Настоящее изобретение относится к высокоэффективному теплоизоляционному материалу, к способу его получения, а также к его использованию в области строительства для изоляции стен (наружных, а также внутренних) зданий, а также для заполнения промежутков в строительных материалах.
В настоящее время для целей соответствия техническим условиям сооружения зданий при новом строительстве и реконструкции необходимо разрабатывать новые материалы, являющиеся особенно эффективными в отношении теплоизоляции. Разработка новых материалов, отвечающих такой потребности, переживает в настоящее время беспрецедентный подъем. Однако часто необходимо, чтобы такие строительные материалы с большей изолирующей способностью сохраняли и даже улучшали свойства, требуемые для строительства зданий (жилых зданий и т.п.), в частности, в отношении облегчения нагрузки, механической прочности или, например, звукоизоляции.
С другой стороны, в настоящее время известно большое разнообразие теплоизоляционных материалов. Среди широко используемых изоляционных материалов можно упомянуть, главным образом, волокнистые изоляционные материалы на основе природных или синтетических волокон, таких как стекловата или минеральная вата, ячеистые изоляционные материалы типа вспученного или вспененного полимера, такого как вспученный или экструдированный полистирол или полиуретан, и аэрогелевые маты, то есть пластообразные аэрогели в виде полотна, образованного переплетенными волокнами, которые являются механически прочными, но которым трудно придавать определенную форму.
Аэрогели диоксида кремния представляют собой одни из наиболее эффективных изоляционных материалов. Однако их посредственные механические свойства принуждают использовать их в сочетании с усиливающим агентом. Их применение остается до настоящего времени очень слабо развитым, поскольку их использование в сочетании с традиционными изоляционными материалами (полистирол и т.п.) не позволяло получать приемлемые для эксплуатации материалы, как подчеркнуто в дальнейшем тексте. Аэрогели диоксида кремния, которые могут демонстрировать коэффициенты теплопроводности, доходящие до 12 мВт/м·K, получают из силикагеля, высушенного в особых условиях. Они могут находиться как в виде полупрозрачных гранул, которые должны быть защищены от любых манипуляций, для применения в изолирующем остеклении, так и в виде тонкодисперсного порошка и не могут быть использованы в таком виде для изготовления традиционных изоляционных изделий, таких как изоляционные панели (теплоизоляционные, звукоизоляционные и т.п.) для изоляции стен зданий.
С целью улучшения теплоизоляционных характеристик полистирола ранее было предложено изготовлять композиционные материалы, содержащие смесь полистирола и аэрогеля.
Так, например, в EP 489319 приведены примеры композиционной пены, содержащей от 27 до 47 об.% сверхкритического аэрогеля диоксида кремния в виде частиц размером 2-5 мм и от 53 до 73 об.% пены стирольного полимера. Заявленный коэффициент теплопроводности материалов составляет от 20 до 27 мВт/м·K при 10°C.
Тем не менее, эти композиционные материалы не могут быть произведены в большом количестве, необходимом для изготовления материалов в промышленном масштабе, поскольку аэрогель является хрупким и не выдерживает трения, возникающего во время смешивания с полимерными шариками. Кроме того, механическая прочность таких материалов остается недостаточной и значительно ухудшается с увеличением содержания аэрогеля.
Из US 20080287561 и WO 03097227 известно также прямое введение полимерного связующего вещества в частицы аэрогеля. Заявка US 20080287561 более предпочтительно относится к композиционным материалам из аэрогеля диоксида кремния, таким как композиционные материалы, полученные из аэрогелей, связанных с синтактическими пенами без полых микросфер (из стекла или термопластика). Эти синтактические пены получают, в частности, благодаря использованию в смеси полимера на водной основе ("water-based polymer"). Теплоизоляционные характеристики, полученные данным способом, имеют ограничения, причем образцы, полученные способом, описанным в US 20080287561, не позволяют получить коэффициенты теплопроводности менее 60 мВт/м·K.
Заявка WO 03097227 относится также к синтактическим пенам, полученным предпочтительно благодаря использованию полимерного связующего вещества на водной основе ("aqueous binder") в виде пены. В данном случае пены представляют собой синтактические пены, получаемые при использовании полых микросфер (из стекла или термопластика). Такие синтактические пены, включающие в себя упомянутые микросферы, являются очень дорогостоящими. Кроме того, в данном случае теплоизоляционные характеристики, полученные по этому способу, имеют ограничения с учетом того, что использованные микросферы ухудшают высокие теплоизоляционные характеристики, обеспечиваемые аэрогелем.
В настоящем изобретении предлагается новый тип изоляционного материала, демонстрирующий превосходные теплоизоляционные характеристики, сохраняя при этом хорошую механическую прочность и низкую плотность для облегчения нагрузки. В настоящем изобретении предлагается также инновационный материал, который легко распределяется при своем затвердевании и которому можно придавать любые требуемые формы, в частности, формовкой.
С этой целью и для смягчения недостатков предшествующего уровня техники настоящее изобретение относится к теплоизоляционному материалу, который может быть получен из смеси по меньшей мере следующих компонентов, представляющих собой пену на водной основе, частицы аэрогеля диоксида кремния, органическое и/или неорганическое связующее вещество.
Авторами неожиданным образом было найдено, что теплоизоляционные материалы, содержащие аэрогели диоксида кремния, полученные из пен на водной основе, обеспечивают получение теплоизоляционных характеристик, близких к характеристикам собственно аэрогелей, с плотностью, приемлемой для использования в качестве облегченного материала. Такой теплоизоляционный материал показывает также очень хорошие механические характеристики, в частности, в отношении стойкости к сжатию и деформируемости. Таким образом, изоляционный материал по настоящему изобретению также хорошо приемлем для использования как в качестве заполняющего материала, так и для использования на поверхности, в частности, на наружных стеновых панелях.
Аэрогели диоксида кремния, используемые в настоящем изобретении, получают из гранул покупного аэрогеля, например аэрогеля, реализуемого компанией Cabot (Nanogel® TLD 302 и т.д.). Они могут быть использованы после измельчения и просеивания или, альтернативным образом, могут быть использованы непосредственно без каких-либо преобразований. Аэрогели в общем случае получают из геля, получаемого, например, гидролизом в присутствии растворителя, каталитического гелеобразования, исходя из органического или неорганического предшественника, выпаривания или экстракции жидкости, образующей гель (например, при высокой температуре и/или под давлением), с целью замены этой жидкости газом (предпочтительно воздухом). Аэрогели могут быть получены предпочтительно в виде пены, гранул, блоков, разделяемых при необходимости.
Кроме пены на водной основе и аэрогелей диоксида кремния, смесь, предназначенная для получения теплоизоляционного материала, содержит органическое и/или неорганическое связующее вещество. Его используют, например, с целью обеспечения связывания частиц между собой и/или связывания частиц с остатком структуры материала на уровне конечного продукта. Термин "связующее вещество", используемый в следующем далее тексте, равным образом относится к неорганическому связующему веществу, органическому связующему веществу или к системе связующих веществ, принадлежащих по меньшей мере к одной из двух этих групп.
Описанный ранее теплоизоляционный материал предпочтительно может быть получен по меньшей мере из следующих компонентов, взятых в количествах, выраженных в массовом процентном отношении по отношению к общей массе смеси (смеси, используемой для получения изоляционного материала), в интервале от 25 до 75% для пены на водной основе, от 5 до 35% для частиц аэрогеля диоксида кремния и от 5 до 35% для связующего вещества.
Количество пены на водной основе варьирует преимущественно от 35 до 65% и предпочтительно от 45 до 55% и может составлять 50%.
Аналогичным образом, количество частиц аэрогеля диоксида кремния варьирует преимущественно от 17 до 25% и предпочтительно от 21 до 23% и может составлять 22%.
Аналогичным образом, количество связующего вещества варьирует преимущественно от 17 до 25% и предпочтительно от 21 до 23% и может составлять 22%.
Возможны также любые комбинации ингредиентов, взятые в интервалах указанных значений.
Термин "пена на водной основе" в смысле настоящего изобретения определяет любой тип пены, получаемой неупорядоченным распределением пузырей газа в водной фазе, в частности в мылоподобной жидкости. Такая мылоподобная жидкость содержит воду и по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество.
Пену на водной основе, используемую для получения изоляционного материала по настоящему изобретению, предпочтительно получают из смеси, содержащей:
по меньшей мере одну соль катионного поверхностно-активного соединения, выбранного из одного из следующих соединений общей формулы:
,
где: R представляет собой алифатическую цепь, содержащую от 8 до 24 атомов углерода; R1 представляет собой группу, выбранную из алкилов, содержащих от 1 до 16 атомов углерода, гидроксиалкилов, содержащих от 1 до 16 атомов углерода, бензила, группы, которая совместно с атомом азота формулы (I) образует гетероцикл, при необходимости замещенный по меньшей мере одним атомом фтора; R2 и R3 выбраны из групп, представляющих собой алкилы, содержащие от 1 до 6 атомов углерода, гидроксиалкилы, содержащие от 1 до 6 атомов углерода, атомы водорода, бензилы, группы, которые совместно с атомом азота формулы (I) образуют гетероцикл, при необходимости замещенный по меньшей мере одним атомом фтора; X- означает противоанион;
по меньшей мере одну соль анионного поверхностно-активного соединения, выбранного из одного из следующих соединений общей формулы (II):
R-X-,Y+ (II),
где: R представляет собой алифатическую цепь, содержащую от 10 до 24 атомов углерода; X- означает группу, несущую отрицательный заряд и выбранную из карбоксилатных, сульфатных и фосфатных групп; Y+ означает противокатион, выбранный из катионов аммония, натрия и калия.
Соотношение массового содержания соли катионного поверхностно-активного соединения и массового содержания соли анионного поверхностно-активного соединения предпочтительно варьирует от 0,05:1 до 15:1, предпочтительно от 0,2:1 до 5:1 и, возможно, от 0,4:1 до 2,5:1.
Соль катионного поверхностно-активного соединения преимущественно выбирают из солей алкилтриметиламмония, включающих в себя алкилы, содержащие от 10 до 22 атомов углерода, и предпочтительно выбирают по меньшей мере из одного из следующих соединений, представляющих собой бромид (или хлорид) додецилтриметиламмония, бромид (или хлорид) тетрадецилтриметиламмония, бромид (или хлорид) гексадецилтриметиламмония, бромид (или хлорид) октадецилтриметиламмония, бромид (или хлорид) цетилтриметиламмония, хлорид цетилбензилдиметиламмония, бромид цетилтриэтиламмония и хлорид триметиламмонийталлата.
Соль анионного поверхностно-активного соединения предпочтительно представляет собой хлорид триметиламмонийталлата.
Одну или несколько солей анионных поверхностно-активных соединений, упомянутых ранее, предпочтительно выбирают по меньшей мере из одного из следующих соединений, представляющих собой стеарат аммония, стеарат калия и стеарат натрия.
Как альтернативу или дополнение можно использовать также анионные поверхностно-активные соединения, представляющие собой соли щелочного металла с органической кислотой, включающей в себя алифатическую цепь, содержащую от 12 до 24 атомов углерода, и преимущественно соли натрия, калия или аммония (имеющего при необходимости заместители).
Группа X- общей формулы (II) может представлять собой карбоксилатную, сульфатную или сульфонатную группу. Можно упомянуть соли карбоновых кислот, содержащих от 12 до 24 атомов углерода, выбранные например, из солей, представляющих собой миристат, пальмитат, стеарат, олеат или основание, связанное с бегеновой кислотой; в частности, анионы, выбранные из производных мыла, полученных гидролизом триглицеридов (омыление). Можно упомянуть также другие карбоксилаты, такие как соединения, получаемые обработкой жирных кислот животного жира, содержащего предпочтительно пальмитат, стеарат и олеат. Могут быть использованы также другие основания, связанные с жирными кислотами, такие как, например, мыла/гели для душа, содержащие жирные кислоты, получаемые из природных источников, таких как животный жир, кокосовое масло или также пальмовое масло.
Катионные и анионные поверхностно-активные соединения предпочтительно вносят в две разные водные среды и смешивают с указанным ранее соотношением для образования пены.
Получение такой пены на водной основе описано в заявке WO 96/25475.
Пена на водной основе также может быть получена из двухупаковочных наборов, реализуемых компанией Allied Foam (позиции по каталогу 425A и 510B). Такие наборы включают в себя первую смесь на водной основе, содержащую анионное поверхностно-активное вещество, и вторую смесь на водной основе, содержащую катионное поверхностно-активное вещество и латекс.
Авторами показано, что эти пены на водной основе, содержащие катионное поверхностно-активное вещество и анионное поверхностно-активное вещество, обладают преимуществом в виде способности оставаться особенно стабильными при введении частиц аэрогеля диоксида кремния. При этом становится достаточно легко контролировать количество аэрогеля диоксида кремния, подлежащего введению в смесь для получения изоляционного материала по настоящему изобретению. Этот аспект представляется особенно интересным, поскольку он обеспечивает путь к широкой гамме различных продуктов. На практике, поскольку аэрогели диоксида кремния достаточно дороги, то представляется предпочтительным иметь возможность регулировать их содержание, чтобы иметь возможность получать более доступные по стоимости продукты без излишнего снижения термических свойств и механической прочности. Увеличение соотношения "пена/аэрогель" позволяет также получать системы, более воздухонаполненные и, следовательно, более сжимаемые в случае сочетания с собственной гибкостью материала, что требуется для некоторых случаев применения, например, для изоляции полов (предпочтительно для звукоизоляции) или для заполнения структур пористого типа. Применение стабильных пен позволяет также получать материал, который сохраняет низкую плотность, в том числе при более низком содержании аэрогеля диоксида кремния.
В рамках настоящего изобретения могут быть использованы другие пены на водной основе, например, пена Gillette Foam Regular.
Также можно использовать пены на водной основе, содержащие смесь "вода/глицерин", одно или несколько поверхностно-активных соединений (таких, как определено ранее) и одно или несколько цвиттерионных соединений. Среди цвиттерионных соединений можно упомянуть аминокислоты или их производные или также соединения, синтезированные из аминокислот. Также можно упомянуть бетаины, такие как бетаины фосфора и/или бетаины аммония.
Такие пены на водной основе предпочтительно содержат смесь от 25 до 55% глицерина (в пересчете на массовое процентное содержание по отношению к общей массе пены).
Также предпочтительно эти пены на водной основе содержат менее 5%, преимущественно менее 2% и, возможно, менее 1% поверхностно-активного вещества предпочтительно анионного типа.
Также предпочтительно эти пены на водной основе содержат менее 5%, преимущественно менее 2% и, возможно, менее 1% цвиттерионного соединения, выбранного предпочтительно из бетаинов аммония.
Также возможны любые комбинации этих различных ингредиентов, что позволяет варьировать содержание, в частности, соответственно изложенному ранее.
Такая пена на водной основе более предпочтительно содержит от 35 до 45% и в идеальном случае 40% глицерина, смешанного с додецилполиоксиэтилен-3-сульфатом в количестве менее 0,5%, кокоамидопропилбетаином в количестве менее 0,5% и с миристиновой кислотой в количестве менее 0,05%.
Возможны также любые комбинации пен, упомянутых ранее в рамках настоящего изобретения, при сочетании в смеси, предназначенной для получения теплоизоляционного материала.
Связующее вещество, используемое в композиции, используемой для получения теплоизоляционного материала по настоящему изобретению, предпочтительно представляет собой органическое связующее вещество и предпочтительно латекс.
Теплоизоляционный материал по настоящему изобретению еще более предпочтительно получают из смеси, содержащей по меньшей мере одно органическое связующее вещество и по меньшей мере одно неорганическое связующее вещество. Массовое содержание органического связующего вещества преимущественно составляет менее 25% по отношению к общему массовому содержанию связующего вещества (органического и неорганического), данное содержание предпочтительно составляет менее 15%, более предпочтительно менее 10% и даже 8%.
Наиболее предпочтительно одно или несколько связующих веществ может представлять собой только неорганический материал, что обеспечивает огнестойкость изоляционного материала.
Термин "латекс" в смысле настоящего изобретения означает, в частности, латексные полимеры, традиционно используемые в строительных материалах. Среди полимеров, которые могут входить в композицию такого порошка, можно упомянуть, например, эластомерные латексы, термопластичные латексы и термореактивные латексы.
В рамках настоящего изобретения под латексом предпочтительно понимают водную эмульсию или дисперсию одного или нескольких природных или синтетических полимерных веществ, являющихся в общем случае термопластичными. Один или несколько полимеров могут быть самоэмульгирующимися, или, в противоположном случае, эмульсию или дисперсию стабилизируют посредством приемлемых поверхностно-активных веществ. Латекс, приемлемый в рамках настоящего изобретения, преимущественно имеет температуру стеклования Tg менее 50°C. В идеальном случае Tg должна находиться в интервале от - 50 до 25°C, предпочтительно в интервале от - 20 до 10°C, преимущественно в интервале от - 10 до 0°C и может составлять около -5°C. Такие диапазоны значений Tg позволяют получить жесткость, требующуюся для изоляционных материалов, наносимых на подложку при строительстве зданий, с учетом того, что полученное вещество является гибким и деформирующимся.
Предпочтительно используют полимеры с Tg, которая чуть ниже комнатной температуры, для обеспечения образования полимерной пленки, сохраняющей адекватные свойства полимера в затвердевшем материале. Предпочтительными являются также полимеры, имеющие Tg, которая не является слишком низкой, так, чтобы полимер не был очень мягким, что может сделать материал излишне гибким.
Латекс преимущественно содержит полимер, сополимер или тройной сополимер (или более сложный сополимер) винилового типа, акрилового типа и/или типа производного карбоновой кислоты. Наиболее предпочтительными являются латексы винилового типа, в частности, с боковыми сложноэфирными группами или на основе необязательно силанированного сополимера винилхлорида и олефина. Можно упомянуть, в частности, латексы на основе винилацетата, в частности, на основе гомополимера поливинилацетата или сополимера винилацетата, и, в частности, (мет)акриловой кислоты и/или ее эфира, малеинового эфира, олефина и/или винилхлорида, или на основе сополимера "винилхлорид/этилен". Другие приемлемые латексы могут быть выбраны из латексов, содержащих полимер акрилового и/или метакрилового типа, предпочтительно силанированный сополимер "акрилонитрил/акриловый эфир" или "стирол/акриловая кислота или ее эфир" (то есть сополимеризованный с мономером с ненасыщенной двойной связью, имеющим по меньшей мере одну силильную или силанольную функциональную группу).
Латекс предпочтительно может представлять собой стирол-акриловый сополимер или любой акриловый сополимер (получаемый из различных акриловых мономеров), получаемый радикальной полимеризацией в эмульсии или дисперсии. Эти латексы стабилизируют акриловой кислотой и/или акрилонитрилом. Такие полимеры реализуются компанией BASF в гамме, позиционируемой под названием Acronal®, в частности Acronal® S 400. Альтернативно или в комбинации можно использовать также любой латекс (один или несколько) из гаммы Acronal®.
Преимущественно можно использовать порошки, реализуемые компанией Hexion™, и порошки из гаммы Axilat™ UP, такие как Axilat™ UP 620 E. Axilat™ UP 620 E, а также Axilat™ UP 600 B и Axilat™ UP 820 A представляют собой тройные терполимеры винилацетата, винилверсатата и малеинового эфира.
Коэффициент теплопроводности материала по настоящему изобретению в общем случае меньше или равен 27 мВт/м·K.
Коэффициент теплопроводности материала по настоящему изобретению предпочтительно меньше или равен 25 мВт/м·K и преимущественно меньше или равен 23 мВт/м·K; особо предпочтительно он меньше или равен 20 мВт/м·K и даже меньше или равен 19 мВт/м·K.
Плотность описанных ранее теплоизоляционных материалов, получаемых по настоящему изобретению, в общем случае, менее 250 кг/м3.
Плотность описанных ранее теплоизоляционных материалов, получаемых по настоящему изобретению, как правило, меньше или равна 150 кг/м3 (в порядке сравнения, плотность блока аэрогеля составляет около 150 кг/м3). Плотность изоляционного материала по настоящему изобретению меньше или равна предпочтительно 130 кг/м3 и более предпочтительно 120 кг/м3, плотность преимущественно меньше или равна 100 кг/м3, возможно, меньше или равна 85 кг/м3 и даже меньше или равна 70 кг/м3 или, также, меньше или равна 55 кг/м3.
Также возможны любые комбинации этих диапазонов значений коэффициента теплопроводности и плотности.
Настоящее изобретение относится также к способу получения описанного ранее теплоизоляционного материала, включающего в себя стадии, состоящие в том, что:
a) получают пену на водной основе;
b) прибавляют по меньшей мере одно связующее вещество;
c) прибавляют порошок аэрогеля, перемешивая или вальцуя;
d) дают смеси высохнуть;
e) в ходе высушивания при необходимости осуществляют формование.
Альтернативным образом, связующее вещество можно прибавлять непосредственно на стадии a) во время получения пены на водной основе. Этот вариант зависит от используемого связующего вещества: в случае использования латексов в виде порошка, связующее вещество можно прибавлять после получения стабильной пены на водной основе, то есть на стадии b), в то время как в случае использования латекса в виде дисперсии/суспензии в жидкости (предпочтительно в воде), связующее вещество предпочтительно можно прибавлять на стадии a).
Стадия формования и высушивания может включать в себя операции литья или формовки упомянутой композиции в полости соответствующей формы или сечения. Термин "формовка" имеет значение в широком смысле и охватывает любой способ формования, такой как литье в открытую форму, экструзия через фильеру и разрезание экструдата и т.д. Формовка для получения поверхностного слоя при необходимости может быть осуществлена соэкструзией композиции с полимерной органической фракцией и/или гипсом.
Описанный ранее теплоизоляционный материал по настоящему изобретению может быть использован в виде, по меньшей мере, одного слоя, наносимого, например, на гипсовую штукатурку. Кроме того, такой особенно эластичный и деформирующийся изоляционный материал может быть нанесен для пропитки или распределения на холст (например, на нетканый материал и т.п.).
Предпочтительно пену на водной основе получают следующим образом:
a) осуществляют вспенивание перемешиванием смеси, содержащей катионное поверхностно-активное вещество;
b) затем прибавляют водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество.
Авторами было найдено, что пена на водной основе, полученная таким образом, оставалась стабильной в течение всего процесса получения и даже после введения других ингредиентов (аэрогеля, наполнителей, присадок и т.п.).
Настоящее изобретение и его преимущества могут быть лучше поняты при чтении следующих далее примеров, которые приведены только для пояснения и, в любом случае, не могут рассматриваться как ограничительные.
ПРИМЕРЫ
Для определения коэффициентов теплопроводности в примерах использованы приведенные далее методики.
Определение коэффициента теплопроводности осуществляют по принципу флэш-метода (BALAGEAS D. - Mesure de la diffusivité thermique par la méthode flash, R 2955, Technique de l'Ingénieur, Traité Mesures et Contrôle - 1986), по которому тепловой поток создают плоским греющим резистором соответственно методике, описанной в "Une nouvelle méthode de mesure des propriétés thermophysiques de super-isolants", Yves Jannot & Alain Degiovanni, conférence Thermographie infrarouge pour le bâtiment et les travaux publics, Mesurexpo (Villepinte), 2 octobre 2008.
Температура испытания варьирует от 34 до 37°C, а измерения осуществляют при атмосферном давлении.
Точность измерений составляет 5%.
Коэффициенты теплопроводности определяли также с флюксметром серии HFM 436 компании NETZSCH™ по методикам, определяемым стандартами ASTM C518 и ISO 8301. Испытуемые образцы имели размеры 15×15×5 см3.
Плотность определяют по отношению массы образца к его объему.
Точность данных измерений составляет 3%.
Пример 1
1.1. Получение пены на водной основе
Используют набор, поставляемый компанией Allied Foam (процентное содержание означает массовое содержание, рассчитанное по отношению к общей массе композиции):
коммерчески доступный сравнительный компонент 1 типа 425A:
смесь катионных поверхностно-активных соединений, принадлежащих к группе длинноцепочечных алкилов 50-60%;
смесь феноксильных неионогенных поверхностно-активных соединений 10-20%;
этанол 5-8%;
вода 12-35%;
покупной сравнительный компонент 2 типа 510B:
смесь акриловых полимеров 25-35%;
смесь анионных поверхностно-активных соединений, принадлежащих к группе жирных кислот 15-30%;
вода 35-60%.
Пену получают в пеногенераторе, реализуемом компанией Allied Foam.
Компонент 1 разбавляют из расчета 136 г на 1 л воды.
Компонент 2 вносят непосредственно в емкость, предусмотренную для этой цели.
Альтернативным образом можно использовать пену на водной основе, полученную приведенным далее способом.
Два водных раствора (1 и 2) (процентное содержание означает массовое содержание, рассчитанное по отношению к общей массе растворов после разбавления) получают следующим образом:
раствор 1 (дополняемый до 200 г дистиллированной водой) получают, прибавляя 3,2 мас.% реагента Arquad® T50, реализуемого компанией BASF (49% пропиленгликоля и 51% хлорида триметиламмонийталлата (64% алкилов C18, 31% алкилов C16, 4% алкилов C14 и 1% алкилов C12 в виде суспензии в пропиленгликоле) в виде суспензии в воде), и 0,65 мас.% Triton® X-405, реализуемого компанией Dow Chemical (70% октилфенолэтоксилата);
раствор 2 (дополняемый до 40 г дистиллированной водой) получают, прибавляя 5% стеарата калия.
Раствор 1 вносят в высокоскоростной смеситель (бытовой смеситель-взбиватель Kenwood Major мощностью 1800 Вт). К пене, полученной при этом смешивании, прибавляют раствор 2 и смешивают.
1.2. Преобразование пены на водной основе в конечный продукт
Взвешивают 250 г свежеполученной пены на водной основе и прибавляют к ней 100 г сополимера "стирол-акриловый эфир" (латекс) в виде водного раствора (Acronal® S 400, BASF, с содержанием латекса 57%).
После получения пены, усиленной латексом, к ней прибавляют три порции аэрогелей диоксида кремния (Nanogel® TLD 302), просеянных до крупности, меньшей или равной 250 мкм: 70, 90 и 100 г, что соответствует образцам 2, 3 и 4 в таблице 1 соответственно.
Аэрогели диоксида кремния, используемые для осуществления настоящего изобретения, производит компания Cabot: они представляют собой гранулы миллиметрового размера, что делает необходимым измельчение и просеивание для получения крупности, требуемой для эксперимента. Просеивание осуществляют, измельчая аэрогели в верхней части сита с шириной ячеек сетки 250 мкм. Таким образом, порошок, полученный после просеивания, имеет крупность, меньшую или равную 250 мкм.
Порошок аэрогеля вносят в пену при перемешивании; продолжительность этой операции составляет около 5 мин.
В ходе смешивания пены, усиленной порошком аэрогелей, получают все более плотную пасту в зависимости от количества вносимых аэрогелей, но, однако сохраняющую возможность достаточно легкого распределения и манипулирования для придания ей различных форм.
После высушивания (в течение 48 ч при T окружающей среды или, например, в течение 24 ч в сушильном шкафу при 50°C) паста, потерявшая массу приблизительно на 50%, затвердела и находилась в виде твердого вещества, обладающего некоторой гибкостью, которая зависела, таким образом, от количества аэрогелей, содержащихся в смеси.
Определение плотности и коэффициента теплопроводности осуществляли с порошком аэрогеля в трех полученных образцах (образцы 2, 3 и 4 в таблице 1) после затвердевания. Определенные значения обобщены в таблице 1, для сравнения приведены значения, определенные только для просеянного порошка аэрогеля (позиция 1 в таблице):
В образцах 2, 3 и 4 аэрогели содержатся в конечном продукте в количестве приблизительно 50% от общего объема.
Как образец 2, представленный в таблице 1, получают пасту, которая является более гибкой в свежем состоянии и менее жесткой после затвердевания; в то же время, как образец 4 получают пасту, которая является более плотной в свежем состоянии и более жесткой после затвердевания.
Пример 2
Использовали методику примера 1, но аэрогели диоксида кремния (Nanogel® TLD 302) не просеивали. Таким образом, аэрогели без просеивания вносили в смесь в виде гранул миллиметрового размера.
Изменение размера аэрогелей позволяет вносить в пену, усиленную латексом, большее их количество - 140 г. Это происходит потому, что пена не претерпевает оседания и/или разрушения, то есть феномена, наблюдаемого во время изготовления образца при введении аэрогелей крупностью, меньшей или равной 250 мкм.
После формования и высушивания в течение 48 ч при 50°C у образца, обозначенного как образец 5, был определен коэффициент теплопроводности. В случае, когда продукт обладает повышенной гибкостью и степенью наполнения воздухом, было необходимо сдавливать образец между пластинами измерительного прибора для получения значения коэффициента теплопроводности для плотности, соответствующей определенному значению.
Результаты представлены в таблице 2.
Пример 3
3.1. Получение пены на водной основе
Два водных раствора (1 и 2) (процентное содержание означает массовое содержание, рассчитанное по отношению к общей массе растворов после разбавления) получают следующим образом:
раствор 1 получают, прибавляя 3,2 мас.% реагента Arquad® T50, реализуемого компанией BASF (49% пропиленгликоля и 51% хлорида триметиламмонийталлата (64% алкилов C18, 31% алкилов C16, 4% алкилов C14 и 1% алкилов C12 в виде суспензии в пропиленгликоле) в виде суспензии в воде), и 0,65 мас.% Triton® X-405, реализуемого компанией Dow Chemical (70% октилфенолэтоксилата), затем смесь прибавляют к дистиллированной воде для получения 200 г водного раствора;
раствор 2 получают, прибавляя 5 мас.% стеарата калия к дистиллированной воде для получения 40 г водного раствора.
Раствор 1 вносят в высокоскоростной смеситель (бытовой смеситель-взбиватель Kenwood Major мощностью 1800 Вт) и осуществляют вспенивание перемешиванием при максимальной скорости в течение двух минут. К полученной при этом пене прибавляют раствор 2. Смесь перемешивают при максимальной скорости в течение двух минут для получения стабильной пены на водной основе.
3.2. Преобразование пены на водной основе в конечный продукт
Получение образцов 1 и 2
Взвешивают 230 г стабильной пены на водной основе, свежеполученной по методике, описанной в разделе 3.1, и прибавляют к ней неорганическое связующее вещество, полученное из гипсового замеса, полученного из порошка гипса, при необходимости порошка силиката натрия (NaO/SiO2·3H2O) и порошка органического латекса типа тройного винилового сополимера (Axilat® UP 620 E, компания Hexion, с содержанием латекса 90-95%) с соотношением "твердое вещество/вода" в замесе, равном 10:9 по массе. Перемешивание осуществляют в смесителе: речь идет о перемешивании с учетом того, что пена становится все более пастообразной.
Затем в течение 5 мин в ходе перемешивания во вспененную смесь вносят аэрогели диоксида кремния, продаваемые компанией Cabot (Nanogel® TLD 302), в виде фракции, просеянной до крупности, меньшей или равной 250 мкм. В ходе смешивания с течением времени получают все более плотную пасту в зависимости от количества вносимых аэрогелей, однако сохраняющую возможность достаточно легкого распределения и манипулирования для придания ей различных форм.
После высушивания (в течение 48 ч при T окружающей среды или, например, в течение 24 ч в сушильном шкафу при 50°C) паста, потерявшая массу приблизительно на 50%, затвердела и находилась в виде твердого вещества, обладающего некоторой гибкостью, которая зависела, таким образом, от количества аэрогелей, содержащихся в смеси.
Количество использованных реагентов и экспериментальные результаты представлены в таблице 3.
Пример 4
4.1. Получение пены на водной основе
Два водных раствора (1 и 2) (процентное содержание означает массовое содержание, рассчитанное по отношению к общей массе растворов после разбавления) получают следующим образом:
раствор 1 получают, прибавляя 3,2 мас.% реагента Arquad® T50, реализуемого компанией BASF (49% пропиленгликоля и 51% хлорида триметиламмонийталлата (64% алкилов C18, 31% алкилов C16, 4% алкилов C14 и 1% алкилов C12 в виде суспензии в пропиленгликоле) в виде суспензии в воде), и 0,65 мас.% Triton® X-405, реализуемого компанией Dow Chemical (70% октилфенолэтоксилата), затем смесь прибавляют к дистиллированной воде для получения 200 г водного раствора;
раствор 2 получают, готовя 40 г водного раствора (в дистиллированной воде), который содержит 5 мас.% стеарата калия и к которому прибавляют при перемешивании шпателем вручную 25-38 мас.% органического связующего вещества типа сополимера "стирол-акриловый эфир" (латекс) в виде водного раствора (Acronal® S 400, BASF, с содержанием латекса 57%).
Раствор 1 вносят в высокоскоростной смеситель (бытовой смеситель-взбиватель Kenwood Major мощностью 1800 Вт) и осуществляют вспенивание перемешиванием при максимальной скорости в течение двух минут. К полученной при этом пене прибавляют раствор 2. Смесь перемешивают при максимальной скорости в течение двух минут для получения стабильной пены на водной основе.
4.2. Преобразование пены на водной основе в конечный продукт
Получение образцов 3 и 4
В 230 г стабильной пены на водной основе, свежеполученной по методике, описанной в разделе 4.1, вносят неорганическое связующее вещество, полученное из гипсового замеса и при необходимости силиката натрия (NaO/SiO2·3H2O): соотношение "твердое вещество/вода" в замесе составляет 1:1 по массе. Перемешивание осуществляют в смесителе при низкой скорости - речь идет о перемешивании с учетом того, что пена становится все более пастообразной.
Затем в течение 5 мин в ходе перемешивания во вспененную смесь вносят аэрогели диоксида кремния, продаваемые компанией Cabot (Nanogel® TLD 302), в виде фракции, просеянной до крупности, меньшей или равной 250 мкм. В ходе смешивания с течением времени получают все более плотную пасту в зависимости от количества вносимых аэрогелей, однако сохраняющую возможность достаточно легкого распределения и манипулирования для придания ей различных форм.
После высушивания (в течение 48 ч при T окружающей среды или, например, в течение 24 ч в сушильном шкафу при 50°C) паста, потерявшая массу приблизительно на 50%, затвердела и находилась в виде твердого вещества, обладающего некоторой гибкостью, которая зависела, таким образом, от количества аэрогелей, содержащихся в смеси.
Количество использованных реагентов и экспериментальные результаты представлены в таблице 3.
Пример 5
5.1. Получение пены на водной основе
Два водных раствора (1 и 2) (процентное содержание означает массовое содержание, рассчитанное по отношению к общей массе растворов после разбавления) получают следующим образом:
раствор 1 получают, прибавляя 3,2 мас.% реагента Arquad® T50, реализуемого компанией BASF (49% пропиленгликоля и 51% хлорида триметиламмонийталлата (64% алкилов C18, 31% алкилов C16, 4% алкилов C14 и 1% алкилов C12, в виде суспензии в пропиленгликоле) в виде суспензии в воде), и 0,65 мас.% Triton® X-405, реализуемого компанией Dow Chemical (70% октилфенолэтоксилата), затем смесь прибавляют к дистиллированной воде для получения 200 г водного раствора;
раствор 2 получают, прибавляя 5 мас.% стеарата калия к дистиллированной воде для получения 40 г водного раствора.
Раствор 1 вносят в высокоскоростной смеситель (бытовой смеситель-взбиватель Kenwood Major мощностью 1800 Вт) и осуществляют вспенивание перемешиванием при максимальной скорости в течение двух минут. К полученной пене прибавляют раствор 2. Смесь перемешивают при максимальной скорости в течение двух минут для получения стабильной пены на водной основе.
5.2. Преобразование пены на водной основе в конечный продукт
Получение образца 5
В 230 г стабильной пены на водной основе, свежеполученной по методике, описанной в разделе 5.1, вносят неорганическое связующее вещество, полученное из гипсового замеса и при необходимости силиката натрия (NaO/SiO2·3H2O): соотношение "твердое вещество/вода" в замесе составляет 1:1 по массе. Перемешивание осуществляют в смесителе - речь идет о перемешивании с учетом того, что пена становится все более пастообразной.
Затем в течение 5 мин в ходе перемешивания во вспененную смесь вносят аэрогели диоксида кремния, продаваемые компанией Cabot (Nanogel® TLD 302), в виде фракции, просеянной до крупности, меньшей или равной 250 мкм. В ходе смешивания с течением времени получают все более плотную пасту в зависимости от количества вносимых аэрогелей, однако сохраняющую возможность достаточно легкого распределения и манипулирования для придания ей различных форм.
После высушивания (в течение 48 ч при T окружающей среды или, например, в течение 24 ч в сушильном шкафу при 50°C) паста, потерявшая массу приблизительно на 50%, затвердела и находилась в виде твердого вещества, обладающего некоторой гибкостью, которая зависела, таким образом, от количества аэрогелей, содержащихся в смеси.
Количество использованных реагентов и экспериментальные результаты представлены в таблице 3.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЭРОГЕЛЯ, КОТОРЫЙ ЯВЛЯЕТСЯ СУПЕРИЗОЛИРУЮЩИМ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ | 2012 |
|
RU2569112C2 |
| КОМПОЗИТНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ | 2012 |
|
RU2582528C2 |
| ПАНЕЛЬ С ПРОТИВОПОЖАРНЫМИ СВОЙСТВАМИ | 2012 |
|
RU2609044C2 |
| ВОДНЫЙ ИЛИ ВОДНО-СПИРТОВОЙ ГЕЛЬ СИНТЕТИЧЕСКИХ ФИЛЛОСИЛИКАТОВ В КАЧЕСТВЕ АГЕНТА, УВЕЛИЧИВАЮЩЕГО ВЯЗКОСТЬ, ПРИДАЮЩЕГО МАТОВЫЙ ЭФФЕКТ И/ИЛИ ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ОДНОРОДНОСТЬ НАНЕСЕНИЯ | 2015 |
|
RU2674980C1 |
| ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПРОДУКТЫ | 2015 |
|
RU2704188C2 |
| АРМИРОВАННЫЕ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ | 2014 |
|
RU2654481C2 |
| УЛЬТРАЛЁГКИЙ МИНЕРАЛЬНЫЙ ПЕНОМАТЕРИАЛ | 2016 |
|
RU2723318C2 |
| НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ПЕНА НА ОСНОВЕ СУЛЬФОАЛЮМИНАТА КАЛЬЦИЯ | 2018 |
|
RU2786460C2 |
| ДОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ ВОДНУЮ КОМПОЗИЦИЮ В ФОРМЕ ГЕЛЯ ИЛИ ГУСТОГО КРЕМА | 2014 |
|
RU2670013C2 |
| ПОКРЫТИЕ ЖИДКОКЕРАМИЧЕСКОЕ ИЗОЛЯЦИОННОЕ | 2007 |
|
RU2342415C1 |
Изобретение относится к теплоизоляционному материалу, который получают из смеси по меньшей мере следующих компонентов, представляющих собой: пену на водной основе, частицы аэрогеля диоксида кремния, по меньшей мере одно связующее вещество, выбранное из органического связующего вещества и неорганического связующего вещества, по меньшей мере одну соль катионного поверхностно-активного соединения и по меньшей мере одну соль анионного поверхностно-активного соединения. Технический результат - обеспечение теплоизоляционных характеристик при сохранении хороших механических свойств, в частности, в отношении стойкости к сжатию и деформируемости и низкой плотности для облегчения нагрузки, возможность придания любых требуемых форм, в частности, формовкой. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.
1. Теплоизоляционный материал, полученный из смеси по меньшей мере следующих компонентов, представляющих собой:
пену на водной основе;
частицы аэрогеля диоксида кремния;
по меньшей мере одно связующее вещество, выбранное из органического связующего вещества и неорганического связующего вещества, причем пена на водной основе содержит:
по меньшей мере одну соль катионного поверхностно-активного соединения, выбранного из одного из следующих соединений общей формулы:
,
где: R представляет собой алифатическую цепь, содержащую от 8 до 24 атомов углерода; R1 представляет собой группу, выбранную из алкилов, содержащих от 1 до 16 атомов углерода, гидроксиалкилов, содержащих от 1 до 16 атомов углерода, бензила, группы, которая совместно с атомом азота формулы (I) образует гетероцикл, при необходимости замещенный по меньшей мере одним атомом фтора; R2 и R3 выбраны из групп, представляющих собой алкилы, содержащие от 1 до 6 атомов углерода, гидроксиалкилы, содержащие от 1 до 6 атомов углерода, атомы водорода, бензилы, группы, которые совместно с атомом азота формулы (I) образуют гетероцикл, при необходимости замещенный по меньшей мере одним атомом фтора; X- означает противоанион;
по меньшей мере одну соль анионного поверхностно-активного соединения, выбранного из одного из следующих соединений общей формулы (II):
R-X-,Y+ (II),
где: R представляет собой алифатическую цепь, содержащую от 10 до 24 атомов углерода; Х- означает группу, несущую отрицательный заряд и выбранную из карбоксилатных, сульфатных и фосфатных групп; Y+ означает противокатион, выбранный из катионов аммония, натрия и калия, причем указанные компоненты взяты в количествах, выраженных по отношению к общей массе смеси и варьирующих от 25 до 75 мас.% для пены на водной основе, от 5 до 35 мас.% для частиц аэрогеля диоксида кремния и от 5 до 35 мас.% для связующего вещества.
2. Теплоизоляционный материал по п. 1, отличающийся тем, что он может быть получен по меньшей мере из пены на водной основе в количестве от 35 до 65 мас.%, частиц аэрогеля диоксида кремния в количестве от 17 до 25 мас.% и связующего вещества в количестве от 17 до 25 мас.%.
3. Теплоизоляционный материал по п. 1 или 2, в котором соотношение массового содержания соли катионного поверхностно-активного соединения и массового содержания соли анионного поверхностно-активного соединения варьирует от 0,05:1 до 15:1, предпочтительно от 0,2:1 до 5:1 и, возможно, от 0,4:1 до 2,5:1.
4. Теплоизоляционный материал по п. 1, отличающийся тем, что соль катионного поверхностно-активного соединения выбрана по меньшей мере из одного из следующих соединений, представляющих собой бромид додецилтриметиламмония, хлорид додецилтриметиламмония, бромид тетрадецилтриметиламмония, хлорид тетрадецилтриметиламмония, бромид гексадецилтриметиламмония, хлорид гексадецилтриметиламмония, бромид октадецилтриметиламмония, хлорид октадецилтриметиламмония, бромид цетилтриметиламмония, хлорид цетилтриметиламмония, хлорид цетилбензилдиметиламмония, бромид цетилтриэтиламмония и хлорид триметиламмонийталлата.
5. Теплоизоляционный материал по п. 4, отличающийся тем, что соль катионного поверхностно-активного соединения представляет собой хлорид триметиламмонийталлата.
6. Теплоизоляционный материал по п. 1, отличающийся тем, что соль анионного поверхностно-активного соединения выбрана по меньшей мере из одного из следующих соединений, представляющих собой стеарат аммония, стеарат калия и стеарат натрия.
7. Теплоизоляционный материал по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пена на водной основе содержит смесь воды и глицерина, по меньшей мере одно поверхностно-активное соединение и по меньшей мере одно цвиттерионное соединение.
8. Теплоизоляционный материал по п. 7, отличающийся тем, что пена на водной основе содержит от 35 до 45 мас.% и предпочтительно 40 мас.% глицерина, менее 0,5 мас.% додецилполиоксиэтилен-3-сульфата, менее 0,5 мас.% кокоамидопропилбетаина и менее 0,05 мас.% миристиновой кислоты.
9. Теплоизоляционный материал по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что связующее вещество представляет собой латекс.
10. Теплоизоляционный материал по п. 9, отличающийся тем, что латекс имеет температуру стеклования Tg менее 50°C.
11. Теплоизоляционный материал по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 8 или 10, отличающийся тем, что он имеет коэффициент теплопроводности, меньший или равный 23 мВт/м·K и предпочтительно 20 мВт/м·K.
12. Теплоизоляционный материал по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 8 или 10, отличающийся тем, что он имеет коэффициент теплопроводности, меньший или равный 19 мВт/м·K.
13. Теплоизоляционный материал по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 8 или 10, отличающийся тем, что он имеет плотность, меньшую или равную 150 кг/м3 и предпочтительно 130 кг/м3.
14. Теплоизоляционный материал по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 8 или 10, отличающийся тем, что он имеет плотность, меньшую или равную 100 кг/м3.
15. Способ получения теплоизоляционного материала по любому из предыдущих пунктов, включающий в себя стадии, состоящие в том, что:
а) получают пену на водной основе;
b) прибавляют по меньшей мере одно связующее вещество;
c) прибавляют порошок аэрогеля диоксида кремния, перемешивая или вальцуя;
d) дают смеси высохнуть.
16. Способ получения по п. 15, отличающийся тем, что на стадии d) осуществляют формование в ходе высушивания.
17. Способ получения по п. 15 или 16, отличающийся тем, что пену на водной основе получают следующим образом:
а) осуществляют вспенивание перемешиванием смеси, содержащей катионное поверхностно-активное вещество;
b) затем прибавляют водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество.
| WO 03097227 A1, 27.11.2003 | |||
| RU 2161143 C1, 27.12.200 | |||
| WO 9625475 A1, 22.08.1996. |
