地聚合物前体-气凝胶组合物 |
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| 申请号 | CN201380017608.9 | 申请日 | 2013-03-27 | 公开(公告)号 | CN104302597A | 公开(公告)日 | 2015-01-21 |
| 申请人 | 陶氏环球技术有限责任公司; | 发明人 | D.金; R.C.希斯林斯基; G.瓦伊罗; S.T.马特尤西; C.韩; L.博图塞利; | ||||
| 摘要 | 地 聚合物 (Geopolymer)前体-气凝胶组合物。作为实例，地聚合物-气凝胶组合物可以包括 铝 硅 酸盐反应物、 碱 活化剂、气凝胶添加剂和连续介质。 | ||||||
| 权利要求 | 1.地聚合物前体-气凝胶组合物，包括： |
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| 说明书全文 | 地聚合物前体-气凝胶组合物发明领域 背景技术[0003] 地聚合物已经用于多种应用。与一些其他材料相比，地聚合物在以下方面可以是有利的：地聚合物可以使用目前作为废物处理的副产物来提供有用的和有价值的产品；和/或地聚合物可以改进与建筑材料市场交叉的产品特征。地聚合物的其他用途也是适宜的。 [0004] 发明概述 [0005] 本发明提供了具有铝硅酸盐反应物、碱活化剂、气凝胶添加剂和连续介质的地聚合物前体-气凝胶组合物。 [0006] 本发明提供了耐火结构体，具有：位于第一面层和第二面层之间的泡沫材料；和该泡沫材料和第一面层之间的地聚合物-气凝胶复合材料层。该地聚合物-气凝胶复合材料层是由具有铝硅酸盐反应物、碱活化剂、气凝胶添加剂和连续介质的地聚合物前体-气凝胶组合物固化形成的。 [0007] 上面的发明概述并不意在描述本发明的每个公开的实施方案或每种实施方式。本发明后面更具体地提供了示例性实施方案的实例。在整个申请的几个位置，通过列举实例提供指导，该实例可以以各种组合使用。在各种情况中，所列举的名单仅用作代表性的组，不应当被解释为穷举的名单。 [0009] 图1A示例了依照本发明的多种实施方式的耐火结构体。 [0010] 图1B是沿图1A的切割线1A-1A所取的图1A的横截面视图。 [0011] 图2是依照本发明的多种实施方式的耐火复合结构体的横截面视图。 [0012] 发明详述 [0013] 此处描述了地聚合物前体-气凝胶组合物。作为实例，地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括铝硅酸盐反应物、碱活化剂、气凝胶添加剂和连续介质。这些地聚合物前体-气凝胶组合物可以固化形成地聚合物-气凝胶复合材料。 [0014] 由此处公开的地聚合物前体-气凝胶组合物形成的地聚合物-气凝胶复合材料可以用于多种应用。例如，与其他面板方法(例如不具有地聚合物-气凝胶复合材料的面板)相比，该地聚合物-气凝胶复合材料可以为此处公开的结构绝缘面板提供提高的耐火性。 [0015] 结构绝缘面板可以用作建筑材料。结构绝缘面板可以包括夹在结构板的两层之间的泡沫材料(例如刚性泡沫体层)。该结构板可以是有机和/或无机的。例如，在其他类型的板中，该结构板可以是金属、金属合金、石膏、胶合板及其组合。 [0016] 结构绝缘面板可以用于多种不同的应用，例如砌墙、盖屋顶和/或铺地板。结构绝缘面板可以用于例如商业建筑、居住建筑和/或货运集装箱中。与其他不使用结构绝缘面板的建筑物或集装箱相比，结构绝缘面板可以有助于提高使用该面板的建筑物和/或集装箱的能量效率。 [0017] 结构绝缘面板具有适宜的稳定性和耐久性。例如，结构绝缘面板可以维持使用该面板的建筑物或集装箱的整个可用寿命。然后，该面板可以重复利用或回收。 [0018] 其中可以使用由此处公开的地聚合物前体-气凝胶组合物形成的地聚合物-气凝胶复合材料的另一应用包括但不限于填充绝缘。例如，该地聚合物-气凝胶复合材料可以用于填充需要热绝缘的空隙，例如管道、热水器或其他设备的附近。其中可以使用由此处公开的地聚合物前体-气凝胶组合物形成的地聚合物-气凝胶复合材料的另一应用是用作外墙绝缘系统的组成部分。作为实例，外墙绝缘系统可以包括绝缘层和终饰层。该地聚合物-气凝胶复合材料可以用作终饰层。该终饰层可以为绝缘层提供保护(例如热保护和/或保护其暴露于户外气候)。此外，由此处公开的地聚合物前体-气凝胶组合物形成的地聚合物-气凝胶复合材料也可以用于多种其他应用，包括但不限于填充和/或绝缘。 [0019] 在以下本公开的发明详述中，参照构成其一部分的附图，且附图是通过示例本发明的一种或多种实施方式可如何实施的方式显示的。这些实施方式描述得充分详细以能使本领域普通技术人员实施本发明的实施方式，且应当认识到也可以使用其他实施方式且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行方法的、电的和/或结构的改变。 [0020] 此处的附图遵循以下编号惯例，其中一个或多个首位数相当于附图编号，余下的数字识别附图中的要素或组件。不同图之间类似的要素或组件可以通过使用类似的数字识别。例如，104可以表示图1A中的要素“4”，类似的要素在图2中可以表示为204。包括伴随数字的要素也可以不参照特定的附图表示。例如，“要素4”在说明书中可以不参照特定的附图表示。 [0021] 如上所述，此处描述了地聚合物前体-气凝胶组合物。该地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括铝硅酸盐反应物。该铝硅酸盐反应物也可以称作地聚合物前体，其与此处所述的其他地聚合物前体反应形成地聚合物。 [0023] 飞灰是煤燃烧形成的副产物。例如，发电厂用锅炉可以燃烧煤粉并生成飞灰。飞灰的结构、组成和其他性质可以取决于煤的组成和形成飞灰的燃烧方法。American Society for Testing and Materials(ASTM)C618标准识别不同等级的飞灰，例如C级飞灰和F级飞灰。C级飞灰可以由木质素或次烟煤燃烧生成。F级飞灰可以由无烟煤或烟煤燃烧生成。对于一种或多种实施方式，该飞灰可以选自由F级飞灰、C级飞灰及其组合构成的组。 [0024] 此处所用的“粘土”表示水合页硅酸铝。粘土可以包括不同量的铁、镁、碱金属和/或碱土金属。粘土的实例包括但不限于：叶蛇纹石、纤维蛇纹石、利蛇纹石、埃洛石、高岭石、伊利石、蒙脱石、蛭石、滑石、坡缕石、叶蜡石、黑云母、白云母、金云母、锂云母、珍珠云母、海绿石及其组合。粘土可以经过煅烧形成煅烧粘土。该煅烧可以包括将粘土暴露于500℃-1000℃的温度1小时-24小时的时长。 [0025] 冶金矿渣可以在多个过程中形成，包括使用熔炉的一些过程。例如，冶金矿渣可以在由铁矿石形成生铁的过程中形成。一些冶金矿渣可以包括27wt％-38wt％SiO2和7wt％-12wt％Al2O3。冶金矿渣还可以包括例如CaO、MgO、Fe2O3和MnO。 [0026] 该地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括碱活化剂。该碱活化剂也可以称作地聚合物前体，与此处所述的其他地聚合物前体反应生成该地聚合物。碱活化包括硅酸铝和/或与碱金属和/或碱土金属元素的化合物之间在碱性环境中的反应。对于一种或多种实施方式，该碱活化剂包括硅酸钠。此处所用的硅酸钠表示包括氧化钠(Na2O)和二氧化硅(SiO2)的化合物。硅酸钠可以具有1.30-5.00的SiO2/Na2O重量比，其中该重量比表示为SiO2的重量除以Na2O的重量的商。此处包括和公开了从包括1.30到5.00的所有单一数值和子范围，例如硅酸钠可以具有在从1.30、1.40或1.50的下限到5.00、4.50或4.00的上限的范围内的SiO2/Na2O重量比，其中该重量比表示为SiO2的重量除以Na2O的重量的商。例如，硅酸钠可以具有在1.30-5.00、1.40-4.50或1.50-4.00范围内的SiO2/Na2O重量比，其中该重量比表示为SiO2的重量除以Na2O的重量的商。硅酸钠的实例包括但不限于：正硅酸盐(Na4SiO4)、偏硅酸盐(Na2SiO3)、二硅酸盐(Na2Si2O5)、四硅酸盐(Na2Si4O9)及其组合。该硅酸钠可以作为固体、溶液或其组合使用。硅酸钠溶液可以包括水。硅酸钠溶液的水可以以具有该硅酸钠溶液的40wt％-75wt％的值的量使用，使得该硅酸钠溶液的氧化钠的重量百分比、二氧化硅的重量百分比和水的重量百分比之和为硅酸钠溶液的100wt％。此处包括和公开了从包括40到75的所有单一数值和子范围，例如，硅酸钠溶液的水可以在从40wt％、43wt％或45wt％的下限到75wt％、70wt％或65wt％的上限的范围内，使得该硅酸钠溶液的氧化钠的重量百分比、二氧化硅的重量百分比和水的重量百分比之和为硅酸钠溶液的 100wt％。例如，硅酸钠溶液的水可以在40wt％-75wt％、43wt％-70wt％或45wt％-70wt％范围内，使得该硅酸钠溶液的氧化钠的重量百分比、二氧化硅的重量百分比和水的重量百分比之和为硅酸钠溶液的100wt％。 [0027] 该碱活化剂可以包括碱性氢氧化物(alkaline hydroxide)。该碱性氢氧化物的实例包括但不限于氢氧化钠和氢氧化钾。该碱活化剂可以选自由氢氧化钠、氢氧化钾及其组合构成的组。对于包括碱性氢氧化物的实施方式，该碱性氢氧化物可以以具有不超过硅酸钠溶液的50wt％的值的量使用，使得该硅酸钠溶液的氧化钠的重量百分比、二氧化硅的重量百分比和水的重量百分比以及碱性氢氧化物的重量百分比之和为硅酸钠溶液的100wt％。此处包括和公开了从大于0wt％到包括50wt％的所有单一数值和子范围，例如碱性氢氧化钠可以在从大于0wt％的下限到50wt％、45wt％或40wt％的上限的范围内使用，使得该硅酸钠溶液的氧化钠的重量百分比、二氧化硅的重量百分比和水的重量百分比以及碱性氢氧化物的重量百分比之和为硅酸钠溶液的100wt％。例如，碱性氢氧化钠可以以具有在大于0wt％至50wt％、大于0wt％至45wt％或大于0wt％至40wt％的范围内的值的量使用，使得该硅酸钠溶液的氧化钠的重量百分比、二氧化硅的重量百分比和水的重量百分比以及碱性氢氧化物的重量百分比之和为硅酸钠溶液的100wt％。 [0028] 该地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括气凝胶添加剂。与铝硅酸盐反应物和碱活化剂不同，气凝胶添加剂不是地聚合物前体。在一种或多种实施方式中，该气凝胶添加剂基本上不与该地聚合物前体-气凝胶组合物的地聚合物前体反应，例如该气凝胶在地聚合反应之前、期间和之后均保持微孔结构。在地聚合反应期间该气凝胶添加剂保持不受影响。令人惊奇的是，该气凝胶添加剂不是地聚合物的重要的二氧化硅来源，甚至在该气凝胶添加剂包括二氧化硅时也是如此。 [0029] 凝胶是由流体在其整个体积中膨胀的非流体胶态网络或聚合物网络。气凝胶(例如该气凝胶添加剂)是由微孔固体构成的凝胶，其中该流体是气体。因此气凝胶可以称作具有大的颗粒内孔体积的低密度多孔固体。气凝胶可以通过例如从湿凝胶材料中去除孔内液体而形成。 [0030] 对于不同的应用，该气凝胶添加剂可以由不同的材料形成。对于一种或多种实施方式，该气凝胶添加剂选自由二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、碳气凝胶及其组合构成的组。然而，实施方式并不限制于此。例如，基于非硅或铝的金属(例如锆、钛、铪、钒、钇、其他金属或其组合)的氧化物的气凝胶添加剂也可以使用。碳气凝胶也可以称作有机气凝胶。碳气凝胶的实例包括但不限于：由与甲醛结合的间苯二酚、与甲醛结合的三聚氰胺、树枝状聚合物，及其组合形成的气凝胶。 [0031] 该气凝胶添加剂可以具有0.02克/立方厘米(g/cm3)-0.25g/cm3的密度(例如3 3 堆密度)。此处包括和公开了从包括0.02g/cm 到0.25g/cm 的所有单一数值和子范围，例 3 3 3 3 如该气凝胶添加剂可以具有在从0.02g/cm、0.03g/cm 或0.04g/cm 的下限到0.25g/cm、 3 3 0.22g/cm 或0.20g/cm 的上限的范围内的密度。例如，该气凝胶添加可以具有在0.02g/ 3 3 3 3 3 3 cm-0.25g/cm、0.03g/cm-0.22g/cm 或0.04g/cm-0.20g/cm 范围内的密度。 [0032] 该气凝胶添加剂可以具有1纳米(nm)-70nm的平均孔径。此处包括和公开了从包括1nm到70nm的所有单一数值和子范围，例如该气凝胶添加剂可以具有在从1nm、2nm或5nm的下限到70nm、68nm或65nm的下限范围内的平均孔径。例如，该气凝胶添加剂可以具有在1nm-70nm、2nm-68nm或5nm-65nm范围内的平均孔径。 [0033] 该气凝胶添加可以具有300平方米/克(m2/g)-1500m2/g的平均表面积。此处包括2 2 和公开了从包括300m/g到1500m/g的所有单一数值和子范围，例如该气凝胶添加剂可以 2 2 2 2 2 2 具有在从300m/g、325m/g或350m/g的下限到1500m/g、1250m/g或1000m/g的上限的范 2 2 2 2 围内的平均表面积。例如，该气凝胶添加剂可以具有在300m/g-1500m/g、325m/g-1250m/ 2 2 g或350m/g-1000m/g范围内的平均孔径。 [0034] 该气凝胶添加剂可以是颗粒物，例如离散的和个别的颗粒。对于各种应用，该气凝胶添加剂可以具有不同的尺寸和/或形状。例如，该气凝胶添加剂可以在任意一个维度上具有0.1微米-100微米的颗粒尺寸。此处包括和公开了从包括0.1微米到100微米的所有单一数值和子范围，例如该气凝胶添加剂可以在任意一个维度上具有在从0.1微米、0.2微米或0.3微米的下限到100微米、95微米或90微米的上限的范围内的颗粒尺寸。例如，该气凝胶添加剂可以具有在0.1微米-100微米、0.2微米-95微米或0.3微米-90微米范围内的平均颗粒尺寸。依照本发明的多种实施方式，该气凝胶添加剂可以基本上为球形的。然而，实施方式并非限制于此。依照本发明的多种实施方式，该气凝胶添加剂可以是基本上非球形的。基本上非球形的形状的实例包括但不限于：立方形状、多边形状、细长形状、不规则形状及其组合。 [0035] 该地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括连续介质。对于一种或多种实施方式，该连续介质可以包括水。对于一种或多种实施方式，该连续介质可以是水。该连续介质可以用于溶解和/或水解一种或多种地聚合物前体。 [0036] 对于不同的应用，该地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括不同量的组分。该铝硅酸盐反应物可以为组合物重量的10wt％-90wt％，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比和连续介质重量百分比之和为组合物重量的100wt％。此处包括和公开了从包括10wt％到90wt％的所有单一数值和子范围，例如该铝硅酸盐反应物可以在从10wt％、15wt％或20wt％的下限到90wt％、85wt％或80wt％的上限的范围内。该碱活化剂可以为组合物重量的10wt％-90wt％，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比和连续介质重量百分比之和为组合物重量的100wt％。此处包括和公开了从包括10wt％到90wt％的所有单一数值和子范围，例如该碱活化剂可以在从10wt％、15wt％或20wt％的下限到90wt％、85wt％或80wt％的上限的范围内。该气凝胶添加剂可以为组合物重量的0.25wt％-50wt％，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比和连续介质重量百分比之和为组合物重量的100wt％。此处包括和公开了从包括0.25wt％到50wt％的所有单一数值和子范围，例如该铝硅酸盐反应物可以在从0.25wt％、0.50wt％或1.0wt％的下限到50wt％、45wt％或40wt％的上限的范围内。该连续介质可以为组合物重量的 10wt％-90wt％，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比和连续介质重量百分比之和为组合物重量的100wt％。此处包括和公开了从包括10wt％到90wt％的所有单一数值和子范围，例如该连续介质可以在从10wt％、15wt％或 20wt％的下限到90wt％、85wt％或80wt％的上限的范围内。 [0037] 该地聚合物前体-气凝胶组合物可以包括表面活性剂。表面活性剂是具有亲水头部和疏水尾部的化合物。对于一种或多种实施方式，该表面活性剂可以选自由非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂及其组合构成的组。对于不同应用，该表面活性剂可以以不同的量使用。例如，该表面活性剂可以以具有包括表面活性剂的组合物重量的0.10wt％-5.00wt％的值的量使用，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比、水重量百分比和表面活性剂重量百分比之和为包括表面活性剂的组合物重量的100wt％。此处包括和公开了从包括0.10wt％到5.00wt％的所有单一数值和子范围，例如该表面活性剂可以以具有在从包括表面活性剂的组合物重量的0.10wt％、0.25wt％或0.40wt％的下限到其5.00wt％、3.00wt％或1.00wt％的下限范围内的值的量使用，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比、水重量百分比和表面活性剂重量百分比之和为包括表面活性剂的组合物重量的100wt％。对于包括表面活性剂的组合物重量，该铝硅酸盐反应物可以为该包括表面活性剂的组合物重量的10wt％-90wt％，该碱活化剂可以为该包括表面活性剂的组合物重量的10wt％-90wt％，该气凝胶添加剂可以为可以为该包括表面活性剂的组合物重量的0.25wt％-50wt％，该连续介质可以为该包括表面活性剂的组合物重量的 10wt％-90wt％，使得该铝硅酸盐反应物重量百分比、碱活化剂重量百分比、气凝胶添加剂重量百分比、连续介质重量百分比和表面活性剂重量百分比之和为组合物重量的100wt％。 [0038] 非离子表面活性剂不带电荷。非离子表面活性剂的实例包括但不限于：烷基多糖、胺氧化物、嵌段共聚物、蓖麻油乙氧基化物、十六-十八烯醇乙氧基化物、十六-十八醇乙氧基化物、癸醇乙氧基化物、二壬基酚乙氧基化物、十二烷基酚乙氧基化物、封端的乙氧基化物、醚胺衍生物、乙氧基化的链烷醇酰胺、乙二醇酯、脂肪酸链烷醇酰胺、脂肪醇烷氧基化物、月桂醇乙氧基化物、单支化醇乙氧基化物、天然醇乙氧基化物、壬基酚乙氧基化物、辛基酚乙氧基化物、油烯基胺乙氧基化物、无规共聚物乙氧基化物、山梨聚糖酯乙氧基化物、硬脂酸乙氧基化物、硬脂胺乙氧基化物、合成醇乙氧基化物、妥尔油脂肪酸乙氧基化物、牛脂胺乙氧基化物、十三醇乙氧基化物及其组合。 [0039] 阳离子表面活性剂在溶液中具有带正电荷的头部。阳离子表面活性剂的实例包括但不限于：烷基二甲基胺、烷基氨基丙基胺、烷基咪唑啉衍生物、季化胺乙氧基化物、季铵化合物及其组合。 [0040] 阴离子表面活性剂在溶液中具有带负电荷的头部。阴离子表面活性剂的实例包括但不限于：烷基醚磷酸盐、烷基醚羧酸及其盐、烷基醚硫酸盐、烷基萘磺酸盐、烷基磷酸盐、烷基苯磺酸及其盐、烷基酚醚磷酸盐、烷基酚醚硫酸盐、α-烯烃磺酸盐、芳香烃磺酸、盐和共混物、浓缩的萘磺酸盐、二烷基硫代琥珀酸盐、脂肪醇硫酸盐、单烷基硫代琥珀酸盐、烷基硫代琥珀酰胺酸盐、萘磺酸盐及其组合。 [0041] 根据水的pH值，两性表面活性剂在溶液中可以是阴离子的(带负电荷的)、阳离子的(带正电荷的)或非离子的(不带电荷的)。两性表面活性剂的实例包括但不限于：烷基两性(二)乙酸酯、氨基甜菜碱、烷基甜菜碱及其组合。 [0042] 此处所述的地聚合物前体-气凝胶组合物可以固化形成地聚合物-气凝胶复合材料。复合材料是由两种或更多种各自具有不同性质的组分(例如地聚合物和气凝胶)形成的材料。如述，与其他面板方法(例如不具有该地聚合物-气凝胶复合材料的面板)相比，该地聚合物-气凝胶复合材料可以为此处公开的结构绝缘面板提供提高的耐火性。 [0043] 地聚合物(例如该地聚合物-气凝胶复合材料的地聚合物)可以由式I所示： [0044] (式I) (M)y[-(SiO2)z-AlO2]x·w H2O [0045] 其中各M独立地是元素周期表第1族的阳离子；x是2或更大的整数，且表示聚铝硅酸盐重复单元的数量；y是有理数或无理数，其选择使得y与x的比值大于0(y/x>0)，且优选大于0且小于或等于2(0 [0046] 该地聚合物-气凝胶复合材料可以通过在20℃-150℃的温度固化该地聚合物前体-气凝胶组合物而形成。此处包括和公开了从包括20℃到150℃的所有单一数值和子范围，例如该地聚合物-气凝胶复合材料可以通过在从20℃、25℃、30℃的下限到150℃、140℃或130℃的上限的范围内的温度固化该地聚合物前体-气凝胶组合物而形成。例如，该地聚合物-气凝胶复合材料可以通过在20℃-150℃、25℃-140℃或30℃-130℃的范围内的温度固化该地聚合物前体-气凝胶组合物而形成。该地聚合物-气凝胶复合材料可以通过固化该地聚合物前体-气凝胶组合物例如小于1分钟直到28天的时间而形成。此处包括和公开了从包括小于1分钟到28天的所有单一数值和子范围，例如该地聚合物-气凝胶复合材料可以通过固化该地聚合物前体-气凝胶组合物在从小于1分钟、1分钟或5分钟的下限到28天、24天或20天的上限的范围内的时间而形成。例如，该地聚合物-气凝胶复合材料可以通过固化该地聚合物前体-气凝胶组合物在从小于1分钟到28天、从1分钟到 24天或从5分钟到20天的时间而形成。对于一种或多种实施方式，该地聚合物前体-气凝胶组合物可以铸造成模(例如铸模)并固化。对于一种或多种实施方式，该地聚合物前体-气凝胶复合材料可以施加到基体(例如此处讨论的泡沫材料和/或面层)上并在其上固化。该地聚合物前体-气凝胶复合材料可以通过各种方法(例如浸渍、喷涂、辊涂、涂抹或另一方法)施加到该基体上。 [0047] 对于一种或多种实施方式，该气凝胶添加剂可以为该地聚合物-气凝胶复合材料层的5体积％-95体积％，使得该气凝胶添加剂和该地聚合物总计为该地聚合物-气凝胶复合材料层的100体积％。此处包括和公开了包括从5体积％到95体积％的所有单一数值和子范围，例如该气凝胶添加剂可以在从5体积％、10体积％、15体积％的下限到95体积％、85体积％或75体积％的上限的范围内，使得该气凝胶添加剂和该地聚合物总计为该地聚合物-气凝胶复合材料层的100体积％。例如，该气凝胶添加剂可以在5体积％-95体积％、10体积％-85体积％或15体积％-75体积％的范围内，使得该气凝胶添加剂和该地聚合物总计为该地聚合物-气凝胶复合材料层的100体积％。 [0048] 图1A示例了依照本发明的多种实施方式的耐火结构体102的一部分。为了各种应用，在其他参考用语中，此处公开的耐火结构体可以称作夹心面板、结构绝缘面板或自支撑绝缘面板 [0049] 此处公开的耐火结构体可以通过多种方法形成。作为实例，该耐火结构体可以通过连续方法形成，例如使用双传送带设置的连续层压方法，其中地聚合物前体-气凝胶组合物的组分可以沉积(例如倾注或喷雾)到第一面层表面(其可以是柔性的或刚性的)上，然后用于形成泡沫材料的反应混合物可以沉积(例如倾注或喷雾)到正在固化的地聚合物前体-气凝胶组合物上，然后可以将第二面层表面与该用于形成泡沫材料的反应混合物接触。对于各种应用，可以使用其他形成方法。例如，地聚合物前体-气凝胶组合物的组分可以沉积(例如倾注或喷雾)到第二面层的表面上。此外，此处所述的耐火结构体可以通过不连续的方法形成，包括将地聚合物前体-气凝胶组合物的组分沉积(例如倾注或喷雾)在第一面层和/或第二面层上。然后，可以将在其内表面上具有地聚合物-气凝胶热保护层的第一和第二面层放在压机中，可以在第一和第二面层之间沉积(例如倾注或注射)用于形成泡沫材料的反应混合物。 [0050] 该耐火结构体102可以用于多种应用。该耐火复合材料结构体102包括位于第一面层106和第二面层108之间的泡沫材料104。该耐火复合材料结构体102包括在泡沫材料104和第一面层106之间的地聚合物-气凝胶复合材料层110。 [0051] 该泡沫材料104可以是热固性泡沫体，例如已经通过不可逆反应形成为固化状态的聚合泡沫体。在其他热固性泡沫体中，该泡沫材料104可以是聚异氰脲酸酯泡沫体、聚氨酯泡沫体、酚醛泡沫体及其组合。作为实例，该泡沫材料104可以是刚性聚氨酯/聚异氰脲酸酯(PU/PIR)泡沫体。聚异氰脲酸酯泡沫体可以通过多元醇(例如聚酯多元醇)和异氰酸酯(例如亚甲基二苯基二异氰酸酯和/或聚(亚甲基二苯基二异氰酸酯))反应生成，其中异氰酸酯基团的当量数大于异氰酸酯反应性基团的，化学计量过量转化为异氰脲酸键，例如该比例可以大于1.8。聚氨酯泡沫体可以通过多元醇(例如聚酯多元醇或聚醚多元醇)和异氰酸酯(例如亚甲基二苯基二异氰酸酯和/或聚(亚甲基二苯基二异氰酸酯))反应生成，其中异氰酸酯基团与异氰酸酯反应性基团的当量数之比小于1.8。酚醛泡沫体可以通过酚(例如苯酚)和醛(例如甲醛)反应生成。该泡沫材料104的形成也可以包括使用发泡剂、表面活性剂和/或催化剂。 [0052] 图1B是沿图1A的切割线1A-1A所取的图1A的横截面视图。如图1B中所示例，该泡沫材料104位于耐火结构体102的第一面层106和第二面层108之间。该第一面层106和第二面层108可以是各种材料的，例如适用于复合建筑材料的材料。例如，依照本发明的多种实施方式，在其他材料中，第一面层106和第二面层108各自可以独立地由铝、钢、不锈钢、铜、玻璃纤维增强的塑料、石膏或其组合形成。第一面层106和第二面层108可以各自独立地具有0.05毫米-25.00毫米的厚度。此处包括和公开了包括从0.05毫米到25.00毫米的所有单一数值和子范围，例如该第一面层106和第二面层108可以各自独立地具有从25.00毫米、20.00毫米或15.00毫米的上限到0.05毫米、0.10毫米或0.20毫米的下限的厚度。例如，该第一面层106和第二面层108可以各自独立地具有0.05毫米-25.00毫米、0.10毫米-20.00毫米或0.20-15.00毫米的厚度。 [0053] 该泡沫材料104可以具有3毫米-300毫米的厚度105。此处包括和公开了包括从3毫米到300毫米的所有单一数值和子范围，例如该泡沫材料可以具有从300毫米、250毫米或200毫米的上限到3毫米、5毫米或7毫米的下限的厚度。例如，该泡沫材料可以具有 3毫米-300毫米、5毫米-250毫米或7毫米-200毫米的厚度。 [0054] 依照本发明的多种实施方式，该耐火结构体102包括在泡沫材料104和第一面层106之间的地聚合物-气凝胶复合材料层110。该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以包括此处所述的地聚合物112和气凝胶114。 [0055] 如此处所述，与其他面板方法(例如不具有地聚合物-气凝胶复合材料的面板)相比，该地聚合物-气凝胶复合材料(例如该地聚合物-气凝胶复合材料层110)可以为此处公开的结构绝缘面板提供提高的耐火性。与不具有地聚合物-气凝胶复合材料层110的面板相比，在暴露于类似的加热时，该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以提供该泡沫材料104将接受更少的热能。作为实例，可以通过将材料(例如耐火结构体102)暴露于来自炉子的加热并随后测定在该材料与该炉子相对的一侧上和/或在该材料的厚度上一定距离处随时间的温度升高量而测定耐火性。与在另一材料上相应的温度相比，在类似的加热条件下，在该材料的一部分上达到较低的温度可以被认为是耐火性的提高。 [0056] 如图1B中所示例，该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以与泡沫材料104相邻(例如在其上)。然而，实施方式并非限制于此。例如，该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以部分或全部与泡沫材料104通过粘合剂材料分隔开，该粘合剂材料将该地聚合物-气凝胶复合材料层110结合到该泡沫材料104上。该粘合剂材料可以包括交联粘合剂，例如热固性粘合剂。例如，在其他热固性粘合剂中，该粘合剂材料可以包括聚异氰脲酸酯、氨基甲酸酯(例如氨基甲酸酯胶)、环氧体系或磺化聚苯乙烯。 [0057] 该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以具有0.5毫米-100毫米的厚度111。此处包括和公开了包括从0.5毫米到100毫米的所有单一数值和子范围，例如该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以具有从100毫米、80毫米或60毫米的上限到0.5毫米、3毫米或5毫米的下限的厚度111。例如，该地聚合物-气凝胶复合材料层110可以具有0.5毫米-100毫米、3毫米-80毫米或5毫米-60毫米的厚度111。 [0058] 再次参照图1B，依照本发明的多种实施方式，该第一面层106可以构造为面向热源120(在其他热源中，例如火)。在图1B中示例的实施例中，热可以从热源120通过第一面层106和地聚合物-气凝胶复合材料层110移动到泡沫材料104。将该地聚合物-气凝胶复合材料层110相对于热源120位于泡沫材料104之前可以有助于提供该地聚合物-气凝胶复合材料层110的所需的效能以帮助保护该泡沫材料104和/或为该耐火结构体102提供提高的耐火性。 [0059] 图2是依照本发明的多种实施方式的耐火结构体202的横截面视图。如图2中所示，该耐火结构体202可以包括多于一个地聚合物-气凝胶复合材料层，例如地聚合物-气凝胶复合材料层210-1和第二地聚合物-气凝胶复合材料层210-2。该第二地聚合物-气凝胶复合材料层210-2可以具有与此处所述的地聚合物-气凝胶复合材料层210-1类似的性质。如图2中所示，该第二地聚合物-气凝胶复合材料层210-2可以位于泡沫材料204和第二面层208之间。尽管图2显示了两个地聚合物-气凝胶复合材料层210-1、210-2，然而实施方式并非限制于此。例如，此处公开的耐火结构体可以包括三个地聚合物-气凝胶复合材料层、四个地聚合物-气凝胶复合材料层或甚至更多的地聚合物-气凝胶复合材料层。 [0060] 以上已经以示例而非限制的方式进行了描述。本发明的各种实施方式的范围包括本领域技术人员一旦回顾了以上描述就会是显而易见的其他应用和/或组分。实施例 [0061] 在实施例中，使用了各种术语和材料名称，例如包括以下： [0062] 硅酸钠溶液(碱活化剂，52等级的硅酸钠溶液，可获自Occidental Chemical Corporation)；飞灰(铝硅酸盐反应物，F级飞灰，可获自 )；表面活性剂( P84，嵌段共聚物非离子表面活性剂，可获自BASF)；连续介质(去离子水，实验室制备)；气凝胶添加剂(Enova IC3110，可获自Cabot Corporation)；面层(0.3毫米厚的 304型不锈钢板)。 [0063] 实施例1 [0064] 如下制备地聚合物前体-气凝胶组合物实施例1。将水(19.5克)和硅酸钠溶液(35.5克)添加到容器中并混合。将Pluonic P84(0.834克)溶解在该容器的内容物中并混合。将飞灰(89.5克)添加到容器的内容物中并用高剪切混合机以700-900转/分钟(Model L1U08混合机，可获自 )混合。将气凝胶添加剂(3.186克)添加到容器的内容物中并混合。 [0065] 实施例2 [0066] 如下形成地聚合物-气凝胶实施例3 [0067] 如实施例1制备地聚合物前体-气凝胶组合物实施例3，只是改变以下：使用水(29.5克)、硅酸钠溶液(35.5克)、Pluonic P84(0.834克)、飞灰(89.5克)和气凝胶添加剂(17.350克)形成实施例3。 [0068] 实施例4 [0069] 如实施例2制备地聚合物-气凝胶复合材料实施例4，只是改变使用实施例3代替实施例1。实施例4测定为70体积％气凝胶添加剂和30体积％地聚合物。 [0070] 对比例A [0071] 如下制备地聚合物前体组合物对比例A。将水(3.0克)和硅酸钠溶液(71.0克)添加到容器中并混合。将飞灰(179.0克)添加到该容器的内容物中并用高剪切混合机以700-900转/分钟(Model L1U08混合机，可获自 )混合。 [0072] 对比例B [0073] 如下制备地聚合物对比例B。将对比例A [0074] 测定实施例2、实施例4和对比例B的密度。表1中的数据显示了实施例2、实施例4的密度。表2中的数据显示了对比例B的密度。 [0075] 表1 [0076]密度(g/cm3) 实施例2 1.127 实施例4 0.656 [0077] 表2 [0078]密度(g/cm3) 对比例B 1.833 [0079] 表1-2的数据显示了实施例2和实施例4的密度都小于对比例B的密度。与对比例B相比实施例2和实施例4较低的密度表示在地聚合方法过程中气凝胶添加剂并未消耗，以及该气凝胶添加剂不是地聚合物重要的二氧化硅来源。与对比例B相比，实施例2和实施例4较低的密度表示在地聚合方法过程中气凝胶添加剂保持未受影响且表示实施例2和实施例4各自都是地聚合物-气凝胶复合材料。 [0080] 通过热盘技术测定实施例2、实施例4和对比例B的热导率。表3中的数据显示了以瓦特/米开尔文(W/(m·K))计的实施例2和实施例4的热导率。表4中的数据显示了以W/(m·K)计的对比例B的热导率。 [0081] 表3 [0082] [0083] 表4 [0084] [0085] 表3-4的数据显示了在测试的各个温度，实施例2和实施例4的热导率都小于对比例B的热导率。与对比例B相比，实施例2和实施例4较低的热导率表示在地聚合方法过程中气凝胶添加剂并未消耗，以及该气凝胶添加剂不是地聚合物重要的二氧化硅来源。与对比例B相比，实施例2和实施例4较低的热导率表示在地聚合方法过程中气凝胶添加剂保持未受影响且表示实施例2和实施例4各自都是地聚合物-气凝胶复合材料。 [0086] 实施例5 [0087] 如下制备耐火结构体实施例5。将实施例1制备的地聚合物前体-气凝胶组合物浇铸到模具中，然后将泡沫材料压制到该浇铸的地聚合物前体-气凝胶组合物上。将该浇铸的地聚合物前体-气凝胶组合物在60℃固化12小时，形成结合到泡沫材料上的10毫米TM厚的地聚合物-气凝胶复合材料层。该泡沫材料是以VORATHERM CN604聚异氰脲酸酯体系制备的聚异氰脲酸酯泡沫体，具有150毫米的厚度，可获自The Dow Chemical Company。 TM 用非发泡聚氨酯(FoamFast 74，可获自3M )将0.3毫米厚的304型不锈钢板粘贴到该地聚合物-气凝胶复合材料层上。 [0088] 对比例C [0089] 如下制备对比例C。将对比例A制备的地聚合物前体组合物浇铸到模具中，然后将泡沫材料压制到该浇铸的地聚合物前体组合物上。将该浇铸的地聚合物前体组合物在60℃固化12小时，形成结合到泡沫材料上的10毫米厚的地聚合物层。该泡沫材料是以TM VORATHERM CN604聚异氰脲酸酯体系制备的聚异氰脲酸酯泡沫体，具有150毫米的厚度，TM 可获自The Dow Chemical Company。用非发泡聚氨酯(FoamFast 74，可获自3M )将0.3毫米厚的304型不锈钢板粘贴到该地聚合物层上。 [0090] 如下测试实施例5和对比例C的耐火性。在THERMO ThermolyneModel 48000炉的门中形成76.2毫米*76.2毫米的孔。遵循依照EN 1361-1试验标准中所用的温度时间曲线(其是ISO-834-1中相同的加热曲线)，将该炉加热到1000℃。分别将实施例5和对比例C的各钢板夹在该炉门的孔上。将热电偶放在实施例5的泡沫材料中从暴露于热源的不锈钢板起80毫米、100毫米和120毫米处，以记录温度并测定耐火性。为了实验目的，实施例5不包括第二面层。表5显示了相当于在1小时和2小时时测定的实施例5的各热电偶位置的温度的数据。将热电偶放在对比例C的泡沫材料中从暴露于热源的不锈钢板起80毫米、100毫米和120毫米处，以记录温度并测定耐火性。对比例C不包括第二面层。表6显示了相当于在1小时和2小时时测定的对比例C的各热电偶位置的温度的数据。 [0091] 表5 [0092] [0093] 表6 [0094] [0095] [0096] 表5-6的数据显示对于各试验时间实施例5在各热电偶位置的温度都低于对比例C在相同的试验时间各相应热电偶位置处的温度。与对比例C相比，实施例5较低的温度表明实施例5与对比例C相比具有提高的耐火性。 |
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