракрасный свет агента (STAPA™ Hydroxal WH 24 n.l., производства Eckart GmbH, Германия). Композиция может быть осторожно смешана, применяя магнитную мешалку. После смешения покровная композиция может быть нанесена на изоляционный основной слой, например, напылением до толщины приблизительно 1 мм, предпочтительно до сушки изоляционного основного слоя.
Приготовленный таким образом изоляционный композитный материал, содержащий частицы, проявляет отличную термостойкость по сравнению с таким же изоляционным основным слоем в отсутствие теплоотражающего покрытия, сохраняя в то же время низкую теплопроводность и низкую плотность.
ПРИМЕР 2
Этот пример показывает приготовление и характеристики жаростойкого изоляционного композитного материала согласно изобретению.
Содержащая частицы композиция связующей матрицы (Образец 2А) была приготовлена путем объединения 200 г водного акрилового связующего (WORLEBCRYL™ 1218 производства Worlee Chemie GmbH, Германия), 1,2 г пенообразователя (HOSTAPUR™ OSB производства Clariant GmbH, Германия) и 10 г воды в пенообразователе Oakes (поставляемым Е.Т. Oakes Corporation, Hauppauge, New York), используя скорость ротора-статора примерно 1000 об/мин, скорость откачки примерно 25% мощности, и поток воздуха примерно 2,4 дм3/мин. Затем медленно добавляли 15 г полых непористых микросфер из термопластичной смолы (микросферы EXPANCEL® 091 DE 40 d30, производства Akzo Nobel), используя обычный смеситель, чтобы сохранить объем смеси, получая тем самым связующую композицию, содержащую частицы.
Вторую связующую композицию, содержащую частицы, (Образец 2В) готовили таким же образом, что и Образец 2А выше, с тем исключением, что вместо одних полых непористых микросфер из термопластичной смолы использовали смесь полых непористых микросфер из термопластичной смолы и полых непористых стеклянных микросфер. В частности, смесь состояла из 38,3 г полых непористых микросфер из термопластичной смолы (более точно, из 5 г микросфер EXPANCEL® 091 DE 40 d30 и 33,3 г микросфер EXPANCEL® 551 WE 40 d36 (обе - производства Akzo Nobel)) и 45 г полых непористых стеклянных микросфер (стеклянные микросферы В23/500) производства 3М, Миннеаполис, MN). Каждый тип полых непористых частиц содержал одинаковое по объему количество композиции полых непористых частиц. Более того, объемный процент полых непористых частиц в Образце 2В был равен объемному проценту Образца 2А.
Каждую композицию намазывали, используя шпатель, на рамку, облицованную алюминиевой фольгой, длиной и шириной приблизительно 25 см и толщиной приблизительно 1,5 см. Композиции сушили в течение двух часов при 130°С. После того, как композиции остыли, из рамок были вырезаны образцы размером 20 см на 20 см, и была измерена теплопроводность каждого образца, используя прибор для измерения теплопроводности LAMBDA CONTROL™ A50 (производства Hesto Elektronik GmbH, Германия) с верхней температурой плато 36°С и нижней температурой плато 10°С. Плотности образцов определяли, деля вес каждого образца на его размеры. Результаты приведены в Таблице 2.
Как показали эти результаты, связующая композиция, содержащая частицы, которая может быть использована как изоляционный основной слой в жаростойком изоляционном композитном материале согласно изобретению, имеет низкую теплопроводность и низкую плотность.
ПРИМЕР 3
Этот пример показывает термостойкость изоляционного композитного материала изобретения.
Теплоотражающая покровная композиция была приготовлена путем объединения 58 г водного акрилового связующего (WORLEECRYL™ 1218 производства Worlee Chemie GmbH, Германия) с 22,6 г антиосадителя коллоидальной окиси кремния (САВ-O-SPERSE™ производства Cabot Corporation, Массачусетс) и 19,4 г алюминиевой пигментной пасты как отражающего инфракрасный свет агента (STAPA™ Hydroxal WH 24 n.l., производства Eckart GmbH, Германия). Смесь осторожно перемешивали, используя магнитную мешалку.
Затем теплоотражающую покровную композицию наносили на содержащую частицы связующую композицию Примера 2 (Образец 2А и Образец 2В) до толщины приблизительно 1 мм, тем самым получая изоляционные композитные материалы, имеющие изоляционный основной слой и теплоотражающий слой (Образец 3А и Образец 3В соответственно). Теплоотражающая покровная композиция была нанесена также на третью композицию, содержащую частицы, с получением третьего изоляционного композитного материала (Образец 3С). Третья содержащая частицы композиция была приготовлена тем же способом, что и Образец 2А, за исключением количества и особого типа используемых полых непористых микросфер из термопластической смолы (100 г микросфер EXPANCEL© 551 WE 40 d36 179.2, поставленных Akzo Nobel).
Затем каждый из изоляционных композитных материалов был помещен в аппарат, предназначенный для определения термостойкости изоляционного композитного материала. В частности, прибор включал нагревательный элемент мощностью 250 Вт (IRB производства Edmund Bühler GmbH, Германия), соединенный с горячей воздуходувкой (HG3002 LCD производства Steinel GmbH, Германия) с тонкими алюминиевыми панелями, установленными вокруг прибора, чтобы образовать туннель. Изоляционный композитный материал подвергался условиям сильного нагрева примерно на 30 минут на расстоянии примерно 20 мм от нагревательного элемента (теплоотражающий слой лицом к нагревательному элементу), и горячая воздуходувка (при установке на полное обдувание и самой низкой установке на нагрев) обеспечивала непрерывный поток воздуха между нагревательным элементом и изоляционным композитным материалом. Температура обратной стороны изоляционного композитного материала (т.е. стороны, противоположной теплоотражающему слою и нагревательному элементу) отслеживалась в течение всего испытания, чтобы определить максимальную поддерживаемую температуру. Результаты этих измерений приведены в Таблице 3.
Эти результаты показывают, что изоляционный композитный материал изобретения является жаростойким и проявляет хорошие теплоизоляционные свойства в условиях сильного нагрева.
Все ссылки, включая публикации, патентные публикации и патенты, цитированные здесь, настоящим введены ссылками в той же степени, как если бы каждая ссылка была индивидуально и конкретно указана, для того, чтобы быть введенной ссылкой, и была изложена здесь во всей полноте.
Использование терминов в единственном числе, терминов "этот" и аналогичных объектов ссылок в контексте описания изобретения (особенно в контексте следующей формулы изобретения) должны толковаться так, что они относятся как к единственному, так и множественному числу, если при этом не указано другое или если это с очевидностью не противоречит контексту. Термины "охватывающий", "имеющий", "включающий" и "содержащий" должны толковаться как неограничивающие термины (т.е. означающие "включающий, но не ограниченный этим"), если не указано иное. При этом просто подразумевается, что перечисление диапазонов величин служит просто для краткости способа ссылки индивидуально на каждую отдельную величину, попадающую в диапазон, если при этом не указано другое, и каждое отдельное значение введено в описание, как если бы оно было там перечислено индивидуально. Все способы, описанные здесь, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если при этом не указано иное или если это не противоречит с очевидностью контексту. Использование какого-либо и всех примеров или типовых языковых выражений (например, "такой как"), имеющихся здесь, предназначено просто для лучшего освещения изобретения и не накладывает ограничения на рамки изобретения, если не заявлено другое. Никакое выражение в описании не следует толковать как указывающее на какой-либо незаявленный элемент как существенный для практики изобретения.
Здесь описаны предпочтительные варианты исполнения данного изобретения, включая самый лучший способ, известный изобретателям для осуществления изобретения. Изменения этих предпочтительных вариантов осуществления могут стать понятными специалистам среднего уровня в данной области после прочтения предшествующего описания. Авторы изобретения ожидают, что квалифицированные специалисты используют такие изменения, как подобает, и авторы изобретения имеют в виду, что изобретение будет осуществляться на практике иначе, чем конкретно описано здесь. Соответственно данное изобретение включает все модификации и эквиваленты тем, перечисленных в приложенной формуле изобретения, как разрешено применяемыми правовыми нормами. Более того, любая комбинация описанных выше элементов во всех возможных их изменениях охватываются изобретением, если при этом не указано иное, или если это с очевидностью противоречит контексту.
Жаростойкий изоляционный композиционный материал, содержащий изоляционный основной слой, полые непористые частицы, связующую матрицу и теплоотражающий слой, содержащий защитное связующее и агент, отражающий инфракрасное излучение, причем теплопроводность теплоотражающего изоляционного композитного материала составляет примерно 50 мВт/(м·К) или меньше. Изобретение относится также к подложке, содержащей жаростойкий изоляционный композитный материал. Способ получения жаростойкого изоляционного композитного материала включает получение на подложке изоляционного основного слоя, содержащего полые непористые частицы и связующую матрицу, и нанесение на поверхность изоляционного основного слоя теплоотражающего слоя, содержащего защитное связующее и отражающий инфракрасный свет агент, в котором жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или меньше. Техническим результатом изобретения является обеспечение хороших изоляционных свойств в условиях сильного нагрева. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 табл.
(a) изоляционный основной слой, содержащий полые непористые частицы и связующую матрицу, и
(b) теплоотражающий слой, содержащий агент, отражающий инфракрасное излучение, и защитное связующее,
причем жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или меньше.
(a) получение на подложке изоляционного основного слоя, содержащего полые непористые частицы и связующую матрицу, и
(b) нанесение на поверхность изоляционного основного слоя теплоотражающего слоя, содержащего защитное связующее и отражающий инфракрасный свет агент,
в котором жаростойкий изоляционный композитный материал имеет теплопроводность примерно 50 мВт/(м·К) или меньше.
| RU 99123441 A, 11.06.1998 | |||
| RU 2169131 С2, 20.06.2001 | |||
| US 5665442 A, 09.09.1997 | |||
| US 5641584 A, 24.06.1997 | |||
| US 5631097 A, 20.05.1997. |
