Неорганические нанопористые частицы с вододиспергируемым полиуретановым связующим

Изобретение относится к изделию, способу получения изделия и применению изделия. Изделие может использоваться в качестве теплоизоляционного материала, а также для звукоизоляции. Изделие содержит неорганические нанопористые частицы, связанные друг с другом вододиспергируемым полиуретаном, где изделие включает 75 об.% или более неорганических нанопористых частиц в пересчете на общий объем изделия и менее 5 об.% вододиспергируемого полиуретана в пересчете на общий объем сухого изделия, и имеет плотность 0,14 г/см³ или менее и теплопроводность 25 мВт/(м·К) или менее, и имеет толщину по меньшей мере 0,5 см. Неорганические нанопористые частицы функционально свободны от органических компонентов, имеющих потенциальную реактивность ковалентного связывания, и функционального покрытия на частицах, и изделие функционально свободно от полых непористых частиц, слоистых силикатов и глинистых минералов; имеют стенки пор, которые достаточно гидрофобны для того, чтобы исключить абсорбцию воды во всей пористой структуре частиц. Изделие имеет толщину и достаточную гибкость для сгиба плоскости, перпендикулярной толщине на по меньшей мере 90° вокруг сердечника, имеющего диаметр, равный толщине изделия, без макроскопического разрыва или разрушения. Вододиспергируемый полиуретан является поперечносшитым. Способ получения изделия включает диспергирование неорганических нанопористых частиц в водной дисперсии вододиспергируемого полиуретана с образованием наполненной дисперсии, литье наполненной дисперсии в пресс-форму и сушку с формированием изделия. Способ применения изделия включает размещение изделия в структуре между двумя областями, которые могут отличаться по температуре. 3 н. и 7 з.п. ф-лы.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к изделию, способу получения изделия и способу применения изделия. Изделие включает неорганические нанопористые частицы, связанные друг с другом вододиспергируемым полиуретановым связующим.

Описание предшествующего уровня техники

Неорганические нанопористые материалы, такие как аэрогелевые материалы, обладают значительными теплоизоляционными свойствами. Однако аэрогелевые материалы в настоящее время не пригодны в строительных и конструкционных применениях из-за стоимости и чувствительных механических свойств. Изготовление аэрогелевых материалов в виде одиночной плиты конструкционного размера в настоящее время не представляется возможным из-за того, что это находится вне пределов стоимости традиционных изоляционных плит из пеноматериала и обшивочных плит. В части способа производства аэрогелей требуется удаление большого объема растворителя из нанопористой структуры, как правило, путем экстракции диоксидом углерода в сверхкритическом состоянии в автоклаве или другими ресурсоемкими способами сушки. Такой процесс является сложным для одиночной плиты конструкционного размера. И при этом аэрогели имеют тенденцию быть хрупкими и легко рассыпаться в порошок под воздействием абразивной силы, которая является обычной при обработке на строительной площадке. В связи с этим требуется разработать плиту аэрогелеподобного материала, которая обходилась бы дешевле, чем литье одиночной аэрогелевой плиты, и которая была бы менее хрупкая, чем одиночная аэрогелевая плита.

Имели место многочисленные попытки изготовления содержащих аэрогель изоляционных материалов, которые являются более пригодными для строительных применений, чем одиночная аэрогелевая плита. Например, существуют композиции, которые образуют содержащую аэрогелевый компонент полимерную вспененную матрицу. В US 2008/0287561 описываются полимерные пеноматериалы, содержащие частицы аэрогеля, диспергированные в полимерной матрице. Для предотвращения проникновения полимера в поры аэрогелевого материала требуется покрытие частиц аэрогеля. В US 6136216 описывается вспененная композиция аэрогеля и желатина. Композиция является формуемой в различные формы. В US 5137927 описывается пенополистирол, содержащий частицы аэрогеля, диспергированные в нем. В WO 2007/146945A2 описываются гибкие композиты пена/аэрогель с открытыми порами. В каждой из этих ссылок вспененное связующее содержит частицы аэрогеля.

В других технологиях используется не вспененное связующее для адгезии частиц аэрогеля между собой. В US 2010/0080949 описывается применение ковалентно связанных со связующим гибридных аэрогелевых частиц или гранул полимер/диоксид кремния для изготовления аэрогелевых композитов. Частицы аэрогеля по этому изобретению являются гибридом неорганических и органических материалов. В US 5656195 описываются аэрогелевые отделочные материалы, которые требуют от 0,5 до 10 массовых процентов слоистых силикатов и/или глинистых минералов в пересчете на массу аэрогеля для улучшения прочности на разрыв. В US 2004/0077738 описывается слоистое изоляционное изделие, которое включает компонент, содержащий аэрогель, и водное связующее и полые непористые частицы, предположительно, для снижения плотности изделия.

В дополнение к низкой плотности и теплоизоляционным свойствам для структуры аэрогеля требуется гибкость, особенно для строительных и конструкционных изоляционных применений, где изоляционный материал может требоваться для соответствия различных форм в доставке, обработке и применении. Национальное управление США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства сообщало о последних разработках на гибких поперечносшитых аэрогелевых монолитных изделиях, которые содержат полимеризованное и химически связанное покрытие на аэрогелевой структуре (см. публикацию LEW-18265-1 от 04-06-09). Некоторая степень гибкости также проявляется в изделиях из амин-модифицированных аэрогелевых монолитов, которые поперечносшиты с диизоцианатными молекулами (см., Capadona, et al., Polymer 47 (2006) 5754-5761). Оба эти процесса требуют литья одиночной монолитной аэрогелевой поперечносшитой структуры, способа, который является сложной задачей для изоляционных изделий конструкционного размера.

Требуется теплоизоляционная структура, в частности гибкая теплоизоляционная структура, содержащая главным образом неорганические нанопористые частицы, такие как частицы аэрогеля, соединенные друг с другом связующим, но без функционального покрытия на неорганических нанопористых частицах. Еще более желательной является такая структура, которая не требует покрытия на неорганических нанопористых частицах, наличия полых непористых частиц или наличия слоистых силикатов или глинистых минералов для достижения низкой плотности, гибкости и прочности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом воплощения настоящего изобретения является обеспечение низкой плотности теплоизоляционного материала, который изготовлен в основном из неорганических нанопористых частиц, но который может быть гибким, и который не требует функционального покрытия на неорганических нанопористых частицах, наличия полых непористых частиц или наличия слоистых силикатов или глинистых минералов для достижения гибкости и прочности. Также, задачей варианта настоящего изобретения является достижение вышеупомянутых целей с не вспененным связующим. Неожиданно, настоящее изобретение обеспечивает решение этой задачи путем формования изделия из неорганических нанопористых частиц с использованием вододиспергируемого полиуретана в качестве связующего для неорганических нанопористых частиц.

В первом аспекте настоящее изобретение представляет собой изделие, содержащее неорганические нанопористые частицы, связанные друг с другом вододиспергируемым полиуретаном, где изделие содержит 75 объемных процентов или более неорганических нанопористых частиц в пересчете на общий объем изделия и имеет плотность 0,14 г/см³ или менее, и теплопроводность 25 мВт/(м*К) или менее, и имеет толщину по меньшей мере 0,5 см.

Варианты первого аспекта могут включать любую одну или комбинацию более чем одной из следующих дополнительных характеристик: неорганические нанопористые частицы являются функционально свободными от органических компонентов, имеющих потенциальную реактивность ковалентного связывания, и функционального покрытия над частицами, и изделие является функционально свободным от полых непористых частиц, слоистых силикатов и глинистых минералов; имеют неорганические нанопористые частицы, присутствующие в концентрации 90 об.% процентов или более в пересчете на общий объем изделия; имеют толщину и достаточную гибкость для сгиба плоскости перпендикулярно толщине на по меньшей мере 90 градусов вокруг сердечника, имеющего диаметр, равный толщине изделия, без макроскопического разрыва или разрушения; вододиспергируемый полиуретан является термопластичным алифатическим полиуретаном; вододиспергируемый полиуретан содержит форму диметилолпропионовой кислоты; вододиспергируемый полиуретан является не вспененным; вододиспергируемый полиуретан является поперечносшитым; неорганические нанопористые частицы включают частицы аэрогеля, которые содержат диоксид кремния; неорганические нанопористые частицы имеют стенки пор, которые являются достаточно гидрофобными для того, чтобы исключить абсорбцию воды во всей пористой структуре частиц; находятся в форме плиты по меньшей мере 2 см толщиной, 15 см шириной и 15 см длиной; и включают облицовочный материал на по меньшей мере одной поверхности изделия.

Во втором аспекте настоящее изобретение представляет собой способ получения изделия по первому аспекту, где способ включает следующие стадии: (а) диспергирование неорганических нанопористых частиц в водной дисперсии вододиспергируемого полиуретана с образованием наполненной дисперсии; (б) литье наполненной дисперсии в пресс-форму; и (в) сушку с формированием изделия по первому аспекту.

Варианты второго аспекта могут дополнительно включать любую одну или любую комбинацию более чем одной из следующих характеристик: неорганические нанопористые частицы присутствуют в наполненной дисперсии в концентрации, достаточной для достижения 90 объемных процентов или более от объема изделия в пересчете на объем конечного изделия; вододиспергируемый полиуретан является термопластичным алифатическим полиуретаном; вододиспергируемый полиуретан содержит форму диметилолпропионовой кислоты; наполненная дисперсия на стадии (б) является не вспененной; вододиспергируемый полиуретан после стадии (в) является поперечносшитым и сшивание проводят в любой момент или моменты до, в ходе или после стадии (в); и неорганические нанопористые частицы имеют стенки пор, которые являются достаточно гидрофобными для того, чтобы исключить абсорбцию воды во всей пористой структуре частиц.

В третьем аспекте настоящее изобретение представляет собой способ применения изделия по первому аспекту, где способ применения включает размещение изделия по первому аспекту в структуре между двумя областями, которые могут отличаться по температуре.

Способ по настоящему изобретению является полезным для изготовления изделия по настоящему изобретению. Изделие по настоящему изобретению является полезным в качестве теплоизоляционного материала, в частности в тех случаях, когда необходима изоляция, имеющая гибкость и низкую теплопроводность, а также для звукоизоляции (акустического гашения). Частные применения изделия по настоящему изобретению включают изоляцию труб и баков и акустическое ослабление (звуковую изоляцию) в таких применениях, как изоляция приборных панелей и зданий.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Методы испытаний относятся к самым последним методам испытаний на дату приоритета этого документа, исключая, когда номер метода испытаний включает различные даты. Ссылки на методы испытаний содержат как ссылки на организации, имеющие отношение к тестированию, так и на номер методов испытаний. В настоящем документе используются следующие сокращения методов испытаний: ASTM относится к Американскому обществу по испытаниям и материалам; EN относится к Европейскому стандарту; DIN относится к Немецкому институту по стандартизации и ISO относится к Международной Организации по Стандартизации.

"Множество" означает два или более. "И/или" означает "и, или как альтернативу". Все диапазоны включают конечные точки, если не указано иное.

"Длина", "ширина" и "толщина" представляют собой три взаимно перпендикулярных измерения изделия. Длина является измерением, имеющим величину, эквивалентную наиболее крупной величине измерения из длины, ширины и толщины. Толщина имеет величину, равную наименьшей величине из длины, ширины и толщины. Ширина имеет величину, равную длине, толщине, как длине, так и толщине, или величине где-то между длиной и толщиной.

"Функционально свободный" означает, что, если присутствует, концентрация является ниже, чем та, которая может оказать существенное влияние на физические свойства изделия по настоящему изобретению, если иное специально не определено в настоящем документе. Например, функционально свободные от покрытия неорганические нанопористые частицы означают, что отсутствует существенное влияние на физические свойства изделия по настоящему изобретению, содержащего неорганические нанопористые частицы, в связи с наличием покрытия. В рамках определения "функционально свободный" находится "свободный от" (обозначающее отсутствие).

Неорганические нанопористые частицы для использования в настоящем изобретении включают аэрогель, ксерогель, криогель, цеолит, высушенный алкогель и мезоструктурированные ячеистые материалы. Нанопористые частицы представляют собой частицы, которые обусловлены наличием пор внутри частицы, размер которых меньше одного микрона в среднем диаметре поперечного сечения. Желательно, чтобы нанопористые частицы для использования в настоящем изобретении имели средние диаметры поперечных сечений пор 500 нанометров (нм) или менее, предпочтительно 250 нм или менее, более предпочтительно 100 нм или менее и еще более предпочтительно 70 нм или менее. Как правило, средние диаметры поперечных сечений пор нанопористых частиц составляют 5 нм или более. Для определения средних диаметров поперечных сечений пор нанопористых частиц используют расчеты в соответствии с методом Brunauer-Emmett-Teller (BET) по данным кривой десорбции, полученным методом Barrett-Joyner-Henda (см. K.S.W.Sing et al., Pure & Appl. Chem., vol. 57, No. 4, pp. 603-619 (1985)). Классификация размеров пор и изотерм соответствует стандартам ИЮПАК.

Неорганические нанопористые частицы по настоящему изобретению отличаются от органо-неорганических гибридных аэрогелевых частиц, таких как описанные в патентной заявке США US 2010/0080949, так как неорганические нанопористые частицы по настоящему изобретению являются свободными от органических компонентов, имеющих потенциальную реактивность ковалентного связывания (реактивность предрасположения к формированию ковалентной связи) и, желательно, свободными от органических компонентов в целом.

Неорганические нанопористые материалы в настоящем изобретении находятся в форме «частиц», связанных друг с другом полиуретановым связующим. "Частица", как используется в настоящем документе, относится к объектам любой формы. Частицы неорганических нанопористых материалов для использования в настоящем изобретении, как правило, имеют наибольший размер, находящийся в диапазоне от пяти микрометров до пяти миллиметров. Желательно, чтобы наибольший размер частиц составлял 50 мкм или более, более предпочтительно 200 мкм или больший. В то же время, желательный наибольший размер частиц составляет четыре миллиметра или менее, предпочтительно 2 миллиметра или менее. В особенно желательном варианте используют широкое распределение частиц по размерам или частицы, имеющие мультимодальное (например, бимодальное или тримодальное) распределение частиц по размерам для достижения более плотной упаковки частиц, чем это достижимо при узком распределении частиц по размерам.

Неорганические нанопористые частицы составляют большую часть объема изделия по настоящему изобретению. Как правило, на неорганические нанопористые частицы приходится 75 процентов или более по объему (об.%) изделия. Желательно, чтобы неорганические нанопористые частицы присутствовали в изделии по настоящему изобретению в концентрации 85 об.% или более, предпочтительно 90 об.% или более, еще более предпочтительно 95 об.% или более и могут присутствовать в концентрации 98 об.% или более в пересчете на общий объем изделия. Как правило, концентрация нанопористых частиц в изделиях по настоящему изобретению составляет 99 об.% или менее в целях обеспечения достаточного объема связующего для связывания частиц друг с другом.

Неорганические аэрогелевые материалы являются, пожалуй, самыми известными нанопористыми материалами, пригодными для использования в настоящем изобретении. Неорганические аэрогелевые материалы включают как материалы, изготовленные из оксидов металлов, таких как диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид титана и оксид церия, так и изготовленные по золь-гель методикам. Двумя такими наиболее часто используемыми материалами являются аэрогелевые композиты на основе кремния (Si) или алюминия (Al). Обычным и особенно желательным аэрогелевым материалом для использования в качестве нанопористых частиц по настоящему изобретению являются аэрогели диоксида кремния (SiO₂). В одном варианте нанопористые частицы имеют поверхность, которая может подвергаться водородному связыванию с вододиспергируемым полиуретановым связующим, используемым в настоящем изобретении.

Неорганические нанопористые частицы являются функционально свободными и могут быть абсолютно свободны от функциональных покрытий. Функциональные покрытия образуют когерентный слой на поверхности или инкапсулируют неорганические нанопористые частицы и распространяют по меньшей мере одно химическое или физическое свойство или характеристику поверхности, которая отличается в химических и физических свойствах и характеристиках предварительно покрытой поверхности частиц. Например, в US 2008/0287561 описываются полимерные пеноматериалы, содержащие частицы аэрогеля в полимерной матрице, но частицы аэрогеля составляют функциональное покрытие, которое образует когезивный барьерный слой на внешней поверхности частиц, тем самым предотвращая проникновение полимера в поры частиц аэрогеля.

Таким образом, частицы аэрогеля из US 2008/0287561 не являются функционально свободными от функциональных покрытий.

Желательно, чтобы стенки пор неорганических нанопористых частиц имели достаточно гидрофобную поверхность, чтобы исключить абсорбцию воды во всей пористой структуре частиц. Если стенки пор частиц слишком гидрофильные, то вода из композиции связующего может впитаться в пористую структуру частицы, делая сушку готового изделия сложной, что может привести к разрушению частицы во время сушки из-за капиллярной силы воды, пронизывающей сеть пор. Не обязательно требуется любое покрытие или обработка наружной поверхности самой частицы, как это требуется в US 2008/0287561, но, скорее, характерно для стенки поры внутри частиц. Для определения, имеют ли неорганические нанопористые частицы такую достаточную гидрофобную поверхность, группу частиц подвергают водяной бане в течение 30 минут, высушивают частицы в сушильном шкафу с принудительной циркуляцией воздуха при 80°C в течение трех часов и определяют количество воды, оставшейся в частицах. Если менее чем 15%, предпочтительно менее чем 10%, более предпочтительно менее чем 5%, еще более предпочтительно менее чем 2% от массы сухих частиц соответствует воде, то стенки пор частиц имеют достаточно гидрофобную поверхность.

Изделия по настоящему изобретению имеют нанопористые частицы, связанные друг с другом вододиспергируемым полиуретановым связующим. Как правило, отсутствует любое ковалентное связывание между полиуретановым связующим и нанопористыми частицами. "Вододиспергируемое полиуретановое связующее" не нужно редиспергировать в воде, а название относится к форме определенного типа полиуретана до сушки. Таким образом, ссылка на вододиспергируемое полиуретановое связующее в контексте изделия по настоящему изобретению, как правило, относится к коалесцированной версии связующего по сравнению с дисперсией или даже редиспергируемой формой связующего. Ссылку на вододиспергируемый полиуретан в контексте способа по настоящему изобретению перед сушкой можно отнести к форме полиуретана, которая является диспергируемой или даже диспергированной в воде (в зависимости от контекста будет указано). Вододиспергируемое полиуретановое связующее, как правило, является не вспененным в способе и изделии по настоящему изобретению.

Вододиспергируемый полиуретан отличается от других форм из полиуретана наличием функциональности, позволяющей полимеру диспергироваться в воде. Особенно желательная форма вододиспергируемого полиуретана содержит форму диметилолпропионовой кислоты (ДМПК), которая также известна как 2,2-бис (гидроксиметил)пропановая кислота (бис-МПК). ДМПК может присутствовать в кислой форме или анионной форме. Анионная форма является наиболее желательной. ДМПК может присутствовать в полиуретане в концентрации 0,2 мас.% или более, предпочтительно 0,5 мас.% или более и может присутствовать в концентрации 1 мас.% или более, 4 мас.% или более или даже 5 мас.% или более в пересчете на общую массу диспергируемых в воде полиуретановых твердых частиц. В то же время, ДМПК, как правило, присутствует в концентрации 10 мас.% или менее в пересчете на общую массу диспергируемых в воде полиуретановых твердых частиц.

Наличие ДМПК определяют, используя пиролитическую газовую хромато-масс-спектрометрию (пиролитическую ГХ-МС), изучая фрагменты изобутилена, 2-метил-2-пропен-1-ола и метакриловой кислоты в масс-спектре. Примерными рекомендуемыми условиями для такого анализа являются использование пиролизера Frontier Labs 202iD для пиролиза высушенного воздухом образца при 650°С в течение 12 секунд с последующим разделением летучих продуктов пиролиза с помощью газового хроматографа Agilent 6890, оснащенного разделительной колонкой Supelco (SLB-5ms, 28746-U) при следующих параметрах: устанавливают температуру на 40°C в течение одной минуты, с 40°C до 320°C при скорости повышения 8°C в минуту, на 320°С в течение 15 минут; устанавливают поток в колонке 0,6 мл/мин, давление до 2,8 фунтов на квадратный дюйм. Идентифицируют разделенные компоненты с помощью квадрупольного масс-спектрометра ThermoElectron DSQ путем сравнения с масс-спектрами из базы данных Национального института стандартов и технологий. Используют следующие параметры: скорость сканирования два сканирования в секунду, сан-режим в диапазоне сканирования масс: 14-600; электронная ионизация (ЭИ Объем); коэффициент усиления детектора - 2Xe5; МС время обнаружения = 1 минута; эмиссионный ток=70 микроампер; и источник тока эквивалентен 325 микроампер. Специалист может оптимизировать эти рекомендуемые параметры как это необходимо для его оборудования и условий.

Вододиспергируемые полиуретаны доступны в виде водных полиуретановых дисперсий, или "ПУД". ПУД содержат вододиспергируемый полиуретан в водном носителе. Существует много типов ПУД, в том числе с термопластичным вододиспергируемым полиуретаном, а также термореактивным вододиспергируемым полиуретаном с поперечносшиваемыми полиуретановыми частицами (или двухкомпонентные системы, или однокомпонентные системы с потенциальными поперечносшивающими фрагментами в частицах). Настоящее изобретение в самом широком объеме не ограничивается определенным типом вододиспергируемого полиуретана. Тем не менее, термопластичные вододиспергируемые полиуретаны являются наиболее желательными для изготовления изделий по настоящему изобретению, в частности гибких изделий по настоящему изобретению. Могло бы быть эффективным вызвать некоторый уровень сшивания, в частности, при использовании полиуретана, имеющего, в частности, низкую температуру стеклования, с целью повышения механической целостности готового изделия. Однако чрезмерное сшивание связующего снизит гибкость готового изделия. Термореактивные полимерные связующие являются поперечносшитыми и поэтому приводят к менее гибким изделиям, чем термопластичные полимерные связующие, особенно при высоких уровнях сшивания. Сшивание может иметь место до, во время или после сушки ПУД с помощью известных методов, включая УФ-отверждение и использование химических сшивающих агентов. Алифатические вододиспергируемые полиуретаны являются особенно желательными. Вододиспергируемый полиуретан может быть анионным для облегчения водной диспергируемости.

Вододиспергируемое полиуретановое связующее является второстепенным компонентом по объему изделия по настоящему изобретению. Как правило, вододиспергируемое полиуретановое связующее присутствует в концентрации 25 об.% или менее, предпочтительно 20 об.% или менее, более предпочтительно 15 об.% или менее, еще более предпочтительно 10 об.% или менее, наиболее предпочтительно 5% об.% или менее и может присутствовать в концентрации 2 об.% или менее в пересчете на весь объем сухого изделия. Желательно, чтобы вододиспергируемое полиуретановое связующее присутствовало в концентрации по меньшей мере 1 об.% в пересчете на общий объем сухого изделия в целях обеспечения механической целостности изделия.

Изделия по настоящему изобретению могут содержать любую одну или любую комбинацию более чем одной из следующих добавок: волокна, краситель, огнезащитный состав (например, галогенированные органические соединения, соединения фосфора и/или неорганические соединения), понижающие инфракрасное излучение агенты (например, сажа и графит, диоксид титана), карбид бора, диатомит, феррит марганца, оксид марганца, оксид никеля, оксид олова, оксид серебра, оксид висмута, карбид титана, карбид вольфрама, оксид железа-титана, силикат циркония, оксид циркония, оксид железа(I), оксид железа (III), диоксид марганца, диоксид марганца, оксид железа-титана (ильменит), оксид хрома, карбид кремния, инсектициды, фунгициды, биоциды, средства против плесени и альгициды. Изделия по настоящему изобретению могут также быть свободными от любой одной или любой комбинации из более чем одной из указанных добавок. Например, изделия по настоящему изобретению могут быть свободными от волокон или, в частности, полиэтилентерефталатных волокон. Добавки, как правило, присутствуют в концентрации 5 об.% или менее, 2 об.% или менее, 1 об.% или менее или 0 об.% (отсутствует) в пересчете на общий объем изделия.

Изделия являются предпочтительно функционально свободными и могут быть полностью свободными от полых непористых наполнителей, слоистых силикатов и глинистых минералов. Будучи "функционально свободными" от полых непористых наполнителей, плотность изделий по настоящему изобретению оказывается менее чем 0,01 грамм на кубический сантиметр (г/см³), предпочтительно менее чем 0,005 г/см³, более предпочтительно менее чем 0,001 г/см³ в связи с наличием полых непористых наполнителей по сравнению с плотностью изделия с отсутствием полых непористых наполнителей. Быть функционально свободным от слоистых силикатов и глинистых минералов означает, что изделие содержит менее 0,5 процента по массе (мас.%), предпочтительно менее 0,1 мас.% и может быть полностью свободно от слоистых силикатов и глинистых минералов по отношению к массе неорганических нанопористых частиц. Слоистые силикаты и глинистые минералы являются такими, как это известно из патента США 5656195 (включенного в настоящий документ посредством ссылки), и включают монтмориллонит, каолиниты и/или аттапульгиты.

Изделия по настоящему изобретению имеют плотность 0,14 г/см³ или менее, предпочтительно 0,12 г/см³ или менее и еще более предпочтительно 0,10 г/см³ или менее. В общем, изделие будет иметь плотность 0,01 г/см³ или выше для обеспечения желаемой механической прочности. Плотность изделия определяют в соответствии с ASTM D1622.

Теплопроводность является важной характеристикой изделий по настоящему изобретению. Изделия обладают преимущественными свойствами низкой проводимости в связи с большим объемом неорганических нанопористых частиц. Изделия по настоящему изобретению имеют теплопроводность 25 милливатт на метр*Кельвин (мВт/(м*K)) или менее, предпочтительно 24 мВт/(м*K) или менее, еще более предпочтительно 23 мВт/(м*K) или менее и может быть 22 мВт/(м*K) или менее, или даже 21 мВт/(м*K) или менее. Теплопроводность изделия определяют в соответствии с ASTM C518.

Особенно желательными вариантами настоящего изобретения являются гибкие варианты. "Гибкие" изделия по настоящему изобретению могут быть обратимо изогнуты, сжаты или вмяты без разрушения. Гибкость необычна для неорганических нанопористых изделий. Одним из недостатков неорганических нанопористых материалов, таких как аэрогели, является то, что они имеют тенденцию быть жесткими и ломкими. Эти характеристики делают их нежелательными для использования в конструкционных применениях, где гибкая изоляция, такая как волоконый материал, требовалась исторически. Однако использование вододиспергируемого полиуретанового связующего позволяет вариантам настоящего изобретения сгибаться, сжиматься и вминаться без макроскопических повреждений. Действительно, желательные варианты изделий по настоящему изобретению можно сгибать в плоскости, перпендикулярной толщине изделия, на не менее 90 градусов вокруг сердечника, имеющего диаметр, равный толщине изделия, без макроскопического разрыва или разрушения изделия. Эта степень гибкости намного превышает угол 130 градусов (соответствует 50 градусам изгиба) по Capadona et al. (Polymer 47 (2006) 5754-5761), в статье раскрываются гибкие поперечносшитые аэрогелевые монолиты диоксида кремния с использованием аминофункционального аэрогеля, поперечносшитого с ди-изоцианатыми молекулами. Гибкость делает изделия по настоящему изобретению особенно желательными для применения в трубах и резервуарах в трубе и для применения в изоляции резервуаров, и для применения в пустотах при изоляции полостей.

Изделие по настоящему изобретению возможно эффективно производить с размерами, пригодными для использования в строительстве и конструировании, без препятствий, связанных с попытками изготовления аэрогелевого изделия тех же размеров. В отличие от производства аэрогелевых изделий изготовление изделий по настоящему изобретению не включает удаление больших объемов растворителя из неорганических нанопористых структур. Изделия по настоящему изобретению могут иметь толщину 0,5 сантиметров (см) или более, предпочтительно 0,75 см или более, еще более предпочтительно 1 см или более, еще более предпочтительно 1,25 см или более и могут иметь толщину даже 2,5 см и более. В то же время, изделия, имеющие такие толщины, могут иметь размеры длины и ширины 15 см или более.

В рамках настоящего изобретения находится объединение облицовочного материала, такого как металлическое полотно, пленка или фольга, бумажный облицовочный материал, текстильное нетканое облицовочное полотно, волоконное облицовочное полотно или некоторые другие облицовочные материалы, с по меньшей мере одной поверхностью изделия по настоящему изобретению. Следовательно, изделие по настоящему изобретению может включать один или более облицовочный материал на одной или более поверхности. В одном конкретном варианте изделие по настоящему изобретению включает облицовочный материал на противоположных поверхностях с образованием сэндвич-структуры. Изделие по настоящему изобретению может также, или альтернативно, включать одну или более панель или обшивочную плиту на одной или более поверхности. Примеры подходящих обшивок включают пенополимерные щиты, структурно ориентированную доску, гипсокартонный щит и гипсовый щит.

Изделия по настоящему изобретению изготавливают диспергированием неорганических нанопористых частиц в водной дисперсии вододиспергируемого полиуретана с образованием наполненной дисперсии; литьем наполненной дисперсии в форму; и высушиванием с формированием изделия по настоящему изобретению. Неорганические нанопористые частицы и вододиспергируемый полиуретан представляют собой описанные для изделия по настоящему изобретению. Наполненная дисперсия может быть вспененной или не вспененной в результате литья в форму и может быть свободна от полиэтилентерефталатных волокон.

Одним желательным способом для применения изделий по настоящему изобретению являются теплоизоляционные материалы. В варианте этого способа изделие размещают в структуре между двумя областями, которые могут отличаться по температуре. Изделие служит для подавления теплового потока из одной области в другую и тем самым обеспечивает теплоизоляцию. Примеры областей, которые могут отличаться по температуре, включают внутреннюю и наружную часть холодильника, внутреннюю и наружную часть структуры здания (жилых домов, офисных зданий, магазинов и подобных), внутреннюю и наружную часть труб, а также внутреннюю и наружную часть космического корабля или других транспортных средств.

Изделия по настоящему изобретению находят применение в качестве, например, изоляционных панелей холодильника, гибкой изоляции труб, изоляционных обшивочных материалов для строительства и конструкционных применений и изоляции строительных панелей. Изделия по настоящему изобретению предлагают изоляционные возможности, такие как теплоизоляция, звукоизоляция или теплозвукоизоляция.

Пример

Объединяют в стакане 60 миллилитров алифатической полиуретановой дисперсии PRIMAL™ BINDER U91, которая содержит 38,0-42,0 процента твердых веществ (PRIMAL является товарным знаком Rohm and Hass Company) и которая содержит приблизительно 4 мас.% DMPA в пересчете на массу твердых веществ и 39,6 граммов SiO₂ частиц аэрогеля Nanogel™ (Nanogel является товарным знаком Cabot Corporation), медленно добавляя частицы аэрогеля к полиуретановой дисперсии. Частицы аэрогеля имеют средний размер от 0,7 до 1,2 мм и средний размер пор 20-40 нм и функционально свободны от органических компонентов, имеющих потенциальную реактивность ковалентного связывания, и функциональных покрытий. Смесь перемешивают в течение приблизительно 20 минут и затем смесь выливают в покрытую политетрафторэтиленом раму 15 см шириной, 15 см длиной и 2,5 см глубиной. Помещают раму и смесь в печь при 80°C приблизительно на три часа для сушки.

Готовое изделие представляет собой пример настоящего изобретения с размерами 15 см на 15 см на 2,5 см. Изделие обладает способностью изгиба его плоскости 15 см на 15 см на 90° вокруг сердечника диаметром 2,5 см без макроскопического разрыва или разрушения. Изделие имеет плотность 0,087 г/см³ и теплопроводность 20,8 мВт/(м*К). Частицы аэрогеля составляют приблизительно 95,8 об.% от конечного сухого изделия, в то время как связующее составляет 4,2 об.% от конечного сухого изделия. Изделие не содержит полые непористые частицы и слоистые силикаты. Связующее не является вспененным.

SiO₂ частицы аэрогеля Nanogel™ имеют максимум 1,4% воды по массе сухих частиц, после того как группу частиц подвергали водяной бане в течение 30 минут, высушивали частицы в сушильном шкафу с принудительной циркуляцией воздуха при 80°C в течение трех часов и определяли количество воды, оставшейся в частицах.

1. Изделие, содержащее неорганические нанопористые частицы, связанные друг с другом вододиспергируемым полиуретаном, где изделие включает 75 об.% или более неорганических нанопористых частиц в пересчете на общий объем изделия и менее 5 об.% вододиспергируемого полиуретана в пересчете на общий объем сухого изделия, и имеет плотность 0,14 г/см³ или менее и теплопроводность 25 мВт/(м·К) или менее, и имеет толщину по меньшей мере 0,5 см.

2. Изделие по п.1, отличающееся тем, что неорганические нанопористые частицы функционально свободны от органических компонентов, имеющих потенциальную реактивность ковалентного связывания, и функционального покрытия на частицах, и изделие функционально свободно от полых непористых частиц, слоистых силикатов и глинистых минералов.

3. Изделие по п.1, отличающееся тем, что имеет толщину и достаточную гибкость для сгиба плоскости, перпендикулярной толщине на по меньшей мере 90° вокруг сердечника, имеющего диаметр, равный толщине изделия, без макроскопического разрыва или разрушения.

4. Изделие по п.1, где вододиспергируемый полиуретан является поперечносшитым.

5. Изделие по п.1, где неорганические нанопористые частицы имеют стенки пор, которые достаточно гидрофобны для того, чтобы исключить абсорбцию воды во всей пористой структуре частиц.

6. Способ получения изделия по п.1, где способ включает следующие стадии: (а) диспергирование неорганических нанопористых частиц в водной дисперсии вододиспергируемого полиуретана с образованием наполненной дисперсии; (б) литье наполненной дисперсии в пресс-форму; и (в) сушку с формированием изделия.

7. Способ по п.6, где неорганические нанопористые частицы присутствуют в наполненной дисперсии в концентрации, достаточной для достижения 90 об.% или более от объема изделия в пересчете на объем конечного изделия.

8. Способ по п.6, где вододиспергируемый полиуретан после стадии (в) является поперечносшитым и сшивание проводят в любой момент или моменты до, в ходе или после стадии (в).

9. Способ по п.6, где неорганические нанопористые частицы имеют стенки пор, которые достаточно гидрофобны для того, чтобы исключить абсорбцию воды во всей пористой структуре частиц.

10. Способ применения изделия по п.1, где способ применения включает размещение изделия в структуре между двумя областями, которые могут отличаться по температуре.