[0001]本发明涉及可用于以下应用的高强度结构板，该应用包括 屋顶、地板、墙、门和其它结构的建筑构造，其中高的强度与密度比 和改善的阻燃特性是有用的。更详细地讲，本发明涉及碳泡沫在结构 绝缘板中的用途，该结构绝缘板高度耐热、湿和其它环境应力，同时 维持极高的压缩强度。

[0002]许多住宅单元的结构由木材材料和金属钉的组合建造。在 结构框架的建造之后，安装绝缘材料如玻璃纤维绝缘层以控制从住宅 外部至内部的热传导。也使用经常包含石膏板的内部嵌板，以维持外 墙和内表面之间的玻璃纤维绝缘层的放置。虽然该类型的建筑结构可 较好地理解和具有足够的强度，但该方法既缓慢又是劳动密集的。此 外，这些结构对环境应力如湿气或昆虫维持差的绝缘性和抗性。因此， 结构绝缘板(SIPs)用作结构建筑材料已经获得普及。外部的高强度层 基本上附接至绝缘内层，产生具有强度和绝缘性两者的夹层。例如， Smith的美国专利第4,163,349号公开了绝缘建筑物，但该绝缘建筑物没 有足够的绝热性。

[0003]Hardcastle等(美国专利第4,425,396号)公开了包含合成有 机聚合物泡沫的绝缘板，该合成有机聚合物泡沫包含由多个热塑性塑 料片组成的保护性风化层。

[0004]Cahi1l(美国专利第6,656,858号)描述了由约0.5-3磅/立方英 尺的低密度层和聚合物结构的第二、增强层组成的轻质层压墙。这些 结构为轻质的，具有低的抗湿性，满足建筑规范关于横向风载荷的要 求。

[0005]Porter(美国专利第6,599,621号)描述了具有高强度和防火 和特别防水和湿度变化的SIP。该公开的结构包含内部绝缘芯，该内部 绝缘芯在一个表面上具有石膏纤维板，在第二表面上具有定向结构刨 花板。优选，该绝缘芯包含塑料泡沫如发泡聚苯乙烯或氨酯，该塑料 泡沫与石膏纤维板和定向结构刨花板两者粘合。

[0006]Porter(美国专利第6,588,172号)描述了将塑料浸渍纸的层 压层掺入到SIP以增加板的拉伸强度，同时使它防潮。典型地该层置于 石膏板和塑料泡沫芯之间，通过常规的粘合剂粘附。

[0007]Parker(美国专利第4,628,650号)描述了包含泡沫芯的SIP， 该泡沫芯包含具有从泡沫芯边缘突出的突出部分的层。设置该突出部 分以促进相邻SIPs之间的有效密封，提供更好的热绝缘。另外，该板 的芯具有穿过用于放置托梁、大头钉或椽的结构的通道。

[0008]Clear(美国专利第6,079,175号)描述了用于建筑结构的粘 结材料SIP。将轻质填充材料如底灰、水泥和水倒入两个最外层肋状物 的空间之间，据称这为板和因此板包含的结构提供绝缘、强度以及刚 度。该SIP的优点为可在偏远地区或更贫瘠的地区构建，因为它构建起 来相当便宜。

[0009]Pease(美国专利第6,725,616号)制备绝缘混凝土墙体，该绝 缘混凝土墙体用附接至增强绝缘条的块铸造或构建。该专利权人指 出，使用专利权人的将增强的硬质泡沫固定至混凝土墙体表面的方法 制备绝缘墙体时，使用者将需要较少的时间和劳动。

[0010]Pease(美国专利第6,892,507号)描述用硬质泡沫片制备SIP 的方法和装置。硬质泡沫片具有放置增强条的多个凹槽。然后用增强 片材将条和硬质泡沫覆盖和粘合，该片材提供结构支撑和保湿性两 者。

[0011]不幸地是，先有技术制备的SIPs对于许多要求高强度包括 高压缩强度值的结构应用无效。此外，所有先有技术要求保护的大多 数SIPs不能有效抗燃烧或经历显著炭化的高温或明火。另外，先有技 术SIPs通常缺乏高的强度与密度比，使得这样的SIPs不适于其中建筑 结构需要的轻质、绝缘并且坚固的板的应用。

[0012]因此，希望具有低密度和期望的隔热性质的结构板，其中 该板具有高强度和高强度与密度比，该高强度和高强度与密度比使碳 泡沫结构绝缘板可用于以下的结构应用：包括屋顶、地板、门和墙。 的确已经发现，对于不限于住宅建筑物、商业建筑物、飞行器或船舶 的结构应用，包括高于先有技术考虑的强度与密度比和压缩强度，以 及高于先有技术考虑的阻燃性的特性组合为必需的。

[0013]本发明提供独特地能够用于要求高强度与密度比和/或高 燃烧或炭化抗性的应用中的SIP。本发明的碳泡沫结构绝缘板显示提供 迄今未见到的强度和相对轻质特征的组合的密度、压缩强度和压缩强 度与密度比。另外，在从高湿度到严重低温的其它环境条件下，碳泡 沫的碳素晶格产品在维持结构完整性的同时抗炭化和燃烧两者。此 外，可以期望的尺寸和构型制备碳泡沫，对于结构绝缘板的特定尺寸 来讲可容易地机械加工。

[0014]更详细地讲，本发明的结构碳泡沫板具有密度为约0.05-约 0.6克/厘米3(g/cc)、压缩强度为至少约2000磅/英寸2(psi)(例如用ASTM C695测定)的碳泡沫芯。当预定用于构造应用时，碳泡沫芯的重要特 征为可获得高于7000psi/g/cc的强度与密度比的强度与密度比。

[0015]为了在整个板上一致的热绝缘和强度特征，在纵向和横向 上，本发明的结构碳泡沫板都应具有相对均匀密度的碳泡沫芯。特别 是，为了提供要求的高压缩强度该碳泡沫应具有相对均匀的孔隙分 布，孔隙为相对各向同性的。此外，碳泡沫芯应具有约65％-约95％， 更优选约70％-约95％的总孔隙率，以形成碳泡沫结构绝缘板的最佳强 度与密度比。

[0016]为制备碳泡沫芯，最好在范围可为约500℃，更优选至少约 800℃至约3200℃的温度下，在惰性或空气排除的气氛下将聚合物泡 沫块特别是酚醛泡沫块碳化，制备用于结构碳泡沫板的碳泡沫。

[0017]在加入外层之前，可用各种涂料处理碳泡沫芯以改善碳泡 沫SIP的总性能。例如，可将抗氧化涂料涂覆至碳泡沫以增加高氧化性 条件下的SIP寿命。另外，当暴露于极端温度时，也可将阻燃涂料涂覆 至碳泡沫芯以进一步增加碳泡沫芯和因此SIP的完整性。

[0018]因为整体碳泡沫SIP通常设计为平面，因此碳泡沫芯的第一 外侧面和第二外侧面覆盖有层。任选，外层之一层可由定向结构刨花 板(strand board)(OSB)组成，而其他外层由各种石膏板组成。存在其它 外层，该其它外层包括但不限于各种热塑性塑料、有机片材、纤维浸 渍物和复合板。

[0019]应将碳泡沫芯粘合至外层以构造SIP。可通过使用材料如在 外层和碳泡沫芯之间产生化学相互作用的粘合剂或粘固剂进行粘合。 这些材料包括碳泡沫应用专用粘合剂和一般的粘固剂、胶粘剂或高温 胶。任选可使用机械材料。

[0020]因此，本发明的一个目的为结构碳泡沫板，该结构碳泡沫 板具有确保它用作要求高强度与密度比的结构应用的特征。

[0021]本发明的另一个目的为结构板，其具有碳泡沫芯结构，该 结构具有高足以用于高应力结构应用的压缩强度。

[0022]本发明的还另一个目的为结构碳泡沫板，其中碳泡沫芯提 供阻燃屏障，该阻燃屏障非常抗燃烧和炭化。

[0023]本发明的还另一个目的为可以期望尺寸和构型制备的结构 绝缘板泡沫，其中碳泡沫芯可由机械加工或与其它类似的碳泡沫片结 合提供更大的结构碳泡沫板。

[0024]本发明的另一个目的为提供抗环境应力的结构绝缘板，该 环境应力包括高湿度和严重的温度波动。

[0025]本发明的还另一个目的为提供结构碳绝缘板，其中碳泡沫 芯提供足够的热绝缘以在板的外部和板的内部之间维持温差。

[0026]阅读以下描述后，这些方面和其它方面对技术人员来讲将 是显而易见的，通过提供含有碳泡沫芯的结构碳泡沫板，可实现这些 方面和其它方面，所述碳泡沫芯的压缩强度与密度比率为至少约7000 psi/g/cc，压缩强度与密度比率尤其为至少约8000psi/g/cc。本发明的 SIP具有碳泡沫芯，该碳泡沫芯的密度为约0.03g/cc-约0.6g/cc、更优 选为约0.05g/cc-约0.15g/cc，压缩强度为至少约2000psi，孔隙率为约 65％-约95％。此外，碳泡沫芯的热传导率为约0.06W/mK-约0.3W/mK。

[0027]此外，可通过在惰性或空气排除的气氛下将聚合物泡沫制 品，尤其是酚醛泡沫碳化来制备碳泡沫芯。用于碳泡沫芯的酚醛泡沫 前体的压缩强度应优选为至少约100psi。

[0028]应理解，上述一般描述和以下详细描述提供本发明的实施 方案，并将提供对要求保护的本发明的性质和特征理解的概观或框 架。附图简述

[0029]图1为依照本发明实施方案的碳泡沫结构绝缘板的视图。实现本发明的最佳方式

[0030]从聚合物泡沫，如聚氨酯泡沫或酚醛泡沫，优选酚醛泡沫 制备依照本发明的碳泡沫芯的碳泡沫。酚醛树脂为聚合物和低聚物的 大家族，其由基于苯酚和甲醛的反应产物的各种结构组成。当存在酸 性或碱性催化剂时，通过苯酚或取代苯酚与醛、尤其是甲醛的反应制 备酚醛树脂。酚醛树脂泡沫为由开孔(cell)和闭孔组成的固化系统。该 树脂通常为氢氧化钠催化的水性甲阶酚醛树脂，其甲醛：苯酚比率可 变化，但优选为约2:1。游离苯酚和甲醛含量应为低含量，虽然尿素 可用作甲醛清除剂。

[0031]通过调节树脂的水含量和加入表面活性剂(例如乙氧基化 非离子型表面活性剂)、发泡剂(例如戊烷、二氯甲烷或氯氟烃)和催化 剂(例如甲苯磺酸或苯酚磺酸)制备泡沫。磺酸催化反应，而放热引起 发泡剂在树脂中乳化，以使泡沫蒸发和膨胀。表面活性剂控制孔尺寸 和开孔单元与闭孔单元的比率。采用间歇过程和连续过程两者。在连 续过程中，机器类似于连续聚氨酯泡沫使用的机器。泡沫的性质主要 取决于密度和孔结构。

[0032]优选的苯酚为间苯二酚，然而，也可使用能够与醛形成缩 合产物的其它类苯酚。这样的苯酚包括一元酚和多元酚、邻苯二酚、 对苯二酚、烷基取代的苯酚例如甲酚或二甲苯酚；多环一元酚或多元 酚，例如萘酚、对，对′-二羟基联苯(p，p′-dihydrexydiphenyl)二甲基甲烷 或羟基蒽。

[0033]用于制备泡沫起始原料的苯酚也可用于与能够以如苯酚一 样的方式与醛反应的非酚类化合物混合。

[0034]优选的用于溶液的醛为甲醛。其它合适的醛包括将以同样 的方式与苯酚反应的那些醛。这些醛包括例如乙醛和苯甲醛。

[0035]一般而言，可用于本发明的方法的苯酚和醛为美国专利第 3,960,761和5,047,225号中描述的那些，其公开内容通过引用结合到本 文中。

[0036]任选为增加抗氧化性，可通过只用于改善碳泡沫抗氧化性 的化合物特定包含物产生本发明的SIP的碳泡沫芯。这样的固体氧化抑 制添加剂包括磷酸铵、磷酸铝、磷酸锌或硼酸。氧化抑制添加剂的另 外的特征为可在碳泡沫制备的树脂制备阶段或酚醛泡沫形成阶段期 间加入该添加剂。使用任一方法，最后的酚醛泡沫碳化引起磷或硼保 留在碳泡沫结构内部，降低碳泡沫的氧化率。特别是，最后的碳泡沫 产品中保留的约0.01％-约0.5％重量的磷或硼降低氧化率超过50％。

[0037]或者，在碳化过程完成之后但在SIP中集成之前，可用氧化 -抑制剂处理碳泡沫产品。优选的方法为用含磷材料如磷酸铵、磷酸、 磷酸铝或磷酸锌的水溶液浸渍碳泡沫，然后热处理至约500℃以同时 去除水和将磷固定至碳。另外，可将水溶性硼化合物如硼酸引入上述 方法以产生抗氧化性碳泡沫产物。

[0038]在碳泡沫芯的制备中用作起始原料的聚合物泡沫应具有反 映待形成的碳泡沫期望的最终密度的初始密度。换句话说，聚合物泡 沫的密度应为约0.03g/cc-约0.6g/cc，更优选约0.05g/cc-约0.4g/cc，最 优选约0.05g/cc-约0.15g/cc。聚合物泡沫的孔结构应接近约65％-约 95％的孔隙率和相对高的压缩强度，即大约为至少约100psi，和高至 约300psi或更高。

[0039]为了将聚合物泡沫转变为碳泡沫，在惰性或空气排除的气 氛例如在氮气存在的情况下，通过加热至约500℃、更优选至少约 800℃、最高达约3200℃的温度，将泡沫碳化。应控制加热速率，以 便在几天的时间内使聚合物泡沫达到期望的温度，因为在碳化期间聚 合物泡沫可收缩多达约50％或更多。为了有效的碳化，应小心以确保 聚合物泡沫片的均匀加热。

[0040]通过使用在惰性或空气排除的气氛下加热的聚合物泡沫， 获得非石墨化玻璃碳泡沫，其具有起始聚合物泡沫的近似密度，但压 缩强度为至少约2000psi，且强度与密度比显著地为至少约7000 psi/g/cc，更优选至少约8000psi/g/cc。碳泡沫具有相对均匀分布的各 向同性孔隙，该孔隙的平均长宽比为约1.0-约1.5。

[0041]为了进一步阐述本发明的原则和操作，提供以下表格来阐 述碳泡沫芯可具有的不同性质。然而，在任何方面都不应将该表格视 为限制。

[0042]通过使用不同密度前体材料，制备用于本发明SIP的碳泡沫 芯的一系列碳泡沫。该产品的性质列于下面。

[0043]现在参考图1，该图显示依照本发明的一个实施方案具有碳 泡沫芯12的SIP 10局部侧视图。

[0044]碳泡沫芯12和SIP 10通常为平面的，虽然可构造满足各种 规格。任选通过机械加工或模塑，碳泡沫芯12可为弯曲的或具有圆形 边缘以最好地适合期望的结构应用。

[0045]SIP 10包括位于碳泡沫芯12的相对外表面的第一外层14和 第二外层16。如同碳泡沫芯12和SIP 10一样，第一外层14和第二外层 16都可具有用于期望应用的各种形状。第一外层14和第二外层16可包 含相似的或完全不同的材料，取决于SIP的特定结构应用。这些材料包 括典型的构造材料如夹板、定向结构刨花板、干墙、石膏、粘固剂复 合材料、木材复合材料或各种其它刚性有机或无机构造板。此外，第 一外层14和第二外层16也可为上述材料的浸渍物或包括热塑性塑料、 树脂、碳复合材料、陶瓷复合材料或各种其它人工产生的材料。在要 求显著刚性或耐磨性的特定结构应用中，可使用各种金属化合物以包 含第一外层14和第二外层16两者。在飞行器制造的情况中，这些层可 包括环绕碳泡沫芯12的薄金属皮，或在刚性船舶的情况中，外层14和 外层16可包括硬化的金属复合材料。显然，第一外层14和第二外层16 的选择将基于特定SIP 10的必要拉伸强度和阻燃性质。此外，第一外 层14和第二外层16可为两种不同的材料，其中SIP 10的使用需要这样 的性质。例如在住宅建筑物结构中，第一外层14可由相当不受环境应 力影响的热塑性塑料组成，而第二外层16可为石膏板或住宅建筑物内 部更常见的美观的嵌板。可包含外层14和16之一或两者的其它材料包 括但不限于以下材料：纸、加强的纸复合材料、定向结构刨花板、纤 维板、干墙、石膏、石膏复合材料、木材、木材复合材料、夹板、热 塑性塑料、塑料复合材料、树脂、金属、金属合金、金属复合材料及 其组合。

[0046]在另外的实施方案中，将膨胀石墨的压缩颗粒片掺入至 SIP，处于与碳泡沫芯接触的位置。这些石墨片可位于碳泡沫芯的一个 侧面或两个侧面上、位于外层和碳泡沫芯之间。可通过将包含例如硝 酸和硫酸混合物的溶液插入石墨片，通过暴露于热中使薄片膨胀或剥 落，然后压缩剥落的薄片形成相干片来制备合适的膨胀石墨压缩颗粒 片(在工业中经常称为＂柔性石墨＂)。在例如美国专利申请公布号 US-2005-0079355-A1中描述了膨胀石墨压缩颗粒片的制备，其公开内 容通过引用结合到本文中。

[0047]通过将膨胀石墨压缩颗粒片掺入碳泡沫芯，产生了优异的 阻燃结构。在碳泡沫芯的一个或两个相对侧面上，压缩膨胀石墨片的 各向异性热性质提供热管理的显著改善，允许SIP作为阻燃材料用于多 种应用中。

[0048]第一外层14和第二外层16通过粘合或粘结材料18与碳泡沫 芯12连接。该粘合或粘结材料18可包括适用于从高温条件至暴露于酸 性环境的特定应用的化学粘合剂。不同的化学粘合材料包括粘合剂、 胶、粘固剂和胶粘剂。任选可通过机械材料将第一外层14和第二外层 16附接至碳泡沫芯12。虽然该方法的确影响碳泡沫芯12的完整性和均 匀特性，机械连接可获得低成本，并且非常快的完成。将第一外层14 和第二外层16附接至碳泡沫芯12的各种机械附接方法包括但不限于 钉、大头钉、螺旋钉、支柱、压杆、扣件、钩环及其组合。另外，可 通过外层14和16与碳泡沫芯的一系列高度压缩处理，将第一外层14和 第二外层16压粘至碳泡沫芯。虽然比机械或化学附接选项持久差，但 该附接类型没有如化学或机械附接方法那样引入额外的化合物或削 弱碳泡沫芯12的结构完整性。

[0049]第一涂层20和第二涂层22都是任选的，并涂覆至碳泡沫芯 12以改变碳泡沫芯12的性质。特别是，第一涂层20和第二涂层22可相 同或不同，取决于碳泡沫芯12的条件和必需的性质。例如第一涂层20 和第二涂层22都可为阻燃性改善涂层，以改善碳泡沫芯12的阻燃性。 另外，在其中SIP 10的一个侧面更可能暴露于氧化环境，而SIP 10的其 他侧面更可能暴露于火中时，第一涂层20可为抗氧化涂层，第二涂层 22可为阻燃涂层。并且，任选采用第一涂层20和第二涂层22；对于SIP10的许多应用，第一涂层20和第二涂层22都不是必需的。

[0050]用碳泡沫芯12作为SIP 10中的绝缘层，SIP 10具有固有的阻 燃/抗燃性质。因为其它绝缘材料只从结构绝缘板的结构中排除氧，因 此碳泡沫芯12对燃烧或炭化都非常有抗性。特别是，碳泡沫芯12主要 将碳与它的泡沫构造内部存在的相对少的其它元件连接。因此，除了 碳泡沫芯12的碳的简单氧化以外，几乎没有燃烧存在。为使该氧化发 生，温度必须达到相当极端的温度，使得碳泡沫芯12非常适用于其中 要求阻燃结构的商业结构和住宅结构中。

[0051]相似地，碳泡沫芯12对许多环境应力有抗性，该环境应力 包括昆虫、湿度和热。碳泡沫为非常坚硬的物质，使得它本身不适于 昆虫居住，而湿度变化几乎不改变它的化学和结构性质。此外，可选 择第一外层14和第二外层16用于SIP 10将经历的特定环境应用。

[0052]最后，SIP 10和它的优异的强度与密度比和阻燃性使得SIP 10适用于各种结构应用。在其中期望低密度但牢固的材料，其中也要 求阻燃性的建筑物构造中，SIP 10相当特别地有用。此外，含有碳泡 沫芯12的SIP 10具有期望的耐热性，因此在建筑物内帮助维持控制的 气候。由于其高压缩强度与密度比，SIP 10对于要求轻质和坚固结构 的船舶也是理想的。特别是，SIP 10可用于经历多种压缩但必须尽可 能轻以维持船舶的机动性的航空母舰甲板。此外，SIP 10作为航空母 舰甲板也将阻燃性元件直接灌注至甲板嵌板中。SIP 10的另外的用途 可为飞行器的构建，其中刚性和坚固但轻质的材料是有用的。这些上 述应用为本发明的碳泡沫结构绝缘板的可行用途，但绝不表示这些应 用包括本发明实用的所有应用。

[0053]因此，通过本发明的实施，制备了具有迄今未被识别特征 的包含碳泡沫芯的SIP。这些含有碳泡沫芯的SIP显示特别高的压缩强 度与密度比、改善很多的阻燃性和环境稳定性，使得它们在从住宅建 筑到飞行器和船舶结构单元的结构应用中独特地有效。

[0054]本申请中参考的所有引用专利和出版物的公开内容通过引 用结合到本文中。

[0055]上述描述用于确保本领域技术人员能够实施本发明。不打 算详述所有可能的变化和修改，在阅读本说明书后这些变化和修改对 技术人员来讲是显而易见的。然而，所有这样的修改和变化将包括在 权利要求定义的本发明范围内。权利要求将涵盖有效满足本发明预定 目的的任何排列或顺序的指示元件和步骤，除非上下文中明确表明是 相反的。