Способ получения изоляционного изделия, содержащего аэрогель

Способ получения изоляционного изделия, содержащего аэрогель

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу получения изоляционного изделия.

Предпосылки изобретения

Изоляционное изделие используется во множестве применений для создания изоляционного слоя. Например, изоляционное изделие, как правило, в форме панелей используется в холодильниках для создания необходимой изоляции между холодным внутренним пространством и более теплым наружным пространством. Изоляционные изделия формируются множеством способов, хотя, как правило, изоляционное изделие формируется с помощью заполняемых панелей и других полостей с изоляционными материалами, такими как изоляционные волокна и порошки - аэрогели (см. US 4399175 А, F 16 L 59/02, 16.08.1983). Такой способ получения, однако, часто является трудоемким и не приводит к получению изоляционного изделия с наиболее оптимальными характеристиками теплопроводности.

В частности, заполнение контейнеров изоляционными материалами, как правило, требует ручных манипуляций с изоляционными материалами. Недостатки эксплуатации таких изоляционных материалов включают потенциальные опасности для здоровья и неудобство для пользователя.

Настоящее изобретение предусматривает способ получения изоляционного изделия, которое сводит к минимуму манипуляции с изоляционным материалом и доводит до максимума характеристики теплопроводности полученного изоляционного изделия. Эти и другие преимущества настоящего изобретения, а также дополнительные особенности настоящего изобретения станут ясны из приведенного здесь описания изобретения.

Сущность изобретения

Способ получения изоляционного изделия по настоящему изобретению включает в себя создание герметичного первого контейнера, содержащего частицы аэрогеля при первом давлении воздуха, которое является меньшим, чем атмосферное давление. Естественный объем частиц аэрогеля при первом давлении воздуха является меньшим, чем естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха, которое является большим, чем первое давление воздуха. Затем герметичный первый контейнер помещают во второй контейнер и герметичный первый контейнер разрушают для уравнивания давления воздуха между первым и вторым контейнерами при втором давлении воздуха и для увеличения объема частиц аэрогеля, тем самым формируя изоляционное изделие.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предусматривает способ получения изоляционного изделия. Способ получения изоляционного изделия включает в себя обеспечение герметичного первого контейнера и второго контейнера. Герметичный первый контейнер содержит частицы аэрогеля при первом давлении воздуха, которое является меньшим, чем атмосферное давление. Естественный объем частиц аэрогеля при первом давлении воздуха является меньшим, чем естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха, которое больше, чем первое давление воздуха. Затем герметичный первый контейнер помещают во второй контейнер, который находится под давлением воздуха, большим, чем давление воздуха, присутствующее в герметичном первом контейнере. При разрушении герметичного первого контейнера давление воздуха между первым и вторым контейнерами уравнивается при втором давлении воздуха. Объем частиц аэрогеля соответственным образом увеличивается, заполняя второй контейнер, тем самым формируя изоляционное изделие.

Первый и второй контейнеры могут представлять собой любые пригодные для использования контейнеры. В частности, первый контейнер должен быть способным к удерживанию частиц аэрогеля при давлении, которое является меньшим, чем атмосферное давление. В дополнение к этому, первый контейнер должен быть способен разрушаться с тем, чтобы дать возможность расширения объему частиц аэрогеля при соприкосновении с более высоким, уравненным давлением воздуха между первым и вторым контейнерами. Второй контейнер является большим, чем первый контейнер, так что первый контейнер может быть помещен во втором контейнере. Хотя второй контейнер может и не быть герметичным, желательно, чтобы второй контейнер был герметичным для удерживания частиц аэрогеля внутри второго контейнера при разрушении герметичного первого контейнера и расширении объема частиц аэрогеля при соприкосновении с более высоким выровненным давлением воздуха между первым и вторым контейнерами. Первый и второй контейнеры могут формироваться из любого пригодного для использования материала (материалов) и могут быть жесткими или гибкими. Особенно желательно, чтобы первый контейнер по существу состоял из пленки, например из полиэфирной или усадочной оберточной пленки, то есть из относительно тонкого материала, с тем, чтобы он легко разрушался путем прокола или соприкосновения с теплом. Подобным же образом, является желательным, чтобы второй контейнер содержал пленку, а предпочтительно состоял из нее, то есть из относительно более толстого материала или из материала, который не разрушался бы при соприкосновении с таким же уровнем тепла, который вызывал бы разрушение первого контейнера, и желательно, чтобы он герметизировался под действием этого же тепла.

Аэрогель может представлять собой любой пригодный для использования аэрогель. Термин "гель" относится к упорядоченной, жесткой, сплошной трехмерной сетке коллоидных частиц. Гели получают путем агрегирования коллоидных частиц (как правило, при кислых условиях, когда нейтрализующие соли отсутствуют) с формированием трехмерной микроструктуры геля. Когда гель сушат (то есть когда жидкость удаляется из пор), посредством чего сохраняется упорядоченная микроструктура геля, например с помощью сверхкритической сушки, образуется гель низкой плотности или "аэрогель". Способ получения аэрогеля описан в патенте США 3122520. Предпочтительно аэрогель представляет собой аэрогель на основе окиси металла, в частности аэрогель на основе двуокиси кремния.

Частицы аэрогеля имеют в высшей степени желательные свойства, такие, например, как оптическая прозрачность, исключительно низкая плотность и очень низкая теплопроводность. Соответственно, частицы аэрогеля преимущественно используют в качестве изоляционного материала. Частицы аэрогеля могут иметь любой соответствующий диаметр. Предпочтительно, диаметр по существу всех частиц аэрогеля составляет примерно 0,5 мм или более (например, примерно 1 мм или более). Более предпочтительно, диаметр по существу всех частиц аэрогеля составляет примерно 5 мм или менее (например, примерно от 0,5 или 1 мм до примерно до 5 мм). Частицы аэрогеля могут иметь любую пригодную для использования плотность, предпочтительно, примерно от 0,05 г/см³ примерно до 0,15 г/см³. Частицы аэрогеля также могут иметь любую пригодную для использования площадь поверхности, предпочтительно равную, по меньшей мере, примерно 200 м²/г. Площадь поверхности, описываемая здесь, вычисляется на основе количества азота, поглощаемого при пяти различных относительных давлениях, в пределах от 0,05 до 0,25 атм, согласно модели Браунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ), упоминаемой в Gregg S.J. and Sing K.S.W. "Adsorption Surface Area and Porosity", p.285, Academic Press, New York (1991).

Частицы аэрогеля в первом герметичном контейнере находятся при первом давлении воздуха, которое является меньшим, чем атмосферное давление, которое, как правило, может оцениваться как значение, примерно равное 100 кПа (но которое изменяется в зависимости от высоты, на которой получают первый герметичный контейнер, содержащий частицы аэрогеля). Давление воздуха в первом контейнере, то есть первое давление воздуха, может быть получено любым пригодным для использования способом, например путем установления, по меньшей мере, частичного вакуума в первом контейнере, этот вакуум может создаваться с использованием обычного оборудования. Давление воздуха внутри первого контейнера желательно составляет примерно 50 кПа или менее (например, примерно 10-50 кПа), предпочтительно, примерно 20 кПа или менее (например, примерно 1-20 кПа) и более предпочтительно, примерно 10 кПа или менее (например, примерно 1 кПа или менее или даже примерно 0,1 кПа или менее).

Давление воздуха во втором контейнере, то есть второе давление воздуха, может быть получено любым пригодным для использования способом. Желательно, чтобы давление воздуха во втором контейнере было равно атмосферному давлению (например, примерно 100 кПа), хотя давление воздуха во втором контейнере может быть отличным от атмосферного давления, то есть быть выше или ниже, чем атмосферное давление.

Естественный объем частиц аэрогеля в герметичном первом контейнере при первом давлении воздуха является меньшим, чем естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха, которое является большим, чем первое давление воздуха. Термин "естественный", как подразумевается, исключает воздействие любого ограничения со стороны контейнера, так что объем частиц аэрогеля рассматривается на основе воздействия одного лишь давления воздуха. Частицы аэрогеля в первом контейнере, как правило, будут иметь естественный объем, который является меньшим, чем естественный объем по существу при атмосферном давлении, которое обычно равно второму давлению воздуха, которому подвергаются частицы аэрогеля в конечном продукте изоляционного изделия.

Естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха может быть меньшим, большим или по существу таким же, как и объем второго контейнера. Другими словами, частицы аэрогеля могут частично заполнять, переполнять или только заполнять второй контейнер. Желательно, чтобы частицы аэрогеля только заполняли и переполняли второй контейнер так, чтобы естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха был по существу таким же или, более предпочтительно, большим, чем объем второго контейнера. Переполнение второго контейнера частицами аэрогеля является предпочтительным в связи с улучшением изоляционных характеристик получаемого изоляционного изделия. Таким образом, естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха предпочтительно является примерно на 10% или более (например, примерно на 10-30%) большим, чем объем первого контейнера. Такое переполнение второго контейнера может быть достигнуто путем обеспечения того, что естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим, чем объем второго контейнера, а затем обеспечения того, что реальный объем частиц аэрогеля при первом давлении воздуха может быть сделан достаточно малым, путем уменьшения давления воздуха в первом контейнере и, необязательно, ограничения объема частиц аэрогеля (например, со стороны самого первого контейнера), таким образом, чтобы герметичный первый контейнер, содержащий частицы аэрогеля, мог попасть внутрь второго контейнера. Разрушение герметичного первого контейнера и соприкосновение частиц аэрогеля в нем со вторым давлением воздуха будет вызывать расширение частиц аэрогеля и заполнение (желательно переполнение) всего объема второго контейнера.

Второй контейнер не обязательно должен быть герметичным, но желательно является герметичным для формирования изоляционного изделия. В этой связи второй контейнер может запечатываться до, после или во время разрушения герметичного первого контейнера. Поскольку желательным является переполнение второго контейнера частицами аэрогеля, второй контейнер желательно герметизируется до или во время разрушения герметичного первого контейнера.

Разрушение герметичного первого контейнера может достигаться любым пригодным для использования способом. Соответствующие методики для разрушения герметичного первого контейнера включают в себя прокалывание герметичного первого контейнера с помощью физического устройства и нагрев герметичного первого контейнера. Нагрев герметичного первого контейнера с целью его разрушения является предпочтительным, поскольку такой нагрев может иметь место в то время, когда герметичный первый контейнер находится в герметичном втором контейнере (то есть во втором контейнере, который герметизируется до разрушения герметичного первого контейнера). Тепло может прикладываться к герметичному первому контейнеру для разрушения этого контейнера с помощью любой пригодной для использования технологии, например звуковой или СВЧ энергии. На самом деле способ, которым герметизируют второй контейнер, может быть тем же способом, которым разрушают герметичный первый контейнер. Так, например, если второй контейнер подвергают термической герметизации, тепло, используемое для герметизации второго контейнера, может быть использовано для разрушения герметичного первого контейнера, желательно на той же процедурной стадии.

Первый и второй контейнеры могут содержать и другие предметы в дополнение к частицам аэрогеля. Например, первый и/или второй контейнеры могут содержать слои, отражающие тепло, с целью улучшения изоляционных характеристик полученного изоляционного изделия для определенных применений. Подобным же образом первый и/или второй контейнеры могут содержать непрозрачные материалы, такие как углеродная сажа, для улучшения изоляционных характеристик полученного изоляционного изделия при определенных применениях.

Изоляционное изделие по настоящему изобретению может иметь любые пригодные для использования свойства, например теплопроводность, пропускание света и характеристики, связанные с эксплуатацией. Например, желательно, чтобы изоляционные изделия имели теплопроводность при 2,5°С и/или 12,5°С примерно 20 мВт/мК или меньше (например, примерно 19 мВт/мК или меньше, или даже примерно 18 мВт/мК или меньше). Также желательно, чтобы изоляционные изделия имели пропускание света/см толщины изоляционного изделия, равное примерно 50% или более (например, примерно 70% или более или даже примерно 80% или более). Другие желаемые характеристики изоляционных изделий являются известными специалистам в данной области, и изоляционные изделия могут конструироваться таким образом, чтобы они обладали такими характеристиками, желаемыми для изоляционного изделия.

Следующие далее примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но, разумеется, не должны рассматриваться в качестве ограничений для его рамок.

Пример 1

Этот пример демонстрирует воздействие пониженного давления воздуха на объем частиц аэрогеля.

Объем образца частиц аэрогеля (в частности, аэрогеля на основе двуокиси кремния) измеряют при атмосферном давлении. затем этот же образец частиц аэрогеля подвергают различным пониженным давлениям воздуха путем помещения частиц аэрогеля в герметичный (то есть непроницаемый для воздуха) контейнер и обеспечивают увеличение вакуума контейнеру. Объем частиц аэрогеля измеряют при этих различных пониженных давлениях и сравнивают его с объемом частиц аэрогеля при атмосферном давлении. Процент понижения измеренного объема частиц аэрогеля при различных пониженных давлениях вычисляют, и полученные данные приведены ниже в таблице 1.

Таблица 1Процент уменьшения объема в результате действия давления
Давление воздуха на частицы аэрогеля (кПа)	Процент уменьшения объема частиц аэрогеля
99 (атмосферное давление)	---
67	22,5%
27	36%
13	37%
1	37%
0	37%

Как демонстрируется с помощью данных, представленных в таблице 1, когда давление воздуха на частицы аэрогеля понижается по сравнению с атмосферным давлением, объем частиц аэрогеля значительно понижается. Конкретно, объем частиц аэрогеля уменьшается (то есть частицы аэрогеля сокращаются) на величину до 37% от исходного объема (объем = 0,63 × объем при атмосферном давлении), когда давление воздуха, приложенное к частицам аэрогеля, понижается от атмосферного давления (в этом примере - примерно 99 кПа) примерно до 20 кПа и ниже. В дополнение к этому, как замечено, когда различные пониженные давления воздуха возрастают опять до атмосферного давления, при атмосферном давлении частицы аэрогеля возвращаются к их исходному объему.

Таким образом, этот пример демонстрирует, что объем частиц аэрогеля может быть понижен путем соприкосновения с пониженным давлением воздуха. Более того, этот объем частиц аэрогеля является обратимым при повышении давления воздуха.

Пример 2

Этот пример демонстрирует воздействие упаковки аэрогеля на изоляционные характеристики частиц аэрогеля в изоляционном изделии.

Контейнер заполняют частицами аэрогеля (в частности, частицами аэрогеля на основе двуокиси кремния) таким образом, что естественный объем частиц аэрогеля является таким же, как и объем контейнера, то есть частицы аэрогеля не переполняют контейнер, так, чтобы контейнер ограничивал объем частиц аэрогеля. Тем самым получают изоляционное изделие и видимую (насыпную) теплопроводность изоляционного изделия измеряют при 2,5°С и при 12,5°С. Затем контейнер переполняют до различных степеней частицами аэрогеля и теплопроводность каждого полученного изоляционного изделия измеряют при 2,5°С и при 12,5°С. Результаты этих измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2Воздействие упаковки аэрогеля на теплопроводность изделия
% избытка естественного объема частиц аэрогеля к объему контейнера	Видимая теплопроводность (мВт/мК) при средней температуре 2,5°С	Видимая теплопроводность (мВт/мК) при средней температуре 12,5°С
0	19	19,8
10	18,1	19
20	17,6	18,4
30	16,9	17,6
40	17	17,8

Как демонстрируется с помощью данных, приведенных в таблице 2, контейнер может переполняться частицами аэрогеля для получения оптимальной теплопроводности. В частности, когда естественный объем частиц аэрогеля составляет примерно 10% или, более конкретно, примерно 10-30% от объема контейнера, полученное изоляционное изделие достигает оптимальной теплопроводности как при 2,5°С, так и при 12,5°С.

Этот пример демонстрирует, что частицы аэрогеля создают превосходный изоляционный материал. Кроме того, этот пример демонстрирует, что естественный объем частиц аэрогеля по отношению к объему контейнера, содержащего частицы аэрогеля, может подбираться для создания оптимальных изоляционных характеристик для полученного изоляционного изделия.

Все ссылки, включая публикации, заявки на патенты и патенты, приведенные в описании, тем самым, включаются сюда в качестве ссылок в той же степени, как если бы каждая ссылка индивидуально и конкретно указывалась как включаемая в качестве ссылки, и они включаются сюда во всей их полноте.

Использование терминов "и", "или" и "этот" и им подобных в контексте описания настоящего изобретения (по существу в контексте следующей далее формулы изобретения), как предполагается, перекрывают как единственное, так и множественное число, если только где-то не указывается иного или из контекста явно не следует противоположного. Ссылки на пределы для значений, приведенные здесь, предназначены только в качестве краткого способа для индивидуального упоминания каждого отдельного значения, попадающего в эти пределы, если не указано иного, и каждое отдельное значение включается в описание, как если бы оно упоминалось здесь индивидуально. Все способы, описанные здесь, могут осуществляться в любом пригодном для использования порядке, если здесь не указано иного или не имеется ясных противоречий этому в тексте. Использование любого и всех примеров или иллюстративных выражений (например, "такие как"), осуществленное здесь, предназначено только для лучшего освещения настоящего изобретения и не накладывает ограничений на рамки изобретения, если только в формуле изобретения не заявляется иного.

Здесь описываются предпочтительные воплощения настоящего изобретения, включая наилучший способ, известный авторам, для осуществления настоящего изобретения. Разумеется, вариации этих предпочтительных воплощений будут очевидны специалисту в данной области при чтении предшествующего описания. Авторы настоящего изобретения ожидают, что специалисты в данной области используют такие вариации пригодным для использования образом, и авторы предполагают, что настоящее изобретение будет использоваться иначе, чем здесь конкретно описано. Соответственно, настоящее изобретение включает в себя все модификации и эквиваленты предмета изобретения, как он описан в прилагаемой формуле изобретения, в соответствии с применимыми к данному случаю законами. Кроме того, любое сочетание описанных выше элементов и всех их возможных вариаций охватывается настоящим изобретением, если только не указывается иного или нет иных противоречий, ясных из контекста.

1. Способ получения изоляционного изделия, включающий в себя

обеспечение герметичного первого контейнера, содержащего частицы аэрогеля при первом давлении воздуха, которое является меньшим, чем атмосферное давление, где естественный объем частиц аэрогеля при первом давлении воздуха является меньшим, чем естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха, которое является большим, чем первое давление воздуха,

помещение герметичного первого контейнера во второй контейнер,

разрушение герметичного первого контейнера для уравнивания давления воздуха между первым и вторым контейнерами при втором давлении воздуха и для увеличения объема частиц аэрогеля, тем самым формируя изоляционное изделие.

2. Способ по п.1, где второе давление воздуха является меньшим, чем атмосферное давление.

3. Способ по п.1, где второе давление воздуха представляет собой атмосферное давление.

4. Способ по п.3, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является по существу таким же, как объем второго контейнера.

5. Способ по п.1, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим, чем объем второго контейнера.

6. Способ по п.5, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим примерно на 10% или более, чем объем второго контейнера.

7. Способ по п.6, где по существу все частицы аэрогеля имеют диаметр примерно 0,5 мм или более.

8. Способ по п.7, где по существу все частицы аэрогеля имеют диаметр примерно 5 мм или менее.

9. Способ по п.8, где частицы аэрогеля представляют собой частицы аэрогеля на основе двуокиси кремния.

10. Способ по п.9, где изоляционное изделие имеет пропускание света/см толщины, равное примерно 80% или более.

11. Способ по п.1, где способ дополнительно включает в себя герметизацию второго контейнера после разрушения герметичного первого контейнера.

12. Способ по п.1, где способ дополнительно включает в себя герметизацию второго контейнера перед разрушением герметичного первого контейнера или во время его разрушения.

13. Способ по п.1, где герметичный первый контейнер разрушают путем нагрева герметичного первого контейнера.

14. Способ по п.1, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим, чем объем второго контейнера, второе давление воздуха представляет собой атмосферное давление и частицы аэрогеля представляют собой частицы аэрогеля на основе двуокиси кремния диаметром примерно от 0,5 до примерно 5 мм.

15. Изоляционное изделие, включающее в себя

частицы аэрогеля;

разрушаемый первый контейнер, причем первый контейнер до его разрушения имеет объем, заполненный частицами аэрогеля при первом давлении воздуха, которое является меньшим, чем атмосферное давление; и

второй контейнер, содержащий свободное пространство при втором давлении воздуха,

причем частицы аэрогеля и разрушаемый первый контейнер расположены в свободном пространстве, второе давление воздуха является большим, чем первое давление воздуха, и естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении примерно на 10-20% больше, чем объем первого контейнера.

16. Изоляционное изделие по п.15, где второе давление воздуха является меньшим, чем атмосферное давление.

17. Изоляционное изделие по п.15, где второе давление воздуха представляет собой атмосферное давление.

18. Изоляционное изделие по п.15, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим, чем объем второго контейнера.

19. Изоляционное изделие по п.18, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим примерно на 10% или более, чем объем второго контейнера.

20. Изоляционное изделие по п.19, где по существу все частицы аэрогеля имеют диаметр примерно 0,5 мм или более.

21. Изоляционное изделие по п.20, где по существу все частицы аэрогеля имеют диаметр примерно 5 мм или менее.

22. Изоляционное изделие по п.21, где частицы аэрогеля представляют собой частицы аэрогеля на основе двуокиси кремния.

23. Изоляционное изделие по п.22, где изоляционное изделие имеет пропускание света/см толщины, равное примерно 80% или более.

24. Изоляционное изделие по п.15, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим, чем объем второго контейнера, второе давление воздуха представляет собой атмосферное давление и частицы аэрогеля представляют собой частицы аэрогеля на основе двуокиси кремния диаметром примерно от 0,5 до примерно 5 мм.

25. Изоляционное изделие, содержащее

контейнер, имеющий объем и содержащий свободное пространство при давлении воздуха, и

частицы аэрогеля, расположенные в свободном пространстве, причем естественный объем частиц аэрогеля при давлении воздуха является на 10-30% большим, чем объем контейнера.

26. Изоляционное изделие по п.25, где по существу все частицы аэрогеля имеют диаметр примерно 0,5 мм или более.

27. Изоляционное изделие по п.26, где по существу все частицы аэрогеля имеют диаметр примерно 5 мм или менее.

28. Изоляционное изделие по п.27, где частицы аэрогеля представляют собой частицы аэрогеля на основе двуокиси кремния.

29. Изоляционное изделие по п.28, где изоляционное изделие имеет пропускание света/см толщины, равное примерно 80% или более.

30. Изоляционное изделие по п.25, где естественный объем частиц аэрогеля при втором давлении воздуха является большим, чем объем второго контейнера, второе давление воздуха представляет собой атмосферное давление и частицы аэрогеля представляют собой частицы аэрогеля на основе двуокиси кремния диаметром примерно от 0,5 до примерно 5 мм.