带有纤维胎的气凝胶复合材料制造技术

具有膨松纤维胎增强材料的气凝胶复合材料，优选结合各自随机定向的短微纤维和传导层的一种或两种，其显示出一种或全部改善的以下特性：柔韧性、悬垂性、耐久性、抗烧结性、ｘ－ｙ导热率、ｘ－ｙ电导率、ＲＦＩ－ＥＭＩ衰减和／或抗烧穿性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术的领域涉及气凝胶复合材料。更具体地说，本专利技术涉及气凝胶复合材料，其中与现有的气凝胶复合材料产品相比，得到的复合材料在一种或多种以下特性上显示出改善的性能减少的气凝胶烧结；较高的温度性能；改善的柔韧性和悬垂性；改善的耐久性；降低的气凝胶颗粒散落；增强的x-y平面导热性；增强的x-y平面导电性；增强的射频干扰(RFI)和/或电磁干扰(EMI)衰减；增强的红外辐射(IR)抑制；和/或增强的抗烧穿性。纤维增强材料优选是膨松纤维结构(纤维胎)、个体随机取向的短微纤维以及传导层的结合。更具体而言，两种纤维增强材料均基于有机(例如，热塑聚酯)或耐火(例如二氧化硅)纤维。已经改进保温材料，以解决大量物理问题。已知刚性聚合泡沫材料和玻璃纤维绝热板作为绝热体，在诸如制冷、土木建筑和供暖系统的领域中用于低温和高温应用。诸如那些由玻璃纤维制造的挠性纤维胎已经在需要柔韧性、低密度以及用以填充空隙的膨胀能力，诸如土木建筑应用中使用。人们改进气凝胶，更具体而言是气凝胶复合材料，以期结合两类材料的强度。气凝胶是一类基于其结构，即低密度、开孔结构、大表面积(通常是900m2/g或更高)和亚纳米级孔径的材料。超临界和亚临界流体萃取技术通常用于从材料的脆性孔中萃取流体。已知各种不同的气凝胶复合材料，其可以是无机或有机的。无机气凝胶通常基于金属醇盐，并且包括，诸如二氧化硅、碳化物和氧化铝的物质。有机气凝胶包括碳气凝胶和聚合气凝胶，例如聚酰亚胺。基于二氧化硅的低密度气凝胶(0.02-0.2g/cc)是优良的绝热体，优于100和大气压下导热率为10mW/m-K或更低的最佳硬质泡沫。气凝胶主要通过将传导(用于将热传递通过纳米结构的低密度、弯曲路径)、对流(非常小的孔径使对流最小化)和辐射(IR抑制掺合物可以容易地分散到整个气凝胶基质中)最小化而起绝热体的作用。根据配方，它们可以在550℃和更高的温度下很好地作用。但在整体状态下，它们趋于脆性并易碎，并因此不能很好地适用于实验室之外的大多数应用中。美国专利No.5306555(Ramamurthi等)公开了一种整体气凝胶与分散于整体气凝胶中的纤维形成的气凝胶基质复合材料，以及该气凝胶基质复合材料的制备方法。纤维可以是不同厚度的长或短纤维、单晶纤维、矿物棉、玻璃棉，甚至是颗粒。增强材料的组成是氧化物，例如SiO2和Al2O3(纤维、单晶纤维和棉)和碳、金属，以及各种氧化物(颗粒)。优选的纤维是玻璃棉和褐块石棉。纤维可以是随意分布或定向的。它们也可以是单独纤维、纤维束、垫状或片状、织造或非织造的形式。气凝胶基质复合材料基本上是无断裂和基本上无体积收缩的。复合材料是通过将凝胶前体浸入织造或非织造的预制纤维，随后在超临界条件下干燥湿凝胶而形成。产物可以在约3-7小时的范围内得到，但是主要缺点是弹性模量高，使产物同工业生产的一样非常僵硬。Ramamurthi等人的制品因其在气凝胶基质区域结构形成断裂而在使用时提高了柔韧性。第二个缺点是气凝胶基质复合材料的导热率还相对较高(与环境条件下本专利技术优选实施方案的8.6-14mW/m-K相比，为环境条件下18-21W/m-K)。美国专利No.5789075(Frank等)在Ramamurthi等人之后公开了与Ramamurthi等人相同的结构。除了所述结构从模塑中除去后，Frank等人的复合材料以受控方式有意断裂。据称受控断裂为所得复合材料赋予了额外的柔韧性。适合的纤维是随意的或有序的单个纤维，优选长度为至少1cm。可以使用网状或垫状纤维。多个网状或垫状纤维可以互相叠放。在纤维垫层状排列的情况下，在从一层到下一层方向上的变化被认为是有利的。虽然说明书和权利要求公开的生产方法包括步骤(b)“向溶胶中加入纤维”，但实施例只公开了将不含纤维的溶胶加入聚酯或玻璃纤维网中。单个随机分散的纤维未与纤维网结合使用。美国专利No.5972254(Sander)公开了超薄预压缩的纤维增强的气凝胶蜂巢结构催化剂整料。气凝胶、干凝胶、沸石和其它低密度材料的薄板或整料在三维的两个方向上用预压缩的纤维增强。金属醇盐、水和催化剂的混合物倾入含预先拉紧的增强纤维的气体可 透模型中，所述纤维在限定的间隔互相正交流动，随后聚合并超临界干燥。美国专利No.5973015和6087407(Coronado等)描述了用有机前体，例如，甲醛浸入预制纤维而制备的气凝胶复合材料。据称得到的复合材料具有机械稳定性。在附图中描述的增强纤维纵向排列并且在附图中显示呈平面结构。产物具有在空气中于高热负荷下热稳定性相对较低，以及对许多应用而言柔韧性不够的缺点。美国专利No.6068882(Ryu等)公开了由Aspen System公司在先制造和销售的气凝胶复合材料。产物的气凝胶成份是气凝胶粉末而非气凝胶整料。因此，产物的弯曲导致明显的大量粉末脱落。热性能与单独的气凝胶整料相比大大降低。现有的产物很硬，并且容易破裂或断裂。因此，现有的气凝胶复合材料因以下一个或多个原因，对许多用途而言是不稳定的低柔韧性、低耐久性、当暴露于热量时过多的气凝胶烧结、低于理想导热率、x-y导热性和/或导电性不足、RFI-EMI衰减差，和/或抗烧穿性不足。本专利技术针对解决这些问题而进行了研究。因此，本专利技术的目的在于制备显示以下一个或多个特性的改进气凝胶复合材料结构低烧结/高热温度性能；改进的柔韧性，特别是低导热率、悬垂性或顺服性；增强的x-y导热率和/或导电率；增强的RFI-EMI衰减；和/或增强的抗烧穿性。专利技术概述本专利技术涉及在下列一个或多个方面比以前的气凝胶复合材料显示出改进性能的气凝胶复合材料柔韧性、耐久性、气凝胶烧结、x-y导热率和/或导电率、RFI和EMI衰减和抗烧穿性。更特别地，本专利技术涉及有两个部分，即增强纤维和气凝胶基质的复合材料，其中增强纤维是膨松纤维结构形式(即，纤维胎)，优选基于热塑聚酯或二氧化硅纤维，更优选与单个随机分散的短纤维(微纤维)结合。膨松纤维胎增强材料的使用使得未负载的气凝胶体积最小化，同时通常改善了气凝胶的热性能，不会象现有技术一样降解。而且，当气凝胶基质被膨松纤维胎材料，特别是由非常低纤度的纤维构成的连续非织造的纤维胎增强时，得到的复合材料至少保留了高柔韧性、悬垂性形式的整料气凝胶的热特性，使复合材料适于例如服装领域。在非常高的热负荷下，例如那些通过气体/氧火炬火焰的直接表面接触产生的热负荷，整料气凝胶可以在数秒内迅速烧结并收缩。当气凝胶通过膨松纤维胎和微纤维结合增强时，如本专利技术的一个实施方案，绝热结构的收缩、烧结和最终破坏的速率可以延迟一个或多个数量级的时间，即烧穿时间从数秒增加至数小时。更特别的是，已经发现还包括导热层的气凝胶复合材料有助于改进复合材料的热性能。例如，放置在复合材料中心的碳纤维布或单向性碳纤维的两个正交层在高热负荷下形成了热穿透阻隔层(thermalbreakthrough barrier)，对IR高度不透过，以及形成在复合材料的x-y平面上将热量传播出去的热消耗层结构。更特别的是，可以选择在复合材料的中间，贯穿整个气凝胶复合材料厚度的导热层，以对复合材料的硬度具有最小影响。而且，如果需要，该层可以具有可塑性或内在的顺服性，以使得到的气凝胶顺服，例如，当复合材料弯曲时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用作柔韧、耐久、轻质绝热产品的含气凝胶和增强结构的复合材料制品，其特征在于增强结构含有与相同材料的未增强气凝胶相比基本不会引起气凝胶热性能降低的膨松纤维胎。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CJ斯捷潘尼扬，G古尔德，R贝加，
申请(专利权)人：思攀气凝胶公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]