Многослойная барьерная система (варианты)

Изобретение относится к многослойной барьерной системе, включающей, по меньшей мере, один слой композиции неорганической смолы, содержащей продукт взаимодействия силиката щелочного металла и/или предшественников силиката щелочного металла, реакционноспособного кислотного стекла, воды, необязательно одного или нескольких кислотных оксоанионных соединений и необязательно глинистого и/или оксидного наполнителя; и, по меньшей мере, один слой дополнительного материала, включающего изолирующий материал, вспучивающийся материал, вспененный материал, отражающий материал, гофрированный материал, причем любой из вышеуказанных материалов содержит газовый объем. Кроме того, в варианте многослойная барьерная система может содержать, по меньшей мере, два слоя указанной композиции неорганической смолы и взамен реакционноспособного стекла, по крайней мере, одно соединение, содержащее, по крайней мере, один многовалентный катион, при этом, по крайней мере, один слой указанной композиции неорганической смолы содержит армирующее соединение. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - повышение термостойкости, пожаробезопасности. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 12 ил., 4 табл.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА

Данная заявка основана на предварительной заявке на патент США 60/476671, поданной 6 июня 2003 года на огнестойкую преграду. Данная заявка также является частичным продолжением заявки на патент США 10/777885, поданной 12 февраля 2004 года и озаглавленной ″Inorganic Matrix Compositions, Composites incorporating the Matrix, and Process of Making the Same″, которая заявляет преимущество заявки на патент США 09/871765, поданной 1 июня 2001 года, которая заявляет преимущество предварительной заявки на патент США 60/233952, поданной 20 сентября 2000 года, озаглавленной ″Inorganic Matrix Compositions, Composites and Process of Making the Same″, и, кроме того, заявка на патент США 10/777885 заявляет преимущество заявки на патент США №09/871998, поданной 1 июня 2001 года, которая заявляет преимущество предварительной заявки на патент США 60/233985, поданной 20 сентября 2000 года, озаглавленной ″Inorganic Matrix Compositions and Composites Incorporating the Matrix Composition″. Все указанные выше заявки настоящим полностью включаются здесь ссылкой.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к улучшенным противопожарным системам или к многослойным системам, включающим, по меньшей мере, один слой неорганической полимерной матрицы, полученной из силиката щелочного металла и одного или нескольких несиликатных структурообразующих веществ, и/или реакционноспособного стекла и, необязательно, вторичного модификатора структуры сетки. Другие слои могут представлять собой любое из нижеследующего: изолирующий слой, вспучивающийся слой, вспененный слой, гофрированный слой, отражающий поверхностный слой и армирующие материалы либо в виде отдельного слоя, либо включенные внутрь любого из вышеуказанных слоев и, предпочтительно, внутрь слоя неорганической полимерной матрицы. Более конкретно, вышеуказанные слои могут служить в качестве каркаса, промежуточного слоя или в виде внешнего барьерного слоя для защиты желаемых подложек, таких как древесина, металл и аналогичных, от воздействия высокой температуры и/или огня.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Неорганические матрицы применимы в качестве огнестойкого связующего для композиционных материалов, материалов подложки, клеев, пористых материалов, таких как вспененные материалы, или композиционных материалов. В качестве материалов подложки их используют для получения формованных предметов, из которых после отверждения получают строительный материал. В качестве композиционного материала матричные композиции используют для пропитки ткани, которую можно объединить с другими аналогично пропитанными тканями с получением многослойного композиционного материала, который затем формуют и отверждают, получая формованный предмет аналогично материалу подложки, но с преимуществом армирования, предоставляемым тканью.

Большинство хорошо известных в настоящее время композитных систем основано на органических полимерных матрицах, таких как эпоксид/стекловолокно, эпоксид/углеродное волокно, полиуретан/стекловолокно, ПВХ/стекловолокно, полиимид/кварцевое волокно, сложный полиэфир/стекловолокно и найлон/стекловолокно. Хотя органические полимерные композиционные материалы показывают превосходные физические и механические свойства, они ограничиваются в отношении воспламеняемости, образования дыма и газа и возможности эксплуатации при повышенных температурах. Воспламеняемость композитов на основе органических полимеров можно снизить добавлением неорганических компонентов и/или добавок. Замещение атомов водорода атомами галогена (например, хлором) в углеводородах и углеводородных полимерах может значительно снизить воспламеняемость и образование дыма/газа, но они будут разрушаться при температурах, превышающих 250°C, и, в конечном счете, сгорать при температурах, превышающих 450°C. Органические термопластичные полимеры также деформируются при относительно низких температурах (примерно 100°C-300°C), а органические полимеры, предназначенные для эксплуатации при более высоких температурах, обычно недоступны из-за стоимости материала и обработки.

Другие композиционные материалы включают композиционные материалы с металлической матрицей (MMC), композиционные материалы с керамической матрицей (CMC), углерод-углеродные композиционные материалы, а также другие композиционные материалы на основе неорганической матрицы. Матрица композиционного материала может быть на 100% неорганической или она может содержать некоторое количество органического вещества. Неорганические матричные структуры включают керамику, керамику на основе оксидов, стекла, металлы, металлические сплавы, цементирующие материалы и аналогичные материалы. Другие материалы, которые можно рассматривать, включают неорганические частицы, инкапсулированные неорганическими связующими, органические смолы, наполненные неорганическими наполнителями, неорганическо-органические гибриды, такие как силикон, и другие неорганические матричные материалы, известные специалисту в данной области.

Силикаты щелочных металлов применяют в качестве возможных связующих материалов неорганической матрицы. См., например, патенты США №4472199; 4509985; 4888311; 5288321; 5352427; 5539140 или 5798307, выданные Davidovits; патент США №4936939, выданный Woolum, или патент США №4284664, выданный Rauch.

Огнестойкие двери, которые представляют собой одну форму противопожарной преграды, являются многомиллиардным долларовым рынком в одной Северной Америке и столь же крупным в Европе. Ожидается, что рынок огнестойких дверей вырастет с наступлением более строгих правительственных установлений по чрезвычайным ситуациям 9/11 и давления страховых компаний. Технология, используемая при изготовлении огнестойкой двери, основана на пределе огнестойкости двери, который необходимо получить. Эксплуатационные характеристики данных огнестойких дверей измеряют, используя испытание на огнестойкость, когда измеряют время, в течение которого дверь может оказывать сопротивление огню и сохранять достаточную прочность. Протокол испытания может различаться, но обычно он представляет собой используемый в США протокол Warnock-Hersey. Данный протокол состоит из кривой обжига Е-119 с воздействием потока из шланга или без этого в конце данного испытания. Таким образом, дверь подвергают воздействию пламени в печи в течение некоторого периода времени, например, 60 минут, и затем по двери ударяют потоком из пожарного шланга. Дверь, которая сохраняется целой, проходит тест. Противопожарные двери классифицируют от 20 минут до многих часов, причем большая часть дверей имеет 20, 45, 60 и 90-минутный предел огнестойкости. Конструкция и материалы 20-минутной двери по сравнению с 90-минутной дверью значительно отличаются, что отражается не только в степени огнестойкости, но также в стоимости двери.

20-Минутная дверь может просто представлять собой деревянную или пластиковую дверь с вспучивающимися полосками на краях для герметизации двери. Тогда как 60- или 90-минутная дверь в дополнение к полоскам на краях требует каркас некоторого типа, чтобы получить дополнительное время. Каркас служит множеству целей в зависимости от конструкции и материалов двери. Во-первых, каркас является пассивной защитой от огня, предотвращающей проникновение огня через дверь. Во-вторых, каркас изолирует сторону, где нет огня, поддерживая низкую температуру в течение испытания. В-третьих, каркас может помочь сохранить конструктивную целостность в течение теста с использованием потока из противопожарного шланга после воздействия огня. Каркасы, используемые в противопожарных дверях, могут исполнять все данные функции или только одну или две из данных функций, кроме того, эффективность каркасов в данных трех областях может различаться в зависимости от материалов и конструкции двери. Большинство 90-минутных дверей представляют собой металлические плоские двери с минеральным каркасом. Каркас в данных дверях действует, прежде всего, в качестве изоляции, а сталь функционирует в качестве противопожарного барьера и для сохранения прочности, когда после испытания на огнестойкость следует воздействие потока из противопожарного шланга. Также существует небольшое количество филенчатых дверей (относимых к фасонным и ограждающим дверям), которые имеют 90-минутный предел огнестойкости. В большинстве случае в их каркасе содержится вспучивающееся вещество. Каркас функционирует, прежде всего, в качестве противопожарной преграды и изоляции той стороны двери, с которой огонь отсутствует, и в очень ограниченной степени конструкционным материалом. Древесина на той стороне двери, с которой огонь отсутствует, функционирует в качестве основного конструкционного материала для противостояния потоку из противопожарного шланга.

Примеры данных конструкций предшествующего уровня техники можно найти в патентах предшествующего уровня техники. Например, патент США №4270326, выданный Hölter et al, описывает ткань из керамического волокна или стекловолокна для использования в противопожарной двери, где из волокон вместе аналогичными игловидными волокнами изготовлен войлок, в то время как патент США №4879320, выданный Hastings, описывает огнезащитный материал покрытия, который включает жидкое вспучивающееся вещество и диспергированные и суспендированные в нем огнеупорные волокна различного размера. Патенты США №4756945 и 4936064, выданные Gibb, описывают огнестойкую панель, которая включает матрицу огнеупорного вещества, в которую помещен или на поверхности которой находится армирующий материал. Gibb'945 описывает негорючие материалы бланкета, которые изготовлены из неорганических волокон, сформованных в огнеупорную, пористую ткань, и увеличивающийся в объеме под действием тепла негорючий слой прикреплен к одной стороне слоя подложки. Патент США №4801496, выданный Buchacher, описывает противопожарную стену, сооруженную из композиционного материала, включающего огнезащитный слой вспучивающегося материала, объединенный со слоями графита/эпоксидной смолы или Kevlar®/эпоксидной смолы.

Примеры цементирующих материалов включают патент США №4159302, выданный Greve et al, который описывает противопожарную дверь, которая включает вспученный перлит, гипс, отвержденный гидравлический цемент и неорганическое связующее, патент США №4064317, выданный Fukuba et al, который описывает огнестойкий лист сухой штукатурки, патент США №6240691, выданный Holzkaemper et al, который описывает композиционную панель, включающую вспененный лист, изготовленный из цементирующего материала.

Патенты США №4818595 и 5130184, выданные Ellis, описывают противопожарные преграды для использования на деревянных или пластмассовых подложках или между ними, которые используют подобные краскам суспензии цементирующей среды на основе оксида алюминия и дисперсий коллоидного диоксида кремния. Европейский патент №EP 0674089, выданный Wood, описывает противопожарную дверь, изготовленную из деревянной трехслойной (сэндвичевой) структуры и включающую теплоизолирующий огнестойкий материал, который представляет собой смесь огнестойкого цемента на основе алюмината кальция и неорганических волокон.

Вспучивающиеся композиции могут включать композиции силиката натрия, которые при воздействии на них тепла имеют тенденцию увеличиваться в объеме из-за нарастания давления вспенивания и при непрерывном воздействии тепла стремятся образовать полукокс, который обеспечивает защиту конструкции. Ряд вспучивающихся композиций описан и их применяют в противопожарных покрытиях, включая патент США №4729916, выданный Feldman; патент США №5476891, выданный Welna; патент США №5786095, выданный Batdorf; патент США №4675577, выданный Licht; патент США №5498466, выданный Navarro et al, и патент США №5580648, выданный Castle et al. Патент Castle описывает мастиковое вспучивающееся противопожарное покрытие, которое можно наносить на строительные элементы, такие как двутавровые балки. Другие примеры вспучивающихся слоистых систем включают патент США №3934066, выданный Murch et al, патент США №5258216, выданный von Bonin et al, патент США №5053288, выданный Delvaux et al, патент США №4297252, выданный Caesar et al, патент США №6340389, выданный Klus, патенты США №6270915 и 6182470, выданные Turpin et al, патент США №4799349, выданный Luckanuck et al, и патент США №5722213, выданный Morency.

Конструкции противопожарных преград и дверей также включали дополнительные конструктивные детали, такие как проволочная арматура, например, как описано в патенте США №5215806, выданном Bailey, теплоотражающие металлические слои, как описано в патенте США №4509559, выданном Cheetham et al, и материалы сотовой структуры или пространственные материалы, как описано в патенте США №4229872, выданном Miguel et al, или патенте США №4767656, выданном Chee et al.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описываются различные многослойные противопожарные системы или многослойные слоистые материалы, которые включают один или несколько слоев противопожарной преграды. В общем, противопожарная преграда представляет собой неорганическую полимерную матрицу, полученную, по меньшей мере, из одного силиката щелочного металла. Данные материалы, которые включают один или несколько остающихся слоев, обычно предоставляют одно или несколько свойств из следующего: увеличенную огнестойкость; термический барьер; слой, препятствующий окислению, армирование, остаточное сопротивление в течение и после воздействия огня, предотвращение прогорания или снижение уровня дыма и аналогичное. Фактическая конструкция противопожарной системы, как правило, основывается на требуемых эксплуатационных характеристиках. Таким образом, различные слои обычно включают один или несколько изолирующих материалов, один или несколько вспучивающихся материалов, один или несколько вспененных материалов, один или несколько гофрированных материалов, один или несколько отражающих слоев и т.д., а также обычно один или несколько армирующих наполнителей, таких как волокна или листы, которые могут присутствовать в виде отдельного слоя или быть включены в один из вышеуказанных слоев.

Неорганическую полимерную матрицу по настоящему изобретению в соответствии с желанием можно изготовить либо (1) в виде продукта реакции силиката щелочного металла, одного или нескольких несиликатных структурообразующих веществ, таких как кислотное оксоанионное соединение, и/или реакционноспособного стекла, воды и, необязательно, наполнителя, и одного или нескольких вторичных связывающих структуру звеньев (таких как многовалентный(е) катион(ы), выбранный(е) из групп 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 или 16, например соль щелочноземельного металла), либо (2) в виде продукта реакции основания щелочного металла, источника кремнезема и воды, а также несиликатных структурообразующих веществ и модификаторов структуры или их комбинации. Более того, модифицированную неорганическую полимерную матрицу можно получить, используя водную суспензию силиката щелочного металла (или его предшественника), реакционноспособное стекло и воду, а также ингибиторы гелеобразования и другие структурообразующие материалы и модификаторы. Способность варьировать данные "структурные блоки" дает возможность подстраивать свойства продукта, чтобы он подходил для многочисленных высокотемпературных областей использования. Композиция может включать другие структурообразующие материалы, модификаторы и наполнители.

Композиционные материалы на основе силикатов щелочных металлов можно приготовить нанесением водной суспензии модифицированной матрицы щелочного металла на армирующую среду, такую как непрерывное или прерывистое волокно в виде жгутов или матов из стекла, углерода, покрытого углерода, оксидированного углерода, покрытого полимером углерода, покрытого полимером стекла, покрытого керамикой углерода, покрытого керамикой стекла, покрытого металлом углерода, покрытого металлом стекла, стали, нержавеющей стали, покрытой стали, полимера, минералов или аналогичного. После необязательного периода B-стадии и/или разделения(й), предназначенных для удаления избытка реагентов, неполимерных продуктов, примесей и/или другого нежелательного вещества, композиционный материал отверждают в температурном диапазоне примерно от 15°C до 1000°C и выше и при давлении, достаточном для затвердевания композиционного материала, обычно при внешнем давлении в диапазоне от давления окружающей среды до примерно 2000 фунт/кв. дюйм и под вакуумом примерно от давления окружающей среды до примерно 10^-3 торр (например, с помощью вакуумного мешка). Предпочтительный диапазон температуры составляет от 50°C до 200°C, и давление составляет менее примерно 200 или примерно 250 фунт/кв. дюйм с использованием или без использования вакуумного мешка. Термин ″B-стадия" является общим термином, используемым в технологии изготовления композиционных материалов для описания практики, позволяющей предшественнику полимерной матрицы взаимодействовать и обрабатываться до стадии частично полимеризованного промежуточного соединения, не достигнув полностью отвержденной полимерной сетки. Также можно осуществить откачку вакуумным мешком, чтобы содействовать удалению воды и отверждению. Методы разделения включают промывку водой, раствором и/или растворителем, химическую паровую и/или газовую инфильтрацию. Композиционный материал можно сформовать различными методами, включая прямое формование, а также другие типичные методы формования.

Полученная в результате композиция неорганической матрицы и/или композиционный материал проявляет термическую стабильность примерно до 1000°C и выше в зависимости от рецептуры и обработки и обладает превосходными свойствами относительно пламени, дыма и токсичности. Более того, композиционный материал, изготовленный по настоящему изобретению, обладает небольшим весом и хорошими теплоизолирующими и электроизоляционными характеристиками.

Вместо неорганической полимерной матрицы или в дополнение к ней другие подходящие неорганические противопожарные соединения включают цементирующие вещества на основе оксидов, строительные растворы, огнеупорные материалы и аналогичные. Подходящие оксиды включают оксиды кремния, алюминия, магния и титана и соединения, которые включают такие оксиды, например силикаты, алюминаты и аналогичные. Дополнительные оксиды, которые могут быть включены вместе с указанными ранее оксидами, включают оксиды серы, кальция и железа. Кроме того, в неорганическую смолу можно включить встречающиеся в природе оксидные минералы неопределенного состава. Предпочтительными композициями неорганической смолы являются композиции смолы силиката щелочного металла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Данное изобретение состоит из показанных и описанных новых частей, конструкций, компоновок, комбинаций и улучшений. Сопровождающие чертежи, которые включены и составляют часть описания, иллюстрируют один вариант данного изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

Фиг.1 представляет собой покомпонентное изображение в разрезе (поперечный разрез) огнестойкого слоистого материала по настоящему изобретению;

Фиг.2 представляет собой вид в разрезе (поперечном) слоистого материала из фиг.1, который скомпонован с дополнительными слоями, чтобы проиллюстрировать компоновку двери;

Фиг.3 представляет собой вид в перспективе огнестойкого слоистого материала;

Фиг.4 представляет собой вид в перспективе другого варианта осуществления огнестойкого слоистого материала;

Фиг.5 представляет собой покомпонентное изображение в поперечном разрезе органическо/неорганического композиционного материала по настоящему изобретению;

Фиг.6 представляет собой покомпонентное изображение в перспективе огнестойкой конструкции двутавровой балки по настоящему изобретению;

Фиг.7 представляет собой вид собранной двутавровой балки из фиг.6 в перспективе;

Фиг.8 представляет собой график зависимости эксплуатационной температуры от времени в ходе испытания на огнестойкость;

Фиг.9 представляет собой график зависимости температуры от времени при эксплуатации слоистых материалов при испытании в печи;

Фиг.10 представляет собой график зависимости температуры от времени при эксплуатации дополнительных слоистых материалов при испытании в печи;

Фиг.11 представляет собой график зависимости температуры от времени при эксплуатации двутавровой балки при испытании в печи;

Фиг.12 представляет собой блок-схему, показывающую некоторые из многочисленных типов слоистых систем, которые можно изготовить по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Важный аспект настоящего изобретения состоит в использовании, по меньшей мере, одного слоя системы или слоистого материала, которые содержат композицию неорганической полимерной матрицы обычно в сочетании с армирующим материалом. Композицию неорганической полимерной матрицы по настоящему изобретению получают взаимодействием раствора силиката щелочного металла, несиликатного структурообразующего вещества и/или реакционноспособного стекла, воды и, необязательно, одного или нескольких вторичных связывающих структуру звеньев, таких как многовалентный(е) катион(ы), выбранные из групп 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 или 16 периодической таблицы, таких как соль щелочноземельного металла, и, необязательно, одного или нескольких наполнителей. Альтернативно, высокотемпературную композицию неорганической полимерной матрицы может предоставить взаимодействие источника кремнезема, основания щелочного металла, воды, несиликатных структурообразующих веществ и/или кислотного реакционноспособного стекла и, необязательно, одного или нескольких модификаторов структуры и/или одного или нескольких наполнителей. Если это необходимо или желательно, то могут быть включены дополнительные компоненты, такие как функциональные и/или нефункциональные наполнители, другие структурообразующие вещества и модификаторы.

Получаемую модифицированную композицию силиката щелочного металла можно отвердить при относительно низких температурах (<200°C) и при низких давлениях (<200 фунт/кв. дюйм), получая неорганическую полимерную структуру, имеющую стабильность размеров и термическую стойкость до 1000°C и выше. То есть конструкция, включающая матричную композицию по настоящему изобретению, не показывает никакого существенного постоянного изменения размеров при температурах до 700°C и выше. Однако она не ограничивается более низкой температурой или более низким давлением и, в случае необходимости или при желании, свойства можно дополнительно улучшить, используя повышенные температуры обработки (до 1000°C и выше) и давления (до 20000+фунт/кв. дюйм и выше), и/или включая термическую обработку после отверждения.

Примерную химическую композицию по изобретению, являющуюся качественным представлением исходных веществ, которую получают из водной смеси перед отверждением для создания неорганической матрицы, можно описать следующим образом:

где A=(1-z)K₂O или (z)Na₂O, где z может различаться от 0 до 1, K₂O представляет собой оксид калия и Na₂O представляет собой оксид натрия, также может быть введен Li₂O и/или эквивалент, такой как LiOH, если это желательно;

SiO₂ представляет собой диоксид кремния, который можно получить из источника кремнезема, такого как Kasil-1, тонкий кремнеземный порошок, кремнезем, силикагель или их комбинации,

H₂O представляет собой воду,

a = мольное отношение A₂O:SiO₂, которое находится в диапазоне от 0,05 до 1,0,

b = мольное отношение B:SiO₂, которое находится в диапазоне от 0,001 до 0,500,

c = мольное отношение C:SiO₂, которое находится в диапазоне от 0,0 до 0,250,

d = представляет собой мольное отношение D:SiO₂ и находится в диапазоне от 0,0 до 2,000,

n = мольное отношение H₂O, включенной в рецептуру, желаемый диапазон которого для исходной рецептуры составляет от 0,10 до 0,90, причем предпочтительным является диапазон n = от 0,15 до 0,35; и после отверждения n составляет менее 0,25, причем предпочтительным является n<0,05,

x = представляет собой число добавок (D), используемых для помощи при обработке и функционировании основной рецептуры, и находится в диапазоне примерно от 0 до 20,

B = несиликатный стеклообразующий материал, такой как фосфатные, сульфатные или боратные группы, полученные из кислотного предшественника, такого как H₃PO₄, H₂SO₄, H₃BO₃, их комбинация и/или реакционноспособное стекло, такое как стекло борфосфата щелочного металла или фосфобората щелочного металла,

С = модификаторы структуры, такие как Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Ti⁴⁺, полученные из соединений многовалентных металлов главной группы и/или переходных металлов, таких как Mg(NO₃)₂, ZnCl₂ или их комбинации, или являющиеся металлическим компонентом реакционноспособного стекла, и

D = необязательные добавки, выбранные из одного или нескольких, единственного или в комбинации, компонента, включающего:

(i) реакционноспособные и/или нереакционноспособные наполнители, такие как каолин, смектиты, аттапульгиты, слюда, вермикулит, метакаолин, оксиды металлов или их комбинацию, но не ограничиваясь этим;

(ii) модификаторы гелеобразования, такие как органическое основание (хинолин) и/или органическая кислота (молочная кислота);

(iii) поверхностно-активные вещества, такие как анионное, катионное и/или неионное поверхностно-активное вещество, такое как алкиларилсульфонаты, соли четвертичного аммония, соли протонированных органических аминов, органическо-неорганические гибриды, такие как силиконы, или их комбинацию, но не ограничиваясь этим; и

(iv) вещества для повышения ударной вязкости и/или пластификаторы на органической основе, которые могут быть в форме смолы, низкомолекулярных и/или высокомолекулярных полимеров.

При необходимости можно добавить технологические добавки, которые включают минеральные масла, растительные масла, животные масла, силиконовые масла, жирные кислоты и соли, алифатические спирты, фторированные масла, воски, полиолефины (такие как, например, полиэтилен, окисленный полиэтилен и политетрафторэтилен, но не ограничиваясь этим), графиты, поверхностно-активные вещества и их смеси.

Альтернативное выражение химической композиции по изобретению, включающей реакционноспособное стекло, также можно описать следующим образом:

где A=(1-z)K₂O или (z)Na₂O, где z может различаться от 0 до 1, K₂O представляет собой оксид калия и Na₂O представляет собой оксид натрия, также может быть введен Li₂O и/или эквивалент, такой как LiOH, если это желательно;

SiO₂ представляет собой диоксид кремния, полученный из источника кремнезема, такого как Kasil-1, тонкий кремнеземный порошок, кремнезем, кварц или силикагель или их комбинации,

G = реакционноспособное стекло, такое как стекло борфосфата щелочного металла или фосфобората щелочного металла,

F_x = необязательные добавки и/или несиликатный(е) стеклообразующий(е) материал(ы), например, один или несколько компонентов, по отдельности или в комбинации, включающие:

(i) P₂O₅, B₂O₃ или SO₃, полученные из кислотных предшественников, таких как H₃PO₄, H₃BO₃ или H₂SO₄ или их комбинацию,

(ii) модификатор(ы) структуры, такие как Mg²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Ti⁴⁺, полученные из соединений многовалентных металлов главной группы и/или переходных металлов, таких как Mg(NO₃)₂, ZnCl₂ или их комбинацию;

(iii) реакционноспособные и нереакционноспособные наполнители, такие как каолин, смектиты, аттапульгиты, слюда, вермикулит, метакаолин, оксиды металлов или их комбинацию, но не ограничиваясь этим;

(iv) модификаторы гелеобразования, такие как органическое основание (хинолин) и/или органическая кислота (молочная кислота);

(v) поверхностно-активных вещества, такие как анионное, катионное и/или неионное поверхностно-активное вещество, такое как алкиларилсульфонаты, соли четвертичного аммония, соли протонированных органических аминов, органическо-неорганические гибриды, такие как силиконы, или их комбинацию, но не ограничиваясь этим;

(vi) вещества для повышения ударной вязкости и/или пластификаторы на органической основе, которые могут быть в форме смолы, низкомолекулярных и/или высокомолекулярных полимеров.

H₂O представляет собой воду,

a = мольное отношение A₂O:SiO₂, которое находится в диапазоне от 0,05 до 1,00,

g = мольное отношение G:SiO₂, которое находится в диапазоне от 0,01 до 0,500,

f = мольное отношение F:SiO₂, которое находится в диапазоне от 0,000 до 2,000,

x = от 0 до примерно 20 и представляет собой число добавок (F), используемых для помощи при обработке и функционировании основной рецептуры, и

n = мольное отношение H₂O, включенной в рецептуру, где для исходной рецептуры желаемый диапазон составляет от 0,10 до 0,90, причем предпочтительным является диапазон n = от 0,15 до 0,35, и после отверждения n составляет менее 0,25, причем предпочтительным является n<0,05.

При необходимости можно добавить технологические добавки, которые включают минеральные масла, растительные масла, животные масла, силиконовые масла, жирные кислоты и соли, алифатические спирты, фторированные масла, воски, полиолефины (такие как, например, полиэтилен, окисленный полиэтилен и политетрафторэтилен, но не ограничиваясь этим), графиты, поверхностно-активные вещества или их комбинации.

Силикаты щелочного металла, используемые в данном изобретении, могут иметь широкий диапазон отношения кремнезем/оксид щелочного металла (SiO₂/A₂O) и % уровней твердых веществ. Такие растворы можно получить из коммерческих источников или приготовить непосредственно перед использованием из предшественников, таких как источник кремнезема и гидроксид щелочного металла, оксид щелочного металла, карбонат или их комбинации. Силикат щелочного металла можно получить из основания щелочного металла, такого как гидроксид калия или гидроксид натрия, из поташа или кальцинированной соды и источника диоксида кремния. Источник SiO₂ может представлять собой аморфный или кристаллический SiO₂, такой как кремнезем, тонкий кремнеземный порошок, осажденный диоксид кремния, коллоидальный диоксид кремния, микрокремнезем, песок, микрокристаллический диоксид кремния, силикагель, коллоидный кремнезем, кварц, кварцевая мука, раствор силиката натрия, раствор силиката калия, а также твердые силикаты натрия и/или калия. Примером имеющегося в продаже силиката щелочного металла является Kasil-1, выпускаемый PQ Corporation, Valley Forge, PA. Различные источники кремнезема имеют желательные, а также нежелательные свойства. Например, некоторые источники тонкого кремнеземного порошка содержат следы углерода, которые могут привести к изменению цвета конечного продукта. Кроме того, на термические и физические свойства композиции неорганической полимерной матрицы может оказать влияние природа источника кремнезема, например, включение плотной кристаллической сетки α-кварца может повысить стабильность размеров, в то же время, в свою очередь, введение источника открытого аморфного кремнезема будет давать структуру сетки с более низкой плотностью. Однако соответствующий раствор силиката щелочного металла можно получить комбинацией различных источников щелочи и/или кремнезема. Когда силикат щелочного металла получают из гидроксида щелочного металла и источника кремнезема, гидроксид щелочного металла присутствует в количестве примерно от 3 мас.% до 30 мас.%, исходя из общей массы композиции или смеси, предпочтительно, примерно от 7 мас.% до 20 мас.%. Источник кремнезема присутствует в количестве примерно от 10 мас.% до 85 мас.% или примерно до 90 мас.% или примерно до 94 мас.%, предпочтительно от 15 мас.% до 70 мас.%. В некоторых случаях, например, когда используют раствор силиката щелочного металла, часть гидроксида щелочного металла, кремнезем и воду, которые предусмотрены, включают в описанные диапазоны.

Силикат щелочного металла, используемый при получении композиции неорганической смолы, представляет собой растворы силиката калия, растворы силиката натрия, кристаллический силикат натрия, кристаллический силикат калия, аморфный силикат натрия, аморфный силикат калия и их смеси. Альтернативно предшественниками силиката щелочного металла являются щелочное основание и источник кремнезема. Кремнезем в силикате щелочного металла представляет собой аморфную или кристаллическую форму кремнезема, выбранную из группы, состоящей из кремнезема, тонкого кремнеземного порошка, микрокремнезема, осажденного диоксида кремния, песка, кварца, кварцевой муки, силикагелей, коллоидального диоксида кремния и коллоидного кремнезема. Предпочтительно силикат щелочного металла и/или предшественники силиката щелочного металла имеют отношение SiO₂/A₂O примерно от 2,0:1,0 до 20,0:1,0, где A представляет собой K (калий) и/или Na (натрий) и где гидроксид щелочного металла выбран из группы, состоящей из гидроксида калия и гидроксида натрия.

Несиликатные структурообразующие вещества можно ввести, если это желательно, в диапазоне примерно от 2 мас.% до 70 мас.%. Несиликатное структурообразующее вещество можно добавить в виде кислотного оксоанионного соединения. Примеры кислотных оксоанионных соединений включают борную кислоту, фосфорную кислоту, серную кислоту, однозамещенный фосфат натрия, дизамещенный фосфат натрия, дизамещенный фосфат калия, однозамещенный фосфат калия, гидрофосфат аммония, фосфатные соли металлов и/или неметаллов или соединения, включающие бораты, сульфаты, алюминаты, ванадаты, германаты, и аналогичные ионы, и их комбинации или смеси. Несиликатное структурообразующее вещество также можно добавить в виде некислотного оксоанионного соединения, например, трехзамещенного фосфата натрия, фосфата калия, бората натрия или аналогичных солей кислот, если рН смеси корректируют другим методом. Предпочтительная смесь кислотных оксоанионных соединений включает смеси однозамещенного фосфата калия и борной кислоты; однозамещенного фосфата натрия и борной кислоты, однозамещенного фосфата калия, однозамещенного фосфата натрия и борной кислоты; бората натрия и однозамещенного фосфата калия, причем можно использовать любой сорт или любую концентрацию указанных веществ, хотя более концентрированное вещество является предпочтительным для минимизации содержания воды. Кислотное оксоанионное соединение присутствует в количестве примерно от 0,01 мас.% до 20 мас.%, исходя из общей массы композиции. Предпочтительное количество кислотного оксоанионного соединения составляет примерно от 2 мас.% до 8 мас.%. Также можно включить соединения, содержащие многовалентные атомы и кислотные оксоанионы. Примеры включают однозамещенный фосфат алюминия Al(H₂PO₄)₃, метафосфат алюминия Al(PO₃)₃, одноосновный фосфат магния, гидрофосфат магния, однозамещенный фосфат цинка, одноосновный фосфат кальция, гидрофосфат кальция, одноосновный фосфат бария, двуосновный фосфат бария, однозамещенный фосфат марганца, гидрофосфат марганца и аналогичные фосфаты металлов.

Альтернативно, в качестве структурообразующего вещества можно использовать некислотное оксоанионное соединение. Примеры таких соединений включают трехзамещенный фосфат натрия, фосфат калия, борат натрия или аналогичные соли кислот, если рН смеси корректируют другим методом. Считается, что некислотные оксоанионные соединения можно добавлять в количестве, аналогичном количеству кислотных оксоанионных соединений.

Альтернативно, для получения композиции можно использовать реакционноспособное стекло в сочетании с раствором силиката щелочного металла. Фраза ″реакционноспособное стекло" охватывает широкое разнообразие кислотных неорганических стекол, которые могут предоставить кислотную группу для реакции конденсации между силикатом щелочного металла и стеклом, которая происходит в ходе реакции отверждения. Реакционноспособные кислотные стекла являются предпочтительными, и примеры реакционноспособных кислотных стекол включают борфосфорносиликатные, фосфатные, фосфорноборатные, борфосфатные и боратные стекла. Реакционноспособные стекла могут не быть действительно кислотными, но функционировать таким образом. Можно использовать некислотное стекло (рН примерно от 7 до 10) при условии, что рН реакционноспособного стекла меньше рН компонента, представляющего собой силикат щелочного металла, и/или его предшественников. Для отверждения такой композиции могут потребоваться повышенные условия обработки, включая более высокие температуры (>200°С) и/или более высокие давления (>200 фунт/кв. дюйм). Реакционноспособные стекла отличаются от по существу нереакционноспособных конструкционных стекол, которые используются в химических стаканах и сосудах для питья, и от оптических стекол, которые используются в окнах. Реакционноспособные стекла изготавливают в соответствии с типичными процессами производства стекла посредством объединения оксидных реагентов. В случае щелочного борфосфатного стекла P₂O₅, B₂O₃ и один или несколько оксидов щелочного металла или их предшественники объединяют в порошкообразной форме и нагревают смесь до температуры ее плавления, составляющей примерно от 700°C до 1500°C, и затем быстро охлаждая расплав и необязательно отжигая стекло до жесткого, хрупкого состояния. Отношение оксида фосфора к оксиду щелочного металла (A₂O) будет составлять примерно от 6,1:1,0 до 1,5:1,0. В случае щелочного фосфорноборатного стекла B₂O₃, P₂O₅ и один или несколько оксидов щелочного металла или их предшественники объединяют в порошкообразной форме и нагревают смесь до температуры ее плавления, составляющей примерно от 700°C до 1500°C, и затем быстро охлаждая расплав и необязательно отжигая стекло до жесткого, хрупкого состояния. Отношение оксида фосфора к оксиду щелочного металла (A₂O) будет составлять примерно от 5,0:1,0 до 1,15:1,0, а отношение оксида бора к оксиду щелочного металла (A₂O) будет составлять примерно от 8,0:1,0 до 1,5:1,0.

Предпочтительно, твердое стекло измельчают до порошкообразной формы. Предпочтительным порошком является порошкообразное реакционноспособное борфосфатное стекло. Использование данного предпочтительного порошкообразного стекла облегчает регулирование скорости отверждения и аморфной природы матрицы. Термические и физические свойства неорганической силикатно/стеклянной матрицы можно варьировать, регулируя отношение SiO₂ к реакционноспособному стеклу и/или предшественникам стекла (G). Отношение G:SiO₂ может меняться от 0,01 до 50,0 по массе. Реакционноспособное стекло используют в количестве примерно от 0,01% до 60% массовых, исходя из общей массы смеси, причем предпочтительным является количество от 3% до 35% и наиболее предпочтительным является количество от 5% до 20% массовых.

Поскольку является желательным, чтобы полученное стекло являлось кислотным, композиция данного стекла будет состоять в основном из таких стеклообразующих веществ, как оксиды фосфора, бора и необязательно кремния. Предпочтительным оксидом щелочного металла является оксид лития. Если требуется стекло с высоким содержанием фосфора, то композиция стекла перед плавлением будет включать примерно от 20 мольн.% до 80 мольн.% оксида фосфора (V) (P₂O₅) или его солей, кислот или других форм-предшественников, которые обеспечивают надлежащие или эквивалентные количества фосфора и кислорода, основанные на общем количестве рецептуры стекла, предпочтительно от 30 мольн.% до 70 мольн.%, более предпочтительно от 35 мольн.% до 65 мольн.%. Наиболее предпочтительно используют от 60 мольн.% до 65 мольн.%. Оксид бора (B₂O₃) будет составлять примерно от 1 мольн.% до 15 мольн.% стекла, предпочтительно от 2 мольн.% до 8 мольн.% и, более предпочтительно от 4 мольн.% до 6 мольн.%. Оксид щелочного металла (A₂O) составляет примерно от 5 мольн.% до 50 мольн.% композиции стекла, предпочтительно от 20 мольн.% до 40 мольн.% и более предпочтительно от 15 мольн.% до 30 мольн.%. Оксид щелочноземельного металла (M'O) используют в количество примерно от 0,01 мольн.% до 30 мольн.% от общего количества стеклянной смеси, причем количество от 5 мольн.% до 20 мольн.% является предпочтительным, и количество от 10 мольн.% до 15 мольн.% является более предпочтительным. Если желательно, можно включить другие оксиды, включающие, но не ограничивающиеся ими, оксид алюминия, оксид железа, оксид лантана, оксид церия, оксид молибдена и диоксид кремния. Данные оксиды добавляют в количестве до 20 мольн.%.

Если необходимо стекло с высоким содержанием бора, то композиция стекла перед плавлением будет включать примерно от 10 мольн.% до 50 мольн.% оксида фосфора (V) (P₂O₅), или его солей, кислот или других форм-предшественников, которые обеспечивают эквивалентные количества фосфора и кислорода, исходя из общего количества рецептуры стекла, предпочтительно от 20 мольн.% до 40 мольн.%, более предпочтительно от 25 мольн.% до 35 мольн.%. Оксид бора (B₂O₃) будет составлять примерно от 10 мольн.% до 70 мольн.% стекла, предпочтительно от 30 мольн.% до 60 мольн.% и более предпочтительно от 45 мольн.% до 55 мольн.%. Оксид щелочного металла (A₂O) составляет примерно от 5 мольн.% до 45 мольн.% композиции стекла, предпочтительно, от 20 мольн.% до 40 мольн.% и, более предпочтительно, от 15 мольн.% до 30 мольн.%. Оксид щелочноземельного металла (M'O) необязательно используют в количество примерно от 0 мольн.% до 30 мольн.% от общего количества стеклянной смеси, причем количество от 5 мольн.% до 20 мольн.% является предпочтительным, и количество от 10 мольн.% до 15 мольн.% является более предпочтительным, в случае его использования.

Рецептура реакционноспособного стекла, если его используют, является критичной для химии и осуществления данного изобретения. Желательно, чтобы стекло реагировало со смесью силикатов щелочного металла для снижения основности получаемой в результате матрицы и для соединения множества сеточных структур. Комбинация сильно различающихся сеточных структур, одной на основе силиката, а другой на основе фосфата, приводит к смеси аморфного неорганического полимера и кристаллической сетки, а также новым звеньям сетки, образованным в результате реакции щелочного силиката и кислотного фосфата, таким как -Si-O-P-. Как силикатные, так и фосфатные соединения, которые, как известно, являются превосходными структурообразующими веществами, составляют основу для данного изобретения.

Реакционноспособное стекло, которое можно использовать для получения композиционного материала, можно кратко описать следующей формулой:

где Σr_k=1

k=1

Формула III

где n = число желаемых компонентов стекла,

M = по меньшей мере, один стеклообразующий компонент, такой как бор, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, сурьма, алюминий и ванадий, и, по меньшей мере, один модификатор стекла, который работает как флюс, такой как литий, натрий, калий, рубидий и цезий, и, необязательно, дополнительные модификаторы структуры, такие как ванадий, алюминий, олово, титан, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, ртуть, цинк, тулий, свинец, цирконий, лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, актиний, торий, уран, иттрий, галлий, магний, кальций, стронций, барий, олово, висмут и кадмий,

E = кислород, халькогениды и/или галогены, такие как сера, селен, теллур и фтор,

P = валентность катиона М, например 5 для фосфора, которая обычно изображается как P⁵⁺или P(V),

q = валентность аниона E, например 2 для кислорода, которая обычно изображается как O^2-,

q' = число катионов M, содержащихся в звене структуры, равное q или q/2, которое является наименьшим целым числом, всякий раз когда p и q являются четными числами, например 2 для фосфора в P₂O₅ или 1 для кремния в SiO₂,

p' = число анионов E, содержащихся в звене структуры, равное p или p/2, которое является наименьшим целым числом, всякий раз когда p и q являются четными числами, например 5 для фосфора в P₂O₅ или 2 для кремния в SiO₂,

r = мольная доля каждого индивидуального звена структуры в компоненте реакционноспособного стекла,

n = число общих звеньев структуры в компоненте реакционноспособного стекла.

Бинарное стекло можно представить в виде {(M₁ ^p+)_q')(E₁ ^q-)_p'}_r1{(M₂ ^p+)_q')(E₂ ^q-)_p'}_r2, r₁+r₂=1, а формулу тройного стекла можно обобщить в виде {(M₁ ^p+)_q')(E₁ ^q-)_p'}_r1{(M₂ ^p+)_q')(E₂ ^q-)_p'}_r2{(M₃ ^p+)_q')(E₃ ^q-)_p'}_r3, r₁+r₂+r₃=1. Таким образом, натриево-кальциево-силикатное стекло можно описать в виде (CaO)_r1(SiO₂)_r2(Na₂O)_r3, где r₁+r₂+r₃=1. Кремний (Si) представляет собой стеклообразующий компонент, ковалентно связанный с кислородом с образованием структуры стекла, а натрий (Na) и кальций (Ca) являются модификаторами стекла, которые связаны с силикатной структурой ионной связью, содействуя образованию и стойкости стеклянной фазы. Следовательно, M в общем представляет, по меньшей мере, одно структурообразующее вещество (M_gf) и, по меньшей мере, один модификатор структуры стекла (M_gm) в рецептуре стекла.

Время осветления и температура стекла также влияет на его физические и механические характеристики. Для постоянного состава увеличение температуры осветления и/или времени дополнительно уплотняет структуру стекла, повышая T_g, T_s и T_m, понижая активность структуры и содержание гидроксил/H₂O стекла, в то же время улучшая долговечность. Таким образом, при изменении состава стекла, времени осветления стекла и температуры различные рецептуры стекла могут сильно различаться в отношении реакционной способности, долговечности, кислотности, гидролитической стабильности, ударной вязкости и обрабатываемости. Можно необязательно добавить умеренные уровни диоксида кремния и/или оксида алюминия, чтобы ограничить загрязнение печи и/или упрочнить структуру стекла, если есть необходимость в очень высокой термостойкости (>900°С). Согласование, смешение и корректировка свойств стекла и силиката щелочного металла дает рецептуру устойчивого к действию высокой температуры материала с уникальными и новыми свойствами. Другими словами, способность изменять данные ″структурные блоки" дает возможность приспосабливать свойства продукта к многочисленным областям использования в условиях воздействия высокой температуры.

Размер частиц реакционноспособного стекла, как и размер частиц дополнительных ингредиентов, является важным, но не критическим. Очевидно, что реакционная способность ингредиентов увеличивается со снижением размера частиц, и если частицы являются слишком мелкими, то вещества могут являться слишком реакционноспособными, таким образом, может быть необходимо сделать корректировку в используемых компонентах для получения композиций по настоящему изобретению. Порошкообразные компоненты композиции (кремнезем, реакционноспособное стекло и т.д.) можно гранулировать, таблетировать или уплотнить иным способом перед добавлением к жидкой части композиции.

Хотя данное изобретение представляет собой композицию неорганической полимерной матрицы, полученную в результате взаимодействия источника силиката щелочного металла и несиликатного структурообразующего вещества и/или реакционноспособного стекла, механические, физические и технологические характеристики матрицы можно улучшить с помощью дополнительных компонентов, если это желательно. В случае необходимости можно включить дополнительные компоненты, такие как наполнители, другие структурообразующие вещества и модификаторы. Они включают добавки, структурообразующие вещества и наполнители, типично используемые или известные специалисту в данной области, неорганические, органические или гибридные, и могут включать добавки или наполнители, чтобы дать возможность обработать, изготовить и улучшить эксплуатационные характеристики при использовании.

Необязательные добавки и/или дополнительные структурообразующие вещества могут представлять собой такие соединения, как бораты, сульфаты, алюминаты, ванадаты, борная кислота, фосфорная кислота, серная кислота, азотная кислота, оксид фосфора (V), однозамещенный фосфат натрия, дизамещенный фосфат натрия (динатрийфосфат), однозамещенный фосфат калия, дизамещенный фосфат калия (дикалийфосфат), гидрофосфат аммония, другие фосфатные соли металлов и/или неметаллов, германаты или аналогичные. Необязательные структурообразующие вещества присутствуют в количестве от 0,0 мас.% до 50 мас.%, исходя из общей массы композиции. Если структурообразующие вещество включено в рецептуру, его предпочтительное количество F₁ составляет от 2 мас.% до примерно 10 мас.%.

Вторичные связывающие структуру звенья могут представлять собой многовалентные катионы, выбранные из групп 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 или 16, предпочтительно из групп 2, 3, 4, 5, 11, 12, 13, 14, 15 или 16 периодической таблицы, и их используют в количестве от нуля до примерно 20 мас.%, от общей массы смеси, причем предпочтительным является диапазон примерно от 1,0 мас.% до 5 мас.%. Также можно использовать многовалентные катионы Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Pd и Pt групп 6, 7, 8, 9, 10, но предпочтительными являются катионы из других групп. Соединения, содержащие многовалентный катион, могут включать любую соль металла главной группы, включая нитраты, сульфаты и хлориды, хотя предпочтительными являются соли цинка, магния и кальция. Необязательное вторичное связывающее структуру звено может представлять собой многовалентный катион, применимый для координирования с двумя оксосоединениями, такой как катион щелочноземельных металлов, металлов главной группы, представителей переходных металлов, лантанидов и/или актинидов и их любая применимая комбинация. Другие вторичные связывающие структуру звенья могут включать соединения, содержащие бор, алюминий, свинец, галлий, кадмий, титан, цирконий, лантан, церий, неодим, иттрий, стронций, барий, литий, рубидий, цезий и фтор.

Необязательные добавки, которые можно использовать, включают глинистые наполнители, оксидные наполнители, модификаторы геля, повышающие ударную вязкость органические добавки, пластификаторы или их комбинации. Наполнители включают каолин, метакаолин, монтмориллониты, слюду, а также другие смектиты и другие глинистые или минеральные наполнители. Когда используют глинистые наполнители, предпочтительным является кальцинированный каолин, и его можно использовать в количестве от нуля до 25 мас.%, исходя из общей массы композиции, причем от 3 мас.% до 5 мас.% является предпочтительным. Кальцинированный каолин может обладать некоторой реакционной способностью по отношению к силикатным матричным материалам, хотя реакционная способность глинистого наполнителя не требуется, и можно использовать любой из имеющихся в продаже глинистых наполнителей.

Необязательные оксидные наполнители, которые можно использовать, включают оксиды бора, алюминия, кремния, цинка, галлия, титана, циркония, марганца, железа, молибдена, вольфрама, висмута, свинца, лантана, церия, неодима, иттрия, кальция, магния и бария, и они присутствуют в количестве примерно от 0,0 мас.% до 20 мас.%, исходя из общей массы композиции. Оксид магния (MgO, который является предпочтительным) используют в количестве от нуля % до 15% массовых, исходя из общей массы композиции, причем от 1% до 10% массовых является предпочтительным, и от 2% до 8% массовых является особенно предпочтительным.

Модификаторы могут включать сшивающие агенты и ингибиторы или активаторы гелеобразования, такие как минеральные кислоты, органические кислоты и основания. Сшивающие агенты также можно вводить в виде фосфатов металлов, как описано ранее. Они включают фосфат алюминия, фосфат магния, фосфат кальция, фосфат цинка, фосфат железа, фосфат церия, фосфат лантана, фосфат бария, однозамещенный фосфат алюминия (Al(H₂PO₄)₃), метафосфат алюминия (Al(PO₃)₃), одноосновный фосфат магния, гидрофосфат магния, однозамещенный фосфат цинка, одноосновный фосфат кальция, гидрофосфат кальция, одноосновный фосфат бария, диосновный фосфат бария, однозамещенный фосфат марганца, гидрофосфат марганца и аналогичные фосфаты металлов.

Необязательный модификатор геля представляет собой органическую кислоту и/или органическое основание, обычно выбранные из группы, состоящей из оксикислот и N- и P-оснований. Примеры органических кислот включают молочную кислоту и лимонную кислоту. Предпочтительно, используют α-оксикислоты, β-оксикислоты, замещенные пиридины и хинолины. Их используют в количестве от нуля до 10 мас.%, исходя из общей массы композиции, причем количество от 0,05 мас.% до 5 мас.% является предпочтительным. Необязательное поверхностно-активное вещество представляет собой анионное, катионное и/или неионное поверхностно-активное вещество, такое как алкиларилсульфонаты, силиконы, соли четвертичного аммония, соли протонированных органических аминов, гидроксильные полимеры, органическо-неорганические гибриды, такие как силиконы, и их комбинации, но не ограничивается этим. Данные добавки используют в количестве от нуля до 10 мас.%, исходя из общей массы композиции, причем количество от 0,5 мас.% до 5 мас.% является предпочтительным.

Необязательная органическая добавка, повышающая ударную прочность, и/или пластификатор представляет собой повышающую ударную прочность добавку на органической основе, пластификатор или их комбинацию. Повышающую ударную прочность добавку на органической основе можно выбрать из группы, состоящей из смол, низкомолекулярных и/или высокомолекулярных полимеров. Данные вещества используют в количестве от нуля до 10 мас.%, исходя из общей массы композиции.

Остальная часть неотвержденной композиции представляет собой воду, и она будет составлять примерно от 10 мас.% до 75 мас.%, исходя из общей массы композиции. Предпочтительным является диапазон от 15 мас.% до 40 мас.%. Воду можно ввести в виде части одного из компонентов, например, в виде части раствора силиката щелочного металла, раствора соли щелочноземельного металла или части раствора фосфорной кислоты. Поскольку вода, включенная в данное изобретение, может рассматриваться в качестве реакционной среды, реагента, а также продукта реакции, концентрацию воды, в общем, трудно определить количественно. Начальный уровень воды в исходной смеси может различаться примерно от 10 мас.% до 70 мас.%, в то время как препрег B-стадии может содержать примерно от 5 мас.% до 35 мас.% воды. Сам отвержденный образец неорганического связующего, а также композиционный материал может содержать примерно от 0 мас.% до 10 мас.% воды в зависимости от условий обработки.

Как отмечено выше, очень важный аспект настоящего изобретения состоит в желательном использовании армирующей среды, желательно тканого и/или нетканого, непрерывного и/или дискретного волокна, которое используют в слое смолы силиката щелочного металла. Армирование может находиться в диапазоне примерно от 2 об.% до 60 об.%. Армирующие волокна могут включать никелевое волокно, стекловолокно, углеродное волокно, графитовое волокно, минеральное волокно, оксидированное углеродное волокно, оксидированное графитовое волокно, стальное волокно, металлическое волокно, покрытое металлом углеродное волокно, покрытое металлом стекловолокно, покрытое металлом графитовое волокно, покрытое металлом керамическое волокно, покрытое никелем графитовое волокно, покрытое никелем углеродное волокно, покрытое никелем стекловолокно, кварцевое волокно, керамическое волокно, волокно из карбида кремния, волокно из нержавеющей стали, титановое волокно, волокно из никелевого сплава, покрытое латунью стальное волокно, полимерное волокно, покрытое полимером углеродное волокно, покрытое полимером графитовое волокно, покрытое полимером стекловолокно, покрытое полимером арамидное волокно, такое как Kevlar®, покрытое керамикой углеродное волокно, покрытое керамикой графитовое волокно, покрытое керамикой стекловолокно, оксидированное полиакрилонитрильное волокно, базальтовое волокно, устойчивое к действию щелочи стекловолокно и/или другие волокна, известные специалисту в данной области. Также можно использовать комбинации данных различных волокон. Предпочтительно, волокно представляет собой графитовое волокно, Е-стекловолокно, S-стекловолокно, базальтовое волокно, волокно из нержавеющей стали, титановое волокно, волокно из никелевых сплавов, арамидное волокно, полиэтиленовое волокно, волокно SiC и волокно BN. Данные волокна также могут быть покрыты и/или обработаны. Примеры подходящих покрытий для использования на волокнах включают осажденные из паровой фазы металл и металлические сплавы, химически осажденные металл и металлические сплавы, металлы и металлические сплавы, нанесенные из расплава, электролитически нанесенные металл и металлические сплавы, органические полимерные покрытия, неорганическо-органические полимерные гибридные покрытия, оксиды металлов, фосфаты, фосфаты металлов, силикаты, органические полимерные силикаты и гибриды органический полимер-кремнезем и функционализированные силоксаны.

Армирующие волокна могут быть во многих формах, включая пряжу, паклю, нитевидные кристаллы, непрерывное волокно, короткое волокно, тканые материалы, тканые листы, трикотажное полотно, нетканые материалы, неориентированные маты, прошитые маты, сетки, войлок, оплетенные материалы, навитой жгут, проволоку и/или другие формы, известные специалисту в данной области.

В качестве армирующего материала можно использовать армирование стекловолокном (включая, но не ограничиваясь этим, E-стекловолокно, S-стекловолокно и устойчивое к действию щелочи стекловолокно). Композитные структуры также могут включать гибридное армирование волокнами, например комбинацией стекловолокна, углеродного волокна, волокна из органического полимера, оксида и/или металла. Армирование может быть в форме тканого или нетканого материала, сетки, сита, ваты, непрерывных или дискретных волокон. Различные волокна и/или ткани можно перемешать в матрице или дискретно разделить на слои. Примеры включают чередующиеся слои армирования углеродным волокном и стекловолокном, а также сэндвичевую стальную сетку, помещенную посередине стеклянных сеток. Композиционные материалы, использующие армирование стекловолокном и матричное связующее по настоящему изобретению, являются приемлемыми по стоимости, негорючими, термически стабильными [например, никакого измеримого (<0,2%) остаточного изменения размера после 48 часов воздействия при 700°C] композиционными материалами с изолирующими свойствами и конструкционными свойствами, которые можно переработать при более низких температурах, используя типичное технологическое оборудование. Обычную переработку можно осуществить при относительно низких температурах (<200°C) и низком давлении (<200 фунт/кв. дюйм). Поперечно-армированный стекловолокном слоистый материал можно получить с высокими теплоизоляционными свойствами (например, номинальная теплопроводность 1,4 Вт/м·К), электроизоляционными свойствами (неопределяемая электропроводность при измерении стандартным омметром) и умеренными механическими характеристиками (модуль изгиба до 18 миллионов фунтов на квадратный дюйм, прочность на изгиб до 200+ тысяч фунтов на квадратный дюйм и максимальная деформация изгиба до 1,3%). Данная комбинация свойств должна являться перспективной технологией для многих областей использования.

Армирование керамическим волокном (включая волокна карбида кремния) представляет собой другое предпочтительное армирование, особенно для высокотемпературных областей использования (выше 700°C). Хотя керамические волокна являются дорогими, они сохраняют структурную целостность значительно выше 1000°C. Армирование углеродным волокном представляет собой предпочтительное армирование, когда является желательным электропроводность, теплопроводность, высокая прочность и/или прочность на удар.

Механические свойства композитной структуры, включающей композицию неорганической полимерной матрицы, можно улучшить при условии, что существует достаточное взаимодействие между матрицей и армирующим компонентом. Композитная структура, включающая композицию неорганической полимерной матрицы, обеспечивает повышенный уровень механической прочности, если армирующий компонент показывает в некоторой степени оксофильный характер на границе раздела матрица - армирующий компонент. Композитная структура, включающая композицию неорганической полимерной матрицы и армирование нержавеющей сталью, проявляет повышенный уровень механических характеристик. Улучшение лучше иллюстрируется при использовании в качестве армирующего компонента углеродного или графитового волокна. Углеродные и/или графитовые волокна в своей основе являются неполярными и гидрофобными, но их можно обработать различными способами для создания областей с гидрофильным характером, например нанесением проклеивающего или другого покрытия (как правило, органических полимеров, таких как эпоксидные смолы или органические силаны) или посредством использования поверхностно-активных веществ. Обычно увеличение гидрофильной природы волокна также будет создавать более оксофильную поверхность и улучшать поверхность раздела между армирующим компонентом и матрицей, но армирующий компонент можно сделать более оксофильным другими способами. Металлизация волокна может создать оксофильную поверхность, которая будет значительно увеличивать межфазную прочность композитной структуры. Химическое, термическое или электролитическое окисление углеродного, графитового и/или полимерного армирующего компонента также может увеличить оксофильность и, таким образом, межфазную прочность и механические свойства композитной структуры. Более того, волокно можно проклеить органическим полимером, объединенным с порошкообразным неорганическим оксидом, таким как стеклообразная фритта, реакционноспособная стеклообразная фритта, кремнезем, оксид алюминия, оксид циркония и аналогичные материалы на основе оксидов. Это придает оксофильный характер поверхности армирующего компонента. Данные принципы также можно распространить на другие композиции матриц на оксидной основе, включая, но не ограничиваясь этим, смолы силикатов щелочных металлов, смолы фосфатов металлов, цементирующие материалы, огнеупорные соединения и другие неорганические и/или гибридные неорганическо/органические материалы на основе оксидов. Придавая достаточную неровность и шероховатость поверхности армирующей среды для содействия полезному механическому взаимодействию, также можно увеличить поверхность раздела между матрицей и армирующим компонентом.

Кроме того, композиция неорганической полимерной матрицы может включать разнообразные органические и неорганические наполнители, обычно используемые специалистами в данной области. Матрица может включать такие материалы наполнителей, как керамические порошки, минеральные порошки, металлические порошки, карбиды кремния, нитриды кремния, силикаты, нитриды бора, алюмосиликаты, силикаты алюминия, смешанные силикаты натрия и алюминия, смешанные силикаты калия и алюминия, углерод, углеродная сажа, углеродные нанотрубки, молибден и его соединения или другие наполнители, известные специалисту в данной области. Органические материалы являются менее предпочтительными, когда область использования является такой, что органические материалы будут сгорать и давать газообразные продукты. Наполнители также могут быть сферическими, таким как микросферы, макросферы, полые и/или сплошные сферы, и/или частицы цилиндрической, плоской и/или правильной или неправильной формы.

Композиция неорганической полимерной матрицы по настоящему изобретению влияет на рН раствора, содержащего основу в виде силиката щелочного металла, вводя кислотный неорганический компонент (такой как протонированные оксоанионы, например, фосфорную или борную кислоту, однозамещенный фосфат или реакционноспособные стекла) и модификатор, представляющий собой кислотную соль, такую как соль щелочноземельного металла. Растворы силиката щелочного металла требуют высокое значение рН, чтобы поддерживать высокую концентрацию мономерных силикатных анионов, необходимых для умеренного образования сетки. Способность отверждаться при умеренных условиях после снижения рН до меньшего значения уменьшает повреждение стекловолоконного армирования, вызываемого щелочной природой матрицы. Неорганическое матричное связующее отверждается путем реакции конденсации, частично ведомой отщеплением воды от каркаса, и избыточная вода в связующем приводит к дефициту стабильности размеров, плохим физическим свойствам и трудности обработки.

Понятно, что композиции неорганической полимерной матрицы по настоящему изобретению можно изготовить и переработать в композиционные материалы, используя прямое формование, объемное формование, листовое формование, порошок и армирование, жидкость и армирование, препрег и спекание. Дополнительные методы включают пултрузию (автоматизированный процесс, способный дать продукт с постоянным поперечным сечением), влажное наслоение (простой ручной способ быстрого получения опытных образцов и дающий продукты с низкими эксплуатационными качествами), накальную обмотку (автоматизированный способ получения тел вращения), формование вакуумным мешком (типичный способ для высокоэффективных аэрокосмических слоистых материалов), автоклавное или неавтоклавное вакуумное нагнетание (способ для высокоэффективных частей большой толщины), пленочную инфузию жидкой смолы или порошковую инфузию, литьевое прессование (процесс формования сеткообразного материала с превосходной воспроизводимостью размеров), экструзию (способ, которым можно получить неконструкционные коротковолокнистые продукты постоянного поперечного сечения), инжекционное формование (автоматизированный способ, которым можно получить небольшие, неконструкционные коротковолокнистые продукты), отливку (способ для объемных неконструкционных продуктов), центробежное литье (способ, которым можно изготовить трубы высокого качества), формование стабилизированного эластомера (способ, которым можно изготовить необычные формы) и аналогичные процессы.

Композиционный материал отверждают в температурном диапазоне примерно от 15°C до 1000°C и выше, и при давлении в диапазоне от 0 фунт/кв. дюйм до примерно 2000 фунт/кв. дюйм, предпочтительно при температуре примерно от 50°C до 200°C и при давлении менее примерно 200 фунт/кв. дюйм.

Если желательно, композиционную часть можно подвергнуть термическому пост-отверждению и/или химически обработать, чтобы дополнительно повысить термическую, размерную или гидролитическую стабильность или их комбинацию. Данную часть можно термически обработать на воздухе, под вакуумом или в инертной атмосфере в температурном диапазоне примерно от 15°C до 1000°C. Композиционную часть можно промыть водой или другим растворителем, чтобы удалить избыток реагентов. Более того, это можно сделать после только частичного образования неорганической полимерной сеточной структуры перед завершением процесса отверждения. Композиционную часть также можно ввести в контакт с кислотными растворами, растворами солей металлов, растворами солей металлических кислот, растворами поверхностно-активных веществ, растворами фторированных соединений, соединениями на основе кремния, органическими фор-полимерами, иономерами, полимерами и/или другими растворами, предназначенными для придания гидрофобности.

Например, погружение или покрытие композитной структуры с использованием разбавленного раствора фосфорной кислоты может улучшить термическую, а также гидролитическую стойкость композитной структуры. В растворе фосфорной кислоты может содержаться одна или несколько солей металлов. Аналогичного улучшения можно достичь, используя разбавленный раствор соли магния в одиночку или в сочетании с раствором фосфорной кислоты. Также можно использовать другие растворимые соли поливалентных металлов, например содержащие алюминий, кальций, цинк, церий, лантан и/или аналогичные соли. Композитную структуру, если это желательно, также можно обработать растворами солей одновалентных металлов, таких как гидроксид лития, ацетат лития, хлорид лития и так далее.

Данные способы обладают некоторыми преимуществами по сравнению с методами отверждения/уплотнения, обычно используемыми при изготовлении высокотемпературных неорганических полимеров, а именно керамики и стекол. Обработка керамики и стекла типично требует оборудование для высокотемпературной обработки (выше 1000°C). Природа рецептуры неорганической матрицы по настоящему изобретению дает возможность обрабатывать композиционные материалы с помощью традиционного оборудования, используемого в установках для изготовления композиционных материалов. Данные способы позволяют достичь более высокой производительности по сравнению с типичными керамическими способами и дают возможность легко изготавливать более крупные детали по сравнению с типичными керамическими способами. Использование данных способов предоставляет большие объемы волокна со структурной целостностью, что является превосходным для правильной обработки бетона.

Альтернативно, композиция неорганической полимерной матрицы по настоящему изобретению не ограничивается исключительно композиционными материалами. Композицию можно использовать для получения чистых компонентов смол, покрытий и клеев.

Ценным является то, что настоящее изобретение можно осуществить в виде негорючего материала. Данное желательное свойство безопасности отличает данное изобретение от большинства органических материалов (таких как, например, пластмассы, древесина или резина, но не ограничиваясь этим), которые имеют тенденцию гореть, образовывать дым и/или токсичные газы при воздействии огня. Более того, настоящее изобретение можно осуществить в виде теплоизолятора и/или электрического изолятора. Данная желательная черта отличает композиции по настоящему изобретению от большинства металлов (таких как сталь, алюминий или медь), которые имеют тенденцию являться проводниками тепла и электричества.

Настоящее изобретение можно осуществить для функционирования при высоких температурах (>1000°C) с незначительными остаточными изменениями в размерах. Данное желательное свойство отличает изобретение от большинства органических материалов (которые имеют тенденцию подвергаться пиролизу при воздействии температур, превышающих 500°C), от большинства цементирующих рецептур (которые имеют тенденцию трескаться выше 300°C) и от многих металлов (включая алюминий), которые имеют тенденцию деформироваться или плавиться при 700°C. В качестве дальнейшей характерной особенности системы по настоящему изобретения могут достичь высокотемпературных рабочих характеристик (до 1000°C и выше), в то же время являясь обрабатываемыми при относительно низких температурах (<200°C) и низких давлениях (например, но не ограничиваясь этим, до <200°C и <200 фунт/кв. дюйм). Это свойство является желательным, поскольку способность к обработке при низких температурах и давлениях позволяет обрабатывать системы по изобретению на более приемлемом оборудовании и более приемлемыми способами. Данная характерная черта химии отличает настоящее изобретение от большинства керамических материалов, стекол и металлов, которые обычно требуют очень высоких температур и/или высоких давлений для получения формованного образца. Конечно, систему по изобретению можно эффективно обработать при более высоких температурах и давлениях; материал был обработан при давлениях выше 10000 фунт/кв. дюйм и при температурах выше 1500°C.

В некоторых случаях область использования может потребовать наличие термического барьера для сопротивления пламени и/или повышенным температурам в течение одного цикла службы и затем замену или использование при пониженных температурах эксплуатации, когда нет необходимости выдерживать экстремальные температуры, превышающие 200°C. Можно использовать органические/неорганические гибриды на основе настоящего изобретения. Органический компонент может являться мономерным, олигомерным или полимерным по природе и придавать дополнительную ударную прочность, пластичность и гибкость гибридной композиции.

Настоящее изобретение можно осуществить, пропитывая волокна с получением жесткого композиционного материала. Данная желательная черта отличает изобретение от большинства материалов, поскольку наиболее жесткие материалы не обрабатывались в виде жидкости с низкой вязкостью, способной смачивать волокна. Армирование материала матрицы волокнами предоставляет множество преимуществ, включая улучшенную прочность, жесткость, сопротивление развитию трещины, усталостную прочность и сопротивление удару. В то время как армированные волокнами композиционные материалы являются обычными в областях использования с диапазоном от приборной панели автомобиля до элементов самолета F-22, подавляющее большинство композиционных материалов изготавливают из материалов, представляющих собой органическую матрицу, которые являются горючими. Негорючие композиционные материалы, такие как композиционные материалы с керамической матрицей и композиционные материалы с металлической матрицей, имеют тенденцию ограничения по стоимости для большинства областей использования из-за требуемых высоких температур обработки. Настоящее изобретение можно осуществить при более низкой стоимости по сравнению с большинством композиционных материалов с керамической или металлической матрицей. Данные желательные особенности отличают настоящее изобретение от многих материалов, включая многочисленные металлы.

Композицию по настоящему изобретению можно легко получить, включая разнообразные, вышеуказанные в общих чертах наполнители, чтобы эксплуатационные характеристики материала подходили для конкретных областей использования. Данные наполнители, которые могут включать полые сферы, проводящие наполнители, добавки, повышающие коэффициент трения и/или термическую стойкость, можно включить, чтобы модифицировать физические свойства, включая, но не ограничиваясь этим, плотность, проводимость, коэффициент трения или термические характеристики. Данные желательные характерные свойства отличают настоящее изобретение от многих материалов, включая многие металлы. Обладая данными чертами, настоящее изобретение подходит для многих областей применения, включая противопожарные преграды, теплозащитные экраны, высокотемпературные изоляторы, высокотемпературные формы, фрикционные продукты, инструмент и конструкции, работающие в условиях воздействия высокой температуры.

Кроме композиций неорганической полимерной матрицы можно использовать другие соединения, такие как различные органические и неорганические наполнители, и композиции неорганической полимерной матрицы можно изготовить, используя разнообразные способы, такие как компрессионное формование, объемное формование и т.д., и затем отвердить, обработать и использовать в различных областях использования, и они могут иметь желаемые свойства согласно многочисленным тестам ASTM, сформулированным в патенте США №10/777885 ″Fire Testing Inorganic Composite Structures″, поданном 12 февраля 2004 года, который настоящим полностью включается ссылкой, включая все 39 примера.

Противопожарные системы или многослойные огнестойкие системы по настоящему изобретению обычно включают два или более слоя различных материалов, причем предпочтительно, по меньшей мере, один из слоев включает вышеуказанную неорганическую полимерную матрицу, полученную из силиката щелочного металла, и необязательно, но желательно, содержащую волокнистый армирующий компонент. Остающиеся один или несколько слоев включают любой нижеследующий компонент: по меньшей мере, один изолирующий материал, по меньшей мере, один вспучивающийся материал, по меньшей мере, один вспененный материал, по меньшей мере, один отражающий материал, или армирующий слой, или армирующий материал в любом из вышеуказанных слоев. Кроме того, отдельно или внутри любого из вышеуказанных слоев может существовать гофрированный газосодержащий слой. Еще одна противопожарная система может содержать два или более слоя полимерной смолы силиката щелочного металла.

Изолирующие материалы, которые имеют хорошие противопожарные свойства, обычно включают устойчивые к воздействию высокой температуры материалы, известные из литературы и уровня техники, такие как разнообразные соединения силикатов, различные соединения оксида алюминия или их комбинации, такие как глиноземные силикаты (RCF). Часто такие соединения присутствуют в форме волокон, поскольку они имеют низкую массу, и находят применение во многих областях использования, но также можно использовать твердые слои из таких соединений. Другие подходящие изолирующие материалы включают различные материалы и соединения, известные из уровня техники и литературы, которые обычно содержат значительные количества (по меньшей мере, примерно 30%, или примерно 50%, или примерно 70% массовых) оксида алюминия, кремнезема, алюмината, силиката, а также других оксидов металлов, содержащих кальций, магний и аналогичные. Другие изолирующие соединения включают различные огнеупорные материалы, такие как карбид кремния, углерод-углерод и аналогичные. Также можно использовать различные керамические материалы, известные из литературы и уровня техники, изготовленные из различных глин, например черепицу, терракоту, и аналогичные, фарфор, фарфоровые эмали, известь, штукатурку и гипсовые продукты и аналогичные.

Вспучивающийся слой обычно представляет собой любой материал, который выделяет летучее вещество, например воду, при нагревании во время, когда структура материала будет поддерживать образование ячеек. Весьма предпочтительным является вспучивающийся графит. Другие соединения включают различные силикаты щелочных металлов, такие как силикаты натрия, калия или силикат лития, или силикаты щелочноземельных металлов, такие как силикаты кальция и магния. Вермикулит представляет собой другой применимый вспучивающийся материал.

Отражающие слои обычно состоят из материалов, которые отражают свет и таким образом отводят тепло от той стороны системы, которая не подвергается действию огня. Слой может быть толстым, но предпочтительно является тонким, и его изготавливают из устойчивого к воздействию высокой температуры материала. Подходящие отражающие материалы обычно отражают, по меньшей мере, примерно 50% или, по меньшей мере, примерно 65% и, желательно, по меньшей мере, примерно 80% или, по меньшей мере, примерно 90% падающего на него солнечного света. Примеры включают полиэфирные пленки, такие как Mylar^®, алюминиевую фольгу или листовой материал и аналогичные материалы. Устойчивые к воздействию высокой температуры отражающие поверхности обычно включают интенсивно отражающие металлы и сплавы, такие как титан, хром, никель, и аналогичные: нержавеющую сталь и аналогичные металлы. Отражающие поверхности обычно находятся в листовой форме и присутствуют на внутренней или внешней стороне слоистого материала или многослойной огнестойкой системы.

Армирующие материалы были описаны в данной заявке выше и, следовательно, не будут повторяться. В то время как они обычно используются в волокнистой форме, либо непрерывной, либо дискретной, тканой или нетканой, их также можно использовать в листовой форме или форме перфорированного листа, полоски и аналогичного и, таким образом, они образуют индивидуальный или отдельный слой. Желательно, как отмечено выше, армирующий материал обычно используют в волокнистой форме для армирования слоя композиционного материала неорганической смолы по настоящему изобретению. Однако различные вышеуказанные армирующие материалы, в листовой форме или в форме перфорированного листа, или в любой другой форме, такой как волокна, можно использовать для усиления любого вышеуказанного слоя, такого как изолирующий слой, вспучивающийся слой, вспененный слой и даже отражающий слой, для придания им прочности и конструкционной целостности.

Гофрированный слой, как правило, имеет многочисленные замкнутые области газа, такого как воздух, которые действуют в качестве огнестойкой среды внутри любого из вышеуказанных слоев за исключением поверхности отражающего слоя. Таким образом, вышеуказанные различные изолирующие материалы, вспучивающиеся материалы и армирующие материалы могут иметь внутри полости с воздухом или другим газом. Альтернативно, гофрированный слой может являться слоем газа (например, воздуха) между изолирующим слоем.

Пористые или вспененные материалы, такие как вспененные композиции, которые можно использовать в настоящем изобретении, обычно являются негорючими и применимы для управления теплообменом, противопожарной защиты и других высокотемпературных областей использования. Способность системы по настоящему изобретению выдерживать температуры более 800°C позволяет его использовать в областях, в которых нельзя применять вспененные материалы на органической основе и/или их производные. Неорганические пористые материалы, такие как вспененные композиции, изготовленные из углеродных, стеклянных и керамических материалов, могут выдерживать аналогичные температуры, но их высокая стоимость ограничивает их использование для нужд крупномасштабного управления тепловыми нагрузками и/или чувствительных к стоимости областей использования. Пористые материалы, полученные по настоящему изобретению, можно также формовать в требующиеся сложные, а также простые формы, и/или конкретно формовать, используя традиционное обрабатывающее оборудование. Пористые материалы, такие как вспененный материал, могут быть либо конструкционными (цельными), либо неконструкционными, полученными с использованием или без использования вспенивающего вещества. Также можно приготовить синтактический вспененный материал, используя настоящее изобретение и соответствующие наполнители, такие как микросферы, микрошарики и/или микрокапсулы.

При получении различного типа барьерных или многослойных композитных систем, как правило, один или более внешних слоев изготавливают из материала, который обладает хорошей огнестойкостью и стойкостью к прогоранию, такого как неорганическая полимерная матрица, полученная из силиката щелочного металла, или одного или нескольких материалов на неорганической основе, таких как цементы на оксидной основе, огнеупорные материалы, оксиды алюминия и аналогичные. Многослойные огнестойкие системы необязательно могут содержать промежуточный слой, размещенный между одним или несколькими внешними слоями и одним или несколькими каркасными слоями. Каркасный слой может представлять собой подложку, которую необходимо защитить, такую как металл с низкой температурой плавления или горючий материал, такой как древесина или другой органический материал. Альтернативно, в эстетических областях использования эстетический наружный материал, такой как древесина или поверхность древесного шпона, поверхность пластика и т.д., например, в противопожарной двери, может содержать промежуточный(е) или каркасный(е) слой(и), например, изолирующий слой, слой силиката щелочного металла, для препятствования или предотвращения проникновения пламени или тепла.

Различные вышеуказанные комбинации слоев для получения различных типов слоистых материалов можно отнести к гибридным слоистым материалам или гибридным системам, которые можно изготовить соединением, посредством ламинирования и т.д., огнестойкого неорганического тонкого слоя или слоистого материала с органическим композиционным каркасом. Огнестойкий композиционный материал функционирует в качестве противопожарной преграды, кислородного барьера и в меньшей степени изоляции. В отличие от типичной пассивной изоляции огнестойкий композиционный материал функционирует не только как изоляция, которая предотвращает термическое разложение органической смолы. Вместо этого огнестойкая неорганическая смола действует как барьер для пламени и кислорода.

Множество систем или многослойных композитов можно изготовить, используя, в любом порядке, один или несколько слоев, включающих неорганическую полимерную матрицу, полученную из силиката щелочного металла, например, взаимодействием с несиликатным структурообразующим веществом и реакционноспособным стеклом, водой и необязательно одним или несколькими вторичными модификаторами структуры, и, по меньшей мере, один слой из любого из нижеследующих слоев: изолирующего слоя, слоя вспучивающегося материала, вспененного слоя, отражающего слоя, армирующего слоя или гофрированного слоя; причем, предпочтительно, один или несколько вышеуказанных слоев внутри содержат армирующий материал, например, как правило, волокно и т.д. Количество слоев огнестойких слоистых материалов или систем по настоящему изобретению может сильно различаться, например, как правило, примерно от 2 до 10 слоев, и типично или предпочтительно примерно от 2 до 3, или примерно до 4 или примерно до 5 слоев или примерно до 7 слоев.

Смолы силикатов щелочных металлов или их композиционные материалы, например, содержащие армирующие материалы, можно использовать многообразными способами при создании систем, целью которых является увеличение огнестойкости или создание противопожарной преграды, способной предотвратить проникновение пламени, проникновение кислорода, создать термическую изоляцию (порядок величины менее чем у стали) и сохранить прочность в течение и после воздействия огня (уровень сохранения зависит от температуры пламени и времени). Например, слой смолы силиката щелочного металла толщиной от 0,020 дюйма до более толстых конструкционных слоистых материалов можно использовать в качестве противопожарного барьера поверх органических композиционных материалов или древесины для улучшения огнестойкости систем. Данные свойства можно дополнительно оптимизировать для более ответственных сценариев защиты с введением высокотемпературной изоляции, которая принимает различные формы. Комбинация слоя смолы силикатов щелочных металлов или ее композиционных материалов и изоляции направлена на преодоление различных недостатков высокотемпературных изолирующих материалов, используемых по отдельности. Тонкий не конструкционный слой (0,020") может улучшить срок службы, снизить теплоперенос и действовать в качестве непроницаемого для кислорода барьера. Далее данные системы можно использовать в качестве пассивной противопожарной защиты для таких подложек, как древесина, сталь или композиционные материалы. Можно сконструировать повторяющиеся слои смолы силиката щелочного металла или ее композиционного материала и изоляции, чтобы добиться лучшего функционирования противопожарной системы не только с точки зрения огнестойкости, но и физических, механических и термических свойств, которые являются важными характеристиками для большинства разработок противопожарных систем. Введение отражающих поверхностей на внутренний или внешний слой смолы силиката щелочного металла или ее композиционного материала будет дополнительно улучшать характеристики системы, снижая излучательную теплопроводность. Использование более толстого слоя смолы силиката щелочного металла или композиционных материалов, который способен поддерживать конструкцию один или с жестким каркасом из негорючего изоляционного материала, может позволить ему функционировать в качестве несущей нагрузку конструкции, которая является полностью негорючей. Жесткие негорючие изоляционные материалы, способные выполнять функцию каркаса в строительной конструкция типа "сандвич", не являются широко распространенными, причем изолирующие материалы с лучшими характеристиками являются дорогими и трудными для использования. Различные вспененные материалы предлагают хороший изолирующий каркас, способный к хорошей адгезии с облицовочными листами из смолы силиката щелочного металла и обладающий хорошими эксплуатационными характеристиками.

Противопожарные системы разрабатывают на основе противопожарных требований, предоставленных внешних границ для системы, механических требований, физических требований и в зависимости от рынка, стоимости. Некоторые противопожарные преграды могут представлять собой просто слой смолы силиката щелочного металла или ее композиционного материала толщиной 0,020 дюйма для предотвращения проникновения пламени (слой смолы силиката щелочного металла/углеродный слоистый материал - 2 слоя, используемые для противопожарной защиты гондолы). Другие системы могут состоять из множества слоев, предназначенных для изоляции, предотвращения проникновения пламени и поддержания низкой температуры с холодной стороны в течение продолжительного времени (VSV материал), т.е. слой смолы силиката щелочного металла, имеющий армирующую металлическую сетку и внешние слои из стекловолокна, используют в качестве слоя покрытия поверх керамического бланкета для снижения теплопереноса и придания системе большей долговечности. Кроме того, VSV многослойную систему в каркасах противопожарных дверей можно использовать для создания оболочки, в пределах которой будет расширяться вспучивающийся материал, для уменьшения теплопереноса и для придания прочности, чтобы выдержать испытание потоком из пожарного шланга. Противопожарная преграда функционирует по различным механизмам: устраняя проникновение пламени, предотвращая проникновение кислорода из-за сгорания нижележащего горючего материала и уменьшая тепло, необходимое для горения. Противопожарные системы могут стать очень сложными исходя из теплопереноса, сгорания материалов, сохранения прочности в течение и после воздействия огня, материала, физических и термических свойств системы в условиях окружающей среды.

Слой смолы силиката щелочного металла или композиционный материал на его основе применим в противопожарных преградах либо один, либо в виде части системы, включающей изолирующие и/или отражающие поверхности. В 90-минутной деревянной противопожарной двери используют VSV систему (т.е. многослойную систему вуаль/сетка/вуаль) в комбинации со вспучивающимся материалом для защиты деревянной холодной стороны панели в течение 90 минут воздействия огня по ASTM E-119 и затем чтобы выдержать испытание потоком из пожарного шланга. Противопожарный барьер каркаса двери имеет толщину лишь 5/8" перед воздействием, представляя собой наиболее тонкий 90-минутный противопожарный каркас, имеющийся в настоящее время на рынке. Другая противопожарная система, представляющая намного более простую систему, является 2-слойным композиционным материалом смола щелочного металла/углеродный армирующий компонент, используемым в качестве противопожарной защиты в гондолах реактивных двигателей для предотвращения проникновения пламени. Для данной области применения, кроме противопожарных свойств, также необходима вибрационная устойчивость и химическая стойкость.

Уникальность композиционных материалов из смолы силиката щелочного металла состоит в материалах, негорючести, низкой теплопроводности, высокотемпературных свойствах, низкой температуре обработки и низкой стоимости. В сочетании данные свойства предоставляют уникальный материал, который можно использовать в различных областях. Конкурентоспособные материалы существуют, но не имеют всю совокупность свойств, предлагаемую композиционными материалами из смолы силиката щелочного металла.

Слоистые материалы или многослойные противопожарные системы, содержащие, по меньшей мере, один слой, изготовленный из огнестойких неорганических смол по настоящему изобретению, можно использовать для защиты подложек на органической основе, продуктов из слоистых материалов и т.д. от воздействия огня в течение заданного интервала времени. Системы на основе неорганической смолы являются уникальными в том, что они не полагаются на изолирование органического слоистого материала от воздействия тепла. Вместо этого смола функционирует в качестве барьера для пламени/кислорода, адресуясь к различным углам пожарного треугольника. Действуя в качестве барьера для пламени/кислорода, данные огнестойкие неорганические слои предотвращают не разложение органического материала, а только его сгорание. Таким образом, можно использовать гибридный слоистый материал для улучшения эксплуатационных характеристик органического слоистого материала до тех пор, пока уделяется внимание методу, которым изолируют материал каркаса.

В то время как различные выгодные черты и варианты конечного использования изложены в дальнейшем, важные многослойные, огнестойкие системы включают композиционные материалы смол силикатов щелочных металлов сами по себе, системы VSV и противопожарные двери. Композиционный материал сам по себе используют почти во всех областях, и он включает модифицированные неорганические полимерные матрицы, изготовленные из силиката щелочного металла, одного или нескольких несиликатных структурообразующих веществ и/или реакционноспособного стекла и, необязательно, одного или нескольких вторичных связывающих структуру звеньев, причем все данные компоненты обычно называют смолой силиката щелочного металла. Важный аспект состоит в том, что смола содержит армирующий компонент, как правило, в форме армирующих волокон, например, углеродных волокон. Чтобы добиться соответствующей толщины и конструктивной целостности, можно использовать два таких слоя композиционного материала из смолы силиката щелочного металла, и они могут просто располагаться один на другом, быть объединены вместе или приклеены друг к другу или присоединены любым способом.

VSV система, как правило, содержит металлический армирующий элемент, такой как сетка, перфорированный лист и т.д., и его используют и встраивают внутрь смолы силиката щелочного металла с получением композиционного материала. На любой стороне одного или нескольких слоев данного композиционного материала используют тонкий изолирующий слой из стекловолокна. Данная многослойная система находит использование в отдельных областях, например, во внутренних частях корпуса корабля.

В варианте осуществления противопожарной двери обычно используют композиционный материал из смолы силиката щелочного металла, содержащий волокна, с вспучивающимся слоем, как правило, на его обеих сторонах, причем все данные компоненты размещены внутри деревянной панели и т.д., формируя деревянную противопожарную дверь. В зависимости от искомой степени защиты можно использовать дополнительные слои композиционного материала из неорганической смолы силиката щелочного металла и вспучивающийся слой.

Различные слоистые материалы или многослойные системы по настоящему изобретению можно использовать в различных областях, таких как усиленные шахты для ракет, корабельные палубы, защита от струй выходящего газа реактивного двигателя и теплозащитные экраны авианосцев, противопожарные преграды, фильтры горячих газов, защитные покрытия, электрические панели и распределительные шкафы (с электромагнитным экранированием или без него), кожухи двигателей, или в любых областях, в которых преимущественно требуется защита от ущерба от пламени и теплопередачи, коррозионная стойкость, снижение себестоимости жизненного цикла и уменьшение массы. Кроме того, данную технологию можно применить для усиления изолирующих вставок для авиатормоза. Данный изоляционный материал внутри каждого поршня термически изолирует фрикционную головку от гидравлической системы. По сравнению с традиционными смолами, некоторые из которых разлагаются ниже 450°C, матричное связующее по настоящему изобретению имеет намного более высокую термическую стабильность (до температуры выше 1000°C), и в противоположность металлам композиционный материал по настоящему изобретению имеет превосходные изоляционные характеристики. Это защищает гидравлическую систему и может снизить массу и/или связанную с ней стоимость. По сравнению с керамикой композиционный материал по настоящему изобретению является более жестким из-за присутствия армирующих волокон, но менее дорогим по сравнению с композиционными материалами с керамической матрицей из-за используемых материалов и процессов.

Барьерные системы по настоящему изобретению также можно использовать в тех областях, где желательной является хорошая термическая и физическая стабильность, например, в областях, в которых используют керамические композиционные материалы. Данные области будут включать применение в аэрокосмической, морской областях, в области грузоперевозок, строительстве и архитектуре, в диапазоне от простых применений, требующих огнестойкости и/или термостойкости, до более сложных огнестойких применений, включающих высокотемпературную и долговременную защиту, тепловую и противопожарную защиту для трубопроводов, кабельных коробок, линий электропередачи, газопроводов и нефтепроводов, противопожарную и тепловую защиту конструкционных стальных колонн, балок и балочных ферм, переборок и других поверхностей для лодок, кораблей, самолетов, автобусов, фуникулеров, трамваев и аналогичного. Таким образом, можно добиться противопожарной защиты в течение 60 или 90 минут или более при температуре до 1700°F, и это можно сделать при относительно небольших массах конструкций.

В соответствии с концепциями настоящего изобретения таблица 1 служит в качестве иллюстрации различных типов барьерных систем, которые можно использовать по настоящему изобретению.

Следующая ниже таблица 1 представлена в виде иллюстрации областей использования настоящего изобретения, но их не следует рассматривать в качестве исчерпывающих или ограничивающих применение изобретения:

Таблица 1
Пример	Применение	Структура(Композционный материал = композит, представляющий собой армированную неорганическую смолу)	Неорганические слоистые материалы	Комментарии
A	противопожарная стена или преграда малого веса	Неорганический композит	Углеродное волокно/смола силиката щелочного металла	Толщина может находиться в диапазоне от 1 слоя до множества слоев
B	термический/противопожарный барьер - легкий вес, низкая стоимость	Неорганический композит/изолирующий материал/композит	Углеродное волокно или стекловолокно/смола силиката щелочного металла	Каркас может представлять собой изолирующие материалы, включая сотовую структуру
C	термический/противопожарный барьер, конструкция двери отвечает 90-минутному тесту	Древесина/неорганический композит/вспучивающийся мат/неорганический композит/вспучивающийся мат/неорганический композит/древесина	Волокно из нержавеющей стали/смола силиката щелочного металла	Слои могут быть оптимизированы с точки зрения эксплуатационных качеств
D	термический/противопожарный барьер для областей использования на море	Вспучивающееся покрытие/неорганический композит/8 фунт. минеральный бланкет/конструкция переборки	Стекловолокно или волокно из нержавеющей стали/смола силиката щелочного металла	Обеспечивает противопожарную и термическую преграду
E	противопожарная преграда, включающая воздушные полости	гофрированный неорганический композит	Волокно/смола силиката щелочного металла	Композит формуют в виде гофрированного материала
F	органический композит, имеющий улучшенную огнестойкость	Неорганический композит/органический композит/неорганический композит	Волокно/смола силиката щелочного металла	Добавляет огнестойкость и улучшенную прочность органическому композиту
G	материал с высокой термо- и огнестойкостью	Неорганический композит/неорганическая пена/неорганический композит	Волокно/смола силиката щелочного металла	Вспененный материал может представлять собой стеклянную, углеродную и аналогичную огнестойкую вспененную систему
H	высокопрочная противопожарная преграда	Неорганический композит/минеральный каркас/неорганический композит	Композит из волокна из нержавеющей стали/смолы силиката щелочного металла	Минеральный каркас представляет собой известный огнестойкий каркас, а композит улучшает противопожарные характеристики

Другие примеры подходящих слоистых материалов или систем включают примеры 1-8 таблицы 2, где материал типа ″композиционного материала" представляет собой неорганический полимерный композиционный материал, содержащий смолу силиката щелочного металла и армирующий материал.

Таблица 2
Пр.	Слой	Материал	Тип материала	Преимущество	Комментарии
1	1	FR/C	Композит	противопожарная стена или преграда малого веса;	Толщина может находиться в диапазоне от 1 слоя до множества слоев
2	1	FR/C(или G)	Композит	термический/противопожарный барьер	Каркас может представлять собой любой изолирующий материал, включая сотовую структуру
	2	Balsa	Изоляция (древесина)	легкий вес, низкая стоимость
	3	FR/C(или G)	Композит
3	1	MDF	Древесина	термический/противопожарный барьер	Слои FR/SS и Palusol можно оптимизировать для получения любых эксплуатационных характеристик
	2	FR/SS	Композит	каркас
	3	Palusol	Вспучивающийся мат	тонкая 90 минутная дверь
	4	FR/SS	Композит	каркас
	5	Palusol	Вспучивающийся мат		Вспучивающиеся маты могут быть любого типа
	6	FR/SS	Композит
	7	MDF	Древесина
4	1	Покрытие	Вспучивающееся покрытие	термический/противопожарный барьер	Система оценивается для военно-морского флота США
	2	FR/G (или SS)	Композит	превосходные эксплуатационные характеристики
	3	Бланкет	8 фунт. минеральный бланкет	в два раза больше бланкета
	4	Сталь	Структура переборки
5	1	FR/любой	Гофрированный материал	Воздушные полости улучшают термические характеристики	Работает любой метод создания воздушных полостей - можно легко оптимизировать
6	1	FR/любой	Композит	FyreRoc - противопожарная преграда	Композит FyreRock улучшает прочность и огнестойкость органического слоистого материала
	2	RP	Органический композит	Улучшение огнестойкости любого органического композита
	3	FR/любой	Композит
7	1	FR/любой	Композит	Высокий уровень термической изоляции и огнестойкости	Вспененные материалы могут быть стеклянными, углеродными и т.д. При надлежащем вспененном материале может представлять собой противопожарную систему
	2	Пена	Неорганическая пена	Изолирующие качества и огнестойкость
	3	FR/любой	Композит	Эксплуатационные качества
8	1	FR/SS	Композит	Улучшенная прочность после действия огня на минеральный каркас	Минеральный каркас представляет собой известный минеральный каркас - FR/SS улучшает присущую непрочность
	2	Мин. каркас	Минеральный каркас
	3	FR/SS	Композит

Коды материалов

FR =	Неорганическая полимерная матрица, полученная из силиката щелочного металла
C =	Углеродное волокно
G =	Стекло
Любой =	Любое волокно
SS =	Волокно из нержавеющей стали
MDS	Древесина средней плотности
RP =	Армированная пластмасса

Таблицы 1 и 2 демонстрируют, что могут существовать многие различающиеся типы слоистых материалов или структур, состоящие, по меньшей мере, из одного слоя неорганического полимера, включающего материал силиката щелочного металла, и из других слоев, например, по меньшей мере, одного изолирующего слоя, вспучивающегося слоя, вспененного слоя, гофрированного слоя, слоя армирующего материала и аналогичного.

Полученные в результате композиционные материалы показывают стабильность размеров до температуры примерно 900°C и выше в зависимости от конечной рецептуры и выбранной обработки и обладают превосходными свойствами относительно пламени, дыма и токсичности. Композиционный материал, изготовленный с использованием композиции неорганической смолы по настоящему изобретению, обладает легким весом и хорошими теплоизоляционными характеристиками. Различные формы являются относительно недорогими для изготовления прежде всего вследствие низких температур и давлений, требуемых для осуществления отверждения композиционного материала.

Композиции неорганических смол применимы в качестве огнестойких связующих, материалов для объемного формования, композиций для листового формования, клеев, покрытий, композиций чистых смол, ячеистых материалов, таких как вспененные композиции, или огнестойких композиционных материалов. В качестве композиционных материалов композицию неорганической смолы можно сформировать в объекты определенной формы после отверждения. Альтернативно в качестве композиционного материала композицию используют для пропитки ткани, которую можно соединить с другими аналогично пропитанными тканями с получением пакета листов, который, в свою очередь, затем формуют и отверждают, получая формованный композиционный материал или предмет, аналогично материалу в объеме, но с преимуществом армирования, которое предоставляется тканью. Композиции по настоящему изобретению применимы в тех областях использования, где желательны хорошая термостойкость и физическая стойкость, например в тех областях применения, для которых применяют керамические композиционные материалы.

При использовании ненаправленного волокна новые огнестойкие неорганические смолы имеют механические свойства, сравнимые с композиционными материалами на основе органических смол. Тканеволоконные композиционные материалы, использующие систему на основе смолы, являются несколько более проблематичными из-за трудности проникновения в жгуты волокна. Однако FST характеристики неорганических систем со структурным компонентом на органической основе, как полагают, обеспечивают некоторое смягчение.

Термические свойства, состоящие из теплопроводности, теплового расширения и удельной теплоемкости, оценивали для огнестойких композиционных материалов из неорганических смол, армированных стеклом, нержавеющей сталью и углеродом. Термические характеристики, оцененные данными методами, показали согласующиеся эксплуатационные параметры для новых огнезащитных неорганических композиционных материалов при температурах от комнатной до 800°C, что неосуществимо в случае систем на основе органических смол.

Композиционные материалы также можно ламинировать, используя стандартные методы ламинирования, такие как неорганическая высокотемпературная адгезия или высокопрочная органическая адгезия в зависимости от требуемых свойств системы. Кроме того, гибридные композиционные материалы можно изготовить присоединением, посредством ламинирования, огнестойкого неорганического композиционного материала или слоистого материала к каркасу органического слоистого материала или композиционного материала. Огнестойкий композиционный материал или слоистый материал функционирует в качестве противопожарной преграды, непроницаемого для кислорода барьера и, в меньшей степени, изоляции. В отличие от пассивной изоляции огнестойкий композиционный материал не функционирует, главным образом, в качестве изоляции, которая предотвращает разложение органической смолы. Вместо этого огнестойкий композиционный материал на основе неорганической смолы действует в качестве барьера для пламени и кислорода. Кроме того, огнестойкий композиционный материал увеличивает прочность гибридного композиционного материала.

Композиционные материалы, изготовленные из огнестойких неорганических смол, можно использовать для защиты композитов и слоистых материалов на органической основе от воздействия огня в течение фиксированного интервала времени. Композиция неорганической смолы, используемая для создания композиционного материала, является уникальной в том, что она не полагается просто на изолирование органического композиционного материала от воздействия тепла. Вместо этого композиция неорганической смолы функционирует в качестве барьера для пламени/кислорода, адресуясь к различным углам в пожарном треугольнике. Действуя в качестве барьера для пламени/кислорода, данные огнестойкие неорганические слои предотвращают горение, но не разложение. Таким образом, можно использовать гибридный композиционный материал для улучшения эксплуатационных характеристик органического композиционного материала, пока внимание обращено к методу, которым изолирован материал каркаса.

Огнестойкий композиционный материал в одиночку или с материалами каркаса можно использовать, например, с деревянными панелями дли изготовления противопожарной двери. Противопожарный композиционный материал можно использовать в одиночку в качестве барьера или его можно сформовать с воздушными полостями, например, гофрированный материал, ячеистую структуру или полые сферы можно добавить к композиции неорганической смолы для увеличения огнестойких характеристик, улучшения изолирующих свойств или конструкционных характеристик без добавления материала каркаса. Более того, противопожарные композиционные материалы можно использовать с одиночными каркасами или многокаркасными конструкциями для улучшения разнообразия свойств. Огнестойкий композиционный материал можно накладывать на любую подложку или соединять с любой подложкой, огнестойкость которой необходимо улучшить, например, дополнительным ламинированием других подложек, которые не являются огнестойкими, для увеличения эксплуатационных характеристик общего композиционного материала. В структуру можно добавить дополнительную основу, такую как, например, проволочная сетка, металлические сита, стеклянные сетки и т.д., но не ограничиваясь этим. Изобретение можно применить к любой конструкции, которая служит в качестве противопожарной преграды, хотя его использование в противопожарных дверях служит примером преимущества. Поскольку неорганические огнестойкие композиционные материалы разрабатываются, чтобы дать возможность преградам, таким как двери, выдержать поток из шланга и сохранять каркасную защитную оболочку без запретов по массе, теперь каркас может соответствовать эксплуатационным свойствам, которые ранее были невозможны без неорганических противопожарных композиционных материалов. Масса противопожарного композиционного материала в сравнении с его прочностью является важной при изготовлении противопожарной преграды. Как было отмечено, более тонкие преграды, которые меньше весят, в то же время отвечающие 60- и 90-минутному пределу огнестойкости, будут предоставлять преграды для использования в большем количестве архитектурных областей.

Слоистые материалы или барьерные системы по настоящему изобретению протестировали относительно двух главных типов методов. Первый метод представляет собой испытание на воспламеняемость, которое используют для оценки части горючей компоненты пожарного треугольника для тестируемого материала. Испытание на воспламеняемость описано в различных протоколах стандартов ASTM (Американское общество по испытанию материалов), NFPA (Национальная ассоциация по противопожарной защите), IMO (Международная морская организация), ISO (Международная организация по стандартизации), UL (лаборатория по технике безопасности) и других для измерения времени до воспламенения, распространения пламени, выделения тепла и дыма. Данные тесты используют для характеристики материала на FST функционирование. Органические композиционные материалы, которые модифицируют с целью получения хорошей огнестойкости, обычно будут улучшать свою огнестойкость при ухудшении других свойств системы.

Второй метод подвергает материал воздействию примерного графика изменения температуры, которая действительно будет возникать при пожаре. При данном типе испытания материал подвергают воздействию кривой обжига в течение заданного времени, после чего материал оценивают, основываясь на том, как хорошо он выдержал воздействие. Обычно используют две общих кривые обжига: ASTM E-119 и UL-1709. ASTM E-119 предназначен следовать температурному профилю пожара в здании и используется при оценке большинства продуктов для строительства зданий. Кривая обжига ASTM E-119 предназначена для симулирования действительного пожара в здании, и ее используют с различными критериями разрушения для определения стойкости данной части в течение воздействия огня. Основываясь на данной толщине, деревянные части будут выдерживать сценарий воздействия огня Е-119 в течение 20 или более минут в определенных случаях. Для улучшения огнестойкости, например, дерево можно расположить между слоями огнестойкой изоляции или противопожарную преграду/изоляцию можно использовать между двумя слоями дерева. Периоды времени отмеряют после 30, 45, 60 и 90 минут воздействия на образец конкретной температуры поверхности. UL-1709 следует профилю температуры пламени топлива и используется для аэрокосмических и военных продуктов. В случае оценки двутавровой балки критерием разрушения будет полное разрушение конструкции.

Фиг.1 иллюстрирует пример слоистого материала, который можно изготовить по настоящему изобретению. Как показано, компоновка слоистого материала 1 может представлять собой, например, дверь или преграду. Слоистый материал 1 получают из слоя вспучивающегося материала 2, причем каждая сторона вспучивающегося слоя ламинирована слоями смолы силиката щелочного металла 3, и он имеет внешний слой 4, который может представлять собой дерево или другие материалы, необходимые для получения желаемого архитектурного внешнего вида. Далее, как показано на фиг.2, может быть добавлено дополнительное профилирование присоединением или приклеиванием формованной металлической лицевой стороны 5 и задней стороны 6 к внешнему слою 4 слоистого материала 1.

Фиг.3 и 4 иллюстрируют две обычные огнестойкие компоновки для улучшения огнестойкости дерева. Как показано на фиг.3, огнестойкий слоистый материал 7 ламинируют межу двумя деревянными деталями 8 и 9. На фиг.4 огнестойкие слоистые материалы 7 накладывают на поверхность деревянной детали 10.

Фиг.5 иллюстрирует гибридный слоистый материал 11, в котором органический композиционный каркас 12 присоединен к огнестойким слоистым материалам 13 или покрыт ими. Каркас 12 может представлять собой, например, эпоксидный или фенольный композиционный или слоистый материал, в то время как огнестойкие слоистые материалы 13 могут представлять собой, например, нетканый стекловолоконный мат, который пропитан смолой силиката щелочного металла. Мат может быть однослойным или слоистым материалом, содержащим более одного слоя, в зависимости от необходимых характеристик или желаемых конфигураций.

Фиг.6 и 7 иллюстрируют еще одну конфигурацию варианта осуществления концепции по настоящему изобретению, в которой конструкция, такая как двутавровая балка 15, имеет рукав из огнестойкого слоистого материала, например, из нетканого стекловолокнистого мата, пропитанного смолой силиката щелочного металла по настоящему изобретению, помещенный на балку и сформованный по профилю балки, для получения огнестойкой двутавровой балки 17, показанной на фиг.7.

Чтобы дополнительно понять изобретение, изготовили ряд композиционных слоистых структур и оценили их эксплуатационные характеристики в качестве огнестойких материалов. Каркасы изготовили из огнестойких неорганических смол, представляющих материал с двойной способностью функционировать как в качестве преграды для огня, так и конструкционного элемента после воздействия огня. Изолирующие характеристики новой каркасной системы намного лучше, чем у стали (теплопроводность 2,5 Британских тепловых единиц дюйм/час фут² F по сравнению с 325 Британских тепловых единиц дюйм/час фут² F). Чтобы быть достаточно изолирующим, отвечая протоколам испытаний холодной стороны E-119, к каркасным структурам добавляют вспучивающиеся материалы. Вспучивающийся материал, используемый в тестируемых панельных конструкциях, функционирует в качестве изолятора, а также теплоотвода. Материал расширяется в течение испытания на огнестойкость, приводя к тому, что температура на холодной стороне остается ниже температуры воспламенения дерева. Тогда слой дерева на холодной стороне может оставаться конструкционным, чтобы выдержать испытание потоком из пожарного шланга. Недостаток вспучивающегося материала заключается в том, что при увеличении продолжительности воздействия огня его эффективность в качестве изоляции уменьшается до момента, когда материал холодной стороны будет разрушаться. Тогда дерево на холодной стороне больше не будет выдерживать испытание потоком из пожарного шланга.

Оцененные огнестойкие слоистые материалы состоят из неорганической смолы (смола силиката щелочного металла), которой предварительно пропитаны маты из нержавеющей стали, подвергнутые прямому формованию от 27°C до 66°C. Маты состояли из двух слоев, на 0° и на 90° прошитые вместе в один слой. Пористость матов приводит примерно к 80 об.% смолы в конечном продукте. Полученный в результате слоистый материал имеет толщину 0,102 см и плотность 2,5 г/см³ (неорганический слоистый материал ″A″). Дополнительный огнестойкие слоистые материалы состояли из огнестойкой неорганической смолы, пропитанной в стекловолокно, что в результате приводило к толщине 0,064 см и плотности 1,90 г/см³ (неорганический слоистый материал ″B″), и огнестойкой неорганической смолы, пропитанной в мат из стекловолокна, что в результате приводило к толщине 0,089 см и плотности 2,3 г/см³ (неорганический слоистый материал ″C″).

Оцененные в данном исследовании системы, по существу, состояли из двух слоев дерева, посередине которых размещался противопожарный барьер. Протестированные противопожарные барьеры представляли собой как однокомпонентные системы, так и системы типа ″сэндвич″. Протестированные противопожарные барьеры были различными, чтобы оптимизировать противопожарные характеристики для общей системы. Различные конструкции имели различные уровни изоляции и противопожарности слоистых материалов, чтобы можно было оценить влияние данных двух переменных на характеристики системы. Использованный вспучивающийся материал имел толщину 0,318 см со степенью расширения от 4 до 1 в течение нагревания. Все образцы имели толщину примерно 4,45 см. Используемая в оценке древесина представляла собой древесноволокнистую плиту средней плотности (MDF), хотя также можно использовать древесноволокнистую плиту высокой плотности (HDF). Толщина древесины находилась в диапазоне от 3/4 дюйма в толстом сечении до 1/4 дюйма в тонком сечении, где дверь была подвергнута механической обработке для придания стиля. Общая толщина двери составляла 3/4 дюйма, причем каркас позволял один дюйм механически обрабатывать по 1/2 дюйма на сторону. Толщина каркаса 90-минутной двери составляла примерно 1/4 дюйма. Оцененные образцы представляли собой следующее:

Первая загрузка печи состояла из:

I. деревянной панели, используемой в качестве контрольного образца,

II. образца типа ″сэндвич″, представляющего собой слой дерева/огнестойкий слоистый материал ″A″/слой дерева,

III. образца типа ″сэндвич″, представляющего собой слой дерева/ вспучивающийся слой/слой дерева и

IV. образца типа ″сэндвич″, представляющего собой слой дерева/огнестойкий слоистый материал ″A″/вспучивающийся слой/огнестойкий слоистый материал ″A″/слой дерева.

Вторая загрузка печи состояла из:

V. образца, представляющего собой слой дерева/огнестойкий слоистый материал ″A″/вспучивающийся слой/огнестойкий слоистый материал ″A″/слой дерева,

VI. образца, представляющего собой слой дерева/огнестойкий слоистый материал ″B″/вспучивающийся слой/огнестойкий слоистый материал ″B″/слой дерева,

VII. образца типа ″сэндвич″, представляющего собой слой дерева/огнестойкий слоистый материал ″C″/вспучивающийся слой/огнестойкий слоистый материал ″C″/вспучивающийся слой/огнестойкий слоистый материал ″C″/слой дерева.

Испытание на огнестойкость осуществили в Southwest Research Institute на тестируемых панелях 61 см × 61 см. При использовании изначально идентифицированной кривой отжига Е-119 наблюдали, что излучаемое горящей древесиной тепло было в избытке от исходной кривой. Для того чтобы собрать данные, более годные для употребления, температуру сравнивали с кривой UL-1709, которая более близко соответствует наблюдаемому поведению (фиг.8). В случае данного исследования использовали температуру поверхности 232°C.

Для регулирования внутренней температуры и температуры холодной стороны во множестве точек на тестируемой панели использовали термопары. Испытание проводили на четырех панелях на компанию печи. Процедуру испытания проводили, пока каждая панель в испытании не разрушится. Разрушение панели происходит в момент времени, когда пламя проникает через образец. Результаты суммируются на фиг.9 и 10.

В течение первого испытания в печи наблюдали, что образец древесины без каркаса разрушается за 25:45 минут. Древесина с каркасом из огнестойкого слоистого материала разрушается за 29:00 минут, вспучивающийся каркас разрушается за 32:45 минут и материал типа ″сэндвич″ из огнестойкого слоистого материала/вспучивающегося материала/огнестойкого слоистого материала разрушается за 39:00 минут.

Огнестойкий неорганический каркас функционирует в качестве барьера для пламени и пара в течение воздействия огня и в качестве конструкционного материала после тушения пожара. В качестве конструкционного компонента каркас позволяет древесине разрушаться в течение испытания на огнестойкость, но все еще выдерживать испытание потоком из противопожарного шланга. Огнестойкий неорганический каркас также удерживает вспучивающийся материал на месте в течение более поздних стадий воздействия огня и снижает скорость выделения паров воды в течение воздействия огня. Таким образом, синергические эффекты каркаса со структурой типа ″сэндвич″ из вспучивающегося и огнестойкого неорганического слоистого материала придают значительное преимущество по сравнению с любым из этих материалов, взятых по отдельности. Более того, вспучивающийся материал расширяется между ограничивающими слоями неорганического слоистого материала, а не расширяется изотропно, как происходило бы в случае с неограниченным вспучивающимся листом.

Использование огнестойких неорганических каркасов вместе с изолирующим материалом отвечает протоколам испытания Е-119 продолжительностью до 90 минут в областях использования, требующих сохранение прочности после воздействия пламени. Результаты для образцов, наблюдаемые во втором испытании в печи, демонстрируют эксплуатационные характеристики каркаса из неорганической смолы/стекловолокна по сравнению с каркасом из неорганической смолы/волокна из нержавеющей стали. Испытание демонстрирует, что слоистый материал из стекловолокна разрушается примерно на 12 минут раньше, чем слоистый материал, содержащий сетку из нержавеющей стали. Считается, что низкие термические свойства стекловолокна/огнестойкого слоистого материала и потеря прочности с увеличением температуры по сравнению с образцами, армированными нержавеющей сталью, являются причинами для различия в эксплуатационных характеристиках. Образец с тремя слоями огнестойкого слоистого материала и двумя слоями вспучивающегося материала улучшает время до разрушения на 50 минут по сравнению с огнестойким слоистым материалом/вспучивающимся материалом/огнестойким слоистым материалом. Данные показывают, что огнестойкий слоистый материал толщиной 0,040" может улучшить время до разрушения для горючего материала древесины. Изолирование древесины не отвечает за улучшение эксплуатационных характеристик. Вместо этого полагают, что причиной данных результатов является слоистый материал, действующий в качестве барьера для кислорода и замедляющий горение. Комбинация огнестойкого слоистого материала/вспучивающегося материала/огнестойкого слоистого материала в каркасе дает результат, который можно ожидать из данных, получаемых на одном огнестойком слоистом материале и одном вспучивающемся материале. Считается, что улучшение, видимое в течение использования вспучивающегося каркаса, является функцией его способности изолировать древесину. Таким образом, комбинации огнестойкого слоистого материала и вспучивающегося материала функционирует так, как ожидается. Дополнительные 20 минут до разрушения образца показывают синергический эффект от присутствия повторяющихся вспучивающихся и огнестойких слоев в каркасе.

Каркас, состоящий из повторяющихся слоев огнестойкого слоистого материала в комбинации с повторяющимися слоями вспучивающегося материала, с толщиной 0,953 см, включенный в обработанную панель из древесины толщиной 4,45 см, может отвечать 90-минутному тесту ASTM E-119. Огнестойкие слоистые материалы, изготовленные из огнестойких неорганических смол, являются уникальными, поскольку они функционируют в качестве барьера для пламени/кислорода, адресуясь к различным углам пожарного треугольника. Действуя в качестве барьера для пламени/кислорода, данные огнестойкие неорганические слои предотвращают не разрушение органического материала, а только его возгорание. Поскольку изолирование ″холодной стороны" деревянных панелей от воздействия тепла является важным при получении предела огнестойкости по ASTM E-119, функциональность изолирования увеличивают посредством использования вспучивающегося слоя. Кроме того, вспучивающийся материал расширяется между ограничивающими слоями неорганического слоистого материала, а не изотропно, как было бы в случае с неограниченным вспучивающимся листом.

В качестве дополнительного примера оценивали гибридный композиционный слоистый материал. Использованные материалы состоят из органических композитных структур, поставляемых корпорацией Electric Boat (EBC), и неорганических композиционных материалов, поставляемых корпорацией Goodrich. Неорганический полимерный композиционный материал был разработан, чтобы отвечать MIL-STD-2031 в областях термического регулирования. Гибридный слоистый материал плоской панели состоит из композиционного материала на основе органической смолы, расположенного между двумя слоями композиционного материала на основе неорганической смолы. Испытание на воспламеняемость на эпоксидной композитной системе проводили, используя огнестойкие неорганические слоистые материалы, имеющие различную толщину, как будет обсуждено в дальнейшем.

Кроме гибридных структур в виде плоской панели были созданы и оценены гибридные образцы в виде двутавровой балки, чтобы приблизиться к функционированию действительного каркаса, который можно использовать на подводной лодке. Двутавровые гибридные образцы получали, отверждая композиционный материал на основе неорганической смолы на обработанной абразивом поверхности двутавровой балки из композиционного материала на основе органической смолы, представляющего собой эпоксидный или фенольный композиционный материал. Обе двутавровые балки из композиционного материала на основе органической смолы изготовляли, используя пултрузию с армированием переплетенным волокном. Неорганический композиционный материал изготовляли пропиткой носка из углеродного волокна для его расположения поверх балки. Носок представляет собой простроченную ткань, которую можно пропитать и затем надеть на двутавровую балку, чтобы закрыть поверхность двутавровой балки. Толщина огнестойкого неорганического слоистого материала составляла примерно 0,07 см. В двутавровую балку были вставлены усилители, чтобы обеспечить соответствующее давление на внутреннюю поверхность двутавровой балки в течение отверждения. Гибридная композиционная балка затем была сформована вакуумным мешком и отверждена в автоклаве.

Первый ряд оцененных гибридных образцов состоял из неорганических слоистых материалов в виде плоской панели с различной толщиной, и они были оценены на способность защищать эпоксидные или фенольные композиционные слоистые материалы, такие как материалы, показанные на фиг.5. Типы армирования, используемые в данной оценке, представляли собой как стекловолокно, так и углеродное волокно, пропитанное неорганической смолой. В тесте оценивали влияние толщины и типа армирования на противопожарные свойства. Выбранный протокол испытаний представлял собой конусную калориметрию, ASTM 1354, который применим для определения времени до воспламенения, скоростей выделения тепла, пиковых скоростей выделения тепла и образования дыма. Данный тест проводят при измерениях теплового потока 75 и 100 кВт/м².

Испытание на воспламеняемость на гибридной композитной системе в виде плоской панели осуществляли при различных толщинах углерод/эпоксидного или стекло/эпоксидного композиционного материала, защищенного огнестойкой неорганической смолой. Все данные образцы имеют одну и ту же толщину горючего материала. Испытание на воспламеняемость фенольного композиционного материала проводили только с использованием 2-слойного композиционного слоистого материала, содержащего неорганическую смолу и стекловолокно. Как показано в таблицах 3 и 4, эксплуатационные характеристики во всех данных тестах были очень хорошими.

Таблица 3
Данные ASTM 1354 при тепловом потоке 75 кВт/м2
Система: Каркас из эпоксидного слоистого материала с облицовочными листами неорганического слоистого материала
Материал (конструкция неорганического слоистого материала)	Время до воспламенения (секунды)	Пиковая скорость выделения тепла (кВт/м2)	Средняя скорость выделения тепла (кВт/м2)	Общее выделение тепла (МДж/м2)
1-Слойный мат из углеродного волокна	117	271	151	57
2-Слойный мат из углеродного волокна	166	244	155	62
4-Слойный мат из углеродного волокна	221	203	123	56
8-Слойный мат из углеродного волокна	306	186	110	63
1-Слойный мат из стекловолокна	136	266	157	65
2-Слойный мат из стекловолокна	137	230	145	55
4-Слойный мат из стекловолокна	232	229	130	67
8-Слойный мат из стекловолокна	302	195	81	61
Чистый слоистый материал эпоксид/стекловолокно	28	328	201	60

Таблица 4
Данные ASTM 1354 при тепловом потоке 75 кВт/м2 и 100 кВт/м2
Система: Каркас из фенольного слоистого материала с 2 слоями углеродного неорганического слоистого материала
Материал (Тепловой поток)(кВт/м2)	Время до воспламенения (секунды)	Пиковая скорость выделения тепла (кВт/м2)	Средняя скорость выделения тепла (кВт/м2)	Общее выделение тепла (МДж/м2)
2-Слойный углеродный слоистый материал (75)	255,12	40,14	25,74	11,19
2-Слойный углеродный слоистый материал (100)	73,38	64,86	35	14,07
Фенольный композиционный слоистый материал (75)	163	64	48	N/A
Фенольный композиционный слоистый материал (100)	62	81	53	N/A

Второй протокол испытаний оценивал предел огнестойкости гибридного слоистого материала с использованием двутавровой балки. Балки включают эпоксидный или фенольный композиционный каркас, защищенный неорганической композиционной поверхностью (фиг.6 и 7). Точный протокол, используемый в данной испытании, получали для лучшей оценки влияния слоистого материала на стойкость гибридной балки. Используя кривую обжига Е-119 и протокол тестирования, аналогичный MIL-G-18015B, данный тест симулирует действительный сценарий воздействия огня под нагрузкой. В течение испытания на огнестойкость двутавровая балка проходила через печь, и 20 фунтовый вес свешивался с балки перпендикулярно длине балки. При протекании теста балка, в конце концов, прогорала, что приводило к ее разрушению.

Как видно из фиг.11, результаты теста показывают значительное увеличение в термостойкости и времени до разрушения конструкции для огнестойких неорганических армированных гибридных балок. Кроме того, наблюдалось, что нет никакого дыма в течение испытания двутавровой балки из огнестойкой смолы.

Характеристики огнестойкой смолы во всех данных тестах дали одни и те же результаты: негорючие свойства. Это обусловлено тем, что конструкция из смолы не действует в качестве источника горючего. Именно взаимодействие горючего каркаса, как части гибридного слоистого материала, с негорючими облицовочными листами обеспечивает полезные свойства. По большей части слоистые материалы в виде плоской панели и двутавровой балки работали так, как ожидалось.

Наблюдаемое поведение для гибридного слоистого материала начинается с теплопереноса через неорганический композиционный материал в горючий каркас. Это, в свою очередь, будет давать возможность протекать разрушению. Поскольку облицовочные листы не предназначены прежде всего являться изолирующими листами, органический слоистый материал может начать подвергаться воздействию разрушающей температуры за очень короткое время. Поэтому основная цель облицовочных листов слоистого материала состоит в предотвращении поступления кислорода к газам, образующимся вследствие разложения, посредством этого предотвращая возгорание. Таким путем огнестойкие неорганические листы исключают один важный параметр в пожарном треугольнике: кислород. Несмотря на перенос тепла через огнестойкий слоистый материал, неорганическая структура будет сохранять часть своей прочности после воздействия огня.

Теоретически надлежащее функционирование гибридного слоистого материала будет увеличивать время, требующееся для полного разрушения органического слоистого материала посредством исключения кислорода. Разложение все еще будет происходить; просто оно будет требовать большее время. Данные по выделению тепла для гибридного слоистого материала имеют более низкие пиковые скорости выделения тепла. Считается, что это происходит вследствие отсутствия необходимого для горения кислорода. Если теория считает, что огнестойкая неорганическая смола действует в качестве барьера для огня и кислорода, толщина огнестойкого слоистого материала должна иметь незначительное влияние на противопожарные характеристики. Интересно, что данные действительно показывают прямую корреляцию между толщиной облицовочного листа как в эпоксидных, так и фенольных слоистых гибридных материалах, и временем до воспламенения и скоростями выделения тепла. Повышение изолирующих свойств, являющееся результатом увеличения толщины слоистого материала, могло бы служить причиной для данной тенденции; однако это не кажется вероятным. Другим возможным объяснением мог бы являться эффект жесткости слоистого материала. Огнестойкий лист с большей толщиной будет давать возможность лучшего присоединения к органическому слоистому материалу, давая возможность непроницаемому для кислорода барьеру оставаться на месте в течение более длительного периода.

Для присоединения облицовочных листов ко всем гибридным слоистым материалам в виде плоских листов, изготовленным с эпоксидным каркасом, использовали высокотемпературный клей. Для гибридного слоистого материала с фенольным каркасом клей не используют, а вместо этого связывают с шероховатой поверхностью каркаса в течение отверждения неорганической смолы. Данные обоих указанных адгезивных методов следуют той же тенденции, показывая, что связывание оказывает незначительное влияние на эксплуатационные характеристики гибрида. Гибридные слоистые материалы, изготовленные с эпоксидным каркасом, показали увеличение времени до воспламенения, находящееся в диапазоне от увеличения в четыре раза для одного слоя до увеличения в десять раз для 8 слоев. Кроме того, облицовочные листы огнестойкой неорганической смолы, действуя в качестве барьера для кислорода, приводили к снижению пиковой скорости выделения тепла, а также и скорости при 5 минутах. Общее выделение тепла для всех тестированных образцов было примерно одним и тем же. Гибридные слоистые материалы с фенольным каркасом содержали облицовочные листы из 2 слоев углеродного волокна и давали сравнимые результаты с гибридным слоистым материалом с эпоксидным каркасом как по увеличению времени до воспламенения, так и по снижению скоростей выделения тепла.

Вторая фаза данной оценки состояла в определении эффекта защиты двутавровой балки, изготовленной из эпоксидной смолы/стекловолокна и фенольной смолы/стекловолокна, с помощью огнестойкого неорганического слоистого материала. Метод испытания, использованный в данной оценке, представлял собой действительный противопожарный тест в уменьшенном масштабе с использованием кривой отжига ASTM Е-119. Испытание сначала проводили на двутавровой балке эпоксидная смола/стекловолокно, которая разрушалась за 3 минуты на кривой отжига Е-119. Гибридная эпоксидная двутавровая балка разрушилась через 12,5 минут на кривой отжига Е-119 с 20-фунтовым весом, подвешенным на двутавровой балке. Фенольная двутавровая балка разрушилась через 9 минут по сравнению с 19 минутами для двутавровой балки, покрытой гибридным слоистым материалом. Теоретически слоистый материал должен предотвращать поступление кислорода для горения и, таким образом, он увеличивает время до разрушения для гибридной двутавровой балки. Улучшение во времени до разрушения для двутавровых балок с защитным слоем из огнестойкой неорганической смолы показывает, что тонкий слой толщиной 0,03 дюйма может дать существенное улучшение в противопожарных характеристиках. Аналогично режиму разрушения плоских панелей, двутавровые балки, в конечном итоге, разрушаются из-за разрушающего действия тепла.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения показаны на фиг.12. Как показано в верхней средней части фиг.12, смолу силиката щелочного металла можно армировать любым типом материала, например, стеклянным армирующим материалом или углеродным армирующим материалом или стальным армирующим материалом, для получения армированного композиционного материала силиката щелочного металла. Композиционный материал можно использовать в том виде, в котором он находится, получая противопожарный конструкционный компонент, или наложить на различные подложки, например на композиционный материал в форме органической смолы, древесину, сталь и т.д., получая конструкционный компонент. Альтернативно из композиционного материала силиката щелочного металла можно получить изолирующую систему, добавляя к нему различные типы изоляции, например, керамическую, минеральную и аналогичную. Альтернативно можно получить вспучивающуюся систему, добавляя отличающиеся различные типы вспучивающегося материала, например, силикат щелочного металла, расслаивающийся графит, вермикулит и т.д., к композиту силиката щелочного металла. Аналогичным образом к композиту силиката щелочного металла можно добавить отличающиеся различные типы неорганических вспененных материалов, таких как стекло и углерод, получая вспененные системы. Из данных систем, а также других систем, которые не показаны, можно получить различные типы конструкций, например структуру типа простой ″сэндвич″, структуру типа многослойный ″сэндвич" и т.д., получая из этого другие системы, которые затем накладывают на подложку, получая противопожарную конструкционную систему.

Подложка, подлежащая защите, как правило, может представлять собой любой тип материала, который часто является эстетически привлекательным, но, как правило, имеет низкую точку воспламенения или температуру воспламенения. Обычные подложки включают дерево, например многочисленные типы древесины лиственных пород, например, клена, дуба, ясеня и т.д., или мягкую древесину, например различные типы сосны и т.д., а также клееную фанеру, слоистую древесину и так далее. Другие подложки включают органические смолы, которые обычно охватывают многочисленные типы полимеров, таких как сложные полиэфиры, простые полиэфиры, полиолефины, поливинилхлорид, эпоксиды, найлоны, фенольные смолы и аналогичные. Другие подложки включают металлы с низкой температурой плавления, такие как алюминий, латунь, бронза и даже различные типы стали. Два или более композиционных материала на основе силиката щелочного металла могут располагаться по соседству друг с другом или быть разделены другим слоем и аналогичным образом.

Как можно понять из настоящего изобретения, огнестойкие и/или противопожарные слоистые материалы или композиционные материалы можно изготовить в различных формах из различных материалов. Огнестойкие смолы на основе силиката щелочного металла по настоящему изобретению являются достаточно гибкими, чтобы их можно было бы использовать в различных формах, независимо от того, являются они конструкционными предметами или комбинациями, которые обеспечивают улучшенную пожаробезопасность в сочетании с эстетичным видом посредством использования, например, древесно-слоистого пластика.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения различные многослойные противопожарные системы, описанные выше, могут быть закреплены вместе с помощью, по меньшей мере, одного крепежного средства и аналогичного. Типичное крепежное средство включает болт, скобу, заклепку, проволоку, клей, магнит, торцевой паз, винт, гвоздь или их комбинацию.

Предшествующие варианты осуществления настоящего изобретения были представлены с целью иллюстрации и описания. Данные варианты описания и осуществления на практике не имеют намерения являться исчерпывающими или ограничивать изобретение до описанной точной формы и очевидно, что возможны многочисленные модификации и изменения в свете вышеприведенного описания. Данные варианты осуществления были выбраны, чтобы лучше объяснить принципы изобретения и его практическое использование, чтобы тем самым дать возможность специалистам в данной области лучше использовать изобретение в его различных вариантах осуществления и с различными модификациями, которые подходят для конкретного предполагаемого применения. Подразумевается, что данное изобретение определяется следующей ниже формулой изобретения.

В то время как в соответствии с патентным законом были сформулированы лучший режим и предпочтительные варианты осуществления, объем изобретения ограничивается не этим, а объемом прилагаемой формулы изобретения.

1. Многослойная барьерная система, включающая:

по меньшей мере, один слой композиции неорганической смолы, содержащей продукт взаимодействия силиката щелочного металла и/или предшественников силиката щелочного металла, реакционноспособного кислотного стекла, воды, необязательно одного или нескольких кислотных оксоанионных соединений и, необязательно, глинистого и/или оксидного наполнителя; и

по меньшей мере, один слой дополнительного материала, включающего изолирующий материал, вспучивающийся материал, вспененный материал, отражающий материал, гофрированный материал, причем любой из вышеуказанных материалов содержит газовый объем, или любую их комбинацию.

2. Многослойная барьерная система по п.1, где указанная композиция неорганической смолы включает неглинистые материалы наполнителя, включающие армирующие волокна, сферы или частицы, и где указанные сферы включают микросферы, макросферы или полые сферы, и сферы включают стекло, керамику, металл, минеральные, органические или неорганические материалы.

3. Многослойная барьерная система по п.2, где указанная композиция неорганической смолы содержит армирующее волокно, включающее никелевое волокно, стекловолокно, углеродное волокно, графитовое волокно, минеральное волокно, оксидированное углеродное волокно, оксидированное графитовое волокно, оксидированное полиакрилонитрильное волокно, стальное волокно, металлическое волокно, покрытое металлом углеродное волокно, покрытое металлом стекловолокно, покрытое металлом графитовое волокно, покрытое металлом керамическое волокно, покрытое никелем графитовое волокно, покрытое никелем углеродное волокно, покрытое никелем стекловолокно, кварцевое волокно, керамическое волокно, волокно из карбида кремния, волокно из нержавеющей стали, титановое волокно, волокно из никелевого сплава, покрытое латунью стальное волокно, полимерное волокно, покрытое полимером углеродное волокно, покрытое полимером графитовое волокно, покрытое полимером стекловолокно, покрытое керамикой углеродное волокно, покрытое керамикой графитовое волокно, покрытое керамикой стекловолокно, арамидное волокно, базальтовое волокно, устойчивое к действию щелочи стекловолокно, Е-стекловолокно, S-стекловолокно, базальтовое волокно, полиэтиленовое волокно, SiC волокно или BN волокно или их комбинации.

4. Многослойная барьерная система по п.3, где указанные армирующие волокна включают графитовое волокно, Е-стекловолокно, S-стекловолокно, базальтовое волокно, волокно из нержавеющей стали, титановое волокно, волокно из никелевого сплава, арамидное волокно, оксидированное полиакрилонитрильное волокно, полиэтиленовое волокно, SiC волокно или BN волокно или их комбинации.

5. Многослойная барьерная система по п.1, где указанный силикат щелочного металла включает раствор силиката калия, раствор силиката натрия, кристаллический силикат натрия, кристаллический силикат калия, аморфный силикат натрия или аморфный силикат калия, или их смеси, причем указанное реакционноспособное кислотное стекло включает соединение формулы

где Σr_k=1

k=1

где n представляет число желаемых компонентов стекла,

М представляет по меньшей мере, один стеклообразующий компонент, такой как бор, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, сурьма, алюминий, ванадий, и, по меньшей мере, один модификатор стекла, который работает как флюс, такой как литий, натрий, калий, рубидий и цезий, и, необязательно, дополнительные модификаторы структуры, такие как ванадий, алюминий, олово, титан, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, ртуть, цинк, тулий, свинец, цирконий, лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, актиний, торий, уран, иттрий, галлий, магний, кальций, стронций, барий, олово, висмут и кадмий,

Е представляет кислород, халькогениды и/или галогены, такие как сера, селен, теллур и фтор,

р представляет валентность катиона М, например 5 для фосфора, которая обычно изображается как Р5⁺ или P(V),

q представляет валентность аниона Е, например 2 для кислорода, которая обычно изображается как О^2-,

q′ представляет число катионов М, содержащихся в звене структуры, равное q или q/2, которое является наименьшим целым числом, всякий раз когда р и q являются четными числами, например 2 для фосфора в Р₂O₅ или 1 для кремния в SiO₂,

р′ представляет число анионов Е, содержащихся в звене структуры, равное р или р/2, которое является наименьшим целым числом, всякий раз когда р и q являются четными числами, например 5 для фосфора в Р₂O₅ или 2 для кремния в SiO₂,

r представляет мольную долю каждого индивидуального звена структуры в компоненте реакционноспособного кислотного стекла, а указанное кислотное оксоанионное соединение включает борную кислоту, фосфорную кислоту, серную кислоту, однозамещенный фосфат натрия, и дизамещенный фосфат натрия - динатрийфосфат, дизамещенный фосфат калия - дикалийфосфат, однозамещенный фосфат калия, гидрофосфат аммония, дигидрофосфат аммония, фосфатные соли металлов и/или неметаллов или соединения, включающие бораты, сульфаты, алюминаты, ванадаты или германаты, или их комбинации.

6. Многослойная барьерная система по п.5, где указанный наполнитель содержит, по меньшей мере, один оксид, включающий оксид бора, алюминия, кремния, цинка, галлия, титана, циркония, марганца, железа, молибдена, вольфрама, висмута, свинца, лантана, церия, неодима, иттрия, кальция, магния или бария, слюду, вермикулит и присутствует в количестве от 0,0 мас.% или примерно 0,01 мас.% до примерно 20 мас.%, исходя из общей массы композиции, и где указанный глинистый наполнитель включает каолин, кальцинированный каолин и/или метакаолин и присутствует в количестве от 0,0 мас.% или примерно 0,1 мас.% до примерно 20 мас.%, исходя из общей массы композиции.

7. Многослойная барьерная система по п.5, где указанная композиция смолы содержит продукт взаимодействия нижеследующих компонентов: примерно от 30 до 85 мас.%, по меньшей мере, одного указанного силиката щелочного металла;

примерно от 0,01 до 60 мас.%, по меньшей мере, одного указанного реакционно-способного кислотного стекла;

примерно от 0 или 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного кислотного оксоанионного соединения;

от 0 или примерно от 0,1 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного глинистого наполнителя;

от 0 или примерно от 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного оксида и примерно от 15 до 60 мас.% воды.

8. Многослойная барьерная система по п.7, где указанную композицию смолы получают, отверждая смолу при температуре в диапазоне примерно от 15 до 1000°С, внешнем давлении от давления окружающей среды до примерно 20000 фунт/кв. дюйм и, необязательно, под вакуумом примерно от давления окружающей среды до примерно 10^-3 торр.

9. Многослойная барьерная система по п.1, включающая, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, по меньшей мере, один слой изолирующего материала.

10. Многослойная барьерная система по п.5, включающая, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы и, по меньшей мере, один слой изолирующего материала, причем указанный слой содержит соединение силиката; соединение оксида алюминия, соединение силиката алюминия; керамический материал; оксид металла, содержащий диоксид кремния, силикат, оксид алюминия или алюминат; или огнеупорный материал, или их комбинацию.

11. Многослойная барьерная система по п.3, включающая, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, и, по меньшей мере, один слой изолирующего материала, включающий соединение силиката; соединение оксида алюминия, соединение силиката алюминия; керамический материал; оксид металла, содержащий диоксид кремния, силикат, оксид алюминия или алюминат; или огнеупорный материал, или их комбинацию.

12. Многослойная барьерная система по п.7, включающая, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, и указанный, по меньшей мере, один слой изолирующего материала, включающий соединение силиката; соединение оксида алюминия; соединение силиката алюминия; керамический материал; оксид металла, содержащий диоксид кремния, силикат, оксид алюминия или алюминат; или огнеупорный материал, или их комбинацию.

13. Многослойная барьерная система по п.9, включающая, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала.

14. Многослойная барьерная система по п.10, включающая, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала.

15. Многослойная барьерная система по п.11, включающая, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала, причем указанный слой включает расслаивающийся графит, силикат щелочно-земельного металла, вермикулит или их комбинацию.

16. Многослойная барьерная система по п.12, включающая, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала, причем указанный слой вспучивающегося материала включает расслаивающийся графит, силикат щелочно-земельного металла, вермикулит или их комбинацию.

17. Многослойная барьерная система по п.1, включающая указанный, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, и, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала.

18. Многослойная барьерная система по п.5, включающая указанный, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, и, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала.

19. Многослойная барьерная система по п.4, включающая указанный, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, и, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала, причем указанный слой включает расслаивающийся графит, силикат щелочно-земельного металла, вермикулит или их комбинацию.

20. Многослойная барьерная система по п.7, включающая указанный, по меньшей мере, один слой указанной композиции неорганической смолы, и, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала, причем указанный слой включает расслаивающийся графит, силикат щелочно-земельного металла, вермикулит или их комбинацию.

21. Многослойная барьерная система по п.17, где указанная система представляет собой противопожарную дверь, включающую, по меньшей мере, один наружный слой дерева.

22. Многослойная барьерная система по п.18, где указанная система представляет собой противопожарную дверь, включающую, по меньшей мере, один наружный слой дерева, по меньшей мере, один слой вспучивающегося материала и, по меньшей мере, два указанных слоя композиции неорганической смолы.

23. Многослойная барьерная система по п.19, где указанная система представляет собой противопожарную дверь, включающую, по меньшей мере, один наружный слой дерева, причем указанная система включает, по меньшей мере, два слоя вспучивающегося материала и, по меньшей мере, три слоя композиции неорганической смолы, причем, по меньшей мере, один указанный слой композиции неорганической смолы содержит стальной армирующий мат.

24. Многослойная барьерная система по п.20, где указанная система представляет собой противопожарную дверь, включающую, по меньшей мере, один наружный слой дерева, причем указанная система включает, по меньшей мере, два слоя вспучивающегося материала, по меньшей мере, три слоя композиции неорганической смолы и, по меньшей мере, один указанный слой композиции неорганической смолы содержит стальной армирующий мат.

25. Многослойная барьерная система, включающая:

по меньшей мере, два слоя композиции неорганической смолы, содержащей продукт взаимодействия силиката щелочного металла и/или предшественников силиката щелочного металла, одного или нескольких кислотных оксоанионных соединений, воды, необязательно, по меньшей мере, одного соединения, содержащего, по меньшей мере, один многовалентный катион, и необязательно глинистого и/или оксидного наполнителя; и их комбинации;

по меньшей мере, один слой композиции неорганической смолы, содержащий армирующее соединение; и

по меньшей мере, один слой любого необязательного материала, включающего изолирующий материал, вспучивающийся материал, вспененный материал, отражающий материал, гофрированный материал, причем любой из вышеуказанных материалов содержит газовый объем или их комбинацию.

26. Многослойная барьерная система по п.25, где указанное армирующее соединение указанной композиции неорганической смолы представляет собой волокно или множество волокон различного типа, лист, решетку или сетку или их комбинацию.

27. Многослойная барьерная система по п.26, где армирующее волокно включает никелевое волокно, стекловолокно, углеродное волокно, графитовое волокно, минеральное волокно, оксидированное углеродное волокно, оксидированное графитовое волокно, оксидированное полиакрилонитрильное волокно, стальное волокно, металлическое волокно, покрытое металлом углеродное волокно, покрытое металлом стекловолокно, покрытое металлом графитовое волокно, покрытое металлом керамическое волокно, покрытое никелем графитовое волокно, покрытое никелем углеродное волокно, покрытое никелем стекловолокно, кварцевое волокно, керамическое волокно, волокно из карбида кремния, волокно из нержавеющей стали, титановое волокно, волокно из никелевого сплава, покрытое латунью стальное волокно, полимерное волокно, покрытое полимером углеродное волокно, покрытое полимером графитовое волокно, покрытое полимером стекловолокно, покрытое керамикой углеродное волокно, покрытое керамикой графитовое волокно, покрытое керамикой стекловолокно, арамидное волокно, базальтовое волокно, устойчивое к действию щелочи стекловолокно, Е-стекловолокно, S-стекловолокно, базальтовое волокно, полиэтиленовое волокно, SiC волокно или BN волокно или их комбинации.

28. Многослойная барьерная система по п.27, где указанный силикат щелочного металла включает раствор силиката калия, раствор силиката натрия, кристаллический силикат натрия, кристаллический силикат калия, аморфный силикат натрия или аморфный силикат калия, и их смеси,

где указанное кислотное оксоанионное соединение включает борную кислоту, фосфорную кислоту, серную кислоту, однозамещенный фосфат натрия, дизамещенный фосфат натрия, дизамещенный фосфат калия, однозамещенный фосфат калия, гидрофосфат аммония, дигидрофосфат аммония, фосфатные соли металлов и/или неметаллов или соединения, включающие бораты, сульфаты, алюминаты, ванадаты или германаты, или их комбинации.

29. Многослойная барьерная система по п.28, где указанные волокна включают графитовое волокно, Е-стекловолокно, S-стекловолокно, базальтовое волокно, волокно из нержавеющей стали, титановое волокно, волокно из никелевого сплава, арамидное волокно, полиэтиленовое волокно, оксидированное полиакрилонитрильное волокно, SiC волокно, BN волокно или их комбинации, и указанный катион представляет собой катион щелочно-земельного металла или цинка.

30. Многослойная барьерная система по п.29, где указанная композиция неорганической смолы включает продукт взаимодействия нижеследующих компонентов:

примерно от 30 до 85 мас.%, по меньшей мере, одного указанного силиката щелочного металла;

примерно от 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного кислотного оксоанионного соединения;

от 0 или примерно от 0,1 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного глинистого наполнителя;

от 0 или примерно от 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного оксида и

примерно от 15 до 60 мас.% воды.

31. Многослойная барьерная система по п.29, где указанная композиция неорганической смолы содержит продукт взаимодействия нижеследующих компонентов:

примерно от 30 до 85 мас.%, по меньшей мере, одного указанного силиката щелочного металла;

примерно от 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного соединения многовалентного катиона;

примерно от 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного кислотного оксоанионного соединения;

от 0 или примерно от 0,1 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного глинистого наполнителя;

от 0 или примерно от 0,01 до 20 мас.%, по меньшей мере, одного указанного оксида и

примерно от 15 до 60 мас.% воды.

32. Многослойная барьерная система по п.25, где, по меньшей мере, два указанных слоя композиции неорганической смолы располагаются по соседству друг с другом; и включающая, по меньшей мере, один из указанных необязательных слоев.

33. Многослойная барьерная система по п.28, где, по меньшей мере, два указанных слоя композиции неорганической смолы располагаются по соседству друг с другом; и включающая, по меньшей мере, один из указанных необязательных слоев.

34. Многослойная барьерная система по п.30, где, по меньшей мере, два указанных слоя композиции неорганической смолы располагаются по соседству друг с другом; и включающая, по меньшей мере, два из указанных необязательных слоев.

35. Многослойная барьерная система по п.1 или 25, включающая, по меньшей мере, два слоя скрепленные вместе, по меньшей мере, одной крепежной деталью.

36. Многослойная барьерная система по п.35, где указанная крепежная деталь включает болт, скобу, заклепку, проволоку, клей, магнит, торцевой паз, винт или гвоздь или их комбинацию.