專利名稱：一種真空熱隔離膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隔熱材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種熱隔離膜及其制造方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)美國能源部的統(tǒng)計，在建筑物上的能源消耗約占總能源消耗的38%，典型的美國家庭一年約需花費美金l， 300圓在能源消費上，但其中有一半以上的能源是浪費了，因此要有效地節(jié)能，需降低冷與熱能由建筑物內(nèi)散失的效率，而具有低傳熱系數(shù)的隔熱建材可達到此目的。良好的隔熱建材，除了需兼顧環(huán)保性與生物相容性外，另外，輕量化、價格便宜、制程簡便化也是考慮的因素之一。 一般常用的隔熱材，如玻璃纖維或納米碳管，是利用其交錯的多孔特性，使低傳熱系數(shù)的空氣保持在內(nèi)，用以降低熱的傳送。然而，當(dāng)多孔性的結(jié)構(gòu)材暴露于濕氣高的環(huán)境中，容易吸收水分，滋生霉菌。另外，若以玻璃纖維和納米碳管為考量，因玻璃纖維與納米碳管均屬高熔點材料，制作時需先耗費較多的能源來制得該節(jié)能材，此制程并不符合制程簡便化與價格便宜的特性。人體的皮膚、眼睛、與喉嚨易對玻璃纖維和納米碳管產(chǎn)生過敏，因此玻璃纖維與納米碳管并不是良好的生物相容性材料。因納米碳管具有輕量化、良好的隔熱、與防水特性，被添加于紡織品做成軍事保溫衣。另一種常被用來當(dāng)絕緣材料為氧化
鋁(A1203)，氧化鋁具有化學(xué)穩(wěn)定件.高、高熔點、高耐壓強度、對人體無害、電與熱的絕緣特性佳、及價格便宜等特質(zhì)，使得氧化鋁成為最被工業(yè)界青睞的材料之一。本發(fā)明將針對改善氧化鋁的多孔性結(jié)構(gòu)，制成真空納米管，并用于隔熱與隔音建材的應(yīng)用上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種真空熱隔離膜及其制造方法，
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的真空熱隔離膜包括有一鋁陽極氧化膜，鋁陽極氧化膜具有規(guī)則排列的直立納米管，納米管抽真空且管口封口，其管壁內(nèi)附著有一層金屬薄膜。
本發(fā)明的真空熱隔離膜的制造方法是以鋁或鋁合金為基材，利用陽極處理法制得具有規(guī)則排列直立納米管的鋁陽極氧化膜；之后，在納米管管壁內(nèi)鍍一層金屬薄膜；再將納米管抽真空后其管口以致密薄膜覆蓋。
在上述制造方法中，鋁陽極氧化膜可附著于鋁或鋁合金基材上。在上述制造方法中，所述的金屬薄膜為鎳膜，采用無電解沉積法
鍍在鋁陽極氧化膜的納米管管壁內(nèi)。
在上述制造方法中，所述的致密薄膜為三氧化二鋁膜。在上述制造方法中，鋁陽極氧化膜的納米管管徑、管長與管密度
分別為10至500nm、 0.1至200mhi、 108至1012pore/cm2。
本發(fā)明的的真空熱隔離膜可以降低隔離熱傳導(dǎo)、熱對流、以及熱輻射的傳送，且兼具環(huán)保性、生物相容性、輕量化等特性，可以被用
做室內(nèi)或室外的抗噪音與抗震動的建筑材料。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明
圖la為鋁陽極氧化膜結(jié)構(gòu)示意圖， 一阻障層位于鋁陽極氧化膜 與鋁基材界面，其中，L、 D、 H、 d定義AAO的幾何形狀；
圖lb為鋁陽極氧化膜的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖，顯示鋁陽極氧化膜具 有納米管結(jié)構(gòu)；
圖2為鋁陽極氧化膜的管密度示意圖，其中，(a)孔徑為15nm 的鋁陽極氧化膜具2.6nO"Pore/cn^的管密度，(b)孔徑為60nm的 鋁陽極氧化膜具1.5"0'"Pore/cn^的管密設(shè)，(c)孔徑為500nm的鋁 陽極氧化膜具1.5"()Spore/cn^的管密度；
圖3a為鋁陽極氧化膜的表面積與管長的關(guān)系圖3b為鋁陽極氧化膜的體積與管長的關(guān)系圖4為掃描式電子顯微鏡(SEM)影像圖，其中，(a)為利用硫 酸溶液制得的15nm管徑鋁陽極氧化膜影像圖，(b)為利用草酸溶液 制得的60nm管徑鋁陽極氧化膜影像圖，(c)為利用磷酸溶液制得的 400nm管徑鋁陽極氧化膜影像圖5a為附著于鋁基材上的鋁陽極氧化膜結(jié)構(gòu)示意圖5b為單一的鋁陽極氧化膜結(jié)構(gòu)示意圖6a為可一次制作多片鋁陽極氧化膜的模具結(jié)構(gòu)圖6b為制作鋁陽極氧化膜的另一種模具上蓋結(jié)構(gòu)示意圖；圖6C為制作鋁陽極氧化膜的又一種模具上蓋結(jié)構(gòu)示意圖。元件符號說明51， 51':致密的氧化鋁膜53， 53':致密的氧化鋁膜61:銅柱電極
63:鐵氟龍材質(zhì)的模具上蓋65:鋁板
67:鐵氟龍材質(zhì)的模具上蓋
具體實施例方式
以下所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明使用鋁材配合陽極處理法，制作一具規(guī)則排列納米管結(jié)構(gòu)的鋁陽極氧化膜(AAO)，其示意圖如圖l所小'，經(jīng)木實驗驗證，納米管經(jīng)真空封口，具有良好的隔熱效果。AAO的管密度可依管徑的尺寸描述，例如，當(dāng)AAO的管徑分別為15nm、 60nm、 500nm，則每平方公分上的最大理論管密度為2.6*10n、 1.5"01、與1.5*108pore/cm2，而AAO的表面積與體積則可依納米管徑、管長、與管密度計算，如以下計算，1公分平方的樣品內(nèi)AAO的體積與表面積可分別依:ir2*D*P與27cr*D*P公式表示，其中，R為納米管半徑、D為管長、P為管密度。如圖3的計算結(jié)果所示，當(dāng)樣品面積為lcm2，AAO管的表面積隨著管長增加而增加，其中15nm納米管的AAO因具有較大的管密度，因此具有較大的表面積，例如，一15nm管徑、
52， 52':陣列式氧化鋁真空管
54:鋁或鋁合金基材
62:鐵氟龍管
64:隔水矽膠片
66:鐵氟龍材質(zhì)的模具下蓋
68:鐵氟龍材質(zhì)的模具上蓋150pm管長、2.6no"Pore/cm2管密度的AAO，于--單位平方公分上 的表面積為18,378cm2 (2*兀*7.5*150*103*2.6*1011*10-14)。
具有陣列納米管排列的鋁陽極氧化膜可使鋁材經(jīng)由陽極處理后 而得，例如制作管徑為15nm的AAO，其步驟包含
(1) 、鋁材經(jīng)機械研磨至#2000號砂紙后，置于大氣爐內(nèi)進行550 °C、 l小時的退火處理。
(2) 、將退火后的鋁材置于電解液中進行電解拋光，電解液的成 分為15%過氯酸(HCL0》+15%單丁醚乙二脂(CH:, (CH2) :,0CH2aW)H) +15%乙醇(C2H60)，電解拋光條件為42伏特(V)、 15°C、 IO分鐘。
(3) 、第一次陽極處理；將電解拋光后的鋁材進行陽極處理，電 解液的成分為10%的硫酸(H2S04)，陽極處理條件為18伏特(V)、 15 °C、 20分鐘。
(4) 、移除陽極處理膜；移除液成分為1.8%鉻酸(Cro3) +6%磷 酸(H3PCU，操作條件為將陽極處理后的鋁材浸漬于移除液中6(TC、 30分鐘。
(5) 、第二次陽極處理；實施條件與第一次陽極處理條件相同， 陽極膜的厚度隨著陽極處理時間增加而增厚，膜厚的成長速率約為 15um/hr。
(6) 、移除鋁基材，獲得單一 AAO薄膜；移除液成分為8%鹽酸 (HCI) +20%氯化銅(CuCl2)，操作條件為將陽極處理后的鋁材浸
漬于移除液中25"C、 30分鐘。
根據(jù)以上的制程參數(shù)改變，例如，電壓、電解液成分與陽極處時間的變化，則AA0的孔徑可被控制于10 500nm內(nèi)，AAO的厚度可被控制于0. 1只200|im內(nèi)。如圖4為AAO的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像，孔徑分別為15nm、 60nm、與400腿。
熱可通過熱傳導(dǎo)、熱對流、與熱輻射傳送，其中熱傳導(dǎo)與熱對流效應(yīng)將隨著真空度的增加而降低，因此真空管可被使用于隔熱材料的應(yīng)用，熱輻射則通過電磁波進行傳送，常用的抗熱輻射材料為表面光滑的金屬薄膜，根據(jù)上述的經(jīng)驗，將一層金屬薄膜附著于AAO納米管壁內(nèi)，再將MO納米管抽真空且管口封管后，將可降低熱輻射、熱傳導(dǎo)、與熱對流的傳送，而使AAO成為一良好的熱隔離材料。岡為AAO的管徑為納米尺寸，且AAO納米管具有大的深寬比(約IOOO)，因此利用氣體蒸鍍法將不易使金屬薄膜附著于納米管壁內(nèi)，然而，利用無電解沉積法，可使銅、銀、鎳等金屬離子快速地沉積于玻璃、陶瓷、塑膠、或金屬基材表面上。在眾多金屬中，鎳具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)
(W/MK)，且極易被施以無電解沉積制程，因此鎳金屬薄膜可被用作為抗熱輻射傳送膜的應(yīng)用，根據(jù)文獻資料，無電解鎳沉積的溶液組成與操作條件為0.02%硫酸鎳(NIS0i*6H20) +0. 16%琥珀酸鈉
(GHANa^&O) +0. 27%次壓磷酸鈉(NaH2P02*H20) *PH=4. 8*88°C 、 40分鐘。當(dāng)AAO管內(nèi)覆著有一鎳金屬膜后，再將AAO置于射頻濺鍍機真空腔體內(nèi)，經(jīng)抽真空后，并于AAO納米管口覆蓋一層致密的氧化鋁膜，使AAO成為真空納米管。圖5為鋁陽極氧化膜的結(jié)構(gòu)示意圖，包括兩種類型的熱隔離膜可被制出，圖5a所示為一致密的氧化鋁膜51覆蓋于AA0真空納米管52上，AA0則成長于鋁基材54上，而AAO的底部即鋁基材與AA0介面會自然形成一致密的阻障層53，本發(fā)明的第一 類型AAO可直接用于建筑材料的隔熱板用途。另外，圖5b所示為一 薄膜型式的真空管52'，該薄膜并不包含鋁基材54'，因此為一透明 薄膜，該透明膜真空納米管的上方51'與下方53分別以致密的氧化 鋁膜封口，第二類型的透明膜具輕量化特性，可搭配玻璃板材用于透 明材或光學(xué)材的應(yīng)用。
陽極處理是電解鈍化的過程，用以增加金屬表面的氧化層厚度， 此制程是一成熟的工業(yè)技術(shù)，于1960 1990年間，THOMPSON和WOOD 曾做過許多有關(guān)于這方面的研究，本發(fā)明是結(jié)合成熟的傳統(tǒng)陽極處理 技術(shù)與最新的納米科技技術(shù)，控制不同尺寸的納米管于AA0薄膜內(nèi)形 成，因此可大大降低制程的成本，適用于工業(yè)界的大量生產(chǎn)制程。為 了制作高品質(zhì)大面積的AAO，必須設(shè)計適合陽極處理制程的模具，如 圖6所示為一適用于成長大面積AA0的模具，此模具的上蓋61與下 座66的材質(zhì)為耐酸堿溶液的鐵氟龍材質(zhì)，上蓋61的開口面積為試片 與電解液的反應(yīng)面積，該片為陽極并錯由銅柱62為電極與鐵氟龍管 63為保護管，將電源供應(yīng)器的正極引入鋁試片65，為了防止電解液 由上蓋開口處的邊緣處，滲入銅柱62與鋁試片65的接觸點，上蓋開 口處與鋁試片界面間需加入一層矽膠片64。另外，采用具有不同開 口形狀的上蓋67、 68，即可做出不同外形的AAO。
實驗測試
為了了解本發(fā)明薄膜的隔熱效果，本實驗同時對于常用的隔熱材 如玻璃纖維與泡棉進行隔熱測試，在隔熱實驗測試中，隔熱材分別為33pim厚度的AA0真空納米管，1500拜厚度的玻璃纖維、1500pm厚度的泡棉，在隔熱材的一端為55r的熱源，經(jīng)隔熱材后所測得于AAO、玻璃纖維、泡棉上的溫度分別為33。C、 33°C、與41。C，經(jīng)實驗證明，薄膜AAO具有比玻璃纖維和泡棉更佳的隔熱效果。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性，任何熟悉該項技術(shù)者可依據(jù)上述本發(fā)明的實施例進行等效的修改，而脫離其精祌范疇。故任何未脫離本發(fā)明的精神與范疇，而對其進行的等效修改與變更，均應(yīng)包含于本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種真空熱隔離膜，其特征在于它包括有一鋁陽極氧化膜，鋁陽極氧化膜具有規(guī)則排列的直立納米管，納米管抽真空且管口封口，其管壁內(nèi)附著有一層金屬薄膜。
2. 權(quán)利要求1所述的真空熱隔離膜的制造方法，其特征在于 它是以鋁或鋁合金為基材，利用陽極處理法制得具有規(guī)則排列直立納 米管的鋁陽極氧化膜；之后，在納米管管壁內(nèi)鍍一層金屬薄膜；再將 納米管抽真空后其管口以致密薄膜覆蓋。
3. 權(quán)利要求2所述的真空熱隔離膜的制造方法，其特征在于-鋁陽極氧化膜可附著于鋁或鋁合金基材上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空熱隔離膜的制造方法，其特征在 于所述的金屬薄膜為鎳膜，采用無電解沉積法鍍在鋁陽極氧化膜的 納米管管壁內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空熱隔離膜的制造方法，其特征在 于所述的致密薄膜為三氧化二鋁膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的真空熱隔離膜的制造方 法，其特征在于鋁陽極氧化膜的納米管管徑、管長與管密度分別為 10至500nm、 0.1至200pm、 108至1012pore/cm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真空熱隔離膜及其制造方法，其中，真空熱隔離膜包括有一鋁陽極氧化膜，鋁陽極氧化膜具有規(guī)則排列的直立納米管，納米管抽真空且管口封口，其管壁內(nèi)附著有一層金屬薄膜。真空熱隔離膜的制造方法是以鋁或鋁合金為基材，利用陽極處理法制得具有規(guī)則排列直立納米管的鋁陽極氧化膜；之后，在納米管管壁內(nèi)鍍一層金屬薄膜；再將納米管抽真空后其管口以致密薄膜覆蓋。本發(fā)明的真空熱隔離膜可以降低隔離熱傳導(dǎo)、熱對流、以及熱輻射的傳送，且兼具環(huán)保性、生物相容性、輕量化等特性，可以被用做室內(nèi)或室外的抗噪音與抗震動的建筑材料。
文檔編號F16L59/08GK101555972SQ20091003942
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者郭世明 申請人:郭世明