Связующая композиция, содержащая аэрогель и полые частицы, изоляционный композитный материал и способ их приготовления

Связующая композиция, содержащая аэрогель и полые частицы, изоляционный композитный материал и способ их приготовления

Реферат

Область изобретения

Данное изобретение относится к связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, изоляционному композитному материалу, содержащему аэрогель и полые частицы, и способу их приготовления.

Предпосылки изобретения

Известно, что аэрогели обеспечивают превосходные тепло- и звукоизолирующие свойства. Изоляционные материалы, содержащие аэрогель, готовили, прессуя сухие композиции частиц аэрогеля или смешивая частицы аэрогеля со связующими для получения связанной массы частиц. Однако материалы, содержащие аэрогель, могут быть более сложны в изготовлении и применении, чем другие изоляционные материалы, и являются, в силу этого, более дорогостоящими. Также, связующие композиции с аэрогелем, обеспечивая хорошую тепло- и звукоизоляцию, могут проявлять низкую износостойкость и термодеструкцию в условиях высокой температуры.

Таким образом, было бы выгодным получить изоляционный материал, который обеспечивает многие из преимуществ изоляционных материалов, содержащих аэрогель (например, хорошие тепло- и/или звукоизоляцию), при уменьшенной стоимости и с улучшенной износостойкостью и термостойкостью. Изобретение обеспечивает такой материал, а также способ получения такого материала. Эти и другие преимущества изобретения, а также дополнительные свойства изобретения будут ясны из приведенного далее описания изобретения.

Краткое описание изобретения

Изобретение предлагает связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами, содержащую, в основном состоящую из или состоящую из водного связующего, гидрофобных частиц аэрогеля, полых непористых частиц и, необязательно, пенообразователя. Изобретение также обеспечивает изоляционный композитный материал, содержащий, в основном состоящий из или состоящий из (a) нижнего изоляционного слоя, содержащего, в основном состоящего из или состоящего из связующей композиции аэрогеля и полых частиц, и (b) защитного слоя, содержащего, в основном состоящего из или состоящего из защитного связующего и, необязательно, агента, отражающего инфракрасный свет, и/или армирующих волокон. Также обеспечивается способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, причем данный способ включает, в основном состоит из или состоит из (a) получения связующей композиции, содержащей, в основном состоящей из или состоящей из водного связующего и пенообразователя, (b) взбалтывания связующей композиции для получения вспененной связующей композиции, и (с) соединения вспененной связующей композиции с гидрофобными частицами аэрогеля и полыми непористыми частицами для получения связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами. Также предлагается способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, причем данный способ включает, в основном состоит из или состоит из (a) получения связующей композиции, содержащей, в основном состоящей из или состоящей из водного связующего и, необязательно, пенообразователя, (b) получения гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц, и (c) одновременного нанесения связующей композиции, частиц аэрогеля и полых непористых частиц на основу, после чего связующая композиция смешивается с композицией аэрогеля с получением связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами.

Подробное описание изобретения

Связующая композиции с аэрогелем и полыми частицами

Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами содержит, состоит в основном или состоит из водного связующего, гидрофобных частиц аэрогеля, полых непористых частиц и, необязательно, пенообразователя.

В соответствии с изобретением могут применяться любые подходящие гидрофобные частицы аэрогеля. Подходящие гидрофобные частицы аэрогеля включают органические частицы аэрогеля, такие как резорцинолформальдегидные или меламинформальдегидные частицы аэрогеля, и неорганические частицы аэрогеля, такие как частицы аэрогеля из оксидов металла (например, аэрогели из диоксида кремния, диоксида титана и оксида алюминия). Предпочтительны частицы аэрогеля из оксидов металла, особенно частицы аэрогеля из диоксида кремния. Подходящие гидрофобные частицы аэрогеля коммерчески доступны, и способы приготовления подходящих гидрофобных аэрогелей известны (см.,например, WO 99/36355A2; WO 99/36356A2; WO 99/36479A1; WO 93/45210A2; WO 98/45035A1; WO 98/45032A1; WO 96/18456А2).

Гидрофобные частицы аэрогеля желательно содержат глушители, которые понижают теплопроводность гидрофобных частиц аэрогеля. Могут применяться любые подходящие глушители, включая, но не ограничиваясь только ими, сажу, углеродное волокно, диоксид титана и модифицированные углеродсодержащие компоненты, как описано, например, в публикации WO 96/18456А2. Гидрофобные частицы аэрогеля могут также содержать волокна. Подходящие волокна включают любые из тех, что будут обсуждаться в следующих разделах.

Размер используемых гидрофобных частиц аэрогеля будет зависеть частично от желательной толщины слоя нанесения связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами на основу (например, как изолирующий нижний слой изолирующего композиционного материала, как описано в следующих разделах). Для целей изобретения термины "размер частицы" и "диаметр частицы" используются как синонимы. Обычно более крупные частицы аэрогеля обеспечивают более высокую теплоизоляцию; однако частицы аэрогеля должны быть относительно малыми по сравнению с толщиной изоляционного композитного материала, чтобы позволить водному связующему окружить гидрофобные частицы аэрогеля и образовать матрицу. Для большинства применений целесообразно использовать гидрофобные частицы аэрогеля, имеющие средний диаметр (по массе) около 5 мм или меньше (например, порядка 0,01-5 мм). Предпочтительно, гидрофобные частицы аэрогеля имеют средний диаметр (по массе) примерно 3 мм или меньше (например, примерно 0,1-3 мм) или примерно 2 мм или меньше (например, примерно 0,5-2 мм или примерно 1-1,5 мм). Предпочтительно, гидрофобные частицы аэрогеля, используемые в связи с изобретением, имеют узкое распределение частиц по размерам. Так, например, предпочтительно использовать гидрофобные частицы аэрогеля, из которых, по меньшей мере, примерно 95% гидрофобных частиц аэрогеля (по массе) 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) или даже примерно 2 мм или меньше (например, примерно 0,5-2 мм или примерно 1-1,5 мм). Желательно, чтобы частицы были почти сферическими по форме. Размер и/или форма гидрофобных частиц аэрогеля может меняться, когда частицы соединяют с другими компонентами связующей композиции, содержащей аэрогель и полые частицы, из-за процесса смешивания или других факторов (например, гидрофобные частицы аэрогеля могут быть разбиты). Таким образом, все размеры и формы частиц, указанные выше, относятся к размерам и форме гидрофобных частиц аэрогеля до их объединения с другими компонентами связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами. Желательно, чтобы гидрофобные частицы аэрогеля имели такой размер, который примерно тот же, что и размер изолирующих гидрофобных частиц аэрогеля до такого объединения (т.е., как описано выше).

Согласно данному изобретению можно использовать любой тип полых, непористых частиц, в том числе материалы, называемые микросферами, микропузырьками, микроскопическими полыми шариками, 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 проникать во внутренний объем полой частицы в какой-либо значительной степени. Под термином "значительная степень" понимается такое количество, которое увеличило бы теплопроводность полых непористых частиц или изоляционного композитного материала. Полые непористые частицы могут быть изготовлены из любого подходящего материала, включая органические и неорганические материалы, и, предпочтительно, они изготовлены из материала с относительно низкой теплопроводностью. Органические материалы включают, например, материалы из сополимеров винилиденхлорида/акрилонитрила, фенольные материалы, мочевиноформальдегидные материалы, полистирольные материалы или термопластичные смолы. Неорганические материалы включают, например, стекло, диоксид кремния, диоксид титана, оксид 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, в которой инкапсулирован газ). Подходящие полые непористые частицы коммерчески доступны. Примеры подходящих полых непористых частиц включают стеклянные микросферы Scotchlite™ и керамические микросферы Zeeospheres^TW (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 конкретного применения, в котором будет использоваться связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами (например, от толщины, с которой композиция будет наноситься на основу). Для целей изобретения термины "размер частицы" и "диаметр частицы" используются как синонимы. Предпочтительно полые непористые частицы имеют средний размер (по массе) меньший, чем средний размер гидрофобных частиц аэрогеля, так что полые непористые частицы могут заполнять пространство между частицами аэрогеля, которое в противном случае было бы заполнено связующим или другими твердыми материалами. Заменяя твердый материал (например, связующее) между частицами аэрогеля полыми непористыми частицами, можно снизить теплопроводность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами (например, изоляционный композитный материал, содержащий связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами) по сравнению с такой же композицией в отсутствие полых непористых частиц. Для большинства применений приемлемо использование полых непористых частиц, имеющих средний диаметр (по массе) примерно 1 мм или менее (например, примерно 0,01-1 мм), такой, как примерно 0,5 мм или менее (например, примерно 0,01-0,5 мм, примерно 0,015-0,5 мм или примерно 0,02-0,5 мм). Обычно полые непористые частицы будут иметь средний диаметр (по массе) около 0,001 мм или больше (например, примерно 0,005 мм или больше, или примерно 0,01 мм или больше). Для некоторых применений желательно, чтобы отношение среднего размера гидрофобных частиц аэрогеля к среднему размеру полых непористых частиц было, по меньшей мере, примерно 8:1, как, например, по меньшей мере, примерно 10:1, или даже, по меньшей мере, примерно 12:1.

Желательно, чтобы полые непористые частицы, используемые согласно изобретению, имели узкое распределение частиц по размерам. Так, например, предпочтительно использовать полые непористые частицы, из которых, по меньшей мере, примерно 95% (по массе) имеют диаметр примерно 1 мм или меньше (например, примерно 0,01-1 мм), или примерно 0,5 мм или меньше (например, примерно 0,015-0,5 мм или примерно 0,02-0,5 мм).

В связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами может использоваться любое количество гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц. Например, связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может содержать гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы в суммарном количестве примерно 5-99 об.% от полного объема жидкой/твердой фазы связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами. Полный объем жидкой/твердой фазы связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами может быть определен путем измерения объема объединенных жидких и твердых компонентов нижнего изоляционного слоя (например, гидрофобных частиц аэрогеля, полых непористых частиц, связующего, пенообразователя и т.д.). Если связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами (например, связующее в связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами) должна быть вспенена, полный объем жидкой/твердой фазы в связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами является объемом объединенных жидких и твердых компонентов нижнего изоляционного слоя до вспенивания. Конечно, если доля гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц увеличивается, теплопроводность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами снижается, тем самым обеспечивая улучшенные теплоизоляционные характеристики; однако механическая прочность и целостность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами падает с увеличением доли гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц из-за уменьшения относительного количества используемого водного связующего. Соответственно, часто желательно применять примерно 50-95 об.% объединенных частиц аэрогеля и полых непористых частиц в связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, более предпочтительно примерно 75-90 об.% объединенных частиц аэрогеля и полых непористых частиц.

Относительные количества полых непористых частиц и гидрофобных частиц аэрогеля, используемых в связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, может регулироваться в зависимости от свойств, желательных в конечном продукте. Если количество гидрофобных частиц аэрогеля, присутствующих в композиции, увеличивается относительно количества присутствующих полых непористых частиц, теплопроводность снижается, улучшая теплоизоляционные характеристики композиции; однако, поскольку материал аэрогеля более дорогостоящий и менее долговечный, чем полые непористые частицы, стоимость материала увеличивается, и следует ожидать снижения механической прочности и долговечности материала. Для большинства применений целесообразно использовать приблизительно равное (по массе) количество полых непористых частиц и гидрофобных частиц аэрогеля (например, отношение гидрофобных частиц аэрогеля к полым непористым частицам от примерно 80:20 до примерно 20:80, от примерно 60:40 до 40:60, например, примерно 50:50).

Согласно изобретению могут использоваться любые подходящие водные связующие. Термин "водное связующее", как он использован здесь, относится к связующему, которое, до того как его высушат, 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 оно больше не содержит воды), даже если после того, как связующее было высушено или отверждено, оно может не быть диспергированным или растворенным в воде. Конкретное выбранное водное связующее должно быть таким, которое не проникает через поверхность гидрофобных частиц аэрогеля в какой-либо значительной степени. Предпочтительными водными связующими являются такие, которые после сушки обеспечивают водостойкий связующий состав. Подходящие неводные связующие включают, например, акриловые связующие, силикон-содержащие 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. Связующее можно использовать индивидуально или в комбинации с подходящими сшивающими агентами. Предпочтительными водными связующими являются водные акриловые связующие.

Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может содержать любое количество водного связующего. Например, связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может содержать 1-95 об.% водного связующего от полного объема жидкой/твердой фазы в нижнем изолирующем слое. Конечно, если доля водного связующего увеличивается, доля аэрогеля и полых непористых частиц неизбежно уменьшается, и в результате теплопроводность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами увеличивается. Следовательно, желательно использовать лишь столько водного связующего, сколько необходимо для достижения желательного значения механической прочности. Для большинства применений связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами содержит примерно 1-50 об.%водного связующего, или примерно 5-25 об.% водного связующего, или даже примерно 5-10 об.% водного связующего.

Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами предпочтительно содержит пенообразователь. Без привязки к какой-либо конкретной теории, полагают, что пенообразователь улучшает адгезию между гидрофобными частицами аэрогеля и водным связующим. Также считается, что пенообразователь улучшает реологию водного связующего (например, в применениях с напылением) и, в частности, позволяет связующему вспениваться при взбалтывании или перемешивании (например, пенообразовании) объединенных связующего и пенообразователя до или после введения гидрофобных частиц аэрогеля и/или полых непористых частиц, хотя пенообразователь может применяться без вспенивания связующего. Кроме того, вспененное связующее может благоприятно использоваться для получения вспененной связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, имеющей более низкую плотность, чем невспененная композиция.

Хотя использование пенообразователя позволяет вспенить связующее взбалтыванием или смешиванием, связующее может, конечно, быть вспененным при использовании других способов, с или без применения пенообразователя. Например, связующее может быть вспенено посредством применения сжатых газов или сжатых жидкостей, или связующее может быть вспенено путем пропускания связующего через сопло (например, сопло, которое создает высокосдвиговый или турбулентный поток).

В связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами может быть использован любой подходящий пенообразователь. Подходящие пенообразователи включают, но не ограничиваясь только ими, усиливающие пенообразование поверхностно-активные вещества (например, неионные, катионные, анионные и цвиттер-ионные поверхностно-активные вещества), а также другие коммерчески доступные агенты, усиливающие пенообразование, или их смеси. Пенообразователь должен присутствовать в количестве, достаточном для того, чтобы водное связующее могло быть вспенено, если такое вспенивание желательно. Предпочтительно применяется примерно 0,1-5 мас.%, например, примерно 0,5-2 мас.% пенообразователя.

Теплопроводность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами будет частично зависеть от конкретной рецептуры, используемой для получения нижнего изоляционного слоя. Предпочтительно, нижний изоляционный слой составляется так, чтобы после сушки иметь теплопроводность примерно 45 мВт/(м×K) или меньше, более предпочтительно, примерно 42 мВт/(м×K) или меньше, или даже примерно 40 мВт/(м×K) или меньше (например, примерно 35 мВт/(м×K)).

Аналогично, плотность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами после сушки будет отчасти зависеть от конкретной используемой рецептуры. Предпочтительно, нижний изоляционный слой составляется так, чтобы после сушки иметь плотность примерно 0,5 г/см³ или меньше, предпочтительно, примерно 0,3 г/см³ или меньше, как, например, примерно 0,2 г/см³ или меньше, или даже примерно 0,1 г/см³ или меньше (например, примерно 0,05 г/см³ или меньше).

Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может также содержать армирующие волокна. Армирующие волокна могут придавать дополнительную механическую прочность связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами и, соответственно, изоляционному композитному материалу, содержащему связывающую композицию. Могут использоваться волокна любого подходящего типа, такие как стекловолокно, оксид алюминия, фосфат кальция, минеральная вата, волластонит, керамика, целлюлоза, уголь, вата, полиамид, полибензимидазол, полиарамидные, акриловые, фенольные, 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 также могут быть такими, которые отражают инфракрасное излучение, такие как углеродные волокна, металлизированные волокна или волокна других подходящих отражающих инфракрасное излучение материалов. Волокна могут быть в виде индивидуальных нитей любой подходящей длины, которые могут наноситься, например, напылением волокон на основу вместе с другими компонентами связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами(например, путем смешивания волокна с одним или несколькими другими компонентами связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами до напыления) или раздельным напылением волокон на основу. Альтернативно, волокна могут быть в виде полотна или сеток, которые могут быть нанесены, например, на основу, а другие компоненты связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами могут быть напылены, намазаны или нанесены на полотно или сетку каким-либо другим способом. Волокна могут применяться в любом количестве, достаточном, чтобы обеспечить желательное значение механической прочности для конкретного применения, в котором будет использоваться связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами. Обычно волокна присутствуют в нижнем изоляционном слое в количестве примерно 0,1-50 мас.%, желательно, в количестве примерно 1-20 мас.%, как, например, в количестве примерно 2-10 мас.%, в расчете на массу связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами.

Изоляционный композитный материал

Изоляционный композитный материал изобретения содержит, в основном состоит из или состоит из (a) нижнего изоляционного слоя, содержащего, в основном состоящего или состоящего из связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, как описано здесь, и (b) защитного слоя, содержащего, состоящего в основном или состоящего из защитного связующего и, возможно, агента, отражающего инфракрасный свет, и/или армирующих волокон.

Нижний изоляционный слой может иметь любую желаемую толщину. Изоляционные композитные материалы, содержащие более толстые нижние изоляционные слои, имеют лучшие тепло- и/или звукоизолирующие свойства; однако изоляционный композитный материал изобретения позволяет использовать относительно тонкий нижний изоляционный слой, тем не менее обеспечивая превосходные тепло- и/или звукоизолирующие свойства. Для большинства применений нижний изоляционный слой толщиной примерно 1-15 мм, как, например, примерно 2-6 мм, обеспечивает достаточную изоляцию.

Защитный слой придает более высокую степень механической прочности изоляционному композитному материалу и/или защищает нижний изоляционный 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 резистентно к конкретным условиям (например, теплу, нагрузке, влажности и т.д.), которым будет подвержен изоляционный композитный материал. Таким образом, выбор связующего будет зависеть частично от конкретных свойств, желательных в изоляционном композитном материале. Защитное связующее может быть тем же, что и связующее нижнего изоляционного слоя, или другим. Подходящие связующие включают водные и неводные натуральные и синтетические связующие. Примеры таких связующих включают любые водные связующие, подходящие для использования в нижнем изоляционном слое, которые были описаны здесь ранее, а также неводные связующие. Предпочтительными связующими являются водные связующие, такие как водные акриловые связующие. Особенно предпочтительны самосшивающиеся связующие, такие как самосшивающиеся акриловые связующие. Защитный слой может почти не содержать или совсем не содержать полых непористых частиц. Под термином "почти не содержащий полые непористые частицы" подразумевается, что защитный 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, в том числе глушителем, таким как углеродистые материалы (например, сажа), углеродные волокна, диоксид титана (рутил) и 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, медно-цинковые сплавы и сплавы меди и хрома. Особенно предпочтительны частицы алюминия, пигменты и пасты. Чтобы предотвратить осаждение отражающего инфракрасный свет агента в защитном связующем, защитный 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 коллоидальный диоксид кремния, и глины, такие как гекториты. Защитный слой может также содержать смачиватель, такой как невспенивающееся поверхностно-активное вещество.

Предпочтительные рецептуры защитного слоя содержат армирующие волокна. Армирующие волокна могут придавать дополнительную механическую прочность защитному слою и, соответственно, теплоизоляционному композитному материалу. Могут использоваться волокна любого подходящего типа, такие как стекловолокно, оксид алюминия, фосфат кальция, минеральная вата, волластонит, керамические, целлюлозные, углеродные, хлопковые волокна, полиамидные, полибензимидазольные, полиарамидные, акриловые, фенольные, полиэфирные, полиэтиленовые волокна, волокна из полиэфир-эфиркетона, полипропилена и других типов олефинов или их смеси. Предпочтительные волокна являются жаростойкими и огнеупорными, такими как волокна, которые не имеют взвешенных частиц. Волокна могут быть также такими, которые отражают инфракрасное излучение, и могут быть использованы, кроме того, в дополнение или вместо упоминавшихся ранее агентов, отражающих инфракрасный свет. Например, могут применяться углеродные волокна или металлизированные волокна, которые обеспечивают 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 нижний изоляционный слой вместе с другими компонентами защитного слоя (например, путем смешивания волокон с одним или несколькими другими компонентами защитного слоя до напыления) или раздельным напылением волокон на нижний изоляционный слой. Альтернативно, волокна могут быть в виде полотна или сетки, которые могут быть нанесены, например, на нижний изоляционный слой, а другие компоненты защитного 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 применения, в котором будет использоваться изоляционный композитный материал. Обычно волокна присутствуют в защитном слое в количестве примерно 0,1-50 мас.%, желательно, в количестве примерно 1-20 мас.%, как, например, в количестве примерно 2-10 мас.%, в расчета на массу защитного слоя и агента, отражающего инфракрасное излучение.

Толщина защитного слоя будет зависеть частично от степени защиты и желательной прочности. Хотя защитный слой может быть любой толщины, часто желательно поддерживать толщину защитного изоляционного композитного материала на минимуме и, таким образом, снизить толщину защитного слоя до минимального значения, необходимого для обеспечения достаточной степени защиты для конкретного применения. Обычно достаточная защита может быть обеспечена защитным слоем толщиной примерно 1 мм или меньше.

Теплопроводность изоляционного композитного материала будет зависеть в первую очередь от конкретной рецептуры нижнего изоляционного слоя, хотя некоторый эффект может иметь и рецептура защитного слоя. Предпочтительно, изоляционный композитный материал составлен так, чтобы после сушки иметь теплопроводность примерно 45 мВт/(м×K) или меньше, более предпочтительно примерно 42 мВт/(м×K) или меньше, или даже примерно 40 мВт/(м×K) или меньше (например, примерно 35 мВт/(м×K)).

Изоляционный композитный материал, обеспечиваемый изобретением, желательно являетсяжаростойким. Термин "жаростойкий", как он используется для описания изоляционного композитного материала изобретения, означает, что изоляционный композитный материал не будет заметно разлагаться в условиях сильного нагрева. Изоляционный композитный материал считается жаростойким в аспекте 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. В частности, условия сильного нагрева обеспечиваются 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 для образования трубы. Изоляционный композитный материал подвергается условиям сильного нагрева (защитный слой лицом к нагревательному элементу) на расстоянии примерно 20 мм от нагревательного элемента, в котором горячая воздуходувка (при полной установке на обдув и низшей установке на нагрев) обеспечивает непрерывный поток воздуха между нагревательным элементом и изоляционным композитным материалом. Желательно, чтобы изоляционный композитный материал не разрушался заметно в таких условиях.

Если изоляционный композитный материал должен использоваться в условиях определенного класса воспламеняемости, например, там, где он может подвергаться открытому огню или условиям чрезвычайно высокой температуры, желательно, чтобы изоляционный композитный материал включал подходящее огнезащитное вещество. Огнезащитное вещество может быть включено в нижний изоляционный слой и/или защитный слой изоляционного композитного материала. Подходящие огнезащитные вещества включают гидроксиды алюминия, гидроксиды магния, полифосфаты аммония и различные фосфорсодержащие вещества, и другие коммерчески доступные антипирены и вспучивающиеся огнестойкие вещества.

Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами или изоляционный композитный материал (например, нижний изоляционный слой и/или защитный 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 коллоидальный диоксид кремния, полиакрилаты, поликарбоновые кислоты, целлюлозные полимеры, а также натуральные резины, крахмалы и декстрин. Другие добавки включают растворитель и сорастворитель, а также воски, поверхностно-активные вещества и, если требуется, отверждающий и сшивающий агенты, при условии, что они используются в таком количестве, что не вызывают какого-либо существенного проникновения связующей системы в гидрофобные частицы аэрогеля.

Способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами и изоляционного композитного материала

Связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может быть получена любым подходящим способом. Например, гидрофобные частицы аэрогеля, полые непористые частицы и водное связующее могут быть объединены любым подходящим способом, чтобы образовать связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами, которая может быть нанесена на основу, например, намазыванием, экструзией или напылением связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами на основу.

Предпочтительно, однако, получать связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами другим способом изобретения. В частности, способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами изобретения включает, в основном состоит из или состоит из (a) получения связующей композиции, содержащей, состоящей в основном или состоящей из водного связующего и пенообразователя, (b) перемешивания связующей композиции для получения вспененной связующей композиции, и (c) объединения вспененной связующей композиции с гидрофобными частицами аэрогеля и полыми непористыми частицами для получения связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами. Затем связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами, приготовленная таким образом, может быть нанесена на основу.

Альтернативно, и в соответствии с другим аспектом изобретения, связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами может быть получена способом, включающим, в основном состоящим из или состоящим из (a) получения связующей композиции, содержащей, в основном состоящей из или состоящей из водного связующего и, необязательно, пенообразователя, для получения связующей композиции, (b) получения гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц, и (c) одновременного нанесения связующей композиции, гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц на основу, после чего связующая композиция смешивается с композицией аэрогеля и полых частиц для получения связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами.

Связующая композиция, гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы могут быть нанесены на основу в соответствии с изобретением (например, вместе или по отдельности) любым подходящим способом, таким как намазывание или, предпочтительно, напыление компонентов на основу. Под "одновременным нанесением" понимается, что связующая композиция, гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы подаются раздельно на основу в одно и то же время, причем компоненты смешиваются во время процесса подачи (например, смешиваются на пути движения или на поверхности основы). Это может быть выполнено, например, одновременным напылением гидрофобных частиц аэрогеля, полых непористых частиц и связующего на основу, причем композиция частиц и связующая композиция подаются через раздельные пути движения. Пути движения могут быть объединены в одном распылительном устройстве, так что к основе подводится смешанная связующая композиция частиц и аэрогеля, или пути движения могут быть полностью раздельными, так что гидрофобные частицы аэрогеля не объединяются со связующей композицией до того, как соответствующие композиции не достигнут основы.

В этом аспекте изобретение обеспечивает способ приготовления связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами, а также композицию, приготовленную таким способом, которая может применяться для получения нижнего изоляционного слоя изоляционного композитного материала или может применяться для других целей. Объединением гидрофобных частиц аэрогеля и полых непористых частиц со связующей композицией в соответствии с данными стадиями процесса может быть получена связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами, имеющая желательные, если не уникальные, свойства, причем эта связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами является еще одним аспектом изобретения. В частности, без привязки к какой-либо конкретной теории, связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами, полученная согласно изобретению, имеет сниженную тенденцию к "смачиванию" частиц аэрогеля и/или полых непористых частиц, тем самым уменьшая тенденцию частиц аэрогеля и/или полых непористых частиц к отделению от композиции. Также способ изобрете