專利名稱：氣凝膠/聚四氟乙烯復合絕緣材料的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種可用于多種用途的材料，所述多種用途包括用于服裝、容器、管、電子儀器等的絕緣用途。包含氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯(PTFE)的本發(fā)明的材料是可成形的，具有低顆粒脫落性(particle shedding)和低熱導率。由該材料制成的復合材料可以進行撓曲、拉伸和扭曲而極少發(fā)生或不發(fā)生氣凝膠顆粒脫落或傳導性損失。
氣凝膠在絕熱用途中的應用以及氣凝膠的低熱導率是眾所周知的。有利的熱導性能來源于氣凝膠極高的孔隙率(約大于95％)以及氣凝膠材料小的孔徑，其孔徑小于常壓下空氣分子的平均自由程的大小，或者約小于100納米。由于這種小的孔徑，空氣分子在此材料中的移動性受到限制，降低了空氣的導熱效率，從而得到低熱導率。在大氣條件下空氣的熱導率約為25mW/mK(毫瓦/米開爾文)。具有更大孔徑的絕緣材料，例如泡沫材料，棉胎，木材和其他常規(guī)絕熱材料的熱導率約為40mW/mK，高于空氣的熱導率，這是由于輻射傳導和固體傳導的影響造成的。已知氣凝膠粉末和珠粒的熱導率約為9-20mW/mK。然而，這種高孔隙率低密度的材料不能以粉末形式用于許多用途，這是由于這種材料會產(chǎn)生很多粉塵，使安裝、處理、形成和成形變得特別困難，增大了安全隱患。
常規(guī)的氣凝膠制備方法通常包括用超臨界流體提取。這些方法經(jīng)常包括以下步驟將氣凝膠前體液體倒入模具中，將氣凝膠液體干燥形成具有許多種液體交換的高孔隙率凝膠結構，采用超臨界流體提取形成氣凝膠整料。這些過程，例如使用超臨界流體提取的過程是非常耗時而高成本的。另外，制得的結構是剛性的，機械強度低，在氣凝膠材料形成之后，其進一步模塑或成形的能力有限。這些材料在撓曲時經(jīng)常會發(fā)生破裂或破碎，會發(fā)生氣凝膠顆粒的脫落或″粉化(dusting)″。
為了嘗試增大氣凝膠材料的撓性和強度，Stepanian等人在美國專利公開第2002/0094426號中揭示了一種結合了增強結構的氣凝膠材料，該增強結構具體是彈性纖維棉胎。較佳的是，使用與無規(guī)取向的微纖維和/或傳導層結合的纖維棉胎結構來增強氣凝膠。將氣凝膠形成前體液體倒入棉胎中，然后超臨界干燥形成氣凝膠，從而形成氣凝膠片。據(jù)悉所得的增強的氣凝膠結構具有懸垂性，在撓曲時比較不容易破碎，比較不容易發(fā)生氣凝膠細顆粒的脫落。然而，由于這些材料缺乏可塑性和可成形性，而且由于使用超臨界提取步驟而成本較高，它們的應用受到限制。
為克服增強的氣凝膠經(jīng)常具有的脆性，F(xiàn)rank等人在美國專利第5,786,059號中揭示了將氣凝膠粉末膠粘在一起形成連續(xù)產(chǎn)品。具體來說，包含纖維織物層和氣凝膠顆粒的氣凝膠復合材料優(yōu)選形成氈或板的形式。該纖維織物包含具有較低和較高溫度熔融區(qū)的兩種牢固相連的聚合物形成的雙組分纖維材料，氣凝膠顆粒噴灑在該材料中。當加熱至較低的熔融溫度時，織物的纖維互相結合在一起，同時也與氣凝膠顆粒結合起來。所得的復合體(composite)是較剛性的結構，在施加機械應力時，顆粒會破碎或與纖維分離，因此氣凝膠碎片會從織物上落下。
Smith等人在美國專利第6,172,120號中揭示了一種制備氣凝膠的方法，在此方法中，形成的氣凝膠為粉末形式而非整體塊狀或片狀。該制備方法的優(yōu)點在于形成氣凝膠時不需要超臨界流體提取步驟。然而，粉末狀的氣凝膠會產(chǎn)生很多微塵，而且缺乏可成形性，因此在許多用途中無法使用。
需要有一種絕緣材料，該材料能夠克服氣凝膠粉末和復合體所固有的問題，例如氣凝膠粉末缺乏可成形性，復合體缺乏撓性，以及在施加機械應力時氣凝膠顆粒脫落或粉化。需要有一種低傳導性、低脫落性的絕緣材料，其在絕緣材料組合物形成之后模塑或成形制成任何所需的形狀，從而可用于許多用途。另外也強烈需要一種絕緣材料，該材料在制備時不需要采用制造氣凝膠絕緣材料經(jīng)常采用的高成本步驟。
發(fā)明簡述本文發(fā)明并揭示了可成形、可模塑的低熱導率低粉化材料。這些材料具有充分的可塑性，可模塑形成在一個或多個方向彎曲的柔韌的三維結構或形狀。另外，該材料任選地形成在拉伸時粉化最少的可拉伸結構。
本發(fā)明的材料包含氣凝膠顆粒和作為粘合劑的聚四氟乙烯(PTFE)。優(yōu)選形成的材料可具有粉末或油灰的稠度或質(zhì)地，也可形成具有良好的機械強度和撓性的成形結構。所述成形結構的性質(zhì)，例如機械強度和熱導率會部分地受到氣凝膠和PTFE的相對比例的影響。例如，氣凝膠顆粒的比例較高通常會使得熱導率較低，PTFE的比例較高通常會使得結構的機械強度較高。
在應用中，該材料可包含在制品的多個表面之間，例如用來形成絕緣制品的雙壁管、導管或容器的剛性表面之間?；蛘呖墒贡景l(fā)明的材料包含在其它材料之間形成復合結構，所述其它結構是例如聚合物、紙張或金屬的撓性薄膜、膜或箔的外層?？扇芜x地使用彈性薄膜，使該復合結構具有可拉伸性和高度的可懸垂性。同樣地，外層可以是透氣性的，或者液體和氣體無法透過的，形成可滲透性和不滲透性復合結構。當該復合結構是不滲透性時，可通過施加真空形成具有降低的壓力的復合結構，從而進一步降低熱導率。
除了用作熱絕緣材料以外，還發(fā)現(xiàn)當本發(fā)明的材料制得的復合體中包含介電常數(shù)極低的組分時，該復合體也可用作介電材料。例如，在一實施方式中，氣凝膠的介電常數(shù)約為1.1，PTFE的介電常數(shù)約為2.1，這些材料優(yōu)選的復合體的介電常數(shù)約小于1.18。用本發(fā)明的材料制成的復合體也可用作隔音層。在用作聲音反射阻擋層的特定外層之間使用本發(fā)明材料，可形成在特定頻率具有良好吸聲性能的復合材料。優(yōu)選用于該用途的復合體在一定頻率范圍內(nèi)(約400-6300赫茲)具有較高的傳聲損耗，約高達20-30分貝，在大約3500赫茲具有高吸聲系數(shù)，高達約0.5-0.6。
本發(fā)明材料優(yōu)選的用途包括形成絕緣材料和由其制得的復合材料，它們用于服裝，例如手套和鞋類絕緣襯墊(insert)，外衣和外衣襯墊；管絕緣；低溫絕緣；電子器件；炊具；家用器具；食物和藥物的貯存容器和包裝；保暖救生衣；以及雙功能絕緣，例如聲絕緣和熱絕緣，電絕緣和熱絕緣等。
附圖描述

圖1是包含60重量％氣凝膠和40重量％PTFE的絕緣帶材在放大10000倍時的SEM圖。
圖2是包含80重量％氣凝膠和20重量％PTFE的絕緣帶材在放大10000倍時的SEM圖。
圖3是包含80重量％氣凝膠和20重量％PTFE的絕緣粉末材料在放大10000倍時的SEM圖。
圖4是具有兩個薄膜層，且在層之間具有絕緣材料的帶材的截面圖。
圖5是帶材放大50倍時的SEM圖，該帶材具有兩個薄膜層，這些層之間具有包含60重量％氣凝膠和40重量％PTFE的絕緣材料。
圖6a是在管壁之間具有絕緣材料的雙壁管的半剖面示意圖。
圖6b是在管壁之間具有絕緣材料的雙壁管的截面示意圖。
圖7是纏繞有本發(fā)明帶材的管的透視圖。
圖8a是本發(fā)明的絕緣手套襯墊的示意圖。
圖8b是本發(fā)明絕緣手套的示意圖。
圖9是本發(fā)明絕緣手機裝置的透視圖。
圖10是本發(fā)明絕緣手提電腦裝置的透視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明的低熱導率材料包含氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑。較佳的是，該材料可形成粉末或油灰的形式?！逵突摇灞硎驹摬牧暇哂锌沙尚位蚩赡Ｋ艿拿鎴F狀稠度，幾乎沒有或沒有填料顆粒脫落。因此，本發(fā)明的材料與其他含氣凝膠的材料相比，其細顆粒的脫落或粉化減少了。該材料可以粉末或油灰形式用于例如兩個表面之間，或用作模塑或成形形式的絕緣結構，或用作復合體。優(yōu)選的復合體包括帶材之類的絕緣結構，在此絕緣結構中，將本發(fā)明的材料粘合在兩個外層(例如膜或薄膜)之間。較佳的是復合體可制成可拉伸的、撓性的和可彎曲的，并且不會發(fā)生明顯的粉化或絕緣性質(zhì)損失。
氣凝膠顆粒是優(yōu)選的填料，已知其具有極低的密度和極低的熱導率。優(yōu)選的是氣凝膠的顆粒密度約小于100千克/立方米，大氣條件下(約298.5K和101.3千帕)的熱導率約小于或等于25mW/mK，更優(yōu)選約小于或等于15mW/mK。適用于本發(fā)明材料的氣凝膠包括無機和有機氣凝膠，及其混合物。有用的無機氣凝膠包括由硅、鋁、鈦、鋯、鉿、釔、釩等的無機氧化物形成的氣凝膠，特別優(yōu)選二氧化硅氣凝膠。有機氣凝膠也適用于本發(fā)明，可由以下物質(zhì)制備碳，聚丙烯酸酯類，聚苯乙烯，聚丙烯腈類，聚氨酯類，聚酰亞胺類，聚糠醇，苯酚糠醇，三聚氰胺甲醛類，間苯二酚甲醛類，甲酚，甲醛，聚氰脲酸酯類，聚丙烯酰胺類，環(huán)氧化物，瓊脂，瓊脂糖等。
粉末狀的氣凝膠可以很方便地在市場上購得。例如，Smith等人在美國專利第6,172,120號中描述了通過較低成本的方法制得的二氧化硅氣凝膠?？赏ㄟ^噴射研磨或其他降低大小的技術將氣凝膠顆粒減小到所需的尺寸或級別。為制備本發(fā)明的絕緣材料，優(yōu)選將氣凝膠顆粒研磨至粒度約為5微米至1毫米(氣凝膠珠粒)，更優(yōu)選將顆粒研磨至約等于或小于10微米。相信較小的氣凝膠顆粒能夠與絕緣材料的其它組分形成更均勻的混合物。相比大孔徑的氣凝膠，優(yōu)選具有較小孔徑的氣凝膠，例如平均孔徑約小于或等于100納米的氣凝膠。
氣凝膠可以是親水的也可以是疏水的。親水性氣凝膠通常具有較高的熱導率，約等于或大于18mW/mK，由于其吸水性，在某些熱絕緣和/或電絕緣用途中可能用處較小。疏水性處理的氣凝膠的熱導率通常約小于15mW/mK，低于親水性氣凝膠的熱導率，具有良好的防水性，使得它們特別適合許多熱絕緣用途。熱導率約等于或小于14mW/mK的疏水性氣凝膠可特別優(yōu)選地用于本發(fā)明所述的絕緣材料。研磨之類的粒度減小技術可能影響疏水性氣凝膠顆粒的一些外表面基團，使得部分表面變成親水性的，而顆粒內(nèi)部的疏水性質(zhì)得以保持。然而，具有部分表面親水性的氣凝膠與其它化合物的結合能力會獲得提高，可優(yōu)選地用于需要結合的用途。
本發(fā)明的材料還包含PTFE。最優(yōu)選的是PTFE顆粒小于氣凝膠顆粒，例如約為50納米至600微米；然而，也可使用具有類似尺寸的PTFE顆粒。PTFE初級顆粒的粒度約等于或大于50納米，優(yōu)選粒度約等于或小于600微米的PTFE聚集體。為形成本發(fā)明的材料，制備的氣凝膠/粘合劑混合物優(yōu)選包含約等于或大于40重量％的氣凝膠，或者約等于或大于60重量％，或者約等于或大于80重量％。優(yōu)選的混合物包含一種氣凝膠/PTFE混合物，該混合物包含約40重量％至95重量％，約40-80重量％的氣凝膠。氣凝膠/PTFE粘合劑混合物中PTFE顆粒的含量優(yōu)選約小于或等于60重量％，約小于或等于40重量％，或約小于或等于20重量％。優(yōu)選的混合物包含一種氣凝膠/PTFE混合物，該氣凝膠/PTFE混合物包含約5-60重量％的PTFE，約20-60重量％的PTFE?？赏ㄟ^改變混合物中氣凝膠與PTFE的重量百分比來部分地調(diào)節(jié)熱導率，粉化，可成形性和強度之類的性質(zhì)。例如，隨著氣凝膠比例增大，由該材料形成的結構的強度會減小，熱導率會降低。同樣的，PTFE比例較高的材料制得的結構的機械強度較高，可成形性較高，粉化較少。
本發(fā)明的材料可任選地包含其他組分?？稍跉饽z/PTFE粘合劑混合物中加入任選的組分，例如加入良好分散的遮光劑來減少輻射傳熱和改進熱性能，所述遮光劑包括例如炭黑，二氧化鈦，鐵的氧化物，碳化硅，硅化鉬，氧化鎂，聚二烷基硅氧烷(其中烷基包含1-4個碳原子)等。另外，任選地加入聚合物，染料(dies)，增塑劑，增稠劑，各種合成纖維和天然纖維，例如用來增大機械強度和得到一些性質(zhì)，例如顏色和熱穩(wěn)定性、彈性等。較佳的是，在用來制備本發(fā)明氣凝膠/PTFE粘合劑材料的混合物中，任選組分的加入量約小于10重量％。
本發(fā)明的材料可通過許多種方法制備，這些方法包括對氣凝膠和PTFE組分進行凝聚和干混。對包含PTFE的組合物的凝聚和干混是本領域已知的，在例如美國專利第4,985,296號和第6,218,000號中以及本文的實施例中進行了描述。一種特別有效的形成本發(fā)明材料的方法包括以下步驟形成氣凝膠顆粒的水分散體和PTFE分散體的混合物，通過攪拌或加入凝結劑使該混合物凝聚。通過PTFE在氣凝膠顆粒的存在下發(fā)生的共凝聚形成了PTFE和氣凝膠顆粒充分混和的混和物。凝聚物在約433.15K的對流烘箱內(nèi)除水和干燥。根據(jù)所用濕潤劑的種類，干燥的凝聚物可以是松散結合的粉末形式，或者是柔軟的塊狀物，該塊狀物可驟冷并研磨制成粉末狀的絕緣材料。這種粉末可進一步處理形成例如油灰，成形的結構或絕緣制品。
較佳的是，所述PTFE分散體是乳液聚合制備的高分子量PTFE顆粒的水性膠體分散體。PTFE乳液聚合法是已知的，可用來制備適用于本發(fā)明的材料的方法在文獻中(例如S.V.Gangal，″Tetrafluoroethylene Polymer″，Mark′s Encyclopedia ofPolymer Science and Engineering，第16卷，第577頁，John Wiley&Sons，1989)有廣泛的描述。合適的水性分散體包含約20-70重量％的PTFE，該PTFE包含粒度約為0.05-0.5微米的初級顆粒?？稍谑袌錾腺彽玫乃訮TFE分散體的例子包括TeflonTM30，TeflonTM35(購自E.I.Dupont de Nemours，Wilmington，Delaware)，和FluonTMAD300S，F(xiàn)luonTMAD704(購自Asahi Fluoropolymer，Chadds Ford，Pennsylvania)。因此，本發(fā)明另一實施方式涉及一種包含氣凝膠顆粒的水性分散體和高分子量PTFE顆粒的水性分散體的分散體。
還可使用包含細粉末PTFE的PTFE組分，該細粉末PTFE是通過使乳液聚合形成的PTFE分散體凝聚，對絮狀的凝聚物進行干燥，制成細粉末。優(yōu)選的PTFE細粉末通常具有極高的分子量，為PTFE初級顆粒的聚集體形式，該聚集體的粒度約為200-600微米。優(yōu)選的PTFE細粉末樹脂可在市場上購得，例如TeflonTM60，TeflonTM6C，TeflonTM610A(E.I.Dupont de Nemours，Wilmington，Delaware)和FluonTMCD123(Asahi Fluoropolymer，Chadds Ford，Pennsylvania)。干混的方法包括在存在或不存在潤滑劑的條件下干混氣凝膠和PTFE顆粒的處理步驟。在不同的剪切速率和溫度狀態(tài)下處理會使本發(fā)明材料中混合物組分的均一性發(fā)生變化，還會使制得的絕緣結構具有不同的機械強度。優(yōu)選的是，在較高剪切速率和較低溫度下干混的方法經(jīng)常會得到組分均勻性更高的材料，會制得具有更高機械強度的結構。
也可以在將本發(fā)明的材料模塑、成形或通過其他方法加工成結構或復合體的同時對該材料施加剪切應力或作用力，這會對所得材料的性質(zhì)造成影響。在一實施方式中，當在303.15-453.15K下施加剪切應力時，本發(fā)明的材料形成油灰。盡管不希望為理論所限，但是相信當PTFE初級顆粒在互相接觸的情況下變形時，PTFE顆粒通過形成原纖而連結(S.Mazur，″Paste Extrusion of Poly(tetrafluoroethylene)FinePowders″，見Polymer Powder Technology，第441頁，John Wiley&Sons，1995)。相信這些原纖的直徑約為0.02-0.1微米，通常約為0.04微米。還相信由剪切或拉伸形變造成的PTFE初級顆粒原纖化會導致形成支架狀或籠狀結構。較佳的是，PTFE顆粒的原纖與其他PTFE原纖或PTFE顆粒連結，形成網(wǎng)狀結構，氣凝膠顆粒位于此結構內(nèi)或周圍，從而與之連結起來。因此，對于包含氣凝膠顆粒和PTFE粘合劑的本發(fā)明的材料，認為由于PTFE相具有獨特的互連微結構，氣凝膠的連結獲得了改進，從而獲得了許多有益的特征，例如更好的可操作性，改進的可塑性，較低的粉化/顆粒脫落，更佳的撓性等等。
當本發(fā)明的材料包含氣凝膠顆粒和PTFE粘合劑時，″粘合劑″或″粘合″表示通過PTFE組分將氣凝膠顆粒固定在一起，或者將其與其他氣凝膠顆粒結合，或者與另外的任選組分結合起來。較佳的是至少一部分的PTFE組分是原纖化的，至少一部分的原纖與其他PTFE原纖連結或與PTFE顆粒連結，固定著氣凝膠顆粒，并將氣凝膠/PTFE結構結合在一起。因此，本發(fā)明優(yōu)選的材料包含氣凝膠顆粒和包含互連的原纖的原纖化PTFE組分。
PTFE初級顆粒的原纖化程度可取決于幾個因素，例如所施加的剪切力的大小，溫度，在初級顆粒之間是否存在潤滑液體等。相信原纖化程度較高的PTFE顆粒將制得具有較高可塑性、較低顆粒脫落和較高機械強度的結構或復合體。本發(fā)明優(yōu)選的是無粉化或低粉化的，盡管氣凝膠結合的程度或PTFE互連的程度隨一些因素(例如PTFE的量和所施加的剪切力的大小)而變化，但是相信這種結合能夠有益地減少絕緣材料模塑、撓曲、拉伸、扭曲、纏繞或進行其他操作時氣凝膠的粉化。圖1和圖2顯示了從PTFE顆粒延伸到其他PTFE原纖或顆粒的原纖。圖1是包含60重量％氣凝膠和40重量％PTFE的優(yōu)選的絕緣帶放大10000倍的SEM圖。圖2是包含80重量％氣凝膠和20重量％PTFE的優(yōu)選的絕緣帶放大10000倍的SEM圖。圖3是包含80重量％氣凝膠和20重量％PTFE的凝聚的氣凝膠和PTFE粉末混合物放大10000倍的SEM圖。圖1和圖2的帶通過施加剪切或拉伸力制得，其PTFE原纖化程度高于共凝聚的粉末(圖3)。
包含約40重量％至約大于80重量％氣凝膠的本發(fā)明優(yōu)選材料在大氣條件下的熱導率約等于或小于25mW/mK。這些材料的密度優(yōu)選約為100-400千克/立方米。更優(yōu)選的是熱導率小于或等于約20mW/mK的材料，最優(yōu)選在大氣條件下的熱導率約小于或等于17mW/mK。在一實施方式中，形成的絕緣材料包含疏水性氣凝膠顆粒與含有疏水性PTFE顆粒的粘合劑的混合物。形成的絕緣材料在大氣條件下是高度疏水和防水的；因此這些材料適合用于許多熱絕緣用途。
本發(fā)明的材料可占據(jù)至少兩個表面之間的空腔或空間，形成絕緣制品。這些表面可獨立地為撓性或剛性的。一個實施方式包括一種絕緣制品，該制品包括至少兩個表面，本發(fā)明的材料位于該制品至少第一表面和第二表面之間。較佳的是，其中至少一個表面是剛性表面，更佳的是，這些表面是固態(tài)非多孔性的。例如，具有至少兩個表面的制品可以是一個雙壁容器，例如雙壁管，低溫杜瓦瓶，歧管等。由此形成絕緣制品，所述材料可充分填充所述雙壁容器兩個壁之間的空間。圖6a和圖6b分別是本發(fā)明絕緣制品的優(yōu)選實施方式的半截面和截面示意圖，該制品包括具有環(huán)狀管空腔64的雙壁管，本發(fā)明的材料61位于兩個管壁表面62和63之間的空間內(nèi)?；蛘弑景l(fā)明的材料可包含在撓性表面(例如橡膠、聚合物、薄金屬化箔、織物等)之間，用于在衣物中使用絕緣襯墊的用途，例如用于手套、鞋類或用于外衣。
本發(fā)明的材料可形成油灰，或通過模塑或成形制成任何所需的形狀，例如圓柱形、球形、矩形等形狀，從而形成絕緣結構?？刹捎萌魏我阎姆椒▽⑺霾牧夏Ｖ苹虺尚纬啥S或三維形狀的一定結構，這些方法是例如輥軋加工，壓延，壓塑，和糊料擠出。優(yōu)選的絕緣結構在常壓下的熱導率約等于或小于25mW/mK，更優(yōu)選約小于或等于20mW/mK，最優(yōu)選約小于或等于17mW/mK。優(yōu)選的結構的密度約為100-400千克/立方米。形成本發(fā)明絕緣結構的優(yōu)選方法包括提供包含氣凝膠顆粒和PTFE粘合劑的材料，對該材料施加剪切力，使該材料成形、形成具有一定形狀的絕緣結構，所述絕緣結構在常壓條件下的熱導率小于或等于25mW/mK。
本發(fā)明一實施方式涉及一種成形的絕緣結構，該結構包含已經(jīng)制成帶的本發(fā)明的材料。優(yōu)選的是，帶的厚度約大于或等于0.5毫米，優(yōu)選約為0.5-10毫米。一種優(yōu)選的形成帶的方法是糊料擠出法，在此方法中可制成具有良好的機械強度性質(zhì)，并且是低粉化至無粉化的帶。用來糊料擠出PTFE的方法是眾所周知的(″Finepowder processing guide″202809A(2/91)，見Dupont Polymers，Wilmington，Delaware)，該方法適用于本發(fā)明。在此方法中，將包含氣凝膠和PTFE的共凝聚粉末與潤滑劑均勻混合，制備潤滑的粉末。也可使用包括烴類潤滑劑，例如礦油精、溶劑石腦油等之類的潤滑劑?；诟煞勰┲械臍饽z含量，以干粉末的重量為100重量份計，潤滑劑的含量可約為100-400重量份?？蓪櫥姆勰?，或預成形形狀的潤滑的粉末加入糊料擠出機的筒內(nèi)，用錘體擠壓，并且在此之后使用壓力輥沿擠出方向任選地進行輥軋，制得成形的制品。然后干燥該制品除去潤滑劑。如更早的專利例如美國專利第2,400,099號；第2,593,583號；第4,153,661號和第4,460,642號所述，另一種常用的形成絕緣帶結構的方法使用雙輥加工。
另一實施方式涉及一種復合結構，該復合結構包括置于兩個層之間的本發(fā)明材料。本發(fā)明的材料作為這兩個層之間的芯，這兩個層可以是例如薄膜、膜或箔，或其組合，根據(jù)用途，這兩個層的組成可相同或不同。各個層可任選地包含多層形式，例如層疊體、涂層等。至少一個層可以是能夠滲透氣體或液體，或不能夠滲透氣體或液體的。較佳的是，至少一個層由以下材料制成聚合物，例如膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)，聚氨酯，硅氧烷，聚乙烯，聚酯等；橡膠；金屬箔，例如鋁或銅；或金屬化的聚合物箔。
可將芯材料模塑成任意所需的厚度，其密度優(yōu)選為100-400千克/立方米。根據(jù)用途，優(yōu)選將復合結構制成厚度約大于或等于0.5毫米、優(yōu)選約0.5-50毫米或更厚的帶或壓塑部件。較佳的是，芯絕緣材料中的氣凝膠含量約大于或等于40重量％，約大于或等于60重量％，或約大于或等于80重量％。在一實施方式中，本發(fā)明的材料形成結合在兩個外層之間的芯。在一實施方式中，芯材料與復合體的至少一個外層結合，例如將芯材料與適用于本發(fā)明的表面，例如膜或薄膜粘合或粘結。也可形成一種復合結構，其中芯材料無需粘合劑化合物即可與外層結合。然而，除了非粘合性結合以外，也可使用粘合劑，例如含氟聚合物、氨基甲酸酯、硅氧烷、環(huán)氧化合物和其它合適的粘合劑。圖4是本發(fā)明的帶的截面圖，該帶具有兩個外層41a和41b，以及位于外層之間的絕緣材料芯42，所述外層可以是相同或不同的。圖5是一個帶放大50倍的SEM圖，該帶具有兩個外部膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜層，在這些層之間具有包含60重量％氣凝膠和40重量％PTFE的絕緣材料。
本發(fā)明一實施方式是一種用于包括管子和容器絕緣用途的包覆用途中的絕緣復合帶結構。優(yōu)選的結構包括芯絕緣材料和兩個膨脹的聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜層，所述芯絕緣材料包含40-80重量％的氣凝膠，以及任選的含量少于約10重量％的遮光劑，例如炭黑或TiO2。芯可在使用或不使用粘合劑的情況下與兩個ePTFE層結合。然而，當該用途或材料選擇需要較強的結合時，可優(yōu)選地使用粘合劑?？墒褂脦Ы^緣結構來包覆管子之類的物品，從而形成絕緣管，例如用于低溫管道、海底輸油管道和輸氣管道等的絕緣管；各種容器；長反應器和杜瓦瓶。用于包覆用途的絕緣帶是高度撓性的，可以包覆在直徑約小至5毫米的制品周圍而不發(fā)生粉化或破裂，并且熱導率不會發(fā)生任何重大的改變或增加?！逯卮蟮摹灞硎緹嵝再|(zhì)的改變約為±1至3mW/mK。圖7是本發(fā)明絕緣制品的示意圖，該示意圖顯示用本發(fā)明的帶71包覆的管72的透視圖。
另一實施方式是一種復合結構，在此結構中至少一個層是不能滲透液體和/或氣體的。不滲透層可選自例如ePTFE之類的能夠使結構即使在幾百千帕壓力下的液態(tài)水也無法滲透的薄膜。另外，可使用金屬箔或金屬化的聚合物箔形成抗氣體滲透的復合體。適用于本發(fā)明的金屬箔包括鋁或銅。例如金屬化的聚酯膜可用作能夠在低于10千帕的真空壓力下支承若干年的氣體不可滲透層。不滲透性復合體可用于需要材料具有抗有毒氣體和活性氣體能力的用途，包括軍事應用，工業(yè)用途等。
在一實施方式中，本發(fā)明的材料是密封的不滲透性外層之間的芯，它們形成了密封的不滲透性復合體，通過施加真空降低此密封的復合體中的壓力，進一步減小了該復合體的熱導率。本發(fā)明優(yōu)選的材料包含約40-95重量％的氣凝膠，用于該復合體需要處于約10-6千帕的真空至約100千帕的條件下的用途中。在常溫和約1.5千帕的真空下測得，優(yōu)選的材料的熱導率約小于或等于10mW/mK，更優(yōu)選約4-10mW/mK。更優(yōu)選本發(fā)明的材料還適用于在低溫和減壓的冷凍條件下的冷凍用途，在此條件下該材料的熱導率進一步減小。例如在約77K的冷凍溫度下，本發(fā)明一實施方式在常壓下的熱導率為13.7mW/mK，在1.33×10-4千帕的真空下的熱導率約為1mW/mK。在另一實施方式中，在約10千帕的低壓力負載下(這是手套用途中經(jīng)常達到的壓力水平)，由于氣凝膠和PTFE顆粒之間較大的孔的孔徑的減小，優(yōu)選的復合體的熱導率會減小約1-3mW/mK。最優(yōu)選的帶結構在被施加約10千帕的單向壓力時具有低可壓縮性，其可壓縮性僅約高達25％。
在另一實施方式中形成一種復合體，在此復合體中至少一個外層可滲透氣體和蒸氣。可滲透層可包括含有以下物質(zhì)的層ePTFE或其他微孔薄膜，織造或非織造織物，紙張等。蒸氣滲透性復合結構可由蒸氣滲透性外層和能夠使蒸氣分散滲透的PTFE-氣凝膠芯材料形成。用于該復合體外層的蒸氣或氣體滲透性薄膜的例子包括含有ePTFE，硅氧烷，聚氨酯，聚碳酸酯，紙張和其他多孔的氣體滲透性薄膜的層，可用于需要或要求具有水蒸氣滲透性、或透氣性的用途，例如“透氣性”服裝和鞋類，“透氣性”覆蓋層可其他種類的“透氣性”絕緣材料。在一些戶外服裝之類的用途中，需要有透氣性和液體水不滲透性。使用水蒸氣滲透性聚合物的微孔薄膜或連續(xù)聚合物膜或涂層可作到這一點，所述水蒸氣滲透性聚合物是例如親水性聚氨酯類，聚酯等。本發(fā)明一優(yōu)選實施方式是一種蒸氣滲透性復合結構，該復合結構包括結合在兩個包括ePTFE薄膜的外層之間的PTFE-氣凝膠材料芯。
還優(yōu)選由彈性薄膜層和位于其之間的芯材料形成的可拉伸復合體。優(yōu)選的彈性層是熱塑性彈性體。還優(yōu)選包含聚氨酯、聚酯、聚酰胺及其共聚物的層。優(yōu)選的可拉伸絕緣帶能夠回復其大部分或全部的初始尺寸，能夠可釋放地拉伸而不會使其熱性質(zhì)發(fā)生顯著的變化或降低?！帮@著的”表示熱性質(zhì)的變化約為±1至3mW/mK。適用于本發(fā)明的彈性層包括聚氨酯、硅氧烷等，及其共聚物?？衫旖^緣復合體的用途包括服裝，特別是手套、短襪、帽子和可拉伸衣服、絕緣覆蓋層、保暖救生衣，絕緣襯墊，絕緣繃帶等。
可通過本領域已知的任何用來形成多層復合體的方法制造具有位于外層膜或薄膜層之間的材料芯的復合體從而形成絕緣結構，所述方法是例如真空成型，連續(xù)輥軋?zhí)幚?，擠出，層壓，熱壓，粘合劑或非粘合劑結合等。根據(jù)其組成，外層向帶提供強度、耐久性、彈性和其它性質(zhì)。
較佳的是，本發(fā)明材料制得的結構和復合結構，例如片材或帶材適于切割，可切割成適于絕緣物品的形狀，所述絕緣物品是例如冷卻器，餐具箱，杜瓦瓶，手、腳或其他身體部位，以及電子器件，例如手提電腦，手機等?？蓪⒔^緣結構切割成絕緣襯墊，這些絕緣襯墊通過膠粘、縫合或包在雙壁容器中材料(例如織物、金屬、紙板等)的多個層或多個套之間而結合在物品中。優(yōu)選在切割表面時無粉化的復合帶。可將帶或片模塑成三維形狀，用來使不規(guī)則形狀的對象絕緣。例如，可如圖所示地制造用于靴子或手套的襯墊或襯里，例如，圖8a顯示了手套的情況。圖8a是本發(fā)明的絕緣手套襯墊80的示意圖，圖中所示的復合體包括兩個外部復合層81a和81b，以及位于層81a和81b之間的本發(fā)明的絕緣材料82。本發(fā)明的絕緣制品可具有一個或多個襯墊。例如，可將絕緣襯墊置于手套的手掌側(cè)面，可固定在外部和內(nèi)部織物層(圖8b，84a和84b)之間。或者可如圖8b所示將絕緣襯墊80同時置于手掌的上表面83a和下表面83b。通過本領域已知的任何固定織物層或其他絕緣材料的方法將各襯墊結合入制品中，固定85在內(nèi)織物層84a和外織物層84b之間，這些方法是例如使用粘合劑，縫合等。絕襯墊80可以是包括本發(fā)明絕緣材料的結構，也可以是復合絕緣結構。同樣的，用于靴子的襯墊可置于鞋子的上表面，例如上部鞋頭區(qū)域，以及鞋底面?？墒褂帽绢I域已知的任何用來結合鞋層和絕緣材料的方法將襯墊結合入鞋內(nèi)，可通過縫合、粘合等方法將襯墊固定在織物、皮革、塑料等內(nèi)部鞋材料和外部鞋材料之間。
在另一實施方式中，可將絕緣結構用于可移動電子設備，例如筆記本電腦，PDA(個人數(shù)字助理)，手機等。隨著這些設備的外殼尺寸的減小和/或設備功能的增加，對熱的處理成為了難題。功能增強經(jīng)常會使電子設備中某些元件產(chǎn)生更多的熱量。外殼尺寸減小使得產(chǎn)生熱量的元件與外殼更為接近，使元件向外殼表面?zhèn)鳠岣臃奖?。在這些情況下，與使用者直接接觸的外殼可能會熱得令人感覺不適。絕緣材料可在生熱元件(heat generating component)和設備外殼之間形成有效的阻擋層，從而消除或延遲了從某些元件向至少一部分將與使用者直接接觸的設備外殼表面的熱傳遞。至少一部分與使用者接觸的設備外殼的溫度將得到降低，因此使用者可以更為舒適地使用設備?；蛘呓^緣材料可以在設備外殼和使用者之間形成阻擋層，從而消除或延遲了在加熱的設備外表面與使用者之間的熱傳遞。
在一實施例中，如圖9所示，圖中顯示具有至少一個絕緣結構91的手機，該絕緣結構91可置于具有生熱元件95(例如功率放大器，多媒體處理器等)的印刷電路板92和經(jīng)常與使用者的面部(未顯示)接觸的手機鍵盤外殼表面96之間。也可將絕緣結構91置于具有生熱元件95的印刷電路板92和會接觸使用者的手(未顯示)的手機背面外殼表面94之間。在另一實施方式中(未顯示)，可將絕緣結構91置于外殼表面94或96之外，例如可將絕緣結構置于至少一部分設計成與使用者的手接觸的外殼外表面上。在圖10中，顯示了具有絕緣結構101的筆記本電腦，其中絕緣結構101置于具有CPU(中央處理器)或GPU(圖形數(shù)據(jù)處理單元)之類的生熱元件105的印刷電路板102和經(jīng)常會與使用者的膝部(未顯示)接觸的筆記本電腦外殼底面104之間。在另一實施方式中(未顯示)，可將絕緣結構101置于至少一部分外殼底面104之外。較佳的是，絕緣元件結合在可能與使用者的膝部接觸的一部分外殼外表面上。
在另一實施方式中，便攜式電子設備包括電子設備，例如手機或計算機，和攜帶式儀器箱(carrying case)，該攜帶式儀器箱包括絕緣結構。較佳的是，可將絕緣結構置于攜帶式儀器箱的多個層之間。
較佳的是，低熱導率的絕緣結構可制得足夠薄，以便在結合入這些設備中或設備外時不會使外殼的尺寸有任何增加或顯著的增加。優(yōu)選的用于電子設備的絕緣結構包括本發(fā)明的絕緣材料，該絕緣結構為帶狀或片狀形式，通過模剪切基片或其它方法形成一定的尺寸，以便簡單地適于設備中未使用的空間。優(yōu)選的復合體包括結合在兩個ePTFE之類的外層之間的本發(fā)明的絕緣材料，但是也可使用不包括外層的絕緣結構?？蓪⑵渌牧辖Y合入電子設備中，與絕緣材料結合起作用，所述其它材料是例如高熱導率材料。可設置高熱導率材料，故意將熱量從外殼表面?zhèn)鲗ё?，而不是阻擋或延遲熱量的傳導。
本發(fā)明一實施方式涉及一種便攜式電子設備，該設備包括至少一種生熱元件，外殼，以及置于所述生熱元件和外殼之間的至少一種絕緣結構。盡管該絕緣結構可與生熱元件和外殼直接相鄰，但是預期可以在該結構的組成之間設置其它的與熱絕緣無關的元件。另外，揭示了一種使使用者更舒適地使用便攜式電子設備的方法，該方法包括以下步驟提供具有至少一種生熱元件和具有表面的外殼的便攜式電子設備，將絕緣結構置于生熱元件和外殼之間，阻止或延緩產(chǎn)生的熱量從所述元件向所述外殼表面的至少一部分的傳輸?；蛘咴摲椒òㄒ韵虏襟E在所述外殼和使用者之間設置絕緣結構，防止或延遲所述至少一種元件產(chǎn)生的熱量向使用者的傳輸。
通常本發(fā)明氣凝膠/PTFE材料的最終結構的性質(zhì)優(yōu)選是具有比其它絕緣材料更佳的可成形性，減少的粉化，增強的機械強度和更低的熱導率，這些性質(zhì)可部分地取決于混合物中PTFE和氣凝膠的比例。材料的熱導率還可取決于本發(fā)明材料中的孔徑分布，氣凝膠和PTFE的粒度分布，以及在模塑或帶成形過程中的壓縮程度，或所得的絕緣材料的密度。如果所述絕緣材料或結構中存在約大于100納米的孔，即大于空氣分子的平均自由程(mean free path)的孔，會使得結構的熱導率增大。以下實施例用來說明可用于本發(fā)明一些實施方式的組成和性質(zhì)的范圍，本發(fā)明并非僅限于這些實施例。
試驗試驗1顆粒從絕緣結構脫落使用用來測量注射中的顆粒物質(zhì)的USP 788法測定從絕緣結構脫落的顆粒數(shù)。將小塊絕緣材料樣品(約0.64厘米×0.32厘米至1.3厘米×1.3厘米)置于燒杯中的150-200立方厘米的50重量％去離子水和50重量％異丙醇的混合物中，該燒杯浸入超聲波水浴中。這些顆粒用超聲提取2分鐘(Branson 2200超聲波浴)。在試驗之前用0.22微米的微孔甲基纖維素過濾器過濾異丙醇/水混合物。使用裝有8000A計數(shù)器和MC200激光器的HIAC Royco Liquid Syringe Sampler3000A，采用激光器顆粒計數(shù)(LPC)技術，在100立方厘米/分鐘下，在0.2-5微米范圍內(nèi)測量每單位體積中脫落顆粒的數(shù)量。用包含絕緣材料的樣品中顆粒數(shù)減去空白樣品中顆粒數(shù)(背景計數(shù))，得到每單位體積脫落顆粒的數(shù)量。背景計數(shù)至少小于所有測量的樣品計數(shù)的千分之一。使用公式(樣品計數(shù)/立方厘米-空白計數(shù)/立方厘米)×提取體積(立方厘米)/提取面積(克)計算每克絕緣材料的脫離顆粒數(shù)。每單位面積絕緣材料的顆粒脫落數(shù)由以下公式計算(樣品計數(shù)/立方厘米-空白計數(shù)/立方厘米)×提取體積(立方厘米)/提取面積(平方厘米)。數(shù)值由樣品的已知形狀及其體積密度計算。通過在0.2-2.5微米范圍內(nèi)的脫落顆?？倲?shù)求和，計算每單位質(zhì)量和單位面積中脫落顆粒的總數(shù)。
試驗2熱導率測量使用按常規(guī)制造的熱流計熱導率測試儀在大氣條件下(約298K和101.3千帕)測量本發(fā)明樣品的熱導率。該測試儀包括一個加熱的鋁板，在此鋁板的表面上嵌有熱流傳感器(FR-025-TH44033型，Concept Engineering，Old Saybrook，Connecticut)和溫度傳感器(熱敏電阻)，還具有保持在室溫的第二鋁板，在其表面上嵌有溫度傳感器。
將加熱的板的溫度保持在309.15K，同時將″冷的″板保持在298.15K。在覆蓋著所述熱導率測試儀的板的兩層鋁箔(厚度約為0.02毫米)之間進行熱流測量(單位為瓦/平方米開爾文)。板的直徑約為10厘米。使用數(shù)字千分尺(日本，Mitutoyo公司，ID-F125E型)測量兩個薄的剛性表面之間的樣品厚度。通常在樣品置于測試儀中，達到穩(wěn)態(tài)后的2至5分鐘內(nèi)進行熱流測量。
根據(jù)下式，由測得的熱流和樣品的厚度計算熱導率k＝L/(1/Q-1/Q0)，式中k是熱導率，單位為mW/mK，L是樣品厚度，單位為毫米，Q是熱流，單位為瓦/平方米開爾文，Q0是未放置樣品時的熱流(Q0＝100瓦/平方米開爾文)。
實施例實施例1制備了包含約80重量％氣凝膠顆粒和約20重量％PTFE的無粉化材料油灰。
通過向25升的容器加入約8.75千克異丙醇(VWR InternationalInc.，Bridgeport，New Jersey)和8.75千克去離子水，在750rpm下攪拌約5分鐘，制得了包含約0.8千克疏水性表面處理的二氧化硅粉末氣凝膠(Nanogel aerogel，OJ0008級，Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts)(噴射研磨至粒度約為7微米)的4.37重量％的分散體。然后將攪拌速率增加到1500rpm。將約0.2千克的分散體中的PTFE顆粒，即0.875千克的23重量％聚四氟乙烯水分散體(TEFRMS 153，DuPont，Wilmington，Delaware)快速倒入該攪拌的混合容器中。然后立刻將約0.5千克的0.4重量％的Sedipure表面活性劑溶液(CF803，Tensid-Chemie Vertriebsgesellschaft mbH，BASF Group，Koeln，德國)倒入該混合物中。漿液中的固體總量約為5.1重量％。共凝聚約在1.5分鐘內(nèi)完成。
將包含共凝聚物的漿液倒入位于過濾介質(zhì)上的孔板，在約1小時內(nèi)排去液相。流出物包含約0.1重量％的固體，是澄清的。凝聚物在433.15K的對流烘箱內(nèi)干燥48小時。該材料干燥形成厚約20毫米的塊。該塊驟冷至約低于263.15K，采用最小向下作用力和致密的圓周運動手工研磨，通過3.175毫米篩孔的不銹鋼篩網(wǎng)過篩，在此過程中將材料的溫度保持在約低于263.15K。在圓形模(直徑約76.2毫米，厚約6.35毫米)內(nèi)將絕緣材料手工壓制成容積密度約為181千克/立方米的油灰。用油灰的質(zhì)量除以圓形模具的體積來確定油灰的密度。
根據(jù)上述用來測量熱導率的試驗(試驗2)測量模塑的塊的熱導率。模塑的塊的熱導率約為13.52mW/mK。
實施例2制備了一種絕緣復合體，該復合體包括包封在ePTFE薄膜內(nèi)的包含80重量％氣凝膠和20重量％PTFE的芯材料。
將實施例1的材料倒入尺寸為12厘米×13.3厘米×0.8厘米的矩形模具中，輕輕壓成油灰。將包括油灰的模具置于兩層鍍鋁的塑料箔之間。然后移去模具，將模塑的油灰剩在兩層箔之間。使用鐵水將圍繞著模塑的油灰的箔的三側(cè)密封，形成包封。將此包括油灰的包封移入真空封裝機，在1.5千帕的真空下封裝該包封的第四條邊。
最終的真空封裝形式有很高的撓性，在撓曲時不會發(fā)生劈裂或折邊(edge)，其總厚度為7.12毫米，基本根據(jù)上述熱導率測量試驗(試驗2)進行測量時，其熱導率為9.55mW/mK。
實施例3用包含約80重量％氣凝膠和約20重量％PTFE的材料制造絕緣結構。
在75.7升的敞開混合容器中，將約29.2千克的去離子水加入約29.2千克的異丙醇(VWR International，Inc.，Bridgeport，New Jersey)中。向其中加入約2.68千克疏水性表面處理的二氧化硅氣凝膠(Nanogel aerogel，OJ0008級，購自Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts；噴射研磨至粒度約為7微米)。整個混合物使用標準的螺槳式葉輪在1500rpm下攪拌4分鐘，然后在1000rpm下再攪拌4分鐘，制得均勻的漿液。向此漿液以包含約26.3重量％固體的分散體(TEFRMS 153，DuPont，Wilmington，Delaware)形式加入0.68千克PTFE固體。該混合物在1000rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌1分鐘，使PTFE在二氧化硅氣凝膠的存在下凝聚。所得凝聚物如實施例1所述地過濾、干燥、驟冷并過篩形成顆粒狀粉末。
將約0.82千克的上述粉末與2.1千克Isopar KTM液體(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合。對該混合材料施加至少3.3千帕的真空，然后以0.33米/分鐘的速率將其擠過模頭(die)，在擠出過程中溫度保持在約322.15K。該模頭具有寬178毫米、高2毫米的矩形開口。擠出的片材在約473.15K的對流烘箱中干燥除去Isopar K烴類液體。
該絕緣結構是可加工的，而且是無粉化的，厚度約為2.4毫米?；靖鶕?jù)上述熱導率測量試驗(試驗2)測量其熱導率，結果約為15.1mW/mK。
使用試驗1“從絕緣結構脫落的顆?！彼龅姆椒y量從該絕緣結構脫落的顆粒數(shù)。用于該試驗的樣品是矩形的，其尺寸為1.3厘米×1.3厘米×0.245厘米，其密度為261千克/立方米。將該樣品的脫落與兩種不同的Aspen氣凝膠覆蓋層(AspenAerogels，公司，Marlborough，Massachusetts)，Aspen AR3100(不含炭黑)和AspenAR5200(含炭黑)比較。Aspen AR3100樣品的尺寸為1.3厘米×1.3厘米×0.64厘米，密度為100千克/立方米。Aspen AR5200樣品的尺寸為0.64厘米×0.32厘米0.32厘米，密度為100千克/立方米。表1所列的結果是三個絕緣樣品的測量平均值，其單位為空顆粒/平方厘米樣品和總顆粒/克樣品。結果表明本發(fā)明絕緣結構的顆粒脫落少于Aspen AR3100和AR5200。表2基于Aspen氣凝膠覆蓋層與實施例3的絕緣結構總顆粒脫落之比進行比較。
表1從實施例3的絕緣結構和Aspen氣凝膠覆蓋層(Aspen AR3100和AspenAR5200)脫落的顆?？倲?shù)的比較。
表2Aspen氣凝膠覆蓋層與實施例3的絕緣結構的總顆粒脫落比
實施例4制備了包含約55重量％氣凝膠和45重量％PTFE的絕緣材料。
在75.7升的敞開容器中，使用標準旋槳式轉(zhuǎn)輪，在約600rpm的轉(zhuǎn)速下對以下物質(zhì)混和攪拌約30秒，制成它們的混合物約65.3千克去離子水，約2.22千克異丙醇(VWR International，Inc.，Bridgeport，New Jersey)和約0.44千克Zonyl FSOTM含氟表面活性劑(Dupont Fluoropolymers，Wilmington，Delaware)。在大約2300至2600rpm的轉(zhuǎn)速下，逐漸加入大約1.54千克的二氧化硅氣凝膠(Nanogel aerogel，OJ0008級，Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts)(噴射研磨成粒度約為7微米)。繼續(xù)攪拌6分鐘，直至得到均勻的二氧化硅氣凝膠漿液。將此漿液移至190升的密閉容器內(nèi)，用旋槳式轉(zhuǎn)輪在大約600rpm的轉(zhuǎn)速攪拌3分鐘，然后加入4.92千克固體含量約為25.8重量％的PTFE分散體。繼續(xù)在600rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌，PTFE與二氧化硅氣凝膠共凝聚。攪拌3分鐘之后，將此混合物倒入位于過濾介質(zhì)上的孔板以排掉液體。過濾之后的凝聚物在大于438.15K干燥約24小時。干燥的凝聚物是松散結合的粉末形式，儲存在大約253K的冷凍器中。
實施例5由包含約55重量％氣凝膠和約45重量％PTFE的材料制備絕緣帶結構。
將實施例4的材料和Isopar KTM(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比約為2.5千克Isopar KTM液體比1千克固體材料?；旌系牟牧显诖蠹s322.12K保持至少24小時。對混合的材料施加至少約3.3千帕的真空，然后以0.25米/分鐘將其擠過直徑25毫米的圓筒。所用的模頭具有寬25毫米、高0.8毫米的矩形開口。模頭和圓筒的溫度都保持在約322.15K。
擠出的絕緣帶的寬度為25毫米，在473K的回流爐內(nèi)干燥60分鐘。所得的帶材牢固、可加工、可彎曲、可折疊而且無粉化。絕緣帶的厚度為1.08毫米。基本依照上述熱導率測量試驗(試驗2)測量25毫米寬的帶的熱導率，其不同之處在于將第一層的4條帶材并列放置在測試板上，然后放置類似的另外一層4條帶材，其取向與第一層垂直。測得的熱導率約為17.9mW/mK。
實施例6由包含約55重量％氣凝膠和約45重量％PTFE的材料制備絕緣結構。
將實施例4的材料和Isopar K(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比約為2.5千克Isopar K液體比1千克固體材料。混合的材料如實施例3所述柱塞擠出。對混合的材料施加至少約3.3千帕的真空，然后以0.25米/分鐘將其擠過直徑25毫米的圓筒。所用的模頭具有寬178毫米、高0.8毫米的矩形開口。模頭和圓筒的溫度都保持在約322.15K。
擠出的絕緣帶在473K的回流爐內(nèi)干燥60分鐘。所得絕緣帶結構的厚度約為2.5毫米，密度約為250千克/立方米，寬度約為148毫米。基本依照上述熱導率測量試驗(試驗2)測量所述帶的熱導率，測得的熱導率約為18.9mW/mK。
實施例7制造了一種絕緣復合帶，這種帶具有包含約55重量％氣凝膠和約45重量％PTFE的芯材料，以及兩個ePTFE薄膜外層。
通過加熱和施壓將實施例6的絕緣帶與兩層膨脹的ePTFE薄膜層壓起來，形成具有復合結構。制得的層狀結構具有ePTFE薄膜(W.L.Gore&Associates，Inc.，Elkton，Maryland)的第一層，該層的厚度約為28微米，平均流動孔徑(mean flow pore size)約為0.21微米，每單位面積的質(zhì)量約為16.9克/平方米，在其上輕輕噴灑沉積含氟熱塑性粉末(DyneonTMTHVTM220A，Dyneon LLC，Oakdale，Minnesota)。將實施例6的絕緣帶置于第一層上，然后在該帶頂上再噴灑THV 220A，形成第二層ePTFE薄膜。使用Carver Press在大約473.15K、300千帕的條件下對整個層狀結構擠壓3分鐘。
所得的絕緣復合結構的厚度約為2.6毫米，密度約為250千克/立方米，基本根據(jù)上述熱導率測量試驗(試驗2)測得其熱導率約為18.4mW/mK。
實施例8制造了一種絕緣復合帶，這種帶具有包含約55重量％氣凝膠和約45重量％PTFE的芯材料，以及兩個聚氨酯薄膜外層。
通過加熱和施壓將實施例6的絕緣帶與兩層熱塑性聚氨酯膜層壓起來，形成復合結構。制得的層狀結構在絕緣帶的兩面具有第一層和第二層的聚氨酯(Dureflex(IPT1710S，Deerfield Urethanes，Inc.，South Deerfield，Massachusetts)膜，該膜的厚度約為25.4微米。使用Carver Press在大約423.15K、340千帕的條件下對該層狀結構熱層壓約2分鐘，形成絕緣復合結構。所得的絕緣復合結構的厚度約為2.6毫米，密度約為250千克/立方米，基本根據(jù)上述熱導率測量試驗(試驗2)測得其熱導率約為17.2mW/mK。
實施例9制備了包含約75重量％氣凝膠和約25重量％PTFE的材料。
在3.6升的容器中，將大約2.1千克的去離子水和0.07千克的異丙醇(VWRInternational Inc.，Bridgeport，New Jersey)與大約0.021千克Zonyl FSOTM含氟表面活性劑(DuPont Fluoropolymers，Wilmington，Delaware)混合。在2000rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌的同時，向該混合物中逐漸加入約0.07千克二氧化硅氣凝膠(Nanogel aerogel，OJ0008級，Cabot Corp.，Billerica，MA)(噴射研磨至粒度約為7微米)，從而形成分散體。繼續(xù)攪拌6分鐘，直至得到均勻的漿液。在1500rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌的同時，向此漿液中加入約0.0877千克固體含量約為26.6重量％的PTFE分散體。繼續(xù)在1500rpm下攪拌約2分鐘，PTFE與二氧化硅氣凝膠共凝聚。
將包含凝聚物的液體倒在多孔板上進行過濾。濾出的凝聚物在438.15K干燥約24小時。干燥的凝聚物為松散結合的粉末形式。
實施例10由包含約75重量％氣凝膠和約25重量％PTFE的材料制備絕緣帶結構。
將實施例9的材料和Isopar K(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比約為3.0千克Isopar K比1千克絕緣材料?；旌系牟牧显诖蠹s322.12K保持至少24小時。以0.25米/分鐘將混合的材料擠過直徑25毫米的圓筒以及具有寬25毫米、高8毫米的矩形開口的模頭。模頭和圓筒的溫度都保持在約322.15K。
擠出的絕緣帶的寬度為25毫米，在473K的回流爐內(nèi)干燥60分鐘。所得的帶材牢固、可加工而且無粉化，厚度為1.07毫米?；疽勒諏嵤├?測量帶的熱導率，測得的熱導率約為15.2mW/mK。
實施例11制備了包含約55重量％氣凝膠，40重量％PTFE和約5重量％炭黑的材料。
在一3.6升的容器中，將2千克去離子水與大約0.0142千克烴類表面活性劑(Tomadol 1-5TM，Tomah Products Inc.，Milton，Wisconsin)混合。加入約0.0641千克二氧化硅氣凝膠(Nanogel aerogel，OJ0008級，Cabot Corp.，Billerica，Massachusetts)(噴射研磨至粒度約為7微米)，從而形成分散體。該分散體在2000rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌約3分鐘，形成均勻的漿液。在另一個容器內(nèi)，通過在1500rpm下攪拌約2分鐘，將0.006千克炭黑(Ketjenblack EC300J，Akzo Nobel Polymer Chemicals，Chicago，Illinois)分散在0.5千克去離子水中。然后將炭黑漿液加入二氧化硅氣凝膠漿液中，在1500rpm混合約2分鐘。在1500rpm的轉(zhuǎn)速下攪拌的同時，向此漿液混合物加入約0.1754千克的固體含量約為26.6重量％的PTFE分散體。
攪拌約2分鐘后，對包含凝聚物的液體進行過濾，凝聚物在約438.15K干燥約24小時。干燥的凝聚物為自由流動的細粉末形式。
實施例12由包含約55重量％氣凝膠、約40重量％PTFE和約5重量％炭黑的材料制備絕緣帶結構。
將實施例11的材料和Isopar K(Exxon Corporation，Houston，Texas)混合，其混合比約為2.79千克Isopar K比1千克絕緣材料?；旌系牟牧显诖蠹s322.12K保持至少24小時。對混合的材料施加至少約為3.3千帕真空之后，以0.25米/分鐘將其擠過直徑25毫米的圓筒，所用的模頭具有寬25毫米、高0.8毫米的矩形開口。模頭和圓筒的溫度都保持在約322.15K。擠出的絕緣帶在473K的回流爐內(nèi)干燥約60分鐘。
擠出的絕緣帶是牢固、可加工而且無粉化的。絕緣帶厚度為1.02毫米，密度為210千克/立方米?；疽勒諏嵤├?測量帶的熱導率，測得的熱導率約為16.5mW/mK。
權利要求
1.一種材料，該材料包含氣凝膠顆粒，聚四氟乙烯粘合劑，其中，該材料在大氣條件下測得的熱導率小于或等于25mW/mK。
2.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在大氣條件下測得的熱導率約小于或等于20mW/mK。
3.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在大氣條件下測得的熱導率約小于或等于17mW/mK。
4.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的平均孔徑約小于或等于100納米。
5.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的含量約大于或等于40重量％。
6.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的含量約大于或等于60重量％。
7.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的含量約大于或等于80重量％。
8.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠由無機氧化物形成。
9.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠是二氧化硅氣凝膠。
10.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料由粒度約為50納米至600微米的聚四氟乙烯顆粒形成。
11.如權利要求1所述的材料，該材料還包含至少一種選自遮光劑、染料、纖維和聚合物的另外組分。
12.如權利要求11所述的材料，其特征在于，所述遮光劑是炭黑、二氧化鈦、氧化鐵、碳化硅、硅化鉬、氧化鎂或聚二烷基硅氧烷，其中所述烷基包含1-4個碳原子。
13.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是粉末。
14.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是可成形的或可塑性的。
15.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是油灰。
16.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料在雙壁容器的兩個壁之間。
17.如權利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料是帶材。
18.一種結構，該結構包括兩個層，和結合在這兩個層之間的材料，其中，所述材料包含氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯粘合劑。
19.如權利要求18所述的結構，其特征在于，至少一個層是不可滲透液體的。
20.如權利要求18所述的結構，其特征在于，至少一個層是不可滲透氣體的。
21.如權利要求19所述的結構，其特征在于，至少一個層選自金屬箔和金屬化的聚合物膜。
22.如權利要求20所述的結構，其特征在于，至少一個層選自金屬箔和金屬化的聚合物膜。
23.如權利要求19所述的結構，其特征在于，至少一個層是鋁或銅。
24.如權利要求20所述的結構，其特征在于，至少一個層是鋁或銅。
25.如權利要求19所述的結構，其特征在于，所述不滲透層由膨脹的聚四氟乙烯組成。
26.如權利要求18所述的結構，其特征在于，至少一個層可滲透氣體。
27.如權利要求26所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層可滲透水蒸氣。
28.如權利要求27所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層包含膨脹的聚四氟乙烯。
29.如權利要求26所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層包括連續(xù)的聚合物膜。
30.如權利要求29所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層包含聚氨酯。
31.如權利要求18所述的結構，其特征在于，至少一個層是彈性的。
32.如權利要求31所述的結構，其特征在于，至少一個層是熱塑性彈性體。
33.如權利要求32所述的結構，其特征在于，至少一個層包含聚氨酯、聚酯、聚酰胺及其共聚物。
34.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述絕緣材料在大氣條件下的熱導率約小于或等于25mW/mK。
35.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述絕緣材料在大氣條件下的熱導率約小于或等于20mW/mK。
36.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述絕緣材料在大氣條件下的熱導率約小于或等于17mW/mK。
37.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述氣凝膠由無機氧化物形成。
38.如權利要求37所述的結構，其特征在于，所述氣凝膠是二氧化硅氣凝膠。
39.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述材料中，氣凝膠的含量約大于或等于40重量％。
40.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述材料還包含至少一種另外的組分。
41.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述材料還包含遮光劑。
42.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述材料通過非粘合劑結合方式結合在兩個層之間。
43.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述材料用粘合劑結合在兩個層之間。
44.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構形成為帶材。
45.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構可撓曲或纏繞，而熱導率無明顯變化。
46.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構纏繞在管周圍，形成絕緣管。
47.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構是用于服裝的襯墊。
48.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構是用于鞋類的襯墊。
49.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構是用于手套的襯墊。
50.如權利要求18所述的結構，其特征在于，所述結構的厚度約大于或等于0.5毫米。
51.一種制品，該制品包括至少兩個表面，和位于這至少兩個表面之間的絕緣材料，其中，所述絕緣材料包含氣凝膠顆粒和互連的聚四氟乙烯原纖，所述絕緣材料在大氣條件下測得的熱導率小于或等于25mW/mK。
52.如權利要求51所述的絕緣結構，其特征在于，所述絕緣材料是油灰。
53.如權利要求51所述的絕緣制品，其特征在于，至少一個表面是剛性的。
54.如權利要求51所述的絕緣制品，其特征在于，至少一個表面是撓性的。
55.如權利要求51所述的絕緣制品，其特征在于，所述表面是非多孔的。
56.如權利要求51所述的絕緣制品，其特征在于，所述表面是雙壁管的兩個壁。
57.如權利要求51所述的絕緣制品，其特征在于，所述表面是雙壁容器的兩個壁。
58.用來形成一種結構的方法，該方法包括提供兩個層，和在這兩個層之間提供絕緣材料，其中所述絕緣材料包含氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯粘合劑，所述絕緣材料在大氣條件下測得的熱導率小于或等于25mW/mK。
59.如權利要求58所述的方法，該方法還包括以下步驟密封該結構的至少三條邊，對該結構施加真空，密封該結構的第四條邊，從而將壓力降至低于常壓。
60.如權利要求58所述的方法，其特征在于，所述結構是帶材。
61.一種材料，該材料包含氣凝膠顆粒，互連的聚四氟乙烯原纖，其中，所述材料在大氣條件下的熱導率小于或等于25mW/mK。
62.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述互連的原纖與其他聚四氟乙烯原纖或顆?；ミB。
63.如權利要求62所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠顆粒位于互連原纖之內(nèi)或周圍。
64.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述材料在大氣條件下的熱導率約小于或等于20mW/mK。
65.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述材料在大氣條件下的熱導率約小于或等于17mW/mK。
66.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的含量約大于或等于40重量％。
67.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的含量約大于或等于60重量％。
68.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠的含量約大于或等于80重量％。
69.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述氣凝膠是二氧化硅。
70.如權利要求61所述的材料，該材料還包含至少一種選自遮光劑、染料、纖維和聚合物的另外組分。
71.如權利要求61所述的材料，其特征在于，所述材料在兩個層之間形成芯材料，從而形成復合結構。
72.如權利要求71所述的結構，其特征在于，至少一個層不可滲透液體。
73.如權利要求71所述的結構，其特征在于，至少一個層不可滲透氣體。
74.如權利要求72所述的結構，其特征在于，至少一個層選自金屬箔和金屬化的聚合物膜。
75.如權利要求73所述的結構，其特征在于，至少一個層選自金屬箔和金屬化的聚合物膜。
76.如權利要求74所述的結構，其特征在于，至少一個層是鋁或銅。
77.如權利要求75所述的結構，其特征在于，至少一個層是鋁或銅。
78.如權利要求72所述的結構，其特征在于，所述不可滲透層由膨脹的聚四氟乙烯組成。
79.如權利要求71所述的結構，其特征在于，至少一個層可滲透氣體。
80.如權利要求79所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層可滲透水蒸氣。
81.如權利要求80所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層包含膨脹的聚四氟乙烯。
82.如權利要求79所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層包括連續(xù)的聚合物膜。
83.如權利要求79所述的結構，其特征在于，至少一個可滲透層包含聚氨酯。
84.如權利要求71所述的結構，其特征在于，至少一個層是彈性的。
85.如權利要求84所述的結構，其特征在于，至少一個層是熱塑性彈性體。
86.如權利要求85所述的結構，其特征在于，至少一個層包含聚氨酯、聚酯、聚酰胺及其共聚物。
87.如權利要求51所述的材料，其特征在于，所述復合體處于0.001帕至100000帕的真空下。
88.一種便攜式電子設備，該設備包括至少一種生熱元件，外殼，位于所述生熱元件和外殼之間的絕緣結構。
89.如權利要求88所述的設備，其特征在于，所述絕緣結構在大氣條件下的熱導率小于或等于25mW/mK。
90.如權利要求89所述的設備，其特征在于，所述絕緣結構包括含有氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯粘合劑的絕緣材料。
91.如權利要求90所述的設備，其特征在于，所述絕緣材料是還包括兩個另外的層的復合體。
92.如權利要求88所述的設備，其特征在于，所述外殼具有一表面，該表面的至少一部分設計成與使用者直接接觸。
93.如權利要求88所述的設備，其特征在于，所述設備是計算機。
94.如權利要求88所述的設備，其特征在于，所述設備是手機。
95.如權利要求91所述的設備，其特征在于，所述兩個層是膨脹的聚四氟乙烯。
96.一種方法，該方法包括以下步驟提供一種便攜式電子設備，該設備包括至少一個生熱元件和具有表面的外殼；在所述生熱元件和外殼之間設置絕緣結構，從而阻止或延遲生成的熱量從生熱元件向外殼表面的至少一部分的傳遞。
97.如權利要求96所述的方法，其特征在于，所述絕緣結構包括含有氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯粘合劑的材料，該材料在大氣條件下的熱導率小于或等于25mW/mK。
98.如權利要求96所述的方法，其特征在于，至少一部分的外殼表面設計成與使用者直接接觸。
全文摘要
形成了一種包含氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑的材料，該材料在大氣條件下的熱導率小于或等于25mW/mK。該材料是可塑性的或可成形的，幾乎沒有或沒有填料顆粒脫落，可通過例如將該材料結合在兩個外層之間形成如帶或復合體的結構。較佳的是，復合體可撓曲、拉伸或彎曲而不會發(fā)生明顯的粉化或絕緣性能損失。
文檔編號B32B27/18GK1875060SQ200480032648
公開日2006年12月6日 申請日期2004年10月4日 優(yōu)先權日2003年11月10日
發(fā)明者C·里斯蒂奇-萊曼, B·法恩沃思, A·杜塔, B·E·賴斯 申請人:戈爾企業(yè)控股股份有限公司