[发明专利]含气凝胶的组合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及包含10-95％(体积)的气凝胶微粒及至少一种无机粘合剂的组合材料，以及制备这种材料的方法及其用途。

因为固体材料能高效地传导热量，因而大多数无孔的无机固体具有较高的热导率。为了降低热导率，因此常常采用多孔材料，如以蛭石为主要成分的材料。对多孔材料来说，仍有能有效地传导热量的固体骨架，而只是孔中的空气较固体本身导热能力差一些。

然而，固体中小孔通常会使固体的机械稳定性下降，因为应力只能通过固体骨架传递。因此，有孔的、仍具有机械稳定性的材料同样仍具有较高的热导率。

然而，对于许多用途来说，需要有低的热导率，同时又要具有好的机械性能，如高抗压强度和高抗弯强度。这是因为：首先，成型的制品需要机加工；第二，根据用途，制品必须能经得起机械载荷，即使在高温下也不会发生断裂或龟裂。

因为气凝胶具有很低的密度、很高的孔隙度、孔径小，特别是孔隙度高于60％、密度低于0.6克/厘米³的气凝胶具有极低的热导率，因而可用作绝热材料，如EP-A-0171722中所述。直径小于空气分子平均自由路径的小孔，对于热导率来说是特别重要的，因为这种小孔中空气的导热性较大孔中空气的导热性低。因此，气凝胶的热导率较其它具有类似孔隙度、但孔径较大(如泡沫或蛭石基材料)的材料的热导率低得多。

然而，由干燥气凝胶制的凝胶和干燥气凝胶本身都是高孔隙度的，而高孔隙度又会降低机械稳定性。

在广泛意义上说，气凝胶是指“以空气为分散介质的凝胶”，是由合适的凝胶经干燥而制得的。术语“气凝胶包括狭义的气凝胶、干凝胶和Cryogel。假如在温度高于临界温度、起始压力高于临界压力下除去凝胶液体的话，干燥的凝胶称为狭义上的气凝胶。如果，与此不同，以亚临界方法例如，形成液体一蒸气界面相来除去凝胶液体。所得的凝胶常常称为干凝胶。应该指出，根据本发明的凝胶是指以空气为分散介质的气凝胶。

然而，对于许多用途来说，需要使用能成形为具有适当机械稳定性的制品的气凝胶。

EP-A-0340707公开了密度为0.1-0.4克/厘米³、含至少50％(体积)直径在0.5-5毫米之间的二氧化硅气凝胶微粒，并由至少一种有机和/或无机粘合剂粘合在一起的绝缘材料。由粒度较粗的绝缘材料制得的成形制品中，气凝胶材料分布不均匀。这种现象尤其存在于成形制品中尺寸最小部分(对薄膜或片材来说是厚度)不比气凝胶微粒直径大很多的情况中。特别在周边上，需要提高粘合剂的用量比例，这就会对成形制品的热导率产生不良的影响，尤其是在表面上。

此外，在由这种绝缘材料制的成形制品中，含直径在0.5-5毫米之间的气凝胶材料的低机械稳定性的区域会出现在表面上，并在机械载荷下，最终会使表面因直径不同而变成不均匀或者在表面气凝胶遭到破坏可深达5毫米。

此外，制造这种只包括少量液体的绝缘材料是不容易的，如EP-A0340707中指出，由于气凝胶微粒机械强度低，因而在混合期间经剪切作用时易被破坏。

因此，本发明的目的是提供具有低热导率和高机械强度以气凝胶为主要成分的复合材料。

本发明目的是通过包含10-95％(体积)的气凝胶微粒和至少一种无机粘合剂的复合材料来实现的，其中气凝胶微粒的直径小于0.5毫米。

无机粘合剂将气凝胶微粒粘合在一起形成基体并使连续相延伸到整个组合材料。

当组合材料中气凝胶微粒含量明显低于10％(体积)时，组合物会因其气凝胶微粒的比例太低而在很大程度上丧失了有利性质。这种类型的复合物不再具有低密度和低热导率。

气凝胶微粒含量明显高于95％(体积)，就会使粘合剂含量低于5％(体积)，粘合剂含量太低就不能保证气凝胶微粒相互间有充分的粘合和足够的机械抗压强度和挠曲强度。

气凝胶微粒的比例优选为20-90％(体积)之间。

根据本发明，气凝胶微粒的微粒直径小于0.5毫米，优选小于0.2毫米。微粒直径指的是单个气凝胶微粒的平均直径，因为制备气凝胶微粒的方法，如研磨法，意味着制成的微粒并不一定呈球形。

采用能在组合材料中均匀分布的小气凝胶微粒，因此，组合材料具有几乎完全均一的、在所有各点，特别在表面上各点都具有低的热导率。

而且，在气凝胶比例相同的情况下，小气凝胶微粒还能提高耐破裂和龟裂的机械稳定性，因为它们能降低载荷下局部应力集中。

气凝胶可以是亲水的或憎水的，这取决于材料和孔表面的表面基团美型。